在融合媒体环境下基于微服务架构下的广播与媒体质量监测系统设计与实现

钟士奇

摘 要 当今，广电媒体的节目数量，类型以及多样性在呈现几何级数爆炸性增长，这也导致广电行业快速的向基于IP传输协议的网络以及以及IT架构的系统设施进行演进。如何保障各种不同类型用户的媒体观看的需求，融合媒体概念也就孕育而生，从而也对系统的监测带来了众多全新的挑战，各种基于各种形态信号，特别是IP信号的分发和传输，接收终端的多样化，众多的网络传输标准和协议，在众多协议层和技术层面的信息收集和汇聚以及时下新兴的基于异步数据传输架构的云网络传输。如何应对和解决以上这些问题呢？湖南广播电视台采用一种完全基于软件和COTS通用服务器的架构，来建立一种集中的、融合式的监测系统。媒体的内容以及传输协议的2-5层都需要在一个融合的监测设备上来实现。这样的结果就是需要一张单一的，可持续性的界面，可以完整的描述出不同网络和媒体内容的状态。新的监测功能，比如基于视频一致性监测功能，只有在基于软件的架构下才能成为可能。根据需要，我们设计出一种基于软件的，通过采用COTS通用服务器的方式，来实现时下高度统一和融合的广电网络与媒体的监测系统。

关键词 广播与媒体 质量监测系统

中图分类号：G222 文献标识码：A

1系统设计

1.1设计思路

一是基于多业务层的KPI指标监测：能够提供简单的，持续性的界面，实现系统中不同业务层面的指标监测。二是全新的高级监测功能。

1.2系统设计的原则

系统的设计必须要能够满足以下的要求：

（1）基于纯软件的设计，不依托于特有的硬件平台：完全基于软件的设计可以保证快速的响应，高度的灵活性以及扩展性，来应对不断变化的各种技术和标准，比如各种全新的编码标准和传输协议，而基于COTS通用服务器的硬件架构，也让未来进行云化的部署等虚拟化应用成为可能。

（2）基于COTS通用服务器硬件平台：通过采用COTS通用服务器，可以大量降低系统投资和运营成本，同时可以为未来的虚拟化部署提供可能性。

（3）更好的扩展IP协议的使用场景：能够不断的加深并扩展现有的成熟的，体系完善的TCP/IP协议组合。

（4）通过配置不同的接口板卡来实现与传统接口形式的对接：通用服务器与现有广电网络的接口对接，可以通过各种接口板卡来实现，如果需要有新的形式的信号接入，也只需要更换接口板卡，而无需替换掉整个设备。

（5）开放的基于模块化的软件设计架构：通过采用开放的协议和格式，以及模块化的系统功能设计可以确保快速灵活的适应变化，并针对新的需求进行不断的适配。把系统功能模块化也很好的提升了系统的鲁棒性，也避免一些潜在的软件問题。

（6）可扩展性：目前市面上的COTS通用服务器依旧延续了摩尔定律在不断的升级和换代，通过完全基于软件的设计，当需要系统支持更大和更强的性能时，只需要相应的增加通用服务器的数量和配置，就可以轻松实现，这在以前采用定制硬件的年代，几乎是不可想象的。

1.3基于模块化的设计

系统需要支持各种全新的基于IP的传输协议，以及各种中间层的压缩编码协议。在这样的系统架构中，传统的信号形式只需要配备相应接口的板卡，就可以实现传统信号和基于IP的信号的混合监测。

可扩展的软件框架还需要配置以下的模块化功能（如图1）：

1.3.1输入信号单元（Input Handling）

网络输入接口单元（Network Input）用来处理可以基于以太网和IP的输入信号，同时也可以支持各种形式的IP信号，比如单播和组播等。解码输入源信号的单元（Decoding of Sources Signal Input Formats） 是针对融合媒体监测的核心组成部分，它可以处理目前各种全新的基于IP的传输协议以及各种全新的编码格式，同时它也可以支持传统的基于SDI和ASI形式的信号格式。针对未来的各种新的信源格式和编码格式，它只需要通过插件，这种在IT世界里最普通的方式，就可以实现对新格式的扩展支持。此外，输入信源信号模块还有第三个组成部分，可扩展信源信号分析（Extended Source Signal Analysis），它可以用来通过插件的方式扩展支持任何其他的信源信号格式。

1.3.2节目与内容（Service and Media Handling）

该功能基本单元最开始是解码和基本分析模块（Decodingand Basic Analysis），用于接收和分析来自输入信号单元（Input Handling），视音频内容的解码和一些基本分析包括信号的正确与否以及质量的分析，将在这个单元来实现。如果需要处理更高级的编码格式，比如HEVC，J2K，TICO等，就需要进入下一个扩展解码和分析模块（Extended Decodingand Analysis）来实现。由于广电与媒体的运营商不断需要支持新的编码格式解码以及更加深度的分析，这个模块也可以通过插件的方式在未来不断的升级和更新。另外，随着通用服务器平台的CPU性能不断加强或者云端的计算能力的不断加强，现在已经完全没有必要再去部署专门的硬件设备和系统去解决不断涌现出的新的编码格式和信号形态。所有需要的新功能扩展都可以通过软软件的插件方式得到解决。在高级媒体分析（Advanced Media Analysis）的模块中，解码完成的内容可以进行进一步的分析和监测。在这个模块中的功能包括实时信号质量的监测以及以及用于判断静帧白名单的各种信息。另外一个高级的监测功能，视频一致性比对功能，也可以非常好的在这种纯软件的架构中得以实现，关于这个功能我们会在下文进行详细的介绍和讲解。针对某一路节目进行定制化的解码和监测，也可以通过软件插件的方式得到有效的解决，同时不会增加太多的成本。

1.3.3输出信号单元（Output Handling）

这个基本单元用来定义用户的操作界面以及各种管理任务，包括界面分布的设计，多画面监测单元的布局等。同时它也用来输出所有跟视音频内容相关的监测参数。多画面分割器输出的动态变化的监测界面，需要经过输出信号编码模块（Encoding of Output Signals Formats）来进行处理，然后通过物理接口输出，比如HDMI接口输出，或者通过网络接口串流输出，特别是基于以太网的IP串流输出，可以通过插件来选择不同的IP协议，封装标准，实现起来非常简单。

1.3.4远程管理（Remote administration）

这个单元是基于HTTP API的综合远程控制以及远程自动化监测的任务处理单元。同时也支持把任何的报警和警告信息，通过电子邮件的方式第一时间发给接受者。

1.3.5基于云的业务流程（Cloudorchestration）

这个单元支持开放的API协议，用于基于Saas架构来设计云计算的端到端的业务流程和体系，包括播出，编码，转码，解码以及广告插入，数字水印的处理。

2功能实现

2.1基于多业务层的KPI指标监测

如图2所示如何把基于以太网的5层传输模型应用到在播出和传输领域，通过IP网络来传输SDI信号，以及在OTT和串流服务中应用MPEG-DASH协议。图中可以非常清楚的显示，在播出和传输领域，以及OTT的串流分发领域，除了最上层的传输层之外，基于IP以太网的传输模型可以完美的适配SDI over IP的传输模型。而这种完美的适配也就使完全基于软件的架构，进行融合媒体的监测方式成为可能。

在较高的信号分层结构中，一些针对SDI over IP（例如SMPTE 2022-6）的主要KPI特性指標也可以进行监测，包括不同节目流的带宽值，码率，时延，抖动，丢包率，RTP状态，源地址/目标地址校验等。与此同时，在应用层的众多KPI特性指标也可以被监测到，包括超时/更新，片段超时，HTTP错误，基于每个节目和类型的码率测量，缓冲区状态校验（上溢和下溢），下载时间等等专门针对OTT视频串流的参数。在较低的传输分层中，比如TCP层，主要的KPI特性指标包括包重传率，丢包，回话重接，缓冲区测试等所有这些传统的IP的指标，都可以实现有效的监测。

2.2进阶高级监测功能

通过纯软件架构进行监测的优势在于可以实现内容比对功能（Content Compare），即同一界面内容在网络中各个节点的一致性校验功能。内容比对功能就是把同一信号在网络中不同节点上，进行取样，然后进行一致性对比。在日益复杂的广电网络传输环境中，运营商往往需要把同一界面内容通过不同的分辨率，编码格式，通过不同的分发平台，以不同的分发形式（以太网交换，IP路由）等方式进行分发，这也就会出现比如错误的信号格式通过错误的平台进行分发的可能。通过实现视频内容一致性的比对功能，可以有效的预防出现以上这种错误。特别需要强调的是，如果采用原始的直接进行像素级别的比对，那么会造成很多虚假的错误报警信息，并没有可以实际应用的价值。而通过视频一致性比对功能，系统自动的对每一帧的画面信息进行比对，可以有效进行目标信号和源信号的一致性的比对（如图3）。

3结束语

当前的广电媒体与网络正在向多维度方向不断演进，提供的内容，媒体格式以及终端接收设备也不断丰富，这也就导致了未来的内容质量监测面临着众多全新的挑战。

我们通过通用的可扩展的软件架构实现融合媒体的监测。该系统中的主要核心功能模块以及单元，都一一进行了阐述和讲解。通过安装插件，可以确保基于软件的架构可以不断的升级和更新，以应对未来各种新标准和新需求的挑战。特别是每一个可扩展的核心单元，都可以针对未来新需求进行不断的升级和更新的。