全高清IP 架构播控系统研究

李晓磊

（周口广播电视台，河南 周口 466000）

0 引 言

随着广播电视等传统媒体的融合，广电工作人员经常会遇到一些技术问题，例如，大型活动现场的高清视音频信号如何从电视中心传输给广播中心，广播中心的现场音视频如何提供给电视中心，采用何种技术；融媒体直播的信号如何传输到电视中心和融媒体制作平台，以及采用何种架构传输等。在没有融合以前，电视中心传输给广播中心，一般采用的传统数字分量串行接口（Serial Digital Interface SDI）架构，但是SDI 技术在应用中会遇到一些问题，比如采用SDI 传输必然会遇到传输距离远，需要额外铺设视频电缆、中继以及复用较复杂的情况。而全IP 架构则是通用的基础架构，相关设备也都是通用的计算机设备。若采用全IP 架构，相关的部署、扩容、更改、维护工作则更容易。

1 全高清IP 化解决方案

1.1 SDI 架构的特点

所谓SDI 架构，一般是指基于串行数字接口（SDI）传输技术的视音频传输架构，是一种常见的广电传输架构。在SDI 架构内，视音频数据在传输过程中一般需要进行编解码和模数转换，在200 m有效距离内可以高质量地传输音视频数据，超出这个距离就需要额外铺设视频电缆、加装中继设备，维护工作非常复杂。由于非压缩的原始超高清视频数据量极大，超高清视频信号需要由多根SDI 传输电缆并行传输，并且SDI 这种点对点传输技术由于缺乏信号路由能力，视频播控系统的组建需要部署大量的视频矩阵、视频编解码器、音频加嵌解嵌设备、多画面监看以及切换台等设备，对于多通道信号还需要复用设备，相关系统拓扑和部署比较复杂且维护成本极高。

1.2 IP 架构的特点

本文所说的IP 化是指对高清视音频数据信号进行IP 封装，通过以太网传输，可以利用以太网线完成高清视音频信号的传输。IP 架构即指基于高清视音频网络封装传输技术的传输架构，是一种基于高清传输的广电传输架构。相比较SDI 架构，IP 架构具有传输距离远、可靠性好、系统拓扑和部署更加简单高效等优势，不需要额外部署大量的视音频相关设备。

1.3 亟待解决的问题

基于SDI 架构和全高清IP 架构的特点，只有当传统SDI 架构向全高清IP 架构完全转变，才能提升播控系统平台的兼容性，使得未来云计算、大数据、虚拟化等技术得到更好的应用，从而提升系统的运行效果。采用全IP 架构拓扑结构，不仅更加简单，成本更加低廉，而且能够真正发挥出IP 技术的优势，实现广播电视媒体从单一渠道向全媒体汇聚、从封闭式生产到共同平台生产、从点对面单向传播到多渠道分发IP 化的方向转变，进一步加快不同媒体之间的资源转换及协作生产效率[1]。

2 全高清IP 架构解决方案

2.1 方案特点

系统采用全IP 架构对计算、存储、网络进行虚拟化管理。全IP 架构将整个数据中心云化，并将系统中用户可见的资源抽取出来纳入统一的资源池管理，为用户提供一体化的资源管理、自动资源发放，为用户提供方便的获取资源的途径。不同类型的用户可以通过服务目录自动化地获取资源并加以应用。具体特点如下：

（1）采用全IP 架构完成节目主+备解码播出，实现冗余方式的安全播出；

（2）支持手动、自动、定时、定长上载功能，采用嵌入式文件技审及MD5 校验技术，保证素材上载的安全；部署主备的数据库服务器，通过双机热备份软件实现实时同步；

（3）网络架构安全可靠，将文件数据网络、控制信息网络、信号无压缩IP 流调度网络分层部署，并采用具有冗余热备份机制的以太网络交换机；

（4）播控系统软件功能完善，提供播控流程智能管理机制；

（5）完善的信号监看报警设计。

2.2 全高清IP 架构组成

基于全高清IP 架构，广播部分采用多台广播服务器，基于一台主机和一台备份服务器构建全虚拟化IP 高清广播视频服务器。单服务器支持两个通道，采用基于SMPTE 2022 的ST2110 标准编码，实时封装IP[2]。硬件系统还包括主备广播数据库服务器、广播控制工作站、订单编辑和导入工作站以及高标准清晰数字卡上传/电影审查工作站。周边设备包含总控矩阵、IP 调度矩阵、IP/SDI 多格式处理器，主要作用是IP 和SDI 相互转换。全高清IP 架构如图1所示。

图1 全高清IP 架构

2.3 实现功能

全IP 架构暨播出通道全部采用了纯IP 播出的一种架构[3]。该架构支持双路由功能，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）路由器采用一主一备模式，广播中心的视音频信号通过网关连接到SDN 交换机，出来的数据与虚拟切换器连接。虚拟处理器也是一主一备模式，负责将数据虚拟IP 化处理，并以组播方式，将该数据发送给电视中心使用。电视中心依靠虚拟切换器将信号分配给需要的电视部门。所有信号都是交互传播的组播信号，按照一定策略进行传输、分配、管理，负责两个不同中心系统间的视音频数据相互交换。

系统软件部分包含云播出软件，支持IP 融合播出素材数据管理，具有数据库查询功能、数据分析管理监控软件、素材流程监控模块、智能报警及反馈模块、用户接入系统、用户登录模块、高可用模块、故障监控模块、虚拟机监控模块、后台统一管理模块、系统后台升级模块、迁移负载自动均衡、网络流量监测控制、自动迁移任务分配、智能任务管理、素材导入模块、迁移任务执行模块、嵌入MD5 校验、Web 服务模块、Web 流程设计模块、Web 流程监控模块以及Web 设备状态模块等功能模块。

2.4 系统的耦合性

电视中心系统中的高清视音频数据与广播中心系统中的视音频数据的传输，取决于这两个系统间的耦合性。要想达到好的耦合性，中间系统的关键网络设备需要同时满足电视中心和广播中心的数据传输规则，即满足全IP 条件下ST2022 标准和ST2110 标准。而满足这个标准的关键设备则是采用符合ST2022标准和ST2110标准的视音频编码器，其可以将电视中心的SDI 数据和广播中心的AES67等数据IP 化，以此满足电视中心和广播中心无障碍的数据交换，以此打通传统媒体的广播中心与电视中心相互融合的通道。全IP 网络的数据交换原理如图2 所示。

图2 全IP 网络数据交换

3 全IP 架构的网络安全

SDI 系统中，由于网络技术使用很少，大部分设备都以SDI 线路连接，因此网络安全问题不用考虑。而全IP 网络系统采用的是通用计算机网络来传输数据，网络安全问题不能避免。需要对网络的安全性进行全面考虑，以此防范网络漏洞给整个系统带来的安全风险。

3.1 物理隔离

网络安全方面，硬件采用了USB 隔离器，即USB 接口病毒隔离器、文件安全隔离器，自带软件系统，其功能主要有：以白名单方式过滤系统上的文件数据，内置常见的AVI、MPEG4、MPEG2、MIDI、MP3、AES-67 等格式；防修改后缀欺骗，自动配对过滤，防止非法拷贝。SDN 服务器安装有独立操作系统，需安装防火墙软件，每个月更新一次补丁。系统账户根据需要创建用户权限，普通账户日常使用，管理员账号需设置复杂密码，并由带班长和值机人员掌握。系统软件采用白名单策略，唯有系统认可格式的文件才可以通过，其余的文件都挡在系统之外，并用系统软件将其隔离。

3.2 等保系统防护

除了系统本身的物理隔离外，系统还将纳入信息安全等级保护第三级要求，对播控系统通信网络内部主干网络及播控系统内的核心数据交换实施对安全计算环境、安全通信网络及安全区域边界统一的信息安全策略管理。要对播控系统中所有工作内容包括重要用户行为、系统资源的异常使用情况及远程管理行为进行实时监控，确保所有工作行为仅限于播控系统内部，不允许远程管理[4-5]；对所有事件进行管理，生成行为记录，对违规行为及时报警并做出处理。

4 结 语

随着传统媒体高清化乃至4K 化的普及，传统SDI 架构暴露出一些缺陷和问题。相较于SDI 架构，IP 架构具有传输距离远、可靠性好、系统拓扑和部署更加简单高效的特点，具有较好的发展前景。传统SDI 架构由于其局限性已经无法跟上目前广播电视日益更新的发展需求。对此，需要推动播控系统架构由SDI 向IP 的转变，充分发挥全高清IP 架构的优势，为未来广电事业的飞跃发展奠定良好基础。