随着超高清视频产业迅速发展，4K/8K超高清信号对带宽提出更高的要求，传统的基于SDI（数字串行接口）采集制作、调度分发的方式已经不能满足技术更新的需求。行业内的共识是采用基于ICT(网络和通信技术)技术的IP化架构，一方面解决高带宽信号的传输和调度，另一方面基于IP架构的组网方式将改变传统广播电视信号只能由前向后线性传输的局限，是未来实现媒体融合、云计算、大数据分析等目标的技术基础。
一、SDI over IP国际发展现状
国际上从本世纪初开始研究专业媒体信号传输从SDI基带转移到IP的技术工作。至2015年，形成AVB、ASPEN、SMPTE2022等多种技术路线并存、多厂家主导的技术规范市场竞争的格局。2015年下半年，GV、Imagine、Lawo、Cisco、Arista、BBC、FOX发起的媒体IP解决方案联盟AIMS成立，AIMS的宗旨是采用通用的IP网络架构和开放的流封装协议及控制协议。
2016年Evertz、Sony加入AIMS标志着技术标准之争告一段落，行业达成了共识，IP流封装遵从SMPTE的规范。
◆ 媒体流封装，2017年9月SMPTE2110-10、20、21、30、31等系列标准正式发布，2018年5月SMPTE2110-40标准正式发布。
◆ IP系统校时同步，2015年，SMPTE发布SMPTE2059-1、-2标准。专业媒体SDI over IP的系统、视频、音频辅助区信号流封装的标准、IP系统的校时同步标准已基本完备。
◆ IP系统控制，AMWA（先进媒体工作流组织）从2016年陆续发布了一系列技术协议：网络媒体开放协议NMOS，以取代各厂商的私有控制协议、提供网络环境下的TALLY等传统功能、提供信令的交互、增加注册与发现等网络管理功能，以利于IP系统互操作和网络的管控。
2018年AIMS发布IP现场制作与传输系统设计与运维的指导意见（如图1所示）。
关于媒体IP系统的建设，EBU发布了技术规范3371（TECH 3371）：媒体节点的技术金字塔，对IP媒体设施，构建和管理的最低用户需求（如图2所示）。
2019年，EBU正式发布了媒体节点必备功能清单，进一步明确了现阶段对视音频流的封装格式、冗余路径、定时、注册发现、控制、网络设备自发现、网络安全的技术建议（如图3所示）。
EBU还发布了一系列的技术建议，包括：
◆ R143技术建议：媒体供应商系统、软件和服务的网络安全建议；
◆ R148技术建议：对网络媒体设备网络安全的最基本安全测试建议；
◆ R152 EBU Position：加快采用开放式发现和连接协议（NMOS）的策略。
2018年11月，由SMPTE、EBU、VSF、AMWA组成的联合媒体网络工作组JT-NM发布了技术推荐JTNM TR-1001-1:2018 V1.0在实际应用网络中系统环境与设备行为：网络、注册发现与SMPTE2110媒体节点设备行为。与EBU TECH 3371对应，规范了对网络的相对具体的要求、注册与发现及连接管理的机制等。
二、演播室现场制作IP化架构
对于现场制作系统（包括演播室、转播车、外场转播系统等）IP化的架构可以抽象为三层：分别为媒体节点层（Media Node）、核心网络层（Core Network）、综合管控层（Broadcaster Controllers）（如图4所示）。
国际上首先部署的是基于IP架构的HD转播车和演播室系统，而国内对于系统IP化的考量还是由于UHD超高清产业的迅猛发展，4K乃至8K对传输带宽的超高要求。现阶段部分小型的或独立制作公司的4K UHD系统采用12G-SDI的方式，和传统HD的系统方案完全一致，升级成本低，技术人员也更容易驾驭。但对于大的电视台或转播机构，会有前端和后端的多个系统互联，有数个不同地点的制作域，有大量的信号需要调度和分发，还要适配新媒体互联网等不同的需求和下一步UHD升级到8K的考虑，所以IP化架构为我们提供了一种切实可行的解决方案。
中央广播电视总台已经配置了多套IP化架构的演播室和转播车系统，也正在构建IP化的全台总控。从第一个符合SMPTE2022-6的基于TICO浅压缩的IP系统，到符合最新的SMPTE 2110的无压缩IP系统，在实践中积累经验，完成包括70周年国庆阅兵在内的多档大型电视直播和录像。
一个典型的IP化架构演播室的架构图（如图5所示）。
由摄像机、切换台、包装、录播等传统制作设备以及IP网关组成媒体节点层，由交换机或路由器辅助以网络控制器完成核心网络层的信号交换，上层构建综合管理层SDN，负责设备、信号以及业务的综合管理和控制，帮助运维人员按照现有流程管理IP化架构的业务单元。
三、核心网络方案分析
SDI over IP简单来说就是把基带SDI信号封包为IP流，在IP网络中进行信号的调度和传输。原有的基于SDI矩阵的调度核心，变为基于网络交换设备。
1、组网方案
核心网络的组网方案可参考数据中心网络建设思路。在组网架构上，综合考虑网络规模、可靠性和可维护性，可以采用双机架构或Spine-Leaf架构。
双机架构适用于中小型网络规模的需求，而Spine-Leaf架构适用于大型网络规模的需求。对于接入端口数量以及设备总容量要求较高的大型系统，主要采用核心/接入两层架构（即叶脊架构，Spine-Leaf），接入层（Leaf）设备负责低速端口（10GE/25GE）接入，并上行40GE/100GE高速端口。
核心层（Spine）采用高速端口连接大量Leaf节点，实现大容量高速网络转发。为了保证网络冗余性，Leaf和Spine还要考虑主备多链路部署（如图6所示）。
2、组网协议
当前主流数据中心都选择三层技术作为网络承载协议。将三层网关部署于Leaf节点，通过OSPF/ISIS等路由协议打通Spine-Leaf之间的路径，基于PIM协议打通组播路由。
在这种方式下：
采用PIM协议保证组播协议互通，成熟稳定；广播域小，故障域小，收敛在Leaf节点之下；三层协议保证了网络架构的可扩展性和灵活性。考虑电视台对业务稳定性和未来扩展性的需求，更建议采用三层协议的组网技术。
3、核心调度和边缘调度方案
在业务流信号转换到IP域之后，所有的信号传输调度都由网络交换设备完成，由IP网络交换设备完成传统SDI矩阵的切换和调度交换功能，现阶段主要有下文所述两种方案。
（1）核心调度方案
所有IP业务流的调度全部通过SDN控制网络交换设备完成，不需要SDN控制器对边缘媒体节点进行控制，边缘媒体节点直接接收网络交换设备推送的IP业务流即可。在核心调度方案中网络交换设备需要具备组播NAT功能和净切换功能。
通过组播NAT功能，可将进入网络交换设备的业务流复制、转发到相应的出接口，并在与边缘媒体节点连接的出接口进行组播地址和端口的修改，接收端边缘媒体节点对业务流的切换不需要感知。
同时，网络交换设备提供视频流净切换的能力。调度交换矩阵通过识别IP业务流的RTP头部的时间戳和Marker字段判定并切换业务流。接收端边缘节点对业务流的切换不需要感知。矩阵支持净切换功能后，频道切换时出接口和接收端媒体节点只需要支持单倍业务流带宽即可。
核心调度示意图（如图7所示）。
（2）边缘调度方案
一般采用COTS通用交换机作为核心网络交换设备默认全部连通，业务流切换需要边缘媒体节点具备IGMP能力，由边缘媒体节点发起IGMP请求，网络交换设备根据接收端的IGMP请求进行不同业务流的转发，达成业务流切换的能力。对于IP业务流的净切换，需要在边缘媒体节点上进行业务流的净切换处理。此时，边缘媒体节点需要双倍带宽同时接收切换前、切换后两路流量，即需要双倍带宽。
边缘调度方案示意图（如图8所示）。
核心调度和边缘调度对比（如图9所示）。
4、系统安全性和可靠性
在构建系统时要保障承载业务的安全性，需要确保只有经过允许的IP业务流可在调度交换矩阵中进行调度，避免非法接入内容的传播。另外，新的业务流调度需要保障不影响原有的业务流调度。
网络构架时要分为独立的互为备份的主域、备域网络，系统将2022-7的主路信号和备份镜像信号分别传输到网络的主域、备域。在网络层面依靠2022-7的机制完成同一路信号的主备保护。
网络设备可靠性上，设备提供关键部件的主备冗余保护，包括电源、风扇、主控板、交换机板等，单一部件故障不影响设备的工作。
5、其他问题和关键技术
（1）PTP时钟同步
时钟同步是信号调度和交换系统的必要条件，保障各业务流的时钟同步，相当于传统SDI系统的BB、TLS同步信号。
时钟同步方案采用ST 2059 PTP时钟同步方案。核心网络交换设备需要支持PTP能力，可接受时钟源的PTP授时，为保障可靠性，需支持主备时钟方案。同时，网络交换设备需要向接入的媒体节点进行PTP授时，以此保障整体系统的PTP时钟同步。另外，针对主备时钟场景，网络交换设备需要将非法PTP报文丢弃，避免对其他设备的时钟产生影响。
（2）组播 NAT
对于核心调度方案，所有的业务调度和交换都需要通过网络交换设备完成。对于接收端的媒体节点一般只能接收单一的组播流，需要网络交换设备完成将源视频流的IP和Port等数据修改为接收端媒体节点可以识别的IP和Port，因此网络交换设备完成需要具备组播NAT能力。
组播NAT能力带来的优势包括：
◆ 不需要终端接收设备具备IGMP能力，解耦SDN控制器与媒体节点之间的私有协议，为不同厂商的互操作性提供了区别于NMOS的全新思路；
◆ SDN不需要对接多家终端接收设备，整体系统复杂度低，引入第三方新设备更加快速简单；全网流量集中管控，简化运维；
◆ 跟外部系统对接时，可解决外部地址和内部地址冲突问题。
◆ 在与外部系统对接时，可不需要第三方网关设备进行组播NAT，直接满足外部系统的组播规划需求，降低整体成本；
◆ 和传统的单播NAT不同，单播NAT主要转换的是单播IP报文中的源IP和源端口字段，而组播NAT转换组播IP报文中的目的IP、目的端口字段；
◆ 大部分情况下接收端设备只要求目的IP、协议号（UDP）、目的UDP端口号相符就可以正常处理，但有些场景下也会要求源IP、源UDP端口号做转换、源MAC做转换，这些字段的转换也需要网络设备实现。
（3）流量准入安全技术
流量准入技术是IP网络交换设备的关键基础功能之一，只有按照规划、可信可靠的流量才能承载在IP矩阵中，保证网络的安全性。核心调度方案和边缘调度方案中都可以实现该功能，实现方式有区别。
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，不在流表中的业务流不被转发，因此可以避免非法接入内容的传播。同时网络交换设备具备 QoS（流限速、接口限速、流优先级）能力，可为每条业务流预留带宽，保障不被其他业务流的调度影响。
边缘调度方案中，网络交换设备默认“全通”，业务流按照路由直接转发。流量准入通过访问控制策略（ACL功能）提供白名单的能力。以此避免非法接入内容的传播，保障系统安全性。
（4）网络设备被SDN管控
网络设备需要通过SDN进行控制和监控，开放配置能力，接收SDN控制器下发的流表实现业务调度；开放设备监控能力，提供设备基本信息、流量信息供SDN控制器收集、展示和呈现。一个成熟的IP化架构系统，需要有完备SDN管控系统，提高系统的可用性和运维便利性。SDN对网络交换设备及媒体节点的管控，目前都还是整个IP化制播系统中亟待完善和成熟的部分。
四、小结
在HD时代电视台核心业务使用的是1990年定义的HD-SDI接口，2005年SDI进化到3G-SDI接口，到2015年发布UHD 12G-SDI标准时，SDI接口高带宽、低时延、非压缩的优势已经被IT技术迎头赶上。由需求驱动的技术升级已经迫在眉睫，整个广电传媒行业都在进行融合媒体的产业升级，这其中也包括电视从HD到UHD的升级换代，正是技术变革的契机。
为适应越来越复杂的业务需求，支撑各种新兴基于IT技术的业务形式，乃至下一步实现智慧媒体、媒体大数据、人工智能类脑计算，从采、编、播、存、管各个环节都应该在架构上可以方便、快速地实现互联互通、实现自主可控，在保障安全播出和传统业务的同时，为传统媒体华丽转身升级为融合媒体提供有力的技术保证。
作者：中央广播电视总台 蔺飞
来源：摘选2020年第5期《现代电视技术》
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