SDI向IP過渡中的標準化

伴隨業務的發展、新媒體的不斷拓展、高清化網路制播的發展，廣播電視中心從節目製作播出到節目傳輸中的以SDI設備為基礎的技術架構，已難以滿足未來技術和業務擴展的發展需求，實現基礎架構IP化，將IP與SDI技術架構相互融合，將勢在必行。

網路媒體聯合工作組（The Joint Taskforce on Networked Media ,JT- NM）在IP技術標準化發展的過程中起到了關鍵性的作用。JT- NM由四個組織構成：電影和電視工程師協會（SMPTE），高級媒體工作流協會（AMWA），視頻服務論壇（VSF）和歐洲廣播聯盟（EBU）。JT- NM推廣的標準主要有：傳輸音頻，視頻，元數據和其他媒體類型的SMPTE ST 2110標準套件；用於高比特率視頻傳輸的SMPTE ST 2022-6；用於廣播操作，採用了IEEE 1588-2008精確時間協議（Precision Time Protocol ,PTPv2）的ST 2059-1 和2059-2；用於RTP傳輸冗餘的SMPTE ST 2022-7；用於RTP音頻的AES67。除此之外，IP部署還有其他系統級要求。AMWA為此制定了兩個重要的行業規範：用於設備註冊和發現的IS-04和用於設備連接管理的IS-05。標準演進過程如下圖:

圖1 SMPTE 2110 系列標準演進圖

SDI與IP混合運營

由於SMPTE ST 2110系列標準是在考慮傳統格式和工作流程的情況下開發的，廣播公司可以選擇他們自己的方法和角度，在現有的SDI設施內推進IP化。網關（將SDI轉換為IP或從SDI轉換為IP的設備）提供了SDI和IP傳輸之間的轉換：將一個或多個基本流聚合為10 GbE，25 GbE或更高帶寬的網段，並提供信號緩衝以確保適當的時間對準，同時還可以在IP流之間提供乾淨的轉換。它們還可以包含用於節省帶寬的編解碼器。網關是IP和SDI設施間的"膠水"，提供將IP整合到SDI或SDI整合到IP中的方法。但遷移到IP的決定取決於IP與SDI設備的比例。設備中包含的IP連接設備越多，使用IP路由器的可能性就越大。使用IP路由基礎結構可以更容易地實現其他需求。

傳統的路由器控制系統功能將由新的邏輯廣播控制器（Logical Broadcast Controllers）繼承。這些新產品通常會提供傳統路由器控制面，SDI路由器，IP路由器和受管IP端點設備（如網關）之間的介面。將傳統路由器控制界面納入新系統可以減少對操作員的額外培訓。IP路由器和網關提供跟蹤帶寬和利用率的能力，並且可為IP和SDI設備的混合網路應用QoS優先順序。邏輯廣播控制器還提供了使用統一策略管理每個路由器埠的功能。IP和SDI路由器一起工作可以確保唯一的連接，是工作流操作所要求和需要的連接。終端設備連接由邏輯控制器授權，而不是由IP路由器本身授權。通過這種方式可以防止過度訂閱，並提供額外的訪問控制層。

IP化UHD生產

SMPTE SDI標準定義了UHD信號的傳輸，常見方式是通過一根或多根同軸電纜。目前4Kp60超高清視頻數據速率通常為12 Gbps，可以在12 Gbps SDI的系統中使用。但是更高的幀速率，例如120fps，更高的清晰度，例如8K，以及使用12位深度的更寬的色域正逐漸被提出。到目前為止，有許多來管理這些因素帶來的不可預測的帶寬增長，購買目前可用的最高容量IP網路設備是一種解決方案。同時，部署IP技術也可提供更高的敏捷性。

UHD製作通常需要高動態範圍（HDR）和標準動態範圍（SDR）節目輸出格式。因此需要實現處理這些格式之間的向上和向下映射，監視信號流，考慮寬色域（WCG），此外還需要根據給定的監控要求靈活安排工作流程。通過IP化的分配，多方觀看者體驗可以獲得很大的提升。同時，IP鏈路承載多個視頻（其數量可根據其帶寬進行更改），因此監控系統比以往更靈活，更易於配置。

IP路由

上文中提到的邏輯廣播控制器可以支持互聯網群組消息傳遞協議（Internet Group Messaging Protocol ,IGMP）或軟體定義網路（Software Defined Network ,SDN）操作，或者同時支持這兩種操作。藉助IP傳輸，設備（包括路由器本身）可以自由共享監控數據。邏輯廣播控制器使用該數據管理網路，連接的設備，並根據系統功能提供狀態顯示和警報。

1.IGMP在IP路由中的作用

IGMP是用於管理多播流的標準化方法。一般的方法是廣播IP系統中的每個發送者都發出一個多播流。接收者可以使用IGMP請求加入特定的流。以這種方式，流被轉發，並且可以有效地向請求它的任何接收機廣播，模擬傳統的廣播路由器行為。

使用IGMP可以減少需要直接管理IP路由器的邏輯廣播控制器。但是，IP路由器仍然可以傳送關於其操作和流過它的流的性能的監視和狀態數據。通過這種方式，邏輯控制器可以使用已知的API訪問連接網路的狀態或配置。

2.SDN在IP路由中的作用

SDN指一些提供更靈活和靈活的網路配置和分配，以提高性能和監控能力的虛擬網路技術。在這種情況下，邏輯廣播控制器可以直接控制路由器在路由器的埠之間建立分組轉發路徑，甚至可以在多路由器結構的埠之間建立分組轉發路徑。

採用SDN方法時，只需更改路由器配置，以便將數據包轉發到路由器的必要埠。或者用SDN建立路由器路徑，從而保留帶寬。可以在發送者和接收者有任何操作之前建立多條路徑。邏輯廣播控制器必須確保在發送和接收新信號流之前保留必要的帶寬。

3.IP路由設計

與SDI相比，IP路由有更多的選擇。在SDI路由中，一個同軸電纜等於一個SDI信號。在IP路由中，一個埠可能攜帶多個IP流。IP路由結構提供匯聚或多路復用功能來創建中繼，如果需要，可以使用這些中繼來製作更大的路由器結構。聚合還可用於將多個基本流復用為單個更高帶寬的網段，就像用於超高清信號的四鏈路SDI介面一樣。

大型路由器，有時也稱為核心（Core）或模塊化路由器, 由 Leaf和Spine拓撲構建。在這種方法中，Leaf路由器充當連接到Spine路由器的中繼器的聚合器。這些Leaf和Spine路由器通常不是模塊化的。Leaf和Spine拓撲由數據中心廣泛部署。任何路由器都可能為特定的阻塞要求而設計，但是Leaf或Spine路由器或它們的組合都不能是非阻塞的。參見圖2。

圖2 非阻塞式leaf和spine拓撲結構

有三個要求來確保100％的非阻塞能力。首先，每個路由器的轉發地址表必須足夠大，以支持流經它的數據流。其次，用於路由數據的內部存儲器必須足夠大，以支持所需數量的流及其給定的SMPTE ST 2110-21流量配置文件。第三，連接到第二層路由器（類似於Leaf和Spine）的路由器的上行鏈路中繼線的帶寬必須等於或大於路由器生成的網路支路路由到其上行鏈路的總帶寬。

作為滿足整個路由器結構的非阻塞目標的一部分，邏輯廣播控制器將在配置，控制和監控路由器結構中的動態帶寬分配，聯絡中繼線和邊緣設備控制方面發揮不可或缺的作用。

IP中的音頻處理

IP音頻可以與IP視頻一起傳輸，也可以單獨傳輸。SMPTE ST 2110-30和AES67為通過RTP進行音頻傳輸提供了標準化基礎。IP音頻允許靈活地將音頻通道分組為邏輯流束，即用於環繞聲的8通道線性24位PCM音頻。但它也支持單通道數據流以獲得最大的路由靈活性，或支持64個通道（甚至更多）的中繼線，類似於MADI。邏輯廣播控制器可以根據音頻工作流程需求支持所有這些不同的傳輸。

音頻傳輸系統設計的關鍵考慮因素是通道數量和信號管理。一個完全平坦的單聲道系統具有最高的流數，因此會消耗更多的IP地址和更高的總帶寬。單聲道音頻通道大約需要1.5 Mbps。將音頻通道多路復用為一條可能具有8或64個通道的RTP流，可以減少IP地址的數量，並增加特定多通道數據流的帶寬，但與單通道數據流相比降低了總帶寬要求。音頻的另一個考慮因素是延遲。AES67要求數據包之間的間隔為1毫秒，也被稱為分組時間。雖然SMPTE ST 2110-30同樣支持這1 ms的數據包時間，但它提供了可選的125 us數據包時間支持，這種更快的速度可以保護現場製作中的口型同步。

IP中的簡化冗餘方法

冗餘和彈性是任何規模系統的首要設計考慮事項。IP技術向路由系統的推進導致了IT網路冗餘模型的廣泛採用。 SMPTE 2022-7為RTP流之間的無縫保護切換提供指導。 符合SMPTE 2022-7標準的設備基本上包括一個2 x 1智能選擇開關，用於檢查到達的RTP數據包的準確性，並從每個數據流中選擇正確的未糾錯數據包供下游使用。包括接收器中的次級交換機和發送器中的1 x 2扇出，可以輕鬆實現完全冗餘的A和B網路。對於設施中信號不需要備份的情況，也可以實施部分冗餘拓撲。圖3展示了一個簡單的例子。

圖3 非阻塞式冗餘路由系統

這些智能分組選擇器或終端節點需要補償A和B網路中的差分時延。SMPTE ST 2022-7提供3類差分路徑延遲(differential path delay ,PD)。廣域網應用支持最多450毫秒，區域網支持10毫秒。在SMPTE之前還有一項提案支持超低延遲PD用於設備內部使用，其中PD應該小於1ms，SMPTE ST 2110-10為這些冗餘流的IP定址提供了指導。此外，ST 2022-7還提供了執行維護，安裝升級和必要時甚至更換故障設備的方法。

IP中的設備發現和註冊

在傳統的SDI路由中，輸出SDI的設備連接到矩陣上的輸入埠（源），並且希望SDI的設備連接到矩陣上的輸出埠（目的地），所有信號切換髮生在矩陣內。源和目的地的名稱（標識）通過在系統連線時建立的路由資料庫與矩陣的物理輸入和輸出連接綁定。但在ST2110 IP系統中，許多不同的信號共享相同的物理連接，源的身份不與其物理連接綁定，而是與發送者及其關聯的流詳細信息相關聯。目的地的身份同樣與給定的流接收器相關聯。

AMWA IS04在流端點（發送者和接收者）和管理連接的控制系統之間提供動態鏈接，註冊表。流媒體設備啟動後，它會在本地域名伺服器（DNS）中查找使用您的計算機用於查找google.com的相同技術的AMWA IS04註冊表。然後端點使用標準的基於HTTP的方法"註冊"到註冊表中，包括每個發送方和接收方的全局唯一標識符（globally-unique identifier ,GUID）。路由控制系統在此動態註冊表中查找設備清單，包括其管理詳細信息和支持的協議，並將發送方和接收方的GUID與路由資料庫中的指定源和目標相關聯。由於其被廣泛採用，IS04方法可以結合當前的方法和協議在混合環境中使用。

AMWA IS05是控制系統的標準方法，用於跟蹤每個發送方的所有流詳細信息，並通知接收方關於接下來應該接收的流的詳細信息。使用ST 2110中定義的會話描述協議（Session Description Protocol ,SDP）對象來捕獲流詳細信息，IS05為流式端點提供了一個基本的"通用驅動程序"，避免了為系統中的每個設備創建專用協議的定製驅動程序的需要。參見圖4。

圖4 IS04和IS05提供發現、註冊和鏈接管理

總而言之，AMWA IS04和IS05對ST2110進行了補充以允許構建完整有用的媒體信號路由系統。

IP中的同步

時間戳是同步的基礎。SMPTE ST 2059-1和SMPTE ST 2059-2提供了使用IEEE 1588-2008精確時間協議（Precision Time Protocol ，PTPv2）來分配設施時間的標準方法。SMPTE ST 2110以特定的方式使用RTP時間戳，以便傳統的對準點（如幀時間（Time Of Frame ,TOF））被清晰且唯一地定義。這些RTP時間戳以PTP為參考，從而使任何基本流的頻率和相位是已知的，以便任何數量的流可以彼此鎖定並保持同相。

圖5 典型PTP參數

具有PTP功能的設備可以精確鎖定按照協議分配的網路時間並生成自己的普通時鐘（Ordinary Clock ,OC）。系統可以使用PTP構建，其中只有邊緣設備被鎖定，並且流通過路由結構。這實際上與目前SDI設施的工作流程非常相似。SDI路由器可能重新計時數字信號，但它們不管理信號之間的任何延遲或相對時間對準。IP路由器可以實現邊界時鐘（Boundary Clock ,BC）功能。數字消息的抖動可能隨著它們穿過分組路由網路而增加。如果數據包延遲變化（Packet Delay Variation, PDV）過大，則會對本地生成的媒體時鐘的抖動產生負面影響。BC存在於網路中以充當PTP協議的中間點。由於可擴展性，BC也被利用，並且如果網路中的所有交換機都使用BC，它可以提高同步精度。BC是抖動或PDV洗滌器。IP路由器可能包含邊界時鐘能力，以減少PDV並確保時鐘可以在端點恢復。作為BC功能的替代，IP路由器和其他通過PTP消息傳遞的設備可以實現透明時鐘（Transparent Clocks ,TC）。 在這種情況下，PTP消息中的時間戳根據穿過設備的延遲進行調整。消息被修改以包含偏移值。然後，網路邊緣的端點將使用偏移調整後的消息來精確計算有效到達時間戳，恢復時鐘並建立階段。

跨地域內容生產

基於IP的生產可以跨多個地域進行集成，並具有單一地域環境中的所有優點。製作人可以通過分散的地點，跨園區，城市或大洲，通過鏈接的高速骨幹網路進行實時協作。在很多情況下，這些網路連接速度足以為人類操作員提供實時的"感覺"。可集成到分散式網路中的設施範圍包括移動運營商和任何規模的固定工作室。

同樣的技術也可以用於分散式系統，但有些參數需要額外關注。同步，延遲，編碼和定址均是關鍵性的領域。網關功能既可以作為獨立設備使用，也可以集成到其他設備中來管理這些功能。使用PTP和信號中的RTP時間戳可以方便地點之間的同步。由於網路中的絕對傳播延遲，即使頻率鎖定，鎖相或對齊也很難實現。可以測量偏移值並用於管理差分延遲。如果存在相同數量的延遲，則僅消除基本流之間的實際偏移量。這意味著緩衝早期信號以與後期信號對齊。在創建期間沒有被鎖定到公共時基的非同步信號仍然需要使用幀同步。參見圖6。

圖6 管理遠程域

最後，如果目標是創建一個分布在不同的地點的完全統一的設施，應該共享一個共同的註冊和發現資料庫。AMWA IS-04規範為此提供了指導。而且，有許多方法可以同步分散式資料庫。邏輯廣播控制器就是一種非常實用的工具，可以將這些信息提供給連接到網路的所有設備，或者在網路內的節點上啟動。災難恢復是分散式設施的另一個設計方面。在這種情況下，應該決定設施的位置，以便在設施不完全運行的情況下，另一個設施可以覆蓋或接管。這種彈性網格取代了1 + 1局部冗餘的概念。但是，需要非常謹慎的網路設計才能確保網格中所有位置之間的連接不間斷。

結論

IP技術為設計設備提供了更豐富的工具集，可以實現目前SDI系統的各種功能。SMPTE ST 2110，SMPTE ST 2059，AES67和AMWA IS-04和IS-05等標準是IP化藍圖上的重要里程碑。這些標準包括現有的標準和許多廣泛的、成功的互操作性測試樣例。

IP化比以前有更多的系統設計選擇，因此，任何設計都要基於基本條件來進行分析。流的數量，類型和帶寬將有助於調整設施之間路由器和中繼線的容量。端點設備需要包含IP介面或是網關，如果將使用虛擬化進程，則還應包括一般計算資源需求。

這種總體化設計思想需要對系統的同步有更多的關注。埠數量，工作流程和分發需求為使用時鐘的種類提供了明確的依據。其次，需要決定使用的路由器拓撲結構以及實現具體結構所需的哪種類型的路由器。最後，邏輯廣播控制器是IP化系統的核心。應該清楚掌握它的功能集，和每一項的規模與能力。

參考

1. http://aimsalliance.org/wp-content/uploads/2018/04/AIMS-Updated-Guidelines-for-IP-0402108.pdf

2. ST 2110-10:2017 - SMPTE Standard - Professional Media Over Managed IP Networks: System Timing and Definitions, in ST 2110-10:2017 , vol., no., pp.1-17, Nov. 27 2017

3. ST 2110-20:2017 - SMPTE Standard - Professional Media Over Managed IP Networks: Uncompressed Active Video, in ST 2110-20:2017 , vol., no., pp.1-22, Nov. 27 2017

4. ST 2110-30:2017 - SMPTE Standard - Professional Media Over Managed IP Networks: PCM Digital Audio, in ST 2110-30:2017 , vol., no., pp.1-9, Nov. 27 2017

5. ST 2022-7:2013 - SMPTE Standard - Seamless Protection Switching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams, in SMPTE ST 2022-7:2013 , vol., no., pp.1-13, Dec. 30 2013

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