全虚拟化IP高清+4K播出系统设计与实现

李 虎

（阜阳广播电视台播控中心，安徽 阜阳 236035）

导语

随着IT 技术的发展，广电行业也在面临着新媒体的冲击，传统业务逐步向新媒体业务转型，传统的节目播出也在逐步告别旧的播出体系——复杂的设备组成、繁琐的走线、高昂的成本、低下的效率等，这意味着传统播出将退出历史舞台，被 IP 化播出系统取代。[1]各种先进的网络和虚拟化技术越来越多地被应用在广播电视制播流程中，电视播出架构IP 化渐趋成熟。IP 化播出系统使用通用服务器和交换机实现视音频信号的传输和切换，硬件设备通用性、可替代性和扩展性强，因消除了广电设备的专业壁垒而受到青睐。阜阳广播电视台原3 个标清频道播出系统已运行7年，设备出现了不同程度的老化，为保证播出的安全可靠性，遂计划对播出系统进行高清化改造，本次播出系统改造创新性计划采用全IP 播控架构，后台服务器采用虚拟化部署。另外IP流调度兼容标清、高清、4K 等信号流，为响应国家建设超高清4K 播出频道的号召，增加一套4K 播出测试频道。

1.系统设计原则

播出系统项目承担3 套高清播出频道和1 套4K 播出频道系统的建设，包括播出分控系统、播出整备系统、显示监看系统。本次系统建设是基于全数字、全硬盘、高清化、网络化、IP 化、虚拟化的播出系统。

IP 播出分控系统以“先进性、标准化、安全可靠、实用性、易维护、经济性、易扩展”为设计原则，符合国内外相关协议标准和技术规范，用软件服务的方式在虚拟化环境下实现无压缩视频IP 流的播出。同时系统利用SDI OVER IP双向转化技术并且配备完善的基带跳线，使得IP 播出分控系统具备有基带信号的应急能力。分控系统除具有IP 播出、基带信号切换应急能力外，考虑到未来的扩展，配备IP 的SDN 切换能力，支持IP 流调度及扩展能力。

2.系统总体设计

2.1 播出信号总体框架设计

本次项目3 个高清频道建设，视音传输采用SMPTE 2022-6 IP 标准，视音频链路主要分为3 个阶段，即流信号输入阶段、IP 流调度和切换、流输出阶段。

流信号输入阶段：

配置主备虚拟服务器输出主备IP 流、视频服务器输出第三备IP 流、视频服务器输出1 路垫片IP 流，拥有完整的主备、第三备、垫片流信号输入；

8 个总控的SDI 信号，经过IPG 将 SDI OVER IP 转换为IP 流输入流调度矩阵；

IP 流调度和切换：

主备IP 流、第三备IP 流、垫片IP 流和8 个总控HD 流信号由流调度矩阵统一调度。IP 流调度交换机支持软件调度，还配置了硬切换面板，不改变原有的矩阵切换习惯。

流输出阶段：

将流调度矩阵输出的信号IP OVER SDI，SDI 信号经过视分进入SDI 多画面监看和4*1 切换器最终输出给主备编码器。

主备高清视频器IP 流输出外还有2 路HD SDI 输出，1 路上多画面监看另一路接入跳线器；流输出的IP OVER SDI 的SDI 信号每个环节接入跳线器，当流信号出现故障时，可以直接将SDI 信号跳到主备编码器直接输出。应急切换信号调度除支持IP 软件调度还配置了硬切换面板，不改变原有的应急切换习惯，实现一键主备路应急切换。

1 个4K 播出频道采用IP 流信号播出，与3 个高清频道公用IP 信号调度矩阵，IP 输出流将IP OVER SDI，SDI 信号接入跳线器进入4K 超高清编码器。配备大洋VIPS 4K 播出视频服务器，该视频服务器支持1 路4K IP流输入，用于接收央视4K 信号进行转播；支持1 路4K IP 流输出，1 路HD 信号输出可用于监看（图1）。

图1 高清+4K 全IP 链路设计

2.2 整备系统设计

播出系统总体设计上主要由数字信号流调度、播出控制系统、文件化送播系统、播控存储系统、全局监控系统、监看显示系统等组成。业务应用主要有节目质量保障系统、内容管理系统、数据库系统以及节目单编排系统。

图2 整备系统流程图

根据台内的业务系统初步设计的系统整体迁移流程图，主要分为两个域，制作域和播出域。播出域包括对外迁移、集中上载/审片、自动技审、人工复检、同步迁移、播出二级存储（二级备播）、播出视频服务器（三级备播）。

制作域接口发送节目迁移请求到播出域接口，播出域接口告诉GMP，GMP 对播出数据库进行查重。如果提交的节目播出系统中没有，GMP 则同意迁移。制作域接口收到同意迁移指令后返回迁移节目的路径，然后GMP调互联FTP 服务器完成节目由制作存储到播出二级存储的迁移，同时完成MD5 校验。同时，播出域提供文件采集、人工复检工作站负责文件采集和节目审核，同时配置自动技审，完成进入二级存储中的素材的审核。最后，通过同步迁移服务器，将二级存储中的素材迁移至播出视频服务器。以上，为基本的系统迁移流程（图3）。

图3 系统整体迁移流程示意图

2.3 网络架构设计

网络设计上充分考虑系统业务资源使用能力，系统采用万兆+千兆接入方式。

万兆交换机：主要实现播出二级存储、虚拟化刀片服务器、4K 转码服务器、4K 播出服务器的连接工作，并且通过万兆端口下行与千兆接入交换机连接。

千兆接入交换机：主要与工作站类设备、监控显示终端连接。千兆交换机主要分为业务交换机和监控管理交换机，监控管理交换机主要用于设备管理口及监控信息口的接入，通过核心交换设备实现网内设备的监控及维护。

IP 化播出网络设计基于组播流控制为基础，采用通用的具备SDN 控制能力的交换机实现。

从网络架构上考虑，为了避免IP 化播出业务与正常信息及控制网络间产生相互干扰，其网络架构采用独立的IP 化播出网络方式。只通过固定端口或设备接收SDN控制信息实现网络IP 化视音频流的调度。从而避免因为网络间互通导致的数据干扰。

IP 信号调度系统通过安全隔离设备与播出系统信息控制网络实现通信，从而保证系统内的播出业务稳定安全，避免病毒或攻击导致IP 信号调度管理系统调度异常的情况（图4）。

图4 网络互通架构示意图

另外为保证IP 化改造，最低程度地减少对实际值班人员的影响，IP 化改造后的信号调度依然可以通过传统的矩阵控制面板实现，通过将交叉点发送至信号调度矩阵，从而实现IP 化矩阵的信号调度工作。

IP 化网络更加灵活可靠，周边设备均围绕IP 化调度矩阵接入，信号走向是由调度管理实现的。这与传统的播出系统基带线性链路不同，是星型结构化网络（图5）。当设备故障时，可通过IP 调度快速跳过故障设备，从而快速应对设备故障和播出事故应急。

图5 星型网络架构

系统先进性：反观传统基带链路，设备故障的应急工作必须要借助跳线方式跳过故障设备，其建设要求应急复杂度要远高于IP 化网络设计，并且由于其链路是固定化线性链路，增加设备或扩展功能都需要对线路进行改造，改造工作极可能对播出业务造成影响。而IP 化链路通过调度方式实现的动态系统链路更加灵活，接入设备只需要接入网络中，通过软件调度即可实现设备接入和功能实现。对系统扩展、应急和维护都提供了极为灵活便利的操控手段。

网络安全：IP 系统具有更强的开放性，带来便利的同时也存在网络安全风险。目前系统内的常见风险有信息泄露、黑客攻击和计算机病毒。[2]因此播出系统的IP化使得播出网络在接收外来IP 信号时需要具备足够的安全措施，确保系统不会因为外来攻击性组播流导致系统瘫痪。整个IP 播出网络防御体系如图6所示。

图6 IP 化播出网络安全架构

在安全方面，所有接入播出系统的IP 组播流信号都需要通过SDN 信号安全控制交换机进行信号身份及内容的验证，在IP 信号安全检测组件对信号身份及内容合法度验证通过后，组播信号方可放行至播出系统IP 信号调度矩阵用于播出系统调度使用。如不通过系统则直接将外来信号抛弃，确保播出系统内部组播流安全。

3.关键技术

3.1 IP 传输采用SMPTE 2022-6 标准

2012年，SMPTE 出台了SMPTE 2022 系列的标准，规范了如何通过IP 方式传输高质量视频信号。其中《Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks（HBRMT），ST 2022-6：2012》定义了一个统一的数据映射格式，依据实时传输协议、精确时钟同步协议、用户数据包协议、网络分组管理协议等协议构成的元数据，定义SDI 信号的IP 封装格式协议，支持多种HDSDI 和3G-SDI 视频信号格式。采用这一标准，不同厂商的产品可以发送或接收通过IP 网络分发的高码率视频信号。本次项目建设IP 传输采用SMPTE 2022-6 标准。

3.2 应用SDI OVER IP 技术

SMPTE ST2022 定义了专业基带视频信号IP 封装格式及传输标准。要实现SDI over IP 技术，需要对SDI 信号进行数据化、网络化改造，并建立起完善的网络传输、数据纠错机制。

首先要将SDI 信号数据化，形成媒体数据段，然后根据SMPTE ST2022-6 和SMPTE ST2022-5 分别形成数据块文件和基于SDI 信号编码数据块的FEC 纠错编码数据块，再将两类数据块封装成IP 数据包，通过以太网传输。在接收端进行IP 解包、FEC 解码、数据校验及纠错、数据文件序列化等，最终完成SDI信号恢复输出。流程如图7：

图7 信号格式流程转换

3.3 PTP 时钟同步的接入技术

时钟同步PTP 采用主从接入方式，时钟源都提供冗余部署，由于leaf 交换机下连接入端设备，因此PTP 时钟源需要部署在不同的leaf 交换机下，防止单点故障（图8）。

图8 系统PTP 主从设计

多个系统PTP 时钟源独立部署（如总控与分控分开部署），不进行级联，防止一个系统出现故障，另外一个系统间接受到影响。

主PTP：GPS 源同步，并提供给系统内部设备时钟源。

从PTP：优先从PTP 同步，如果主PTP 失效，则从GPS 同步时钟源，并更改从角色为主PTP 时钟源。

PTP 协议由于精度要求高，本次设计上将PTP 时钟连接在与IP 播出设备连接同级的leaf 交换机上，最大限度地降低延时量，从而获得最好效果的画面同步矫正能力。

PTP 数据流量、IP 流数据流量在独立的网络中传输，为避免信息阻塞导致的数据故障，本次链路上级上启动组播交换机的QOS 功能，优先传送PTP 数据，保证PTP时钟无阻塞传输。

PTP 输出设备和BB 信号采用相同设备（TEK SPG8000A）输出，确保信号主备机三备链路信号播出相位的精度一致。

3.4 I-Flow IP 信号调度系统

IP 化播出管理系统最重要的核心是 SDN 交换机。SDN 是一种新型的网络形态，是网络虚拟化的一种实现方式。SDN 由应用层、控制层和转发层组成。SDN 的灵魂是控制层的 SDN 控制器，控制器通过北向接口实现对应用层设备的配置、管理、控制、监控等； 在转发层，控制器通过南向接口实现对交换机的控制。[5]

广电系统 IP 化的核心就是利用 SDN 交换机替换传统的切换开关和调度矩阵。[4]广播电视业务IP 化后，系统信号调度业务承担者由传统矩阵转换为交换机，而交换机本身只能进行数据交换，要实现系统的信号调度功能，就需要配合IP 流调度软件实现。阜阳广播电视台采用的切控调度软件i-Flow 用于电视IP 信号总控系统、IP 收录系统、演播室信号调度等需要进行多路IP 信号或TS 流信号的信号分配与调度的场景。其主要功能包括两大方面，一是对总控业务的管理和处理，另一方面就是控制交换机实现信号的复制（分配）、转发（切换），以及对网络系统的必要监控。

利用IP 化视音频信号软解软编底层服务，实现软件界面上的信号可视化监控，可对每个交换机节点上的指定信号进行内容查看。

在系统监看界面，提供完整的网络拓扑图，包括所有的输入信号、输出信号及交换机。对选中的链路高亮显示，对每个信号经过的交换机节点，利用IP 化视音频信号软解软编底层服务，对SDI over IP 信号解码并重新编码为TS 流信号，最终实现在网页上实时查看信号经过此节点的视频画面。所有交换机节点画面在同一屏展现，可以快速定位可能出现问题的部分，保证故障排除的时效性。以列表的形式展现交换机各个端口的运行状况，包括实时流量、丢包率等。数据+画面双重维度实现对切换的可视化监看（图9）。

图9 信号可视化监看

3.5 跨平台虚拟化私有云管理平台

本次技术平台设计主要针对后台应用服务的部署平台进行考虑，采用“虚拟化私有云部署模式”。

性能：可根据软件业务需要独立分配，性能资源可充分利用。

冗余度：除软件冗余能力，虚拟化本身也具备冗余能力。

成熟度：目前虚拟化的成熟度已经很高，配备其天然的冗余及自我维护能力，安全性上也不低于单机PC 服务器硬件。

根据业务应用计算量进行部署，如：数据库，自动技审等后台应用应分配较高应用资源。而全域备播、接口及迁移等业务应用因其对系统资源消耗较小，可分配一定量的资源用于适配业务。

表1

本次共配置5 个刀片，其中第三备和垫片虚拟化服务器使用2 个刀片，剩余共3 个刀片，支持1 虚拟6，共提供18 台虚机，有4 台虚机冗余。

每个刀片共提供28 核CPU 核192GB 内存，3 个刀片共提供84 核576GB 内存。提供的配置远高于部署软件需要的36 核218GB 内存。

3.6 虚拟化通用设备

根据虚拟化设计方案计算出总体CPU、内存、存储容量等要求，虚拟化设备机箱采用主备部署，采用HPE BladeSystem C7000 机箱，这个机箱采用一系列全新技术，提供了简化的管理、强大的处理能力、超强的网络带宽，更高效的供电和散热。本系统在主备机箱中分别安装5 个半高刀片服务器，采用HPE ProLiant BL460c 刀片服务器，最新英特尔至强E5-2600 v4 处理器和主频高达2400MT/s并支持热插拔。刀片服务器综合具备了上载、技审、播出、编单及迁移的管理职能，实现了对各项内容的有效整合与利用，以此促进节目的有效制作与利用。[3]

核心交换机采用H3C S6520，专用交换机一般具备更高的视音频IP 无压缩信号处理能力，例如实现切换等。而通用交换机则需要借助其他设备实现静净切换，甚至需要将IP 流信号转换为基带信号方可实现最终的静净切换，但随着IP 化SMPTE 组织协议的不断完善，在通用环境下实现IP 流视音频的静净切换也将逐步变为可能。通过上层应用管理软件实现信号的自动或人为调度，同时通用交换设备具备市场摩尔定理原则，随着时间推移设备价格会越来越合理，同时设备不会因为个别厂商原因导致未来无法维修维护，故选用通用交换设备及通用架构是从长远考虑最为合适的选择。

结语

本文对阜阳广播电视台全虚拟化高清播出系统建设进行了技术探讨，项目在建设初期就追求设计理念的先进，作为国内少数、安徽第一家做全IP 播出的电视台，大胆实践勇于创新，在虚拟化云架构结合IP 化框架下完成方案设计。并通过后期不断对软硬件方面的优化，系统于2020年年底顺利试运行，2021年正式上线，截至目前运行良好，并于2021年获得安徽省科技创新奖一等奖。全虚拟化高清系统的上线，为阜阳制播IP 一体化、资源共享及融媒体的发展起到积极的推动作用。通过私有云虚拟化的后台部署真正实现了管理资源的共享，为《今日阜阳》App、公众网、融媒体平台提供资源，同时通过IP 化后的网络兼容性，使得系统对未来更多样的、基于IP 网络的融媒体新媒体传播起到更有力的支撑。所以通过对虚拟化IP 在播出的应用，增添对运用新技术迭代播出系统的信心，也为将来更深入的媒体融合积累了经验。