一、IP交換矩陣描述

IP交換矩陣是由一級(jí)或多級(jí)交換設(shè)備及其控制器組成的單體矩陣，包含媒體業(yè)務(wù)信號(hào)、控制指令信號(hào)、同步時(shí)鐘信號(hào)三個(gè)平面。

IP交換矩陣主要由矩陣內(nèi)部的輸入接口模塊、輸出接口模塊、調(diào)度交換模塊、同步時(shí)鐘模塊和控制模塊組成，見(jiàn)圖1。

◆輸入接口模塊：矩陣的所有信號(hào)輸入接口；

◆輸出接口模塊：矩陣的所有信號(hào)輸出接口；

◆調(diào)度交換模塊：完成矩陣信號(hào)交換和轉(zhuǎn)發(fā)的IP化網(wǎng)絡(luò)交換功能；

◆控制模塊：完成矩陣的控制、管理和監(jiān)測(cè)功能；

◆同步時(shí)鐘模塊：完成IP交換矩陣同步時(shí)鐘信號(hào)的鎖定和分發(fā)。

二、IP交換矩陣的關(guān)鍵參數(shù)

鑒于IP交換矩陣為IP制播的核心關(guān)鍵設(shè)備，其所實(shí)現(xiàn)的功能、支持的協(xié)議以及可支撐的性能指標(biāo)對(duì)廣播電視安全穩(wěn)定播出至關(guān)重要。為此，我們對(duì)IP交換矩陣進(jìn)行研究，提出了其主要功能以及關(guān)鍵參數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

1. IP交換矩陣的主要功能

IP交換矩陣的核心功能就是信號(hào)調(diào)度和控制功能。矩陣內(nèi)的所有輸出接口上應(yīng)可任意調(diào)度和切換所需的輸入信號(hào)，在完成調(diào)度后，應(yīng)保持原輸入信號(hào)不變，包括封裝協(xié)議、視音頻信號(hào)格式和內(nèi)容。除此之外，矩陣在進(jìn)行調(diào)度和切換過(guò)程中，不應(yīng)影響其他信號(hào)的正常使用。

IP交換矩陣的時(shí)鐘同步功能是保證視音頻信號(hào)正常播放的關(guān)鍵。IP交換矩陣應(yīng)支持IP環(huán)境下的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，確保與其他設(shè)備間的幀同步能力。在IP系統(tǒng)中，一般采用“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”（簡(jiǎn)稱(chēng)PTP）精密時(shí)鐘系統(tǒng)，確保網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)間能保持同步。

通過(guò)時(shí)鐘系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)延時(shí)可被精確測(cè)量并以此修正時(shí)鐘偏移。PTP標(biāo)準(zhǔn)以IEEE 1588為定時(shí)的基礎(chǔ)協(xié)議，IEEE 802.1AS、SMPTE ST 2059-1協(xié)議以及我國(guó)廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 348-2021《專(zhuān)業(yè)廣播環(huán)境下音視頻設(shè)備精確時(shí)間同步協(xié)議規(guī)范》均是以IEEE 1588為基礎(chǔ)的。

IP交換矩陣應(yīng)具備監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)是保證安全播出的重中之重。具備可視化操作界面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可視化顯示，能夠進(jìn)行端到端業(yè)務(wù)流量路徑、調(diào)度信號(hào)帶寬情況、網(wǎng)絡(luò)PTP信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示和主動(dòng)查詢(xún)，對(duì)輸入輸出信號(hào)故障信息能夠及時(shí)上報(bào)和顯示。通過(guò)IP交換矩陣監(jiān)測(cè)功能可實(shí)時(shí)查看IP交換矩陣業(yè)務(wù)流量信息，保證安全播出。

2. IP交換矩陣的工作模式

目前，IP交換矩陣工作模式主要分為兩種，分別是動(dòng)態(tài)路由協(xié)議和SDN集中控制。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議是指IP交換矩陣通過(guò)路由信息的交換生成并維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)所需的路由表，可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化自動(dòng)更新路由表；缺點(diǎn)是安全性較弱，占用系統(tǒng)資源較多。SDN集中控制是指通過(guò)SDN控制器向IP交換矩陣下發(fā)指令，進(jìn)行操作。目前，在IP制播方面，大多采用SDN集中控制的工作模式。

3. IP交換矩陣接口協(xié)議

IP交換矩陣需支持HTTP、HTTPS或MQTT協(xié)議，對(duì)外接口采用RESTful API，利用第三方軟件可通過(guò)接口協(xié)議，訪問(wèn)并下發(fā)指令，對(duì)IP交換矩陣進(jìn)行調(diào)度、查詢(xún)等操作，便于系統(tǒng)應(yīng)用橫向擴(kuò)展。

4. IP交換矩陣性能關(guān)鍵參數(shù)

性能測(cè)試主要包括線速轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、切換時(shí)延、對(duì)外接口性能等內(nèi)容。

線速轉(zhuǎn)發(fā)是IP交換設(shè)備端口在理論端口最大帶寬的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)64字節(jié)IP包轉(zhuǎn)發(fā)并且不丟包，線速轉(zhuǎn)發(fā)是IP交換矩陣交換調(diào)度模塊的性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是指交換調(diào)度模塊的轉(zhuǎn)發(fā)用時(shí)。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是IP交換矩陣交換調(diào)度模塊的重要性能指標(biāo)。切換時(shí)延是指控制器下發(fā)切換指令到監(jiān)視器查看切換完成的時(shí)間，切換時(shí)延是IP交換矩陣整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。對(duì)外接口性能一般指接口響應(yīng)時(shí)延，指的是從第三方終端下發(fā)單條指令到矩陣執(zhí)行完成并反饋信息的執(zhí)行間隔時(shí)間。

三、IP交換矩陣測(cè)試原理

IP交換矩陣測(cè)試原理是將IP視音頻信號(hào)源、SDI視音頻信號(hào)源或網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀輸出流量作為IP交換矩陣輸入，通過(guò)SDI視音頻分析儀、IP視音頻分析儀或網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀接收IP交換矩陣輸出，進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)接入同一PTP同步時(shí)鐘源，具體測(cè)試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2。

四、IP交換矩陣測(cè)試方法

1. IP交換矩陣功能測(cè)試

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將IP化信號(hào)源設(shè)備輸出的IP信號(hào)接至被測(cè)矩陣的任意IP輸入接口，并將IP視音頻分析儀接至被測(cè)矩陣的任意IP輸出接口；

◆配置被測(cè)矩陣控制模塊，使其正常運(yùn)行和可操作；

◆按照各項(xiàng)要求，逐項(xiàng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。根據(jù)功能驗(yàn)證的實(shí)際結(jié)果，采用人工判斷的方式進(jìn)行測(cè)試。

2. IP交換矩陣同步時(shí)鐘模塊功能

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將多臺(tái)IP化信號(hào)源設(shè)備輸出的IP信號(hào)接至被測(cè)矩陣的任意IP輸入接口，并將多臺(tái)IP視音頻分析儀接至被測(cè)矩陣的任意IP輸出接口。同時(shí)，將同步機(jī)連接至被測(cè)矩陣，并向被測(cè)矩陣提供PTP同步信號(hào)；

◆按照功能要求設(shè)置同步機(jī)輸出，檢測(cè)被測(cè)矩陣設(shè)備是否可以鎖定在PTP外同步基準(zhǔn)上；

◆將矩陣設(shè)置在BC工作模式下，任意選取被測(cè)矩陣中的一級(jí)調(diào)度交換模塊，將同步機(jī)提供的PTP同步信號(hào)源分別接入到選定的這級(jí)調(diào)度交換模塊上和PTP測(cè)試儀上。同時(shí)，將該級(jí)調(diào)度交換模塊的PTP輸出也接入到PTP測(cè)試儀上；

◆在PTP測(cè)試儀上檢測(cè)輸出PTP信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)；

◆在PTP測(cè)試儀上對(duì)比PTP信號(hào)源和調(diào)度交換模塊輸出的PTP信號(hào)指標(biāo)，檢測(cè)調(diào)度交換模塊引入的PTP抖動(dòng)。

3. IP交換矩陣IP信號(hào)線速轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的一個(gè)IP接口接至被測(cè)矩陣的任意一個(gè)IP輸入接口，并將IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的另一個(gè)IP接口連接至被測(cè)IP交換矩陣的任意一個(gè)IP輸出接口；

◆按照所接入的IP輸入接口的端口速率，設(shè)置IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，使其輸向被測(cè)矩陣IP輸入接口打入與接口最大速率相同、IP層包長(zhǎng)為64字節(jié)的IP信號(hào)流輸入被測(cè)矩陣中；

◆對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)度操作，在矩陣的輸出接口通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，檢測(cè)輸出的IP信號(hào)丟包率是否為0；

◆重復(fù)前兩步設(shè)置IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀輸出IP流信號(hào)輸入到該級(jí)IP輸入接口上，并對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)度操作，將該輸入信號(hào)調(diào)度至該級(jí)調(diào)度交換模塊已連接IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的另一個(gè)輸出接口上；

◆使用IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，計(jì)算IP信號(hào)流從輸入接口到輸出接口的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

4. IP交換矩陣切換響應(yīng)時(shí)延

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將IP化信號(hào)源設(shè)備輸出的IP信號(hào)接至被測(cè)矩陣的任意IP輸入接口，并將IP視音頻分析儀接至被測(cè)矩陣的任意IP輸出接口；

◆通過(guò)被測(cè)矩陣的控制模塊向被測(cè)矩陣下發(fā)切換指令，采用視頻拍攝方式記錄下發(fā)指令時(shí)刻與切換完成時(shí)刻的間隔。

5. IP交換矩陣對(duì)外控制接口

（1）控制接口協(xié)議要求

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將IP化信號(hào)源測(cè)試設(shè)備輸出的IP信號(hào)接至被測(cè)矩陣的任意一個(gè)IP輸入接口，并將IP視音頻分析儀接至被測(cè)矩陣的任意一個(gè)IP輸出接口；

◆在管理客戶(hù)端通過(guò)接口測(cè)試工具建立連接，通過(guò)協(xié)議驗(yàn)證IP矩陣是否支持HTTP、HTTPS或MQTT協(xié)議。

（2）控制接口性能

◆按測(cè)試框圖連接測(cè)試系統(tǒng)；

◆將IP化信號(hào)源測(cè)試設(shè)備輸出的IP信號(hào)接至被測(cè)矩陣的任意一個(gè)IP輸入接口，并將IP視音頻分析儀接至被測(cè)矩陣的任意一個(gè)IP輸出接口；

◆通過(guò)外部接口，從第三方終端向矩陣發(fā)送控制報(bào)文；

◆計(jì)算從第三方終端下發(fā)單條指令，到矩陣執(zhí)行完成并反饋信息的執(zhí)行間隔時(shí)間。

五、測(cè)試案例結(jié)果分析

我們對(duì)3個(gè)廠家的IP交換矩陣進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1. 功能支持性分析

3個(gè)廠家的IP交換矩陣均具備信號(hào)調(diào)度基本功能，均具備包括GE光、GE電、10GE光、25GE光、40GE光、50GE光、100GE光類(lèi)型接口，支持同步時(shí)鐘鎖定，支持IP交換矩陣控制和監(jiān)測(cè)。其中廠家A工作模式為動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，B和C為SDN集中管控方式。

2. 性能參數(shù)分析

IP交換矩陣性能主要體現(xiàn)在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)效性上。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是交換調(diào)度模塊的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是IP交換矩陣重要的性能指標(biāo)，相同條件下，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間越短，IP交換矩陣性能越好。可以看出，3個(gè)廠家的IP交換矩陣轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延均在1微秒左右。

切換時(shí)延是IP交換矩陣整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通常切換時(shí)延測(cè)試分為兩種方法：第一種指從控制模塊下發(fā)指令到交換調(diào)度模塊切換完成的時(shí)間間隔；第二種是指控制器下發(fā)切換指令到監(jiān)視器查看切換完成的時(shí)間間隔，這里包括了監(jiān)視器以及其他設(shè)備的用時(shí)，是整個(gè)IP交換矩陣系統(tǒng)性能指標(biāo)。本次測(cè)試均采用的是第二種測(cè)量方法，可以看出3個(gè)廠家的IP交換矩陣切換時(shí)延均在1.5秒以?xún)?nèi)。

六、IP交換矩陣測(cè)試方法思考

通過(guò)IP交換矩陣關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)IP交換矩陣功能和性能上的基本評(píng)估。如果需要對(duì)整個(gè)IP交換矩陣進(jìn)行評(píng)估，則需要做更全面的功能測(cè)試、性能測(cè)試以及IP信號(hào)視音頻質(zhì)量測(cè)試。

IP交換矩陣是IP化制播體系中的重要組成部分，與傳統(tǒng)SDI調(diào)度系統(tǒng)相比信號(hào)流在傳輸、管理控制、時(shí)鐘同步方面有較大差異，因此測(cè)量方法也不盡相同。由于IP化尚在起步階段，目前絕大多數(shù)系統(tǒng)普遍采用單一系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)、封閉管理的方式，且在安全可靠性方面測(cè)試方法均采用接入IP信號(hào)源，進(jìn)行逐項(xiàng)的人工驗(yàn)證。這樣的測(cè)試方法只限于單獨(dú)組網(wǎng)的情況。后續(xù)針對(duì)定級(jí)保護(hù)、安播策略需要更為完善的測(cè)試?yán)碚摵头椒ā?/p>

在性能測(cè)試方面，需要進(jìn)一步完善在IP交換矩陣整系統(tǒng)業(yè)務(wù)流量較大時(shí)，IP交換矩陣中交換調(diào)度模塊的線速轉(zhuǎn)發(fā)能力、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和切換響應(yīng)時(shí)延。這對(duì)于評(píng)價(jià)IP交換矩陣的能力具有重要意義。由于硬件條件的限制，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，往往采用的是單端口接入流量或者業(yè)務(wù)流量不大時(shí)進(jìn)行的測(cè)試。在滿(mǎn)足單端口性能的基礎(chǔ)上，需要對(duì)整機(jī)進(jìn)行一定的業(yè)務(wù)壓力測(cè)試來(lái)進(jìn)一步判斷IP交換矩陣在實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的表現(xiàn)。

七、結(jié)語(yǔ)

在4K/8K超高清快速發(fā)展背景下，IP化技術(shù)已經(jīng)成為廣電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，IP交換矩陣測(cè)試將完成對(duì)IP制播網(wǎng)絡(luò)中IP交換矩陣的自我測(cè)評(píng)，為建設(shè)高效、穩(wěn)定、IP制播網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)參考。