HomeDivulgaciónSeñales de producción en red (AVB vs. SMPTE 2022)

Señales de producción en red (AVB vs. SMPTE 2022)

La evolución y abaratamiento de la tecnología en el mundo IT ha permitido la sustituciónde los enlaces PDH y SDH por otros basados en IP. Los anchos de banda han ido incrementándose al tiempo que  su precio bajaba. Ahora la tecnología de red se perfila como clara candidata a futuro para sustituir al cableado basado en la familiaSDI. Analizamos a continuación los diferentes estándares y tendencias

 

Txt: Vicente Pla Ferri

 

Durante muchos años hablar de vídeo digital en entornos de producción ha sido hablar de la familia SDI:

  • Versión eléctrica

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  • Versión óptica

SMPTE 296-2006: Encapsulado de hasta 3G-SDI sobre fibra.

Hoy en día con la convergencia de informática y audiovisual las cosas están cambiando y ya hay dos estándares que se postulan como alternativa alcableado SDI:

 

  • SMPTE 2022-6: Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)

 

  • IEEE 802.1: Audio Video Bridging (AVB)

El sueño de poder sustituir una gran matriz SDI por switchers y routers ya es posible.

 

Características del transporte de vídeo sin comprimir sobre red

Estas son algunas de las características que debería tener:

1.- Algunas ya disponibles para SDI:

  • Vídeo sin comprimir y sin pérdida de cuadros.
  • Baja latencia.
  • No propietario.

 

2.- Otras que lo mejoren:

  • Mayor flexibilidad y agilidad.
  • Transporte a través de un único cable de: vídeo, metadatos, control y sincronismos.
  • Conmutación entre señal principal y redundada sin cortes.
  • Bajo coste gracias a la economía de escala.

 

El mundo de las redes tradicionalmente ha tenido algunos problemas que impactan muy negativamente para conseguir estos requerimientos:

  • Pérdida de paquetes.
  • Errores de ráfaga.
  • Recepción con orden incorrecto de paquetes.
  • Variación del retardo.
  • El rendimiento de la red puede variar en función de la congestión de ésta a través del tiempo.

 

De aquí que siempre habrá que tener en cuenta todos estos factores de cara a abordar un diseño. Otro factor muy importante es decidir si queremos que nuestra infraestructura audiovisual en red esté basada en electrónica estándar o por el contrario queremos utilizar equipamiento específico.

 

SMPTE 2022 está basado en IP (capa 3) mientras que AVB es de capa 2, es decir, no permite el direccionamiento a través de redes públicas. Para transportar AVB es necesario disponer de conmutadores específicos para AVB. A cambio, AVB está pensado para trabajar con audio y vídeo y no necesita de otras normas externas al estándar para manejar la calidad de servicio y la sincronía entre señales. Analicemos en detalle cada una de ellas.

 

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SMPTE 2022

Aborda la transmisión de señales de TV a través de redes IP. Sus inicios se remontan a principios de siglo cuando el Pro-MPEG Forum trabajó en el ‘Code of Practice #3’ (Pro-MPEG COP#3). Fue diseñado para permitir corregir los problemas de pérdidas de paquetes en el transporte de señales de vídeo sobre redes IP, sin la necesidad de retransmisión.

 

Evolución

 

Fue normalizada en 2007 para el transporte de vídeo sobre IP:

  • SMPTE 2022-1: “Forward Error Correction for Real-time Video/Audio Transport Over IP Networks”. Define una protección de errores FEC para la transmisión de flujos de vídeo sobre IP.

 

Al principio sólo para señales MPEG-2 TS de tasa binaria constante:

  • SMPTE 2022-2: “Unidirectional Transport of Constant Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IP Networks”. Especifica cómo encapsular en paquetes IP señales de video comprimidas encapsuladas en MPEG-2 TS. El estándar cubre la capa de transporte (RTP y UDP) así como temas de temporización y tamaños de buffers.

 

En 2010 se añadió la posibilidad de trabajar con MPEG-2 TS a tasas binarias variables:

  • SMPTE 2022-3:“Unidirectional Transport of Variable Bit Rate MPEG-2 Transport Streams on IPNetworks”.Define la forma de transportar por IP paquetes de MPEG-2 TS de tasa binaria variable de forma que ésta sea constante entre mensajes PCR (piecewiseconstant).
  • SMPTE 2022-4: “Unidirectional Transport of Non-Piecewise Constant Variable Bit Rate MPEG-2Streams on IP Networks”. Es muy similar a la parte 3, pero sin restricciones a nivel de tasas binarias.

 

Finalmente se añadieron las partes que ahora nos interesan; las del transporte de señales de vídeo sin comprimir:

  • SMPTE 2022-5: “Forward Error Correction for High Bit Rate Media Transport Over IP Networks”.Extiende la parte 1 del estándar a señales de hasta 3 Gbits/s o más.
  • SMPTE2022-6:“Transport of High Bit Rate Media Signalsover IP Networks (HBRMT)”Especifica la forma de transmitir por IP señales de vídeos sin comprimir.
  • SMPTE 2022-7: “SeamlessProtectionSwitching of SMPTE ST 2022 IP Datagrams” Define la forma de sincronizar dos señales que viajan por distintos caminos para poder realizar una conmutación sin cortes entre ellas.

 

También se propuso la parte 8 del estándar para encapsular JPEG2000 en MPEG2-TS sobre IP pero finalmente se abordó desde el Video ServicesForum (VSF).

 

SMPTE 2022-6: Transport of High Bit Rate Media Signals over IP Networks (HBRMT)

Cuando trabajamos con video en directo hay determinados aspectos a tener en cuenta. El primero de ellos sería cómo abordar el mapeado de señales de un entorno SDI sobre la carga útil de un datagrama IP.

 

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SMPTE 2022-6 lo define para señales SD-SDI, HD-SDI y 3G-SDI sin comprimir sobre un interface IP. Se intenta pues sustituir el tradicional cableado coaxial de la familia SDI por un sistema en estrella basado en IP.

 

Como se observa en la pila de protocolos utilizados, la norma se basa en transmitir vídeo a través de equipamiento IP estándar. Como es tradicional en señales de alta tasa binaria, la señal audiovisual se transmite a través de UDP y por tanto no se garantiza la confirmación de entrega ni el control de flujo. Eso sí, mediante RTP se añade mecanismos para la compensación del jitter y detección de paquetes que llegan fuera de orden a consta de introducir un pequeño retardo.  Si adicionalmente se necesitara de control de errores, habría que introducir un código FEC mediante la utilización de SMPTE 2022-5, que añadiría más retardo cuanto más robusto fuera.

 

Quedan fuera de la norma aspectos importantes como son la calidad del servicio de la red (QoS) y la sincronización de señales.

 

Calidad de Servicio (QoS)

El diseño y configuración de la infraestructura de red será clave para garantizar la calidad del servicio (QoS). En toda red de datos conmutados existen una serie limitaciones, que si no se toman las acciones oportunas, afectarán al servicio: bajo rendimiento de la electrónica de red, pérdida de paquetes, retardos, latencia, jitter y pérdida de orden de los paquetes entregados, entre otros. Para evitarlos habráque dimensionar adecuadamente nuestra red y definir políticas de calidad del servicio. De esta forma nuestra infraestructura soportará los nuevos servicios de vídeo.

 

Redes multicast

Una de las grandes ventajas que nos brindan las redes IP es el uso de grupos multicast. Esta forma de distribución permite que los conmutadores y enrutadores distribuyan la señal de un grupo a todo aquel cliente que se haya suscrito a él

 

La tecnología multicast permite, que desde un equipo servidor hasta la electrónica de red, sólo viaje una réplica de la señal con el consiguiente ahorro de ancho de banda. Lo ideal será pues definir un grupo multicast para cada una de las fuentes de señal. De ese modo cualquier cliente puede recibir la señal con tan sólo suscribirse al grupo correspondiente.

 

El principal problema con el que nos encontramos al trabajar en multicast es que para IP v4 las redes públicas no permiten su uso.

 

No obstante las ventajas son cuantiosas. Gracias a la electrónica de red podremos prescindir de matrices, distribuidores, etc.

 

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Conmutación sin cortes entre señales

Gracias a SMPTE 2022-7 podremos realizar la conmutación sin cortes entre una seña principal y otra reserva aunque los caminos de llegada de ambas difieran en lo que al retardo introducido se refiere.

 

Sincronización entre señales

Si en el mundo SDI la sincronización siempre se ha hecho mediante la utilización de señales de Black Burst o TriSync mediante cable separado, en el mundo de las redes tradicionalmente se ha utilizado Network Time Protocol (NTP). Este protocolo fue diseñado para la sincronización horaria entre máquinas y su resolución llega hasta los milisegundos. ¿Qué pasa entonces si necesitamos más precisión?

 

En 2002 se desarrolló la versión 1 del estándar IEEE1588, también conocido como Precise Time Protocol (PTP). Se trata de un protocolo multicast (lo que lo inutilizaba para redes públicas) capaz de ofrecer una precisión de 10 us.

 

Posteriormente apareció en 2008 la versión 2 del estándar con una resolución de unos 30 ns. y que también era capaz de transmitirse vía unicast (y por tanto por redes públicas). Otra de las ventajas frente a NTP es que es capaz de saltarse las colas de enrutado/conmutación si se dispone de electrónica de red compatible con PTP.

 

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A finales de 2014 se aprobó SMPTE 2059-2 que se trata de un perfil de IEEE1588 con las opciones necesarias para trabajar con vídeo sin comprimir.

 

IEEE 802.1: Audio Video Bridging (AVB)

Abordemos ahora la otra alternativa que nos ofrece el mercado.

 

Audio Video Bridging (AVB) es el conjunto de las normas técnicas elaboradas en el Institute of Electrical and ElectronicsEngineers (IEEE) por el Grupo de Trabajo de “Audio Video Bridging” dentro del Comité de Normas IEEE 802.1. La misión de AVB es proporcionar las especificaciones que permitan servicios de streaming sincronizados de baja latencia a través de redes IEEE 802.1.

 

Para ello se desarrollaron las siguientes especificaciones que se aprobaron en 2011:

  • IEEE 802.1AS: Temporización y Sincronización para aplicaciones sensibles al tiempo (gPTP),
  • IEEE 802.1Qat: Protocolo de reserva de Stream (SRP),
  • IEEE 802.1Qav: Transmisión y colas para Streams sensibles al tiempo (FQTSS)
  • IEEE 802.1BA: Sistemas de Audio Video Bridging

 

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Posteriormente en 2012 surge la AVnu Alliance, una asociación que persigue conseguir, mediante la utilización de estándares abiertos, conexiones en red con baja latencia y sincronizadas temporalmente. Bajo este paraguas se engloban tecnologías de los mercados de: Automoción, Audiovisual, Industrial y Electrónica de Consumo.

 

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¿Qué es AVB?

AVB es el intento de reemplazar la complejidad física del cableado tradicional SDI, y los problemas de las primeras implementaciones audiovisuales sobre red, por un conjunto de soluciones abiertas basadas en estándares que permitan la interoperabilidad entre diferentes plataformas.

 

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Fue pensado para la evolución de Ethernet, y su familia, de forma que permitiera el soporte de aplicaciones en tiempo real de audio, vídeo y control. Es el nombre común que toman el conjunto de estándares desarrollados por el grupo de trabajo “IEEE 802.1 Audio Video BridgingTaskGroup”. Su trabajo se basa en 3 pilares:

 

  • Alta precisión en la temporización para permitir:
  1. El soporte de relojes de bajo jitter
  2. Sincronización de varios streams.
  • Reserva de ancho de banda: permite a una aplicación de consumo audiovisual notificar a los dispositivos de red que recursos necesitará para que se proceda a su reserva.
  • Reglas de colas y envíos: aseguran que un stream pueda pasar por la red dentro de los retardos especificados en la reserva.

 

¿Qué es TSN?

Time SensitiveNetworking es la evolución de AVB para expandir el rango, funcionalidad y aplicaciones del estándar. TSN es el nuevo nombre para la evolución de las normas desarrolladas por AVB. Ofrecerá compatibilidad hacia atrás con AVB, pero añadiendo nuevas funcionalidades como parte del estándar. Entre ellas estarán:

  1. Tolerancia a fallos y redundancia
  2. Mejoras en temporización y latencia

 

Funcionamiento

La implementación de AVB se basa en “pequeñas” extensiones sobre las direcciones MAC y conmutadores de capa 2 de tipo estándar.

 

Estos “pequeños” cambios permiten que dispositivos AVB y no AVB se puedan comunicar entre ellos mediante frames 802 estándar. En ese caso, como se aprecia en la figura, sólo los dispositivos AVB serán capaces de:

  1. Reservar los recursos de red necesarios.
  2. Sincronizar los streams.

 

En la norma IEEE 802.1BA se describe la configuración por defecto de los dispositivos AVB dentro de una red y cómo determinar si los dispositivos soportan AVB. Cualquier dispositivo no-AVB es identificado con una etiqueta para evitar errores.

 

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Sincronización

El concepto clave de AVB es que todos los dispositivos de la red reciban la sincronía maestra. A partir de ahí funcionan con su propio reloj interno que se re-sincroniza con el maestro una vez por segundo. Entre todos los dispositivos se decide, de forma automática, el que mayor precisión de reloj tiene y se nombra como gran-maestro.En caso de fallo o desconexión de la red del gran-maestro el sistema decide cuál lo sustituirá.

 

Una vez que un dispositivo ha sincronizado con el gran-maestro, sincronizará su reproducción con él. Posteriormente añadirá una marca con el tiempo de presentación (displaytimestamp) de forma que, si el mismo contenido llega a dos dispositivos distintos, estos la presentarán al mismo tiempo (imaginemos por ejemplo dos altavoces de un par estéreo).

 

Al igual que SMPTE-2022, la sincronía está basada en el estándar IEEE 1588 (PTP), pero en este caso las diferencias son suficientemente importantes como para justificar un estándar diferente: IEEE 802.1AS (también conocido como gPTP). La sincronía gPTP sólo funcionará si todos los conmutadores entre fuente y destino son AVB.

 

Gestión del tráfico

En la mayoría de los hogares de hoy en día, salvo que se tenga contratada voz por IP o IPTV, todos los datos tienen el mismo nivel de prioridad. El tráfico web tiene el mismo tratamiento que el audiovisual, por tanto, si hay mucho uso de la red en el hogar causará un retardo en la entrega de paquetes de audio o vídeo que causará un pequeño corte perceptible.

 

Para evitarlo, AVB permite que el dispositivo de origen, el/los conmutadores intermedios, y el/los dispositivos de destino, hablen entre ellos y reserven un ancho de banda para que la comunicación no se vea afectada por el tráfico de la red. Existe una reserva de ancho de banda durante el tiempo que dura la reproducción del contenido. Cuando acaba la comunicación entre dispositivos se procede a liberar el ancho de banda reservado. Si en el proceso de la negociación entre dispositivos se detectara que no existen recursos suficientes para reservar el ancho de banda necesario, se comunica al transmisor y destinatario del contenido para que tomen las acciones necesarias que eviten la interrupción del servicio (bajar resolución, frecuencia de muestreo, etc.).

 

En la especificación IEEE 802.1Qav se explica cómo utilizar el estándar 801.Q (que especifica el marcado de tráfico en trunks) para la gestión del tráfico en AVB.

 

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Controles de admisión

Aún con un exigente sistema de gestión del tráfico entregar los paquetes de datos,con baja latencia y bajo jitter, sólo es posible si los recursos de red están disponibles a lo largo de toda la cadena de transmisión.  AVB implementa un protocolo de reserva de streams que se especifica en 802.Qat “StreamReservationProtocol (SRP)”.

 

En SRP los elementos transmisores de contenido se denominan ‘Talkers’ y los receptores ‘Listeners’.  Ambos son los responsables de garantizar que el camino esté disponible y reservar los recursos necesarios. El proceso es el siguiente:

  1. El ‘Talker’ envía un mensaje SRP ‘Talkeradvertise’ con:
    1. Identificador del Stream:
      1. Dirección MAC
      2. Identificador único del ‘Talker’ (16 bits)
    2. Requerimientos de calidad de servicio (QoS):
      1. Tipo de tráfico
      2. Tasa binaria
  • Latencia
  1. Los dispositivos de red reciben el mensaje y comprueban si tienen disponible el ancho de banda requerido en la salida que lleva al ‘Listener’:
    1. Sí: El mensaje se propaga hasta el siguiente equipo.
    2. No: Responden al ‘Talker’ que no es posible.
  2. Cuando un ‘Listener’ recibe un ‘TalkerAdvertise’ responde con un mensaje ‘ListenerReady’:
    1. Informa al ‘Talker’ de la latencia total del camino.
    2. Los dispositivos de red intermedios reservan los recursos de red necesarios para que esta transmisión se pueda llevar a cabo.
  3. Cuando el ‘Talker’ recibe el ‘ListenerReady’ inicia la transmisión.

 

Protocolos de capas superiores

Asociados a AVB aparecen toda una serie de protocolos de gran utilidad:

  • IEEE 1722 “AVB Transport Protocol (AVB-TP):
    • Define streams interoperables con formatos varios formatos y encapsulaciones (Raw, MPEG-2 TS, Firewire, etc)
    • Mecanismos de sincronización de media
    • Asignación de direcciones multicast
  • IEEE 1722.1 “Device Discovery, Enumeration, Connection Management and Control Protocol for 1722-Based Devices”
  • IEEE 1733 “layer 3 transport protocol for time-sensitive applications in local area networks”
    • Define la forma de encapsular RTP sobre AVB.
    • RTP sobre AVB utiliza paquetes conocidos como RTCP.

 

Conclusión

Las redes IP empiezan a ser una forma rentable de transportar señales de producción sin comprimir dentro de una infraestructura audiovisual. Hemos analizado las características de los dos estándares más usados hoy en día:

  • SMPTE 2022 que puede ser utilizado a través de redes IP estándar, pero que obliga a definir políticas de QoS y a la utilización de un estándar externo para la sincronización de streams.
  • AVB, con retardos menores, que es capaz de a través de Capa 2, y mediante electrónica de red específica, gestionar de forma transparente para el usuario la QoS y sincronización.

 

Cada fabricante apuesta por una de ellas, pero técnicamente parece que de cara al usuario final será más sencillo de implementar:

  • AVB para instalaciones locales (LAN).
  • SMPTE 2022 para el transporte a través de redes públicas (WAN).
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