电视制播系统IP化网络架构解决方案

石 勇

（大连广播电视发射台，辽宁 大连 116000）

0 引 言

新形势下，我国电视技术发展迅速，4K等超高清显示设备逐渐得到广泛应用，电视节目的清晰度显著提升。传统的采集制作、调度分发以数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）为基础，已难以满足技术持续更新的要求。建立于信息通信技术（Information and Communication Technology，ICT）基础上的IP化架构已得到广泛应用。IP媒体解决方案联盟（Alliance for IP Media Solutions，AIMS）的成立，标志着媒体IP解决方案开始规范化、标准化发展，通用IP网络结构逐渐得到广泛应用，相关技术标准在行业内逐渐形成共识。同时，4K、8K等超高清显示设备对传输带宽的要求极高，传统SDI基带信号已无法满足电视制播系统的发展要求，国内对于替代方案的研究也在不断深入。在这一背景下，IP化网络架构解决方案已成为推动电视制播系统进一步发展的主要解决途径。加强对该方案的研究，具有重要的现实意义。

1 目前电视制播系统存在的主要问题

信息化时代背景下，2K高清电视节目制播系统已得到全面普及。随着技术水平的不断提高，3D技术、4K技术、8K技术等先进技术也逐渐得到人们的广泛应用。与传统设备相比，超高清设备的画面清晰度更高，且色彩丰富、质量更优，在节目制播中具有极高的应用价值。但是在带宽要求方面，相较于传统设备，超高清设备对带宽的要求极高。因此，传统电视制播系统难以满足超高清设备的带宽运行要求，超高清设备的实际应用具有一定的局限性。随着技术水平的提高，超高清设备对带宽的要求也在不断提高，例如4K清晰度对带宽的要求约为2K清晰度的8倍，这说明4K电视制播系统相较于2K电视制播系统需要更多的设备电缆，必然需要增加一定数量的跳线排与接口数量，导致系统的建设成本和应用难度增加。如果其中一根线缆发生故障问题，必然会对整个电视信号的传输质量造成不利影响，增加维修成本[1]。因此，对于电视制播系统，需要探索一种全新、有效的网络架构解决方案，以解决上述问题，提高系统运行质量。

2 电视制播系统IP化网络架构解决方案

2.1 解决思路

在电视制播系统中采用IP网络技术，可以采用IP数据包替代传统电视制播系统中的SDI基带信号。对IP化网络架构而言，网络是系统内不同设备间的主要连接方式，以双向多通道连接为主，对于系统的网络结构优化具有重要作用[2]。通过采用先进的信息技术，能够有效解决系统运行过程中存在的相关问题，提高传输带宽的应用效率，在空闲时间中实现对其他信息的有效传输。通过构建IP化网络架构，工作人员能够采用数据压缩技术有效降低图像的传输码率，进而降低系统对网络带宽的需求，不但能够实现单线路的电视信号传输，同样适用于多线路的信号传输。

2.2 IP化网络架构的解决方案

IP化数据包是指对传统SDI基带信号进行封包处理，将其转化为IP流数据。在此基础上，传统的SDI基带信号也可以完成IP网络环境下的信号传输与调度。这一网络结构解决方案实现了系统中SDI矩阵调度核心向网络交换设备的转化，系统的运行以网络交换设备为基础。目前，IP化架构在转播车、演播室等系统中取得明显的应用成效，应用广泛。随着技术水平的不断提高，IP化网络架构也经历了基于TICO浅压缩向无压缩IP系统的发展。针对一个典型的电视制播系统，其IP化网络架构主要包括媒体节点层、核心网络层及综合管控层三个主要组成部分。其中，媒体节点层的主要组成部分包括常规制作设备以及IP网关，核心网络层的主要组成部分包括路由器、网络控制器及交换机等，在设备的作用下完成信号的交换；综合管控层的作用在于对信号、设备及相关业务进行全面管控。

2.2.1 组网方案

设计制播系统IP化网络架构时，首先应考虑组网架构设计，这是IP化网络架构设计的重要基础。实际设计过程中，应充分考虑系统的稳定性、可维护性、网络规模等因素，按照现有数据中心网络建设的思路进行设计。因此，选择组网架构的过程中，应结合网络规模的不同要求，选择不同的架构，如双机架构或叶脊（Spine-leaf）架构。双机架构的应用频率较高，适用于一些中小型的网络规模，而Spine-leaf架构多用于大型网络规模。针对设备容量大、接入端口数量繁多的环境，采用Spine-leaf架构效果确切，其主要组成部分为叶脊架构，也就是核心/接入架构。Leaf是接入层，能够有效接入低速端口，同时也能够上行高速端口。Spine主要指核心层，诸多Leaf节点可以通过高速端口有效连接，在这一前提下便能够开展大容量高速网络转发等相关操作。采用Spine-leaf架构的过程中，应充分考虑主备多链路的部署情况，确保网络的冗余性[3]。Spine-leaf架构具有扁平化、易扩展等优势。采用扁平化的设计能够减小服务器间的通信路径，有效缓解延迟，提高应用程序和服务性能。当Spine交换机带宽不足，只需要增加其节点数，便能够提供路径上的负载均衡；若接入连接不足，增加leaf节点数便可。

2.2.2 组网协议

多数情况下，电视制播系统的网络承载协议采用三层技术。将三层网关设置在Leaf节点上，通过路由协议有效打通核心层与接入层间的路径。协议无关组播（Protocol Independent Multicast，PIM）协议能够有效打通组播路由，具有稳定性强等优势，能够有效提高组播协议的可靠性。通过PIM协议作用的充分发挥，能够缩小广播域和故障域的范围，将其全部收敛于接收层中。另外，三层协议对于提高整个IP网络架构的稳定性、可扩展性也具有一定的作用，可满足当下电视制播系统的发展要求。

2.2.3 核心调度与边缘调度方案

具体应用阶段，可以采用核心调度和边缘调度这两种应用方案。

（1）核心调度方案。采用核心调度方案时，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）将控制网络交换设备实现对全部IP业务流的调度。采用这一调度方案时，边缘媒体节点并非采用SDN进行控制。在这一方案下，边缘媒体节点的主要作用是网络交换设备IP业务流的接收。因此，在核心调度方案中，网络设备应具备净切换功能及组播网络地址转换（Network Address Translation，NAT）功能。组播NAT功能主要指业务流的复制、转发等相关操作，能够有效修改端口及组播地址。针对接收端，在其边缘媒体节点对业务流进行切换的过程中，无需节能性感知。

（2）边缘调度方案。采用边缘调度方案时，核心网络设备主要通过COTS通用交换机有效连通。在这一情况下，需要确保边缘媒体节点具备Internet组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）性能，这样才能满足业务流切换的要求。边缘媒体节点发出相应的请求后，请求可以直接传达至网络交换设备，待设备对请求进行分析后，便能够进行业务流转发等相关操作，实现对业务流的有效切换。

这两种方案均通过发流设备发流。采用核心调度方案时，控制器能够对核心矩阵发送相应的调度指令，通过核心矩阵推流至媒体节点。采用边缘控制调度方案时，控制器能够对媒体节点传达调度指令，通过媒体节点向核心矩阵传输拉流请求。在这一情况下，核心矩阵根据相应的请求发流至媒体节点[4]。边缘调度方案对业务流带宽有一定的要求，多需要采用双倍业务流带宽，而核心调度方案只需要采用单倍带宽。

2.3 系统的稳定性及安全性

针对电视制播系统，应加强对其稳定性及安全性的重视。在IP化网络架构中，应重点考虑承载业务的安全性，进行持续优化与改进。当IP业务流经过允许，应将其放入调度矩阵，参与后续的调度工作，避免非法接入内容的传播。针对新业务流的调度，应避免其影响到原有业务流的调度。在网络架构设计方面，应建立独立的主域网络和备域网络。二者互为独立，相互备份。系统能够向不同的网络分别传输不同的信号，如主路信号、备用信号等，并采用相应的机制在网络层面主备保护同路的信号[5]。为了进一步提高网络设备的稳定性，应加强对关键设备的保护，如电源、主控板、交换机板等，避免某一设备出现故障问题导致其他设备运行受阻甚至整个系统瘫痪。

3 其他问题及关键技术

3.1 PTP时钟同步

时钟同步对于确保交换系统及信号调度正常运行具有重要意义。因此，需要保证业务流间时钟的同步性。PTP时钟的同步作用与传统SDI系统中的一些同步信号较为类似。在时钟同步方面，通常情况下需要采用ST 2059 PTP时钟同步方案。该方案对核心网络中交换设备的PTP能力具有一定的要求，需要其支持时钟源的授时功能。为了进一步提高时钟同步的稳定性，还需要采用相应的主备时钟方案。为了保证边缘调度控制方案的可行性，网络交换设备应在接入媒体节点时进行PTP授时，这样可以保证整个系统的时钟同步性。在系统应用阶段，当存在主备时钟出现非法PTP报文情况时，应及时处理，避免对其他设备造成影响。

3.2 组播NAT

对核心调度方案而言，全部业务的调度、交换均需要通过网络设备实现。但是在实际使用过程中，接收端的媒体节点难以满足以上要求，只可以进行单一组播流的接收。为了避免这一问题，需要采用网络交换设备，对原视频流的数据信息进行修改，如IP等相关设置，将其修改为接收端媒体节点可以有效识别、接收的形式。因此，这对网络交换设备的组播NAT能力的要求较高。组播NAT能力的优势主要体现在以下几个方面。

（1）当设备具备组播NAT能力时，终端接收设备无需具备IGMP能力，有助于实现不同厂商的互操作，是一种全新的思路。

（2）SDN并不需要与多个终端接收设备对接，有效降低系统的复杂性，电视制播系统的第三方设备接入也变得更为便捷，有助于实现对系统流量的全部管控，提高制播的工作效率。

（3）避免系统对接外部系统时出现的内外地址冲突问题。

（4）与外部系统对接的过程中，对第三方网关设备的需求较低，可以实现组播NAT，有效控制外部系统的成本，提高系统运行效率。

（5）与单播NAT相比，组播NAT可以实现IP报文中的端口字段、目的IP的转换，而单播IP报文只能实现源IP地址、源口字段的转换。

（6）采用组播NAT对接收端设备的要求较低，只对接收端的端口号、目的IP地址有一定的要求。针对一些特殊场景，对源IP地址等也具有一定的要求，所以需要进行转换[6]。另外，网络交换设备需要进行字段的转换。

3.3 流量准入安全技术

为了提高网络的安全性，应保证IP矩阵内流量满足规划要求，确保其可信度。核心调度方案和边缘调度方案均具备流量准入功能，但是两者的实现方式有所不同。

针对核心调度方案，业务流主要通过流表实现调度。当业务流不在流表中，网络设备便无法对其进行转发。该模式对于预防非法内容的传播具有重要作用。另外，网络交换设备具备服务质量（Quality of Service，QoS）功能，支持接口限速、流限速等，因此可以将带宽预留给各条业务流，避免调度业务流的过程中受到其他业务流的干扰[7]。

针对边缘调度方案，网络交换设备处于稳定运行的状态，业务流可以经由路由器进行转发。采用流量准入安全技术后，可以通过ALC的白名单功能避免非法介入内容的传播，进一步提高电视制播系统的安全性。

4 结 语

目前，电视制播系统在实际应用过程中仍存在一定的问题，传统架构方案难以满足系统发展要求，采取IP化架构解决方案具有重要的意义。采用IP化网络架构解决方案，能够进一步提高制播系统的稳定性及安全性，降低建设成本，且能够提供一些信息数据的传输，为节目制作提供诸多便利。然而，目前电视制播系统的IP化网络架构仍处于初步探索阶段，未来仍需要深入研究，进一步推广该方案的应用。