電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

張靖一

摘要：隨著電視節(jié)目清晰度提升，對(duì)制播系統(tǒng)的運(yùn)行帶寬和效率都提出了要求，如何利用先進(jìn)的IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提升電視制作播出系統(tǒng)的運(yùn)行效率，推動(dòng)電視節(jié)目制作播出質(zhì)量的提升，需要加以重視。該文圍繞電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案進(jìn)行了研究。首先，分析了電視制作播出系統(tǒng)存在的問(wèn)題;其次，根據(jù)其中存在的問(wèn)題，制定了相應(yīng)的電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案;最后，圍繞電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案中的其他問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。期望能夠推動(dòng)我國(guó)電視制作播出系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的提升，為廣大電視制作播出系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理人員提升參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：電視制作;播出;IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);方案

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）22-0092-03

在新時(shí)期，我國(guó)的電視技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，4K、8K等超高清設(shè)備逐漸走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，我國(guó)的電視節(jié)目清晰度得到了顯著的提升。傳統(tǒng)的采集制作、調(diào)度分發(fā)方式建立在SDI（數(shù)字串行接口） 之上，已經(jīng)無(wú)法滿足新時(shí)期技術(shù)更新的需求。建立在ICT（網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)） 技術(shù)之上的IP化架構(gòu)開(kāi)始逐漸替代SDI。國(guó)際學(xué)者早在21世紀(jì)初就開(kāi)始研究如何將專業(yè)媒體信號(hào)傳輸從SDI基帶轉(zhuǎn)移到IP。直到2015年，由FOX、BBC、Cisco、GV等多家廠商共同成立了AIMS。AIMS的出現(xiàn)標(biāo)志著媒體IP解決方案走向了標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的發(fā)展，其主張應(yīng)用通用IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，建設(shè)開(kāi)放流封裝協(xié)議及控制協(xié)議。Sony和Evertz于2016年正式加入AIMS，這也標(biāo)志著SDI over IP的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，IP流封裝應(yīng)遵從SMPTE的規(guī)范。在新時(shí)期，隨著UHD超高清產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，4K清晰度、8K清晰度對(duì)傳輸帶寬的超高要求使得傳統(tǒng)的SDI基帶信號(hào)方案已經(jīng)無(wú)法滿足電視制作播出系統(tǒng)的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始積極地探索SDI基帶信號(hào)的替代方案。在這一背景下，IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案成為新時(shí)期電視制作播出系統(tǒng)發(fā)展的一大難題?；诖?，本文提出了一種能夠?qū)DI基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案，具體內(nèi)容如下。

1 電視制作播出系統(tǒng)存在的問(wèn)題

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，2K高清電視節(jié)目制作播出得到了普及，3D技術(shù)、4K技術(shù)、8K技術(shù)也逐漸走進(jìn)我國(guó)居民的日常生活當(dāng)中。相較于傳統(tǒng)設(shè)備，超高清設(shè)備有著更高的清晰度、更豐富的色彩，在電視節(jié)目制作播出中有著非常好的應(yīng)用效果[1]。但在帶寬需求方面，超高清設(shè)備的帶寬需求要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)備，這也意味著傳統(tǒng)電視制作播出系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足超高清設(shè)備的帶寬運(yùn)行需求，超高清設(shè)備的應(yīng)用存在著一定的阻力。表1是不同清晰度所對(duì)應(yīng)的電視制作播出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)與帶寬。

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，4K清晰度所需的帶寬達(dá)到了2K清晰度帶寬8倍以上，這也就意味著4K電視制作播出系統(tǒng)需要耗費(fèi)相當(dāng)于4倍傳統(tǒng)2K電視制作播出系統(tǒng)的設(shè)備電纜，4K電視制作播出系統(tǒng)需要增加大量的跳線排與接口數(shù)量，大幅增加了電視制作播出系統(tǒng)的建設(shè)成本與難度，當(dāng)其中任意一根線纜出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，都會(huì)影響電視信號(hào)的傳輸質(zhì)量，增加電視制作播出系統(tǒng)的維修成本。綜上所述，電視制作播出系統(tǒng)亟須一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案解決上述問(wèn)題。

2 電視制作播出系統(tǒng)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

2.1 解決思路

將IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于電視制作播出系統(tǒng)中，能夠利用IP數(shù)據(jù)包（SDI OVER IP） 替代電視SDI基帶信號(hào)。在IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)是電視制作播出系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備與設(shè)備之間的主要連接方式，其作為一種雙向多通道連接方式，能夠有效地優(yōu)化電視制作播出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則能夠有效地解決上述問(wèn)題，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠大幅提升傳輸帶寬的應(yīng)用效率，將空閑時(shí)間有效地應(yīng)用于其他信息的傳輸中。在IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，技術(shù)人員可以利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)降低圖像的傳輸碼率，從而使電視制作播出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬要求降低，實(shí)現(xiàn)單線路的多路電視信號(hào)傳輸。

2.2 IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

SDI OVER IP指對(duì)SDI基帶信號(hào)進(jìn)行封包，使其轉(zhuǎn)變?yōu)镮P流。從而使傳統(tǒng)的SDI基帶信號(hào)也能夠?qū)崿F(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號(hào)傳輸與調(diào)度。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案使電視制作播出系統(tǒng)的基礎(chǔ)從SDI矩陣調(diào)度核心轉(zhuǎn)化成了網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。IP化架構(gòu)在演播室、轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。其經(jīng)歷了SMPTE2022-6的基于TICO淺壓縮IP系統(tǒng)到SMPTE2110無(wú)壓縮IP系統(tǒng)的發(fā)展與轉(zhuǎn)變。一個(gè)典型的電視制作播出系統(tǒng)的IP化架構(gòu)應(yīng)該由三部分構(gòu)成，其分別為媒體節(jié)點(diǎn)層（Media Node） 、核心網(wǎng)絡(luò)層（Core Network） 、綜合管控層（Broadcaster Controllers） ，如圖1所示，媒體節(jié)點(diǎn)層由傳統(tǒng)制作設(shè)備與IP網(wǎng)關(guān)構(gòu)成;核心網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)絡(luò)控制器在路由器、交換機(jī)的輔助下實(shí)現(xiàn)信號(hào)交換;綜合管控層主要負(fù)責(zé)信號(hào)、設(shè)備與業(yè)務(wù)的綜合管控。

2.2.1 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需優(yōu)先考慮的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)方案時(shí)，可以參考現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在選擇組網(wǎng)架構(gòu)時(shí)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模需求的不同選擇雙機(jī)架構(gòu)或Spine-Leaf架構(gòu)。前者更加適用于中小型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，后者更適用于大型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。Spine-Leaf架構(gòu)適用于設(shè)備容量高、接入端口數(shù)量多的環(huán)境當(dāng)中，其由葉脊架構(gòu)構(gòu)成，即核心/接入架構(gòu)。接入層指的就是Leaf，其主要負(fù)責(zé)接入低速端口，也可以上行高速端口。Spine代表核心層，大量的Leaf節(jié)點(diǎn)通過(guò)高速端口得到連接，在此基礎(chǔ)上便可完成大容量高速網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)等操作。Spine-Leaf架構(gòu)在應(yīng)用時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮主備多鏈路部署，這樣做的目的是保障網(wǎng)絡(luò)的冗余性，如圖2所示。

2.2.2 組網(wǎng)協(xié)議

大部分電視制作播出系統(tǒng)都在網(wǎng)絡(luò)承載協(xié)議中應(yīng)用了三層技術(shù)。在Leaf節(jié)點(diǎn)上部署三層網(wǎng)關(guān)，利用路由協(xié)議（OSPF/ISIS） 將核心層和接入層的路徑打通。PIM協(xié)議則起到了打通組播路由的作用。PIM協(xié)議有著成熟性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，大幅提升了組播協(xié)議的可靠性。在PIM協(xié)議的支持下，廣播域與故障域范圍大幅縮小，能夠全部收斂在接入層之下。而三層協(xié)議大幅提升了IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性、可擴(kuò)展性，能夠滿足未來(lái)電視制作播出系統(tǒng)的發(fā)展需求[3]。

2.2.3 核心調(diào)度與邊緣調(diào)度方案

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，主要有以下兩種應(yīng)用方案。

（1） 核心調(diào)度方案。在核心調(diào)度方案下，SDN將控制網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備完成所有IP業(yè)務(wù)流的調(diào)度。在這種調(diào)度方案下，邊緣媒體節(jié)點(diǎn)不需要通過(guò)SDN進(jìn)行控制。邊緣媒體節(jié)點(diǎn)在該調(diào)度方案下只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備IP業(yè)務(wù)流的接收工作。因此，核心調(diào)度方案中的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備需要具有凈切換功能與組播NAT功能。NAT功能可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)等操作，其具有修改端口與主播地址等功能。在接收端邊緣媒體節(jié)點(diǎn)切換業(yè)務(wù)流時(shí)，也不需要進(jìn)行感知。（2） 邊緣調(diào)度方案。在邊緣調(diào)度方案下，核心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備將利用COTS通用交換機(jī)進(jìn)行連通。在這一模式下，邊緣媒體節(jié)點(diǎn)必須具備IGMP能力才能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的切換。當(dāng)邊緣媒體節(jié)點(diǎn)發(fā)起IGMP請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求會(huì)直達(dá)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備分析完請(qǐng)求后，便會(huì)執(zhí)行業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)等操作，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的切換。二者都由發(fā)流設(shè)備發(fā)流。在核心調(diào)度方案中，控制器會(huì)向核心矩陣下發(fā)調(diào)度指令，由核心矩陣推流到媒體節(jié)點(diǎn)。在邊緣控制調(diào)度方案中，控制器會(huì)向媒體節(jié)點(diǎn)下發(fā)調(diào)度指令，由媒體節(jié)點(diǎn)再向核心矩陣發(fā)送IGMP拉流請(qǐng)求，在此基礎(chǔ)上，核心矩陣按照IGMP請(qǐng)求發(fā)流到媒體節(jié)點(diǎn)。邊緣調(diào)度方案需要雙倍業(yè)務(wù)流帶寬，核心調(diào)度方案只需要單倍業(yè)務(wù)流帶寬[4]。

2.3 系統(tǒng)的安全性與可靠性

在構(gòu)建電視制作播出系統(tǒng)時(shí)，需要重視系統(tǒng)的安全性與可靠性。因此，應(yīng)重點(diǎn)圍繞承載業(yè)務(wù)安全性進(jìn)行優(yōu)化。如果IP業(yè)務(wù)流已通過(guò)允許，應(yīng)使其進(jìn)入調(diào)度矩陣，參加后續(xù)的調(diào)度，阻礙非法接入內(nèi)容傳播。除此之外，新業(yè)務(wù)流調(diào)度要避免對(duì)原有業(yè)務(wù)流調(diào)度產(chǎn)生影響。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方面，應(yīng)分別建立主域網(wǎng)絡(luò)和備域網(wǎng)絡(luò)，二者應(yīng)該是相互獨(dú)立、相互備份的關(guān)系。系統(tǒng)向主域網(wǎng)絡(luò)、備域網(wǎng)絡(luò)分別傳輸主路信號(hào)、備份鏡像信號(hào)，并利用2022-7機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)層面主備保護(hù)同一路信號(hào)。為了提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性，要對(duì)交換機(jī)板、主控板、風(fēng)扇、電源等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行主備冗沉保護(hù)，防止某一單一設(shè)備故障導(dǎo)致其他設(shè)備出現(xiàn)癱瘓。

3 其他問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PTP時(shí)鐘同步

時(shí)鐘同步是保障交換系統(tǒng)與信號(hào)調(diào)度正常運(yùn)作的基礎(chǔ)，應(yīng)確保業(yè)務(wù)流與業(yè)務(wù)流之間的時(shí)鐘同步。PTP時(shí)鐘同步的作用與SDI系統(tǒng)中BB、TLS同步信號(hào)作用相似。在PTP時(shí)鐘同步方面，可以選擇ST 2059 PTP時(shí)鐘同步方案。同時(shí)，要求核心網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備應(yīng)該具備一定的PTP能力，要支持時(shí)鐘源PTP授時(shí)功能。為了提升PTP時(shí)鐘同步的可靠性，同時(shí)還應(yīng)該支持相應(yīng)的主備時(shí)鐘方案。為了確保邊緣調(diào)度控制方案的順利運(yùn)作，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備還要對(duì)接入的媒體節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行PTP授時(shí)，只有這樣才能確保整個(gè)電視制作播出系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘同步。在實(shí)際應(yīng)用電視制作播出系統(tǒng)的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)主備時(shí)鐘場(chǎng)景存在非法PTP報(bào)文，要及時(shí)進(jìn)行處理，防止其他設(shè)備時(shí)鐘受到影響。

3.2 組播NAT

在核心調(diào)度方案中，所有業(yè)務(wù)的調(diào)度與交換都需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備來(lái)完成，但實(shí)際上，接收端的媒體節(jié)點(diǎn)無(wú)法滿足上述需求，只能完成單一組播流的接收。為解決上述問(wèn)題，應(yīng)該利用網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，修改原視頻流數(shù)據(jù)，如IP、Port等數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)修改成接收端媒體節(jié)點(diǎn)能夠順利識(shí)別、接收的形式，這就需要網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備具有組播NAT能力。組播NAT能力有著諸多優(yōu)勢(shì)：（1） 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備具有組播NAT能力時(shí)，終端接收設(shè)備便不需要再具備IGMP能力，有利于實(shí)現(xiàn)不同廠商之間的互操作性，是一種與NMOS不同的新思路[5]。（2） SDN不再需要與多家終端接收設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，大幅降低了系統(tǒng)的整體復(fù)雜度，使電視制作播出系統(tǒng)的第三方設(shè)備接入變得更加方便快捷，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量集中管控，強(qiáng)化了電視制作播出系統(tǒng)的運(yùn)維效率。（3） 解決了與外部系統(tǒng)對(duì)接時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)外地址沖突問(wèn)題。（4） 在對(duì)接外部系統(tǒng)時(shí)，第三方網(wǎng)關(guān)設(shè)備的需求量大幅降低，組播NAT能夠自由實(shí)現(xiàn)，控制了外部系統(tǒng)的成本，提升了組播規(guī)劃效率。（5） 組播NAT相較于單播NAT，其能夠?qū)M播IP報(bào)文中的目的IP、端口字段進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而單播IP報(bào)文則主要針對(duì)源IP、源口字段進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（6） 在組播NAT下，接收端設(shè)備的要求大幅降低，其只對(duì)接收端的目的UDP端口號(hào)、UDP、目的IP提出了要求。但在特殊場(chǎng)景下，也會(huì)對(duì)MAC、源IP、源UDP端口號(hào)提出要求，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備同時(shí)也肩負(fù)著字段轉(zhuǎn)換的重任。

3.3 流量準(zhǔn)入安全技術(shù)

只有確保IP矩陣內(nèi)流量都符合相應(yīng)的規(guī)劃，保證流量的可信度，才能提升網(wǎng)絡(luò)的安全性。核心調(diào)度方案與邊緣調(diào)度方案都可以實(shí)現(xiàn)流量準(zhǔn)入功能，但在實(shí)現(xiàn)方式上，存在著一定的差異性。

在核心調(diào)度方案中，業(yè)務(wù)流會(huì)經(jīng)過(guò)流表進(jìn)行調(diào)度，如果業(yè)務(wù)流沒(méi)有在流表內(nèi)，那么網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備便不會(huì)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這種模式能夠有效預(yù)防非法內(nèi)容的傳播。除此之外，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備還具有Qos能力，支持流限速、流優(yōu)先級(jí)、接口限速等多種功能，因此能夠?qū)掝A(yù)留給每一條業(yè)務(wù)流，避免業(yè)務(wù)流在調(diào)度時(shí)受到其他業(yè)務(wù)流的影響[6]。

在邊緣調(diào)度方案中，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備則會(huì)保持“全通”狀態(tài)，業(yè)務(wù)流會(huì)通過(guò)路由直接轉(zhuǎn)發(fā)。而流量準(zhǔn)入安全技術(shù)能夠通過(guò)ALC的白名單功能有效地預(yù)防非法接入內(nèi)容的傳播，確保電視制作播出系統(tǒng)的安全性。

3.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的SDN管控

SND會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與控制。在設(shè)計(jì)IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)，應(yīng)確保其具備相應(yīng)的SDN管控系統(tǒng)，這將顯著提升系統(tǒng)的運(yùn)維便捷度，使系統(tǒng)的可行性大幅提升。SDN能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、媒體節(jié)點(diǎn)的全面管控，是應(yīng)用IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須重視的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先闡述了新時(shí)期電視制作播出系統(tǒng)存在的問(wèn)題;其次，就電視制作播出系統(tǒng)的IP化架構(gòu)解決方案進(jìn)行了分析;最后，在此基礎(chǔ)上圍繞IP化架構(gòu)在建設(shè)過(guò)程中涉及的其他問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。SDI over IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣與應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)的電視行業(yè)正在朝著一個(gè)新的階段邁進(jìn)，電視臺(tái)應(yīng)重視電視制作播出系統(tǒng)的升級(jí)與優(yōu)化，利用完善的IP化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提升電視信號(hào)的傳輸效率，才能為我國(guó)居民提供更加優(yōu)質(zhì)的電視服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電視行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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