演播室IP 化架构浅析

本文介绍了国际SDI over IP 的发展现状和总台超高 清IP 化的进程,分析了演播室IP 化架构的模型,比较 IP 化架构网络构建的核心调度方案和边缘调度方案,并 浅述部分IP 化关键技术。

摘要

随着超高清视频产业迅速发展,4K/8K 超高清信号对带宽提出更高的要求,传统的基于SDI(数字串行接口)采集制作、调度分发的方式已经不能满足技术更新的需求。行业内的共识是采用基于ICT( 网络和通信技术) 技术的IP 化架构 ,一方面解决高带宽信号的传输和调度,另一方面基于IP 架构的组网方式将改变传统广播电视信号只能由前向后线性传输的局限,是未来实现媒体融合、云计算、大数据分析等目标的技术基础。本文不再详细阐述IP 化架构在互联互通、节省成本、灵活可控等方面的优势,旨在通过对国际和国内发展现状的研究,分析演播室IP 化架构实现的痛点和难点以及不同方案的比较。

一 SDI over IP 国际发展现状

国际上从本世纪初开始研究专业媒体信号传输从SDI 基带转移到IP 的技术工作。至2015 年,形成AVB、ASPEN、SMPTE2022 等多种技术路线并存、多厂家主导的技术规范市场竞争的格局。2015 年下半年,GV、Imagine、Lawo、Cisco、Arista、BBC、FOX发起的媒体IP 解决方案联盟AIMS 成立,AIMS 的宗旨是采用通用的IP 网络架构和开放的流封装协议及控制协议。2016 年Evertz、Sony 加入AIMS 标志着技术标准之争告一段落,行业达成了共识,IP 流封装遵从SMPTE 的规范。

◆ 媒体流封装,2017 年9 月SMPTE2110-10、20、21、30、31 等系列标准正式发布,2018 年5 月SMPTE2110-40 标准正式发布。

◆ IP 系统校时同步,2015 年,SMPTE 发布SMPTE2059-1、-2标准。专业媒体SDI over IP的系统、视频、音频辅助区信号流封装的标准、IP 系统的校时同步标准已基本完备。

◆ IP 系统控制,AMWA(先进媒体工作流组织)从2016 年陆续发布了一系列技术协议:网络媒体开放协议NMOS,以取代各厂商的私有控制协议、提供网络环境下的TALLY 等传统功能、提供信令的交互、增加注册与发现等网络管理功能,以利于IP 系统互操作和网络的管控。

2018 年AIMS 发布IP 现场制作与传输系统设计与运维的指导意见(Essential Considerations for LiveContent Production And Broadcast,Alliance for IP MediaSolutions Key Considerations for Design and Operations –Updated MARCH 2018)见图1。


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关于媒体IP 系统的建设,EBU 发布了技术规范3371(TECH 3371):媒体节点的技术金字塔,对IP媒体设施,构建和管理的最低用户需求(见图2)。2019年,EBU正式发布了媒体节点必备功能清单,进一步明确了现阶段对视音频流的封装格式、冗余路径、定时、注册发现、控制、网络设备自发现、网络安全的技术建议(见图3)。


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EBU 还发布了一系列的技术建议,包括:

◆ R143 技术建议 媒体供应商系统、软件和服务的网络安全建议(Cybersecurity RecommendationFor Media Vendors’ Systems, Software & Services April2016);

◆ R148 技术建议 对网络媒体设备网络安全的最基本安全测试建议(Cybersecurity RecommendationOn Minimum Security Tests For Networked MediaEquipment April 2018);

◆ R152 EBU Position 加快采用开放式发现和连接协议(NMOS) 的策略(Strategy To AccelerateAdoption Of An Open Discovery & Connection Protocol(NMOS) March 2019)。

2018 年11 月,由SMPTE、EBU、VSF、AMWA组成的联合媒体网络工作组JT-NM 发布了技术推荐JTNM TR-1001-1:2018 V1.0 在实际应用网络中系统环境与设备行为:网络、注册发现与SMPTE2110 媒体节点设备行为。与EBU TECH 3371 对应,规范了对网络的相对具体的要求、注册与发现及连接管理的机制等。

JT-NM TR 1001-1 Makes It Much Simpler To AddMedia Nodes To A System By Specifying:– DHCP To Automatically Provide NetworkAddresses– DNS-SD To Automatically Discloses The Services– Configuration Start-Up Behaviors– AMWA IS-04&IS-05 To Simplify RegistrationAnd Connection Management

二 演播室现场制作IP 化架构

国际上对于SDI over IP 技术的起步要早于国内,并且标准和协议经过了长时间的竞争,时至今日虽然在ST2110 的信号层面基本实现了大同,但是在专业媒体IP 网络的管控领域还远远不能实现不同厂商设备的互操作。

对于现场制作系统(包括演播室、转播车、外场转播系统等)IP 化的架构可以抽象为三层:分别为媒体节点层(Media Node)、核心网络层(CoreNetwork)、综合管控层(Broadcaster Controllers)。如图4 所示。


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国际上首先部署的是基于IP 架构的HD 转播车和演播室系统,而国内对于系统IP 化的考量还是由于UHD 超高清产业的迅猛发展,4K 乃至8K 对传输带宽的超高要求。更不要说现场制作系统对无压缩基带信号直接制作的执着,现阶段部分小型的或独立制作公司的4K UHD 系统采用12G-SDI 的方式,和传统HD 的系统方案完全一致,升级成本低,技术人员也更容易驾驭。但对于大的电视台或转播机构,会有前端和后端的多个系统互联,有数个不同地点的制作域,有大量的信号需要调度和分发,还要适配新媒体互联网等不同的需求和下一步UHD 升级到8K 的考虑,所以IP 化架构为我们提供了一种切实可行的解决方案。

中央广播电视总台已经配置了多套IP 化架构的演播室和转播车系统,也正在构建IP 化的全台总控。从第一个符合SMPTE2022-6 的基于TICO 浅压缩的IP系统,到符合最新的SMPTE 2110的无压缩IP 系统,在实践中积累经验,完成包括70 周年国庆阅兵在内的多档大型电视直播和录像。而一个典型的IP 化架构演播室的架构图如图5 所示。


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由摄像机、切换台、包装、录播等传统制作设备以及IP 网关组成媒体节点层,由交换机或路由器辅助以网络控制器完成核心网络层的信号交换,上层构建综合管理层SDN,负责设备、信号以及业务的综合管理和控制,帮助运维人员按照现有流程管理IP 化架构的业务单元。

目前IP 化架构的核心设备还大量依赖于国际厂商的产品和技术,而总台已经着力于联合国内掌握优势技术的厂商攻克难题,实现核心技术的自主可控。

三 核心网络方案分析

SDI over IP 简单来说就是把基带SDI 信号封包为IP 流,在IP 网络中进行信号的调度和传输。原有的基于SDI 矩阵的调度核心,变为基于网络交换设备。

1. 组网方案

核心网络的组网方案可参考数据中心网络建设思路。在组网架构上,综合考虑网络规模、可靠性和可维护性,可以采用双机架构或Spine-Leaf 架构。双机架构适用于中小型网络规模的需求,而Spine-Leaf 架构适用于大型网络规模的需求。对于接入端口数量以及设备总容量要求较高的大型系统,主要采用核心/ 接入两层架构(即叶脊架构,Spine-Leaf),接入层(Leaf)设备负责低速端口(10GE/25GE)接入,并上行40GE/100GE 高速端口。核心层(Spine)采用高速端口连接大量Leaf 节点,实现大容量高速网络转发。为了保证网络冗余性,Leaf 和Spine 还要考虑主备多链路部署。如图6。


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2. 组网协议

如果采用大二层(跨机箱链路捆绑,MLAG)技术构建网络,随着网络规模的扩大,会存在比较明显的不足:大二层网络存在大量的广播消息泛洪,占用了大量带宽;大二层网络故障域大,不容易运维。因此,当前主流数据中心都选择三层技术作为网络承载协议。将三层网关部署于Leaf 节点,通过OSPF/ISIS 等路由协议打通Spine-Leaf 之间的路径,基于PIM 协议打通组播路由。在这种方式下:采用PIM 协议保证组播协议互通,成熟稳定;广播域小,故障域小,收敛在Leaf 节点之下;三层协议保证了网络架构的可扩展性和灵活性。考虑电视台对业务稳定性和未来扩展性的需求,更建议采用三层协议的组网技术。

3. 核心调度和边缘调度方案

在业务流信号转换到IP 域之后,所有的信号传输调度都由网络交换设备完成,由IP 网络交换设备完成传统SDI 矩阵的切换和调度交换功能,现阶段主要有下文所述两种方案。

(1)核心调度方案

所有IP 业务流的调度全部通过SDN 控制网络交换设备完成,不需要SDN 控制器对边缘媒体节点进行控制,边缘媒体节点直接接收网络交换设备推送的IP 业务流即可。在核心调度方案中网络交换设备需要具备组播NAT 功能和净切换功能。通过组播NAT 功能,可将进入网络交换设备的业务流复制、转发到相应的出接口,并在与边缘媒体节点连接的出接口进行组播地址和端口的修改,接收端边缘媒体节点对业务流的切换不需要感知。

同时,网络交换设备提供视频流净切换的能力。调度交换矩阵通过识别IP 业务流的RTP 头部的时间戳和Marker 字段判定并切换业务流。接收端边缘节点对业务流的切换不需要感知。矩阵支持净切换功能后,频道切换时出接口和接收端媒体节点只需要支持单倍业务流带宽即可。

核心调度示意图如图7 所示。


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(2)边缘调度方案

一般采用COTS 通用交换机作为核心网络交换设备默认全部连通,业务流切换需要边缘媒体节点具备IGMP 能力,由边缘媒体节点发起IGMP 请求,网络交换设备根据接收端的IGMP 请求进行不同业务流的转发,达成业务流切换的能力。对于IP 业务流的净切换,需要在边缘媒体节点上进行业务流的净切换处理。此时,边缘媒体节点需要双倍带宽同时接收切换前、切换后两路流量,即需要双倍带宽。

边缘调度方案示意图如图8 所示。


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核心调度和边缘调度对比如图9 所示。


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4. 系统安全性和可靠性

在构建系统时要保障承载业务的安全性,需要确保只有经过允许的IP 业务流可在调度交换矩阵中进行调度,避免非法接入内容的传播。另外,新的业务流调度需要保障不影响原有的业务流调度。

网络构架时要分为独立的互为备份的主域、备域网络,系统将2022-7 的主路信号和备份镜像信号分别传输到网络的主域、备域。在网络层面依靠2022-7 的机制完成同一路信号的主备保护。

网络设备可靠性上,设备提供关键部件的主备冗余保护,包括电源、风扇、主控板、交换机板等,单一部件故障不影响设备的工作。

5. 其他问题和关键技术

(1)PTP 时钟同步

时钟同步是信号调度和交换系统的必要条件,保障各业务流的时钟同步,相当于传统SDI 系统的BB、TLS 同步信号。


时钟同步方案采用ST 2059 PTP 时钟同步方案。核心网络交换设备需要支持PTP 能力,可接受时钟源的PTP 授时,为保障可靠性,需支持主备时钟方案。同时,网络交换设备需要向接入的媒体节点进行PTP 授时,以此保障整体系统的PTP 时钟同步。另外,针对主备时钟场景,网络交换设备需要将非法PTP报文丢弃,避免对其他设备的时钟产生影响。

(2)组播NAT

对于核心调度方案,所有的业务调度和交换都需要通过网络交换设备完成。对于接收端的媒体节点一般只能接收单一的组播流,需要网络交换设备完成将源视频流的IP 和Port 等数据修改为接收端媒体节点可以识别的IP 和Port,因此网络交换设备完成需要具备组播NAT 能力。

组播NAT 能力带来的优势包括:

◆不需要终端接收设备具备IGMP 能力,解耦SDN 控制器与媒体节点之间的私有协议,为不同厂商的互操作性提供了区别于NMOS 的全新思路;

◆ SDN 不需要对接多家终端接收设备,整体系统复杂度低,引入第三方新设备更加快速简单;全网流量集中管控,简化运维;

◆跟外部系统对接时,可解决外部地址和内部地址冲突问题。

◆在与外部系统对接时,可不需要第三方网关设备进行组播NAT,直接满足外部系统的组播规划需求,降低整体成本;

◆和传统的单播NAT 不同,单播NAT 主要转换的是单播IP 报文中的源IP 和源端口字段,而组播NAT 转换组播IP 报文中的目的IP、目的端口字段;

◆大部分情况下接收端设备只要求目的IP、协议号(UDP)、目的UDP 端口号相符就可以正常处理,但有些场景下也会要求源IP、源UDP 端口号做转换、源MAC做转换,这些字段的转换也需要网络设备实现。

(3)流量准入安全技术

流量准入技术是IP 网络交换设备的关键基础功能之一,只有按照规划、可信可靠的流量才能承载在IP 矩阵中,保证网络的安全性。核心调度方案和边缘调度方案中都可以实现该功能,实现方式有区别。核心调度方案中,网络交换设备主要通过流表进行业务流的调度处理,不在流表中的业务流不被转发,因此可以避免非法接入内容的传播。同时网络交换设备具备QoS(流限速、接口限速、流优先级)能力,可为每条业务流预留带宽,保障不被其他业务流的调度影响。

边缘调度方案中,网络交换设备默认“全通”,业务流按照路由直接转发。流量准入通过访问控制策略(ACL 功能)提供白名单的能力。以此避免非法接入内容的传播,保障系统安全性。

(4)网络设备被SDN 管控

网络设备需要通过SDN 进行控制和监控,开放配置能力,接收SDN 控制器下发的流表实现业务调度;开放设备监控能力,提供设备基本信息、流量信息供SDN 控制器收集、展示和呈现。一个成熟的IP化架构系统,需要有完备SDN 管控系统,提高系统的可用性和运维便利性。SDN 对网络交换设备及媒体节点的管控,目前都还是整个IP 化制播系统中亟待完善和成熟的部分。

四 小结

在HD 时代电视台核心业务使用的是1990 年定义的HD-SDI 接口。2005 年SDI 进化到3G-SDI 接口,到2015 年发布UHD 12G-SDI 标准的时候SDI 接口高带宽、低时延、非压缩的优势已经被IT 技术迎头赶上,并且一路绝尘。更不要说SDI 从前往后的线性系统和架构与互联网模式先天水土不服,所以即便是非线性制作,文件化播出都已经拥抱IT 技术的当下,电视台内仍大量使用SDI 基带信号制作和传输,尤其是现场制作和直播领域。由需求驱动的技术升级已经迫在眉睫,整个广电传媒行业都在进行融合媒体的产业升级,这其中也包括电视从HD 到UHD 的升级换代,正是技术变革的契机。为适应越来越复杂的业务需求,支撑各种新兴基于IT 技术的业务形式,乃至下一步实现智慧媒体、媒体大数据、人工智能类脑计算,从采、编、播、存、管各个环节都应该在架构上可以方便、快速地实现互联互通、实现自主可控,在保障安全播出和传统业务的同时,为传统媒体华丽转身升级为融合媒体提供有力的技术保证。而实现的方式恐怕就是拥抱IT 技术,改变传统SDI 架构,实现全流程的IP 化。

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 蔺飞