電視制播系統IP化網絡架構解決方案

石 勇

（大連廣播電視發射臺，遼寧 大連 116000）

0 引 言

新形勢下，我國電視技術發展迅速，4K等超高清顯示設備逐漸得到廣泛應用，電視節目的清晰度顯著提升。傳統的采集制作、調度分發以數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）為基礎，已難以滿足技術持續更新的要求。建立于信息通信技術（Information and Communication Technology，ICT）基礎上的IP化架構已得到廣泛應用。IP媒體解決方案聯盟（Alliance for IP Media Solutions，AIMS）的成立，標志著媒體IP解決方案開始規范化、標準化發展，通用IP網絡結構逐漸得到廣泛應用，相關技術標準在行業內逐漸形成共識。同時，4K、8K等超高清顯示設備對傳輸帶寬的要求極高，傳統SDI基帶信號已無法滿足電視制播系統的發展要求，國內對于替代方案的研究也在不斷深入。在這一背景下，IP化網絡架構解決方案已成為推動電視制播系統進一步發展的主要解決途徑。加強對該方案的研究，具有重要的現實意義。

1 目前電視制播系統存在的主要問題

信息化時代背景下，2K高清電視節目制播系統已得到全面普及。隨著技術水平的不斷提高，3D技術、4K技術、8K技術等先進技術也逐漸得到人們的廣泛應用。與傳統設備相比，超高清設備的畫面清晰度更高，且色彩豐富、質量更優，在節目制播中具有極高的應用價值。但是在帶寬要求方面，相較于傳統設備，超高清設備對帶寬的要求極高。因此，傳統電視制播系統難以滿足超高清設備的帶寬運行要求，超高清設備的實際應用具有一定的局限性。隨著技術水平的提高，超高清設備對帶寬的要求也在不斷提高，例如4K清晰度對帶寬的要求約為2K清晰度的8倍，這說明4K電視制播系統相較于2K電視制播系統需要更多的設備電纜，必然需要增加一定數量的跳線排與接口數量，導致系統的建設成本和應用難度增加。如果其中一根線纜發生故障問題，必然會對整個電視信號的傳輸質量造成不利影響，增加維修成本[1]。因此，對于電視制播系統，需要探索一種全新、有效的網絡架構解決方案，以解決上述問題，提高系統運行質量。

2 電視制播系統IP化網絡架構解決方案

2.1 解決思路

在電視制播系統中采用IP網絡技術，可以采用IP數據包替代傳統電視制播系統中的SDI基帶信號。對IP化網絡架構而言，網絡是系統內不同設備間的主要連接方式，以雙向多通道連接為主，對于系統的網絡結構優化具有重要作用[2]。通過采用先進的信息技術，能夠有效解決系統運行過程中存在的相關問題，提高傳輸帶寬的應用效率，在空閑時間中實現對其他信息的有效傳輸。通過構建IP化網絡架構，工作人員能夠采用數據壓縮技術有效降低圖像的傳輸碼率，進而降低系統對網絡帶寬的需求，不但能夠實現單線路的電視信號傳輸，同樣適用于多線路的信號傳輸。

2.2 IP化網絡架構的解決方案

IP化數據包是指對傳統SDI基帶信號進行封包處理，將其轉化為IP流數據。在此基礎上，傳統的SDI基帶信號也可以完成IP網絡環境下的信號傳輸與調度。這一網絡結構解決方案實現了系統中SDI矩陣調度核心向網絡交換設備的轉化，系統的運行以網絡交換設備為基礎。目前，IP化架構在轉播車、演播室等系統中取得明顯的應用成效，應用廣泛。隨著技術水平的不斷提高，IP化網絡架構也經歷了基于TICO淺壓縮向無壓縮IP系統的發展。針對一個典型的電視制播系統，其IP化網絡架構主要包括媒體節點層、核心網絡層及綜合管控層三個主要組成部分。其中，媒體節點層的主要組成部分包括常規制作設備以及IP網關，核心網絡層的主要組成部分包括路由器、網絡控制器及交換機等，在設備的作用下完成信號的交換；綜合管控層的作用在于對信號、設備及相關業務進行全面管控。

2.2.1 組網方案

設計制播系統IP化網絡架構時，首先應考慮組網架構設計，這是IP化網絡架構設計的重要基礎。實際設計過程中，應充分考慮系統的穩定性、可維護性、網絡規模等因素，按照現有數據中心網絡建設的思路進行設計。因此，選擇組網架構的過程中，應結合網絡規模的不同要求，選擇不同的架構，如雙機架構或葉脊（Spine-leaf）架構。雙機架構的應用頻率較高，適用于一些中小型的網絡規模，而Spine-leaf架構多用于大型網絡規模。針對設備容量大、接入端口數量繁多的環境，采用Spine-leaf架構效果確切，其主要組成部分為葉脊架構，也就是核心/接入架構。Leaf是接入層，能夠有效接入低速端口，同時也能夠上行高速端口。Spine主要指核心層，諸多Leaf節點可以通過高速端口有效連接，在這一前提下便能夠開展大容量高速網絡轉發等相關操作。采用Spine-leaf架構的過程中，應充分考慮主備多鏈路的部署情況，確保網絡的冗余性[3]。Spine-leaf架構具有扁平化、易擴展等優勢。采用扁平化的設計能夠減小服務器間的通信路徑，有效緩解延遲，提高應用程序和服務性能。當Spine交換機帶寬不足，只需要增加其節點數，便能夠提供路徑上的負載均衡；若接入連接不足，增加leaf節點數便可。

2.2.2 組網協議

多數情況下，電視制播系統的網絡承載協議采用三層技術。將三層網關設置在Leaf節點上，通過路由協議有效打通核心層與接入層間的路徑。協議無關組播（Protocol Independent Multicast，PIM）協議能夠有效打通組播路由，具有穩定性強等優勢，能夠有效提高組播協議的可靠性。通過PIM協議作用的充分發揮，能夠縮小廣播域和故障域的范圍，將其全部收斂于接收層中。另外，三層協議對于提高整個IP網絡架構的穩定性、可擴展性也具有一定的作用，可滿足當下電視制播系統的發展要求。

2.2.3 核心調度與邊緣調度方案

具體應用階段，可以采用核心調度和邊緣調度這兩種應用方案。

（1）核心調度方案。采用核心調度方案時，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）將控制網絡交換設備實現對全部IP業務流的調度。采用這一調度方案時，邊緣媒體節點并非采用SDN進行控制。在這一方案下，邊緣媒體節點的主要作用是網絡交換設備IP業務流的接收。因此，在核心調度方案中，網絡設備應具備凈切換功能及組播網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）功能。組播NAT功能主要指業務流的復制、轉發等相關操作，能夠有效修改端口及組播地址。針對接收端，在其邊緣媒體節點對業務流進行切換的過程中，無需節能性感知。

（2）邊緣調度方案。采用邊緣調度方案時，核心網絡設備主要通過COTS通用交換機有效連通。在這一情況下，需要確保邊緣媒體節點具備Internet組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）性能，這樣才能滿足業務流切換的要求。邊緣媒體節點發出相應的請求后，請求可以直接傳達至網絡交換設備，待設備對請求進行分析后，便能夠進行業務流轉發等相關操作，實現對業務流的有效切換。

這兩種方案均通過發流設備發流。采用核心調度方案時，控制器能夠對核心矩陣發送相應的調度指令，通過核心矩陣推流至媒體節點。采用邊緣控制調度方案時，控制器能夠對媒體節點傳達調度指令，通過媒體節點向核心矩陣傳輸拉流請求。在這一情況下，核心矩陣根據相應的請求發流至媒體節點[4]。邊緣調度方案對業務流帶寬有一定的要求，多需要采用雙倍業務流帶寬，而核心調度方案只需要采用單倍帶寬。

2.3 系統的穩定性及安全性

針對電視制播系統，應加強對其穩定性及安全性的重視。在IP化網絡架構中，應重點考慮承載業務的安全性，進行持續優化與改進。當IP業務流經過允許，應將其放入調度矩陣，參與后續的調度工作，避免非法接入內容的傳播。針對新業務流的調度，應避免其影響到原有業務流的調度。在網絡架構設計方面，應建立獨立的主域網絡和備域網絡。二者互為獨立，相互備份。系統能夠向不同的網絡分別傳輸不同的信號，如主路信號、備用信號等，并采用相應的機制在網絡層面主備保護同路的信號[5]。為了進一步提高網絡設備的穩定性，應加強對關鍵設備的保護，如電源、主控板、交換機板等，避免某一設備出現故障問題導致其他設備運行受阻甚至整個系統癱瘓。

3 其他問題及關鍵技術

3.1 PTP時鐘同步

時鐘同步對于確保交換系統及信號調度正常運行具有重要意義。因此，需要保證業務流間時鐘的同步性。PTP時鐘的同步作用與傳統SDI系統中的一些同步信號較為類似。在時鐘同步方面，通常情況下需要采用ST 2059 PTP時鐘同步方案。該方案對核心網絡中交換設備的PTP能力具有一定的要求，需要其支持時鐘源的授時功能。為了進一步提高時鐘同步的穩定性，還需要采用相應的主備時鐘方案。為了保證邊緣調度控制方案的可行性，網絡交換設備應在接入媒體節點時進行PTP授時，這樣可以保證整個系統的時鐘同步性。在系統應用階段，當存在主備時鐘出現非法PTP報文情況時，應及時處理，避免對其他設備造成影響。

3.2 組播NAT

對核心調度方案而言，全部業務的調度、交換均需要通過網絡設備實現。但是在實際使用過程中，接收端的媒體節點難以滿足以上要求，只可以進行單一組播流的接收。為了避免這一問題，需要采用網絡交換設備，對原視頻流的數據信息進行修改，如IP等相關設置，將其修改為接收端媒體節點可以有效識別、接收的形式。因此，這對網絡交換設備的組播NAT能力的要求較高。組播NAT能力的優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）當設備具備組播NAT能力時，終端接收設備無需具備IGMP能力，有助于實現不同廠商的互操作，是一種全新的思路。

（2）SDN并不需要與多個終端接收設備對接，有效降低系統的復雜性，電視制播系統的第三方設備接入也變得更為便捷，有助于實現對系統流量的全部管控，提高制播的工作效率。

（3）避免系統對接外部系統時出現的內外地址沖突問題。

（4）與外部系統對接的過程中，對第三方網關設備的需求較低，可以實現組播NAT，有效控制外部系統的成本，提高系統運行效率。

（5）與單播NAT相比，組播NAT可以實現IP報文中的端口字段、目的IP的轉換，而單播IP報文只能實現源IP地址、源口字段的轉換。

（6）采用組播NAT對接收端設備的要求較低，只對接收端的端口號、目的IP地址有一定的要求。針對一些特殊場景，對源IP地址等也具有一定的要求，所以需要進行轉換[6]。另外，網絡交換設備需要進行字段的轉換。

3.3 流量準入安全技術

為了提高網絡的安全性，應保證IP矩陣內流量滿足規劃要求，確保其可信度。核心調度方案和邊緣調度方案均具備流量準入功能，但是兩者的實現方式有所不同。

針對核心調度方案，業務流主要通過流表實現調度。當業務流不在流表中，網絡設備便無法對其進行轉發。該模式對于預防非法內容的傳播具有重要作用。另外，網絡交換設備具備服務質量（Quality of Service，QoS）功能，支持接口限速、流限速等，因此可以將帶寬預留給各條業務流，避免調度業務流的過程中受到其他業務流的干擾[7]。

針對邊緣調度方案，網絡交換設備處于穩定運行的狀態，業務流可以經由路由器進行轉發。采用流量準入安全技術后，可以通過ALC的白名單功能避免非法介入內容的傳播，進一步提高電視制播系統的安全性。

4 結 語

目前，電視制播系統在實際應用過程中仍存在一定的問題，傳統架構方案難以滿足系統發展要求，采取IP化架構解決方案具有重要的意義。采用IP化網絡架構解決方案，能夠進一步提高制播系統的穩定性及安全性，降低建設成本，且能夠提供一些信息數據的傳輸，為節目制作提供諸多便利。然而，目前電視制播系統的IP化網絡架構仍處于初步探索階段，未來仍需要深入研究，進一步推廣該方案的應用。