异构冗余模式下电视播出系统方案设计

章海军

关键词：异构冗余；容错技术；播出系统；方案设计

目前，电视播出系统基本上采用设备级冗余备份的方式，关键设备（如视频服务器、数据库服务器、数据存储阵列等）大部分采用双机互备或三机备份方式，而播出系统层级热备异构冗余应用比较少，主要为后备模式。如何设计电视播出系统安全防御机制，并使其在个别播出子系统存在安全隐患或发生故障时，仍然可以保障电视播出系统整体运行的安全性和可靠性，是一个值得研究的课题。本文以淮安市广播电视台融媒播总控平台项目建设为例，采用异构冗余架构来组建高可靠性的电视播出系统，旨在为广电行业的安全播出提供可借鉴的经验。

1异构冗余的概念

电视播出系统的冗余容错能力是衡量其安全可靠的指标之-[1]。在传统数字电视播出系统容错设计中广泛应用硬件（设备）级冗余形式。随着信息量、数据量的剧增，出现了播出系统的异构冗余设计。冗余容错技术是通过增加一些具备同等功能、协调同步运行的播出子系统，并对它们的运行结果用投票的方式决定输出，即使其中有一个或少数几个设备或系统出现故障，也不会影响整个系统输出的正确性，从而提高播出系统的整体可靠性[2]。但在n模冗余系统中使用完全一致的子系统或硬件设备、软件模块等作为并联组件时，由于结构相同，在某些条件下很可能同日寸出现多个子系统或硬件或软件同日寸失效，即所谓的“共模失效”。异构冗余模式的出现，极大地降低共模失效的概率[3]，其并联使用多个架构、功能或性能等价的异构组件。

异构冗余架构是保证电视播出系统可靠性的方法之一，并辅以出错概率越小的表决机制，整个播出系统的安全性较高。

2冗余容错设计涉及的相关技术

电视播出系统设计时要充分利用先进技术、行业标准及网络化、IP化、智能监控手段，辅以多重异构冗余设计，有效杜绝系统设备或人工操作失误导致的安全播出事故。电视播出系统设计时还必须考虑供电系统安全、机房环境安全、系统设备选型、系统智能监控监测、同步授时安全、应急播出措施等。

2.1数据容错技术

数据容错技术能够对数据服务中断进行有效控制[4]，以提升备数据库服务器接管的可靠性。针对电视播出系统的需要，在数据库容错技术上采用了数据复制技术。异构数据库之间的数据复制使用分布式异构检查点和日志技术来实现，捕获数据的净变化。异构数据库之间的数据不一致时使用恢复机制进行数据恢复，以确保异构数据库之间的数据始终保持一致[5]。

2.2容错备份技术

在播出系统设备、软件出现故障及其子系统崩溃的情况下，容错备份手段可以确保整个系统仍能保持正常运行。众所周知，电视播出系统中不得有单节点出现，即播出链路中不得有单节点设备存在。即便如此，如字幕机等出现故障时必须有相应的应急备份手段。同样，单播出系统运行也是不允许的，播出系统中关键节点、唯一崩溃点及子系统的冗余备份是提高整个播出系统可靠性、安全性的有效方法，每个播出频道必须至少具有两套冗余播出子系统。有条件的播出机构每个播出频道可以建设成主备、二备的三模异构冗余播出子系统。当其中某个或2个子系统发生故障时，系统会在无感情况下自动启用冗余备份子系统，并替代应急播出流程，实现自动容错备份。

2.3数据库冗余备份

数据库冗余备份类型有4种，异构冗余数据库的构成有：不同类型的数据库运行在相同或不同操作系统上，以及相同类型的数据库运行在不同操作系统上三种形式。本项目中，SDI播出子系统中的数据库采用“主备+二备”的三级异构冗余备份数据库服务架构，IP播出子系统中的数据库则采用“主、备虚机+物理机”冗余模式。在主备数据库上配置双机热备软件，二备及物理机则采用1台独立的机架式服务器通过分发订阅方式做定时数据备份。在不同操作系统（Windows server 2019或Linux）上运行同种类型的数据库（SQL Server 2017），并采用3个异构的冗余数据库服务器可以提高系统的可生存性。在系统运行过程中，有必要对各个异构数据库服务器中的数据进行同步，以免异构服务器间的数据不一致。

2.4文件系统冗余设计

为确保文件数据的安全，必须具备安全稳定的存储环境。文件系统冗余备份主要包括将各种音视频文件、文档、文本等非结构化数据集中储存在NAS服务器中。电视播出系统中设置有三级存储：一级存储（信号采集工作站）存储的是采集素材；二级存储（NAS）存储的是已审核的待播素材（素材中转与归档）：三级存储（播出服务器本地）存储的是即将播出的素材。本项目中，二级存储系统采用3节点H3CUniStor X10536 G3存储阵列，其采用全对称分布式融合架构，具有分布式全局缓存功能，可以有效提高集群读写性能，并具备保护数据能力，冗余组网时，其容灾能力可确保文件系统业务正常运行。

2.5媒体数据过滤技术

采用媒体数据过滤技术可使异构冗余播出系统实现安全信息交换和资源共享。SDI与IP两个异构播出子系统间配置安全网闸和防火墻，使用安全网闸以确保两个异构播出系统间控制信息的摆渡，通过防火墙来共享待播素材文件。安全网闸的作用是切断网络之间的通用协议连接，系统内部通过身份认证机制获取所需数据。当发现数据包存在安全隐患时会立即粉碎和丢弃。在主备核心交换机上各嵌入一块防火墙板卡，隔绝SDI与IP两个异构播出子系统间业务交换带来的安全风险。媒体数据过滤技术确保了两个异构播出子系统间数据的安全传输，达到了网间物理隔离要求。

2.6数据表决机制

多重异构冗余播出系统的数据表决可分为软件表决和硬件表决。其硬件设备就是播出系统中常用的二选一、三选一、四选一等自动倒换器，其内部完成的输入表决属于软件表决。以四选一为例，采取三取一表决，即系统选取3个子系统输出信号中的正常的、选先级高的那一路信号作为表决结果，第4路为应急播出信号（如垫片信号、应急录像机信号等）。如3个子系统选先级由高到低顺序为子系统1、子系统2、子系统3，当检测到某个子系统工作异常时，四选一会自动拒绝其送来的错误数据，启用其数据表决真值表来选用另外2个中优先级别高的子系统的输出数据，以确保系统持续运行。

3基于（mSDl+nIP 2的异构冗余电视播出系统方案设计

3.1SDI与IP异构播出子系统设计

3.1.1SDI播出子系统安全设计

淮安市广播电视台SDI播出子系统框图如图1所示，系统由主备冗余数据库服务器、上载系统、二级存储阵列、应急录像机、视频服务器、16X4切换器、键混、智能化模块化周边信号处理板卡及控制计算机等组成。

系统配有4通道GV I/O高清视频服务器2台来完成淮安市广播电视台3个高标清同播频道的播出业务，3个SDI播出子系统均配备2台视频服务器中的1个通道作为冗余播出通道，2台视频服务器的第4個通道均设置为应急上载通道。

SDI播出子系统的控制系统采用VDCP和AMP等控制协议，系统中配置了RS422服务器、主备冗余播出控制工作站和相应的播控状态监测切换软件，并采用松耦合播出方式，确保视频服务器可以在非常时期独立完成播出业务。

3.1.2IP播出子系统安全设计

IP播出子系统采用目前最先进的SMPTE ST2110标准，拥有独立的IP信号源、IP信号处理、IP信号调度、控制系统、IP信号采集与播出、系统授时、数据库及存储阵列等，与SDI播出子系统完全异构，具有可靠性、安全性和可操作性。IP子系统的引入，使电视播出系统轻量化，同时大幅降低系统建设成本。

如图2所示，IP子系统配有2台主备冗余IP播出矩阵，以实现其“联动”运行。总控IP调度矩阵、2台主备冗余IP播出矩阵（光纤万兆交换机）辅以集中控制中心共同构成IP播出子系统的SDN控制平台，为3套IP子系统的数据分发、控制及SDI Over IP信号的传输、调度服务提供支持。采用虚拟化资源平台，构建出集IP调度、内容汇聚、IP播出、内容迁移与转码于一体的完整的播出系统业务链。IP子系统采用PTP/BB同步，并配有同步授时冗余系统。

IP子系统使用了10台通用DELL R740物理服务器，并通过集群作为数据处理和视频内容处理的资源池，通过虚拟化服务从资源池中虚拟出6台性能较高的虚拟服务器作为IP播出服务器，单个频道的主、备IP播出服务部署在不同的服务器上，其他代理服务分配在其他虚拟服务器上，这样分配可以将每个服务器的物理资源利用率达到最大化的同时，又确保了系统安全运行。IP播出服务虚机负责IP流切换、键混及服务代理等节目播出业务，输出的IP流经IP网关卡封装成HD-SDI信号，最终送到主备HD-SDI四选一的第3路输入端。

IP子系统中的数据库则采用“主、备虚机+物理机”，即“2+1”冗余模式。主备数据库部署在2台不同的通用物理服务器的虚机上，并通过“双机热备份+Rose HA软件”实时镜像，具备故障自动切换、IP地址自动接替的功能，系统中还有1台独立的物理服务器通过分发订阅方式做定时数据备份。

3.2（2SDI+IP）2的三模异构冗余播出系统设

淮安市广播电视台每个频道的播出系统设计采用（2SDI+IP）2的三模异构冗余播出架构，其中三模是2个SDI和1个IP播出子系统，2个SDI子系统是采用主、备独立播出链路。2次方指的是2个SDI子系统和1个IP子系统组合在一起后，其安全防护级别是指数级增加。2个同构的SDI播出子系统与异构的IP播出子系统互为系统级的冗余备份。异构冗余播出系统配有主备SDI四选一自动倒换器，其输人为2个SDI子系统、IP子系统输出及应急播出4路HD-SDI信号，主备SDI四选一输出的主备播出信号送人编码复用传输系统的同时，变换成标清信号，实现高标清同播（如图2所示）。若2个SDI播出子系统出现系统级崩溃，则IP播出子系统能接管其所有频道播出业务。

4结束语

淮安市广播电视台的（2SDI+IP）2三模异构冗余电视播出系统经过精心设计、规范施工、测试验收等流程，目前已正式投入运行，实践证明，异构冗余电视播出系统的设计使用，不仅提高了电视播出系统的可生存性，还避免了系统级崩溃带来的停播事故，实现了系统设计的预期目标。