Быков В.В.
Сети АТМ для вещания
(сокращенный
вариант)
Цифровые сети АТМ (асинхронного способа передачи) несмотря на относительно высокую стоимость получают все большее распространение. Рассматриваемые в статье основные характеристики и технологии помогут читателям наглядно оценить сети АТМ, представить их физическую сущность и особенности, позволяющие транспортировать сигналы вещания с высоким качеством на большие расстояния.
Доставка вещательной информации
зрителям, передача отснятого
материала видеожурналистами, обмен
информацией между студиями и
телецентрами, подача сигналов от
студии к передатчику, на спутник и
головную станцию осуществляются с
помощью различных линий связи. С
появлением цифровых технологий эти
коммуникации существенно
изменились. На отдельных линиях до
сих пор используют аналоговые
интерфейсы, но в большинстве сетей
передачи применяются цифровые
методы.
Для передачи видеопотоков по сетям
широко используется технология
асинхронной передачи (АТМ),
изначально разработанная для
управления данными, транслируемыми
по локальным сетям. АТМ позволяет
передавать с высокой скоростью
видео-, аудио- и компьютерные данные
вместе с телефонными сигналами
(голос). В этой технологии
совмещаются преимущества пакетной
передачи и сетевой коммутации с
распределением полосы частот по
требованию. При этом гарантируются
своевременная доставка видео- и
аудиоданных, чувствительных к
задержке во времени, и заданное
качество службы (QoS).
Технология АТМ обеспечивает
несколько важных преимуществ для
профессионального вещания:
– прежде всего, она основана на
стандартах, разработанных
Международным союзом электросвязи
(МСЭ) и АТМ-форумом и появившихся в
результате тесного международного
сотрудничества;
– АТМ рассчитана на одновременную
передачу звука, данных и
видеосигналов;
– она адаптируется к широкому
диапазону скоростей цифрового
потока;
– может использоваться как в
крупных, так и местных сетях,
обеспечивая обмен информацией
между общественными и частными
сетями.
Сети АТМ уже получили широкое
распространение, и стоимость
передачи по крупным сетям
ТВ-программ сравнима со стоимостью
распространения видеоматериалов,
записанных на ленту.
Привлекательной стороной этих
сетей является и их гибкость,
поскольку они позволяют передавать
разнообразные типы сигналов и
обеспечивают различные классы
служб. Например, в одной и той же
сети могут одновременно
транспортироваться сигналы
потокового видео, видеофайлы,
видео- и аудиопрограммы,
уплотненные сигналы вещательных
программ. По требованию
пользователя можно установить
симплексное или дуплексное
соединение.
Важнейшей характеристикой линии
связи является надежность. Для
конечного пользователя сеть должна
быть прозрачной, т.е.
невосприимчивой к ошибкам, и должна
поддерживать временнЊе параметры
входных сигналов. Схемы
восстановления сигналов должны
предусматривать устранение
джиттера и блуждания исходных
частот на выходе сети, иначе
невозможно будет выполнить
требования стандартов к
видеосигналам, в особенности
аналоговым композитным сигналам.
Кроме того, сети АТМ должны
обеспечивать скрытость и
защищенность передачи, что легко
достигается с помощью конкретных
ориентированных соединений.
Существуют различные методы
организации сети, с помощью которых
достигается необходимое качество
передачи вещательных сигналов.
Рассмотрим архитектуру сети АТМ.
Магистральная часть сети АТМ
состоит из АТМ-коммутаторов (рис. 1).
Интерфейсы между коммутаторами
называются интерфейсами сетевых
узлов (NNI). Интерфейсы между
коммутаторами, обслуживающими
магистральную линию, и сетевыми
адаптерами (NA), обеспечивающими
доступ пользователя к сети,
называются интерфейсами
«пользователь-сеть» (UNI).
АТМ-сеть может быть общественной и
частной. И та и другая
взаимодействуют через NNI
общественной сети (PNNI), который
стандартизован МСЭ. Общественные
сети АТМ взаимодействуют с помощью
интерфейсов B-ICI.
Рис. 1. Обобщенная архитектура АТМ-сети
Доступ к сети обеспечивается
сетевыми адаптерами (NA), которые
предназначены для адаптации
различных потоков данных
пользователя к формату
транспортного потока АТМ-сети.
Чем разветвленнее сеть, тем она
устойчивее к перегрузкам и
обладает большей пропускной
способностью.
На рис. 2 представлены слоистая
модель магистральной сети и доступ
к ней. АТМ-сеть может работать в
разнообразных физических слоях, по
которым транспортируются пакеты
данных (cell). Скорость цифровых
потоков в физическом слое
колеблется от 1 Мбит/c до 2,5 Гбит/c, а
для их передачи используются
оптические, электрические и
беспроводные линии. Наиболее часто
применяются линии PDH (плезиохронная
цифровая иерархия) E1/T1, E3, E4, от STM1 до
STM16, от OCЗ до ОС48.
Рис. 2. Слоистая модель магистральной сети и обеспечение доступа к сети для пользователя
В сети АТМ данные передаются в
форме пакетов, размером 53 байта.
Каждый пакет, поступающий в
физический слой или из него,
состоит из 48-байт абонентской
(полезной) информации и 5-байт
заголовка пакета.
Наиболее важными элементами
заголовка являются идентификатор
виртуального пути (VPI)
длительностью 8 бит и идентификатор
виртуального канала (VCI) 16 бит. Они
необходимы для идентификации
соединения в сети. Но можно
использовать только идентификатор
VPI, VCI не участвует в операциях
коммутации потоков. Поскольку
АТМ-пакеты достаточно короткие, они
легко коммутируются в сети с
помощью ключевых элементов сети —
быстродействующих аппаратных
средств.
Успешная передача информации в
сети невозможна без адаптации
потока исходящих данных и
транспортного потока АТМ. Для этого
используется слой адаптации (AAL),
стандартизованный МСЭ. При
передаче сигналов вещания обычно
применяют слои AAL1 и AAL5.
AAL1 используется для
транспортировки потоков, критичных
к временнЊм изменениям поступающих
с постоянной скоростью битов и
требующих сохранения той же
скорости при доставке информации
абоненту. Каждый пакет AAL1 содержит
47 байт передаваемых «полезных»
данных и одну ячейку с номером
последовательности (он позволяет
обнаруживать потери ячеек и
поддерживать непрерывность потока
битов). Кроме того, может
добавляться информация о временнЊх
соотношениях, если синхронизация
источника и аппаратуры приема
осуществляется способом,
называемым синхронной резидентной
временной маркой (SRTS).
AAL5 используется для передачи
данных в режиме нереального
времени на высококачественных
линиях с минимальной обработкой
сигналов аппаратными и
программными средствами. AAL5
работает с «полезной» информацией
объемом до 64 кбайт. Он применяется
для транспортировки IP-данных с
некоторыми серверами MPEG-2,
основанными на компьютерах и не
рассчитанными на работу со слоем
AAL1.
Соединения в АТМ-сетях бывают
однонаправленными (точка-точка) и
многонаправленными (точка-много
точек), что упрощает
распространение информации. Кроме
того, они могут быть симплексными и
дуплексными. В последнем случае
полосы частот каналов формируются
симметричными или асимметричными.
В каждой сети АТМ есть средства
(toolset) оптимизации ее ресурсов и
согласования требований с
качеством службы (QoS), гарантирующие
обеспечение заданных параметров.
Для сетей АТМ существуют пять видов
трафика (всей передаваемой
информации):
– с постоянной скоростью потока (CBR)
и жесткими рамками передачи в
реальном времени (вещательные
видео- и аудиосигналы, которые
требуют фиксированной полосы
частот и небольшого джиттера
пакетов);
– с переменной скоростью потока в
режиме реального времени (rt-VBR),
который может приспосабливаться к
изменениям полосы частот и к
большему джиттеру (обычно
применяется для передачи «голоса»);
– с переменной скоростью потока в
режиме нереального времени (nrt-VBR);
используется в тех случаях, когда к
задержке по времени и джиттеру
предъявляются более мягкие
требования. Этот трафик более
чувствителен к ошибкам в пакетах и
их потере;
– приспосабливающийся к
изменяемой скорости цифрового
потока (ABR); снабжен сложным
механизмом аккомодации к полосе
частот, оставшейся после
использования трех предыдущих
категорий трафика; типичное
применение — передача IP-данных;
– трафик с неопределенной полосой
(UBR); использует оставшуюся часть
полосы пропускания для
транспортировки данных IP в
локальных сетях (LAN).
Ключевым элементом средств
оптимизации ресурсов является
механизм установления трафикового
«контракта» (contract) между терминалом
пользователя и сетью. Условия
контракта определены и
стандартизованы МСЭ и АТМ-форумом.
Для каждого вида трафика эти
условия определяются качеством
службы (QoS), обеспечиваемой сетью
(задержка, джиттер, вероятность
ошибок), и обязательствами
пользователя предоставить трафик с
определенными параметрами
(мин/макс полоса частот, джиттер,
величины «вспышек» данных).
Для передачи сигналов вещания по
крупным сетям (WAN) обычно
применяются трафики CBR и nrt-VBR. Если
используется трафик CBR, сеть должна
обеспечивать определенные
значения вероятности потери
пакетов, их задержки по времени и
джиттера. Пользователь обязан
формировать трафик с определенными
пиковыми значениями скорости
потока и джиттера пакетов. При
использовании трафика nrt-VBR сеть
должна обеспечивать только
определенные значения вероятности
потери пакетов и их задержки по
времени. Для проверки соблюдения
контракта пользователем сеть
активизирует систему управления
абонентскими параметрами (UРС),
которая контролирует и управляет
трафиком в месте доступа
пользователя к сети. Эта операция
выполняется при каждом соединении.
Процесс UPC стандартизован для
АТМ-сетей. Он обнаруживает
нарушения оговоренных параметров и
действует по одному из двух
вариантов: снижает слишком большой
трафик или присваивает ему метку и
допускает в сеть с условием, что его
величина в первую очередь будет
снижена при переполнении сети.
Таким образом, право на
регулирование трафика защищает QoS
других пользователей, соблюдающих
условия контракта.
Одним из способов, гарантирующих
соблюдение пользователем
контракта, является
переформирование трафика (shaping), для
которого применяется такой же
алгоритм, как и в системе
управления абонентскими
параметрами UPC. Переформирователь
регулирует трафик и оптимизирует
статическое мультиплексирование в
сети, позволяя использовать почти
всю полосу пропускания.
Поступление пакетов от
многочисленных соединений в
сетевых интерфейсах NA или на выходе
АТМ-коммутаторов может вызвать
пе-регрузку. Избежать этого
помогают буферы и очереди пакетов.
Поскольку для потоков реального
времени недопустимы большие
задержки по времени, буферы
накапливают лишь несколько
десятков пакетов. С другой стороны,
IP-данные не чувствительны к
задержке, но требуют
незначительных потерь пакетов.
Этой категории информации
необходима буферизация большого
числа пакетов (до 10 тыс.). Чтобы
исключить блокировку потоков
реального времени, на входе линии
различными методами
устанавливается очередность
каждой категории трафика (рис. 4).
Диспетчер очередности (scheduler) в
соответствии с заложенной в него
программой пропускает требуемый
пакет при появлении свободного
интервала времени в линии. Этот
узел насчитывает много различных
алгоритмов обеспечения
очередности.
Рис. 3. Варианты (категории) АТМ-трафика
Рис. 4. Механизм обеспечения очередности
Рассмотрим подробнее основные
функции сетевого адаптера (NA),
являющегося шлюзом (интерфейсом)
между студией вещания и сетью. Он
приспосабливает параметры сети к
требованиям пользователя,
передающего информацию. Адаптер
поддерживает различные интерфейсы,
которые обеспечивают передачу
мультимедийных данных по сети АТМ,
в том числе потоки DVB и других
стандартов (например IP, SDTI).
В профессиональном вещании NA
поддерживает ряд кодеров и
декодеров MPEG-2 высокого качества,
каждый из которых имеет по одному
видеоканалу и по несколько
аудиоканалов. Это позволяет
выбирать различные параметры
сжатия и таким образом
оптимизировать соотношение
скорости потока, качества и
стоимости связи. Кодеки
поддерживают MPEG-2 MP@ML и 422P@ML профили,
а скорость потока выбирается
пользователем от 1 до 50 Мбит/c.
Поддерживаются и все основные
режимы сжатия MPEG-2 звукового
сигнала. Несжатый AES/EBU–поток
звукового сигнала формируется с
квантованием 16 бит, обрабатывается
кодером MPEG-2 и восстанавливается
декодером в цифровой форме. Этот
режим передачи используется в том
случае, если сигнал нельзя
подвергать каким-либо изменениям
или необходима его минимальная
задержка. При этом работа
происходит с максимальной полосой
пропускания линии.
Обеспечивается прозрачность
передачи данных, размещенных в
кадровом гасящем импульсе,
предусмотренных стандартами MPEG-2.
Временная задержка в типичной сети
АТМ изменяется максимум на 1 мс. Это
вызывает дрейф видеосигнала около
0,2 мкс, который устраняется
введением задержки видеосигнала в
буферном устройстве не более чем на
30 с. Адаптер может работать и с
нестабильными источниками,
создающими дрейф до 30 мкс.
Задержка в сети АТМ, обусловленная
буферными устройствами для
коррекции ошибок и восстановления
синхронизации, происходит в
основном в процессорном слое AAL1.
Эта задержка может быть очень
большой при низкой скорости потока
(0,1 с при 1 Мбит/с). Для потоков более
25 Мбит/c задержка составляет меньше
15 мс. В самой же линии связи по сети
АТМ задержка относительно
невелика — от 5 до 10 мс на 1000 км.
Задержку могут вызывать и кодеки
MPEG-2, величина которой зависит от
степени сжатия. Она может меняться
от двух кадров для внутрикадрового
кодирования (обычно при потоке
50 Мбит/c) до 600 мс и выше при
кодировании с длинными группами
изображений (GOP).
На основе АТМ организуются сети
разнообразной конфигурации. На
рис. 5 представлена схема
использования в вещании такой сети
с магистральными линиями и
каналами доступа к сети.
Типичная инфраструктура такой сети
состоит из нескольких десятков
коммутаторов, каждый из которых
обслуживает несколько десятков
адаптеров, связанных с
пользователями. Каждый из
адаптеров управляет от 1 до 10 видео-
и аудиоинтерфейсами, а так же
IP-интерфейсами.
Рис. 5. АТМ-сеть в сфере вещания
Возможность организовать в сети АТМ временные виртуальные линии (SVC) и гибкость стандарта MPEG-2 позволяют устанавливать многочисленные соединения для передачи видео-, аудиоинформации и организации связи с любым сетевым адаптером в сети. Оператору сети для обеспечения соединения достаточно просто «щелкнуть» мышью на визуальной панели, отображающей более 100 параметров кодирования MPEG-2, сети АТМ и QoS. В отдельных случаях пользователь может сам настроить каждый параметр соединения. Возможны также дуплексные асимметричные соединения. Например, для интервью, когда требуется высокое качество изображения по основному направлению и низкое — в обратном направлении. Могут передаваться и несжатые сигналы, но для этого задействуется широкая полоса пропускания линии, связь становится дороже.
Полный текст - в № 11 журнала "ТКТ" за 2002 г.
