基于SDN 架構(gòu)的IP 化播出系統(tǒng)研究

武 岳

（北京廣播電視臺，北京 100012）

0 引言

傳統(tǒng)電視播出系統(tǒng)正面臨著諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)采用同軸電纜的數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基礎(chǔ)架構(gòu)，技術(shù)成熟，可靠性高，應(yīng)用廣泛。但是現(xiàn)在隨著超高清（4K、8K）技術(shù)的發(fā)展，SDI 基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)越來越難滿足業(yè)務(wù)的發(fā)展要求，勢必會使系統(tǒng)向平臺化、網(wǎng)絡(luò)化、IP 化發(fā)展，因此播出系統(tǒng)架構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）和信息技術(shù)（Information Technology，IT）化勢在必行，不僅可以解決超高清信號的帶寬、傳輸和調(diào)度問題，還能夠集中管理工作流業(yè)務(wù)，為智慧廣電打造技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

1 基于切換開關(guān)的傳統(tǒng)SDI 播出系統(tǒng)

廣電系統(tǒng)在高標(biāo)清時代一直沿用SDI 基帶播出系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠，目前仍舊是各大電視臺的主流技術(shù)架構(gòu)。主備視頻服務(wù)器、外來SDI 信號、應(yīng)急信號等經(jīng)切換臺16×2 切換器，然后過鍵控器將鍵混信號送到SDI 末級2×1（4×1）應(yīng)急倒換開關(guān)，經(jīng)SDI 編碼器編碼復(fù)用后輸出播出傳送系統(tǒng)，如圖1 所示。若主播出單元出現(xiàn)故障，則緊急切換備信號，保障播出安全[2]。

圖1 傳統(tǒng)SDI 播出系統(tǒng)

傳統(tǒng)SDI 基帶播出系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有技術(shù)成熟、可靠性高、應(yīng)用廣泛，信號傳輸延遲低，16×2切換器可通過外部基準(zhǔn)信號實現(xiàn)現(xiàn)場消隱靜切換處理，確保播出質(zhì)量；其劣勢在于隨著4K、8K 超高清信號對帶寬提出更高的要求，傳統(tǒng)的SDI 傳輸方式需要對復(fù)雜的不同信號、網(wǎng)絡(luò)以及線纜進行整合。即便12G-SDI 技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，對于8K等業(yè)務(wù)帶寬需求來說仍然捉襟見肘。傳統(tǒng)的SDI 播出系統(tǒng)屬于閉環(huán)信號系統(tǒng)，為保證播出安全，其架構(gòu)簡單、易操作，但系統(tǒng)靈活度不高，無法依靠軟件對業(yè)務(wù)流程進行管理。因此，傳統(tǒng)的SDI 播出系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足超高清業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，實現(xiàn)廣播電視播出系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的IP 化、網(wǎng)絡(luò)化，基帶SDI 信號和IP 流信號的相互融合勢在必行[3]。

2 基于SDN 架構(gòu)的IP 化播出系統(tǒng)

隨著超高清視頻產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，4K、8K 超高清信號對帶寬提出更高的要求，傳統(tǒng)的SDI 傳輸帶寬、調(diào)度矩陣、播出方式等已經(jīng)不能滿足技術(shù)需求。因此，需要采用基于信息與通信技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）的IP 化 架構(gòu)解決高帶寬信號的傳輸和調(diào)度?；贗P 架構(gòu)的組網(wǎng)方式主要依靠軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）交換機架構(gòu)實現(xiàn)IP 流的靜切換。

IP 播出系統(tǒng)主要由SDN 矩陣、IP 虛擬服務(wù)器、萬兆核心交換機、二級存儲、IP 播出虛機等設(shè)備組成。建立高可靠、以IP 交換機為核心進行信號傳輸、信號交換及調(diào)度的制播系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮IP 網(wǎng)絡(luò)特點，實現(xiàn)視頻、音頻、同步、控制等系統(tǒng)的IP 化信號傳輸。通用化IT 設(shè)備采用無壓縮SDI/IP 技術(shù)、SDN 控制技術(shù)、虛擬化技術(shù)實現(xiàn)基于SMPTE2110協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無壓縮視音頻碼流播出控制管理。系統(tǒng)建構(gòu)于通用的計算機服務(wù)器硬件平臺，基于虛擬化技術(shù)實現(xiàn)自動化播出控制，提供了在通用IT 環(huán)境下構(gòu)建高融合、高帶寬、高擴展、高可靠的廣播電視視音頻播出解決方案，不需要專用視頻服務(wù)器及視音頻處理周邊設(shè)備，減少了系統(tǒng)構(gòu)建和維護成本，且具有極好的擴展能力[4]。

2.1 All in One 和IPG 網(wǎng)關(guān)

IP 化播出系統(tǒng)采用All in One 一體化播出模式，采用集成化的系統(tǒng)建設(shè)思路，使其更加簡潔和易維護。播出系統(tǒng)能夠完整地實現(xiàn)傳統(tǒng)SDI 播出系統(tǒng)的相應(yīng)能力，包括轉(zhuǎn)播CCTV、演播室信號等線路信號，實現(xiàn)圖文包裝，提供臺標(biāo)、掛角字幕、整半點報時等功能。All in One 服務(wù)器播出還具有視音頻IP 流檢測、素材管理、素材整備、時鐘服務(wù)、自動播出系統(tǒng)等服務(wù)。

SDI/IP 網(wǎng)關(guān)將SDI 信號打包成無壓縮視頻IP流（基于SMPTE ST 2022 標(biāo)準(zhǔn)）。IPG 網(wǎng)關(guān)可以將SDI 信號和IP 相互轉(zhuǎn)換，這種傳統(tǒng)信號和IP 流互相轉(zhuǎn)換的能力實現(xiàn)了基帶SDI 信號和IP 流信號相互融合的新型異構(gòu)的播出系統(tǒng)模式。系統(tǒng)的異構(gòu)也是安全播出保障的重要手段之一。

系統(tǒng)中SDI/IP IPG 網(wǎng)關(guān)將外來和演播室等SDI信號經(jīng)過內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Internal Gateway Protocol，IPG）轉(zhuǎn)換成無壓縮視音頻IP 流。IP 流采用SMPTE ST 2022-7 標(biāo)準(zhǔn)定義兩個數(shù)據(jù)包冗余備份的協(xié)議，不僅主備數(shù)據(jù)流可以實現(xiàn)自動切換，而且源和目的之間也可以自動切換。IP 流的輸入和輸出可以使用同一個端口。通過此協(xié)議，主備IP 流進入SDN交換機進行流之間的控制切換，最終輸出的IP 流經(jīng)過編碼送到傳送系統(tǒng)，整個流程如圖2 所示。

圖2 IP 化播出系統(tǒng)

2.2 IP 化播出系統(tǒng)SDN 交換機

從SDI 向IP 過渡，就是從靜信號架構(gòu)向動態(tài)信號架構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。在傳統(tǒng)的制播網(wǎng)絡(luò)中，管理一個動態(tài)的系統(tǒng)，且要實現(xiàn)廣電所見即所得的管理特點，去中心化是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一大目的。結(jié)合目前制播網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，IP 化播出管理系統(tǒng)應(yīng)運而生。

IP 化播出管理系統(tǒng)最重要的核心是SDN 交換機。SDN 是一種新型的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式。廣電系統(tǒng)IP 化的核心就是利用SDN 交換機替換傳統(tǒng)的切換開關(guān)和調(diào)度矩陣。IP播出系統(tǒng)一般采用H3C 交換機，支持OpenFlow 和組播網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）。OpenFlow 是SDN 矩陣所用的控制協(xié)議，通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開，實現(xiàn)對IP 流進行智能化的靈活控制。在OpenFlow 協(xié)議下，SDN 控制器可以像控制傳統(tǒng)矩陣一樣管理SDN 交換機，在路由轉(zhuǎn)發(fā)層面修改IP 流的組播地址和端口號[5]。

“流”是對同一時間經(jīng)過同一網(wǎng)絡(luò)的具有某種共同特征或?qū)傩缘臄?shù)據(jù)抽象出的概念。例如，可以將訪問同一個地址的數(shù)據(jù)視為一個流。流一般由網(wǎng)絡(luò)管理員定義，可以根據(jù)不同的流執(zhí)行不同的策略。在OpenFlow 中，數(shù)據(jù)都是作為流進行處理的。

在IP 化播出系統(tǒng)中，SDN 網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備完成所有的播出業(yè)務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)交換。視音頻的IP 流會在SDN 中形成策略定義后的流表，控制器根據(jù)動作表對核心矩陣發(fā)出動作指令，根據(jù)組播IP 地址形成組播流。與路由表定義某一個網(wǎng)段的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則不同，流表的自由匹配度更高，可定義交換機某一端口進入的流，也可以定義某一臺設(shè)備發(fā)出的流，還可以定義轉(zhuǎn)發(fā)目的流，將輸入端口、IP 協(xié)議、目的地址（組播地址）、目的端口號組成一個流表。轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則就是根據(jù)動作表將流表進行匹配，再根據(jù)組表進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備還需要具備組播能力。

組播NAT 是一種組播網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)，用于轉(zhuǎn)化組播流特征中的源IP 地址、目的IP 地址及目的端口號。組播NAT 技術(shù)采用在組播流入接口配置兩級流策略匹配輸入的組播流，出接口配置組播流轉(zhuǎn)換規(guī)則，使同一條流可以被復(fù)制到多個出接口上并按照各自的轉(zhuǎn)換規(guī)則修改組播流量特征。通過修改目的IP 地址并轉(zhuǎn)發(fā)出去，可實現(xiàn)有效隔離，提升安全性，其他端口無法收到未授權(quán)的報文。這種基于組播NAT 能力的核心調(diào)度切換如圖3 所示，能夠完全滿足視音頻IP 流的調(diào)度切換業(yè)務(wù)。

圖3 IP 流SDN 核心調(diào)度切換

SDN 的聯(lián)網(wǎng)方式取代了Internet 組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）拉流方式的邊緣切換，采用核心調(diào)度從整體上對所有的視音頻IP 流的路由決策控制邏輯進行管理，為播出業(yè)務(wù)需求選擇最佳調(diào)度切換策略。核心調(diào)度方案中，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備主要通過流表進行業(yè)務(wù)流的調(diào)度處理，對流表進行匹配。如果匹配成功，系統(tǒng)將執(zhí)行指令（更新動作指令、更新匹配域、更新流數(shù)據(jù)）；如果不匹配，則不會對業(yè)務(wù)流表進行轉(zhuǎn)發(fā)，直接丟棄或繼續(xù)下一個流表項，對非法內(nèi)容進行有效隔離。同時，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備具備一定的優(yōu)化決策能力，能夠為播出業(yè)務(wù)流預(yù)留帶寬，避免受到其他業(yè)務(wù)流的調(diào)度影響，為IP 化播出系統(tǒng)的安全播出提供技術(shù)保障。

隨著廣播電視業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，播出系統(tǒng)信號切換調(diào)度業(yè)務(wù)承擔(dān)者由傳統(tǒng)切換臺、切換矩陣轉(zhuǎn)換為交換機。交換機能完全滿足視音頻IP 流的數(shù)據(jù)交換需求，但播出系統(tǒng)的信號切換調(diào)度功能還需要配合相應(yīng)應(yīng)用層軟件對相關(guān)業(yè)務(wù)的管理和處理，控制SDN 交換機實現(xiàn)視音頻IP 信號的復(fù)制（分配）、轉(zhuǎn)發(fā)（切換），實現(xiàn)播出系統(tǒng)的IP 化。

3 結(jié)語

IP 化是廣電技術(shù)發(fā)展不可阻擋的大趨勢。IP化系統(tǒng)構(gòu)建簡便，與傳統(tǒng)的基帶播出鏈路采用單向傳輸相比，IP 化后可采用萬兆光纖帶寬滿足播出業(yè)務(wù)需求。隨著信號傳輸密度的增大，系統(tǒng)采用通用化IT 設(shè)備，面對將來的4K、8K 等技術(shù)發(fā)展，無壓縮SDI/IP 技術(shù)、SDN 控制技術(shù)、虛擬化技術(shù)具有平滑升級的能力，相較于傳統(tǒng)基帶播出格式依賴于硬件設(shè)備的情況具有天然優(yōu)勢。因此，廣電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、IP 化甚至是云化的技術(shù)革新將勢在必行。