IP化制播网
IP化制播网采用基于ICT的IP化技术架构替代基于SDI的技术架构。IP化后，传统媒体可以弥补自身短板，与新媒体融合，实现信息交互和多屏；同时可以充分利用虚拟化、云化、AI等新兴技术，共享资源、增强协作，吸收互联网经验，实现技术突破。
华为智能IP制播网解决方案整体采用SDN（Software Defined Networking，软件定义网络）架构，通过基于Spine-Leaf组网架构的IP化交换矩阵替代传统SDI矩阵，结合组播NAT、净切换、高精度时钟等关键技术，实现端到端的网络路径规划和媒体信号调度。
什么是IP化制播网？
什么是“制播网”？
- “采”是指采访、采集，是获取电视节目素材的手段。素材来源可以是电视台自己生产的，例如在演播室或者外景地拍摄录制的，或者新闻记者外出采访拍摄的；也可以是从其他电视台获取的，例如卫星转播；还有一些是从磁带或者光盘上获取的，例如纪录片。
- “编”是指基于采回的素材进行的一系列包括画面剪辑、混音合成、成片检阅等在内的一系列编辑工作，这是电视台内容生产的非常重要的一个环节。以访谈类节目为例，当镜头长时间停留在某位谈话者身上时可能会让人厌烦，需要插入其他画面调节观众情绪，或者当谈话中涉及某个事物，可插入相应的画面说明，这就是画面剪辑；同时可能需要录制旁白解说、配上垫乐，并有机结合在一个声道里，这就是混音合成；最后，还会根据需要添加字幕、特效等，形成成片后检查画面是否正确以及效果是否满意，这就是成片检阅。
- “播”是指电视内容通过媒介播出，有直播、转播、录播等多种形式。以足球比赛为例，直播是指播放与比赛同步进行的影像；转播是指播放其他电视台的节目；录播则是指在比赛结束后播放录制的影像。其中，直播需要同时制作和播出，非常考验电视台的实力。
- “存”是指对播出的电视内容在本地媒资管理系统进行备份存储，分为在线、近线和离线三种类型。近期就会播出的电视内容放入在线中存储；未来一段时间内都不会再播出的电视内容放入近线中存储；最终会放入磁带或者光盘中以离线形式永久保存。
- “传”是指对电视内容进行传输、传播，有多种方式，例如通过卫星传播，电视内容从地面站发往卫星，再转发到其他地面站，地面站收到信号后传输到当地电视台转播；有另一些电视内容是传输给运营商，通过IPTV播出；还有一些电视内容是传输到广电有线网络，通有线电视播出，等等。
综上所述，电视内容的制播是个复杂的系统工程，包含制作域、总控域和播出域在内的多个子系统，每个子系统在独立管理的同时，又相互关联、依赖，端到端共同构成“制播网”。
传统制播网
“制播网”为何要“IP化”？
- 超高清需求持续释放，超高清网络、终端基本具备，但缺乏超高清内容供给。一方面，视频占据了当前60%的网络流量，已经成为用户获取信息的主要途径；用户消费意识转变，超过80%的用户愿意为更好的体验支付额外费用。另一方面，光纤宽带/带宽100M以上用户超九成，4K机顶盒发货量占比超50%，50寸以上4K电视占比超60%。中国正向着超高清4K/8K持续演进，但与之相对的现状是，电视台4K频道屈指可数，互联网4K内容受限于片源转码的高昂价格以及转播数量很少呈现出供给不足的现象。
- 在传统媒体受众不断减少、广告收入持续快速下滑的同时，移动互联网发展迅猛，媒体广告收入增长迅猛。传统媒体被迫向移动端转变，与互联网新媒体在内容生产方式、生产工具等多方面的融合发展迫在眉睫。
- 电缆多、维护困难：传统制播方案采用的SDI铜缆，信号是单向传输的，传输100路信号需要200根线缆。在这种情况下，一方面，一旦出现线路问题将难以定位；另一方面，如果需要去台外，搬运大量粗大笨重的铜缆也是个难题。大大增加了部署和运维的难度。
- 容量小，难以扩展：当前，一根SDI铜缆常用的是3G带宽，最大带宽只有24G，在传输速率和距离上都比不上光纤。8K对带宽的要求非常高，一路8K信号最大可达到48G，如果要传递一路无压缩8K信号，即使使用24G带宽的线缆在数量上至少也会翻倍。如果采用压缩技术，压缩之后就使得后期制作的效果和价值大打折扣，内容是视频的核心资产，因此无压缩信号对于电视内容而言至关重要。
- 技术封闭、效率低：SDI技术标准发展缓慢，远不及IP技术演进的活跃、开放，包括媒体流封装标准、IP系统控制标准和时钟同步标准在内的关键能力日趋成熟；另外，由于SDI技术难以适配虚拟化、云化、AI等新兴技术，无法利用这些先进手段提升制播效率。
同时，国家也在积极推动超高清产业发展。工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合发布了《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》；中国中央电视台（下文简称“央视”）及多个省台的规划中纷纷包含了对超高清产业的建设；以工业和信息化部为首的六个部门也联合开展了“百城千屏” 活动，大力推动超高清视频的落地。IP化改造成为电视台信息化改造的价值高地，改造空间巨大。
综上所述，采用光纤替代SDI铜缆，采用基于ICT的IP化技术架构替代基于SDI的技术架构，已经成为行业共识。主流媒资厂商纷纷宣传IP化，主流网络厂商纷纷投资进入媒资行业，华为也应势提出了智能IP制播网解决方案。
IP化制播网
IP化制播网的基本架构
- 最底层是媒体节点层，包含信号处理、监看、同步、制作等媒资终端设备。
- 中间层是核心网络层，底层媒资终端设备通过光纤或网线连接到该层中的IP化交换矩阵，IP化交换矩阵采用Spine-Leaf组网架构。
- 最上层的综合管理层，包含媒资厂商SDN控制器，通过API接口管控IP化交换矩阵和媒资终端设备，实现网络管理、网络监测、IP流分析和智能调度。
华为智能IP制播网解决方案SDN架构
- 高效转发：扁平化设计，缩短媒体节点之间的通信路径，从而有效降低延迟。
- 负载均衡：Spine-Leaf结构可以在无环路环境中使用全网络中的每条链路并进行负载分担，这种等价多路径设计在使用SDN等集中式网络管理平台时处于最佳状态。
- 灵活扩容：若Spine节点带宽不足，只需通过增加Spine节点提供负载均衡能力；若接入层连接不足，则只需增加Leaf节点数量。
- 无阻塞：通过Leaf节点在接入层处理连接，Spine节点保证任意两个端口之间提供延迟非常低的无阻塞性能，实现从媒体节点到媒体节点、从媒体节点到云的敏捷服务。
- 单机架构：组网简单，成本低，Spine节点同时完成Leaf节点功能，但系统可扩展性较为有限，只适合小型控制系统。
- 单脊多叶：可以通过扩充Leaf节点增加网络的接入能力，Spine节点的转发容量和表项容量决定整个网络的规模，系统可扩展性好，适合中大型控制系统，可以满足大部分电视台的需求。
- 多脊多叶：可以同时实现Spine节点和Leaf节点的水平扩展，系统可以实现N*Spine节点容量的规格，系统可扩展性最强，适合超大型控制系统。
Spine-Leaf组网架构
Spine-Leaf组网架构中采用大容量路由器，支持大容量线卡，可平滑演进至大容量槽位，在此基础上构建的大规模IP化交换矩阵系统可以无阻塞承载N*2000/N*4000路4K无压缩信号；支持信号单流、整组切换，方便业务设计；同时，可以批量下发输入、输出和预设规则，下发速率提升10～20倍，满足短时内大规模切换的应用场景。配合SDN控制器端到端的网络路径规划，实现对全媒体信号单播、组播混合业务场景的无阻塞调度。
另外，在传统制播架构中，压缩信号和非压缩信号分开承载，非压缩信号通过SDI交换矩阵承载，压缩信号通过IP网络设备承载；而在Spine-Leaf组网架构中，通过IP化交换矩阵统一承载非压缩信号和压缩信号，简化了网络结构。
IP化制播网的关键技术
组播NAT
- 组播输入流Stream-In在入接口Interface1进行流策略匹配，流策略匹配Stream-In的源MAC地址、源IP地址、目的IP地址、源UDP端口号及目的UDP端口号，流行为是关联组播NAT实例。通过流策略，建立输入组播流Stream-In和组播实例的对应关系。
- 当需要配置一条输出流Stream-Out时，在指定的出接口如Interface2和Interface3上配置组播流转化规则，对输出流的部分报文特征进行转换，并将出接口组播流与组播NAT实例进行绑定。输入组播流和输出组播流即可通过组播实例进行关联。
- 每个组播NAT实例均可以被多个组播NAT出接口绑定，实现将输入流复制到多个出接口。
组播NAT
华为智能IP制播网解决方案采用大容量组播NAT，可以满足超大规模矩阵多业务统一承载。
净切换
视频切换是指从某一路视频信号源瞬间切换到另一路视频信号源的过程，在电视屏幕上表现为一个画面迅速变换为另一画面，例如：制作域中多个摄像头输出的视频源之间切换；播出域中多个节目的视频源之间切换。制播网视频切换的基本要求是视频实现帧精确、净切换，输出信号在切换前和切换后保持帧同步、画面无损伤。净切换的目标是在两条视频流切换过程中，接收端收到视频信号后不黑屏、不花屏、不停顿。净切换基本流程如下所述：
- 组播输入流1在入接口Interface1上进行两级流策略匹配，第一级流策略匹配输入组播流1的源MAC地址，流行为是关联到第二级流策略。第二级流策略匹配输入组播流1的源IP地址、目的IP地址和UDP端口号，流行为是关联组播NAT实例。通过两级流策略，建立输入组播流1和组播实例的对应关系。
- 组播输入流2在入接口Interface2上进行两级流策略匹配，第一级流策略匹配输入组播流2的源MAC地址，流行为是关联到第二级流策略。第二级流策略匹配输入组播流2的源IP地址、目的IP地址和UDP端口号，流行为是关联组播NAT实例。通过两级流策略，建立输入组播流2和组播实例的对应关系。
- 在指定的出接口Interface3上配置组播流转化规则，对输出组播流1的部分报文特征进行转换（也可以不转换组播流特征），并将出接口组播流1与组播NAT实例进行绑定。输入组播流1和输出组播流1即可通过组播实例进行关联。
- 当控制器下发净切换指令到Device设备后，Device取消对出接口组播流1与组播NAT实例进行绑定，并将绑定出接口组播流2与组播NAT实例，达到净切换的效果。
净切换
华为智能IP制播网解决方案采用基于创新的NP（Network Processor，网络处理器）模块+净切换算法，用整帧切换取代传统报文切换，保证每一帧视频画面的切换瞬时、无损；基于IP化交换矩阵实现，与前后端外围设备均实现解耦，无需双倍带宽；同时还遵循ST2022、ST2110标准协议，可以适配SD（Standard Definition，标清）/HD（High Definition，高清）/UHD（Ultra-High Definition，超高清）等多种音频、视频格式。
高精度时钟
IP化制播网对时钟同步有严格要求。在传统SDI架构下，制播网的时钟同步一般通过数字同步器实现，采用黑场信号、三电平进行精确时钟同步，实现帧对齐，保证画面稳定和唇音同步；制播网IP化以后，全台系统的时钟同步成为关键挑战。采用基于PTP（Precision Time Protocol，精确时间协议）的时钟同步系统可以解决这一问题，PTP是一种主从同步系统，采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。
高精度时钟
华为智能IP制播网解决方案采用1588v2技术实现时钟同步，拥有业界最高级别PTP时钟精度（<10ns），能够支撑总控域提供全台时钟信号。同时，针对IP化制播网场景研发了PTSF（Packet Timing Signal Fail，包定时信号失效）等算法，可以区分时钟源是偶然跳变还是持续异常跳变，在持续异常跳变的情况下才切换时钟源，保障时钟更加稳定。
流发现
视频制作、现场直播时，需要在多个视频源/镜头间切换，以达到最佳的视频呈现效果。目前，由于采用了IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）在不同的组播组间切换，而IGMP开始/停止组播转发时不考虑视频的帧边界，会导致转发的内容从视频层面看内容不全，达不到无花屏、抖动、黑屏、静帧等视频无损伤要求。流发现是一种流量识别的技术，它基于源MAC地址+目的MAC地址+五元组（源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口和协议类型）的七元组信息采集接口上行流量信息（如报文包个数、字节个数等）并上送控制器。在IP化制播网中，流发现技术可以识别音频、视频流，并根据识别出的流量类型进行快速准确地复制转播，指导音频、视频流在多个视频源/镜头间切换，以达到最佳的视频呈现效果。
流发现
华为智能IP制播网解决方案采用独有的新流自动发现、识别和上报机制，在消除人工误操作的同时自动识别非法攻击，减少人工投入。
安全防攻击
华为智能IP制播网解决方案拥有完善的安全攻击防护，保障IP化交换矩阵安全稳定运行，具体表现为：
- 0协议，无地址，无攻击面：不依赖协议实现，业务接口不需要配置IP地址，系统对外没有攻击目标；默认情况下，网络二层、三层流量都不进行转发，避免不安全的流量经过本系统扩散。
- 设备安全准入：网络设备基于白名单安全准入，只接受来自授权源并向授权目的地发送的流。
- 流量灵活控制：可以通过指定每一条流所占用的带宽进行限制；不同流之间可以指定不同优先级，保证高优先级流量的传输质量。
- 时钟合法性识别：对于不合法的时钟报文检查后直接丢弃，仅处理合法报文，以避免设备由于收到PTP干扰报文影响时钟同步精度。
IP化制播网的成功应用
华为与业界广泛合作，除了与电视台客户联合创新，与业界主流广电厂商建立合作伙伴关系，提供端到端最佳集成方案，还与标准组织和产业联盟协作，为超高清标准的持续发展和市场推广作出积极贡献。
在中共中央宣传部指导下，依托由科技部批准建设的超高清视音频呈现国家重点实验室，央视总台联合华为等厂商开展了一系列制播网IP化探索，并在中国国际进口博览会、央视春节联欢晚会、北京冬季奥林匹克运动会等重要场合中成功应用。
4K IP演播室制作系统
- 上层是控管监系统，它面向演播室、总控的运维人员，主要用于对IP化交换矩阵的管理、监测和控制，例如对IP化交换矩阵运行状态进行整体监测；提供方便的交叉点界面用于业务切换；提供全系统的时钟监测能力，等等。
- 下层是广电厂商的各种音频、视频终端设备，不同类型设备、网络节点间通过协议连接，实现互联互通。
- 中间层是IP化交换矩阵，是IP化制播网中打通连接的核心枢纽。一方面，IP化交换矩阵开放北向接口（包括NETCONF、Telemetry、SNMP等标准协议）给上层控管监系统，提供IP化交换矩阵运行的实时信息、时钟同步信息等关键信息，同时接收上层控管监系统下发的创建、切换、删除等业务指令；另一方面，与下层广电厂商的各种音频、视频终端设备间具备良好的互通性。
4K IP演播室制作系统
4K超高清总控IP调度和分发系统
总控室IP化是IP化制播网的另一个重要应用方向。华为智能IP制播网解决方案成功助力中央广播电视总台实现全国首个总控IP化系统，是全国首个采用SDN架构实现的无压缩信号制播系统，同时也是全球最大的4K/8K总控IP制播网系统。该方案能够支持超过2000路的4K无压缩信号调度，系统采用100GE大带宽，与OTN（Optical Transmission Network，光传输网）设备联合支持超远距离传输，具备远程/超远程制播能力。
4K超高清总控IP调度和分发系统
- 作者： 陈婧怡
- 最近更新： 2023-05-23
- 浏览次数： 7011
- 平均得分：
