一、IP交換矩陣描述

IP交換矩陣是由一級或多級交換設備及其控制器組成的單體矩陣，包含媒體業務信號、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部的輸入接口模塊、輸出接口模塊、調度交換模塊、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；

◆調度交換模塊：完成矩陣信號交換和轉發的IP化網絡交換功能；

◆控制模塊：完成矩陣的控制、管理和監測功能；

◆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。

二、IP交換矩陣的關鍵參數

鑒于IP交換矩陣為IP制播的核心關鍵設備，其所實現的功能、支持的協議以及可支撐的性能指標對廣播電視安全穩定播出至關重要。為此，我們對IP交換矩陣進行研究，提出了其主要功能以及關鍵參數，并進行驗證測試。

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度和控制功能。矩陣內的所有輸出接口上應可任意調度和切換所需的輸入信號，在完成調度后，應保持原輸入信號不變，包括封裝協議、視音頻信號格式和內容。除此之外，矩陣在進行調度和切換過程中，不應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鍵。IP交換矩陣應支持IP環境下的時鐘同步系統，確保與其他設備間的幀同步能力。在IP系統中，一般采用“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”（簡稱PTP）精密時鐘系統，確保網絡上的任何節點間能保持同步。

通過時鐘系統，使網絡節點間的相對延時可被精確測量并以此修正時鐘偏移。PTP標準以IEEE 1588為定時的基礎協議，IEEE 802.1AS、SMPTE ST 2059-1協議以及我國廣播電視行業標準GY/T 348-2021《專業廣播環境下音視頻設備精確時間同步協議規范》均是以IEEE 1588為基礎的。

IP交換矩陣應具備監測功能，監測是保證安全播出的重中之重。具備可視化操作界面，可實現對矩陣內部拓撲結構的可視化顯示，能夠進行端到端業務流量路徑、調度信號帶寬情況、網絡PTP信息的實時監測顯示和主動查詢，對輸入輸出信號故障信息能夠及時上報和顯示。通過IP交換矩陣監測功能可實時查看IP交換矩陣業務流量信息，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，分別是動態路由協議和SDN集中控制。動態路由協議是指IP交換矩陣通過路由信息的交換生成并維護轉發所需的路由表，可適應網絡變化自動更新路由表；缺點是安全性較弱，占用系統資源較多。SDN集中控制是指通過SDN控制器向IP交換矩陣下發指令，進行操作。目前，在IP制播方面，大多采用SDN集中控制的工作模式。

3. IP交換矩陣接口協議

IP交換矩陣需支持HTTP、HTTPS或MQTT協議，對外接口采用RESTful API，利用第三方軟件可通過接口協議，訪問并下發指令，對IP交換矩陣進行調度、查詢等操作，便于系統應用橫向擴展。

4. IP交換矩陣性能關鍵參數

性能測試主要包括線速轉發、轉發時延、切換時延、對外接口性能等內容。

線速轉發是IP交換設備端口在理論端口最大帶寬的情況下能夠實現64字節IP包轉發并且不丟包，線速轉發是IP交換矩陣交換調度模塊的性能指標。轉發時延是指交換調度模塊的轉發用時。轉發時延是IP交換矩陣交換調度模塊的重要性能指標。切換時延是指控制器下發切換指令到監視器查看切換完成的時間，切換時延是IP交換矩陣整個系統的性能指標。對外接口性能一般指接口響應時延，指的是從第三方終端下發單條指令到矩陣執行完成并反饋信息的執行間隔時間。

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視音頻信號源或網絡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視音頻分析儀或網絡測試儀接收IP交換矩陣輸出，進行測試。同時，整個測試系統接入同一PTP同步時鐘源，具體測試網絡架構圖如圖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；

◆將IP化信號源設備輸出的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，使其正常運行和可操作；

◆按照各項要求，逐項進行功能驗證。根據功能驗證的實際結果，采用人工判斷的方式進行測試。

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；

◆將多臺IP化信號源設備輸出的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；

◆按照功能要求設置同步機輸出，檢測被測矩陣設備是否可以鎖定在PTP外同步基準上；

◆將矩陣設置在BC工作模式下，任意選取被測矩陣中的一級調度交換模塊，將同步機提供的PTP同步信號源分別接入到選定的這級調度交換模塊上和PTP測試儀上。同時，將該級調度交換模塊的PTP輸出也接入到PTP測試儀上；

◆在PTP測試儀上檢測輸出PTP信號的各項指標；

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

3. IP交換矩陣IP信號線速轉發和轉發時延

◆按測試框圖連接測試系統；

◆將IP網絡測試儀的一個IP接口接至被測矩陣的任意一個IP輸入接口，并將IP網絡測試儀的另一個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，設置IP網絡測試儀，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字節的IP信號流輸入被測矩陣中；

◆對矩陣進行調度操作，在矩陣的輸出接口通過IP網絡測試儀，檢測輸出的IP信號丟包率是否為0；

◆重復前兩步設置IP網絡測試儀輸出IP流信號輸入到該級IP輸入接口上，并對矩陣進行調度操作，將該輸入信號調度至該級調度交換模塊已連接IP網絡測試儀的另一個輸出接口上；

◆使用IP網絡測試儀，計算IP信號流從輸入接口到輸出接口的轉發時延。

4. IP交換矩陣切換響應時延

◆按測試框圖連接測試系統；

◆將IP化信號源設備輸出的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切換指令，采用視頻拍攝方式記錄下發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）控制接口協議要求

◆按測試框圖連接測試系統；

◆將IP化信號源測試設備輸出的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，通過協議驗證IP矩陣是否支持HTTP、HTTPS或MQTT協議。

（2）控制接口性能

◆按測試框圖連接測試系統；

◆將IP化信號源測試設備輸出的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送控制報文；

◆計算從第三方終端下發單條指令，到矩陣執行完成并反饋信息的執行間隔時間。

五、測試案例結果分析

我們對3個廠家的IP交換矩陣進行了測試，并對結果進行分析。

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交換矩陣控制和監測。其中廠家A工作模式為動態路由協議，B和C為SDN集中管控方式。

2. 性能參數分析

IP交換矩陣性能主要體現在調度轉發的時效性上。轉發時延是交換調度模塊的性能指標，轉發時延是IP交換矩陣重要的性能指標，相同條件下，轉發時間越短，IP交換矩陣性能越好。可以看出，3個廠家的IP交換矩陣轉發時延均在1微秒左右。

切換時延是IP交換矩陣整個系統的性能指標。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指令到交換調度模塊切換完成的時間間隔；第二種是指控制器下發切換指令到監視器查看切換完成的時間間隔，這里包括了監視器以及其他設備的用時，是整個IP交換矩陣系統性能指標。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。

六、IP交換矩陣測試方法思考

通過IP交換矩陣關鍵參數測試，能夠實現對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SDI調度系統相比信號流在傳輸、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，目前絕大多數系統普遍采用單一系統單獨組網、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，進行逐項的人工驗證。這樣的測試方法只限于單獨組網的情況。后續針對定級保護、安播策略需要更為完善的測試理論和方法。

在性能測試方面，需要進一步完善在IP交換矩陣整系統業務流量較大時，IP交換矩陣中交換調度模塊的線速轉發能力、轉發時延和切換響應時延。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，在實際測試過程中，往往采用的是單端口接入流量或者業務流量不大時進行的測試。在滿足單端口性能的基礎上，需要對整機進行一定的業務壓力測試來進一步判斷IP交換矩陣在實際業務場景的表現。

七、結語

在4K/8K超高清快速發展背景下，IP化技術已經成為廣電網絡建設發展的一個趨勢，IP交換矩陣測試將完成對IP制播網絡中IP交換矩陣的自我測評，為建設高效、穩定、IP制播網絡提供技術參考。