設(shè)計(jì)基于IP的媒體網(wǎng)絡(luò)（中）

卡爾·保爾森

電視中心已在開(kāi)始從SDI架構(gòu)轉(zhuǎn)換到以網(wǎng)絡(luò)為中心的IP架構(gòu)。很多人預(yù)測(cè)未來(lái)五年將發(fā)生重大變革。內(nèi)容創(chuàng)意、制作和分配實(shí)體將可能從傳統(tǒng)SDI轉(zhuǎn)向沉浸于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的采用商用現(xiàn)貨（COTS）解決方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。由于此變化，高碼率（HBR）、非壓縮（UC）媒體信號(hào)傳輸和處理——特別是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)/實(shí)時(shí)制作活動(dòng)，將成為我們未來(lái)的“下一代基礎(chǔ)設(shè)施”。

最近采納的SMPTE標(biāo)準(zhǔn)（包括ST 2022-6 & -7和ST 2110）連同行業(yè)論壇（AIMS、VSF、AMWA）的活動(dòng)和擴(kuò)充，是將從根本上重塑整個(gè)電視中心的驅(qū)動(dòng)力?？酆媚愕陌踩珟В覀兌计诖粓?chǎng)激動(dòng)人心的創(chuàng)新之旅。

RTP IP帶來(lái)新定時(shí)

在上篇中，我們談到了一些“行為規(guī)則”、流程中的基本差異，以及數(shù)據(jù)流量結(jié)構(gòu)如何影響IT/IP廣播系統(tǒng)考慮。在下篇中，我們將繼續(xù)探討變化的技術(shù)將如何影響下一代電視中心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

IP用于專(zhuān)業(yè)媒體網(wǎng)絡(luò)（PMN）將增加新“層”到傳統(tǒng)實(shí)時(shí)演播室制作系統(tǒng)。PMN和支持它們的SMPTE標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)時(shí)應(yīng)用中包的定時(shí)、傳輸/辨識(shí)和校準(zhǔn)采用了互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）。RFC 3550（2003）為一個(gè)提供端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的協(xié)議備忘錄，適合多播或單播網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如音頻、視頻或仿真數(shù)據(jù)）的應(yīng)用。它是ST 2110標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)基本原則。

一個(gè)稱(chēng)為精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的新定時(shí)基準(zhǔn)基于IEEE 1588：2008（即PTPv2）。PTP取代通常用于SDI、AES或模擬系統(tǒng)內(nèi)的“視頻黑場(chǎng)”（和DARS）定時(shí)信號(hào)。PTP使用一個(gè)信號(hào)傳遞系統(tǒng)（圖1），利用傳播延遲消息交換，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)從設(shè)備確定主設(shè)備的精確時(shí)間參考。PTP消息被發(fā)送到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換器，在那里它們被傳遞到信源（發(fā)送器）和端點(diǎn)設(shè)備（接收器），用于包定時(shí)和校準(zhǔn)。PMN上每個(gè)包將通過(guò)適當(dāng)?shù)腎ETF RFC內(nèi)描述的協(xié)議參考此公共PTP信號(hào)定時(shí)。

PTP層次結(jié)構(gòu)由一個(gè)主時(shí)鐘（通常有一個(gè)備份）及一系列分布于全網(wǎng)的邊界和/或透明時(shí)鐘組成（圖2）。一個(gè)“最佳的主時(shí)鐘算法”（BMCA）決定“誰(shuí)主誰(shuí)從”——萬(wàn)一一個(gè)PTP發(fā)生器出錯(cuò)時(shí)允許核實(shí)和優(yōu)先化。

恰當(dāng)?shù)腜TP系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的功能極為重要，并且可以根據(jù)選定廠商的產(chǎn)品或系統(tǒng)架構(gòu)有所調(diào)整。對(duì)廣播應(yīng)用來(lái)說(shuō)，PTP在SMPTE ST 2059-1和2059-2中被具體細(xì)化和描述。ST 2059-1設(shè)定一個(gè)全部設(shè)備都由它計(jì)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)（即SMPTE時(shí)）參考；而ST 2059-2描述PTP工作于以廣播為中心的應(yīng)用的方式。

PTP協(xié)調(diào)全部音頻、視頻和元數(shù)據(jù)包的定時(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)同步，不受設(shè)備本身物理位置的影響。這種概念使局域網(wǎng)（LAN）能夠擴(kuò)展到一個(gè)大樓、校園或地理位置分離的環(huán)境之間。

與傳統(tǒng)SDI（和模擬）視頻系統(tǒng)中的黑場(chǎng)信號(hào)參考對(duì)應(yīng)，PTP改變網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備同步方式?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的混合性（IP+SDI），PTP和視頻黑場(chǎng)信號(hào)參考都可運(yùn)用于下一代設(shè)施，并且依然相當(dāng)普遍。

線路速率、帶寬、頻率和格式

在IP不斷發(fā)展的同時(shí)，SDI依然為穩(wěn)健耐用的基于矩陣的X/Y路由和設(shè)備I/O解決方案。SDI的固定帶寬（270Mb/ s、1.5Gb/s、3Gb/s、6Gb/s、12Gb/s）和可預(yù)測(cè)的性能實(shí)現(xiàn)相對(duì)SMPTE RP 168中描述的一個(gè)參考點(diǎn)的視頻/音頻同步切換。視頻矩陣芯片組相應(yīng)地支持這種SD、HD或UHD信號(hào)切換。雖然依然很好用且很可靠，但SDI使用一個(gè)“固定矩陣”，它限制電視中心的發(fā)展，使之無(wú)法超出基本I/O矩陣（如32x32到1152x1152或以上規(guī)模的矩陣）。跳出固定規(guī)模的SDI矩陣很復(fù)雜、花錢(qián)多，保證叉車(chē)式升級(jí)或接受“模塊化”架構(gòu)也許會(huì)更好。

IP消除這些因素。設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，IP基本上為一種非阻塞和規(guī)模無(wú)限制的結(jié)構(gòu)。固定矩陣、指定帶寬和SDI限制在IP中都被消除。通過(guò)IP，信號(hào)拓?fù)渲皇芤慌_(tái)給定的因特網(wǎng)交換機(jī)上的端口大小和帶寬所限制。通過(guò)采用脊葉拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3）和從每張葉到每個(gè)脊柱的足夠上行帶寬，克服了SDI的矩陣限制。

但是，這種方式對(duì)設(shè)計(jì)者提出了新挑戰(zhàn)；例如，必須完全了解初始的交換機(jī)選擇，應(yīng)符合PTP，而且應(yīng)適當(dāng)指定每臺(tái)交換機(jī)上大部分端口將全速運(yùn)行，而且可能在或接近個(gè)別端口的帶寬（即10G、25G、40G、100G等），以恒定碼率運(yùn)行。只有正確配置的媒體通信將被允許，即電子郵件、文件傳輸或突發(fā)/無(wú)控制或無(wú)管理的通信都不應(yīng)注入到此媒體網(wǎng)絡(luò)上。

最佳設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)能夠利用100G和以上交換機(jī)的聚合能力；根據(jù)所傳輸?shù)男盘?hào)格式采用恰當(dāng)?shù)亩丝趲?。例如，一個(gè)UHD（4K）信號(hào)將消耗約12GB數(shù)據(jù)或“帶寬”，因此在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上部署僅10G端口是不明智的。對(duì)于使用原生IP的UHD，端口架構(gòu)應(yīng)為25G（每個(gè)）——每個(gè)端口每個(gè)方向允許兩個(gè)UHDTV（2160p）信號(hào)。

關(guān)于IP的好消息：原則上它既格式不可知又帶寬不受限（注意400G交換機(jī)即將出現(xiàn)）。只要增加更多葉或脊柱交換機(jī)就可獲得更大帶寬。格式智能判斷、在同一交換機(jī)上運(yùn)行1080p50和720p59.94或UHD都不成問(wèn)題。如果預(yù)期16：9和21：9寬高比的混合物，增加一個(gè)4：3乃至1：1寬高比信號(hào)也不成問(wèn)題，條件是發(fā)送和接收設(shè)備接受這些能力（注：ST 2110允許圖像寬度和高度最大32767像素或行）。

IP本質(zhì)上使未來(lái)廣播信號(hào)傳輸有保障。不過(guò)，工程師也必須非常清楚選定的交換機(jī)廠家的產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——必須符合PTP，且擁有通過(guò)外部SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）原則管理控制和數(shù)據(jù)面的能力。

原生IP和COTS設(shè)備

也許IP最大的“前途”是商用現(xiàn)貨（COTS）部件現(xiàn)在將承擔(dān)重任。通過(guò)部署合適廠家的交換機(jī)、SFP和光纖傳輸媒介和/或使用安裝適當(dāng)NIC（網(wǎng)絡(luò)接口卡）的通用計(jì)算服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了使系統(tǒng)很好地面向未來(lái)擴(kuò)展的能力。但是，在選擇時(shí)，設(shè)計(jì)者必須知道交換機(jī)（端口）和服務(wù)器（NIC）能力，原因是這些新設(shè)備很多可能只是部分知道或符合新興標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。一些廣播設(shè)備提供商可能堅(jiān)持特定的外部服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，在通過(guò)多播流領(lǐng)域時(shí)，必須包括這些產(chǎn)品以便與第三方“播出控制器”通信或管理信號(hào)流。

隨著時(shí)間的推移，廠家特定的發(fā)送/接收部件將轉(zhuǎn)向原生IP輸入和輸出。SDI最終可能成為一種選配而非標(biāo)配。攝像機(jī)、制作切換臺(tái)（視頻混合器）、音頻設(shè)備、圖文包裝和播出設(shè)備都將（或已經(jīng)）增加基于IP的接口。作為多個(gè)BNC或XLR的替換，設(shè)備將共享基于SFP的公共I/O端口，并包含用于彈性（即用于ST 2022-7或-8拓?fù)洌┑膫浞?第二端口。

有了一個(gè)全I(xiàn)P系統(tǒng)，對(duì)SDI的需求降低或完全消除——由于系統(tǒng)更容易擴(kuò)展，因此其靈活性提高。在設(shè)備全都恰當(dāng)互操作時(shí)（很大程度上由嚴(yán)格遵循SMPTE、IETF等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)），該系統(tǒng)的基本架構(gòu)可擴(kuò)展以滿(mǎn)足未來(lái)不斷增長(zhǎng)的需求。

在下文中，我們將探討為IP轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備所需的布線、一系列最佳范例和一些人力資源指南。B&P