全媒体全流程管理软件在北京台IP总控中的应用

一、概述

随着超高清视频产业迅速发展，4K/8K超高清信号对带宽提出更高的要求,使得传统基于SDI（数字串行接口）信号调度矩阵的规模不断扩大，线缆及信号处理链路变得十分复杂，并且结构不支持灵活扩展，也难以利用软件来实现系统流程的重构，因此传统的基于SDI采集制作、调度分发的方式已经不能满足技术更新的需求。行业内的共识是采用基于ICT(网络和通信技术)技术的IP化架构，一方面解决高带宽信号的传输和调度，另一方面基于IP架构的组网方式将改变传统广播电视信号只能由前向后线性传输的局限，是未来实现媒体融合、云计算、大数据分析等目标的技术基础。

采用IP化技术来构建新型制播系统,可以轻松地解决上述传统系统无法或很难解决的问题,同时又带来很多其他优势。

二、建设背景——打造“智慧型”IP总控系统

“智能型”IP总控系统，侧重于对系统内SDN网络管理、自动化、智能应急切换、监控、资源池管理、信息发布、数据事后处理分析、资产管理等各应用模块的高度协同，结合台内业务需求和流程，在保证安全性、稳定性的前提下，实现IP总控系统运维和管理的智能化创新：

• 全面分析人员机房值守的工作任务，将工作任务按照安全等级分解重构实现系统的智能化。
• 机房系统监测运维的智能化：对机房内信号、设备、网络、环境如温度和空调等进行全面健康监测，报警信息按照规定等级，及时同步推送给对应人员及时处理。
• 业务层运维的智能化：运维系统可根据录入审核后的任务，自动执行，包括链路、资源池设备的自动选择，参数的自动配置。同时对任务全流程进行全面监测，信号、设备故障时的自动应急、启用冗余资源，业务迁移等。任务自动执行过程中，发生的报警、自动应急操作信息，按照规定等级，及时同步推送给对应人员，可实现远程的监测和业务执行审核。
• 运维系统的AI智能成长性：运维系统通过对运维数据全面的数据采集，汇聚和存储，及多维度的数据分析，便于故障的事后回溯和因果链递推，事件的关联的分析。同时反向对系统的智能化管理、自动化执行的流程提供持续的不断优化。

三、场景介绍

IP业务调度系统完成8K/4K/高清信号以IP组播流的方式进行接收、调度和分发。系统以SDN为核心，配有IP信号路由调度管理软件。支持自定义的硬件路由切换面板，数据流程、环节可灵活编辑，实现真正软件定义的网络，完成IP业务调度功能。IP业务调度系统以ST-2110信号标准作为基础架构，同时支持ST 2022-6信号调度，支持ST 2022-7冗余机制，支持符合IEEE1588和SMPTE2059标准的PTP产生和分发，系统可锁定在同步系统的PTP精准时钟下，满足全域系统的统一调度和授时，全面兼容压缩、无压缩的视音频信号。

本系统从网络安全考虑，在IP业务调度系统的基础上，还建设零了一套具备设备及业务整体管理和控制功能的IP业务调度、管理系统。IP业务调度系统采用资源池设计思路，将IPG、IP画分、编解码等设备进行归类，并集中部署在核心机房。结合流程化自动管理软件，实现对系统资源的资源池化，从而实现资源的动态分配、灵活调配、应急切换以及智能化管理。

IP业务调度系统能够实现SDI和IP信号的相互转换,IP信号的多格式转换、延时播等功能。外来SDI信号需通过SDI/IP 网关转换为IP信号再接入系统进行调度和处理。IP业务调度系统内封装、解封装和调度支持符合SMPTE 2110标准的IP组播流方式。

四、技术方案

4.1 总体介绍

IP业务调度系统作为全台IP信号的核心节点，接入北京广播电视台的部分直播演播室、播出中心、外来信号、节目编码分发传输系统、基带调度系统以及收录系统等，具备北京广播电视台IP业务调度及路由功能。

在实现需要与现有基带总控矩阵系统互联互通的基础上，为保障播出安全需根据台方要求，对现有基带总控矩阵进行部分改造工作。实现全台信号调度与管控，演播室及转播车等外来系统需要支持IP业务调度系统的信号推送方式。

建设IP业务调度、管理系统应在“控”、“管”、“监”三个方面均实现完善的功能和能力，实现业务流程的自动化，以充分发挥业务支撑、业务保障的作用。系统包含但不限于数据采集、设备控制、信号调度、报警实时分析、报警管理、事后数据分析、拓扑显示、任务管理、任务执行、链路建模、宏管理、预约排期、知识库管理、信息发布等功能模块。

IP业务调度、管理系统应提供完备的控管监能力和任务流程自动化执行方案，减少人工操作的范围，降低出错率。

建设IP业务调度、管理系统应提供可视化预约-排期的解决方案，预约分布与冲突一目了然，避免资源冲突造成的不必要的麻烦。

IP业务调度、管理系统可合理分配各个设备的时间占用，预防不必要的应急问题，做到昂贵资源不滥用，相似资源不闲置，相似任务资源可复用，路由推荐高自动等最大化提高各种资源的利用率。

IP业务调度、管理系统提供流程的自动化、智能化，体现在资源池化、资源能力分类、资源权重等基础上的智能链路分配。合理分配各个资源的时间占用，消除冲突，保障可用性，提升资源和设施的利用率；并提供流程的自动化、智能化，体现在资源池化、资源能力分类、资源权重等基础上的智能链路分配。合理分配各个资源的时间占用，消除冲突，保障可用性，提升资源和设施的利用率。

综合信息大屏

本项目中，三个核心部分的信息可以在大屏中集中统一呈现。

如上图，居中是SDN及核心业务交换机的状态检测，左侧是网络监控及机房监控，右侧是压缩及上行系统的全面监控，底部是预约任务执行的当前任务，含总控和播出任务实时播报信息。居中的是链路拓扑的主界面。右上是关键参数的仪表盘呈现，此外还有机房图报警、报警列表和当前任务的信号链路呈现。

1. 资源预约,包括

2. 调度

3. 播出检测监控

4. 数据采集与数据分析

5. 提供北向接口，标准的RESTful API，可呈现服务与报警

4.2 网络架构

IP业务调度系统采用主、备冗余模式，立足于目前以及未来的应用设计，兼顾一定的扩充及升级，同时采用Spine-Leaf的网络架构，Leaf到Spine之间采用多条上行链路负载均衡的方式，充分利用带宽，并且Spine—Leaf间采用无阻塞设计保证业务的正常调度，数据流量既可以从Leaf节点转发出去，也可从Spine节点转发出去。调度系统以Spine交换机为核心，测试系统连接Leaf交换机的设计，并预留扩展接口。IP业务调度系统内所有设备和信号的实时工作状态均可进行实时监测和查询，与IP业务调度系统进行交互的子系统包含：演播室、播出中心、收录系统、基带总控矩阵、卫星接收及外来信号等。

4.3 关键组件与功能

4.3.1 SDN调度系统

对于播总控的信号调度系统而言，需要和众多子系统互联，因此信号调度系统交换机下可能有同时存在很多品牌的IP终端设备，这些设备不一定都可以支持IS-04/05，即便支持，每次将新设备加入节点后都免不了一番麻烦，综合考虑，传统的PIM+IGMP并不是播出域信号调度系统最理想的选择。此时NAT（Network Address Translation网络地址转换）架构则是一个不错的选项：按照该方式，IP调度系统交换机采用基于SDN组播流表切换的方式：SDN控制系统直接控制交换机，指导流表切换及组播流转发，以方便对不同子系统的入出流做统一的地址规划、管理及监测。这样一来，IP调度系统交换机可直接引入不同子系统的组播流后将其地址转换为系统内部提前规划好的地址，而不用过多考虑该组播流之前的组播地址。送往下级单位的组播同理，组播流在IP调度系统交换机出口经由NAT后，变为子系统规划的组播地址后即可进入下级子系统。

一般来说，SDN网络结构主要分为SDN应用服务、北向API（应用程序编程接口）接口、SDN控制器、南向接口和SDN数据平面这五个部分，其中SDN应用服务提供友好的人机交互界面并通过调用SDN控制器的北向接口实现对数据平面转发器进行配置与管理，北向接口是 SDN 控制器与网络应用之间的开放接口，它将数据平面资源和状态信息抽象成统一的开放编程接口。SDN 控制器是 SDN 的大脑。控制器不仅要通过北向接口给上层网络应用提供不同层次的可编程能力，还要通过南向接口对 SDN 数据平面进行统一配置、管理和控制。南向接口是 SDN 控制器与数据平面之间的开放接口。 SDN 控制器通过南向接口对数据平面进行编程控制，实现数据平面的转发等网络行为。SDN 数据平面包括基于软件实现的和基于硬件实现的数据平面设备。数据平面设备通过南向接口接收来自控制器的指令，并按照这些指令完成特定的网络数据处理。同时，SDN 数据平面设备也可以通过南向接口给控制器反馈网络配置和运行时的状态信息。在SDN架构中，网络的控制平面与数据平面相分离，数据平面变得更加通用化，不再需要各种网络协议的控制逻辑。网络设备的控制逻辑转而由上层应用来实现，从而实现网络功能的软件化定义。

1. 核心功能

建立高可靠的以IP交换机为核心的, 进行信号传输、信号交换和调度核心的制播系统，充分发挥IP网络特点，实现视频、音频、同步、通话和控制等系统的IP化传输和信号交换，搭建一个对未来具有示范性和指导意义的先进制播平台。所有IP业务流的调度全部通过SDN控制网络交换设备完成，不需要SDN控制器对边缘媒体节点进行控制，边缘媒体节点直接接收网络交换设备推送的IP业务流即可。在核心调度方案中网络交换设备需要具备组播NAT功能。

通过组播NAT功能，可将进入网络交换设备的业务流复制、转发到相应的出接口，并在与边缘媒体节点连接的出接口进行组播地址和端口的修改，接收端边缘媒体节点对业务流的切换不需要感知。

2. 安全设计

SDN控制器采用集群Active/Standby的工作模式，该模式下，相当于1主1从，主节点对外提供服务，从节点作为backup。集群之间有心跳和分布式状态共享，实现数据的同步和状态的同步。集群软件会通过一些手段将数据从主节点同步到从节点，当故障发生时，将从节点设置为工作节点。

主服务器和备份机上都会运行High Availability监控程序，通过传送心跳信息来监控对方的运行状况。当备份机不能在一定的时间内收到这样的信息时，它就接管主服务器的服务IP并继续提供服务；当备服务器又从主管理器收到心跳信息时，它就释放服务IP地址，这样的主管理器就开始再次进行集群管理的工作了。

为在主服务器失效的情况下系统能正常工作，系统在主、备份机之间实现负载集群系统配置信息的同步与备份，保持二者系统的状态一致。

SDN软件配备了支持流处理策略，通过向交换机下发Meter表实现对系统内各个码流进行不同码率的预留（自动、手动），以确保系统无阻塞运行。流管理内容包括：流名称、属性、端口号、发送设备、发送设备IP、带宽、连接时间、连接时长、即时带宽、连接状态显示，支持流的新建、修改、删除；带宽溢出告警，在通过交换机进行路由切换时，系统可在SFP端口带宽溢出时告警并禁止切换。

4.3.2 流程自动化

随着IP化的发展，业务量的增加，需要标准化，流程化，自动化的解决方案来处理日常的工作需要，提高工作效率,之前演播中心有如下问题：

针对原来系统的痛点，基于统一控制平台，部署了预约排期、信息发布、任务执行、检测监控等多个服务/子系统。

系统提供了可视化预约-排期的解决方案，预约分布与冲突一目了然，避免资源冲突造成的不必要的麻烦。系统可完美对接其他部门的API接口，实现了节目自动拉取，自动排期、参数自动填写的功能，减少了工作量。

系统整合预约、审批、参数填写等功能，屏蔽了演播中心因跨平台业务造成的数据延迟大，数据不统一等情况发生，实现了业务流程化、自动化，同时提供了事后数据统计分析的设施和服务。

预约系统，相关的功能包括预约与排期，二者都是对资源使用的一种预先规划、申请的手段。其中，排期是一种规律性很强的一种资源预分配形式；而预约则带有很强的突发性色彩，不确定性较大。一般排期可能对应的是较为长远的规划性。排期，由于其规律性，倾向于批量导入，只需事前设置时间窗即可；而预约则更为灵活、随意，是短期性的一种资源申请。

任务执行系统，实时接收和显示从预约系统中排定的任务执行信息，提前发出提示，由值班人员按照预定时间执行任务， 打通信号传送路由和设备、信号检测系统配合，随时监视任务路由上所有设备的工作状态，保证信号的正确传送。 在有设备出现故障或者矩阵状态发生错误时，能够发出声光报警，提示工作人员解决故障。同时提供手段允许操作员根据实际情况手动调整任务路由，保证信号通路畅通。

1. 系统具备如下特点

预约模块主要是用来编辑申请单，并完成审批流程。预约是对资源使用的一种预先规划、申请的手段。当值班人员把当天的调度任务编辑到预约模块中之后会由任务管理与执行系统根据当天预约模块提供的预约单，自动映射成可执行的执行任务单，人工确认后进入自动巡检流程；在规定时间自动对相关设备设置参数进行信号调度。任务管理与执行系统，实时接收和显示从预约系统中排定的任务信息，提前发出提示，由值班人员进行任务方案管理确认以及执行， 打通信号传送路由；和设备、信号检测系统配合，随时监视任务路由上所有设备的工作状态，保证信号的正确传送。 在有设备出现故障或者矩阵状态发生错误时，能够发出声光报警，提示工作人员解决故障。同时提供手段允许操作员根据实际情况手动调整任务路由，保证信号通路畅通。

一个端到端、全流程的自动化智能平台；利用大数据分析等技术手段，对多来源的数据做汇聚、存储，实时处理，趋势分析，推荐建议等，提升广电机构和广电设施的运营质量；平台采用了层次化的结构；上层是预约和调度子系统，中间层是任务管理执行和资源分配单元，以及系统工作状态监看等模块；底层是监控系统、信号调度系统等；系统可支持不同厂家，不同协议，不同功能的设备/分系统，能够在一个统一平台下监看和控制复杂的设备集群；将复杂的设备集群池化后，可以根据资源权重能力等进行快速查找以及实现链路的自动分配等一系列智能化操作；系统可针对不同场景提供更多智能解决方案，比如智能的链路寻经，替换资源的智能推荐等等；表现：简单，直观，易用，更高的资源利用率，更高的系统可见性，周全的业务保障。

4.3.3 网管系统

优势:

• B/S架构，满足用户随时随地访问系统的需要；
• 完善的解决方案；
• 高度自动化；
• 极佳的弹性缩放能力；
• 微服务架构，可快速适应用户定制化的业务流程；
• 提供度层级、多来源的数据采集和汇总能力，以大数据分析来驱动运营的持续优化；
• 结合数据分析处理，提供不同视角的运营报表，提升对系统工作的洞察和见解；

支持二级代理，设备巡检代理，集群等；通过增加更多的代理实例，水平扩展，可支持更多的系统负载；

基于微服务架构，实现对不同接口类型，不同协议规范，不同设备类型，不同访问介质的适配。具体特点如下：

软件解决方案

对于告警和异常，通过软件界面上快速关联知识库，可以获得如下的资讯和帮助：

数据事后处理，可导出不同视角、多样化的报表

事后数据处理平台—参数的时间历程曲线

报警历史记录的事后查询，多样化的查询条件—新界面

1. 适用于不同来源的海量数据的采集、汇聚、存储和在线查询处理；

2. 从不同层面采集数据，实现运营数据积累；支持数据挖掘；

3. 提供基于数据统计的推荐和建议，推进流程和实践的持续优化；

事后数据处理平台

历史数据的事后查询，多组参数的复合显示

历史数据的事后查询，时间历程曲线

• 企业级的事后数据分析处理平台；
• 适用于不同来源的海量数据的采集、汇聚、存储和在线查询处理；
• 综合使用Redis和MongoDB等NoSQL数据库，提供卓越的性能和可用性；
• 支持集群和横向扩展，支持并行处理；
• 在线报表生成；
• B/S架构，支持多用户并发访问；
• 简便，易维护，易部署；
• 支持数据的高速批处理；
• 提供GUI界面，支持交互式的数据导出；
• 支持XML、JSON、MS Excel、CSV等多种文件格式的导出；
• 支持多源数据的汇聚，生成统一视图和报表。