Концепции "цифровых" вещательных центров

Валерий Хлебородов

по материалам журнала Broadcast Engineering

Телевизионный технический центр в Останкино, полный комплекс которого был введен в эксплуатацию в апреле 1970 года, в то время был крупнейшим в мире предприятием по производству и вещанию телепрограмм. Наиболее полное описание ТТЦ сдержит брошюра [1] Л. С. Максакова, главного руководителя строительства этого уникального сооружения, и В.Г. Маковеева, который был главным инженером с начала монтажных работ до ввода в строй всего комплекса. Авторы убедительно показали, что в нем были реализованы самые передовые в то время идеи аналоговой ТВ-техники.

В последующие десятилетия технология телепроизводства стала обогащаться благодаря появлению «цифровых островов» в «аналоговых морях», в ряде стран начали разрабатываться планы по созданию цифровых вещательных центров (Broadcast Operations Center) с использованием традиционной цифровой видеоаппаратуры последних поколений. Если речь идет о небольших производственных комплексах, особенно однопрограммных, термин «вещательный центр» может соответствовать классическому понятию «телевизионный центр». В случае крупных многопрограммных комплексов с крайне диверсифицированной инфраструктурой этот термин относят только к подразделениям, занимающимся формированием и распространением программ по различным каналам (эфирным, спутниковым, кабельным и пр.). Так, полностью цифровой многопрограммный центр Network Operations Center отделения Turner Entertainment Group, занимающий площадь почти 18 тыс. м2, имеет 10 активно функционирующих изолированных друг от друга BOC (по-существу, центральных аппаратных) [2].

Однако стремительное развитие информационных технологий (ИТ) заставляет планировщиков пересмотреть первоначальные концепции вещательных центров XXI века, поскольку синергия ИТ и современной цифровой видеотехники позволит кардинально увеличить производительность и объем производства телепрограмм. ИТ сулят вещательному телевидению более дешевые платформы для обработки информации, системы накопителей коллективного пользования и IP-сети для доставки программ телезрителям.

Можно констатировать, что сценарий массовой «цифрофикации» телевидения на основе ИТ еще не написан. Журнал Broadcast Engineering подготовил серию статей под общим названием Transition to Digital e-letter [3, 3.1], которые позволяют получить представление о возможном сценарии. Кроме того, эти статьи призваны помочь экспертам аналогового телевидения интегрироваться в цифровую среду и познакомиться с азами ИТ.

Предлагается проектировать новые цифровые вещательные центры (ЦВЦ) на основе концептуальной четырехуровневой модели [3.2, 3.3], содержащей следующие уровни:

— физический (physical);

— медиасеть (media network);

— прикладной (applications);

— безопасности (security).

Эта модель представляет собой адаптацию эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model) применительно к задачам вещательного телевидения. Модель ВОС [4], разработанная международной организацией ИСО в 1984 году, регламентирует число уровней взаимосвязи и их функции. Достоинство концепции взаимосвязанных уровней в том, что усовершенствование любой данной системы можно производить, улучшая каждый уровень независимо.

Физический уровень

К этому уровню модели [3.1, 3.4] относятся все системы, необходимые для выполнения технологических процессов производства телепрограмм (обработка, распределение и объединение звуковых, видео- и графических элементов). Здесь же предусматривается обслуживание здания/инфраструктуры центра. К реализации физического уровня привлекаются ресурсы базовых систем и систем обработки, распределения и компоновки, причем могут применяться вполне традиционные решения.

Любое здание имеет базовые системы, обеспечивающие установку, работу и обслуживание оборудования, и это также относится к ЦВЦ. Кроме того, используется несколько систем, типичных для ТВ-комплексов. Прежде всего, необходимо обеспечить гарантированную подачу сетевого напряжения, не пораженного импульсными помехами. Такие помехи могут создавать системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также источники бесперебойного питания. Необходимо инсталлировать, конфигурировать и поддерживать работоспособность системы внутренней связи, позволяющую продюсеру, режиссеру и персоналу, вовлеченному в работу, переговариваться между собой. Необходимы также некоторые другие системы связи, используемые при производстве и обслуживании. Связь во время эфирной передачи должна быть абсолютно надежной. Отказ аппаратуры или ошибка оператора может привести к прерыванию эфирного сигнала, поэтому мгновенно должны быть приняты контрмеры.

Система команд, управления и контроля (CC&M) в настоящее время опирается на интерфейсы GPI и RS-422, однако начинает внедряться сетевое соединение с интерфейсом RJ-45 и работа в сети по правилам протокола TCP/IP. Ставится задача создать надежную интегрированную систему, совместимую со всеми этими сигналами.

Системы обработки востребованы на уровне ядра (essence — составляющие содержимого, или контента, представляющие собственно программный материал). Ядро составляют немодулированные (baseband) непрерывные аналоговые или цифровые сигналы реального времени — звуковые и видеосигналы. В цифровом телевидении (ЦТВ) практическое применение нашли сигналы стандартов 1080i, 720p и 480i. Взаимное преобразование этих стандартов или чересстрочно-прогрессивное преобразование выполняется на уровне отсчетов изображения (пикселов). Звук обрабатывается в виде цифровых потоков, сформированных согласно стандартам AES/EBU и MADI (multi-channel audio digital interface).

Графические эффекты (GFX) реализуются в цветовом пространстве RGB, поэтому соответствующие сигналы подлежат преобразованию согласно необходимым видеостандартам и файловым структурам. При этом могут возникать запрещенные (illegal) цвета, поскольку в знакогенераторах используется вся 8-разрядная шкала (уровни 0…255), а в системах ЦТВ число уровней ограничено (16…235). Контроль качества затруднен вследствие появления дефектов кодирования, декодирования и преобразования стандартов, которые становятся заметными на физическом уровне. Необходимо проверять попадание цветов в разрешенное цветовое пространство, иначе зритель увидит «расплывшиеся» участки перенасыщенного красного цвета. Следует помнить, что кодер или передатчик может исказить цветное изображение, созданное графической аппаратурой.

Системы распределения с интерфейсами SDI позволили отказаться от распределения сигналов раздельного (компонентного) кодирования по трем коаксиальным кабелям с выровненными задержками. Цифровые звуковые сигналы могут распределяться в виде интегрированных (embedded) в SDI-поток, по отдельным линиям и как сигналы ВРК или Dolby  E. Первый способ неудобен тем, что на каждом этапе звуковой обработки требуется извлекать интегрированный сигнал. Раздельная передача требует наличия сложного многопортового коммутатора. При одноканальном способе ВРК в каждой точке требуется установить мульдекс (мультиплексор-демультиплексор). Система Dolby E позволяет передать по одной AES-паре с потоком 1,536 или 1,92 Мбит/с сигналы шести (16 бит/48 кГц) или восьми (20 бит/48 кГц) звуковых каналов, а также метаданные.

В системах компоновки различные программные элементы — изображение, звук, графика — объединяются в реальном времени согласно сценарному плану, причем это может происходить как в видеорежиссерских (Program Control Room), так и в центральных (Master Control Room) аппаратных. Особое внимание уделяется временной согласованности (синхронизации) визуальной и звуковой составляющих программы (lip sync). Цифровые звуковые и видеосигналы (essence) обычно передаются по линиям с интерфейсами SDI и AES/EBU, однако начинается проникновение транспортных и других систем ИТ.

Уровень медиасети

Доступ физического уровня к данному уровню обеспечивают функции загрузки (ingest) и воспроизведения (playout) материалов. Медийную сеть можно представить в виде совокупности средств физического распределения сигналов (файлов) [3.1, 3.5] и накопителей медиаматериалов. Именно здесь ИТ будут играть ключевую роль.

Возможность транспортировать файлы со скоростью, вчетверо превышающей скорость реального времени, является важным преимуществом цифровых технологий. Некоторые проблемы могут возникнуть при ускоренном переносе контента высокой четкости, который, несомненно, станет основным трафиком в следующем десятилетии. Чтобы минимизировать вероятность отказов, в ИТ-видеосетях для взаимного соединения коммутаторов, маршрутизаторов и мостов применяют высококачественные кабели категорий Cat 5 и Cat 6 [3.2]. Имеются модели сетевых коммутаторов со встроенными цифроаналоговыми преобразователями, формирующими видеосигналы для подачи на аналоговые видеомониторы. Упрощение промежуточных соединений приводит к уменьшению основного капитала и обеспечивает снижение стоимости проектирования и инсталляции.

Особое внимание следует обратить на систему управления, поскольку операторы и обслуживающий персонал придают большое значение удобству интерфейсов пультов и простоте программирования характеристик сетевых коммутаторов. Ширится применение управляющих сигналов на основе протокола TCP/IP, распространяемых по сети Ethernet. Очень важно хранить управляющую программу в виде файла на неразрушающемся носителе, чтобы можно было перезагрузить контроллер коммутатора в случае его отказа [5].

В ЦВЦ используются сети различного типа. Следует помнить, что компьютерные сети типа «подключи и работай» (plug and play) могут оказаться неработоспособными в случае подключения к сетевым коммутаторам новых устройств. Поскольку в телевещании даже кратковременные перерывы недопустимы, должно быть предусмотрено резервирование, реализация которого упрощается при разделении сети на логические и физические компоненты.

Важно решить, должна ли вещательная сеть контактировать с сетью Интернет. Иногда физическое разделение этих сетей обусловлено контрактом между заказчиком и системным интегратором. Иногда на доступе к Интернету настаивают поставщики оборудования, чтобы оказывать техническую помощь и обновлять ПО. Однако подключение к Интернету не всегда безопасно (атаки вирусов, «червей», «взломы» и пр.), поэтому вещатели не хотят рисковать. Им придется решить, нужно ли иметь круглосуточный доступ, следует ли изолировать устройства, требующие доступа, от вещательной сети, достаточно ли будет иметь вводимый вручную периодический доступ, и пр.

Пример архитектуры архива цифрового контента

Пакетированные файлы ядра не имеют фиксированного положения на шкале реального времени. Пакеты перемещаются от источника до точки назначения по пути, который строго не определен. Оптимальную трассу для каждого пакета находят маршрутизаторы, однако существует опасность перегрузки сети. Для видеосетей крайне важно специфицировать ключевые рабочие параметры. Речь идет о показателе «качество обслуживания» (Quality of Service), определяющем гарантируемую минимально допустимую скорость передачи данных (и некоторые другие параметры) в сети.

Наметилась тенденция пользоваться сетями на основе соединений (connection-oriented), которые реализуются с помощью ВЛВС (виртуальная локальная вычислительная сеть) и коммутаторов. Возможность создания выделенных соединений для передачи файлов делает характеристики сети более предсказуемыми. Архитектуру многих сетей, основанную на применении краевых (edge), групповых (aggregate) и центральных (core) коммутирующих устройств, можно представить в виде концентрических кругов. Устройства типа ПК подключаются к краевым коммутаторам-маршрутизаторам, а последние — к групповым. Высокоскоростная центральная коммутирующая среда — последний круг архитектуры — имеет ячеистую топологию, согласно которой каждый коммутатор связан со всеми остальными. Благодаря этому обеспечивается резервирование и многовариантность маршрутов, то есть снижается вероятность перегрузки сети.

Быстродействие перечисленных устройств различно. Например, краевой коммутатор может иметь входные соединители для медных линий с потоком 10…100 Мбит/с и выход GigE (Gigabit Ethernet) для подключения к групповому коммутатору. Последний может иметь несколько входов для GigE-потоков и оптоволоконный выход на скорость 10 Гбит/с для подключения к центральному коммутатору. Здесь может произойти объединение потоков нескольких оптоволоконных линий и формирование магистрального потока со скоростью 40 Гбит/с и больше.

Чем выше быстродействие коммутатора, тем он дороже. Например, 10-портовый Ethernet-коммутатор с выходным потоком 1000 Мбит/с стоит приблизительно 2000 долл., а такой же на скорость 200 Мбит/с может стоить всего 100 долл. Дело в том, что дорогое изделие способно пропустить на выход входной трафик полностью без задержки или блокирования. Однако в более медленном коммутаторе некоторые данные должны будут ожидать своей очереди [6].

Вторая составляющая медиасети — системы накопления медиаматериалов, в том числе — коллективного пользования [7, 8]. Выбор топологии накопительной среды затруднен обилием подходящих технологий: Fiber Channel (оптоволоконный канал), RAID (redundant array of independent disks — резервированный массив независимых дисководов), NAS (network attached storage -система накопителей, подключаемых к сети), SAN (storage area network — сеть накопителей), DAS (direct attached storage — накопитель с прямым доступом), цифровая запись на магнитную ленту. Чем выше быстродействие накопителей, тем они дороже, поэтому для оптимизации показателя «качество-стоимость» требуется тщательно проанализировать технологический процесс и технические ресурсы.

Для загрузки данных в реальном времени и перезаписи на ленту часто применяют дисковые массивы HPHA (high performance high availability — высокая производительность, высокая готовность). При записи несжатых сигналов ТВЧ поточная скорость переноса данных достигает 200 МБ/с, что связано с большими расходами. В иерархических системах HSM (hierarchical storage management — управление иерархическим массивом накопителей) файлы могут направляться к накопителям трех типов: оперативным (on-line) дисковым, квазиоперативным (near-line) ленточным роботизированным или неоперативным (off-line) ленточным, что позволяет оптимизировать расходы. Эфирные серверы должны гарантировать непрерывность воспроизводимой программы (обычно сжатой), поэтому они характеризуются достаточно высоким быстродействием. Потоки 40…100 Мбит/с способны обеспечить недорогие RAID-массивы.

Роботизированные накопители используются для хранения программных материалов, которые не были востребованы в течение некоторого нормируемого времени.

В большинстве случаев увеличенное время доступа к ним считается приемлемым. Ленточные накопители находят применение в видеофонотеках, или медиатеках (media library).

Полезно отметить разницу между традиционными ИТ-данными и данными, используемыми в телевещании. Последние являются продуктом деятельности вещательной организации (программы больших форм, новостные и спортивные выпуски, реклама, анонсы и пр.) и как бизнес-ценность (business value) должны доставляться зрительской аудитории с полной гарантией, поэтому отказы эфирного сервера просто недопустимы. Недоставка электронных сообщений вследствие отказа почтового сервера в большинстве случаев не приводит к большим финансовым потерям.

Второе принципиальное отличие — огромный объем видеофайлов. Запись двухчасовой несжатой программы ТВ стандартной четкости может потребовать несколько сотен гигабайтов. Транспортировать такой контент также непросто.

Хотя внедрение сжатия видеоданных существенно облегчило решение этих задач, вещателям приходится управлять мегаобъемами данных. Решение пришло от поставщиков больших роботизированных ИТ-систем. Например, современная автоматизированная ленточная библиотека, имеющая 6500 кассетоприемников (слотов), способна хранить 2,6 ПБ (петабайт) данных и обеспечивать скорость переноса данных свыше 500 Мбит/с. Одна такая библиотека может непрерывно выводить видеоданные с потоком 50 Мбит/с в течение 100 тыс. ч.

Интеграция ИТ-устройств в видеосерверные системы не обходится без проблем. В частности, требуется согласовать применение патентованных файловых систем, организовать диалог с системами автоматизации и обеспечить двусторонний обмен контента между библиотекой и сервером по запросу. Решение предоставили разработчики связующего ПО (middleware), известного как архивный администратор (archive manager). Чтобы администраторы реагировали на запросы того или иного контента, поступающие от вещательных систем автоматизации, их встраивают в эти системы. При загрузке нового контента в видеосервер автоматизированная система посылает его копию в ленточный архив для будущего использования, а переданный эфирный контент обычно ликвидируется. Программы, часто передаваемые в эфир, сохраняются в недорогих дисковых накопителях.

Типичную архитектуру архива цифрового контента можно дополнить зоной дистанционного послеаварийного восстановления (Disaster Recovery), в которой устанавливается вторая ленточная библиотека с копиями всех видеофайлов [7]. При отказе главной библиотеки архивный администратор вызывает требуемые видеофайлы из аварийной библиотеки и направляет их по глобальной сети (Wide Area Network) в основную вещательную зону для излучения в эфир или повторного монтажа.

Прикладной уровень

К этому уровню [3.1, 3.6] относятся различные компьютеризованные системы, облегчающие производство и передачу телепрограмм. Чтобы лучше понять операционные требования к ресурсам данного уровня, целесообразно рассмотреть отдельно следующие логические группы: компьютерные платформы, операционные системы (ОС) и прикладные программы.

О вычислительной мощности компьютера можно судить по тактовой частоте центрального процессора и параметру MFLOPS (million floating-point operations per second — миллионов операций с плавающей запятой в секунду, Мфлоп/с). Тактовая частота напрямую определяет производительность компьютера только тогда, когда все данные находятся в ЦП. Готовность данных для подачи на ЦП зависит от быстродействия шины данных, объема ОЗУ и времени доступа к дисковому накопителю.

ОС должна одновременно выполнять несколько задач в фоновом режиме, что может привести к замедлению вычислений. Выполнение большинства задач или приложений можно принудительно прекратить. В случае некоторых задач ОС «сопротивляется» этому, чтобы избежать зависания компьютера. Вообще говоря, проводить эксперименты в работающей вещательной системе не рекомендуется. ОС бывают открытые (Linux) и лицензионные (Microsoft). Многие организации предпочитают лицензирование, чтобы получать техническую поддержку.

При использовании нескольких прикладных программ может возникнуть проблема их взаимной работоспособности, поэтому целесообразно иметь в штате квалифицированного программиста или наладить хороший контакт с системным интегратором. Инженерный персонал должен уметь инсталлировать и конфигурировать ОС, «заплаты» и сетевые адаптеры. Важно знать языки программирования, например стандарты ATSC, MPEG и DTV специфицированы в псевдокоде «C». Другие важные языки — Java и MySQL.

Уровень безопасности

Вещатели должны очень опасаться атак хакеров, а также непреднамеренных ошибочных действий персонала ЦВЦ. Например, подключившись к Интернету с незащищенного компьютера и скачав файл с вирусом, можно заразить компьютерную платформу, медиасеть и даже всю инфраструктуру.

Уровень безопасности [3.1, 3.7] содержит несколько уровней защиты с повышающейся степенью. Хакеру придется совершить несколько попыток «прорваться», а это ему может надоесть. Прежде всего, необходимо блокировать физический доступ с помощью идентификационных карточек, кодовых замков, охранников и запираемых помещений.

«Бытовые» программы поиска вирусов, которыми следует периодически пользоваться, и блокировщики спама недостаточны, чтобы гарантировать безопасность медиасети, и их следует дополнить профессиональными средствами, такими как межсетевые экраны, серверы-посредники, DMZ (Demilitarized Zone — букв. «демилитаризованная зона»; в ИТ так называют нейтральную зону или буфер, разделяющий внутренние и внешние сети; обычно размещается между двумя межсетевыми экранами) и списки контроля доступа (Access Control List). На прикладном уровне доступ к абонементу (account) следует предоставлять только по имени пользователя и паролю (однако пароли поддаются взлому). Следует позаботиться об эффективности систем обнаружения проникновения (Intrusion Detection System) и систем предотвращения проникновения (Intrusion Prevention System).

Каждый ЦВЦ должен иметь план действий на случай хакерской атаки. Необходимо сформировать бригаду по реагированию на происшествия (Incident Response Team), которой вменяется в обязанность исследование инцидентов и принятие контрмер. В бригаду должны входить технические специалисты, сотрудники службы корпоративной безопасности, юристы, кадровики, исполнительные менеджеры и др.

Продолжение следует

Литература

1. Максаков  Л. С., Маковеев  В. Г. Крупнейший в мире телецентр//М.: «Связь», 1974.

2. Ron Tarasoff. Turner Entertainment?s Network Operations Center// Broadcast Engineering, 1 March 2003.

3. Transition to Digital e-newsletter// Broadcast Engineering.

3.1. Broadcast vs. IT: The transition begins, 7 February 2005.

3.2. Four layer facility model, 5 July 2005.

3.3. The evolution of broadcast engineering, 17 October 2005.

3.4. The essence of a BOC, 18 июня 2005.

3.5. The media network layer, 1 August 2005.

3.6. The application layer, 15 August 2005.

3.7. BOC security, 2 September 2005.

4. Зайцев  С. С., Кравцунов  М. И., Ротанов  С. В. Сервис открытых информационно-вычислительных сетей: Справочник//М.: «Радио и связь», 1990.

5. John Luff. Routing switchers// Broadcast Engineering, 1 September 2005.

6. Brad Gilmer. Switches for broadcast// Broadcast Engineering, 1 June 2005.

7. Ron Quartararo. Data storage's growth in broadcast engineering// Broadcast Engineering, 1 May 2005.

8. David Austerberry. IT in television production// Broadcast Engineering, 1 October 2005.