全虛擬化IP高清+4K播出系統設計與實現

李 虎

（阜陽廣播電視臺播控中心，安徽 阜陽 236035）

導語

隨著IT 技術的發展，廣電行業也在面臨著新媒體的沖擊，傳統業務逐步向新媒體業務轉型，傳統的節目播出也在逐步告別舊的播出體系——復雜的設備組成、繁瑣的走線、高昂的成本、低下的效率等，這意味著傳統播出將退出歷史舞臺，被 IP 化播出系統取代。[1]各種先進的網絡和虛擬化技術越來越多地被應用在廣播電視制播流程中，電視播出架構IP 化漸趨成熟。IP 化播出系統使用通用服務器和交換機實現視音頻信號的傳輸和切換，硬件設備通用性、可替代性和擴展性強，因消除了廣電設備的專業壁壘而受到青睞。阜陽廣播電視臺原3 個標清頻道播出系統已運行7年，設備出現了不同程度的老化，為保證播出的安全可靠性，遂計劃對播出系統進行高清化改造，本次播出系統改造創新性計劃采用全IP 播控架構，后臺服務器采用虛擬化部署。另外IP流調度兼容標清、高清、4K 等信號流，為響應國家建設超高清4K 播出頻道的號召，增加一套4K 播出測試頻道。

1.系統設計原則

播出系統項目承擔3 套高清播出頻道和1 套4K 播出頻道系統的建設，包括播出分控系統、播出整備系統、顯示監看系統。本次系統建設是基于全數字、全硬盤、高清化、網絡化、IP 化、虛擬化的播出系統。

IP 播出分控系統以“先進性、標準化、安全可靠、實用性、易維護、經濟性、易擴展”為設計原則，符合國內外相關協議標準和技術規范，用軟件服務的方式在虛擬化環境下實現無壓縮視頻IP 流的播出。同時系統利用SDI OVER IP雙向轉化技術并且配備完善的基帶跳線，使得IP 播出分控系統具備有基帶信號的應急能力。分控系統除具有IP 播出、基帶信號切換應急能力外，考慮到未來的擴展，配備IP 的SDN 切換能力，支持IP 流調度及擴展能力。

2.系統總體設計

2.1 播出信號總體框架設計

本次項目3 個高清頻道建設，視音傳輸采用SMPTE 2022-6 IP 標準，視音頻鏈路主要分為3 個階段，即流信號輸入階段、IP 流調度和切換、流輸出階段。

流信號輸入階段：

配置主備虛擬服務器輸出主備IP 流、視頻服務器輸出第三備IP 流、視頻服務器輸出1 路墊片IP 流，擁有完整的主備、第三備、墊片流信號輸入；

8 個總控的SDI 信號，經過IPG 將 SDI OVER IP 轉換為IP 流輸入流調度矩陣；

IP 流調度和切換：

主備IP 流、第三備IP 流、墊片IP 流和8 個總控HD 流信號由流調度矩陣統一調度。IP 流調度交換機支持軟件調度，還配置了硬切換面板，不改變原有的矩陣切換習慣。

流輸出階段：

將流調度矩陣輸出的信號IP OVER SDI，SDI 信號經過視分進入SDI 多畫面監看和4*1 切換器最終輸出給主備編碼器。

主備高清視頻器IP 流輸出外還有2 路HD SDI 輸出，1 路上多畫面監看另一路接入跳線器；流輸出的IP OVER SDI 的SDI 信號每個環節接入跳線器，當流信號出現故障時，可以直接將SDI 信號跳到主備編碼器直接輸出。應急切換信號調度除支持IP 軟件調度還配置了硬切換面板，不改變原有的應急切換習慣，實現一鍵主備路應急切換。

1 個4K 播出頻道采用IP 流信號播出，與3 個高清頻道公用IP 信號調度矩陣，IP 輸出流將IP OVER SDI，SDI 信號接入跳線器進入4K 超高清編碼器。配備大洋VIPS 4K 播出視頻服務器，該視頻服務器支持1 路4K IP流輸入，用于接收央視4K 信號進行轉播；支持1 路4K IP 流輸出，1 路HD 信號輸出可用于監看（圖1）。

圖1 高清+4K 全IP 鏈路設計

2.2 整備系統設計

播出系統總體設計上主要由數字信號流調度、播出控制系統、文件化送播系統、播控存儲系統、全局監控系統、監看顯示系統等組成。業務應用主要有節目質量保障系統、內容管理系統、數據庫系統以及節目單編排系統。

圖2 整備系統流程圖

根據臺內的業務系統初步設計的系統整體遷移流程圖，主要分為兩個域，制作域和播出域。播出域包括對外遷移、集中上載/審片、自動技審、人工復檢、同步遷移、播出二級存儲（二級備播）、播出視頻服務器（三級備播）。

制作域接口發送節目遷移請求到播出域接口，播出域接口告訴GMP，GMP 對播出數據庫進行查重。如果提交的節目播出系統中沒有，GMP 則同意遷移。制作域接口收到同意遷移指令后返回遷移節目的路徑，然后GMP調互聯FTP 服務器完成節目由制作存儲到播出二級存儲的遷移，同時完成MD5 校驗。同時，播出域提供文件采集、人工復檢工作站負責文件采集和節目審核，同時配置自動技審，完成進入二級存儲中的素材的審核。最后，通過同步遷移服務器，將二級存儲中的素材遷移至播出視頻服務器。以上，為基本的系統遷移流程（圖3）。

圖3 系統整體遷移流程示意圖

2.3 網絡架構設計

網絡設計上充分考慮系統業務資源使用能力，系統采用萬兆+千兆接入方式。

萬兆交換機：主要實現播出二級存儲、虛擬化刀片服務器、4K 轉碼服務器、4K 播出服務器的連接工作，并且通過萬兆端口下行與千兆接入交換機連接。

千兆接入交換機：主要與工作站類設備、監控顯示終端連接。千兆交換機主要分為業務交換機和監控管理交換機，監控管理交換機主要用于設備管理口及監控信息口的接入，通過核心交換設備實現網內設備的監控及維護。

IP 化播出網絡設計基于組播流控制為基礎，采用通用的具備SDN 控制能力的交換機實現。

從網絡架構上考慮，為了避免IP 化播出業務與正常信息及控制網絡間產生相互干擾，其網絡架構采用獨立的IP 化播出網絡方式。只通過固定端口或設備接收SDN控制信息實現網絡IP 化視音頻流的調度。從而避免因為網絡間互通導致的數據干擾。

IP 信號調度系統通過安全隔離設備與播出系統信息控制網絡實現通信，從而保證系統內的播出業務穩定安全，避免病毒或攻擊導致IP 信號調度管理系統調度異常的情況（圖4）。

圖4 網絡互通架構示意圖

另外為保證IP 化改造，最低程度地減少對實際值班人員的影響，IP 化改造后的信號調度依然可以通過傳統的矩陣控制面板實現，通過將交叉點發送至信號調度矩陣，從而實現IP 化矩陣的信號調度工作。

IP 化網絡更加靈活可靠，周邊設備均圍繞IP 化調度矩陣接入，信號走向是由調度管理實現的。這與傳統的播出系統基帶線性鏈路不同，是星型結構化網絡（圖5）。當設備故障時，可通過IP 調度快速跳過故障設備，從而快速應對設備故障和播出事故應急。

圖5 星型網絡架構

系統先進性：反觀傳統基帶鏈路，設備故障的應急工作必須要借助跳線方式跳過故障設備，其建設要求應急復雜度要遠高于IP 化網絡設計，并且由于其鏈路是固定化線性鏈路，增加設備或擴展功能都需要對線路進行改造，改造工作極可能對播出業務造成影響。而IP 化鏈路通過調度方式實現的動態系統鏈路更加靈活，接入設備只需要接入網絡中，通過軟件調度即可實現設備接入和功能實現。對系統擴展、應急和維護都提供了極為靈活便利的操控手段。

網絡安全：IP 系統具有更強的開放性，帶來便利的同時也存在網絡安全風險。目前系統內的常見風險有信息泄露、黑客攻擊和計算機病毒。[2]因此播出系統的IP化使得播出網絡在接收外來IP 信號時需要具備足夠的安全措施，確保系統不會因為外來攻擊性組播流導致系統癱瘓。整個IP 播出網絡防御體系如圖6所示。

圖6 IP 化播出網絡安全架構

在安全方面，所有接入播出系統的IP 組播流信號都需要通過SDN 信號安全控制交換機進行信號身份及內容的驗證，在IP 信號安全檢測組件對信號身份及內容合法度驗證通過后，組播信號方可放行至播出系統IP 信號調度矩陣用于播出系統調度使用。如不通過系統則直接將外來信號拋棄，確保播出系統內部組播流安全。

3.關鍵技術

3.1 IP 傳輸采用SMPTE 2022-6 標準

2012年，SMPTE 出臺了SMPTE 2022 系列的標準，規范了如何通過IP 方式傳輸高質量視頻信號。其中《Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks（HBRMT），ST 2022-6：2012》定義了一個統一的數據映射格式，依據實時傳輸協議、精確時鐘同步協議、用戶數據包協議、網絡分組管理協議等協議構成的元數據，定義SDI 信號的IP 封裝格式協議，支持多種HDSDI 和3G-SDI 視頻信號格式。采用這一標準，不同廠商的產品可以發送或接收通過IP 網絡分發的高碼率視頻信號。本次項目建設IP 傳輸采用SMPTE 2022-6 標準。

3.2 應用SDI OVER IP 技術

SMPTE ST2022 定義了專業基帶視頻信號IP 封裝格式及傳輸標準。要實現SDI over IP 技術，需要對SDI 信號進行數據化、網絡化改造，并建立起完善的網絡傳輸、數據糾錯機制。

首先要將SDI 信號數據化，形成媒體數據段，然后根據SMPTE ST2022-6 和SMPTE ST2022-5 分別形成數據塊文件和基于SDI 信號編碼數據塊的FEC 糾錯編碼數據塊，再將兩類數據塊封裝成IP 數據包，通過以太網傳輸。在接收端進行IP 解包、FEC 解碼、數據校驗及糾錯、數據文件序列化等，最終完成SDI信號恢復輸出。流程如圖7：

圖7 信號格式流程轉換

3.3 PTP 時鐘同步的接入技術

時鐘同步PTP 采用主從接入方式，時鐘源都提供冗余部署，由于leaf 交換機下連接入端設備，因此PTP 時鐘源需要部署在不同的leaf 交換機下，防止單點故障（圖8）。

圖8 系統PTP 主從設計

多個系統PTP 時鐘源獨立部署（如總控與分控分開部署），不進行級聯，防止一個系統出現故障，另外一個系統間接受到影響。

主PTP：GPS 源同步，并提供給系統內部設備時鐘源。

從PTP：優先從PTP 同步，如果主PTP 失效，則從GPS 同步時鐘源，并更改從角色為主PTP 時鐘源。

PTP 協議由于精度要求高，本次設計上將PTP 時鐘連接在與IP 播出設備連接同級的leaf 交換機上，最大限度地降低延時量，從而獲得最好效果的畫面同步矯正能力。

PTP 數據流量、IP 流數據流量在獨立的網絡中傳輸，為避免信息阻塞導致的數據故障，本次鏈路上級上啟動組播交換機的QOS 功能，優先傳送PTP 數據，保證PTP時鐘無阻塞傳輸。

PTP 輸出設備和BB 信號采用相同設備（TEK SPG8000A）輸出，確保信號主備機三備鏈路信號播出相位的精度一致。

3.4 I-Flow IP 信號調度系統

IP 化播出管理系統最重要的核心是 SDN 交換機。SDN 是一種新型的網絡形態，是網絡虛擬化的一種實現方式。SDN 由應用層、控制層和轉發層組成。SDN 的靈魂是控制層的 SDN 控制器，控制器通過北向接口實現對應用層設備的配置、管理、控制、監控等； 在轉發層，控制器通過南向接口實現對交換機的控制。[5]

廣電系統 IP 化的核心就是利用 SDN 交換機替換傳統的切換開關和調度矩陣。[4]廣播電視業務IP 化后，系統信號調度業務承擔者由傳統矩陣轉換為交換機，而交換機本身只能進行數據交換，要實現系統的信號調度功能，就需要配合IP 流調度軟件實現。阜陽廣播電視臺采用的切控調度軟件i-Flow 用于電視IP 信號總控系統、IP 收錄系統、演播室信號調度等需要進行多路IP 信號或TS 流信號的信號分配與調度的場景。其主要功能包括兩大方面，一是對總控業務的管理和處理，另一方面就是控制交換機實現信號的復制（分配）、轉發（切換），以及對網絡系統的必要監控。

利用IP 化視音頻信號軟解軟編底層服務，實現軟件界面上的信號可視化監控，可對每個交換機節點上的指定信號進行內容查看。

在系統監看界面，提供完整的網絡拓撲圖，包括所有的輸入信號、輸出信號及交換機。對選中的鏈路高亮顯示，對每個信號經過的交換機節點，利用IP 化視音頻信號軟解軟編底層服務，對SDI over IP 信號解碼并重新編碼為TS 流信號，最終實現在網頁上實時查看信號經過此節點的視頻畫面。所有交換機節點畫面在同一屏展現，可以快速定位可能出現問題的部分，保證故障排除的時效性。以列表的形式展現交換機各個端口的運行狀況，包括實時流量、丟包率等。數據+畫面雙重維度實現對切換的可視化監看（圖9）。

圖9 信號可視化監看

3.5 跨平臺虛擬化私有云管理平臺

本次技術平臺設計主要針對后臺應用服務的部署平臺進行考慮，采用“虛擬化私有云部署模式”。

性能：可根據軟件業務需要獨立分配，性能資源可充分利用。

冗余度：除軟件冗余能力，虛擬化本身也具備冗余能力。

成熟度：目前虛擬化的成熟度已經很高，配備其天然的冗余及自我維護能力，安全性上也不低于單機PC 服務器硬件。

根據業務應用計算量進行部署，如：數據庫，自動技審等后臺應用應分配較高應用資源。而全域備播、接口及遷移等業務應用因其對系統資源消耗較小，可分配一定量的資源用于適配業務。

表1

本次共配置5 個刀片，其中第三備和墊片虛擬化服務器使用2 個刀片，剩余共3 個刀片，支持1 虛擬6，共提供18 臺虛機，有4 臺虛機冗余。

每個刀片共提供28 核CPU 核192GB 內存，3 個刀片共提供84 核576GB 內存。提供的配置遠高于部署軟件需要的36 核218GB 內存。

3.6 虛擬化通用設備

根據虛擬化設計方案計算出總體CPU、內存、存儲容量等要求，虛擬化設備機箱采用主備部署，采用HPE BladeSystem C7000 機箱，這個機箱采用一系列全新技術，提供了簡化的管理、強大的處理能力、超強的網絡帶寬，更高效的供電和散熱。本系統在主備機箱中分別安裝5 個半高刀片服務器，采用HPE ProLiant BL460c 刀片服務器，最新英特爾至強E5-2600 v4 處理器和主頻高達2400MT/s并支持熱插拔。刀片服務器綜合具備了上載、技審、播出、編單及遷移的管理職能，實現了對各項內容的有效整合與利用，以此促進節目的有效制作與利用。[3]

核心交換機采用H3C S6520，專用交換機一般具備更高的視音頻IP 無壓縮信號處理能力，例如實現切換等。而通用交換機則需要借助其他設備實現靜凈切換，甚至需要將IP 流信號轉換為基帶信號方可實現最終的靜凈切換，但隨著IP 化SMPTE 組織協議的不斷完善，在通用環境下實現IP 流視音頻的靜凈切換也將逐步變為可能。通過上層應用管理軟件實現信號的自動或人為調度，同時通用交換設備具備市場摩爾定理原則，隨著時間推移設備價格會越來越合理，同時設備不會因為個別廠商原因導致未來無法維修維護，故選用通用交換設備及通用架構是從長遠考慮最為合適的選擇。

結語

本文對阜陽廣播電視臺全虛擬化高清播出系統建設進行了技術探討，項目在建設初期就追求設計理念的先進，作為國內少數、安徽第一家做全IP 播出的電視臺，大膽實踐勇于創新，在虛擬化云架構結合IP 化框架下完成方案設計。并通過后期不斷對軟硬件方面的優化，系統于2020年年底順利試運行，2021年正式上線，截至目前運行良好，并于2021年獲得安徽省科技創新獎一等獎。全虛擬化高清系統的上線，為阜陽制播IP 一體化、資源共享及融媒體的發展起到積極的推動作用。通過私有云虛擬化的后臺部署真正實現了管理資源的共享，為《今日阜陽》App、公眾網、融媒體平臺提供資源，同時通過IP 化后的網絡兼容性，使得系統對未來更多樣的、基于IP 網絡的融媒體新媒體傳播起到更有力的支撐。所以通過對虛擬化IP 在播出的應用，增添對運用新技術迭代播出系統的信心，也為將來更深入的媒體融合積累了經驗。