異構冗余模式下電視播出系統(tǒng)方案設計

章海軍

關鍵詞：異構冗余；容錯技術；播出系統(tǒng)；方案設計

目前，電視播出系統(tǒng)基本上采用設備級冗余備份的方式，關鍵設備（如視頻服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)存儲陣列等）大部分采用雙機互備或三機備份方式，而播出系統(tǒng)層級熱備異構冗余應用比較少，主要為后備模式。如何設計電視播出系統(tǒng)安全防御機制，并使其在個別播出子系統(tǒng)存在安全隱患或發(fā)生故障時，仍然可以保障電視播出系統(tǒng)整體運行的安全性和可靠性，是一個值得研究的課題。本文以淮安市廣播電視臺融媒播總控平臺項目建設為例，采用異構冗余架構來組建高可靠性的電視播出系統(tǒng)，旨在為廣電行業(yè)的安全播出提供可借鑒的經(jīng)驗。

1異構冗余的概念

電視播出系統(tǒng)的冗余容錯能力是衡量其安全可靠的指標之-[1]。在傳統(tǒng)數(shù)字電視播出系統(tǒng)容錯設計中廣泛應用硬件（設備）級冗余形式。隨著信息量、數(shù)據(jù)量的劇增，出現(xiàn)了播出系統(tǒng)的異構冗余設計。冗余容錯技術是通過增加一些具備同等功能、協(xié)調(diào)同步運行的播出子系統(tǒng)，并對它們的運行結果用投票的方式?jīng)Q定輸出，即使其中有一個或少數(shù)幾個設備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也不會影響整個系統(tǒng)輸出的正確性，從而提高播出系統(tǒng)的整體可靠性[2]。但在n模冗余系統(tǒng)中使用完全一致的子系統(tǒng)或硬件設備、軟件模塊等作為并聯(lián)組件時，由于結構相同，在某些條件下很可能同日寸出現(xiàn)多個子系統(tǒng)或硬件或軟件同日寸失效，即所謂的“共模失效”。異構冗余模式的出現(xiàn)，極大地降低共模失效的概率[3]，其并聯(lián)使用多個架構、功能或性能等價的異構組件。

異構冗余架構是保證電視播出系統(tǒng)可靠性的方法之一，并輔以出錯概率越小的表決機制，整個播出系統(tǒng)的安全性較高。

2冗余容錯設計涉及的相關技術

電視播出系統(tǒng)設計時要充分利用先進技術、行業(yè)標準及網(wǎng)絡化、IP化、智能監(jiān)控手段，輔以多重異構冗余設計，有效杜絕系統(tǒng)設備或人工操作失誤導致的安全播出事故。電視播出系統(tǒng)設計時還必須考慮供電系統(tǒng)安全、機房環(huán)境安全、系統(tǒng)設備選型、系統(tǒng)智能監(jiān)控監(jiān)測、同步授時安全、應急播出措施等。

2.1數(shù)據(jù)容錯技術

數(shù)據(jù)容錯技術能夠?qū)?shù)據(jù)服務中斷進行有效控制[4]，以提升備數(shù)據(jù)庫服務器接管的可靠性。針對電視播出系統(tǒng)的需要，在數(shù)據(jù)庫容錯技術上采用了數(shù)據(jù)復制技術。異構數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)復制使用分布式異構檢查點和日志技術來實現(xiàn)，捕獲數(shù)據(jù)的凈變化。異構數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)不一致時使用恢復機制進行數(shù)據(jù)恢復，以確保異構數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)始終保持一致[5]。

2.2容錯備份技術

在播出系統(tǒng)設備、軟件出現(xiàn)故障及其子系統(tǒng)崩潰的情況下，容錯備份手段可以確保整個系統(tǒng)仍能保持正常運行。眾所周知，電視播出系統(tǒng)中不得有單節(jié)點出現(xiàn)，即播出鏈路中不得有單節(jié)點設備存在。即便如此，如字幕機等出現(xiàn)故障時必須有相應的應急備份手段。同樣，單播出系統(tǒng)運行也是不允許的，播出系統(tǒng)中關鍵節(jié)點、唯一崩潰點及子系統(tǒng)的冗余備份是提高整個播出系統(tǒng)可靠性、安全性的有效方法，每個播出頻道必須至少具有兩套冗余播出子系統(tǒng)。有條件的播出機構每個播出頻道可以建設成主備、二備的三模異構冗余播出子系統(tǒng)。當其中某個或2個子系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會在無感情況下自動啟用冗余備份子系統(tǒng)，并替代應急播出流程，實現(xiàn)自動容錯備份。

2.3數(shù)據(jù)庫冗余備份

數(shù)據(jù)庫冗余備份類型有4種，異構冗余數(shù)據(jù)庫的構成有：不同類型的數(shù)據(jù)庫運行在相同或不同操作系統(tǒng)上，以及相同類型的數(shù)據(jù)庫運行在不同操作系統(tǒng)上三種形式。本項目中，SDI播出子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫采用“主備+二備”的三級異構冗余備份數(shù)據(jù)庫服務架構，IP播出子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫則采用“主、備虛機+物理機”冗余模式。在主備數(shù)據(jù)庫上配置雙機熱備軟件，二備及物理機則采用1臺獨立的機架式服務器通過分發(fā)訂閱方式做定時數(shù)據(jù)備份。在不同操作系統(tǒng)（Windows server 2019或Linux）上運行同種類型的數(shù)據(jù)庫（SQL Server 2017），并采用3個異構的冗余數(shù)據(jù)庫服務器可以提高系統(tǒng)的可生存性。在系統(tǒng)運行過程中，有必要對各個異構數(shù)據(jù)庫服務器中的數(shù)據(jù)進行同步，以免異構服務器間的數(shù)據(jù)不一致。

2.4文件系統(tǒng)冗余設計

為確保文件數(shù)據(jù)的安全，必須具備安全穩(wěn)定的存儲環(huán)境。文件系統(tǒng)冗余備份主要包括將各種音視頻文件、文檔、文本等非結構化數(shù)據(jù)集中儲存在NAS服務器中。電視播出系統(tǒng)中設置有三級存儲：一級存儲（信號采集工作站）存儲的是采集素材；二級存儲（NAS）存儲的是已審核的待播素材（素材中轉(zhuǎn)與歸檔）：三級存儲（播出服務器本地）存儲的是即將播出的素材。本項目中，二級存儲系統(tǒng)采用3節(jié)點H3CUniStor X10536 G3存儲陣列，其采用全對稱分布式融合架構，具有分布式全局緩存功能，可以有效提高集群讀寫性能，并具備保護數(shù)據(jù)能力，冗余組網(wǎng)時，其容災能力可確保文件系統(tǒng)業(yè)務正常運行。

2.5媒體數(shù)據(jù)過濾技術

采用媒體數(shù)據(jù)過濾技術可使異構冗余播出系統(tǒng)實現(xiàn)安全信息交換和資源共享。SDI與IP兩個異構播出子系統(tǒng)間配置安全網(wǎng)閘和防火墻，使用安全網(wǎng)閘以確保兩個異構播出系統(tǒng)間控制信息的擺渡，通過防火墻來共享待播素材文件。安全網(wǎng)閘的作用是切斷網(wǎng)絡之間的通用協(xié)議連接，系統(tǒng)內(nèi)部通過身份認證機制獲取所需數(shù)據(jù)。當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包存在安全隱患時會立即粉碎和丟棄。在主備核心交換機上各嵌入一塊防火墻板卡，隔絕SDI與IP兩個異構播出子系統(tǒng)間業(yè)務交換帶來的安全風險。媒體數(shù)據(jù)過濾技術確保了兩個異構播出子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的安全傳輸，達到了網(wǎng)間物理隔離要求。

2.6數(shù)據(jù)表決機制

多重異構冗余播出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表決可分為軟件表決和硬件表決。其硬件設備就是播出系統(tǒng)中常用的二選一、三選一、四選一等自動倒換器，其內(nèi)部完成的輸入表決屬于軟件表決。以四選一為例，采取三取一表決，即系統(tǒng)選取3個子系統(tǒng)輸出信號中的正常的、選先級高的那一路信號作為表決結果，第4路為應急播出信號（如墊片信號、應急錄像機信號等）。如3個子系統(tǒng)選先級由高到低順序為子系統(tǒng)1、子系統(tǒng)2、子系統(tǒng)3，當檢測到某個子系統(tǒng)工作異常時，四選一會自動拒絕其送來的錯誤數(shù)據(jù)，啟用其數(shù)據(jù)表決真值表來選用另外2個中優(yōu)先級別高的子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)持續(xù)運行。

3基于（mSDl+nIP 2的異構冗余電視播出系統(tǒng)方案設計

3.1SDI與IP異構播出子系統(tǒng)設計

3.1.1SDI播出子系統(tǒng)安全設計

淮安市廣播電視臺SDI播出子系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由主備冗余數(shù)據(jù)庫服務器、上載系統(tǒng)、二級存儲陣列、應急錄像機、視頻服務器、16X4切換器、鍵混、智能化模塊化周邊信號處理板卡及控制計算機等組成。

系統(tǒng)配有4通道GV I/O高清視頻服務器2臺來完成淮安市廣播電視臺3個高標清同播頻道的播出業(yè)務，3個SDI播出子系統(tǒng)均配備2臺視頻服務器中的1個通道作為冗余播出通道，2臺視頻服務器的第4個通道均設置為應急上載通道。

SDI播出子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用VDCP和AMP等控制協(xié)議，系統(tǒng)中配置了RS422服務器、主備冗余播出控制工作站和相應的播控狀態(tài)監(jiān)測切換軟件，并采用松耦合播出方式，確保視頻服務器可以在非常時期獨立完成播出業(yè)務。

3.1.2IP播出子系統(tǒng)安全設計

IP播出子系統(tǒng)采用目前最先進的SMPTE ST2110標準，擁有獨立的IP信號源、IP信號處理、IP信號調(diào)度、控制系統(tǒng)、IP信號采集與播出、系統(tǒng)授時、數(shù)據(jù)庫及存儲陣列等，與SDI播出子系統(tǒng)完全異構，具有可靠性、安全性和可操作性。IP子系統(tǒng)的引入，使電視播出系統(tǒng)輕量化，同時大幅降低系統(tǒng)建設成本。

如圖2所示，IP子系統(tǒng)配有2臺主備冗余IP播出矩陣，以實現(xiàn)其“聯(lián)動”運行?？偪豂P調(diào)度矩陣、2臺主備冗余IP播出矩陣（光纖萬兆交換機）輔以集中控制中心共同構成IP播出子系統(tǒng)的SDN控制平臺，為3套IP子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)、控制及SDI Over IP信號的傳輸、調(diào)度服務提供支持。采用虛擬化資源平臺，構建出集IP調(diào)度、內(nèi)容匯聚、IP播出、內(nèi)容遷移與轉(zhuǎn)碼于一體的完整的播出系統(tǒng)業(yè)務鏈。IP子系統(tǒng)采用PTP/BB同步，并配有同步授時冗余系統(tǒng)。

IP子系統(tǒng)使用了10臺通用DELL R740物理服務器，并通過集群作為數(shù)據(jù)處理和視頻內(nèi)容處理的資源池，通過虛擬化服務從資源池中虛擬出6臺性能較高的虛擬服務器作為IP播出服務器，單個頻道的主、備IP播出服務部署在不同的服務器上，其他代理服務分配在其他虛擬服務器上，這樣分配可以將每個服務器的物理資源利用率達到最大化的同時，又確保了系統(tǒng)安全運行。IP播出服務虛機負責IP流切換、鍵混及服務代理等節(jié)目播出業(yè)務，輸出的IP流經(jīng)IP網(wǎng)關卡封裝成HD-SDI信號，最終送到主備HD-SDI四選一的第3路輸入端。

IP子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫則采用“主、備虛機+物理機”，即“2+1”冗余模式。主備數(shù)據(jù)庫部署在2臺不同的通用物理服務器的虛機上，并通過“雙機熱備份+Rose HA軟件”實時鏡像，具備故障自動切換、IP地址自動接替的功能，系統(tǒng)中還有1臺獨立的物理服務器通過分發(fā)訂閱方式做定時數(shù)據(jù)備份。

3.2（2SDI+IP）2的三模異構冗余播出系統(tǒng)設

淮安市廣播電視臺每個頻道的播出系統(tǒng)設計采用（2SDI+IP）2的三模異構冗余播出架構，其中三模是2個SDI和1個IP播出子系統(tǒng)，2個SDI子系統(tǒng)是采用主、備獨立播出鏈路。2次方指的是2個SDI子系統(tǒng)和1個IP子系統(tǒng)組合在一起后，其安全防護級別是指數(shù)級增加。2個同構的SDI播出子系統(tǒng)與異構的IP播出子系統(tǒng)互為系統(tǒng)級的冗余備份。異構冗余播出系統(tǒng)配有主備SDI四選一自動倒換器，其輸人為2個SDI子系統(tǒng)、IP子系統(tǒng)輸出及應急播出4路HD-SDI信號，主備SDI四選一輸出的主備播出信號送人編碼復用傳輸系統(tǒng)的同時，變換成標清信號，實現(xiàn)高標清同播（如圖2所示）。若2個SDI播出子系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)級崩潰，則IP播出子系統(tǒng)能接管其所有頻道播出業(yè)務。

4結束語

淮安市廣播電視臺的（2SDI+IP）2三模異構冗余電視播出系統(tǒng)經(jīng)過精心設計、規(guī)范施工、測試驗收等流程，目前已正式投入運行，實踐證明，異構冗余電視播出系統(tǒng)的設計使用，不僅提高了電視播出系統(tǒng)的可生存性，還避免了系統(tǒng)級崩潰帶來的停播事故，實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的預期目標。