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广电IP信号调度技术白皮书-6W100

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  • 发布时间:2021/6/15 15:31:03
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广电IP信号调度技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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非经本公司书面许可,任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部,并不得以任何形式传播。

除新华三技术有限公司的商标外,本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称,由各自权利人拥有。

本文中的内容为通用性技术信息,某些信息可能不适用于您所购买的产品。



广电IP信号调度技术概述

随着广播电视行业的发展、高清网络视频时代的到来,传统SDISerial Digital Interface,数字分量串行接口)矩阵系统由于带宽有限,且需要部署大量同轴电缆(4K信号需要43G同轴电缆捆绑传输,8K信号则需要16根),已无法满足电视台的大规模媒体生产要求。

未来,电视台的信号传输网络逐步从SDI架构向IP架构演进是必然趋势。将SDI信号IP化,利用IP矩阵强大的交换能力,可以实现大规模IP信号的灵活调度。

通过1所示的对比信息,可以看到IP矩阵相对SDI矩阵有明显的技术优势。

表1 SDI矩阵与IP矩阵的对比

 

SDI矩阵

IP矩阵

链路带宽

不超过12Gbps

可以达到100Gbps

链路传输距离

100m以内

10km以上

部署难度

每信号独占线路,需要大量同轴电缆,部署难度高

IP信号可以复用,需要的光纤少,部署简单

维护难度

视频信号抗干扰能力差,线路维护难度高

IP分组信号稳定,易维护

成本

专业音视频设备,其中4K/8K信号设备价格尤其昂贵

商用IP交换设备(路由器或交换机),投入成本较低

说明

目前,由于音视频设备还没有全部IP化,需要部署IPG设备进行信号转换;随着IP化程度增高,成本会进一步下降

 

IP信号调度可以用OpenFlow的组播NAT功能实现。

技术实现

2.1  概念介绍

2.1.1  广电IP信号调度基本概念

·     SDI矩阵:数字视频信号的显示切换设备,可将各路视频输入信号切换到视频输出通道中的任一通道,主要应用于视频监控、多媒体会议厅、电视教学、指挥控制中心等场景。

·     IP矩阵:支持大规模IP信号的调度与智能切换的IP交换设备。

IP矩阵在OpenFlow网络中的角色为OpenFlow交换机。除非强调,以下简称交换机。

·     IPGIP GatewayIP网关)设备:将SDI信号和IP信号互相转换的设备。

·     IP信号源:将SDI视频信号源按照ST2022ST2110等协议簇转换后发送的IP流。一个IP信号源通常是某局域网发送的IP流。同一IP信号源内,不同业务流使用不同UDP端口号,但使用相同的组播IP地址。

不同标准的SDI信号IP化的结果不同,例如:

¡     一个高清信号根据ST2022-6标准IP化后,将转换为一条IP流,带宽大约为1.5Gbps3Gbps

¡     一个4K信号根据ST2110标准IP化后,将转换为316IP流,总带宽大约9Gbps12Gbps

2.1.2  组播NATOpenFlow基本概念

·     组播NATMulticast and Network Address Translation,组播和网络地址转换):OpenFlow提供的一种NAT功能,利用OpenFlow Group表项的动作桶实现报文的组播转发以及修改报文的IP地址与UDP端口号等动作,从而完成IP矩阵的信号调度。

有关IP矩阵调度的具体介绍,请参见“2.2  IP矩阵调度基本原理”。

·     OpenFlowSDNSoftware Defined Network,软件定义网络)架构中定义的一个控制器与转发层之间的通信接口标准。OpenFlow允许SDN控制器直接访问和操作网络设备的转发平面

·     OpenFlow流表项(OpenFlow Flow Table Entry):交换机上用来匹配IP信号源的ACL表项。

以下简称流表项。

·     OpenFlow Group表项(OpenFlow Group Table Entry):一种含有多个动作桶的OpenFlow表项,通过被流表项所引用,提供额外的报文转发功能。报文命中流表项后将执行Group表项的动作桶。以下简称Group表项。

·     动作桶(Action Bucket):即Group表项的动作集(Action Set),是报文发送前执行的一系列动作的组合,比如修改目的IP地址、修改目的UDP端口号等。其特征为:

¡     动作桶必须要有Output动作(转发报文到特定接口),即动作集执行完后必须将报文转发出去。

¡     动作桶之间相互独立,即前面动作桶修改的内容不会被后面动作桶继承。

说明

·     要实现组播NATGroup表项必须包含多个动作桶,且这些动作桶包含修改IP地址等动作。

·     对于动作桶支持的动作类型,不同产品实现情况不同,请以实际情况为准。

 

2.2  IP矩阵调度基本原理

2.2.1  调度矩阵

1所示,广电调度矩阵由信号源与终端组成,in表示信号源、out表示接收终端。一个接收终端只能接收一个信号,但是一个信号可以被多个接收终端接收。

图1 广电调度矩阵

 

IP矩阵调度信号的基本原理如下:

(1)     假设终端out01需要接收信号源in02的信号:

a.     SDN控制器给交换机下发匹配in02信号的流表项。该流表项引用一个Group表项。

b.     SDN控制器通过在Group表项中中添加一个动作桶,将报文的目的IP与目的UDP端口号修改为out01终端对应的目的IP与目的UDP端口号,再将报文转发出去。

(2)     当终端out02也需要接收in02的信号时,SDN控制器只需要将out02终端对应的动作桶添加到Group表项即可。

2.2.2  调度方法

IP矩阵的信号调度方法包括:

·     实时调度方式:针对信号源的每条业务流,SDN控制器直接给交换机下发OpenFlow消息,完成对业务流的调度。具体的OpenFlow消息包括下发Group表项、下发流表项以及修改Group表项等。

实时调度方式适用于每信号对应的业务流较少的场景,例如高清信号调度场景。

·     Smart调度方式:SDN控制器在调度消息中为同一信号源的所有业务流分配一个标识符,并将可能用到的Group表项和流表项预下发到交换机。这种方式下,SDN控制器调度某个信号源的所有业务流时,只需要向交换机下发一次调度消息。

Smart调度方式不仅适用于高清信号,也适用于每信号对应的业务流较多的场景,例如4K信号调度场景。关于Smart调度和调度消息的详细介绍,请参见“2.4  Smart调度方式”。

同一网络中建议用一种调度方式,推荐使用Smart调度。

2.3  实时调度方式

2.3.1  实时调度组网图

2所示的实时调度组网中,SDI高清信号经IPG设备转换为IP信号后发送到交换机。之后,由SDN控制器下发OpenFlow消息给交换机,使交换机将IP信号发送给对应终端的IPG设备,再由该IPG设备将IP信号转换为SDI信号发送给终端。

图2 高清信号的实时调度组网图

 

2.3.2  实时调度过程

1. Group表项和流表项的规划

2.3.1  2中的信号源12接入交换机后,如果有信号调度需求,则需要在SDN控制器上提前规划要下发给交换机的Group表项12来分别为信号源12提供转发动作,并下发流表项来匹配信号源的业务流,具体内容如2所示。

表2 流表项规划

流表项匹配的信号源

流表项匹配的目的IP地址

流表项匹配的目的UDP端口号

流表项引用的Group表项的Group ID

信号1

239.0.0.1

5001

1

信号2

239.0.0.2

5002

2

 

2. 终端1接收信号1的调度过程

(1)     SDN控制器给交换机下发动作桶为空的Group 1表项。

(2)     SDN控制器给交换机下发匹配目的IP239.0.0.1、目的UDP端口号为5001的流表项,该流表项引用Group 1表项。

(3)     SDN控制器给交换机下发消息,向Group 1表项添加一个动作桶,修改报文的目的IP239.0.0.3、目的UDP端口号为5003,并从Port 3发送出去。

之后,终端1可以收到信号1的报文。

3. 终端2接收信号2的调度过程

(1)     SDN控制器给交换机下发动作桶为空的Group 2表项。

(2)     SDN控制器给交换机下发匹配目的IP239.0.0.2、目的UDP端口号为5002的流表项,该流表项引用Group 2表项。

(3)     SDN控制器给交换机下发消息,向Group 2表项添加一个动作桶,修改报文的目的IP239.0.0.4、目的UDP端口号为5004,并从Port 4发送出去。

之后,终端2可以收到信号2的报文。

4. 将终端1从接收信号1切换为接收信号2的调度过程

(1)     如果当前信号1没有转发需求,则在交换机上删除对应的流表项和Group表项:

a.     SDN控制器给交换机下发消息,删除匹配目的IP239.0.0.1、目的UDP端口号为5001的流表项。之后,交换机不再转发信号1

b.     SDN控制器给交换机下发消息,删除Group 1表项。

(2)     给交换机下发信号2Group表项和流表项:

a.     SDN控制器给交换机下发动作桶为空的Group 2表项。

b.     SDN控制器给交换机下发匹配目的IP239.0.0.2、目的UDP端口号为5002的流表项,该流表项引用Group 2表项。

(3)     SDN控制器给交换机下发消息,向Group 2表项添加一个动作桶,修改报文的目的IP239.0.0.3、目的UDP端口号为5003,并从Port 3发送出去。

之后,终端1可以收到信号2的报文。

2.4  Smart调度方式

2.4.1  Smart调度技术优点

SDN控制器上,信号/终端对应的IP地址与UDP端口号等信息保存在数据库中,因此调度时首先需要从数据库获取这些信息,会导致调度性能慢。在IP4K信号调度的场景中,每个信号/终端一般对应316条业务流,如果采用实时调度方式,会导致4K信号的调度耗时长达3秒左右,远远超过要求的毫秒级单位。为解决该问题,可采用Smart调度方式。

Smart调度方式的优点为:

(1)     调度消息中,用Program ID标识一个信号源,用Target ID标识一个接收终端。SDN控制器下发一次调度消息,即可将指定信号源的多条业务流一起调度给指定终端,而不必将每条业务流分别调度一次,从而减少调度次数、提高信号切换速度。

(2)     SDN控制器将调度所需的各类OpenFlow表项(包括流表项和Smart Group表项)预下发到交换机(后续不再下发)。这些表项下发到交换机后,不会立即转发报文,直到SDN控制器下发调度消息才会生效。预下发机制缓解了实时下发OpenFlow表项造成的延迟问题。

2.4.2  Smart Group表项

Smart Group表项是实现Smart调度方式的特制Group表项,具体包括Program Group表项和Target Group表项:

·     Program Group表项:用于标识信号源的流特征的Group表项,被匹配信号源的流表项引用。该表项有如下特征:

¡     预下发到交换机的Program Group表项不带动作桶,需要通过绑定Target Group表项来获取Target Group表项动作

¡     一个Program Group表项可以绑定多个Target Group表项。

·     Target Group表项:用于标识终端接收的流特征的Group表项。该表项有如下特征:

¡     一个Target Group表项只能存放一个动作桶。

¡     Target Group表项不能被流表项引用。

¡     Target Group表项只支持添加和删除,不支持修改

Smart Group表项结构如3所示。

图3 Smart Group表项结构

 

其中,Group Identifier字段分为以下三部分:

·     Class Type:用于识别Smart Group表项类型,长度为1个字节。取值0x00表示Program Group表项,取值0x01表示Target Group表项。

·     Program/Target IDProgram IDTarget ID,长度为2个字节。

·     Flow ID:一个IP信号中不同业务流的标示ID,长度为1个字节。例如对于4K信号,Flow ID0来表示语音流、1表示视频流、2表示辅助数据流。

说明

·     Class Type对应字节的取值不为0x000x01时,表示该表项是普通的Group表项,此时Group Identifier不会分成三部分,仅仅是一个4字节的ID值。

·     Flow ID的具体定义由SDN控制器决定。

 

2.4.3  Smart调度组网图

4所示的Smart调度组网中,4K信号经IPG设备转换为由音频、视频、辅助数据三条流组成的IP信号后发送给交换机,报文的目的UDP端口号分别为500050015002

之后,由SDN控制器下发调度消息给交换机,使交换机将这些IP信号转发给对应终端的IPG设备,再由该IPG设备将IP信号转换为SDI信号发送给终端。

图4 4K信号的Smart调度组网图

 

2.4.4  Smart调度过程

1. SDN控制器的准备工作

IP信号源与接收终端接入调度矩阵前,SDN控制器需要做如下准备:

(1)     为交换机创建入方向的IP信号流的特征,包括:流名称、组播目的IP地址、目的UDP端口号、物理端口、以太类型等。

(2)     为交换机创建出方向的IP信号流的特征,包括:流名称、组播目的IP地址、目的UDP端口号、物理端口、以太类型等。

(3)     选择某个IP信号源对应的流特征(入方向的视频流、数据流、多条音频流等),创建入方向的流特征组。

(4)     选择IP信号接收终端对应的流特征(出方向的视频流、数据流、多条音频流等),创建出方向的流特征组。

IP信号源与接收终端接入调度矩阵后,SDN控制器向交换机预下发OpenFlow表项,具体包括:

·     根据入方向的流特征组,向交换机预下发对应的流表项与Program Group表项。其中,Program Group表项的Program ID信息如3所示

·     根据出方向的流特征组,向交换机预下发对应的Target Group表项。Target ID信息如3所示

表3 所有预下发的信号/终端对应的ID

信号源或终端

对应的Smart Group表项类型

Program ID

Target ID

信号1

Program Group表项

1

-

信号2

Program Group表项

2

-

终端1

Target Group表项

-

1

终端2

Target Group表项

-

2

 

2. SDN控制器预下发表项的过程(以终端2接收信号1为例)

在如2.4.3  4所示的组网中,以终端2接收信号1的音频流、视频流、辅助数据流的调度需求为例,SDN控制器给交换机预下发Program Group表项、流表项、Target Group表项的过程如下:

说明

假设媒体调度平台规定音频流、视频流、辅助数据流的Flow ID分别为012

 

(1)     SDN控制器为信号1分配Program ID 1,并为该信号的音频流、视频流、辅助数据流分别下发一个Program Group表项给交换机,这些表项的Flow ID分别为012

这些表项的关键数据如4所示,“-”表示没有动作。Program Group表项需要后续通过绑定如(3)6所示的Target Group表项来获取其中的动作。

表4 信号1Program Group表项

表项处理的业务流

Group ID

修改的目的IP地址

修改的目的UDP端口号

转发报文的指定端口

音频流

0x00000100

Program ID1Flow ID0

-

-

-

视频流

0x00000101

Program ID1Flow ID1

-

-

-

辅助数据流

0x00000102

Program ID1Flow ID2

-

-

-

 

(2)     SDN控制器为信号1的音频流、视频流、辅助数据流分别下发一个流表项给交换机,这些表项的关键数据如5所示。

表5 信号1的流表项

表项匹配的业务流

匹配的目的IP地址

匹配的目的UDP端口号

引用的Program Group表项的Group ID

音频流

239.0.0.1

5000

0x00000100

Program ID1Flow ID0

视频流

239.0.0.1

5001

0x00000101

Program ID1Flow ID1

辅助数据流

239.0.0.1

5002

0x00000102

Program ID1Flow ID2

 

(3)     SDN控制器为终端2分配Target ID 2,并为该终端接收的音频流、视频流、辅助数据流分别下发一个Target Group表项给交换机,这些表项的Flow ID分别为012

这些表项的关键数据如6所示。

表6 终端2Target Group表项

表项处理的业务流

Group ID

修改的目的IP地址

修改的目的UDP端口号

转发报文的指定端口

音频流

0x01000200

Target ID2Flow ID0

239.0.0.4

5000

Port 4

视频流

0x01000201

Target ID2Flow ID1

239.0.0.4

5001

Port 4

辅助数据流

0x01000202

Target ID2Flow ID2

239.0.0.4

5002

Port 4

 

(4)     SDN控制器需要调度终端2接收信号1时,下发调度消息给交换机,Target ID2的三个Target Group表项分别绑定到信号1的流表项所引用的三个Program ID1Program Group表项上,信号1的音频流、视频流、辅助数据流就能转发给端口Port 4连接的终端2

调度过程中,交换机上会有相关日志输出:

OFP/5/OFP_SMARTGROUP_BIND: Bind target 2 to program 1 by flow ID map 7.

上述的日志信息表示交换机执行了如下操作:

¡     Target ID2Flow ID0Target Group表项绑定到Program ID1Flow ID0Program Group表项

¡     Target ID2Flow ID1Target Group表项绑定到Program ID1Flow ID1Program Group表项

¡     Target ID2Flow ID2Target Group表项绑定到Program ID1Flow ID2Program Group表项

3. 使终端1接收信号1的所有流的调度方法

2.4.3  4所示的组网图中,SDN控制器给交换机下发包含如下字段值的调度信息,将Target ID 1绑定到Program ID 1。其中“-”表示调度信息中该字段为空。

command

ProgramID

TargetID

Flowmap

UnbindProgramID

2

1

1

0

-

 

交换机处理完调度消息后,终端1就能收到信号1

4. 终端2接收信号2的情况下,使终端2不再接收任何流的调度方法

SDN控制器给交换机下发包含如下字段值的调度信息,将Target ID 2Program ID 2解除绑定。

command

ProgramID

TargetID

Flowmap

UnbindProgramID

1

2

2

0

-

 

交换机处理完调度消息后,终端2不再收到任何流量。

5. 在终端1接收信号1的情况下,切换为终端1接收信号2的调度方法

SDN控制器给交换机下发包含如下字段值的调度信息,将Target ID 1Program ID 1解除绑定,再绑定到Program ID 2

command

ProgramID

TargetID

Flowmap

UnbindProgramID

3

2

1

0

1

 

交换机处理完调度消息后,终端1只会收到信号2的流量。

6. 在终端12分别接收信号12的情况下,切换为终端12分别接收信号21的调度方法

SDN控制器给交换机下发包含如下字段值的调度信息,将Target ID 1Program ID 1解除绑定,再绑定到Program ID 2。交换机处理完调度消息后,终端1只会收到信号2的流量。

command

ProgramID

TargetID

Flowmap

UnbindProgramID

3

2

1

0

1

 

SDN控制器给交换机下发包含如下字段值的调度信息,将Target ID 2Program ID 2解除绑定,再绑定到Program ID 1。交换机处理完调度消息后,终端2只会收到信号1的流量。

command

ProgramID

TargetID

Flowmap

UnbindProgramID

3

1

2

0

2

 

典型组网应用

说明

本节介绍的组网中,IP矩阵均使用Smart调度方式。

 

3.1  单机组网

5所示,在信号源和终端比较少的环境中,信号源和接收终端均连接到一台OpenFlow交换机。信号源与终端接入交换机后,SDN控制器给交换机预下发各信号源对应的Program Group表项和流表项、各终端对应的Target Group表项。

当用户需要调度某终端接收指定信号时,SDN控制器只需要向交换机下发一次调度消息(包含信号源的Program ID、接收终端的Target ID和信号流的位图Flowmap等),交换机即可将指定信号源的多条业务流转发给接收终端。

图5 单机组网

 

3.2  Spine-Leaf组网

当媒体调度系统的信号源与终端规模比较大的时候,一台OpenFlow交换机搭建的调度矩阵的带宽已不能满足需要,此时需要多台OpenFlow交换机组成一个调度矩阵。

图6 Spine-Leaf组网

 

在如6所示Spine-Leaf组网中,SpineLeaf均为OpenFlow交换机,该组网有如下优点:

·     易于扩展:当接入矩阵的信号源与终端增加时,只需要在对应的Spine下新增Leaf,并将信号源或终端接入Leaf

·     可靠性高:Spine-Leaf组网由两个互为备份的调度矩阵组成,每个信号源都可以通过两条不同的路径到达任意终端,当其中一个调度矩阵出现故障时,只需要在终端将接收的信号切换成另一个矩阵的信号即可,从而保证信号接收的安全稳定。

·     组播灵活:以信号1组播到不同网络的多台终端为例,当信号1IP流经Leaf 1到达Spine 1后,Spine 1IP流复制两份、分别发往Leaf 3Leaf 5,且不改变IP流的目的IP地址与目的UDP端口;当IP流到达Leaf 3Leaf 5后,Leaf 3Leaf 5再进行Smart调度(组播NAT),即将IP流复制多份并修改其目的IP地址和目的UDP端口号等,使其可以转发给多台终端。

 

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