Recomandari pentru implementarea unei retele NDI

Acest articol se adreseaza celor care doresc sa implementeze o retea NDI, dar nu stiu exact cum sa inceapa si cum sa aleaga componentele care alcatuiesc nucleul unei astfel de retele.

Scopul acestui articol nu este sa devina un curs de specializare in retelistica NDI, ci sa va indrume pe drumul corect in alegerea componentelor corespunzatoare fara sa gresiti si sa aveti ulterior posibilitatea de a dezvolta si scala catre o retea NDI medie sau mare sub indrumarea unui specialist certificat in NDI.

Retelele mici de NDI (care acomodeaza 10-15 semnale) pot fi tratate in anumite conditii ca retele de tip “Plug-and-Play”, adica echipamentele pot fi interconectate si vor functiona fara configurare complicata si cu un minim de cunostinte de retelistica si IT. Atunci cand un nou echipament NDI este conectat Ia retea, acesta isi “anunta” disponibilitarea (sub forma de surse si destinatii disponibile) catre celelelte echipamente conectate in reteaua NDI. Acest lucru asigura usurinta in utilizare prin alegerea facila a surselor si a destinatiilor pentru semnalele NDI (utilizand un meniu derulant pentru selectia sursei in echipamentul NDI respectiv). Vom analiza acest scenariu in subcapitolul de mai jos despre configurari minime ale retelei NDI.

Nucleul oricarei retele NDI este switch-ul de date din industria IT.  Alegerea corecta a switch-ului este principalul element care garanteaza functionarea predictibila si fiabila a viitoarei retele NDI.

Cu toate ca se folosesc switch-uri din industria IT, modul in care acestea sunt configurate este specific industriei de broadcast unde toate procesele trebuie sa se efectueze in timp real si cu o latenta foarte mica (similara arhitecturilor traditionale SDI).

Reamintim ca viteza minima a porturilor de switch pentru retele NDI este 1 GbE. 

In functie de tipul porturilor prezente pe echipamentele NDI si a eventualitatii conectarii mai multor insule de NDI (de exemplu locatii fizice diferite aflate intr-o cladire), switch-urile pot avea un mix de porturi de viteza 1 GbE si 10 GbE (sau chiar viteze mai mari daca bugetul de banda necesara este mai mare la conectarea spre exemplu a doua sau mai multe switch-uri din locatii diferite).

Cateva recomandari generale privind alegerea switch-ului/switch-urilor, dimensionarea retelei NDI si reguli de buna practica

- switch-urile de date trebuie sa fie de tip Managed (si nu de tip Unmanaged). Switch-urile de tip Unmanaged nu sunt recomandate deoarece nu se pot controla aspectele privind functionalitatea acestora. Switch-urile de tip Managed permit configurarea modului de operare, au performante mai ridicate, pot monitoriza aspecte ale retelei si ajuta cu informatiile pe care le furnizeaza in diagnosticarea eventualelor probleme.

- switch-urile de date trebuie sa fie de tip Non-blocking. Notiunea de Non-blocking este o masura a capacitatii de trafic a switch-ului si se refera la faptul ca viteza de lucru a magistralei interne a switch-ului (numita si Backplane) sa nu fie mai mica decat suma vitezei porturilor cu care este echipat.
Chiar daca brosura switch-ului nu specifica daca este de tip Non-blocking, puteti determina acest lucru facand un calcul simplu si consultand specificatiile switch-ului.
Calculul se face astfel:
    - se calculeaza totalul de banda prin inmultirea numarului de porturi cu viteza unui port:
        {[numar porturi] x [viteza port}} x2 = viteza in Gbps
    - ca exemplu, pentru un switch care are porturi de 1 GbE si 10 GbE, formula devine:
        {[numar porturi 1 GbE] x 1 + [numar porturi 10 GbE] x 10} x2 = viteza in Gbps
De ce acel “x2” in formula? Pentru ca se calculeaza necesarul de banda pentru pachetele IP care intra in switch (Ingress) plus necesarul de banda pentru pachetele IP care ies din switch (Egress).
Pentru ca un switch sa fie Non-blocking, viteza magistralei interne nu trebuie sa fie mai mica decat valoarea obtinuta (ci egala cu aceasta).
Se cauta apoi in foaia de catalog sau brosura viteza magistralei interne a switch-ului care poate avea diverse denumiri, precum “Backplane Speed” sau “Switching Fabric”.

In figura de mai jos este un extras al acestui parametru (Switching Fabric) din brosura switch-ului M4250-12M2XF:

Switch-ul este echipat cu 12 porturi de 2.5 GbE si 2 porturi SFP+ de 10 GbE.
[(12x 2.5) + (2x 10)] x2 = 100 Gbps care corespunde cu valoarea pentru “Switching Fabric” din tabel, deci switch-ul este de tip Non-blocking.

Ca regula generala, cablurile de date care se conecteaza in porturile de date ale unui switch trebuie sa fie in concordanta cu viteza porturilor la care sunt conectate (adica sa asigure viteza necesara).
- pentru echipamente NDI care suporta porturi cu viteza de 1 GbE se utilizeaza cabluri ethernet cel putin Cat.5e,  lungimea maxima fiind stabilita prin standard la maxim 100 m.
- pentru echipamente NDI care suporta porturi cu viteze de 10 GbE se utilizeaza cabluri ethernet cel putin Cat.6, lungimea maxima fiind stabilita prin standard la maxim 55 m pentru cablu Cat.6 si maxim 100 m pentru cabluri de categorie Cat.6A sau Cat.7
- daca este necesar, pentru conectarea a 2 sau mai multe switch-uri aflate in locatii diferite aflate la distante mai mari, se pot utiliza si conexiuni prin fibra optica.

Reguli de buna practica privind testarea cablurilor de date utilizate intre switch si echipamente:
- daca se folosesc cabluri RJ 45 “de fabrica”, dupa conectarea cablului intre echipament si switch se verifica viteza de lucru a porturilor conectate cu acel cablu. Acest lucru se poate face fie in interfata GUI a switch-ului pentru portul respectiv, fie daca device-ul NDI este un PC, se poate verifica viteza interfetei selectand parametrul “Status”:

- pentru cablurile RJ 45 “manufacturate” direct in locatie, utilizati categoria de cablu si tipurile de mufe RJ45 conforme cu viteza pe care trebuie sa o asigure cablul. Dupa sertizare, faceti o verificare vizuala urmata de o verificare cu un tester de cablu RJ45. Verificati ca mufele cablului se blocheaza atunci cand sunt introduse in porturile de switch sau ale echipamentului (clic-ul caracteristic la conectare). Etapa verificarii vitezei ca mai sus este obligatorie.
- pentru conexiunile de fibra optica, porturile de switch sunt in majoritate de tipul SFP sau SFP+ cu conexiune de tip LC Duplex. Conectorul LC duplex este prevazut cu o punte din plastic care uneste cei 2 conectori optici LC individuali pentru a nu putea inversa cele 2 trasee de fibra Rx si Tx. Nu utilizati 2 fibre simplex in loc de o fibra duplex ca sa evitati posibilitatea de a face conexiunea incorect. Dupa conectare verificati viteza porturior respective in switch (in interfata GUI a acestuia).

Rezumand - nu va generati singuri probleme in sistem care nu ar trebui sa existe – datorita neglijentei sau a lucrurilor facute la intamplare. 

Bugetul de banda reprezinta intr-o explicatie simplista cate semnale NDI pot fi vehiculate printr-un port de ethernet. 
Extrapolat la nivel de switch si considerand exemplul a 2 locatii diferite (echipate fiecare cu un switch), aceasta inseamna care este largimea de banda necesara pentru a putea utiliza toate semnalele NDI dintr-o locatie in cealalta locatie si viceversa.

La baza calculului bugetului de banda sta rata de bit a semnalelor NDI utilizate.
Valorile medii ale ratei de bit pentru semnalele video NDI High Bandwidth cel mai des utilizate:
- HD 1080i50: 103 Mbps
- HD 1080p50: 126 Mbps
- UHD 2160p50: 224 Mbps
Pentru semnalele NDI High Bandwidth care suporta si Alpha Channel, valoarea ratelor de bit de mai sus se majoreaza cu aproximativ 20%.

Ca regula de buna practica, la calculul total al necesarului de banda se include si o rezerva de banda (Headroom) astfel incat sa nu se ajunga intr-un scenariu in care se pot pierde pachete IP datorita depasirii vitezei unui port.

Un exemplu simplu este conectarea unui echipament NDI sub forma de PC pe care ruleaza o aplicatie de playout NDI, echipament conectat la switch la un port cu viteza 1 GbE.
Aplicatia suporta crearea de multiple canale NDI de playout, dar trebuie sa tinem seama cate semnale NDI suporta interfata 1 GbE la care este conectat acest echipament. Daca consideram canale HD 1080i50, vor fi suportate maxim 8 canale (conform recomandarilor de mai sus). In cazul de fata nu se pot utiliza mai mult de 8 canale pe un port de 1 GbE, chiar daca aplicatia de playout poate genera mai mult de 8 canale.

Pentru asigurarea robustetii si fiabilitatii necesare in aplicatiile de broadcast, reteaua NDI trebuie sa fie dedicata (switch-uri NDI si cablare separata).

Nu au ce cauta alte aplicati non-NDI care sa utilizeze aceasta retea (cum ar fi server-e de email sau alte PC-uri care nu ruleaza aplicatii NDI).

Unele echipamente NDI (mai ales cele care ruleaza pe o platforma PC) pot avea nevoie periodica de actualizare de firmware. Pentru a realiza accesul la internet a acestor dispozitive, consultati un specialist cu certificare NDI care sa va indrume ce topologie trebuie sa folositi atunci cand conectati un switch dedicat de NDI la reteaua companiei astfel incat semnalele NDI sa nu se vehiculeze prin aceasta retea.

Ca regula de buna practica, trebuie sa existe un tabel care sa contina IP-urile statice ale tuturor echipamentelor conectate in reteaua NDI, inclusiv porturile de switch si viteza lor nominala (1 GbE, 10 GbE, etc).
Acest lucru va ajuta in cazul unor eventuale avarii, dar mai ales in cazul extinderii sistemului prin adaugarea de noi echipamente carora le va trebui alocat un IP.

Retelele mici de NDI (care acomodeaza 10-15 semnale) pot fi tratate in anumite conditii ca retele de tip “Plug-and-Play”, adica echipamentele pot fi interconectate si vor functiona fara configurare complicata.

Pentru asigurarea unui astfel de comportament trebuie indeplinite cateva conditii minimale.

Pentru descoperirea automata a noilor echipamente conectate in retea (sub forma de surse si destinatii NDI disponibile), NDI foloseste protocolul mDNS (Multicast DNS).  In figura de mai jos este prezentata functionarea unui astfel de mecanism:

- echipamentul nou conectat in retea trimite un semnal catre toate celelalte echipamente din reteaua NDI pentru a-si anunta prezenta (sub forma de surse si destinatii NDI)
- toate celelelte echipamente vor folosi aceasta informatie in lista lor de surse NDI (care va fi inclusa in meniul derulant pentru selectia sursei in echipamentul NDI respectiv). In figura de mai sus, Device 1 ajunge in lista de surse NDI disponibile a lui Device 2.

 Pentru asigurarea acestui comportament trebuie sa existe minim umatoarele configurari:
- fiecare echipament conectat in reteaua NDI sa aiba un IP static (toate dispozitivele fiind in acelasi subnet)
- switch-ul sa fie configurat sa permita traficul de multicast (pentru ca mecanismul de Auto-Discovery prin intermediul protocolului mDNS sa functioneze)
- protocolul IGMP sa fie activat pe switch (reconmandat pentru NDI, protocol care controleaza traficul de multicast astfel incat stream-urile de multicast sa nu genereze trafic decat catre destinatiile care au nevoie de acel multicast)

Un mare avantaj al infrastructurii NDI este ca instrumentele de monitorizare, diagnosticare si testare ale retelei sunt gratuie si sunt disponibile sub forma unui pachet unitar de aplicatii software.
Aceasta suita de aplicatii permite:
- generarea de semnale de test (mire de diferite tipuri)
- monitorizarea semnalului video ca pe un monitor de studio (video, audio, VU-metre audio, overlay, Tally)
- generarea de canale de playout
- conversia imaginii desktop a unui PC intr-o sursa NDI
- conversia unui webcam intr-o sursa NDI
- transformarea unui smartphone sau a unei tablete intr-o camera video cu iesire NDI
- routarea surselor catre diferite destinatii NDI (router NDI)
- retrictionarea accesului la anumite surse NDI (NDI Grouping)
- diagnosticarea detaliata a retelei NDI in etapa de punere in functiune sau in eventualitatea unei functionari necorespunzatoare

De retinut
Desigur ca pentru infrastructuri de marime medie si mare este recomandata apelarea la un specialist certificat in NDI care aduce expertiza in implementarea corecta a arhitecturilor medii si complexe (fara instruire speciala, un inginer IT nu poate administra un ecosistem complex NDI daca nu are cunostintele necesare privind aceste tipuri de fluxuri de lucru in timp real utilizate in industria de broadcast). Un specialist poate sa va indrume si sa va explice lucruri pe care nu le cunoasteti sau nu le banuiti ca ar fi necesare pentru functionarea optima a unor astfel de infrastructuri.

Toate recomandarile de mai sus va vor asigura un start bun in implementarea unei retele NDI fiabile si solide.