8K超高清播出域的IT支撑体系设计与实现

建设于中央广播电视总台复兴路办公区的8K超高清电视播出系统与IP集成分发系统顺利完成了2022年总台虎年春晚以及北京2022年冬奥会和冬残奥会的播出任务，给广大观众带来了不同的视听体验。8K超高清信号和8K媒体文件具有高带宽、大存储的特点，基于两个系统不同的业务形态，本文介绍了IT支撑体系的设计与实现。

2022年1月24日，中央广播电视总台8K超高清电视频道正式开播，“百城千屏”公共大屏项目也同时启动，这标志着总台在8K超高清时代又迈出了坚实的一步。8K信号具有7680×4320的分辨率，兼具着高动态、宽色域的技术特点，正是由于这些特点，使8K信号在大屏上更能发挥其优势。

今年总台已经通过8K超高清电视播出系统（以下简称8K播出系统）与IP集成分发系统，将虎年春晚和北京冬奥会的8K信号送到了北京、上海、广东、浙江、辽宁、四川、重庆等地的120多块户外大屏，同时也尝试了在北京、广州两地入户同步播出。图1为各地大屏及总台复兴路办公区8K播出机房实景图。

在8K信号链路中，8K播出系统的功能与以往播出系统相似，提供无压缩信号源；而IP集成分发系统作为播出系统的下游，将播出系统的节目信号经过AVS3编码压缩后，通过几大运营商的光纤专网送到全国各地的专业解码终端，作为信号源接入各地公共大屏呈现最终效果。在超高清产业及IP化快速发展的大背景下，为满足两个系统的稳定运行，IT支撑体系尤为重要。本次IT支撑体系的建设目标是在确保业务平稳高效运行、资源分配合理的同时，使系统具备一定的扩展能力。

一、IT支撑体系的设计与实现

IT支撑体系的设计需要了解系统业务需求，基于8K播出系统与IP集成分发系统的业务形态，本着高可靠、智能化、可扩展、易交互的原则规划及部署资源，包括网络带宽、网络接口、存储容量、读写效率、可否虚拟化、工作站数量、服务器数量、信息安全管控等，实现完善的IT支撑体系。

1. 8K超高清播出系统

（1）业务形态概述

此次8K播出系统支持一路主频道（主/备双链路）、一路个性化频道（单链路），链路间采用了视频服务器异构的模式，而且视频服务器均支持硬盘文件与外来信号的切换及图文包装的叠加。该系统内主要的传输数据可以分为三类，节目单据、媒体文件、节目信号。图2为8K超高清系统三类数据业务的流程简图。

节目单据是播出系统正常业务的驱动依据，如图2所示，播出系统接口模块从台内节目生产管理系统接收节目单据，并写入数据库。经过节目单编辑模块，应用各类通知单后，最终生成播出执行单，入库的同时发给控制机，控制视频服务器按照单据要求完成播出任务。

媒体文件是播出系统的重要内容，对于8K超高清频道来说，播出的大部分媒体文件都来自媒资系统。媒体文件是由二级整备模块依照节目单据从台内文件系统发起整备任务，将媒体文件从媒资系统、制作岛迁移至域内二级存储，经人工复检后入库。三级整备模块依据播出执行单，生成三级同步迁移任务，将媒体文件写入三级存储，经头尾审看检验后，完成备播流程，进入待播状态。

节目信号是播出系统的关键，安全播出最重要的就是保障信号输出的正确性、连续性与高质量。播出系统内有两种信号产生方式，第一种为媒体文件解码输出形式，第二种为外来信号的直播形式。直播信号流从前方演播室经总控路由调度传输到8K播出系统，接入IP信号调度矩阵，通过IP网关进行网络地址转换处理，并伴随生成相关的代理高清码率，再次进入IP信号调度矩阵。

当进行到直播事件时，将外来信号引入ALL-IN-ONE视频服务器的输入端口，并通过播出控制模块向ALL-IN-ONE视频服务器发出切换控制指令，即可完成两种播出信号的帧精度切换，在服务器端实现台标及时钟等图文层内容的叠加后，最终将末级无压缩IP信号返送回总控系统，供下游接收。

（2）IT支撑体系介绍

a.网络支撑

网络支撑部分从两个方面考虑。第一方面，区域划分。按照业务模块的功能，将8K播出系统内划分为三个区域，分别为媒体区、信息区、控制区，这样划分除了能让业务边界更加清晰外，还可以更好地实施网络安全管控手段，提高系统安全等级。第二方面，数据交换能力。区域划分完毕，要根据区域内的业务需要配置不同数据交换能力的网络设备及端口类型。

图3为8K播出系统网络拓扑简图，图中黄色线表示传输的为信息文件类数据，红色线表示传输的为组播信号类数据。

媒体区主要用于媒体文件的传输，目前8K媒体文件为JPEG-XS编码MXF封装格式、码率约为2Gbps的文件。按照系统规划，以二级存储为例，媒体文件的读写需求如表1，时效性强的媒体文件整备时长较短，这要求在迁移过程中要高倍速多进程进行，经实际测算对二级存储的读写综合带宽约为50Gbps。

根据连接媒体交换机的设备接口类型，媒体核心交换机采用了箱式交换机，并且端口配置了100G、40G、25G、10G四种类型适配各个业务，其中100G端口适配二级存储及虚拟化刀箱，40G端口适配防火墙，两台媒体核心交换机采用100G带宽的堆叠，提高媒体核心交换机的安全性及稳定性。同时考虑8K播出系统后续扩容的可能，交换机预留了相应的端口。

信息区主要用于节目单据及其他信息类数据的传输。系统中需要接入信息核心交换机的设备众多，本次部署时按不同的业务划分了多组接入交换机，同子网内的通信在接入交换机之间完成，各子网间的交互数据汇聚到信息核心交换机进行整体交换，以此来分担核心交换机的端口接入与数据交换压力。

信息区包含接口业务、包装管理业务、监控业务、视音频设备的管理业务，数据通信频繁且带宽需求低，这些业务适合于部署在虚拟化环境中。考虑到实际业务及未来的扩展情况，信息核心交换机配置了10G、1G两种类型的端口，其中10G端口连接虚拟化刀箱，1G端口连接终端。两台信息核心交换机同样采用堆叠模式提高安全性。

控制区主要用于控制类数据的传输。在8K播出系统中，由于视频服务器的控制端口均采用了以太网，因此播控机对ALL-IN-ONE视频服务器的控制方式均采用网络传送，以此控制视频服务器根据指令完成文件解码、外来信号切换以及图文层的叠加。

控制信息要达到帧精度，同时控制机与服务器之间还有大量的状态查询信息交互，因此控制区单独采用了一套交换网络，确保网络畅通低延时，保障控制数据的实时性。采用两台控制核心交换机做堆叠提高安全性，相连接的关键服务器均采用了冗余双链路，以确保通信链路的安全。控制区交换机根据需求也配置了10G、1G两种类型的端口，其中10G端口连接虚拟化刀箱，1G端口连接各类服务器与控制面板。

信号处理设备中需要特别提到IP信号调度矩阵。8K播出系统信号以组播的形式传输，IP信号调度矩阵为信号传输的核心设备，其实质为高性能的交换机。

IP信号调度矩阵传输两种数据：管理类、信号类。除将管理类数据汇入控制核心交换机外，其主要传输信号类数据。系统内IP视音频信号符合SMPTE ST 2110-20/21/30/40、SMPTE ST 2022-7标准，并采用SQD的方式将8K信号分为4个4K信号传输，单个无压缩的4K信号带宽约9G，8K无压缩IP信号带宽接近40G。为降低带宽的压力，系统通过网关设备，生成高清代理码率信号用于大屏监看。为了应对各类处理单元对源码、高清代理码率、音频、辅助数据组播流接入的需求，IP信号调度矩阵配置了100G、40G、25G、10G、1G多种端口，除此之外，IP调度矩阵还需支持Openflow以实现对组播流的灵活调度控制。

b.存储

8K播出系统内有两级存储，分别为二级存储（在线存储）和三级存储（视频服务器共享存储）。

按照部署策略及节目单据的编排，二级存储内存放提前从域外媒资系统等迁移来的播出格式8K媒体文件，每小时约占817G的存储空间。从业务备播的体量及冗余考虑，目前二级存储的容量为248TB。除了容量大以外，传输带宽高、读写速率快也是二级存储的特点，从图2可以看出，二级存储涉及的并发性实时业务较多，为了保证素材的迁移效率，二级存储配置了100G的网络端口及全闪盘的分布式存储方式，为业务提供高效稳定的保障。

三级存储以集群架构的方式解决8K文件读写带宽高的需求，实现文件在三级存储的备播，解码单元在播出时仅需读取对应文件即可，多个播出解码单元可以同时读取共享存储的同一个视音频文件进行解码，通过指定的审看通道，可以实现播前预审，既确保了播出的安全性又提高了文件迁移效率。

c.虚拟化集群

为了满足8K正常业务需要，媒体区、信息区、控制区都规划部署了虚拟化设备，因此虚拟化集群需要同时连接三组核心交换机，此次系统虚拟化集群部署了两组刀箱，相互备份，并且两组刀箱都具备一定的扩展能力。图4为8K播出系统虚拟化集群的网络接入示意图。

播出系统中共部署58台业务用虚拟机（明细见表2）。刀片服务器资源能够同时满足所有服务器的应用需求，虚拟化部署方式还可以发挥集中管理及节约物理空间的优势。

从表2中可见，信息区的虚拟化设备最多，这是因为信息区的业务形态大多是后台运行软件，无特殊外设需求，用虚拟服务器即可满足其需求，所以信息区内会大量采用虚拟化的部署方式。

此次系统中控制区的虚拟机数量大幅增加，主要因为8K视频服务器与IP调度设备采用了网络控制，从而可以使一些设备的虚拟化得以实现，在测试系统实践的基础上，此次部署了虚拟控制机及调度服务器，来完成对视频服务器、IP信号调度矩阵等设备的控制。

随着IP化、智能化、集约化技术的推进，越来越多的业务也将尝试用新的形态展开，未来虚拟化、云化都将是重要的发展方向。

d.ALL-IN-ONE视频服务器

8K播出系统配置了三个不同品牌的ALL-IN-ONE视频服务器，以满足一个主频道（主、备双路）、一个个性化频道的业务需求。视频服务器具备8K文件解码、8K图文叠加、8K信号切换及8K高帧精度自动控制能力。本次ALL-IN-ONE视频服务器集群采用共享存储架构提升迁移及播出效率，同时ALL-IN-ONE视频服务器具备单机8K播出能力。

e.数据库

8K播出系统的节目编排单、播出执行单、播后单、节目单信息等单据需要写入/读取数据库，这些单据实际占用存储空间并不大。实施过程中，将原有20套高清系统的数据库集群作为共享数据库，创建新的表单为8K播出系统服务，再通过网络安全管控手段将链路打通，实现多系统共享数据库集群。

该数据库集群的设计初衷就是作为复兴路办公区播出系统共享数据库，因此资源配置也已充分考虑。图5为目前系统内数据库集群架构示意图。

f.通用服务器

系统内的媒体文件处理单元包括8K文件自动技审、8K文件迁移校验、8K文件转码等。由于8K超高清文件的高分辨率与大存储容量，软件处理模块对设备CPU、内存、视频处理卡、网络带宽等基础资源性能需求很高。因此此次系统通用服务器根据需求配置都比较高，并且根据实际模块工作的情况，配置上会有不同。

2. IP集成分发系统

（1）业务形态概述

IP集成分发系统以外来信号的播出形式为主，8K播出系统输出的无压缩IP信号通过总控AVS3转码集群后，作为源接入流媒体调度矩阵，通过切播管理、分发播出、回传内容监看、移动端音视频同步和系统管理等模块，实现节目流的调度、8K公共大屏节目的个性化分发、终端管理系统数据交互及屏端内容的回传监看。

后期准备投入使用的虚拟频道支持8K超高清AVS3编码TS流文件录播和8K超高清AVS3编码TS流信号直播的播出形式，具备8K文件转码、解码、图文叠加、节目流切换等能力。

图6为IP电视集成分发系统信号流程图。

（2）IT支撑体系介绍

a.网络支撑

IP集成分发系统设备数量相对较少，核心交换机的接入压力不大，但网络设计思路与8K播出系统类似，将媒体文件类数据与信息管理类数据分开，互不影响。整体拓扑分为两组核心交换结构，图7为IP集成分发系统网络拓扑简图，图中黄色线表示传输的为信息文件类数据，红色线表示传输的为组播信号类数据。

媒体区用于媒体文件类数据的传输，由于目前AVS3编码文件码率约定为120Mbps，考虑到迁移任务的效率，集成文件交换机配置的接口为10G、1G即可满足需求。边界防火墙隔离外系统，通过访问控制策略管控交互数据。文件交换机部署形式为2台堆叠。

信息区用于信息管理类、流调度类数据的传输。此交换组对带宽的需求不高。但是对于数据的稳定性、实时性要求高。管理交换机部署形式为2台堆叠。信息区内的关键设备是流媒体调度矩阵，IP集成分发系统信号以组播的形式传输，流媒体调度矩阵为信号传输的核心设备，其实质为高性能的交换机。

AVS3编码的组播流所需带宽约120Mbps，为满足多路并发信号调度的需求，同时具备较大的扩展空间，此交换机除了要配置40G、10G的端口应对各类型终端的链接，还需支持PIM、IGMPv3等协议。

b.服务器

IP集成分发系统服务器面对业务对象为AVS3编码的TS流信号。数字音视频编解码技术标准（AVS）是中国具有自主知识产权的信源编码标准，AVS3属于第三代AVS标准，主要面向8K、VR和流媒体等视频应用。当前这种编码方式需要耦合度较高的硬件支撑，由于目前系统规模的因素，设备数量相对较少，因此服务器为全实体机部署。

系统包括流集群管理、流媒体调度、流媒体播出、接口服务器、授权管控服务器、比对处理、抽帧处理、码流分析服务器等，根据实际业务情况，配置会有差异。例如流媒体调度、流媒体播出及码流分析仪需要对组播信号进行处理，因此CPU配置为12核以上，内存配置为96G以上。

3. 安全管控支撑系统

安全管控支撑系统的整体原则为：纵深防御、结构化保护、集中管理、可信防护、技术管理并重、动态调整、国产化。本着这七条原则构建安全管理中心、安全区域边界、安全通信网络和安全计算环境。

图8为目前8K播出系统与IP集成分发系统的安全管控支撑系统的架构图，各系统在从外至内的纵深防护上结构基本相同。

防火墙作为边界防护，媒体类交换机与信息类交换机通过网闸实现物理隔离，8K播出系统，在信息核心交换机与控制核心交换机之间用数据交换网关进行防护。

在此基础之上，建立了公共的安全管控区，这样做既降低了系统安全建设的成本，又可以最大化地进行集中管控，在安全管控区部署了边界防火墙进行隔离，此区域内部署了12个功能模块可为各系统服务，这些功能模块为可信的计算环境提供保障，做到了横向防护。“一纵一横”形成了立体的安全管控支撑系统。

二、结语

中央广播电视总台8K超高清播出系统与IP电视集成分发系统已成功上线，顺利完成了虎年春晚、2022年北京冬奥会的播出任务，IT支撑体系较好地发挥了应有的功能。随着8K超高清技术的发展，8K将会越来越普及，新的业务形态也将会产生，通过本次两个系统的实践，总结了宝贵经验，未来IT支撑体系会更好更完善地对业务进行适配。

来源：选自2022年第9期《现代电视技术》

作者：中央广播电视总台卢冠宇