試論融媒體時(shí)代電視中心IP化基礎(chǔ)架構(gòu)

白振江

興安廣播電視臺(tái) 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特市 137400

試論融媒體時(shí)代電視中心IP化基礎(chǔ)架構(gòu)

白振江

興安廣播電視臺(tái) 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特市 137400

IP化基礎(chǔ)架構(gòu)是融媒體的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合融媒體時(shí)代背景分析了IP化基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，闡述了電視中心IP化基礎(chǔ)架構(gòu)的同步技術(shù)應(yīng)用。

媒體融合 電視中心 IP化 基礎(chǔ)架構(gòu)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，新興媒體的融合發(fā)展越來(lái)越迅速。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到廣播電視行業(yè)。顯然，傳統(tǒng)的電視中心以SDI為基礎(chǔ)的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)已經(jīng)難以滿足媒體融合的發(fā)展。鑒于此，加強(qiáng)IP化基礎(chǔ)架構(gòu)的深入研究是非常重要的。

1 IP化基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)涵

從傳統(tǒng)的有線電視到數(shù)字電視，新媒體的業(yè)務(wù)在不斷拓展。電視中心的基礎(chǔ)架構(gòu)IP化勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的電視中心基礎(chǔ)架構(gòu)SDI雖然具有應(yīng)用廣泛、可靠性高和延遲低的優(yōu)點(diǎn)。但是，存在一定的劣勢(shì)，如在信息源不斷增加的背景下，SDI/HDSDI/3G-SDI信號(hào)調(diào)度矩陣的規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大，間接導(dǎo)致了信息中心的布線和信號(hào)處理鏈路更加復(fù)雜、密集。顯然，SDI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性并不支持不斷的擴(kuò)展。在這種情況下，IP化基礎(chǔ)架構(gòu)逐漸發(fā)展起來(lái)。但是，目前對(duì)于電視中心基礎(chǔ)架構(gòu)的看法也不盡一致。有人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)按照傳統(tǒng)的趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展。另一部分人認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)放棄傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，沿用雙向IP架構(gòu)。正如索尼中國(guó)集團(tuán)管理者所說(shuō)，采用何種系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)就好比是選擇自己的小船，還是采用IP化大船。雖然IP化基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)逐漸受到重視，但是到該技術(shù)的成熟還需要一段時(shí)間。尤其是IP化基礎(chǔ)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)應(yīng)用，仍然在不斷的改進(jìn)、完善中。

2 IP化基礎(chǔ)架構(gòu)的發(fā)展方向

電視中心的系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展方向包括：傳統(tǒng)的SDI和共享/雙向IP化架構(gòu)兩個(gè)方向。基于SDI的系統(tǒng)架構(gòu)主要是采用串行數(shù)字接口（SDI）進(jìn)行視頻基帶信號(hào)的傳輸，包括SD-SDI（270Mbp/s，SMPTE259M）、HD-SDI（1.485Gbp/s，SMPTE 292M）、3G-SDI（2.97Gbp/s，SMPTE 424M）等，能夠通過(guò)單根（單鏈路）同軸電纜傳輸對(duì)應(yīng)碼率范圍內(nèi)的無(wú)壓縮信號(hào)。但單根鏈路無(wú)法滿足媒體融合的發(fā)展，基于此，行業(yè)提出了三種解決方法：一是制定新的SDI接口標(biāo)準(zhǔn)，二是在現(xiàn)有SDI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下用多鏈路進(jìn)行傳輸，三是基礎(chǔ)架構(gòu)IP化。第三種是本文重點(diǎn)介紹的系統(tǒng)架構(gòu)方式。

所謂共享/雙向IP化主要就是用RJ-45或光纖接口取代BNC接口，用10G以太網(wǎng)取代軸電纜，用IP交換機(jī)取代SDI基帶矩陣。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)，音頻、視頻，輸入、輸出，同步、控制等接口都被整合到RJ-45或SFP+（Small Form-factor Pluggable Plus，光纖接口）中。這種系統(tǒng)架構(gòu)主要就是針對(duì)AV數(shù)據(jù)傳輸。

IP化基礎(chǔ)架構(gòu)的發(fā)展又分為兩個(gè)方向，即AVB與SMPTE。其中，SMPTE又劃分為專用和通用IP交換機(jī)兩部分。以AVB為代表的廣電設(shè)備制造商包括：Axon、Avid、BARCO、Dolby、YAMAHA、SENNHEISER、SHURE和RIEDEL等；以SMPTE為代表的廣電設(shè)備制造商包括：Sony、Grass Valley、Evertz、Imagine、Harmonic、Snell、Panasonic、ROSS、NEC和EVS等。但是總的來(lái)說(shuō)，IP化系統(tǒng)架構(gòu)能夠使系統(tǒng)更加靈活，即便是利用一根網(wǎng)線也能夠解決控制和同步等問(wèn)題。最重要的是能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求制定靈活、專項(xiàng)的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程，并借助軟件真正提升系統(tǒng)架構(gòu)的生產(chǎn)能力。因此，IP化基礎(chǔ)設(shè)施能夠有效推進(jìn)媒體融合，促進(jìn)媒體的發(fā)展。

3 音視頻信號(hào)IP化分析

電視中心的音視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量比較大，同時(shí)，還需要對(duì)音視頻的延時(shí)和同步進(jìn)行調(diào)整，尤其是音視頻的碼率。鑒于此，若要實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)IP化，首要解決的問(wèn)題就是保證寬帶可承載的碼率。通常，電視中心實(shí)現(xiàn)IP視頻數(shù)據(jù)路由交換，最低的要求是10G的以太網(wǎng)。

3.1 基礎(chǔ)技術(shù)

基于IP化的系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的電視中心在進(jìn)行信號(hào)切換時(shí)，主要是進(jìn)行包的路由交換。在此過(guò)程中，工作人員需要解決包分發(fā)和轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)的延時(shí)、丟包問(wèn)題。目前，解決這種問(wèn)題的方法有：（1）利用IP規(guī)范，實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的規(guī)范打包、傳輸，如IP網(wǎng)絡(luò)高碼率媒體信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)：SMPTE ST 2022-6∶2012。（2）引入實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，如RTP、RTCP、RTSP等協(xié)議。其中，RTP一般應(yīng)用在多媒體數(shù)據(jù)的傳輸中；RTCP結(jié)合RTP協(xié)議能夠應(yīng)用與數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控；RTSP多用于多媒體數(shù)據(jù)流的控制，如播放，暫停等。（3）引入資源預(yù)留協(xié)議和區(qū)分服務(wù)。所謂資源預(yù)留協(xié)議是指應(yīng)用于特殊服務(wù)的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)流傳輸。區(qū)分服務(wù)則是指利用碼點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)入口處進(jìn)行標(biāo)記。這樣就能夠保證將數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)邊緣中進(jìn)行復(fù)雜處理。（4）重視QoS等延時(shí)轉(zhuǎn)包技術(shù)的應(yīng)用。QoS是指聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，將其用于延時(shí)轉(zhuǎn)包處理中，主要是它可以為共享網(wǎng)絡(luò)提供類似專項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，并給予應(yīng)用程序的通知，保證應(yīng)用程序能夠滿足系統(tǒng)需求。（5）引入前向糾錯(cuò)技術(shù).所謂糾錯(cuò)技術(shù)就是一種能夠自動(dòng)糾正輸誤碼的編碼技術(shù)，主要是發(fā)送糾錯(cuò)碼進(jìn)行冗余編碼。將其應(yīng)用在IP化基礎(chǔ)架構(gòu)中能夠有效避免一些數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤問(wèn)題。（6）部署無(wú)縫切換主備冗余路由設(shè)備。

3.2 壓縮編碼和SDI基帶信號(hào)的IP化

壓縮編碼音視頻流的IP化，主要是利用已經(jīng)配置過(guò)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼器和衛(wèi)星接收機(jī)等設(shè)備。同時(shí)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行TS overIP碼流數(shù)據(jù)處理。寬帶基帶信號(hào)IP化，即SDI over IP主要是指無(wú)壓縮音視頻的SDI基帶信號(hào)IP化。目前，應(yīng)用實(shí)施信息數(shù)據(jù)處理、傳輸和交換的設(shè)備包括：SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換器、SDIover IP路由矩陣和IP Gateway板卡等。通過(guò)這些設(shè)備能夠進(jìn)行IP視頻的無(wú)縫轉(zhuǎn)換等。其中，SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換器的本質(zhì)是一種調(diào)制器，能夠?qū)D-SDI信號(hào)轉(zhuǎn)換為HDMI信號(hào)，同時(shí)，也能將音視頻信號(hào)嵌入到該HDMI中，從而實(shí)現(xiàn)音視頻信號(hào)的同步傳輸。其主要工作原理是將串行的接口信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門DMS信號(hào)，以方便高清攝像機(jī)與終端顯示器互聯(lián)。值得注意的是，該設(shè)備數(shù)據(jù)還能夠適用于SDI基帶信號(hào)。SDI over IP路由矩陣屬于無(wú)壓縮損壞矩陣。目前，SDI over IP還存在著多種問(wèn)題，如鏈路寬帶有限，無(wú)法保證大數(shù)據(jù)量的傳輸，系統(tǒng)交換能力有限，可用設(shè)備有限。這些都是影響SDI over IP應(yīng)用的關(guān)鍵因素。也就是說(shuō)，若要完善SDI基帶信號(hào)的IP化，必須著手解決這些問(wèn)題。IP Gateway板卡是一種能夠外置的轉(zhuǎn)換接口板和內(nèi)置轉(zhuǎn)換芯片。

3.3 矩陣IP化

IP化矩陣形式包括：SDN、SDVN和基于交換機(jī)的SDN。三種方式各有不同，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行選擇。

SDN是指軟件定義網(wǎng)絡(luò)，是一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化的形式。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)中，由于業(yè)務(wù)需求的變化，需要進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整。但進(jìn)行路由器和交換機(jī)等設(shè)備的配置比較繁瑣，因此，為保證系統(tǒng)的靈活和穩(wěn)定性，采用SDN分離網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)，屏蔽各種設(shè)備之間的差異，以實(shí)現(xiàn)用戶自由、靈活的設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在IP化基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)中，應(yīng)用SDN主要進(jìn)行設(shè)備硬件的軟化，加強(qiáng)用戶的控制，如能夠通過(guò)控制IP交換機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)SDI矩陣的功能。同理，SDN能夠使IP化系統(tǒng)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制層和數(shù)據(jù)層分離，實(shí)現(xiàn)冗余備份。最重要的是SDN還能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的管理和分配，給用戶提供設(shè)備管理、設(shè)置操作界面。以SDN為基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)多種混合操作，完成矩陣配置和交叉點(diǎn)切換等功能。

SDVN是指基于IPX達(dá)到軟件定義視頻網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)SDI信號(hào)的路由管理和寬帶管理。工作人員就能夠通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理。

IP交換機(jī)+SDN是指基于IP網(wǎng)絡(luò)的SDI矩陣，主要就是指在SDN的控制和管理下，利用IP交換機(jī)實(shí)現(xiàn)SDI矩陣功能。在融媒體環(huán)境下，SDN矩陣能夠用于多屏視頻的顯示轉(zhuǎn)換，應(yīng)用于視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控和廣播帶式系統(tǒng)等方面。顯然，IP交換機(jī)+SDN對(duì)于IP化的系統(tǒng)架構(gòu)是非常重要的。

4 安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

電視中心的基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)包括：IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全保護(hù)技術(shù)和網(wǎng)路冗余備份技術(shù)。其中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全保護(hù)技術(shù)主要是保護(hù)SDI over IP和TS over IP數(shù)據(jù)安全的技術(shù)，比如，在設(shè)置防火墻、建立防入侵系統(tǒng)，部署IPS入侵防護(hù)設(shè)備隔離網(wǎng)閘等。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)形式可以采用不同形式的安全技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)安全保護(hù)技術(shù)是以保護(hù)數(shù)據(jù)安全為主，只有選擇安全、可靠的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的安全。網(wǎng)絡(luò)冗余備份技術(shù)主要是指鏈路聚合冗余技術(shù)。如果系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)主鏈路和備用鏈路之間的切換。切換時(shí)間小于40毫秒，能夠在物理路由上采用不同的網(wǎng)絡(luò)。IP化系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)包括：物理層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、傳輸標(biāo)準(zhǔn)和IP封裝標(biāo)準(zhǔn)等。其中，物理標(biāo)準(zhǔn)為SMPTE2022標(biāo)準(zhǔn)和IEE AVB標(biāo)準(zhǔn)。用于IP網(wǎng)絡(luò)恒定碼率 MPEG TS流單向傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)是SMPTE ST 2022-2∶2007?？傊?，在實(shí)際的系統(tǒng)架構(gòu)過(guò)程中，盡量以這些標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則，從而保證IP化系統(tǒng)架構(gòu)的安全。

總結(jié)

綜上所述，廣播電視技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)正確看待IP化基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)，并根據(jù)最新的動(dòng)態(tài)變化和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，合理設(shè)計(jì)IP化基礎(chǔ)系統(tǒng)，從而為促進(jìn)新媒體融合奠定良好的基礎(chǔ)。

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審稿人：孫生和 內(nèi)蒙古廣播電視臺(tái) 正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

TN948.4

B

2096-0751（2017）01-0019-04

白振江 興安廣播電視臺(tái) 高級(jí)工程師