潘炳順

（桐廬縣融媒體中心，浙江 杭州 311500）

0 引言

隨著廣電行業(yè)在網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化制播方面的多年發(fā)展和技術積累，現(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)不少IP 化播出系統(tǒng)的項目落地，在IP化軟硬件產(chǎn)品的信號域標準上也已經(jīng)形成以ST 2110 標準為IP 流同步、視/音頻、輔助數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準的行業(yè)應用現(xiàn)狀。而在IP 化播出系統(tǒng)整體架構(gòu)設計和實際產(chǎn)品選擇上，由于各地電視臺對IP 化播出系統(tǒng)功能定位、使用需求上的不同而呈現(xiàn)出多樣化的設計思路。筆者根據(jù)近些年對IP 化播出系統(tǒng)技術發(fā)展的理解和行業(yè)播出系統(tǒng)應用的交流實踐，對IP 化播出系統(tǒng)的架構(gòu)設計和無壓縮IP 流信號切換這一細分領域進行闡述和技術探討，希望能夠為國內(nèi)現(xiàn)階段IP 化播出系統(tǒng)的設計應用和實踐提供一點參考。

1 IP 化播出系統(tǒng)架構(gòu)設計

近幾年的IP 化播出系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)的變化基本上集中在播出視頻服務器的輸出和頻道分控信號處理、調(diào)度、傳輸方面，而在節(jié)目素材采集、存儲、節(jié)目單編排及播出控制方面的架構(gòu)變化較少。傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)一般的工作流程如圖1 所示，由總編室進行電視播出的節(jié)目單編排，節(jié)目制作部門完成節(jié)目素材文件的制作，節(jié)目單和節(jié)目素材文件給到播出視頻服務器，播出視頻服務器輸出串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）信號進入播出分控鏈路作為主信號源，播出分控鏈路同時接入轉(zhuǎn)播信號、墊片信號等播出信號源，經(jīng)過播出控制切換和處理后輸出節(jié)目信號（Program，PGM）。這是傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)中應用比較普遍的一種系統(tǒng)架構(gòu)設計，可以歸納為以播出視頻服務器為核心，通過播出視頻服務器進行文件化的節(jié)目素材到實時SDI 數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)換，有些地方稱其為硬盤播出系統(tǒng)。IP 化播出系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)前半部分，即文件化的節(jié)目素材送到播出視頻服務器這一階段與傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)并無太多的改變。IP化播出系統(tǒng)的播出視頻服務器在得到文件化的節(jié)目素材后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包形式通過以太網(wǎng)絡傳輸?shù)腎P 流信號。IP 化播出系統(tǒng)與傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)的不同之處由此出現(xiàn)。

圖1 播出系統(tǒng)架構(gòu)設計

廣電行業(yè)在多年以前就一直有關于播出系統(tǒng)在播出視頻服務器輸出IP 流信號上的探索實踐，當時并沒有關于IP 流信號的行業(yè)標準，一些集成度較高的小型化播出系統(tǒng)會采用一種單機視頻服務器直接輸出異步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）格式的TS 流信號，播出信號的處理切換都在單機視頻服務器內(nèi)部實現(xiàn)，省去了PGM 編碼環(huán)節(jié)。但這種小型化播出系統(tǒng)在信號傳輸、信號切換方面有較大的安全性問題，信號傳輸丟包、信號切換難以同步。同時，作為深壓縮的視頻信號基本無法再編輯，因此應用場景有限。

隨著廣電IP 化技術的發(fā)展，IP 流信號的行業(yè)標準逐步統(tǒng)一確定。ST 2110-10 標準明確了無壓縮IP 流的同步機制，ST 2110-20/30 標準明確了無壓縮IP 流視/音頻信號的傳輸規(guī)范，ST 2022-7 標準則給出了關于IP 流采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）存在丟包率問題的規(guī)避辦法。一系列標準的完善，使得無壓縮IP 流信號的穩(wěn)定傳輸、切換有了技術標準支撐。

在IP 化播出系統(tǒng)的播出視頻服務器輸出IP 流播出信號到頻道分控時，對IP 流的處理、切換就有了很多根據(jù)設備形態(tài)和分控架構(gòu)設計不同產(chǎn)生的多樣化應用。例如，將臺標字幕疊加功能集成到播出視頻服務器的所謂All In One 方式，獨立硬件處理臺標字幕疊加的鍵控一體機，一機多能的網(wǎng)關轉(zhuǎn)換、多畫面、臺標鍵混功能模塊化超級網(wǎng)關，通用服務器形態(tài)的多畫面、臺標字幕疊加功能產(chǎn)品等等?？梢哉f，根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)和使用需求的不同，IP 化播出系統(tǒng)在頻道分控方面有相當靈活多樣的設計方案[1]。

2 無壓縮IP 流的網(wǎng)絡傳輸方式

目前，國內(nèi)新建IP 化播出系統(tǒng)不論是作為傳統(tǒng)高清基帶播出系統(tǒng)的改造升級還是全新的超高清播出系統(tǒng)，無壓縮IP 流的網(wǎng)絡傳輸方式基本上遵循ST 2110 標準的技術規(guī)范。根據(jù)ST 2110 標準的要求，按照ST 2110 標準構(gòu)建的IP 化播出系統(tǒng)中視/音頻信號是分開傳輸?shù)模铱梢詳y帶一些比如字幕、時間碼之類的輔助數(shù)據(jù)信息。ST 2110 標準中有許多諸如ST 2110-10、ST 2110-20、ST 2110-21、ST 2110-30、ST 2110-40 之類的細分規(guī)范標準，對無壓縮IP 流的同步方式、視頻流、音頻流、輔助數(shù)據(jù)都有相應要求，使得一個IP 化的廣電制播系統(tǒng)的視頻、音頻子系統(tǒng)能夠在同一個網(wǎng)絡中進行信號交互和傳輸，促進了廣電制播系統(tǒng)的規(guī)范化和統(tǒng)一融合。

IP 化播出系統(tǒng)無壓縮IP 流的同步方式則需要遵守ST 2110-10 標準的規(guī)范，按照精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）即電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588v2 時鐘同步協(xié)議進行系統(tǒng)設備的時鐘同步，按照實時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）時間戳記錄視/音頻、輔助數(shù)據(jù)包的采樣時間，根據(jù)會話描述協(xié)議（Session Description Protocol，SDP）對IP 流進行信息注釋說明。一個遵循ST 2110-10 標準的IP 化播出系統(tǒng)需要一個能夠輸出PTP 報文的同步時鐘信號源。這個源可以是單臺母鐘設備，也可以是由多臺母鐘和交換機組建的同步時鐘網(wǎng)絡。整個IP 化播出系統(tǒng)所有無壓縮IP 流設備都根據(jù)統(tǒng)一的同步時鐘信號源進行無壓縮IP 流信號同步處理和切換[2]。

作為構(gòu)建在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網(wǎng)絡體系中的無壓縮IP 流網(wǎng)絡，采用了UDP 協(xié)議進行上述視/音頻信號和輔助數(shù)據(jù)的傳輸，因此相較于前文所提及的TS 流小型化播出系統(tǒng)，同樣存在UDP 協(xié)議數(shù)據(jù)包傳輸過程中信號接收端不會回復信號方式端導致丟包的問題。在無壓縮IP 流標準層面給出的解決方式是ST 2022-7 標準，通過無壓縮IP 流數(shù)據(jù)包的無縫保護切換來保障信號接收端能夠按時、穩(wěn)定地收到來自信號方式端的每一個數(shù)據(jù)包。這種無縫保護切換需要處理無壓縮IP 流的視音頻設備采用兩組網(wǎng)絡傳輸接口，同時發(fā)送、接收兩組互為鏡像的無壓縮IP 流數(shù)據(jù)包，一旦有一組無壓縮IP 流數(shù)據(jù)包出現(xiàn)丟包（根據(jù)RTP 時間戳），立即無縫切換到另一組，如圖2 所示。這是一種近似于對無壓縮IP 流網(wǎng)絡傳輸進行冗余設計的規(guī)范，因此需要處理無壓縮IP 流的視音頻設備和以太網(wǎng)絡交換機都進行端口冗余和域備份。

圖2 無壓縮IP 流數(shù)據(jù)包的無縫保護切換示意

3 無壓縮IP 流的切換方式

無壓縮IP 流傳輸必然需要構(gòu)建一個以太網(wǎng)絡環(huán)境。無壓縮IP 流傳輸如何在這個網(wǎng)絡環(huán)境中傳輸，已經(jīng)有了較為完善的明確標準，即ST 2110標準。但是目前國內(nèi)新建的IP 化播出系統(tǒng)在無壓縮IP 流信號的處理和切換方式上還是有多元化的設計思路。無壓縮IP 流信號的處理方式根據(jù)國內(nèi)外廣電廠商的產(chǎn)品設計不同可以說是百花齊放，而在無壓縮IP流信號的切換上，由于以太網(wǎng)交換設備的發(fā)展成熟，按照無壓縮IP 流信號切換位置基本上可以歸納為核心切換和邊緣切換兩種。

無壓縮IP 流信號核心切換指的是在以太網(wǎng)交換設備上進行信號的切換動作，即IP 流信號域的核心交換機（或路由器）對無壓縮IP 流信號的組播地址進行修改，從而實現(xiàn)IP 流信號的路由改變，如圖3 所示。這種在核心交換設備上改變組播地址信息的方式，在網(wǎng)絡架構(gòu)發(fā)展中被稱為軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）。SDN 網(wǎng)絡架構(gòu)設計有以下特征：網(wǎng)絡中的控制和轉(zhuǎn)發(fā)設備分離，通過“控制器”軟件集中控制和下發(fā)流表，第三方應用通過與“控制器”軟件建立接口定義新的網(wǎng)絡功能[3]。

圖3 無壓縮IP 流信號核心切換示意

在無壓縮IP 流信號核心切換中，播出系統(tǒng)需要一個“控制器”軟件對核心交換設備（通常會有主、備兩臺甚至更多）進行集中控制和下發(fā)流表，而播出控制軟件就是那個第三方應用，根據(jù)播出系統(tǒng)的使用功能定義無壓縮IP 流信號的切換策略和動作。當然，國內(nèi)廣電相關廠商也有自主研發(fā)SDN 控制器集成在IP 化播出系統(tǒng)軟件中的。

核心切換的方式更接近傳統(tǒng)播出系統(tǒng)使用的信號切換矩陣設備，只需要實現(xiàn)“控制器”軟件對核心交換設備的管理控制，就可以讓無壓縮IP 流按照使用者的需求進行快速的切換。然而，核心切換需要核心交換設備能夠支持SDN 功能，同時IP 化播出系統(tǒng)軟件廠商也需要具備研發(fā)集成SDN 控制器或者對接第三方SDN 控制器的能力，這在產(chǎn)品選擇和系統(tǒng)建設過程中都存在一定的問題和代價。

IP 播出系統(tǒng)還有另一種信號切換方式，即無壓縮IP 流在邊緣處理設備進行切換。所謂的邊緣處理設備指的是包括IP 視頻播出服務器、IP 轉(zhuǎn)換網(wǎng)關、IP 多畫面監(jiān)看設備及臺標鍵混設備等在內(nèi)的無壓縮IP 流處理設備。整個無壓縮IP 信號域采用的是IP 組播通信方式，每一個發(fā)送/接收IP 流信號的設備都有相對應的組播地址，因此可以將這些邊緣處理設備都視作是同一網(wǎng)段的組播組成員。IP流信號以數(shù)據(jù)包的形式從一個組播組成員轉(zhuǎn)發(fā)到一組特定的接收者，按照Internet 組管理協(xié)議（Internet Group Management Protocol，IGMP）對特定組播組成員進行加入/離開管理，完成數(shù)據(jù)包的路由改變。這個過程如圖4 所示。

圖4 無壓縮IP 流信號邊緣切換示意

在IP 化播出系統(tǒng)中，IP 流信號域的邊緣處理設備基本上是固定的，因此只需要對接收端設備進行組播地址的修改，即可以實現(xiàn)該接收端設備對IP流信號的切換[4]。邊緣切換方式對網(wǎng)絡交換設備的網(wǎng)絡功能沒有特定的要求，也不需要研發(fā)SDN 控制器；IGMP 協(xié)議對邊緣處理設備的管理控制也比較簡單，同時從播出系統(tǒng)分控鏈路切換路由角度，分布式的邊緣處理設備為播出系統(tǒng)提供了切換節(jié)點的冗余配置[5]。然而，根據(jù)IGMP 協(xié)議的組播組成員加入/離開機制，網(wǎng)絡交換設備在切換動作中需要為加入/離開組員都提供數(shù)據(jù)包，即在這一切換瞬間端口帶寬需求是雙倍的，因此需要考慮到網(wǎng)絡交換設備的選型和播出系統(tǒng)的信號域帶寬容量問題。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)各級電視臺在電視播出、節(jié)目制作、新媒體領域的技術實踐和項目落地，廣電行業(yè)的IP化進程在不斷推進中，國內(nèi)外廣電廠商也在進行大量的軟硬件產(chǎn)品研發(fā)和技術嘗試。現(xiàn)階段的廣電IP 化標準對于信號靜凈切換、視/音頻同步等方面的一些問題也還有需要補充完善的地方，相信ST 2110 標準不會是廣電行業(yè)最后的IP 流信號傳輸標準。IP 化播出系統(tǒng)的設計和技術應用每年都會有采用新思路新產(chǎn)品的項目規(guī)劃和落地，本文只是根據(jù)筆者對近幾年IP 化播出系統(tǒng)相關廣電技術應用和接觸到的IP 化播出系統(tǒng)項目產(chǎn)品，對IP 化播出系統(tǒng)的架構(gòu)設計，與以往傳統(tǒng)基帶播出系統(tǒng)的異同，還有無壓縮IP 流的傳輸、切換方式等方面進行一些技術介紹和探討，不足之處，希望能夠得到廣電行業(yè)技術工作者的指導幫助。