Передача AV по IP
|
Введение
Ведущая тенденция последних лет на профессиональном AV рынке – практическое сближение AV и IT сфер. Многие AV-специалисты уже имеют опыт реализации проектов, где звук и/или видео передаются по IP-сетям с помощью оборудования Adderlink, Gefen, SpinetiX, Matrox, Extron, Polycom, Tandberg, Epiphan, AverCaster. Уже разработаны и используются технологии передачи как звука (Dante, AVB, CobraNet), так и видео (H264, H265) по IP-сетям. Многие производители активно работают в этом направлении – уже сейчас представлены решения передачи видеосигналов в разрешении 4K по гигабитной сети в реальном времени. В последние годы появилось большое количество нового оборудования в сфере AV, поддерживающего IP, и эта тенденция будет только нарастать, поскольку этот способ передачи информации оказался очень удобным и практичным для заказчиков. Поскольку данная тема все еще относительно нова как для интеграторов AV, так и для IT-специалистов, надеемся, данный материал будет полезен и тем, и другим. 
Передача AV по сети: история вопроса
Почему передача по IP пока мало используется в сфере proAV? Тому есть несколько причин:
Помимо вышеперечисленных факторов, свое влияние оказывает большое количество технологий передачи сигнала, использующих как носитель кабель витой пары. Давайте разберемся, какие технологии есть, и как они работают. Технологии KVM Последние поколения KVM-оборудования могут передавать видеосигнал по IP, но технология изначально разрабатывалась для других целей и не заточена для полноценной работы с AV. KVM-оборудование в большей степени предназначено для работы со статичными изображениями, а не с потоковым видео в работающей сети. Для передачи одного канала потокового видео KVM использует всю ширину полосы Ethernet. В пределах одного сетевого коммутатора это не доставляет неудобств, но в случае, если необходимо передавать сигнал на другой коммутатор, это оказывает влияние на весь сегмент сети. Сжимание полосы передачи приводит к снижению кадровой частоты до 5-10 кадров в секунду или к с существенному снижению качества изображения. Таким образом, существующие на сегодняшний день предложения либо не подходят для передачи видео, либо необоснованно дороги из-за необходимости перестраивать ЛВС.
Витая пара – не всегда IP!
Невысокая стоимость и хорошая помехоустойчивость привели к тому, что витая пара стала использоваться не только для построения IP-сетей, но и как среда для передачи других сигналов. 
Широкое распространение витая пара получила и для передачи аудио/видео сигналов высокого разрешения на большие расстояния. Для передачи сигнала используется пара приборов – передатчик и приемник – и витая пара 5 или 6 категории как носитель сигнала. Сама технология передачи основана на понижении частоты передаваемого сигнала и на использовании преимуществ витой пары в качестве проводника с высокой устойчивостью к внешним помехам.
Данная технология имеет свои ограничения – прежде всего, это физическая длина.
Второе не менее важное ограничение – работа по принципу “точка-точка”. Часто подобные приборы так и называют – удлинители сигнала. Технология HDBaseT Технология HDBaseT появилась в 2010 году. Этот метод передачи данных использует для своей работы кабель витой пары категории 5e. HDBaseT разработан с целью создать универсальное решение для передачи аудио- и видеосигналов, информационных сигналов и электропитания, используя всего 1 кабель витой пары. На практике это означает, что в идеальном случае для соединения двух устройств понадобится только 1 витая пара со стандартными RJ-45 разъемами. 
При этом важно помнить, что HDBaseT стандарт не является передачей AV-сигналов по LAN. Витая пара используется как медный проводник.
Сигналы, передающиеся с помощью HDBaseT:
Дальность передачи сигнала: до 100 метров.
В настоящее время приемники HDBaseT встраивают в оборудование производители систем отображения (проекторов, дисплеев). За счет этого появляется возможность подключать источник к устройству отображения одной унифицированной витой парой с передачей всех данных по HDBaseT на большом расстоянии. Streaming (потоковое вещание) Потоковое вещание – мощная технология для применения в профессиональных AV системах, реализующая передачу медиаданных через сеть на неограниченное расстояние. Потоковое вещание делает возможным использование новых приложений, а в некоторых случаях предлагает альтернативный метод для управления аудио- и видеосигналами. Использование стриминга расширяет спектр устройств, применяемых в ProAV решениях, включая мобильные устройства – телефоны, планшеты – как в качестве источников сигнала, так и в качестве средств отображения. 
Стриминг имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами передачи сигнала:
В настоящее время продукты для стриминга производят все основные производители систем коммутации: Extron Electronics, Kramer Electronics, Black Box и многие другие. Решение TNTv Решение TNTv относится к классу стримингового. Помимо обычной передачи аудио- и видеоданных предоставляется возможность контроля и управления передаваемыми потоками данных. В основе решения – фирменная технология HD over IP и нестандартные решения, позволяющие сэкономить до 50% средств относительно традиционных решений. Особенности:
Работа с локальной сетью
Приступая к проектированию объекта с использованием потоковой передачи, интегратор озабочен качеством звука, изображения, а также чтобы данные были доступны во всех запланированных точках.
Для того, чтобы оценить, подходит ли уже существующая на объекте локальная сеть для стриминга, AV-специалисту необходима помощь эксперта в области IT. Мы обратились за помощью к Сергею Вадову, IT-специалисту с более чем 30-тилетним стажем, что необходимо знать про сеть, чтобы гарантированно работала сеть видеотрансляции, базирующаяся на технологии HD Over IP (AV по IP). Что AV-интегратору необходимо узнать у местного IT-специалиста, чтобы оценить существующую локальную сеть и понять, подходит она или нет для планируемого решения? Необходимо запросить топологию сети, то есть взаимосвязанность коммутаторов, типы каналов между ними и их пропускную способность. Также необходимо знать наличие гигабитных портов у коммутаторов для подключения AV-оборудования, поддержку ими протокола IGMP, возможности настройки приоритезации.
Как измерить загрузку сети, чтобы понять, что она не перегружена? Очень часто заказчики говорят «у нас все нормально», а на самом деле…
Любой управляемый коммутатор может дать статистику по загруженности. С ее помощью можно произвести первичную оценку. Кроме того, нужно попросить у администратора статистику по интересующим участкам сети.
Не будет ли проблем в сети?
Для передачи одного видео с разрешением FullHD системе TNTv требуется 240 Мбит. Например, если загрузка сети больше 50%, то пропускной способности для трансляции AV остается немного, по сути – всего один канал передачи. Если сеть гигабитная, то создать существенную загрузку не real-time приложениями практически нельзя. Все остальные создают эпизодические нагрузки, и такие проблемы решает приоритезация.
Какие есть требования к сети с точки зрения AV?
Наличие протокола IGMP в коммутаторах, то есть мультикаста в сети, чтобы не перегрузить ее, если есть много приемников, подключенных к одному передатчику. Наличие возможности приоритизации при большой загрузке сети. Некоторые сети не очень хорошо реагируют на большое количество мультикаст-трафика, в таких случаях желательно выделение сети видеотрансляции в отдельный VLAN с поддержкой IGMP.
Создание VLAN – это базовая рекомендация?
Это рекомендация по желательному сценарию внутри рабочей сети. Можно написать в документации, что выделение в отдельный VLAN не обязательно, но желательно для минимизации различных проблем и коллизий в работе сторонних приложений.
Есть ли рекомендации по настройке больших MTU, IGMP Fastleave и прочее?
Нет, это простейшая схема, и никаких дополнительных настроек не нужно. Здесь важно понять, что передатчики и приемники работают только в пределах ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ, в глобальных сетях, то есть через роутер (в сетях Layer3), это решение неприменимо. Это жесткое ограничение является одним из основных отличий от обычного стриминга, который подразумевает вещание «где хотим, там и принимаем поток». Здесь же оно ограничено пределами локальной сети.
Как оценить максимальное количество AV каналов, которые можно транслировать одновременно в действующей сети?
Исходя из общей нагрузки сети. Для этого, исходя из топологии сети, определяем ее узкие места, затем определяем поток данных, проходящий через них. Далее для каждого узкого места определяем доступную ширину канала для AV-потоков = 1 Гб - поток данных. Далее делим получившееся значение на 240 Мб, т.е. на ширину, необходимую для передачи одного AV-канала. На практике по одному гигабитному каналу вместе с данными можно «безболезненно» для всех передать максимум два AV-канала. Но количество AV-каналов также сильно зависит от передаваемого разрешения и качества трансляции. 240 Мб – это поток, необходимый для передачи сигнала с разрешением 1920х1080 и максимальным качеством.
Как обезопасить передачу аудио/видео в рабочей сети и, наоборот, как обезопасить рабочую сеть, чтобы трансляция AV не мешала работе?
В первом случае – приоритизация трафика, VLAN – во втором.
Что получится на выходе, когда полоса будет уменьшаться, то есть что будет на экране при увеличении нагрузки в сети?
Если в рабочей сети нет приоритезации, то в изображении возможны «лаги». Для минимизации этого дефекта у устройств есть буфер. И если длина его недостаточна, чтобы сгладить эти «лаги», то на экране будут просто рывки и дерганье изображения. В худшем случае, если очень большой перерыв, картинка просто «замирает».
Как организовать настройку сети? Есть ли чек-лист, с которым надо выходить на заказчика, чтобы понять готовность сетей?
На сайте www.tntvsys.ru есть подробные методические рекомендации для интеграторов, в том числе для конкретных объектов: ритейла, диспетчерских/ситуационных центров и презентационных залов. Это опросники и базовые шаблоны по управлению проектами. В них даны достаточно подробные рекомендации. Как это работает: смотрим, собираем, проверяем. Элементы для построения IP-трансляции в рамках решения TNTv. В минимальной конфигурации система состоит из следующих элементов: Сетевое программно-аппаратное устройство, предназначенное для трансляции видеосигнала (включая звук, управление) в локальную сеть.  
Есть варианты с различным набором интерфейсных входов. Например, HDMI или VGA+audio. Управляющий интерфейс RS-232 и/или USB.
В каждом MMS передатчике имеется гнездо для подключения внешнего ИК передатчика, посредством которого передаются управляющие сигналы на внешние устройства, например, DVD-плеер, медиаплеер, TV-ресивер и т.д.. # 2. MMS приемник Сетевое программно-аппаратное устройство, предназначенное для трансляции видеосигнала (включая звук) из локальной сети на устройство отображения (монитор, телевизор, проектор и т.п.). 
Есть варианты с различным набором интерфейсных выходов. Например, HDMI или VGA + audio. Управляющий интерфейс RS-232 и/или USB.
В каждом MMS приемнике имеется ИК порт для приема сигналов от пультов ДУ внешними устройствами (DVD-плеер, медиаплеер, TV-ресивер и т.д). Далее эти сигналы передаются на соответствующий MMS передатчик, который уже передает ИК сигналы непосредственно к управляемому устройству. Все устройства совместимы между собой в рамках интерфейсных сигналов. Масштабирование видеосигналов не производится, но преобразование их интерфейсов поддерживается. То есть можно подключить к передатчику, имеющему интерфейс VGA, приемники, имеющие на выходе интерфейсы как VGA, так и HDMI. Так же все работает и в обратную сторону, передатчик может быть HDMI, приемники – как VGA, так и HDMI. #3. Сетевой коммутатор или SMMC коммутатор Для простых решений можно использовать любой Gigabit Ethernet коммутатор с поддержкой протокола IGMP.  
Для специализированных инсталляций желательно использовать SMMC коммутатор. Это сетевое программно-аппаратное устройство, предназначенное для коммутации видеосигналов (включая звук) с устройствами отображения. Имеет разнообразные функции для работы с устройствами отображения, включая формирование видеостен, кадрирование и масштабирование изображений и т.д.
Суммарное количество передатчиков и приемников, доступное для управления одному SMM коммутатору, не ограничено. Передача сигналов осуществляется в пределах локальной сети (LAN, без маршрутизации пакетов), используя Gigabit Ethernet (1000Base-T) и протокол TCP/IP. Схема «Точка-Точка» Простейшая схема, в которой передатчик подключается напрямую без сетевого коммутатора к приемнику. 
Первое звено в данной схеме – источник аудио/видео. Это может быть любое устройство – от компьютера (самый простой вариант) до самого сложного, например, Bluray с его богатыми возможностями: максимальный поток данных, качество, HDCP шифрование.
В последнем случае поддержка HDCP организована следующим образом:
Так организуется так называемая HDCP-развязка. Поэтому количество устройств в сети неограничено, в отличие от стандартной схемы распределения HDCP ключей, где существуют ограничения в 127 ключей. Можно чуть-чуть усложнить эту конфигурацию и поставить посередине коммутатор, например, простейший Netgear, который стоит в районе 100$. Тип кабеля для соединений: минимум CAT- 5e и выше (CAT-6), что соответствует требованиям Gigabit Ethernet. Данную схему можно подключить в рабочую офисную сеть, и она будет работать без каких-либо дополнительных настроек оборудования. На случай обесточивания система всегда помнит свое последнее состояние, и после восстановления питания трансляция идет дальше. В схеме «Точка-точка» с коммутатором между приемником и передатчиком HDCP-развязка работает на два отдельных шифрованных отрезка. Правомерен вопрос: а легально ли это? Да, с точки зрения правообладателей в этой схеме все законно. Дело в том, что любой производитель, подписывающий соглашение об использовании HDCP шифрования, гарантирует сохранность контента при передаче от источника к приемнику. Внутри самой системы тоже установлена защита, нельзя врезаться и украсть информацию, не подключившись к ее приемникам, которые дальше поддерживают HDCP шифрование. Если же использовать стороннее устройство, например, монитор, не поддерживающий HDCP, то система выдаст на экран сообщение об ошибке HDCP шифрования и прекратит трансляцию. Схема «Точка-Многоточка» К одному передатчику можно подключить несколько приемников. Для этого необходимо, чтобы в реальной сети был сетевой коммутатор, поддерживающий IGMP. Таким образом, на базе обычного сетевого коммутатора с поддержкой IGMP можно сделать бесконечный сплиттер, более того, сплиттер с разным набором интерфейсов – VGA и/или HDMI, то есть он позволяет на одном приемнике транслировать HDMI, а на другом – VGA.  Схема «Точка-Многоточка» – одно из самых популярных решений для разного рода предприятий, поскольку в этом случае передатчики можно установить по всему объекту без прокладки проводов и организовать систему распределения из одного источника. Если на предприятии есть собственные сети, и необходимо создать корпоративное телевидение, то данная схема наиболее оптимальна. Важно отметить, что масштабирования изображения не происходит. Поэтому желательно транслировать контент унифицированного формата, который поддерживают все устройства отображения, на которых планируется его отображать. Например, если есть TV-панели с разрешением как 720p, так и 1080p, то контент нужно транслировать с разрешением 720p. Схема «Многоточка- Многоточка» При необходимости в предложенную схему можно добавлять не только дополнительные приемники, но и передатчики. 
Переключать источники AV-сигналов на приемниках можно следующим образом:
Чаще всего такая система трансляции используется в корпоративном телевидении. Пример: в фитнес-центре практически всегда демонстрируется собственный видеоролик для посетителей, а на время проведения крупных спортивных мероприятий (олимпиада, чемпионаты мира по футболу, хоккею и т.д.) трансляцию переключают на второй передатчик, к которому подключают спутниковую антенну. Фактически при использовании такого решения реализуется «бесконечный» матричный коммутатор, количество «входов» и «выходов» которого ограничено лишь правильным построением локальной сети предприятия. Проблемы Многие AV-интеграторы не используют передачу по IP просто потому, что боятся возможных проблем при трансляции. Некоторые опасения специалистов основаны на недостаточном знании нюансов передачи AV по локальным сетям, другие же настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Потенциальная проблема: «Плавающая» задержка, которую непонятно, как убирать. Многие люди не хотят связываться с IP потому, что столкнулись с задержкой до 15 с при работе со стандартным VLC или Windows видеоплеером. В реальности: на самом деле задержка, действительно, есть. Любая цифровая передача данных на большие расстояния даже по витой паре подразумевает задержку. В решении TNTv максимальная задержка может достигать всего одной секунды! Ее величина обусловлена тем, что внутри оборудования есть буфер, рассчитанный именно на одну секунду, предусмотренный для того, чтобы нивелировать возможные коллизии в сети. Да, естественно, сетевая технология может быть нестабильна с точки зрения передачи данных, но у правильно настроенной сети больших задержек практически не бывает. Для этого важно настроить приоритизацию и выделить AV-оборудование в отдельный VLAN. В идеале, если это возможно, нужно выделить сеть видеотрансляции вообще в отдельный физический сегмент. Тогда все описанные выше проблемы, связанные с параллельной передачей данных и AV-потоков, исчезнут. Потенциальная проблема: Возможные обрывы и искажения изображения. В среде AV-специалистов распространено мнение, что передача TCP/IP всегда сопровождается коллизиями, а значит обрывом и искажением изображения. В реальности: Если в сети и бывают какие-то коллизии, то в любом сетевом оборудовании обязательно есть буфер, который и призван нивелировать эти неровности. Потенциальная проблема: «Торренты» всё испортят. Есть опасение, что не хватит ширины канала, поскольку нет никаких гарантий, что сотрудники больших организаций не будут качать трафик в личных целях из рабочей сети. В реальности: На самом деле при правильно построенной сети торренты не портят ничего. Это вопрос загрузки сети, а для торрентов важно выставить самый низкий приоритет. Даже у самых простых коммутаторов есть эта возможность. Потенциальная проблема: Требуется высокий уровень IT-специалистов для настройки. Поскольку интеграция AV и IP пока находится на начальной стадии, специалисты AV, не обладающие необходимыми навыками работы в сети, опасаются, что сложно найти опытных IT-специалистов. В реальности: уже сейчас на рынке есть решения, не требующие от пользователя специальных знаний, кроме минимальных навыков работы на компьютере, но позволяющих получить вполне профессиональные результаты. Так, система TNTv разрабатывалась изначально для людей, практически ничего не понимающих ни в видео, ни в сетях. Это, по сути, «коробочное» решение. Централизованное управление Если сеть действительно большая, и её требуется часто коммутировать, следить за ее состоянием, применять заранее подготовленные пресеты, формировать видеостены, работать с группами устройств, то требуется специализированный коммутатор. Smart Matrix Multimedia Commutator — сетевое программно-аппаратное устройство, которое имеет разнообразные функции для работы с устройствами отображения, включая формирование видеостен, кадрирование и масштабирование изображений и т.д. SMMC коммутатор позволяет получить полноценное управление над системой целиком. Для того, чтобы иметь централизованную систему управления на объекте, достаточно одного такого коммутатора. Вовсе не нужно менять все сетевое оборудование на SMMC. SMMC коммутатор просто подключается к сети в любом ее месте, а дальше администратор заходит на него через веб-интерфейс.
Настройка параметров MMS-Передатчиков/Приемниковв WEB-интерфейсе SMM-коммутатора
Настройки коммутации AV-сигналовв WEB-интерфейсе SMM-коммутатора
 
Для построения видеостен (там, где нужна синхронизация изображений) лучше использовать именно SMMC коммутаторы, поскольку они гарантированно хорошо работают вместе с MMS приемниками и передатчиками и не вносят никаких сторонних задержек, которые возможны на других, «очень умных» коммутаторах. Для всех остальных проектов достаточно иметь один SMMC коммутатор для управления всей системой.
Несколько SMM коммутаторов также целесообразно использовать, когда с системой работают одновременно несколько администраторов, отвечающие каждый за свой сегмент. В этом случае для каждого сегмента сети видеотрансляции желательно использовать свой SMMC коммутатор. Работа с группами и матрица коммутаций В самом коммутаторе есть несколько режимов работы, один из которых – классическая матрица коммутации, позволяющая коммутировать конкретный сигнал – передатчик с приемником. Там же есть возможность выключить видеовыход на приемнике – функция «MUTE» – приемник полностью отключает видеовыход. Если монитор, подключенный к MMS приемнику, поддерживает функцию автовыключения, то он перейдет в режим «SLEEP», что очень удобно для управления включением и выключением оборудования на ночь. Особенно удобна функция «MUTE» для объектов, где нет круглосуточной трансляции. Вопросы и ответы Есть ли ограничение на количество передатчиков внутри локальной сети? По количеству нет, но есть ограничение по пропускной способности сети. Суть его заключается в том, что каждый передатчик генерирует поток, имеющий свой объем. Максимальный трафик составляет в пике 240 Мбит/с. Поэтому по одной гигабитной линии можно передать неблокируемо, без коллизий, не более 3-х потоков. Если одновременно требуется передавать больше 3-х потоков, то на коммутаторах необходимо настроить транковое соединение из нескольких линий (trunk). Например, если между двумя коммутаторами проходит 10 AV-потоков, нужно сделать транк минимум из 3 линий. Если сеть правильно спроектирована, и достаточно пропускной способности между разными сегментами этой сети, то можно реализовать «бесконечный» матричный коммутатор? Да, совершенно верно, получается «бесконечный» коммутатор. Но далеко не всегда нужно, чтобы все источники можно было коммутировать со всеми приемниками. Очень часто есть определенная логика их коммутации, связанная с зональностью их расположения, транслируемым контентом или другими факторами. Нужно логично группировать приемники и передатчики, дабы избежать лишнего трафика в сети и соответственно узких мест «бесконечного» коммутатора. Какое максимальное качество видео можно получить? FullHD, 1080p/30. Система по умолчанию работает в автоматическом режиме и самостоятельно настраивается на максимально возможное качество трансляции, не выходя при этом за ограничение потока в 240Мб. 99% пользователей не меняют настроек системы, автоматический режим всех устраивает. Но это не значит, что настроить ничего нельзя. Все, что касается количества кадров, качества картинки и других параметров, можно настраивать в передатчике. В ручном режиме можно настроить так, что будет очень плохое качество и минимальный поток, либо максимальное качество, но при этом и максимальный поток. Система очень гибкая. Если есть устройства отображения с какими-то специальными требованиями по разрешению сигнала, можно ли на приёмнике настроить то, какой сигнал он будет выдавать? Нет, встроенного масштабатора в MMS-приемниках нет. Какой сигнал принимается, такой и отдается.
Возможно ли к коммутатору SMMC подключить внешние системы управления?
Да, у SMM-коммутатора для управления есть порт LAN и RS-232. Весь функционал доступен через внешние системы управления. По IP устройство управляется по протоколу Telnet. Есть ли питание по PoE или необходимо пользоваться внешними блоками питания? Стандартно питание по PoE не поддерживается, но можно использовать PoE сторонних производителей. AV-сигнал между передатчиками и приемниками передается по обычной гигабитной сети, поэтому в этом случае никаких ограничений нет. Разработчики не стали добавлять в комплектацию PoE, поскольку это удорожает систему, а она позиционируется как бюджетное решение. Как долго система может работать непрерывно? Система рассчитана на эксплуатацию в режиме 24/7. На данный момент существует большое количество уже готовых объектов, где система работает именно в режиме 24/7. В качестве подтверждения сказанного, можно рассказать о многих случаях монтажа приемников непосредственно на тыльной стороне профессиональных дисплеев, которая достаточно сильно греется. Но уже несколько лет оборудование функционирует без каких либо нареканий. Можно ли транслировать AV через WiFi? Wi-Fi не является средой, в которой возможна передача данных с гарантированной скоростью, как, например, GigabitEthernet. А гарантированная скорость передачи данных является обязательным условием для работы описанных выше MMS-передатчиков и приемников. В противном случае возможны перебои в трансляции и значительное ухудшение качества транслируемого изображения. В связи с этим ограничением транслировать AV через Wi-Fi не рекомендуется.
|