数字电视IP组播信源切换方案

摘要：本文提出一种基于网闸设备的IP组播信源切换方案，应用于有线电视前端对不同输入源的IP格式直播电视信号作切换和处理。该方案可同时服务于有线电视光纤入户和传统同轴电缆两类不同接入网用户，具有安全可控及应用开放性高的特点。

关键词：网闸;IP组播;信源切换

1引言

为提升三网融合形势下的行业竞争力，有线电视网络当前正加快部署高清化、IP化数字电视前端和光纤入户网络改造，以满足未来家庭用户至少100Mbps的带宽需求。从建设运维成本、业务承载能力、可靠性、未来演进及技术发展趋势等角度考虑，光纤入户是未来网络演进的最佳方式。当前，广电网络光纤入户主要采用单纤双波或双纤三波方式，而从网络部署和投资效益角度分析，单纤双波是未来的主要演进方向。因此，在接入网络演进过程中，有线电视前端系统需要进行IP化融合改造，以同时服务基于IP端到端的光纤入户用户，以及基于DVB标准的同轴电缆接入用户。在IP化有线电视前端系统中，信源切换模块作为较为核心的信号处理环节，需要满足广播电视前端系统多路IP组播信源切换，使用TCP/IP高标准化传输协议以及实现传输网络隔离来提升网络安全性等业务需求。本文提出一种基于网闸设备的IP组播信源切换方案，应用于有线电视前端对不同输入源的IP格式直播电视信号作切换和处理。

2网闸功能概述

网闸设备是由两套各自独立的系统组成的，分别连接安全和非安全的网络，这两套系统通过网闸进行信息摆渡，保证两套系统之间没有直接的物理通路。在本方案广播电视IP化前端机房的应用中，信号源接入节点上下游网络在技术管理上属于互为非信任域：上游网络为省级干线网络或市级对联专线网络、不同节目源或来源于不同单位运维的网络；下游网络为地市广电单位自主运维的业务承载城域网络。网闸设备实现切换不同信源输出，同时实现了上下游网络的逻辑隔离，防止两个网络间的非法流量互相影响，以确保双边平台的安全。2.1物理层特性。网闸的物理层隔离技术确保不同网络中主机在任何时间是物理性断开的。本方案中，网闸设备需具备多路万兆数据接口，各万兆接口可作为信源输入口连接上游网络，也可作为信源输出口连接下游城域网。上下游网络主机物理性隔离，数据传递时，各网络主机只通过各自网络连接的万兆接口就可与网闸设备有数据交互。该组网方式舍弃交换机等互联设备，减少了系统横向数据交互，并能通过网闸设备实现上下游系统平台聚合，以及提升平台安全性。对于信源输出接口，通过N+1端口备份模式实现信源切换，并进一步提升系统组网安全性。2.2链路层特性。网闸的链路层隔离技术就是消除不同端口间数据链路的建立，网闸设备与外部网络交互是基于链路通信协议的数据交换，而内部不同端口间数据交互是使用串口通信协议等。在本方案中，数据交换方面以直播电视的IP封装数据作为核心处理对象，从网闸设备各端口接入到数据转发都有严格控制，并针对媒体数据特点全面优化，极大地降低了信号丢包和延迟。而且，为了提升网闸管控安全，特设独立网管模块，管理系统与设备间的安全通信则由HTTPS安全访问协议保障。2.3重建TCP/IP协议。网闸设备为了消除TCP/IP协议在不同网络间引起串扰，在通过网闸进行数据传输时，数据包输入时须剥离TCP/IP协议，输出时再重建TCP/IP协议。在本方案中，网闸设备对同一个信号需要支持多组播输出，输出的组播可以同时支持IPv4及IPv6的双栈模式，并可完成两种协议的互相映射。2.4重建应用协议。网闸设备为了消除应用协议的串扰，在数据经过网闸设备时同样必须重建应用协议。本方案中的直播电视IP组播流通过地市的网闸重新封装后，输出为“同源同组”的IP组播流，经城域网到接入的PON网络，一直到光口终端，均启用IGMPv2协议。

3切换方案设计

传统的DVB有线电视前端是基于ASI接口标准建设的，为更好地适配FTTH光纤入户终端和点播互动等业务，我市建设了基于IP组播协议的IP化有线前端直播平台。该平台自启用以来运行稳定，在不影响信号安全的前提条件下，充分简化了有线前端的平台结构，信号调度也更加灵活。与传统DVB平台不同，IP化平台信号源接入部分主要有输入信源较多的特点，本方案中信号源除原有3路（省传SDH、卫星、本地垫播）之外，另新增了两组IP信号源，所以原有直播平台3路输入信源切换器已不符合使用需求。为保证IP直播电视业务的可靠性，前端须部署一套网闸系统，要求支持至少5路的信源接入，通过网闸设备的切换功能，输出一组可靠的单路组播源。当省中心到地市中心的任意一路或多路节目出现异常或中断时，网闸设备能够检验出异常，并进行自动切换，保证输出组播信号不受影响。当地市主网闸故障、链路故障时，IP组播信号由主网闸输出信号切换到备网闸输出信号，由地市备网闸承担组播流发送工作。主、备网闸配置一致的源IP地址，避免三层组播域发生组播路由重新收敛的情况，构建一个高可靠性、可用性的组播视频源转发平台。IP直播平台设计方案拓扑图如图1所示。3.1升级传统信源IP组播输出能力。在各组信号源中，传统DVB前端使用的SDH适配器、卫星接收机均为输出ASI格式的TS传输流信号，并不具备IP输出能力。因此，在兼顾原有的ASI架构前提下，在信源处理部分增加IP转码器，将原有的ASI格式信源转码成IP组播信源。本方案中IP转码器的主要功能如下。第一，负责将ASI接口的MPTS节目信号转换为SPTS的IP组播信号。前端信源系统配置多台IP转码设备，分主备两组。IP转码器信号输入来自SDH适配器、卫星接收机以及本地节目编码器输出的ASI格式信号。组播信号采用UDP传输层协议，组播IP配置保持和IP信源一致（如某卫视IP组播信号输出为udp://232.1.1.100:10001），并且配置输出主备冗余，通过交换机传输至下一级的网闸设备进行切换选择。第二，根据具体业务需求，以适配不同编码格式的高清、4K节目信号源，本方案中的转码设备还须对部分节目进行编码格式转码，如将卫星下传的AVS+编码的高清节目信号转换为H.264编码格式，再进行IP组播输出，提供低码率、高清晰度的节目。3.2优化切换模块。网闸切换模块是对进入平台的任意多个节目作端口备份切换，在配置节目备份时可配置对应的切换条件阈值，网闸设备根据配置的相关切换条件，实现自动监控及切换。判断条件包括节目码率、加扰错误、连续计数错误、PMT错误等节目相关参数。方案中共设4台网闸设备取代传统的3选l切换器，提供主备平台各200套节目的信源切换能力。网闸需具备1+1端口备份能力，符合方案中l套节目5路输入源的技术需求。切换网管页面采取了颜色区分方式，红色是告警，灰色是数据停止更新。同时，对于所有的告警业务支持前置汇总展示，便于第一时间发现告警。每个监测单元的信息包括业务名称、总的备份通道数以及各通道状态、当前输出通道及其状态。既使用尽可能少的空间展示尽可能多的信息，也能保证很直观地监测当前的工作情况。每个监测单元的左侧或右侧的通道号，支持直接点击进行通道切换，监测单元右下角展示当前工作处于手动模式还是自动模式，如图2所示。3.3城域网核心Smart-Link切换机制。双上行组网虽然能提高网络可靠性，但又引入了环路问题。通常可通过STP或RRPP来消除环路，但STP在收敛速度上只能达到秒级，不适用于对收敛时间有很高要求的用户，而RRPP尽管在收敛速度上能达到要求，但组网配置的复杂度较高，主要适用于较复杂的环形组网。为了满足用户对链路快速收敛的要求，同时又能简化配置，我们针对双上行组网提出了Smart-Link解决方案，实现了主备链路的冗余备份，并在主用链路发生故障后使流量能够迅速切换到备用链路上，因此具备较高的收敛速度。Smart-Link的主要特点包括：专用于双上行组网；收敛速度快（达亚秒级）；配置简单，便于用户操作。两台核心交换机IRF，上联对接主备网闸输出端口。上联两个端口使用Smart-Link机制切换，把上联主网闸的端口设置为Active状态，上联备网闸的端口设置为Standby状态。核心交换机上联主网闸使用成员1设备，上联备网闸使用成员2设备，同时分别互通互联VLAN；上联主网闸端口为Smart-Link组1主端口，上联备网闸端口为Smart-Link组1从端口。网闸在聚合链路内做主备输出，主链路为Active状态，备链路为Standby状态。当主链路发生故障时，可以通过网闸内在的切换机制切到备链路。核心交换机IRF后，配置流量本框优先转发，显示单边承载流量，有链路故障或者主设备宕机时切换到备链路。Smart-Link配置实例节选如表1所示。

4结语

本文介绍了一种基于网闸设备的IP组播信源切换方案，包括对传统信号源的转码升级，对切换模块的优化以及承载网交换机的链路冗余机制。该方案目前已成为前端播出系统中的一个重要组成部分，既采用了先进的IP组播传输流封装技术匹配现有的光纤入户接入网，又能与原有HFC接入网无缝衔接。同时，该方案还具备多种安全策略，以保证电视节目安全播出。随着技术的革新，未来的发展趋势将会是全网FTTH光纤入户的IP端到端的传输模式，本文所述基于网闸设备的IP组播信源切换方案将为未来接入网网络演进打下坚实基础。

作者:李德明 单位:广东省广播电视网络股份有限公司东莞分公司