广播电视IP 系统交换机及控制系统的发展与应用

中央广播电视总台新建了多套以通用IP 技术为核心的制 作系统,通用交换机演变为系统的核心信号调度管理中心, 原来基于基带信号的信号调度管理方式也发生了很大的改 变。本文就广播电视IP 系统中交换机的技术要求和特点、 IP 交换机及控制系统的应用与发展、IP 化系统的数据流 传输与测试等方面做了简单的介绍。

摘要

自2014 年起,IT 行业的通用IP 传输及信号路由调度技术开始逐步进入到广播电视行业中。随着IP 技术在广播电视领域的发展,全球广播电视机构纷纷开展了基于IP 技术的研究与实践。IP 技术自进入广播电视行业之后,由于其不同于传统基带信号的全新的信号分发和传输方式,迅速展现出了巨大的优势。在新的系统中IP 技术展现出以下特点:

◆信号双向传输,端口带宽大幅提升,端口传输效率超高;

◆系统内信号集中汇聚分发,灵活性极强;◆核心交换设备采用数据中心堆叠方式,扩容升级灵活;

◆核心设备镜像备份,系统安全性高;

◆系统内信号传输路径及节点恒定,减少故障点。

基于上述特点,IP 技术和系统自进入广电行业后,其发展速度越来越快。特别是当广播电视信号开始向超高清格式发展后,整个系统面临信号带宽要求高,信号数量要求多等挑战。而IP 技术正好能够很好地适配超高清格式带来的挑战。

一 IP 系统中交换机的技术要求

目前,我们在广播电视中采用的交换机绝大多数都采用了支持三层路由的通用交换机,这些交换机所组建的系统需要具备以下的这些通用特性,或者说是标准技术。

1. 需要具备超高的内部信号处理带宽和接口带宽

在广播电视行业中,由于我们日常使用的信号几乎都是无压缩的高带宽信号,因此我们需要作为系统信号交互核心的交换机其内部的信号处理带宽必须达到以T 为单位的处理能力,而交换机的接口带宽也以万兆(10G)作为起始带宽。当前,我们常用的交换机端口从10G 至100G,有多种不同的选择,如图1 所示。


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交换机的端口相比传统基带信号的端口有了更丰富的选择,我们已经可以根据系统规模和所使用的设备来选择不同带宽的交换机端口。而交换机的端口因为其双向传输的特性,使得设备端口的利用率也更高了。针对这些端口带宽,我们可以与传统广播电视所使用的信号带宽做匹配,从而轻松地计算单个交换机端口能够承载的信号数量以及单台交换机的信号吞吐量。


参照图2 我们可以根据系统内的信号数量快速地确定系统使用交换机的规模及端口选型。


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2. 采用组播流的方式对IP 信号做复制和转发

基于广播电视行业信号分配转发的特性,我们需要采用组播复制转发的方式来实现信号的路由和分发。而组播与广播和单播的区别如图3所示。

从图3 可以看出,组播转发是一种可以根据用户的要求,将单个信号源分发给任意数量接收者的信号分发方式。这种方式非常类似基带系统中我们采用的矩阵分发信号的工作原理,通过按需复制分发信号达到有效管理的目的。


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3. 具备Non-Blocking(无阻塞)的组播信号转发方式

由于广播电视行业对于信号的实时性以及播出的安全性要求极高,因此交换机必须能够做到在其内部和所有端口对于信号都采用无阻塞的方式处理,即能够同时处理峰值带宽下的所有信号。

4. 需要具备采用IGMP 协议做组播转发的能力

IGMP 是Internet 组管理协议,通过这一协议,交换机可以建立起连接设备的组播组,而连接交换机的设备也可以通过这一通用协议加入或者离开组播组。通过组播组的管理,交换机可以将组播信号快速准确地复制转发给需要信号的设备,基于这一通用协议,不同品牌的设备可以在通用交换机上实现信号的互相快速转发。

5. 基于SDN(SoftwareDefined Network 软件定义网络)的管理

在广播电视行业中,我们对信号的调度和管理有别于传统的IT 行业,在应用中,我们往往需要图形化的管理界面以及面板化的信号调度方式。此外,我们还需要根据不同的实际使用需求来改变我们系统信号拓扑,基于这些要求,我们需要在通用交换机之上能够有一套基于软件的人机交互界面,从而实现对交换机的更有效管理。

6. 全冗余构架设计,无缝切换保护

由于广播电视安全播出的要求,我们需要系统具备稳定性高、无单溃点以及系统能快速应急处理等特性。而作为信号调度和传输的IP 系统,自然也要满足这一要求。目前广播电视中的IP 系统我们都会采用全冗余的构架设计,系统中会有两套完全镜像的核心数据交换机。另外,所有的信号源设备都会发出主备两路信号去往镜像的交换机核心,而所有的接收设备也会同时连接镜像的交换机核心,同时接收主备信号,并且主备信号在接收设备端口上可以实现无缝倒换。这样就在信号调度核心和所有传输链路上都做了镜像保护,并且信号传输链路上任意节点出现问题,信号都会自动倒换,实现了快速自动应急的目标。

二 IP 交换机及控制系统的应用与发展

IP 技术在进入广播电视行业后迅速展现出了非常多的技术优势,而且其高带宽的传输特性对于超高清系统适应性尤其突出。因此,几乎90% 的超高清系统开始大量采用全新的IP 技术。而当IP 技术成为一个广播电视系统的核心后,我们也开始逐渐面临各种挑战,由于IP 技术最初并非应用于广播电视行业,我们必然会遇到部分技术特性无法完全匹配广播电视使用需求的挑战。这些挑战有技术瓶颈带来的,也有设备选型带来的。随着IP 技术在广播电视中的逐步深入,我们在不同的发展阶段面临的挑战如下:

1. 信号互通阶段

由于传统的广播电视制造厂商并不生产核心交换机设备,所以往往系统会选择IT 行业成熟的交换机厂商提供的设备,如思科、华为、Arista 等。在这一阶段,各个广播电视厂家的设备在信号层面实现了互联互通,大家基于统一IP 信号生成标准完成了信号的收发。但是由于IT 行业的交换机厂商往往并不开放其路由控制协议,信号的快速、灵活路由调度成为一个问题。如何用传统的矩阵面板和广播电视用户习惯的方式实现与原来基带系统相同功能的信号调度成为最大的挑战。在这一阶段,往往系统中只能提前将很多信号的路由在不同的接收设备上手动配置完成,因此要实现一个信号传输拓扑的建立往往要花费大量的时间。

2. 控制互通阶段

在经过第一阶段发展后,采用IGMP 组播转发结合SDN 控制管理的方式开始成为广播电视IP 系统的主流信号调度管理方式。但问题随之而来,不同厂家的末级设备无法采用统一的控制系统实现管控。因此系统中也出现了多套设备管控系统工作的情况。针对这一问题,出现了几种不同的解决方案:

方案一:有广播电视厂商制造了完全封闭的IP 路由设备,从而实现对IP 核心路由设备的调度管控,这一方案解决了核心路由设备的直接调度控制,但是放弃了通用平台的数据中心构架,使得系统的堆叠升级不再可能,而且会造成系统设备一次投入成本过高。

方案二:有部分广播电视软件厂商开始基于OEM 的白牌交换机和Open Flow 开发了针对交换机的软件控制系统,这一方案同样解决了核心路由设备的直接调度控制,并且保留了通用交换机灵活堆叠扩容的特性。可是,大多数大型通用交换机生产厂商由于专利和技术保护原因,往往并不开放其核心控制协议和接口,因此这一方案需要使用一些支持定制开发的白牌通用交换机。因此这一解决方案中使用的交换机稳定性成为最大的不可知因素。

方案三:各个广播电视设备厂商开始在设备控制层面采用通用的控制接口协议,以确保采用同样控制接口协议的控制软件可以同时控制不同厂商的末级设备。也就是基于NMOS 的IS-04/05/06 协议。在第二阶段中这种方案是目前最佳的解决方案,不仅可以实现设备控制的开放性,还支持网络拓扑中设备的自发现及自动注册配置,大大提高了系统中信号网络拓扑的配置效率。但是经过实际的应用,大家发现,虽然使用通用的接口协议,但是由于不同厂商对协议的版本兼容速度不同,所以这种方案的实际应用效果也并不是最理想。而且,这种方案并不能很好地解决控制系统对于系统核心IP 路由交换机的实时监控。因此,在IP 技术发展的第二阶段,我们仍面临一些挑战,由于这些挑战和问题的存在,我们甚至在IP 系统中开始重新使用部分基带信号,例如使用基带的画面分割器,借此来减轻控制调度系统的功能负担。可以说,我们现在非常需要能够从根本上去解决IP系统中的信号控制调度,以及IP 信号监控的功能。

3. 深层应用阶段

在经过第二阶段长时间的实践和应用后,目前一种全新的解决方案正在逐步进入到应用阶段,即传统的广播电视厂商开始与大型IT 厂商开展合作,在稳定的通用IT 数据中心级别交换机上做应用层的二次开发。这一解决方案的思路是不再通过通用交换机厂商的管理服务器实现与核心交换机系统的交换,而是直接将API 接口转移到通用交换机上。这种解决方案保留通用数据中心交换机本身高速、稳定的数据转发方式,不改变其底层的运行方式,转而在应用层上做二次开发。基于这样的二次开发,可以实现对通用交换机的可视化管理界面开放,使传统广电技术人员能够基于可视化、图形化界面实现对于通用交换机的系统及端口配置、设备内信号组播的转发管理及监控,集群化策略部署等。同时能够通过应用层的接口对接,实现路由控制设备对IP 核心通用交换机做路由控制。可以说,这一阶段的解决方案从一个全新的角度去寻找一种对IP 系统实现有效管控的方式,这种方式能够让使用者非常习惯的传统广播电视行业的管理控制系统更紧密地与通用交换机系统结合,让更多满足广播电视用户使用习惯和需求的功能在IP 系统中得以实现。

三 IP 化系统的数据流传输与测试

在IP 系统架构下,我们对于整个系统的传输数据测量与监测的要求也变得越来越复杂和深入。在现有的IP 化系统中,传输数据测量与监测手段较为单一,现有的信号测试仪器只能针对单一媒体信号进行监看与测量,对于IP 传输协议、媒体信号传输网络的整体状态分析还是空白。为提高系统的稳定性和安全性,加强IP信号传输数据的分析与查错能力,完善IP 化系统运维功能,应该对IP 化系统信号传输和测试方法进行深入的研究。

首先,要研究IP 化信号传输方式,系统数据传输需要遵循IP 传输协议,通过交换机获得网络链路质量、端口状态、业务路由状态、QoS、非法流量等IP 网络拓扑进行整体分析;其次,是研究信号协议以及各数据节点对信号的影响,使用测试仪器发送多种故障数据,确定故障影响设备或系统运行的原因以及现象;另外,还要研究并实现系统网络和信号数据的抓取、存储与复现,采用端口镜像、流量拉取及设备直连方式抓取IP 数据,实现故障数据归档和导出,以及对IP 信号传输中的所有数据进行完整分析,并根据行业标准以及故障对系统影响的结果,划分报警级别并报警。

通过上述这些研究,在业务上可以实现对整个IP 系统的数据传输有一个提纲挈领的认知和管理,避免了在发生系统状况时的措手不及;同时在知识储备上,也加深了对IP 数据传输监测的理解和掌握,也能为即将到来的更先进格式的IP 系统(如8K 系统)的设计和运行管理打下基础。

四 结束语

通过对IP 技术的一些应用以及遇到问题的分析,我们可以发现,IP 技术虽然目前在实际应用层面还没有达到尽善尽美的阶段,但是其进入广播电视行业后的发展速度无疑是惊人的,并且其技术本身的特性对广播电视的发展也非常有利,有些技术甚至开始改变广播电视原有的一些制作方式,例如正在迅速发展的远程制作及云技术等。而且目前广播电视行业中的各大制造商和用户均对IP 技术的发展持非常肯定的态度,技术研发的投入也不断增加。因此我们可以预见,未来IP 技术将会逐渐成为广播电视主流的信号传输和管理技术。

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视总台 谭阳