SDI和IP比較

吉姆·德菲利皮斯

相信大家都知道一切都走向IP，即萬物互聯(lián)，甚至實時視頻信號都IP化。的確，SMPTE 2022已存在一段時間，10Gb/s或25Gb/s IP交換機已可供貨，40Gb/s IP交換機指日可待，那么何樂而不為？難道這不是明智地選擇嗎？

首先比較這兩種技術。現(xiàn)以3Gb/s SDI和10Gb/s IP交換機作為基礎討論。首先，描述傳統(tǒng)SDI矩陣的設計宗旨。

·分發(fā)串行數(shù)字輸入信號，每個輸入端口一個信號發(fā)送到一個或更多個輸出端口；

·無論有多少被路由和切換的活動信號，都提供一致的延遲和性能；

·提供確定的切換時間。

現(xiàn)在說說IP交換機的設計宗旨：

·管理多個輸入和輸出端口；

·跟蹤全部路由表項目（網(wǎng)絡狀態(tài)）；

·處理或分類IP數(shù)據(jù)包且發(fā)送到適當?shù)南乱宦酚伞?/p>

因此看起來它們是有不同使用情況的兩種設備。事實上，每種設備的技術和協(xié)議都是針對不同使用情況開發(fā)的，因而發(fā)展成為最適合預期應用的技術和協(xié)議。

那么為什么要嘗試用非所長？IP視頻的支持者會說現(xiàn)成的硬件降低總成本。他們還說IP技術是普遍采用的技術，因此更多的研發(fā)導致更多創(chuàng)新和進一步改進。此外，大大小小廠商可供應各種IP產(chǎn)品，提供大型交換結構的靈活設計。

不用反駁這些觀點，他們說的是對的，關鍵的問題是我們應懷疑什么？如果包括制造業(yè)、運輸業(yè)、電信業(yè)、商業(yè)和銀行業(yè)等的主要行業(yè)都采用IP，實時視頻制作為何不為？帶寬

首先要談的是帶寬。要討論的不僅是端口帶寬或內(nèi)部處理帶寬，還要討論每種解決方案的總聚合帶寬（TAB）。對于SDI，這相當簡單：

TAB=（輸入端口數(shù)）×（輸出端口數(shù)）×端口帶寬

例如，一個典型的大型電視中心視頻矩陣現(xiàn)為1024×10243G SDI矩陣，TAB是3.15pb/s，即3150000Gb/s。此帶寬可按照指令使用，是限定的和確定的。

當然，這些Gb/s并非全部一直在使用。事實上，大部分時間視頻信號可能都是彩條信號！但被要求時，對任意輸入到任意輸出絕無延遲或限制。

從IP方面來看，帶寬計算起來有點困難。IP交換機中通常被指定的是“線路速率”，即從端口或多個端口可輸入或輸出的物理接口最大數(shù)據(jù)帶寬。但這沒有給我們提供此交換機的TAB或吞吐量。有很多因素進入IP交換機的吞吐量，如背板帶寬、處理速度、緩沖以及某種程度上的電源。

某主要IP交換機廠家的大型企業(yè)IP交換機的規(guī)格（16個插槽、每個插槽10G b/s）能夠處理320G b/s的最大聚合處理帶寬。每個插槽能夠安裝不同的線路接口卡，但在我們的討論中，假定是一塊四端口10Gb以太網(wǎng)卡。因而我們有64×64（4×16×2）視頻切換的可能性，320Gb/s的TAB。計算結果每端口輸入或輸出速率不到3Gb/s。順便提一下，此交換機體積7RU，最大功耗約4.5kW。

相比之下，一個SDI 3Gb/s 64×64矩陣體積4RU，耗電0.25kW，TAB為12.3Tb/s。

到目前為止，看來SDI在TAB、功率和尺寸方面較優(yōu)。延遲和抖動

第二個要比較的問題是延遲或等待時間。在每一個設備和處理中都有延遲。它來自于這個事實，即電子的運動速度比光速要小得多，而且需要更高的功率（這產(chǎn)生熱量），兩者都使得在時鐘速度方面有所增加，因此未來降低功率和熱量，設備把串行視頻（數(shù)據(jù)）轉換為并行視頻（串并轉換）。

IP交換機的延遲起因于必須在包到達時緩沖它，處理它，然后發(fā)送出去。根據(jù)交換機設計、業(yè)務負載和數(shù)據(jù)包大小，數(shù)據(jù)包丟失方面所要求的性能規(guī)定緩沖區(qū)大小。較小的數(shù)據(jù)包意味著較少的總緩沖區(qū)，但要求交換機處理速度增大。較大的數(shù)據(jù)包可能要求較低的處理速度，但由于它們的尺寸，必然要求較大的緩沖區(qū)。

我們假定至少有一個緩沖區(qū)足以處理多個數(shù)據(jù)包（如3個或4個）。實時視頻的統(tǒng)計也是對IP交換機的一個挑戰(zhàn)。大部分IP數(shù)據(jù)業(yè)務包到達時間假設是從最短到最長延遲均勻分布（泊松分布）。不過，在實時視頻中，每個端口的包傳輸率是恒定的。更壞的是，由于視頻信號中許多是同步的，數(shù)據(jù)包到達時間將擠在一起，可能產(chǎn)生沖突而導致數(shù)據(jù)包丟失。視頻統(tǒng)計并不很適合旨在傳輸被隨機間隔排列的小異步數(shù)據(jù)包（非流水式連續(xù)不斷的實時視頻）的典型IP交換機。

產(chǎn)生的延遲將會怎樣？通常一臺IP交換機有一最短的延遲，這是在輕負載的情況下，而且有一最長的延遲，這是總緩沖長度。在大型的多級交換機中，可能有多個緩沖區(qū)。因此，延遲將是可變的但有限。數(shù)據(jù)包延遲大約5-15μs。順便提一下，如果一個數(shù)據(jù)包在最長緩沖延遲時間內(nèi)不能通過IP交換機，它將丟失。

在SDI的情況下，這種可變延遲被稱為抖動。數(shù)據(jù)包可變的到達一終端接收設備（如制作視頻切換臺或效果器）的時間將不僅要求重新校準電視中心的同步（因為依然要求進行干凈的淡入淡出或插入一個圖形疊加），而且要求重新取樣和時基重整重組的視頻信號以消除抖動。如果總延遲變化在電視行時間（對1080p60為15μs）的一小部分內(nèi)，一般的視頻設備將能夠處理此變化。如果數(shù)據(jù)包延遲超過一電視行時間，那么可能導致類似于不同步切換的后果。

SDI有抖動，但抖動值較小（1-5ns）。sDI信號可能由制作切換臺視頻參考得到即時補償，但此補償將始終是一致和穩(wěn)定的。

面向未來

無疑，為增大端口帶寬而升級SDI矩陣是一種升降機式操作方式。普遍預期是SDI矩陣將持續(xù)使用7-15年，這是一個典型的電視中心的使用期。IP交換解決方案的前途在于它從一開始就是面向未來，路由器能夠用軟件升級，除了前面談到的物理最大帶寬和端口數(shù)外沒有固有限制。如果現(xiàn)在有超額能力的承受得起的IP交換機，那么未來就無憂，對嗎？

兩件事有待考慮。一是IP設備的半壽命約18個月到3年。在此半壽命內(nèi)，也許可以升級或擴展系統(tǒng)。半壽命后，將有新的更好的型號，通常價格更低，性能更佳。因此，如果未來用途不在IP交換機設計的半壽命內(nèi)，找到合適規(guī)模的IP交換機并等待下一個開發(fā)周期可能會更好，或者就安裝傳統(tǒng)的SDI矩陣。

要考慮的另一點是，IP交換機能夠與SDI矩陣競爭（端口對端口）的唯一方式是超安全標準設計此交換機和交換結構。當未來需求到來，即UHDTV，可能把超安全標準設計的IP交換機推向其極限，也許達不到原來的延遲、抖動和丟包性能指標。

其它已經(jīng)提出的面向未來的概念是使用溫和的低延遲視頻壓縮。4：1帶寬壓縮意味著當前1080p60設備能夠處理UHDTV信號。不過，這增加信號流程內(nèi)所有點（包括監(jiān)測點）的編解碼成本和復雜性。這也許是一種權宜之計。在串行數(shù)字和實時制作中，用于信號分配的中間壓縮從長遠看沒有大顯身手。結語

提出了一些問題后，我們需仔細考慮這兩個選擇。視頻制作機構多快必須提供要求3Gb/s以上的實時視頻？全IP交換結構有何優(yōu)缺點？IP廠商將支持此產(chǎn)品，包括升級且需要多長時間？

我們知道SDI矩陣能夠勝任其設計初衷的工作。IP交換機亦是如此。在我們知道在快速發(fā)展的直播電視中IP交換的表現(xiàn)之前，還需付出一定的時間和努力。endprint