电视制作播出系统IP化网络架构解决方案

张靖一

摘要：随着电视节目清晰度提升，对制播系统的运行带宽和效率都提出了要求，如何利用先进的IP化网络架构提升电视制作播出系统的运行效率，推动电视节目制作播出质量的提升，需要加以重视。该文围绕电视制作播出系统IP化网络架构解决方案进行了研究。首先，分析了电视制作播出系统存在的问题;其次，根据其中存在的问题，制定了相应的电视制作播出系统IP化网络架构解决方案;最后，围绕电视制作播出系统IP化网络架构解决方案中的其他问题与关键技术进行了讨论。期望能够推动我国电视制作播出系统运行质量的提升，为广大电视制作播出系统运营管理人员提升参考与借鉴。

关键词：电视制作;播出;IP化网络架构;方案

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0092-03

在新时期，我国的电视技术得到了飞速的发展，4K、8K等超高清设备逐渐走进了千家万户，我国的电视节目清晰度得到了显著的提升。传统的采集制作、调度分发方式建立在SDI（数字串行接口） 之上，已经无法满足新时期技术更新的需求。建立在ICT（网络和通信技术） 技术之上的IP化架构开始逐渐替代SDI。国际学者早在21世纪初就开始研究如何将专业媒体信号传输从SDI基带转移到IP。直到2015年，由FOX、BBC、Cisco、GV等多家厂商共同成立了AIMS。AIMS的出现标志着媒体IP解决方案走向了标准化、统一化的发展，其主张应用通用IP网络架构，建设开放流封装协议及控制协议。Sony和Evertz于2016年正式加入AIMS，这也标志着SDI over IP的技术标准在行业内已经达成共识，IP流封装应遵从SMPTE的规范。在新时期，随着UHD超高清产业的发展，4K清晰度、8K清晰度对传输带宽的超高要求使得传统的SDI基带信号方案已经无法满足电视制作播出系统的发展需求，国内学者也开始积极地探索SDI基带信号的替代方案。在这一背景下，IP化网络架构解决方案成为新时期电视制作播出系统发展的一大难题。基于此，本文提出了一种能够将SDI基带信号转换为IP数据包的网络架构解决方案，具体内容如下。

1 电视制作播出系统存在的问题

在互联网时代，2K高清电视节目制作播出得到了普及，3D技术、4K技术、8K技术也逐渐走进我国居民的日常生活当中。相较于传统设备，超高清设备有着更高的清晰度、更丰富的色彩，在电视节目制作播出中有着非常好的应用效果[1]。但在带宽需求方面，超高清设备的带宽需求要远高于传统设备，这也意味着传统电视制作播出系统已经无法满足超高清设备的带宽运行需求，超高清设备的应用存在着一定的阻力。表1是不同清晰度所对应的电视制作播出系统标准与带宽。

通过表1可以发现，4K清晰度所需的带宽达到了2K清晰度带宽8倍以上，这也就意味着4K电视制作播出系统需要耗费相当于4倍传统2K电视制作播出系统的设备电缆，4K电视制作播出系统需要增加大量的跳线排与接口数量，大幅增加了电视制作播出系统的建设成本与难度，当其中任意一根线缆出现问题时，都会影响电视信号的传输质量，增加电视制作播出系统的维修成本。综上所述，电视制作播出系统亟须一种新的网络架构解决方案解决上述问题。

2 电视制作播出系统IP化网络架构解决方案

2.1 解决思路

将IP网络技术应用于电视制作播出系统中，能够利用IP数据包（SDI OVER IP） 替代电视SDI基带信号。在IP化网络架构中，网络是电视制作播出系统内设备与设备之间的主要连接方式，其作为一种双向多通道连接方式，能够有效地优化电视制作播出系统的网络结构[2]。

互联网技术则能够有效地解决上述问题，互联网技术能够大幅提升传输带宽的应用效率，将空闲时间有效地应用于其他信息的传输中。在IP化网络架构下，技术人员可以利用数据压缩技术降低图像的传输码率，从而使电视制作播出系统的网络带宽要求降低，实现单线路的多路电视信号传输。

2.2 IP化网络架构解决方案

SDI OVER IP指对SDI基带信号进行封包，使其转变为IP流。从而使传统的SDI基带信号也能够实现IP网络内的信号传输与调度。这种网络架构解决方案使电视制作播出系统的基础从SDI矩阵调度核心转化成了网络交换设备。IP化架构在演播室、转播车系统中有着非常广泛的应用。其经历了SMPTE2022-6的基于TICO浅压缩IP系统到SMPTE2110无压缩IP系统的发展与转变。一个典型的电视制作播出系统的IP化架構应该由三部分构成，其分别为媒体节点层（Media Node） 、核心网络层（Core Network） 、综合管控层（Broadcaster Controllers） ，如图1所示，媒体节点层由传统制作设备与IP网关构成;核心网络层由网络控制器在路由器、交换机的辅助下实现信号交换;综合管控层主要负责信号、设备与业务的综合管控。

2.2.1 组网方案

系统的可维护性、可靠性与网络规模是组网架构设计时需优先考虑的问题。在设计IP化网络架构组网方案时，可以参考现有的数据中心网络建设思路进行设计。因此，在选择组网架构时，可以根据网络规模需求的不同选择双机架构或Spine-Leaf架构。前者更加适用于中小型网络规模，后者更适用于大型网络规模。Spine-Leaf架构适用于设备容量高、接入端口数量多的环境当中，其由叶脊架构构成，即核心/接入架构。接入层指的就是Leaf，其主要负责接入低速端口，也可以上行高速端口。Spine代表核心层，大量的Leaf节点通过高速端口得到连接，在此基础上便可完成大容量高速网络转发等操作。Spine-Leaf架构在应用时会优先考虑主备多链路部署，这样做的目的是保障网络的冗余性，如图2所示。

2.2.2 组网协议

大部分电视制作播出系统都在网络承载协议中应用了三层技术。在Leaf节点上部署三层网关，利用路由协议（OSPF/ISIS） 将核心层和接入层的路径打通。PIM协议则起到了打通组播路由的作用。PIM协议有着成熟性强、稳定性好等优势，大幅提升了组播协议的可靠性。在PIM协议的支持下，广播域与故障域范围大幅缩小，能够全部收敛在接入层之下。而三层协议大幅提升了IP网络架构的灵活性、可扩展性，能够满足未来电视制作播出系统的发展需求[3]。

2.2.3 核心调度与边缘调度方案

在实际应用的过程中，主要有以下两种应用方案。

（1） 核心调度方案。在核心调度方案下，SDN将控制网络交换设备完成所有IP业务流的调度。在这种调度方案下，边缘媒体节点不需要通过SDN进行控制。边缘媒体节点在该调度方案下只负责网络交换设备IP业务流的接收工作。因此，核心调度方案中的网络交换设备需要具有净切换功能与组播NAT功能。NAT功能可以实现业务流复制、转发等操作，其具有修改端口与主播地址等功能。在接收端边缘媒体节点切换业务流时，也不需要进行感知。（2） 边缘调度方案。在边缘调度方案下，核心网络交换设备将利用COTS通用交换机进行连通。在这一模式下，边缘媒体节点必须具备IGMP能力才能实现业务流的切换。当边缘媒体节点发起IGMP请求时，请求会直达网络交换设备，在网络交换设备分析完请求后，便会执行业务流转发等操作，实现业务流的切换。二者都由发流设备发流。在核心调度方案中，控制器会向核心矩阵下发调度指令，由核心矩阵推流到媒体节点。在边缘控制调度方案中，控制器会向媒体节点下发调度指令，由媒体节点再向核心矩阵发送IGMP拉流请求，在此基础上，核心矩阵按照IGMP请求发流到媒体节点。边缘调度方案需要双倍业务流带宽，核心调度方案只需要单倍业务流带宽[4]。

2.3 系统的安全性与可靠性

在构建电视制作播出系统时，需要重视系统的安全性与可靠性。因此，应重点围绕承载业务安全性进行优化。如果IP业务流已通过允许，应使其进入调度矩阵，参加后续的调度，阻碍非法接入内容传播。除此之外，新业务流调度要避免对原有业务流调度产生影响。在网络构架方面，应分别建立主域网络和备域网络，二者应该是相互独立、相互备份的关系。系统向主域网络、备域网络分别传输主路信号、备份镜像信号，并利用2022-7机制在网络层面主备保护同一路信号。为了提升网络设备的可靠性，要对交换机板、主控板、风扇、电源等关键设备进行主备冗沉保护，防止某一单一设备故障导致其他设备出现瘫痪。

3 其他问题与关键技术

3.1 PTP时钟同步

时钟同步是保障交换系统与信号调度正常运作的基础，应确保业务流与业务流之间的时钟同步。PTP时钟同步的作用与SDI系统中BB、TLS同步信号作用相似。在PTP时钟同步方面，可以选择ST 2059 PTP时钟同步方案。同时，要求核心网络交换设备应该具备一定的PTP能力，要支持时钟源PTP授时功能。为了提升PTP时钟同步的可靠性，同时还应该支持相应的主备时钟方案。为了确保边缘调度控制方案的顺利运作，网络交换设备还要对接入的媒体节点同时进行PTP授时，只有这样才能确保整个电视制作播出系统的PTP时钟同步。在实际应用电视制作播出系统的过程中，如果发现主备时钟场景存在非法PTP报文，要及时进行处理，防止其他设备时钟受到影响。

3.2 组播NAT

在核心调度方案中，所有业务的调度与交换都需要通过网络交换设备来完成，但实际上，接收端的媒体节点无法满足上述需求，只能完成单一组播流的接收。为解决上述问题，应该利用网络交换设备，修改原视频流数据，如IP、Port等数据，把数据修改成接收端媒体节点能够顺利识别、接收的形式，这就需要网络交换设备具有组播NAT能力。组播NAT能力有着诸多优势：（1） 当网络交换设备具有组播NAT能力时，终端接收设备便不需要再具备IGMP能力，有利于实现不同厂商之间的互操作性，是一种与NMOS不同的新思路[5]。（2） SDN不再需要与多家终端接收设备进行对接，大幅降低了系统的整体复杂度，使电视制作播出系统的第三方设备接入变得更加方便快捷，有利于实现系统的流量集中管控，强化了电视制作播出系统的运维效率。（3） 解决了与外部系统对接时所产生的内外地址冲突问题。（4） 在对接外部系统时，第三方网关设备的需求量大幅降低，组播NAT能够自由实现，控制了外部系统的成本，提升了组播规划效率。（5） 组播NAT相较于单播NAT，其能够对组播IP报文中的目的IP、端口字段进行转换，而单播IP报文则主要针对源IP、源口字段进行转换。（6） 在组播NAT下，接收端设备的要求大幅降低，其只对接收端的目的UDP端口号、UDP、目的IP提出了要求。但在特殊场景下，也会对MAC、源IP、源UDP端口号提出要求，因此需要进行转换。网络交换设备同时也肩负着字段转换的重任。

3.3 流量准入安全技术

只有确保IP矩阵内流量都符合相应的规划，保证流量的可信度，才能提升网络的安全性。核心调度方案与边缘调度方案都可以实现流量准入功能，但在实现方式上，存在着一定的差异性。

在核心调度方案中，业务流会经过流表进行调度，如果业务流没有在流表内，那么网络交换设备便不会对其进行转发，这种模式能够有效预防非法内容的传播。除此之外，网络交换设备还具有Qos能力，支持流限速、流优先级、接口限速等多种功能，因此能够将带宽预留给每一条业务流，避免业务流在调度时受到其他业务流的影响[6]。

在边缘调度方案中，网络交换设备则会保持“全通”状态，业务流会通过路由直接转发。而流量准入安全技术能够通过ALC的白名单功能有效地预防非法接入内容的传播，确保电视制作播出系统的安全性。

3.4 网络设备的SDN管控

SND会对网络设备进行监控与控制。在设计IP化网络架构时，应确保其具备相应的SDN管控系统，这将显著提升系统的运维便捷度，使系统的可行性大幅提升。SDN能够实現网络交换设备、媒体节点的全面管控，是应用IP化网络架构必须重视的问题。

4 结束语

本文首先阐述了新时期电视制作播出系统存在的问题;其次，就电视制作播出系统的IP化架构解决方案进行了分析;最后，在此基础上围绕IP化架构在建设过程中涉及的其他问题与关键技术进行了研究。SDI over IP技术标准的推广与应用标志着我国的电视行业正在朝着一个新的阶段迈进，电视台应重视电视制作播出系统的升级与优化，利用完善的IP化网络架构提升电视信号的传输效率，才能为我国居民提供更加优质的电视服务，实现电视行业的健康可持续发展。

参考文献：

[1] 张立新，魏鸣.电视制作播出系统IP化网络架构解决方案分析[J].传播力研究，2021（11）：165-166.

[2] 王轩群.电视制作播出系统IP化网络架构解决方案的探讨[J].数字通信世界，2019（2）：274.

[3] 黄兵，谭斌，罗鉴，等.面向业务和网络协同的未来IP网络架构演进[J].电信科学，2021，37（10）：39-46.

[4] 陶锋.播出系统虚拟化网络架构与应用[J].广播电视信息，2021，28（7）：47-49.

[5] 周惠敏.广播电视文件化播出与IP流分发系统的网络架构设计[J].广播与电视技术，2020，47（9）：55-57.

[6] 李铿.中央广播电视总台B5超高清4K-IP转播车网络架构详解[J].现代电视技术，2020（7）：30-34.

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