電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案

張靖一

摘要：隨著電視節目清晰度提升，對制播系統的運行帶寬和效率都提出了要求，如何利用先進的IP化網絡架構提升電視制作播出系統的運行效率，推動電視節目制作播出質量的提升，需要加以重視。該文圍繞電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案進行了研究。首先，分析了電視制作播出系統存在的問題;其次，根據其中存在的問題，制定了相應的電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案;最后，圍繞電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案中的其他問題與關鍵技術進行了討論。期望能夠推動我國電視制作播出系統運行質量的提升，為廣大電視制作播出系統運營管理人員提升參考與借鑒。

關鍵詞：電視制作;播出;IP化網絡架構;方案

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0092-03

在新時期，我國的電視技術得到了飛速的發展，4K、8K等超高清設備逐漸走進了千家萬戶，我國的電視節目清晰度得到了顯著的提升。傳統的采集制作、調度分發方式建立在SDI（數字串行接口） 之上，已經無法滿足新時期技術更新的需求。建立在ICT（網絡和通信技術） 技術之上的IP化架構開始逐漸替代SDI。國際學者早在21世紀初就開始研究如何將專業媒體信號傳輸從SDI基帶轉移到IP。直到2015年，由FOX、BBC、Cisco、GV等多家廠商共同成立了AIMS。AIMS的出現標志著媒體IP解決方案走向了標準化、統一化的發展，其主張應用通用IP網絡架構，建設開放流封裝協議及控制協議。Sony和Evertz于2016年正式加入AIMS，這也標志著SDI over IP的技術標準在行業內已經達成共識，IP流封裝應遵從SMPTE的規范。在新時期，隨著UHD超高清產業的發展，4K清晰度、8K清晰度對傳輸帶寬的超高要求使得傳統的SDI基帶信號方案已經無法滿足電視制作播出系統的發展需求，國內學者也開始積極地探索SDI基帶信號的替代方案。在這一背景下，IP化網絡架構解決方案成為新時期電視制作播出系統發展的一大難題。基于此，本文提出了一種能夠將SDI基帶信號轉換為IP數據包的網絡架構解決方案，具體內容如下。

1 電視制作播出系統存在的問題

在互聯網時代，2K高清電視節目制作播出得到了普及，3D技術、4K技術、8K技術也逐漸走進我國居民的日常生活當中。相較于傳統設備，超高清設備有著更高的清晰度、更豐富的色彩，在電視節目制作播出中有著非常好的應用效果[1]。但在帶寬需求方面，超高清設備的帶寬需求要遠高于傳統設備，這也意味著傳統電視制作播出系統已經無法滿足超高清設備的帶寬運行需求，超高清設備的應用存在著一定的阻力。表1是不同清晰度所對應的電視制作播出系統標準與帶寬。

通過表1可以發現，4K清晰度所需的帶寬達到了2K清晰度帶寬8倍以上，這也就意味著4K電視制作播出系統需要耗費相當于4倍傳統2K電視制作播出系統的設備電纜，4K電視制作播出系統需要增加大量的跳線排與接口數量，大幅增加了電視制作播出系統的建設成本與難度，當其中任意一根線纜出現問題時，都會影響電視信號的傳輸質量，增加電視制作播出系統的維修成本。綜上所述，電視制作播出系統亟須一種新的網絡架構解決方案解決上述問題。

2 電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案

2.1 解決思路

將IP網絡技術應用于電視制作播出系統中，能夠利用IP數據包（SDI OVER IP） 替代電視SDI基帶信號。在IP化網絡架構中，網絡是電視制作播出系統內設備與設備之間的主要連接方式，其作為一種雙向多通道連接方式，能夠有效地優化電視制作播出系統的網絡結構[2]。

互聯網技術則能夠有效地解決上述問題，互聯網技術能夠大幅提升傳輸帶寬的應用效率，將空閑時間有效地應用于其他信息的傳輸中。在IP化網絡架構下，技術人員可以利用數據壓縮技術降低圖像的傳輸碼率，從而使電視制作播出系統的網絡帶寬要求降低，實現單線路的多路電視信號傳輸。

2.2 IP化網絡架構解決方案

SDI OVER IP指對SDI基帶信號進行封包，使其轉變為IP流。從而使傳統的SDI基帶信號也能夠實現IP網絡內的信號傳輸與調度。這種網絡架構解決方案使電視制作播出系統的基礎從SDI矩陣調度核心轉化成了網絡交換設備。IP化架構在演播室、轉播車系統中有著非常廣泛的應用。其經歷了SMPTE2022-6的基于TICO淺壓縮IP系統到SMPTE2110無壓縮IP系統的發展與轉變。一個典型的電視制作播出系統的IP化架構應該由三部分構成，其分別為媒體節點層（Media Node） 、核心網絡層（Core Network） 、綜合管控層（Broadcaster Controllers） ，如圖1所示，媒體節點層由傳統制作設備與IP網關構成;核心網絡層由網絡控制器在路由器、交換機的輔助下實現信號交換;綜合管控層主要負責信號、設備與業務的綜合管控。

2.2.1 組網方案

系統的可維護性、可靠性與網絡規模是組網架構設計時需優先考慮的問題。在設計IP化網絡架構組網方案時，可以參考現有的數據中心網絡建設思路進行設計。因此，在選擇組網架構時，可以根據網絡規模需求的不同選擇雙機架構或Spine-Leaf架構。前者更加適用于中小型網絡規模，后者更適用于大型網絡規模。Spine-Leaf架構適用于設備容量高、接入端口數量多的環境當中，其由葉脊架構構成，即核心/接入架構。接入層指的就是Leaf，其主要負責接入低速端口，也可以上行高速端口。Spine代表核心層，大量的Leaf節點通過高速端口得到連接，在此基礎上便可完成大容量高速網絡轉發等操作。Spine-Leaf架構在應用時會優先考慮主備多鏈路部署，這樣做的目的是保障網絡的冗余性，如圖2所示。

2.2.2 組網協議

大部分電視制作播出系統都在網絡承載協議中應用了三層技術。在Leaf節點上部署三層網關，利用路由協議（OSPF/ISIS） 將核心層和接入層的路徑打通。PIM協議則起到了打通組播路由的作用。PIM協議有著成熟性強、穩定性好等優勢，大幅提升了組播協議的可靠性。在PIM協議的支持下，廣播域與故障域范圍大幅縮小，能夠全部收斂在接入層之下。而三層協議大幅提升了IP網絡架構的靈活性、可擴展性，能夠滿足未來電視制作播出系統的發展需求[3]。

2.2.3 核心調度與邊緣調度方案

在實際應用的過程中，主要有以下兩種應用方案。

（1） 核心調度方案。在核心調度方案下，SDN將控制網絡交換設備完成所有IP業務流的調度。在這種調度方案下，邊緣媒體節點不需要通過SDN進行控制。邊緣媒體節點在該調度方案下只負責網絡交換設備IP業務流的接收工作。因此，核心調度方案中的網絡交換設備需要具有凈切換功能與組播NAT功能。NAT功能可以實現業務流復制、轉發等操作，其具有修改端口與主播地址等功能。在接收端邊緣媒體節點切換業務流時，也不需要進行感知。（2） 邊緣調度方案。在邊緣調度方案下，核心網絡交換設備將利用COTS通用交換機進行連通。在這一模式下，邊緣媒體節點必須具備IGMP能力才能實現業務流的切換。當邊緣媒體節點發起IGMP請求時，請求會直達網絡交換設備，在網絡交換設備分析完請求后，便會執行業務流轉發等操作，實現業務流的切換。二者都由發流設備發流。在核心調度方案中，控制器會向核心矩陣下發調度指令，由核心矩陣推流到媒體節點。在邊緣控制調度方案中，控制器會向媒體節點下發調度指令，由媒體節點再向核心矩陣發送IGMP拉流請求，在此基礎上，核心矩陣按照IGMP請求發流到媒體節點。邊緣調度方案需要雙倍業務流帶寬，核心調度方案只需要單倍業務流帶寬[4]。

2.3 系統的安全性與可靠性

在構建電視制作播出系統時，需要重視系統的安全性與可靠性。因此，應重點圍繞承載業務安全性進行優化。如果IP業務流已通過允許，應使其進入調度矩陣，參加后續的調度，阻礙非法接入內容傳播。除此之外，新業務流調度要避免對原有業務流調度產生影響。在網絡構架方面，應分別建立主域網絡和備域網絡，二者應該是相互獨立、相互備份的關系。系統向主域網絡、備域網絡分別傳輸主路信號、備份鏡像信號，并利用2022-7機制在網絡層面主備保護同一路信號。為了提升網絡設備的可靠性，要對交換機板、主控板、風扇、電源等關鍵設備進行主備冗沉保護，防止某一單一設備故障導致其他設備出現癱瘓。

3 其他問題與關鍵技術

3.1 PTP時鐘同步

時鐘同步是保障交換系統與信號調度正常運作的基礎，應確保業務流與業務流之間的時鐘同步。PTP時鐘同步的作用與SDI系統中BB、TLS同步信號作用相似。在PTP時鐘同步方面，可以選擇ST 2059 PTP時鐘同步方案。同時，要求核心網絡交換設備應該具備一定的PTP能力，要支持時鐘源PTP授時功能。為了提升PTP時鐘同步的可靠性，同時還應該支持相應的主備時鐘方案。為了確保邊緣調度控制方案的順利運作，網絡交換設備還要對接入的媒體節點同時進行PTP授時，只有這樣才能確保整個電視制作播出系統的PTP時鐘同步。在實際應用電視制作播出系統的過程中，如果發現主備時鐘場景存在非法PTP報文，要及時進行處理，防止其他設備時鐘受到影響。

3.2 組播NAT

在核心調度方案中，所有業務的調度與交換都需要通過網絡交換設備來完成，但實際上，接收端的媒體節點無法滿足上述需求，只能完成單一組播流的接收。為解決上述問題，應該利用網絡交換設備，修改原視頻流數據，如IP、Port等數據，把數據修改成接收端媒體節點能夠順利識別、接收的形式，這就需要網絡交換設備具有組播NAT能力。組播NAT能力有著諸多優勢：（1） 當網絡交換設備具有組播NAT能力時，終端接收設備便不需要再具備IGMP能力，有利于實現不同廠商之間的互操作性，是一種與NMOS不同的新思路[5]。（2） SDN不再需要與多家終端接收設備進行對接，大幅降低了系統的整體復雜度，使電視制作播出系統的第三方設備接入變得更加方便快捷，有利于實現系統的流量集中管控，強化了電視制作播出系統的運維效率。（3） 解決了與外部系統對接時所產生的內外地址沖突問題。（4） 在對接外部系統時，第三方網關設備的需求量大幅降低，組播NAT能夠自由實現，控制了外部系統的成本，提升了組播規劃效率。（5） 組播NAT相較于單播NAT，其能夠對組播IP報文中的目的IP、端口字段進行轉換，而單播IP報文則主要針對源IP、源口字段進行轉換。（6） 在組播NAT下，接收端設備的要求大幅降低，其只對接收端的目的UDP端口號、UDP、目的IP提出了要求。但在特殊場景下，也會對MAC、源IP、源UDP端口號提出要求，因此需要進行轉換。網絡交換設備同時也肩負著字段轉換的重任。

3.3 流量準入安全技術

只有確保IP矩陣內流量都符合相應的規劃，保證流量的可信度，才能提升網絡的安全性。核心調度方案與邊緣調度方案都可以實現流量準入功能，但在實現方式上，存在著一定的差異性。

在核心調度方案中，業務流會經過流表進行調度，如果業務流沒有在流表內，那么網絡交換設備便不會對其進行轉發，這種模式能夠有效預防非法內容的傳播。除此之外，網絡交換設備還具有Qos能力，支持流限速、流優先級、接口限速等多種功能，因此能夠將帶寬預留給每一條業務流，避免業務流在調度時受到其他業務流的影響[6]。

在邊緣調度方案中，網絡交換設備則會保持“全通”狀態，業務流會通過路由直接轉發。而流量準入安全技術能夠通過ALC的白名單功能有效地預防非法接入內容的傳播，確保電視制作播出系統的安全性。

3.4 網絡設備的SDN管控

SND會對網絡設備進行監控與控制。在設計IP化網絡架構時，應確保其具備相應的SDN管控系統，這將顯著提升系統的運維便捷度，使系統的可行性大幅提升。SDN能夠實現網絡交換設備、媒體節點的全面管控，是應用IP化網絡架構必須重視的問題。

4 結束語

本文首先闡述了新時期電視制作播出系統存在的問題;其次，就電視制作播出系統的IP化架構解決方案進行了分析;最后，在此基礎上圍繞IP化架構在建設過程中涉及的其他問題與關鍵技術進行了研究。SDI over IP技術標準的推廣與應用標志著我國的電視行業正在朝著一個新的階段邁進，電視臺應重視電視制作播出系統的升級與優化，利用完善的IP化網絡架構提升電視信號的傳輸效率，才能為我國居民提供更加優質的電視服務，實現電視行業的健康可持續發展。

參考文獻：

[1] 張立新，魏鳴.電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案分析[J].傳播力研究，2021（11）：165-166.

[2] 王軒群.電視制作播出系統IP化網絡架構解決方案的探討[J].數字通信世界，2019（2）：274.

[3] 黃兵，譚斌，羅鑒，等.面向業務和網絡協同的未來IP網絡架構演進[J].電信科學，2021，37（10）：39-46.

[4] 陶鋒.播出系統虛擬化網絡架構與應用[J].廣播電視信息，2021，28（7）：47-49.

[5] 周惠敏.廣播電視文件化播出與IP流分發系統的網絡架構設計[J].廣播與電視技術，2020，47（9）：55-57.

[6] 李鏗.中央廣播電視總臺B5超高清4K-IP轉播車網絡架構詳解[J].現代電視技術，2020（7）：30-34.

【通聯編輯：代影】