劉春桓 北京安達斯信息技術有限公司

IP廣播標準及智慧型系統(tǒng)架構改革路徑

劉春桓 北京安達斯信息技術有限公司

本文對廣播電視IP技術的演進和路線圖進行了介紹和分析，對智慧型系統(tǒng)架構-基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時視音頻一體化異構平臺做了深入的闡述。

IP技術 演進路線圖 智慧型系統(tǒng)

一.廣播電視IP技術的演進和路線圖

從2013年至今，整個廣電強調的是淺壓縮的視音頻，目前視音頻壓縮的應用和標準都已十分成熟。

圖1是IP封裝標準的演進過程?？梢钥闯觯琁P標準將統(tǒng)一到SMPTE ST2110標準中，以充分發(fā)揮IP互聯(lián)擴展的優(yōu)勢。

圖2是AIMS的路線圖。為了解決SDI向IP化轉換，SMPTE首先發(fā)布了ST 2022-6標準，然后發(fā)布了AES67的音頻標準，其后發(fā)布了定義在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上分配同步包系統(tǒng)的ST 2059標準，2017年發(fā)布了ST 2110標準。ST 2110標準的發(fā)布只是解決了載體的問題，下一步是要打破控制的瓶頸，不同模塊、不同產(chǎn)品可以堆疊在一起，形成一個整體的效果。

圖1 IP封裝標準的演進過程

圖2 AIMS 路線圖

圖3是JT-NM開放網(wǎng)絡媒體路線圖。它主要分了這么幾個階段：目前的SDI階段，包括SD/HD/3G-SDI、6G/12G/24G-SDI，特征是采用當前SDI成熟技術，SDI技術仍可使用多年，且技術還在發(fā)展；第一階段是SDI over IP階段，采用ST 2022-6、ST 2059標準，特征是開始IP的應用、當前工作流、易于遠程制作；第二階段是基本流階段，采用TR-03、NMOS-DRS、ST2110標準，特征是更加靈活和有效的工作流、新的格式支持UHD和夾層壓縮(Mezzanine compression)；第三階段是自我管理階段，采用NMOS SDN API、能力管理(capability management)，特征是更靈活、可共享的自動資源管理、大規(guī)模的基礎設施；最后一個階段是虛擬化階段，特征是云架構、分布式、按需、工作流。從圖3可以看到截止至2017年NAB各個階段的進展情況。

我們從JT-NM開放網(wǎng)絡媒體路線圖中可以引入一個什么思考呢？IP的標準和特點，包括IP的性能，IP的完善是沒有終點的。廣電不可能等它達到最完美的狀態(tài)才進行改造。舉一個例子，ST 2022-6標準發(fā)布時，2014年我們首先做了江蘇臺的IP分發(fā)平臺，然后做了重慶的IP分發(fā)平臺，四川臺的IP傳輸，海南臺的全國第一個淺壓縮的實時4K調度系統(tǒng)，還有云南臺的淺壓縮的實時4K調度系統(tǒng)等等，從這些案例可以看到是沒有一個最完美的節(jié)點的。其實，我們只要選擇一個合適的點切入，然后讓整個系統(tǒng)保持一個完美的可升級路徑就可以了。

圖3 JT-NM開放網(wǎng)絡媒體路線圖

第四個階段是虛擬化階段，再延伸就是數(shù)據(jù)中心的概念，未來的廣電系統(tǒng)更多的是趨向于數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的特點是靈活、虛擬化、云分享、云制作等等。

我們現(xiàn)在的系統(tǒng)很多是線性系統(tǒng)。IP化的第一步是把現(xiàn)在的線性系統(tǒng)IP化，這種形式的IP化，其結構是IP化的，但在流程上還是單一性的思維，沒有充分發(fā)揮IP的優(yōu)勢。未來數(shù)據(jù)中心的架構是，核心路由調度系統(tǒng)提供整個數(shù)據(jù)中心的接口和交換能力；資源池提供整個系統(tǒng)的處理能力；云化的資源池載體，包括公有云、私有云和專有云。

傳統(tǒng)基于基帶的實時音視頻制播平臺流程是：轉播制作--傳輸匯聚--總控調度--播出分發(fā)。當今云計算、大數(shù)據(jù)在廣電的應用正引領媒體制作的變革，公有云、私有云在媒體的非編制作、媒資、轉碼、播出、直播、點播、分發(fā)各個領域正得到廣泛應用；大數(shù)據(jù)分析的興起與應用，提升了媒體的制作、資源投放的精準性。

實時音視頻系統(tǒng)IP化演進見圖3。

實時音視頻系統(tǒng)承載了大量的實時體育類直播、節(jié)目制作，包括一些重點新聞的播出，實時音視頻與為了和網(wǎng)站競爭引入的針對用戶的如“快手”這類視頻的安全機理是不一樣的。

二.基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時視音頻一體化異構平臺

圖3 實時音視頻系統(tǒng)IP化演進

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時視音頻一體化異構平臺，媒體制播將趨同于一個大的數(shù)據(jù)中心，要求數(shù)據(jù)中心要有交互能力，有交互特性的重點需求?；跀?shù)據(jù)中心的智慧型實時音視頻集成平臺的架構見圖4。

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時音視頻一體化異構平臺的核心是調度中心、全流程控制管理軟件、計算與處理。

1.路由調度中心

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，內容制作從傳統(tǒng)的電視臺、電影公司制作正逐步走向多樣化，視頻網(wǎng)站、傳統(tǒng)媒體、個人直播、自媒體異軍突起，在內容為王時代，競爭也越來越激烈。內容只有逐步向專業(yè)制作，體現(xiàn)個性化方向發(fā)展，才能在激烈的市場競爭中生存下來。

（1）路由調度中心特征-完全的無阻塞架構我們在和浙江臺、騰訊的交流中，他們很關注他們搭建的路由調度中心的架構是不是完全的無阻塞架構。圖5是今年路由調度中心完全無阻塞架構示意，假設每一個枝葉上是10T，它與核心層的交互，理論上要達到10T才能更順暢的聯(lián)通。

廣電路由調度中心的實際架構可見圖6的案例。上面是288路×288路規(guī)模的矩陣，下面是32路×32路規(guī)模的枝葉矩陣，如果枝葉矩陣想達到和核心層完全一樣的核心架構的話，除了自身的32路×32路調度之外，還要再有一倍的32路×32路的帶寬與核心接連。

（2）路由調度中心特征-更高的帶寬利用率

圖4 基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時音視頻集成平臺的架構

圖5 路由調度中心完全無阻塞架構示意

圖6 廣電路由調度中心實際架構案例

帶寬利用率是系統(tǒng)的核心資源。廣電目前比較通行的切換方式有三種，第一種切換是基于切換基準的IP路由切換（Switch Timed Switch），通過SDN給IP矩陣信號源發(fā)路由表的方式進行切換，它的帶寬利用率可以達到100%，但是當多級級聯(lián)時，涉及到多級交換機同步命令的表格，延時量比較大。第二種切換是目的端切換（Destination Timed Switch)，它的帶寬利用率不足50%。第三種切換是源端切換（Source Timed Switch），切換時SDI直接發(fā)命令給交換機，來完成信號的切換，它的切換不依賴于后端設備，帶寬利用率高，但系統(tǒng)的擴展性存在問題。

圖7 路由調度中心不同切換方式下的帶寬利用率

過往幾年的實踐證明，基于切換基準的IP路由切換方式，在帶寬節(jié)省、擴展組網(wǎng)便捷方面有明顯優(yōu)勢，能更好地滿足廣電制播的安全性與開放性的要求。

（3）路由調度中心特征-更靈活的冗余保護機制及擴展機制

在路由調度中心里面，大家比較關心就是它的冗余機制和擴展機制。有多種1+1冗余，或是N+1冗余方式等冗余方式的選擇。當我們建了一個IT路由中心或者是調度中心，我們會關心系統(tǒng)的擴展性。傳統(tǒng)交換機的擴展需要在運行系統(tǒng)中添加交換機，然后制定策略，把策略重新添加進去，這個設備才能啟用。這就存在一個問題，路由系統(tǒng)可能是一個實時系統(tǒng)，這個擴展會增加系統(tǒng)的不確定性和不安全性。好的擴展方式是所有策略都制定在交換機內部，擴展只需拔插板卡。

（4）路由調度中心特征-帶寬的快速升級10G/25G/100G

25G是IEEE發(fā)布的IT 接口標準，被廣電IP應用所采用。2014年7月，25G通過了IEEE機構的第一道關卡，并成功地完成了意向征集（CFI），后完善成為現(xiàn)在的SFP28+和QSFP28+。系統(tǒng)支持25G和COTS通用IP交換機支持25G是兩個不同的概念，25G是IT的一個概念，COTS通用IP交換機支持25G僅是交換機對25G的支持，對廠商來說，只有周邊設備完成了25G的應用，才能說系統(tǒng)支持25G。

圖8 路由調度中心冗余保護機制

廣電IP采用25G接口具有以下優(yōu)點：

a.采用IT標準，具有更優(yōu)的升級路線。

25G是2014年整個IT行業(yè)的發(fā)展路線圖，IT行業(yè)認為用于視音頻媒體，25G的核心利用率要遠勝于40G，所以提出了一個升級路線圖，10G-25G-100G。100G就是四個25G的并聯(lián)，叫QSFP28+。25G與40G相比，光纜傳輸?shù)膮^(qū)別在于，25G是用一條光纜中的兩根芯來傳輸，40G是4個10G的并聯(lián)，需用4根光纜分別傳輸。

b.可以傳輸4K、4K 120P、8K格式的超高清信號。

兩種IP切換方式下，25G帶寬利用率的區(qū)別在于，采用基于切換基準的IP路由切換（Switch Timed Switch），帶寬可完全利用；可傳輸2路4K或傳輸1路4K 120P，兩個25G可傳輸1路8 K。采用目的端切換，帶寬損失一半，傳輸1路4K，帶寬利用率不足50%。

圖9 25G與40G光纜傳輸?shù)谋容^

（5）路由調度中心特征-自動發(fā)現(xiàn)、識別、添加、路徑實時監(jiān)看

路由調度中心的自動發(fā)現(xiàn)、識別、添加、路徑實時監(jiān)看是未來的發(fā)展方向，雖然這個標準還沒有發(fā)布，但各廠家在努力做這方面的探索，為未來的技術做儲備。在2017年NAB展會上，已有公司展示了自動發(fā)現(xiàn)、識別、添加、路徑實時監(jiān)看的功能。

（6）路由調度中心特征-確定的路徑和低延時量以及路徑追蹤

路由調度中心還有一個特征就是確定的路徑和低延時量以及路徑追蹤，在此不再詳述。

（7）路由調度中心特征-環(huán)網(wǎng)

當我們系統(tǒng)做得很大，不僅是自己的一個數(shù)據(jù)中心，并與多個數(shù)據(jù)中心相連，這時就需考慮IP系統(tǒng)對鏈路自愈的支持、智能化冗余路由選擇、以及與多方路由調度網(wǎng)絡系統(tǒng)的互聯(lián)互通

圖10是環(huán)網(wǎng)架構的路由調度中心互聯(lián)示意圖。環(huán)網(wǎng)全IP化，支持骨干網(wǎng)絡連接，支持裸光纖及OTN/STM干線連接，支持10G/25G/100G的高速連接，IP信號可任意路由，支持鏈路自愈、智能化冗余路由選擇，能與多方的路由調度網(wǎng)絡系統(tǒng)互聯(lián)互通，協(xié)同工作。

圖10 環(huán)網(wǎng)架構的路由調度中心互聯(lián)示意圖

2. 智慧型實時音視頻集成平臺控制管理軟件

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時音視頻一體化異構平臺的第二個核心是全流程控制管理軟件。智慧型實時音視頻集成平臺控制管理軟件見圖11。

每一家IP產(chǎn)品都有自己的管理軟件，包括我們現(xiàn)在新接駁的IP，還有傳統(tǒng)的非編的和制作系統(tǒng)，都有自己的管理軟件。我們結合在騰訊和浙江臺的系統(tǒng)建設有如下思考：電視臺在未來的技術系統(tǒng)中會構架一個平臺控制管理系統(tǒng)，這個平臺控制管理軟件可以與其他第三方或其他廠家的管理軟件進行協(xié)議通訊，通過這個平臺控制管理軟件，可以看到只是他們需要用到的并且用戶親和度比較高的管理軟件，這個平臺控制管理軟件只需向下發(fā)指令，由各廠商的管理軟件來進行相應的服務。

平臺控制管理軟件的要點包括：（1）全流程資源定義（2）面向用戶預約 （3）靈活流程定制 （4）全流程監(jiān)控 （5）大數(shù)據(jù)分析

智慧型實時音視頻集成平臺控制管理軟件工作流程見圖12。

圖11 智慧型實時音視頻集成平臺控制管理軟件

圖12 智慧型實時音視頻集成平臺控制管理軟件工作流程

3.計算與處理

基于數(shù)據(jù)中心的智慧型實時音視頻一體化異構平臺的第三個核心是計算與處理。

（1）微服務組建與部署

建立各微服務工具、模塊資源池，通過組合形成一個個獨立關聯(lián)的微服務。可靈活根據(jù)實際應用的需要，利用多個微服務，形成一個完整的工作流程，并部署執(zhí)行。

（2）云計算：公有云、私有云、專屬云資源調用與部署

IP調度中心會給我們帶來什么改變呢？圖14的應用場景是2013年就已經(jīng)搭建完的IP核心調度系統(tǒng)，所有的演播室、遠程制作的APA信號都通過遠程傳輸過來。它改變了我們傳統(tǒng)的制作方式，比如說原來你的轉播肯定要派團隊過去，現(xiàn)在更多是制作團隊在異地做一個遠程制作和傳輸，這對運營肯定是有很大幫助的，包括德國的電視臺都已有大量的應用案例。

圖13 微服務組建與部署

圖14 應用場景1-全IP中心信號路由調度

圖15的應用場景2是我們正在搭建的聯(lián)通二期項目，聯(lián)通的第一期項目是在全國八個省會城市搭建一個基于傳統(tǒng)視音頻應用的核心骨干網(wǎng)。聯(lián)通的想法是，電視臺做晚會或是直播，可直接由制作團隊在異地制作后，再通過聯(lián)通的核心骨干網(wǎng)把信號傳回來，在本地完成制作。一期項目是國內八個點，二期會做國外的四個點，包括洛杉磯、倫敦、東京和香港。

圖15 應用場景2-全IP廣域傳輸網(wǎng)絡路由調度-中國聯(lián)通