IP 流傳輸和切換方式在IP 化播出系統中的應用

潘炳順

（桐廬縣融媒體中心，浙江 杭州 311500）

0 引言

隨著廣電行業在網際互連協議（Internet Protocol，IP）化制播方面的多年發展和技術積累，現階段國內已經出現不少IP 化播出系統的項目落地，在IP化軟硬件產品的信號域標準上也已經形成以ST 2110 標準為IP 流同步、視/音頻、輔助數據的統一標準的行業應用現狀。而在IP 化播出系統整體架構設計和實際產品選擇上，由于各地電視臺對IP 化播出系統功能定位、使用需求上的不同而呈現出多樣化的設計思路。筆者根據近些年對IP 化播出系統技術發展的理解和行業播出系統應用的交流實踐，對IP 化播出系統的架構設計和無壓縮IP 流信號切換這一細分領域進行闡述和技術探討，希望能夠為國內現階段IP 化播出系統的設計應用和實踐提供一點參考。

1 IP 化播出系統架構設計

近幾年的IP 化播出系統相對于傳統基帶播出系統的變化基本上集中在播出視頻服務器的輸出和頻道分控信號處理、調度、傳輸方面，而在節目素材采集、存儲、節目單編排及播出控制方面的架構變化較少。傳統基帶播出系統一般的工作流程如圖1 所示，由總編室進行電視播出的節目單編排，節目制作部門完成節目素材文件的制作，節目單和節目素材文件給到播出視頻服務器，播出視頻服務器輸出串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）信號進入播出分控鏈路作為主信號源，播出分控鏈路同時接入轉播信號、墊片信號等播出信號源，經過播出控制切換和處理后輸出節目信號（Program，PGM）。這是傳統基帶播出系統中應用比較普遍的一種系統架構設計，可以歸納為以播出視頻服務器為核心，通過播出視頻服務器進行文件化的節目素材到實時SDI 數字視頻信號的轉換，有些地方稱其為硬盤播出系統。IP 化播出系統在系統架構前半部分，即文件化的節目素材送到播出視頻服務器這一階段與傳統基帶播出系統并無太多的改變。IP化播出系統的播出視頻服務器在得到文件化的節目素材后將其轉換成數據包形式通過以太網絡傳輸的IP 流信號。IP 化播出系統與傳統基帶播出系統的不同之處由此出現。

圖1 播出系統架構設計

廣電行業在多年以前就一直有關于播出系統在播出視頻服務器輸出IP 流信號上的探索實踐，當時并沒有關于IP 流信號的行業標準，一些集成度較高的小型化播出系統會采用一種單機視頻服務器直接輸出異步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）格式的TS 流信號，播出信號的處理切換都在單機視頻服務器內部實現，省去了PGM 編碼環節。但這種小型化播出系統在信號傳輸、信號切換方面有較大的安全性問題，信號傳輸丟包、信號切換難以同步。同時，作為深壓縮的視頻信號基本無法再編輯，因此應用場景有限。

隨著廣電IP 化技術的發展，IP 流信號的行業標準逐步統一確定。ST 2110-10 標準明確了無壓縮IP 流的同步機制，ST 2110-20/30 標準明確了無壓縮IP 流視/音頻信號的傳輸規范，ST 2022-7 標準則給出了關于IP 流采用用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）存在丟包率問題的規避辦法。一系列標準的完善，使得無壓縮IP 流信號的穩定傳輸、切換有了技術標準支撐。

在IP 化播出系統的播出視頻服務器輸出IP 流播出信號到頻道分控時，對IP 流的處理、切換就有了很多根據設備形態和分控架構設計不同產生的多樣化應用。例如，將臺標字幕疊加功能集成到播出視頻服務器的所謂All In One 方式，獨立硬件處理臺標字幕疊加的鍵控一體機，一機多能的網關轉換、多畫面、臺標鍵混功能模塊化超級網關，通用服務器形態的多畫面、臺標字幕疊加功能產品等等。可以說，根據產品形態和使用需求的不同，IP 化播出系統在頻道分控方面有相當靈活多樣的設計方案[1]。

2 無壓縮IP 流的網絡傳輸方式

目前，國內新建IP 化播出系統不論是作為傳統高清基帶播出系統的改造升級還是全新的超高清播出系統，無壓縮IP 流的網絡傳輸方式基本上遵循ST 2110 標準的技術規范。根據ST 2110 標準的要求，按照ST 2110 標準構建的IP 化播出系統中視/音頻信號是分開傳輸的，而且可以攜帶一些比如字幕、時間碼之類的輔助數據信息。ST 2110 標準中有許多諸如ST 2110-10、ST 2110-20、ST 2110-21、ST 2110-30、ST 2110-40 之類的細分規范標準，對無壓縮IP 流的同步方式、視頻流、音頻流、輔助數據都有相應要求，使得一個IP 化的廣電制播系統的視頻、音頻子系統能夠在同一個網絡中進行信號交互和傳輸，促進了廣電制播系統的規范化和統一融合。

IP 化播出系統無壓縮IP 流的同步方式則需要遵守ST 2110-10 標準的規范，按照精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）即電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588v2 時鐘同步協議進行系統設備的時鐘同步，按照實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）時間戳記錄視/音頻、輔助數據包的采樣時間，根據會話描述協議（Session Description Protocol，SDP）對IP 流進行信息注釋說明。一個遵循ST 2110-10 標準的IP 化播出系統需要一個能夠輸出PTP 報文的同步時鐘信號源。這個源可以是單臺母鐘設備，也可以是由多臺母鐘和交換機組建的同步時鐘網絡。整個IP 化播出系統所有無壓縮IP 流設備都根據統一的同步時鐘信號源進行無壓縮IP 流信號同步處理和切換[2]。

作為構建在傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網絡體系中的無壓縮IP 流網絡，采用了UDP 協議進行上述視/音頻信號和輔助數據的傳輸，因此相較于前文所提及的TS 流小型化播出系統，同樣存在UDP 協議數據包傳輸過程中信號接收端不會回復信號方式端導致丟包的問題。在無壓縮IP 流標準層面給出的解決方式是ST 2022-7 標準，通過無壓縮IP 流數據包的無縫保護切換來保障信號接收端能夠按時、穩定地收到來自信號方式端的每一個數據包。這種無縫保護切換需要處理無壓縮IP 流的視音頻設備采用兩組網絡傳輸接口，同時發送、接收兩組互為鏡像的無壓縮IP 流數據包，一旦有一組無壓縮IP 流數據包出現丟包（根據RTP 時間戳），立即無縫切換到另一組，如圖2 所示。這是一種近似于對無壓縮IP 流網絡傳輸進行冗余設計的規范，因此需要處理無壓縮IP 流的視音頻設備和以太網絡交換機都進行端口冗余和域備份。

圖2 無壓縮IP 流數據包的無縫保護切換示意

3 無壓縮IP 流的切換方式

無壓縮IP 流傳輸必然需要構建一個以太網絡環境。無壓縮IP 流傳輸如何在這個網絡環境中傳輸，已經有了較為完善的明確標準，即ST 2110標準。但是目前國內新建的IP 化播出系統在無壓縮IP 流信號的處理和切換方式上還是有多元化的設計思路。無壓縮IP 流信號的處理方式根據國內外廣電廠商的產品設計不同可以說是百花齊放，而在無壓縮IP流信號的切換上，由于以太網交換設備的發展成熟，按照無壓縮IP 流信號切換位置基本上可以歸納為核心切換和邊緣切換兩種。

無壓縮IP 流信號核心切換指的是在以太網交換設備上進行信號的切換動作，即IP 流信號域的核心交換機（或路由器）對無壓縮IP 流信號的組播地址進行修改，從而實現IP 流信號的路由改變，如圖3 所示。這種在核心交換設備上改變組播地址信息的方式，在網絡架構發展中被稱為軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）。SDN 網絡架構設計有以下特征：網絡中的控制和轉發設備分離，通過“控制器”軟件集中控制和下發流表，第三方應用通過與“控制器”軟件建立接口定義新的網絡功能[3]。

圖3 無壓縮IP 流信號核心切換示意

在無壓縮IP 流信號核心切換中，播出系統需要一個“控制器”軟件對核心交換設備（通常會有主、備兩臺甚至更多）進行集中控制和下發流表，而播出控制軟件就是那個第三方應用，根據播出系統的使用功能定義無壓縮IP 流信號的切換策略和動作。當然，國內廣電相關廠商也有自主研發SDN 控制器集成在IP 化播出系統軟件中的。

核心切換的方式更接近傳統播出系統使用的信號切換矩陣設備，只需要實現“控制器”軟件對核心交換設備的管理控制，就可以讓無壓縮IP 流按照使用者的需求進行快速的切換。然而，核心切換需要核心交換設備能夠支持SDN 功能，同時IP 化播出系統軟件廠商也需要具備研發集成SDN 控制器或者對接第三方SDN 控制器的能力，這在產品選擇和系統建設過程中都存在一定的問題和代價。

IP 播出系統還有另一種信號切換方式，即無壓縮IP 流在邊緣處理設備進行切換。所謂的邊緣處理設備指的是包括IP 視頻播出服務器、IP 轉換網關、IP 多畫面監看設備及臺標鍵混設備等在內的無壓縮IP 流處理設備。整個無壓縮IP 信號域采用的是IP 組播通信方式，每一個發送/接收IP 流信號的設備都有相對應的組播地址，因此可以將這些邊緣處理設備都視作是同一網段的組播組成員。IP流信號以數據包的形式從一個組播組成員轉發到一組特定的接收者，按照Internet 組管理協議（Internet Group Management Protocol，IGMP）對特定組播組成員進行加入/離開管理，完成數據包的路由改變。這個過程如圖4 所示。

圖4 無壓縮IP 流信號邊緣切換示意

在IP 化播出系統中，IP 流信號域的邊緣處理設備基本上是固定的，因此只需要對接收端設備進行組播地址的修改，即可以實現該接收端設備對IP流信號的切換[4]。邊緣切換方式對網絡交換設備的網絡功能沒有特定的要求，也不需要研發SDN 控制器；IGMP 協議對邊緣處理設備的管理控制也比較簡單，同時從播出系統分控鏈路切換路由角度，分布式的邊緣處理設備為播出系統提供了切換節點的冗余配置[5]。然而，根據IGMP 協議的組播組成員加入/離開機制，網絡交換設備在切換動作中需要為加入/離開組員都提供數據包，即在這一切換瞬間端口帶寬需求是雙倍的，因此需要考慮到網絡交換設備的選型和播出系統的信號域帶寬容量問題。

4 結語

隨著國內各級電視臺在電視播出、節目制作、新媒體領域的技術實踐和項目落地，廣電行業的IP化進程在不斷推進中，國內外廣電廠商也在進行大量的軟硬件產品研發和技術嘗試。現階段的廣電IP 化標準對于信號靜凈切換、視/音頻同步等方面的一些問題也還有需要補充完善的地方，相信ST 2110 標準不會是廣電行業最后的IP 流信號傳輸標準。IP 化播出系統的設計和技術應用每年都會有采用新思路新產品的項目規劃和落地，本文只是根據筆者對近幾年IP 化播出系統相關廣電技術應用和接觸到的IP 化播出系統項目產品，對IP 化播出系統的架構設計，與以往傳統基帶播出系統的異同，還有無壓縮IP 流的傳輸、切換方式等方面進行一些技術介紹和探討，不足之處，希望能夠得到廣電行業技術工作者的指導幫助。