異構(gòu)冗余模式下電視播出系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

章海軍

關(guān)鍵詞：異構(gòu)冗余；容錯(cuò)技術(shù)；播出系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)

目前，電視播出系統(tǒng)基本上采用設(shè)備級(jí)冗余備份的方式，關(guān)鍵設(shè)備（如視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)陣列等）大部分采用雙機(jī)互備或三機(jī)備份方式，而播出系統(tǒng)層級(jí)熱備異構(gòu)冗余應(yīng)用比較少，主要為后備模式。如何設(shè)計(jì)電視播出系統(tǒng)安全防御機(jī)制，并使其在個(gè)別播出子系統(tǒng)存在安全隱患或發(fā)生故障時(shí)，仍然可以保障電視播出系統(tǒng)整體運(yùn)行的安全性和可靠性，是一個(gè)值得研究的課題。本文以淮安市廣播電視臺(tái)融媒播總控平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè)為例，采用異構(gòu)冗余架構(gòu)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(yàn)。

1異構(gòu)冗余的概念

電視播出系統(tǒng)的冗余容錯(cuò)能力是衡量其安全可靠的指標(biāo)之-[1]。在傳統(tǒng)數(shù)字電視播出系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用硬件（設(shè)備）級(jí)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(gòu)冗余設(shè)計(jì)。冗余容錯(cuò)技術(shù)是通過增加一些具備同等功能、協(xié)調(diào)同步運(yùn)行的播出子系統(tǒng)，并對(duì)它們的運(yùn)行結(jié)果用投票的方式?jīng)Q定輸出，即使其中有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響整個(gè)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(shè)備、軟件模塊等作為并聯(lián)組件時(shí)，由于結(jié)構(gòu)相同，在某些條件下很可能同日寸出現(xiàn)多個(gè)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(gòu)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(gè)架構(gòu)、功能或性能等價(jià)的異構(gòu)組件。

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

2冗余容錯(cuò)設(shè)計(jì)涉及的相關(guān)技術(shù)

電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分利用先進(jìn)技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及網(wǎng)絡(luò)化、IP化、智能監(jiān)控手段，輔以多重異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)，有效杜絕系統(tǒng)設(shè)備或人工操作失誤導(dǎo)致的安全播出事故。電視播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮供電系統(tǒng)安全、機(jī)房環(huán)境安全、系統(tǒng)設(shè)備選型、系統(tǒng)智能監(jiān)控監(jiān)測(cè)、同步授時(shí)安全、應(yīng)急播出措施等。

2.1數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)

數(shù)據(jù)容錯(cuò)技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)服務(wù)中斷進(jìn)行有效控制[4]，以提升備數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接管的可靠性。針對(duì)電視播出系統(tǒng)的需要，在數(shù)據(jù)庫容錯(cuò)技術(shù)上采用了數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)。異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)復(fù)制使用分布式異構(gòu)檢查點(diǎn)和日志技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，捕獲數(shù)據(jù)的凈變化。異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)不一致時(shí)使用恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，以確保異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)始終保持一致[5]。

2.2容錯(cuò)備份技術(shù)

在播出系統(tǒng)設(shè)備、軟件出現(xiàn)故障及其子系統(tǒng)崩潰的情況下，容錯(cuò)備份手段可以確保整個(gè)系統(tǒng)仍能保持正常運(yùn)行。眾所周知，電視播出系統(tǒng)中不得有單節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)，即播出鏈路中不得有單節(jié)點(diǎn)設(shè)備存在。即便如此，如字幕機(jī)等出現(xiàn)故障時(shí)必須有相應(yīng)的應(yīng)急備份手段。同樣，單播出系統(tǒng)運(yùn)行也是不允許的，播出系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、唯一崩潰點(diǎn)及子系統(tǒng)的冗余備份是提高整個(gè)播出系統(tǒng)可靠性、安全性的有效方法，每個(gè)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(jī)構(gòu)每個(gè)播出頻道可以建設(shè)成主備、二備的三模異構(gòu)冗余播出子系統(tǒng)。當(dāng)其中某個(gè)或2個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在無感情況下自動(dòng)啟用冗余備份子系統(tǒng)，并替代應(yīng)急播出流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)容錯(cuò)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(gòu)冗余數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成有：不同類型的數(shù)據(jù)庫運(yùn)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(yùn)行在不同操作系統(tǒng)上三種形式。本項(xiàng)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(jí)異構(gòu)冗余備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)架構(gòu)，IP播出子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫則采用“主、備虛機(jī)+物理機(jī)”冗余模式。在主備數(shù)據(jù)庫上配置雙機(jī)熱備軟件，二備及物理機(jī)則采用1臺(tái)獨(dú)立的機(jī)架式服務(wù)器通過分發(fā)訂閱方式做定時(shí)數(shù)據(jù)備份。在不同操作系統(tǒng)（Windows server 2019或Linux）上運(yùn)行同種類型的數(shù)據(jù)庫（SQL Server 2017），并采用3個(gè)異構(gòu)的冗余數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以提高系統(tǒng)的可生存性。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，有必要對(duì)各個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，以免異構(gòu)服務(wù)器間的數(shù)據(jù)不一致。

2.4文件系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

為確保文件數(shù)據(jù)的安全，必須具備安全穩(wěn)定的存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集中儲(chǔ)存在NAS服務(wù)器中。電視播出系統(tǒng)中設(shè)置有三級(jí)存儲(chǔ)：一級(jí)存儲(chǔ)（信號(hào)采集工作站）存儲(chǔ)的是采集素材；二級(jí)存儲(chǔ)（NAS）存儲(chǔ)的是已審核的待播素材（素材中轉(zhuǎn)與歸檔）：三級(jí)存儲(chǔ)（播出服務(wù)器本地）存儲(chǔ)的是即將播出的素材。本項(xiàng)目中，二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用3節(jié)點(diǎn)H3CUniStor X10536 G3存儲(chǔ)陣列，其采用全對(duì)稱分布式融合架構(gòu)，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(hù)數(shù)據(jù)能力，冗余組網(wǎng)時(shí)，其容災(zāi)能力可確保文件系統(tǒng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。

2.5媒體數(shù)據(jù)過濾技術(shù)

采用媒體數(shù)據(jù)過濾技術(shù)可使異構(gòu)冗余播出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全信息交換和資源共享。SDI與IP兩個(gè)異構(gòu)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(gè)異構(gòu)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(luò)之間的通用協(xié)議連接，系統(tǒng)內(nèi)部通過身份認(rèn)證機(jī)制獲取所需數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包存在安全隱患時(shí)會(huì)立即粉碎和丟棄。在主備核心交換機(jī)上各嵌入一塊防火墻板卡，隔絕SDI與IP兩個(gè)異構(gòu)播出子系統(tǒng)間業(yè)務(wù)交換帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。媒體數(shù)據(jù)過濾技術(shù)確保了兩個(gè)異構(gòu)播出子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的安全傳輸，達(dá)到了網(wǎng)間物理隔離要求。

2.6數(shù)據(jù)表決機(jī)制

多重異構(gòu)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(shè)備就是播出系統(tǒng)中常用的二選一、三選一、四選一等自動(dòng)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(gè)子系統(tǒng)輸出信號(hào)中的正常的、選先級(jí)高的那一路信號(hào)作為表決結(jié)果，第4路為應(yīng)急播出信號(hào)（如墊片信號(hào)、應(yīng)急錄像機(jī)信號(hào)等）。如3個(gè)子系統(tǒng)選先級(jí)由高到低順序?yàn)樽酉到y(tǒng)1、子系統(tǒng)2、子系統(tǒng)3，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)子系統(tǒng)工作異常時(shí)，四選一會(huì)自動(dòng)拒絕其送來的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，啟用其數(shù)據(jù)表決真值表來選用另外2個(gè)中優(yōu)先級(jí)別高的子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。

3基于（mSDl+nIP 2的異構(gòu)冗余電視播出系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1SDI與IP異構(gòu)播出子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1SDI播出子系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

淮安市廣播電視臺(tái)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(wù)器、上載系統(tǒng)、二級(jí)存儲(chǔ)陣列、應(yīng)急錄像機(jī)、視頻服務(wù)器、16X4切換器、鍵混、智能化模塊化周邊信號(hào)處理板卡及控制計(jì)算機(jī)等組成。

系統(tǒng)配有4通道GV I/O高清視頻服務(wù)器2臺(tái)來完成淮安市廣播電視臺(tái)3個(gè)高標(biāo)清同播頻道的播出業(yè)務(wù)，3個(gè)SDI播出子系統(tǒng)均配備2臺(tái)視頻服務(wù)器中的1個(gè)通道作為冗余播出通道，2臺(tái)視頻服務(wù)器的第4個(gè)通道均設(shè)置為應(yīng)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(wù)器、主備冗余播出控制工作站和相應(yīng)的播控狀態(tài)監(jiān)測(cè)切換軟件，并采用松耦合播出方式，確保視頻服務(wù)器可以在非常時(shí)期獨(dú)立完成播出業(yè)務(wù)。

3.1.2IP播出子系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

IP播出子系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)，擁有獨(dú)立的IP信號(hào)源、IP信號(hào)處理、IP信號(hào)調(diào)度、控制系統(tǒng)、IP信號(hào)采集與播出、系統(tǒng)授時(shí)、數(shù)據(jù)庫及存儲(chǔ)陣列等，與SDI播出子系統(tǒng)完全異構(gòu)，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(shí)大幅降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

如圖2所示，IP子系統(tǒng)配有2臺(tái)主備冗余IP播出矩陣，以實(shí)現(xiàn)其“聯(lián)動(dòng)”運(yùn)行?？偪豂P調(diào)度矩陣、2臺(tái)主備冗余IP播出矩陣（光纖萬兆交換機(jī)）輔以集中控制中心共同構(gòu)成IP播出子系統(tǒng)的SDN控制平臺(tái)，為3套IP子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)、控制及SDI Over IP信號(hào)的傳輸、調(diào)度服務(wù)提供支持。采用虛擬化資源平臺(tái)，構(gòu)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(wù)鏈。IP子系統(tǒng)采用PTP/BB同步，并配有同步授時(shí)冗余系統(tǒng)。

IP子系統(tǒng)使用了10臺(tái)通用DELL R740物理服務(wù)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(wù)從資源池中虛擬出6臺(tái)性能較高的虛擬服務(wù)器作為IP播出服務(wù)器，單個(gè)頻道的主、備IP播出服務(wù)部署在不同的服務(wù)器上，其他代理服務(wù)分配在其他虛擬服務(wù)器上，這樣分配可以將每個(gè)服務(wù)器的物理資源利用率達(dá)到最大化的同時(shí)，又確保了系統(tǒng)安全運(yùn)行。IP播出服務(wù)虛機(jī)負(fù)責(zé)IP流切換、鍵混及服務(wù)代理等節(jié)目播出業(yè)務(wù)，輸出的IP流經(jīng)IP網(wǎng)關(guān)卡封裝成HD-SDI信號(hào)，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(jī)+物理機(jī)”，即“2+1”冗余模式。主備數(shù)據(jù)庫部署在2臺(tái)不同的通用物理服務(wù)器的虛機(jī)上，并通過“雙機(jī)熱備份+Rose HA軟件”實(shí)時(shí)鏡像，具備故障自動(dòng)切換、IP地址自動(dòng)接替的功能，系統(tǒng)中還有1臺(tái)獨(dú)立的物理服務(wù)器通過分發(fā)訂閱方式做定時(shí)數(shù)據(jù)備份。

3.2（2SDI+IP）2的三模異構(gòu)冗余播出系統(tǒng)設(shè)

淮安市廣播電視臺(tái)每個(gè)頻道的播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用（2SDI+IP）2的三模異構(gòu)冗余播出架構(gòu)，其中三模是2個(gè)SDI和1個(gè)IP播出子系統(tǒng)，2個(gè)SDI子系統(tǒng)是采用主、備獨(dú)立播出鏈路。2次方指的是2個(gè)SDI子系統(tǒng)和1個(gè)IP子系統(tǒng)組合在一起后，其安全防護(hù)級(jí)別是指數(shù)級(jí)增加。2個(gè)同構(gòu)的SDI播出子系統(tǒng)與異構(gòu)的IP播出子系統(tǒng)互為系統(tǒng)級(jí)的冗余備份。異構(gòu)冗余播出系統(tǒng)配有主備SDI四選一自動(dòng)倒換器，其輸人為2個(gè)SDI子系統(tǒng)、IP子系統(tǒng)輸出及應(yīng)急播出4路HD-SDI信號(hào)，主備SDI四選一輸出的主備播出信號(hào)送人編碼復(fù)用傳輸系統(tǒng)的同時(shí)，變換成標(biāo)清信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)清同播（如圖2所示）。若2個(gè)SDI播出子系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)崩潰，則IP播出子系統(tǒng)能接管其所有頻道播出業(yè)務(wù)。

4結(jié)束語

淮安市廣播電視臺(tái)的（2SDI+IP）2三模異構(gòu)冗余電視播出系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、規(guī)范施工、測(cè)試驗(yàn)收等流程，目前已正式投入運(yùn)行，實(shí)踐證明，異構(gòu)冗余電視播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)崩潰帶來的停播事故，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。