Transmisión de Audio y vídeo sobre Ethernet: Protocolos SMPTE y AVB

1. La Nueva Ingeniería Broadcast
La Evolución a Través de los
Protocolos de Transmisión sobre
tecnología Ethernet
Gonzalo Rielo
Febrero 2013

2. Instalación Tradicional
Basada en la conectividad directa y el trabajo en banda base:
Un cable por señal y entrada o salida física.
Intercambio en banda base tanto en señal analógica o sobre
interfaces SDI, HD-SDI.
Composición de señales complejas a partir de señales síncronas.
Ancho de banda garantizado entre orígenes y destinos por no
compartir medio físico.
Control de niveles eléctricos a partir del control de la impedancia,
lo que impone limitaciones de tiradas de cable.
Sincronía de las señales a partir de referencias a partir de un
patrón.

3. Instalación Tradicional
Basada en la conectividad directa y el trabajo en banda base :
Es unidireccional con cada cable.
Es punto a punto
No tiene problemas de buffering
No existe el problema de la indeterminación de la latencia.

4. Instalación Tradicional
Fuente: AXON

5. Nueva Ingeniería
Basada en la Interconexión y el enrutameinto :
Un cable o conexión por equipo.
Independencia del protocolo y de la codificación en Banda Base .
Control de la latencia menor de ms.
Ancho de banda Compartido.
Control de niveles eléctricos generados en la recuperación
Sincronía de las señales a partir de referencias a partir de un reloj.
La distribución es gratis, de uno a varios

6. Fuente: AXON
Nueva Ingeniería. AVB

7. Principios de Funcionamiento
• Fiabilidad indiscutible:
Latencia menor de ms entre las
señales.
Disponibilidad inmediata de las
señales.
Conmutación y composición similar a
la actual.
Debe existir equipamiento
compatible
No sólo se debe trabajar
con las señales sino que
en la conectividad hay
que transportar su modo
de conexión y el control
de la transmisión:
METADATOS

8. Ventajas de La nueva estructura
PoE (Power over Ethernet)
Posibilidad de trabajo descentralizado. En Cloud llevado al extremo
Sin limitación de Interconexión de Equipos sin visión directa,
simplemente basado en la comunicación.
Mejora significativa de la Instalación
Menor Cableado
Diagramas más sencillos
Numeración de cableado por situación y no por equipamiento
Infraestructura compatible con el resto de equipamiento Ethernet.
El monitorado ya es parte de la gestión y no se configura como un
servicio nuevo, debido a que cualquier PC comparte medio de
transmisión.

9. Ventajas de La nueva estructura II
Mayor Ancho de Banda bruto:
El número de señales a recibir es mayor que un equipo
tradicional, debido a que se puede acceder a todas las señales
de la red directamente.
El control del ancho de banda no está comprometido por el
número de equipos en la red.
Se utiliza la misma estructura de diseño para pequeñas
instalaciones que para grandes infraestructuras.
Ejemplo de Instalación : Incluir una
cámara sobre una instalación de
audio y llevar el intercom. Quita el
TRIAX
No confundir transporte sobre
Ethernet con transporte sobre
Internet.

10. Soluciones existentes sobre Ethernet
VoP, muy generalizada.
Cobranet, como una agregación de canales, pero con poco control
de la latencia, alrededor de 5ms.
Ethersound de Digigram, soluciona parte de los problemas de
Cobranet ( 125us)
no puede llevar otro tipo de datos sobre la infraestructura.
No puede utilizar switches IT
No es bidireccional
Esta basado en el tráfico Broadcast, de uno para todos.
Dante. Presenta soluciones sobre 1Gbps:
Gestiona la QoS sobre configuración manual de los switches
No tiene priorización del tráfico.
Parece que Ethernet no es bueno
para tráfico AV

11. El trabajo para video sin compresión necesita conexiones de
10Gbps y 40Gbps.
Ambas configuraciones pueden correr en cobre y fibra.
Para instalaciones sólo de cobre se pueden encontrar conexiones
de 1Gbps en Cat. 5 y 10Gbps en Cat.6.
Los switches no tienen por qué ser grandes, los hay desde cinco
puertos ampliables o conectables a otros Bridges.
Ejemplo de vendedores de switches:
LabX ( http://www.labxtechnologies.com/xavity/xavity-bridging/)
Extreme Netwoks (http://www.extremenetworks.com/)
Harman (http://www.harman.com/EN-US/Pages/Home.aspx)
NetGear (http://www.netgear.es/)
Necesidad de puertos y Switches: 100GBE, 10GBE
Realismo en la Instalación

12. El principal trabajo se basa en la configuración de “routing” entre
los switches de las señales.
El principal método es el multicast
El protocolo IGMP permite enrutamiento dinámico entre switches
y redes, de señales independientes sobre tramas Multicast.
IGMP en IPv6 es el Internet Control Message Protocol (ICMPv6 )
Los enrutamientos dependerán de los futuros NOC
¿Cómo se producirían los enrutamientos?
ESTUDIO A CORE CENTRAL CONTINUIDAD
Flujo de señal desde un estudio a EMISIÓN
IGMP IGMP
Envío de señal a Estudio
IGMP

13. LA GRAN REALIDAD
IGMP o Internet Control Message Protocol (ICMPv6 ) no
garantizan la sincronización entre origen y destino por no tener
definidos tiempos de respuesta por lo que no se puede dejar a
su dependencia las conmutaciones.
Tiene dos llamadas: abandona una fuente carga la
siguiente
Conmutación
Multicast
235.5.245.100
235.5.245.101 235.5.245.101
HAY QUE CONMUTAR SOBRE
OTRA CAPA DEL PROTOCOLO
DISTINTA DE LA DE INTERNET

14. Protocolos
AVB
Vídeo sobre IP

15. Protocolos de Aplicación de Vídeo
Los estándar SMPTE 2022-2 y 2022-4 definen como crear y encapsular
señales sobre MPEG-2 TS.
SMPTE 2022-6 (HBMT) definirá cómo encapsular señal en banda base,
comprimido y encapsulado

16. Protocolos de AVB
IEEE 802.1BA Audio Video Bridging (AVB) Systems
Resume el funcionamiento global de AVB a través de los protocolos que
los componen.
IEEE 802.1AS “Timing and Synchronization for Time-SensitiveApplications in
bridged Local AreaNetworks.” (PTP):
Generación de la sincronía sobre switches Ethernet
IEEE 802.1Q Control de tráfico y QoS (SRP)dentro del AVB. Reserva de ancho
de banda en conexiones sobre puertos (Multiple Registration Protocol ,
MRP) y sobre VLANs (Multiple VLAN Registration Protocol , MVRP). Se
definen dos subnormas:
IEEE 802.1Qav Traffic Shaping for AV: Control de la latencia
(Forwarding and Queuing for Time-Sensitive Streams, FQTSS)
IEEE 802.1Qat Stream Reservation Protocol: Reserva garantizada de
conectividad.

17. Funcionamiento de los Protocolos de AVB
El AVB aparece como una extensión de IEEE 802.1 que es un conjunto de
estándares que define la conexión Ethernet para redes LAN y MAN.
En concreto se centra en tres nuevas normas:
IEEE 802.1 AS
IEEE 802.1 Q
Sincronía
QoS

18. Listener: Aquel equipo que es destinatario de una señal AVB
Talker: Aquel equipo que envía una señal para su uso por un
listener
Endpoints: Cualquier equipo que puede recibir una señal.
Stream, es un conjunto de señal o señale s desde un talker a uno o
varios listener
Bridge, normalmente un switch , es un gestor activo que controla
y participa en una conversación entre endpoints. Además es el
gestor de la media que controla.
Cloud, es una red AVB compuesta por Bridges, talkers y listeners.
Cualquier dispositivo AVB está dentro del cloud.
Los actores del AVB

19. QoS en AVB
La Calidad de Servicio es un concepto que implica que una transmisión se realice
con calidad, para ello se debe respetar que el ancho de banda esté garantizado y
que el retardo entre el origen y el destino esté dentro de unos márgenes
establecidos.
AVB dispone la QoS sobre el protocolo SRP, haciendo reserva de un
ancho de banda garantizado sobre el total de la conexión. Esta
garantía asegura hasta un 75% del caudal, permitiendo que continúen
conexiones que no pertenezcan a AVB.
Esta reserva se hace registrando los streams dinámicamente como si
se tratase de una lista de orígenes y destinos. Este registro se hace
conforme a la norma MRP, que a su vez puede ser de dos tipos:
A. Registrando una tabla de streams (Multistream MSRP)
B. Registrando VLAN a conectar (MVRP).
En caso A de registrar Streams, se incluye el protocolo (FQTSS) para el
transporte de señales muy dependientes de retardos como son las
señales de audio y vídeo.

20. Sincronía en AVB
El protocolo PTP, genera la sincronía entre todos los componentes de la nube AVB.
Lo hace en función de una señal patrón entre todos los elementos de la nube
similar a un protocolo NTP pero con mayor precisión
CLK CLKCLKCLK
Con esta configuración se asegura que todo el tráfico de red sigue el mismo
patrón. No se sincroniza la señal sino los equipos que la generan, reciben e
intercambian.

21. ¿Qué falta en AVB?
La posibilidad de trabajo con señales que dependan de capas
superiores de la pila de protocolo.
Las señales que dependen de la capa de aplicación porque vayan
comprimidas o que conlleven una referencia temporal implícita para su
trabajo.
Las señales de vídeo son de este tipo de señales.
AVB a día de hoy está limitado al transporte y a la conmutación no a la
composición de señales.
Esto hace que sea suficiente para señales de audio, el vídeo debe
esperar a…
…un draft que incluye el IEEE 1733 (extends RTCP for RTP streaming over
AVB supported networks.), lo que extiende AVB al nivel de aplicación,
previsto para final de 2013
El transporte de señales de control para comandar equipos.
IEEE 1394 (FireWire o iLink) está creado para esto.
AVB incluirá este protocolo próximamente

22. ¿Por qué AVB?
Es un estándar basado en el IEEE.
Interoperabilidad se garantiza y certifica a través del AvnU
Consrtium.
Multivendedor.
Sincronización garantizada de +/- 500ns en 7 hops (Saltos entre
equipos)
La facilidad de Instalación
Precio asequible y más barato que la infraestructura de vídeo
actual

23. El principal trabajo se basa en la configuración de “routing” entre
los switches de las señales.
El principal método es el multicast sobre VLAN y sobre IPv6
Las conmutaciones se harán sobre la capa de Aplicación o sobre la
capa de red, no sobre la capa de transporte.
Los enrutamientos dependerán de los futuros NOC, sobre
peticiones de aplicación SOA y REST
¿Cómo se producirán los enrutamientos?
VLAN 1 VLAN2 VLAN3
ESTUDIO A CORE CENTRAL CONTINUIDAD
Flujo de señal desde un estudio a EMISIÓN
IGMP IGMP
Envío de señal a Estudio
VLAN 2VLAN 2
VLAN 1VLAN 1
IGMP

24. Compatibilidad entre protocolos SMPTE y AVB
La compatibilidad es total
Los protocolos SMPTE trabajan en la zona alta de la pila de protocolo y AVB
en la capa baja.
Cuando AVB extienda su definición hasta el protocolo RTP, los nuevos
protocolos SMPTE acomodarán sobre aquel la señales de vídeo.
Los comandos IEEE 1394 permitirán el control de los equipos que generan las
señales de vídeo (Play, stop, pause, Fast Forward, etc.)
Las señales pueden ser enviadas desde su origen comprimidas y
encapsuladas, por ejemplo para distribución final, ya sea en entornos AVB o
Multimedia, desde equipamiento Broadcast de modo síncrono. O bien para
su registro como se hace en Camcorders.
Las señales podrán seguir trabajando en banda base con posibilidad de
conmutación y composición con la máxima calidad posible.
Los protocolos pueden funcionar de modo autónomo o conjunto dependiendo
de la necesidad

25. Cambio de Mentalidad en la Instalación
Elementos a Eliminar:
CÁMARAS: Las CCUs son redundantes, no son necesarias. Todas las
tareas que realiza se cambian por pura asignación streams a
endpoints.
Matrices de conmutación: no son necesarias las señales son
tomadas directamente de los conmutadores.
Distribuidores: Las señales se llevan punto multipunto a través de
la señalización de puertos, o la utilización de señales Multicast
sobre VLAN limitadas.
Nuevos conceptos:
IPv6. Asignación dinámica de IP sin limitaciones de las direcciones
estáticas de IPv4.
La redundancia se de a través del protocolo Spanin Tree Protocol
(STP)

26. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo I
Cámaras de estudio:
Si se trabaja con señal 3G, tendrían que llevar
conexión basadas en Dual link según la
especificación SMPTE 311, cada una de ellas de
1,5Gbps. Se podrán sustituir por una conexión única
10GbE
Por este mismo enlace de 10GbE se podría enviar
una señal de retorno, aunque habría que medir el
rendimiento y es posible que se necesitase una
nueva conexión.
Todo las demás señales, como Tallys, Intercom,
control de ajustes de la cabeza y robotización,
podrían ir a través de una de las dos conexiones
existentes.
2 x 10GbE

27. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo II
Monitor Invididual de estudio:
Independientemente si se trata de señal 1,5G o 3G
es necesario un interfaz 10GbE.
Existe gran cantidad de ancho de banda disponible
por lo que no es descabellado pensar en
agrupaciones de dos o tres monitores en cascada
sobre una única conexión
En este caso se pueden levantar más de una
conexión MAC sobre el mismo puerto físico.
1 x 10GbE

28. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo III
Panel de Monitorado:
Dependiendo de la dimensión del multipantalla pueden producirse la
conexiones en uniones de 10GbE o incluso de 100GbE. Por ejemplo
para un monitora de 65 señales con sólo dos enlaces de fibra a
100GbE sería suficiente
2 x 100GbE

29. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo IV
Procesadores:
Se engloba en esta opción a equipos, del tipo, legalizador, teletexto,
subtitulados, embebedores, marcas forenses, etc.
Hay que pensar en procesadores concentrados con posibilidad de trabajar con
varias señales de manera simultánea, o bien encadenar varios procesos de
manera secuencia, lo que no impide que las señales entren y salgan de manera
bidireccional por el mismo interfaz.
Se trata de la misma situación que el Panel de Monitorado pero en menor
escala, si todo es una agrupación.
Existe el problema de incurrir de retardo importantes si se tienen más de siete
saltos seguidos, entre entradas y salidas
2 x 10GbE

30. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo V
Servidores de Vídeo:
Pensando en servidores de repetición con
varias entradas y salidas.
Suponemos un total de 6 señales,
independientemente de si son de entrada
o de salida.
Tendríamos un tráfico mantenido de al
menos 18Gbps, por lo que con 2
conexiones 10GbE se tendría el ancho de
banda cubierto además de poder llevar
todas las señales de control.
2 x 10GbE

31. Ejemplo: Tipo de conexión por Equipo VI
Mezcladores:
Es el equipo más complicado de introducir por el gran número de señales que
maneja.
Si bien la mayor parte de las composiciones se realizan por combinaciones
simples de dos señales. Las posibilidades pueden necesitar todas las señales de
entrada a un mezclador.
A las señales de entrada hay que sumar las señales que entrega a sus salida:
programa, previo, clean feed, salidas de M/E, etc.
Es fácil tener que manejar más de 70 señales simultáneas.
Los paneles remotos además necesitarán una conexión Ethernet garantizada con
el equipamiento de mezcla.
2 x 100GbE
1 x 1GbE

32. Referencias
EBU TECHNICAL REVIEW – 2012 Q4. SDI over IP
http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_Transport_Protocol
http://en.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Messaging_Protocol
The Case for Using 10 Gigabit Ethernet for Low Latency Network
Applications. Azzton Meztler & Associates. April 2012
AVnu Pro__White Paper
avb_solution_brief
http://www.avnu.org/
Riedel-AVB-Essential-Guide-print1
www.globaltv.com.au/broadcast-engineering/ethernet-based-live-
television-production