БОБ РАНК

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ВИДЕО ПО СЕТИ

До недавнего времени сети передачи данных играли только ограниченную роль в передаче изобразительной информации, оставаясь в основном в рамках переноса неподвижных изображений. Однако с развитием технологий становится возможным работать на скоростях реального времени, и даже быстрее. В информационном производстве сети передачи данных могут улучшить существующую инфраструктуру - впрочем, для успешного внедрения этих технологий, многое еще предстоит понять.

Обратившись к сетям передачи данных, специалисты в области видео исследовали ATM и Fiber Channel. Обе сети обеспечивают большие скорости передачи данных около 1 Гбит в секунду и обе поддерживают "качество услуг" (QoS - Quality of Service). QoS означает передачу в гарантированной полосе; влияние QoS заключается в том, что сеть передачи данных начинает вести себя скорее как обычная система распространения видеосигналов. Технология ATM предлагает единое решение как для локальных (LAN - Local Area Networks), так и глобальных (WAN - Wide Area Network), сетей. Обе сети, ATM и Fibre Channel, обладают преимуществами в определенных приложениях, хотя и не представляют ведущего направления в LAN-технологиях.

Межоперативность, межстыкуемость и соотношение цена/характеристики - ключевые требования, которые во многих приложениях информационного производства могут быть обеспечены недорогими системами с гигабитными скоростями передачи данных. 85% мирового рынка передачи информации - это доминирование Ethernet. Гигабитный Ethernet, доступный на базе оптических и медных кабелей, дополняет существующее семейство 10- и 100- Мегабитного Ethernet вариантом на скорость в 1 Гбит/c, с сохранением стандарта кадра Ethernet (см. Таблицу 1 с некоторыми основными характеристиками Ethernet для кадров с минимальным объемом байтов данных на кадр - 46 и максимальным - 1500).

Таблица 1 Характеристики сети Ethernet

Скорость	10 Мбит/с		100 Мбит/с		1000 Мбит/с
Размер кадра	мин.	макс.	мин.	макс.	мин.	макс.
Кадры/сек	14.8к	812	148к	8.1к	1.48М	81к
Скорость передачи данных (Мбит/с)	5.5	9.8	55	98	550	980
Интервал между кадрами	67 мкс	1.2 мс	6.7 мкс	120 мкс	0.7 мкс	12 мкс

Хотя сети Gigabit Ethernet могут быть построены с использованием распределенных информационных ресурсов (вещательная архитектура), первые реализации представляют собой полностью дуплексные коммутируемые схемы (архитектура "точка к точке"). В коммутируемой сети на каждом устройстве реализуется полная производительность.

Коммутаторы Gigabit Ethernet характеризуются двумя показателями: "агрегатной" производительностью (полной пропускной способностью) и производительностью по числу кадров в секунду. В наилучших условиях с большими кадрами показатели в целом определяются "агрегатной" производительностью. При наихудших условиях с малыми кадрами ограничивающим фактором является кадровая пропускная способность. Коммутаторы рассчитаны на достижение "проводной скорости" одновременно на всех портах. Например, 8-портовый коммутатор будет иметь агрегатную мощность 8 Гбит/c. Многие коммутаторы обеспечивают обратную совместимость с соединениями 100 Мбит/с и 10 Мбит/с.

Таблица 1 показывает, что даже при наихудших условиях, кадры в коммутируемой Gigabit-сети отстоят друг от друга только на 12 микросекунд. В этом интервале устройство должно определить, адресуется ли ему пакет, проверить контрольную сумму и передать содержание кадра в память - необходимость выполнения всех этих операций может стать узким местом.

Современные сетевые интерфейсы используют специализированные аппаратные средства, которые принимают на себя эту достаточно существенную нагрузку, снимая тем самым ее с процессора, и прерывая его только на обработку значимых кадров. Кроме того, само управление прерываниями осуществляется в динамическом режиме, так что при интенсивном траффике на несколько кадров будет приходиться только одно прерывание, а при низком траффике процессор будет прерываться на каждом кадре с целью уменьшения скрытого периода.

Такие меры действительно позволяют обеспечить высокие скорости - так, сообщалось о передаче по Gigabit Ethernet 960 Мбит/c. Для систем, связанных с центральным процессором, увеличение размера Ethernet-кадра может повысить пропускную способность за счет уменьшения дополнительной нагрузки на процессор. Рассматривается предложение увеличить максимальный размер кадра с 1500 до 9000 Байт. В настоящее время уже имеется оборудование, поддерживающее такие "джамбо-кадры" (jumbo frames) с сохранением совместимости с существующим оборудованием.

Сам по себе Ethernet не является полным сетевым решением, а представляет собой два нижних уровня модели "Взаимосоединений открытых систем" (OSI - Open Systems Interconnect) (см. Рис. 1).

Наиболее часто используемые протоколы для Сетевого (Network) и Транспортного (Transport) уровня - это протокол Интернет (IP - Internet Protocol) и протокол управления передачей (TCP - Transmission Control Protocol). Протоколы TCP/IP обеспечивают надежную передачу сообщений и настолько популярны в среде Ethernet, что аппаратные сетевые средства часто имеют встроенную поддержку проверки контрольных сумм IP.

Более высокие уровни OSI обеспечивают интерфейс к пользовательским приложениям. Среди различных вариантов на выбор - сетевая файловая система (NFS - Network File System), обеспечивающая мультиплатформенную поддержку. В этой системе сетевые устройства трактуются как локальные дисководы с возможностью работы в знакомом стиле "drag and drop".

Система Clipnet от Quantel использует Gigabit Ethernet, TCP/IP и NFS, обеспечивая характеристики, отвечающие целям медийного производства. Система реализует все преимущества, достигнутые в разработках для сетей общего назначения, позволяя строить экономически эффективные высокопроизводительные сети.

Для взаимодействия в рамках сети устройства должны "понимать" данные друг друга. Структура данных рассматривается на демонстрационном уровне (presentation layer) OSI в случае необходимости какого-либо шифрования и простых преобразований данных, связанных, например, для видео с вопросом цветового пространства - RGB для компьютера или YCrCb для видеомагнитофонов. Необходимые преобразования могут выполняться прикладной программой, но требуют при этом участия пользователя и занимают мощность процессора. Перекладывание выполнения этой задачи на сеть означает, что прикладная программа просто запрашивает данные в нужном формате.

Для ускорения преобразований в Clipnet используются аппаратные средства. Необходимость преобразования может быть связана и с разницей в относительной ширине пикселов, (квадратных на компьютерных мониторах, но вытянутых в видеосистемах 601-ой рекомендации), что ведет к небольшим геометрическим изменениям при переходе от работы в одной среде к другой. И снова эта проблема может быть решена на уровне сети. Сжатие - вопрос более сложный, здесь уже имеется целая смесь всевозможных типов сжатия и нескомпрессированного видео. При включении кодеков в сетевые аппаратные средства демонстрационный уровень снова сможет обеспечить доступность медиаданных в необходимой форме. К счастью, достаточно практичными для некоторых схем сжатия оказываются и чисто программные кодеки.

В Clipnet это осуществляется обеспечением доступности данных в нескольких форматах, после чего программное приложение может выбрать наиболее подходящий. Преобразование относительной ширины и цветового пространства осуществляется аппаратно.

Ключевой вопрос - характеристики сетевых устройств. Многие из них имеют как интерфейсы видео, так и сетевые интерфейсы QoS; выделение полосы устройства под эти интерфейсы требует тщательного продумывания.

Рассмотрим, например, передающий сервер, получающий материал из сети (см. Рис. 2). Представьте, что каждый поток видео требует 4-х единиц ширины полосы сервера, рассчитанного на воспроизведение трех каналов одновременно. Ясно, что имеется полоса для воспроизведения двух видеопотоков и поддержки сетевой передачи QoS в реальном времени. Однако для второй передачи QoS полосы уже не хватит. При введении в систему установок на гарантированную передачу в силу того, что сеть поддерживает QoS, контроллер перехода (transition controller) будет "разочарован" - окажется, что QoS не будет иметь гарантированной передачи. Разрешение таких конфликтов является трудной задачей.

Традиционные сети без QoS имеют преимущество тогда, когда видеопортам всегда предоставляется приоритет в отношении полосы устройства, и когда сетевые передачи используют любую остающуюся полосу для более медленных передач. Если поток видео останавливается, то сетевая передача идет быстрее. Если видеопоток возобновляется, то сетевая передача замедляется. Никакого другого управления шириной полосы не требуется, однако при этом становится возможным гарантировать время сетевой передачи. На практике, для 50 Мбит/с видео и гигабитной сети "точка к точке" узкое место находится не в сети, а в устройствах, подключенных к ней.

Современная среда медийного производства нуждается в сетях передачи данных, которые бы придали ей гибкость и эффективность в удовлетворении требований относительно новых форматов изображения, метаданных и еще более стимулировали бы ее дальнейшее совершенствование. В настоящее время имеются высококачественные сети общего назначения, обеспечивающие экономическую выгоду за счет масштабности использования компьютерных технологий.

Итак, сетевое решение для производства должно быть видеоориентированным - адресованным специфическим вопросам поддержки видео с целью упрощения взаимодействия программных и аппаратных изделий разных производителей.

Перевел с английского из журнала TV Technology&Production Сергей Парышев