IP组播和RRPP环网在数字电视传输中的应用和分析

吴东亮

IP组播和RRPP环网在数字电视传输中的应用和分析

吴东亮

福建东南广播电视网络有限公司

传统的数字电视长距离传输一般是采用SDH网络的DS3信号作为基带信号传输载体，近几年，随着IP技术的普及，IP网络的速率越来越高，承载业务从非实时走向实时，IP技术在数字电视传输中得到了越来越多的应用。同时，在数字电视前端系统，这几年的IP化程度也得到了很大的提高，除了提供传统的ASI信号外，还能提供视频输出的IP接口，即将TS流转换为TS over IP。考虑到IP技术与数字电视技术融合的发展趋势，前一阶段，福建广电的高清数字电视节目采用了基于RRPP环网技术的IP组播实现电视节目的异地传输，文章对这一技术的需求背景、可行性分析、方案配置和实施等进行阐述和分析。

RRPP环网 IP组播 数字电视传输

1 需求背景

2013年1月，福建广电网络集团需要将福州广电网络提供的高清数字电视传输到福建省其他地市，福州广电网络高清数字电视节目源可以提供ASI和IP两种接口。传统的数字电视传输一般采用ASI的传输方式，这种方式已经发展、使用了很长时间，因此技术比较成熟，但是随着数字电视内容的增多和新兴业务的发展，传统的以ASI为基础的传输模式已经很难适应快速发展的数字电视新业务，尤其在功能扩展方面存在很大的局限性。考虑到基于IP的传输方式来传输数字电视信号的技术已经非常成熟并大量商用，福建广电的高清数字电视传输决定采用IP方式来传输。

2 可行性分析

目前福建广电的OTN（Optical Transport Network，光传送网）网络已经覆盖了全省9个地市，基于OTN一个波长建设的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）网络可以在9个地市提供MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多业务传送平台）的GE（Gigabit Ethernet，千兆以太网）接口。

考虑到各个地市需要的高清数字电视节目内容都是一样的，即省中心至各个地市的流量是相同的，在这种情况下，基于环网的方式采用IP组播技术传输是可靠性最高的，也能最大程度上节省SDH骨干网的传输带宽。

在以太网环网上可以通过三层方式或者二层方式这两种方式实现，三层方式在实际应用中可以配置OSPF等动态路由协议，但是如果环网上线路中断时，如果环网上节点较多，OSFP等动态路由协议的路由收敛时间较长，会造成以太网环上部分节点的电视节目传输中断时间较长，不能满足电视节目安全传输的需要。二层方式采用的技术一般是RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环）或以太网环。RPR 需要专用硬件，因此成本较高。而以太网环技术日趋成熟且成本低廉，城域网和企业网采用以太网环的趋势越来越明显。目前，解决二层网络环路问题的技术有STP和RRPP。STP（Spanning Tree Protocol，生成树协议）应用比较成熟，但收敛时间在秒级。RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速环网保护协议）是专门应用于以太网环的链路层协议，具有比STP 更快的收敛速度。并且RRPP 的收敛时间与环网上节点数无关，可应用于网络直径较大的网络。

RRPP是一个专门应用于以太网环的链路层协议。它在以太网环完整时能够防止数据环路引起的广播风暴，而当以太网环上一条链路断开时，能迅速恢复环网上各个节点之间的通信通路，具备较高的收敛速度。目前，华为、H3C等国内厂商的网络均支持RRPP技术。

结合福建广电SDH传输网的网络结构，福建高清数字电视传输的RRPP环网拓扑结构如图1所示。

如图1所示，因一期传输的高清数字电视共27套，总带宽约290Mbps，因此规划一个千兆的RRPP环网，即各个地市之间的三层交换机采用GE互联的方式组建RRPP环网。

因RRPP技术是个二层的以太网技术，对于视频传输涉及到的IP组播是采用二层还是三层方式实现，以及这两种不同的IP组播方式对于实际电视节目传输的影响需要在实际网络测试中确认。

图1 全省网络总体拓扑结构

3 方案实施

为了验证不同的IP组播方式对实际电视节目传输的影响，针对几种不同的配置方案，对整体网络传输效果进行了测试：

3.1 RRPP环网+ IGMP Snooping

IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，互联网组管理协议窥探）是运行在二层设备上的组播约束机制，用于管理和控制组播组。IGMP Snooping和IGMP协议一样，两者都用于组播组的管理和控制，它们都使用IGMP报文。IGMP协议运行在网络层，而IGMP Snooping则运行在链路层。因RRPP是个二层技术，IGMP Snooping也是在二层上配置，实际可以把这种方式作为二层组播。

在实验室环境下，依据福建广电网络骨干网的拓扑，搭建了一个测试平台，即根据拓扑结构将交换机GE光口采用光纤直连的方式组成一个由9台三层交换机组成的环网，再配置RRPP，将省中心的三层交换机配置为RRPP环的主节点，从长期的网络运行情况来看，福建广电沿海的光纤网络中断率较低，因此将省中心与莆田相联的交换机端口设置为主端口，把省中心与宁德相联的交换机端口设为副端口，即正常情况下，高清电视节目是沿着省中心—莆田—泉州—厦门—漳州—龙岩—三明—南平—宁德的路径传输，如果RRPP环网上有任意节点之间的链路发生故障时，故障点之后的节点将沿着省中心—宁德这个方向进行传输。在实际网络实施中，因各个网络设备之间的链路是由SDH网络的MSTP方式提供，由于SDH的复用段保护技术，节点之间光缆中断时，SDH传输电路实际上会由SDH自身提供保护，不会造成链路中断，SDH的保护倒换是在50ms以内完成，在后期的网络实际应用中，RRPP的保护倒换触发的时间比SDH长，如果环上2个节点之间光缆中断，SDH会优于RRPP进行保护，即链路通过复用段保护，通过保护时隙正常通信。RRPP的保护一般是在GE光模块发生故障时或者交换机的GE光口与SDH的GE光口之间的跳纤出现中断时才会启动。这相当于为电视节目传输提供了双重保护，更进一步提高了网络安全性。在实验室环境下，主要测试的是RRPP环保护发生时，对视频节目传送的影响。

完成IGMP Snooping配置后，将测试平台拓扑结构上漳州节点下接IPQAM，通过数字电视机顶盒解码高清节目以便观察接收情况，此外，设置相应的IP地址后，将PC下挂在漳州节点交换机上，ping省中心交换机上接入的PC的IP地址。测试平台的拓扑如图2所示。

图2 测试平台网络拓扑图

如上图所示，在测试环境下，将厦门—漳州交换机之间的光纤中断，即启动RRPP环保护，福州—莆田—泉州—厦门的视频信号传输不受影响，漳州节点的视频信号由福州—宁德方向的线路传送。在这种情况下，PC上的ping没有中断，但是漳州节点交换机下挂的TV上的高清节目传输中断了50秒左右，将IPQAM接到环上其他节点做类似测试，RRPP保护倒换引起的视频节目传输中断时间大约都在40～50秒左右，PC上ping操作有时会丢1个包。

通过RRPP技术提供的保护，正常的IP包传输基本不会中断，但是采用IGMP Snooping方式的二层IP组播传输视频恢复时间较长，主要原因应该是由于在二层网络结构下，由于RRPP环网上节点之间链路中断，交换机上更新MAC地址表时间较长，导致二层方式的组播恢复时间较长。对于中断率考核要求较高的电视节目传输来说，如果采用以上这种方式传输电视节目，则无法令人满意。

3.2 RRPP环网+OSPF+PIM-DM

由于二层方式的IP组播传输视频节目在RRPP环网保护发生时恢复时间较长，因此在测试环境下采用OSPF+PIM- DM的方式配置三层组播。

在OSPF(Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）路由协议和IP地址规划上，将各地市广电接入IP地址规划在各自独立的网段内，并且各个地市规划独立的Area，将环上各个节点之间互联的链路IP规划在一个RRPP环内，运行OSPF骨干区域。这样规划的好处是，在OSPF的骨干区域，运行RRPP，即使任意节点发生了中断，也能保证骨干网各节点到省中心的联通。在每个地市广电，划分各自独立的区域，规划独立的地址网段，通过OSPF，学习到省中心的路由。

全省高清传输平台通过RRPP和OSPF，实现了各地市网络到省中心的路由联通后，在此基础上就可以配置对应的三层组播协议PIM了，PIM（Protocol Independent Multicast），协议无关组播，表示为IP组播提供路由的单播路由协议可以是静态路由、RIP、OSPF、IS-IS、BGP等，组播路由和单播路由协议无关，只要单播路由协议能产生路由表项即可。之前已经配置全省网络运行OSPF，为组播提供了动态的单播路由表。

在这个网络里，省中心提供高清节目的组播源，各地市只需要在各交换机的出口接入各地市的网络，负责接收组播信号即可。在这里，配置PIM-DM （Protocol Independent Multicast-Dense Mode，协议无关组播－密集模式，密集模式下的组播路由协议，适用于组播组的成员相对比较密集，而网络中的每个子网都存在至少一个对组播源感兴趣的接收站点），将全网组播流量将要流经的组播路由器加入到PIM组播域，在组播路由器的各个接口上配置相应的PIM协议，使之支持PIM-DM。

采用二层组播测试时相同的模拟环境，网络拓扑结构和图2类似，完成RRPP、OSPF、PIM-DM相关配置后，在漳州节点下，接入IPQAM，接收省中心的组播流，进行监看，同时在漳州交换机后面接入一台PC对省中心进行不间断的ping测试。进行测试，将厦门-漳州之间的光纤中断，RRPP保护启动，漳州的视频信号由省中心向宁德方向流入漳州。观测PC上的ping测试，在RRPP+OSPF的双重保护下，ping包没有出现中断，没有感知到线路的异常。由于高清信号对线路的敏感性，我们将这次中断与之前的二层网络进行对比，在线路中断的瞬间，IPQAM后面的高清节目中断了4～5秒，之后就恢复了正常。将IPQAM接到环上其他节点做类似测试，RRPP保护倒换引起的视频节目传输中断时间大约都在4～5秒左右，相比于之前测试的二层网络，显然实用性大幅提高，可以满足电视传输的要求。经过分析，主要是RRPP的启动时间在50ms以内，在这个时间周期内，不会触发OSPF的收敛，架构的OSPF上的三层组播协议基本不受影响，中断的时间应该主要是由于数字电视编码的原理造成的，即网络收敛期间，数字视频有个别帧丢失，出现短时间中断。

3.3 实际网络实施

根据模拟平台的测试情况，最终选用RRPP环网+OSPF+PIM-DM的配置方案，完成相关设备测试和配置后，将设备各地安装调试后，进行试运行。在实际接入各广电的有线数字前端网络时，有些互联的交换机是二层架构，网络上的广播包和组播包较多，由于最终实施的网络是三层网络结构，在接入各广电数字前端网络的时候，配合三层交换机的ACL（Access Control List，访问控制列表）等设置，即使在各地广电接收方有大量的非法广播包或组播包上传，也将在三层设备一侧被截止，不会透过三层设备进入骨干网，保证了骨干网流量的纯净。

此外，由于某些省内地市有线数字前端应用的IP地址配置相同，采用三层网络结构，也避免了在二层结构下经常遇到的IP地址冲突的问题。

在实际网络试运行期间，发现在光缆中断时，SDH的保护倒换触发时间优于RRPP的触发时间，即相邻2个节点之间光缆中断时，2个节点之间的MSTP提供的GE通道由SDH的保护通道提供，不会引起RRPP的保护。这在实际网络运行中实际上为电视节目传输提供了双保险，即SDH网络的保护倒换和RRPP环网的保护。

下一阶段，如果要增加高清数字电视节目，网络设备无需升级，只要RRPP环网的带宽足够，在省中心增加新增数字电视的组播源，各地市广电即可接收新增的数字电视。相比原来基于SDH的DS3方式，这一方案节省了每次扩容需要增加的DS3端口以及适配器等设备的投入。

4 结束语

目前福建广电高清数字电视下传采用的RRPP环网+IP三层组播的网络已经运行了一段时间，期间经历了几次线路中断和割接的考验，电视节目传输都没有中断，用实际表现证明了网络设计的合理性。

随着全国有线电视用户数字化改造的深入，有线电视提供的数字电视频道数量逐步增加，数字电视节目的异地传输将越来越多，随着各地有线前端IP化的深入，基于IP传输数字电视将得到更多的应用。从省级广电或市级广电来看，很多广电都会有一个覆盖主要有线前端的环形光纤网络，在光纤上构架的SDH网络或者OTN网络，都能提供GE或者10GE这种速率等级的IP接口。利用RRPP环网小于50ms收敛时间的特性，可以在SDH或者OTN网络上构建GE或者10GE的RRPP环，在RRPP环网基础上搭建三层IP组播，用于传输数字电视，不仅可以有效节约SDH（或OTN）网络的带宽资源，而且可靠性和安全性都有保障。

[1] 华为技术有限公司. RRPP技术白皮书[Z].

[2] 华为技术有限公司. 组播技术白皮书[Z].