SDI和IP比较

吉姆·德菲利皮斯

相信大家都知道一切都走向IP，即万物互联，甚至实时视频信号都IP化。的确，SMPTE 2022已存在一段时间，10Gb/s或25Gb/s IP交换机已可供货，40Gb/s IP交换机指日可待，那么何乐而不为？难道这不是明智地选择吗？

首先比较这两种技术。现以3Gb/s SDI和10Gb/s IP交换机作为基础讨论。首先，描述传统SDI矩阵的设计宗旨。

·分发串行数字输入信号，每个输入端口一个信号发送到一个或更多个输出端口；

·无论有多少被路由和切换的活动信号，都提供一致的延迟和性能；

·提供确定的切换时间。

现在说说IP交换机的设计宗旨：

·管理多个输入和输出端口；

·跟踪全部路由表项目（网络状态）；

·处理或分类IP数据包且发送到适当的下一路由。

因此看起来它们是有不同使用情况的两种设备。事实上，每种设备的技术和协议都是针对不同使用情况开发的，因而发展成为最适合预期应用的技术和协议。

那么为什么要尝试用非所长？IP视频的支持者会说现成的硬件降低总成本。他们还说IP技术是普遍采用的技术，因此更多的研发导致更多创新和进一步改进。此外，大大小小厂商可供应各种IP产品，提供大型交换结构的灵活设计。

不用反驳这些观点，他们说的是对的，关键的问题是我们应怀疑什么？如果包括制造业、运输业、电信业、商业和银行业等的主要行业都采用IP，实时视频制作为何不为？带宽

首先要谈的是带宽。要讨论的不仅是端口带宽或内部处理带宽，还要讨论每种解决方案的总聚合带宽（TAB）。对于SDI，这相当简单：

TAB=（输入端口数）×（输出端口数）×端口带宽

例如，一个典型的大型电视中心视频矩阵现为1024×10243G SDI矩阵，TAB是3.15pb/s，即3150000Gb/s。此带宽可按照指令使用，是限定的和确定的。

当然，这些Gb/s并非全部一直在使用。事实上，大部分时间视频信号可能都是彩条信号！但被要求时，对任意输入到任意输出绝无延迟或限制。

从IP方面来看，带宽计算起来有点困难。IP交换机中通常被指定的是“线路速率”，即从端口或多个端口可输入或输出的物理接口最大数据带宽。但这没有给我们提供此交换机的TAB或吞吐量。有很多因素进入IP交换机的吞吐量，如背板带宽、处理速度、缓冲以及某种程度上的电源。

某主要IP交换机厂家的大型企业IP交换机的规格（16个插槽、每个插槽10G b/s）能够处理320G b/s的最大聚合处理带宽。每个插槽能够安装不同的线路接口卡，但在我们的讨论中，假定是一块四端口10Gb以太网卡。因而我们有64×64（4×16×2）视频切换的可能性，320Gb/s的TAB。计算结果每端口输入或输出速率不到3Gb/s。顺便提一下，此交换机体积7RU，最大功耗约4.5kW。

相比之下，一个SDI 3Gb/s 64×64矩阵体积4RU，耗电0.25kW，TAB为12.3Tb/s。

到目前为止，看来SDI在TAB、功率和尺寸方面较优。延迟和抖动

第二个要比较的问题是延迟或等待时间。在每一个设备和处理中都有延迟。它来自于这个事实，即电子的运动速度比光速要小得多，而且需要更高的功率（这产生热量），两者都使得在时钟速度方面有所增加，因此未来降低功率和热量，设备把串行视频（数据）转换为并行视频（串并转换）。

IP交换机的延迟起因于必须在包到达时缓冲它，处理它，然后发送出去。根据交换机设计、业务负载和数据包大小，数据包丢失方面所要求的性能规定缓冲区大小。较小的数据包意味着较少的总缓冲区，但要求交换机处理速度增大。较大的数据包可能要求较低的处理速度，但由于它们的尺寸，必然要求较大的缓冲区。

我们假定至少有一个缓冲区足以处理多个数据包（如3个或4个）。实时视频的统计也是对IP交换机的一个挑战。大部分IP数据业务包到达时间假设是从最短到最长延迟均匀分布（泊松分布）。不过，在实时视频中，每个端口的包传输率是恒定的。更坏的是，由于视频信号中许多是同步的，数据包到达时间将挤在一起，可能产生冲突而导致数据包丢失。视频统计并不很适合旨在传输被随机间隔排列的小异步数据包（非流水式连续不断的实时视频）的典型IP交换机。

产生的延迟将会怎样？通常一台IP交换机有一最短的延迟，这是在轻负载的情况下，而且有一最长的延迟，这是总缓冲长度。在大型的多级交换机中，可能有多个缓冲区。因此，延迟将是可变的但有限。数据包延迟大约5-15μs。顺便提一下，如果一个数据包在最长缓冲延迟时间内不能通过IP交换机，它将丢失。

在SDI的情况下，这种可变延迟被称为抖动。数据包可变的到达一终端接收设备（如制作视频切换台或效果器）的时间将不仅要求重新校准电视中心的同步（因为依然要求进行干净的淡入淡出或插入一个图形叠加），而且要求重新取样和时基重整重组的视频信号以消除抖动。如果总延迟变化在电视行时间（对1080p60为15μs）的一小部分内，一般的视频设备将能够处理此变化。如果数据包延迟超过一电视行时间，那么可能导致类似于不同步切换的后果。

SDI有抖动，但抖动值较小（1-5ns）。sDI信号可能由制作切换台视频参考得到即时补偿，但此补偿将始终是一致和稳定的。

面向未来

无疑，为增大端口带宽而升级SDI矩阵是一种升降机式操作方式。普遍预期是SDI矩阵将持续使用7-15年，这是一个典型的电视中心的使用期。IP交换解决方案的前途在于它从一开始就是面向未来，路由器能够用软件升级，除了前面谈到的物理最大带宽和端口数外没有固有限制。如果现在有超额能力的承受得起的IP交换机，那么未来就无忧，对吗？

两件事有待考虑。一是IP设备的半寿命约18个月到3年。在此半寿命内，也许可以升级或扩展系统。半寿命后，将有新的更好的型号，通常价格更低，性能更佳。因此，如果未来用途不在IP交换机设计的半寿命内，找到合适规模的IP交换机并等待下一个开发周期可能会更好，或者就安装传统的SDI矩阵。

要考虑的另一点是，IP交换机能够与SDI矩阵竞争（端口对端口）的唯一方式是超安全标准设计此交换机和交换结构。当未来需求到来，即UHDTV，可能把超安全标准设计的IP交换机推向其极限，也许达不到原来的延迟、抖动和丢包性能指标。

其它已经提出的面向未来的概念是使用温和的低延迟视频压缩。4：1带宽压缩意味着当前1080p60设备能够处理UHDTV信号。不过，这增加信号流程内所有点（包括监测点）的编解码成本和复杂性。这也许是一种权宜之计。在串行数字和实时制作中，用于信号分配的中间压缩从长远看没有大显身手。结语

提出了一些问题后，我们需仔细考虑这两个选择。视频制作机构多快必须提供要求3Gb/s以上的实时视频？全IP交换结构有何优缺点？IP厂商将支持此产品，包括升级且需要多长时间？

我们知道SDI矩阵能够胜任其设计初衷的工作。IP交换机亦是如此。在我们知道在快速发展的直播电视中IP交换的表现之前，还需付出一定的时间和努力。endprint