Использование Ethernet-инфраструктуры для передачи каналов звука в ГТРК

Андрей Лобунец,
начальник отдела телевидения ГТРК «Культура»

Олег Шелманов,
ведущий специалист компании Ruslan-Communications

Алексей Брусницкий,
начальник службы развития ГТРК «Культура»

Любой телерадиокомпании в процессе производства приходится иметь дело с множеством аудиосигналов, которые необходимо передавать из одной точки в другую. Чем больше потребителей, тем больше простоты, гибкости и лучшего соотношения цена/качество хочется достичь при создании и обслуживании системы доставки аудиосигналов.
Развитие ГТРК «Культура» вызвало необходимость решения задач объединения территориально удаленных производственных объектов в единую производственно-технологическую инфраструктуру. Между двумя площадками – радиостанцией «Культура», расположенной на ул. Пятницкая, и телевизионным и звукозаписывающим комплексом на М. Никитской ул. – потребовалось организовать передачу нескольких каналов звука. Начальное количество передаваемых звуковых каналов было небольшим: всего по восемь обменных каналов AES 3 и по четыре аналоговых стереофонических звуковых канала в обе стороны. В дальнейшем с вводом новой центральной аппаратной на Пятницкой ул. предполагается существенно увеличить число обменных каналов.
На сегодняшний день получили распространение две схемы организации звуковых каналов. Прямая коммутация (рис. 1) связывает любые объекты попарно. Такой способ требует огромного количества кабелей и в крупных компаниях практически не используется. Вторая схема – центральная коммутация (рис. 2), где все кабели приходят на центральную матрицу. Этот способ получил в настоящее время самое широкое распространение, так как упрощает кабельную структуру и сам процесс коммутации. Однако в некоторых случаях прокладка дополнительных кабелей и внедрение коммутирующих матриц обходится чрезвычайно дорого.
Наиболее привлекательным в нашем случае был третий способ, пока еще не получивший столь же широкого распространения, как первые два, – применение звуковых маршрутизаторов, которые используют сетевое соединение, основанное на компьютерном стандарте Ethernet (рис. 3). Кажется, вполне естественным использование стандартной кабельной инфраструктуры, надежной, недорогой и достаточно гибкой. Такая инфраструктура, как правило, уже существует во многих компаниях,и до недавнего времени предназначалась только для обслуживания информационных офисных систем и приложений. Сегодня кабельная система на основе UTP (неэкранированная витая пара) пятой или шестой категории, а также оптоволоконных кабелей для передачи сигналов на большие расстояния вполне могла бы подойти для передачи аудиосигналов.
Наиболее распространенной технологией для корпоративных сетей передачи данных является технология Ethernet. За время существования Ethernet на рынок поступило большое количество разнообразных устройств, которые реализуют технологические возможности стандарта IEEE 802.3.
В рамках стандарта Ethernet реализованы четыре скорости передачи: 10; 100; 1000 и 10000 Мбит/с.
По самым приблизительным оценкам сегодня 85% сетей в мире PC используют протокол Ethernet CSMA/CD1.
Столь широкое использование Ethernet объясняется такими его особенностями, как простота работы, легкость в реализации, хорошая управляемость, высокая защищенность, низкая стоимость подключения, высокая гибкость и масштабируемость, высокая степень стандартизации, которая гарантирует полную совместимость оборудования.
Как следует из базовой спецификации IEEE 802.3, классической сетью Ethernet является инфраструктура, которая представляет собой единый коллизионный сегмент. Классическая сеть Ethernet, использующая механизм CSMA/CD, описывается аппаратом с обслуживанием в режиме разделения времени2. В конкретный момент времени желаемую передачу своему адресату может выполнить только один источник в сети, так как сегмент располагает лишь одним на всех аппаратом обслуживания, который выполняет передачу. Захват этого аппарата перед началом передачи и является первой задачей передающего.
Время, затрачиваемое каналом на передачу пакета, состоит из двух составляющих: собственно время передачи пакета и время на выполнение процедур захвата канала клиентами, оказавшимися в очереди.
Реально число клиентов сети составляет сотни, а каждая сетевая станция может в одночасье создавать значительный уровень трафика, поэтому ожидание в очереди может затягиваться, и самое неприятное в том, что время этого ожидания предугадать невозможно. Специалисты говорят, что сеть имеет большие и переменные задержки.
Так как нагрузки в сетях могут быть существенными, это неизбежно приводит к увеличению сетевых задержек, к которым очень чувствительны звуковые каналы. Обычный Ethernet не способен справиться с такими нагрузками и не подходит для передачи звука.
Подобных недостатков лишены коммутирующие Ethernet-сети. Каждый порт коммутатора – это изолированный Ethernet-сегмент. В центре этой структуры расположен коммутирующий элемент, который позволяет одновременно обслуживать несколько вызовов. Таким образом, Ethernet-коммутатор представляет многовходовый обслуживающий аппарат с возможностью одновременной обработки нескольких вызовов и с прямым доступом к каналу. Это позволяет справляться с более значительными нагрузками в сети и снижает сетевые задержки. В коммутируемых сетях все пакеты, поступающие от приложений, могут подвергаться классификации, фильтрации и обслуживаться сетью в соответствии с установленными правилами. Говоря другими словами, в сети поддерживается QoS3.
Образно сеть Ethernet можно представить в виде многополосного шоссе, по которому едут автомобили (пакеты). На одном участке сети производится ремонт полотна, и для проезда автотранспорта оставлена одна полоса. Все автомобили, приближаясь к этому месту, останавливаются и по одному проезжают участок ремонта. Механизм CSMA/CD как раз и отвечает за регулировку движения на этом участке. Причем пока полоса занята, все вынуждены ждать, даже машины «скорой помощи», поскольку механизм CSMA/CD очень простой и не умеет обслуживать клиентов по приоритетам.
Коммутируемую сеть Ethernet можно представить как многополосное скоростное шоссе, которое целиком открыто для проезда автотранспорта. Машины движутся, каждая в своей полосе. Поэтому время поездки (сетевую задержку) можно рассчитать и учесть. Но на скоростных шоссе бывают заторы, когда количество проезжающих машин по шоссе превышает пропускную способность дороги (перегрузка в сети) или случилась авария (в сетях тоже бывают аварийные ситуации). Для организации движения на таком участке необходим регулировщик. Основная задача последнего состоит в том, чтобы все машины, попавшие в пробку, хоть медленно, но двигались, и еще регулировщик должен обеспечивать преимущественное право проезда машинам, оснащенным специальными сигналами (например, «скорая помощь»). Таким регулировщиком с сети является QoS.
Качество обслуживания (QoS) – это сетевая архитектура, позволяющая контролировать такие параметры передачи трафика, как задержка, колебания задержки и потери кадров в сети. QoS – это не функция, а набор механизмов управления передачей информации совместно с сетевыми архитектурными решениями, исключающими узкие места в инфраструктуре. Поэтому QoS необходимо определять как архитектуру, подразумевая комплексность подхода.
Любая информация в сети передается фрагментами, т.е. пакетами. Поскольку и звуковая информация в сети, как и все остальные виды данных, передается в виде пакетов, то эти пакеты ввиду чувствительности звуковых приложений к задержкам должны обрабатываться с наивысшим приоритетом. Используя терминологию нашего примера, аудиопакеты должны иметь спецсигналы. Аудиосигналы (особенно многоканальные) не допускают задержку или остановку передачи, особенно если это непредсказуемые остановки. Все это приводит к искажению звука, появлению артефактов в принимаемом аудиосигнале. Офисные же приложения имеют механизмы перепосылки потерянной информации, и время сетевой задержки для них не играет никакой роли. Современные сети снабжены механизмами, которые способны отличать, трафик какого приложения передается в данный момент, и на основе этого принимать решение, как его передавать – задержать в буфере или обеспечить ему зеленый коридор. Спецификации IEEE 802.1p и 802.1Q предлагают общие принципы, позволяющие разбить полосу пропускания на части с различными приоритетами в сетях Ethernet.
QoS дает возможность минимизировать сетевые задержки и устранять такие неприятные вещи, как непредсказуемость задержки.
Итак, из всего вышесказанного можно сделать вывод, что современные Ethernet-сети вполне готовы к тому, чтобы на их основе строить многоканальные системы передачи аудиосигнала.

Технология передачи звука

Ethernet-технология способна решать только вопросы доставки пакетов от студии к студии, но это лишь часть задачи. Система дистрибуции аудиосигнала должна еще заниматься проблемами оцифровки, восстановления, адаптации звука к среде Ethernet и управления звуковыми потоками. Все это решают специализированные протоколы доставки аудиоканалов по сетям Ethernet.
После изучения рынка наш выбор пал на звуковые маршрутизаторы QSC RAVE, которые используют сетевое соединение, основанное на компьютерном стандарте 100 Base TX. Это позволяет передавать до 64-х звуковых каналов по кабелю UTP (неэкранированная витая пара) пятой или шестой категории, а также по оптоволоконным кабелям для передачи сигналов на большие расстояния.
Системы RAVE гарантируют отсутствие петель заземления, шума от электромагнитных полей. Они легко передает аналоговый или цифровой некомпрессированный сигнал (24 бит/48 кГц) и имеют аналоговые или цифровые входы/выходы формата AES 3 (AES/EBU), что дает возможность соединять приборы с наименьшим количеством аналого-цифровых преобразований. Например, на передающем конце вы имеете устройство с аналоговыми входами, а на приемной стороне используете устройство с цифровыми выходами формата AES.
Маршрутизаторы RAVE имеют протокол доставки аудиоканалов CobraNet. Впервые технология CobraNet была использована в парке Disney’s Animal Kingdom в 1998 г. С тех пор она стала широко применяется во всем мире, в частности при озвучении таких объектов, как общественные здания, залы заседаний, стадионы и др. Эта технология позволяет отсылать и получать данные без каких-либо искажений по сетям стандарта Ethernet. Протокол CobraNet не использует IP для передачи звуковых каналов и поэтому может работать только в локальных сетях. С его помощью можно строить матричные структуры, которые обеспечивают высокую гибкость и значительно упрощают работу с системами, в которых передается большое количество звуковых каналов (рис. 4).
CobraNet дает возможность передавать 64 звуковых канала (24 бит/48 кГц), используя в качестве транспортного контейнера стандартный кадр Ethernet совместно с информацией об этих каналах. Протокол представляет набор средств, которые позволяют трафик реального времени передавать в сети совместно с трафиками других приложений.
Приборы CobraNet, объединенные в систему, автоматически регулируют время посыла данных между собой; один прибор действует как управляющий и передает синхросигнал по сети, синхронизируя деятельность всех остальных приборов в сети.
В сети CobraNet используется три вида пакетов:
Beat Packet – широковещательный пакет, содержащий параметры для работы сети, синхронизацию и параметры передачи. Beat Packet передается от одного CobraNet-устройства и информирует приемники о начале цикла синхронизации. Так как эти пакеты распространяют информацию о синхронизации, они чувствительны к колебаниям задержки. При проектировании сети необходимо учитывать эту особенность работы протокола. Beat Packet имеют размер 100 байт;
Isochronous Data Packet – пакеты, использующиеся для передачи звуковой информации. Они имеют размер 1000 байт;
Reservation Packet – пакеты, необходимые для работы системы резервирования.
Протокол CobraNet разрабатывался для работы в Ethernet-сетях и поэтому поддерживает все архитектуры, применяемые в Ethernet, и может работать совместно с другими сетевыми приложениями. Звуковые маршрутизаторы могут использоваться в сетях IEEE 802.3u Fast Ethernet и IEEE 802.3z G.Ethernet.

Архитектура сети CobraNet

В случае применения протокола CobraNet необходимо учитывать те ограничения, которые накладывают на сеть IEEE 802.3u особенности его работы. Протокол обеспечивает доставку данных в реальном времени и поэтому нуждается в инфраструктуре, которая создает режим реального времени. Диаметр сети максимально составляет 2560 бит-периодов4. Максимальная длина кабеля Category 5 UTP между двумя сетевыми приборами не должна превышать 100 м, включая соединительные кабели. Для больших расстояний рекомендуется использовать оптоволоконный кабель либо кабель UTP длиной 100 м, соединяющий приборы Fast Ethernet по цепочке.
Сетевая инфраструктура должна обеспечивать следующие характеристики:
] изменение задержки во время передачи пакетов укладываться в 0 – 250 мкс;
] задержки при передаче пакетов не могут превышать 400 мкс.
Для управления сетями CobraNet используется стандартный способ на основе протокола SNMP5. Такой подход позволяет организовать централизованное управление CobraNet-сетью из единого центра. Станций управления может быть несколько, и они могут располагаться в любом месте сети.
Компания выпустила шесть моделей RAVE, в каждой из которых 16 аудиоканалов. Модели отличаются количеством и наличием аналоговых или цифровых AES/EBU входов/выходов.
Модели:
— RAVE 88 – 4 цифровых входа + 4 цифровых выхода;
— RAVE 81 – 8 цифровых входов;
— RAVE 80 – 8 цифровых выходов;
— RAVE 188 – 8 аналоговых входов + 8 аналоговых выходов;
— RAVE 160 – 16 аналоговых выходов;
— RAVE 161 – 16 аналоговых входов.

В аналоговых приборах есть встроенные регуляторы-переходники, позволяющие устанавливать уровень звучания. Все приборы RAVE имеют отдельные независимые разъемы, а встроенный источник питания дает возможность им автоматически адаптироваться к любому уровню напряжения от 90 до 240 В.
Каждый из приборов RAVE (рис. 5) имеет гнездо RJ 45 на задней панели, которое используется для подключения к Ethernet-сети. Аудиовходы и/или -выходы так же находятся на задней панели.
Два гнезда BNC обеспечивают синхронизацию приборов RAVE между собой и применяются в схемах резервирования при выходе из строя передающего устройства (напоминает серверные кластерные технологии).
Приборы RAVE могут использоваться в любой комбинации, например, передать 16 аналоговых сигналов и принять 8 цифровых стереоканалов AES для записи на цифровой магнитофон.
Поскольку компания «Культура» столкнулась с реальной нехваткой оптоволоконных каналов связи между двумя удаленными площадками, была использована система волнового уплотнения CWDM6 (рис. 6).
Оптическое уплотнение позволяет увеличить производительность обычной оптоволоконной линии в восемь раз. Предложенная схема дала возможность объединить территории Пятницкой и Никитской ул., используя минимальное количество оптических волокон, и обеспечить необходимые условия для работы по одной физической линии следующих приложений:
— передача данных (желтая волна);
— организация телефонной связи (коричневая волна);
— передача звуковых каналов (синяя волна);
— оставлена для развития (зеленая волна).
Оборудование уплотнения организует четыре полнодуплексных канала G.Ethernet (IEEE 802.3z) в одном оптическом волокне.
Такой подход создал максимально комфортные условия решения разных задач в одной физической среде при максимальной безопасности. Этот метод позволяет осуществлять передачу всего трафика по одному оптическому волокну (традиционные методы потребовали бы по четыре оптических волокна для решения каждой задачи).
Для обеспечения высокого уровня надежности работы сети (катастрофоустойчивый уровень) используются оптические волокна в кабелях, проложенных по разным путям. Один из каналов выделен для передачи звуковых потоков, второй – для резервирования. Звуковые маршрутизаторы RAVE преобразуют звуковые потоки в потоки Ethernet-пакетов. Полученные пакеты передаются по оптической линии на нужный приемник. На приемной стороне происходит преобразование в звуковые сигналы. Система имеет два канала передачи: прямой и резервный. Для разделения трафиков разных потоков используется технология VLAN7 (протокол IEEE 802.1Q-based VLAN trunking). Так как нагрузка в сети небольшая, маркировка пакетов не производится.
Данные с восьми аудиоканалов группируются вместе как бы в один блок. Передающие приборы транслируют (передают) блоки данных без упоминания адреса назначения, но с указанием адреса сетевого канала, на который настроены передающие приборы. Итак, для получения определенного блока данных, состоящего из восьми аудиоканалов, посланного другим приборам, нужно настроить получающий прибор на тот же сетевой канал, что используется передающим, т.е. почти так же, как настроить радио или телевизионный приемник на определенную частоту или канал. Таким способом достигается гибкость. Один и тот же приемник можно настраивать на прием разных каналов.
Для повышения надежности в системе используется дублирование каналов AES 3. Прямые и резервные каналы передаются разными путями, на приемной стороне решается, какие каналы использовать. Аналоговые каналы в системе пока не дублируются.
Система дистрибуции звуковых каналов обладает мощными возможностями в масштабировании. В дальнейшем использованное решение позволит компании, добавляя маршрутизаторы RAVE, без изменения инфраструктуры увеличить количество звуковых обменных каналов, полностью удовлетворив производственные потребности компании.

1 Carrier Sense Multiple Access Collision Detect (CSMA/CD) – конкурентный доступ к среде с обнаружением несущей и коллизий.
2 Здесь имеется в виду, что компьютеры, подключенные к сети, представляют собой клиентов, которые требуют обслуживания.
3 Quality of Service – качество обслуживания.
4 Один RAVE бит-период соответствует скорости передачи 100 млн бит/с, поэтому равен 10 нс.
5 SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол управления, широко использующийся в компьютерных сетях.
6 Coarse wavelength division multiplexing (CWDM) – система грубого волнового мультиплексирования.
7 VLAN – технология поддержки виртуальных сетей.