基于SDN 架构的IP 化播出系统研究

武 岳

（北京广播电视台，北京 100012）

0 引言

传统电视播出系统正面临着诸多挑战，传统系统采用同轴电缆的数字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）基础架构，技术成熟，可靠性高，应用广泛。但是现在随着超高清（4K、8K）技术的发展，SDI 基础架构技术越来越难满足业务的发展要求，势必会使系统向平台化、网络化、IP 化发展，因此播出系统架构的互联网协议（Internet Protocol，IP）和信息技术（Information Technology，IT）化势在必行，不仅可以解决超高清信号的带宽、传输和调度问题，还能够集中管理工作流业务，为智慧广电打造技术基础[1]。

1 基于切换开关的传统SDI 播出系统

广电系统在高标清时代一直沿用SDI 基带播出系统。由于该系统技术成熟、稳定可靠，目前仍旧是各大电视台的主流技术架构。主备视频服务器、外来SDI 信号、应急信号等经切换台16×2 切换器，然后过键控器将键混信号送到SDI 末级2×1（4×1）应急倒换开关，经SDI 编码器编码复用后输出播出传送系统，如图1 所示。若主播出单元出现故障，则紧急切换备信号，保障播出安全[2]。

图1 传统SDI 播出系统

传统SDI 基带播出系统的主要优势有技术成熟、可靠性高、应用广泛，信号传输延迟低，16×2切换器可通过外部基准信号实现现场消隐静切换处理，确保播出质量；其劣势在于随着4K、8K 超高清信号对带宽提出更高的要求，传统的SDI 传输方式需要对复杂的不同信号、网络以及线缆进行整合。即便12G-SDI 技术的发展已经相对成熟，对于8K等业务带宽需求来说仍然捉襟见肘。传统的SDI 播出系统属于闭环信号系统，为保证播出安全，其架构简单、易操作，但系统灵活度不高，无法依靠软件对业务流程进行管理。因此，传统的SDI 播出系统已经不能满足超高清业务的发展需求，实现广播电视播出系统基础架构的IP 化、网络化，基带SDI 信号和IP 流信号的相互融合势在必行[3]。

2 基于SDN 架构的IP 化播出系统

随着超高清视频产业的迅速发展，4K、8K 超高清信号对带宽提出更高的要求，传统的SDI 传输带宽、调度矩阵、播出方式等已经不能满足技术需求。因此，需要采用基于信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）的IP 化 架构解决高带宽信号的传输和调度。基于IP 架构的组网方式主要依靠软件定义网络（Software Defined Network，SDN）交换机架构实现IP 流的静切换。

IP 播出系统主要由SDN 矩阵、IP 虚拟服务器、万兆核心交换机、二级存储、IP 播出虚机等设备组成。建立高可靠、以IP 交换机为核心进行信号传输、信号交换及调度的制播系统，能够充分发挥IP 网络特点，实现视频、音频、同步、控制等系统的IP 化信号传输。通用化IT 设备采用无压缩SDI/IP 技术、SDN 控制技术、虚拟化技术实现基于SMPTE2110协议标准的无压缩视音频码流播出控制管理。系统建构于通用的计算机服务器硬件平台，基于虚拟化技术实现自动化播出控制，提供了在通用IT 环境下构建高融合、高带宽、高扩展、高可靠的广播电视视音频播出解决方案，不需要专用视频服务器及视音频处理周边设备，减少了系统构建和维护成本，且具有极好的扩展能力[4]。

2.1 All in One 和IPG 网关

IP 化播出系统采用All in One 一体化播出模式，采用集成化的系统建设思路，使其更加简洁和易维护。播出系统能够完整地实现传统SDI 播出系统的相应能力，包括转播CCTV、演播室信号等线路信号，实现图文包装，提供台标、挂角字幕、整半点报时等功能。All in One 服务器播出还具有视音频IP 流检测、素材管理、素材整备、时钟服务、自动播出系统等服务。

SDI/IP 网关将SDI 信号打包成无压缩视频IP流（基于SMPTE ST 2022 标准）。IPG 网关可以将SDI 信号和IP 相互转换，这种传统信号和IP 流互相转换的能力实现了基带SDI 信号和IP 流信号相互融合的新型异构的播出系统模式。系统的异构也是安全播出保障的重要手段之一。

系统中SDI/IP IPG 网关将外来和演播室等SDI信号经过内部网关协议（Internal Gateway Protocol，IPG）转换成无压缩视音频IP 流。IP 流采用SMPTE ST 2022-7 标准定义两个数据包冗余备份的协议，不仅主备数据流可以实现自动切换，而且源和目的之间也可以自动切换。IP 流的输入和输出可以使用同一个端口。通过此协议，主备IP 流进入SDN交换机进行流之间的控制切换，最终输出的IP 流经过编码送到传送系统，整个流程如图2 所示。

图2 IP 化播出系统

2.2 IP 化播出系统SDN 交换机

从SDI 向IP 过渡，就是从静信号架构向动态信号架构转变的过程。在传统的制播网络中，管理一个动态的系统，且要实现广电所见即所得的管理特点，去中心化是网络设计的一大目的。结合目前制播网络的实际应用，IP 化播出管理系统应运而生。

IP 化播出管理系统最重要的核心是SDN 交换机。SDN 是一种新型的网络形态，是网络虚拟化的一种实现方式。广电系统IP 化的核心就是利用SDN 交换机替换传统的切换开关和调度矩阵。IP播出系统一般采用H3C 交换机，支持OpenFlow 和组播网络地址转换（Network Address Translation，NAT）。OpenFlow 是SDN 矩阵所用的控制协议，通过将网络设备的控制面与数据面分离开，实现对IP 流进行智能化的灵活控制。在OpenFlow 协议下，SDN 控制器可以像控制传统矩阵一样管理SDN 交换机，在路由转发层面修改IP 流的组播地址和端口号[5]。

“流”是对同一时间经过同一网络的具有某种共同特征或属性的数据抽象出的概念。例如，可以将访问同一个地址的数据视为一个流。流一般由网络管理员定义，可以根据不同的流执行不同的策略。在OpenFlow 中，数据都是作为流进行处理的。

在IP 化播出系统中，SDN 网络交换设备完成所有的播出业务调度和数据交换。视音频的IP 流会在SDN 中形成策略定义后的流表，控制器根据动作表对核心矩阵发出动作指令，根据组播IP 地址形成组播流。与路由表定义某一个网段的转发规则不同，流表的自由匹配度更高，可定义交换机某一端口进入的流，也可以定义某一台设备发出的流，还可以定义转发目的流，将输入端口、IP 协议、目的地址（组播地址）、目的端口号组成一个流表。转发规则就是根据动作表将流表进行匹配，再根据组表进行转发，因此网络交换设备还需要具备组播能力。

组播NAT 是一种组播网络地址转换技术，用于转化组播流特征中的源IP 地址、目的IP 地址及目的端口号。组播NAT 技术采用在组播流入接口配置两级流策略匹配输入的组播流，出接口配置组播流转换规则，使同一条流可以被复制到多个出接口上并按照各自的转换规则修改组播流量特征。通过修改目的IP 地址并转发出去，可实现有效隔离，提升安全性，其他端口无法收到未授权的报文。这种基于组播NAT 能力的核心调度切换如图3 所示，能够完全满足视音频IP 流的调度切换业务。

图3 IP 流SDN 核心调度切换

SDN 的联网方式取代了Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）拉流方式的边缘切换，采用核心调度从整体上对所有的视音频IP 流的路由决策控制逻辑进行管理，为播出业务需求选择最佳调度切换策略。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，对流表进行匹配。如果匹配成功，系统将执行指令（更新动作指令、更新匹配域、更新流数据）；如果不匹配，则不会对业务流表进行转发，直接丢弃或继续下一个流表项，对非法内容进行有效隔离。同时，网络交换设备具备一定的优化决策能力，能够为播出业务流预留带宽，避免受到其他业务流的调度影响，为IP 化播出系统的安全播出提供技术保障。

随着广播电视业务的不断发展，播出系统信号切换调度业务承担者由传统切换台、切换矩阵转换为交换机。交换机能完全满足视音频IP 流的数据交换需求，但播出系统的信号切换调度功能还需要配合相应应用层软件对相关业务的管理和处理，控制SDN 交换机实现视音频IP 信号的复制（分配）、转发（切换），实现播出系统的IP 化。

3 结语

IP 化是广电技术发展不可阻挡的大趋势。IP化系统构建简便，与传统的基带播出链路采用单向传输相比，IP 化后可采用万兆光纤带宽满足播出业务需求。随着信号传输密度的增大，系统采用通用化IT 设备，面对将来的4K、8K 等技术发展，无压缩SDI/IP 技术、SDN 控制技术、虚拟化技术具有平滑升级的能力，相较于传统基带播出格式依赖于硬件设备的情况具有天然优势。因此，广电系统网络化、IP 化甚至是云化的技术革新将势在必行。