IP通話在IP化視頻系統中的應用分析

孫 培

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

在廣播電視制作域全IP化、超高清制作技術越來越普及的時代背景下，越來越多的IP通話被應用在超高清系統中。系統的數據傳輸方式由SDI（數字串行接口）向IP構架的轉換，符合2110標準的視頻、音頻、輔助數據流在不同的設備間交互制作。相比傳統的、與SDI視頻系統并行的通話網絡，在IP視頻系統內，IP通話不再是獨立的系統，可直接發送AES67信號進入主核心數據交換機網絡，并傳輸至通話面板、攝像機、腰包等各個結點，大大簡化了整體系統。

中央廣播電視總臺所建立的兩套IP化移動外場視頻系統，分別為GV核心設備+思科交換機的主、備單機構架和SONY核心設備+華為交換機的主、備葉脊構架。兩者均使用了Telos Alliance的Infinity通話系統，可傳輸AES67音頻信號，脫離了傳統通話矩陣的方式。兩套系統因使用方式及系統的設置不同呈現出了不同的狀態。

文中以這兩套系統的網絡及協議的構架為例，闡述目前IP化視頻系統中主要應用的數據傳輸方式，以現有移動外場中涉及的ASM和SSM兩種模式為基礎，重點分析IP通話在不同環境下的應用方式。

1 PIM+IGMP協議構架

現有的IP化視頻系統主要采用PIM+IGMP（Protocol Independent Multicast，協議無關組播；Internet Group Management Protocol， Internet組管理協議）拉流的方式。這里的協議無關指的是與單播路由協議無關，即PIM不需要維護專門的單播路由信息。作為組播路由解決方案，它直接利用單播路由表的路由信息，對組播報文執行RPF（Reverse Path Forwarding，逆向路徑轉發）檢查，檢查通過后創建組播路由表項，從而轉發組播報文。

實際網絡中，PIM主要有PIM-DM和PIM-SM兩種模式。PIM-DM使用“推（Push）模式”轉發組播報文，一般應用于組播組成員規模相對較小、相對密集的網絡。PIM-DM假設網絡中的組成員分布非常稠密，每個網段都可能存在組成員。當有活躍的組播源出現時，PIMDM會將組播源發來的組播報文擴散到整個網絡的PIM路由器上，再裁剪掉不存在組播報文轉發的分支。PIM SM是另一種組播路由協議，即PIM Sparse-Mode，是稀疏模式的PIM協議。該協議主要用于組播接收者分布分散、拓撲復雜的網絡中。PIM SM采用“拉”（PULL）的方式，按照接收者的需要，在組播數據接收者和發送者之間建立起組播轉發樹，從這點來看，與PIM DM存在本質的不同。在目前的IP化演播室系統內，所有組播數據都是根據需要進行拉流傳輸的，即通常使用PIM SM稀疏模式。

IGMP互聯網組管理協議是TCP/IP協議族中負責IP組播成員管理的協議，用來在IP主機和與其直接相鄰的組播交換機或路由器之間建立、維護組播組成員關系。在IP化視頻系統內，主要表現為終端接收結點（如攝像機、示波器等設備）與交換機之間建立、維護組播流。到目前為止，IGMP 有3個版本：IGMPv1、IGMPv2和IGMPv3。IGMPv1和IGMPv2僅支持ASM（Any-Source Multicast，任意信源組播）模式，即支持任意源組播。IGMPv3相比IGMPv1和IGMPv2增加了針對組播源的過濾模式，使主機在加入某組播組G的同時，能夠明確要求接收或拒絕來自某特定組播源S的組播信息，即IGMPv3可以直接應用于SSM(Source-Specific Multicast，指定信源組播)模式。以視頻制作系統為例，如果一臺終端設備為ASM模式，可以申請加入任意IP地址發出的符合組播地址要求的組播流。如果一臺終端設備為SSM模式，其僅可申請加入指定IP地址發出的符合組播地址要求的組播流。現有的IP化視頻系統內，雖然大部分終端節點設備均可發出IGMPv3的組播請求，并準許IGMPv3的協議，但仍有部分設備僅能支持IGMPv2的協議。因此，在系統交換機內一般啟動IGMPv3的協議，其可自動適配IGMPv2。另一方面，IGMPv3既可支持ASM模式，也可支持SSM模式。

目前，IP化視頻系統內，音頻和通話的IP終端設備大多為ASM模式，其他視頻IP設備大多為SSM模式。在以GV+思科為核心設備的IP化視頻系統內，交換機除了配置PIM+IGMP協議構架外，還設置了“ip pim ssm range none”的語句，使通話等ASM設備整體運行在ASM模式下。而在以SONY+華為為核心設備的IP化視頻系統內，系統整體運行在SSM模式下，該系統內接入的ASM終端設備所發出的組播流均在交換機配置mapping命令，使其可以完善組播流對應的IP地址。

2 IP化視頻系統通話設備連接方式

中央廣播電視總臺所建立的IP化移動外場視頻系統主要有GV+思科交換機為核心設備和SONY+華為交換機為核心設備兩大類，根據系統需求配置不同的網絡構架和協議構架。

2.1 GV+思科交換機為核心設備的IP化視頻系統

GV+思科交換機為核心設備的IP化視頻系統（簡稱主備單機構架系統）以COTS通用交換機（思科9336）為數據交換核心，形成整張網絡構架，系統內所有組播信號均進入主、備核心交換機，形成信號池的模式，再根據使用需求進行調度分發到各制作及輸出結點，實現信號的轉發和調度，如圖1所示。系統內所配置的攝像機、切換臺、畫面分割器、包裝等結點設備均以4×3G 4K IP方式直接接入主、備核心交換機。該系統通話配置5塊面板，2個有線腰包和2個轉換器直接接入控制交換機進行聯通。由于系統內攝像機的通話也為AES67方式，因此，控制交換機需要與核心數據交換機聯通，以便通話數據傳輸。為保障系統安全，將通話系統與其他連接在控制交換機上的設備端口進行了VLAN的區分。

2.2 SONY+華為交換機為核心設備的IP化視頻系統

SONY+華為交換機為核心設備的IP化視頻系統（簡稱主備葉脊構架系統）因為信號源較多，使用了葉脊結構的交換機構架，如圖2所示。內部配置主葉脊結構和備葉脊結構共6臺交換機，為一脊配兩葉。其中，2臺脊交換機為華為8850，4臺葉交換機為華為6865。系統中的所有信號均為4K IP單流的模式，其中，索尼的攝像機、NEWT轉換盒、IMAGINE SNP、R&S VENISE、EVS等設備均接入主、備葉交換機內，索尼切換臺及畫面分割器接入主、備脊交換機，以上設備均支持2022-7模式。

圖1 GV+思科交換機為核心設備的IP化視頻系統通話構架圖

與主備單機構架系統有所區別的是，主備葉脊構架系統內配置了2臺單獨的通話交換機和控制交換機，通話交換機分別與主、備葉交換機相連。由于通話交換機（華為5720）不支持PTP，因此，將該交換機的與主、備葉交換機的連接端口設置為access模式。該系統內配置7臺通話面板、有線腰包及無線設備及4個轉換器。

3 IP通話的使用及設置方式

視頻制作系統使用的通話設備主要分為兩部分：第一，通話系統內部的語音互通，即面板間、面板與腰包的互通；第二，通話系統與攝像崗位的互通，即各通話面板工位與攝像師之間的溝通。在以上兩套外場系統中，由于使用了同樣品牌的通話設備，通話內部互通設置方法基本相同。但由于兩套系統內使用的攝像機不同（GV LDX86N和SONY HDC5500）以及IP構架不同（ASM模式和SSM模式），因此在通話系統與攝像機語音互通設置方面有所區別。

3.1 通話系統內部的語音互通

通話系統設置與IP系統內其他設備的IP化設置情況類似，將控制計算機連接到控制交換機的同網段端口，通過訪問網頁和設備的初始地址即可登錄通話面板、NODE轉換盒的設置界面。為所有設備配置完IP端口地址和PTP信息后，即完成了該設備與系統的物理連接部分的設置。對于通話來說，每個應用系統需要根據實際使用方式的不同進行設置。Telos的通話系統需要對控制計算機進行授權才可對通話系統的設置網頁進行登錄訪問。登錄設置網頁（Telos一般固定為127.0.0.1）后，系統可自動讀出接入的通話面板硬件ID號，可根據使用需求對該面板進行命名，如技術崗位面板“TECH”等。在設置界面可以看到不同面板的連接狀態，沒有“嘆號”表示該面板成功與系統連通。點擊界面中“TECH”字段，將每個按鍵所需要的功能拉入左下方面板相應位置即可。如圖3所示，TECH面板分別設置了與立柜機房面板、導演臺面板及音頻控制室的面板的連接，同時還接入了有線通話（DIR-1/2）等通話系統內部設備。

圖2 SONY+華為交換機為核心設備的IP化視頻系統通話構架圖

此外，兩套IP視頻系統中均配置了將模擬及數字音頻信號轉換成IP信號的NODE轉換器。節目中主持人使用無線或有線腰包時，通常需監聽PGM播出信號。因此，通話系統內需接入音頻PGM以實現與通話語音混音的IFB效果。目前，音頻信號與視頻制作系統的對接可直接接入AES67音頻信號，也可接入數字音頻信號，由NODE轉換盒進行IP轉換。同時，模擬轉換盒可實現無線通話設備及外接擴展攝像機的接入功能，在視頻制作系統與外系統通話連接時，也可進行信號的轉換接入。

3.2 通話面板與攝像師崗位的互通

在主備單機構架系統內，GV LDX86N攝像機遵循IGMPv3協議，但其發出的組播申請為ASM模式。通過交換機命令語句可清楚地看到，CAM1發出的音頻組播流為“join group 232.192.126.26 for any source.”如圖4所示，其中，10.1.1.2為CAM1的IP地址，232.192.126.26為通話面板發送給CAM1的通話組播地址。通過“show ip mroute”命令也可以看到，在系統內CAM1發出的通話流為（*，G）表項，如圖5所示，該表項如接口incoming為環回地址，出接口outgoing為主核心交換機的第28接口，即與控制交換機相連的接口。表項標記為igmp，表示根據igmp report形成的mroute表項。同時產生（S，G）表項，該表項如接口incoming為10.1.1.2，即CAM1的IP地址，出表項與（*，G）表項相同。該表項標記為mrib，表示是復制自（*，G）表項。

圖3 “TECH”面板設置界面

由于系統本身是ASM模式，交換機完全可以接收或發出僅有組播地址的通話流。以設置通話面板為例，設置初期即可在訪問界面右上角“INPUT/OUTPUT”區域即可自動發現通話系統內接入的組播信號以及通話系統發出的組播信號，點擊EDIT進行編輯，可根據組播地址確認該組播的內容，并對其進行名稱標注。如組播流未能順利顯示也可點擊ADD添加組播地址。通話面板中，每個CAM按鍵均需要賦予通話面板發給及接收攝像機通話信息的雙向操作，因此在設置面板前，需要對CAM按鍵進行定義。如圖6所示，在Device界面添加一個虛擬設備，將CAM1的Input通話流及Output通話流分別拖拽到右下方區域即可。完成該項工作后，在Device界面選擇TECH技術面板，將配置好的CAM1虛擬設備拖拽到右下方面板區域，即完成了面板與CAM1之間的通信。

在主備葉脊構架系統內，HDC5500攝像機的通話設置頁面內可以設置IP地址，即該設備的IGMP請求會要求指定IP地址發出的某個組播流。通過交換機可以看到發出的組播流為（S1，G1）表項。當通話面板需要進行CAM1組播地址的接收時，發出基于G1組播流的申請，申請進行拉流操作。由于系統內部設置為SSM模式，而通話系統設備為ASM模式，通話面板需要在交換機內部配置mapping命令，使其發出的基于G1組播流的申請完善為基于S1的IP地址的G1組播流申請，從而使得交換機形成（S1，G1）組播表項的出接口，完成IGMP協議。當CAM需要接受通話面板發出的語音時，由于系統內配置了多個通話面板，每個通話面板在按下CAM1鍵的時候都會希望與該機位的攝像師進行溝通，而攝像機往往僅可接收一個通話組播流。因此，不論ASM還是SSM，系統內所有的通話面板均將發送給CAM1的通話信號設置成一個組播地址。但在SSM的系統內，每個通話面板發出的組播流如果均通過mapping配置一個IP地址的話，顯然攝像機也僅能接收一個組播通話流。因此，在主備葉脊構架系統內，如果SSM系統配置的是ASM的通話設備，那么，進行轉換將是必然環節。例如，使用通話系統中NODE模擬轉換盒，將所有面板發出的組播通話流引入到轉換盒內，由轉換盒統一輸出信號，如圖7所示。在交換機內部，再次使用mapping命令，使其在組播地址相同的情況下，加入轉換盒的固定IP地址。產生所有通話面板均可發出同樣（S1，G1）組播流的情況，在HDC5500攝像機端，設置其自動接收該組播流即可完成連通。由圖6可以看出，由于所有通話面板呼叫指定攝像機的組播流為相同組播，因此，該NODE轉換盒引入了所有通話面板對CAM1、CAM3、CAM5、CAM7、CAM9的組播流，并從出口一一輸出（其他攝像機由系統內的另外一臺NODE進行轉換）。

圖5 主備單機構架系統內CAM1發出的通話組播流表項

圖6 CAM按鍵設置界面

圖7 主備葉脊構架系統中NODE轉換盒的交叉點配置

4 結束語

由于目前通話系統和音頻系統內的組播流面臨著一個終端接收多個源發出的組播請求的情況（例如，攝像機1會同時接收來自不同通話面板的組播流），往往通話和音頻的IP設備廠家更愿意以ASM的模式發送組播數據。根據上文分析可以看出，ASM構架的系統在接收ASM組播流方面配置更為便利。目前來看，IP化視頻系統PIM+IGMP的模式已經基本固定，而ASM和SSM兩種構架各有優劣，哪種會成為未來的主要應用方向，將隨著IP化系統使用次數的增多而逐漸趨于明朗。