全高清IP 架構播控系統研究

李曉磊

（周口廣播電視臺，河南 周口 466000）

0 引 言

隨著廣播電視等傳統媒體的融合，廣電工作人員經常會遇到一些技術問題，例如，大型活動現場的高清視音頻信號如何從電視中心傳輸給廣播中心，廣播中心的現場音視頻如何提供給電視中心，采用何種技術；融媒體直播的信號如何傳輸到電視中心和融媒體制作平臺，以及采用何種架構傳輸等。在沒有融合以前，電視中心傳輸給廣播中心，一般采用的傳統數字分量串行接口（Serial Digital Interface SDI）架構，但是SDI 技術在應用中會遇到一些問題，比如采用SDI 傳輸必然會遇到傳輸距離遠，需要額外鋪設視頻電纜、中繼以及復用較復雜的情況。而全IP 架構則是通用的基礎架構，相關設備也都是通用的計算機設備。若采用全IP 架構，相關的部署、擴容、更改、維護工作則更容易。

1 全高清IP 化解決方案

1.1 SDI 架構的特點

所謂SDI 架構，一般是指基于串行數字接口（SDI）傳輸技術的視音頻傳輸架構，是一種常見的廣電傳輸架構。在SDI 架構內，視音頻數據在傳輸過程中一般需要進行編解碼和模數轉換，在200 m有效距離內可以高質量地傳輸音視頻數據，超出這個距離就需要額外鋪設視頻電纜、加裝中繼設備，維護工作非常復雜。由于非壓縮的原始超高清視頻數據量極大，超高清視頻信號需要由多根SDI 傳輸電纜并行傳輸，并且SDI 這種點對點傳輸技術由于缺乏信號路由能力，視頻播控系統的組建需要部署大量的視頻矩陣、視頻編解碼器、音頻加嵌解嵌設備、多畫面監看以及切換臺等設備，對于多通道信號還需要復用設備，相關系統拓撲和部署比較復雜且維護成本極高。

1.2 IP 架構的特點

本文所說的IP 化是指對高清視音頻數據信號進行IP 封裝，通過以太網傳輸，可以利用以太網線完成高清視音頻信號的傳輸。IP 架構即指基于高清視音頻網絡封裝傳輸技術的傳輸架構，是一種基于高清傳輸的廣電傳輸架構。相比較SDI 架構，IP 架構具有傳輸距離遠、可靠性好、系統拓撲和部署更加簡單高效等優勢，不需要額外部署大量的視音頻相關設備。

1.3 亟待解決的問題

基于SDI 架構和全高清IP 架構的特點，只有當傳統SDI 架構向全高清IP 架構完全轉變，才能提升播控系統平臺的兼容性，使得未來云計算、大數據、虛擬化等技術得到更好的應用，從而提升系統的運行效果。采用全IP 架構拓撲結構，不僅更加簡單，成本更加低廉，而且能夠真正發揮出IP 技術的優勢，實現廣播電視媒體從單一渠道向全媒體匯聚、從封閉式生產到共同平臺生產、從點對面單向傳播到多渠道分發IP 化的方向轉變，進一步加快不同媒體之間的資源轉換及協作生產效率[1]。

2 全高清IP 架構解決方案

2.1 方案特點

系統采用全IP 架構對計算、存儲、網絡進行虛擬化管理。全IP 架構將整個數據中心云化，并將系統中用戶可見的資源抽取出來納入統一的資源池管理，為用戶提供一體化的資源管理、自動資源發放，為用戶提供方便的獲取資源的途徑。不同類型的用戶可以通過服務目錄自動化地獲取資源并加以應用。具體特點如下：

（1）采用全IP 架構完成節目主+備解碼播出，實現冗余方式的安全播出；

（2）支持手動、自動、定時、定長上載功能，采用嵌入式文件技審及MD5 校驗技術，保證素材上載的安全；部署主備的數據庫服務器，通過雙機熱備份軟件實現實時同步；

（3）網絡架構安全可靠，將文件數據網絡、控制信息網絡、信號無壓縮IP 流調度網絡分層部署，并采用具有冗余熱備份機制的以太網絡交換機；

（4）播控系統軟件功能完善，提供播控流程智能管理機制；

（5）完善的信號監看報警設計。

2.2 全高清IP 架構組成

基于全高清IP 架構，廣播部分采用多臺廣播服務器，基于一臺主機和一臺備份服務器構建全虛擬化IP 高清廣播視頻服務器。單服務器支持兩個通道，采用基于SMPTE 2022 的ST2110 標準編碼，實時封裝IP[2]。硬件系統還包括主備廣播數據庫服務器、廣播控制工作站、訂單編輯和導入工作站以及高標準清晰數字卡上傳/電影審查工作站。周邊設備包含總控矩陣、IP 調度矩陣、IP/SDI 多格式處理器，主要作用是IP 和SDI 相互轉換。全高清IP 架構如圖1所示。

圖1 全高清IP 架構

2.3 實現功能

全IP 架構暨播出通道全部采用了純IP 播出的一種架構[3]。該架構支持雙路由功能，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）路由器采用一主一備模式，廣播中心的視音頻信號通過網關連接到SDN 交換機，出來的數據與虛擬切換器連接。虛擬處理器也是一主一備模式，負責將數據虛擬IP 化處理，并以組播方式，將該數據發送給電視中心使用。電視中心依靠虛擬切換器將信號分配給需要的電視部門。所有信號都是交互傳播的組播信號，按照一定策略進行傳輸、分配、管理，負責兩個不同中心系統間的視音頻數據相互交換。

系統軟件部分包含云播出軟件，支持IP 融合播出素材數據管理，具有數據庫查詢功能、數據分析管理監控軟件、素材流程監控模塊、智能報警及反饋模塊、用戶接入系統、用戶登錄模塊、高可用模塊、故障監控模塊、虛擬機監控模塊、后臺統一管理模塊、系統后臺升級模塊、遷移負載自動均衡、網絡流量監測控制、自動遷移任務分配、智能任務管理、素材導入模塊、遷移任務執行模塊、嵌入MD5 校驗、Web 服務模塊、Web 流程設計模塊、Web 流程監控模塊以及Web 設備狀態模塊等功能模塊。

2.4 系統的耦合性

電視中心系統中的高清視音頻數據與廣播中心系統中的視音頻數據的傳輸，取決于這兩個系統間的耦合性。要想達到好的耦合性，中間系統的關鍵網絡設備需要同時滿足電視中心和廣播中心的數據傳輸規則，即滿足全IP 條件下ST2022 標準和ST2110 標準。而滿足這個標準的關鍵設備則是采用符合ST2022標準和ST2110標準的視音頻編碼器，其可以將電視中心的SDI 數據和廣播中心的AES67等數據IP 化，以此滿足電視中心和廣播中心無障礙的數據交換，以此打通傳統媒體的廣播中心與電視中心相互融合的通道。全IP 網絡的數據交換原理如圖2 所示。

圖2 全IP 網絡數據交換

3 全IP 架構的網絡安全

SDI 系統中，由于網絡技術使用很少，大部分設備都以SDI 線路連接，因此網絡安全問題不用考慮。而全IP 網絡系統采用的是通用計算機網絡來傳輸數據，網絡安全問題不能避免。需要對網絡的安全性進行全面考慮，以此防范網絡漏洞給整個系統帶來的安全風險。

3.1 物理隔離

網絡安全方面，硬件采用了USB 隔離器，即USB 接口病毒隔離器、文件安全隔離器，自帶軟件系統，其功能主要有：以白名單方式過濾系統上的文件數據，內置常見的AVI、MPEG4、MPEG2、MIDI、MP3、AES-67 等格式；防修改后綴欺騙，自動配對過濾，防止非法拷貝。SDN 服務器安裝有獨立操作系統，需安裝防火墻軟件，每個月更新一次補丁。系統賬戶根據需要創建用戶權限，普通賬戶日常使用，管理員賬號需設置復雜密碼，并由帶班長和值機人員掌握。系統軟件采用白名單策略，唯有系統認可格式的文件才可以通過，其余的文件都擋在系統之外，并用系統軟件將其隔離。

3.2 等保系統防護

除了系統本身的物理隔離外，系統還將納入信息安全等級保護第三級要求，對播控系統通信網絡內部主干網絡及播控系統內的核心數據交換實施對安全計算環境、安全通信網絡及安全區域邊界統一的信息安全策略管理。要對播控系統中所有工作內容包括重要用戶行為、系統資源的異常使用情況及遠程管理行為進行實時監控，確保所有工作行為僅限于播控系統內部，不允許遠程管理[4-5]；對所有事件進行管理，生成行為記錄，對違規行為及時報警并做出處理。

4 結 語

隨著傳統媒體高清化乃至4K 化的普及，傳統SDI 架構暴露出一些缺陷和問題。相較于SDI 架構，IP 架構具有傳輸距離遠、可靠性好、系統拓撲和部署更加簡單高效的特點，具有較好的發展前景。傳統SDI 架構由于其局限性已經無法跟上目前廣播電視日益更新的發展需求。對此，需要推動播控系統架構由SDI 向IP 的轉變，充分發揮全高清IP 架構的優勢，為未來廣電事業的飛躍發展奠定良好基礎。