設計基于IP的媒體網絡（中）

卡爾·保爾森

電視中心已在開始從SDI架構轉換到以網絡為中心的IP架構。很多人預測未來五年將發生重大變革。內容創意、制作和分配實體將可能從傳統SDI轉向沉浸于軟件定義網絡（SDN）的采用商用現貨（COTS）解決方案的網絡拓撲。由于此變化，高碼率（HBR）、非壓縮（UC）媒體信號傳輸和處理——特別是對于現場/實時制作活動，將成為我們未來的“下一代基礎設施”。

最近采納的SMPTE標準（包括ST 2022-6 & -7和ST 2110）連同行業論壇（AIMS、VSF、AMWA）的活動和擴充，是將從根本上重塑整個電視中心的驅動力。扣好你的安全帶，我們都期待一場激動人心的創新之旅。

RTP IP帶來新定時

在上篇中，我們談到了一些“行為規則”、流程中的基本差異，以及數據流量結構如何影響IT/IP廣播系統考慮。在下篇中，我們將繼續探討變化的技術將如何影響下一代電視中心設計和實施。

IP用于專業媒體網絡（PMN）將增加新“層”到傳統實時演播室制作系統。PMN和支持它們的SMPTE標準為實時應用中包的定時、傳輸/辨識和校準采用了互聯網工程任務組（IETF）實時傳輸協議（RTP）。RFC 3550（2003）為一個提供端到端網絡傳輸功能的協議備忘錄，適合多播或單播網絡服務上傳輸實時數據（如音頻、視頻或仿真數據）的應用。它是ST 2110標準的一項基本原則。

一個稱為精確時間協議（PTP）的新定時基準基于IEEE 1588：2008（即PTPv2）。PTP取代通常用于SDI、AES或模擬系統內的“視頻黑場”（和DARS）定時信號。PTP使用一個信號傳遞系統（圖1），利用傳播延遲消息交換，對網絡內每個從設備確定主設備的精確時間參考。PTP消息被發送到每個網絡交換器，在那里它們被傳遞到信源（發送器）和端點設備（接收器），用于包定時和校準。PMN上每個包將通過適當的IETF RFC內描述的協議參考此公共PTP信號定時。

PTP層次結構由一個主時鐘（通常有一個備份）及一系列分布于全網的邊界和/或透明時鐘組成（圖2）。一個“最佳的主時鐘算法”（BMCA）決定“誰主誰從”——萬一一個PTP發生器出錯時允許核實和優先化。

恰當的PTP系統設計對系統的功能極為重要，并且可以根據選定廠商的產品或系統架構有所調整。對廣播應用來說，PTP在SMPTE ST 2059-1和2059-2中被具體細化和描述。ST 2059-1設定一個全部設備都由它計時的時間點（即SMPTE時）參考；而ST 2059-2描述PTP工作于以廣播為中心的應用的方式。

PTP協調全部音頻、視頻和元數據包的定時，實現整個網絡中系統同步，不受設備本身物理位置的影響。這種概念使局域網（LAN）能夠擴展到一個大樓、校園或地理位置分離的環境之間。

與傳統SDI（和模擬）視頻系統中的黑場信號參考對應，PTP改變網絡上設備同步方式。考慮到系統設計的混合性（IP+SDI），PTP和視頻黑場信號參考都可運用于下一代設施，并且依然相當普遍。

線路速率、帶寬、頻率和格式

在IP不斷發展的同時，SDI依然為穩健耐用的基于矩陣的X/Y路由和設備I/O解決方案。SDI的固定帶寬（270Mb/ s、1.5Gb/s、3Gb/s、6Gb/s、12Gb/s）和可預測的性能實現相對SMPTE RP 168中描述的一個參考點的視頻/音頻同步切換。視頻矩陣芯片組相應地支持這種SD、HD或UHD信號切換。雖然依然很好用且很可靠，但SDI使用一個“固定矩陣”，它限制電視中心的發展，使之無法超出基本I/O矩陣（如32x32到1152x1152或以上規模的矩陣）。跳出固定規模的SDI矩陣很復雜、花錢多，保證叉車式升級或接受“模塊化”架構也許會更好。

IP消除這些因素。設計得當時，IP基本上為一種非阻塞和規模無限制的結構。固定矩陣、指定帶寬和SDI限制在IP中都被消除。通過IP，信號拓撲只受一臺給定的因特網交換機上的端口大小和帶寬所限制。通過采用脊葉拓撲網絡結構（圖3）和從每張葉到每個脊柱的足夠上行帶寬，克服了SDI的矩陣限制。

但是，這種方式對設計者提出了新挑戰；例如，必須完全了解初始的交換機選擇，應符合PTP，而且應適當指定每臺交換機上大部分端口將全速運行，而且可能在或接近個別端口的帶寬（即10G、25G、40G、100G等），以恒定碼率運行。只有正確配置的媒體通信將被允許，即電子郵件、文件傳輸或突發/無控制或無管理的通信都不應注入到此媒體網絡上。

最佳設計的新系統能夠利用100G和以上交換機的聚合能力；根據所傳輸的信號格式采用恰當的端口帶寬。例如，一個UHD（4K）信號將消耗約12GB數據或“帶寬”，因此在網絡交換機上部署僅10G端口是不明智的。對于使用原生IP的UHD，端口架構應為25G（每個）——每個端口每個方向允許兩個UHDTV（2160p）信號。

關于IP的好消息：原則上它既格式不可知又帶寬不受限（注意400G交換機即將出現）。只要增加更多葉或脊柱交換機就可獲得更大帶寬。格式智能判斷、在同一交換機上運行1080p50和720p59.94或UHD都不成問題。如果預期16：9和21：9寬高比的混合物，增加一個4：3乃至1：1寬高比信號也不成問題，條件是發送和接收設備接受這些能力（注：ST 2110允許圖像寬度和高度最大32767像素或行）。

IP本質上使未來廣播信號傳輸有保障。不過，工程師也必須非常清楚選定的交換機廠家的產品的內部結構——必須符合PTP，且擁有通過外部SDN（軟件定義網絡）原則管理控制和數據面的能力。

原生IP和COTS設備

也許IP最大的“前途”是商用現貨（COTS）部件現在將承擔重任。通過部署合適廠家的交換機、SFP和光纖傳輸媒介和/或使用安裝適當NIC（網絡接口卡）的通用計算服務器，實現了使系統很好地面向未來擴展的能力。但是，在選擇時，設計者必須知道交換機（端口）和服務器（NIC）能力，原因是這些新設備很多可能只是部分知道或符合新興標準和協議。一些廣播設備提供商可能堅持特定的外部服務器或網關產品，在通過多播流領域時，必須包括這些產品以便與第三方“播出控制器”通信或管理信號流。

隨著時間的推移，廠家特定的發送/接收部件將轉向原生IP輸入和輸出。SDI最終可能成為一種選配而非標配。攝像機、制作切換臺（視頻混合器）、音頻設備、圖文包裝和播出設備都將（或已經）增加基于IP的接口。作為多個BNC或XLR的替換，設備將共享基于SFP的公共I/O端口，并包含用于彈性（即用于ST 2022-7或-8拓撲）的備份/第二端口。

有了一個全IP系統，對SDI的需求降低或完全消除——由于系統更容易擴展，因此其靈活性提高。在設備全都恰當互操作時（很大程度上由嚴格遵循SMPTE、IETF等標準實現），該系統的基本架構可擴展以滿足未來不斷增長的需求。

在下文中，我們將探討為IP轉換做好準備所需的布線、一系列最佳范例和一些人力資源指南。B&P