Традиційно для підключення аудіо-відеоапаратури застосовувалися спеціальні кабельні шнури, а передача інформації здійснювалася за принципом точка-точка в аналоговому вигляді. З переходом на цифрову передачу (наприклад, на формат SPDIF / AES для аудіо) практика застосування спеціальних кабелів і з'єднань точка-точка залишилася незмінною.
Великим кроком вперед в області аудіовізуальних технологій стала розробка універсального інтерфейсу High-Definition Multimedia Interface (HDMI), що забезпечує високоякісну передачу незжатої аудіо- та відеоінформації по єдиному кабелю. Типові кабелі HDMI складаються з екранованих кручених пар (з додатковим загальним екраном) і окремо йдуть провідників для харчування і керуючих сигналів, а терминируются спеціальними роз'ємами HDMI. Довжина таких кабелів зазвичай не перевищує 15 м.
Для збільшення дальності передачі потоків HDMI були розроблені спеціальні подовжувачі, які можуть працювати і за стандартними кабелям Категорії 5е або 6. Часто такі подовжувачі використовують відразу два вітопарних кабелю (див. Малюнок 1): один - для передачі відео, аудіо та сигналів синхронізації (потік Transition Minimized Differential Signaling, TMDS), інший - для службових сигналів і подачі електроживлення на ресивер HDMI. Деякі виробники, використовуючи різні фірмові алгоритми, змогли «упакувати» всі ці потоки в один кабель (див. Малюнок 2).
На ринку також представлені рішення, що дозволяють використовувати звичайні комутатори Ethernet для «розводки» потоків HDMI (див. малюнок 3 ). При цьому для підключення кінцевих пристроїв з інтерфейсами HDMI застосовуються перетворювачі HDMI-Ethernet.
Окремо слід згадати рішення DigitalMedia компанії Crestron, що включає спеціальні кабелі DM 8G з пропускною спроможністю 8 Гбіт / с. По одному такому кабелю, що складається з чотирьох кручених пар з подвійним екрануванням, можна здійснювати передачу нестислого цифрового відео (дозвіл до 1080p HD Deep Color), аудіо і потоку Ethernet на відстань до 100? М. Термінування такого кабелю здійснюється екранованим роз'ємом RJ45. На початку жовтня 2010 року компанія оголосила про випуск волоконно-оптичних кабелів для DigitalMedia, що забезпечують роботу на відстані 300 м.
HDMI «ВСЕРЕДИНІ» HDBASET
Незважаючи на використання в системах аудіовідеокомунікацій знайомих ІТ-фахівцям елементів, підключати за типовими СКС оконечную аудіо-відеоапаратуру, яка формує або відтворюючу мультімедіаінформацію з якістю HD, до недавнього часу було неможливо. Ситуація може змінитися завдяки специфікації HDBaseT, прийнятої в червні 2010 року однойменною альянсом (HDBaseT), куди входять компанії LG Electronics, Samsung Electronics, Sony Pictures Entertainment і Valens Semiconductor. За задумом розробників, з її допомогою по стандартному кабелю Категорії 5е / 6 вдасться передавати стиснені аудіо- і відеодані HD-якості (для цього передбачається пропускна здатність 10,2 Гбіт / с з можливим збільшенням до 20 Гбіт / с), потік Ethernet 100BaseT, різні сигнали управління, а також подавати електроживлення потужністю до 100 Вт.
В основу цієї специфікації покладена розроблена Valens Semiconductor технологія 5Play. Вона не конкурує з HDMI, навпаки, по максимуму використовує переваги відповідної елементної бази. У передавачах і приймачах HDBaseT застосовуються мікросхеми HDMI, тільки вони «сховані» всередині пристроїв, а назовні виходять стандартні інтерфейси RJ45 (див. малюнок 4 ). Фантастичні, на перший погляд, характеристики (у всякому разі, для Категорії 5е) розробники технології пояснюють застосуванням спеціальної схеми кодування сигналу, заснованої на добре знайомої всім імпульсно-амплітудної модуляції (Pulse Amplitude Modulation, PAM). Мережі Ethernet теж базуються на модуляції PAM, скажімо, в системах 1000BaseT застосовується її варіант з 5 рівнями амплітуди (PAM-5), а в 10GBaseT - c 16 рівнями (PAM-16).
Зовнішня схожість HDBaseT з Ethernet не повинна вводити в оману: на канальному рівні це різні технології. А ось фізичну інфраструктуру (кабелі і роз'єми) можна використовувати одну і ту ж. Розібратися в тому, що дійсно підключено до гнізда RJ45 - система HDBaseT або звичайний Ethernet, - допоможуть механізми автоматичного визначення, які будуть реалізовані в пристроях HDBaseT.
Одна з найбільш інтригуючих можливостей систем HDBaseT - дистанційна подача електроживлення потужністю до 100 Вт. Цього достатньо для більшості нових моделей телевізорів LED і OLED, що дозволить позбутися від «вічно заважає» силового проводу. Згідно з інформацією альянсу HDBaseT, планується задіяти стандартну технологію PoE + (IEEE 802.3at-2009), але збільшити потужність, що подається по одній парі, до 25 Вт - включення цього режиму на всіх чотирьох парах дозволить досягти заявлених 100 Вт. Однак до сих пір не ясно, наскільки будуть нагріватися кабелі і не погіршаться чи характеристики передачі.
Ще одна інтрига полягає в тому, чи будуть забезпечені заявлені швидкості при дальності 100 м? Ще раз підкреслимо, що мова йде про самому звичайному кабелі Категорії 5е. Будь-яких тестів, що підтверджують або спростовують заявлені характеристики, поки немає, що не дивно, адже перші мікросхеми (компанії Valens Semiconductor), які реалізують технологію HDBaseT, з'явилися зовсім недавно. Втім, вже в 2011 році альянс обіцяє налагодити масовий випуск устаткування, що підтримує HDBaseT. Присутність в альянсі відомих виробників побутової техніки LG Electronics і Samsung Electronics дозволяє сподіватися на те, що в кінцевому рахунку, при дійсно масовому виробництві, вартість таких продуктів виявиться невисокою.
ВСЮДИСУЩИЙ ETHERNET
Якщо альянс HDBaseT націлився на те, щоб для аудіовідеокоммунікацій використовувати звичайну СКС (тобто інфраструктуру першого, фізичного, рівня - L1), то робоча група IEEE 802.1 Audio Video Bridging (AVB) вирішила «піднятися вище» і зробити придатною для них стандартну для світу ІТ транспортну середу Ethernet, що функціонує на другому (L2) рівні моделі OSI. Основні необхідні для цього стандарти були прийняті в 2010 році (див. таблицю 1 ).
Для початку слід зрозуміти, чому звичайний Ethernet, який за швидкістю вже вийшов на рівень 100 Гбіт / с, не підходить для аудіовідеокоммунікацій, а потім розібратися, як технології AVB дозволять вирішити наявні проблеми.
1. Синхронізація. У аудіовідеосистема різні потоки інформації повинні бути синхронізовані, наприклад, щоб при відтворенні телевізійного сюжету звук збігався з рухом губ мовця. У професійних системах, коли на екранах відтворюється зображення відразу декількох учасників бесіди, тимчасові характеристики потоків інформації повинні бути узгоджені з точністю до декількох мікросекунд. У класичних же мережах Ethernet не передбачено спеціальних засобів по розподілу інформації про еталонної частоті і точний час за різними вузлів.
Для частотно-часового забезпечення мереж Ethernet група IEEE 802.1 AVB запропонувала механізм, який описаний в специфікації IEEE 802.1AS і базується на добре відомому протоколі Precision Time Protocol версії 2 (PTPv2, стандарт IEEE 1588-2008).
В домені синхронізації 802.1AS один з пристроїв призначається головним (Grand Master) і забезпечує опорний синхросигнал, що розподіляється по інших вузлів домену (див. малюнок 5 ). Вибір головного пристрою може здійснюватися автоматично або згідно із заданими налаштувань.
2. Затримка. У мережі, по якій передається аудіо / відеоінформація, затримка повинна бути невеликою і детермінованою. Це необхідно, скажімо, для того, щоб користувач отримував швидку «реакцію» системи на такі керуючі команди, як «відтворення», «постановка на паузу» або «перемотування». Якщо для побутової апаратури прийнятною вважається затримка не більше 50 мс, то для складних ігор або професійних додатків максимально допустимий рівень затримки може бути більш жорстким: в межах декількох мілісекунд.
У класичних обчислювальних мережах наріжним каменем ставилося забезпечення гарантованої доставки даних, а не часу цієї доставки. Відповідно механізми, що чітко регламентують певний рівень затримки, були відсутні. Для вирішення цього завдання група IEEE 802.1 AVB запропонувала кілька підходів - зокрема, профілювання трафіку (специфікація 802.1Qav), коли трафік «згладжується» і не допускається утворення «згустків» пакетів, здатних привести до перевантаження буферів нижчих мережевих пристроїв, а тому до неконтрольованої затримці. Суть цієї технології зводиться до добре відомим принципом «дірявого відра»: як швидко ні наливай в таке відро воду, витікати з нього (через фіксоване отвір) вона буде завжди з постійною швидкістю.
Але саме по собі профілювання трафіку виявиться марним, якщо не подбати про резервування мережевих ресурсів для потоків мультімедіаінформаціі.
3. Резервування. У разі перевантаження буферів або нестачі пропускної здатності каналів зв'язку класичні мережі TCP / IP просто відкидають частину пакетів, які потім джерело пересилає заново. Для аудіовідеокоммунікацій такий алгоритм не підходить через істотне збільшення затримки трафіку, тому необхідно зарезервувати зазначені ресурси, щоб гарантувати безперешкодне проходження згладжених потоків. Цій меті служить протокол IEEE 802.1Qat, який, як і 802.1Qav, вже ратифікований.
Згідно зі специфікацією IEEE 802.1Qat, джерело трафіку посилає в мережу повідомлення із запитом Stream Reservation Protocol (SRP), який сповіщає про потребу в передачі мультимедіапотоком. У ньому містяться ідентифікатори одержувача інформації і вимоги щодо якості обслуговування (QoS), включаючи необхідну пропускну здатність і найгіршу допустиму затримку. На шляху проходження запиту SRP кожен вузол (мережевий міст) перевіряє наявність необхідних ресурсів і, якщо їх достатньо, направляє запит далі. У разі відсутності необхідних ресурсів ініціатор сеансу зв'язку отримує повідомлення про те, що мережа не в змозі виконати його вимоги. Якщо запит SRP успішно доходить до одержувача трафіку, той у відповідь відправляє повідомлення про готовність, при проходженні якого вузли мережі резервують запитані ресурси.
Четвертим базовим стандартом для систем AVB повинен стати документ, що розробляється IEEE 802.1BA, в якому визначені механізми ідентифікації мережевих пристроїв, що функціонують з використанням технології AVB. Для успішної роботи описаних вище алгоритмів вони повинні підтримуватися всіма вузлами між джерелом і одержувачем. Якщо який-небудь вузол не відповідає цим вимогам, його необхідно виявити і відзначити, що і дозволяє зробити технологія IEEE 802.1BA.
Для того щоб програми могли повною мірою задіяти переваги технологій AVB, потрібна деяка «координація дій» з процедурами вищого рівня моделі OSI. Так, наприклад, якщо додатки використовують протокол RTP, слід задіяти новий формат навантаження RTCP (специфікація IEEE 1733), який дозволяє узгоджувати тимчасові мітки RTP з механізмом синхронізації 802.1AS.
Для просування ідей AVB і тестування відповідного обладнання на сумісність була створена організація AVnu Alliance, засновниками якої стали компанії Broadcom, Cisco Systems, Harman, Intel і Xilinx. Сьогодні в цей альянс входять понад 20 компаній, наприклад Analog Devices, Applied Micro, Marvell, Molex і Yamaha. Деякі (зокрема, Broadcom, Marvell і Xilinx) вже розробили мікросхеми комутаторів, що реалізують основні протоколи AVB, так що найближчим часом слід очікувати випуску комерційних продуктів, що підтримують цю технологію.
Отже, Ethernet, спочатку розроблений для створення локальних обчислювальних мереж, продовжує «захоплення територій». Ця технологія вже стала транспортної основою систем телефонії (VoIP) і відео-конференц-зв'язку, вона все ширше застосовується на «останньої милі» і в міських мережах операторів зв'язку. У 2010 році створена база стандартів для використання Ethernet в якості середовища для мереж зберігання даних (FCoE) і аудіовідеокоммунікацій. Воістину, технологія-універсал!
Олександр Барсков - провідний редактор «Журналу мережевих рішень / LAN». З ним можна зв'язатися за адресою: [email protected] .
Основні обіцянки HDBaseT
При використанні СКС Категорії 5е або 6 і протяжності тракту до 100 м (в мережі до 8 «прольотів» по 100 м) системи HDBaseT забезпечуватимуть передачу:
- незжатих аудіо- і відеоданих з якістю HD (для цього виділяється пропускна здатність 10,2 Гбіт / с з можливим збільшенням до 20 Гбіт / с),
- потоку Ethernet 100BaseT,
- різних сигналів управління,
а також подачу електроживлення потужністю до 100 Вт.
Ще одна інтрига полягає в тому, чи будуть забезпечені заявлені швидкості при дальності 100 м?