Ohnivý drát
Rozhraní FireWire - což jsem si dovolil v nadpisu poněkud humpolácky přeložit - vytvořila firma Apple jako levné, ale přitom výkonné rozhraní, umožňující nejen propojování počítačů a nejrůznějších periférií, ale i jednotlivých zařízení domácí elektroniky. Rozhraní FireWire je navrženo natolik flexibilně, že může stejně dobře sloužit pro připojení pevného disku k počítači (a tak být náhradou dnešního standardu SCSI, nemluvě o předvčerejším standardu (E)IDE), jako pro propojení (digitálního) videopřehrávače s (digitálním) televizorem - a tak vytvořit dosud neexistující standard i zde. Vzhledem k výhodám, které rozhraní FireWire nabízí, jej 12. prosince 1995 přijalo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) jako standard IEEE1394. Ačkoli se jedná o zcela univerzální systém, umožňující jak asynchronní, tak i isochronní přenos, stává se dnes zvláště zajímavým v souvislosti s nástupem digitálního videa - rozhraní totiž nabízí dostatečné prostředky pro přenos a zpracování dat, reprezentujících videosekvence, jak mezi klasickými koncovými zařízeními (kamera, videopřehrávač, monitor) navzájem, tak i mezi nimi a počítačem (kde pak máme prakticky neomezené možnosti zpracování snímků).
V tomto článku se podíváme na to, co vlastně rozhraní IEEE1394 nabízí, jak vypadá jeho technická realizace a u jakých přístrojů jej můžeme očekávat. Čtenáři Softwarových novin se navíc již možné setkali s navrhovaným standardem USB, jehož potenciální využití se s rozhraním IEEE1394 do jisté míry překrývá; srovnáme proto nakonec oba standardy a zběžně si ukážeme jejich vzájemný poměr.
Musím se bohužel přiznat, že v době psaní tohoto článku se mi vyjma kamer a střihových karet nepodařilo získat žádné zařízení IEEE1394 na praktické otestování. Informace, týkající se ostatních zařízení, jsou proto převážně získané z Webu a podobných zdrojů, a nejsou podepřeny valnou praktickou zkušeností. Má-li proto někdo s rozhraním IEEE1394 zkušenosti odlišné, prosím jej, aby mi napsal na adresu <ocs@ocs.cz>; velice rád tyto informace upřesním a o výsledky se samozřejmě podělím i s ostatními.
1. O co jde
Standard IEEE1394 specifikuje podrobně rozhraní, umožňující propojovat jednotlivá zařízení ve stromové struktuře. Jeden strom může obsahovat maximálně 65535 uzlů (šestnáctibitové adresování); adresy jsou přitom přidělovány dynamicky při startu sběrnice a/nebo při připojení nového uzlu; díky tomu sběrnice nevyžaduje žádné nastavování identifikačních čísel (jako tomu je např. u sběrnice SCSI) a podporuje přidávání a odebírání uzlů za běhu. Navíc jsou na síť kladena některá omezení - maximální vzdálenost mezi dvěma uzly např. nesmí přesáhnout 16 kroků (tj. nesmí mezi nimi být více než patnáct 'meziuzlů'); fyzická vzdálenost pak odpovídá použitému kabelu, u standardního kabelu se jedná přibližně o 5 až 20 metrů (standardní kabely mohou být různě tlusté a odolné proti ztrátám a rušení), existují však - samozřejmě dražší - řešení, nabízející řádově větší rozsah. V jedné samostatné podsíti - kterou od ostatních odděluje bridge - může být nejvýše 63 uzlů.
Standardní stromovou sestavu sítě podporuje standard tím, že u každého uzlu předpokládá tři konektory (ačkoli obecně uzel může mít konektorů libovolný počet od 1 do 27); příklad sítě určené pro zpracování digitálního videa s využitím počítače by mohl vypadat takto:
(některá zařízení - např. právě digitální videokamera - mohou být určena výhradně jako uzly sítě, pak budou mít konektor pouze jeden).
Vlastní přenosová rychlost kabelu není pevně určena; stávající podoba normy počítá s jednou ze tří přenosových rychlostí 100, 200 nebo 400 Mbps (megabitů za sekundu), a pracuje se na rozšíření pro ještě vyšší přenosové rychlosti (řádu Gbps a více). Ačkoli v běžných instalacích bude pravděpodobně celá síť využívat jedné přenosové rychlosti, odpovídající nejpomalejšímu zařízení, které je do ní připojeno, obsahuje standard IEEE1394 podporu i pro to, aby se data mezi různými uzly předávala různě rychle, podle skutečné potřeby konkrétní sítě.
Síť může přenášet asynchronní pakety (odpovídající paketům na běžných sítích typu Ethernet), nebo isochronní data, tj. datový stream se zaručenou přenosovou rychlostí, generovaný jedním zařízením a čtený synchronně libovolným množstvím dalších zařízení (tj. odesílá-li např. videokamera z minulého obrázku nasnímaná data jako isochronní stream, můžeme je zároveň nahrávat na přehrávači, zobrazovat na monitoru i ukládat na pevný disk v počítači). Díky konstantní přenosové rychlosti přitom ani na straně odesílajícího, ani na straně příjemců nepotřebujeme prakticky žádné buffery; isochronní přenos je tedy nejen efektivní, ale také - z hlediska koncových zařízení - velmi levný (díky tomu že rozhraní je sériové, zůstává levný i kabel). Aplikace samozřejmě mohou využívat asynchronní i isochronní komunikace podle potřeby; předpokládá se ale, že asynchronní komunikace bude sloužit převážně pro předávání příkazů mezi zařízeními, zatímco isochronní obvykle zabezpečí přenos vlastních dat.
Možnost isochronní komunikace a schopnost kombinovat isochronní přenos na jediném fyzickém nosiči s asynchronním přenosem paketů patří spolu s bezproblémovou rekonfigurací za běhu k nejdůležitějším vlastnostem sítě IEEE1394. žádný z alternativních systémů zatím nenabízí srovnatelné služby - sítě typu Ethernet sice umožňují rekonfiguraci za běhu, ale podporují pouze asynchronní komunikaci, a nejsou proto schopné zajistit spolehlivý a bezvýpadkový přenos dat jako video nebo zvuk. Sběrnice typu SCSI naproti tomu neumožňují rekonfiguraci za běhu a bývají značně omezeny co do počtu připojených zařízení. Srovnatelné služby nenabízí ani nově navrhovaná sběrnice USB, jak uvidíme na konci článku.
2. Struktura sítě
Norma IEEE1394 definuje tři nejnižší úrovně síťového modelu ISO/OSI: transakční, linkovou a fyzickou. Na nejvyšší, transakční úrovni je zabezpečeno předávání asynchronních paketů prostřednictvím protokolu, odpovídajícího normě ISO/IEC 13213 (read/write/lock). Linková úroveň zabezpečuje předávání datagramů a řízení isochronního přenosu. Konečně na fyzické úrovni jsou definovány mechanismy, zabezpečující inicializaci sběrnice, její synchronizaci (tj. zabezpečení toho, aby v jednom okamžiku vysílal data pouze jediný uzel) a konečně i fyzické provedení kabelů a konektorů:
Fyzická úroveň se také stará o odstranění potenciálního problému zemních smyček.
Jak vidíme na minulém obrázku, přenáší kabel kromě vlastních dat také napájení. To je důležité z několika důvodů: předně, linkové obvody mohou být napájeny i v případě, že je zařízení jako celek odpojeno od sítě; díky tomu síť IEEE1394 pracuje korektně i v případě, že jsou zapojena jen některá z jejích zařízení. U přístrojů s uzemněním mohou být linkové obvody - napájené z kabelu - galvanicky odděleny od ostatní elektroniky; tak se zabrání vzniku zemních smyček. Konečně, jednoduchá zařízení s nevelkou spotřebou proudu (typicky např. kamery nebo mikrofony) mohou být napájena přímo z kabelu, a nepotřebují tedy samostatný síťový přívod nebo baterie - to dále zjednodušuje zapojení sítě.
Konektory samy jsou odvozeny od konektorů hrací konzole Nintendo GameBoy. Snad to na první pohled zní směšně; uvědomíme-li si však nároky na spolehlivost konektorů hrací konzole, užívané dnes a denně dětmi, pochopíme, že bylo jen těžko možné zvolit konektor, který by byl spolehlivější a odolnější proti chybám uživatele.
(Poznamenejme, že videokamery jsou obvykle osazeny jinými, menšími konektory, které, na rozdíl od standardních konektorů IEEE1394, neobsahují napájení. Tyto menší konektory jsou popsány v dodatečném standardu IEEE1394.1, a chceme-li zařízení, které je jimi vybaveno, propojit se sítí IEEE1394, potřebujeme kabelovou redukci.)
Z hlediska nadřízeného softwarového vybavení se síť tváří jako řada modulů se sdílenou pamětí. Spolupráce s ostatními zařízeními na síti tedy probíhá na základě adres (můžeme přímo 'číst' nebo 'měnit' registry konkrétních zařízení); každá adresa je čtyřiašedesátibitová, a dělí se na desetibitovou adresu podsítě, šestibitovou adresu uzlu (proto může být v jedné podsíti nejvýše 63 zařízení) a 48 bitů adresy 'paměti'. Máme tak k dispozici maximálně 1023 sítí, každou s až 63 uzly, a každý z nich může nabídnout 256TB paměti.
Isochronní komunikace naproti tomu využívají dynamicky přidělovaných kanálů; uvnitř každého kanálu probíhá broadcast, kdy jedno zařízení odesílá proud dat, a kterékoli z ostatních zařízení jej může číst. Síť může najednou zpracovávat až 64 isochronních kanálů; v praxi je samozřejmě jejich počet omezen šířkou přenosového pásma. Jsou-li tedy např. všechna zařízení na síti z našeho příkladu dostatečně rychlá (což je velmi pravděpodobné, protože digitální video vyžaduje pásmo jen asi 30Mbps), můžeme bez problémů ukládat data, která videokamera generuje do jednoho isochronního kanálu, na pevný disk, a zároveň ve druhém isochronním kanálu odesílat data z výměnného disku, zobrazovat je na monitoru a nahrávat na videopřehrávač.
Správa sítě zajišťuje, že isochronní přenosy nemohou obsadit celou přenosovou kapacitu - vždy zůstane volná alespoň část kapacity sítě pro zabezpečení asynchronní komunikace.
3. Zařízení s rozhraním IEEE1394
V principu může být rozhraním IEEE1394 vybaveno jakékoli zařízení, které si má vyměňovat data s jiným (a/nebo které má být řízeno odjinud, případně má samo řídit, jiné). V praxi se zřejmě v nejbližší době budeme moci setkat s videokamerami, vybavenými rozhraním IEEE1394 (zde se rozhraní obvykle nazývá DV nebo i.Link) a s kartami do počítače, reprezentujícími bridge mezi sběrnicí IEEE1394 a sběrnicí počítače (typicky PCI - takové karty nabízí např. Fast nebo Pinnacle, velmi omezená verse je k dispozici i od firmy Sony). Samozřejmě, to je zajímavé jen pro uživatele kolovrátků typu IBM PC; Macitnoshe jsou rozhraním FireWire osazovány standardně, a dnes (v roce 1999) již je dost obtížné nový Mac bez IEEE1394 koupit.
Během poměrně krátké doby by měly následovat pevné a výměnné disky, tiskárny, audiozařízení (DAT přehrávače, hudební nástroje vybavované dosud rozhraním MIDI), monitory, reproduktory a další zařízení. Koncem roku 1999 existovala řada výměnných disků i magnetooptických jednotek, široká nabídka pevných disků s kapacitami řádově desítky GB, přehrávače a/nebo zapisovače DVD (resp. DVD-RAM), a dokonce DVD jukebox, o mnoha dalších přístrojích ani nemluvě. Aktuální nabídku přístrojů naleznete na <http://www.apple.com/firewire/firewireproducts.html>.
4. Srovnání IEEE1394 a USB
USB, neboli Universal Serial Bus, je rozhraní prosazované především (ale nejenom) firmami Intel a Microsoft. Jedná se o sériové rozhraní s rychlostí přenosu dat maximálně 12Mbps, určené, zhruba řečeno, k připojování všech zařízení, která se dají stejně snadno připojit přes rozhraní SCSI.
Struktura USB se poněkud liší od struktury IEEE1394: sběrnice USB je řízena hlavním řadičem (PC), a umožňuje připojování dalších zařízení ve stromové struktuře, podobně, jako IEEE1394. Hlavní rozdíl však spočívá v tom, že zařízení USB mohou v tomto stromě být pouze listy; uzly stromu musí být specializované řadiče (huby). Každý řadič dokáže obsloužit sedm zařízení (nebo dalších řadičů).
Z tohoto hlediska se nezdá, že by sběrnice USB přinesla nějaké zjednodušení pro připojování periferních zařízení k PC; trochu by tomu snad mohla napomoci integrace hubu do koncového zařízení, takže např. klávesnice by sice sama byla USB zařízením, ale díky integraci řadiče by k ní bylo možné připojit myš (a uživatel by si nebyl nucen kupovat samostatný hub). Nijak se však nevyhneme potřebě řídícího počítače.
Zařízení vybavená sběrnicí IEEE1394 naproti tomu mohou být propojována do stromové struktury bez hubů; tak můžeme navzájem propojit až 63 zařízení (pro větší množství již potřebujeme bridge). Nadto sběrnice IEEE1394 nepotřebuje hlavní řadič - můžeme jí stejně snadno propojit dvě koncová zařízení, např. videokameru a videopřehrávač (pro střih), nebo kameru a pevný disk (pro nahrávání přímo na disk). Na rozdíl od USB zde nepotřebujeme ani počítač, ani jiný podobně komplikovaný přístroj jen pro řízení sběrnice. K tomu navíc přistupuje daleko větší průchodnost sběrnice IEEE1394 - připomeňme, že i u její nejpomalejší verze máme k dispozici 100Mbps proti 12Mbps sběrnice USB.
USB má samozřejmě také své výhody - přesněji řečeno, právě jednu výhodu: díky menším nárokům může být v jednoduché konfiguraci levnější. Můžeme proto očekávat, že počítače v budopucnosti budou vybaveny oběma rozhraními - USB pro připojení myši a klávesnice (a světelného pera, a podobných zařízení; snad i mikrofonů a reproduktorů, protože přenosová rychlost USB pro pár zvukových kanálů jakžtakž stačí), a IEEE1394 pro připojení disků, tiskáren, scannerů a audiovizuální techniky.
5. IEEE1394 a ATM
ATM (Asynchronous Transport Mode) je přenosový systém, který v budoucnosti velmi pravděpodobně nahradí dnešní telefonní systém - s tím, že na rozdíl od něj bude samozřejmě schopen přenášet libovolná digitální data, včetně kvalitního videa a zvukových údajů. ATM nabízí skvělé služby pro přenos dat; přímé propojení všech přístrojů v rámci jednoho uzlu ATM (typicky tedy v rámci jedné domácnosti) na úrovni ATM by ale bylo - přinejmenším při dnešní technologii - neúnosně drahé.
Síť IEEE1394 však nabízí dostatečnou přenosovou kapacitu, a její pakety jsou dostatečně podobné paketům ATM pro možnost vytvoření poměrně jednoduchého a levného bridge. Pro další propojování přístrojů je pak rozhraní IEEE1394 naprosto ideální - je levné, a při možnosti měnit konfiguraci za běhu a při spolehlivých konektorech také uživatelsky velmi pohodlné. Můžeme proto předpokládat, že zatímco "informační dálnice" bude končit u dveří našeho bytu zásuvkou ATM, její rozvod dále bude řešen sítí IEEE1394:
6. Podpora
Rozhraní IEEE1394 je široce podporováno výrobci na obou stranách (dosud nespojeného) světa počítačů i audiovizuálních zařízení. Firma Apple, která má po koupi firmy NeXT k dispozici dnes nejkvalitnější operační systém, vlastně rozhraní IEEE1394 založila. Firma Microsoft, která vyrábí systém o tolik horší, o kolik je rozšířenější, sice podporuje USB, ale dobře ví, že USB na víc než na řízení myši nebo klávesnice nestačí; proto 8. ledna 1996 ohlásila podporu rozhraní IEEE1394 ve všech budoucích verzích operačního systému Windows. Rozhraní podporuje i řada dalších firem - Adaptec (který nabízí počítačové karty s rozhraním IEEE1394), Texas Instuments (který vyrábí řídící čipy pro toto rozhraní), Cirrus Logic, Conner Peripherals, Digital Equipment, ... tak bychom mohli projít celou abecedu, až po Western Digital. Ze strany audiovizuálních zařízení zatím vede firma Sony, která uvedla na trh již čtvrtou digitální videokameru vybavenou rozhraním IEEE1394, prodává kameru CCM-DS250, která je vybavena pouze rozhraním IEEE1394, po kterém odesílá data a ze kterého odebírá potřebnou elektrickou energii. Rozhraní podporuje i koncern Matsushita, firma Phillips a řada dalších...