中央广播电视总台B5 超高清4K-IP 转播车网络架构详解

中央广播电视总台B5 超高清4K-IP 转播车, 立项恰逢制作系统从高清到4K、从基带到IP 的过渡阶段,作为总台第一辆4K 超高清转播 车及国内最早的IP 转播车之一,其系统结构 和网络架构的设计理念对后续总台4K-IP 转 播车的技术路线具有重要的参考意义。本文以 中央广播电视总台B5 超高清4K-IP 转播车 为例,主要从网络架构、PTP 同步、SDN 管理系统及网络安全几方面来分析解读。

摘要

随着广电技术的发展与变革,4K 全流程转播成为现实,4K 转播车亦成为其中的重要环节。在以往的高清转播车的设计中,大多数采用了SDI(串行数字接口)来完成制作过程中的视频流数据传输,但是此类方案中线缆与视频矩阵连接的硬件连接方式成本过于高昂。在进入到4K 领域后,伴随着分辨率等技术指标的提升,视频信号传输的码流也更大,如果采用现有的4×3G 基带解决方案,必然需要大量线缆,挤占转播车空间,为后续的工作区域规划及技术维护带来难题;并且在系统的灵活性、可扩展性、信号长线缆远距离传输稳定性等方面都造成诸多不便。

伴随着各大厂商IP 类产品的研发和IP 净切换、IP 同步等技术问题的解决,广播电视正值高清到超高清的技术转型阶段,技术创新和新技术试验都是必要的尝试,但是在B-5 车筹备之初,现有的SMPTE2110 的行业标准也并未发布,进入讨论的以TICO 和NMI 两种符合SMPTE2022-6 协议标准且接近无损的4K 视频浅压缩协议为代表,出于系统安全性及周边设备等因素考量,最终以NMI 为主的B5 转播车4K-IP 架构方案实现了视频制作全链路的IP 化。

一 系统架构

在中央广播电视总台投入运行的第一辆B5 超高清转播车上,所采用的IP 架构是基于IT 行业的商用货架产品(COTS)作为核心交换机来打造的平台。在系统内主要分为视频信号链路和控制信号链路两大部分,采用Sony 的NMI 网络媒体接口进行系统内设备之间的信号传输。IP 化的系统架构让转播车拥有了许多优势,比如优化系统结构减少了线缆的使用数量,IP 网络中的格式自由,扩展更加便利,在多系统间的数据共享和信号共享也更加具有可能性。

B5 超高清转播车在网络架构上采用了两层网络结构,在拓扑结构上也类似脊叶(Spine-leaf) 网络结构,这种架构相比三层架构缺少了汇聚层。在设计初期,考虑到转播车空间、电路等资源有限,数据交换需要高带宽、低延时、各服务器之间的横向通信高效率等需求,因此借鉴了这种在数据中心运用较为成熟的架构理念,设计了B5 转播车的网络架构。在设备型号上选用了CISCO C9272Q,CISCO 3850,CISCO 2960X三型通用交换机。

1. CISCO C9272Q

核心交换机,主备各1 台,具有72 个40Gbps 的QSFP+ 端口,最多配备了35 个端口,每个端口通过MTP 连接线将端口分离为4 个10G子端口。连接CCU、切换台、录像服务器、网关卡、SDN 交换机等。因为SDN 控制管理系统的信号管控需求,而且LSM 服务器的网卡数量有限,所以核心交换机与下层SDN 主备交换机连接,并未做到完全独立,实际上核心交换机与SDN 交换机的数据交换有限,在后续的转播车网络架构中已经通过增加LSM 网卡数量,使核心交换机相对独立,保证音视频核心业务的安全稳定。

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2. CISCO 3850

具有48 个千兆以太网端口,以及4 个10Gbps 的SFP+ 端口,具备堆叠功能。

◆ SDN 交换机2 台,以堆叠方式连接,连接慢动作服务器、KVM服务器、视频监看矩阵、Tally 控制器等;

◆ VE 分区交换机和导演分区交换机各1 台,连接全车各工位KVM面板、通话和控制面板等;

◆音频交换机主备各1 台。

3. CISCO 2960X

具备POE 供电能力的千兆级交换机,具有24 个千兆以太网端口,以及2 个SFP+ 上行链路端口。共2 台,分别连接CCU、RCP 控制面板和切换台控制接口。

转播车网络拓扑图如图2所示。

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图 2 在核心层也就是视频业务层采用了思科9272Q 万兆交换机,这一层是数据高速交换的主干,更高宽带的交换机能保证整个核心层的可靠性,高效性,低延时性,同时冗余备份机制上也符合SMPTE 2022-7的标准要求。在以核心交换机为主的IP 视频链路中,主要由NMI 网关卡、切换台、SDN 服务器、慢动作服务器、VE 技监等构成。其中NMI网关卡实现4K 基带信号到IP 信号流之间的双向转换,核心交换机实现组播数据流的复制和转发,慢动作服务器通过NMI 网关卡的IP 流信号转换从核心交换机获取视频信号进行慢动作制作,完成后输出回核心交换机,由切换台、SDN 服务器对所有视频信号进行调度、DME 制作完成节目制作,VE 技监通过VE NMI 网关卡对核心层的4K 信号进行画面监看、技术指标监测。对于符合要求的2SI 格式的4×3G 或12G基带外来信号,经过音频解嵌、HDR 色域转换等必要操作后,由NMI 网关卡按照NMI 的打包方式转换为IP 流,通过核心交换机和系统内讯道信号一起参与节目制作,经过制作完成后的视频信号回到核心交换机,由NMI 网关卡转换为基带4×3G 信号,经过加嵌器、视分等必要设备输出到车外接口板,送给传送部门。

在第二层控制层所采用的是思科3580 交换机, SDN 集中控制平台,在这一层中连接转播车上SDN 集中控制平台下所有具备网络服务功能以及有控制需求的设备,服务器。在这里实施汇聚,管理和集中控制,减少核心层的业务量。两台SDN 交换机通过堆叠方式连接,在连接意义上也可看作一台交换机。两台SDN交换机分组下联了各类服务器、KVM、Tally 控制器、交换机调试端口等,通过下联设备分组的方式,合理分配连接在两台SDN 交换机下,确保当某一台SDN 交换机无法工作的情况下保证部分设备工作和转播车的主要工作仍可部分正常运行。

在分区交换机中分为导演分区和VE 分区两台3850 交换机,这两台交换机所连接的都是面向转播车终端工位上所使用的控制面板、通话设备、KVM 等等。两台交换机分别连接到SDN 主备交换机,在备份机制上也和SDN 交换机相同,采用下联设备分组的方式分别接入交换机,保证一台交换机不工作时另外一组设备能够正常使用。音频3850 交换机主备各一台,连接主备调音台、技术监听服务器、延时器等,相对独立,仅与主备视频核心交换机连接。

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在最底层中采用的是思科2960 交换机,在这一层中不再需要处理大流量的音视频信号,也没有复杂的控制信号。它所接入的是RCP、CCU、切换台设置操作面板等设备,能保障设备POE 供电需求和简单的信号交流即可。出于转播车系统运行及播出安全的考虑,仅将两台2960 交换机主备连接,暂未与上层连接,作为独立的控制分区,但有预留接口,具备上行链路能力。

在整个网络中通过划分虚拟网络(VLAN)的形式,将核心交换机划分出NMI 视频业务、素材Share play、车外接口、音频和TICO 编解码等子网,将控制域内的SDN 和分区交换机划分出音视频周边服务器、格非SDN、KVM、交换机调试、通话等子网,将POE 交换机分为摄像机控制和切换台控制,通过这几类VLAN 的划分,使不同功能的设备分布在不同广播域下,相互隔离,有效避免了网络拥堵和广播风暴,使得整个网络更有策略,也更加安全、高效。

二 系统同步方式介绍

4K-IP 转播车系统中所采用的同步方式是以BB 和PTP 相结合的方案,系统内所有IP 类设备采用PTP 同步方式,除此以外的设备主要仍然是以BB 同步方式为主。

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本系统主要采用的同步设备有两台TEK8000 同步发生器和同步自动倒换器,Sony 切换台以及一块Sony PTP 发生板卡。同步逻辑上,由TEK 同步发生器产生BB 同步信号,经过同步自动倒换器下发到下游的CCU、切换台、调音台以及各类周边机箱。同时,切换台、Sony 板卡通过与接收的BB 信号进行同步内部锁定后,将Sony 板卡作为主PTP同步源,切换台作为备PTP 同步源,发生PTP 信号,输出给主备核心交换机,进行IP 系统内的PTP 同步下发。当主PTP 丢失时,同步系统将自动倒换为备PTP 同步,待主PTP 工作正常时再回到主PTP。

造成这种同步方式的原因主要是两个方面:一是系统中仍然有许多设备是采用SDI 的方式进行信号交流,比如高清视频监看矩阵、加解嵌器、视分、切换台基带输出等等,它们依旧需要BB 信号的存在来完成信号同步;二是系统内多采用Sony 的NMI 信号格式的IP 类周边设备,但是Sony 自有的PTP 信号与 TEK 同步发生器所发生的PTP 信号协议无法相互识别,并且Sony 的LSM 控制系统无法采用外部设备作为PTP 同步源。故而采用现有方式,而不是TEK 同步发生器同时输出PTP 和BB 信号的方式来做系统同步。但是在中央电视台最新投入使用的4K-IP 转播车上,全车均采取了SMPTE2110 的标准格式,其同步系统就采用了TEK8000A 为主要同步发生器,以PTP 为主要同步方式的PTP 与BB 相结合的同步方案。

三 SDN 管理系统的运用

SDN(software define network),原义软件定义网络,在IP 领域定义为三个概念,可编程、控制平面与数据平面分离、可管理的逻辑集中控制模型。在广电领域的IP 化转播系统中,我们的需求是在SDN 的控制和管理下,IP 交换机可以实现传统SDI 矩阵的功能使控制层与数据层分离,能够通过传统操作方式管理、分配和切换信号,提供设置、管理、操作接口或界面等管理功能,以及浅层的逻辑编辑能力。这些主要体现在音视频数据流与控制信号分离,Tally、源名的可编辑需求,构建虚拟矩阵及各类设备集中管理需要。转播车的LSM 和格非SDN 管理系统,解决的就是这些硬件软件化的问题。

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在传统的视频转播系统中,它拥有庞大的基带视频矩阵来满足制作时的信号调度需求,Tally和源名的控制也是一项较为复杂的逻辑控制,它依赖于Tallyman等类似的独立软件来进行处理,joystick 则需要一定的物理元器件的物理触发来实现。但在IP 系统中,用虚拟矩阵来代替传统矩阵的功能,整个系统中的设备各自占据源与目的来构成一个庞大的虚拟矩阵,但是相比之下,虚拟矩阵的使用更加灵活,它省去了大量的视频线束,简化了操作难度,但又保证了高效率和低错误率。Sony 的LSM 管理系统,它便通过与交换机的底层交互,完成了信号路由调度、设备管理、冗余设置、网络监控等一系列Sony设备系统内的管控操作。在格非SDN 管理系统中,通过映射LSM虚拟矩阵、Sony 切换台矩阵、SDI监看矩阵、画面分割等连接各类周边设备,让格非SDN 存在于系统SDN 管理的最顶层,通过第三方技术协议的打通,让其成为用户对系统内应用的交互窗口,实现统一的管控、检测。同时通过IP 化的手段让Tally、joystick 等这类逻辑信号也变得更加易操作和易理解,逻辑绑定上变得可视化,逻辑处理上的设计思路更趋向于PLC 编程,逻辑思路更加清晰,日常使用更加便捷。

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目前世界上的广电设备供应商中,大多也有自己的SDN 系统,例如BFE-KSC,Lawo-VSM,AXON-Control and monitoringsystem 等,但各厂商SDN 控制仅支持自家系统,接口连通还存在一定的限制,大多是视频业务系统中视频流的管理者角色,无法实现同一平台的综合集中管控,还需要进一步的行业标准规范和深层次的三方技术合作才能实现。

四 网络安全和维护

在设计初期,考虑到转播领域,特别是外场转播工作中,存在转播车频繁转场,设备频繁加断电,以及户外转播现场环境恶劣的情况,这些客观的外部环境及使用环境都会在一定程度上影响交换机的使用寿命,特别是交换机电源、风扇、光纤接口模块等。所以选用COTS类的交换机产品,其设计是能够支持设备稳定持续运行数万小时,并且广泛运用在IT 领域,经过了市场检验,设备的稳定性具有相当程度的保障。在系统网络架构设计上,我们也充分考虑实际情况和系统安全需求,规划主备链路、设备分组、划分VLAN 等方案,在底层设计上打好基础,尽可能地做好安全性规划和应急保障。

由于转播车使用环境的特殊性,在日常的使用过程中,做好硬件设备的日常巡检是很重要的。需要每次转播车加电时都观察交换机和各服务器的工作状态,定期检查服务器硬件,定期登录交换机查询运行情况、工作日志等,做好记录与数据备份。做好全车的周检、月检以及大型活动前的安全检查和稳定性测试。发现硬件故障及时上报维修。

转播车的网络环境是一个相对隔离的局域网,所以在日常的使用中,我们也要求不与外部网络环境连接,保障其独立运行。如工作需要与外界进行文件传输时,应做好硬盘的病毒查杀,再接入系统。并定期对转播车安全防护软件进行更新。

在投入运行的两年多时间中,我们进行了一系列的系统安全性测试,通过模拟在工作过程中可能出现的设备故障或意外断电、服务器宕机等各类突发情况,进行了长期的技术安全验证,最终转播车的各类设备的备份机制和应急机制均运转良好,保障了系统的正常运行。且经过春晚、一带一路会议、国庆70 周年阅兵活动等大型直播活动和高温、雨季高湿度等各类气候的考验,均表明当前B5 超高清转播车的系统及网络安全性能良好。经过日常运行的总结与积累,为总台转播部后续4K-IP 系统的运行保障提供了有效的意见。同时以B5 超高清转播车为平台,联合多方积极开展相关技术规范的探索及制定工作,对后续转播车的设计起到了很好的技术验证作用。

五 结语

B5 超高清4K-IP 转播车作为中央广播电视总台乃至全国第一台投入使用的全4K-IP 转播车,它所采用的网络、同步、监看等设计方案和多数周边设备都是技术过渡时期的产物,其中的许多在现在看来都不是最优解,但是它对转播系统的IP 化却起到了重要的引领作用,完整地体现了在技术革新的历史阶段中一次勇敢的技术尝试。

随着4K-IP 转播系统的深入使用,不管是电视台、制作公司等用户端,还是各大设备厂商,对IP 系统的需求与研发投入都将日益增长。诸如系统内全链路综合管控、故障可溯源、网络安全实时监控等辅助安全手段都会慢慢落地实施,更加有利于转播工作的优质、高效和保障系统的播出安全。并且随着行业发展以及互联网资源的涌入,相信未来各品类设备间的互联互通也会得到更好的解决方案。

转载请注明来源:《现代电视技术》 作者:中央广播电视台总台 李铿