北京IPTV流播控系统播出安全的设计与实现

朱江

【摘要】 本文以建设北京IPTV流播控系统项目为例，介绍了北京IPTV播控平台所采用的超高清头端编码子系统、DCM流处理网关子系统、点播流播出子系统、应急切换子系统和智能化监播子系统的需求、设计及实现，满足了IPTV信号的编码、播出、调度、安全访问控制和监播监看的业务需求，同时就安全播出的应急切换逻辑和不同故障场景下的应急机制给出了一套完整的解决思路。

【关键字】 超高清 DCM IP應急切换 SOP

一.引言

北京地区IPTV集成播控平台播出系统已投入运行6年有余，整个技术平台和技术体系经过了长时间的运行、磨合和优化，已逐渐向更高的设计和管理水平迈进。本次系统建设是对于原平台的一次全面的优化和扩容升级。目前，在运营商的大力配合下，北京IPTV现已有超过200万终端用户。通过6年的系统运维经验，结合对现有系统的技术、管理进行总结，设计出了一套契合于北京IPTV业务发展需要的技术支撑体系。本文主要围绕IPTV直播频道各项技术系统的设计与应用进行研讨说明。

二.需求分析

根据总局召开的关于IPTV建设管理工作会议的精神，北京IPTV的播出安全水平也被提到更高的水平线上。建设一套可管、可控，适应信息化、网络化，满足业务快速发展的IPTV播控平台是对于新政策、新要求、新形势的需要。结合目前行业发展趋势，北京IPTV确定了建设涵盖4K超高清、点播流业务、IP信号调度、智能化监播等亮点和特色的IPTV播控平台体系，本文结合北京IPTV播出平台在直播系统建设的经验，总结出了一套适用于该体系下的广播级安全播出解决方案。

1.超高清直播编码系统

北京IPTV头端编码系统是支撑高质量的高清、超高清直播节目编码的能力平台，对于4K超高清、高清直播流进行SDI到IP、IP不同协议间的编码和转换，为IPTV平台提供高质量、高可靠的直播信源。本次头端编码可满足单路十路以上信源的编码需求，实现1+1安全播出的备份机制，支持H.265、AVS+等多种编码方式，支持标清、高清之间的上下变换能力，在变换的过程中要保证画质不损失、低延迟，同时具备一定的台标、字幕、图片的在线包装功能。

2.完备的应急切换系统

在实际播出管理和运维过程中，节目的播出难免不出现异常现象，在保障IPTV安全播出环节中，能够及时发现音视频异态或者网络传输故障，及时对故障进行应急解决、对于可能发生的故障进行提前预警就显得尤为重要。因此，整体系统设计应具备完善的应急方案，做到应急操作快捷和安全；不仅要支持单机主备信源的自动切换，而且可通过后续升级集群架构来实现设备之间的主备安全。

3.流处理网关系统

随着媒体融合的趋势，北京IPTV越来越多的与外界产生视频流交换、共享的业务需求。作为直播信源、音视频信号汇聚平台，北京IPTV需要与外省市IPTV播控体系、郊区县媒资平台、外场直播信号甚至互联网视频流进行对接。因此，对于视频流的码率，传输协议乃至信息安全方面就要严格的加以控制，保证播出和网络传输的稳定、安全。流处理网关系统可以满足直播信号的传输、调度、分发的业务需求，同时能很好的起到信息安全网关隔离的重要作用。

4.点播流播出系统

随着北京IPTV轮播频道的新增，以及新增的“4K超清频道”，北京IPTV自办点播流频道包括淘电影、淘影视、淘少儿、大健康、4K超清等各类频道，频道设置门类齐全、涵盖范围广。技术系统要满足十路的高清频道和一套4K频道的播出，同时具备系统管理、编单管理、内容管理、播出管理、以及字幕播出能力。实现无缝与现有内容生产平台、广告发布平台、存储平台集成是本次系统设计的重点。

5.智能化安全运维管理系统

北京IPTV播控系统环节复杂，信源、网络、设备都可能存在问题，为了保证系统的正常播出秩序，需要对播出信号、传输链路、系统设备等不同环节进行全面的监测，同时提供一套行之有效的协同化运维值班管理工具，满足运维分析和日常值班的智能化呈现，提升运维效率，对保障播出安全必不可少。

三.解决方案

根据北京IPTV播控平台系统和网络现状进行整体安全播出保障体系的规划和方案设计，我们将整个系统划分为头端编码、应急切换、流处理网关、点播流播出和安全运维监测五个子系统进行分别设计。

1.超高清直播编码系统

超高清直播编码系统主要包括超高清编码器、SDI光端机、集群管理系统和垫播系统组成。主要负责将台内传送的SDI信号传输到IPTV平台中。主要系统框图如图1。

（1）功能需求设计

此次直播编码系统可支持主备16路高清SDI+4路超高清输入，配置了两台编码设备，采用1：1备份模式，通过集群管理系统，进行统一管理，对于编码参数、模板灵活配置。利用现有IPTV平台编码资源，设计为主、备、备三路信源播出安全保障机制，同时配有垫播系统，可根据需要进行各频道IP码流的垫播。本次的亮点是可支持4K HDR的编码功能，采用HLG编码模式满足未来北京IPTV超高清直播信源的引入和处理。同时，在头端编码环节，可做到简单的一站式图文包装能力，支持静态、动态台标、文字的任意叠加，配合预览功能所见即所得。

（2）非功能需求设计

北京IPTV头端信源编码平台采用CPU+GPU软硬件结合的技术对直播信源进行高质量的编码，保证图像质量。通过高密度并行编码技术可实现一入多出的（1080P、720P、576P）信号，满足多屏播放需要。同时系统支持丰富的输入输出流格式，如TS over UDP、TS over HTTP、FLV over HTTP、APPLE HLS和RTMP等。系统设计积极响应国家关于头端信源格式转换的政策，无缝支持AVS+格式接入和H.265的编码算法。

2.完备的应急切换系统

应急切换子系统是安全播出保障的一个重要环节，本次系统采用IP切换卡进行节目的应急切换，组网图如下所示（图中绿色连线表示系统各部分运行均正常的情况下的信号流向），当信源或传输链路发现问题时，辅助系统值班员第一时间排障。本方案设计的要点如图2：

·在每臺编码器交换机上划分两个VLAN，将切换板卡接入到链路中，确保整体组网拓扑的逻辑性。

·主备两个IP切换板卡，同一时刻只有一个的输出处于打开状态，确保核心交换机上拉流时只能拉取到一份数据。通过IP码流切换系统可以控制主备板卡输出的打开和关闭状态。

·在主备编码交换机上设置静态组播，将需要切换的主备编码输出码流推送到各个切换模块；

·将交换机与IP切换器的输出口相连接的端口设置为三层端口传输组播。

以下从工作模式和应急逻辑两方面进行详细介绍：

（1）工作模式

本此方案应急切换系统与监测系统进行联动，提供了自动和手动两种切换模式。自动模式针对每个频道的主备辅信号完成自动切换，由切换板卡控制，无需外部干预。自动切换的触发条件可根据码流的流量异常、丢包、抖动、延迟等客观指标，设定阈值自动触发切换动作。并支持回切策略设置，一旦码流质量恢复正常，可选择是否进行回切。

手动切换模式是根据人为判断，进行人工干预的手动主备辅信号切换机制。本系统可做到单频道的手动切换和板卡级主备链路的全频道切换两种模式。如图3，界面上的每个方框展示了一个码流（频道）的主备辅输入信号的监测状态和当前输出所对应的输入，点击主备辅按钮可以选择对当前频道进行手动切换控制。界面右上方会展示当前主备链路的使用情况，哪个链路处于使用状态，对应的按钮会高亮显示。点击按钮可进行主备链路的切换，如点击“备链路”按钮，可控制主IP切换卡的输出关闭，同时控制备IP切换卡的输出打开。

（2）应急逻辑

应急逻辑是本套应急系统设计的核心，系统主要是在发生故障时进行信源选择和传输链路的选择。目前，北京IPTV本地信源编码节目和自办点播流节目都采用主备辅冗余的方式接入，在主路故障的情况下能够及时的切入备路信源或垫播信源，保证播出的正常。传输链路中采用主备热备的交换机交叉级联模式，也为在某一交换机发生故障的情况下进行链路的自动或手动选择提供必要的网络支持。在系统正常运行的情况下，针对实际运行中可能出现的各类故障情况，本方案的应急处理逻辑如下表1所示。

3.流处理网关系统

流处理网关系统主要包括信源汇聚交换机、DCM9902，主要功能是接收来自外部的IP信源并实现协议转换，之后输出至IPTV播控平台。系统结构如图4所示：

本系统中使用的DCM9902设备，有独立4卡槽。配置千兆板卡1张，万兆板卡1张。IP信源接入通过汇聚交换机进行信号汇聚，由万兆光纤链路互联至DCM设备，对于8M码流的IPTV信源来说可支持上百路频道的信号接入。DCM设备可做到对于IP信源协议的转换，在IPTV直播体系应用中，可设计并实现N路信源入，M路信源出的信号汇聚、处理、调度的效果，并支持反向传送，方便与外部进行灵活的IP信号的分发与处理。同时，DCM设备为光复用设备，IPTV直播网络部署采用DCM传输时，整体均采用光纤链路互联，不需要以太网层面的数据协议转换，起到了较好的信息安全隔离作用。本系统采用主备冗余设计，最大限度的提高安全播出的可靠性。管理可通过web方式登录，方便进行查看和配置管理。系统目前已成功接入外部频道10路，实践证明是一套安全、稳定、易用、贴合IPTV技术发展方向的成熟技术系统。

4.点播流播出系统

本次IPTV点播流播出系统设计采用集成度较高的TS流播出服务器、播出级台标机为核心设备。其中播出服务器完成素材的文件到流化的IP码流播出，台标机进行实时编码，实现节目的字幕台标叠加功能。整套系统还包括数据库模块、接口模块、素材迁移模块、播出控制模块、技审模块、节目单编排模块等，各司其职实现各自业务功能。

所有核心系统均为主备模式，通过转码系统同现有的内容生产服务系统的对接，实现播出内容整备的规范化与流程化。（如图5）

（1）播出及存储系统

此次项目设计支持了10套H.264高清频道（8M码率CBR模式）、1套4K SDR 4K频道（20M平均码率VBR模式）同时支持4K HDR素材的播出能力。节目存储采用二级存储模式，一级为在线在播库（有效容量50TB，满足60天的存储需求），二级在播库容量500TB，作为总节目库，实际播出素材均通过一级在播库输出，合理分工扩容方便。

播出服务器根据节目单对即将播出的节目检查其存在性以及有效性，之后根据策略或手动读取播出节目单信息，进行正常的播出及控制。同时支持紧急情况节目单编辑、控播功能，紧急情况垫片自动播放机制等。

（2）字幕台标系统

此部分系统以六台台标服务器为核心，在完成播出的同时可以同步实现对实时流进行台标字幕的叠加，满足了业务需求。码流字幕系统可以在单机环境下，最大支持5路TS码流的三维字幕图文的实时叠加，为IPTV灵活的配置相关角标和字幕。局部解码技术的应用，在最大限度保证广播级的视频质量的同时，大大的提供高了系统系能，使得每个频道单画面上可独立在源信号上叠加台标、角标、时间、左飞字幕等最大8層信息，并将处理延时控制在秒级之内。

（3）接口系统流程技术特点

此部分核心硬件为接口服务器、迁移服务器、二级NAS库组成，接口服务器完成与上游（播控媒资平台）和下游（云转码平台）信息调度、任务接收下发等任务，迁移服务器将相应素材通过FTP方式光纤传输通道快速传送至相应NAS库分区。其基本流程如图6：

通过如此组成，其特点为：

·与上下游对接均采用标准C2接口，消息调度均采用XML标准格式，与现有上下游所采用的成熟接口消息标准完全一致，以便今后修改和维护。

·采用接口服务器与迁移服务器分离的方式（两部分均为主备热切换模式），分工明确，且迁移服务器采用FTP光纤传输通道，提高了实体素材传输速度，满足大量素材传输要求。

·将NAS库分为3个独立分区，A区为针对上游媒资系统下发的素材暂存区，B区为针对下游转码完成后回推至NAS的素材暂存区，C区为在播最终素材存储区。基本流程为媒资原始素材写入A区，à云转码后素材写入B区，播出上载时迁移至C区，其中流程中素材迁移均采用剪切方式，这样以最终保留到C区的素材为唯一素材。

·根据业务需求主要采用了3个分发域：高清转码分发域、4K转码分发域、4KHDR转码分发域。并针对某些特定素材（无需转码直接可以用的素材）单独设置了一个直通域，这样无需转码直接可以由上游传输至NAS库的C区，提高了接口系统灵活度。

6.智能化安全运维管理系统

安全运维管理系统包含一套SOP安全运维监控系统和一套链路展示系统，来完成信号监测、设备网管等运维核心业务的协同化管理。节目调度展示、实时监测、运维分析、链路展示等常用功能的智能化呈现，是本次系统设计的亮点。通过设备采集模块、监测模块、业务流程监控模块、软件监控模块、数据库监测模块、时钟系统监测模块来统一分析、展示、运维、管理各类系统信息。

系统的协同化管理可将信号监测、设备监测、切换控制、画面调度、值班运维等业务功能通过统一的后台实现业务数据的互联互通；同时可根据不同值班人员的工作需要自定义展示来自各个业务系统指标数据、视音频画面、图形图表、报警日志等完成一键直达的业务效果。

信号全景功能和链路、码流展现的功能还可以提供了对监控码流的灵活分组。根据不同等级，全景展示各个信号对应的码流报警和视音频内容告警状态。对于已恢复的报警可进行提示，有效辅助建立规范的值班运维流程。同时，以监测全景为入口，可以快速查看对应信号的码流链路和节目链路状态，逐层分析问题、定位故障环节。实时抓取与当前信号传输相关的设备信息，能更好的快速定位故障点，结合码流指标和节目的视音频画面详情实现全方位的监控管理。

四.系统特点与主要贡献

整个系统根据实际使用情况来看，有以下几个特点：

·整个系统符合《广播电视安全播出管理规定 IPTV集成播控平台实施细则》指的总体要求，能够在第一时间发现问题、第一时间定位问题、第一时间解决问题

·监测全面无盲点，做到全链路传输监测展示，出现问题能够直观清晰的展示出来，无论信源、IP全链路还是设备，全部纳入监测、管理范围内，并实现智能化监控运维水平

·实现IPTV播出自动化应急切换机制，建立了主、备、备安播应急系统，头端、轮播交叉备份垫播系统，解决单点故障风险，使头端系统、点播流播出系统安全稳定性有质的提升

·各系统全面支持超高清、HDR、5.1声道等技术的节目处理能力，满足技术发展和业务需要

·采用高集成度头端编码系统，高效的满足业务需求，同时给技术运维带来方便

五.总结与展望

北京IPTV流播控系统播出安全的设计与实现，充分体现了网络化的技术特点和IPTV的实际业务需求，随着一线技术人员对系统的不断使用和运维经验的积累，总结并设计出了本此适合于北京IPTV业务发展的技术系统，不断优化提高系统稳定性和准确率也带来安全播出水平的提升，为IPTV业务稳定运行和持续发展服务。这一新方案所能起到的作用必将随着今后IPTV应用的进一步推广得到认同，逐渐成为最佳实践方法论的有机组成部分，并充分发挥其应有的积极作用。B&P

参考文献

[1]余成伟，IPTV业务监测技术方案，现代电信科技，2011（01）

[2]王瑾，浙江IPTV集成播控平台监看监控系统，广播与