新型制播一体化电视播出系统设计与建设中

安全优化及备份措施的深度探索与实践

向东 肖建波

（贵州广播电视台）

摘要 本文紧密结合当前全数字化网络化制播一体电视播出系统的特点，通过对贵州广播电视台新建播出系统在安全优化方案和安全备份措施上的深度探索，特别是异构互补技术的应用，从多个方面提供了当前新型电视播出技术系统建设中增强安全性的一些思路和方法

关键词 制播一体播出系统 异构互补 安全优化 冗余备份

近年来，编播一体全数字化网络化播出系统已经成为国内电视台播出系统建设和改造中的主流方案。这种方案能够大大提高节目制播效率，但新的架构也会带来网络或数据库问题造成的全局瘫痪或响应延迟，视频服务器对文件的兼容性问题造成的编解码错误，相同结构的播出主备通道同期出现同类故障的可能性较大等新问题，在贵州广播电视台全数字网络编播一体化播出系统的设计中，我们经过充分的思考和探索，针对数据库、视频服务器、切换台和播出控制、二级存储等核心子系统，创造性地采用了数据库策略时间片结构优化、多级数据服务备份、视频服务器和传输链路的异构、缩编和播出二级存储的多层分布式存储等技术方案，较好地解决了播出核心子系统的冗余备份和安全优化工作，经过两年多来的实际运行证明，系统安全性得到了极大提高。 1 数据库系统的安全性优化和备份方案数据库子系统是数字化网络化播出系统中极其重要的一环，是整个系统的大脑，其安全备份和应用策略的优化是系统设计中必须首先考虑的问题。贵州广播电视台新建播出系统数据库结构如图1所示，它可以控制12个标清频道和一个高清频道的上载、缩编、迁移、编单、播出等流程，分为缩编和播出两个部分。缩编包括总编室预编单，节目代码管理，素材缩编，电视剧归档、迁移转码等模块，使用12个数据库，其数据读写量较小，使用一个数据库服务来管理。播出部分包括素材上载、文件审核、节目迁移、播单编辑、素材管理、播出控制、播后查询等模块。使用了两个数据库，其中一个作为用户登录信息及认证管理，另一个则包括了播出的所有素材信息、节目单编辑、素材迁移、流程控制、播出设备控制等信息。该数据库系统的功能强大，流程复杂。在实际应用中，编播功能的正常运行对于数据库的实时性响应、备份与数据存储容量都具有较高的要求。

图1 贵州广播电视台播出系统数据库及服务器配置结构图

数据库的安全性体现在在读写速度、访问的稳定性上。在播出系统中，编单、迁移等流程对数据库的访问频率较高，数据表的多表查询多，访问数据量大，常常造成访问等待。软件的长时间阻塞经常导致死机和流程停止。一个播出系统在刚开始测试使用时，系统总是比较稳定和高效，运行了一段时间以后，便开始出现各种各样的问题，这种规律性现象产生的一个重要原因就是逐渐增大的数据量导致工作站点查询访问数据库的效率低下和查询超时。播出工作站在连接和访问数据库时，应该采取多线程的工作方式，不应阻塞和干扰工作站对于重要硬件设备如视频服务器、切换台等的控制。为了解决数据阻塞和数据安全问题，我们采用了以下多种方式对数据库进行优化和备份。 1.1 提高归档周期，及时删除表数据更少的表数据可以带来更短的访问时间，播出数据库系统表数据的删除是以归档的形式体现的。归档就是将一些过期数据转移到另一个数据库中，保证数据库数据量不会无限增大。对于10个频道以上的播出系统，半个月的数据量已经非常大了，且归档后的数据库同样存在逐渐增大以致影响查询流程的问题。我们调整主播出数据库的归档周期为7天，另配置归档数据回查的服务器，通过自己开发的程序在数据库归档时进行时间起始点截断，就始终保持了主播出数据库和归档查询数据库的数据量大小相对恒定，圆满解决了数据库增大带来的流程阻塞和服务停止的问题，同时又保证了广告播量回查等需要。 1.2 合理分配数据库访问时间片短时大量数据处理很容易造成数据库服务器的工作缓慢甚至崩溃。我们将各个工作站点对数据库的访问按照时间片的方式分列出来，对于访问数据量较大的应用通过时间分片的优化方式，调整到业务量相对较小的凌晨等时间段进行，合理分配各频道文件迁移、删除、审核等策略的发起，采用分布错时执行的方式，大大降低了数据库崩溃的可能和响应延迟现象，有效提高了效率和安全系数。

图2 数据库访问时间分片

1.3 同时采用多种方式对数据库进行安全性备份我们同时采用了集群备份，服务备份和数据备份多种方式，在数据库一旦崩溃时可以在最短的时间内迅速恢复工作。1）集群备份。集群备份是指使用多台机器（对播出来说，一般使用两台即可）共同构成一组数据库服务，共享一个数据源（数据盘阵），对外提供唯一的访问接口，组成集群的几台机器使用内网连接进行工作交互和分配，如果其中一台出现问题，则空闲设备自动接管的技术。

图3 数据库集群备份

SQLServer的故障转移集群技术和Oracle的RAC集群技术各有特点，SQLServer支持热切换，Oracle的RAC支持自动负载均衡技术，我台播出主数据库采用的是SQLServer的故障转移集群技术，缩编主数据库采用的是Oracle的RAC集群技术。 2）服务备份服务备份是指除了主数据库外，部署冗余的数据库服务器作为应急的备份。主数据库故障时，将系统的所有工作站点指向（一般是IP地址）改为备份的数据库服务器，可以迅速恢复工作。

图4 数据库服务备份

3)数据备份数据备份是指将数据库中当前的数据导出生成文件的方式来进行备份。因人为误操作或者软件处理等原因造成了数据的错误，可以通过之前时间片的数据备份进行恢复。

图5 数据库服务备份结构图

我们同样利用合理分布时间片的形式，选择在工作站点空闲的时间段进行备份，有效避免了数据库备份干扰工作流程的问题。 2 视频服务器和播出控制机的异构备份方案视频服务器是整个硬盘播出系统的心脏。在传统的播出系统中主、备播出服务器镜像备份的方式存在老化时间相近同时发生故障的安全隐患。当前在上载、编辑和播出环节一般采用不同的设备，虽遵循相同的编解码标准，仍然存在兼容性问题。如我们碰到过不同厂家服务器对初始帧的定义StartTimecode和StartPosition判断首帧不同造成的插入点错误。为了解决以上问题，我们的视频服务器采用了主+备+异构三备的结构，不同品牌不同编解码方式的异构方式，能有效避免因同一产品在设计上的缺陷带来的隐患。这种方式还能起到相互弥补，提醒检查播出隐患的作用。播出控制机是系统中最重要的设备，我台原播出系统中播控机采用的是目前大多数电视台简单主、备播出机双机热备份的备份方式，如图6所示：

图6 传统播出控制结构图

这种方式在实际使用中我们碰到主机出现异常时备机未能正常接管的问题。新系统采用主+备+三备的形式，通过增加第三级备播出控制机，控制独立的第三备播出服务器。第三备播控机只在节目加单、更改、手动切出这三种情况下置为“跟随”状态以便接收播控主机的节目单信息并使播出同步，平时则置为“单独”播出状态，独立控制第三备播出服务器，出现上述问题时值班员可立即通过手动切换信号源至三备播出，有效解决了以上问题。

图7 贵州卫视播出控制结构图

3 音视频通道周边及切换设备的冗余安全架构在各电视台播出系统建设中，对于各种核心周边设备如播出切换台、视分、同步发生器都有备份，备份在关键时候能否起到应有的作用与系统设计的完善性有很大关系。我台老播出系统结构如图8所示，在实际使用中我们发现，当主切换台本身由于通讯故障不作切换操作时，其面板也无法控制主机，无法在最短的时间内Bypass到16X2播出，同时各频道备链路使用的帧同步、视分等板卡分频道部署在与主链路相同的机箱中或者互有交叉，存在机箱故障使备份失去作用的风险。

图8 原播出切换台信号链路图

新建的系统中严格按照主备链路区分，将核心的信号通路设备从机柜、机箱、电源部分开始就完全独立分开，相互之间无关联，互不影响。为避免相同架构周边设备主备链路同时出现相同或类似故障带来的风险，我们对主、备（或第三备）链路采用了不同的架构：主路用切换台，备路采用切换器+键控+台标机，末级采用双四选一交叉输出，极大的提高了信号链路的冗余安全。如图9所示。

图9 贵州卫视频道播出链路结构图

4 根据节目类型采用不同的节目准备处理方式和多层异构分布式存储保证文件素材的安全在二级存储和播出媒资中采用不同的节目准备处理方式和多层异构分布式存储技术保证文件素材安全是我台新播出系统的一大特点和重要的安全手段。按照业务需要，我台电视剧、广告专题和自办节目的节目准备流程不同，节目的生命周期也不同。针对各自特点，我们采用了以下不同的处理方式：原版电视剧通过非编上载审核后进入缩编子系统的二级存储并迁移至播出媒资，利用数据流磁带永久保存。缩编子系统的二级存储对节目元数据保留10天左右按策略自动删除，编导对电视剧进行缩编的文件很小的故事版则长期保留。一旦该电视剧需要重播，编导既可以选择原来缩编过的版本，利用保留的故事版将原版素材重新打包生成，也可按要求重新缩编，既保证了原版电视剧素材的安全，避免多次上载编辑造成人力的浪费和视频质量损失，又使各频道能灵活调用。广告专题类节目直接上载迁移到播出网建有广告分区的二级存储，再由二级存储分发至对应频道播出服务器。广告类节目文件均不会很大，且重播率极高，我们在一个较长的周期（一般是一年）后再人工删除。素材文件在播出二级存储和播出服务器上存在多个备份，保证了文件的安全，又避免了频繁的上载和迁移流程。自办节目时效性强，这类节目直接上载并由播出二级存储分发至对应频道的播出服务器节目素材在播出二级存储上保留15天，在上载和播出服务器上只保留3天，这种分布式多份存储的方式既保证了素材的安全，也考虑了重播的需要，同时也保证了播出服务器和二级存储的剩余空间。二级存储是系统中文件传输的重要枢纽，文件分发外还承担着人工审核和自动技审功能。我们对播出和缩编二级存储都设计了主备结构，通过不同的策略，在二级存储上既可以单读双写，也可以进行主备存储的负载均衡分配。一旦某个存储发生故障，启用事先预设好的应急策略，可以迅速绕过故障设备，整个编播流程不会产生影响。播出和缩编的二级存储分别采用了不同品牌的设备，工作方式有NAS、IPSAN、网格式存储等结构，这种异构主备的方式同样有效提高了系统的安全性。 5 对节目素材审查和信号异态报警采用多种方式多重审核进行互补我台采用了自动技审、人工复审、文件分析、信号判断、专用通道预播等多种方式和手段对节目的安全性进行检查，这些不同的方式和手段互相弥补，大大提高了播出的安全。素材文件的多重审核：先是人工回看，对素材文件内容及质量初审；二是对传输到二级存储的素材进行自动技审，基于软件的运算对素材文件中是否包含异态（如静帧、黑场、静音等）的审核并确定异态时间点；三是对自动技审报错的素材进行人工复审，人工定点回看判断；四是对传输到播出服务器的素材进行播前节目单对应预审，对节目内容与节目单信息一致性确认；五是从播出服务器回迁至专用通道快速预播审核，用于发现传输过程中产生的错误导致的素材文件异常，从而避免播出服务器死机等重大事故隐患，这是对传至播出服务器文件的终审。信号通道节点判断报警：基于对SDI视频文件和数字视频分析技术的方式，我们采用了我台自行开发的具有自主知识产权的智能化监控报警系统。能够识别的异态黑场、彩条、无台标、测试卡、绿屏、纯色、无伴音，并独有局部异态报警、指定区域、指定内容报警等功能，通过对多个视频通道和关键节点进行视音频异态识别分析，实现异态报警、故障分析、监控回查等功能，能够及时提醒值机员在最短的时间内紧急处理故障。 6 系统备份由于广播电视对播出安全要求很高，我们不但要对单一的设备备份，在有条件时，也要有完整的系统级备份，多频道结构应尽量保持一致。对核心设备可以考虑使用N+1的方式进行备份，我台新播出系统就采用了11+1+1的方式对系统进行备份，除与卫视频道同播的高清频道外，多建了一个备播频道，平时用于卫视频道的节目跟播以及各种软硬件设备测试和培训，当主用系统故障或者进行技术改造或检修时，可以通过输出端末级多选一或者跳线的方式用于替代其他频道播出。对于最重要的卫视频道来说，与卫视同播的高清频道经过下变换后也能进行卫视频道的系统级备份。 小结 电视播出是一个系统工程，安全播出是电视台的生命，各电视台只有紧密结合当前电视发展的方向，结合自身的业务特点，大胆采用新的有效的技术安全设计理念，构建出充分考虑了系统安全性和冗余性的播出系统，才能有效降低播出事故的发生率，更好地完成播出工作。 编辑：中国新闻技术工作者联合会