IP广播标准及智慧型系统架构改革路径

刘春桓 北京安达斯信息技术有限公司

IP广播标准及智慧型系统架构改革路径

刘春桓 北京安达斯信息技术有限公司

本文对广播电视IP技术的演进和路线图进行了介绍和分析，对智慧型系统架构-基于数据中心的智慧型实时视音频一体化异构平台做了深入的阐述。

IP技术 演进路线图 智慧型系统

一.广播电视IP技术的演进和路线图

从2013年至今，整个广电强调的是浅压缩的视音频，目前视音频压缩的应用和标准都已十分成熟。

图1是IP封装标准的演进过程。可以看出，IP标准将统一到SMPTE ST2110标准中，以充分发挥IP互联扩展的优势。

图2是AIMS的路线图。为了解决SDI向IP化转换，SMPTE首先发布了ST 2022-6标准，然后发布了AES67的音频标准，其后发布了定义在数据网络上分配同步包系统的ST 2059标准，2017年发布了ST 2110标准。ST 2110标准的发布只是解决了载体的问题，下一步是要打破控制的瓶颈，不同模块、不同产品可以堆叠在一起，形成一个整体的效果。

图1 IP封装标准的演进过程

图2 AIMS 路线图

图3是JT-NM开放网络媒体路线图。它主要分了这么几个阶段：目前的SDI阶段，包括SD/HD/3G-SDI、6G/12G/24G-SDI，特征是采用当前SDI成熟技术，SDI技术仍可使用多年，且技术还在发展；第一阶段是SDI over IP阶段，采用ST 2022-6、ST 2059标准，特征是开始IP的应用、当前工作流、易于远程制作；第二阶段是基本流阶段，采用TR-03、NMOS-DRS、ST2110标准，特征是更加灵活和有效的工作流、新的格式支持UHD和夹层压缩(Mezzanine compression)；第三阶段是自我管理阶段，采用NMOS SDN API、能力管理(capability management)，特征是更灵活、可共享的自动资源管理、大规模的基础设施；最后一个阶段是虚拟化阶段，特征是云架构、分布式、按需、工作流。从图3可以看到截止至2017年NAB各个阶段的进展情况。

我们从JT-NM开放网络媒体路线图中可以引入一个什么思考呢？IP的标准和特点，包括IP的性能，IP的完善是没有终点的。广电不可能等它达到最完美的状态才进行改造。举一个例子，ST 2022-6标准发布时，2014年我们首先做了江苏台的IP分发平台，然后做了重庆的IP分发平台，四川台的IP传输，海南台的全国第一个浅压缩的实时4K调度系统，还有云南台的浅压缩的实时4K调度系统等等，从这些案例可以看到是没有一个最完美的节点的。其实，我们只要选择一个合适的点切入，然后让整个系统保持一个完美的可升级路径就可以了。

图3 JT-NM开放网络媒体路线图

第四个阶段是虚拟化阶段，再延伸就是数据中心的概念，未来的广电系统更多的是趋向于数据中心。数据中心的特点是灵活、虚拟化、云分享、云制作等等。

我们现在的系统很多是线性系统。IP化的第一步是把现在的线性系统IP化，这种形式的IP化，其结构是IP化的，但在流程上还是单一性的思维，没有充分发挥IP的优势。未来数据中心的架构是，核心路由调度系统提供整个数据中心的接口和交换能力；资源池提供整个系统的处理能力；云化的资源池载体，包括公有云、私有云和专有云。

传统基于基带的实时音视频制播平台流程是：转播制作--传输汇聚--总控调度--播出分发。当今云计算、大数据在广电的应用正引领媒体制作的变革，公有云、私有云在媒体的非编制作、媒资、转码、播出、直播、点播、分发各个领域正得到广泛应用；大数据分析的兴起与应用，提升了媒体的制作、资源投放的精准性。

实时音视频系统IP化演进见图3。

实时音视频系统承载了大量的实时体育类直播、节目制作，包括一些重点新闻的播出，实时音视频与为了和网站竞争引入的针对用户的如“快手”这类视频的安全机理是不一样的。

二.基于数据中心的智慧型实时视音频一体化异构平台

图3 实时音视频系统IP化演进

基于数据中心的智慧型实时视音频一体化异构平台，媒体制播将趋同于一个大的数据中心，要求数据中心要有交互能力，有交互特性的重点需求。基于数据中心的智慧型实时音视频集成平台的架构见图4。

基于数据中心的智慧型实时音视频一体化异构平台的核心是调度中心、全流程控制管理软件、计算与处理。

1.路由调度中心

互联网的快速发展，内容制作从传统的电视台、电影公司制作正逐步走向多样化，视频网站、传统媒体、个人直播、自媒体异军突起，在内容为王时代，竞争也越来越激烈。内容只有逐步向专业制作，体现个性化方向发展，才能在激烈的市场竞争中生存下来。

（1）路由调度中心特征-完全的无阻塞架构我们在和浙江台、腾讯的交流中，他们很关注他们搭建的路由调度中心的架构是不是完全的无阻塞架构。图5是今年路由调度中心完全无阻塞架构示意，假设每一个枝叶上是10T，它与核心层的交互，理论上要达到10T才能更顺畅的联通。

广电路由调度中心的实际架构可见图6的案例。上面是288路×288路规模的矩阵，下面是32路×32路规模的枝叶矩阵，如果枝叶矩阵想达到和核心层完全一样的核心架构的话，除了自身的32路×32路调度之外，还要再有一倍的32路×32路的带宽与核心接连。

（2）路由调度中心特征-更高的带宽利用率

图4 基于数据中心的智慧型实时音视频集成平台的架构

图5 路由调度中心完全无阻塞架构示意

图6 广电路由调度中心实际架构案例

带宽利用率是系统的核心资源。广电目前比较通行的切换方式有三种，第一种切换是基于切换基准的IP路由切换（Switch Timed Switch），通过SDN给IP矩阵信号源发路由表的方式进行切换，它的带宽利用率可以达到100%，但是当多级级联时，涉及到多级交换机同步命令的表格，延时量比较大。第二种切换是目的端切换（Destination Timed Switch)，它的带宽利用率不足50%。第三种切换是源端切换（Source Timed Switch），切换时SDI直接发命令给交换机，来完成信号的切换，它的切换不依赖于后端设备，带宽利用率高，但系统的扩展性存在问题。

图7 路由调度中心不同切换方式下的带宽利用率

过往几年的实践证明，基于切换基准的IP路由切换方式，在带宽节省、扩展组网便捷方面有明显优势，能更好地满足广电制播的安全性与开放性的要求。

（3）路由调度中心特征-更灵活的冗余保护机制及扩展机制

在路由调度中心里面，大家比较关心就是它的冗余机制和扩展机制。有多种1+1冗余，或是N+1冗余方式等冗余方式的选择。当我们建了一个IT路由中心或者是调度中心，我们会关心系统的扩展性。传统交换机的扩展需要在运行系统中添加交换机，然后制定策略，把策略重新添加进去，这个设备才能启用。这就存在一个问题，路由系统可能是一个实时系统，这个扩展会增加系统的不确定性和不安全性。好的扩展方式是所有策略都制定在交换机内部，扩展只需拔插板卡。

（4）路由调度中心特征-带宽的快速升级10G/25G/100G

25G是IEEE发布的IT 接口标准，被广电IP应用所采用。2014年7月，25G通过了IEEE机构的第一道关卡，并成功地完成了意向征集（CFI），后完善成为现在的SFP28+和QSFP28+。系统支持25G和COTS通用IP交换机支持25G是两个不同的概念，25G是IT的一个概念，COTS通用IP交换机支持25G仅是交换机对25G的支持，对厂商来说，只有周边设备完成了25G的应用，才能说系统支持25G。

图8 路由调度中心冗余保护机制

广电IP采用25G接口具有以下优点：

a.采用IT标准，具有更优的升级路线。

25G是2014年整个IT行业的发展路线图，IT行业认为用于视音频媒体，25G的核心利用率要远胜于40G，所以提出了一个升级路线图，10G-25G-100G。100G就是四个25G的并联，叫QSFP28+。25G与40G相比，光缆传输的区别在于，25G是用一条光缆中的两根芯来传输，40G是4个10G的并联，需用4根光缆分别传输。

b.可以传输4K、4K 120P、8K格式的超高清信号。

两种IP切换方式下，25G带宽利用率的区别在于，采用基于切换基准的IP路由切换（Switch Timed Switch），带宽可完全利用；可传输2路4K或传输1路4K 120P，两个25G可传输1路8 K。采用目的端切换，带宽损失一半，传输1路4K，带宽利用率不足50%。

图9 25G与40G光缆传输的比较

（5）路由调度中心特征-自动发现、识别、添加、路径实时监看

路由调度中心的自动发现、识别、添加、路径实时监看是未来的发展方向，虽然这个标准还没有发布，但各厂家在努力做这方面的探索，为未来的技术做储备。在2017年NAB展会上，已有公司展示了自动发现、识别、添加、路径实时监看的功能。

（6）路由调度中心特征-确定的路径和低延时量以及路径追踪

路由调度中心还有一个特征就是确定的路径和低延时量以及路径追踪，在此不再详述。

（7）路由调度中心特征-环网

当我们系统做得很大，不仅是自己的一个数据中心，并与多个数据中心相连，这时就需考虑IP系统对链路自愈的支持、智能化冗余路由选择、以及与多方路由调度网络系统的互联互通

图10是环网架构的路由调度中心互联示意图。环网全IP化，支持骨干网络连接，支持裸光纤及OTN/STM干线连接，支持10G/25G/100G的高速连接，IP信号可任意路由，支持链路自愈、智能化冗余路由选择，能与多方的路由调度网络系统互联互通，协同工作。

图10 环网架构的路由调度中心互联示意图

2. 智慧型实时音视频集成平台控制管理软件

基于数据中心的智慧型实时音视频一体化异构平台的第二个核心是全流程控制管理软件。智慧型实时音视频集成平台控制管理软件见图11。

每一家IP产品都有自己的管理软件，包括我们现在新接驳的IP，还有传统的非编的和制作系统，都有自己的管理软件。我们结合在腾讯和浙江台的系统建设有如下思考：电视台在未来的技术系统中会构架一个平台控制管理系统，这个平台控制管理软件可以与其他第三方或其他厂家的管理软件进行协议通讯，通过这个平台控制管理软件，可以看到只是他们需要用到的并且用户亲和度比较高的管理软件，这个平台控制管理软件只需向下发指令，由各厂商的管理软件来进行相应的服务。

平台控制管理软件的要点包括：（1）全流程资源定义（2）面向用户预约 （3）灵活流程定制 （4）全流程监控 （5）大数据分析

智慧型实时音视频集成平台控制管理软件工作流程见图12。

图11 智慧型实时音视频集成平台控制管理软件

图12 智慧型实时音视频集成平台控制管理软件工作流程

3.计算与处理

基于数据中心的智慧型实时音视频一体化异构平台的第三个核心是计算与处理。

（1）微服务组建与部署

建立各微服务工具、模块资源池，通过组合形成一个个独立关联的微服务。可灵活根据实际应用的需要，利用多个微服务，形成一个完整的工作流程，并部署执行。

（2）云计算：公有云、私有云、专属云资源调用与部署

IP调度中心会给我们带来什么改变呢？图14的应用场景是2013年就已经搭建完的IP核心调度系统，所有的演播室、远程制作的APA信号都通过远程传输过来。它改变了我们传统的制作方式，比如说原来你的转播肯定要派团队过去，现在更多是制作团队在异地做一个远程制作和传输，这对运营肯定是有很大帮助的，包括德国的电视台都已有大量的应用案例。

图13 微服务组建与部署

图14 应用场景1-全IP中心信号路由调度

图15的应用场景2是我们正在搭建的联通二期项目，联通的第一期项目是在全国八个省会城市搭建一个基于传统视音频应用的核心骨干网。联通的想法是，电视台做晚会或是直播，可直接由制作团队在异地制作后，再通过联通的核心骨干网把信号传回来，在本地完成制作。一期项目是国内八个点，二期会做国外的四个点，包括洛杉矶、伦敦、东京和香港。

图15 应用场景2-全IP广域传输网络路由调度-中国联通