虹科案例 | 使用PRP協(xié)議解決廣播行業(yè)中實現(xiàn)高可用性和亞微秒同步難題

BROADCASTING PUBLIC ENTITY主要為用戶提供電視頻道和廣播頻道，為了帶來更好的視聽體驗，該公司必須更新其無線電前端系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。前端的主要功能是接收來自廣播電臺的現(xiàn)場音頻并將其編碼為壓縮格式，例如AAC，然后將多個流多路復(fù)用到一個包，并將該包通過空中傳輸?shù)綌?shù)字無線電接收器，以分發(fā)給最終用戶。

從90年代中期開始，BROADCASTINGPUBLIC ENTITY就基于這種架構(gòu)成功運營此類服務(wù)。然而，在過去的幾年里，該技術(shù)已經(jīng)從專用設(shè)備和它們之間的物理布線轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨溶浖突贗P的解決方案。這種新場景給廣播運營商帶來了新的挑戰(zhàn)，因為他們需要在多個單獨的站點上保持一切緊密同步，以保持無縫的故障轉(zhuǎn)移和冗余。該項目的關(guān)鍵部分是設(shè)計和實施一個高度穩(wěn)健和冗余的網(wǎng)絡(luò)，以確保沒有單點故障和高可用性。

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困難與挑戰(zhàn)

按照傳統(tǒng)方法，廣播應(yīng)用程序中的此類冗余已使用SMPTE 2022-7標準定義和實施，這是一種創(chuàng)建冗余的非常簡單的方法，僅適用于使用RTP（實時傳輸協(xié)議）的音頻（或其他媒體）。它基于在兩個物理網(wǎng)絡(luò)接口上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。

這種情況下的識別是通過檢查 RTP 數(shù)據(jù)包本身的報頭來完成的，該報頭包含序列號和其他標識符。由于沒有向數(shù)據(jù)包添加額外信息（如其他協(xié)議的 RCT），接收方可以輕松識別它們并選擇哪些相同，哪些可以忽略。這允許通過兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)并行傳輸實時媒體（視頻和/或音頻），并在接收器中進行自動重組和故障轉(zhuǎn)移。

但是，這種方法僅適用于使用 UDP 單播或多播傳輸?shù)腞TP數(shù)據(jù)包。這也成為了一個問題，因為在這種類型的系統(tǒng)中，媒體只是鏈的一小部分，而且完全冗余也是強制性的最終產(chǎn)品的同步（PTP）、控制（例如HTTP、SSH）、監(jiān)控（SNMP、ilo/idrac）和分發(fā)（EDI）。許多其他領(lǐng)域已經(jīng)解決了冗余和同步的挑戰(zhàn)，特別是在需要零丟包網(wǎng)絡(luò)的變電站應(yīng)用中，這一特殊需求已經(jīng)在很大程度上得到解決——采用PRP高可用性無縫冗余協(xié)議，即IEC 62439在第3條(IEC 62439-3)中提出的PRP并行冗余協(xié)議。該協(xié)議的基本功能如圖a所示。

圖a并行冗余協(xié)議

如圖所示，兩個網(wǎng)絡(luò)接口在支持PRP的節(jié)點(DAN)中支持冗余。每個接口都連接到不同的標準以太網(wǎng)（LAN A和LAN B）。任何非冗余節(jié)點(SAN)都可以使用RedBox以冗余方式連接。

此外，BROADCASTING PUBLIC ENTITY希望避免對操作系統(tǒng)和/或廣播軟件進行任何特殊調(diào)整來實現(xiàn)該功能。由于大部分功能都使用標準服務(wù)器，RELY-PCIe卡是一個完美的解決方案，因為它透明地轉(zhuǎn)換進出PRP的標準以太網(wǎng)流量。

圖b RELY-PCIe NIC

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解決方案

RELY-PCIe板卡可以作為標準NIC卡連接到操作系統(tǒng)，并能夠確保驅(qū)動程序與市場上可用的大多數(shù)操作系統(tǒng)（Linux、Windows、VxWorks等）兼容，這功能意味著能夠節(jié)省軟件集成和網(wǎng)絡(luò)連接配置方面的成本。由于這是獨立于廣播軟件和硬件的解決方案，它還能夠隨著技術(shù)的發(fā)展方便快捷地進行升級。

圖c顯示了為廣播公共實體的新音頻頭端定義的架構(gòu)。在此新架構(gòu)中，RELY-PCIe卡已安裝在以下設(shè)備中：

圖c音頻廣播架構(gòu)

其中，DABMUX是指基于運行帶有RELY-PCIeNIC的Ubuntu的DellR440服務(wù)器。它從網(wǎng)絡(luò)（來自AoIP盒子）接收音頻，對其進行編碼并將其與元數(shù)據(jù)組合并將它們打包在一起。然后使用IP將這個包發(fā)送到全國各地山頂上的發(fā)射器，在那里它被轉(zhuǎn)換為在空中廣播的無線電信號。發(fā)送到發(fā)送器的IP數(shù)據(jù)包內(nèi)的格式稱為“EDI”。這些設(shè)備通過使用分配給每個流量的多個vlan來管理不同類型的流量（見圖d中的表）。

圖d VLAN分配

除了簡化復(fù)雜的時間感知高可用性網(wǎng)絡(luò)的實施之外，RELY-PCIe還提供了用于配置、監(jiān)控和診斷 PCIe卡和網(wǎng)絡(luò)行為的高級工具。在配置方面，RELY-PCIe 嵌入了一個用戶友好的 Web服務(wù)器（見圖e），用于配置卡支持的所有同步、冗余和二層交換功能，無需在用戶工作站安裝軟件。此外，配置管理工具允許在連接到的多個設(shè)備中遠程部署預(yù)定義配置網(wǎng)絡(luò)，在調(diào)試期間節(jié)省了大量時間。

圖eRELY-PCIe網(wǎng)絡(luò)管理器

嵌入在設(shè)備中的 Web 管理器提供了用于監(jiān)控系統(tǒng)行為的不同工具，并可以從 GUI 工具監(jiān)督以下元素：

SNMP v1、v2c、v3狀態(tài)

服務(wù)的內(nèi)部記錄器：配置服務(wù)、PTP、NTP、SNMP等

系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控器：CPU、內(nèi)存、溫度

基于 HSR/PRP 監(jiān)督幀的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點表

每個端口的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計信息

上述工具與通過安全連接遠程更新/升級設(shè)備的能力相結(jié)合，使最終用戶可以完全控制網(wǎng)絡(luò)操作。

此外，除了可以通過用戶友好界面管理的這些高級功能外，該設(shè)備還可以通過命令行界面 (CLI) 進行配置。最后，如果應(yīng)用程序需要，可以升級設(shè)備以完成其他邊緣計算任務(wù)，不僅針對板載 CPU，還針對 FPGA。

RELY-PCIe板卡關(guān)鍵特性

用于HSR/PRP網(wǎng)絡(luò)的DAN和Redbox功能

靈活的IEEE 1588 PTP 實現(xiàn)

先進的L2交換功能：VLAN，端口掩碼、幀限制等

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序可用于大多數(shù)操作系統(tǒng)（Linux、Windows、Vxworks等。）

除上述板卡以外，虹科還提供攜手SoC-e&RELYUM為客戶提供先進的TSN/HSR/PRP解決方案，包括IP核、交換機等多種產(chǎn)品，歡迎大家聯(lián)系虹科了解詳情。