IP交換矩陣的關(guān)鍵參數(shù) IP交換矩陣測試原理概述

一、IP交換矩陣描述

IP交換矩陣是由一級或多級交換設(shè)備及其控制器組成的單體矩陣，包含媒體業(yè)務(wù)信號、控制指令信號、同步時鐘信號三個平面。

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、同步時鐘模塊和控制模塊組成，見圖1。

◆輸入接口模塊：矩陣的所有信號輸入接口；

◆輸出接口模塊：矩陣的所有信號輸出接口；

◆調(diào)度交換模塊：完成矩陣信號交換和轉(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)測功能；

◆同步時鐘模塊：完成IP交換矩陣同步時鐘信號的鎖定和分發(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)對廣播電視安全穩(wěn)定播出至關(guān)重要。為此，我們對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，在完成調(diào)度后，應(yīng)保持原輸入信號不變，包括封裝協(xié)議、視音頻信號格式和內(nèi)容。除此之外，矩陣在進(jìn)行調(diào)度和切換過程中，不應(yīng)影響其他信號的正常使用。

IP交換矩陣的時鐘同步功能是保證視音頻信號正常播放的關(guān)鍵。IP交換矩陣應(yīng)支持IP環(huán)境下的時鐘同步系統(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)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”（簡稱PTP）精密時鐘系統(tǒng)，確保網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)間能保持同步。

通過時鐘系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的相對延時可被精確測量并以此修正時鐘偏移。PTP標(biāo)準(zhǔn)以IEEE 1588為定時的基礎(chǔ)協(xié)議，IEEE 802.1AS、SMPTE ST 2059-1協(xié)議以及我國廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T 348-2021《專業(yè)廣播環(huán)境下音視頻設(shè)備精確時間同步協(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)測功能，監(jiān)測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)度信號帶寬情況、網(wǎng)絡(luò)PTP信息的實(shí)時監(jiān)測顯示和主動查詢，對輸入輸出信號故障信息能夠及時上報和顯示。通過IP交換矩陣監(jiān)測功能可實(shí)時查看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，分別是動態(tài)路由協(xié)議和SDN集中控制。動態(tài)路由協(xié)議是指IP交換矩陣通過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，對外接口采用RESTful API，利用第三方軟件可通過接口協(xié)議，訪問并下發(fā)指令，對IP交換矩陣進(jìn)行調(diào)度、查詢等操作，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)

性能測試主要包括線速轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)時延、切換時延、對外接口性能等內(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)時延是指交換調(diào)度模塊的轉(zhuǎn)發(fā)用時。轉(zhuǎn)發(fā)時延是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間，切換時延是IP交換矩陣整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。對外接口性能一般指接口響應(yīng)時延，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)行間隔時間。

三、IP交換矩陣測試原理

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

四、IP交換矩陣測試方法

1. IP交換矩陣功能測試

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

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

◆配置被測矩陣控制模塊，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)行測試。

2. IP交換矩陣同步時鐘模塊功能

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

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

◆按照功能要求設(shè)置同步機(jī)輸出，檢測被測矩陣設(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，任意選取被測矩陣中的一級調(diào)度交換模塊，將同步機(jī)提供的PTP同步信號源分別接入到選定的這級調(diào)度交換模塊上和PTP測試儀上。同時，將該級調(diào)度交換模塊的PTP輸出也接入到PTP測試儀上；

◆在PTP測試儀上檢測輸出PTP信號的各項(xiàng)指標(biāo)；

◆在PTP測試儀上對比PTP信號源和調(diào)度交換模塊輸出的PTP信號指標(biāo)，檢測調(diào)度交換模塊引入的PTP抖動。

3. IP交換矩陣IP信號線速轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)時延

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

◆將IP網(wǎng)絡(luò)測試儀的一個IP接口接至被測矩陣的任意一個IP輸入接口，并將IP網(wǎng)絡(luò)測試儀的另一個IP接口連接至被測IP交換矩陣的任意一個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)測試儀，使其輸向被測矩陣IP輸入接口打入與接口最大速率相同、IP層包長為64字節(jié)的IP信號流輸入被測矩陣中；

◆對矩陣進(jìn)行調(diào)度操作，在矩陣的輸出接口通過IP網(wǎng)絡(luò)測試儀，檢測輸出的IP信號丟包率是否為0；

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

◆使用IP網(wǎng)絡(luò)測試儀，計算IP信號流從輸入接口到輸出接口的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

4. IP交換矩陣切換響應(yīng)時延

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

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

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

5. IP交換矩陣對外控制接口

（1）控制接口協(xié)議要求

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

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

◆在管理客戶端通過接口測試工具建立連接，通過協(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

◆按測試框圖連接測試系統(tǒng)；

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

◆通過外部接口，從第三方終端向矩陣發(fā)送控制報文；

◆計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)行間隔時間。

五、測試案例結(jié)果分析

我們對3個廠家的IP交換矩陣進(jìn)行了測試，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

1. 功能支持性分析

3個廠家的IP交換矩陣均具備信號調(diào)度基本功能，均具備包括GE光、GE電、10GE光、25GE光、40GE光、50GE光、100GE光類型接口，支持同步時鐘鎖定，支持IP交換矩陣控制和監(jiān)測。其中廠家A工作模式為動態(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)的時效性上。轉(zhuǎn)發(fā)時延是交換調(diào)度模塊的性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)發(fā)時延是IP交換矩陣重要的性能指標(biāo)，相同條件下，轉(zhuǎn)發(fā)時間越短，IP交換矩陣性能越好?？梢钥闯?，3個廠家的IP交換矩陣轉(zhuǎn)發(fā)時延均在1微秒左右。

切換時延是IP交換矩陣整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。通常切換時延測試分為兩種方法：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間間隔，這里包括了監(jiān)視器以及其他設(shè)備的用時，是整個IP交換矩陣系統(tǒng)性能指標(biāo)。本次測試均采用的是第二種測量方法，可以看出3個廠家的IP交換矩陣切換時延均在1.5秒以內(nèi)。

六、IP交換矩陣測試方法思考

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

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)相比信號流在傳輸、管理控制、時鐘同步方面有較大差異，因此測量方法也不盡相同。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試方法均采用接入IP信號源，進(jìn)行逐項(xiàng)的人工驗(yàn)證。這樣的測試方法只限于單獨(dú)組網(wǎng)的情況。后續(xù)針對定級保護(hù)、安播策略需要更為完善的測試?yán)碚摵头椒ā?/p>

在性能測試方面，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，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)時延和切換響應(yīng)時延。這對于評價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)際測試過程中，往往采用的是單端口接入流量或者業(yè)務(wù)流量不大時進(jìn)行的測試。在滿足單端口性能的基礎(chǔ)上，需要對整機(jī)進(jìn)行一定的業(yè)務(wù)壓力測試來進(jìn)一步判斷IP交換矩陣在實(shí)際業(yè)務(wù)場景的表現(xiàn)。

七、結(jié)語

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)展的一個趨勢，IP交換矩陣測試將完成對IP制播網(wǎng)絡(luò)中IP交換矩陣的自我測評，為建設(shè)高效、穩(wěn)定、IP制播網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)參考。