使用PRP协议解决广播行业中实现高可用性和亚微秒同步的难题

本文结合一个真实的案例展示了单个设备如何在将音频/视频数据与其他管理和服务信息相结合的复杂广播架构中支持同步和无缝故障转移。该设备克服了在任何商业服务器或工作站中实现并行冗余协议PRP和IEEE 1588同步的复杂性。

1. 案例背景

BROADCASTING PUBLIC ENTITY主要为用户提供电视频道和广播频道,为了带来更好的视听体验,该公司必须更新其无线电前端系统的基础设施。前端的主要功能是接收来自广播电台的现场音频并将其编码为压缩格式,例如AAC,然后将多个流多路复用到一个包,并将该包通过空中传输到数字无线电接收器,以分发给最终用户。

从90年代中期开始,BROADCASTING PUBLIC ENTITY就基于这种架构成功运营此类服务。然而,在过去的几年里,该技术已经从专用设备和它们之间的物理布线转变为高度软件和基于IP的解决方案。这种新场景给广播运营商带来了新的挑战,因为他们需要在多个单独的站点上保持一切紧密同步,以保持无缝的故障转移和冗余。该项目的关键部分是设计和实施一个高度稳健和冗余的网络,以确保没有单点故障和高可用性。

2. 困难与挑战

按照传统方法,广播应用程序中的此类冗余已使用SMPTE 2022-7标准定义和实施,这是一种创建冗余的非常简单的方法,仅适用于使用RTP(实时传输协议)的音频(或其他媒体)。它基于在两个物理网络接口上发送相同的数据包。

这种情况下的识别是通过检查 RTP 数据包本身的报头来完成的,该报头包含序列号和其他标识符。由于没有向数据包添加额外信息(如其他协议的 RCT),接收方可以轻松识别它们并选择哪些相同,哪些可以忽略。这允许通过两个独立的网络并行传输实时媒体(视频和/或音频),并在接收器中进行自动重组和故障转移。

但是,这种方法仅适用于使用 UDP 单播或多播传输的RTP数据包。这也成为了一个问题,因为在这种类型的系统中,媒体只是链的一小部分,而且完全冗余也是强制性的最终产品的同步(PTP)、控制(例如HTTP、SSH)、监控(SNMP、ilo/idrac)和分发(EDI)。许多其他领域已经解决了冗余和同步的挑战,特别是在需要零丢包网络的变电站应用中,这一特殊需求已经在很大程度上得到解决——采用PRP高可用性无缝冗余协议,即IEC 62439在第3条(IEC 62439-3)中提出的PRP并行冗余协议。该协议的基本功能如图a所示。

图a 并行冗余协议

如图所示,两个网络接口在支持PRP的节点(DAN)中支持冗余。每个接口都连接到不同的标准以太网(LAN A和LAN B)。任何非冗余节点(SAN)都可以使用RedBox以冗余方式连接。

此外,BROADCASTING PUBLIC ENTITY希望避免对操作系统和/或广播软件进行任何特殊调整来实现该功能。由于大部分功能都使用标准服务器,RELY-PCIe卡是一个完美的解决方案,因为它透明地转换进出PRP的标准以太网流量。

图b RELY-PCIe

3. 解决方案

RELY-PCIe板卡可以作为标准NIC卡连接到操作系统,并能够确保驱动程序与市场上可用的大多数操作系统(Linux、Windows、VxWorks等)兼容,这功能意味着能够节省软件集成和网络连接配置方面的成本。由于这是独立于广播软件和硬件的解决方案,它还能够随着技术的发展方便快捷地进行升级。

图c显示了为广播公共实体的新音频头端定义的架构。在此新架构中,RELY-PCIe卡已安装在以下设备中:

图c 音频广播架构

其中,DABMUX是指基于运行带有RELY-PCIeNIC的Ubuntu的DellR440服务器。它从网络(来自AoIP盒子)接收音频,对其进行编码并将其与元数据组合并将它们打包在一起。然后使用IP将这个包发送到全国各地山顶上的发射器,在那里它被转换为在空中广播的无线电信号。发送到发送器的IP数据包内的格式称为“EDI”。这些设备通过使用分配给每个流量的多个vlan来管理不同类型的流量(见图d中的表)。

图d VLAN分配

除了简化复杂的时间感知高可用性网络的实施之外,RELY-PCIe还提供了用于配置、监控和诊断 PCIe卡和网络行为的高级工具。在配置方面,RELY-PCIe 嵌入了一个用户友好的 Web服务器(见图e),用于配置卡支持的所有同步、冗余和二层交换功能,无需在用户工作站安装软件。此外,配置管理工具允许在连接到的多个设备中远程部署预定义配置网络,在调试期间节省了大量时间。

图e RELY-PCIe网络管理器

嵌入在设备中的 Web 管理器提供了用于监控系统行为的不同工具,并可以从 GUI 工具监督以下元素:

  • SNMP v1、v2c、v3状态

  • 服务的内部记录器:配置服务、PTP、NTP、SNMP等

  • 系统参数监控器:CPU、内存、温度

  • 基于 HSR/PRP 监督帧的网络节点表

  • 每个端口的网络统计信息

上述工具与通过安全连接远程更新/升级设备的能力相结合,使最终用户可以完全控制网络操作。

此外,除了可以通过用户友好界面管理的这些高级功能外,该设备还可以通过命令行界面 (CLI) 进行配置。最后,如果应用程序需要,可以升级设备以完成其他边缘计算任务,不仅针对板载 CPU,还针对 FPGA。

RELY-PCIe板卡关键特性

  • 用于HSR/PRP网络的DAN和Redbox功能
  • 灵活的IEEE 1588 PTP 实现
  • 先进的L2交换功能:VLAN,端口掩码、帧限制等
  • 以太网网络驱动程序可用于大多数操作系统(Linux、Windows、Vxworks等。)

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