2019年下半年中央广播电视总台新搭建的完全基于ST-2110无压缩标准的全IP化4K超高清EFP视频制作系统采用3840×2160/50p图像分辨率、无压缩4×3G 2SI IP数据封装方式、HLG-1000nit-HDR宽动态、BT.2020宽色域、全系统支持ST-2022-7主备IP链路保护机制、AES67兼容音频、通话接入标准、系统外来信号以TICO-SDI格式交接。系统中视、音、辅助数据被分成拥有独立组播地址的IP数据包通过交换机的收发调度在制作网中传输，最后由PTP时基信号在接收端正确重组所有节目信息。

位于物理和数据链路层的交换机、媒体终端通过光模块和线缆实现互联；不同类型的IP地址表对设备和数据流业务分别进行规划实现节点数据互通；基于COTS通用交换机的网络控制器和GV制作终端的广电控制器是该4K-EFP系统的管控核心，以分工方式承担数据交换网络中IP信号的的监、控职能。

今年与超高清制作系统相关的技术包括指导标准、IP调度、系统SDN监管控方面又有新的表述和进展，本文将以这套4K-EFP制作系统为参照，着重就今年和超高清系统技术有关的变化与进展作一定的分析解读。

一、SMPTE-2110标准集和AMWA NMOS第三方控制标准进展

这套4K-EFP制作系统遵循的ST-2110无压缩标准框架包括ST-2110-10（系统时钟和视音辅助数据流的同步定时关系，PTP），ST-2110-20（无压缩视频映射方案，包括高清、超高清4K、8K等），ST-2110-30（无压缩音频映射方案），ST-2110-40（映射辅助数据项传输协议），ST-2022-7（IP数据包信号的无缝路由切换保护机制），以及上述各大项标准涉及的子标准。目前ST-2110子标准新加入的表述和第三方控制标准又有了新内容，如下文所述。

1、SMPTE-2110-21:Traffic Shaping and Delivery Timing for Uncompressed Active Video（无压缩活动视频的流量整形和交付时序）

这是ST-2110-20无压缩视频IP映射方案下的子集，说明系统中业务设备如何提高视频发流效率解决拥塞的问题。目前在3G视频数据带宽和含有万兆（10Gbps）光纤接口的制作网中，当多台发流设备所发数据流都处于峰值速率时，接收设备会在短时间内出现收流高峰，这对接收设备的缓存器影响很大（Buffer是有限的），因此流发送和接收端之间需要定义匹配关系。一般发送端之间采用平滑发送机制，业务流在发送时彼此错开（时间大致相同，但错开了高峰期），接收端就可以均匀接收每条数据流。

ST-2110-21为解决收发流机制的问题就把发送端的发流间隔分为Narrow型、Narrow Linear型和Wide型，并对流的传输间隔、带宽变化和恒变速率进行了分类解释。把接收端也分为N、A和W型，并要求发送与接收端流量整形在格式上要相互匹配，一般来讲拥有W型的接收端就能支持N、NL、W型的三种发送端。该协议对发流设备要求较多，对接收设备限制会比较小。

2、SMPTE-2110-22:Constant Bit-rate Compressed Video（压缩的恒定比特率视频流）

该子标准说明如何在ST-2110-20框架下实现压缩恒定视频数据码流的IP传输办法以及建议的压缩编码方案。以往一提到ST-2110标准人们总认为它是无压缩高带宽视频传输方案，但在网络传输线路并没有强制使用带宽接口规格的情况下，压缩视频媒体数据也会存在，作为一个全面的IP传输标准集合也就应该涵盖这部分传输规范。

该子标准一方面表述如何允许用户通过经济高效的COTS网络设备和更有效地利用宝贵的传输带宽资源（比如使用经济的1Gbps或10Gbps网络）也能实现对高带宽视频（4K、8K）的高效传输和管理。ST-2110-22这种压缩视频方案对于有成本要求的超高清制作域内网络以及目前提到的IP远程制作和将来的8K制作网络传输都有帮助意义（目前中央广播电视总台4K超高清制作系统中仍采用ST-2110-20无压缩标准）。

该标准另一方面表述了压缩编码的方案，JPEG-XS是一个候选项（也有TICO和VC-2），该压缩编码能够将高带宽视频无损质量的压缩到更低码流，压缩范围从1:2到1:8可选，进一步清除图像中一些非必要数据，使一条4K单流的12G带宽变成1.5G或更低以适配10Gbps或更低带宽链路进行超高清远程传输（基带SDI线缆也可）。JPEG-XS编解码的延时可以小于1毫秒，这对跨域IP制作非常有利。

3、SMPTE-2110-23:Single Video Essence Transport over Multiple 2110-20Streams（多个2110-20视频流复合成单个高带宽视频流传输）

该子标准说明如何将一个高带宽视频流分割成几个低带宽的2110-20视频子流的方法。在该4K-EFP系统中一幅4K图像就是由4个3G视频流以2SI的方法复合出来的（4个1/4K-UHD），也就是常说的4K无压缩的多流方案，这一方案也是由于2019年EFP系统建设时执行ST-2110-20标准却又受到制作设备带宽发展所限而采取的过渡办法，需要指出的是ST-2110-20明确说明4K无压缩视频就是12G单流方案，因此ST-2110-23是在它之下衍进的子标准。

在4K多流系统搭建完成后，将成果转化为新的建议纳入ST-2110标准集中为今后的技术发展提供依据。ST-2110-23这种高带宽信号分离成多个低带宽子流的方法有三种即SQD、2SI和TD-I，类似于早期用4×3G基带线缆复合出一路4K信号的做法，目前IP化后的每一个子流都是有效的2110-20流。ST-2110-23中各子流的约束、分组、寻址、RTP时间戳等内容还在不断完善中，让我们拭目以待。

4、AMWA NMOS-IS控制标准进展

该4K-EFP系统中网络和制作终端的管控核心分别是基于Cisco通用交换机的DCNM网络控制器和为GV专属设备开发的GVC广电控制器，二者以分工方式共同承担4K-EFP系统中IP数据流的路由调度、收发授权、带宽控制、指令触发以及制定下发NBM策略等工作。但是系统中仍有像EVS、ROSS等非GV的第三厂家设备，GVC无法有效管控它们。

AMWA是专注于专业视频网络空间开放可互操作的控制规范，它的NMOS IS-04、05两个标准早已发布，阐述各厂家设备接入制作网后被广电SDN自动注册发现以及终端收发流被控被管的问题。现在NMOS控制标准中又加入了IS-06、07、08，更详细地解释网络核心设备、终端设备、视音频功能控制、协议分享等互联互通问题。

（1）NMOS IS-06:Network Controller API（网络API控制器）

IS-06标准阐述广电SDN若想控制网络路由交换设备并实现全网各类数据监管就必须与网络设备达成一个握手以获取网络技术数据的事情，通过网络控制器对它上层的广电控制器暴露一个“Northbound”API网络应用接口为SDN提供各类网监网控服务。

通过API接口协议，广电SDN不仅能控制网络设备也能控制终端设备。例如广电SDN通过API直接控制交换机去定义IP数据的推送路由而不是仅能通过控制终端以IGMP组播的方式收发数据。另外还可以完成网络拓扑发现、流授权和数据带宽限定等以前只有网络控制器能做的工作（如图1所示）。

（2）NMOS IS-07:Event and Tally（GPI事件和统计记录）

该标准阐述SDN管理终端资源的深度问题，它不仅针对网络设备，对周边终端还要深入到其中属于时敏型的一类功能控制，比如摄像机的Tally信息、音频旋钮电平/电位滑块信息、控制面板按键触发状态信息等。在支持IS-05、06基础上允许SDN通过GPI数据流获取媒体节点发出的状态变化信息并建立时基来跟踪这些信息变化。

（3）NMOS IS-08:Audio Channel Mapping（音频通道信息映射）

IS-08标准解释如何通过SDN控制终端设备实现其内部音频通道自由映射和调配的问题。由于在ST-2110制作系统内音频信号已经独立封装成几组带有多条声道信息的数据流传输，这样在一些格式转换设备内部允许通过SDN发送的音频映射矩阵来调度这些声道信息重新映射到新的指定位置上。例如一个音频数据流携带8通道声音信息，它经过格式转换设备后可以自由改变各通道的位置和内容，包括交换语言、通道静音等，这样就完成了音频通道的重新Mapping调度。

IS-09、10也在陆续制定中，总之NMOS-IS系列标准期望解决在制作网内不同厂家设备接入交换机后彼此互联互通并通过SDN完成注册发现、深度控制管理、兼容工作的问题。目前该套4K-EFP制作系统在未来的升级中也会纳入NMOS控制标准以便更好地兼容第三方制作设备。

二、ST-2110超高清制作系统中IP数据信号调度方案进展解读

在4K-IP制作系统内以交换机为核心的构架下如何使终端设备收取所需的IP数据流是技术重点。现阶段系统内有两种信号调度方案，即由广电控制器控制终端设备以IGMP组播方式从交换机中调出IP流和SDN直接控制核心交换设备将IP流推给终端设备这两种方式。

1、系统中IP信号边缘控制调度方案

信号的边缘调度组网方案是说制作系统内发流终端发出带有组播地址的IP数据，广电控制器对收流终端下发调度指令控制其明确所收数据的组播地址，收流终端应用IGMP（网络群组管理协议）向核心交换机发送加入（JOIN）请求，交换机收到该请求后就给其复制一份IP数据（加入组播组）来完成信号的调度。

收流终端选择其他信号时在控制器指令下不停变更所收数据的组播地址，应用IGMP（LEAVE）请求告知交换机离组后再发出新的JOIN请求来实现不同信号的加组切换。可见基于IGMP边缘调度方案中信号的切换发生在目的设备端，并且两路信号交替净切换时由于IGMP引流处理需要顺序和时间，因此会在某一时间内多占用带宽资源。这种方案的关键在于广电控制器必须能控制住系统内所有收流终端。

该4K-EFP系统也采用边缘调度方案即：切换面板→广电控制器GVC→接收终端（网关卡）IGMP核心交换机。当切换面板选切信号源时，连接的GVC?控制器将控制命令下发到网关卡上，网关卡收到信号源的组播地址后就向核心交换机发送IGMP请求将该信号从交换机中拉取下来，在净切换时会需要牺牲网关卡的一路输出带宽。问题在于当系统中融入非GV厂家的终端设备时就必须解决它们的受控问题（如图2所示）。

2、系统中IP信号核心控制调度方案

目前4K超高清系统内的另一种核心控制调度方案也在实践中，它是一种SDN+路由交换设备（路由器或交换机）+组播NAT（网络地址转换）的控制模式。

通过广电与互联网厂商之间的深度合作，SDN可以直接深入到交换设备中去控制它的路由表项，IP信号就在路由器中切换完成信号源与接收端间的信号推送，类似模拟传统基带矩阵的工作方式。

这种模式下终端收发设备不受不同厂家品牌的限制，流发送与接收端的IP地址、组播地址都可以不同，地址一次配置完毕不需频繁调整，控制层与转发层分离，路由器输入端口的信号通过组播NAT地址转换去适配输出端口的地址，推送信号到接收设备上。NAT可将多个信源的多路地址转换成一个目的端地址，也可以复制同一信源推送到多个地址的目的端，由于是路由设备做中间切换因此净切换没有带宽占用问题，切换延时低。

核心调度方案中SDN不需要控制终端设备，兼容不同厂家终端且数据推送就无障碍，这是和边缘调度方案的根本区别。SDN+路由器+NAT的矩阵推送模式也便于技术人员按照广电逻辑理解系统，但是需要网络厂商开放它的协议，才能实现SDN控制（如图3所示）。

3、两种调度方案在系统间互联的实现

若A、B制作系统组网方案都是IGMP边缘调度，如果A系统要B系统的信号则不需要B系统去控制A的接收设备完成IGMP组播引流，而是在B网络交换设备的输出端口做一个固定地址的流的静态推流策略，通过B系统光纤接入A系统交换设备中。A系统的交换设备设置外来信号授权白名单后供控制器控制终端IGMP引流使用。反之B需要A的信号时也是在A系统交换设备输出端做静态推流策略实现。

这种场景下静态推流方法的问题在于当外部有多条流推到一个系统中时就会有多个静态组播地址，使用时也需要接收方的控制器控制自己的终端设备频繁改变组播地址去引用。

若A系统是IGMP边缘调度，B系统是核心调度，A系统要B的信号就需要在B系统网络交换设备的输出端口做组播NAT把信号转换成A系统固定的接入地址（组播地址、端口号、源地址），推送信号经由光纤到A的交换设备中去，交换设备设置信号授权白名单后供A系统控制器控制终端IGMP选择使用。

这种模式的好处在于当多条信号推到A系统中时，这些流的地址都由NAT转成一路固定地址交给A，A只认这一个外来地址即可。反之B需要A信号时那就要在A系统交换设备输出端配置静态推流策略来实现了。

若A、B系统都是核心调度方案时，彼此信号交流都通过NAT地址转换来实现，这是最方便的办法。总之不管系统是什么调度类型，在做系统间的信号互联时还是要求系统边界能够清晰，避免系统间交叉控制介入产生权责问题。

三、ST-2110超高清制作系统中“SDN”监管控的进展解读

1、 当前4K-EFP制作系统采用的管控模式

目前4K-EFP系统的管控部分采用DCNM网络控制与GVC广电控制分开合作的方式。DCNM监督管理与Cisco通用交换机有关的网络数据业务活动，包括网络运行监控和NBM策略实施。

网络运行监控涉及拓扑发现、终端设备发现（设备名称、地址、节点位置、在网在线、收发类型状态、组播组信息等）、流信息（流信息摘要、流属性、流状态、实时路径显示、组播地址、带宽、交换端口、转发效率、自定义筛选、日志记录等）。

NBM策略涉及交换链路的负载均衡、终端白名单策略（设备地址接入允许、收发流组播段和数量授权等）、流策略（带宽限制、不同流的优先级等）。

广电控制器GVC的功能就是负责控制GV媒体节点发出IGMP切换指令从交换机中调取IP数据。不过GVC的集控是只针对系统内GV设备的私有协议，第三方终端加入系统若想实现被控只能选择支持NMOS控制协议同时GVC也要支持该协议才行。

目前一些大厂商主导的4K制作系统基本都是以通用交换机为核心，以广电控制器+网络控制器+NMOS互通协议+信号边缘调度的管控模式。现在又加入API控制接口协议允许网络控制器将它的服务与广电控制器深入对接，形成控制器+交换机的矩阵结构，加速了广电控制器与网络设备的融合控制之路。

2、系统资源综合管控SDN模式的发展

目前广电各厂家的SDN已不满足于在业务系统中仅扮演流的控制流转的角色，通过与互联网厂商开展的深度战略开发合作，拿到更多更深层的第三方技术握手协议或服务代理授权后（私有的、开放的都有），广电SDN正朝着面向全制作系统所有资源设备ALL IN ONE的高级、综合、一体化监/管/控方向发展。

这是4K制作系统中真正的SDN，它不仅能兼容不同模式的信号路由调度职能，也能针对网络数据活动完成包括各类网络运行监测、IP流信息的实时抓取分析报警、制定实施各类安全策略的工作，还能对系统中所拥有的任何设备资源进行更深度的集控和监管包括所有不同厂商设备的识别注册、设备自身格式/配置/属性的直接对接修改、不受基带或IP限制等。

这样的SDN系统架构大体会分为代理层、服务层和用户交互层，从和各类设备通过代理对接实现协议封装与消息转换，到实现可提供的各类服务功能及它们的更新、升级、启停管理，再到用户交互的控制/监测权限，这样“大而全”的综合资源管控系统的出现必将终结目前各类型控制器在制作系统中分管一摊的局面。可喜的是现在一些广电厂商的SDN已经朝着这个方向大步迈进并有了可以落地实施的方案等待系统检验了。

作者：中央广播电视总台 钟辰

来源：摘选2020年第4期《现代电视技术》