IP組播和RRPP環網在數字電視傳輸中的應用和分析

吳東亮

IP組播和RRPP環網在數字電視傳輸中的應用和分析

吳東亮

福建東南廣播電視網絡有限公司

傳統的數字電視長距離傳輸一般是采用SDH網絡的DS3信號作為基帶信號傳輸載體，近幾年，隨著IP技術的普及，IP網絡的速率越來越高，承載業務從非實時走向實時，IP技術在數字電視傳輸中得到了越來越多的應用。同時，在數字電視前端系統，這幾年的IP化程度也得到了很大的提高，除了提供傳統的ASI信號外，還能提供視頻輸出的IP接口，即將TS流轉換為TS over IP。考慮到IP技術與數字電視技術融合的發展趨勢，前一階段，福建廣電的高清數字電視節目采用了基于RRPP環網技術的IP組播實現電視節目的異地傳輸，文章對這一技術的需求背景、可行性分析、方案配置和實施等進行闡述和分析。

RRPP環網 IP組播 數字電視傳輸

1 需求背景

2013年1月，福建廣電網絡集團需要將福州廣電網絡提供的高清數字電視傳輸到福建省其他地市，福州廣電網絡高清數字電視節目源可以提供ASI和IP兩種接口。傳統的數字電視傳輸一般采用ASI的傳輸方式，這種方式已經發展、使用了很長時間，因此技術比較成熟，但是隨著數字電視內容的增多和新興業務的發展，傳統的以ASI為基礎的傳輸模式已經很難適應快速發展的數字電視新業務，尤其在功能擴展方面存在很大的局限性。考慮到基于IP的傳輸方式來傳輸數字電視信號的技術已經非常成熟并大量商用，福建廣電的高清數字電視傳輸決定采用IP方式來傳輸。

2 可行性分析

目前福建廣電的OTN（Optical Transport Network，光傳送網）網絡已經覆蓋了全省9個地市，基于OTN一個波長建設的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）網絡可以在9個地市提供MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業務傳送平臺）的GE（Gigabit Ethernet，千兆以太網）接口。

考慮到各個地市需要的高清數字電視節目內容都是一樣的，即省中心至各個地市的流量是相同的，在這種情況下，基于環網的方式采用IP組播技術傳輸是可靠性最高的，也能最大程度上節省SDH骨干網的傳輸帶寬。

在以太網環網上可以通過三層方式或者二層方式這兩種方式實現，三層方式在實際應用中可以配置OSPF等動態路由協議，但是如果環網上線路中斷時，如果環網上節點較多，OSFP等動態路由協議的路由收斂時間較長，會造成以太網環上部分節點的電視節目傳輸中斷時間較長，不能滿足電視節目安全傳輸的需要。二層方式采用的技術一般是RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環）或以太網環。RPR 需要專用硬件，因此成本較高。而以太網環技術日趨成熟且成本低廉，城域網和企業網采用以太網環的趨勢越來越明顯。目前，解決二層網絡環路問題的技術有STP和RRPP。STP（Spanning Tree Protocol，生成樹協議）應用比較成熟，但收斂時間在秒級。RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速環網保護協議）是專門應用于以太網環的鏈路層協議，具有比STP 更快的收斂速度。并且RRPP 的收斂時間與環網上節點數無關，可應用于網絡直徑較大的網絡。

RRPP是一個專門應用于以太網環的鏈路層協議。它在以太網環完整時能夠防止數據環路引起的廣播風暴，而當以太網環上一條鏈路斷開時，能迅速恢復環網上各個節點之間的通信通路，具備較高的收斂速度。目前，華為、H3C等國內廠商的網絡均支持RRPP技術。

結合福建廣電SDH傳輸網的網絡結構，福建高清數字電視傳輸的RRPP環網拓撲結構如圖1所示。

如圖1所示，因一期傳輸的高清數字電視共27套，總帶寬約290Mbps，因此規劃一個千兆的RRPP環網，即各個地市之間的三層交換機采用GE互聯的方式組建RRPP環網。

因RRPP技術是個二層的以太網技術，對于視頻傳輸涉及到的IP組播是采用二層還是三層方式實現，以及這兩種不同的IP組播方式對于實際電視節目傳輸的影響需要在實際網絡測試中確認。

圖1 全省網絡總體拓撲結構

3 方案實施

為了驗證不同的IP組播方式對實際電視節目傳輸的影響，針對幾種不同的配置方案，對整體網絡傳輸效果進行了測試：

3.1 RRPP環網+ IGMP Snooping

IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，互聯網組管理協議窺探）是運行在二層設備上的組播約束機制，用于管理和控制組播組。IGMP Snooping和IGMP協議一樣，兩者都用于組播組的管理和控制，它們都使用IGMP報文。IGMP協議運行在網絡層，而IGMP Snooping則運行在鏈路層。因RRPP是個二層技術，IGMP Snooping也是在二層上配置，實際可以把這種方式作為二層組播。

在實驗室環境下，依據福建廣電網絡骨干網的拓撲，搭建了一個測試平臺，即根據拓撲結構將交換機GE光口采用光纖直連的方式組成一個由9臺三層交換機組成的環網，再配置RRPP，將省中心的三層交換機配置為RRPP環的主節點，從長期的網絡運行情況來看，福建廣電沿海的光纖網絡中斷率較低，因此將省中心與莆田相聯的交換機端口設置為主端口，把省中心與寧德相聯的交換機端口設為副端口，即正常情況下，高清電視節目是沿著省中心—莆田—泉州—廈門—漳州—龍巖—三明—南平—寧德的路徑傳輸，如果RRPP環網上有任意節點之間的鏈路發生故障時，故障點之后的節點將沿著省中心—寧德這個方向進行傳輸。在實際網絡實施中，因各個網絡設備之間的鏈路是由SDH網絡的MSTP方式提供，由于SDH的復用段保護技術，節點之間光纜中斷時，SDH傳輸電路實際上會由SDH自身提供保護，不會造成鏈路中斷，SDH的保護倒換是在50ms以內完成，在后期的網絡實際應用中，RRPP的保護倒換觸發的時間比SDH長，如果環上2個節點之間光纜中斷，SDH會優于RRPP進行保護，即鏈路通過復用段保護，通過保護時隙正常通信。RRPP的保護一般是在GE光模塊發生故障時或者交換機的GE光口與SDH的GE光口之間的跳纖出現中斷時才會啟動。這相當于為電視節目傳輸提供了雙重保護，更進一步提高了網絡安全性。在實驗室環境下，主要測試的是RRPP環保護發生時，對視頻節目傳送的影響。

完成IGMP Snooping配置后，將測試平臺拓撲結構上漳州節點下接IPQAM，通過數字電視機頂盒解碼高清節目以便觀察接收情況，此外，設置相應的IP地址后，將PC下掛在漳州節點交換機上，ping省中心交換機上接入的PC的IP地址。測試平臺的拓撲如圖2所示。

圖2 測試平臺網絡拓撲圖

如上圖所示，在測試環境下，將廈門—漳州交換機之間的光纖中斷，即啟動RRPP環保護，福州—莆田—泉州—廈門的視頻信號傳輸不受影響，漳州節點的視頻信號由福州—寧德方向的線路傳送。在這種情況下，PC上的ping沒有中斷，但是漳州節點交換機下掛的TV上的高清節目傳輸中斷了50秒左右，將IPQAM接到環上其他節點做類似測試，RRPP保護倒換引起的視頻節目傳輸中斷時間大約都在40～50秒左右，PC上ping操作有時會丟1個包。

通過RRPP技術提供的保護，正常的IP包傳輸基本不會中斷，但是采用IGMP Snooping方式的二層IP組播傳輸視頻恢復時間較長，主要原因應該是由于在二層網絡結構下，由于RRPP環網上節點之間鏈路中斷，交換機上更新MAC地址表時間較長，導致二層方式的組播恢復時間較長。對于中斷率考核要求較高的電視節目傳輸來說，如果采用以上這種方式傳輸電視節目，則無法令人滿意。

3.2 RRPP環網+OSPF+PIM-DM

由于二層方式的IP組播傳輸視頻節目在RRPP環網保護發生時恢復時間較長，因此在測試環境下采用OSPF+PIM- DM的方式配置三層組播。

在OSPF(Open Shortest Path First，開放式最短路徑優先）路由協議和IP地址規劃上，將各地市廣電接入IP地址規劃在各自獨立的網段內，并且各個地市規劃獨立的Area，將環上各個節點之間互聯的鏈路IP規劃在一個RRPP環內，運行OSPF骨干區域。這樣規劃的好處是，在OSPF的骨干區域，運行RRPP，即使任意節點發生了中斷，也能保證骨干網各節點到省中心的聯通。在每個地市廣電，劃分各自獨立的區域，規劃獨立的地址網段，通過OSPF，學習到省中心的路由。

全省高清傳輸平臺通過RRPP和OSPF，實現了各地市網絡到省中心的路由聯通后，在此基礎上就可以配置對應的三層組播協議PIM了，PIM（Protocol Independent Multicast），協議無關組播，表示為IP組播提供路由的單播路由協議可以是靜態路由、RIP、OSPF、IS-IS、BGP等，組播路由和單播路由協議無關，只要單播路由協議能產生路由表項即可。之前已經配置全省網絡運行OSPF，為組播提供了動態的單播路由表。

在這個網絡里，省中心提供高清節目的組播源，各地市只需要在各交換機的出口接入各地市的網絡，負責接收組播信號即可。在這里，配置PIM-DM （Protocol Independent Multicast-Dense Mode，協議無關組播－密集模式，密集模式下的組播路由協議，適用于組播組的成員相對比較密集，而網絡中的每個子網都存在至少一個對組播源感興趣的接收站點），將全網組播流量將要流經的組播路由器加入到PIM組播域，在組播路由器的各個接口上配置相應的PIM協議，使之支持PIM-DM。

采用二層組播測試時相同的模擬環境，網絡拓撲結構和圖2類似，完成RRPP、OSPF、PIM-DM相關配置后，在漳州節點下，接入IPQAM，接收省中心的組播流，進行監看，同時在漳州交換機后面接入一臺PC對省中心進行不間斷的ping測試。進行測試，將廈門-漳州之間的光纖中斷，RRPP保護啟動，漳州的視頻信號由省中心向寧德方向流入漳州。觀測PC上的ping測試，在RRPP+OSPF的雙重保護下，ping包沒有出現中斷，沒有感知到線路的異常。由于高清信號對線路的敏感性，我們將這次中斷與之前的二層網絡進行對比，在線路中斷的瞬間，IPQAM后面的高清節目中斷了4～5秒，之后就恢復了正常。將IPQAM接到環上其他節點做類似測試，RRPP保護倒換引起的視頻節目傳輸中斷時間大約都在4～5秒左右，相比于之前測試的二層網絡，顯然實用性大幅提高，可以滿足電視傳輸的要求。經過分析，主要是RRPP的啟動時間在50ms以內，在這個時間周期內，不會觸發OSPF的收斂，架構的OSPF上的三層組播協議基本不受影響，中斷的時間應該主要是由于數字電視編碼的原理造成的，即網絡收斂期間，數字視頻有個別幀丟失，出現短時間中斷。

3.3 實際網絡實施

根據模擬平臺的測試情況，最終選用RRPP環網+OSPF+PIM-DM的配置方案，完成相關設備測試和配置后，將設備各地安裝調試后，進行試運行。在實際接入各廣電的有線數字前端網絡時，有些互聯的交換機是二層架構，網絡上的廣播包和組播包較多，由于最終實施的網絡是三層網絡結構，在接入各廣電數字前端網絡的時候，配合三層交換機的ACL（Access Control List，訪問控制列表）等設置，即使在各地廣電接收方有大量的非法廣播包或組播包上傳，也將在三層設備一側被截止，不會透過三層設備進入骨干網，保證了骨干網流量的純凈。

此外，由于某些省內地市有線數字前端應用的IP地址配置相同，采用三層網絡結構，也避免了在二層結構下經常遇到的IP地址沖突的問題。

在實際網絡試運行期間，發現在光纜中斷時，SDH的保護倒換觸發時間優于RRPP的觸發時間，即相鄰2個節點之間光纜中斷時，2個節點之間的MSTP提供的GE通道由SDH的保護通道提供，不會引起RRPP的保護。這在實際網絡運行中實際上為電視節目傳輸提供了雙保險，即SDH網絡的保護倒換和RRPP環網的保護。

下一階段，如果要增加高清數字電視節目，網絡設備無需升級，只要RRPP環網的帶寬足夠，在省中心增加新增數字電視的組播源，各地市廣電即可接收新增的數字電視。相比原來基于SDH的DS3方式，這一方案節省了每次擴容需要增加的DS3端口以及適配器等設備的投入。

4 結束語

目前福建廣電高清數字電視下傳采用的RRPP環網+IP三層組播的網絡已經運行了一段時間，期間經歷了幾次線路中斷和割接的考驗，電視節目傳輸都沒有中斷，用實際表現證明了網絡設計的合理性。

隨著全國有線電視用戶數字化改造的深入，有線電視提供的數字電視頻道數量逐步增加，數字電視節目的異地傳輸將越來越多，隨著各地有線前端IP化的深入，基于IP傳輸數字電視將得到更多的應用。從省級廣電或市級廣電來看，很多廣電都會有一個覆蓋主要有線前端的環形光纖網絡，在光纖上構架的SDH網絡或者OTN網絡，都能提供GE或者10GE這種速率等級的IP接口。利用RRPP環網小于50ms收斂時間的特性，可以在SDH或者OTN網絡上構建GE或者10GE的RRPP環，在RRPP環網基礎上搭建三層IP組播，用于傳輸數字電視，不僅可以有效節約SDH（或OTN）網絡的帶寬資源，而且可靠性和安全性都有保障。

[1] 華為技術有限公司. RRPP技術白皮書[Z].

[2] 華為技術有限公司. 組播技術白皮書[Z].