ST-2110 : Vue d'ensemble

Dans le premier volet de cette série, nous avons survolé les étapes qui ont mené à la création du ST-2110. Nous avons aussi mentionné quelques standards qui, dans la mesure où ils présentent des fonctions similaires, mériteraient un traitement plus équitable par l’industrie : les spécifications IETF, NDI ou encore OMT, par exemple.

Dans ce volet, nous allons exposer une vision macro du standard ST-2110-10 Professional Media over Managed IP Networks: System Timing and Definitions : les avancées qu’il propose vis-à-vis du ST-2022-6, ainsi que les conséquences - bénéfiques ou non - liées à l’utilisation du protocole IP comme couche de transport.

1 - Historique

Les technologies qui ont précédé le standard ST-2110.

2 - Vue d’ensemble

Les atouts fondamentaux et limites du ST-2110.

3 - Codecs et infrastructure

Impact sur les réseaux et le choix des formats.

4 - Transport et signalisation

Protocoles de transmission, limitations et pistes d’amélioration.

5 - NMOS

La brique indispensable pour une production ST-2110.

6 - Conclusion

Faut-il investir dans les sociétés de recyclage de câbles coaxiaux ?

ST-2110 : Vue d’ensemble

Dans cette section, nous nous interesserons particulièrement aux grands principes du ST-2110, définis dans le document ST-2110-10 Professional Media over Managed IP Networks: System Timing and Definitions, expose les grands principes de transmission du ST 2110.

Référence temporelle commune

ST 2110 définit une référence temporelle universelle, qui permet de synchroniser précisément l’ensemble des flux ensemble, et de leur adjoindre un timecode absolu.

Problématique

La base de la numérisation d’un signal ou de sa transmission repose sur des horloges. Partout, on a besoin de découper le temps en parts égales, ou de connaître l’heure : Les équipements numériques qui peuplent nos infrastructures broadcast sont pleins de petites horloges. Malheureusement, les limites physiques des composants électroniques font qu’aucune de ces horloges ne sont synchrones : leurs cadrans n’indiquent pas la même heure, et leurs aiguilles ne tournent pas tout à fait à la même vitesse.

En SDI, cette synchronisation est assurée de deux manières : d’une part l’utilisation d’un générateur de blackburst, dont le signal injecté dans les ports genlock assure un cadencement synchrone des équipements. D’autre part l’insertion de timecodes permet d’ajouter une information temporelle dans le signal.

Ainsi, toues les horloges SDI d’une infrastructure battent en mesure, et dérivent ainsi en harmonie. Si l’architecture l’a prévu, elle affichent de plus simultanément le même timecode…​ sans garantie que le timecode soit continu, ou ait une quelconque relation avec l’heure TU

La solution

ST-2110 fait d’une pierre deux coup en définissant ST 2059 comme colonne vertébrale temporelle. Ce standard définit l’usage de la norme PTPv2 comme fournisseur d’une référence commune pour remplacer à la fois le générateur de blackburst ainsi qu’un timecode absolu basé sur le temps universel.

En horodatant chaque signal avec cette référence commune, il devient possible de déterminer précisément l’instant d’émission de chaque trame, offrant ainsi des avantages considérables :

  • Il est possible de synchroniser n’importe quels flux ST-2110 d’où qu’ils viennent, que ce soit en termes géographiques ou d’équipement, avec une précision très largement inférieure au temps d’une image.

  • Il devient possible de calculer précisément des métriques sur la qualité de la transmission, comme le jitter par exemple.

  • Cela simplifie énormément la gestion des horloges dans les équipements qui doivent traiter des flux provenant de sources différentes.

Séparation des essences

En séparant vidéo, audio et données, ST 2110 se libère des contraintes héritées du SDI et du ST 2022, et permet de diffuser chaque essence uniquement vers les équipements concernés.

IP présente deux avantages capitaux : la transmission simultanée de plusieurs signaux au sein du même câble, et la possibilité de router ces signaux d’un point vers un ou plusieurs autres points de manière dynamique. ST-2110 exploite parfaitement ces deux capacités en séparant la transmission de chacune des essences, ce qui apporte des avantages considérables :

  • Il est enfin possible de s’abstraire de cet héritage du signal analogique que sont les intervalles de blanking ! Il n’y a plus de limitation en termes de débit ou de nombre de pistes associés à notre vidéo : terminée la limite des 16 pistes audio pour un signal 3G-SDI.

  • Il n’y a plus d’obligation de faire transiter la vidéo à travers plusieurs équipements pour enrichir le signal : les données associées peuvent être envoyées par un équipement différent de la vidéo, la référence temporelle commune assurant malgré tout la synchronisation de l’ensemble. Terminé les inserteurs pour insérer audios, commandes SCTE-104 et autres dans le signal.

  • Les capacités de routage des infrastructures IP sont utilisées à leur plein potentiel : les équipements qui font de l’habillage ne consomment que les flux vidéo. Les équipements de watermarking audio ne consomment que les flux audio. Moins de ressources, plus d’efficacité.

  • La notion de service devient logique : pour construire un service, il suffit de choisir l’ensemble des flux qui le compose. On peut construire 50 services utilisant le même flux vidéo et ajoutant des variantes sur les audios ou les données associées sans duplication.

Sécurité

L’absence de mécanisme de sécurité au nvieau du protocle est une lacune majeure pour un standard dédié à une industrie faisant partie des secteurs d’importance vitale, régulièrement visée par les cyberattaques.

La sécurité n’est, pour le moment, absolument pas abordée par le standard : or, s’il est évident qu’une grande partie des contraintes de sécurité doivent être prise en charge directement par l’infrastructure réseau, il y a tout de même quelques points qui devrait être gérés au niveau du protocole.

A minima, le standard devrait prévoir des mécanismes natifs empêchant un intervenant malveillant de substituer discrètement un flux par un autre, ou à un récepteur légitime d’accéder à des contenus qu’il ne devrait pas être en mesure de diffuser.

Il faut que le standard permette pour chaque flux d’authentifier sa source pour s’assurer qu’un flux provient bien d’un équipement autorisé, et surtout de garantir son intégrité pour détecter les modifications illicites de contenu. Idéalement, le standard devrait aussi fournir un moyen de chiffrer les flux pour éviter de transmettre des informations en clair sur le réseau,

Interopérabilité

L’interopérabilité est un enjeu central du ST 2110, pris en charge par le consortium JT-NM qui publie des recommandations et effectue des campagnes de test.

Pour garantir que des équipements issus de constructeurs différents puissent réellement fonctionner ensemble, l’EBU, la SMPTE, l’AMWA et la VSF ont créé le groupe JT-NM (Joint Task Force on Networked Media). Ce consortium a notamment publié la recommandation JT-NM TR-1001, qui définit l’écosystème minimal permettant de déployer et d’interconnecter des systèmes basés sur le ST 2110.

En complément, des campagnes de tests interopérabilité JT-NM Tested sont régulièrement organisées, où les fabricants soumettent leurs produits à une validation indépendante. Ces campagnes permettent de vérifier la conformité, de détecter les divergences d’implémentation et d’apporter des garanties concrètes aux utilisateurs sur la compatibilité des équipements.

Le transport sur IP

Universalité de la couche transport, routage, convergence des infrastructures métiers, homogénéisation des protocoles on-premise / cloud, …​ ST 2110 profite de la souplesse de l’IP, et de l’ensemble d’un écosystème déployé depuis des dizaines d’années.

Mais cette flexibilité à un coût qui n’est pas uniquement financier. D’une part en raison de la complexité des infrastructures et des contraintes opérationnelles en terme de redondance et de sécurité ; D’autre part, les équipes métiers vont devoir être formées au transport IP…​ et les équipes réseau vont devoir être formées sur les problématiques métiers.

Des avantages considérables…​

Inutile de revenir longuement sur les bénéfices généraux de l’IP : depuis près de 30 ans que tout le monde l’utilise pour transporter des flux vidéo, ils sont connus. ST 2110 arrive chronologiquement bon dernier dans un monde saturé de vidéo sur IP: acteurs du broadcast traditionnel, plateformes de streaming, réseaux sociaux…​

L’intérêt principal dans le cadre qui nous concerne réside avant tout dans la convergence des infrastructures et des protocoles de transport. Là où il fallait autrefois maintenir plusieurs technologies en parallèle (SDI pour la vidéo, MADI ou AES pour l’audio, ASI pour la diffusion, IP pour la téléphonie…), une seule suffit désormais.

D’autre part, il devient possible de s’appuyer directement sur les réseaux IP existants : interconnexions entre sites, fibres noires déjà déployées, réseaux opérateurs… tout cela devient exploitable pour le transport de contenus broadcast.

Enfin, l’IP ouvre l’accès aux progrès considérables réalisés ces dernières années dans la virtualisation et le cloud. Ces avancées apportent au monde du broadcast des bénéfices majeurs, comme par exemple élasticité, résilience, redondance géographique, montée en charge automatique.

…​ au prix d’une complexité qui ne l’est pas moins.

L’IP est un univers où RIEN n’est simple.

Les difficultés commencent dès la phase d’étude : dimensionnement du backbone, choix entre architecture monolithique ou spine/leaf, mise en place de la redondance, gestion de la charge, sécurité et isolation, positionnement géographique des équipements, alimentation électrique… Les sujets sont nombreux et requièrent une expertise réseau pointue.

Vient ensuite le déploiement initial et la configuration : routage, QoS, multicast, sécurité encore — avec ACL et règles firewall. Là aussi, rien n’est évident, d’autant que des problèmes latents peuvent s’y glisser pour ressurgir le jour exact de la mise en production.

Une fois en production, le support et la maintenance peuvent être acrobatiques: correctifs logiciels et monté de version, modification des configurations d’actifs, nouvelles connections sont des opérations quasi-quotidiennes qui doivent s’opérer sans interruption de service. Le diagnostic réseau releve parfois du cauchemar : pertes de paquets intermitentes, problèmes de synchronisation PTP…​ Chez certains clients, pourtant dotés d’équipes réseau compétentes, les incidents liés à l’infrastructure IP restent la première cause de nos interventions de support. Le diagnostic et la résolution demandent parfois des jours de travail à plusieurs personnes, y compris sur des sujets qui pourraient paraitre triviaux. Et pour terminer…​ la documentation doit être exhaustive, et tenue parfaitement à jour, ce qui représente une charge de travail gigantesque lorsque l’on considère le nombre d’équipements nécessaires.

Enfin, la montée en charge et la migration sont aussi des sujets délicats : il reste plus simple de changer une grille SDI que de migrer un coeur de réseau.

Et des équipes à former

Dans la pratique, les équipes métier et réseau travaillent côte à côte, mais avec peu de perméabilité. Les premières aimeraient que le réseau s’adapte à leurs besoins, tandis que les secondes (souvent externalisées) se concentrent sur la “tuyauterie”, sans toujours comprendre précisément la nature des données transportées. De là naissent des tensions, accentuées par les contraintes de sécurité qui, aussi nécessaires soient-elles, ajoutent de la difficulté et des points de crispation à tous les étages.

Pour qu’un écosystème ST 2110 fonctionne correctement, la formation est incontournable. Les équipes métier doivent comprendre l’infrastructure de transport sur laquelle elles s’appuient. De leur côté, l’équipe réseau doit faire l’effort de prendre de la hauteur dans le modèle OSI et de se familiariser avec les spécificités métier, en gardant en tête qu’elle gère un maillon essentiel qui reste au service de la diffusion.

Tout cela passe aussi par l’adoption de langage et de méthodologies communes : le système de tickets marche excessivement bien pour un problème d’imprimante qui ne fonctionne plus, mais tenter de l’imposer à l’équipe métier lorsque c’est la régie finale qui ne reçoit plus les flux d’un studio pose des problèmes évidents de réactivité.

Rien d’insurmontable, mais ce sont des enjeux qui prennent du temps et qu’il faut anticiper en amont. Ces problèmatiques existent d’ailleurs depuis longtemps, et certaines ne sont pourtant toujours pas résolues.

1 - Historique

3 - Codecs et infrastructure

Bibliographie

[1] SMPTE ST 2110-10:2022. Professional Media Over Managed IP Networks: System Timing and Definitions. Society of Motion Picture and Television Engineers, 2017.

[2] SMPTE ST 2059:2021. SMPTE Profile for Use of IEEE Std 1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications. Society of Motion Picture and Television Engineers, 2021.

[3] IEEE 1588-2019. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2019.

[4] JT-NM TR-1001. System Environment and Device Behaviors For SMPTE ST 2110 Media Nodes in Engineered Networks. Joint Task Force on Networked Media, 2020.