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作者：雅特生科技公司軟件產品營銷高級總監 Jim Darroch、英特爾公司軟件設計師 Richard Dunphy、戴爾公司全球電信策略規劃師 Franklin Flint 視頻應用對密度和高品質處理的需求與日俱增，將廣播和通信網絡推向了極限。增加更多的設備來處理這些視頻流，從經濟角度來講是不可行的。而且，運營商、服務提供商和內容提供商注意到了在云端使用標準服務器的優勢，想要擺脫 特殊設備或專用硬件。但目前標準服務器尚未針對云端視頻轉碼進行優化。 因此，最佳解決方案是加速視頻云：標準服務器中的 PCI Express 視頻加速卡。 加速視頻云不但提供大量基于標準服務器的資源，還具備更高性能和更高密度視頻處理的額外優勢，以滿足當今用戶的需求。 本文介紹了加速視頻云需求背后的市場驅動力，并討論了 OpenStack 等技術和其它開源平臺在轉向 SDN/NFV 網絡架 構背景下的含義。然后，在總結部分例舉了現實生活中的應用來說明性能和經濟優勢。 目前云端處理視頻流量的能力 消費者是改變廣播網絡格局的主要驅動力。用戶習慣正在從傳統的廣播轉變為電視視頻消費(請參閱以下圖表頂部的“線性”部分)，再到動態、按需提供、移動的視頻觀看(請參閱以下圖表底部的“多屏幕”部分)。 這給網絡帶來重負，因此，網絡正在快速擴展自身能力，以便同時處理傳統電纜/線性/廣播視頻分布和更動態的多屏幕視頻。相較于運營商喜好，多屏幕視頻更多地受到消費者喜好的推動。視頻的帶寬消耗不容忽視，按其網絡份額大小進行判斷時尤其如此。 例如，Sandvine 的《全球互聯網現象報告》(2014 年 6 月)表明，在高峰時期，實時娛樂占到下行字節的 63% 以上。 隨著多服務運營商(MSO)和電信服務提供商使用云技術來為 媒體市場提供足夠處理資源、流資源和存儲資源的比例不斷增 大，運營商的業務格局也轉向視頻。但是，目前的云端視頻性能水平離最理想水平還相差甚遠。 本文將使用 Intel?(英特爾)、戴爾和雅特生科技的最新技術， 通過虛擬轉碼解決方案來探索在云端承載視頻的更好方法，最終實現更高密度、更高部署靈活性。 解決方案 —— 加速視頻云 典型的云實施基于多個完全相同的服務器，這些服務器可根據需要 用于不同的任務，滿足應用指定的不同規模和空間占用要求。處理器是大量云計算資源中的 NFV(網絡功能虛擬化基礎架構)節點。 但是對于視頻，用于視頻流的服務器比用于網頁瀏覽的服務器支持的用戶容量少得多。因此，需要向云服務器增加視頻處理和轉碼資 源。 運營商在云端使用標準服務器的比例不斷增大，而且無需特殊設備， 加上視頻應用對密度和高品質處理的需求與日俱增，因此最佳的解 決方案是加速視頻云。加速視頻云不但提供大量基于標準服務器的資源，還具備更高性能和更高密度視頻處理的額外優勢，以滿足當 今用戶的需求。 使用標準服務器的期望 在過去 10 年，就資本和運營支出兩方面而言，云數據中心解決方案的開發已創造出極具成本效益的業務模式。通過使用現成的商用 (COTS) 硬件并開發可使用智能協調器進行控制的高度可靠和可擴 展軟件，傳統的數據中心已成為企業和過頂 (OTT) 互聯網解決方案 提供商的標準。由于長期要求可靠性、可管理性和可用性(優先級別更高)，此模式的優勢在電信網絡中尚未實現。 在 ETSI 網絡功能虛擬化工作組(后文詳述)的幫助下，運營商和 服務提供商開始嘗試在電信網絡中采用成熟的云技術，并嘗試解決此網絡的特殊要求。 現在，解決方案提供商也正在開發 NFV 解決方案，為運營商提供云網絡解決方案。 除了降低通向新市場的成本外，此方案還有很多優勢。利用 COTS 硬件和軟件規模的優勢，網絡設計、部署、管理和支持需要的資源 將減少。使用行之有效的解決方案進行維護將會更輕松。另外，可在整個網絡中更快地測試、試驗和推出虛擬平臺中運行的新服務， 為運營商提供了一種回報更快的路徑，并能更迅速取悅使用新技術 的消費者。虛擬網絡還具有更大的可擴展性。可推動改進整個數據中心的功耗、管理和支持，例如，戴爾平臺和服務已經能夠為運營 商提供理想的性能、密度、運營成本和支持之間的平衡。 這些網絡數據中心的核心運行組件是標準服務器。就資本和運營支 出兩方面而言，標準服務器的設計目的是提供引人注目的財務狀 況。它們經常被優化以實現高可靠性、高性能和高密度，并可在數據中心或電信中心辦公室環境下運行。例如，由兩個 Intel? Xeon? E5 處理器驅動的戴爾 PowerEdge? R720 2U COTS 服務器，提 供有交流或直流電源輸入、標準配置或符合 NEBS 級別 3 和 ETSI 標準的可選配置選配件，以滿足電信基礎架構部署位置的各種要求。為了達成本白皮書的目的和解決方案，戴爾與雅特生密切合 作，推薦使用符合 NEBS L-3 標準的 PowerEdge? R720 運營商級版本，它能滿足運營商網絡的嚴苛要求;同時，戴爾還提供可在 現代高架地板數據中心使用的標準版本。通過結合本白皮書中提出 的加速視頻云方法論與戴爾 PowerEdge? R720，即可實現使用標 準服務器和大幅增加網絡視頻處理性能這兩個優勢。 2013 年，使用英特爾第四代酷睿生產線，Intel? 推出 Iris Pro 處理 器圖形，它增加了 MPEG2 編碼器功能，通過增加更多的動態預測 引擎提高視頻質量，內置 128MB DRAM，為 GPU 提供了高帶寬的內存容量(70GB/s，而雙通道 DDR3 存儲接口為 25GB/s)。 在轉碼方面，高速視頻同步技術比其它架構擁有更多優勢。傳統的硬件固定功能提供低功率和高性能的解決方案，但如果需要更新編 碼，則無法快速變化。而軟件編解碼器以功率和性能為代價，提供 充分的靈活性。 通過利用硬件實現不變編解碼器的功能，利用 GPU 中的計算單元 上運行的軟件實現可變編解碼器的功能，高速視頻同步技術能夠實 現平衡的解決方案，功率低且性能高，同時保持日后改進編解碼器所需的靈活性。 高速視頻同步解決方案由兩個主要元素構成。“ENC” 由提供有效 動作搜索的硬件加速(也稱作媒體采樣器)和在可編程的執行單元 陣列上運行的軟件構成。“PAK” 重新使用來自多格式編解碼器引擎 的邏輯，提供完整的硬件單元進行像素重建、量化、熵編碼等。 混合 2 級視頻編碼器 這種硬件和軟件組合允許高速視頻同步技術大大降低英特爾架構上轉碼的功率要求，同時提高了性能。 這些數據塊通過多格式編解碼器引擎和視頻后期處理(例如，Deinterlacing、DeNoise 和一些其它過濾器)與硬件解碼加速相結 合，提供四級轉碼管道，且所有級能夠同時運行，以實現高密度的直播/線性同時轉碼，速度比實時或離線轉碼要快數倍。 借助靈活的編碼器管道，Intel? 定位用于提高每一代的性能和視頻 質量。在 Intel? 第二代酷睿和 Intel? 第四代酷睿之間，“平衡”(視頻質量和性能)模式的性能大大提升，同時此模式的視頻質量也得到提高。總的來說，Intel? 第四代酷睿中的 QSV 提高了各級 視頻質量，超過了前代產品。 資源層，提供一套標準資源元素(包含計算、存儲和網絡)。 對于需要消耗資源的應用程序以及管理/協調應用程序而言，這些資源是可見的，是硬件層物理實現的抽象概念 共享服務——硬件和上述資源接口之間的粘連層。這是虛擬 化存在的地方——虛擬機管理程序，可訪問虛擬機 (VM) 和客 體操作系統，是所管理的所有計算單元之間的一個共享服務 OpenStack 面板 —— 管理層，允許云服務提供商將資源分配 到用戶應用程序(并提供收費等輔助功能) 共享服務和(最重要的)資源元素駐留在“標準硬件”上 OpenStack 的目標是提供一套管理集資源，完全獨立于基礎硬件。此方案有眾多優勢——服務可隨著網絡條件和服務需求變化而轉換到其它服務器。 對于多數應用程序，這一抽象效果很好。但是，有些應用程序對計算或存儲或網絡資源有特殊要求，必須連接到更具體的硬件實例。 其中一個示例就是視頻轉碼。 有關“標準”硬件的注釋——“標準”并不意味著全能。各物理資源必 須提供認可級別的性能(可以是 CPU、網絡帶寬、存儲能力或“特 殊”硬件要求)。 這些資源出現在管理面板中，可根據需要分配到用戶應用程序。應 用程序必須提供運行所需的資源“配置文件”;面板允許服務提供商 將匹配的資源分配到應用程序。 對于視頻轉碼，通過面板可提供大量視頻經過優化的資源。為每個 用戶/應用程序建立策略以管理對轉碼功能的使用，這由面板強制 執行。策略派生自服務級別，它極其靈活，能力具有彈性，例如： 臨時允許超額容量 以溢價成本提供超額容量 對于想要實施網絡功能虛擬化(NFV，此術語表示將網絡應用與它們的基礎硬件分離)的運營商/服務提供商，OpenStack 受到他們 的極大關注。換句話說，OpenStack 就是“適用于電信應用的云基 礎架構”。 SDN/NFV 標準化 ETSI 建立了行業標準化工作組 (ISG) 來研究是否需要 NFV 標準。 雖然 OpenStack 來自企業界，但集中協調虛擬化的資源這種概念 將是形成 NFV 標準的關鍵組成部分。OpenStack 或其運營商級 版本可能會作為關鍵技術出現。 從基礎架構上至管理和協調，ETSI NFV ISG 已經在 NFV 的結構 上建立了信息化工作。就其本身而論，這是對推薦做法的描述， 而不是如何實施 NFV 的任何標準，或來自多個供應商的、很多用 戶使用的和許多服務提供商運行的設備和軟件實際上將如何交互 操作的任何標準。但幾乎可以肯定的是，NFV ISG 將繼續工作兩 年，目標是建立 NFV 的規范標準。 ISG 本身是由全球著名的服務提供商、設備制造商和獨立軟件供 應商組成。可以公平地說，NFV 擁有廣泛且堅定的行業支持，將 會成功推薦出標準方案來實施包括視頻在內的眾多應用。 多視頻處理資源的 SDN/NFV 控制 協調很多用戶可用的多個異構視頻資源不是一項簡單的任務。事 實證明，OpenStack 在企業云環境下可擴展性極大，期望形成的任何 NFV 標準都將擁有相同的可擴展性。 但是，作為應用程序的視頻與企業云應用程序差異很大，應該認 真考慮。視頻傳輸是資源消耗的“完美風暴”： 需要使用大容量存儲才能維持視頻內容的數據庫視頻流從源格式到最終傳輸格式的轉碼(比特率、視頻格式、 屏幕尺寸等)需要消耗大量計算資源到最終用戶的流量傳遞幾乎是實時的;可用帶寬必須匹配轉碼器生成的流量 因此，協調器必須知道可用于視頻轉碼的資源，以及通過網絡獲得視頻數據包所需的帶寬。這是一個網絡邊緣問題(最終傳遞到 消費者設備)。這對于中間處理也是一個問題，中間處理是將原 始的、集中化的內容(通常來自制作者或播送者)轉碼，并推送到位于網絡邊緣(盡可能靠近最終消費者)的多個實例。 另外一個考慮是假設 OpenStack 控制(“協調”)虛擬資源——本 質上，虛擬機 (VM) ——通過其管理程序層加以實現，該層從底層硬件抽象出應用程序執行環境。服務器可支持多個 VM，資源被 認為在規模上有彈性。 視頻再次遇到了問題。如果轉碼從主機 CPU 轉到一個加速器上，那 么 OpenStack 協調器需要知道加速器可用(且支持視頻功能)。更糟 糕的是，加速器架構通常不使用 VM 技術，而是在 CPU 主操作系統上直接運行(常用術語“裸機”描述非 VM 模式)。 OpenStack 如何協調直接映射到硬件的“執行”資源?幸運地是，這個 問題有解決方案：OpenStack 有一個插件(稱為 “Ironic”)用于協調 裸機資源。其 Northbound API 與管理 VM 的接口完全相同，但 Southbound 接口知道它管理單一的硬件資源。 將來，ETSI NFV 工作組將標準化這樣做所需的接口和基礎架構。同 時，OpenStack 和 SDN 的互補技術將彌補此間隙。OpenStack 允許 協調資源時，SDN 利用 OpenFlow 協議配置網絡交換機，以提供與 要傳輸的視頻流量一致的互連能力。OpenDaylight 等 SDN 控制器可協助協調流量。 另一種方法是，簡單地提供將視頻處理為“永遠在線”所需的“最壞情 況”計算和網絡資源。因為所提供的資源大部分時間不使用，這將導 致網絡的能力過剩(以及由此產生的成本)。 在 Hulu 模式中，視頻每天以批量“離線”的方式被處理和傳輸。“大眾 消費事件”的情況甚至更加極端，例如大型體育賽事，其現場直播必 須緩存和實時處理。 通過組合使用 NFV (OpenStack) 和 SDN，資源僅在使用時被消費和 付費。資源可用性的彈性意味著，可以滿足意想不到級別的需求，而且無需事先過度配置。 這里所使用的 OpenStack、OpenFlow、OpenDaylight 等現有技術， 均為開源項目，開發人員可免費使用以實施這些服務。 轉碼越來越多地被使用，其中一種情況是電視回看或追趕，內容提供商接收來自多個制作者的內容，并將其處理為可供訂閱者在次日觀看。此類提供商每天可接收數百小時的內容，這些內容需要轉碼為多種不同的格式，以便傳遞到許多設備。結果是需要轉碼數千小時的視頻。 例如，提供商正在從多個制作者那里接收 200 小時的內容。根據所支持的設備不同，提供商可能會將此內容制作成多達 100 種不同的轉 碼輸出，以解決其允許的任何消費者設備對編解碼器、分辨率、比特率等的不同需求。 為了使這個例子更簡單，我們假設，現在提供商將執行 10 種不同的 1080p30 H.264 輸出。運行在標準的 1RU 雙 Intel? Xeon? E5-2650V2 處理器服務器上，服務器中每個 CPU 能夠處理大約 60 幀/秒的 X.264 轉碼(在 3.2GHz Intel? Core? i7-4770R 上以默認 CRF 快速模式 下的33fps 數據推斷得出);沒有虛擬化運行時，則每個服務器達到 120 幀/秒。但在云環境下，轉碼器將在虛擬機中運行，因此，我們 需要將此數字降低約10%，即每服務器總計約 108 幀/秒。 如果以 30 幀/秒轉碼 200 小時的內容，系統需要轉碼 2.16 億幀才能實現 10 種輸出。速率為 108 幀/秒時，雙 Intel? Xeon? E5-2650v2 服務器將需要 556 小時來執行此任務。而這對電視回看功能不是真正地有效。使用戴爾 R720T 等雙 E5-2650V2 2RU 服務器時，上述工 作量需要 24 個服務器(>1 機架)以 100% 最快速全天候不間斷運行，才能確保內容能夠在 24 小時內傳遞給消費者。以最快速全天候 不間斷運行肯定會導致數據中心故障，因此需要更多的服務器來分攤負荷，以確保可靠性。含有 2x Intel? Xeon? E5-2650V2 處理器的戴 爾 R720T 在有/無 4x Artesyn SharpStreamer? 卡時的比較： 另一種方法是在此類系統中使用 Artesyn SharpStreamer? 卡。 在帶有 4 個 Intel? Core? i7-4650U CPU 且每個 CPU 節點分 別能夠傳遞 120-240 幀/秒的 1080p 轉碼的條件下，提供商就可以進一步提高每個服務器的效率。在這種配置下，配合 CPU 內核上的軟件，一臺含有雙 Intel? Xeon? E5-2650V2 和四個 Sharp Streamer 卡的服務器可有效地達到約 4000 幀/秒。為了與 Intel? Xeon? E5-2650V2 軟件解決方案做比較，我們將專注于在 平衡質量模式(Intel MediaSDK 目標使用 = 4)下每節點 180 幀/ 秒的中間值，因此四張 PCIe 卡以 2880 幀/秒進行處理。這個解 決方案能夠通過單個服務器在 21 小時內將 200 小時的內容處理 為 10 種單獨的輸出，服務器數量僅需另一方案的 1/24，功率降 低至 1/11，成本更是減少至 1/5 以下。 而 10x 1080p30 轉碼可能不是此種部署的真正代表，可以想象得 出，提供商將需要提供更多計算，例如，一個 1080p30 大致相 當于單個 720p60。還應注意，200 小時僅代表許多內容提供商接收的總小時數的一部分。 實時/線性 ABR 廣播轉碼器需求 對于消費者而言，一天內的直播電視觀看習慣隨時改變。如今，IPTV 提供商必須做到不僅能傳遞至他們機頂盒中的已知實體，而且需要適應消費者觀看他們內容所使用的大量設備，例如平板電腦、手機、第三方電視(如 Roku?、Apple TV 和亞馬遜的 Fire TV)。廣播電視提供商提供在線電視門戶網站時也面臨類似 的挑戰。結果就是 IPTV 提供商現在需要能夠以最小延遲實時生成大量不同的轉碼格式。 為了適應網絡擁塞，大多數提供商已轉向自適應比特率技術，例 如蘋果的 HLS、Silverlight、PlayReady 等，其允許消費者設備決 定是否需要切換到不同的配置文件，以確保內容能夠連續播放。在多數情況下，消費者愿意容忍視頻質量的瞬間降低，但重新緩 沖通常會導致消費者改變頻道或改變提供商。自適應流試圖通過 將視頻切割為某一時間段(例如，2-4 秒)的多個區塊，并使客 戶端能夠在偽播放列表(稱作清單)中使用這些區塊，來幫助消 費者設備適應網速和帶寬的變化。 此清單為客戶端提供相關數據，展示什么配置文件適用于特定時間索引以及要請求的必要文件是什么。消費者設備請求其所需的 配置文件，并監控下載時間，如果時間不能滿足維持播放率所需 的時間，設備將請求較低級的配置文件并監控，最終可能需要重新緩沖，但是，已經配置好的設備將能夠在需要重新緩沖前及時 為播放器獲得下載的配置文件，除非網絡出現嚴重問題。 自適應流的缺點是需要創建不同的配置文件。在多數情況下，提供商不僅需要為其目標設備處理多種自適應流技術，還需要適應各種 設備所支持的不同分辨率、編解碼器配置文件、比特率等。這將導 致單個信道需要很多轉碼。最糟糕的情況是，允許訪問內容的每個設備類型在線且訪問每個信道的內容。信道越多，發生這種情況的 可能性就越小，但提供商需要在規劃網絡時知道峰值數。 通常情況下，全天將有一套通用轉碼集，大部分不是所有設備都需要，它們可以根據需要打包到各種所需的自適應流配置文件中。另 一套轉碼集用于傳遞特定設備所需的特殊呈現形式，但此轉碼集更 加動態，具體取決于觀看習慣。例如，許多人在醒來時使用帶有機頂盒的電視機或其它設備，然后轉到更加便攜的設備，例如便攜式 計算機、手機等。 關于眾多信道間的趨勢：將在一組信道上有波峰，而其它信道上有波谷。使用基于 Intel? XeonTM 的服務器上的虛擬化時，系統能夠根 據需要帶來更多的在線轉碼器，并配置它們以制作各種目標設備所需的呈現形式，方法是實施多比特率轉碼器，該轉碼器為傳入視頻 解碼、調整到所需分辨率并在發送到分割器以將流分割為分斷文件 之前編碼為特定格式，然后發送到包裝程序，按照消費者設備所要求的自適應比特率標準打包到所需包裝。 對于高效的多比特率轉碼器，視頻解碼應出現一次，并用作所有編碼輸出的單個參考;而編碼器稍加優化即可降低各種輸出分辨 率的縮放費用以及這些分辨率上的動作搜索。 來自編碼器的每個輸出都是圖片組 (GOP) 和排列的順序(編碼與 顯示)，這一點很重要。因此，在提交到包裝程序之前，來自分割器的結果片段都是正確排列。 此類運行軟件轉碼器的多比特率轉碼器服務器所面臨的挑戰，是 確保所需的所有不同的呈現形式都在單個服務器上生成。如果所 需呈現形式超出服務器能力，系統將需要為傳入視頻復制解碼器，以便原始基帶視頻無需通過系統之間(否則會進一步增加延 遲)，這要求每個流上有相當大的網絡帶寬(對于 1080p30 8bit YUV 內容，約為 500Mbps)。另外，這兩個系統將需要保持同 步，以確保輸出呈現形式為 GOP 和排列的順序，這是成功分割 的關鍵。 使用已啟用 Artesyn SharpStreamer 卡的系統時，所提供的密度允許 實現更多呈現形式，而且允許單個服務器上能適應更多信道。戴爾 RT720p Dual Intel? Xeon? E5-2650V2 處理器系統有可能輸出六個單 獨的 1080p30 流，配備四個 SharpStreamer 卡的相同系統能適應多 達 96 個單獨的 1080p30 流，每個服務器的轉碼能力提高 16 倍。 在 SharpStreamer 加速的平臺上，功率要求也縮小七倍：以前需要16 個服務器共 7604W，現在只需 1056W 即可處理 96 個流。 啟用 SharpStreamer 卡的系統允許提供商快速使網絡適應消費者設備的按需需求。 總結：此方案的優勢 使用上述兩種方案時，通過虛擬網絡中的視頻加速可實現眾多優勢。 優勢一：降低資本設備支出 加速方案的優勢主要來自服務器在數據中心所占用空間的減少和管理這些資源的簡化。網絡功能虛擬化使提供商能夠動態地改變所需資源 類型和級別，并且這適用于上述使用情況下作為 VNF 的視頻轉碼。 優勢二：省電并降低間接費用 優勢三：可擴展性 當網絡要求增加或減少視頻轉碼時，也能以較低成本擴大或縮小資源，這是因為可通過附加卡達到視頻轉碼數量，從而減少服務器數量。如上所述，網絡中服務器的數量減少，有利于大幅降低運營成本。因此，如同服務提供商通過增加服務來提供優質的 OTT 視頻服務，附 加卡能逐漸提高所需的密度級別，但資本設備支出沒有目前的傳統方法那么高昂。 優勢四：使用簡單，通過云端通用 X86 處理即可實現 基于 x86 的方法用來解決云端視頻處理問題，對設備供應商而言具有重要優勢，原因在于英特爾技術提供熟悉且簡單易用的 API 來加速 開發和上市時間。Intel? Media SDK 可實現從純軟件模式到媒體加速模式的轉變，同時具備運行 Windows、Linux、QuickSync video 和 API 庫的能力，甚至能以更高密度的容量為視頻應用傳遞最大的每機架單位流數。 |
