广电网络IP化中视频传输安全性探究

■河南省无线传输发射中心：许萌

2021年7月，国家广播电影电视总局发布了《〈广播电视网络安全等级保护基本要求〉一项广播电视和网络视听行业标准的通知》（广电发〔2021〕45号），规定了网络安全责任制，且对广播电视网络的安全等级保护工作进行了全面完善和落实。在广播电视网络安全等级保护当中可以划分为5个安全保护等级，其中分为第一级到第四等级，不同的安全保护对象所具备的要求和安全扩展实际需求都有所区别，主要可以用于非涉密对象的安全建设以及监督管理的建设。现阶段，智能信息处理技术得到了快速的发展，和媒体实现了产业融合，因此出现了很多的超清视频以及融合资源等，都需要实现远距离、广覆盖且高精准的信息信号传输，在传统的数字视频广播网络（Digital Video Broadcasting，DVB）当中，其内部单向且有限频点的安全传输特点，已经满足不了现阶段日益激增的业务需求，难以保证海量数据传输的有效性和准确性。因此需要对广电网络实现IP化的技术升级，对传统的传输机制当中的架构和传输协议进行科学的优化，最大限度地满足当下融媒体时代对智慧广电建设所提出的要求。

1. 广电网络安全播出意义

广电网络可以说为党和政府人民之间的有效渠道建立了一个良好的渠道，为人民群众美好生活需要的实现提供了一定的有利条件，广电网络属于我国的重要信息基础设施，需要对其进行战略性资源的加强。广播电视台的安全播出需要遵循“字字千钧、秒秒政治，天天考试”的要求，并且广电网络的安全传输需要满足国家广播电影电视总局所制定出的《广播电视安全播出管理规定》的要求，抵制破坏侵扰事件、网络安全事件、自然灾害事件、技术安全事件以及其他安全事件。基于此，需要提升广播电视安全保障的水平工作，以此来推进安全传输保障体系和保障能力，应对新形势下的安全播出可能产生的风险和挑战。

2. 广电网络IP化

广电网络属于党和政府部门进行宣传信息的重要工具，从传统的有线电视网络到DVB-C数字电视网络，都需要确保信号可以得以高质量地传输和保证安全性，根据国家广播电视总局的各项安全播出制度和规范要求，需要对各个时间段的安全保障任务进行高效完成，将优质且高质量的电视节目传输到各个区域，在丰富人民群众文化生活的同时，还可以为弘扬社会主义文明提供重要的作用。随着当下媒体融合的发展和传媒视频相关技术的不断进步，超清的内容制播和多媒体的融合业务出现在了人们的生活范围内，因此互联网成为了人们日常生活的刚性需求。传统的DVB广播网络具备较高的安全传输能力和高质量的传输能力，但是传统的广播具有单向性且资源有限的缺点，无法满足当下日益更新的双向业务以及互联网业务等超清视频内容的传输需求。基于此，需要改善和优化DVB单向广播网络，进行IP化、双向化以及光纤化，实现媒体融合技术的发展以及媒体多终端的融合需求。

3. 广电网络IP化信号安全传输机制

在传输机制的分析当中，需要对广电网络的信号体制来进行合理化分析，其中可以借助于I-PON技术实现有线电视网络信号的IP化操作，以此来完成有线广播和智慧网络的一体化融合。从技术角度进行分析，I-PON技术应用的时候具有传统有线广播电视信号传输当中简便的优点，还可以满足业务端对于用户的需求激增所产生的一系列要求，比如宽带信号传输、双向信号准入以及多类数据融合等，进行双光纤三波道的步数设计。基于此，可以借助于智能信息处理技术，对激增现象所产生的IP化信号传输、双向信号准入以及多类数据融合等技术难题提出针对性的解决措施，实现广电网络IP化的信号传输安全性得以有效的提高，其中广电网络IP化信号安全传输机制原理如图1所示。从图1当中，我们可以看出I-PON技术当中可以完成互联网基础上的视频服务（VideoonDemand，VOD）/（OverTheTop，OTT）数据推流，其中可以对互联网、直播平台等进行融合，其中发送机数据链路终端（DataLinkTerminal，DLT）、光线路终端（opticallineterminal，OLT）都可以将其设计为一个独立运行的业务重点，在实现应用方面可以利用信号通道（IP广播通道、G/EPON通道）的方式进行光电信号的转化，以此进行传输前准备工作的完成。利用分光器的IP路由功能进入到光纤分配网络当中，完成传输工作，传输完成后终端设备就可以利用全IP芯片接收机来进行信号的接收，最终完成发射端-接收端信号安全传输的闭环承载运行和操作。根据系统测试得出的数据可以分析出在实际的信号传输过程当中存在安全机制方面的问题，可以将其归纳为两个方面的内容：①因为信道的占用率较高存在了较多的数据冗余现象。对于传输控制协议（TransmissionControlProtocol，TCP）框架下使用基于HTTP的自适应码率流媒体传输机制（HTTPLiveStreaming，HLS）而言，可以进行IP化的超清视频信号有效传输，最大限度地占用信号宽带，很容易产生安全播出事故的发生；②很容易受到外界干扰，从而数据方面产生丢包现象。在实际的运行过程当中，需要在下行的传速率较高的情况下进行报文的及时传输，避免由于操作的延时而造成视频信号的不同步。

图1 广电网络 IP 化信号安全传输机制原理图

在定制传输标准的过程当中，在业务标准方面需要最大限度地满足用户自身个性化的定制需求，以此来实现信号的高质量安全传输，以及8K、VR等超清视频等海量数据的传输需求。在技术标准方面，需要针对于现阶段的广电智能运维系统的实际建设使用需求来最大限度地满足自适应的信号传输机制，实现安全播出机制的有效运行，确保可以得到一个可持续化的发展战略。

4. IP视频传输技术的传输质量以及安全性分析

现阶段4k、8k等高清视频业务不断发展，电视业务的需求也得到了较快速度的增长，针对于网络的要求还需要进行大幅度的提升。应宽带业务发展要实现信号传输的高质量和安全性要求，本文主要对xPON和I-PON这两种IP视频的传输技术进行分析。

4.1 超高清的IP视频传输协议

在对超高清的IP视频传输协议进行选择操作的过程当中，需要用到的宽带相对较大。在高收视率时间段当中需要基于TCP的HLO协议基础上进行视频传输，比如春晚、阅兵式、奥运会和世界杯等，每一个用户都会占据一路视频流，所产生的宽带消耗也相当巨大，因此会造成网络的拥堵，从而影响视频节目的安全播出。与此同时，8k的超高清节目对网络传输的质量方面要求很高。在运行当中，下行的速度极高，且TCP的上行应答报文如果出现了超时现象，则会直接造成TCP的下行滑动窗口超时，从而影响数据的重传，造成了播放视频过程中的卡顿现象。基于此，视频传输需要利用UDP的协议，采取点到多点的传输方式，也就是组播或者广播，确保超高清广播可以得到顺畅运行。

4.2 UDP的丢包问题

适用UDP协议的设备属于无连接的方式，接收端对于报文的实际接收情况不会进行发送端的反馈，因此如果出现了UDP丢失的现象，则没有重新发送的机会。因此视频传输的过程当中丢包现象的发生主要取决于传输路径当中的网络设备以及网络线路。网络线路主要为光纤和网线等，具有简便的施工方式。如果符合相关的施工标准却具有冗余量则不会产生丢包现象；网络设备需要利用行业标准，但是在很多方面都有可能产生数据丢包，比如配置方式、突发程度以及路由的堵塞等。广电网络的IP化过程当中，直播前段部分属于直播节目，其中包含了编码器、转码器、加扰器、视频服务器，可以利用UDP/IP报文的方式将不同的码率汇聚到前端交换机当中。

4.3 xPON技术传输特性

在广播电视直播业务当中，对于数据的传输要求极高。在进行DVB-C的业务数据传输的时候，全年的广播业务出现的故障时间需要在几秒之内。在我国应用的技术当中，IPTV和OTT的方式都存在丢包现象，但是很多的省级广电网络公司开通了IPTV业务，利用此种方式进行视频业务运营的过程当中需要满足几个方面的需求：①利用HLS等基于TCP的传输协议当中，对带宽产生的消耗巨大且要求开发的收视率低；②利用UDP的协议当中，其网络结构属于轻载网络，其产生的适配流量也偏低；③利用UDP的协议过程当中，视频节目自身的码率较低，且对视频流的质量要求也相对较低，因此对出现的丢包现象容忍程度较高。

对于安全性进行分析的过程当中，xPON技术应用特点具有多个方面的优势，在业务流程方面较为复杂，xPON技术当中的数据通信需要利用交换机或者路由器等设备来进行各个OLT的连接。因涉及到多个设备，其复杂的业务流程会造成响应时间较长，也就是在单向性质的业务当中也需要进行双向信息的交换操作，其中包含了终端状态信息的获取、ONU设备在OLT设备上的注册过程、终端或者用户在网络接入设备当中进行鉴权和认证等一系列操作当中都需要利用一定的处理时间和操作数据响应时间。xPON技术的复杂业务流程会带来延时、抖动以及丢包等问题和现象，甚至会影响用户对8k高质量视频的观看体验。再加上网络的缓慢以及延迟等，都会产生服务器连接失败的现象。在突发事件的安全性方面，如果单个设备出现了功能失效的现象，则会严重地影响大量用户，大量的请求造成了部分设备的失效，比如出现断电以及设备故障等现象。在很多重要节目的播出过程当中都会带来安全风险，延长设备的接入时间。如果设备出现了故障、线路不畅或者网络供给的情况下就会出现用户反复注册和越权的行为，使得网络接入设备出现了超负荷现象，从而造成终端正常服务的无法提供。

4.4 I-PON的传输特性

网络设备的输出端口线速度比输入接口的线速度之和高时，任何的输入接口报文就会呈现出突发状态，因此UDP的丢包现象不会出现。其中I-PON技术方式的IP广播组网方式当中，全链路当中的最大宽带链路可以实现从前端到终端用户的持续，属于一个显著特点，其中传输的中途当中只涉及到中继器、放大器以及分光器，没有路由器和交换机，因此I-PON的IP广播网可以满足UDP协议不丢包的条件，可以利用UDP协议设置对应的直播业务，利用点到多点的广播模式。在I-PON的万兆光纤入户系统当中，主要利用EPON、GPON、10GPON的技术来应用于点对点的基于TCP协议的各种宽带业务，在上层实现丢包数据的重新传递，使得xPON系统可以回归初衷和本位。因此，视频业务和宽带业务可以各自发挥自身作用。在安全性方面，I-PON的光纤入户技术可以利用两纤三波的模式，实现广播通道的保留，广播电视和带宽互联网的信号可以构成一个独立通道，保持互相隔离的状态，可以免于受到互联网病毒攻击和影响，最大限度地保证安全播出。此种模式和广播电视网络安全播出体系的三层体系结构相吻合，可以为广播电视节目的安全播出提供基础保障。在广播节目分发的实现过程当中，I-PON的技术主要利用的是EDFA的光放大器和分光器等功率分配设备，可以轻松实现主备切换以及灾备等广播电视安全播出等基本要求。

5. 结束语

在当下IP网络技术不断普及的如今，广电网络传输利用IP视频的应用方式越来越广泛，因此广电网方面产生的安全隐患也越来越多。基于此需要进行安全风险的应对，广电网络的传输可以利用UDP协议的方式、点到多点的传输方式、采取组播或者广播的方式，以此来满足数据传输当中不丢包的问题和现象，确保广电超高清广播的合理化传输方式。在广电网络的IP化当中，UDP的概率性丢包属于常态，需要对网络设备内部的结构以及缓存机制进行完善和解决。其中xPON的网络结构当中存在的UDP的丢包，但是在I-PON的IP广播网当中，可以利用UDP的协议方式，利用点到多点的全广播方式，在满足其不丢包条件的同时，还可以实现视频数据的高质量传输。