基于SDN的超高清播總控系統IP矩陣建設與應用

解 煒，蔣 銳，高佳睿

（西安廣播電視臺，陜西 西安 710061）

0 引 言

依照國家廣播電視總局“4K先行、兼顧8K”的總體技術路線，結合未來4K超高清頻道的發展和需求[1]，西安廣播電視臺新建了高清4K頻道播出總控系統，支撐臺內總控全媒體信號調度以及7個高清頻道和1個4K頻道的播出任務。此系統采用主備網際協議（Internet Protocol，IP）與軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）融合調度和分發的網絡架構，其中IP矩陣系統完成全系統全媒體信號的調度和分發管控，實現了臺內演播室、轉播車、播總控等各制播系統間的全媒體信號一體化調度、分發和管控。本文將從網絡架構、安全性控制和部署規劃等方面對IP矩陣系統進行介紹。

1 基于多脊多葉（Spine-Leaf）網絡架構的總控IP矩陣系統

總控信號調度系統承擔著對參與播出的各種視音頻信號的調度、處理、分配，是播控系統中重要的一環。總控系統承擔的任務主要包括：為播控系統提供用于各頻道播出需要的信號，包括中央一套信號、高標清衛星接收信號、高標清外來信號及其他用于播出的信號等；幀同步調度，根據需要對幀同步路由進行相應的信號調度；高標清信號的延時；頻道播出凈信號的調度，可用于節目回錄；完成臺內各子系統間電視信號互連互通；提供播出系統、演播室系統的同步基準信號；提供播出系統和演播室的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）時鐘信號。因此，總控調度系統采用的網絡架構應具有較高的傳輸速率并且可以進行靈活部署。

IP架構調度和分發系統通過以太網鏈路傳輸，具有更高的數據速率；數據以包的形式發送，不受分辨率/格式限制的可重構系統，具備傳輸格式無關性、系統部署靈活性等特點。基于上述IP網絡構架的優點，兼顧安全性、經濟性以及實際需求，西安廣播電視臺在本次建設中設計了主備IP矩陣構成主備播總控矩陣。考慮到播總控IP調度分發系統主要是組播IP信號東西向流量，并且要求高精度時間同步，因此，播總控IP矩陣采用多脊多葉（Spine-Leaf）網絡架構，由2臺8個100G QSFP28以太網端口核心路由器（Spine）以及6臺交換路由引擎為24端口萬兆以太網光接口的接入交換機（Leaf）構成。多脊多葉結構可以同時實現Spine節點和Leaf節點的水平擴展，網絡擴展性最強[2]。Spine節點采用高性能設備，可以承載N×2 048路4K業務信號承載，同時可靠性也最高，任何一臺Spine節點故障都只影響1/N業務。

在這個Spine-Leaf網絡架構中，Spine是三層組網架構中的核心設備，網絡的壓力從“集中式負載于核心設備”變成“給許多的Spine設備來均衡分擔”，Leaf設備保持轉發2層和3層的流量。流量可以分布在所有可用的鏈接上，不會發生過載問題。任意兩臺Leaf設備之間的通信路徑是一致的，即Leaf→Spine→Leaf。每個Leaf交換機都連接到結構中的每個Spine路由器上，無論IP媒體節點（如IP網關、IP信號處理器等）連接到哪個Leaf交換機上，都是跨越相同數量的設備到達另一個媒體節點。后期隨著更多的連接被接入到Leaf設備，鏈路帶寬的收斂比將增加，只需要通過增加Spine和Leaf設備間的鏈路帶寬來完成系統的無縫擴展。采用這種架構的優點如下。

（1）無阻塞。Spine保證節點內任意兩個端口之間提供延遲非常低的無阻塞性能，從而實現從媒體節點到媒體節點、從媒體節點到云的敏捷服務。

（2）無縫擴展。隨著超高清4K/8K以及融媒體的發展，接入層壓力劇增。如果Spine交換設備的帶寬不足，只需要增加Spine的節點數，也可以提供路徑上的負載均衡，接入連接不足，則只需增加Leaf節點數。

（3）簡化管理。葉脊結構這種等價多路徑設計在使用SDN等集中式網絡管理平臺，允許在發生堵塞或鏈路故障時簡化流量的配置，管理和重新分配路由，智能負載均衡全網狀。

2 SDN集中管控監系統

SDN是目前構建IP系統控管監軟件系統的技術基礎，除了實現上層可視化管理（包括流媒體信號調度、網絡路由控制、IP質量監測、權限流程管理等模塊）外，可以結合IP系統業務需求定向開發，達到系統統一控制、管理、監測的效果，降低系統管理的成本，提升人員操作效率。基于這些優點，本次建設采用SDN集中管控監系統。

2.1 對IP流分發的安全性控制

IP播總控系統應能夠與臺內現有廣告、編排制作網、媒資網、融媒體多個平臺及新建匯聚平臺互聯互通，實現文件化的節目準備與流轉。互聯互通遵循標準和開放的接口規范，滿足給廣播、廣電網絡、互聯網電視（Internet Protocol Television，IPTV）、無線發射臺和融媒體信號需求[3]。IP信號格式包含無壓縮4K信號、高（標）清信號以及編碼壓縮低碼流信號，如SMPTE 2022-2標準的TS/IP流、SMPTE 2022-6標準的流、SMPTE 2110標準的IP流等。其中包括單播業務和組播業務，組播業務來自不同業務系統的視頻域和音頻域。

在這種網絡生態環境下，如果允許多種業務共享帶寬，當某個業務出現流量微突發時，接口緩存吸納這些突發流量會導致其他業務流量報文在緩存中排隊等待，從而造成傳輸時延增加，引起時延抖動增大。如果轉發路徑上某一個節點或某一條鏈路出現物理帶寬資源沖突時，不同業務域間的業務會發生相互影響，也可能造成非預期結果發生。無優先級調度的情況下，故障業務域會搶占其他所有業務域的帶寬資源，業務故障會擴散到其他業務域，造成其他業務域的業務也發生中斷。以上這些因素對以安全播出為首要任務的播總控系統來說，必須考慮應對規避策略，實現融合媒體的無阻塞調度和分發。

相對于傳統方式，SDN管理方式為業務應用提供集中的全局視圖，提供可編程的數據層接口、交換機設備編程接口，可以提供充分的開放性，優勢體現在如下方面。

（1）在流量的測量方面，可以靈活地部署可擴展的全局測量任務，實時地收集網絡狀態信息，對流量進行準確的集中式監控和統計分析。

（2）在流量的管理方面，可以綜合考慮網絡狀態和網絡應用需求，以流為單位進行動態、靈活、細粒度的流量調度，實現網絡中流量的負載均衡。

（3）在網絡的資源利用和維護方面，支持對帶寬、存儲等資源的動態分配，實現有效而合理的資源利用。基于集中的網絡狀態反饋，可以透明地進行故障的應對和處理。

因此，播總控IP矩陣調度平臺采用SDN集中管控監系統，設計并實現IP流策略部署，主要包含以下幾個方面的內容。

（1）IP媒體終端準入配置。SDN控管監軟件探測到網絡端口的IP終端接入情況，基于IP終端媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址進行終端準入管理。設備準入后才允許對收發流進行交互，未準入終端設備不允許進行IP流交互。

（2）對IP流的準入配置。SDN控管監軟件對網絡設備進行IP流白名單指派，IP五元組信息匹配的流允許進入系統進行應用，五元組信息不匹配的IP流，則不允許進入系統進行交換應用。

（3）對IP流的帶寬管理。對IP流允許最大帶寬進行分別指派。指派成功后，若IP流超出帶寬限制，會在網絡設備入口做丟包處理，避免因某條IP流激增對全系統IP流業務造成影響。

（4）對IP流的優先級管理。系統對接時，當流量在端口上帶寬溢出，系統可保證IP流優先級高的流不丟包，保證重要業務不中斷。否則就會對所有流進行平均丟包處理，影響該端口所承載的所有業務。

IP矩陣可以通過以上配置，接收其下發的“流特征-規劃路徑”流表，從而匹配每條視頻、音頻、輔助數據的流量，并進行物理鏈路轉發。該接收端設備與網絡交換設備間不進行協議交互，可以便捷實現融合媒體信號無阻塞的安全分發。

2.2 IP邏輯矩陣的規劃

對于全媒體矩陣而言，由于其矩陣規模較為龐大，導致人為尋找輸入、輸出，切換的效率較低。因此，西安廣播電視臺將信源和目的進行分類，從而便于檢索和定位。邏輯矩陣是基于物理網絡交換設備進行配置的，目的是讓用戶根據物理矩陣中“源”和“目的”功能、類型及其他方面的不同，從而在大物理矩陣的基礎上形成多個“小矩陣”。

SDN控管監軟件提供的交叉點劃分工具可按照業務劃分的方式來展現，如圖1所示，不同業務間的“源”和“目的”的交匯采用Mask方式進行遮蓋，按照高清、4K、低碼流等不同業務域信號分層切換的方式，構建不同業務域的邏輯切換矩陣，實現了同類型業務信號在同一個平面內完成獨立切換，確保了播總控融合媒體信號的一體化安全調度分發，避免了業務調度混亂。

圖1 交叉點劃分工具

完成IP流安全策略性配置后，可以通過劃分邏輯矩陣來實現不同業務域間的有效運行，從而共享同一個網絡生態環境。一般邏輯組可設置為不同Level間信號的級聯組合，創建邏輯組，支持多視頻與多音頻組合，舉例如下。

（1）未來在8K場景下，可將4路4K視頻流與多路音頻流綁定為一個邏輯組合流，在調度時進行一體調度[4]。

（2）SMPTE 2110-20/30/40標準流也可按節目邏輯分組，并同步調度場景。邏輯組合流與單流一樣，可在切換后進行“鎖定”，從而將交叉點保護起來，避免誤切換。邏輯矩陣添加完成后，在后續調度過程中（多個調度工具中），用戶可自由選擇創建好的邏輯矩陣進行調度。

西安廣播電視臺總控輸入輸出信號統計情況如下。總控矩陣輸入信號有20種，其中包括直播演播室（指揮中心）信號12路（其中4K信號4路）、轉播車高清信號2路、4K信號2路、中一衛星信號2路、中一光纜信號2路、中央新聞綜合衛星信號2路、中國中央電視臺（China Central Television，CCTV） 4K頻道衛星信號2路、衛星轉播信號2路、備用信號2路、網絡信號2路、高清頻道末級輸出節目視頻信號（Program，PGM）信號16路、高清頻道末級凈輸出信號8路、外來信號4路、高清墊片信號2路、4K墊片信號1路、測試圖信號2路、錄像機信號6路、延時自環信號4路、上下變換自環信號4路、幀同步自環信號4路、新媒體信號15路以及廣播信號5路。總控矩陣輸出信號有12種，其中包括高清PGM信號輸出16路、去演播室（指揮中心）信號12路（其中4K信號4路）、去轉播車信號2路、去頻道分控32路、去上載站6路，4K 1路、去顯示器11路、去高標清技術監視器2路、延時自環信號4路、上下變換自環信號4路、幀同步自環信號4路、新媒體信號15路以及廣播信號10路。

將以上信號劃分邏輯后，交叉點控制如圖2所示。

圖2 西安廣播電視臺交叉點控制圖

2.3 IP矩陣調度路徑部署

目前，擔當Spine（脊）的路由器具備網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）功能，根據配置的NAT轉換指令，在組播信號流發出到接收組播信號流的設備前做到按需進行地址轉換[5]。同時，路由器還可以實現在和接收組播信號流的設備相連的端口的出方向配置流量復制輸出。當僅配置單個出接口時實現流量轉發，配置多個出接口，則可以實現組播流量一對多的復制。組播信號流源設備的接口接收原始組播信號流，在IP矩陣內部做組播轉發。

SDN控管監軟件需完成信號源的配置、矩陣部署、調度切換控制指令下發，葉脊網絡設備根據SDN軟件路徑策略完成信號的轉發[6]。目前通常采用的辦法是提前部署調度路徑，即靜態路徑的工作方式。這種方式是根據現有創建的輸入輸出信號信息，在網絡的任何一個可能的端口上提前把配置寫入。調度發生時，只需要在選擇的路徑各環節上執行流綁定命令即可。這種提前部署路徑的方法的優點是把鋪路的工作提前完成，減少了實時調度時的步驟，能夠減少調度時間；缺點是每條流在網絡中的每個可能被調度的端口上都要提前預配置，每條流都要占用一個流表，這樣在總控大規模應用的時候將面對龐大的流數量，網絡設備的流表數量可能沒有辦法滿足需求，同時，大量的配置會產生大量的配置工作。邏輯矩陣調度路徑如圖3所示。

圖3 邏輯矩陣調度路徑

由于路由器表項總量是固定值，不能隨意增加，因此，路由器NAT的轉換是有上限的；葉脊之間的網絡鏈接是物理鏈接，帶寬也是有上限的，不能隨意擴展。所以，靜態路徑建設方法不太適用于面向可持續發展的動態網絡需求。為了優化處理這個問題，面向未來融合媒體調度需求，SDN控管監軟件提供一種流組模型構建方法，每個流組由視頻流（V）、音頻流（A）和輔助數據流（ANC）構成，其中視頻流1個，音頻流有多個，輔助數據流1個。通常，1個高清流或者1個4K單流由1×V+4×A+1×ANC構成，1個4K多流由4個高清流構成，一個8K流由4個4K單流高清流構成。這樣的流組模型涵蓋8K、4K、高清（High Definition，HD）以及壓縮單流的所有流格式。用戶在添加輸入和輸出之后，根據輸入和輸出數量以及流加入流組規則。

SDN控管監軟件根據網絡拓撲信息生成一個初始配置下發到路由器。初始配置包含輸入流信息、輸出流信息、輸入流組信息和輸出流組信息至少一種以及規則信息。調度時，SDN控管監軟件充分利用脊路由器具備的NAT功能以及流重復使用功能特性，根據輸入流或所屬的流組，自動以由高到低的順序從對應的獨立流組的管理流隊列中抽取可用流組使用，調度控制軟件調度時，只需要從集合中取出最優的一條使用，實現了調度切換中流的共享。內部流可以多次復用，從而節約了路由器表項以及網絡帶寬，特別適合用于播總控規模大、IP流格式多、實時調度切換場景。這種方式不需要提前配置路徑，實現了智能最優路徑生成，使得IP矩陣的物理擴展及邏輯擴展都變得較為簡單。

IP矩陣的冗余架構可以保證物理矩陣的安全。SDN控管監軟件可以實現邏輯矩陣劃分、IP流策略制定以及可靠調度路徑風閥，配合SDN調度控制面板，實現了無阻塞、融合媒體的一體化調度和分發，滿足臺內現階段應用以及面向未來可持續發展需求。

下面對IP矩陣系統是否具有矩陣多源、多目的聯動調度能力進行測試，步驟如下。

（1）如圖4所示，將矩陣的4路輸出進行關聯，分別為To XC-1，To XC-2，To XC-3，To XC-4。

圖4 將矩陣的4路輸出進行關聯

（2）將矩陣的所有信源全部完整關聯，如圖5所示。

圖5 將所有信源全部關聯

（3）配置完成后，通過交叉點工具將信源STREM3切換到To XC-1上，如圖6所示。

圖6 將信源STREM3切換到To XC-1

（4）STREM3切換到To XC-1上后，如圖7所示，與To XC-1關聯的其他目的也被同步調度到信源STREM3上，完成了關聯調度。

圖7 完成關聯調度

綜上，IP矩陣的輸入輸出信號聯動切換調度功能完整，能滿足目前的使用需求。

2.4 IP矩陣安全性考慮

IP矩陣系統采用SDN的強管控架構的集中管控，可以識別非法的組播流，控制未授權的組播服務器向網絡側發送組播流量使得組播流不被非法或未授權的接收者接收。但播總控IP信號調度和分發系統作為全臺信號的核心調度和分發環節，面向全臺各個制播應用系統進行IP化網絡連接。在構建IP矩陣時，臺內各業務系統的網絡均需要按照等保要求進行系統建設，再與播總控IP信號調度和分發系統進行系統級聯，確保全臺全流程各系統網絡建設的可行和可靠。對于跨系統特別是對外連接的網絡業務，總控IP信號調度和分發在安全邊界部署安全防護防火墻，確保安全播出。

3 結 語

隨著技術的不斷發展，以SDN為基礎的超高清播總控系統可以滿足超高清頻道的發展和需求，可以進行融媒體一體化調度，方便后期無縫擴展。同時，該系統也對技術人員提出了更高的要求。技術人員應不斷學習新技術，適應新技術，讓先進技術更好地保障安全播出工作。