SDI向IP过渡中的标准化

伴随业务的发展、新媒体的不断拓展、高清化网络制播的发展，广播电视中心从节目制作播出到节目传输中的以SDI设备为基础的技术架构，已难以满足未来技术和业务扩展的发展需求，实现基础架构IP化，将IP与SDI技术架构相互融合，将势在必行。

网络媒体联合工作组（The Joint Taskforce on Networked Media ,JT- NM）在IP技术标准化发展的过程中起到了关键性的作用。JT- NM由四个组织构成：电影和电视工程师协会（SMPTE），高级媒体工作流协会（AMWA），视频服务论坛（VSF）和欧洲广播联盟（EBU）。JT- NM推广的标准主要有：传输音频，视频，元数据和其他媒体类型的SMPTE ST 2110标准套件；用于高比特率视频传输的SMPTE ST 2022-6；用于广播操作，采用了IEEE 1588-2008精确时间协议（Precision Time Protocol ,PTPv2）的ST 2059-1 和2059-2；用于RTP传输冗余的SMPTE ST 2022-7；用于RTP音频的AES67。除此之外，IP部署还有其他系统级要求。AMWA为此制定了两个重要的行业规范：用于设备注册和发现的IS-04和用于设备连接管理的IS-05。标准演进过程如下图:

图1 SMPTE 2110 系列标准演进图

SDI与IP混合运营

由于SMPTE ST 2110系列标准是在考虑传统格式和工作流程的情况下开发的，广播公司可以选择他们自己的方法和角度，在现有的SDI设施内推进IP化。网关（将SDI转换为IP或从SDI转换为IP的设备）提供了SDI和IP传输之间的转换：将一个或多个基本流聚合为10 GbE，25 GbE或更高带宽的网段，并提供信号缓冲以确保适当的时间对准，同时还可以在IP流之间提供干净的转换。它们还可以包含用于节省带宽的编解码器。网关是IP和SDI设施间的"胶水"，提供将IP整合到SDI或SDI整合到IP中的方法。但迁移到IP的决定取决于IP与SDI设备的比例。设备中包含的IP连接设备越多，使用IP路由器的可能性就越大。使用IP路由基础结构可以更容易地实现其他需求。

传统的路由器控制系统功能将由新的逻辑广播控制器（Logical Broadcast Controllers）继承。这些新产品通常会提供传统路由器控制面，SDI路由器，IP路由器和受管IP端点设备（如网关）之间的接口。将传统路由器控制界面纳入新系统可以减少对操作员的额外培训。IP路由器和网关提供跟踪带宽和利用率的能力，并且可为IP和SDI设备的混合网络应用QoS优先级。逻辑广播控制器还提供了使用统一策略管理每个路由器端口的功能。IP和SDI路由器一起工作可以确保唯一的连接，是工作流操作所要求和需要的连接。终端设备连接由逻辑控制器授权，而不是由IP路由器本身授权。通过这种方式可以防止过度订阅，并提供额外的访问控制层。

IP化UHD生产

SMPTE SDI标准定义了UHD信号的传输，常见方式是通过一根或多根同轴电缆。目前4Kp60超高清视频数据速率通常为12 Gbps，可以在12 Gbps SDI的系统中使用。但是更高的帧速率，例如120fps，更高的清晰度，例如8K，以及使用12位深度的更宽的色域正逐渐被提出。到目前为止，有许多来管理这些因素带来的不可预测的带宽增长，购买目前可用的最高容量IP网络设备是一种解决方案。同时，部署IP技术也可提供更高的敏捷性。

UHD制作通常需要高动态范围（HDR）和标准动态范围（SDR）节目输出格式。因此需要实现处理这些格式之间的向上和向下映射，监视信号流，考虑宽色域（WCG），此外还需要根据给定的监控要求灵活安排工作流程。通过IP化的分配，多方观看者体验可以获得很大的提升。同时，IP链路承载多个视频（其数量可根据其带宽进行更改），因此监控系统比以往更灵活，更易于配置。

IP路由

上文中提到的逻辑广播控制器可以支持互联网群组消息传递协议（Internet Group Messaging Protocol ,IGMP）或软件定义网络（Software Defined Network ,SDN）操作，或者同时支持这两种操作。借助IP传输，设备（包括路由器本身）可以自由共享监控数据。逻辑广播控制器使用该数据管理网络，连接的设备，并根据系统功能提供状态显示和警报。

1. IGMP在IP路由中的作用

IGMP是用于管理多播流的标准化方法。一般的方法是广播IP系统中的每个发送者都发出一个多播流。接收者可以使用IGMP请求加入特定的流。以这种方式，流被转发，并且可以有效地向请求它的任何接收机广播，模拟传统的广播路由器行为。

使用IGMP可以减少需要直接管理IP路由器的逻辑广播控制器。但是，IP路由器仍然可以传送关于其操作和流过它的流的性能的监视和状态数据。通过这种方式，逻辑控制器可以使用已知的API访问连接网络的状态或配置。

2. SDN在IP路由中的作用

SDN指一些提供更灵活和灵活的网络配置和分配，以提高性能和监控能力的虚拟网络技术。在这种情况下，逻辑广播控制器可以直接控制路由器在路由器的端口之间建立分组转发路径，甚至可以在多路由器结构的端口之间建立分组转发路径。

采用SDN方法时，只需更改路由器配置，以便将数据包转发到路由器的必要端口。或者用SDN建立路由器路径，从而保留带宽。可以在发送者和接收者有任何操作之前建立多条路径。逻辑广播控制器必须确保在发送和接收新信号流之前保留必要的带宽。

3. IP路由设计

与SDI相比，IP路由有更多的选择。在SDI路由中，一个同轴电缆等于一个SDI信号。在IP路由中，一个端口可能携带多个IP流。IP路由结构提供汇聚或多路复用功能来创建中继，如果需要，可以使用这些中继来制作更大的路由器结构。聚合还可用于将多个基本流复用为单个更高带宽的网段，就像用于超高清信号的四链路SDI接口一样。

大型路由器，有时也称为核心（Core）或模块化路由器, 由 Leaf和Spine拓扑构建。在这种方法中，Leaf路由器充当连接到Spine路由器的中继器的聚合器。这些Leaf和Spine路由器通常不是模块化的。Leaf和Spine拓扑由数据中心广泛部署。任何路由器都可能为特定的阻塞要求而设计，但是Leaf或Spine路由器或它们的组合都不能是非阻塞的。参见图2。

图2 非阻塞式leaf和spine拓扑结构

有三个要求来确保100％的非阻塞能力。首先，每个路由器的转发地址表必须足够大，以支持流经它的数据流。其次，用于路由数据的内部存储器必须足够大，以支持所需数量的流及其给定的SMPTE ST 2110-21流量配置文件。第三，连接到第二层路由器（类似于Leaf和Spine）的路由器的上行链路中继线的带宽必须等于或大于路由器生成的网络支路路由到其上行链路的总带宽。

作为满足整个路由器结构的非阻塞目标的一部分，逻辑广播控制器将在配置，控制和监控路由器结构中的动态带宽分配，联络中继线和边缘设备控制方面发挥不可或缺的作用。

IP中的音频处理

IP音频可以与IP视频一起传输，也可以单独传输。SMPTE ST 2110-30和AES67为通过RTP进行音频传输提供了标准化基础。IP音频允许灵活地将音频通道分组为逻辑流束，即用于环绕声的8通道线性24位PCM音频。但它也支持单通道数据流以获得最大的路由灵活性，或支持64个通道（甚至更多）的中继线，类似于MADI。逻辑广播控制器可以根据音频工作流程需求支持所有这些不同的传输。

音频传输系统设计的关键考虑因素是通道数量和信号管理。一个完全平坦的单声道系统具有最高的流数，因此会消耗更多的IP地址和更高的总带宽。单声道音频通道大约需要1.5 Mbps。将音频通道多路复用为一条可能具有8或64个通道的RTP流，可以减少IP地址的数量，并增加特定多通道数据流的带宽，但与单通道数据流相比降低了总带宽要求。音频的另一个考虑因素是延迟。AES67要求数据包之间的间隔为1毫秒，也被称为分组时间。虽然SMPTE ST 2110-30同样支持这1 ms的数据包时间，但它提供了可选的125 us数据包时间支持，这种更快的速度可以保护现场制作中的口型同步。

IP中的简化冗余方法

冗余和弹性是任何规模系统的首要设计考虑事项。IP技术向路由系统的推进导致了IT网络冗余模型的广泛采用。 SMPTE 2022-7为RTP流之间的无缝保护切换提供指导。 符合SMPTE 2022-7标准的设备基本上包括一个2 x 1智能选择开关，用于检查到达的RTP数据包的准确性，并从每个数据流中选择正确的未纠错数据包供下游使用。包括接收器中的次级交换机和发送器中的1 x 2扇出，可以轻松实现完全冗余的A和B网络。对于设施中信号不需要备份的情况，也可以实施部分冗余拓扑。图3展示了一个简单的例子。

图3 非阻塞式冗余路由系统

这些智能分组选择器或终端节点需要补偿A和B网络中的差分时延。SMPTE ST 2022-7提供3类差分路径延迟(differential path delay ,PD)。广域网应用支持最多450毫秒，局域网支持10毫秒。在SMPTE之前还有一项提案支持超低延迟PD用于设备内部使用，其中PD应该小于1ms，SMPTE ST 2110-10为这些冗余流的IP寻址提供了指导。此外，ST 2022-7还提供了执行维护，安装升级和必要时甚至更换故障设备的方法。

IP中的设备发现和注册

在传统的SDI路由中，输出SDI的设备连接到矩阵上的输入端口（源），并且希望SDI的设备连接到矩阵上的输出端口（目的地），所有信号切换发生在矩阵内。源和目的地的名称（标识）通过在系统连线时建立的路由数据库与矩阵的物理输入和输出连接绑定。但在ST2110 IP系统中，许多不同的信号共享相同的物理连接，源的身份不与其物理连接绑定，而是与发送者及其关联的流详细信息相关联。目的地的身份同样与给定的流接收器相关联。

AMWA IS04在流端点（发送者和接收者）和管理连接的控制系统之间提供动态链接，注册表。流媒体设备启动后，它会在本地域名服务器（DNS）中查找使用您的计算机用于查找google.com的相同技术的AMWA IS04注册表。然后端点使用标准的基于HTTP的方法"注册"到注册表中，包括每个发送方和接收方的全局唯一标识符（globally-unique identifier ,GUID）。路由控制系统在此动态注册表中查找设备清单，包括其管理详细信息和支持的协议，并将发送方和接收方的GUID与路由数据库中的指定源和目标相关联。由于其被广泛采用，IS04方法可以结合当前的方法和协议在混合环境中使用。

AMWA IS05是控制系统的标准方法，用于跟踪每个发送方的所有流详细信息，并通知接收方关于接下来应该接收的流的详细信息。使用ST 2110中定义的会话描述协议（Session Description Protocol ,SDP）对象来捕获流详细信息，IS05为流式端点提供了一个基本的"通用驱动程序"，避免了为系统中的每个设备创建专用协议的定制驱动程序的需要。参见图4。

图4 IS04和IS05提供发现、注册和链接管理

总而言之，AMWA IS04和IS05对ST2110进行了补充以允许构建完整有用的媒体信号路由系统。

IP中的同步

时间戳是同步的基础。SMPTE ST 2059-1和SMPTE ST 2059-2提供了使用IEEE 1588-2008精确时间协议（Precision Time Protocol ，PTPv2）来分配设施时间的标准方法。SMPTE ST 2110以特定的方式使用RTP时间戳，以便传统的对准点（如帧时间（Time Of Frame ,TOF））被清晰且唯一地定义。这些RTP时间戳以PTP为参考，从而使任何基本流的频率和相位是已知的，以便任何数量的流可以彼此锁定并保持同相。

图5 典型PTP参数

具有PTP功能的设备可以精确锁定按照协议分配的网络时间并生成自己的普通时钟（Ordinary Clock ,OC）。系统可以使用PTP构建，其中只有边缘设备被锁定，并且流通过路由结构。这实际上与目前SDI设施的工作流程非常相似。SDI路由器可能重新计时数字信号，但它们不管理信号之间的任何延迟或相对时间对准。IP路由器可以实现边界时钟（Boundary Clock ,BC）功能。数字消息的抖动可能随着它们穿过分组路由网络而增加。如果数据包延迟变化（Packet Delay Variation, PDV）过大，则会对本地生成的媒体时钟的抖动产生负面影响。BC存在于网络中以充当PTP协议的中间点。由于可扩展性，BC也被利用，并且如果网络中的所有交换机都使用BC，它可以提高同步精度。BC是抖动或PDV洗涤器。IP路由器可能包含边界时钟能力，以减少PDV并确保时钟可以在端点恢复。作为BC功能的替代，IP路由器和其他通过PTP消息传递的设备可以实现透明时钟（Transparent Clocks ,TC）。 在这种情况下，PTP消息中的时间戳根据穿过设备的延迟进行调整。消息被修改以包含偏移值。然后，网络边缘的端点将使用偏移调整后的消息来精确计算有效到达时间戳，恢复时钟并建立阶段。

跨地域内容生产

基于IP的生产可以跨多个地域进行集成，并具有单一地域环境中的所有优点。制作人可以通过分散的地点，跨园区，城市或大洲，通过链接的高速骨干网络进行实时协作。在很多情况下，这些网络连接速度足以为人类操作员提供实时的"感觉"。可集成到分布式网络中的设施范围包括移动运营商和任何规模的固定工作室。

同样的技术也可以用于分布式系统，但有些参数需要额外关注。同步，延迟，编码和寻址均是关键性的领域。网关功能既可以作为独立设备使用，也可以集成到其他设备中来管理这些功能。使用PTP和信号中的RTP时间戳可以方便地点之间的同步。由于网络中的绝对传播延迟，即使频率锁定，锁相或对齐也很难实现。可以测量偏移值并用于管理差分延迟。如果存在相同数量的延迟，则仅消除基本流之间的实际偏移量。这意味着缓冲早期信号以与后期信号对齐。在创建期间没有被锁定到公共时基的异步信号仍然需要使用帧同步。参见图6。

图6 管理远程域

最后，如果目标是创建一个分布在不同的地点的完全统一的设施，应该共享一个共同的注册和发现数据库。AMWA IS-04规范为此提供了指导。而且，有许多方法可以同步分布式数据库。逻辑广播控制器就是一种非常实用的工具，可以将这些信息提供给连接到网络的所有设备，或者在网络内的节点上启动。灾难恢复是分布式设施的另一个设计方面。在这种情况下，应该决定设施的位置，以便在设施不完全运行的情况下，另一个设施可以覆盖或接管。这种弹性网格取代了1 + 1局部冗余的概念。但是，需要非常谨慎的网络设计才能确保网格中所有位置之间的连接不间断。

结论

IP技术为设计设备提供了更丰富的工具集，可以实现目前SDI系统的各种功能。SMPTE ST 2110，SMPTE ST 2059，AES67和AMWA IS-04和IS-05等标准是IP化蓝图上的重要里程碑。这些标准包括现有的标准和许多广泛的、成功的互操作性测试样例。

IP化比以前有更多的系统设计选择，因此，任何设计都要基于基本条件来进行分析。流的数量，类型和带宽将有助于调整设施之间路由器和中继线的容量。端点设备需要包含IP接口或是网关，如果将使用虚拟化进程，则还应包括一般计算资源需求。

这种总体化设计思想需要对系统的同步有更多的关注。端口数量，工作流程和分发需求为使用时钟的种类提供了明确的依据。其次，需要决定使用的路由器拓扑结构以及实现具体结构所需的哪种类型的路由器。最后，逻辑广播控制器是IP化系统的核心。应该清楚掌握它的功能集，和每一项的规模与能力。

参考

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