基于OSPF和BFD的河南電力高清視頻會議規(guī)劃

王志敏，謝 波

(1．國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，河南濮陽457000;2．國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，河南鄭州450052)

隨著高清圖像、視頻、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬表情視頻會議系統(tǒng)正逐步被逐漸成熟的高清視頻會議替代。基于河南電力通信骨干傳輸專網(wǎng)的高清視頻會議系統(tǒng)的建設(shè)，能夠更好實現(xiàn)視頻會議、應(yīng)急調(diào)度指揮、運營監(jiān)控協(xié)商等，從而更好服務(wù)于電力生產(chǎn)。

對高清視頻會議組網(wǎng)而言，網(wǎng)絡(luò)故障是不可避免的。高清視頻會議業(yè)務(wù)屬實時業(yè)務(wù)，對高清視頻會議組網(wǎng)路由協(xié)議和多路由保護機制進行研究和規(guī)劃，能夠有效解決路由中斷對視頻會議實時業(yè)務(wù)的影響［1］。

1 一體化高清視頻會議網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

1.1 通信骨干承載網(wǎng)組成

國網(wǎng)河南省電力公司電力通信骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)包含河南電力通信傳輸一平面(采用ECI設(shè)備組網(wǎng))、河南電力通信傳輸二平面(采用華為設(shè)備組網(wǎng))。傳輸網(wǎng)絡(luò)一平面、二平面獨立運行，均覆蓋河南省公司、18個地市公司以及河南省內(nèi)所有500 kV、220 kV變電站，主環(huán)帶寬為10 Gbit/s，接入網(wǎng)帶寬為2．5 Gbit/s。電力專網(wǎng)為河南省電力公司高清視頻視頻會議的組網(wǎng)提供帶寬支撐，也為基于OSPF和BFD的高清視頻會議組網(wǎng)提供先決條件。

1.2 高清視頻會議組網(wǎng)

國網(wǎng)河南省電力公司行政高清視頻會議系統(tǒng)采用樹狀結(jié)構(gòu)，覆蓋河南省公司、18個地市公司、10個二級機構(gòu)

及107個縣級公司，如圖1所示。

在省公司設(shè)置主、備2套MCU和2個高清視頻會議終端，2個終端分別接入省公司主備MCU。在18個地市公司分別配置1套從MCU和2個高清視頻會議終端，從MCU與省公司主MCU級聯(lián)，其中1個終端通過接入地市公司從MCU，另1個終端接入省公司備用MCU。每個二級機構(gòu)配置2個高清視頻會議終端，分別接入省公司主備MCU。每個縣級公司配置1個會議終端，接入地市從MCU。

主會議系統(tǒng)使用基于OSPF和BFD技術(shù)的MSTP網(wǎng)絡(luò)獨立成網(wǎng)，備用系統(tǒng)直接聯(lián)接信息MPLS網(wǎng)絡(luò)，在信息廣域網(wǎng)配置會議系統(tǒng)專用VPN通道。

1.3 傳輸與高清視頻會議互聯(lián)帶寬需求

高清視頻會議對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，經(jīng)過調(diào)研和實際中反復(fù)測試，由于市公司作為一級匯聚點，承載其所管轄的縣公司，故?。谢ヂ?lián)使用的河南電力通信SDH承載網(wǎng)絡(luò)，帶寬為4 Mbit/s。地市和縣局之間傳輸使用帶寬為2 Mbit/s。

2 OSPF路由和BFD在高清視頻會議組網(wǎng)中應(yīng)用

2.1 開放最短路徑優(yōu)先(OSPF)在組網(wǎng)中應(yīng)用

開放式最短路徑優(yōu)先 (Open Shortest Path First，OSPF)作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議一般在單一自治系統(tǒng)使用［2］。

國網(wǎng)河南公司在高清視頻會議系統(tǒng)組網(wǎng)中，河南省公司、18個地市公司、10個二級機構(gòu)及107個縣級公司作為一個自治系統(tǒng)，接入國家電網(wǎng)公司全國高清視頻會議組網(wǎng)中。在河南公司AS中，每個地市(含縣公司)和二級機構(gòu)作為自治系統(tǒng)中獨立的區(qū)域(Area)。當(dāng)某個區(qū)域(即市公司或直屬單位)中的某條鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(例如某個地市的縣局中斷)，僅此區(qū)域中路由器重新計算路由表，其他地市只需修改其路由表中的相應(yīng)條目。同時，每個區(qū)域中組播消息報文僅控制在該區(qū)域。OSPF作為一種標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，所有路由設(shè)備廠家均支持，方便高清視頻會議組網(wǎng)后期增容，擴展性強。

2.2 雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測協(xié)議原理

雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測BFD(Bidirectional Forwarding Detection)可以快速監(jiān)控、檢測組網(wǎng)中鏈路運行狀況。當(dāng)出現(xiàn)通信故障時，能實現(xiàn)快速檢測并切換至備用通道恢復(fù)鏈路通信。通常采用檢測方法有硬件檢測［3］，通過硬件設(shè)備的告警(如傳輸設(shè)備SDH系統(tǒng)告警)迅速檢測鏈路硬件上的故障。當(dāng)硬件檢測不具備條件時，設(shè)置發(fā)送端協(xié)議中Hello報文定期發(fā)送，接收側(cè)將通過Hello報文的完整性進行檢測和處理。

BFD在2臺路由器上建立會話，用于監(jiān)測2臺路由器間的雙向轉(zhuǎn)發(fā)路徑，為上層協(xié)議服務(wù)。通過被服務(wù)的上層協(xié)議建立會話，如果在檢測時間內(nèi)沒有收到對端的BFD控制報文則認(rèn)為發(fā)生故障，通知被服務(wù)的上層協(xié)議，上層協(xié)議進行相應(yīng)的處理。工作機制如圖2所示。

2.3 BFD在高清視頻會議組網(wǎng)應(yīng)用必要性

圖2 BFD工作機制

高清視頻會議系統(tǒng)通過對音頻、視頻信號進行實時傳輸，使得每個會議室的會議參與者在參會現(xiàn)場可以進行面對面、感官真實的交流和溝通。在高清視頻會議系統(tǒng)里采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括H．323、SIP等協(xié)議。使用這些協(xié)議時，在發(fā)送端，高清視頻會議系統(tǒng)的視頻包和音頻包都封裝在實時傳輸協(xié)議(RTP)中，通過UDP協(xié)議的Socket模式傳送至接收端。因此，基于UDP的高清視頻會議業(yè)務(wù)沒有握手協(xié)議，無法對業(yè)務(wù)是否到達目的地進行確認(rèn)。

高清視頻會議網(wǎng)絡(luò)對端到端性能提出了更高的需求?，F(xiàn)有路由協(xié)議開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF和中間系統(tǒng)—中間系統(tǒng)協(xié)議IS－IS(Intermediate System－Intermediate System)的路由收斂時間在幾秒到幾十秒之間。OSPF廣泛應(yīng)用于大、中、小型網(wǎng)絡(luò)的IGP協(xié)議，ISIS是一般應(yīng)用于大、超大型網(wǎng)絡(luò)的IGP協(xié)議。國網(wǎng)河南省電力公司省—市—縣一體化高清視頻會議網(wǎng)絡(luò)作為專網(wǎng)大型網(wǎng)絡(luò)采用OSPF，既能滿足網(wǎng)絡(luò)需求，也能滿足成本需求。

路由協(xié)議在收斂過程中，路由不可達時將導(dǎo)致分組丟失，影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，難以滿足延時和抖動、及敏感服務(wù)的需求?；诤幽鲜‰娏就ㄐ艂鬏斠痪W(wǎng)絡(luò)(ECI，圖中B線路所示)和二網(wǎng)絡(luò)(華為，圖中A線路所示)高清視頻會議?。幸?guī)劃如圖3所示(以省公司—濮陽供電公司為例)。

圖3 傳輸網(wǎng)絡(luò)和會議電視設(shè)備對接拓?fù)?/p>

如圖3所示，視頻流從省公司主MCU到濮陽公司主MCU，可以經(jīng)由A，B兩條獨立路徑、獨立設(shè)備的路由。視頻流通過發(fā)送端和接收端的一個UDP的Socket對來進行承載。當(dāng)路由穩(wěn)定時，假設(shè)OSPF A路由權(quán)值高，為主用路由，視頻流UDP包均從A線路發(fā)送，當(dāng)A線路臨時出現(xiàn)故障時，OSPF網(wǎng)絡(luò)的收斂時間為10 s(假定)，UDP數(shù)據(jù)包此時無法確定路由，從A，B兩個線路均發(fā)送包，但卻不對對端是否收到進行確認(rèn)。A，B兩個線路的延遲是不一樣的，可能出現(xiàn)序號為1，2，3的包從 A 發(fā)送，4，5，6的包從B發(fā)送，假設(shè)B的延遲短，到達速度快，此時在地市公司的MCU和路由器端無法對UDP包進行重排和確認(rèn)，就出現(xiàn)視頻流解析出的圖像亂碼，并中斷。

因此，在A，B雙路由中，加入BFD檢測，BFD檢測到故障的時間遠(yuǎn)小于OSPF協(xié)議收斂的時間，利用BFD探測包來實現(xiàn)對鏈路的檢測，當(dāng)A線路出現(xiàn)故障時，盡快切換至B線路，不存在A，B兩個線路同時發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況，因此視頻流在接收端中斷的時間大幅度減少，視頻會議也不會中斷。

3 BFD和OSPF分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

3.1 基于BFD和OSPF的一體化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

如圖4所示，國網(wǎng)河南省電力公司省公司節(jié)點被設(shè)置成OSPF協(xié)議中的主干區(qū)域0，其他18個地市公司分別代表不同的區(qū)域，不同的區(qū)域Area通過兩條不同的傳輸設(shè)備路徑接入Area 0。

圖4 省—市—縣一體化OSPF組網(wǎng)

在一體化網(wǎng)絡(luò)中，每個區(qū)域的核心交換機在兩個獨立的轉(zhuǎn)發(fā)卡上面都建立“候命”BFD會話。在轉(zhuǎn)發(fā)卡上面具有2個聚合鏈路。完成聚合鏈路后，將根據(jù)OSPF網(wǎng)絡(luò)中cost權(quán)值進行活動和備用BFD會話的選取，活動BFD會話進行BFD報文的收發(fā)。如果聚合鏈路中收發(fā)報文的物理鏈路出現(xiàn)故障，活動的BFD會話會自動切換到另外一個可用的鏈路，減少人工控制。系統(tǒng)在核心交換機上唯一缺陷在于增加額外的開銷，獨立分步在每個轉(zhuǎn)發(fā)卡上面，用于創(chuàng)建“候命”和活動BFD會話［4］。

3.2 保護倒換測試結(jié)果分析

在圖3所示，在一體化會議電視正常工作時，省公司至濮陽公司傳輸A通道(OSPF cost值為100)、B通道(OSPF cost值為300)進行BFD聚合保護，其中A通道活動BFD會話。

此時，人為切斷A通道，BFD聚合保護在進行檢測后，自動切換至B通道，現(xiàn)場測試時，切換時間為5 s。在聚合切換過程中，高清會議電視通道畫面暫時靜止，不出現(xiàn)黑屏中斷，5 s后畫面自動恢復(fù)。試驗截取幀畫面及時間如圖5所示。

圖5 一體化網(wǎng)絡(luò)切換試驗截取幀(截圖)

圖5中，測試人員從畫面左方向畫面右方勻速移動。10∶21開始做A通道中斷，現(xiàn)場畫面暫時停頓，此時BFD進行切換檢測，從活動BFD鏈路切換至備用BFD鏈路，BFD機制經(jīng)確認(rèn)，5 s后，BFD備用鏈路開始工作，畫面自動恢復(fù)。

現(xiàn)場測試將A通道恢復(fù)后，同時在B通道切斷，BFD再次啟動工作機制，切換至A通道，測試結(jié)果為:高清會議電視通道畫面暫時靜止，不出現(xiàn)黑屏中斷，5 s后畫面自動恢復(fù)。

BFD機制切換過程中，未進行任何人工操作。在現(xiàn)實會議電視模式中，人員在會議席入座，一般不會在畫面中移動，基于OSPF和BFD的工作機制，在5 s的切換中，會場人員基本感覺不到中斷帶來的影響。

4 總結(jié)

經(jīng)仔細(xì)設(shè)計、充分論證和試運行，基于OSPF和BFD的國網(wǎng)河南省電力公司省—市—縣一體化高清會議電視路由收斂迅速，BFD切換機制能有效彌補傳輸通道異常和中斷帶來的影響;保證了高清會議電視網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)生產(chǎn)協(xié)商工作中的作用，更好服務(wù)于電力生產(chǎn)。

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［1］仲元昌，林永，蔡增增，等．視頻會議系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究［J］．電視技術(shù)，2010，34(6):93－96．

［2］楊思杰，徐明偉，王文東．基于OSPF的保護隧道實現(xiàn)研究［J］．微計算機應(yīng)用，2011，32(1):1－9．

［3］周躍文，張新菊，曾玉林．BFD協(xié)議分布式實現(xiàn)方案的剖析［J］．電聲技術(shù)，2011，35(7):71－74．

［4］李棟，李媛敏，張秋華．1080p高清視頻會議系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用案例［J］．電視技術(shù)，2010，34(10):109－110．