全高清IP 架構(gòu)播控系統(tǒng)研究

李曉磊

（周口廣播電視臺，河南 周口 466000）

0 引 言

隨著廣播電視等傳統(tǒng)媒體的融合，廣電工作人員經(jīng)常會遇到一些技術(shù)問題，例如，大型活動現(xiàn)場的高清視音頻信號如何從電視中心傳輸給廣播中心，廣播中心的現(xiàn)場音視頻如何提供給電視中心，采用何種技術(shù)；融媒體直播的信號如何傳輸?shù)诫娨曋行暮腿诿襟w制作平臺，以及采用何種架構(gòu)傳輸?shù)?。在沒有融合以前，電視中心傳輸給廣播中心，一般采用的傳統(tǒng)數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface SDI）架構(gòu)，但是SDI 技術(shù)在應(yīng)用中會遇到一些問題，比如采用SDI 傳輸必然會遇到傳輸距離遠(yuǎn)，需要額外鋪設(shè)視頻電纜、中繼以及復(fù)用較復(fù)雜的情況。而全I(xiàn)P 架構(gòu)則是通用的基礎(chǔ)架構(gòu)，相關(guān)設(shè)備也都是通用的計算機(jī)設(shè)備。若采用全I(xiàn)P 架構(gòu)，相關(guān)的部署、擴(kuò)容、更改、維護(hù)工作則更容易。

1 全高清IP 化解決方案

1.1 SDI 架構(gòu)的特點(diǎn)

所謂SDI 架構(gòu)，一般是指基于串行數(shù)字接口（SDI）傳輸技術(shù)的視音頻傳輸架構(gòu)，是一種常見的廣電傳輸架構(gòu)。在SDI 架構(gòu)內(nèi)，視音頻數(shù)據(jù)在傳輸過程中一般需要進(jìn)行編解碼和模數(shù)轉(zhuǎn)換，在200 m有效距離內(nèi)可以高質(zhì)量地傳輸音視頻數(shù)據(jù)，超出這個距離就需要額外鋪設(shè)視頻電纜、加裝中繼設(shè)備，維護(hù)工作非常復(fù)雜。由于非壓縮的原始超高清視頻數(shù)據(jù)量極大，超高清視頻信號需要由多根SDI 傳輸電纜并行傳輸，并且SDI 這種點(diǎn)對點(diǎn)傳輸技術(shù)由于缺乏信號路由能力，視頻播控系統(tǒng)的組建需要部署大量的視頻矩陣、視頻編解碼器、音頻加嵌解嵌設(shè)備、多畫面監(jiān)看以及切換臺等設(shè)備，對于多通道信號還需要復(fù)用設(shè)備，相關(guān)系統(tǒng)拓?fù)浜筒渴鸨容^復(fù)雜且維護(hù)成本極高。

1.2 IP 架構(gòu)的特點(diǎn)

本文所說的IP 化是指對高清視音頻數(shù)據(jù)信號進(jìn)行IP 封裝，通過以太網(wǎng)傳輸，可以利用以太網(wǎng)線完成高清視音頻信號的傳輸。IP 架構(gòu)即指基于高清視音頻網(wǎng)絡(luò)封裝傳輸技術(shù)的傳輸架構(gòu)，是一種基于高清傳輸?shù)膹V電傳輸架構(gòu)。相比較SDI 架構(gòu)，IP 架構(gòu)具有傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性好、系統(tǒng)拓?fù)浜筒渴鸶雍唵胃咝У葍?yōu)勢，不需要額外部署大量的視音頻相關(guān)設(shè)備。

1.3 亟待解決的問題

基于SDI 架構(gòu)和全高清IP 架構(gòu)的特點(diǎn)，只有當(dāng)傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)向全高清IP 架構(gòu)完全轉(zhuǎn)變，才能提升播控系統(tǒng)平臺的兼容性，使得未來云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬化等技術(shù)得到更好的應(yīng)用，從而提升系統(tǒng)的運(yùn)行效果。采用全I(xiàn)P 架構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅更加簡單，成本更加低廉，而且能夠真正發(fā)揮出IP 技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)廣播電視媒體從單一渠道向全媒體匯聚、從封閉式生產(chǎn)到共同平臺生產(chǎn)、從點(diǎn)對面單向傳播到多渠道分發(fā)IP 化的方向轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步加快不同媒體之間的資源轉(zhuǎn)換及協(xié)作生產(chǎn)效率[1]。

2 全高清IP 架構(gòu)解決方案

2.1 方案特點(diǎn)

系統(tǒng)采用全I(xiàn)P 架構(gòu)對計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化管理。全I(xiàn)P 架構(gòu)將整個數(shù)據(jù)中心云化，并將系統(tǒng)中用戶可見的資源抽取出來納入統(tǒng)一的資源池管理，為用戶提供一體化的資源管理、自動資源發(fā)放，為用戶提供方便的獲取資源的途徑。不同類型的用戶可以通過服務(wù)目錄自動化地獲取資源并加以應(yīng)用。具體特點(diǎn)如下：

（1）采用全I(xiàn)P 架構(gòu)完成節(jié)目主+備解碼播出，實(shí)現(xiàn)冗余方式的安全播出；

（2）支持手動、自動、定時、定長上載功能，采用嵌入式文件技審及MD5 校驗(yàn)技術(shù)，保證素材上載的安全；部署主備的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過雙機(jī)熱備份軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時同步；

（3）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)安全可靠，將文件數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、控制信息網(wǎng)絡(luò)、信號無壓縮IP 流調(diào)度網(wǎng)絡(luò)分層部署，并采用具有冗余熱備份機(jī)制的以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；

（4）播控系統(tǒng)軟件功能完善，提供播控流程智能管理機(jī)制；

（5）完善的信號監(jiān)看報警設(shè)計。

2.2 全高清IP 架構(gòu)組成

基于全高清IP 架構(gòu)，廣播部分采用多臺廣播服務(wù)器，基于一臺主機(jī)和一臺備份服務(wù)器構(gòu)建全虛擬化IP 高清廣播視頻服務(wù)器。單服務(wù)器支持兩個通道，采用基于SMPTE 2022 的ST2110 標(biāo)準(zhǔn)編碼，實(shí)時封裝IP[2]。硬件系統(tǒng)還包括主備廣播數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、廣播控制工作站、訂單編輯和導(dǎo)入工作站以及高標(biāo)準(zhǔn)清晰數(shù)字卡上傳/電影審查工作站。周邊設(shè)備包含總控矩陣、IP 調(diào)度矩陣、IP/SDI 多格式處理器，主要作用是IP 和SDI 相互轉(zhuǎn)換。全高清IP 架構(gòu)如圖1所示。

圖1 全高清IP 架構(gòu)

2.3 實(shí)現(xiàn)功能

全I(xiàn)P 架構(gòu)暨播出通道全部采用了純IP 播出的一種架構(gòu)[3]。該架構(gòu)支持雙路由功能，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）路由器采用一主一備模式，廣播中心的視音頻信號通過網(wǎng)關(guān)連接到SDN 交換機(jī)，出來的數(shù)據(jù)與虛擬切換器連接。虛擬處理器也是一主一備模式，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)虛擬IP 化處理，并以組播方式，將該數(shù)據(jù)發(fā)送給電視中心使用。電視中心依靠虛擬切換器將信號分配給需要的電視部門。所有信號都是交互傳播的組播信號，按照一定策略進(jìn)行傳輸、分配、管理，負(fù)責(zé)兩個不同中心系統(tǒng)間的視音頻數(shù)據(jù)相互交換。

系統(tǒng)軟件部分包含云播出軟件，支持IP 融合播出素材數(shù)據(jù)管理，具有數(shù)據(jù)庫查詢功能、數(shù)據(jù)分析管理監(jiān)控軟件、素材流程監(jiān)控模塊、智能報警及反饋模塊、用戶接入系統(tǒng)、用戶登錄模塊、高可用模塊、故障監(jiān)控模塊、虛擬機(jī)監(jiān)控模塊、后臺統(tǒng)一管理模塊、系統(tǒng)后臺升級模塊、遷移負(fù)載自動均衡、網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測控制、自動遷移任務(wù)分配、智能任務(wù)管理、素材導(dǎo)入模塊、遷移任務(wù)執(zhí)行模塊、嵌入MD5 校驗(yàn)、Web 服務(wù)模塊、Web 流程設(shè)計模塊、Web 流程監(jiān)控模塊以及Web 設(shè)備狀態(tài)模塊等功能模塊。

2.4 系統(tǒng)的耦合性

電視中心系統(tǒng)中的高清視音頻數(shù)據(jù)與廣播中心系統(tǒng)中的視音頻數(shù)據(jù)的傳輸，取決于這兩個系統(tǒng)間的耦合性。要想達(dá)到好的耦合性，中間系統(tǒng)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要同時滿足電視中心和廣播中心的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，即滿足全I(xiàn)P 條件下ST2022 標(biāo)準(zhǔn)和ST2110 標(biāo)準(zhǔn)。而滿足這個標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵設(shè)備則是采用符合ST2022標(biāo)準(zhǔn)和ST2110標(biāo)準(zhǔn)的視音頻編碼器，其可以將電視中心的SDI 數(shù)據(jù)和廣播中心的AES67等數(shù)據(jù)IP 化，以此滿足電視中心和廣播中心無障礙的數(shù)據(jù)交換，以此打通傳統(tǒng)媒體的廣播中心與電視中心相互融合的通道。全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換原理如圖2 所示。

圖2 全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換

3 全I(xiàn)P 架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)安全

SDI 系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用很少，大部分設(shè)備都以SDI 線路連接，因此網(wǎng)絡(luò)安全問題不用考慮。而全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是通用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)安全問題不能避免。需要對網(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)行全面考慮，以此防范網(wǎng)絡(luò)漏洞給整個系統(tǒng)帶來的安全風(fēng)險。

3.1 物理隔離

網(wǎng)絡(luò)安全方面，硬件采用了USB 隔離器，即USB 接口病毒隔離器、文件安全隔離器，自帶軟件系統(tǒng)，其功能主要有：以白名單方式過濾系統(tǒng)上的文件數(shù)據(jù)，內(nèi)置常見的AVI、MPEG4、MPEG2、MIDI、MP3、AES-67 等格式；防修改后綴欺騙，自動配對過濾，防止非法拷貝。SDN 服務(wù)器安裝有獨(dú)立操作系統(tǒng)，需安裝防火墻軟件，每個月更新一次補(bǔ)丁。系統(tǒng)賬戶根據(jù)需要創(chuàng)建用戶權(quán)限，普通賬戶日常使用，管理員賬號需設(shè)置復(fù)雜密碼，并由帶班長和值機(jī)人員掌握。系統(tǒng)軟件采用白名單策略，唯有系統(tǒng)認(rèn)可格式的文件才可以通過，其余的文件都擋在系統(tǒng)之外，并用系統(tǒng)軟件將其隔離。

3.2 等保系統(tǒng)防護(hù)

除了系統(tǒng)本身的物理隔離外，系統(tǒng)還將納入信息安全等級保護(hù)第三級要求，對播控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主干網(wǎng)絡(luò)及播控系統(tǒng)內(nèi)的核心數(shù)據(jù)交換實(shí)施對安全計算環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)及安全區(qū)域邊界統(tǒng)一的信息安全策略管理。要對播控系統(tǒng)中所有工作內(nèi)容包括重要用戶行為、系統(tǒng)資源的異常使用情況及遠(yuǎn)程管理行為進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，確保所有工作行為僅限于播控系統(tǒng)內(nèi)部，不允許遠(yuǎn)程管理[4-5]；對所有事件進(jìn)行管理，生成行為記錄，對違規(guī)行為及時報警并做出處理。

4 結(jié) 語

隨著傳統(tǒng)媒體高清化乃至4K 化的普及，傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)暴露出一些缺陷和問題。相較于SDI 架構(gòu)，IP 架構(gòu)具有傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性好、系統(tǒng)拓?fù)浜筒渴鸶雍唵胃咝У奶攸c(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景。傳統(tǒng)SDI 架構(gòu)由于其局限性已經(jīng)無法跟上目前廣播電視日益更新的發(fā)展需求。對此，需要推動播控系統(tǒng)架構(gòu)由SDI 向IP 的轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮全高清IP 架構(gòu)的優(yōu)勢，為未來廣電事業(yè)的飛躍發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。