Lezioni di IP da Videoprogetti

Hanno fatto registrare il tutto esaurito le due giornate dedicate alle problematiche legate all’utilizzo delle reti IP (Internet Protocol) nei centri di produzione video e audio organizzate presso la sede milanese e romana di Videoprogetti.

“Ci aspettavamo una buona presenza per questa giornata anche perché negli ultimi cinque anni l’attenzione degli operatori per l’IP è aumentato notevolmente” ha detto Francesco Struzzi di Videoprogetti dando il benvenuto ai numerosi partecipanti al seminario che si è svolto a fine febbraio presso la sede milanese dell’azienda.
Secondo Francesco Struzzi, i tempi sono oramai maturi: gli standard necessari per garantire l’interoperabilità fra le apparecchiature basate su IP (Internet Protocol) di diversi fabbricanti in parte esistono già e aziende come SAM (Snell Advanced Media) propongono da diverso tempo soluzioni per l’instradamento dei flussi audio e video sfruttando il protocollo PTP (Precision Time Protocol) per la loro sincronizzazione. L’utilizzo della tecnologia IP è solo una parte di quella che sarà poi una transizione più grande verso l’impiego di tecnologie IT (Information Tecnology) nel mondo broadcast: “in questo contesto, il nostro ruolo come system integrator cambierà perché passeremo dalla realizzazione di infrastrutture principalmente hardware-based, come quelle che abbiamo realizzato fino ad oggi, a servizi orientati alla gestione di infrastrutture basate su IP”, ha dichiarato Francesco Struzzi.
Un esempio è quanto è stato fatto da Videoprogetti con la piattaforma Timvision di Telecom Italia per la distribuzione di contenuti multimediali dove c’era la necessità di transcodificare rapidamente in HEVC/H.265 migliaia di ore di film. All’interno della sede del cliente è stata quindi realizzata una private cloud con le applicazioni necessarie per la transcodifica; in caso di necessità, questa può essere estesa a una public cloud, il tutto gestito da un orchestratore in grado di gestire i processi e le risorse.

Gli switch non sono tutti uguali

Un elemento chiave di un’infrastruttura IT è lo switch, un dispositivo di rete per l’instradamento dei dati che svolge il ruolo delle matrici video e audio utilizzate nei centri di produzione. I fabbricanti di switch sono numerosi e fra questi Videoprogetti ha scelto come partner Arista, un’azienda relativamente giovane, fondata nel 2004 da ex-manager di Cisco. In pochi anni, Arista è riuscita a erodere a Cisco, che resta comunque tuttora leader del settore, una consistente fetta del mercato, puntando su prodotti destinati ai più grandi data center e oggi utilizzati da aziende del calibro di Amazon, eBay, Facebook, Microsoft e Netflix.
Degli oltre 1.500 dipendenti di Arista, la metà sono sviluppatori di software, elemento ritenuto fondamentale per un’azienda che si occupa di networking. “Arista è l’unico vendor che impiega chipset commerciali che chiunque può comprare, quello che fa la differenza è il software”, ha detto Davide Bassani, System Engineer EMEA di Arista, che ha poi illustrato le principale caratteristiche degli switch proposti dalla sua azienda.
I prodotti più recenti sono basati sullo standard 25/50 GbE che garantisce prestazioni superiori rispetto allo standard 10/40 GbE, ma con costi paragonabili. Con un collegamento 25 GbE è possibile trasportare fino a otto flussi video HD a 3 Gbps contro i tre permessi dai collegamenti a 10 GbE e le porte a 25 GbE possono essere utilizzate per collegamenti a 10 GbE o 1 GbE assicurando la compatibilità con i dispositivi esistenti, come ha spiegato Bassani.
Gli switch della serie 7500R sono basati sulla tecnologia 100 GbE e supportano collegamenti a 10/25/40/50 e 100GbE. In uno chassis da 1 RU possono trovare posto 36 porte 100GbE che diventano 144 porte 10/25 GbE utilizzando split cable che permettono di collegare quattro porte a un’unica porta dello switch. Come conseguenza dell’elevata densità di porte, i consumi di energia elettrica si riducono drasticamente, con ovvio beneficio sui costi di esercizio dei data center.
Per quel che riguarda le esigenze specifiche del settore broadcast, gli switch Arista garantiscono una bassa latenza e la possibilità di supportare applicazioni in tempo reale, oltre alla funzione multicast per il collegamento di una sorgente a più destinazioni. Sulla possibile perdita di dati, Bassani ha tenuto a ricordare che “IP non è un protocollo lossless, sia chiaro, però abbiamo delle soluzioni che permettono di indirizzare questa necessità di lossless, non raggiungiamo il 100%, però siamo molto vicini.” La larghezza di banda non rappresenta un problema e la possibilità di sincronizzazione con il PTP può garantire la commutazione fra stream video senza artefatti visibili.
Bassani ha poi evidenziato come nel mondo IP non esista il concetto di cablaggio dedicato, un cavo – sia in rame o in fibra ottica – può trasportare più flussi in entrambi i sensi, al contrario di quanto accade con le infrastrutture SDI per le quali ciascun cavo porta un solo flusso e sempre nello stesso senso. Aggiungendo nuovi dispositivi, nella maggior parte dei casi si possono quindi utilizzare i cablaggi esistenti e, se proprio necessario, aggiungere una porta in più. Con gli switch della serie 7500R si hanno a disposizione fino a 9,6 Tbps (1 Tbps equivale a 1.000 Gbps) per ogni slot da 1 RU con un massimo di 115 Tbps per ogni frame, equivalenti a oltre 14mila flussi video 3G/SDI.
La possibilità di accedere a strumenti di sviluppo permette poi a terze parti di integrare gli switch Arista nei propri sistemi di controllo, come hanno già fatto aziende come Imagine e Lawo. Bassani ha infine sottolineato l’importanza degli standard nel mondo video, argomento che è stato affrontato da Richard Ansel, System Consultant SAM.

La strategia SAM per l’IP

L’azienda inglese è uno dei membri fondatori dell’AIMS (Alliance for IP Media Solutions), un gruppo di fabbricanti e broadcaster che ha come obiettivo il favorire l’adozione di standard per i broadcaster e l’industria dei media nella transizione da SDI a IP. Secondo Ansel, “per numerose applicazioni, SDI è ancora la risposta migliore, ma IP ha molti vantaggi.”
Gli standard oggi esistenti sono l’SMPTE 2022-6 per il video e AES67 per l’audio, ai quali si aggiungono le raccomandazioni TR-03 e TR-04 del Video Services Forum (VSF), l’associazione che ha tra i suoi scopi quello di garantire l’interoperabilità fra le apparecchiature dei diversi produttori.
Come ha spiegato Ansel, la differenza principale fra lo standard SMPTE e le raccomandazioni VSF consiste nel modo in cui sono gestiti i segnali audio. Con lo standard SMPTE 2022-6 possono sorgere problemi quando sia necessario modificare solo l’audio incorporato in un segnale SDI: infatti, il segnale SDI (contenente video, audio e dati) deve essere suddiviso in pacchetti per il trasporto sulla rete IP, occorre poi ricostruire il segnale SDI dai pacchetti per estrarre l’audio da elaborare, incorporarlo nel segnale SDI che deve essere nuovamente suddiviso in pacchetti e inviato alla destinazione dove avviene il processo contrario. Con questo modo di procedere, non è certo vantaggioso il passaggio all’IP.
Le raccomandazioni VSF TR-03 si differenziano nel modo in cui è gestita la suddivisione in pacchetti: in questo caso, vengono creati pacchetti diversi per video, audio e dati e quindi solo i pacchetti audio devono essere ricombinati per sottoporli all’elaborazione. L’alternativa è rappresentata dalle raccomandazioni TR-04 che prevedono il trasporto di stream separati per video e audio utilizzando rispettivamente gli standard SMPTE 2022-6 e AES67.
Il nuovo standard SMPTE 2110, ancora in via di definizione, integrerà le raccomandazioni del VSF con gli standard SMPTE 2022-6 e SMPTE 2059, quest’ultimo necessario per la sincronizzazione degli stream con il protocollo PTP.
I primi prodotti che supporteranno lo standard SMPTE 2110 sono attesi già quest’anno. “Tutti i produttori hanno lo stesso problema, questo standard non esiste oggi, ma potrà essere supportato in seguito con l’aggiornamento del software e non c’è quindi alcun timore oggi di investire in IP per il fatto che gli standard possano cambiare nel futuro”, sostiene Ansel, e continua: “questo è uno dei vantaggi dell’IP, se compri oggi dispositivi 3G-SDI e vuoi poi passare al 12G-SDI questo significa che dovrai investire in nuovo hardware, ma se passi da HD a 8K o a high frame rate o HDR potrai usare esattamente la stessa infrastruttura IP, non devi investire in nuovo hardware, ma solo sul software o sul firmware.”

Un approccio universale

L’approccio di SAM alla transizione verso l’IP si incentra nell’utilizzo dei cosiddetti switch COTS (Commercial Off the Shelf: dispositivi pensati per uso generico) come matrici video. Nessun problema per la larghezza di banda degli switch, che già oggi può superare il centinaio di Tbps e per l’assenza di colli di bottiglia (in gergo informatico si parla di dispositivi non-blocking, la larghezza di banda di ciascuna porta è sempre disponibile anche quando sono utilizzate tutte le porte). Il protocollo IGMP (Internet Group Management Protocol) è utilizzato per stabilire le connessioni multicast mentre con il PIM-SSM (Protocol Indipendent Multicast – Source Specific Multicast) è utilizzato per stabilire una connessione diretta tra la sorgente e la destinazione. Questi protocolli, sebbene sviluppati in ambito IT, sono perfettamente utilizzabili anche in ambito video e supportati dalla maggior parte degli switch di fascia alta.

Ansel ha tenuto a precisare che il protocollo IGMP non è così veloce come le reti SDN (Software Defined Network) proposte da altre aziende, ma il vantaggio consiste nel fatto che questo protocollo è supportato da tutti i maggiori fabbricanti di switch. Non sono quindi necessari particolari adattamenti del sistema di controllo di una rete qualora siano presenti switch di differenti produttori, cosa che accade invece con le reti SDN che richiedono un software specifico per ogni produttore.
“In SAM, non crediamo che ci sia bisogno di SDN oggi, non certo per garantire una commutazione invisibile fra due flussi video”, ha dichiarato Ansel, secondo il quale la criticità di una rete SDN è rappresenta dal controller, il cui blocco richiede poi un discreto tempo, dell’ordine dei minuti, per ripristinare la configurazione di tutti i dispositivi collegati alla rete, mentre con il protocollo IGMP i tempi sono ridotti e possono essere presenti più controller nella stessa rete per garantire una maggiore continuità del servizio.

Un’altra caratteristica delle soluzioni IP proposte da SAM è la commutazione fra gli stream video, gestita nel dispositivo di destinazione e non dagli switch o dai dispositivi sorgente. Le reti IP sono per loro natura asincrone, i pacchetti di dati possono impiegare tempi diversi per essere trasferiti, ma con il protocollo PTP è possibile sincronizzare tutti i dispositivi presenti nella rete. L’impiego di frame synchronizer nel dispositivo di destinazione permette poi di ottenere una commutazione fra gli stream impercettibile.
Ansel è passato poi a descrivere i prodotti IP di SAM oggi disponibili. Il controllo dell’intera rete è affidato ai dispositivi IPEDGE-SRV, disponibili in configurazione singola o doppia, che possono utilizzare gli stessi pannelli di controllo Luna delle matrici video SAM. Per i mixer della serie Kahuna sono già disponibili le schede per collegamenti a 10GbE e al NAB saranno presentate quelle a 40GbE mentre per quelle a 50GbE occorrerà attendere l’IBC. La versione IP del frame rate/format converter KudosPro è già disponibile con porte 10GbE mentre anche per i processori audio/video a 12 canali IQ Edge è prevista la possibilità di gestire segnali 10/25/40GbE. La conversione da SDI a IP e viceversa è gestita dai dispositivi della serie IQMIX, disponibili con porte 10/25/40GbE, conversioni che possono anche essere integrate nelle matrici video Sirius della serie 800.

L’intervento di Ansel è terminato con qualche accenno alle produzioni in 4K: la disponibilità di dispostivi con porte a 25 e 40 GbE rende possibile anche il trasporto di questi segnali video non compressi mentre per l’utilizzo di collegamenti a 10 GbE è indispensabile una qualche forma di compressione. SAM supporta sia il codec VC-2, definito dallo standard SMPTE 2042 e derivato dal Dirac della BBC, sia il Tico della Intopix, quest’ultimo solo per garantire l’interoperabilità con altri fabbricanti: la preferenza va al primo poiché non comporta il pagamento di alcuna royalty.

A ritmo di Tektronix

L’ultimo intervento della giornata è stato quello di Yannick Le Dreau, application engineer video di Tektronix, che ha affrontato nel dettaglio la sincronizzazione dei diversi dispositivi presenti in rete con il Precision Time Protocol (PTP). Su questo protocollo, definito dallo standard della IEEE 1588, si basa lo standard SMPTE ST2059 e il suo scopo è di stabilire un riferimento temporale comune per i diversi dispositivi. Lo standard SMPTE 2059-2 richiede che un dispositivo slave sia in grado di sincronizzarsi entro cinque secondi e che la differenza fra gli orologi dei diversi dispositivi sia inferiore a un microsecondo.
L’architettura utilizzata per l’implementazione del PTP è di tipo gerarchico, con un dispositivo generatore del segnale di clock, detto Grand Master, al quale fanno riferimento tutti gli altri, detti slave, che a loro volta possono svolgere la funzione di master per altri dispositivi. Il metodo più semplice per garantire un’elevata precisione del Grand Master è la sincronizzazione con i segnali GPS, proprio come avviene con i più recenti generatori di segnali di sincronia per le infrastrutture SDI.
Il Grand Master trasmette periodicamente un segnale di sincronia, ma il problema delle reti IP consiste nel fatto che i tempi di trasferimento non sono sempre gli stessi e possono essere diversi nei due sensi. Per questa ragione, i dispositivi slave collegati al Grand Master gli trasmettono periodicamente una richiesta per stabilire il ritardo nella trasmissione dei segnali in entrambi i sensi.
Per garantire la continuità del servizio, nella rete viene inserito un secondo Grand Master con funzioni di backup: in caso di malfunzionamenti del Grand Master principale, anche solo per la perdita del segnale GPS, il dispositivo di backup diventa automaticamente il Grand Master di riferimento, operazione gestita dal Best Master Clock Algorithm (BMCA), un software sempre attivo su tutti i dispositivi che analizza tutti i parametri dei Grand Master presenti nella rete.
La soluzione proposta da Tektronix si adatta perfettamente ad ambienti ibridi, dove siano cioè presenti sia dispositivi SDI che IP, ed è rappresentata dal generatore di sincronismi SPG8000a che, oltre a supportare il protocollo PTP, genera i segnali di sincronismo per sorgenti video analogiche, SDI e AES67.
Per l’analisi del funzionamento di infrastrutture IP/SDI in tempo reale, Tektronix propone il Prism che è in grado di analizzare sia i parametri delle reti IP – PTP compreso – sia i segnali video SDI o quelli presenti in un collegamento a 10GbE, la massima larghezza di banda attualmente supportata. L’hardware è in grado di poter supportare anche nuovi standard con futuri aggiornamenti del software.

L’IP in pratica

Al termine degli interventi sono state dimostrate le funzionalità delle apparecchiature presentate da parte dei rappresentanti di SAM e Tektronix nel corso della giornata, permettendo ai partecipanti di constatare personalmente il fatto che la possibilità di utilizzare un’infrastruttura IP per le produzioni video sia ormai una realtà.
Per quanto sentito e visto, la transizione verso l’IP non sembra però che potrà essere una passeggiata e questo per tutta una serie di problematiche che chi proviene dal mondo video dovrà affrontare, prima fra tutte la necessità di imparare il linguaggio dell’IT anche solo per riuscire a districarsi fra la miriade di acronimi e standard che gli sono propri. Basta dare un’occhiata alle specifiche tecniche di uno switch di rete per rendersene conto.
In questo scenario, soprattutto per le realtà di dimensioni medio-piccole, diventa quindi sempre più rilevante il ruolo dei system integrator che siano in grado di guidare nella scelta delle apparecchiature più adatte alle singole esigenze.