電視制播系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

石 勇

（大連廣播電視發(fā)射臺，遼寧 大連 116000）

0 引 言

新形勢下，我國電視技術(shù)發(fā)展迅速，4K等超高清顯示設(shè)備逐漸得到廣泛應(yīng)用，電視節(jié)目的清晰度顯著提升。傳統(tǒng)的采集制作、調(diào)度分發(fā)以數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）為基礎(chǔ)，已難以滿足技術(shù)持續(xù)更新的要求。建立于信息通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）基礎(chǔ)上的IP化架構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用。IP媒體解決方案聯(lián)盟（Alliance for IP Media Solutions，AIMS）的成立，標(biāo)志著媒體IP解決方案開始規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，通用IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)逐漸形成共識。同時(shí)，4K、8K等超高清顯示設(shè)備對傳輸帶寬的要求極高，傳統(tǒng)SDI基帶信號已無法滿足電視制播系統(tǒng)的發(fā)展要求，國內(nèi)對于替代方案的研究也在不斷深入。在這一背景下，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案已成為推動(dòng)電視制播系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的主要解決途徑。加強(qiáng)對該方案的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 目前電視制播系統(tǒng)存在的主要問題

信息化時(shí)代背景下，2K高清電視節(jié)目制播系統(tǒng)已得到全面普及。隨著技術(shù)水平的不斷提高，3D技術(shù)、4K技術(shù)、8K技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)也逐漸得到人們的廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，超高清設(shè)備的畫面清晰度更高，且色彩豐富、質(zhì)量更優(yōu)，在節(jié)目制播中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。但是在帶寬要求方面，相較于傳統(tǒng)設(shè)備，超高清設(shè)備對帶寬的要求極高。因此，傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)難以滿足超高清設(shè)備的帶寬運(yùn)行要求，超高清設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用具有一定的局限性。隨著技術(shù)水平的提高，超高清設(shè)備對帶寬的要求也在不斷提高，例如4K清晰度對帶寬的要求約為2K清晰度的8倍，這說明4K電視制播系統(tǒng)相較于2K電視制播系統(tǒng)需要更多的設(shè)備電纜，必然需要增加一定數(shù)量的跳線排與接口數(shù)量，導(dǎo)致系統(tǒng)的建設(shè)成本和應(yīng)用難度增加。如果其中一根線纜發(fā)生故障問題，必然會對整個(gè)電視信號的傳輸質(zhì)量造成不利影響，增加維修成本[1]。因此，對于電視制播系統(tǒng)，需要探索一種全新、有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，以解決上述問題，提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

2 電視制播系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

2.1 解決思路

在電視制播系統(tǒng)中采用IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以采用IP數(shù)據(jù)包替代傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)中的SDI基帶信號。對IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備間的主要連接方式，以雙向多通道連接為主，對于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用[2]。通過采用先進(jìn)的信息技術(shù)，能夠有效解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的相關(guān)問題，提高傳輸帶寬的應(yīng)用效率，在空閑時(shí)間中實(shí)現(xiàn)對其他信息的有效傳輸。通過構(gòu)建IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，工作人員能夠采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)有效降低圖像的傳輸碼率，進(jìn)而降低系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，不但能夠?qū)崿F(xiàn)單線路的電視信號傳輸，同樣適用于多線路的信號傳輸。

2.2 IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的解決方案

IP化數(shù)據(jù)包是指對傳統(tǒng)SDI基帶信號進(jìn)行封包處理，將其轉(zhuǎn)化為IP流數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)的SDI基帶信號也可以完成IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信號傳輸與調(diào)度。這一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決方案實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中SDI矩陣調(diào)度核心向網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的運(yùn)行以網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備為基礎(chǔ)。目前，IP化架構(gòu)在轉(zhuǎn)播車、演播室等系統(tǒng)中取得明顯的應(yīng)用成效，應(yīng)用廣泛。隨著技術(shù)水平的不斷提高，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也經(jīng)歷了基于TICO淺壓縮向無壓縮IP系統(tǒng)的發(fā)展。針對一個(gè)典型的電視制播系統(tǒng)，其IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括媒體節(jié)點(diǎn)層、核心網(wǎng)絡(luò)層及綜合管控層三個(gè)主要組成部分。其中，媒體節(jié)點(diǎn)層的主要組成部分包括常規(guī)制作設(shè)備以及IP網(wǎng)關(guān)，核心網(wǎng)絡(luò)層的主要組成部分包括路由器、網(wǎng)絡(luò)控制器及交換機(jī)等，在設(shè)備的作用下完成信號的交換；綜合管控層的作用在于對信號、設(shè)備及相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行全面管控。

2.2.1 組網(wǎng)方案

設(shè)計(jì)制播系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)考慮組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，這是IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等因素，按照現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，選擇組網(wǎng)架構(gòu)的過程中，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不同要求，選擇不同的架構(gòu)，如雙機(jī)架構(gòu)或葉脊（Spine-leaf）架構(gòu)。雙機(jī)架構(gòu)的應(yīng)用頻率較高，適用于一些中小型的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，而Spine-leaf架構(gòu)多用于大型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。針對設(shè)備容量大、接入端口數(shù)量繁多的環(huán)境，采用Spine-leaf架構(gòu)效果確切，其主要組成部分為葉脊架構(gòu)，也就是核心/接入架構(gòu)。Leaf是接入層，能夠有效接入低速端口，同時(shí)也能夠上行高速端口。Spine主要指核心層，諸多Leaf節(jié)點(diǎn)可以通過高速端口有效連接，在這一前提下便能夠開展大容量高速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)等相關(guān)操作。采用Spine-leaf架構(gòu)的過程中，應(yīng)充分考慮主備多鏈路的部署情況，確保網(wǎng)絡(luò)的冗余性[3]。Spine-leaf架構(gòu)具有扁平化、易擴(kuò)展等優(yōu)勢。采用扁平化的設(shè)計(jì)能夠減小服務(wù)器間的通信路徑，有效緩解延遲，提高應(yīng)用程序和服務(wù)性能。當(dāng)Spine交換機(jī)帶寬不足，只需要增加其節(jié)點(diǎn)數(shù)，便能夠提供路徑上的負(fù)載均衡；若接入連接不足，增加leaf節(jié)點(diǎn)數(shù)便可。

2.2.2 組網(wǎng)協(xié)議

多數(shù)情況下，電視制播系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)承載協(xié)議采用三層技術(shù)。將三層網(wǎng)關(guān)設(shè)置在Leaf節(jié)點(diǎn)上，通過路由協(xié)議有效打通核心層與接入層間的路徑。協(xié)議無關(guān)組播（Protocol Independent Multicast，PIM）協(xié)議能夠有效打通組播路由，具有穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢，能夠有效提高組播協(xié)議的可靠性。通過PIM協(xié)議作用的充分發(fā)揮，能夠縮小廣播域和故障域的范圍，將其全部收斂于接收層中。另外，三層協(xié)議對于提高整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性也具有一定的作用，可滿足當(dāng)下電視制播系統(tǒng)的發(fā)展要求。

2.2.3 核心調(diào)度與邊緣調(diào)度方案

具體應(yīng)用階段，可以采用核心調(diào)度和邊緣調(diào)度這兩種應(yīng)用方案。

（1）核心調(diào)度方案。采用核心調(diào)度方案時(shí)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）將控制網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備實(shí)現(xiàn)對全部IP業(yè)務(wù)流的調(diào)度。采用這一調(diào)度方案時(shí)，邊緣媒體節(jié)點(diǎn)并非采用SDN進(jìn)行控制。在這一方案下，邊緣媒體節(jié)點(diǎn)的主要作用是網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備IP業(yè)務(wù)流的接收。因此，在核心調(diào)度方案中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)具備凈切換功能及組播網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）功能。組播NAT功能主要指業(yè)務(wù)流的復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)等相關(guān)操作，能夠有效修改端口及組播地址。針對接收端，在其邊緣媒體節(jié)點(diǎn)對業(yè)務(wù)流進(jìn)行切換的過程中，無需節(jié)能性感知。

（2）邊緣調(diào)度方案。采用邊緣調(diào)度方案時(shí)，核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要通過COTS通用交換機(jī)有效連通。在這一情況下，需要確保邊緣媒體節(jié)點(diǎn)具備Internet組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）性能，這樣才能滿足業(yè)務(wù)流切換的要求。邊緣媒體節(jié)點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的請求后，請求可以直接傳達(dá)至網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，待設(shè)備對請求進(jìn)行分析后，便能夠進(jìn)行業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)等相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)流的有效切換。

這兩種方案均通過發(fā)流設(shè)備發(fā)流。采用核心調(diào)度方案時(shí)，控制器能夠?qū)诵木仃嚢l(fā)送相應(yīng)的調(diào)度指令，通過核心矩陣推流至媒體節(jié)點(diǎn)。采用邊緣控制調(diào)度方案時(shí)，控制器能夠?qū)γ襟w節(jié)點(diǎn)傳達(dá)調(diào)度指令，通過媒體節(jié)點(diǎn)向核心矩陣傳輸拉流請求。在這一情況下，核心矩陣根據(jù)相應(yīng)的請求發(fā)流至媒體節(jié)點(diǎn)[4]。邊緣調(diào)度方案對業(yè)務(wù)流帶寬有一定的要求，多需要采用雙倍業(yè)務(wù)流帶寬，而核心調(diào)度方案只需要采用單倍帶寬。

2.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性

針對電視制播系統(tǒng)，應(yīng)加強(qiáng)對其穩(wěn)定性及安全性的重視。在IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮承載業(yè)務(wù)的安全性，進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化與改進(jìn)。當(dāng)IP業(yè)務(wù)流經(jīng)過允許，應(yīng)將其放入調(diào)度矩陣，參與后續(xù)的調(diào)度工作，避免非法接入內(nèi)容的傳播。針對新業(yè)務(wù)流的調(diào)度，應(yīng)避免其影響到原有業(yè)務(wù)流的調(diào)度。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)建立獨(dú)立的主域網(wǎng)絡(luò)和備域網(wǎng)絡(luò)。二者互為獨(dú)立，相互備份。系統(tǒng)能夠向不同的網(wǎng)絡(luò)分別傳輸不同的信號，如主路信號、備用信號等，并采用相應(yīng)的機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)層面主備保護(hù)同路的信號[5]。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的穩(wěn)定性，應(yīng)加強(qiáng)對關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)，如電源、主控板、交換機(jī)板等，避免某一設(shè)備出現(xiàn)故障問題導(dǎo)致其他設(shè)備運(yùn)行受阻甚至整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

3 其他問題及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PTP時(shí)鐘同步

時(shí)鐘同步對于確保交換系統(tǒng)及信號調(diào)度正常運(yùn)行具有重要意義。因此，需要保證業(yè)務(wù)流間時(shí)鐘的同步性。PTP時(shí)鐘的同步作用與傳統(tǒng)SDI系統(tǒng)中的一些同步信號較為類似。在時(shí)鐘同步方面，通常情況下需要采用ST 2059 PTP時(shí)鐘同步方案。該方案對核心網(wǎng)絡(luò)中交換設(shè)備的PTP能力具有一定的要求，需要其支持時(shí)鐘源的授時(shí)功能。為了進(jìn)一步提高時(shí)鐘同步的穩(wěn)定性，還需要采用相應(yīng)的主備時(shí)鐘方案。為了保證邊緣調(diào)度控制方案的可行性，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備應(yīng)在接入媒體節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行PTP授時(shí)，這樣可以保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步性。在系統(tǒng)應(yīng)用階段，當(dāng)存在主備時(shí)鐘出現(xiàn)非法PTP報(bào)文情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理，避免對其他設(shè)備造成影響。

3.2 組播NAT

對核心調(diào)度方案而言，全部業(yè)務(wù)的調(diào)度、交換均需要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際使用過程中，接收端的媒體節(jié)點(diǎn)難以滿足以上要求，只可以進(jìn)行單一組播流的接收。為了避免這一問題，需要采用網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，對原視頻流的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行修改，如IP等相關(guān)設(shè)置，將其修改為接收端媒體節(jié)點(diǎn)可以有效識別、接收的形式。因此，這對網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的組播NAT能力的要求較高。組播NAT能力的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）當(dāng)設(shè)備具備組播NAT能力時(shí)，終端接收設(shè)備無需具備IGMP能力，有助于實(shí)現(xiàn)不同廠商的互操作，是一種全新的思路。

（2）SDN并不需要與多個(gè)終端接收設(shè)備對接，有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，電視制播系統(tǒng)的第三方設(shè)備接入也變得更為便捷，有助于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)流量的全部管控，提高制播的工作效率。

（3）避免系統(tǒng)對接外部系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)外地址沖突問題。

（4）與外部系統(tǒng)對接的過程中，對第三方網(wǎng)關(guān)設(shè)備的需求較低，可以實(shí)現(xiàn)組播NAT，有效控制外部系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

（5）與單播NAT相比，組播NAT可以實(shí)現(xiàn)IP報(bào)文中的端口字段、目的IP的轉(zhuǎn)換，而單播IP報(bào)文只能實(shí)現(xiàn)源IP地址、源口字段的轉(zhuǎn)換。

（6）采用組播NAT對接收端設(shè)備的要求較低，只對接收端的端口號、目的IP地址有一定的要求。針對一些特殊場景，對源IP地址等也具有一定的要求，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換[6]。另外，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備需要進(jìn)行字段的轉(zhuǎn)換。

3.3 流量準(zhǔn)入安全技術(shù)

為了提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，應(yīng)保證IP矩陣內(nèi)流量滿足規(guī)劃要求，確保其可信度。核心調(diào)度方案和邊緣調(diào)度方案均具備流量準(zhǔn)入功能，但是兩者的實(shí)現(xiàn)方式有所不同。

針對核心調(diào)度方案，業(yè)務(wù)流主要通過流表實(shí)現(xiàn)調(diào)度。當(dāng)業(yè)務(wù)流不在流表中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備便無法對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。該模式對于預(yù)防非法內(nèi)容的傳播具有重要作用。另外，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備具備服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）功能，支持接口限速、流限速等，因此可以將帶寬預(yù)留給各條業(yè)務(wù)流，避免調(diào)度業(yè)務(wù)流的過程中受到其他業(yè)務(wù)流的干擾[7]。

針對邊緣調(diào)度方案，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，業(yè)務(wù)流可以經(jīng)由路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。采用流量準(zhǔn)入安全技術(shù)后，可以通過ALC的白名單功能避免非法介入內(nèi)容的傳播，進(jìn)一步提高電視制播系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 語

目前，電視制播系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在一定的問題，傳統(tǒng)架構(gòu)方案難以滿足系統(tǒng)發(fā)展要求，采取IP化架構(gòu)解決方案具有重要的意義。采用IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，能夠進(jìn)一步提高制播系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，降低建設(shè)成本，且能夠提供一些信息數(shù)據(jù)的傳輸，為節(jié)目制作提供諸多便利。然而，目前電視制播系統(tǒng)的IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)仍處于初步探索階段，未來仍需要深入研究，進(jìn)一步推廣該方案的應(yīng)用。