Мультимедийные локальные и глобальные сети

Мультимедиа в корпоративных сетях? Поставщики и группы стандартизации ищут пути решения этой задачи.

На заре развития мультимедиа возможности этих средств использовались прежде всего в играх, образовании, видеокиосках и т.п. По большей части приложения были автономными (несмотря на множество примеров сетевых игр с мультимедиа). Со временем, однако, мультимедиа стали проникать в корпоративные сети - по крайней мере, теперь информационным службам и администрации сетей приходится учитывать то влияние, которое мультимедиа оказывает на их сети.

Мультимедиа налагает особые требования на сеть. Ранее сети создавались прежде всего для передачи текста и двоичных данных. Видео, анимация и звук ставят перед создателями сетей совершенно иные задачи. Эти три типа данных нетерпимы к задержкам: если они не получат своевременного обслуживания, то конечным пользователям придется слушать сбивчивую речь и смотреть дергающееся видео.

ЧТО ТАКОЕ МУЛЬТИМЕДИА?

"Мультимедиа" - одно из тех словечек, которые постоянно на слуху, причем люди понимают его по-разному. Для наших целей давайте определим мультимедиа как смесь текста, графических изображений, анимации, видео и звука в компьютерных приложениях. Не все из этих видов данных - проблема для сети. Локальные и глобальные сети передают текст десятки лет, а графические изображения - ничто иное, как двоичные данные (во всяком случае в отношении сети). Конечно, одна картинка занимает тысячи байтов и более. Один размер передаваемых данных сам по себе уже проблема при работе с мультимедиа.

На первый взгляд звук, анимация и видео - это двоичные типы данных. Что их отличает от других, так это то, что они должны доставляться в строго определенные моменты времени. Учитывая то, что эти типы данных занимают обычно большие массивы, легко понять, что они представляют собой проблему для большинства сетей. В конце концов, средняя корпоративная сеть напоминает перегруженную автостраду в час пик: то потухнет, то погаснет. Что касается проектирования сети, то мультимедиа требуют совершенно иного подхода.

Звук имеет аналоговую природу. На Рис. 1 показано, как со временем источник звука (человеческий голос, барабан, автомобильный гудок и т.п.) быстро модулирует давление окружающего воздуха - в каждый конкретный момент времени давление ниже или выше нормального. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, а высота звука характеризуется частотой звуковых колебаний. При записи звука микрофон служит в качестве преобразователя акустической энергии в электрическую форму. Электрический выход микрофона является аналогом акустического сигнала. Таким образом, график на Рис. 1 может относиться как к мгновенному давлению воздуха, так и к мгновенному напряжению электрического тока как функции времени.

Современные компьютеры и телефонные сети хранят и передают оцифрованный звук. Для этого схема, известная как аналого-цифровой преобразователь (АЦП), регистрирует величину аналогового электрического сигнала через короткие промежутки времени и записывает ее в виде двоичного числа. Хорошо известная в теории связи теорема Найквиста гласит: чтобы записанные данные четко воспроизводили непрерывный меняющийся аналоговый сигнал, частота выборки должна по крайней мере в два раза превышать наибольшую частоту аналогового сигнала. Так как телефонные системы рассчитаны на полосу пропускания чуть меньше 4 КГц, то современные телефонные системы производят выборку аналогового сигнала с частотой 8000 раз в секунду. Используемые преобразователи - 8-битовые, так что АЦП выдает двоичные данные со скоростью 64 Кбит/с (8 бит умножить на 8000). Другая стандартная скорость выборки - 44100 выборок в секунду для 16-разрядных преобразователей. Такая скорость характерна для аудиокомпакт-дисков.

Используемые на компьютерах графические изображения можно разделить на две категории: векторные и растровые. В векторной графике изображение формируется при помощи линий (векторов). Примерами программ рисования с использованием векторной графики служат Autocad и Adobe Illustrator. Разместив линию в векторном рисунке, вы можете перемещать ее в пределах рисунка и менять размер.

Растровая графика представляет собой набор точек. Примером программы растровой графики служит Windows Paintbrush. Нарисованные в этих программах линии состоят в действительности из ряда отдельных точек. Такую линию можно отредактировать, только стерев отдельные пикселы или всю линию целиком.

Оба вида графических данных не представляют сколь-либо сложной задачи для сети. Однако неподвижные изображения не чувствительны ко времени в отличие от звука, анимации и видео, поэтому они гораздо более терпимы к небольшим задержкам. Размер - единственная проблема, которую изображения ставят перед сетью. В сравнении с текстовыми, графические файлы огромны - поэтому они могут занять значительную часть общей полосы пропускания сети. Применение различных технологий сжатия во многом помогает решить эту проблему.

Компьютерная анимация требует некоторой ловкости рук. Она представляет собой последовательность неподвижных изображений, иллюзия же движения создается за счет быстроты воспроизведения. Таким образом, анимационные данные - это та же графика (векторная или растровая).

Если изображения занимают значительные объемы, то еще в большей степени это относится к анимации, так как она состоит из множества изображений. Помимо высокой пропускной способности, анимация требует четкой синхронизации при отображении изображений.

Видео - результат той же оптической иллюзии, что и анимация. Видео представляет собой последовательность фотографических изображений, отображаемых один за другим с высокой скоростью. Как следствие, видео - крупнейший потребитель полосы пропускания. Анимация состоит из простых рисунков (то, что художники называют "искусство линии"). Графические же изображения занимают просто гигантские объемы памяти. Еще более осложняет дело то, что видео чрезвычайно чуствительно к задержкам. Если даже скорость воспроизведения составляет 10 кадров в секунду, то новое изображение должно рисоваться на экране каждые 100 мс. Доставка данных именно в тот момент, когда они нужны, - трудная задача для любой сети.

К счастью, видеоданные поддаются сжатию, причем степень этого сжатия весьма высока. Одним из популярных методов сжатия является MPEG, который, как и другие методы, основан на том факте, что следующий видеокадр отличается от предыдущего незначительно. Последующий кадр значительно отличается от предыдущего только в том случае, если движение очень быстрое (или оператор показывает то с одной камеры, то с другой).

Даже с учетом сжатия видео требует значительной полосы пропускания. Для передачи потока видео со сжатием MPEG требуется пропускная способность от 1,5 до 2 Мбит/с.

В ДВИЖЕНЬИ - ЖИЗНЬ

Теперь, когда мы познакомились с типами данных, встает вопрос - как передавать их по сети.

На Рис. 2 показана небольшая рабочая группа на базе разделяемого сегмента Ethernet 10BaseT. Файл/видеосервер и несколько рабочих станций подсоединены к концентратору Ethernet (повторителю). 10 Мбит/с - более чем достаточная пропускная способность для поддержки потока видео в 2 Мбит/с. Недостаток такой конфигурации состоит в том, что 5 и более рабочих станций могут запросто выбрать всю полосу пропускания сегмента, в результате коэффициент использования достигнет 100 процентов. Такая сеть работает приемлемо, когда только одна рабочая станция воспроизводит видео с сервера; таким образом, необходимо, чтобы все остальные бездействовали, чего гарантировать нельзя.

Адаптеры Ethernet могут работать только на максимальной скорости или не работать вовсе. Если, например, пользователь рабочей станции копирует файл на файловый сервер, то драйвер и адаптер Ethernet посылают пакеты с максимально возможной скоростью - от 2 до 7 Мбит/с, а в некоторых случаях и больше. Легко видеть, что две рабочие станции, передающие со скоростью 6 Мбит/с, могут целиком насытить сеть Ethernet на 10 Мбит/с. Видеосерверу вряд ли удастся справиться с передачей видеоданных со скоростью 2 Мбит/с при таком уровне фонового трафика. Если бы операционная система изыскала какой-либо способ замедления передачи обычных данных до более низкого уровня, скажем до 1 Мбит/с, видеопоток имел бы гораздо больше шансов достичь места назначения вовремя. Конечно, в некоторых случаях нужна максимально быстрая передача данных (например, при резервном копировании большого объема данных), так что весьма желательно иметь какие-либо средства для контроля за скоростью передачи данных. К сожалению, современные сетевые операционные системы не рассчитаны на работу с мультимедиа.

Хорошего качества воспроизведения видео в сетях 10BaseT можно достичь, если каждая рабочая станция имеет выделенные канал Ethernet. Именно поэтому коммутация стала столь популярной в работающих с видео сетях. При наличии выделенного канала Ethernet между видеосервером и рабочей станцией ничто не может помешать серверу передать данные именно тогда, когда они нужны.

Джим Лонг, президент Starlight Networks, рекомендует коммутируемые сети. На Рис. 3 представлен пример такой сети, в которой ряд клиентских рабочих станций подсоединен к портам 10BaseT на коммутаторе Ethernet, а сервер подсоединен к порту 100BaseT. Исходя из того, что число рабочих станций не превышает 10 и при этом каждая станция подключена к своему порту коммутатора, каждая станция имеет фактически выделенный канал к серверу на 10 Мбит/с. Канал Fast Ethernet к видеосерверу на 100 Мбит/с является разделяемым, но при числе портов 10BaseT не более 10 вероятность того, что совокупная скорость передачи данных портов 10BaseT превзойдет пропускную способность порта 100BaseT, мала.

Starlight предлагает видеосерверы для таких коммутируемых сетей. Серверы StarWorks управляют полосой пропускания для достижения максимального эффекта. Например, при воспроизведении одного видеопотока MPEG в 1,5 Мбит/с серверу нет необходимости посылать пакеты "спина к спине" - он отправляет их через соответствующие интервалы времени. Это позволяет чередовать несколько видео- и аудиопотоков без конфликтов между ними. Кроме того, видеопотоки можно чередовать с передачей обычных данных.

Серверы StarWorks управляют только видеопотоками. Тем не менее администраторы сети имеют возможность разделить доступную пропускную способность между видео и данными. Например, вы можете задать, чтобы видеотрафик в сети 10BaseT не превышал 55 процентов. В этом случае сервер StarWorks гарантирует, что видеопоток не будет превосходить 5,5 Мбит/с. Остаток может использоваться для передачи другого трафика.

ТЕХНОЛОГИЯ PACE

Давайте вернемся к вопросу о том, что необходимо для поддержки мультимедиа. Боб Роман, директор по разработкам для бизнеса в 3Com, утверждает, что для этого поддержка должна осуществляться в реальном времени. Однако он добавляет, что сетевая индустрия никогда не ориентировалась на сети реального времени, данные доставлялись постольку поскольку.
По мнению Романа, видео и аудио требуют достаточной полосы пропускания, детерминизма, а также возможности комбинирования традиционных и мультимедийных данных - другими словами, приоритетности в случае перегрузок.
3Com работает над способами обеспечения детерминистского поведения Ethernet и установления приоритетов для различных типов данных. Компания назвала свое детище PACE (Priority Access Control Enabled).

Решение 3Com ориентируется не на повторители, а на коммутаторы Ethernet. При этом, однако, годится не всякий коммутатор - он должен уметь работать с PACE, как, например, LinkSwitch 1000 компании 3Com (коммутатор 10BaseT). В то время, когда вы прочтете эти строки, поддержка PACE для 100BaseT-коммутатора LinkSwitch 3000 будет доступна в виде программного обновления. К этому же сроку 3Com планирует выпустить драйверы PACE для адаптеров Fast EtherLink 10/100 и EtherLink III PCI собственного производства. К концу года 3Com собирается представить драйверы для адаптеров EtherLink III ISA.
Как работает PACE? Роман объясняет это посредством сравнения. В традиционном Ethernet первый передающий узел получает преимущества над другими узлами. Первому узлу разрешается отправить от пяти от семи пакетов подряд, после чего эту возможность получает другой узел.

Технология PACE позволяет избежать эффекта захвата за счет изменения работы коммутатора. Получив группу пакетов для отправки на станцию, коммутатор не посылает их тут же один за другим, а, отправив один пакет, ждет пакет от устройства, подключенного к данному порту. Получив пакет, он передает следующий. 3Com называет этот алгоритм интерактивным доступом. Строго говоря, интерактивный доступ и детерминистская сеть не вполне одно и то же, но такой доступ позволяет значительно продвинуться в области равномерной доставки данных, что так необходимо для видео и аудио.

В соответствии с требованиями PACE, каждый узел, подсоединенный к сети, должен иметь собственный порт Ethernet. Это требование не так уж обременительно с финансовой точки зрения, если учесть резкое падение цен на коммутируемый Ethernet, которое произошло за несколько последних лет. Технология PACE поддерживает как 10BaseT, так и 100BaseT.
Другое свойство PACE - приоритетность. PACE допускает два уровня приоритетности: высокий и низкий. Потокам видео- и аудиоданных присваивается высокий приоритет, в то время как традиционные данные помечаются низким приоритетом. Если коммутатор перегружен, то он в первую очередь передает пакеты с высоким приоритетом.

PACE добавляет поле приоритета в заголовок кадра Ethernet. Коммутаторы используют это поле для идентификации кадров с высоким приоритетом. Установление уровня приоритета возлагается на конечные узлы.
В идеале сетевые операционные системы или приложения должны автоматически устанавливать уровень приоритета для PACE в зависимости от чуствительности данных к задержкам по времени. Проблема в том, что операционные системы и приложения появились раньше PACE и не поддерживают эту технологию. Однако некоторые работы в этом направлении уже ведутся. Так, Winsock 2.0 и NDIS 4.0 будут поддерживать PACE.

В качестве промежуточного решения 3Com разрабатывает интеллектуальные драйверы для своих адаптеров с установлением уровня приоритета.

Интерактивный доступ является запатентованной технологией, но 3Com надеется, что другие поставщики сетевого оборудования будут приобретать лицензии. Безусловно, метод установления приоритетов должен быть стандартизован. Роман говорит, что комитет IEEE 802.1p сейчас как раз занимается определением стандарта на приоритеты для локальных сетей с мостами. (Коммутаторы, по сути, являются мостами.) По словам Романа, 3Com откажется от нынешнего подхода, когда стандарт будет определен.

IP РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Что касается IP, протокол передачи в реальном времени (Real-time Transport Protocol, RTP; RFC 1889) вместе с протоколом управления передачей в реальном времени (Real-time Transport Control Protocol, RTCP; RFC 1890) позволяют передавать голос, видео и другие чувствительные к задержкам данные по Internet, корпоративным сетям Intranet и другим сетям на базе TCP/IP. RTP - потоко-ориентированный протокол. Заголовок RTP-пакета создавался с учетом потребностей передачи в реальном времени. Он содержит информацию о порядке следования пакетов (чтобы поток данных был правильно собран на принимающем конце) и временную метку (для правильного чередования кадров при воспроизведении и для синхронизации нескольких потоков данных, например видео и аудио). RTCP обеспечивает механизм обратной связи для RTP, например, обратную связь о качестве приема.

Решить проблему приоритетности для чувствительных к задержкам данных (в противовес традиционным данным, для которых задержки не столь критичны) призван протокол резервирования ресурсов (RSVP), находящийся в настоящее время на рассмотрении в группе инженерной поддержки Internet (IETF). RSVP касается прежде всего маршрутизаторов, хотя приложения в конечных узлах также должны знать, как использовать RSVP в целях резервирования необходимой полосы пропускания для данного класса услуг (или уровня приоритета).

Компания Precept Software первой вышла на рынок с сетевым программным обеспечением на базе этого стандарта IETF. Продукт компании под названием FlashWare включает RTP, RTCP и RSVP плюс компрессию/декомпрессию данных. В настоящее время FlashWare работает под Windows; версии для Windows 95 и Windows NT должны были появиться во втором квартале 1996 года.

RTP вместе с другими описанными стандартами позволяет с успехом передавать видео и аудио по обычным IP-сетям. RTP/RTCP/RSVP - стандартизованное решение для сетей с передачей данных в реальном времени. Единственным его недостатком является то, что оно предназначено только для IP-сетей. Однако это ограничение временное: сети так или иначе будут развиваться в этом направлении. Данное решение обещает решить проблему передачи чувствительных к задержкам данных по Internet. Для этого маршрутизаторы в Internet должны быть обновлены. К счастью, большинство маршрутизаторов, если не все, нуждаются только в обновлении программного обеспечения для работы с RSVP.

ВИДЕОКОНФЕРЕНЦИИ

Практически идеальная технология для проведения видеоконференций уже есть, и это - ISDN. B-каналы ISDN на 64 Кбит/с имеют подходящий размер, при этом приложение может взять коммутируемый виртуальный канал в исключительное пользование. Если нужна большая пропускная способность, то несколько B-каналов можно временно объединить в одну трубу требуемого размера.

Рассмотрение ISDN для организации видеоконференций вынуждает задуматься о том, как реализовать ISDN в конечных точках. Пользователи могут быть подключены к внешним линиям (ISDN Basic Rate Interface или Primary Rate Interface) через местную телефонную сеть ISDN. Однако этим путем - путем объединения сетей для видео, голоса и данных - идут лишь немногие организации. В большинстве случаев к рабочей станции помимо сетевого кабеля подключается второй - ISDN-кабель для телефонных разговоров и видеоконференций.

Изохронный Ethernet, или isoEthernet, обеспечивает работу Ethernet и B-каналов ISDN по одной и той же сети. Разработанный National Semiconductor isoEthernet был стандартизован IEEE как стандарт 802.9a.

Как isoEthernet удается втиснуть 16 Мбит/с в рассчитанный на 10 Мбит/с канал? По словам Ричарда Брэнда, менеджера по стратегии маркетинга в локально-сетевом подразделении National Semiconductor, Ethernet использует только половину своих возможностей, так как он опирается на Манчестерское кодирование при передаче информации по сети, которое предусматривает передачу двух сигналов для каждого передаваемого бита. Вместо этого isoEthernet применяет на физическом уровне принятую в ISDN сигнальную схему 4B/5B, что дает 60-процентный выигрыш по сравнению с Манчестерским кодированием; в результате общая пропускная способность isoEthernet составляет 16 Мбит/с.

Вся труба isoEthernet на 16 Мбит/с мультиплексируется по времени на несколько каналов, в том числе один канал Ethernet на 10 Мбит/с, 96 B-каналов ISDN на 64 Кбит/с, один D-канал ISDN на 64 Кбит/с (для передачи служебных сообщений) и один M-канал на 96 Кбит/с. Канал Ethernet отводится для передачи обычных данных, в то время как B-каналы предназначены для телефонии и видеоконференций.

Использовать isoEthernet можно только при наличии сетевых адаптеров isoEthernet во всех конечных узлах. Кроме того, концентраторы должны также работать с Ethernet. Сетевые платы isoEthernet подключаются к стандартным шинам компьютера, причем по своим функциональным возможностям они ничем не уступают обычным сетевым платам Ethernet, отличаясь от них лишь наличием дополнительного коннектора, известного как MVIP-интерфейс. MVIP - это протокол интерфейса для телефонии многих поставщиков, который был разработан Natural Microsystems в расчете на скорость передачи 2,048 Мбит/с (глобальный канал E-1). Многие устройства, например видеокодеки (кодеры/декодеры) могут быть подключены к MVIP-интерфейсу. Сетевая плата isoEthernet добавляет к проходящим через MVIP по B-каналу данным получаемые от шины компьютера данные Ethernet и отправляет по сетевому кабелю (например, Категории 3) на концентратор isoEthernet. Концентратор демультиплексирует два потока данных, посылая трафик ISDN и Ethernet каждый на свой порт.

Концентраторы isoEthernet совместимы с традиционными сетями Ethernet: вы можете подключить к любому порту концентратора либо 10BaseT, либо isoEthernet, по выбору. Концентраторы isoEthernet автоматически определяют, какое устройство подключено к порту, и ведут себя соответственно. От традиционных концентраторов Ethernet они отличаются наличием дополнительного порта (-ов) для передачи данных по B-каналу владельцу сети глобальной связи. Концентратор isoEthernet может иметь несколько ISDN-портов BRI или PRI либо портов Т1.

IsoEthernet позволяет комбинировать сетевые сервисы Ethernet и ISDN в одном кабеле на важнейших последних 100 метрах дистанции между пользовательской рабочей станцией и отсеком связи. Однако все преимущества isoEthernet доступны только при замене плат и концентраторов, т.е. практически всего, кроме самого кабеля.

В будущем сети для передачи данных сольются с телефонными сетями и различия между ними исчезнут. Это слияние произойдет, вероятно, в начале следующего столетия, когда ATM станет действительно повсеместным. При этом АТС ничем не будет отличаться от сетевого коммутатора ATM. Подавляющее большинство коммутаторов смогут обрабатывать все типы данных и коммутировать любой трафик. Сегодня поставщики и пользователи готовят это будущее, путь к которому будет тернистым, с тупиками и ложными тропами. Однако очертания сети нового типа со временем станут все более четкими.