基于分层分域架构的全媒体新闻演播室IP集群系统的研究与实现

当前，随着视音频流IP组播技术和SDN软件定义网络技术的不断发展，在广播电视视听领域，采用信息化技术建设的IP视音频系统和控管监系统呈现不断增长的趋势，演播室IP集群的系统架构、调度方式、安全管控和智能辅助等技术成为近年来的研究热点。

本文采用分层分域方法，对演播室IP集群系统进行架构研究，阐述了各分层和分域功能，通过该方法设计和建设了CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统，验证了技术可行性，提供了实践范例。

一 新闻演播室集群系统技术背景

在集群化共享方面，现有技术架构中，通常把2~3个演播室作为一个集群单位，建设一套制作系统。在实际使用中，群内各个演播室使用方式、维护时段、使用配置需求可能不一致，当某个演播室需要调整时需等待公共的维护窗口期，导致工作效率降低。因此，需要一种既能满足演播室群化信号资源共享和联合制作，又可以对集群内各演播室分别做业务适配性调整的系统架构。

在制作信号的技术参数和封装方面，现有技术架构中，新闻演播室视音频信号通常是单一类型的。一类是高质量制作的电视新闻演播室系统，采用SDI或ST 2110封装的无压缩信号进行制作，流媒体信号通过SDI网关以外设的方式接入系统；另一类是轻量化新媒体新闻演播区系统，采用压缩NDI或者TS UDP的新媒体信号进行制作。面向全媒体需求，需要一种以高质量、高安全为基础，同时能接入和发布网络流媒体信号，并且可与其他系统进行网对网互联的系统架构。

在设备资源的使用方面，现有技术架构中，通常每个设备只能归属于某个特定演播室及其对应的物理位置，需通过拆运安装及系统配置来实现设备资源的复用转移，过程较为繁琐。面向全网化互联共享需求，需要一种充分利用IP与IT特性，能够支撑多个演播室之间互联并提供资源共享的系统架构。

针对上述技术背景和业务诉求，结合IP组播技术、软件定义网络技术等，本文提出分层分域的全媒体新闻演播室IP集群系统架构。

二 全媒体新闻演播室IP集群系统的分层分域体系结构研究

基于分层分域的全媒体新闻演播室IP集群系统体系结构，从分层角度将系统自上而下划分为业务应用层、网络控制层、转发交换层和IP视音频终端层四个层级；从分域角度划分为演播室域、共享域等多个业务域，如图1所示。

图1 基于分层分域的全媒体新闻演播室IP集群体系结构图

1.体系结构的分层

业务应用层为每个业务域提供差异化、个性化功能，具备用户界面、信号调度、资源管理、可定义功能管理及系统监测服务等。

每个业务域部署一套独立的业务应用系统，该系统配置业务域接口和IP流控制接口：通过业务域接口实现各业务域之间的业务数据交互，通过IP流控制接口与网络控制层对接，将IP流调度需求下发至网络控制系统，并获取调度转发状态。

网络控制层的核心理念是将控制平面从网络硬件中分离出来，由网络控制系统通过软件定义实现集中、灵活的网络管理。网络控制系统对转发交换层网络和IP视音频终端进行统一集中管控，向业务应用层提供统一的网络服务。

网络控制层部署一套网络控制系统，每个演播室域配置独立的演播室控制器，全局部署共享控制器，具有良好的故障域隔离能力。演播室控制器连接并采集域内设备、网卡、链路及流的信息，构建域内拓扑，负责域内路径计算，控制转发设备和终端实现业务流的域内转发。共享控制器连接并汇总各演播室控制器的信息，构建全域拓扑，负责跨域路径计算，与演播室控制器协同实现业务流的跨域转发。网络控制系统北向通过IP流控制接口对接业务应用层，南向通过IP流转发接口和IP终端控制接口对接转发交换层和IP视音频终端层，综合实现业务域内及域间的信号调度。

转发交换层主要由转发设备提供实时视音频业务流与控制信令的转发。对于采用带外控制的系统，转发交换层包含业务网和控制网。业务网用于IP信号流的转发，由业务交换矩阵与IP视音频终端的业务口相连。控制网用于控制信令的转发，由控制交换矩阵与业务交换矩阵的控制口、与IP视音频终端的控制口进行连接，被控信息由网络控制层的相关接口提供。

每个业务域根据实际情况设计交换矩阵的端口类型及数量，各业务域之间根据互联需求确定交换矩阵之间的连接。

IP视音频终端层由各类IP视音频终端组成，用于视音频信号处理。IP视音频终端的业务流接口接入业务交换矩阵；带外控制终端的控制口接入控制交换矩阵；带内控制终端则通过业务交换矩阵的专用通道与控制交换矩阵连通，被控信息由网络控制层的IP 终端控制接口提供。

各业务域根据实际业务设计信号制作流程，并配备IP视音频终端，如切换台、调音台、CCU、画分、录放机、信号转换网关等。

2.体系结构的分域

演播室域由单个演播室或具有相同特征的多个演播室组成。每个演播室域在业务应用层部署独立的业务应用系统，可实现独立的功能迭代与系统配置；在网络控制层配置演播室控制器，实现域内业务流转发控制，并具备与共享控制器的交互能力；在转发控制层有交换转发矩阵，连接域内的 IP 视音频终端；IP视音频终端按照每个演播室的需求进行配置。

演播室域的设计，实现集群化中不同业务诉求的演播室系统解耦，具备一定程度的独立自治和安全隔离，同时又能够通过共享域进行资源互通和共享。

共享域一方面连通各演播室域以支持跨域调度，另一方面管理共享设备，这些资源可动态为各演播室域提供服务。

共享域的设计实现多个演播室在一网化下的资源共享，提升了非演播室强相关资源的集中利用效率，提高了设备利用率，同时节省了系统对外连接的物理链路数量。

3.体系结构下的扩展

当新增演播室扩展系统时，该演播室作为逻辑独立的业务单元接入系统：在业务应用层，部署新增业务应用系统，提供用户界面及管理功能，并通过对外接口，连通共享和其他演播室的业务应用系统；在网络控制层，配备新增演播室控制器，对新增的IP视音频终端和转发交换设备进行纳管，接入整体网络控制系统；在转发交换层，部署新增业务交换矩阵和控制交换矩阵，接入整体网络框架；在IP视音频终端层，配置新增IP视音频终端，其业务流可与集群内其他设备互通。

三 CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统实现

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统包含C01、C08和C09等三个演播室，具有分区自治、互联互通、融合制作等特点，集群支持演播室单元继续扩展。

1.系统总体结构

系统分层结构包括业务应用层、网络控制层、转发交换层和IP视音频终端层；分域结构划分为C01 演播室域、C08&C09演播室域和共享域，共三个域，如图2所示。

图2 CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统架构图

2.业务应用系统的实现

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统为C01演播室域、C08&C09演播室域和共享域分别配置了一套业务应用系统。

业务应用系统负责对域内业务进行控制、管理和监测，其功能涵盖IP逻辑矩阵构建、IP矩阵切换调度、Tally及源名控制、业务资源管理宏定义，系统管理、设备监测、新闻业务单据接收及管理、网络拓扑展现等。

每个演播室域的业务应用系统相互独立，共享业务应用系统为整个集群提供服务。各演播室可开放自身的资源参与共享，形成共享资源池，由共享业务应用系统统一调度管理，使多个演播室不再局限于信号层面的资源互通以及提前预留通道，而是根据需求动态调用资源。

在业务应用层，各域业务应用系统的互联原理如图3所示。演播室业务应用系统开放本系统内可共享资源，共享业务应用系统通过控制信息接口查询与控制共享资源，通过数据信息接口监控数据流动并触发报警。该互联机制通过共享资源池、匹配库和指令传输隧道等技术实现。

图3 业务应用系统互联示意图

◆共享资源池。为了锁定共享资源的原始信息而建立，并创建资源元素原子锁。原子锁包含演播ID、资源原生信息（如信号源地址、信号格式等）及资源属性（如信号源名、Tally GPI触发接口等）；

◆匹配库。为了共享资源被调用时动态加载目标演播室所需参数而建立。由于信号、设备等资源在不同演播室应用场景下所需参数不同，系统通过调用匹配库实现参数适配；

◆指令传输隧道。为了通讯指令按演播室域分别处理、保证业务域隔离而建立。需求方演播室业务应用系统访问共享资源池并锁定空闲资源后，共享业务应用系统为源和目的（需求方）演播室建立资源输出和输入接口，完成资源调用；使用结束后，释放接口及各类资源，全过程通过指令传输隧道实现。

3.网络控制系统的实现

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统配置了一套网络控制系统，内设C01演播室域、C08&C09演播室域、共享域三组控制器，形成一网化网络管控架构。

网络控制系统整合各类品牌型号的交换矩阵和切换逻辑，对业务流转发进行定义和控制。北向为业务应用系统提供统一的网络IP矩阵控制、管理、监测服务和网络层工具集；南向通过Netconf、NMOS等协议与业务交换矩阵、IP终端对接，提供设备及网络状态监控、控制命令下发等功能。

演播室控制器负责域内业务网络拓扑构建、IP矩阵控制、管理和监测；共享控制器连接并汇总各演播室控制器的信息，构建全域拓扑，管理全域。

适配网络架构和交换矩阵设备，网络控制系统的演播室控制器采用IGMP终端切换方式，共享控制器采用NAT核心切换方式，实现两种切换方式的有机结合。

网络控制系统结合IGMP和NAT两种切换模式实现跨演播室域的业务流自动调度，原理如图4所示。共享控制器获取跨演播室业务流调度请求，根据源和目的所属演播室、设备，查找源至共享、共享至目的的信号链路，并采用最短路径算法计算转发路径；在该路径上，共享控制器自动构造虚拟通道及对应的发送端和接收端，并拆解分段创建指令和分段切换指令，分配给源演播室（发送端）控制器、目的演播室（接收端）控制器和共享控制器执行，最终完成跨域自动切换。

图4 基于混合切换模式的网络控制系统跨域自动切换原理示意图

4. 转发交换网络的实现

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统配置了C01演播室域交换矩阵、C08&C09演播室域交换矩阵、共享域交换矩阵。

转发交换网络由业务网和控制网组成。业务网承载无压缩视音频业务流、新媒体业务流和PTP 流等。控制网承载设备控制与监测管理数据。

C01演播室域与C08&C09演播室域分别配置主备冗余的视频与音频业务交换矩阵，负责各自演播室域的业务流转发；共享域配置主备冗余的路由交换矩阵，负责共享域内、演播室域之间以及各域与外部系统的业务流转发。C01演播室域、C08&C09演播室域分别配置了演播室控制接入交换矩阵，配置了控制汇聚交换矩阵；共享域配置了共享控制接入交换矩阵和共享控制核心交换矩阵。转发交换网络连接关系如图5所示。

图5 转发交换网络连接关系示意图

a.业务网

针对ST 2110封装的视频、音频、辅助数据流等无压缩业务流，由演播室业务网进行域内调度，由共享业务网进行跨域调度。跨演播室传输时，共享业务网基于业务流五元组信息进行准入控制，建立NAT映射关系，并将业务流转发至目的演播室，由目的演播室完成业务流准入。

针对NDI、TS UDP等新媒体业务流，由共享业务网统一调度。通过边界安全网关，NDI流在共享交换网与外部系统网络之间实现传输；TS UDP流由共享业务网基于NAT核心切换方式，在共享交换网与外部系统网络之间实现传输。

针对PTP流，演播室和共享业务网为同一个PTP域，采用最优时钟算法。各演播室配置PTP母钟，演播室业务网对共享业务网边界开启PTP Announce 报文丢弃，保证演播室交换网使用本域的PTP报文；共享业务网按照PTP优先级，动态选择某一演播室业务网的PTP作为最优时钟。

业务网设置如下安全策略：

◆演播室与演播室之间、演播室与外部系统之间均不直接连通，仅通过共享业务网进行互通；

◆共享业务网设置为NAT核心切换方式，配置准入策略，仅允许特定的业务流进入共享业务网，对业务流调度进行强制管控；

◆共享业务网与外部系统业务网边界设置安全网关，安全网关具备防火墙特性，仅允许特定的业务流进出本系统。

b.控制网

控制网采用接入—汇聚—核心三层架构，接入与汇聚之间采用二层网络互联并通过VLAN隔离，汇聚与核心之间采用三层网络互联。

控制网设置如下安全策略：

◆在汇聚网连接演播室接入网端口侧设置ACL 策略，允许该汇聚网下本演播室内部数据通过，允许该汇聚网下多个演播室之间特定的数据通过；

◆在核心网连接汇聚网端口侧设置ACL策略，并在核心网全局设置静态路由，仅允许共享与各演播室、跨汇聚网的演播室之间特定的数据通过；

◆控制网与外部系统控制网边界设置防火墙，仅允许白名单数据进出本系统。

5.终端视音频设备

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统的IP 视音频终端根据C01、C08、C09演播室和共享的需求分别配置。各演播室配置的IP视音频终端包括切换台、调音台、IP网关、多画分、讯道摄像机、延时器等，部分SDI接口设备通过IP网关接入系统；共享的IP视音频终端包括多格式画分、流媒体网关等。

IP视音频终端绝大多数采用带外管控方式，少数仅支持带内控制的设备通过网络配置连通业务网进行管控。

四  CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统应用

CGTN英语全媒体新闻演播室IP集群系统于2024年12月建成并投入使用，应用于CGTN英语新闻和国际视通公共信号直播，并支撑了纪念抗战胜利80周年大会、全国两会、CGTN SuperNight 春晚等重要直播任务。该系统在互联互通、智能管控、媒体融合和安全播出等方面开展了创新实践：所构建的分层分域、可扩展的IP集群系统，实现了集群化演播室的分域自治和互联共享；业务应用系统满足了不同演播室的差异化业务需求；网络管控系统实现了业务的安全管控和灵活调用；转发交换网络支持电视与新媒体等多种IP媒体流的接入、处理与分发。该系统为全媒体新闻演播室IP集群建设提供了实践范例，图6展示了系统的实际业务拓扑界面。

图6 CGTN英语全媒体新闻演播室平台业务拓扑界面

IP演播室集群的典型应用之一是多个演播室信号共享和联合制作。例如，场景设定为C01作为主演播室，调用C08的CAM、PGM信号流及共享新媒体转换信号流用于联合制作，其软件定义跨域调度信号的应用实现步骤如下：

◆用户通过共享业务应用系统发起C08的CAM、PGM信号调度，以及共享新媒体转换信号流至C01的请求。该调度请求通过业务域接口，由共享业务应用系统通知C01演播室域准备接收信号，通知C08演播室域准备发送CAM、PGM信号。各演播室业务应用系统通过IP流控制接口向网络控制系统下发指令，调度C08 CAM、PGM信号流至C01，调度新媒体转换信号流至C01，再调度至C01 切换台、调音台等；

◆网络控制系统通过IP流转发接口和IP流终端接口，下发路由调度和终端切换指令。通过IGMP方式将C08 CAM、PGM信号流从C08&C09业务交换矩阵推送至共享路由交换矩阵，再通过NAT方式从共享路由交换矩阵推送至C01业务交换矩阵；通过NAT方式将新媒体转换信号流推送至C01业务交换矩阵；通过IGMP NMOS终端控制方式将已调度到C01业务交换矩阵的C08 CAM、PGM信号流和新媒体转换信号流调度至C01切换台、调音台等；

◆网络控制系统通过IP流转发接口获取共享域、各演播室域业务交换矩阵路由状态反馈，通过IP流终端接口获取相关IP视音频终端的收发流信息和状态反馈；

◆业务应用系统通过IP流控制接口从网络控制系统获取C08 CAM、PGM和新媒体转换流的调度路径、切换状态等信息，最终在用户界面呈现。

五 结语

本文通过提出一种基于分层分域的全媒体新闻演播室IP集群系统架构设计方法，实现了演播室集群的功能分层与业务分域。其中，业务应用系统提供分域管控能力；网络管控系统通过演播室域控制器和共享控制器提供统一集中管控；转发交换网络提供兼容ST 2110无压缩信号和新媒体压缩流信号的业务网及其控制网；IP视音频终端完成业务流的处理和收发。该方法为全媒体新闻演播室 IP 集群实现安全运行和可控互联提供了便捷、高效的技术支撑。