基于SDN 架構的IP 化播出系統研究

武 岳

（北京廣播電視臺，北京 100012）

0 引言

傳統電視播出系統正面臨著諸多挑戰，傳統系統采用同軸電纜的數字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基礎架構，技術成熟，可靠性高，應用廣泛。但是現在隨著超高清（4K、8K）技術的發展，SDI 基礎架構技術越來越難滿足業務的發展要求，勢必會使系統向平臺化、網絡化、IP 化發展，因此播出系統架構的互聯網協議（Internet Protocol，IP）和信息技術（Information Technology，IT）化勢在必行，不僅可以解決超高清信號的帶寬、傳輸和調度問題，還能夠集中管理工作流業務，為智慧廣電打造技術基礎[1]。

1 基于切換開關的傳統SDI 播出系統

廣電系統在高標清時代一直沿用SDI 基帶播出系統。由于該系統技術成熟、穩定可靠，目前仍舊是各大電視臺的主流技術架構。主備視頻服務器、外來SDI 信號、應急信號等經切換臺16×2 切換器，然后過鍵控器將鍵混信號送到SDI 末級2×1（4×1）應急倒換開關，經SDI 編碼器編碼復用后輸出播出傳送系統，如圖1 所示。若主播出單元出現故障，則緊急切換備信號，保障播出安全[2]。

圖1 傳統SDI 播出系統

傳統SDI 基帶播出系統的主要優勢有技術成熟、可靠性高、應用廣泛，信號傳輸延遲低，16×2切換器可通過外部基準信號實現現場消隱靜切換處理，確保播出質量；其劣勢在于隨著4K、8K 超高清信號對帶寬提出更高的要求，傳統的SDI 傳輸方式需要對復雜的不同信號、網絡以及線纜進行整合。即便12G-SDI 技術的發展已經相對成熟，對于8K等業務帶寬需求來說仍然捉襟見肘。傳統的SDI 播出系統屬于閉環信號系統，為保證播出安全，其架構簡單、易操作，但系統靈活度不高，無法依靠軟件對業務流程進行管理。因此，傳統的SDI 播出系統已經不能滿足超高清業務的發展需求，實現廣播電視播出系統基礎架構的IP 化、網絡化，基帶SDI 信號和IP 流信號的相互融合勢在必行[3]。

2 基于SDN 架構的IP 化播出系統

隨著超高清視頻產業的迅速發展，4K、8K 超高清信號對帶寬提出更高的要求，傳統的SDI 傳輸帶寬、調度矩陣、播出方式等已經不能滿足技術需求。因此，需要采用基于信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）的IP 化 架構解決高帶寬信號的傳輸和調度。基于IP 架構的組網方式主要依靠軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）交換機架構實現IP 流的靜切換。

IP 播出系統主要由SDN 矩陣、IP 虛擬服務器、萬兆核心交換機、二級存儲、IP 播出虛機等設備組成。建立高可靠、以IP 交換機為核心進行信號傳輸、信號交換及調度的制播系統，能夠充分發揮IP 網絡特點，實現視頻、音頻、同步、控制等系統的IP 化信號傳輸。通用化IT 設備采用無壓縮SDI/IP 技術、SDN 控制技術、虛擬化技術實現基于SMPTE2110協議標準的無壓縮視音頻碼流播出控制管理。系統建構于通用的計算機服務器硬件平臺，基于虛擬化技術實現自動化播出控制，提供了在通用IT 環境下構建高融合、高帶寬、高擴展、高可靠的廣播電視視音頻播出解決方案，不需要專用視頻服務器及視音頻處理周邊設備，減少了系統構建和維護成本，且具有極好的擴展能力[4]。

2.1 All in One 和IPG 網關

IP 化播出系統采用All in One 一體化播出模式，采用集成化的系統建設思路，使其更加簡潔和易維護。播出系統能夠完整地實現傳統SDI 播出系統的相應能力，包括轉播CCTV、演播室信號等線路信號，實現圖文包裝，提供臺標、掛角字幕、整半點報時等功能。All in One 服務器播出還具有視音頻IP 流檢測、素材管理、素材整備、時鐘服務、自動播出系統等服務。

SDI/IP 網關將SDI 信號打包成無壓縮視頻IP流（基于SMPTE ST 2022 標準）。IPG 網關可以將SDI 信號和IP 相互轉換，這種傳統信號和IP 流互相轉換的能力實現了基帶SDI 信號和IP 流信號相互融合的新型異構的播出系統模式。系統的異構也是安全播出保障的重要手段之一。

系統中SDI/IP IPG 網關將外來和演播室等SDI信號經過內部網關協議（Internal Gateway Protocol，IPG）轉換成無壓縮視音頻IP 流。IP 流采用SMPTE ST 2022-7 標準定義兩個數據包冗余備份的協議，不僅主備數據流可以實現自動切換，而且源和目的之間也可以自動切換。IP 流的輸入和輸出可以使用同一個端口。通過此協議，主備IP 流進入SDN交換機進行流之間的控制切換，最終輸出的IP 流經過編碼送到傳送系統，整個流程如圖2 所示。

圖2 IP 化播出系統

2.2 IP 化播出系統SDN 交換機

從SDI 向IP 過渡，就是從靜信號架構向動態信號架構轉變的過程。在傳統的制播網絡中，管理一個動態的系統，且要實現廣電所見即所得的管理特點，去中心化是網絡設計的一大目的。結合目前制播網絡的實際應用，IP 化播出管理系統應運而生。

IP 化播出管理系統最重要的核心是SDN 交換機。SDN 是一種新型的網絡形態，是網絡虛擬化的一種實現方式。廣電系統IP 化的核心就是利用SDN 交換機替換傳統的切換開關和調度矩陣。IP播出系統一般采用H3C 交換機，支持OpenFlow 和組播網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）。OpenFlow 是SDN 矩陣所用的控制協議，通過將網絡設備的控制面與數據面分離開，實現對IP 流進行智能化的靈活控制。在OpenFlow 協議下，SDN 控制器可以像控制傳統矩陣一樣管理SDN 交換機，在路由轉發層面修改IP 流的組播地址和端口號[5]。

“流”是對同一時間經過同一網絡的具有某種共同特征或屬性的數據抽象出的概念。例如，可以將訪問同一個地址的數據視為一個流。流一般由網絡管理員定義，可以根據不同的流執行不同的策略。在OpenFlow 中，數據都是作為流進行處理的。

在IP 化播出系統中，SDN 網絡交換設備完成所有的播出業務調度和數據交換。視音頻的IP 流會在SDN 中形成策略定義后的流表，控制器根據動作表對核心矩陣發出動作指令，根據組播IP 地址形成組播流。與路由表定義某一個網段的轉發規則不同，流表的自由匹配度更高，可定義交換機某一端口進入的流，也可以定義某一臺設備發出的流，還可以定義轉發目的流，將輸入端口、IP 協議、目的地址（組播地址）、目的端口號組成一個流表。轉發規則就是根據動作表將流表進行匹配，再根據組表進行轉發，因此網絡交換設備還需要具備組播能力。

組播NAT 是一種組播網絡地址轉換技術，用于轉化組播流特征中的源IP 地址、目的IP 地址及目的端口號。組播NAT 技術采用在組播流入接口配置兩級流策略匹配輸入的組播流，出接口配置組播流轉換規則，使同一條流可以被復制到多個出接口上并按照各自的轉換規則修改組播流量特征。通過修改目的IP 地址并轉發出去，可實現有效隔離，提升安全性，其他端口無法收到未授權的報文。這種基于組播NAT 能力的核心調度切換如圖3 所示，能夠完全滿足視音頻IP 流的調度切換業務。

圖3 IP 流SDN 核心調度切換

SDN 的聯網方式取代了Internet 組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）拉流方式的邊緣切換，采用核心調度從整體上對所有的視音頻IP 流的路由決策控制邏輯進行管理，為播出業務需求選擇最佳調度切換策略。核心調度方案中，網絡交換設備主要通過流表進行業務流的調度處理，對流表進行匹配。如果匹配成功，系統將執行指令（更新動作指令、更新匹配域、更新流數據）；如果不匹配，則不會對業務流表進行轉發，直接丟棄或繼續下一個流表項，對非法內容進行有效隔離。同時，網絡交換設備具備一定的優化決策能力，能夠為播出業務流預留帶寬，避免受到其他業務流的調度影響，為IP 化播出系統的安全播出提供技術保障。

隨著廣播電視業務的不斷發展，播出系統信號切換調度業務承擔者由傳統切換臺、切換矩陣轉換為交換機。交換機能完全滿足視音頻IP 流的數據交換需求，但播出系統的信號切換調度功能還需要配合相應應用層軟件對相關業務的管理和處理，控制SDN 交換機實現視音頻IP 信號的復制（分配）、轉發（切換），實現播出系統的IP 化。

3 結語

IP 化是廣電技術發展不可阻擋的大趨勢。IP化系統構建簡便，與傳統的基帶播出鏈路采用單向傳輸相比，IP 化后可采用萬兆光纖帶寬滿足播出業務需求。隨著信號傳輸密度的增大，系統采用通用化IT 設備，面對將來的4K、8K 等技術發展，無壓縮SDI/IP 技術、SDN 控制技術、虛擬化技術具有平滑升級的能力，相較于傳統基帶播出格式依賴于硬件設備的情況具有天然優勢。因此，廣電系統網絡化、IP 化甚至是云化的技術革新將勢在必行。