吳東亮

IP組播和RRPP環(huán)網(wǎng)在數(shù)字電視傳輸中的應(yīng)用和分析

吳東亮

福建東南廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司

傳統(tǒng)的數(shù)字電視長距離傳輸一般是采用SDH網(wǎng)絡(luò)的DS3信號作為基帶信號傳輸載體，近幾年，隨著IP技術(shù)的普及，IP網(wǎng)絡(luò)的速率越來越高，承載業(yè)務(wù)從非實時走向?qū)崟r，IP技術(shù)在數(shù)字電視傳輸中得到了越來越多的應(yīng)用。同時，在數(shù)字電視前端系統(tǒng)，這幾年的IP化程度也得到了很大的提高，除了提供傳統(tǒng)的ASI信號外，還能提供視頻輸出的IP接口，即將TS流轉(zhuǎn)換為TS over IP?？紤]到IP技術(shù)與數(shù)字電視技術(shù)融合的發(fā)展趨勢，前一階段，福建廣電的高清數(shù)字電視節(jié)目采用了基于RRPP環(huán)網(wǎng)技術(shù)的IP組播實現(xiàn)電視節(jié)目的異地傳輸，文章對這一技術(shù)的需求背景、可行性分析、方案配置和實施等進(jìn)行闡述和分析。

RRPP環(huán)網(wǎng) IP組播 數(shù)字電視傳輸

1 需求背景

2013年1月，福建廣電網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)需要將福州廣電網(wǎng)絡(luò)提供的高清數(shù)字電視傳輸?shù)礁＝ㄊ∑渌厥?，福州廣電網(wǎng)絡(luò)高清數(shù)字電視節(jié)目源可以提供ASI和IP兩種接口。傳統(tǒng)的數(shù)字電視傳輸一般采用ASI的傳輸方式，這種方式已經(jīng)發(fā)展、使用了很長時間，因此技術(shù)比較成熟，但是隨著數(shù)字電視內(nèi)容的增多和新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以ASI為基礎(chǔ)的傳輸模式已經(jīng)很難適應(yīng)快速發(fā)展的數(shù)字電視新業(yè)務(wù)，尤其在功能擴(kuò)展方面存在很大的局限性?？紤]到基于IP的傳輸方式來傳輸數(shù)字電視信號的技術(shù)已經(jīng)非常成熟并大量商用，福建廣電的高清數(shù)字電視傳輸決定采用IP方式來傳輸。

2 可行性分析

目前福建廣電的OTN（Optical Transport Network，光傳送網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全省9個地市，基于OTN一個波長建設(shè)的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）網(wǎng)絡(luò)可以在9個地市提供MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務(wù)傳送平臺）的GE（Gigabit Ethernet，千兆以太網(wǎng)）接口。

考慮到各個地市需要的高清數(shù)字電視節(jié)目內(nèi)容都是一樣的，即省中心至各個地市的流量是相同的，在這種情況下，基于環(huán)網(wǎng)的方式采用IP組播技術(shù)傳輸是可靠性最高的，也能最大程度上節(jié)省SDH骨干網(wǎng)的傳輸帶寬。

在以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)上可以通過三層方式或者二層方式這兩種方式實現(xiàn)，三層方式在實際應(yīng)用中可以配置OSPF等動態(tài)路由協(xié)議，但是如果環(huán)網(wǎng)上線路中斷時，如果環(huán)網(wǎng)上節(jié)點較多，OSFP等動態(tài)路由協(xié)議的路由收斂時間較長，會造成以太網(wǎng)環(huán)上部分節(jié)點的電視節(jié)目傳輸中斷時間較長，不能滿足電視節(jié)目安全傳輸?shù)男枰６臃绞讲捎玫募夹g(shù)一般是RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環(huán)）或以太網(wǎng)環(huán)。RPR 需要專用硬件，因此成本較高。而以太網(wǎng)環(huán)技術(shù)日趨成熟且成本低廉，城域網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)采用以太網(wǎng)環(huán)的趨勢越來越明顯。目前，解決二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題的技術(shù)有STP和RRPP。STP（Spanning Tree Protocol，生成樹協(xié)議）應(yīng)用比較成熟，但收斂時間在秒級。RRPP（Rapid Ring Protection Protocol，快速環(huán)網(wǎng)保護(hù)協(xié)議）是專門應(yīng)用于以太網(wǎng)環(huán)的鏈路層協(xié)議，具有比STP 更快的收斂速度。并且RRPP 的收斂時間與環(huán)網(wǎng)上節(jié)點數(shù)無關(guān)，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)直徑較大的網(wǎng)絡(luò)。

RRPP是一個專門應(yīng)用于以太網(wǎng)環(huán)的鏈路層協(xié)議。它在以太網(wǎng)環(huán)完整時能夠防止數(shù)據(jù)環(huán)路引起的廣播風(fēng)暴，而當(dāng)以太網(wǎng)環(huán)上一條鏈路斷開時，能迅速恢復(fù)環(huán)網(wǎng)上各個節(jié)點之間的通信通路，具備較高的收斂速度。目前，華為、H3C等國內(nèi)廠商的網(wǎng)絡(luò)均支持RRPP技術(shù)。

結(jié)合福建廣電SDH傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，福建高清數(shù)字電視傳輸?shù)腞RPP環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，因一期傳輸?shù)母咔鍞?shù)字電視共27套，總帶寬約290Mbps，因此規(guī)劃一個千兆的RRPP環(huán)網(wǎng)，即各個地市之間的三層交換機(jī)采用GE互聯(lián)的方式組建RRPP環(huán)網(wǎng)。

因RRPP技術(shù)是個二層的以太網(wǎng)技術(shù)，對于視頻傳輸涉及到的IP組播是采用二層還是三層方式實現(xiàn)，以及這兩種不同的IP組播方式對于實際電視節(jié)目傳輸?shù)挠绊懶枰趯嶋H網(wǎng)絡(luò)測試中確認(rèn)。

圖1 全省網(wǎng)絡(luò)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 方案實施

為了驗證不同的IP組播方式對實際電視節(jié)目傳輸?shù)挠绊懀槍追N不同的配置方案，對整體網(wǎng)絡(luò)傳輸效果進(jìn)行了測試：

3.1 RRPP環(huán)網(wǎng)+ IGMP Snooping

IGMP Snooping（Internet Group Management Protocol Snooping，互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議窺探）是運行在二層設(shè)備上的組播約束機(jī)制，用于管理和控制組播組。IGMP Snooping和IGMP協(xié)議一樣，兩者都用于組播組的管理和控制，它們都使用IGMP報文。IGMP協(xié)議運行在網(wǎng)絡(luò)層，而IGMP Snooping則運行在鏈路層。因RRPP是個二層技術(shù)，IGMP Snooping也是在二層上配置，實際可以把這種方式作為二層組播。

在實驗室環(huán)境下，依據(jù)福建廣電網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的拓?fù)?，搭建了一個測試平臺，即根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將交換機(jī)GE光口采用光纖直連的方式組成一個由9臺三層交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)，再配置RRPP，將省中心的三層交換機(jī)配置為RRPP環(huán)的主節(jié)點，從長期的網(wǎng)絡(luò)運行情況來看，福建廣電沿海的光纖網(wǎng)絡(luò)中斷率較低，因此將省中心與莆田相聯(lián)的交換機(jī)端口設(shè)置為主端口，把省中心與寧德相聯(lián)的交換機(jī)端口設(shè)為副端口，即正常情況下，高清電視節(jié)目是沿著省中心—莆田—泉州—廈門—漳州—龍巖—三明—南平—寧德的路徑傳輸，如果RRPP環(huán)網(wǎng)上有任意節(jié)點之間的鏈路發(fā)生故障時，故障點之后的節(jié)點將沿著省中心—寧德這個方向進(jìn)行傳輸。在實際網(wǎng)絡(luò)實施中，因各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的鏈路是由SDH網(wǎng)絡(luò)的MSTP方式提供，由于SDH的復(fù)用段保護(hù)技術(shù)，節(jié)點之間光纜中斷時，SDH傳輸電路實際上會由SDH自身提供保護(hù)，不會造成鏈路中斷，SDH的保護(hù)倒換是在50ms以內(nèi)完成，在后期的網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中，RRPP的保護(hù)倒換觸發(fā)的時間比SDH長，如果環(huán)上2個節(jié)點之間光纜中斷，SDH會優(yōu)于RRPP進(jìn)行保護(hù)，即鏈路通過復(fù)用段保護(hù)，通過保護(hù)時隙正常通信。RRPP的保護(hù)一般是在GE光模塊發(fā)生故障時或者交換機(jī)的GE光口與SDH的GE光口之間的跳纖出現(xiàn)中斷時才會啟動。這相當(dāng)于為電視節(jié)目傳輸提供了雙重保護(hù)，更進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。在實驗室環(huán)境下，主要測試的是RRPP環(huán)保護(hù)發(fā)生時，對視頻節(jié)目傳送的影響。

完成IGMP Snooping配置后，將測試平臺拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上漳州節(jié)點下接IPQAM，通過數(shù)字電視機(jī)頂盒解碼高清節(jié)目以便觀察接收情況，此外，設(shè)置相應(yīng)的IP地址后，將PC下掛在漳州節(jié)點交換機(jī)上，ping省中心交換機(jī)上接入的PC的IP地址。測試平臺的拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 測試平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如上圖所示，在測試環(huán)境下，將廈門—漳州交換機(jī)之間的光纖中斷，即啟動RRPP環(huán)保護(hù)，福州—莆田—泉州—廈門的視頻信號傳輸不受影響，漳州節(jié)點的視頻信號由福州—寧德方向的線路傳送。在這種情況下，PC上的ping沒有中斷，但是漳州節(jié)點交換機(jī)下掛的TV上的高清節(jié)目傳輸中斷了50秒左右，將IPQAM接到環(huán)上其他節(jié)點做類似測試，RRPP保護(hù)倒換引起的視頻節(jié)目傳輸中斷時間大約都在40～50秒左右，PC上ping操作有時會丟1個包。

通過RRPP技術(shù)提供的保護(hù)，正常的IP包傳輸基本不會中斷，但是采用IGMP Snooping方式的二層IP組播傳輸視頻恢復(fù)時間較長，主要原因應(yīng)該是由于在二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，由于RRPP環(huán)網(wǎng)上節(jié)點之間鏈路中斷，交換機(jī)上更新MAC地址表時間較長，導(dǎo)致二層方式的組播恢復(fù)時間較長。對于中斷率考核要求較高的電視節(jié)目傳輸來說，如果采用以上這種方式傳輸電視節(jié)目，則無法令人滿意。

3.2 RRPP環(huán)網(wǎng)+OSPF+PIM-DM

由于二層方式的IP組播傳輸視頻節(jié)目在RRPP環(huán)網(wǎng)保護(hù)發(fā)生時恢復(fù)時間較長，因此在測試環(huán)境下采用OSPF+PIM- DM的方式配置三層組播。

在OSPF(Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先）路由協(xié)議和IP地址規(guī)劃上，將各地市廣電接入IP地址規(guī)劃在各自獨立的網(wǎng)段內(nèi)，并且各個地市規(guī)劃獨立的Area，將環(huán)上各個節(jié)點之間互聯(lián)的鏈路IP規(guī)劃在一個RRPP環(huán)內(nèi)，運行OSPF骨干區(qū)域。這樣規(guī)劃的好處是，在OSPF的骨干區(qū)域，運行RRPP，即使任意節(jié)點發(fā)生了中斷，也能保證骨干網(wǎng)各節(jié)點到省中心的聯(lián)通。在每個地市廣電，劃分各自獨立的區(qū)域，規(guī)劃獨立的地址網(wǎng)段，通過OSPF，學(xué)習(xí)到省中心的路由。

全省高清傳輸平臺通過RRPP和OSPF，實現(xiàn)了各地市網(wǎng)絡(luò)到省中心的路由聯(lián)通后，在此基礎(chǔ)上就可以配置對應(yīng)的三層組播協(xié)議PIM了，PIM（Protocol Independent Multicast），協(xié)議無關(guān)組播，表示為IP組播提供路由的單播路由協(xié)議可以是靜態(tài)路由、RIP、OSPF、IS-IS、BGP等，組播路由和單播路由協(xié)議無關(guān)，只要單播路由協(xié)議能產(chǎn)生路由表項即可。之前已經(jīng)配置全省網(wǎng)絡(luò)運行OSPF，為組播提供了動態(tài)的單播路由表。

在這個網(wǎng)絡(luò)里，省中心提供高清節(jié)目的組播源，各地市只需要在各交換機(jī)的出口接入各地市的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)接收組播信號即可。在這里，配置PIM-DM （Protocol Independent Multicast-Dense Mode，協(xié)議無關(guān)組播－密集模式，密集模式下的組播路由協(xié)議，適用于組播組的成員相對比較密集，而網(wǎng)絡(luò)中的每個子網(wǎng)都存在至少一個對組播源感興趣的接收站點），將全網(wǎng)組播流量將要流經(jīng)的組播路由器加入到PIM組播域，在組播路由器的各個接口上配置相應(yīng)的PIM協(xié)議，使之支持PIM-DM。

采用二層組播測試時相同的模擬環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖2類似，完成RRPP、OSPF、PIM-DM相關(guān)配置后，在漳州節(jié)點下，接入IPQAM，接收省中心的組播流，進(jìn)行監(jiān)看，同時在漳州交換機(jī)后面接入一臺PC對省中心進(jìn)行不間斷的ping測試。進(jìn)行測試，將廈門-漳州之間的光纖中斷，RRPP保護(hù)啟動，漳州的視頻信號由省中心向?qū)幍路较蛄魅胝闹?。觀測PC上的ping測試，在RRPP+OSPF的雙重保護(hù)下，ping包沒有出現(xiàn)中斷，沒有感知到線路的異常。由于高清信號對線路的敏感性，我們將這次中斷與之前的二層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比，在線路中斷的瞬間，IPQAM后面的高清節(jié)目中斷了4～5秒，之后就恢復(fù)了正常。將IPQAM接到環(huán)上其他節(jié)點做類似測試，RRPP保護(hù)倒換引起的視頻節(jié)目傳輸中斷時間大約都在4～5秒左右，相比于之前測試的二層網(wǎng)絡(luò)，顯然實用性大幅提高，可以滿足電視傳輸?shù)囊?。?jīng)過分析，主要是RRPP的啟動時間在50ms以內(nèi)，在這個時間周期內(nèi)，不會觸發(fā)OSPF的收斂，架構(gòu)的OSPF上的三層組播協(xié)議基本不受影響，中斷的時間應(yīng)該主要是由于數(shù)字電視編碼的原理造成的，即網(wǎng)絡(luò)收斂期間，數(shù)字視頻有個別幀丟失，出現(xiàn)短時間中斷。

3.3 實際網(wǎng)絡(luò)實施

根據(jù)模擬平臺的測試情況，最終選用RRPP環(huán)網(wǎng)+OSPF+PIM-DM的配置方案，完成相關(guān)設(shè)備測試和配置后，將設(shè)備各地安裝調(diào)試后，進(jìn)行試運行。在實際接入各廣電的有線數(shù)字前端網(wǎng)絡(luò)時，有些互聯(lián)的交換機(jī)是二層架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的廣播包和組播包較多，由于最終實施的網(wǎng)絡(luò)是三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在接入各廣電數(shù)字前端網(wǎng)絡(luò)的時候，配合三層交換機(jī)的ACL（Access Control List，訪問控制列表）等設(shè)置，即使在各地廣電接收方有大量的非法廣播包或組播包上傳，也將在三層設(shè)備一側(cè)被截止，不會透過三層設(shè)備進(jìn)入骨干網(wǎng)，保證了骨干網(wǎng)流量的純凈。

此外，由于某些省內(nèi)地市有線數(shù)字前端應(yīng)用的IP地址配置相同，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也避免了在二層結(jié)構(gòu)下經(jīng)常遇到的IP地址沖突的問題。

在實際網(wǎng)絡(luò)試運行期間，發(fā)現(xiàn)在光纜中斷時，SDH的保護(hù)倒換觸發(fā)時間優(yōu)于RRPP的觸發(fā)時間，即相鄰2個節(jié)點之間光纜中斷時，2個節(jié)點之間的MSTP提供的GE通道由SDH的保護(hù)通道提供，不會引起RRPP的保護(hù)。這在實際網(wǎng)絡(luò)運行中實際上為電視節(jié)目傳輸提供了雙保險，即SDH網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換和RRPP環(huán)網(wǎng)的保護(hù)。

下一階段，如果要增加高清數(shù)字電視節(jié)目，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無需升級，只要RRPP環(huán)網(wǎng)的帶寬足夠，在省中心增加新增數(shù)字電視的組播源，各地市廣電即可接收新增的數(shù)字電視。相比原來基于SDH的DS3方式，這一方案節(jié)省了每次擴(kuò)容需要增加的DS3端口以及適配器等設(shè)備的投入。

4 結(jié)束語

目前福建廣電高清數(shù)字電視下傳采用的RRPP環(huán)網(wǎng)+IP三層組播的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)運行了一段時間，期間經(jīng)歷了幾次線路中斷和割接的考驗，電視節(jié)目傳輸都沒有中斷，用實際表現(xiàn)證明了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的合理性。

隨著全國有線電視用戶數(shù)字化改造的深入，有線電視提供的數(shù)字電視頻道數(shù)量逐步增加，數(shù)字電視節(jié)目的異地傳輸將越來越多，隨著各地有線前端IP化的深入，基于IP傳輸數(shù)字電視將得到更多的應(yīng)用。從省級廣電或市級廣電來看，很多廣電都會有一個覆蓋主要有線前端的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)，在光纖上構(gòu)架的SDH網(wǎng)絡(luò)或者OTN網(wǎng)絡(luò)，都能提供GE或者10GE這種速率等級的IP接口。利用RRPP環(huán)網(wǎng)小于50ms收斂時間的特性，可以在SDH或者OTN網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建GE或者10GE的RRPP環(huán)，在RRPP環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上搭建三層IP組播，用于傳輸數(shù)字電視，不僅可以有效節(jié)約SDH（或OTN）網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，而且可靠性和安全性都有保障。

[1] 華為技術(shù)有限公司. RRPP技術(shù)白皮書[Z].

[2] 華為技術(shù)有限公司. 組播技術(shù)白皮書[Z].