ATEN и Zyxel: вместе — это больше, чем каждый сам по себе

Инженеры из российских представительств ATEN и Zyxel протестировали новые решения для AV‑over‑IP. О том, как всё происходило, о самой технологии, а также средствах применения и пойдёт речь в этой статье.

Для чего передавать видеосигнал по локальной сети и кому это нужно

Первоначально для передачи видео использовалось аналоговое оборудование. Наверное, в некоторых домах до сих пор по этой же технологии работает местное кабельное телевидение. К счастью славная эра коаксиального кабеля, а также аналоговых разветвителей, повторителей подходит к концу.

С переходом на цифровой формат, как это обычно бывает, одни проблемы ушли, другие появились. Постепенный отказ от коаксиального кабеля с его специфическими проблемами: помехами, особенностями прокладки и подключения — это несомненный шаг вперёд. Но, тем не менее, разработчики современных систем передачи видео постоянно ищут новые возможности.

Взять хотя бы HDMI. Казалось бы, готовая отработанная технология, бери и пользуйся. И… получаем невысокую дальность, критичность к качеству кабеля (в первую очередь к его цене). Существуют возможности удлинить участок передачи сигнала по HDMI, есть специальные повторители, разветвители один-ко-многим — но всё это упирается в серьёзные технологические трудности и стоит очень немалых денег. Проще говоря, на большие расстояния видеосигнал передавать будет не так уж и легко.

Следующим шагом явились специализированные стандарты, использующие более простые носители для передачи сигнала. Например, HDBaseT позволяет использовать классическую витую пару (категории 5E и выше). Это значительный шаг вперёд, потому что цена кабеля (витой пары), а также разъёмов, патчпанелей значительно ниже по сравнению с аналогичным предложением на базе HDMI. И самое главное — новые стандарты позволяют передавать видеоинформацию на более внушительные расстояния (до 100м для HDBaseT). Данные технологии до сих пор используются на участках, где крайне критично распространение высококачественного сигнала без задержек, например, видео 4K c цифровой субдискретизацией 4:4:4.

AV‑over‑IP

Описанные выше удлинители видео по Сat.5E и Сat.6 работают по своим технологиям конвертации сигнала. Например, стандарт HDBaseT несовместим с обычными коммутаторами, хотя это цифровой стандарт и среда передачи — та же витая пара.

С одной стороны, вроде даже и хорошо: политика изоляции решает часть проблем, например, нет конкуренции за аппаратные ресурсы. Однако это требует дополнительных затрат, в первую очередь финансовых. И всегда может возникнуть ситуация, когда по какой-то причине нельзя создать дополнительную отдельную сеть исключительно для видео. Поэтому попытки использовать обычную компьютерную сеть передачи данных для трансляции видеосигнала предпринимались с самого начала её появления.

AV‑over‑IP — как раз и есть концепция передачи аудио-видео сигналов в стандартной сети. Какие выгоды она даёт?

• Упрощается передача видеоконтента благодаря отсутствию дополнительных элементов, удешевляется построение системы, упрощается обслуживание.
• Интеграция с существующими ИТ системами означает не только возможность использовать то же оборудование, но и уже существующие системы для контроля и управления сетью.
• Не нужно дополнительно тратить деньги на дорогостоящее обучение специалистов ProAV.
• Упрощаются вопросы проектирования, модернизации, логистики и так далее.

Но самый важный момент — масштабирование системы в будущем. Традиционную IP LAN развивать гораздо проще, чем специализированную сеть ProAV. Это касается как локальной инфраструктуры, так и передачи данных на большие расстояния.

Если AV‑over‑IP — это так просто, зачем ещё что-то тестировать?

У AV‑over‑IP, как у любой технологии, есть свои специфичные особенности. Например, высокие «накладные расходы» при инкапсуляции-деинкапсуляции видеотрафика для передачи по обычной LAN. Проще говоря, видеосигнал сначала необходимо преобразовать в IP трафик, далее в Ethernet-кадры и в таком виде передавать через коммутаторы, а на принимающем устройстве — выполнить обратное преобразование. Разумеется, все это требует дополнительных системных ресурсов. Поэтому возможны задержки как при преобразовании, так и при передаче трафика по локальной компьютерной сети. Такая вот «плата за универсальность».

Ключевым моментом при использовании технологии AV‑over‑IP является способ передачи, то есть multicast. Это по сути определяет наличие дополнительных требований к коммутатору и его настройке.

Видео, особенно 4К, создаёт большой поток multicast-трафика, и при неправильном управлении, AV устройства (как, впрочем, и другие) в такой сети могут работать некорректно.

Для адаптации к передаче по сети порой приходится идти на «маленькие хитрости» вроде смены субдискретизации цвета с 4:4:4 на 4:2:0. Также иногда приходится мириться с крайне малыми задержками по сравнению с прямым видеовыводом (\~0.1 сек.).

Multicast и IGMP

Как было сказано выше, одним из главных условий для использования того или иного сетевого оборудования для AV‑over‑IP является передача multicast трафика и поддержка соответствующих возможностей управления.

Для решения подобных задач был придуман IGMP (Internet Group Management Protocol) — протокол управления групповой (multicast) передачей данных в IP сетях. Применяется для работы с сетевым оборудованием и конечными сетевыми клиентами для организации участников сетевого обмена в группы.

Существуют три версии протокола IGMP:

1. IGMP v1, описан в RFC1112;
2. IGMP v2, описан в RFC2236;
3. IGMP v3, описан в RFC3376 .

IGMP применяется в целях упрощения динамической регистрации отдельных узлов LAN в multicast-группе. Клиенты сети определяют участие в группе, посылая соответствующие IGMP-сообщения. В свою очередь сетевое оборудование, использующее IGMP, получает IGMP-сообщения и периодически посылает запросы, чтобы определить какие группы активны или неактивны в данной сети.

Рекомендация. IGMP уязвим к специализированным атакам, поэтому функции по его поддержке лучше отключать на тот период, когда они не нужны. Многие сетевые устройства позволяют деактивировать те или иные функции по поддержке IGMP.

Участие Zyxel в построении сетей AV‑over‑IP

«Видео — это замечательно, но при чём здесь Zyxel?» — воскликнет нетерпеливый читатель.

Напомним, что Zyxel Networks заключила партнёрское соглашение с лидером индустрии AV компанией ATEN для развития решений в секторе информационных технологий передачи аудио/видео. Это позволит улучшить совместимость и повысить надёжность систем видеопередачи, в первую очередь — AV‑over‑IP.

28 сентября 2020 года компания Zyxel Networks объявила о новой функции для своих коммутаторов — Networked AV, разработанной совместно с компанией ATEN, благодаря которой стало легче проводить внедрение AV-систем. Мы уже упоминали об этом в статье Коммутаторы L2, L2+ и L3 — что, когда, куда, откуда, как, зачем и почему?

Для улучшения поддержки различных сетевых приложений в специализированном режиме Networked AV используется специальный мастер настройки. Эта часть общего ПО коммутаторов специально разработана для удобного доступа к функциям, чаще всего применяемым при конфигурировании сетей, по которым в потоковом режиме передаётся аудио/видео. Для отображения основных параметров используется новая консоль Networked AV Dashboard. Благодаря новым функциям сетевые администраторы могут сразу определить текущее состояние сети и легко настроить нужный коммутатор. В списке параметров для контроля: сведения о портах, системная информация, энергопотребление.

Лучше один раз увидеть

Разумеется, любая система показывает свои качества: как лучшие, так и худшие именно во время практического использования.

Представители компаний Zyxel и ATEN провели совместное тестирование, чтобы определить взаимную совместимость оборудования и показать, как выглядит на практике использование таких гибридных решений.

Испытания проводились на тестовой площадке российского представительства компании ATEN.

Цель тестирования

Наглядно показать, что AV‑over‑IP является профессиональным решением для удлинения\коммутации сигнала. При соблюдении должных условий эксплуатации результат будет на уровне или близко к уровню уже использующихся решений в этой области. (Разумеется, с учётом некоторых ограничения, как, например, субдискретизация цвета и задержки по сравнению с прямым видеовыводом.)

Также интересен момент централизованного управления всеми устройствами и возможности создания видео-стен и коммутации сигналов, используя только удлинители (приёмник и передатчик AV‑over‑IP).

Фактически проводилось два эксперимента:

1. Тесты при участии оборудования для трансляции видео (VE) — передатчики и приёмники 4K HDMI-сигнала по IP-подключению с поддержкой PoE.
2. Тесты при участии HDMI KVM-удлинителей (KE) с доступом по IP и поддержкой 4K.

Почему потребовалось два теста? Потому что передача видео — это многопрофильная область, требующая целого спектра различных технологий. Окружающая нас реальность сложна и удивительна, и попытки её записать на видеоустройство, и чтобы потом передать по проводу требуют целого спектра различных технологий.

Возьмём к примеру такую вещь как видеотрансляции. Спортивные мероприятия, выступления знаменитостей, конференции глав государств… Что это на самом деле? В первую очередь это передача «один-ко-многим». И эти картинки бывают очень динамичные, напряжённые, в которых важен каждый момент.

Чтобы передать такое видеоизображение на большие расстояния — нужны технологии которые создавались для дальней связи

Представьте себе проведение чемпионата мира или церемонию вручение «Оскара». Зрители, смотрящие на экраны, не заметят задержку в несколько секунд, но никогда не простят «рассыпавшейся картинки» во время решающего момента или «чёрного экрана» в момент смены изображения на видео-стене. Небольшие потери качества, например, смена дискретизации цвета с 4:4:4 на 4:2:0 тоже особенной роли не сыграет. А вот различимые артефакты изрядно попортят нервы зрителям.

Именно для таких целей предназначены оборудования серии VE — передатчики и приёмники 4K HDMI-сигнала по IP сетям. Такие устройства «трудятся» не только на развлекательном поприще, а решают вполне серьёзные задачи вроде создания интерактивных диспетчерских, координационных центров — везде, где требуется передать динамичную картинку.

Но если нам понадобится передавать высококачественное статичное изображение? Например, чтобы посмотреть чертёж в CAD, детализированную фотосъёмку и так далее? Разумеется, для таких задач понадобятся другие устройства. Вот как раз HDMI KVM-удлинители (KE) с поддержкой 4K для таких задач и предназначены. Ниже описаны тесты сначала для устройств VE, а после (в следующей статье) для KE (IP KVM).

Тестирование систем VE

Используемое оборудование

В сетевого оборудования передачи данных — Zyxel GS2220-28HP

Сетевые кабели — патчкорды Cat. 5.E

Рисунок 1. 28-портовый гигабитный коммутатор L2 Zyxel GS2220-28HP.

Передатчик сигнала — ATEN VE8952T

Рисунок 2. Передатчик 4K HDMI сигнала по IP подключению с поддержкой PoE VE8952T.

Приёмник сигнала — ATEN VE8952R

Рисунок 3. Приемник 4K HDMI сигнала по IP подключению с поддержкой PoE VE8952R.

Для визуального наблюдения использовалась видео-стена из 4‑х мониторов LG 49UH5C-BF

Собранный стенд представлен на рисунке 4. Слева расположены источники сигнала VE8952T, справа — приёмники VE8952R.

Так как мониторов всего четыре, то левый нижний монитор на этапе 1 подключался к источнику видеосигнала, а на этапе 2 — к четвёртому приёмнику сигнала.

Рисунок 4. Стенд в сборе для тестирования систем VE (мониторы не показаны). Подключён коммутатор GS2220-28HP.

В качестве источника — ПК с видеосигналом 3840x2160@30 Гц

Программа тестирования

Что требовалось проверить и проанализировать:

1. Заметна ли задержка видеосигнала относительно оригинала при передаче по IP.
2. Насколько синхронно работают все 4 IP приёмника от одного IP передатчика.
3. Подрыв и скорость переключения.
4. Загрузки канала IP в зависимости от контента (видео, статика) с помощью средств контроля для коммутаторов Zyxel.
5. Что будет, если подключить в коммутатор стороннее сетевое устройство, допустим, FastEthernet (100Mb/s).
6. Сравнение качество картинки в динамике и проверочная таблица.
7. Какие модели коммутаторов Zyxel можно рекомендовать и в каких случаях.
8. Какие настроить коммутаторы, и когда нужен VLAN.

Полученные результаты для устройств VE

1. Заметна ли задержка видеосигнала относительно оригинала при передаче по IP — задержка видна по секундомеру, около 60-80 мс в среднем.

Рисунок 5. VE задержка относительно источника. Нижний левый монитор подключён к источнику.

Как уже было сказано, на практике такие задержки заметить очень трудно, зато передаваемая картинка выглядит практически без искажений.

В живом формате это можно увидеть на видео:

2. Насколько синхронно 4xIP приёмника транслируют видео от одного IP передатчика — устройства работают синхронно, расхождения проходят в несколько сотых долей секунды.

Рисунок 6. VE 4xIP приёмника транслируют видео от одного IP передатчика совершенно синхронно. Нижний левый монитор подключён к 4‑му приёмнику.

В этом можно убедиться на видео:

3. Подрыв и скорость переключения — подрыв небольшой, укладывающийся в доли секунды, как и переключение.

И по уже сформировавшейся традиции ниже приводим подтверждающее видео:

4. Загрузки канала — около 50% в пике, и около 10% в статике.

Рисунок 7. Загрузка канала в статике около 10%.

Рисунок 8. Загрузка канала на пике около 50%.

5. Что будет, если подключить в коммутатор стороннее сетевое устройство — при подключении стороннего сетевого устройства Fast Ethernet эффекта развала изображения и фактического переполнения канала добиться не удалось.

Рекомендация. На практике некоторые устройства Fast Ethernet (чаще всего это дешёвое или устаревшее оборудование) с поддержкой multicast имеют свойство засорять сеть, в результате видео транслируется покадрово. Необходимо избегать подобных ситуаций ещё на этапе проектирования. Как минимум, держать устройства для приёма и передачи видеосигнала в отдельном VLAN.

6. Сравнение качество картинки в динамике и проверочная таблица. Картинки в динамике тестировались на переключение и синхронность. В сравнении с оригиналом видна задержка относительно источника. Проверочные таблицы крупным и мелким планом показывают потери линий или цветов и размытость текста (VE8952 выводит картинку с цветовой субдискретизацией 4:2:0).

Рисунок 9. Проверочные таблицы: слева и справа — разные устройства. Слева — оригинал, справа — изображение, переданное через VE8952.

6. Какие модели коммутаторов Zyxel можно рекомендовать и в каких случаях.

7. Какие настроить коммутаторы, и когда нужен VLAN.

Мы планировали ответить на вопросы 6 и 7 уже после всех тестов, включая модели КЕ. Забегая вперёд, хочется отметить хороший результат при использовании коммутаторов Zyxel.

А новый модуль от Networked AV пришёлся весьма кстати и сильно облегчил настройку.

Продолжение о тестировании устройств КЕ и общие итоги тестирования — в следующей статье.

Полезные ссылки

1. Telegram chat Zyxel
2. Форум по оборудованиюZyxel
3. Много полезного видео на канале Youtube
4. Коммутаторы L2, L2+ и L3 — что, когда, куда, откуда, как, зачем и почему?
5. Коммутаторы Zyxel L2+ серии XGS2210
6. Коммутаторы Zyxel L2 серии GS2220
7. Коммутаторы Zyxel L2 серии XS3800-28
8. Цветовая субдискретизация понятным языком — немного отдаём, чтобы много выиграть
9. Теория IGMP
10. Передатчик 4K HDMI-сигнала по IP-подключению с поддержкой PoE‑VE8952T
11. Приёмник 4K HDMI-сигнала по IP-подключению с поддержкой PoE‑VE8952R
12. Оригинальный текст RFC1112
13. Оригинальный текст RFC2236
14. Оригинальный текст RFC3376
15. Why ATEN\'s Video over IP Solution?

Ссылки Youtube на видеоматериалы, которые упоминаются в статье:

•  VE — задержка
•  VE — синхронность вывода
•  VE — тест на синхронность линии
•  VE — скорость переключения