虹科案例|使用PRP協議解決廣播行業中實現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的基礎設施。前端的主要功能是接收來自廣播電臺的現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用到一個包，并將該包通過空中傳輸到數字無線電接收器，以分發給最終用戶。

從90年代中期開始，BROADCASTING PUBLIC ENTITY就基于這種架構成功運營此類服務。然而，在過去的幾年里，該技術已經從專用設備和它們之間的物理布線轉變為高度軟件和基于IP的解決方案。這種新場景給廣播運營商帶來了新的挑戰，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移和冗余。該項目的關鍵部分是設計和實施一個高度穩健和冗余的網絡，以確保沒有單點故障和高可用性。

按照傳統方法，廣播應用程序中的此類冗余已使用SMPTE 2022-7標準定義和實施，這是一種創建冗余的非常簡單的方法，僅適用于使用RTP（實時傳輸協議）的音頻（或其他媒體）。它基于在兩個物理網絡接口上發送相同的數據包。

這種情況下的識別是通過檢查 RTP 數據包本身的報頭來完成的，該報頭包含序列號和其他標識符。由于沒有向數據包添加額外信息（如其他協議的 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絡并行傳輸實時媒體（視頻和/或音頻），并在接收器中進行自動重組和故障轉移。

但是，這種方法僅適用于使用 UDP 單播或多播傳輸的RTP數據包。這也成為了一個問題，因為在這種類型的系統中，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品的同步（PTP）、控制（例如HTTP、SSH）、監控（SNMP、ilo/idrac）和分發（EDI）。許多其他領域已經解決了冗余和同步的挑戰，特別是在需要零丟包網絡的變電站應用中，這一特殊需求已經在很大程度上得到解決——采用PRP高可用性無縫冗余協議，即IEC 62439在第3條(IEC 62439-3)中提出的PRP并行冗余協議。該協議的基本功能如圖a所示。

圖a?并行冗余協議

如圖所示，兩個網絡接口在支持PRP的節點(DAN)中支持冗余。每個接口都連接到不同的標準以太網（LAN A和LAN B）。任何非冗余節點(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和/或廣播軟件進行任何特殊調整來實現該功能。由于大部分功能都使用標準服務器，RELY-PCIe卡是一個完美的解決方案，因為它透明地轉換進出PRP的標準以太網流量。

圖b RELY-PCIe NIC

RELY-PCIe板卡可以作為標準NIC卡連接到操作系統，并能夠確保驅動程序與市場上可用的大多數操作系統（Linux、Windows、VxWorks等）兼容，這功能意味著能夠節省軟件集成和網絡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，它還能夠隨著技術的發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。在此新架構中，RELY-PCIe卡已安裝在以下設備中：

圖c?音頻廣播架構

其中，DABMUX是指基于運行帶有RELY-PCIeNIC的Ubuntu的DellR440服務器。它從網絡（來自AoIP盒子）接收音頻，對其進行編碼并將其與元數據組合并將它們打包在一起。然后使用IP將這個包發送到全國各地山頂上的發射器，在那里它被轉換為在空中廣播的無線電信號。發送到發送器的IP數據包內的格式稱為“EDI”。這些設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

除了簡化復雜的時間感知高可用性網絡的實施之外，RELY-PCIe還提供了用于配置、監控和診斷 PCIe卡和網絡行為的高級工具。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備中遠程部署預定義配置網絡，在調試期間節省了大量時間。

圖e?RELY-PCIe網絡管理器

嵌入在設備中的 Web 管理器提供了用于監控系統行為的不同工具，并可以從 GUI 工具監督以下元素：

• SNMP v1、v2c、v3狀態

• 服務的內部記錄器：配置服務、PTP、NTP、SNMP等

• 系統參數監控器：CPU、內存、溫度

• 基于 HSR/PRP 監督幀的網絡節點表

• 每個端口的網絡統計信息

上述工具與通過安全連接遠程更新/升級設備的能力相結合，使最終用戶可以完全控制網絡操作。

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

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