呂兆明

中央人民廣播電臺 北京市 100866

基于MSTP平臺的點對點以太網(wǎng)專線在轉播中的應用

呂兆明

中央人民廣播電臺 北京市 100866

由于ISDN業(yè)務的萎縮，需要確保新的線路用于轉播信號的傳輸。文章主要論述了互聯(lián)網(wǎng)專線技術，并通過原理對比和實際應用需求對MSTP接入的點對點以太網(wǎng)專線的使用進行了重點介紹。

MSTP多業(yè)務傳送平臺 廣播節(jié)目轉播 點對點以太網(wǎng)專線

引言

轉播技術保障中，最關鍵的是保障現(xiàn)場直播信號安全順利的回傳?？紤]到轉播的成本和工作周期，轉播使用的傳輸線路基本上都是從運營商租用的，因此，信號傳輸?shù)陌踩Ｕ现荒芡ㄟ^更優(yōu)和更合適的線路選擇實現(xiàn)。

經(jīng)歷了長期的使用驗證，ISDN是很理想的回傳選擇。由于ISDN業(yè)務的快速萎縮，更多時候選擇互聯(lián)網(wǎng)作為傳輸線路。但分組交換IP數(shù)據(jù)在傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性上始終不如電路交換的ISDN，因此，需要一種資源充足且可靠性高的傳輸線路作為ISDN的替代選擇來保障重大直播的信號傳輸安全。經(jīng)過近兩年的實踐，MSTP接入的點對點以太網(wǎng)專線能很好的滿足重大直播的信號傳輸保障需求。

1 轉播信號傳輸?shù)囊话惴桨?/h2>

2015年之前，中央人民廣播電臺（以下簡稱中央臺）一直選擇ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)）作為直播的首選主用傳輸路由。ISDN屬于電路交換網(wǎng)絡系統(tǒng)，點對點連接的方式，具有穩(wěn)定的傳輸帶寬，單向64Kbp/s傳輸能力，支持高質量的音頻編碼方式。ISDN所具備的線路獨立、傳輸穩(wěn)定以及足夠的帶寬等優(yōu)勢能很好地滿足直播節(jié)目的信號傳輸。隨著國內傳輸網(wǎng)絡技術和設備更新，絕大部分地區(qū)都停止提供ISDN業(yè)務，在地理上嚴重限制了臺外直播的開展。

隨著我國信息高速公路的大力發(fā)展，在轉播信號傳輸上互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)具備了替代ISDN的技術條件，且互聯(lián)網(wǎng)相比ISDN的最大優(yōu)勢在于資源覆蓋面廣。我國互聯(lián)網(wǎng)覆蓋率超過全球平均水平和亞洲平均水平，有超過3.3億個IPv4地址[1]。在北京、上海、廣州，成都、武漢、西安、沈陽、南京、重慶、鄭州7個城市建立有網(wǎng)絡骨干直聯(lián)點，中繼光纜長度增至近100萬公里，憑借SDH、DWDM、OTN等技術的日益成熟和推廣，能實現(xiàn)極高的傳輸速度，骨干網(wǎng)帶寬超100Tbp/s。PON技術在接入層和匯聚層的應用成熟普及，使光纖資源基本實現(xiàn)村村通。

2014年，中央臺正式使用互聯(lián)網(wǎng)線路作為轉播信號回傳路由，絕大部分情況下電信和聯(lián)通提供的互聯(lián)網(wǎng)線路在帶寬、穩(wěn)定性、低延時性以及QoS質量等能滿足直播的技術需求。

2 以太網(wǎng)點對點專線業(yè)務

雖然互聯(lián)網(wǎng)線路的性能指標足以保障一般的轉播任務，但針對需要重點保障的直播節(jié)目，互聯(lián)網(wǎng)線路缺乏有效的安全保障措施，對網(wǎng)絡高負荷狀態(tài)下的數(shù)據(jù)延遲和阻塞，來自外部的網(wǎng)絡攻擊和惡意訪問等安全隱患無法根除。數(shù)字音頻信號經(jīng)過高壓縮處理，對傳輸過程中的丟包、錯包十分敏感，丟失一個分組既有可能產生嚴重的音質受損，影響收聽效果。

利用互聯(lián)網(wǎng)大范圍覆蓋和骨干網(wǎng)高速傳輸?shù)膬?yōu)勢，保障高質量的重大直播節(jié)目信號的傳輸安全，在不改動現(xiàn)有直播技術設計框架和設備的前提下只能通過專線業(yè)務解決。以太網(wǎng)私有專線業(yè)務（Ethernet Private Line，EPL）是通過運營商提供的端到端基于以太端口透傳，在接入、傳送和落地過程中，保證用戶獨占一個穩(wěn)定帶寬，業(yè)務延遲低的傳輸通道。對用戶的數(shù)據(jù)來說就像一條專線，能保證數(shù)據(jù)的安全性和私有性。

現(xiàn)代通信分為業(yè)務網(wǎng)、傳送網(wǎng)和支撐網(wǎng)三部分。直播節(jié)目的音頻數(shù)據(jù)屬于業(yè)務網(wǎng)上的以太網(wǎng)業(yè)務，而以太網(wǎng)私有專線屬于傳輸網(wǎng)的一種，用于傳輸以太網(wǎng)業(yè)務的IP數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)私有專線相比起其他一般的互聯(lián)網(wǎng)接入，在帶寬穩(wěn)定性、傳輸實時性和QoS等都有大幅度的提高，是高保障級別直播節(jié)目的更優(yōu)選擇。目前，運營商提供的以太網(wǎng)私有專線業(yè)務中最常用的兩種接入方式是MSTP和PTN。

PTN（Packet Transport Network，分組傳送網(wǎng)）是一種光傳送網(wǎng)絡架構技術的統(tǒng)稱，作用在IP業(yè)務和底層光傳輸媒質之間，目的是把IP分組數(shù)據(jù)通過封裝適配直接架構在傳輸光層之上[2]。PTN是針對分組業(yè)務流量的突發(fā)性和統(tǒng)計復用傳送的要求而設計，以分組業(yè)務為核心并支持多種數(shù)據(jù)業(yè)務，主要有T-MPLS和PBT兩種實現(xiàn)技術。

MSTP（Multi-Service Transfer Platform，基于SDH的多業(yè)務傳送平臺）是指基于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）平臺，同時實現(xiàn)TDM、ATM和以太網(wǎng)等業(yè)務的接入、處理和傳送，提供統(tǒng)一網(wǎng)管的多業(yè)務節(jié)點[3]。

20世紀90年代，SDH被引入國內，現(xiàn)在已經(jīng)作為成熟的技術廣泛應用于骨干網(wǎng)中。SDH系統(tǒng)的電路調度以TDM（Time Division Multiplexing，時分復用）為基礎，有一套標準的信息結構等級，對應一套標準的速率等級。SDH基本的信號傳輸結構等級是同步傳輸模塊STM-1，速率是155Mb/s。傳輸模塊按4的倍數(shù)通過字節(jié)間插入同步復接成高等級的數(shù)字信號系列，例如，622Mb/s（STM-4）、2.5Gb/s（STM-16）等。傳輸時按由左到右、由上到下的順序排列成串型的碼流依次傳輸，每幀傳輸時間為125μ/s，每秒傳輸1/125×1000000幀，對STM-1而言每幀比特數(shù)為8bit×（9×270×1）= 19440bit，則STM-1的傳輸速率為19440×8000= 155.520Mbit/s。因此，各級信號速率精確地符合N* 155.520Mbit/s關系，N為同步復用信號等級。通過統(tǒng)一規(guī)劃的時隙實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間同步，SDH的數(shù)據(jù)傳輸具有極高的安全保障和實時性。

SDH特有的技術體系難以高效地承載其他業(yè)務數(shù)據(jù)，尤其是以太網(wǎng)的IP業(yè)務。為了提高SDH技術傳送數(shù)據(jù)業(yè)務的能力，提出了VC虛級聯(lián)、鏈路容量調整方案（LCAS）、通用成幀規(guī)程（GFP）和彈性分組環(huán)（RPR）等技術，形成了多業(yè)務傳送平臺（MSTP）設備。MSTP最大的優(yōu)勢是在保留SDH以時隙為交換的核心結構的基礎上，提高了設備接口的兼容性。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，業(yè)務網(wǎng)的以太網(wǎng)業(yè)務比重呈爆發(fā)性增長。受限于SDH的技術核心理念，MSTP不能有效地利用IP分組技術的統(tǒng)計復用的優(yōu)點。針對分組業(yè)務流量的突發(fā)性和統(tǒng)計復用傳送的要求，以分組業(yè)務為內核，實現(xiàn)多業(yè)務承載的傳輸網(wǎng)PTN應運而生。針對分組交換的IP數(shù)據(jù)，PTN能實現(xiàn)更靈活、高效和低成本的數(shù)據(jù)承載和網(wǎng)絡融合。PTN支持多種基于分組交換業(yè)務的雙向點對點連接通道，具有適合各種不同帶寬的端到端組網(wǎng)能力，在保證各優(yōu)先級業(yè)務的CIR（Committed Information Rate）的前提下，對空閑帶寬按照優(yōu)先級和EIR（Excess Information Rate）進行合理分配，實現(xiàn)帶寬共享，有效地支持突發(fā)業(yè)務并承載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

PTN技術支持大量的IP數(shù)據(jù)交換和傳輸，對互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的承載具有明顯優(yōu)勢。MSTP是以SDH技術為基礎，雖然帶寬承載能力不如PTN，但是SDH本身經(jīng)過多年的實際應用，技術成熟運行穩(wěn)定。MSTP繼承了SDH強大的環(huán)網(wǎng)保護與OAM功能，能提供更強的可靠性和實時性[4]。對于單項數(shù)據(jù)業(yè)務，MSTP比PTN在帶寬穩(wěn)定，線路獨立，低延遲和高QoS這四方面更有優(yōu)勢，更有利于保障重大直播節(jié)目信號的傳輸。

3 MSTP接入的專線業(yè)務

MSTP接入的專線是IP over SDH的一種技術實現(xiàn)，專線業(yè)務構建在MSTP設備平臺上，通過以太網(wǎng)接口為客戶提供點對點或點對多點的數(shù)據(jù)專線業(yè)務，速率在2M～1G/S之間可選。MSTP是在傳統(tǒng)的SDH設備上增加了以太網(wǎng)和ATM業(yè)務的接入、處理和傳送能力，并提供統(tǒng)一網(wǎng)管，既繼承了SDH穩(wěn)定、可靠的特性，又融合了數(shù)據(jù)網(wǎng)靈活、多樣的業(yè)務處理能力，其功能架構實現(xiàn)，如圖1所示。

SDH傳送的是同步信號，有統(tǒng)一的幀結構數(shù)字傳輸標準速率和標準的光路接口。MSTP繼承SDH技術優(yōu)勢的基礎上，實現(xiàn)業(yè)務網(wǎng)IP數(shù)據(jù)兼容的關鍵技術主要有以下5項。

3.1 VC級聯(lián)

圖1 MSTP功能架構

VC（Virtual Concatenation）是SDH中的裝載負荷的虛容器，其裝載量是固定的，最小單位是裝載量為2M的VC-12。SDH的復用標準下速率等級只有STM-1、4、16、64和256，分別是155M、622M、2.5G、10G和40G。由于SDH固有的速率等級太少使得其他業(yè)務網(wǎng)難以很好地與傳統(tǒng)SDH網(wǎng)互聯(lián)，因此，在ITU-T G.707中提出了級聯(lián)的概念，把多個VC-12級聯(lián)起來組成為與所需帶寬大小吻合的容器。級聯(lián)分為相鄰級聯(lián)和虛級聯(lián)兩種。相鄰級聯(lián)指SDH中用來承載以太網(wǎng)業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是連續(xù)的，共用相同的通道開銷(POH)；虛級聯(lián)指SDH中用來承載以太網(wǎng)業(yè)務的各個VC在SDH的幀結構中是獨立的，其位置可以靈活處理。

3.2 數(shù)據(jù)封裝協(xié)議

數(shù)據(jù)封裝協(xié)議的作用是把變長的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以幀為單位封裝，映射到VC上。目前，有PPP（Pointto-Point Protocol，點到點協(xié)議）、LAPS（Link Access Procedure-SDH，鏈路接入規(guī)程）和GFP（General Framing Procedure，通用成幀規(guī)程）三種鏈路層適配協(xié)議，能實現(xiàn)以太網(wǎng)業(yè)務的封裝。其中，GFP最為高效，實際應用上也是以GFP為主。

3.3 鏈路容量調整機制LCAS

LCAS（Link Capacity Adjustment Scheme）是建立在源和目的之間雙向往來的控制信息系統(tǒng)。LCAS是以虛級聯(lián)為基礎的技術方案，能在不中斷數(shù)據(jù)流的情況下動態(tài)調整虛級聯(lián)個數(shù)，將有效凈負荷自動映射到可用的VC上，實現(xiàn)虛級聯(lián)帶寬的動態(tài)可調。在業(yè)務無損傷的前提下，能實現(xiàn)虛級聯(lián)信號帶寬的平滑改變，顯著提高網(wǎng)絡的利用率。

3.4 多協(xié)議標簽交換MPLS

MPLS（Multi-Protocol Label Switching）是一種多協(xié)議標簽交換標準協(xié)議，它將第三層技術（如IP路由等）與第二層技術（如ATM、幀中繼等）有機地結合起來，從而使得在同一個網(wǎng)絡上既能提供點到點傳送，也可以提供多點傳送以滿足多種數(shù)據(jù)服務需求。MPLS技術使用標簽對上層數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一封裝，實現(xiàn)了用SDH承載不同類型的數(shù)據(jù)包。MPLS采用標簽機制，路由的計算可以基于以太網(wǎng)拓撲，大大減少了路由設備的數(shù)量和復雜度，從整體上優(yōu)化了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在MSTP中的傳輸效率，達到了網(wǎng)絡資源的最優(yōu)化配置和使用。

3.5 彈性分組環(huán)RPR

RPR（Resilient Packet Ring）是一種新型的MAC協(xié)議，提供MAC層與物理層之間的無關介質的接口。作用是優(yōu)化環(huán)形結構上的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸，通過對環(huán)上的數(shù)據(jù)幀的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務分級和優(yōu)先級處理，能高效、公平和安全地處理數(shù)據(jù)業(yè)務[5]。RPR的公平控制算法實現(xiàn)環(huán)上節(jié)點合理的帶寬動態(tài)分配機制，環(huán)路采用自動拓撲識別技術，使得每個節(jié)點都能實時獲取到環(huán)上鏈路的拓撲信息，大大提升數(shù)據(jù)傳輸效率和質量。如圖2所示。

MSTP承載以太網(wǎng)業(yè)務需要經(jīng)過以太網(wǎng)接口、二層交換、數(shù)據(jù)封裝和VC映射四個過程。點對點專線只有2個業(yè)務接入點，對用戶的以太網(wǎng)MAC幀直接進行點對點的透明傳輸，不需要MAC地址學習和二層交換功能。專線必須是獨享一個VC組以保證帶寬固定，不使用LCAS技術對帶寬進行動態(tài)調整。

圖2 MSTP的Ethernet Over SDH實現(xiàn)流程

中央臺使用的傳輸設備是COMREX公司的ACCESS，模擬音頻信號經(jīng)過數(shù)字音頻編碼后，再封裝成IP格式的數(shù)據(jù)輸出。采用64kbp/s的HE-AAC編碼，加上IP數(shù)據(jù)開銷，數(shù)據(jù)流碼率在100kbp/s以下，一個VC-12足以滿足傳輸帶寬的需求，不需要級聯(lián)擴展帶寬。在SDH中每個VC-12都是相互獨立的，因此，MSTP專線是端到端的“剛性”傳送通道。不同的業(yè)務各自占用不同通道或時隙，物理上不受其他業(yè)務帶寬變化的影響，保障了帶寬的獨立穩(wěn)定。

通過GFP數(shù)據(jù)封裝將IP數(shù)據(jù)映射到SDH的VC-12上，把規(guī)格不一的IP數(shù)據(jù)調整長度和碼速后映射到一個信號速率級別恒定的標準大小容器中，從分組交換的數(shù)據(jù)傳輸模式變?yōu)榛跁r隙結構的SDH的傳輸方式。通過GFP封裝映射到VC通道后，數(shù)據(jù)的傳輸過程不再使用IP的分包轉發(fā)機制，徹底杜絕了IP報文丟包亂序、數(shù)據(jù)擁塞延時到達等問題。在SDH中多個VC-12再復用成SDH的標準STM-N時間幀結構，以固定的時隙交換為基礎的數(shù)據(jù)傳輸實時性強和延時低，數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定。

MSTP專線具有普通互聯(lián)網(wǎng)線路所不具備的極高安全性。MSTP設備與互聯(lián)網(wǎng)物理隔離，完全杜絕了來自互聯(lián)網(wǎng)攻擊的隱患。如果在系統(tǒng)內要對MSTP剛性管道實施攻擊，不僅需要解析SDH，還需要獲取到業(yè)務映射到SDH信號中的時隙構成信息。SDH信號本身非常復雜，破解需要專業(yè)的裝備，成本極高，而且IP數(shù)據(jù)通過GFP協(xié)議映射進STM-N信號的配置信息也不能輕易解析。在傳輸過程中，不同業(yè)務占用不同的VC資源，在物理上鏈路固定且相互隔離，完全是物理隔離。

MSTP專線業(yè)務兼有SDH的高可靠性和以太網(wǎng)的易用性，能有效的解決IP數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸問題，實現(xiàn)端到端的QoS保證，為重大直播節(jié)目提供安全保障。在實際工作中，中央人民廣播電臺曾在唐山和海南使用過MSTP接入的點對點互聯(lián)網(wǎng)專線。2016年，博鰲亞洲論壇開幕式的轉播，由海南電信提供的MSTP專線，在北京的主控機房內用于接收轉播回傳信號的ACCESS的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，本地接收誤碼率（Frame Loss Rate）一直保持在0.1%以下。如圖3所示。

結束語

圖3 ACCESS的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

MSTP接入的點對點以太網(wǎng)專線憑借SDH特有的時分傳輸，能為IP數(shù)據(jù)提供物理隔離，帶寬固定且低延時的“剛性”傳輸管道。同時，繼承了SDH環(huán)網(wǎng)自愈保護機制及LCAS機制，安全性強、技術成熟、管理能力強和全程可管可控。SDH作為成熟的技術早已廣泛應用于跨國企業(yè)、銀行、證券等需要高速業(yè)務傳送的行業(yè)，基于SDH的MSTP平臺十分適合于電路租用等實時業(yè)務，尤其是要求實時傳輸?shù)闹辈ス?jié)目信號。

在實際使用中最大的問題在于，點對點專線業(yè)務需要運營商逐級進行業(yè)務配置，無法實現(xiàn)快速開通。開通周期長，一般需要提前1個月以上向運營商提出業(yè)務申請，前期準備工作需要及時開展，當數(shù)據(jù)業(yè)務較多的時候尤其如此。

在現(xiàn)有的以太網(wǎng)點對點專線實現(xiàn)技術中，使用MSTP技術接入的專線在高可靠性、高安全性和高QoS上有著明顯的優(yōu)勢，能有效的對直播節(jié)目信號傳輸實施重點保障，是重大轉播信號路由的最佳承載方案。

[1]CNN IC，2015年第37次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》[R]，2016

[2]楊一荔，PTN技術[M]，北京：人民郵電出版社，2014

[3]曹薊光，吳英樺，多業(yè)務傳送平臺(MSTP)技術與應用[M]，北京：人民郵電出版社，2003

[4]鐘修強，董永生，朱羽。基于MSTP技術的廣播遠程直播系統(tǒng)[J]，《廣播與電視技術》，2013，40（5）：56-56

[5]劉淵，張杰，顧畹儀.MSTP以太環(huán)網(wǎng)功能實現(xiàn)方案選擇[J]，《光通信研究》，2005（3）

審稿人：孫生和 內蒙古廣播電視臺正高級工程師

責任編輯：王學敏

TN 939.11

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2096-0751（2016）09-0020-06

呂兆明 中央人民廣播電臺 助理工程師