浅析基于IP的转播系统网络架构设计.pdf

关键词转播系统 IP SDN 网络架构浅析基于 IP 的转播系统网络架构设计 作者 中央广播电视总台王丽英本文介绍了转播系统由基带域转入 IP 域后，如何从 SDN 系统工作原理、交换机/路由器选型、网络功能域划分、PTP同步域设计等方面考量，设计实现一套安全、稳定的 IP 网络架构。摘要近几年 SMPTE 陆续颁布 ST 2022、ST 2059、ST 2110 等 IP 标准，为电视转播技术和相关设备由基带信号转为 IP 信号奠定了基础，各厂家纷纷转型，研究和发布基于 IP 的广播电视设备，并与传统网络设备供货商深度合作，开发 SDN 控制系统，解决 IP 信号的传输与调度问题。如何将视音频设备通过 IP 网络连接起来，实现传统基带矩阵功能，确保视音频 IP流无阻塞、低时延、高可靠的传输与调度，设计实现一套安全、稳定的 IP 网络架构至关重要。一 IP 网络设计要求 1.网络架构设计转播系统的 IP 网络是一个小型化、高速率的局域网，网络架构设计必须考虑安全性、兼容性、扩展性，具备时政、体育、文艺等多种电视节目制作能力，满足安全播出要求。（1）安全性网络架构设计应分析转播系统各类IP流的类型、占用带宽、优先等级、终端设备物理位置，区分不同网域；核心设备和视音频IP流要符合ST 2022-7标准，实现核心业务的链路冗余和数据冗余；网络设备要预留热备份端口和网络线缆；网络设备之间级联端口需详细计算上下行流量带宽，满足视频净切换双倍带宽需求。（2）兼容性网络架构设计应满足核心设备的使用需求；各类视音频设备能无缝接入系统，并考虑到带外控制、带内控制需求；满足高清制作、4K 制作甚至 8K 制作要求；满足 ST 2110-20 无压缩信号传输要求，兼容 ST 2110-22 浅压缩信号传输要求；满足多功能区制作要求。（3）扩展性网络架构设计应支持接入多种类、多速率设备，扩展现在系统的制作能力；支持多套转播系统之间互联，包括业务数据、控制数据互通和素材共享迁移等；支持与其他业务系统互联；应考虑支持远程制作能力。2.网络设备选型网络设备作为转播系统的核心调度设备，选型的设备必须满足数据处理能力、端口种类、广电设备特性要求、技术维护等方面需求。（1）数据处理能力网络设备的处理能力必须具备线速处理能力，即设备标称交换能力大于等于设备所有接口带宽总和的2 倍；支持堆叠功能。（2）端口种类网络设备应根据接入设备需要，支持 100GE、25GE、10GE、1GE 端 口 速 率；支 持 LC、MPO、BIDI 接口的光纤和 RJ-45 双绞线接入；支持光、电口模块热插拔；兼容单模光纤、多模光纤接入；支持PoE 供电能力；支持 FEC 功能。通常 1 路 4K 50P ST 2110 无压缩视音频 IP 数据流带宽不超过为 9Gbps，1 路 8K ST 2110 无压缩视音频 IP 数据流由 4 路 4K ST 2110 IP 数据流组成，带宽不超过 36Gbps，为保证视频信号净切，部分端口需考虑双倍 4K 带宽，业务域基础端口速率应从 25Gbps 起步，最高速率不少于100Gbps。主流核心设备业务端口速率见表 1。中心技术SYSTEM TECHNOLOGY076（3）广电设备特性要求网络设备应支持 IGMP、PIM 等组播协议；支持 LLDP、SNMP 等网络协议；负责核心业务的网络设备应支持 PTP v2（SMPTE 2059-2）精准时间协议，接口可设置为 BC 模式；支持透传 PTP v1 数据；开放网络接口协议，支持对网络设备接口和内部传输的数据流进行监测、二次开发；支持单播、组播NAT。（4）技术维护网络设备应支持多种登录方式；支持安装冗余电源、多个散热风扇；可定制设备前后风道方向。二 主流 SDN 系统介绍 转播系统使用的 SDN 系统通过可视化界面，控制交换机/路由器等网络设备处理和调度视音频 IP流，能够屏蔽设备内部的技术细节，使用户专注于节目制作，提高工作效率、减少人为失误。根据 SDN系统的工作原理，可分为基于 IGMP 组播的 SDN 系统和基于 NAT 的 SDN 系统。1.基于 IGMP 组播的 SDN 系统SDN 系统以带内控制、带外控制两种方式管理所有的视音频设备，建立各个设备的单播 IP 地址和组播 IP 地址表项，通过告知网络设备建组、加组需求，由网络设备将目的端设备加入指定源端设备的组播组，通过先加入后离开或者先离开再加入等工作方式，实现目的端设备切换接收不同源端设备的视音频IP 流。在这种工作模式下，视音频 IP 流的调度还是基于网络设备的自身路由、转发能力，SDN 系统重点关注视音频设备的管理和状态监控。根据 SDN 系统的适配范围，网络设备通常选用适用于数据中心的高性能三层交换机。同时，为保证无阻塞传输和净切换，交换机端口接入视频设备时应考虑视频流的峰值速率和双倍带宽。2.基于 NAT 的 SDN 系统SDN 系统完全控制网络设备，建立各个设备的单播 IP 地址和组播地址表项，通过将源端设备的视音频 IP 流推送到目的端设备端口，同时将源 IP 地址NAT 转换为目的端设备指定接收的 IP 地址，实现目的端设备切换接收不同源端设备的视音频 IP 流。在这种工作模式下，系统内所有的视音频 IP 流都由 SDN 系统管理和调度，网络设备仅负责转发。根据 SDN 系统的适配范围，网络设备通常选用支持OPEN FLOW 的白盒路由器，开放管理接口的 COTS路由器，或开放管理接口且支持 NAT 的 COTS 交换机。同时，需仔细计算系统总体带宽峰值速率，选用计算能力满足需求，且设备体积、功耗、散热符合机柜设计要求的交换机/路由器。目前转播系统主要采用基于 IGMP 组播的 SDN系统+三层交换机的方式搭建 IP 网络，可供选型的交换机种类多、体积小、处理能力强。基于 NAT 的SDN 系统+路由器的方式在多套转播系统级联和系统安全性上更有优势。三 IP 网域划分与拓扑结构设计 为确保安全播出，充分考虑链路冗余、数据冗余、数据安全，转播系统 IP 网络在功能上分为业务域、控制域、PoE&NMOS 域、素材共享域等 4 个网域，4 个网域原则上互相独立，交换机不跨域连接。根据系统规模、设备数量和物理部署位置，各域交换机数量可做适当增减。表1核心设备业务端口速率表设备类别端口数量适配端口速率是否支持 ST 2022-74K 摄像机225 GE支持切换台板卡 2100GE 端口扇出为 4个 25GE 端口支持4K IPG网关卡（板卡式）225GE支持4K IPG 网关卡（盒式）2100GE支持IP画面分割器（板卡式）225GE支持IP 画面分割器（盒式）2100GE支持4K 录机2100GE 端口扇出为 4个 25GE 端口支持同步发生器11GE不支持IP 示波器125GE支持SDN 系统 31GE不支持调音台板卡21GE支持通话矩阵板卡21GE不支持音频周边设备21GE/10GE部分设备支持Advanced Television Engineering0771业务域网络拓扑图1.业务域业务域网络拓扑如图 1 所示，使用 6 台交换机，网络设计参考传统数据中心叶脊结构（Leaf-Spine），并针对转播系统特点设计成双核心架构，每台脊交换机下面连接两个叶交换机。主、备脊交换机及其叶交换机互为镜像，互相独立，形成主备两个业务域，视音频设备、SDN 系统、同步发生器同时接入两个域，网络架构符合 ST 2022-7 标准要求。视音频业务数据通过交换机进行连接，SDN 系统进行信号调度，可实现全流程 4K 信号制作。相比传统的核心汇聚接入三层网络架构，双核心叶脊结构不再保留汇聚层交换机，两个设备的最长通信路径由接入汇聚核心汇聚接入五层转发减少为叶核心叶三层转发，极大地减少了传输时延。同时，使用高端口密度、高吞吐量的 100G 端口交换机作为脊交换机，可以灵活地为叶交换机和接入设备设计端口布局，充分发挥 IP 网络高带宽低时延的优势。当主业务域中任一网络节点出现问题导致丢包时，接收设备都可自动从备业务域中取出相应的数据包，与其他数据包重新组成完整的视音频数据，实现快速无缝切换保护。2.控制域控制域网络拓扑如图 2 所示，KVM 系统、机柜区设备带外控制网口和通话面板、控制面板等工位台面设备均在该域汇集，实现各类控制数据在转播系统各区域通信，通过划分 VLAN 和 IP 网段实现不同种类控制数据分离。控制脊交换台通过堆叠方式，将两台高性能交换机虚拟成一台交换机，扩充脊交换机端口数量，提升冗余接入能力；所有分区叶交换机均通过端口聚合的方式分别接入两台堆叠交换机，确保任何一根级联光纤和堆叠端口出现故障时均不影响设备正常工作；所有交换机均预留空余端口，当邻近交换机出现故障时，可快速接入在用设备，缩短故障恢复时间。3.PoE&NMOS 域PoE&NMOS 域网络拓扑如图 3 所示，切换台面板、RCP 等支持 PoE 供电设备，以及与之联动的切换台主机、控制工作站，CCU 基站、MSU、SDN 系统、NMOS设备均在此域接入，传输切换台控制信息、摄像机机头、基站控制信息、Tally、NMOS 信息等。考虑到切换台是转播系统的核心设备，将其接入的交换机与其他 PoE&NMOS 交换机物理隔离，减少串扰隐患。2控制域网络拓扑图3PoE&NMOS 域网络拓扑图中心技术SYSTEM TECHNOLOGY0784素材共享域网络拓扑图5PTP 同步架构所有交换机均预留空余端口，当其他 PoE&NMOS交换机出现故障时，可快速接入在用设备，减少故障恢复时间。4.素材共享域素材共享域网络拓扑如图 4 所示，主要用于导出节目录制的媒体文件，导入节目需要播放的媒体文件，以及在录制服务器、NAS 间迁移媒体素材。两台素材共享交换机均预留空余端口，当另一台交换机出现故障时，可快速接入在用设备，减少故障恢复时间。四 PTP 同步架构 PTP 同步系统依托 IP 网络，实现转播系统所有设备处理、发送的视音频 IP 流绝对时间统一，误差在亚微秒级。PTP 同步架构如图 5 所示。在正常工作情况下，主同步发生器工作在内同步模式，或者接收全球卫星定位系统、原子钟、外部 PTP 输入等时钟源信息，备同步机通过 BB+VITC 方式将内部时钟与主同步发生器锁定。根据 BMCA 算法和同步发生器优先级数值，主同步发生器作为整个转播系统的总时钟源，所有交换机和接入设备从上到下依次锁定总时钟源的时间。当主同步发生器出现故障式，备同步发生器自动切换为总时钟源继续提供精确时间，整个倒换过程瞬时自动完成，无需人工干预，倒换过程不会导致视音频 IP 流的时间戳错误。五 业务域 IP 地址规划与网络设备 配置要点 网络设备参数主要包括规划转播系统单播 IP 地址、组播 IP 地址，配置设备运行文件，做到减少 IP地址冲突、易于理解、可扩展性强。1.业务域 IP 地址规划单播 IP 地址建议遵循以下原则：应统一规划所有转播系统单播 IP 地址段，确保系统间 IP 地址不冲突；以单个 C 类地址段作为基本分配单元；主域使用为偶数段 C 类地址，备域使用为奇数段 C 类地址；应至少预留 2 个 C 类地址段做机动使用；确需对 C 类地址进一步细分子网时，交换机之间不共用同一个 C 类地址段；对同一台交换机的 C 类地址划分子网时，所有子网掩码应一致；Advanced Television Engineering079不同类设备不共用同一个 C 类地址；主备域 IP 单播地址分配需对应一致。组播IP地址建议不采用SDN系统自动分配方式，手动分配遵循以下原则：应统一规划所有转播系统组播 IP 地址段，确保系统间 IP 地址不冲突；以单个 C 类地址段作为基本分配单元；主域使用为偶数段 C 类地址，备域使用为奇数段 C 类地址；4K 视频（含 8K 视频）、HD 视频、辅助数据、音频、通话等视音频 IP 流应使用不同的 C 类地址；每一类视音频 IP 流应预留不少于 20 个组播地址；主备域 IP 组播地址分配需对应一致。2.业务域网络设备配置要点针对目前转播系统以基于 IGMP 组播的 SDN 系统+三层交换机的方式搭建 IP 网络，业务域交换机作为系统的核心功能域，配置的每一条命令都要经过测试，确保视频、音频、辅助数据等不同速率的 IP流同步到达指定端口，接收端设备可以通过加组和离组的方式，快速切换、接收不同源端设备的视音频 IP流。交换机运行文件配置需遵循以下要点：根据交换机接入设备需求，将指定 100GE 端口扇出为 25GE 端口；按照规划的 IP 地址和 VLAN 号，为交换机端口划分 VLAN，为 VLANIF 和三层端口分配 IP 地址；重新配置交换机静态路由；根据各交换机的工作需求，在对应二层端口配置 IGMP snooping，三层接口配置 IGMP v3 和PIM SM；ACL 列表和 QoS 策略统一命名，确保参数、规则一致；确定交换机全局启用PTP，端口启用PTP参数，级联端口要设置为 BC 模式；针对仅支持 IGMP v2 的设备，在交换机设置IGMP SSM mapping；配置交换机 Console 口和管理口用户名、密码和 SSH 登录方式。六 小结 本文所述的转播系统网络架构设计已应用在中央广播电视总台多套 8K/4K 转播车和 EFP 系统，通过近几年多场次外场转播实践证明，转播系统 IP 化后可大大提升系统的信号处理能力和灵活性，能够更加快速地接入新增设备、便捷地进行信号调度，在减少线缆铺设数量的同时还能大大增加传输数据的种类和数量，基于 IP 的转播系统大有潜力可挖。未来将进一步探索在远程制作、转播系统集群制作中，如何优化 IP 网络架构设计、网络设备配置规范，同时提升整个转播系统的网络安全防护能力。参考文献：1 张寿柱.中央电视台节目生产管理业务监控平台架构设计J.现代电视技术,2018(11):140-143.（4）系统应用监控模型节目生产管理系统采用套件开发，监控平台从套件的工具集获取系统的运行数据，包括 CPU、内存、文件系统和数据库空间、是否能够正常登录等，通过仪表盘和进度条的方式及时展现系统状态。同时，通过监控系统的在线用户数、是否存在死锁用户、系统异常日志等应用运行状态，帮助系统运维人员监看系统的安全状态，及时处理影响用户使用系统的异常情况。7接口监控原型（上接第 143 页）中心技术SYSTEM TECHNOLOGY080080