滿足家庭網路傳輸HD視訊串流需求 HANA力推1394介面

就家庭網路而言,IEEE 1394平台有幾項重要優勢勝過乙太網路和HDMI,該平台不僅能使用普通的CAT5/6纜線,還可透過電力線路傳輸資料,同時,毋須架設新線路就能將網路帶到家中的各個角落,因此1394成為HANA採用傳輸介面的首選。
就家庭網路而言,IEEE 1394平台有幾項重要優勢勝過乙太網路和HDMI,該平台不僅能使用普通的CAT5/6纜線,還可透過電力線路傳輸資料,同時,毋須架設新線路就能將網路帶到家中的各個角落,因此1394成為HANA採用傳輸介面的首選。  

當高解析音視訊網路聯盟(HANA)選擇IEEE 1394做為家用網路推薦平台時,有些業界人士可能覺得相當驚訝,因為在此之前,乙太網路已是個人電腦市場的勝利者,享有龐大的基礎設施支援和經濟規模,高解析度多媒體介面(HDMI)則在消費性電子產品的點對點動態視訊連接方面大幅領先。既然乙太網路已經主宰個人電腦網路市場,HDMI又是消費性電子產品最主要的點對點連接方式,HANA為什麼不選擇這些技術?1394靠著哪些優勢獲得HANA的青睞?  

網路連線品質決勝負  

傳送一組含有音訊的高畫質(High Definition, HD)MPEG-2串流通常需要20M~30Mbit/s頻寬,實際需求則視消費性電子應用的解析度而定。儘管乙太網路、HDMI和1394都有足夠頻寬傳送高畫質視訊,但仍各有優缺點。  

在最理想狀況下,高畫質視訊為最低解析度,傳輸協定不會額外消耗頻寬,每個視訊串流都有專用頻寬,且網路不會因其他裝置互爭傳輸頻寬而產生擁塞現象,且100Mbit/s的乙太網路應足以傳送五個高畫質串流。  

然而,採用網際網路通訊協定(IP)的乙太網路卻只能盡力(Best-effort)提供封包傳送服務,這表示網路有可能丟棄封包、重複傳送、出現延遲或弄亂封包次序,也導致MPEG-2傳輸串流的時脈重建變得很困難,然而時脈重建對影音同步、多機共享(Multi-room)音訊或其他類似應用卻很重要。  

要滿足串流視訊的時效特性(Time Sensitive Nature),一般可透過兩種做法改善IP系統的網路連線服務品質(QoS),以避免視訊中斷:其一為提高頻寬或降低網路流量,以減少網路擁塞現象;另一則是為每一台顯示裝置增加更多的緩衝空間。  

為提高網路連線服務品質,業界制定802.1Q規格做為第三種替代方案,802.1Q利用標籤協定辨識代碼(Tag Protocol ID, TPID)設定封包優先順序,讓時效性資料比較能準時抵達目的地。這雖能讓時效性資料擺脫一般流量的限制,但隨著越來越多注重資料時效性的產品進入一般家庭,網路擁塞的問題仍將繼續存在。例如高畫質視訊就必須與其他高畫質串流、網路電視、網路語音通訊協定(VoIP)、視訊會議和遊戲機等爭奪封包優先權。  

以高速傳輸多個HD視訊串流  

1394a的優點是以400Mbit/s速率同時傳送八個高畫質串流,另外,隨著更多種支援1394b的裝置出現,傳輸速率加倍為800Mbit/s,可提供更大頻寬給更多不同的應用。IP網路最適合能容忍延遲的檔案傳輸,在設計之初,1394就把視訊和網路連線服務品質列為重要考慮。  

為保證網路連線服務品質,1394把所有頻寬分為多個一百二十五微秒週期(圖1),每個週期最多能將80%的時間分配給時效性等時 (Isochronous)資料,其他的非同步流量則會在剩餘的20%時間裡傳送。如果非同步週期時間已經用盡,剩下的非同步資料就要等到下一個非同步週期再傳送。  

1394裝置連接到網路後會送出一個匯流排重設命令,讓網路上所有裝置互相交換彼此的網路功能和要求。想要傳送等時內容的裝置還會執行另一個仲裁程序,以便選出一台裝置做為等時資源管理器(Isochronous Resource Manager),確保所有想要傳送等時內容的裝置都能獲得所需頻寬。  

1394協定還內建多種機制,確保匯流排重設時仍會繼續傳送等時資料,避免裝置連接或移除的動作影響音訊或視訊傳輸。1394透過這種頻寬保留的方式,確保音訊和視訊內容獲得所需頻寬,進而提供強大可靠的網路連線服務品質。  

HDMI的資料傳輸速率高達5Gbit/s,是目前最快的介面,該技術會以未壓縮的方式傳送視訊內容,這與乙太網路或1394有很大不同。由於HDMI的傳輸速率超快,就算傳送未壓縮的高畫質視訊內容,仍能留下一半以上的頻寬供未來使用。但HDMI是單一用途的點對點傳輸介面,只能用來傳輸一組影音串流,這正是HANA和數位生活網路聯盟(DLNA)致力改變的地方。  

採P2P連接可自設組態  

內容傳送在過去數十年受到很大限制,只能從某一點傳送到另一點。網路的出現為家庭帶來巨大改變,打破只能在兩台裝置之間傳送資料的限制,使家裡所有設備都能觀看和分享內容。  

IP乙太網路和1394的網路架構有很大不同,IP網路必須設為星形架構,因此乙太網路採用端點對主機(Peer-to-host)模式,由一台中央路由器負責在裝置之間傳送封包。每台裝置必須設定靜態IP位址,或由網路的DHCP伺服器動態配置IP位址。雖然這種網路在理論上可以連接無限多的節點,但因為需要路由器,所以實際上會造成網路成本與設備的增加。  

1394採用點對點(Peer-to-peer, P2P)對等模式,所以架構比較自由。使用者可將1394裝置連接到網路上任何一台1394裝置的空連接埠。每一台裝置都會處理整個網路的組態資訊,並且透過網路初始化時所執行的「自我辨識」(Self-identification)程序與其他裝置共享這些資訊。雖然目前1394的每個叢集 (Cluster)最多只能有六十三個節點,未來版本將會支援叢集之間的橋接功能,使多個叢集能夠互相通訊。  

1394b規格允許網路使用更多不同類型的纜線,譬如使用CAT5/6等低成本的無遮蔽雙絞線時,1394b仍能在七十五公尺範圍內提供 400Mbit/s的傳輸速率,一百公尺的最大傳輸速率也達到200Mbit/s。1394現在還能搭配超寬頻(UWB)技術,能夠不影響電視或網際網路訊號,跨過同軸纜線進行橋接。目前業界還在改進1394技術,希望它能透過電力線路傳輸資料。這些進展使消費者不必架設任何新線路,就能藉由1394把網路帶到家裡各個角落。  

透過MPEG壓縮格式傳送內容  

防盜拷能力是HDMI的最大優勢,該技術不僅根據HDCP標準將資料加密,超高速的傳輸介面也讓盜拷變得非常困難。HDMI會將內容解碼並以未壓縮的形式傳送,由於一部完整電影的資料量就高達數十兆位元組,這表示若想將資料盜拷到儲存裝置,就必須以每秒數十億位元的速率擷取和儲存,這顯然相當困難。事實上,唯有透過成本昂貴的編碼器才能將這些內容存入硬碟,或是直接將電影內容燒錄到光碟。  

這也是1394設計另一個享有重大優勢的地方,即透過MPEG壓縮格式傳送內容,使網路更簡單和更符合成本效益。  

DTCP技術有效防止盜拷  

來自機上盒或DVD的內容原本就是以MPEG-2或MPEG-4編碼,因此機上盒毋須另外解碼或編碼,就能透過1394網路把這些MPEG資料傳送到另一台裝置。既然這些串流資料已採用MPEG壓縮格式,硬碟或DVD錄影機不必執行編碼或解碼就能直接儲存資料,新型高畫質攝影機同樣將內容壓縮為MPEG格式,因此也能利用1394傳送資料。事實上,整個網路唯有顯示器才需要解碼器,使用者不必再為每台裝置增加一個解碼器(圖2、3)。  

1394利用數位傳輸內容保護技術(DTCP,又稱為5C)來防止盜拷,DTCP則是由數位傳輸授權管理公司(Digital Transmission Licensing Administrator, DTLA)所授權的一種內容保護機制。這套加密方式已歷經多年考驗,被證明是一種非常可靠的機制。同時,DTCP已獲得美國電影協會(Motion Picture Association of America, MPAA)認可,高畫質機上盒必須支援DTCP才符合開放纜線(Open Cable)規格的要求。  

DTCP並不是數位權利管理(DRM),這表示它不會管理數位權利,而是保護傳輸內容不被盜拷。每台DTCP裝置都有獨一無二的憑證(Certificate)和金鑰(Key),就算某個金鑰被破解,也只有該金鑰會受影響,其他裝置仍無法利用該金鑰來破解加密內容。  

DTLA也為IP網路提供內容加密技術,稱為DTCP-IP,是DTCP的IP網路版本,但對HANA來說,這種安全機制仍然是發展中的技術,尚未達到導入產品的階段。另外,DTCP-IP也尚未通過纜線實驗室(CableLabs)的付費有線電視內容傳輸認證。  

1394顯然是HANA的最佳選擇,HANA需要一種容易在家安裝的網路介面,該介面須能自行設定組態,同時傳送多個高畫質串流,並提供可靠的網路連線服務品質。此網路還須能安全地傳送和儲存內容,且其安全機制要通過內容供應商的認證,因此僅有1394能滿足HANA的需求。  

(本文作者任職於德州儀器)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌76期6月號)  

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