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无压缩视频IP流播出系统的研发与应用

随着网络和虚拟化技术的快速发展,电视播出架构IP化势在必行,以顺应媒体融合的发展趋势。IP播出系统中将不再拥有大量的同轴线缆、各类视音频处理板卡、基带矩阵及众多独立专属服务器,转而被光纤、IP网关、万兆交换机、虚拟服务器等替代。IP播出系统以先进性、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,并与现有基带播出系统友好连接,实现资源共享、统一管理、轻量化播出;与节目生产系统及融媒平台有效对接,实现南京台节目资源的保值增值。

 

IP播出系统涉及的相关技术

 

IP播出系统涉及相关技术包括SDI Over IP技术、SDI/IP媒体网关、IP组播流切换、无压缩视频IP41自动倒换、服务器虚拟化及IP流播出保护机制等。

 

1. SDI Over IP技术

 

IP播出系统中SDI信号的IP封装格式符合SMPTE 2022相关协议标准。SMPTE 2022-6定义了专业基带音视频信号IP封装格式及高速率媒体传输协议(HBRMT);SMPTE 2022-5引入了对文件数据块的FEC(前向纠错)编码机制,以提高编码数据的恢复能力。SMPTE 2022-7定义了在高码率传输下无缝数据保护切换机制。SMPTE 2059-1/2规定了专业广电环境中时间和频率同步的精确时间协议(PTP),其时钟同步精度达到纳秒量级,满足高码率传输情况下IP网络时间和频率同步的需求。

 

SMPTE 2022-6定义的RTP数据包头中包含版本号(Version)、填充指示(Pad)、扩展位(eXtend)、标志(Mark)及有效载荷类型(Payload Type)等,其中V=2P=0X=0Mark字段为视频帧最后一个数据包标记位,M=1时标志着当前包为一帧的结束包。利用 RTP/UDP 协议在IP网络上以恒定比特率传输无压缩SDI视频(支持嵌入音频)数据。使用RTP协议把音视频数据块封装在RTP信息包中,由传输层的UDP 对每个RTP信息包进行封装,再由IP网络层封装为IP数据包,最后经过MAC层和物理层以光电信号的形式进行传输。接收端从RTP信息包中解析出音视频数据。

 

2. SDI/IP双向媒体转换网关

 

IP播出系统采用SDI/IP双向媒体转换网关(以下简称IP网关)来完成4HD-SDIIP信号之间的双向转换与传输,该网关具有双链路10G以太网(单模光纤)输入、输出接口,IP输入/输出以组播方式传送数据,支持ST2022-5/6标准的IP封装及解封装,支持ST2022-7双链路传输的无缝保护切换。该网关从外锁相信号或输入的IP流信号中提取出时钟和帧头信号或时间戳,配合行、场相位调整单元,将输出信号统一到外锁相的时钟基准上。

 

如图1所示,IP网关将外来的4SDI信号转成并行信号,并进行帧同步处理;参数解析与传递模块将解析出来的组播地址和端口号等参数传送给IP封装模块按SMPTE2022-5/6标准封装成IP信号并通过10G光口输出。反之,参数解析与传递模块将从输入IP信号中解析出来的组播地址和端口号等参数传给IP解析与参数匹配模块,分别解析出IP包头、UDP包头、RTP包头及视频数据格式,一旦检测到组播地址与端口号匹配,就会将有效视频载荷数据存入缓存中;SDI封装模块将按视频数据格式从缓存对应通道中取出数据解析出SDI信号。

 

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3. IP组播流切换

 

1IP组播技术

 

IP组播技术是利用RTP/UDP协议将实时音视频IP数据包从一台主机(组播源)复制发送到一组有需求的用户。在IP组播网络环境中,组播源实时传送一个无压缩HD-SDI视频IP流(含嵌入音频),最高速率为1.485Gbps,由网络中的路由器或交换机同时复制出N个视频IP流发送到N个需要的用户,因为视频IP流在每条网络链路上只传送一次,只有在链路分叉时才会被复制,因此,仅占每条网络链路(10GbE1.485Gbps的带宽。可见,IP组播技术能有效地节省网络带宽、减轻发送端的负荷、提高数据传送效率。

 

2IP组播流源端切换

 

IP矩阵基于OpenFlow技术,在SDN的控制与管理下由SDN交换机完成可精确到帧的实时视频IP流的无缝调度。SDN交换机只在本地依据流表(flow table)转发高速的数据,其通过新建流表将需要切换的源组播地址加端口号改变后替换为目的组播地址加端口号,在同步情况下(B.B/PTP)可实现IP组播流的无缝切换与传输。IP组播流源端切换如图2所示。1

  

通过IP网关按SMPTE 2022-6标准打包成4IP流(源1~ 4),其中源1(组播地址加端口号225.10.10.196))通过SDN交换机传输到目的端(目的组播地址加端口号225.10.10.396))。

 

切换时,播控工作站通过控制交换机向SDN交换机发送切换至源2指令,后者通过控制交换机到播控工作站调取流表后将新建流表发回到播控工作站,播控工作站发送指令到网关卡,将源 2225.10.10.296)、225.10.10.298)(空))送至SDN交换机,后者依据新建流表将源2225.10.10.298)(空))传输到目的端。

 

切换后,SDN交换机通过新建流表将源1225.10.10.196))转换到预留225.10.10.197)(空),同时将预留225.10.10.298)(空)转换到源2225.10.10.296))后传输到目的端(225.10.10.396)),完成切换后形成有效流表。最后,SDN交换机将通过控制交换机到播控工作站存储有效流表、删除原有流表。

 

3IP流净静切换

 

IP流净静切换实现机制如图3所示。按SMPTE 2022-6标准将SDI信号打包成的无压缩视频IP流均处于同一基准(PTPB.B)下(相位一致),其帧结束标记(MARKBIT=1)是相邻的,为IP流净静切换提供了条件。IP流播出服务器内部切换检测模块一旦检测到播出控制软件通过交换机发过来的切换指令时,检测该通道对应的IP包中的帧结束标记,然后进入缓存,当两路IP流完全同步时,计数器模块从帧头找到切换行(高清是第7行和569行、标清是第6行和319行)再发出执行切换指令,检测切换模块立即实时地改变需要切换通道的组播地址和端口号,实现两路IP流的净静切换。从该模块输出的IP流送给字幕叠加模块完成对字幕流的叠加,最终同时输出1路带图文字幕的无压缩视频IP流和1路带图文字幕的低码监看流。

 

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4. 无压缩视频IP41自动倒换

 

无压缩视频IP41自动倒换板卡具有双链路10G以太网光纤输入接口,当其为冗余输入时,支持SMPTE2022-7无缝数据保护切换。如图4所示。该板卡具备IP数据包和基带SDI两个层面的检测与倒换机制,具有可编程预置无压缩IP流倒换优先级,当高优先级IP流丢失或数据包发生错误时,将净静倒换至次优先级;恢复后,切换至优先级高的IP流输出,其他3IP流直接输出,通过SDI封装后输出4SDI信号,检测与自动倒换模块仅对前 2SDI信号中的黑场、静帧、静音等进行检测,相关参数(可设)发生超标即在预定时间内进行倒换,并提供报警信息。此外,倒换机制包括自动、手动和GPI控制等,配备软、硬件控制面板。IP41自动倒换板卡最终输出相应的SDI信号及IP流。

 

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5. 服务器虚拟化方案

 

如图5所示,服务器虚拟化方案采用分层虚拟架构体系,依次为SAN存储层、物理服务器层、虚拟化管理层、应用层、网络层、客户端与监控管理层。IP播出系统使用VMware vSphere,将一台物理服务器虚拟成多台相互独立、互不干扰的逻辑服务器,同时处理多个业务。通过在M630刀片服务器上安装ESXi5.0虚拟化管理软件,并在vCenter管理中心开启 HA 集群功能,对集群内虚机应用提供保护。虚拟化技术提高了计算资源的利用率和可靠性,可以实现虚拟机在线迁移(无需停机)、自动负载均衡以及服务器宕机后的自动漂移(无需停机或短暂停机)等,体现了系统的高可用性,同时提高了管理能力和系统安全性。

 

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6. (2N:M) 2模式的IP流播出保护机制

 

(2N:M) 2模式是指N个频道 + 模式无压缩视频 IP流播出服务共享 M(M ≥ 1) 个冗余IP流播出服务,具备物理节点(包括机框)镜像备份(双IP播出链路)。如图6所示,每个刀片服务器负责2个无压缩视频IP流播出,2个高清频道共享1个冗余虚拟播出机,当其中 1 台虚机发生故障时,系统提示需进行处理,维护人员确认后,故障虚机的播出服务自动迁移到冗余虚机。每个刀箱(物理节点镜像)输出2个高清频道的4IP播出流,各频道的4路不同播出虚机输出的IP流交叉送到末端的主、备IP41自动倒换板卡(物理节点镜像),实现(2N:M) 2模式的IP流播出保护机制,最终输出稳定的主、备SDI信号IP流。

 

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IP播出系统设计方案

 

IP播出系统实现了新闻、教科两个高清频道虚拟化环境下无压缩视频IP流播出,与现有基带播出系统无缝融合,具有安全可靠的系统架构。

 

1. IP流播出流程

 

7IP播出流程图,系统自带数据库服务,接收现有基带播出系统总编室播出串联单,依据播出串联单启动自动迁移任务,将待播素材从现有系统二级存储迁至IP播出系统缓存,播出服务虚机可同时接收2路外来无压缩IP流,与内部实时IP封装的素材文件依据播出串联单进行净静切换,再叠加字幕流后输出。2台刀片服务器机箱每频道各输出主、备2路无压缩视频IP流分别送入主、备241自动倒换板卡后转换成 SDI信号或封装成IP流输出。IP播出系统对HD-SDI输入信号延时≤8帧(320ms)。

 

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2. 系统网络架构

 

如图8所示,IP播出系统网络架构采用IP流万兆交换网络、文件及控制网络的扁平化二层网络架构,保证了数据业务的吞吐量,杜绝了 IP流数据和控制数据的相互干扰。前者由248口光纤万兆网络交换机建立起IP流数据交换主干平台,提供无压缩IP流的分发控制和传输。经测定,万兆以太网链路吞吐量在7.62Gbps~9.87Gbps之间,延时小于1ms;后者由148口千兆交换机(含万兆模块)作为控制、文件迁移、NDI字幕流、监控、配置等控制交换机。设计中,光纤万兆网络交换机以主、备冗余配置方式存在,全网进行全负载分担、冗余可靠的体系架构设计,以提高IP流数据交换的可靠性,避免关键节点故障对整个网络架构产生影响。

 

3. IP播出系统

 

如图8所示,IP播出系统采用主备刀片服务器、冗余存储盘阵、主备万兆交换机、控制交换机、服务器虚拟化、IP流字幕机、IP41检测倒换、IP网关、IP画分及系统全流程监控等设备和技术,结合南京台节目生产流程和工作模式定制可视化、具备应急处理模块的应用软件,满足2套高清新闻/教科频道节目安全、优质播出的需要。

 

2DELL M1000e刀片服务器机箱互为主、备,各配有一块16口光纤万兆直通网板,配合独立的万兆网络模块M8024-K实现无压缩视频IP流的输入、输出,实现虚拟系统直通网络背板+万兆交换机的IP流数据网络架构。

 

每台刀片服务器机箱各配有3M630刀片服务器,每台M630各配置224及以上核心CPUE5-2670 v3@2.3GHz或主频2.3GHz以上)、内存64GB以上、2300GB SAS硬盘(RAID1)、2个万兆双通道虚拟网络模块。播出服务虚机配置10核心CPU、主频2.3GHz以上、内存16GB35GB以上系统硬盘;利用M8024-K另外2个万兆电口连接存储阵列,用于读取素材文件并实时IP封装后进行播出;各播出服务虚机独立受控。

 

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数据库服务采用主、备方式,通过镜像软件自动切换在线服务,采用分发订阅机制进行同步,并定期自动备份数据。

 

配置24.8TB存储阵列,用于存储从现有播出系统迁移来的待播素材文件。

 

IP流字幕机基于NDINetwork Device Interface)协议,采用1帧轻压缩、低延时、高效的压缩算法,具有广播级质量。单个千兆网卡同时输出4NDI字幕流供4个频道使用,其带宽维持在35Mbps~40MbpsNDI字幕流进入IP流播出服务器后,仅对台时标、图文区域进行编解码处理,确保音视频质量及图文字幕数据流的高效混叠。

 

系统配有4IP网关,将63个高清演播室的主备信号、2路高清矩阵输出、2路高清CCTV-12路应急VTR2路基带高清播出及应急源、测试卡等共16HD-SDI信号转换成IP流。2个频道各配有2块无压缩视频IP41板卡,确保输出稳定的主、备播出信号。

 

IP播出系统软件设计

 

IP播出软件设计基于能确保系统安全、可靠、稳定运行的原则,具有良好的人机互动的可视化界面,快捷的应急操作流程,先进的管理机制,并与现有基带播出系统相融合。

 

1. IP播出软件各功能模块

 

IP播出软件系统建立在分布式应用基础上,采用模块化架构,提供13个功能模块,其主要任务如表1所示。

 

2. IP播出软件部分功能模块

 

1IP流播出服务

 

IP流播出服务模块包括无压缩视频IP流净静切换、依据AFD信息进行上下幅型变换、素材文件IP封装、图文数据流的混叠及IP流采集、播出等,该模块安装在IP流播出服务器中。

 

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2IP播控服务

 

IP流播控服务模块支持IP流预监,可对缓存中的素材文件及外来实时IP流进行浏览,对IP流播出服务、IP41IP矩阵调度、录像机等设备进行帧精度控制。

 

如图9所示,IP播控界面包括软件选择模块区、在播单与应急区、应急处理区、素材信息与操作日志区、频道与时间信息区、低码流预监区,具有触发、保持及串联单同步等功能,可视化应急处理界面包括触发、直接切换、紧急调度等,提供保持、手动切换、主从切换、垫片播出等多种手动应急手段,具有最高优先级。IP播出控制软件可定时保存串联单,支持离线播出功能。能够实现设备状态的检查、提示和报警,包括素材文件是否存在、素材和节目关联是否就绪/一致、可控外设工作状态、网络状态、系统时间及PTP同步显示等。低码流预监可以提供待播素材预播和系统内的在播流实时监看功能。

 

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3)云分配服务

 

分配服务MagiCloudSvr从数据库中获取到交互任务后将任务以组播方式在网内发送消息,由空闲的MagiCloudAgt抢夺到任务后执行。可在同一系统环境中打开多个该服务,以达到服务冗余备份的目的。

 

4)云代理服务

 

代理服务MagiCloudAgt通过组播消息抢夺到分配服务分配的上传任务,在服务端注册其唯一性后,进行MD5计算及校验,并将转码、技审工作通过组播的方式在网内发送,由MagiCloudCtsMagiCloudCvs接收后进行任务的云转码、云技审工作。

 

5)云接口服务

 

对网络提交的上传任务进行导入许可验证、元数据入库和状态异步反馈,该服务应安装在独立的接口服务器中,且可直接访问Cloud数据库的网络环境中。

 

6)外来节目单及素材导入服务

 

对外来播出系统的在线节目单和广告单导入进行自动扫描、导入到IP流播出系统。能够自动将素材审核信息(入出点)应用到IP播出系统对应的素材上,素材导入后系统自动将素材与播出串联单进行关联。

 

结束语

 

IP播出系统整体运行平稳,带宽充裕,系统监控完善,可视化播控软件界面操作简便,应急处理措施完备,播出图像质量主观达标,截止到20178月份,已连续稳定运行了近10个月。随着IT技术的迅猛发展及相关协议标准(如SMPTE 2110)的不断推出,相关设备IP化进程不断加快,加之新媒体业务的不断拓展,现有电视播出架构难以满足技术发展和业务扩展的需求,电视播出全IP化架构必将是未来的发展趋势,IP播出系统与现有基带播出系统将共存一段时间,并逐步从融合到取代。

 

 (来源:江苏省南京广播电视集团 金剑 曹健 吴永生 杨旸