羅蘊(yùn)軍

（新余電視臺(tái)，江西 新余 338000）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高，計(jì)算機(jī)性能和視音頻壓縮技術(shù)的飛速發(fā)展，基于流媒體技術(shù)的視頻應(yīng)用越來越多。互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和普及為流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的市場動(dòng)力，流媒體業(yè)務(wù)正在日益流行。流媒體技術(shù)的應(yīng)用將為網(wǎng)絡(luò)信息交流帶來革命性的變化，同時(shí)使得電視臺(tái)的視頻節(jié)目在網(wǎng)絡(luò)上直播點(diǎn)播成為可能。

1 網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)主要功能及優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)是服務(wù)于互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)部網(wǎng)之上的視頻直播應(yīng)用。系統(tǒng)采用Flash/Media多媒體技術(shù)，可很好地滿足廣電、電信等的網(wǎng)絡(luò)視音頻直播、網(wǎng)上廣播等應(yīng)用需要，具有極好的穩(wěn)定性和安全可靠性，系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)等多方面均適應(yīng)未來發(fā)展的需要[1]。

直播系統(tǒng)主要功能及優(yōu)勢(shì)：1）對(duì)帶寬的適應(yīng)性高，在窄帶及寬帶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中均能應(yīng)用自如。2）支持直播采集的多機(jī)備份，對(duì)訪問流量實(shí)行負(fù)載均衡設(shè)計(jì)，支持大容量用戶并發(fā)訪問。3）采用多級(jí)線程池、動(dòng)態(tài)IP綁定、同步偵聽等先進(jìn)技術(shù)，服務(wù)器端進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼壓縮，客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼、實(shí)時(shí)播放，充分保證最短的時(shí)延。4）多碼流自適應(yīng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)不同用戶實(shí)際網(wǎng)絡(luò)帶寬情況自動(dòng)選擇不同碼流播放。5）支持多種格式的多媒體數(shù)據(jù)，支持多級(jí)多種分類方式。6）強(qiáng)大的視音頻文件操作功能，支持針對(duì)視音頻節(jié)目的文件操作?？稍谥辈ネ瑫r(shí)加入打點(diǎn)標(biāo)記，將一個(gè)直播節(jié)目按需要標(biāo)記分段，更方便以后的回放。7）支持收看權(quán)限的管理，可以允許或限制指定客戶端進(jìn)行節(jié)目收看。8）支持開展多點(diǎn)直播、錄播、遠(yuǎn)程分發(fā)等應(yīng)用。9）自由的參數(shù)設(shè)置，可以靈活設(shè)置多種直播參數(shù)。10）強(qiáng)大的直播管理功能，可以進(jìn)行系統(tǒng)管理、直播管理、用戶管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、視音頻節(jié)目管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。11）支持直播監(jiān)控功能，可在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控所有直播頻道的視音頻直播情況。12）擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)采用內(nèi)容分發(fā)/負(fù)載均衡等技術(shù)，支持多節(jié)點(diǎn)無限擴(kuò)展應(yīng)用，支持無限級(jí)聯(lián)，全面實(shí)現(xiàn)跨廣域網(wǎng)的直播支持。13）支持視音頻流的自動(dòng)采集壓縮及網(wǎng)絡(luò)直播，完全實(shí)現(xiàn)無人值守。

2 網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵從并考慮以下原則：

1）安全性。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)陌踩苑浅Ｖ匾?，系統(tǒng)應(yīng)具備嚴(yán)格的管理員分級(jí)制度，控制授權(quán)用戶的訪問權(quán)限和控制權(quán)限，防止非法操作。并能有效統(tǒng)計(jì)和控制用戶的連接，具備系統(tǒng)報(bào)警功能。

2）穩(wěn)定性。為了避免因大量用戶訪問本地視頻服務(wù)器而出現(xiàn)問題，寬帶流媒體系統(tǒng)應(yīng)采用內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)（CDN）進(jìn)行流媒體內(nèi)容分發(fā)。用戶直接訪問最近的流媒體服務(wù)器子節(jié)點(diǎn)觀看直播節(jié)目，減輕了中心站點(diǎn)的負(fù)載壓力，提高了用戶觀看效果。寬帶流媒體視頻直播系統(tǒng)要具有很高的穩(wěn)定性，可以達(dá)到全天候長時(shí)間運(yùn)行。

3）擴(kuò)充性。軟件在規(guī)劃時(shí)必須要考慮具有良好的可擴(kuò)充性。系統(tǒng)還要支持多服務(wù)器組同時(shí)工作，并達(dá)到負(fù)載均衡。隨著用戶訪問量的增加，系統(tǒng)可增加視頻服務(wù)器，或者采用內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)來支持更多的用戶連接。

4）可移植性。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)采用先進(jìn)的三層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有良好的跨平臺(tái)性，可在各種操作系統(tǒng)、Web Server平臺(tái)、硬件平臺(tái)上進(jìn)行方便的移植。并應(yīng)采用SQL對(duì)數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，使系統(tǒng)可采用多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

5）易用性。系統(tǒng)應(yīng)采用Web方式管理控制界面，具備良好的操作性，提供詳細(xì)的信息或錯(cuò)誤提示。終端用戶只須裝載非常普遍的Media Player播放器即可。

3 網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 直播系統(tǒng)工作原理及工作流程

網(wǎng)絡(luò)流媒體直播系統(tǒng)的直播就是將現(xiàn)場節(jié)目通過視音頻采集卡輸入到工作站，工作站根據(jù)預(yù)設(shè)進(jìn)行采集、編碼、壓縮，然后以流的方式送到相應(yīng)服務(wù)器，只要能連入本網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)用戶通過Web方式，均可以實(shí)時(shí)看到直播節(jié)目。

系統(tǒng)在工作過程中涉及的輸入包括模擬視音頻信號(hào)、直播時(shí)間表、節(jié)目素材；輸出包括視音頻流、節(jié)目文件及信息。系統(tǒng)可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境，做到全系統(tǒng)的負(fù)載均衡與冗余備份，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分發(fā)CDN等功能，并在直播過程中，按需要存儲(chǔ)節(jié)目片段，作為以后錄播、點(diǎn)播的視頻節(jié)目源。

本系統(tǒng)直播的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境是Web服務(wù)器，采用tomcat服務(wù)器的形式。開發(fā)的語言采用跨平臺(tái)的JSP語言。直播系統(tǒng)視音頻服務(wù)器采用操作系統(tǒng)Windows 2003。數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等。本系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)要求如下：

1）充分考慮系統(tǒng)安全。為確保站點(diǎn)的安全可靠，在服務(wù)器前端架設(shè)相應(yīng)防火墻，進(jìn)行包過濾和入侵檢測(cè)，阻止或發(fā)現(xiàn)黑客的攻擊?？梢钥紤]追加一個(gè)流量記錄服務(wù)器，進(jìn)行被動(dòng)式的記錄，不發(fā)散信息，對(duì)外不可見，不容易被攻擊，從而能真實(shí)可靠地記錄站點(diǎn)運(yùn)行狀況。

2）提高網(wǎng)站承載能力。為了提高網(wǎng)絡(luò)性能及可靠性，對(duì)有可能成為網(wǎng)站瓶頸的防火墻、Web Server和Application Server等，采用負(fù)載均衡技術(shù)，構(gòu)成多機(jī)群集、負(fù)載均衡環(huán)境。通過Web Cache設(shè)備降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。

3）備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。對(duì)于前期訪問人數(shù)較少的情況下，可以只使用單數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，待網(wǎng)絡(luò)訪問人數(shù)較多時(shí)，再采用雙熱備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)的并行處理。

4）較完善的功能管理。站點(diǎn)要提供適合視音頻網(wǎng)上播放的管理、控制手段。系統(tǒng)具有高性能、安全可靠、可擴(kuò)展及易于管理的特性。重要數(shù)據(jù)安全尤為重要。

3.3 內(nèi)容分發(fā)及負(fù)載均衡考慮

在流媒體系統(tǒng)應(yīng)用中要充分考慮到負(fù)載均衡與內(nèi)容分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的高效率，最大化地緩解視頻數(shù)據(jù)對(duì)主干線路的壓力。采用層狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)（CDN）[2]，要能消除用戶終端與中心服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸，自動(dòng)找到用戶點(diǎn)播和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的平衡點(diǎn)，提高中央服務(wù)器的整體服務(wù)能力，保證用戶享有良好的訪問質(zhì)量。

3.4 硬件平臺(tái)系統(tǒng)配置

根據(jù)視音頻工作流程和要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)涉及到的硬件設(shè)備有直播管理服務(wù)器、資料庫、素材庫、視音頻流服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、采集工作站等。

流媒體服務(wù)必須能提供穩(wěn)定的不間斷應(yīng)用服務(wù)，并且需要提供對(duì)大量并發(fā)流的支持。視音頻主服務(wù)器需要同時(shí)支持多用戶同時(shí)訪問一路視頻節(jié)目，需要具備高質(zhì)量的視音頻采集、存儲(chǔ)和輸出功能，支持Media的流媒體技術(shù)，同時(shí)支持至少300戶的并發(fā)流，并提供多種帶寬的播放服務(wù)。不同流格式的視音頻系統(tǒng)至少分別支持300 Gbyte以上數(shù)據(jù)的硬盤存儲(chǔ)；硬盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求具有Raid 5安全標(biāo)準(zhǔn)以上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容錯(cuò)功能。相關(guān)計(jì)算公式為

根據(jù)上述公式可以得出，系統(tǒng)只要2臺(tái)以上的具有千兆網(wǎng)卡服務(wù)器即可達(dá)到所需帶寬。在考慮滿足磁盤空間等多種因素，決定采用2塊以上的146 Gbyte硬盤。最終，采用Dell 2850服務(wù)器作為系統(tǒng)的媒體服務(wù)器硬件平臺(tái)，安裝Windows 2003服務(wù)器操作系統(tǒng)，內(nèi)置Media Server系統(tǒng)提供媒體服務(wù)，具備雙網(wǎng)卡，一塊網(wǎng)卡用于與用戶端的通信，另一塊負(fù)責(zé)與中心存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并配置冗余電源及風(fēng)扇。視音頻采集制作工作站采用美國Viewcast公司的Osprey 210 DV捕捉板卡作為視頻采集卡，該采集卡支持SDI和DV（IEEE 1394）。

4 流媒體直播系統(tǒng)功能

4.1 直播管理

根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境，本系統(tǒng)可以做到系統(tǒng)的負(fù)載均衡與冗余備份，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分發(fā)等功能。還可以進(jìn)行全天候直播，并在直播的時(shí)候，按照時(shí)間段將需要存儲(chǔ)的節(jié)目片段存儲(chǔ)下來。

4.2 錄播管理

已經(jīng)錄制好的節(jié)目，一是可以作為點(diǎn)播播放，另外一種操作就是類似直播的方式，到一定的日期和時(shí)間，將文件播出去。在播出以前，用戶無法看到節(jié)目，而播出的時(shí)候，也類似于直播，還未播出的部分，用戶無法看到。視頻采集過程中可以設(shè)置不同碼流的采集壓縮策略，對(duì)于不同用戶的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇不同的碼流播放。

4.3 內(nèi)容管理

內(nèi)容管理包括內(nèi)容管理和存儲(chǔ)管理，文件和目錄的創(chuàng)建、存儲(chǔ)、修改、刪除，文件和目錄權(quán)限設(shè)置，節(jié)目歸檔及發(fā)布，節(jié)目發(fā)布流程管理，節(jié)目供應(yīng)商信息管理，頻道和多級(jí)欄目屬性定制等。

可以對(duì)頻道、節(jié)目等進(jìn)行統(tǒng)一管理。頻道管理包括頻道定義（影視類，新聞?lì)?，歌曲類，綜合類，直播類，DRM下載類）、頻道風(fēng)格設(shè)計(jì)（在同一系統(tǒng)平臺(tái)下開展網(wǎng)絡(luò)電視、節(jié)目點(diǎn)播、多媒體新聞等）；節(jié)目管理包括影片信息的維護(hù)管理、節(jié)目歸檔及發(fā)布、節(jié)目發(fā)布流程管理節(jié)目供應(yīng)商信息管理、頻道和多級(jí)欄目的屬性定制等。

4.4 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.5 用戶管理

系統(tǒng)按照兩級(jí)用戶管理機(jī)制進(jìn)行設(shè)置用戶管理權(quán)限，包括管理員和普通用戶。第一級(jí)是用戶組，然后將各個(gè)用戶歸到一定的組里面。只要是用戶屬于這個(gè)組，就有這個(gè)權(quán)限。權(quán)限分為兩類，一類是系統(tǒng)權(quán)限，一類是對(duì)象權(quán)限。系統(tǒng)權(quán)限是指本系統(tǒng)的權(quán)限，主要是針對(duì)管理員的，如網(wǎng)絡(luò)管理的權(quán)限。對(duì)象權(quán)限分為訪問權(quán)限和編輯權(quán)限。

4.6 系統(tǒng)管理

用戶可以對(duì)視音頻節(jié)目進(jìn)行多級(jí)的分類，也可以將一個(gè)視音頻的節(jié)目歸到多個(gè)類別中。用戶采集視音頻進(jìn)行直播時(shí)，可以使用系統(tǒng)配置文件，也可以建立自定義的配置文件。建立的配置文件信息，同時(shí)也允許用戶修改自定義配置文件的某些信息或者刪除自定義的配置文件。系統(tǒng)進(jìn)行日志保存。

5 流媒體直播擴(kuò)展功能

5.1 多碼流自適應(yīng)機(jī)制

流媒體運(yùn)營系統(tǒng)根據(jù)用戶需求開發(fā)出多碼流自適應(yīng)功能，對(duì)于同一視音頻節(jié)目源（實(shí)時(shí)直播節(jié)目源、點(diǎn)播節(jié)目源），系統(tǒng)管理員可以設(shè)置不同的碼流，用戶在收看直播節(jié)目或者點(diǎn)播視頻節(jié)目時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同用戶的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)帶寬情況自動(dòng)選擇適合用戶帶寬的碼流視頻節(jié)目播放。視頻直播系統(tǒng)獨(dú)有的多碼流自適應(yīng)功能可以使不同接入環(huán)境的用戶在直播、點(diǎn)播視音頻節(jié)目時(shí)獲得最佳的收看效果。

5.2 內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用層狀結(jié)構(gòu)，以多媒體數(shù)據(jù)中心為主節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)，將內(nèi)容分發(fā)到各地的負(fù)載分節(jié)點(diǎn)，各地用戶通過CDN分節(jié)點(diǎn)就近實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)站的訪問，以獲得最低的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、達(dá)到最佳的瀏覽效果。對(duì)于直播節(jié)目，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先設(shè)置的策略，自動(dòng)將直播節(jié)目源分發(fā)到各個(gè)分節(jié)點(diǎn)，用戶訪問時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各個(gè)負(fù)載子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)自動(dòng)分配到負(fù)載較低的服務(wù)器上，有效緩解高并發(fā)訪問帶來的網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸、流媒體服務(wù)器負(fù)載壓力等問題。

5.3 系統(tǒng)均衡負(fù)載

系統(tǒng)是基于服務(wù)器CPU監(jiān)測(cè)、內(nèi)存監(jiān)測(cè)與Web任務(wù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配，可以準(zhǔn)確地將用戶訪問、點(diǎn)播請(qǐng)求均衡到集群服務(wù)器中的服務(wù)器端，使負(fù)載真正能夠均衡，讓服務(wù)器集群中的每臺(tái)服務(wù)器都能發(fā)揮最大的效率，提高整體網(wǎng)絡(luò)性能，提高自愈性，并確保網(wǎng)站關(guān)鍵性應(yīng)用的可用性。完全基于Web的后臺(tái)管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，讓客戶隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)與控制的服務(wù)器集群狀態(tài)，隨時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量、負(fù)載壓力、突發(fā)事件靈活調(diào)整服務(wù)器集群中各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載。

5.4 用戶認(rèn)證和管理

系統(tǒng)應(yīng)具有完善的用戶分類和認(rèn)證機(jī)制；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多級(jí)別的用戶管理，不同級(jí)別的用戶收看相應(yīng)或更低級(jí)別的節(jié)目；外部用戶的認(rèn)證，可以通過后臺(tái)管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)；內(nèi)部用戶認(rèn)證，可以直接由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，然后到流媒體服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)視頻節(jié)目服務(wù)。外部和內(nèi)部用戶的區(qū)分，可以通過IP地址來實(shí)現(xiàn)判斷。系統(tǒng)支持二次認(rèn)證。

5.5 系統(tǒng)的擴(kuò)容性

系統(tǒng)中視頻服務(wù)器為域集群組，當(dāng)一組視頻服務(wù)器無法滿足直播并發(fā)數(shù)時(shí)，可方便添加視頻服務(wù)器，在后臺(tái)管理軟件進(jìn)行簡單的設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)域集群組的擴(kuò)容。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)體系，系統(tǒng)管理進(jìn)行統(tǒng)一管理，可大大減輕骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量和視頻服務(wù)器的負(fù)載。

[1]袁曉梅.視頻網(wǎng)絡(luò)直播與流媒體的融合[J].電視技術(shù)，2003，27（12）：82-84.

[2]宋家友，桑紅濤.CDN技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2005，29（6）：75-77.