KVM в задачах с высокими требованиями к качеству видео

Компьютерное оборудование создает шум, выделяет много тепла и занимает немало места. Применение переключателей и удлинителей KVM позволяет разнести вычислительные блоки и периферию. Разместив компьютеры в серверной комнате, можно создать в офисных и других помещениях более комфортные условия для работы сотрудников, обеспечить необходимые климатические параметры для вычислительного оборудования и повысить уровень защищенности всего решения. Такая конфигурация широко применяется в различных центрах управления, демонстрационных залах, учебных аудиториях. При этом все чаще требуется обеспечить передачу видео в формате HD без потери качества.

Потребность в удлинении соединений между источниками и получателями сигнала и их коммутации возникает при выполнении многих задач. Использование удлинителей и переключателей позволяет эффективно осуществлять мониторинг и управление рабочими средами и процессами автоматизации. В применяемых для этих целей современных решениях нашли отражение следующие тенденции и запросы: переход от аналоговой к цифровой коммутации, потребность в распределении цифрового видео, гибкость контроля за периферией и средствами отображения, упрощение и удешевление схем подключения при расширении функциональности.

Наряду с цифровой коммутацией, пожалуй, наиболее характерной тенденцией является появление и распространение практически неограниченно масштабируемой матричной коммутации. Эти новые цифровые решения реализуются на базе как нестандартных специализированных технологий (с использованием витопарной проводки стандартных категорий и волоконных оптических кабелей), так и стандартных IP-протоколов и коммутаторов Ethernet. Они обеспечивают доставку видео высокого разрешения в реальном времени без потерь, задержек и рассинхронизации, причем помимо распределения видео позволяют разнести клавиатуру и мышь, цифровое и аналоговое аудио, последовательные и USB-устройства.

ЦИФРОВОЕ УДЛИНЕНИЕ

Наибольшую трудность представляет удлинение видео. В отличие от аналогового сигнала, качество которого с увеличением дальности передачи снижается постепенно, цифровое воспроизведение резко прерывается после преодоления определенного расстояния. Как и используемый в бытовых системах HDMI, стандартный цифровой интерфейс для ПК — DVI — базируется на сигнализации TDMS. Применение нестандартных технологий позволяет увеличить дальность передачи сигналов HDMI или DVI. Для удлинения может использоваться родной кабель с повторителем либо витопарный или оптический кабель с удлинителем (пара передатчик-приемник).

Для передачи несжатого мультимедийного контента HD-качества по типовой проводке локальной сети была стандартизована технология HDBase-T. За счет использования сложных схем кодирования и синхронизации она позволяет передавать видео DVI и HDMI, высококачественное аудио, трафик 100Base-T, питающее напряжение и управляющие сигналы от источника к приемнику по кабелю Категории 5е и выше на расстояние 100 м (см. врезку «HDBase-T в KVM»).

Для передачи видео на большее расстояние (или по более узким каналам) может использоваться сжатие. В таком случае сигнал передается по стандартной IP-сети — как локальной, так и глобальной. Сжатие вовсе не предполагает низкого качества видео — оно может производиться без потери деталей изображения. Вместе с тем в интернет-трансляциях обычно применяются алгоритмы, не избегающие потерь, в частности H.264. Такие алгоритмы обеспечивают высокое качество изображения для обычного просмотра, но для подробного рассмотрения важных деталей, необходимых для специалистов центров управления или медицинских учреждений, его недостаточно.

Лучшие современные алгоритмы позволяют передавать по локальной сети компьютерные изображения или полноценное видео HD-качества в деталях и без каких-либо визуальных искажений. Однако из-за высоких требований к пропускной способности их применение обычно не распространяется на глобальные сети и Интернет.

МАТРИЧНЫЕ УДЛИНИТЕЛИ

Матричные переключатели позволяют коммутировать различные типы сигналов между множеством источников и пользователей. По сути это те же удлинители сигналов, но в конфигурации «многие со многими»: источники и получатели сигнала тоже подключаются через передатчики и приемники, при этом матричный переключатель выступает в роли своего рода посредника, который позволяет им установить соединение между собой в произвольной комбинации. Наряду с функциональностью KVM они обеспечивают маршрутизацию, коммутацию и многоточечное распределение цифровых видеосигналов различных форматов высокого разрешения.

В зависимости от числа портов и других факторов матричные переключатели имеют монолитную или модульную конструкцию. В последнем случае, как правило, удается гибко варьировать способ подключения источников и консолей, выбирая необходимую среду передачи — медь или оптику. Двунаправленные порты переключателя служат как для приема, так и для передачи сигнала, то есть к ним можно подключать как трансивер, так и приемник сигналов. В лучших изделиях переключение между источниками осуществляется мгновенно — в течение одного кадра. Некоторые производители предлагают технологии для объединения переключателей, благодаря чему решение масштабируется до нескольких тысяч портов.

Для дистанционного подключения периферии к серверам и рабочим станциям, когда требуется одновременно обеспечить передачу видео высокого качества, российский поставщик Interactive Multimedia Solutions (IMS) рекомендует использовать матричный KVM-переключатель серии DVICenter немецкой компании Guntermann & Drunck (см. рис. 1). Эти переключатели обеспечивают одновременное управление десятками персональных компьютеров. Порты ПК и рабочих станций могут быть произвольно скомбинированы с учетом поставленных задач. Устройство оснащено резервным блоком питания, что гарантирует его бесперебойную работу в случае выхода из строя основного блока. Решение обеспечивает гибкие возможности распределения прав пользователей, для увеличения количества подключаемых ПК и консольных модулей переключатели можно каскадировать.

Рис. 1. Матричный переключатель DVI Center компании Guntermann & Drunck. Переключатели обеспечивают одновременное управление десятками персональных компьютеров. Для увеличения количества подключаемых ПК и консольных модулей переключатели можно каскадировать

На рынке имеются модели с поддержкой сотен портов в одном корпусе. Самый большой на сегодняшний день переключатель KVM недавно выпущен компанией IHSE: в относительно компактном корпусе высотой 25RU размещается 576 двунаправленных портов. Этот матричный переключатель Draco tera K480-576 корпоративного класса имеет неблокирующую архитектуру и предназначен для использования в центрах управления и телевизионных студиях. Переключатель имеет полностью избыточную системную архитектуру, в том числе резервируемые источники питания, заменяемые в горячем режиме модули и т. д. Межсоединение между входом и выходом тоже избыточно: обрыв соединения между консольным и системным блоками мгновенно выявляется, и передача данных осуществляется по резервному каналу.

K480-576 поддерживает видео высокого разрешения, в том числе форматы DVI, HDMI, DisplayPort, VGA, HD-SDI и 3G-SDI (наряду с аналоговыми и цифровыми аудиоформатами и данными USB 2.0/3.0). При использовании волоконно-оптических кабелей XV этот переключатель может поддерживать видео UltraHD с разрешением до 4K — 4096x2160. Сегодня эти мощные устройства вторгаются в область, где традиционно доминировало такое специализированное оборудование, как видеомикшеры, или видеокоммутаторы (video switcher). Последние разрабатывались для переключения между различными источниками видеосигнала и обеспечивали в числе прочего комбинирование или смешение сигналов, именно поэтому их часто называют видеомикшерами по аналогии с аудиомикшерами. Вместе с тем современные модели видеокоммутаторов позволяют переключать не только видео, но и интерфейсные HID-устройства и другую USB-периферию.

Когда необходима передача высококачественной компьютерной графики и видео, компания «Делайт 2000» предлагает использовать решение Crestron Digital Media. Как подчеркивает Алексей Уляшкин, начальник проектного бюро в этой организации, пользователи получают возможность доступа к любой рабочей станции с любого рабочего места. При этом еще обеспечивается вывод информации на любой экран коллективного пользования. Обычно удлинение USB в системах АВ-коммутации ограничивается низкоскоростными устройствами USB 1.1 или поддержкой только HID, таких как клавиатура и мышь. В решение DigitalMedia путем обновления прошивки интегрирована технология SwitchableUSB компании Icron, благодаря чему стало возможно подключать к нему любые USB устройства, в том числе стандарта USB 3.0: Web-камеры, флеш-накопители и аудиооборудование со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с.

Матричный коммутатор Crestron DigitalMedia представляет собой централизованное устройство, и в случае выхода его из строя создается риск остановки всего комплекса. Чтобы обеспечить гарантированную работоспособность последнего, в «Делайт 2000» разработали схему соединений нескольких матричных коммутаторов. Благодаря этому, даже если одно из устройств DigitalMedia выйдет из строя, пользователи могут продолжить свою работу.

Поставщики коммутационного аудиовидеооборудования основной акцент делают на обеспечении передачи качественного видео, а функциональность KVM рассматривается ими как частная: по словам Евгения Руслякова, регионального менеджера Extron, решения компании ориентированы на построение инфраструктуры для передачи и обработки сигналов аудио-видео. Вместе с тем практически любой подобный проект предполагает передачу и коммутацию различных аудио- и видеосигналов от компьютерных систем, в том числе от USB и Ethernet. В линейке продукции Extron имеется множество решений: от простых АВ-передатчиков «точка — точка» по витой паре или оптическому волокну до сложных матричных коммутаторов размерностью тысяча на тысячу входов/выходов (см. рис. 2). С расчетом на перспективу была разработана линейка матричных коммутаторов Extron XTP II Systems с общей пропускной способностью 50 Гбит/с, что позволяет передавать и коммутировать видеосигналы с разрешением до 8К.

Рис. 2. Схема подключения матричного АВ-коммутатора Extron с использованием оптических удлинителей

ВИРТУАЛЬНАЯ МАТРИЦА

Применение матричных переключателей подразумевает создание отдельной выделенной инфраструктуры. Кроме того, сам такой переключатель представляет собой специализированное устройство, где, как правило, используются нестандартные, проприетарные технологии. Подобные решения имеются у всех ведущих поставщиков традиционных KVM. Вместе с тем многие из них стали развивать альтернативный подход, когда для коммутации сигналов задействуются имеющаяся локальная сеть и стандартные коммутаторы Ethernet. Последние для обеспечения эффективной работы и направления видеотрафика только тем получателям, кто в нем заинтересован, должны поддерживать протокол IGMP. Чтобы в сети не возникали перегрузки, особенно если в ней присутствует и другой трафик, такое решение должно быть тщательно спланировано. По этой причине оно имеет ограниченную масштабируемость или требует создания отдельной сети.

Общая схема реализации распределенной коммутирующей матрицы в общих чертах одинакова у всех поставщиков. К источникам сигнала / системным блокам подключаются передатчики/кодировщики сигнала, а к получателям сигнала / периферии — приемники/декодировщики сигнала. В свою очередь, приемники и получатели подсоединяются к коммутаторам Ethernet по каналам, пропускная способность которых должна быть не меньше 1 Гбит/с. Для увеличения дальности передачи производители предлагают передатчики и приемники с оптическими интерфейсами. Как правило, в сети устанавливается специализированное устройство или выделенный сервер с программным обеспечением для управления каналами и правами доступа. Сервер может подключаться в любом месте сети, при этом бывает достаточно соединения в 100 Мбит/с.

Помимо распределения высококачественного видео между множеством получателей, такое решение обеспечивает отказоустойчивость при соответствующей конфигурации сети. Как отмечает Алексей Уляшкин, система на основе технологии ADDERLink INFINITY позволяет реализовать отказоустойчивое решение на базе стековых коммутаторов — при выходе из строя одного из них остальные берут на себя обслуживание трафика. Это решение востребовано там, где недопустим даже непродолжительный простой. Однако имеются и ограничения, например по количеству одновременно подключенных устройств. Система предусматривает наращивание количества устройств, но при этом возросшие объемы трафика будут сказываться на качестве отображения информации и частоте развертки. Поэтому такая система устойчиво работает при относительно небольшом количестве рабочих мест.

Компания Aten предлагает систему Aten KE System на базе KVM-удлинителей KE6900 и KE6940 (см. рис. 3). Каждый такой удлинитель состоит из пары разнесенных устройств — приемника и передатчика; они подключаются по локальной сети Gigabit Ethernet, образуя, как утверждается, неограниченный виртуальный матричный KVM-переключатель с возможностью формирования видеостены. Помимо удлинителей, в состав решения входит программное обеспечение CCKM. Благодаря встроенному высокопроизводительному графическому процессору удлинители обеспечивают стабильную, без задержек передачу и воспроизведение изображения с разрешением 1920x1200 пикселей. Технология Fast Switching позволяет оператору за удаленной консолью мгновенно переключаться между источниками с различным разрешением.

Рис. 3. Для организации распределенной коммутации Aten предлагает систему Aten KE System на базе KVM-удлинителей KE6900 и KE6940

К одному приемнику может быть подключено несколько передатчиков по различным интерфейсам, в результате сформированная система способна контролировать по KVM один сервер, управлять по RS232 другим, подключиться по USB к третьему, слушать и передавать(микрофон) звук на четвертый. Кроме того, оборудование можно объединять (агрегатировать) в несколько блоков под единой консолью управления с подключением одновременно нескольких мониторов на одном рабочем месте оператора, что значительно расширяет возможности, например операторов ситуационных центров. Для защиты передаваемых по сети данных удлинитель KE заранее кодирует их посредством 128-разрядного шифрования AES. Компания «Колан», российский поставщик продукции Aten, позиционирует KE System как программно-аппаратный комплекс для дистанционного управления и мониторинга автоматизированных рабочих мест.

Помимо Adder и Aten, похожими решениями располагают и другие производители KVM. Так, Raritan предлагает систему распределения аудио и видео по IP Raritan AV-over-IP Distribution System (RAV-IP). Для конфигурации используется графический интерфейс на базе Web. Переключение каналов ввода-вывода может осуществляться с помощью пульта дистанционного управления, как на обычных телевизорах. Компания позиционирует этот продукт как быстро развертываемую систему для небольших инсталляций, где требуется обеспечить удлинение, распределение и коммутацию высококачественного аудио и видео. Подобно другим таким же решениям, RAV-IP предназначена для применения в самых разных сценариях, включая Digital Signage и отображение мультимедийного контента в магазинах, гостиничных лобби, приемных покоях, комнатах для совещаний, центрах управления и т. д.

Помимо потенциальных ограничений в масштабировании, у этих решений есть и другие недостатки, которые накладывают ограничения на их использование. Как отмечает Николай Клочков, технический специалист компании IMS, для создания IP-матрицы требуется дополнительно приобретать довольно дорогое сетевое оборудование, из-за чего затраты на реализацию проекта увеличиваются и становятся сопоставимы со стоимостью построения волоконно-оптической KVM-матрицы, качество передачи сигналов в которой на порядок выше. Явным минусом является и вероятность задержек при распространении сигналов, что недопустимо для многих организаций: военных предприятий, диспетчерских, студий теле- и радиовещания в прямом эфире и пр.

ВИДЕО ОТДЕЛЬНО, УПРАВЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНО

Гибридная схема с раздельными средами для передачи видео и управляющих сигналов клавиатуры и мыши используется в решении компании RGB Spectrum (см. рис. 4): для доставки видео задействуется выделенная инфраструктура, а для пересылки управляющих сигналов — локальная сеть (по соображениям безопасности тоже зачастую выделенная).

Рис. 4. Передача сигналов управления в системе Enterprise MCMSTM разработки RGB Spectrum реализуется путем создания отдельной замкнутой локальной IP-сети

Как объясняет Сергей Разуваев-Капитонов, продакт-менеджер направления «Системы управления и коммутации» в компании Auvix, поставщика этого решения, такой подход связан с тем, что для передачи и коммутации качественного видео нужны выделенные ресурсы. Интегрированная KVM-система Enterprise MultiPoint Control Room Management System (Enterprise MCMSTM) от RGB Spectrum позволяет группе пользователей управлять работой множества компьютеров и источников данных, при этом она обеспечивает вывод изображений от источников на персональные мониторы сотрудников и на экран видеостены в многооконном режиме.

Центральным элементом KVM-системы RGB Spectrum является коммутационное оборудование. За доставку высококачественных видеосигналов от источников к средствам отображения видео в системе Enterprise MCMSTM отвечают профессиональные матричные коммутаторы LINX и OPTO. Сигналы могут передаваться как по витой паре, так и по оптике. В первом случае используются устройства CAT LINX на базе технологии HDBase-T, во втором — оптические передатчики и приемники серии OPTO. Вывод изображений в многооконном режиме на экран видеостены обеспечивается процессорами видеостен серий MediaWall и MediaWall V. Последние поддерживают источники видеосигнала с разрешением 4K и вывод изображений на 4К-дисплеи. Работа всех устройств (матриц, процессоров видеостен и т. д.) и назначение прав операторов контролируются специальным сервером.

Сигналы управления в системе Enterprise MCMSTM передаются по отдельной замкнутой локальной сети IP. Для обеспечения безопасности передачи данных она может быть изолирована от внешних сетевых подключений и осуществлять передачу команд управления только между устройствами RGB Spectrum, входящими в состав Enterprise MCMSTM, и ПК-источниками, если последнее не запрещено на конкретном объекте оснащения. Таким образом, сигналы клавиатур и мышей, подключенных к рабочим станциям операторов, передаются по IP-сети Enterprise MCMSTM. Они будут переданы источнику, только если оператор зарегистрирован на сервере и имеет права на управление данным источником.

Дистанционное соединение с компьютером может быть установлено двумя способами: посредством установленного на компьютере программного агента (Remote Desktop Agent, RDA) или через внешний адаптер (External Desktop Adapter, EDA), запатентованный компанией RGB Spectrum. Адаптер EDA — это аппаратное устройство, работающее на физическом уровне модели OSI и обеспечивающее однонаправленную передачу сигналов управления. EDA получает сигналы от клавиатуры и мыши через сеть Enterprise MCMSTM и отсылает их компьютеру-источнику через порт PS/2 (допускается использование адаптера PS/2-to-USB). Поскольку порт PS/2 однонаправленный, команды могут быть переданы на компьютер, но получить доступ к данным компьютера или скомпрометировать их невозможно. Такое решение особенно эффективно, когда требуется обеспечить высокий уровень безопасности и/или сетевой изоляции ПК-источника. Благодаря всем этим предосторожностям система Enterprise MCMSTM может работать как в защищенных, так и незащищенных сетях.

ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

Современные системы для коммутации сигналов KVM способны обеспечить передачу по локальной сети видео высокого разрешения до 1920х1200 пикселей (и даже выше) с частотой кадров до 60 Гц при цветности глубиной до 24 бит. Однако если доступ к управляемому оборудованию надо предоставить для тех, кто находится за пределами локальной сети, качеством видео придется поступиться. При этом главная проблема скорее не техническая (хотя вопрос задержки стоит еще более остро), а экономическая: создание выделенной сети с необходимой пропускной способностью обойдется слишком дорого. По мнению Игоря Калинина, директора по маркетингу компании «Колан», на данный момент передача высококачественного видео по сетям общего пользования нереализуема, так как требуется выделение гарантированно высокой пропускной способности.

За пределами сети, выделенной для критически важных приложений, трудно гарантировать передачу высококачественного видео, отмечают в компании «Делайт 2000». Если для соединений «точка — точка» еще есть шанс обеспечить надлежащее качество, то для многоточечных соединений это проблематично. В тех же ситуациях, когда бесперебойной работы используемых приложений не требуется, для передачи видео могут задействоваться и интернет-соединения. Тем не менее даже в этом случае, как указывает Николай Клочков, необходимо предусмотреть широкий канал доступа в Интернет, поскольку для видео высокого разрешения нужна «хорошая пропускная способность».

Как правило, производители KVM более оптимистичны в отношении возможностей и перспектив IP KVM, чем поставщики систем для коммутации аудио-видео. Как отмечает Арно Стофберг, архитектор решения для региона Восточная Европа, Россия, Турция и Ближний Восток в компании Raritan, IP KVM — гибкая технология, которая может быть сконфигурирована для использования в локальных и территориально распределенных сетях, и даже в глобальных. Некоторым компаниям, например вещательным, могут понадобиться решения, где сжатие и задержки совершенно недопустимы, так что им необходимы более дорогие (и при этом менее гибкие) решения на базе выделенной сети с оптической проводкой. Вместе с тем IP KVM способны, по его мнению, обеспечить от 90 до 100% требований к видео со стороны большинства компаний, в том числе к высокопроизводительному видеодоступу, реализованному на основе более гибкого, простого в развертывании и экономичного решения (см. рис. 5).

Рис. 5. Коммутатор Domion KX3-DKX3-832 относится уже к пятому поколению продуктов для реализации KVM поверх IP. Благодаря сложным процедурам обработки и кодирования сигнала он поддерживает разрешение до 1920х1200 точек с частотой 30 кадров в секунду. Помимо стандартных компьютерных приложений, он может применяться в задачах реального времени, например в вещательных студиях

Способность IP KVM удовлетворить необходимые требования к передаче высококачественного видео зависит не только от правильности схемы использования и подбора оборудования, но и от уровня развития сетевой инфраструктуры, в которой будут применяться эти схемы, а также от грамотного распределения ее ресурсов. При распространении этих задач за пределы локальной сети перечисленные условия распространяются и на внешнюю инфраструктуру. На сегодняшний день IP KVM способны удовлетворить требования к передаче высококачественного видео в локальной сети, а по мере развития внешней сетевой инфраструктуры это станет возможно и за ее пределами, уверен Борис Козырев, технический специалист компании «Тайле».

Таким образом, применение современных решений для удлинения цифровых видеосигналов и периферии позволяет реализовать множество конфигураций для самых разных задач, где требуется организовать дистанционное подключение устройств для управления и отображения, установленных в ситуационных центрах, телевизионных студиях, переговорных комнатах, учебных аудиториях, медицинских учреждениях и т. д. При этом технологии и решения на базе KVM все чаще используются для выполнения традиционных задач из области АВ, таких как Digital Signage, и наоборот. В результате потребители получают широкий выбор возможных продуктов, отличающихся по цене, характеристикам и функциональности.

Дмитрий Ганьжа — главный редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: diga@lanmag.ru.