小鳥(niǎo)科技帶您剖析分布式系統的前世今生

　　最近一段時(shí)間，專(zhuān)業(yè)視聽(tīng)領(lǐng)域掀起一股有關(guān)分布式系統爭論的旋風(fēng)，諸多廠(chǎng)家紛紛提出各自的看法。小鳥(niǎo)科技作為業(yè)內以技術(shù)研發(fā)起家的企業(yè)，血液中流淌著(zhù)工程師基因，堅信好的產(chǎn)品會(huì )說(shuō)話(huà)，并不擅長(cháng)參與各種江湖紛爭。本想拿個(gè)小板凳靜靜做個(gè)吃瓜群眾，奈何很多業(yè)內友商及合作伙伴紛紛來(lái)電，希望小鳥(niǎo)君也談?wù)剬Ψ植际降睦斫?。理解一款產(chǎn)品，要清楚這款產(chǎn)品的歷史，才能看清楚發(fā)展方向。所以今天小鳥(niǎo)君先帶著(zhù)大家，回顧分布式系統發(fā)展的歷史，一起了解分布式系統的前世今生，同時(shí)給大家介紹小鳥(niǎo)科技的全系列分布式產(chǎn)品。

（一）

分布式系統的誕生

　　2008年

　　在二十一世紀初，出現了視頻分布式系統的雛形：基于視頻壓縮算法的視頻傳輸交換系統。但由于當時(shí)科技水平的限制，這類(lèi)分布式系統都采用PCIE架構，基于傳統的MJPEG/MPEG-4/H.263等視頻壓縮方式，實(shí)現視頻的傳輸和播放。這類(lèi)系統一般用于監控和安防領(lǐng)域，但是無(wú)法滿(mǎn)足會(huì )議室、指控中心等場(chǎng)景的應用。同時(shí)，由于其產(chǎn)品形態(tài)和使用限制很多，隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn)，逐漸消失在大眾視野中。

　　經(jīng)過(guò)小鳥(niǎo)君這幾日的仔細調研，發(fā)現真正意義的第一代分布式系統，是2008年美國的Jupiter公司出品的PixelNet系列產(chǎn)品。之所以將其稱(chēng)為真正意義的分布式系統，是因為其產(chǎn)品形態(tài)和使用方式，跟我們今天所看到的分布式系統架構非常類(lèi)似。采用了編碼器+交換機+解碼器的組網(wǎng)方式，實(shí)現視頻矩陣切換、大屏拼接等功能。今天我們國內能看到的分布式產(chǎn)品，都采用了類(lèi)似的組網(wǎng)架構。小鳥(niǎo)科技的創(chuàng )始人李厚鵬先生有幸在2011年和Jupiter的創(chuàng )始人Eric Wogsberg先生有過(guò)一次深入的交流，深感分布式系統可能給行業(yè)帶來(lái)的變革。從那時(shí)起分布式的概念就在小鳥(niǎo)科技的血液中開(kāi)始流淌。

　　（二）

　　分布式系統的蟄伏期

　　2008年-2015年

　　自Jupiter提出分布式系統的概念和產(chǎn)品后，國內外的一些廠(chǎng)家紛紛效仿。由于當時(shí)技術(shù)的局限性，圖像壓縮嚴重，網(wǎng)絡(luò )占用帶寬較大，沒(méi)有配套的網(wǎng)絡(luò )交換設備;加之設備和網(wǎng)絡(luò )的采購部署成本非常高，導致當時(shí)的分布式系統在推廣過(guò)程中遇到比較大的阻力，在相當長(cháng)的一段時(shí)間內無(wú)法成為業(yè)內主流的音視頻解決方案。但在此期間，很多業(yè)內的廠(chǎng)家都對分布式系統保持高度關(guān)注，都在討論分布式系統的未來(lái)及前景。小鳥(niǎo)科技也一直對分布式系統保持極大的熱情，雖然受限于成本和技術(shù)瓶頸，分布式在市場(chǎng)端的接受度很低，但是我們依然組建核心團隊對分布式系統進(jìn)行各種核心技術(shù)的預研工作。

　　與分布式的蟄伏不同，2005-2015年卻是集中式矩陣、拼接器發(fā)展的黃金十年。將FPGA算法引入專(zhuān)業(yè)視聽(tīng)領(lǐng)域，通過(guò)FPGA的超高處理能力，可以實(shí)現視頻畫(huà)面毫無(wú)損失的傳輸處理控制，并且隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，集中式設備具備越來(lái)越完善的功能，包括矩陣交換、拼接處理、坐席管理、運維管控等所有能想到的功能。比如小鳥(niǎo)科技2017年出品的UniStation一體化坐席管理系統，就是集上述所有功能為一體的集中式高端音視頻解決方案。

（三）

分布式系統的黃金期

　　2015年-至今

　　從2015年開(kāi)始，隨著(zhù)客戶(hù)對更大規模音視頻解決方案需求的提升，以及網(wǎng)絡(luò )交換機技術(shù)的高速發(fā)展，分布式系統優(yōu)勢又重新被大家所關(guān)注。分布式系統之所以可以重登歷史舞臺，是因為其具有很多優(yōu)秀特性，下邊是小鳥(niǎo)君總結分布式系統最重要的幾個(gè)特性：

　　a) 海量接入，無(wú)限擴容

　　b) 部署靈活，易于建設

　　c) 信息互通，多方協(xié)作

　　d) 整體運維，全面管控

　　隨著(zhù)分布式系統概念的逐步興起，各廠(chǎng)家都開(kāi)始加大分布式系統的研發(fā)及投入。但是由于業(yè)內廠(chǎng)家的技術(shù)背景以及對分布式系統的理解各不相同，導致大家采用了不同的分布式架構。小鳥(niǎo)君覺(jué)得當前行業(yè)內有以下三種主流的分布式形態(tài)：

　　1、深壓縮分布式系統

　　深壓縮分布式系統顧名思義，是將視頻信號進(jìn)行深度壓縮，實(shí)現矩陣、拼接、坐席、管控等功能。一般業(yè)內廠(chǎng)家采用的都是H.264/H.265的壓縮算法。由于深壓縮算法的壓縮原理，導致其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常明顯。

　　深壓縮分布式系統的優(yōu)點(diǎn)

　　 網(wǎng)絡(luò )帶寬占用低

　　深壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬)，壓縮為一路網(wǎng)絡(luò )信號，通常為2M-50M帶寬，因此對網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬要求較低，在廣域傳輸、跨網(wǎng)傳輸情況下有非常明顯的優(yōu)勢。

　　 標準化協(xié)議對接

　　采用標準的H.264/H.265傳輸協(xié)議，可以實(shí)現標準網(wǎng)絡(luò )視頻輸入，例如網(wǎng)絡(luò )攝像頭和各種解碼平臺。并且可以簡(jiǎn)單的通過(guò)瀏覽器或者軟件實(shí)現可視化的預監和回顯功能。

　　 系統功能完善

　　深壓縮采用的H.264/H.265編解碼技術(shù)，都是來(lái)自于1997年ISO(國際標準化組織)和ITU(國際電信聯(lián)盟)兩個(gè)組織共同提出的新一代數字視頻壓縮格式。發(fā)展歷史悠久，經(jīng)過(guò)監控和安防行業(yè)的推進(jìn)，有完整的解決方案。

　　劃重點(diǎn)

　　DB

　　深壓縮分布式系統的缺點(diǎn)

　　 YUV420采樣導致圖像損失較大

　　我國行業(yè)內絕大多數的深壓縮分布式廠(chǎng)家，都是以華為海思編解碼芯片為核心器件，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而來(lái)。但是由于海思芯片對視頻采樣都是YUV4:2:0的采樣形式，這就導致了行業(yè)內的深壓縮分布式系統的視頻色彩空間不足。此弊病在自然圖像的視頻下不明顯，但是在文字圖像和不同的底色情況下，顯示的尤為明顯。

　　 高壓縮比導致畫(huà)面質(zhì)量損失較大

　　由于深壓縮算法的壓縮比可以達到50-150倍，所以高壓縮比帶來(lái)的必定是畫(huà)質(zhì)的降低。這一點(diǎn)不論是從香農定理還是信息論基本原理來(lái)講，都是必然的，雖然可以通過(guò)各種算法降低畫(huà)面損失，但是仍然無(wú)法達到視覺(jué)無(wú)損的顯示效果。只能盡量通過(guò)降低壓縮比，提高傳輸帶寬，才能達到更好的視頻效果。

　　 幀間壓縮算法導致延遲較大

　　由于H.264/H.265采用的大都是幀間壓縮算法，這種算法在編碼和解碼時(shí)會(huì )引入2-3幀的畫(huà)面延遲，總共會(huì )引入4-6幀的延遲，雖然在視頻顯示的時(shí)候可以接受，但是如果在KVM應用下，則會(huì )讓用戶(hù)感覺(jué)到比較明顯的遲滯感，降低客戶(hù)使用的滿(mǎn)意度。

　　 單播分布式通信導致拼接大屏同步性差

　　由于深壓縮分布式系統，一般采用的是單播通信，因此畫(huà)面在實(shí)現多屏顯示的時(shí)候，發(fā)送端需要將視頻一個(gè)接一個(gè)的發(fā)出去，加之解碼端沒(méi)有同步機制，畫(huà)面會(huì )出現不同步和較為明顯的撕裂現象。

　　小鳥(niǎo)B系列 深壓縮分布式優(yōu)勢

　　小鳥(niǎo)科技從2015年開(kāi)始，就推出了AVCNet-B系列分布式產(chǎn)品，實(shí)現多系統間的互聯(lián)互通。2019年推出的新一代B系列深壓縮分布式系統，針對上述深壓縮分布式的缺點(diǎn)，都進(jìn)行有針對性的系統優(yōu)化，通過(guò)FPGA+DSP的全新架構，彌補了深壓縮分布式的缺點(diǎn)：

　　 YUV4:4:4采樣及傳輸

　　采用FPGA+DSP的底層架構，實(shí)現視頻信號的YUV4:4:4采樣，并且通過(guò)自主知識產(chǎn)權的增強編碼傳輸的方式，實(shí)現YUV4:4:4畫(huà)面的有效傳輸及解碼，最終得到低帶寬高畫(huà)質(zhì)的顯示效果。

　　 AI碼流自適應技術(shù)

　　采用獨創(chuàng )的AI碼流自適應技術(shù)，根據網(wǎng)絡(luò )情況和屏幕顯示需求，自動(dòng)匹配最適合的碼流，在實(shí)際有效帶寬的情況下，可以得到最優(yōu)質(zhì)的視頻顯示效果和延遲效果。

　　 全網(wǎng)同步算法

　　通過(guò)小鳥(niǎo)自主知識產(chǎn)權的全網(wǎng)同步算法，可以實(shí)現所有輸入輸出視頻的全網(wǎng)同步，加上系統支持組播建網(wǎng)模式，可以進(jìn)一步提高拼接的同步性，多屏顯示的時(shí)候同步性也可以達到納秒級別，可以和集中式設備的同步性相媲美。

　　2、淺壓縮分布式系統

　　淺壓縮分布式是針對深壓縮分布式而言，采用淺壓縮算法，例如VC-2/JPEG等視頻壓縮算法。淺壓縮信號可以通過(guò)千兆網(wǎng)進(jìn)行傳輸，并且最大限度的使用千兆網(wǎng)的帶寬資源。同樣的淺壓縮分布式系統也有其優(yōu)缺點(diǎn)：

　　淺壓縮分布式系統的優(yōu)點(diǎn)

　　 視覺(jué)無(wú)損的壓縮算法

　　淺壓縮算法將一路1080P視頻信號(3G帶寬)，壓縮為一路網(wǎng)絡(luò )信號，通常為300M-900M帶寬，采用YUV4:4:4的采樣形式;視頻壓縮率低，畫(huà)質(zhì)較深壓縮有非常明顯的優(yōu)勢。

　　 超低的視頻延遲

　　淺壓縮算法的壓縮算法比較多，最優(yōu)秀的視頻壓縮算法，是將視頻按照每行的畫(huà)面進(jìn)行壓縮，并馬上傳輸后解壓縮，因此一般淺壓縮算法的延遲，不超過(guò)一幀，按照1080P分辨率而言，延遲在微秒級別，已經(jīng)完全感覺(jué)不到分布式系統引入的延遲。

　　 完美的拼接同步性

　　由于采用組播傳輸模式，加上網(wǎng)絡(luò )的全互通部署，所以每一路視頻信號都有其獨立的傳輸通道。加上全網(wǎng)同步技術(shù)，不論大屏顯示還是單屏顯示，都可以達到納秒級的同步。

　　 協(xié)議私密，安全性高

　　國內做淺壓縮分布式的廠(chǎng)家，大都采用各自的私有協(xié)議;或者在標準壓縮格式的基礎上進(jìn)行改造?；緵](méi)有標準的編解碼協(xié)議，這就意味著(zhù)即使視頻碼流被截取，也無(wú)法恢復出原始視頻。提高了視頻傳輸的安全性。

　　淺壓縮分布式系統的缺點(diǎn)

　　 交換機帶寬壓力大

　　由于一路1080P信號就要占用幾百兆的網(wǎng)絡(luò )帶寬，因此對于交換機的數據吞吐量提出非常高的要求。并且無(wú)損分布式系統一定要和對應的接入交換機、匯聚交換機、核心交換機進(jìn)行深入的適配，才能達到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò )傳輸效果。

　　 無(wú)法實(shí)現域間視頻互通

　　由于淺壓縮碼流占用帶寬很大，因此在跨域傳輸的時(shí)候，無(wú)法承載這么大的網(wǎng)絡(luò )壓力;因此無(wú)法單獨實(shí)現域間傳輸。一般需要將網(wǎng)絡(luò )信號轉化為標準的電信號，再通過(guò)其他設備進(jìn)行深壓縮，以實(shí)現跨域傳輸。

　　小鳥(niǎo)H系列 淺壓縮分布式優(yōu)勢

　　小鳥(niǎo)科技早在2015年就開(kāi)始投入研發(fā)力量進(jìn)行無(wú)損算法的技術(shù)預研，以國際領(lǐng)先的VC-2的壓縮算法為基礎，加入自身對算法的實(shí)現和改進(jìn)，于2016年推出國內首款無(wú)損分布式系統AVCNet-H系列產(chǎn)品。2017/2018年InfoComm展會(huì )上，受主辦方邀請，小鳥(niǎo)科技創(chuàng )始人李厚鵬先生就針對無(wú)損分布式系統做了精彩的分享。

　　小鳥(niǎo)科技的AVCNet-H系列無(wú)損分布式產(chǎn)品，以其卓越的視頻壓縮算法和全套的解決方案，一經(jīng)推出就成為業(yè)界翹楚，應用于多個(gè)超大型項目中，將分布式系統解決方案推到了行業(yè)的風(fēng)口浪尖。并且經(jīng)過(guò)多個(gè)大型項目的歷練，AVCNet-H無(wú)損分布式系統已經(jīng)非常成熟穩定，具備上邊提到的所有優(yōu)點(diǎn)，并且通過(guò)自身的不斷努力以及對客戶(hù)的進(jìn)一步了解，解決了傳統無(wú)損分布式系統的缺點(diǎn)，形成完整的解決方案：

　　 與交換機廠(chǎng)家協(xié)作形成標準方案

　　由于淺壓縮系統對網(wǎng)絡(luò )帶寬占用的特殊性，最初主流的交換機廠(chǎng)家都無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )需求。小鳥(niǎo)科技和華為、華三、銳捷等交換機廠(chǎng)家，通過(guò)長(cháng)時(shí)間的研發(fā)交流，最終明確需求，和主流交換機廠(chǎng)家形成了完整的解決方案。針對小、中、大、超大型項目，都有完整的解決方案，有效地降低無(wú)損分布式系統的部署難度。

　　  雙碼流模式轉換器

　　針對淺壓縮分布式系統不易實(shí)現跨域傳輸，碼流格式不標準的缺點(diǎn)，自主研發(fā)雙碼流模式轉化器，可以通過(guò)一個(gè)設備實(shí)現淺壓縮碼流和深壓縮碼流的格式轉換。既可以降低帶寬實(shí)現跨域傳輸，也可以形成標準的H.264/265碼流，進(jìn)行預監回顯和錄播回放等功能。

　　3、雙碼流分布式系統

　　顧名思義，雙碼流分布式系統是集合了深壓縮分布式和淺壓縮分布式的特性。但是雙碼流系統絕不是將兩種制式簡(jiǎn)單的放在一起，進(jìn)行簡(jiǎn)單的雙系統并行傳輸。而是將兩種制式的系統相互融合，形成更完善的解決方案。小鳥(niǎo)科技創(chuàng )始人李厚鵬先生，在2019年InfoComm展會(huì )上，就針對雙流分布式產(chǎn)品進(jìn)行詳細的闡述。(相關(guān)鏈接：分布式即是產(chǎn)品為核心的Service、Solution、Support)

　　小鳥(niǎo)科技的AVCNet-T系列產(chǎn)品，是小鳥(niǎo)最新的雙流分布式產(chǎn)品，具有以下一些卓越特性：

　　 域內無(wú)損的視頻傳輸

　　高達4K@60，YUV4:4:4的視覺(jué)無(wú)損傳輸系統

　　 超低的分布式延遲

　　逐行壓縮算法，傳輸延遲可達微秒級

　　 拼接大屏畫(huà)面完美同步

　　大屏拼接納秒級同步

　　 完善的音視頻解決方案

　　矩陣交換、大屏拼接、坐席管控、可視化操控

　　 卓越的坐席管控功能

　　鼠標滑屏，OSD級鼠標操作、OSD級預監、席位互動(dòng)及大屏聯(lián)控等

　　 完美BS端可視化操控

　　可視化操控，多系統聯(lián)控，第三方設備控制等

　　 全系統可視化運維管控

　　對整個(gè)分布式系統的集中運維管理，以及第三方設備的狀態(tài)監測

　　當然除了上述三種主流的分布式系統之外，還有一些比較小眾的分布式系統，由于各種原因，還未成為業(yè)內主流系統，因此在這里不進(jìn)行詳細介紹。對于這三種主流的方案，我們不認為是三代產(chǎn)品，而是針對不同用戶(hù)需求的三種技術(shù)解決方案，并不存在前后代際關(guān)系。只有深刻理解用戶(hù)需求，設計最優(yōu)化的方案，才是真正的解決用戶(hù)痛點(diǎn)。

　　（四）

　　分布式系統的的未來(lái)

　　隨著(zhù)近幾年業(yè)內對分布式系統的追捧，分布式系統已經(jīng)成為專(zhuān)業(yè)視聽(tīng)行業(yè)內公認的未來(lái);相信隨著(zhù)時(shí)間的推移，分布式音視頻系統將會(huì )成為音視頻解決方案的首選。

　　同時(shí)，越來(lái)越多的客戶(hù)在選擇分布式，也一定會(huì )對分布式產(chǎn)品的穩定性、可靠性、易用性、顯示效果等方面提出更高的要求。在分布式系統高速發(fā)展的過(guò)程中，誰(shuí)能做到全系統的分布式解決方案、誰(shuí)能夠緊跟客戶(hù)需求、誰(shuí)能更準確地解決客戶(hù)痛點(diǎn)，做到真正的以客戶(hù)為核心;誰(shuí)才能在分布式系統的浪潮中拔得頭籌，成為分布式系統真正的第一品牌。

　　相信專(zhuān)業(yè)視聽(tīng)的這一方江湖，必定會(huì )因為分布式系統的興盛，引來(lái)一場(chǎng)血雨腥風(fēng)。欲知江湖后事如何，各位請聽(tīng)下回分解。