IP交换矩阵的关键参数 IP交换矩阵测试原理概述

一、IP交换矩阵描述

IP交换矩阵是由一级或多级交换设备及其控制器组成的单体矩阵，包含媒体业务信号、控制指令信号、同步时钟信号三个平面。

IP交换矩阵主要由矩阵内部的输入接口模块、输出接口模块、调度交换模块、同步时钟模块和控制模块组成，见图1。

◆输入接口模块：矩阵的所有信号输入接口；

◆输出接口模块：矩阵的所有信号输出接口；

◆调度交换模块：完成矩阵信号交换和转发的IP化网络交换功能；

◆控制模块：完成矩阵的控制、管理和监测功能；

◆同步时钟模块：完成IP交换矩阵同步时钟信号的锁定和分发。

二、IP交换矩阵的关键参数

鉴于IP交换矩阵为IP制播的核心关键设备，其所实现的功能、支持的协议以及可支撑的性能指标对广播电视安全稳定播出至关重要。为此，我们对IP交换矩阵进行研究，提出了其主要功能以及关键参数，并进行验证测试。

1. IP交换矩阵的主要功能

IP交换矩阵的核心功能就是信号调度和控制功能。矩阵内的所有输出接口上应可任意调度和切换所需的输入信号，在完成调度后，应保持原输入信号不变，包括封装协议、视音频信号格式和内容。除此之外，矩阵在进行调度和切换过程中，不应影响其他信号的正常使用。

IP交换矩阵的时钟同步功能是保证视音频信号正常播放的关键。IP交换矩阵应支持IP环境下的时钟同步系统，确保与其他设备间的帧同步能力。在IP系统中，一般采用“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”（简称PTP）精密时钟系统，确保网络上的任何节点间能保持同步。

通过时钟系统，使网络节点间的相对延时可被精确测量并以此修正时钟偏移。PTP标准以IEEE 1588为定时的基础协议，IEEE 802.1AS、SMPTE ST 2059-1协议以及我国广播电视行业标准GY/T 348-2021《专业广播环境下音视频设备精确时间同步协议规范》均是以IEEE 1588为基础的。

IP交换矩阵应具备监测功能，监测是保证安全播出的重中之重。具备可视化操作界面，可实现对矩阵内部拓扑结构的可视化显示，能够进行端到端业务流量路径、调度信号带宽情况、网络PTP信息的实时监测显示和主动查询，对输入输出信号故障信息能够及时上报和显示。通过IP交换矩阵监测功能可实时查看IP交换矩阵业务流量信息，保证安全播出。

2. IP交换矩阵的工作模式

目前，IP交换矩阵工作模式主要分为两种，分别是动态路由协议和SDN集中控制。动态路由协议是指IP交换矩阵通过路由信息的交换生成并维护转发所需的路由表，可适应网络变化自动更新路由表；缺点是安全性较弱，占用系统资源较多。SDN集中控制是指通过SDN控制器向IP交换矩阵下发指令，进行操作。目前，在IP制播方面，大多采用SDN集中控制的工作模式。

3. IP交换矩阵接口协议

IP交换矩阵需支持HTTP、HTTPS或MQTT协议，对外接口采用RESTful API，利用第三方软件可通过接口协议，访问并下发指令，对IP交换矩阵进行调度、查询等操作，便于系统应用横向扩展。

4. IP交换矩阵性能关键参数

性能测试主要包括线速转发、转发时延、切换时延、对外接口性能等内容。

线速转发是IP交换设备端口在理论端口最大带宽的情况下能够实现64字节IP包转发并且不丢包，线速转发是IP交换矩阵交换调度模块的性能指标。转发时延是指交换调度模块的转发用时。转发时延是IP交换矩阵交换调度模块的重要性能指标。切换时延是指控制器下发切换指令到监视器查看切换完成的时间，切换时延是IP交换矩阵整个系统的性能指标。对外接口性能一般指接口响应时延，指的是从第三方终端下发单条指令到矩阵执行完成并反馈信息的执行间隔时间。

三、IP交换矩阵测试原理

IP交换矩阵测试原理是将IP视音频信号源、SDI视音频信号源或网络测试仪输出流量作为IP交换矩阵输入，通过SDI视音频分析仪、IP视音频分析仪或网络测试仪接收IP交换矩阵输出，进行测试。同时，整个测试系统接入同一PTP同步时钟源，具体测试网络架构图如图2。

四、IP交换矩阵测试方法

1. IP交换矩阵功能测试

◆按测试框图连接测试系统；

◆将IP化信号源设备输出的IP信号接至被测矩阵的任意IP输入接口，并将IP视音频分析仪接至被测矩阵的任意IP输出接口；

◆配置被测矩阵控制模块，使其正常运行和可操作；

◆按照各项要求，逐项进行功能验证。根据功能验证的实际结果，采用人工判断的方式进行测试。

2. IP交换矩阵同步时钟模块功能

◆按测试框图连接测试系统；

◆将多台IP化信号源设备输出的IP信号接至被测矩阵的任意IP输入接口，并将多台IP视音频分析仪接至被测矩阵的任意IP输出接口。同时，将同步机连接至被测矩阵，并向被测矩阵提供PTP同步信号；

◆按照功能要求设置同步机输出，检测被测矩阵设备是否可以锁定在PTP外同步基准上；

◆将矩阵设置在BC工作模式下，任意选取被测矩阵中的一级调度交换模块，将同步机提供的PTP同步信号源分别接入到选定的这级调度交换模块上和PTP测试仪上。同时，将该级调度交换模块的PTP输出也接入到PTP测试仪上；

◆在PTP测试仪上检测输出PTP信号的各项指标；

◆在PTP测试仪上对比PTP信号源和调度交换模块输出的PTP信号指标，检测调度交换模块引入的PTP抖动。

3. IP交换矩阵IP信号线速转发和转发时延

◆按测试框图连接测试系统；

◆将IP网络测试仪的一个IP接口接至被测矩阵的任意一个IP输入接口，并将IP网络测试仪的另一个IP接口连接至被测IP交换矩阵的任意一个IP输出接口；

◆按照所接入的IP输入接口的端口速率，设置IP网络测试仪，使其输向被测矩阵IP输入接口打入与接口最大速率相同、IP层包长为64字节的IP信号流输入被测矩阵中；

◆对矩阵进行调度操作，在矩阵的输出接口通过IP网络测试仪，检测输出的IP信号丢包率是否为0；

◆重复前两步设置IP网络测试仪输出IP流信号输入到该级IP输入接口上，并对矩阵进行调度操作，将该输入信号调度至该级调度交换模块已连接IP网络测试仪的另一个输出接口上；

◆使用IP网络测试仪，计算IP信号流从输入接口到输出接口的转发时延。

4. IP交换矩阵切换响应时延

◆按测试框图连接测试系统；

◆将IP化信号源设备输出的IP信号接至被测矩阵的任意IP输入接口，并将IP视音频分析仪接至被测矩阵的任意IP输出接口；

◆通过被测矩阵的控制模块向被测矩阵下发切换指令，采用视频拍摄方式记录下发指令时刻与切换完成时刻的间隔。

5. IP交换矩阵对外控制接口

（1）控制接口协议要求

◆按测试框图连接测试系统；

◆将IP化信号源测试设备输出的IP信号接至被测矩阵的任意一个IP输入接口，并将IP视音频分析仪接至被测矩阵的任意一个IP输出接口；

◆在管理客户端通过接口测试工具建立连接，通过协议验证IP矩阵是否支持HTTP、HTTPS或MQTT协议。

（2）控制接口性能

◆按测试框图连接测试系统；

◆将IP化信号源测试设备输出的IP信号接至被测矩阵的任意一个IP输入接口，并将IP视音频分析仪接至被测矩阵的任意一个IP输出接口；

◆通过外部接口，从第三方终端向矩阵发送控制报文；

◆计算从第三方终端下发单条指令，到矩阵执行完成并反馈信息的执行间隔时间。

五、测试案例结果分析

我们对3个厂家的IP交换矩阵进行了测试，并对结果进行分析。

1. 功能支持性分析

3个厂家的IP交换矩阵均具备信号调度基本功能，均具备包括GE光、GE电、10GE光、25GE光、40GE光、50GE光、100GE光类型接口，支持同步时钟锁定，支持IP交换矩阵控制和监测。其中厂家A工作模式为动态路由协议，B和C为SDN集中管控方式。

2. 性能参数分析

IP交换矩阵性能主要体现在调度转发的时效性上。转发时延是交换调度模块的性能指标，转发时延是IP交换矩阵重要的性能指标，相同条件下，转发时间越短，IP交换矩阵性能越好。可以看出，3个厂家的IP交换矩阵转发时延均在1微秒左右。

切换时延是IP交换矩阵整个系统的性能指标。通常切换时延测试分为两种方法：第一种指从控制模块下发指令到交换调度模块切换完成的时间间隔；第二种是指控制器下发切换指令到监视器查看切换完成的时间间隔，这里包括了监视器以及其他设备的用时，是整个IP交换矩阵系统性能指标。本次测试均采用的是第二种测量方法，可以看出3个厂家的IP交换矩阵切换时延均在1.5秒以内。

六、IP交换矩阵测试方法思考

通过IP交换矩阵关键参数测试，能够实现对IP交换矩阵功能和性能上的基本评估。如果需要对整个IP交换矩阵进行评估，则需要做更全面的功能测试、性能测试以及IP信号视音频质量测试。

IP交换矩阵是IP化制播体系中的重要组成部分，与传统SDI调度系统相比信号流在传输、管理控制、时钟同步方面有较大差异，因此测量方法也不尽相同。由于IP化尚在起步阶段，目前绝大多数系统普遍采用单一系统单独组网、封闭管理的方式，且在安全可靠性方面测试方法均采用接入IP信号源，进行逐项的人工验证。这样的测试方法只限于单独组网的情况。后续针对定级保护、安播策略需要更为完善的测试理论和方法。

在性能测试方面，需要进一步完善在IP交换矩阵整系统业务流量较大时，IP交换矩阵中交换调度模块的线速转发能力、转发时延和切换响应时延。这对于评价IP交换矩阵的能力具有重要意义。由于硬件条件的限制，在实际测试过程中，往往采用的是单端口接入流量或者业务流量不大时进行的测试。在满足单端口性能的基础上，需要对整机进行一定的业务压力测试来进一步判断IP交换矩阵在实际业务场景的表现。

七、结语

在4K/8K超高清快速发展背景下，IP化技术已经成为广电网络建设发展的一个趋势，IP交换矩阵测试将完成对IP制播网络中IP交换矩阵的自我测评，为建设高效、稳定、IP制播网络提供技术参考。