IP廣播標(biāo)準(zhǔn)及智慧型系統(tǒng)架構(gòu)改革路徑

劉春桓 北京安達(dá)斯信息技術(shù)有限公司

IP廣播標(biāo)準(zhǔn)及智慧型系統(tǒng)架構(gòu)改革路徑

劉春桓 北京安達(dá)斯信息技術(shù)有限公司

本文對(duì)廣播電視IP技術(shù)的演進(jìn)和路線圖進(jìn)行了介紹和分析，對(duì)智慧型系統(tǒng)架構(gòu)-基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)視音頻一體化異構(gòu)平臺(tái)做了深入的闡述。

IP技術(shù) 演進(jìn)路線圖 智慧型系統(tǒng)

一.廣播電視IP技術(shù)的演進(jìn)和路線圖

從2013年至今，整個(gè)廣電強(qiáng)調(diào)的是淺壓縮的視音頻，目前視音頻壓縮的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)都已十分成熟。

圖1是IP封裝標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程?？梢钥闯觯琁P標(biāo)準(zhǔn)將統(tǒng)一到SMPTE ST2110標(biāo)準(zhǔn)中，以充分發(fā)揮IP互聯(lián)擴(kuò)展的優(yōu)勢。

圖2是AIMS的路線圖。為了解決SDI向IP化轉(zhuǎn)換，SMPTE首先發(fā)布了ST 2022-6標(biāo)準(zhǔn)，然后發(fā)布了AES67的音頻標(biāo)準(zhǔn)，其后發(fā)布了定義在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上分配同步包系統(tǒng)的ST 2059標(biāo)準(zhǔn)，2017年發(fā)布了ST 2110標(biāo)準(zhǔn)。ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布只是解決了載體的問題，下一步是要打破控制的瓶頸，不同模塊、不同產(chǎn)品可以堆疊在一起，形成一個(gè)整體的效果。

圖1 IP封裝標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程

圖2 AIMS 路線圖

圖3是JT-NM開放網(wǎng)絡(luò)媒體路線圖。它主要分了這么幾個(gè)階段：目前的SDI階段，包括SD/HD/3G-SDI、6G/12G/24G-SDI，特征是采用當(dāng)前SDI成熟技術(shù)，SDI技術(shù)仍可使用多年，且技術(shù)還在發(fā)展；第一階段是SDI over IP階段，采用ST 2022-6、ST 2059標(biāo)準(zhǔn)，特征是開始IP的應(yīng)用、當(dāng)前工作流、易于遠(yuǎn)程制作；第二階段是基本流階段，采用TR-03、NMOS-DRS、ST2110標(biāo)準(zhǔn)，特征是更加靈活和有效的工作流、新的格式支持UHD和夾層壓縮(Mezzanine compression)；第三階段是自我管理階段，采用NMOS SDN API、能力管理(capability management)，特征是更靈活、可共享的自動(dòng)資源管理、大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施；最后一個(gè)階段是虛擬化階段，特征是云架構(gòu)、分布式、按需、工作流。從圖3可以看到截止至2017年NAB各個(gè)階段的進(jìn)展情況。

我們從JT-NM開放網(wǎng)絡(luò)媒體路線圖中可以引入一個(gè)什么思考呢？IP的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)，包括IP的性能，IP的完善是沒有終點(diǎn)的。廣電不可能等它達(dá)到最完美的狀態(tài)才進(jìn)行改造。舉一個(gè)例子，ST 2022-6標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)，2014年我們首先做了江蘇臺(tái)的IP分發(fā)平臺(tái)，然后做了重慶的IP分發(fā)平臺(tái)，四川臺(tái)的IP傳輸，海南臺(tái)的全國第一個(gè)淺壓縮的實(shí)時(shí)4K調(diào)度系統(tǒng)，還有云南臺(tái)的淺壓縮的實(shí)時(shí)4K調(diào)度系統(tǒng)等等，從這些案例可以看到是沒有一個(gè)最完美的節(jié)點(diǎn)的。其實(shí)，我們只要選擇一個(gè)合適的點(diǎn)切入，然后讓整個(gè)系統(tǒng)保持一個(gè)完美的可升級(jí)路徑就可以了。

圖3 JT-NM開放網(wǎng)絡(luò)媒體路線圖

第四個(gè)階段是虛擬化階段，再延伸就是數(shù)據(jù)中心的概念，未來的廣電系統(tǒng)更多的是趨向于數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)是靈活、虛擬化、云分享、云制作等等。

我們現(xiàn)在的系統(tǒng)很多是線性系統(tǒng)。IP化的第一步是把現(xiàn)在的線性系統(tǒng)IP化，這種形式的IP化，其結(jié)構(gòu)是IP化的，但在流程上還是單一性的思維，沒有充分發(fā)揮IP的優(yōu)勢。未來數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)是，核心路由調(diào)度系統(tǒng)提供整個(gè)數(shù)據(jù)中心的接口和交換能力；資源池提供整個(gè)系統(tǒng)的處理能力；云化的資源池載體，包括公有云、私有云和專有云。

傳統(tǒng)基于基帶的實(shí)時(shí)音視頻制播平臺(tái)流程是：轉(zhuǎn)播制作--傳輸匯聚--總控調(diào)度--播出分發(fā)。當(dāng)今云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在廣電的應(yīng)用正引領(lǐng)媒體制作的變革，公有云、私有云在媒體的非編制作、媒資、轉(zhuǎn)碼、播出、直播、點(diǎn)播、分發(fā)各個(gè)領(lǐng)域正得到廣泛應(yīng)用；大數(shù)據(jù)分析的興起與應(yīng)用，提升了媒體的制作、資源投放的精準(zhǔn)性。

實(shí)時(shí)音視頻系統(tǒng)IP化演進(jìn)見圖3。

實(shí)時(shí)音視頻系統(tǒng)承載了大量的實(shí)時(shí)體育類直播、節(jié)目制作，包括一些重點(diǎn)新聞的播出，實(shí)時(shí)音視頻與為了和網(wǎng)站競爭引入的針對(duì)用戶的如“快手”這類視頻的安全機(jī)理是不一樣的。

二.基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)視音頻一體化異構(gòu)平臺(tái)

圖3 實(shí)時(shí)音視頻系統(tǒng)IP化演進(jìn)

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)視音頻一體化異構(gòu)平臺(tái)，媒體制播將趨同于一個(gè)大的數(shù)據(jù)中心，要求數(shù)據(jù)中心要有交互能力，有交互特性的重點(diǎn)需求?；跀?shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)的架構(gòu)見圖4。

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)音視頻一體化異構(gòu)平臺(tái)的核心是調(diào)度中心、全流程控制管理軟件、計(jì)算與處理。

1.路由調(diào)度中心

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，內(nèi)容制作從傳統(tǒng)的電視臺(tái)、電影公司制作正逐步走向多樣化，視頻網(wǎng)站、傳統(tǒng)媒體、個(gè)人直播、自媒體異軍突起，在內(nèi)容為王時(shí)代，競爭也越來越激烈。內(nèi)容只有逐步向?qū)I(yè)制作，體現(xiàn)個(gè)性化方向發(fā)展，才能在激烈的市場競爭中生存下來。

（1）路由調(diào)度中心特征-完全的無阻塞架構(gòu)我們?cè)诤驼憬_(tái)、騰訊的交流中，他們很關(guān)注他們搭建的路由調(diào)度中心的架構(gòu)是不是完全的無阻塞架構(gòu)。圖5是今年路由調(diào)度中心完全無阻塞架構(gòu)示意，假設(shè)每一個(gè)枝葉上是10T，它與核心層的交互，理論上要達(dá)到10T才能更順暢的聯(lián)通。

廣電路由調(diào)度中心的實(shí)際架構(gòu)可見圖6的案例。上面是288路×288路規(guī)模的矩陣，下面是32路×32路規(guī)模的枝葉矩陣，如果枝葉矩陣想達(dá)到和核心層完全一樣的核心架構(gòu)的話，除了自身的32路×32路調(diào)度之外，還要再有一倍的32路×32路的帶寬與核心接連。

（2）路由調(diào)度中心特征-更高的帶寬利用率

圖4 基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)的架構(gòu)

圖5 路由調(diào)度中心完全無阻塞架構(gòu)示意

圖6 廣電路由調(diào)度中心實(shí)際架構(gòu)案例

帶寬利用率是系統(tǒng)的核心資源。廣電目前比較通行的切換方式有三種，第一種切換是基于切換基準(zhǔn)的IP路由切換（Switch Timed Switch），通過SDN給IP矩陣信號(hào)源發(fā)路由表的方式進(jìn)行切換，它的帶寬利用率可以達(dá)到100%，但是當(dāng)多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)，涉及到多級(jí)交換機(jī)同步命令的表格，延時(shí)量比較大。第二種切換是目的端切換（Destination Timed Switch)，它的帶寬利用率不足50%。第三種切換是源端切換（Source Timed Switch），切換時(shí)SDI直接發(fā)命令給交換機(jī)，來完成信號(hào)的切換，它的切換不依賴于后端設(shè)備，帶寬利用率高，但系統(tǒng)的擴(kuò)展性存在問題。

圖7 路由調(diào)度中心不同切換方式下的帶寬利用率

過往幾年的實(shí)踐證明，基于切換基準(zhǔn)的IP路由切換方式，在帶寬節(jié)省、擴(kuò)展組網(wǎng)便捷方面有明顯優(yōu)勢，能更好地滿足廣電制播的安全性與開放性的要求。

（3）路由調(diào)度中心特征-更靈活的冗余保護(hù)機(jī)制及擴(kuò)展機(jī)制

在路由調(diào)度中心里面，大家比較關(guān)心就是它的冗余機(jī)制和擴(kuò)展機(jī)制。有多種1+1冗余，或是N+1冗余方式等冗余方式的選擇。當(dāng)我們建了一個(gè)IT路由中心或者是調(diào)度中心，我們會(huì)關(guān)心系統(tǒng)的擴(kuò)展性。傳統(tǒng)交換機(jī)的擴(kuò)展需要在運(yùn)行系統(tǒng)中添加交換機(jī)，然后制定策略，把策略重新添加進(jìn)去，這個(gè)設(shè)備才能啟用。這就存在一個(gè)問題，路由系統(tǒng)可能是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，這個(gè)擴(kuò)展會(huì)增加系統(tǒng)的不確定性和不安全性。好的擴(kuò)展方式是所有策略都制定在交換機(jī)內(nèi)部，擴(kuò)展只需拔插板卡。

（4）路由調(diào)度中心特征-帶寬的快速升級(jí)10G/25G/100G

25G是IEEE發(fā)布的IT 接口標(biāo)準(zhǔn)，被廣電IP應(yīng)用所采用。2014年7月，25G通過了IEEE機(jī)構(gòu)的第一道關(guān)卡，并成功地完成了意向征集（CFI），后完善成為現(xiàn)在的SFP28+和QSFP28+。系統(tǒng)支持25G和COTS通用IP交換機(jī)支持25G是兩個(gè)不同的概念，25G是IT的一個(gè)概念，COTS通用IP交換機(jī)支持25G僅是交換機(jī)對(duì)25G的支持，對(duì)廠商來說，只有周邊設(shè)備完成了25G的應(yīng)用，才能說系統(tǒng)支持25G。

圖8 路由調(diào)度中心冗余保護(hù)機(jī)制

廣電IP采用25G接口具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.采用IT標(biāo)準(zhǔn)，具有更優(yōu)的升級(jí)路線。

25G是2014年整個(gè)IT行業(yè)的發(fā)展路線圖，IT行業(yè)認(rèn)為用于視音頻媒體，25G的核心利用率要遠(yuǎn)勝于40G，所以提出了一個(gè)升級(jí)路線圖，10G-25G-100G。100G就是四個(gè)25G的并聯(lián)，叫QSFP28+。25G與40G相比，光纜傳輸?shù)膮^(qū)別在于，25G是用一條光纜中的兩根芯來傳輸，40G是4個(gè)10G的并聯(lián)，需用4根光纜分別傳輸。

b.可以傳輸4K、4K 120P、8K格式的超高清信號(hào)。

兩種IP切換方式下，25G帶寬利用率的區(qū)別在于，采用基于切換基準(zhǔn)的IP路由切換（Switch Timed Switch），帶寬可完全利用；可傳輸2路4K或傳輸1路4K 120P，兩個(gè)25G可傳輸1路8 K。采用目的端切換，帶寬損失一半，傳輸1路4K，帶寬利用率不足50%。

圖9 25G與40G光纜傳輸?shù)谋容^

（5）路由調(diào)度中心特征-自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、添加、路徑實(shí)時(shí)監(jiān)看

路由調(diào)度中心的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、添加、路徑實(shí)時(shí)監(jiān)看是未來的發(fā)展方向，雖然這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還沒有發(fā)布，但各廠家在努力做這方面的探索，為未來的技術(shù)做儲(chǔ)備。在2017年NAB展會(huì)上，已有公司展示了自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、添加、路徑實(shí)時(shí)監(jiān)看的功能。

（6）路由調(diào)度中心特征-確定的路徑和低延時(shí)量以及路徑追蹤

路由調(diào)度中心還有一個(gè)特征就是確定的路徑和低延時(shí)量以及路徑追蹤，在此不再詳述。

（7）路由調(diào)度中心特征-環(huán)網(wǎng)

當(dāng)我們系統(tǒng)做得很大，不僅是自己的一個(gè)數(shù)據(jù)中心，并與多個(gè)數(shù)據(jù)中心相連，這時(shí)就需考慮IP系統(tǒng)對(duì)鏈路自愈的支持、智能化冗余路由選擇、以及與多方路由調(diào)度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)互通

圖10是環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的路由調(diào)度中心互聯(lián)示意圖。環(huán)網(wǎng)全I(xiàn)P化，支持骨干網(wǎng)絡(luò)連接，支持裸光纖及OTN/STM干線連接，支持10G/25G/100G的高速連接，IP信號(hào)可任意路由，支持鏈路自愈、智能化冗余路由選擇，能與多方的路由調(diào)度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通，協(xié)同工作。

圖10 環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的路由調(diào)度中心互聯(lián)示意圖

2. 智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)控制管理軟件

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)音視頻一體化異構(gòu)平臺(tái)的第二個(gè)核心是全流程控制管理軟件。智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)控制管理軟件見圖11。

每一家IP產(chǎn)品都有自己的管理軟件，包括我們現(xiàn)在新接駁的IP，還有傳統(tǒng)的非編的和制作系統(tǒng)，都有自己的管理軟件。我們結(jié)合在騰訊和浙江臺(tái)的系統(tǒng)建設(shè)有如下思考：電視臺(tái)在未來的技術(shù)系統(tǒng)中會(huì)構(gòu)架一個(gè)平臺(tái)控制管理系統(tǒng)，這個(gè)平臺(tái)控制管理軟件可以與其他第三方或其他廠家的管理軟件進(jìn)行協(xié)議通訊，通過這個(gè)平臺(tái)控制管理軟件，可以看到只是他們需要用到的并且用戶親和度比較高的管理軟件，這個(gè)平臺(tái)控制管理軟件只需向下發(fā)指令，由各廠商的管理軟件來進(jìn)行相應(yīng)的服務(wù)。

平臺(tái)控制管理軟件的要點(diǎn)包括：（1）全流程資源定義（2）面向用戶預(yù)約 （3）靈活流程定制 （4）全流程監(jiān)控 （5）大數(shù)據(jù)分析

智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)控制管理軟件工作流程見圖12。

圖11 智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)控制管理軟件

圖12 智慧型實(shí)時(shí)音視頻集成平臺(tái)控制管理軟件工作流程

3.計(jì)算與處理

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實(shí)時(shí)音視頻一體化異構(gòu)平臺(tái)的第三個(gè)核心是計(jì)算與處理。

（1）微服務(wù)組建與部署

建立各微服務(wù)工具、模塊資源池，通過組合形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立關(guān)聯(lián)的微服務(wù)。可靈活根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，利用多個(gè)微服務(wù)，形成一個(gè)完整的工作流程，并部署執(zhí)行。

（2）云計(jì)算：公有云、私有云、專屬云資源調(diào)用與部署

IP調(diào)度中心會(huì)給我們帶來什么改變呢？圖14的應(yīng)用場景是2013年就已經(jīng)搭建完的IP核心調(diào)度系統(tǒng)，所有的演播室、遠(yuǎn)程制作的APA信號(hào)都通過遠(yuǎn)程傳輸過來。它改變了我們傳統(tǒng)的制作方式，比如說原來你的轉(zhuǎn)播肯定要派團(tuán)隊(duì)過去，現(xiàn)在更多是制作團(tuán)隊(duì)在異地做一個(gè)遠(yuǎn)程制作和傳輸，這對(duì)運(yùn)營肯定是有很大幫助的，包括德國的電視臺(tái)都已有大量的應(yīng)用案例。

圖13 微服務(wù)組建與部署

圖14 應(yīng)用場景1-全I(xiàn)P中心信號(hào)路由調(diào)度

圖15的應(yīng)用場景2是我們正在搭建的聯(lián)通二期項(xiàng)目，聯(lián)通的第一期項(xiàng)目是在全國八個(gè)省會(huì)城市搭建一個(gè)基于傳統(tǒng)視音頻應(yīng)用的核心骨干網(wǎng)。聯(lián)通的想法是，電視臺(tái)做晚會(huì)或是直播，可直接由制作團(tuán)隊(duì)在異地制作后，再通過聯(lián)通的核心骨干網(wǎng)把信號(hào)傳回來，在本地完成制作。一期項(xiàng)目是國內(nèi)八個(gè)點(diǎn)，二期會(huì)做國外的四個(gè)點(diǎn)，包括洛杉磯、倫敦、東京和香港。

圖15 應(yīng)用場景2-全I(xiàn)P廣域傳輸網(wǎng)絡(luò)路由調(diào)度-中國聯(lián)通