Как работает AVB

Процесс перехода на компьютерные технологии затронул практически весь медиарынок. За последние несколько десятилетий от традиционной телефонии почти ничего не осталось. Лишь в некоторых домах еще сохранилась проводка в виде «лапши», но на всех магистральных каналах провайдеры если не перешли, то активно осуществляют переход на VoIP. Аналогичный процесс наблюдается и в сфере телевидения — все чаще эта услуга предоставляется как IP-TV через Интернет, по сетям Ethernet и IP, что открывает доступ к более разнообразному контенту.

То же происходит и с видеонаблюдением. Прежде для этого строились отдельные сети и инфраструктура. Теперь повсеместно используются IP-видеокамеры, а сигнал от них передается по компьютерной сети на записывающее и воспроизводящее устройство. Почему же столь популярен переход с проприетарных, закрытых технологий на Ethеrnet? Причина в унификации. А что дает унификация? Ответ прост — экономию.

Одна перспективная область, где переход на использование компьютерной сети еще не состоялся, — это профессиональные аудиовидеосистемы. В них применяются достаточно закрытые технологии, собственные протоколы и, естественно, специализированная инфраструктура. Помимо студий звукозаписи, эти системы развертываются на больших объектах, где необходимо установить оборудование для звукового оповещения, доставки контента, показа видео. Речь идет о стадионах, концертных комплексах, конференц-залах, парках, отелях, аэропортах и студиях вещания.

Профессиональные аудиовидеосистемы — это совершенно особый мир. Мало кто из специалистов по ИТ разбирается в АВ настолько же хорошо, как, например, в сетях. У этих решений достаточно много нюансов. Первый и самый главный — качество доставки аудио- и видеоконтента. Технология Audio Video Bridging (AVB) позволяет устранить потенциальные проблемы, которые возникают при переводе профессионального АВ-контента в сеть Ethernet: обеспечить синхронизацию, резервирование полосы, равномерный поток данных и т. д. По оценкам аналитиков, у этого рынка большой потенциал — около 2 млрд долларов (при текущем объеме 100 млн долларов).

ОСОБЕННОСТИ АУДИО-ВИДЕО

Профессиональные аудиовидеосистемы (Audio Video System, AVS) должны обеспечивать студийное качество звука и видео, при этом они предъявляют высокие требования к уровню задержки, которая не должна превышать 2 мс. Чаще всего используется кодек без сжатия, для каждого канала выделяется отдельный кабель, соединение организуется по принципу «точка — точка», связь односторонняя, полудуплексная. При этом процесс коммутации подключений достаточно трудоемок, потому что каждый производитель реализует в выпускаемом им оборудовании свои разъемы и свои стандарты передачи (SDI для видео и S/PDIF для звука).

В результате при построении систем AVS на базе традиционных технологий приходится использовать большое количество устройств. Все они связаны между собой множеством кабелей, а для коммутации требуется весьма сложное и дорогостоящее оборудование. Причем это постоянная коммутация, то есть с одного и того же микрофона звук выводится на те же самые колонки — оборудование нельзя настраивать динамически.

Как изменится картина при использовании сети Ethernet? Количество необходимых кабелей и оборудования резко сократится. Так что же мешает перевести АВ-сигнал в сеть IP? Ведь давно уже существуют технологии передачи аудиовидеоконтента по сети: VoIP, IP-TV, различные методы кодирования, оцифровки и разбиения на кадры. Однако нельзя просто взять Ethernet-коммутаторы и поставить их в сеть АВ: стандартная технология Ethernet не позволяет обеспечить ни допустимую (не более 2 мс) задержку при прохождении сигнала через всю сеть, ни синхронизацию по времени и равномерный поток данных, ни гарантированную пропускную способность и автоматическое обнаружение устройств. Именно для решения этих проблем, без чего невозможно перевести весь АВ-трафик на Ethernet, и был разработан стандарт AVB.

ОСНОВНЫЕ СТАНДАРТЫ И ТЕРМИНЫ

На самом деле AVB — это целая группа стандартов IEEE:

• 802.1BA описывает общую архитектуру системы AVB, в том числе автоматическое обнаружение и задание параметров устройств;
• 802.1AS отвечает за синхронизацию;
• 801.Qav расширяет 802.1Q в части обслуживания чувствительных ко времени потоков;
• 801.Qat дополняет 802.1Q протоколом резервирования потоков.

Для начала познакомимся с используемыми терминами. Все конечные устройства подразделяются на Talker, Listener и Endpoint. Talker, или говорящее устройство, передает контент в сеть. Listener, или слушатель, этот контент получает, или слушает. Endpoint, или собственно конечная точка, представляет собой любое устройство, которое может принимать и/или передавать трафик AVB. Таким образом, конечная точка может быть как передатчиком, так и приемником или обоими одновременно. Помимо этого, вводится понятие потока, под которым подразумевается поток медиаданных от передатчика и к приемнику. Стандарт AVB предусматривает возможность вещания с одного микрофона на несколько воспроизводящих устройств.

В качестве примера рассмотрим простую сеть (см. Рисунок 1), к которой подключено два источника звука (гитара и барабаны) и два потребителя звука (2 колонки). Любые музыкальные устройства — и гитара, и барабаны — издают аналоговые сигналы. Чтобы аналоговый сигнал попал в сеть, его нужно перевести в цифровой вид. А для передачи оцифрованного сигнала по сети специальные устройства — экспандеры и конвертеры — должны инкапсулировать его в протокол AVB. Соответственно, каждое аналоговое устройство снабжено экспандером, который как раз и конвертирует звук в цифровой вид. На выходе установлены другие два экспандера, конвертирующие цифровой звук обратно в аналоговый формат.

Рисунок 1. Обнаружение и настройка AV-устройств.

Чтобы экспандеры «знали», на какое конечное устройство направлять сигнал, необходим сервер управления, в данном примере это BIAMP Tesira. С его помощью оператор системы АВ производит настройку подключенных к сети устройств. Кроме того, система управления отвечает за обнаружение в сети подключенных устройств.

СИНХРОНИЗАЦИЯ

В большом помещении, например в концертном зале, колонки, воспроизводящие звук, находятся в разных его частях, и поэтому возникает проблема синхронизации. Необходимо сделать так, чтобы звук в эти колонки поступал в одно и то же время, иначе та, что находится ближе к источнику, будет воспроизводить его раньше, чем расположенная, скажем, за тремя коммутаторами, каждый из которых вносит определенную задержку при прохождении сигнала. Одновременность воспроизведения обеспечивает протокол синхронизации.

Как он работает? Во-первых, все устройства обмениваются определенными пакетами, проверяя, что каждое из них поддерживает протокол 802.1AS (это касается всех устройств, сертифицированных по стандарту AVB). Дальше, автоматически или путем настройки вручную, в сети выбирается так называемый гранд-мастер, который становится единственным и самым главным эталоном времени в сети. Это может быть любое сетевое устройство, в данном случае мы выбрали Biamp Tesira. Оно может «брать» время как из сети (с любого сетевого устройства по протоколу NTP), так и от какого-то внешнего источника (например, от установленных рядом атомных часов).

Этот гранд-мастер сообщает всем остальным устройствам, сколько сейчас времени, при этом протокол учитывает, что пакеты, идущие до конкретного экспандера, передаются по конкретному пути. Каждое устройство AVB на пути прохождения пакета записывает в пакете 802.1AS вносимую им задержку: условно говоря, коммутатор указывает, что на входящем интерфейсе 100 Мбит/с такая-то задержка, при прохождении трафика между двумя его портами задержка такая-то, на исходящем гигабитном интерфейсе, соответственно, задержка такая-то. Все задержки суммируются и отражаются в пакете 802.1AS. Таким образом, в поступившем на конечное устройство пакете содержится фактическая задержка при передаче по сети.

Как видим, устройства не только синхронизируют часы и получают информацию о точном времени, но и определяют задержку, вносимую любыми сетевыми узлами. Зная точное время и величину задержки на каждом этапе, можно рассчитать так называемое презентационное время, когда должен быть воспроизведен сигнал на всех получателях. Оно определяется исходя из самого худшего варианта прохождения сигнала от источника к устройству воспроизведения. Соответственно, звук с гитары отправляется на дальнюю колонку раньше, чем на ближнюю, поэтому на обе колонки он приходит одновременно.

Это одно из самых главных достижений группы стандартов AVB: обеспечение синхронизации по времени в сети Ethernet при предсказуемых задержках, благодаря чему достигается синхронное воспроизведение звука и видео.

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ПОТОКОВ

Что происходит после определения задержек в сети? Когда оператор АВ-системы указывает, что звук от гитары и барабанов должен поступать на обе колонки, сервер управления информирует соответствующие экспандеры о том, что им нужно передавать звук такому-то и такому-то конечному оборудованию (его экспандерам). Затем в действие вступает протокол резервирования потоков (Stream Reservation Protoсol, SRP).

В соответствии с протоколом, каждый источник звука посылает запрос, который называется Talker Advertise — дословно «объявление говорящего». В ответ экспандеры, которым эти потоки предназначаются, отправляют сообщение о готовности Listener ready. Оно опять проходит весь путь по сети до первоначальных экспандеров, откуда берется звук. Сетевые коммутаторы отслеживают все совершаемые действия и при обратном прохождении пакетов с информацией о готовности слушателей каждый из них резервирует требуемую пропускную способность для данного конкретного потока.

Это одно из самых важных добавлений в стандарт, так как оно позволяет гарантировать полосу для трафика. Причем речь идет не о гарантии средствами QoS, а о жестком выделении требуемой пропускной способности. До 75% пропускной способности интерфейса может быть отдано под AVB, а 25% оставлено для другого трафика, чтобы AVB не занимал весь канал.

Если полосы не хватает, например, коммутатор уже и так обслуживает достаточно много потоков AVB на определенном интерфейсе, то этот коммутатор пошлет специальное сообщение в обе стороны о невозможности организовать поток.

В данном примере аудиопотоки идут напрямую от источников к устройствам воспроизведения, но на практике они, скорее всего, будут проходить через систему микширования.

СТОЛКНОВЕНИЕ ПРИОРИТЕТОВ

Если какой-нибудь пользователь начинает загружать из Интернета файл большого объема и скачивание занимает значительную пропускную способность какого-либо интерфейса, то полосу, выделенную для потоков AVB, этот трафик не сможет использовать. Однако при просмотре, например, потокового видео или в случае проведения ресурсоемкой телеконференции конкурирующий за полосу трафик тоже имеет высокий приоритет (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Стандарт FQTSS распределяет пакеты по времени, обеспечивая равномерный, плавный поток пакетов AVB.

Соответственно, коммутатор с поддержкой DiffServ будет пытаться отправить и поток AVB, и поток IP-TV как можно быстрее, с одним и тем же приоритетом. Отсутствие распределения отправки пакета во времени может привести к переполнению буферов. Чтобы этого не происходило, в рамках группы стандартов AVB принят еще один стандарт — FQTSS.

Он обеспечивает своего рода формирование трафика (shaping), но не совсем обычное — на основе кредитных буферов. FQTSS распределяет пакеты по времени, то есть обеспечивает равномерный, плавный поток пакетов AVB, что исключает возникновение разницы в задержке, позволяя избежать джиттера.

НАСТРОЙКА AVB НА КОММУТАТОРАХ

AVB изначально создавался таким образом, чтобы для его поддержки требовалось внести лишь минимальные изменения в стандарт Ethernet, в устройства, участвующие в организации сети Ethernet, и в настройки оборудования.

Формально, для того чтобы настроить AVB на коммутаторах, необходимо выполнить настройки следующих компонентов:

• VLAN;
• протокола резервирования полосы;
• шейпинга;
• синхронизации и т. д.

На первый взгляд, это сложно, но на коммутаторах Extreme Networks протокол AVB настраивается одной командой enable AVB ports all, за которой скрывается много внутренних команд, то есть это некая автонастройка, позволяющая коммутатору самостоятельно осуществлять синхронизацию, резервирование пропускной способности и другие действия.

Чтобы коммутатор Ethernet мог поддерживать AVB, в нем должна быть реализована аппаратная и программная поддержка. В коммутаторах Extreme аппаратная поддержка обеспечивается установленными в них чип-сетами, а программная — операционной системой. В настоящее время Extreme Networks — единственная компания, выпускающая коммутаторы корпоративного уровня с поддержкой AVB и одновременно POE и POE+. Для использования AVB никаких дополнительных лицензий приобретать не нужно.

РОЕ и РОЕ+ нужны для питания экспандеров, потому что колонки, микрофоны и другие системы могут располагаться где угодно. В огромном концертном зале колонка может находиться достаточно далеко от розетки, и ее подключение к сети Ethernet через экспандер требует подведения к нему электричества. Чтобы упростить инфраструктуру, в том числе электрическую, для питания таких устройств лучше задействовать РОЕ.

В настоящее время AVB поддерживается фиксированными коммутаторами серий 440 (коммутаторы начального уровня для доступа), 460 (коммутатор уровня агрегации) и X-670 (48-портовый коммутатор с возможностью установки портов 40 Gigabit Ethernet). В ближайшее время будет реализована поддержка AVB в коммутаторах Black Diamond X-8.

ПЛАНИРОВАНИЕ СЕТИ

Что входит в состав готового решения? Прежде всего нужны коммутаторы с поддержкой AVB и устройства для конвертации звука (для цифрового или аналогового форматов) в Ethernet с поддержкой AVB. При этом протоколы AVB должны поддерживаться каждым задействованным устройством, то есть нужна сквозная поддержка AVB. В любом случае требуется грамотное планирование всей сети.

В зависимости от решаемых задач необходимо рассчитать количество потоков и необходимую пропускную способность. Так, на один звуковой канал (моно) требуется около 6 Мбит/с, если это несжатый звук. Зная количество потоков, можно определить, какие соединения потребуются (100 Мбит/с, 1, 10, 40 Гбит/с).

Если, например, в сети имеется 100 устройств, на которых необходимо воспроизводить один и тот же контент, и на каждое устройство направлять отдельный поток, то эти потоки займут всю доступную емкость. Однако, задействовав многоадресную рассылку, можно на один поток подключить даже 500 устройств.

Кроме того, сеть Ethernet налагает ограничение на дальность передачи. В случае медной проводки она составляет 100 м, а чтобы задержка не превышала 2 мс, в сети не должно быть более 7 транзитных узлов (для каналов 100 Мбит/с). Когда в сети используются гигабитные соединения, при тех же 7 транзитных узлах задержка будет составлять менее 1 мс.

Кирилл Жуков — системный инженер Extreme Networks.