鄧向陽

同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海 200092

云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)

鄧向陽

同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院，上海 200092

為解決傳統(tǒng)集中式語音監(jiān)聽系統(tǒng)帶寬占用大、存儲(chǔ)效率低從而不易擴(kuò)展的弊端，提出了采用云計(jì)算架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)．云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，通過邏輯統(tǒng)一、物理分離的方法將計(jì)算和存儲(chǔ)等壓力分布到區(qū)域服務(wù)器，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法將網(wǎng)絡(luò)流量集中在區(qū)域內(nèi)，避免核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力過大；通過調(diào)度算法對(duì)各服務(wù)器的壓力進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的負(fù)載均衡和冗余備份，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；結(jié)合云計(jì)算架構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建了10個(gè)音頻服務(wù)以實(shí)現(xiàn)語音督察系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)聽、音頻存儲(chǔ)與備份、歷史音頻查詢與回放及問題督察等功能．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳統(tǒng)集中式語音監(jiān)聽系統(tǒng)隨著規(guī)模擴(kuò)展中心網(wǎng)絡(luò)的吞吐也不斷擴(kuò)展，而云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)卻增長很小，證明了云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)的易擴(kuò)展性．

語音監(jiān)控；分布式架構(gòu)；會(huì)話發(fā)起協(xié)議

0 引言

傳統(tǒng)的語音監(jiān)聽系統(tǒng)［1］一般由單個(gè)集中式的中心服務(wù)器端對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、存儲(chǔ)和回放，其架構(gòu)如圖1所示．傳統(tǒng)的語音監(jiān)聽系統(tǒng)由于架構(gòu)原因，具有多項(xiàng)缺點(diǎn)：盡管對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，但是仍然會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬；使用專用設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)，每個(gè)前端設(shè)備都需要進(jìn)行音頻存儲(chǔ)，存儲(chǔ)效率較低．采用單一服務(wù)中心，導(dǎo)致服務(wù)器容量不能無限擴(kuò)展．當(dāng)監(jiān)聽的話機(jī)數(shù)量不斷增加，會(huì)使負(fù)載壓力不斷增大，易造成單點(diǎn)故障．

圖1 傳統(tǒng)語音監(jiān)聽系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Traditional voice surveillance system architecture diagram

自從谷歌提出云計(jì)算概念以來，由于其易管理、易擴(kuò)展和高可靠性的特點(diǎn)迅速得到推廣，基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)得以提出．筆者分析語音督察系統(tǒng)總體功能，設(shè)計(jì)了采用云架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建各項(xiàng)服務(wù)，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它在系統(tǒng)大規(guī)模擴(kuò)展時(shí)的優(yōu)越性能．

1 云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)，采用物理分離、邏輯統(tǒng)一的云架構(gòu)作為服務(wù)器端，即物理架構(gòu)上，部署多個(gè)分布式的服務(wù)器端，而邏輯架構(gòu)上保持統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，架構(gòu)如圖2所示．在編碼格式上，采用非對(duì)稱性的CELP網(wǎng)絡(luò)編碼格式［2］，有助于減少網(wǎng)絡(luò)帶寬．CELP的編碼格式利用了語音產(chǎn)生的模型和人耳朵的聽覺特點(diǎn)，并在4 kb／s到16 kb／s的碼率范圍內(nèi)可以獲得良好的音質(zhì)．接口通訊中，采用SIP協(xié)議［3］，SIP協(xié)議易于擴(kuò)展，可以隨意的增加自定義字段而不影響系統(tǒng)的協(xié)議解析．在功能上，基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查聽音頻、備份和導(dǎo)出音頻、語音督察問題處置、歷史語音查聽、督察報(bào)警管理、設(shè)備管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能．

圖2 基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Cloudy voice surveillance system architecture diagram

1.1 云架構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)分為4個(gè)層次［4］：顯示層、中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層和管理層．其中顯示層、中間件層和基礎(chǔ)設(shè)施層，這3層是橫向的．管理層是縱向的，是為了更好地管理和維護(hù)橫向的3層而存在的．

顯示層［5］通過HTML、JavaScript、CSS、Flash、Silverlight等技術(shù)，使用下面中間件層提供的多種服務(wù)來展示用戶所需的內(nèi)容和服務(wù)．

中間層連接著顯示層和基礎(chǔ)設(shè)施層，采用REST、多租戶、并行處理、應(yīng)用服務(wù)器、分布式緩存等技術(shù)，在下面的基礎(chǔ)設(shè)施層所提供資源的基礎(chǔ)上提供多種服務(wù)，例如緩存服務(wù)和REST服務(wù)等，而且這些服務(wù)即可用于支撐顯示層，也可以直接讓用戶調(diào)用．通過分布式緩存技術(shù)，不僅能有效地降低對(duì)后臺(tái)服務(wù)器的壓力，而且還能加快相應(yīng)的反應(yīng)速度．

基礎(chǔ)設(shè)施層采用虛擬化、分布式存儲(chǔ)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NoSQL等技術(shù)，給上面的中間件層或者用戶準(zhǔn)備其所需的計(jì)算和存儲(chǔ)等資源．

管理層是為橫向的3層服務(wù)的，通過負(fù)載均衡、運(yùn)維管理、帳號(hào)管理、SLA監(jiān)控、計(jì)費(fèi)管理、安全管理等管理服務(wù)給顯示層、中間件層和基礎(chǔ)設(shè)施層這3層提供多種管理和維護(hù)．

中心服務(wù)器端采用云架構(gòu)，可以使多人同時(shí)監(jiān)聽多部電話．同時(shí)具有擴(kuò)展性，一個(gè)中心服務(wù)器端可以擴(kuò)展多個(gè)中心服務(wù)器端．幾個(gè)中心服務(wù)器端可以同時(shí)進(jìn)行工作，部署在前端監(jiān)聽點(diǎn)的音頻碼流將會(huì)集中上傳，基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲(chǔ)．當(dāng)任何一個(gè)中心服務(wù)器端癱瘓時(shí)，其他中心服務(wù)器不受任何影響，仍然可以正常工作，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽．當(dāng)監(jiān)聽的話機(jī)數(shù)量不斷增加時(shí)，可以進(jìn)行負(fù)載均衡，減輕單個(gè)中心服務(wù)器端的壓力．

相比較其他傳統(tǒng)的語音監(jiān)聽系統(tǒng)，采用云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

a.采用非對(duì)稱性的CELP網(wǎng)絡(luò)編碼格式，不但可以保證比較高質(zhì)量的音質(zhì)，而且可以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬.

b.不在每個(gè)前端設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)，而是采用基于網(wǎng)絡(luò)的集中存儲(chǔ)．無須使用專用設(shè)備，節(jié)省成本.

c.電話采用并接方式，因此不影響電話的正常使用，容錯(cuò)性好.

d.只在電話通話的時(shí)候才進(jìn)行錄音，可以節(jié)省存儲(chǔ)空間．內(nèi)置flash卡，在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)也可以存儲(chǔ)電話錄音，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)，再上傳到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中存儲(chǔ).

e.物理上部署多個(gè)分布式中心服務(wù)器，存儲(chǔ)容量可以無限擴(kuò)展．當(dāng)監(jiān)聽的話機(jī)數(shù)量不斷增加時(shí)，可以進(jìn)行碼流均衡，減輕負(fù)載壓力．當(dāng)其中一個(gè)中心服務(wù)器癱瘓時(shí)，其他中心服務(wù)器可以繼續(xù)正常工作，容錯(cuò)性好．

1.2 基于云架構(gòu)構(gòu)建語音督察服務(wù)

基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)［6］主要功能包括：實(shí)時(shí)查聽并記錄正在通話的話機(jī)、備份和導(dǎo)出錄音文件、語音督察問題處置、歷史語音查聽、督察報(bào)警管理、設(shè)備管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理．

這些功能是通過構(gòu)建10個(gè)音頻服務(wù)實(shí)現(xiàn)的，包括：負(fù)責(zé)平臺(tái)信令通信的話機(jī)信令服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)上通過RTP／RTCP協(xié)議傳輸音頻流的實(shí)時(shí)語音傳輸服務(wù)，將語音通話進(jìn)行錄音并進(jìn)行存儲(chǔ)的錄音服務(wù)，實(shí)現(xiàn)按指定條件查詢的歷史語音文件查詢服務(wù)，對(duì)語音錄音文件進(jìn)行管理的歷史語音文件目錄管理服務(wù)，將語音錄音文件傳送到指定接收者的歷史語音傳輸服務(wù)，采集設(shè)備和各服務(wù)報(bào)警信息的語音報(bào)警信息采集服務(wù)，根據(jù)用戶請(qǐng)求向指定下級(jí)平臺(tái)發(fā)送話機(jī)目錄查詢請(qǐng)求的話機(jī)目錄查詢服務(wù)，根據(jù)號(hào)碼的編碼規(guī)則進(jìn)行信息傳輸?shù)哪繕?biāo)路由服務(wù)，對(duì)信令格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的話機(jī)目錄查詢中轉(zhuǎn)翻譯服務(wù)．

服務(wù)采用云架構(gòu)部署，即在系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)功能相同的服務(wù)分布部署在不同的物理服務(wù)器上，服務(wù)根據(jù)任務(wù)分配進(jìn)行負(fù)載處理．在運(yùn)行時(shí)，所有服務(wù)都被實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括性能監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控．根據(jù)運(yùn)行情況，將新任務(wù)請(qǐng)求分配給負(fù)載輕的服務(wù)，當(dāng)單個(gè)服務(wù)故障時(shí)，將其所承擔(dān)的任務(wù)離開切換到其他具有相同功能的服務(wù)上．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證云架構(gòu)系統(tǒng)的擴(kuò)展性，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)．仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)每路電話語音采用CELP編碼，碼率為4．8 kb/s，并通過中心服務(wù)器集中對(duì)其進(jìn)行調(diào)度監(jiān)聽，監(jiān)聽電話數(shù)量從1 000臺(tái)逐漸增加到5 000臺(tái)，中心調(diào)度服務(wù)器也從1臺(tái)增加到5臺(tái)．而云架構(gòu)系統(tǒng)中，每1 000臺(tái)電話區(qū)域部署1臺(tái)調(diào)度服務(wù)器，并從1 000臺(tái)逐漸增加到5 000臺(tái)．對(duì)兩類系統(tǒng)同時(shí)采集其核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載流量結(jié)果如圖3所示．

圖3 語音監(jiān)聽系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載圖Fig.3 Network throughout of voice monitoring system

由圖3可知，當(dāng)監(jiān)聽的電話數(shù)量由0臺(tái)不斷增加到5 000臺(tái)時(shí)，傳統(tǒng)的集中架構(gòu)語音監(jiān)聽系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量也會(huì)持續(xù)不斷地成正比的增加．而基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)在監(jiān)聽的電話數(shù)量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)，核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量則趨于平穩(wěn)．由于云架構(gòu)語音督察系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不隨監(jiān)聽規(guī)模的增長而增加，其具有很好的擴(kuò)展性．

3 結(jié)語

鑒于傳統(tǒng)的語音監(jiān)聽系統(tǒng)擴(kuò)展性差、隨著規(guī)模擴(kuò)大性能下降的缺點(diǎn)，筆者提出了基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)，它采用非對(duì)稱性的CELP網(wǎng)絡(luò)編碼格式和SIP通訊協(xié)議，構(gòu)建話機(jī)信令服務(wù)、實(shí)時(shí)語音傳輸、錄音服務(wù)、歷史語音文件查詢、歷史語音文件目錄管理、歷史語音傳輸、語音報(bào)警信息采集、話機(jī)目錄查詢、目標(biāo)路由服務(wù)、話機(jī)目錄查詢中轉(zhuǎn)翻譯10個(gè)音頻服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)查聽音頻、備份和導(dǎo)出音頻、語音督察問題處置、歷史語音查聽、督察報(bào)警管理、設(shè)備管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能．通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)在規(guī)模擴(kuò)大時(shí)可以有效降低核心網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗，且由于物理上部署多個(gè)分布式中心服務(wù)器，負(fù)載可以均衡，并在故障時(shí)冗余切換，系統(tǒng)總體穩(wěn)定性好．系統(tǒng)采用云存儲(chǔ)方式，可以無限擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，有效降低硬件升級(jí)成本和管理成本．總之，基于云架構(gòu)的語音督察系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)．

致謝

感謝北京航天長峰科技工業(yè)集團(tuán)有限公司劉惟錦提供的大力支持和幫助！

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ZHANG Zhi－jiang．SIP protocol and applications［M］．First Edition．Beijing：House of Electronics Industry，2005：20－100．（in Chinese）

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Cloudy voice surveillance system

DENG Xiang－yang
School of Software Engineering,Tongji University，Shanghai 200092，China

To solve the low scalability of centralized voice surveillance system caused by consuming more internet bandwidth and more storage，cloudy voice surveillance system was introduced．Distributed architecture was used in cloudy voice surveillance system to limit calculation and storage pressure in regional server by method of logical unity and physical separation and to avoid large load pressure in core network by design of network scheduling algorithm for concentrating network traffic locally．The scheduling algorithm for dispatching each server’s pressure to achieve load balancing and scheduling，redundancy backup，was implemented to guarantee system stability and reliability．Ten audio services compounding architecture features were constructed to realize real－time monitoring，audio storage and backup，audio history records query and playback，problem handling and other functions of voice monitoring system．Experimental tests show that the through put of central data network in traditional central voice monitoring system is expanding with the development of central voice monitoring system．However，the growth of the cloud architecture voice monitoring system is small．All these proved the latter’s high scalability．

voice monitoring；distributed architecture；session initiation protocol

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.015

1674-2869（2015）02-0068-04

本文編輯：苗變

2014－12－25

鄧向陽（1973－），男，河北阜平縣人，在讀碩士研究生．研究方向：信息化督察建設(shè)和應(yīng)用．