IP 流传输和切换方式在IP 化播出系统中的应用

潘炳顺

（桐庐县融媒体中心，浙江 杭州 311500）

0 引言

随着广电行业在网际互连协议（Internet Protocol，IP）化制播方面的多年发展和技术积累，现阶段国内已经出现不少IP 化播出系统的项目落地，在IP化软硬件产品的信号域标准上也已经形成以ST 2110 标准为IP 流同步、视/音频、辅助数据的统一标准的行业应用现状。而在IP 化播出系统整体架构设计和实际产品选择上，由于各地电视台对IP 化播出系统功能定位、使用需求上的不同而呈现出多样化的设计思路。笔者根据近些年对IP 化播出系统技术发展的理解和行业播出系统应用的交流实践，对IP 化播出系统的架构设计和无压缩IP 流信号切换这一细分领域进行阐述和技术探讨，希望能够为国内现阶段IP 化播出系统的设计应用和实践提供一点参考。

1 IP 化播出系统架构设计

近几年的IP 化播出系统相对于传统基带播出系统的变化基本上集中在播出视频服务器的输出和频道分控信号处理、调度、传输方面，而在节目素材采集、存储、节目单编排及播出控制方面的架构变化较少。传统基带播出系统一般的工作流程如图1 所示，由总编室进行电视播出的节目单编排，节目制作部门完成节目素材文件的制作，节目单和节目素材文件给到播出视频服务器，播出视频服务器输出串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）信号进入播出分控链路作为主信号源，播出分控链路同时接入转播信号、垫片信号等播出信号源，经过播出控制切换和处理后输出节目信号（Program，PGM）。这是传统基带播出系统中应用比较普遍的一种系统架构设计，可以归纳为以播出视频服务器为核心，通过播出视频服务器进行文件化的节目素材到实时SDI 数字视频信号的转换，有些地方称其为硬盘播出系统。IP 化播出系统在系统架构前半部分，即文件化的节目素材送到播出视频服务器这一阶段与传统基带播出系统并无太多的改变。IP化播出系统的播出视频服务器在得到文件化的节目素材后将其转换成数据包形式通过以太网络传输的IP 流信号。IP 化播出系统与传统基带播出系统的不同之处由此出现。

图1 播出系统架构设计

广电行业在多年以前就一直有关于播出系统在播出视频服务器输出IP 流信号上的探索实践，当时并没有关于IP 流信号的行业标准，一些集成度较高的小型化播出系统会采用一种单机视频服务器直接输出异步串行接口（Asynchronous Serial Interface，ASI）格式的TS 流信号，播出信号的处理切换都在单机视频服务器内部实现，省去了PGM 编码环节。但这种小型化播出系统在信号传输、信号切换方面有较大的安全性问题，信号传输丢包、信号切换难以同步。同时，作为深压缩的视频信号基本无法再编辑，因此应用场景有限。

随着广电IP 化技术的发展，IP 流信号的行业标准逐步统一确定。ST 2110-10 标准明确了无压缩IP 流的同步机制，ST 2110-20/30 标准明确了无压缩IP 流视/音频信号的传输规范，ST 2022-7 标准则给出了关于IP 流采用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）存在丢包率问题的规避办法。一系列标准的完善，使得无压缩IP 流信号的稳定传输、切换有了技术标准支撑。

在IP 化播出系统的播出视频服务器输出IP 流播出信号到频道分控时，对IP 流的处理、切换就有了很多根据设备形态和分控架构设计不同产生的多样化应用。例如，将台标字幕叠加功能集成到播出视频服务器的所谓All In One 方式，独立硬件处理台标字幕叠加的键控一体机，一机多能的网关转换、多画面、台标键混功能模块化超级网关，通用服务器形态的多画面、台标字幕叠加功能产品等等。可以说，根据产品形态和使用需求的不同，IP 化播出系统在频道分控方面有相当灵活多样的设计方案[1]。

2 无压缩IP 流的网络传输方式

目前，国内新建IP 化播出系统不论是作为传统高清基带播出系统的改造升级还是全新的超高清播出系统，无压缩IP 流的网络传输方式基本上遵循ST 2110 标准的技术规范。根据ST 2110 标准的要求，按照ST 2110 标准构建的IP 化播出系统中视/音频信号是分开传输的，而且可以携带一些比如字幕、时间码之类的辅助数据信息。ST 2110 标准中有许多诸如ST 2110-10、ST 2110-20、ST 2110-21、ST 2110-30、ST 2110-40 之类的细分规范标准，对无压缩IP 流的同步方式、视频流、音频流、辅助数据都有相应要求，使得一个IP 化的广电制播系统的视频、音频子系统能够在同一个网络中进行信号交互和传输，促进了广电制播系统的规范化和统一融合。

IP 化播出系统无压缩IP 流的同步方式则需要遵守ST 2110-10 标准的规范，按照精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）即电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）1588v2 时钟同步协议进行系统设备的时钟同步，按照实时传输协议（Real-time Transport Protocol，RTP）时间戳记录视/音频、辅助数据包的采样时间，根据会话描述协议（Session Description Protocol，SDP）对IP 流进行信息注释说明。一个遵循ST 2110-10 标准的IP 化播出系统需要一个能够输出PTP 报文的同步时钟信号源。这个源可以是单台母钟设备，也可以是由多台母钟和交换机组建的同步时钟网络。整个IP 化播出系统所有无压缩IP 流设备都根据统一的同步时钟信号源进行无压缩IP 流信号同步处理和切换[2]。

作为构建在传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）网络体系中的无压缩IP 流网络，采用了UDP 协议进行上述视/音频信号和辅助数据的传输，因此相较于前文所提及的TS 流小型化播出系统，同样存在UDP 协议数据包传输过程中信号接收端不会回复信号方式端导致丢包的问题。在无压缩IP 流标准层面给出的解决方式是ST 2022-7 标准，通过无压缩IP 流数据包的无缝保护切换来保障信号接收端能够按时、稳定地收到来自信号方式端的每一个数据包。这种无缝保护切换需要处理无压缩IP 流的视音频设备采用两组网络传输接口，同时发送、接收两组互为镜像的无压缩IP 流数据包，一旦有一组无压缩IP 流数据包出现丢包（根据RTP 时间戳），立即无缝切换到另一组，如图2 所示。这是一种近似于对无压缩IP 流网络传输进行冗余设计的规范，因此需要处理无压缩IP 流的视音频设备和以太网络交换机都进行端口冗余和域备份。

图2 无压缩IP 流数据包的无缝保护切换示意

3 无压缩IP 流的切换方式

无压缩IP 流传输必然需要构建一个以太网络环境。无压缩IP 流传输如何在这个网络环境中传输，已经有了较为完善的明确标准，即ST 2110标准。但是目前国内新建的IP 化播出系统在无压缩IP 流信号的处理和切换方式上还是有多元化的设计思路。无压缩IP 流信号的处理方式根据国内外广电厂商的产品设计不同可以说是百花齐放，而在无压缩IP流信号的切换上，由于以太网交换设备的发展成熟，按照无压缩IP 流信号切换位置基本上可以归纳为核心切换和边缘切换两种。

无压缩IP 流信号核心切换指的是在以太网交换设备上进行信号的切换动作，即IP 流信号域的核心交换机（或路由器）对无压缩IP 流信号的组播地址进行修改，从而实现IP 流信号的路由改变，如图3 所示。这种在核心交换设备上改变组播地址信息的方式，在网络架构发展中被称为软件定义网络（Software Defined Network，SDN）。SDN 网络架构设计有以下特征：网络中的控制和转发设备分离，通过“控制器”软件集中控制和下发流表，第三方应用通过与“控制器”软件建立接口定义新的网络功能[3]。

图3 无压缩IP 流信号核心切换示意

在无压缩IP 流信号核心切换中，播出系统需要一个“控制器”软件对核心交换设备（通常会有主、备两台甚至更多）进行集中控制和下发流表，而播出控制软件就是那个第三方应用，根据播出系统的使用功能定义无压缩IP 流信号的切换策略和动作。当然，国内广电相关厂商也有自主研发SDN 控制器集成在IP 化播出系统软件中的。

核心切换的方式更接近传统播出系统使用的信号切换矩阵设备，只需要实现“控制器”软件对核心交换设备的管理控制，就可以让无压缩IP 流按照使用者的需求进行快速的切换。然而，核心切换需要核心交换设备能够支持SDN 功能，同时IP 化播出系统软件厂商也需要具备研发集成SDN 控制器或者对接第三方SDN 控制器的能力，这在产品选择和系统建设过程中都存在一定的问题和代价。

IP 播出系统还有另一种信号切换方式，即无压缩IP 流在边缘处理设备进行切换。所谓的边缘处理设备指的是包括IP 视频播出服务器、IP 转换网关、IP 多画面监看设备及台标键混设备等在内的无压缩IP 流处理设备。整个无压缩IP 信号域采用的是IP 组播通信方式，每一个发送/接收IP 流信号的设备都有相对应的组播地址，因此可以将这些边缘处理设备都视作是同一网段的组播组成员。IP流信号以数据包的形式从一个组播组成员转发到一组特定的接收者，按照Internet 组管理协议（Internet Group Management Protocol，IGMP）对特定组播组成员进行加入/离开管理，完成数据包的路由改变。这个过程如图4 所示。

图4 无压缩IP 流信号边缘切换示意

在IP 化播出系统中，IP 流信号域的边缘处理设备基本上是固定的，因此只需要对接收端设备进行组播地址的修改，即可以实现该接收端设备对IP流信号的切换[4]。边缘切换方式对网络交换设备的网络功能没有特定的要求，也不需要研发SDN 控制器；IGMP 协议对边缘处理设备的管理控制也比较简单，同时从播出系统分控链路切换路由角度，分布式的边缘处理设备为播出系统提供了切换节点的冗余配置[5]。然而，根据IGMP 协议的组播组成员加入/离开机制，网络交换设备在切换动作中需要为加入/离开组员都提供数据包，即在这一切换瞬间端口带宽需求是双倍的，因此需要考虑到网络交换设备的选型和播出系统的信号域带宽容量问题。

4 结语

随着国内各级电视台在电视播出、节目制作、新媒体领域的技术实践和项目落地，广电行业的IP化进程在不断推进中，国内外广电厂商也在进行大量的软硬件产品研发和技术尝试。现阶段的广电IP 化标准对于信号静净切换、视/音频同步等方面的一些问题也还有需要补充完善的地方，相信ST 2110 标准不会是广电行业最后的IP 流信号传输标准。IP 化播出系统的设计和技术应用每年都会有采用新思路新产品的项目规划和落地，本文只是根据笔者对近几年IP 化播出系统相关广电技术应用和接触到的IP 化播出系统项目产品，对IP 化播出系统的架构设计，与以往传统基带播出系统的异同，还有无压缩IP 流的传输、切换方式等方面进行一些技术介绍和探讨，不足之处，希望能够得到广电行业技术工作者的指导帮助。