智慧運(yùn)維系統(tǒng)中的全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

劉偉東 楊俊康

（作者單位：紫金電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái)）

廣播電視是引導(dǎo)全社會(huì)樹立正確價(jià)值觀，弘揚(yáng)社會(huì)主旋律、傳播正能量、推動(dòng)科學(xué)文化傳播和社會(huì)發(fā)展的重要媒介[1]，也是黨和政府傳播意識(shí)形態(tài)、鞏固黨和人民共同思想基礎(chǔ)的有效途徑[2]。

在如今的數(shù)字化時(shí)代，媒體融合發(fā)展是傳統(tǒng)廣電創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，也是國(guó)家戰(zhàn)略。要實(shí)現(xiàn)媒體融合，就需要在智慧廣電建設(shè)的路徑下去推動(dòng)，媒體融合是方向，智慧廣電是實(shí)踐路徑。國(guó)家廣播電視總局也在2018年11月印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)智慧廣電發(fā)展的指導(dǎo)意見》，為智慧廣電的發(fā)展指明了要點(diǎn)，推動(dòng)智慧廣電建設(shè)[3]。

在智慧廣電建設(shè)中，智慧運(yùn)維又是重要環(huán)節(jié)。它通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化的方式助力廣播電視安全播出，是保障廣電視聽安全的重要舉措[4]。

發(fā)射臺(tái)智慧運(yùn)維一般過程是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、處理分析、智能控制、可視化呈現(xiàn)、異態(tài)報(bào)警通知，涉及物聯(lián)網(wǎng)、流媒體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、專用算法、萬維網(wǎng)（World Wide Web, Web）、移動(dòng)開發(fā)等技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)節(jié)傳設(shè)備、發(fā)射機(jī)、信源/節(jié)目、動(dòng)力環(huán)境等的智能監(jiān)管。但他們都是獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊，需要一個(gè)將分散業(yè)務(wù)整合起來的功能，這就需要提到本次介紹的全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖。

1 全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖的定義與意義

1.1 全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖定義

鏈路圖是一種圖形化表示系統(tǒng)內(nèi)組件間邏輯關(guān)系的展示方式。在鏈路圖中，通常通過節(jié)點(diǎn)或符號(hào)來表示一個(gè)組件，以組件之間的連線或者箭頭來表示組件間的邏輯關(guān)系。

發(fā)射臺(tái)的全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖（見圖1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)眾多節(jié)傳設(shè)備、發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)、信源狀態(tài)監(jiān)測(cè)、節(jié)目播出情況監(jiān)測(cè)。同時(shí)，展示頻點(diǎn)發(fā)射鏈路中信號(hào)的流向，即從衛(wèi)星、光纖、微波接收信號(hào)開始，到發(fā)射塔發(fā)射結(jié)束的全鏈路監(jiān)控展示。

1.2 全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖的意義

全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖是發(fā)射臺(tái)智慧運(yùn)維系統(tǒng)的重要組成部分，它在全鏈路監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)具有如下三點(diǎn)重要作用：

（1）直觀展示廣電傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系，使信號(hào)傳輸過程的監(jiān)測(cè)和管理變得更加方便。

（2）展示系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)工況、信源/節(jié)目情況，幫助值班人員更簡(jiǎn)單、清晰地了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以協(xié)助值班人員快速定位故障點(diǎn)，使故障能夠得到及時(shí)處理。

總而言之，全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖可以滿足全鏈路集中監(jiān)管需求，提高值班人員監(jiān)管效率，助力整套發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上降低了播出風(fēng)險(xiǎn)。

2 全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖的實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體為瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server,B/S）架構(gòu)。其中，瀏覽器作為全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖的用戶顯示前端，擺脫了固定在應(yīng)用程序（Application,App）上使用的限制，打開手機(jī)、平板或是計(jì)算機(jī)中的瀏覽器，使用局域網(wǎng)，即可訪問全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖頁(yè)面，隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)管。

全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖整合了節(jié)傳設(shè)備、發(fā)射機(jī)、信源節(jié)目等對(duì)象，每一個(gè)對(duì)象都擁有一個(gè)管理層，管理層獲取對(duì)象的實(shí)時(shí)工況信息、判斷報(bào)警，并與全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖共享數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

2.2 節(jié)傳設(shè)備接入

節(jié)傳設(shè)備在通信網(wǎng)絡(luò)中，一般充當(dāng)服務(wù)器的角色。也就是說，通信另一方的客戶端需要知道設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)IP地址，然后才能進(jìn)行鏈接并通信。發(fā)射臺(tái)里節(jié)傳設(shè)備眾多，如果是手動(dòng)管理地址，那么需要逐個(gè)設(shè)置每個(gè)節(jié)傳設(shè)備的IP地址，這是一件相當(dāng)煩瑣、重復(fù)性高，且容易出錯(cuò)的事情。

更加方便快捷，并且更不易出錯(cuò)的IP地址管理方式應(yīng)該是啟用動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP），讓DHCP服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配IP地址給每個(gè)設(shè)備。但I(xiàn)P動(dòng)態(tài)分配后，設(shè)備管理端又無法直接獲取設(shè)備的IP地址，這時(shí)就需要通過設(shè)備發(fā)現(xiàn)來獲取。

IP地址動(dòng)態(tài)分配后，局域網(wǎng)內(nèi)每臺(tái)設(shè)備的IP地址就是變化的，設(shè)備就需要一種方式將自己的IP地址通知給管理端。傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol, TCP）只能在知道目標(biāo)IP端口的情況下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，所以選擇用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）下的廣播或組播進(jìn)行一對(duì)多通信。將自己的IP按一定協(xié)議封裝后，“喊”給局域網(wǎng)內(nèi)的所有通信對(duì)象“聽”，客戶端“聽到”后按預(yù)先約定協(xié)議解析后便能得到對(duì)方的IP地址。

由于廣播傳播數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)把同一數(shù)據(jù)包復(fù)制給網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)，浪費(fèi)了一定的帶寬，特定條件還可能造成廣播風(fēng)暴，引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓。反觀組播，其數(shù)據(jù)只傳遞給加入該組的成員主機(jī)，傳播過程中只有一份數(shù)據(jù)，在臨近成員主機(jī)的組播路由器時(shí)才復(fù)制并分發(fā)數(shù)據(jù)給成員主機(jī)，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。選擇UDP組播方式傳遞IP地址給客戶端是最佳方案。

但UDP不提供傳輸可靠性，消息存在丟失的可能，需要在通信協(xié)議上確保通信的可靠性。因此，需學(xué)習(xí)TCP協(xié)議底層通信機(jī)制，即通過確認(rèn)應(yīng)答來相互確認(rèn)已收到對(duì)方發(fā)送的消息，同時(shí)聯(lián)合超時(shí)重傳機(jī)制，確保設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程的可靠性。

最后，在數(shù)據(jù)通信時(shí)采用面向鏈接的、可靠傳輸?shù)腡CP協(xié)議，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)傳設(shè)備損壞、斷電、斷網(wǎng)等突然“下線”的情況，發(fā)現(xiàn)流程如下：

2.2.1 設(shè)備端發(fā)現(xiàn)流程

（1）設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并獲取DHCP動(dòng)態(tài)分配的網(wǎng)絡(luò)IP地址。

（2）空閑時(shí)主動(dòng)發(fā)送UDP組播消息，通告自己上線。

（3）利用定時(shí)器中斷的觸發(fā)時(shí)間，等待管理端回復(fù)上線確認(rèn)。

（4）如果中斷觸發(fā)前仍未收到管理端上線確認(rèn)消息，再次通告上線消息。

（5）否則，向管理端進(jìn)行UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回復(fù)上線完成消息，并關(guān)閉該中斷。

（6）開啟TCP服務(wù)等待管理端鏈接。

2.2.2 管理端發(fā)現(xiàn)流程

（1）管理端接入網(wǎng)絡(luò)并獲取分配的網(wǎng)絡(luò)IP地址。

（2）加入同一組播地址，接收設(shè)備上線通知。

（3）收到設(shè)備上線消息后，針對(duì)該設(shè)備進(jìn)行UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回復(fù)上線確認(rèn)消息。

（4）利用定時(shí)器，等待設(shè)備上線完成消息。

（5）如果超時(shí)前收到上線完成消息，以TCP客戶端身份鏈接設(shè)備端。

（6）否則，再次進(jìn)行UDP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回復(fù)上線確認(rèn)。

2.3 發(fā)射機(jī)接入

發(fā)射機(jī)廠家繁多，同一廠家的發(fā)射機(jī)協(xié)議版本也多，需要想辦法封裝發(fā)射機(jī)協(xié)議細(xì)節(jié)，解耦通信上下游的協(xié)議依賴，將添加或改變協(xié)議的影響控制在最小范圍。

最終選擇在管理層與發(fā)射機(jī)之間添加嵌入式層來封裝協(xié)議細(xì)節(jié)，嵌入式層對(duì)接發(fā)射機(jī)，將各種各樣的發(fā)射機(jī)協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的協(xié)議后發(fā)送給管理層。

嵌入式層與管理端序列化協(xié)議設(shè)計(jì)如下：

（1）報(bào)頭/報(bào)尾：確定協(xié)議的開始/結(jié)束。

（2）消息ID：表示消息號(hào)，是單調(diào)遞增的數(shù)字，具有唯一性、有序性的特點(diǎn)，讓消息具有冪等性。

（3）模塊類型/模塊地址：用來區(qū)分功能模塊，將采集、控制、設(shè)置、空中下載（Over-the-Air,OTA）等劃分為獨(dú)立模塊，并通過模塊地址尋址。

（4）命令代碼：表示操作指令，用來區(qū)分協(xié)議類型。

（5）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：描述數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度（字節(jié)）。

（6）數(shù)據(jù)段區(qū)域承載通信的內(nèi)容。

（7）檢驗(yàn)和：保證通信內(nèi)容的完整性、準(zhǔn)確性，通信的兩端均以消息相同部分作為計(jì)算參數(shù)，使用相同的算法進(jìn)行計(jì)算，如果接收端計(jì)算的結(jié)果與校驗(yàn)和不同，則表明傳輸過程出現(xiàn)了差錯(cuò)[5]。

數(shù)據(jù)段為參數(shù)列表，其為封裝發(fā)射機(jī)協(xié)議細(xì)節(jié)的關(guān)鍵。

一個(gè)參數(shù)由參數(shù)代碼、參數(shù)長(zhǎng)度、參數(shù)內(nèi)容組成，參數(shù)列表表示多個(gè)參數(shù)的集合。

（1）參數(shù)代碼：描述參數(shù)值的類型。

（2）參數(shù)長(zhǎng)度：描述參數(shù)值占用字節(jié)數(shù)。

（3）參數(shù)值：表示參數(shù)的內(nèi)容。

通過列表化發(fā)射機(jī)屬性后，管理層以及后續(xù)層級(jí)看不到各式各樣發(fā)射機(jī)協(xié)議上發(fā)射機(jī)屬性的差異，只需統(tǒng)一以列表的方式識(shí)別參數(shù)，通過參數(shù)代碼判斷參數(shù)類型，隨后進(jìn)行相應(yīng)邏輯處理即可。也就達(dá)成了封裝發(fā)射機(jī)協(xié)議細(xì)節(jié)，解耦通信上下游的協(xié)議依賴的目的。

對(duì)比參數(shù)列表方案與常用方案，通過結(jié)構(gòu)體方式描述協(xié)議（在數(shù)據(jù)段填“普通舊數(shù)據(jù)”類型結(jié)構(gòu)體）。假設(shè)發(fā)射機(jī)生產(chǎn)廠家數(shù)為M，每個(gè)廠家有N種發(fā)射機(jī)，通信鏈路有K層：

（1）結(jié)構(gòu)體方案：K層通信鏈路，序列化反序列化次數(shù)之和為2（K-1），接入全部N×M種協(xié)議。因?yàn)槊糠N協(xié)議發(fā)射機(jī)屬性不同，所以數(shù)據(jù)段承載的結(jié)構(gòu)體也必然不同，而每種結(jié)構(gòu)體都需要獨(dú)立的序列化與反序列化代碼。最終，序列化與反序列化代碼一共需要增加（N×M）×2（K-1）處。

（2）參數(shù)列表方案：K層通信鏈路，序列化反序列化次數(shù)之和為2（K-1），接入全部N×M種協(xié)議。由于以同樣的結(jié)構(gòu)傳遞N×M協(xié)議，所以反序列化處代碼可通用，僅需增加1處即可；序列化處需要將N×M種協(xié)議轉(zhuǎn)換為參數(shù)列表，需要增加（N×M）處代碼。最終，序列化與反序列化代碼一共需增加N×M+1處代碼。

參數(shù)列表化方案比常用方案減少了（N×M）×2（K-1）-N×M+1處代碼，提高了編碼效率，也減少了產(chǎn)生程序錯(cuò)誤的可能。

2.4 節(jié)目接入

節(jié)目來自組播信源流，一個(gè)信源流內(nèi)包含多套節(jié)目。為了達(dá)到實(shí)時(shí)播放的目的，需要實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器推送視頻/音頻流，網(wǎng)頁(yè)前端播放器在下載的同時(shí)進(jìn)行播放。

國(guó)內(nèi)主流的直播流媒體協(xié)議有動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)技術(shù)（HTTP Live Streaming, HLS）、實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol, RTMP）、HTTP-FLV（即將音視頻數(shù)據(jù)封裝成FLV，然后通過HTTP協(xié)議傳輸給客戶端）。

HLS通過超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol, HTTP）傳輸，優(yōu)點(diǎn)是能夠避免防火墻攔截，自帶動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)，支持平臺(tái)多。其缺點(diǎn)是播放時(shí)會(huì)不停獲取視頻切片，延遲較高。

RTMP通過TCP傳輸，延遲低，長(zhǎng)時(shí)間播放穩(wěn)定，計(jì)算機(jī)平臺(tái)普遍可播放，但不支持HTML5（構(gòu)建Web內(nèi)容的一種語(yǔ)言描述方式），也存在被防火墻攔截的可能。

HTTP-FLV通過HTTP傳輸，能夠避免防火墻攔截，播放時(shí)沒有復(fù)雜交互，延遲較低，支持HTML5。

對(duì)比之后，最終選擇HTTP-FLV方式實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器的推流。

流媒體服務(wù)器運(yùn)行流程如圖2所示：

圖2 流媒體服務(wù)器運(yùn)行流程

2.5 鏈路圖整合

由于發(fā)射臺(tái)性質(zhì)的差異，各臺(tái)站的節(jié)傳設(shè)備種類、節(jié)目類型、信號(hào)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均有所差異，為了適應(yīng)這種差異化，真實(shí)布局臺(tái)站的實(shí)際傳輸鏈路，全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖需要做到可編輯。

編輯主要涉及兩點(diǎn)：一是管理鏈路與節(jié)點(diǎn)基本屬性，同時(shí)負(fù)責(zé)管理鏈路與節(jié)點(diǎn)間的歸屬關(guān)系、節(jié)點(diǎn)與具體節(jié)傳設(shè)備/發(fā)射機(jī)/節(jié)目的對(duì)應(yīng)關(guān)系；二是可拖拽式布局，主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)在鏈路中的布局，反映鏈路節(jié)點(diǎn)的上下游關(guān)系。經(jīng)過編輯后，真實(shí)鏈路布局便以邏輯關(guān)系的形式映射在鏈路圖中。

在全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖中的每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)、節(jié)目節(jié)點(diǎn)均有全局唯一的ID，數(shù)據(jù)在節(jié)傳設(shè)備、發(fā)射機(jī)管理層、流媒體服務(wù)器與全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖Web服務(wù)器間流轉(zhuǎn)時(shí)，通過ID來將每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。每當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)備工況發(fā)生變化或報(bào)警發(fā)生時(shí)，網(wǎng)頁(yè)前端根據(jù)唯一ID精準(zhǔn)顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

全節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈路圖接入并聯(lián)動(dòng)了節(jié)傳設(shè)備、發(fā)射機(jī)、信源節(jié)目，將智慧運(yùn)維系統(tǒng)分散、獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊整合起來，直觀、實(shí)時(shí)地展示鏈路內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工況信息，實(shí)現(xiàn)全鏈路的集中監(jiān)管，使智慧運(yùn)維系統(tǒng)更加完善，定位排障更加容易，監(jiān)管更加高效，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。