А и В теперь по СКС

Традиционно для подключения аудио-видеоаппаратуры применялись специальные кабельные шнуры, а передача информации осуществлялась по принципу точка–точка в аналоговом виде. С переходом на цифровую передачу (например, на формат SPDIF/AES для аудио) практика применения специальных кабелей и соединений точка–точка осталась неизменной.

Большим шагом вперед в области аудиовизуальных технологий стала разработка универсального интерфейса High-Definition Multimedia Interface (HDMI), обеспечивающего высококачественную передачу несжатой аудио- и видеоинформации по единому кабелю. Типичные кабели HDMI состоят из экранированных витых пар (с дополнительным общим экраном) и отдельно идущих проводников для питания и управляющих сигналов, а терминируются специальными разъемами HDMI. Длина таких кабелей обычно не превышает 15 м.

Рисунок 1. Приемопередатчики HDMI компании Extron. По данным производителя, при использовании кабеля Категории 5е обеспечивается передача видеосигнала качества 720p и 1080i на расстояние 60 м, а 1080p/60 и 1920x1200?— 30 м.

Для увеличения дальности передачи потоков HDMI были разработаны специальные удлинители, которые могут работать и по стандартным кабелям Категории 5е или 6. Часто такие удлинители используют сразу два витопарных кабеля (см. Рисунок 1): один — для передачи видео, аудио и сигналов синхронизации (поток Transition Minimized Differential Signaling, TMDS), другой — для служебных сигналов и подачи электропитания на ресивер HDMI. Некоторые производители, используя различные фирменные алгоритмы, смогли «упаковать» все эти потоки в один кабель (см. Рисунок 2).

На рынке также представлены решения, позволяющие использовать обычные коммутаторы Ethernet для «разводки» потоков HDMI (см. Рисунок 3). При этом для подключения оконечных устройств с интерфейсами HDMI применяются преобразователи HDMI-Ethernet.

Отдельно следует упомянуть решение DigitalMedia компании Crestron, включающее специальные кабели DM 8G с пропускной способностью 8 Гбит/с. По одному такому кабелю, состоящему из четырех витых пар с двойным экранированием, можно осуществлять передачу несжатого цифрового видео (разрешение до 1080p HD Deep Color), аудио и потока Ethernet на расстояние до 100?м. Терминирование такого кабеля осуществляется экранированным разъемом RJ45. В начале октября 2010 года компания объявила о выпуске волоконно-оптических кабелей для DigitalMedia, обеспечивающих работу на расстоянии 300 м.

HDMI «ВНУТРИ» HDBASET

Рисунок 2. Приемопередатчики HDMI компании Gefan.

Несмотря на использование в системах аудиовидеокомуникаций знакомых ИТ-специалистам элементов, подключать по типовым СКС оконечную аудио-видеоаппаратуру, формирующую или воспроизводящую мультимедиаинформацию с качеством HD, до недавнего времени было невозможно. Ситуация может измениться благодаря спецификации HDBaseT, принятой в июне 2010 года одноименным альянсом (HDBaseT), куда входят компании LG Electronics, Samsung Electronics, Sony Pictures Entertainment и Valens Semiconductor. По замыслу разработчиков, с ее помощью по стандартному кабелю Категории 5е/6 удастся передавать несжатые аудио- и видеоданные HD-качества (для этого предусматривается пропускная способность 10,2 Гбит/с с возможным увеличением до 20 Гбит/с), поток Ethernet 100BaseT, различные сигналы управления, а также подавать электропитание мощностью до 100 Вт.

В основу этой спецификации положена разработанная Valens Semiconductor технология 5Play. Она не конкурирует с HDMI, наоборот, по максимуму использует преимущества соответствующей элементной базы. В передатчиках и приемниках HDBaseT применяются микросхемы HDMI, только они «упрятаны» внутри устройств, а наружу выходят стандартные интерфейсы RJ45 (см. Рисунок 4). Фантастические, на первый взгляд, характеристики (во всяком случае, для Категории 5е) разработчики технологии объясняют применением специальной схемы кодирования сигнала, основанной на хорошо знакомой всем импульсно-амплитудной модуляции (Pulse Amplitude Modulation, PAM). Сети Ethernet тоже базируются на модуляции PAM, скажем, в системах 1000BaseT применяется ее вариант с 5 уровнями амплитуды (PAM-5), а в 10GBaseT — c 16 уровнями (PAM-16).

Внешняя схожесть HDBaseT с Ethernet не должна вводить в заблуждение: на канальном уровне это разные технологии. А вот физическую инфраструктуру (кабели и разъемы) можно использовать одну и ту же. Разобраться в том, что действительно подключено к разъему RJ45 — система HDBaseT или обычный Ethernet, — помогут механизмы автоматического определения, которые будут реализованы в устройствах HDBaseT.

Одна из наиболее интригующих возможностей систем HDBaseT — дистанционная подача электропитания мощностью до 100 Вт. Этого достаточно для большинства новых моделей телевизоров LED и OLED, что позволит избавиться от «вечно мешающего» силового провода. Согласно информации альянса HDBaseT, планируется задействовать стандартную технологию PoE+ (IEEE 802.3at-2009), но увеличить мощность, подаваемую по одной витой паре, до 25 Вт — включение этого режима на всех четырех парах позволит достичь заявленных 100 Вт. Однако до сих пор не ясно, насколько будут нагреваться кабели и не ухудшатся ли характеристики передачи.

Еще одна интрига заключается в том, будут ли обеспечены заявленные скорости при дальности 100 м? Еще раз подчеркнем, что речь идет о самом обычном кабеле Категории 5е. Каких-либо тестов, подтверждающих или опровергающих заявленные характеристики, пока нет, что неудивительно, ведь первые микросхемы (компании Valens Semiconductor), реализующие технологию HDBaseT, появились совсем недавно. Впрочем, уже в 2011 году альянс обещает наладить массовый выпуск оборудования, поддерживающего HDBaseT. Присутствие в альянсе известных производителей бытовой техники LG Electronics и Samsung Electronics позволяет надеяться на то, что в конечном счете, при действительно массовом производстве, стоимость таких продуктов окажется невысокой.

ВЕЗДЕСУЩИЙ ETHERNET

Если альянс HDBaseT нацелился на то, чтобы для аудиовидеокоммуникаций использовать обычную СКС (то есть инфраструктуру первого, физического, уровня — L1), то рабочая группа IEEE 802.1 Audio Video Bridging (AVB) решила «подняться выше» и сделать пригодной для них стандартную для мира ИТ транспортную среду Ethernet, функционирующую на втором (L2) уровне модели OSI. Основные необходимые для этого стандарты были приняты в 2010 году (см. Таблицу 1).

Для начала следует понять, почему обычный Ethernet, который по скорости уже вышел на уровень 100 Гбит/с, не подходит для аудиовидеокоммуникаций, а затем разобраться, как технологии AVB позволят решить имеющиеся проблемы.

1. Синхронизация. В аудиовидеосистемах различные потоки информации должны быть синхронизированы, например, чтобы при воспроизведении телевизионного сюжета звук совпадал с движением губ говорящего. В профессиональных системах, когда на экранах воспроизводится изображение сразу нескольких участников беседы, временные характеристики потоков информации должны быть согласованы с точностью до нескольких микросекунд. В классических же сетях Ethernet не предусмотрено специальных средств по распределению информации об эталонной частоте и точном времени по разным узлам.

Для частотно-временного обеспечения сетей Ethernet группа IEEE 802.1 AVB предложила механизм, который описан в спецификации IEEE 802.1AS и базируется на хорошо известном протоколе Precision Time Protocol версии 2 (PTPv2, стандарт IEEE 1588-2008).

В домене синхронизации 802.1AS одно из устройств назначается главным (Grand Master) и обеспечивает опорный синхросигнал, распределяемый по другим узлам домена (см. Рисунок 5). Выбор главного устройства может осуществляться автоматически или согласно заданным настройкам.

2. Задержка. В сети, по которой передается аудио/видеоинформация, задержка должна быть небольшой и детерминированной. Это необходимо, скажем, для того, чтобы пользователь получал быструю «реакцию» системы на такие управляющие команды, как «воспроизведение», «постановка на паузу» или «перемотка». Если для бытовой аппаратуры приемлемой считается задержка не более 50 мс, то для сложных игр или профессиональных приложений максимально допустимый уровень задержки может быть более жестким: в пределах нескольких миллисекунд.

В классических вычислительных сетях во главу угла ставилось обеспечение гарантированной доставки данных, а не времени этой доставки. Соответственно механизмы, четко регламентирующие определенный уровень задержки, отсутствовали. Для решения этой задачи группа IEEE 802.1 AVB предложила несколько подходов — в частности, профилирование трафика (спецификация 802.1Qav), когда трафик «сглаживается» и не допускается образование «сгустков» пакетов, способных привести к перегрузке буферов нижележащих сетевых устройств, а потому к неконтролируемой задержке. Суть этой технологии сводится к хорошо известному принципу «дырявого ведра»: как быстро ни наливай в такое ведро воду, вытекать из него (через фиксированное отверстие) она будет всегда с постоянной скоростью.

Но само по себе профилирование трафика окажется бесполезным, если не позаботиться о резервировании сетевых ресурсов для потоков мультимедиаинформации.

3. Резервирование. В случае перегрузки буферов или нехватки пропускной способности каналов связи классические сети TCP/IP просто отбрасывают часть пакетов, которые затем источник пересылает заново. Для аудиовидеокоммуникаций такой алгоритм не подходит из-за существенного увеличения задержки трафика, поэтому необходимо зарезервировать указанные ресурсы, чтобы гарантировать беспрепятственное прохождение сглаженных потоков. Этой цели служит протокол IEEE 802.1Qat, который, как и 802.1Qav, уже ратифицирован.

Согласно спецификации IEEE 802.1Qat, источник трафика посылает в сеть сообщение с запросом Stream Reservation Protocol (SRP), извещающее о потребности в передаче мультимедиапотока. В нем содержатся идентификаторы получателя информации и требования по качеству обслуживания (QoS), включая необходимую пропускную способность и наихудшую допустимую задержку. На пути следования запроса SRP каждый узел (сетевой мост) проверяет наличие необходимых ресурсов и, если их достаточно, направляет запрос дальше. В случае отсутствия требуемых ресурсов инициатор сеанса связи получает уведомление о том, что сеть не в состоянии выполнить его требования. Если запрос SRP успешно доходит до получателя трафика, тот в ответ отправляет сообщение о готовности, при прохождении которого узлы сети резервируют запрошенные ресурсы.

Четвертым базовым стандартом для систем AVB должен стать разрабатываемый документ IEEE 802.1BA, в котором определены механизмы идентификации сетевых устройств, функционирующих с использованием технологии AVB. Для успешной работы описанных выше алгоритмов они должны поддерживаться всеми узлами между источником и получателем. Если какой-либо узел не отвечает этим требованиям, его необходимо выявить и отметить, что и позволяет сделать технология IEEE 802.1BA.

Для того чтобы приложения могли в полной мере задействовать преимущества технологий AVB, требуется некоторая «координация действий» с процедурами вышележащих уровней модели OSI. Так, например, если приложения используют протокол RTP, следует задействовать новый формат нагрузки RTCP (спецификация IEEE 1733), который позволяет согласовывать временные метки RTP с механизмом синхронизации 802.1AS.

Для продвижения идей AVB и тестирования соответствующего оборудования на совместимость была создана организация AVnu Alliance, основателями которой стали компании Broadcom, Cisco Systems, Harman, Intel и Xilinx. Сегодня в этот альянс входят свыше 20 компаний, например Analog Devices, Applied Micro, Marvell, Molex и Yamaha. Некоторые (в частности, Broadcom, Marvell и Xilinx) уже разработали микросхемы коммутаторов, реализующие основные протоколы AVB, так что в ближайшее время следует ожидать выпуска коммерческих продуктов, поддерживающих эту технологию.

Итак, Ethernet, изначально разработанный для создания локальных вычислительных сетей, продолжает «захват территорий». Эта технология уже стала транспортной основой систем телефонии (VoIP) и видео-конференц-связи, она все шире применяется на «последней миле» и в городских сетях операторов связи. В 2010 году создана база стандартов для использования Ethernet в качестве среды для сетей хранения данных (FCoE) и аудиовидеокоммуникаций. Поистине, технология-универсал!

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.