Из стандартных цифровых видеопотоков

Как было сказано ранее, основной телевизионный контент операторы получают в виде программ спутникового и эфирного телевидения, а также из видеоархивов. Эти программы поступают в самых различных стандартах и системах. Цифровые телепрограммы используют сжатие как по технологии MPEG-2, так и MPEG-4. Задача оператора в первую очередь состоит в том, чтобы норма­лизовать, преобразовать нужным образом все разнородные входные видеопотоки и получить на выходе ГС единообразные IPTV-потоки стандарта MPEG-2 (но в обозримом будущем это могут быть более совершенные кодеки, которые пока не используются из-за дорого­визны оборудования).

Чтобы получить качественные IPTV-потоки, надо правильно выбрать и сконфигурировать ГС. Рассмотрим достаточно важный момент — вложение MPEG-потока в IP-пакеты или, по-другому, осуществле­ние IP-инкапсуляции.

Итак, рассматриваем IP-инкапсуляцию (IP-encapsulation). Напомним, что транспортный MPEG-поток состоит из последовательных 188-байтовых пакетов. ГС объ­единяет эти MPEG- пакеты и формирует из них полезную нагрузку PDU (Protocol Data Unit)-кадра. Этот процесс изображен на рис. 2.3.

MAC Header

MPEG Transport Packed

MPEG Transport Packed

…

MPEG Transport Packed

MPEG Transport Packed

MPEG Transport Packed

…

Protocol Header

Protokol Header

MPEG Transport Packed

MPEG Transport Packed

…

UDP Header

IP Header

CRS

Рис. 2.3. Вкладывание пакетов MPEG – пакетов в IP кадр

Рис. 2.4. Инкапсуляция MPEG в UDP/IP over Ethernet

MPEG Transport Packed

Network Packet Payload

Network Packed

Protocol Header

Payload (MPEG)

Protocol Trailer

MPEG Bitsream

Заголовок (Header) и замыкающая часть IP-кадра (Trailer) опре­деляются спецификацией используемого протокола.

Теперь рассмотрим инкапсуляцию MPEG-потока в протокол Gi­gabit Ethernet. На рис. 2.4 показан кадр в формате MPEG over UDP/ IP over Gigabit Ethernet. Замыкающая часть кадра — это как обычно CRC (Cyclic Redundancy Code) — контрольный циклический избы­точный код, а на рис. 2.5 показана инкапсуляция MPEG over Gigabit Ethernet в реальном времени с использованием протокола RTP. Про­токол RTP (Real-time Transport Protocol) определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивая безопасность передачи контента и распознавание информации. Протокол RTP функционирует поверх протокола UDP (User Datagram Protocol), расположенного в стеке протоколов TCP/IP над протоколом IP. Разница между двумя ри­сунками только в добавлении RTP-заголовка в секцию заголовка протокола (Protocol Header).

Наконец, рис. 2.6 показывает инкапсуляцию IP-кадра, несущего MPEG-пакеты, в ATM-ячейки. На этом рисунке изображено вкла­дывание кадра формата MPEG over UDP/IP в ячейки ATM с клас­сической IР-инкапсуляцией (RFC2684 LLC-инкапсуляция маршрути­зируемых протоколов).

В состав полезной нагрузки AAL-5 входит Для других RFC2684 ATM-подобных инкапсуляций производятся соответствующие изменения. Так, например, для инкапсуляции в реальном времени после заголовка UDP был бы заголовок RTP. А для мостовой (bridged) инкапсуляции Ethernet был бы заголовок Ethernet MAC перед IP-заголовком.

Еще один вариант инкапсуляции MPEG-пакетов в так называе­мый врожденный (native — исходный, врожденный) ATM изображен на рис. 2.7.

Эта инкапсуляция, называемая MPEG over Native ATM, очень похожа на процессы, иллюстрируемые рис. 2.5, различие заключается в удалении UDP/IP- и RFC2684-уровней (собственно ни этому такой метод и называется Native (исходный) ATM, так как он не имеет каких-либо дополнительных протоколов). Для этого мето­да заголовок протокола является пустым и этот метод более эффек­тивно использует ширину полосы, чем другие ATM-методы.

Однако присутствие UDP/IP заголовков в других методах позволяет поддерживать множество однопрограммных транспортных потоков (SPTS) через одну виртуальную ATM-цепь, что невозможно в методе Native ATM.

Примерно такие же преобразования производятся при переда­че IPTV-программ по магистральным сетям SDH. Процедура поме­щения Ethernet-кадров в виртуальные контейнеры STM-потоков еще проще, чем помещение в короткие ячейки ATM-протокола. Обратим внимание, что новые поколения SDH-систем, называ­емые NGSDH и RPR, обеспечивают существенно более высокое ка­чество передачи IP-трафика, чем ATM- технологии. Во всяком случае эффект увеличения джиттера, наблюдаемый в ATM-магистралях, в SDH — RPR-сетях отсут­ствует.

Протоколы и виды трафика

Напомним назначение основных протоколов, используемых в Ин­тернет-телевидении.

RTSP (Real-Time Streaming Protocol) - это протокол с возможно­стью контролируемой передачи видеопотока в Интернете. Протокол обеспечивает пересылку информации в виде пакетов между сервером и клиентом. При этом получатель может одновременно воспроизво­дить первый пакет данных, декодировать второй и получать третий.

RTP (Real-time Transport Protocol) — протокол из этой же груп­пы определяет и компенсирует потерянные пакеты, обеспечивает без­опасность передачи контента и распознавание информации.

RTCP (Real-Time Control Protocol) работает вместе с протоколом RTP и отвечает за проверку идентичности отправленных и полученных пакетов, идентифицирует отправителя и контролиру­ет загруженность сети.

IGMP (Internet Group Membership Protocol) предназна­чен для присоединения к сети или выхода из группы рассылки.

Сформированный ГС поток телевизионных каналов представляет собой поток IP-пакетов, передаваемых всети по отдельному груп­повому IP-адресу, соответствующему данному телеканалу. Таким об­разом, вещание нескольких каналов представляет собой формирова­ние нескольких потоков multiсast-трафика, когда каждый из каналов однозначно определяется уникальным адресом групповой рассылки.

При использовании MPEG-2 как наиболее распространенного формата цифрового сжатия видеоданных каждый телевизионный ка­нат загружает IP-сеть трафиком, имеющим скорость от 3,5 до 6 Мбит/с. Сеть оператора транслирует некоторый телевизионный канал только в том случае, если имеется хотя бы один пользователь на этот канал, который запросил его просмотр в данный момент. Пере­дача выбранного абонентом IP-сети телевизионного канала реализу­ется на базе технологии IP-multicast, а для случая просмотра «видео по заказу» — на базе IP-unicast.

IP-телевидение представляет собой известное в сетевых техно­логиях приложение клиент-сервер. Для обеспечения минимальных задержек и гарантированной скорости передачи видеоданных в IP-сети используется поддержка QoS (Quality of Service). Обычно для этого используется один из протоколов резервирования необходимой ширины полосы в канале. Осуществляется предоставление марш­рутизаторам сети общих характеристик трафика (скорость переда­чи данных, вариабельность). Маршрутизаторы сводят затем воеди­но запросы на выделение ресурсов на общих участках маршрутов движения видеотрафика.

Рассмотрим методы передачи трафика в IP-сетях; unicast, broad­cast и multicast.

Понимание различий между этими методами является очень важным для понимания преимуществ IP-телевидения и для прак­тической организации трансляции видео в IP-сети. Каждый из этих трех методов передачи использует различные типы назначения IP-адресов в соответствии с их задачами. Имеется большая разница в степени их влияния на объем потребляемого трафика.

Трафик unicast (одноцелевая передача пакетов) используется, прежде всего, для сервисов персонального характера. Каждый або­нент может запросить персональный видеоконтент в произвольное, удобное ему время. Трафик unicast направляется из одного источни­ка к одному IP-адресу. Этот адрес принадлежит в сети только одном компьютеру или абонентскому STB, как показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Передача трафика unicast

Число абонентов, которые могут получать трафик unicast одновременно, ограничено доступной и магистральной части сети шириной потока (скоростью потока). Для случая Gigabit Ethernet сети теоретическая максимальная ширина потока данных может приближаться к 1 Гбит/с без учета полосы, необходимой для передачи служебной информации, и технологических запасов оборудования. Предположим, что в магистральной части сети мы можем выделить не более половины полосы для сервисов, которым требуется трафик unicast. Легко подсчитать, что для скорости 5 Мбит/с на телевизионный канал MPEG-2 число абонентов, одновременно получающий трафик unicast, не может превышать 100. Большинство операторов поэтому для обеспечения услуги «видео по требованию» стремятся предоставлять ее на более низких скоростях (см. табл. 1.2).

Трафик broadcast (широковещательная передача пакетов) использует специальный IP-адрес, чтобы посылать один и тот же поток данных ко всем абонентам данной IP-сети. Например, такой IP-адрес может оканчиваться на 255 (допустим, 192.0.2.255) или иметь 255 во всех четырех полях (255.255.255.255).

Важно знать, что трафик broadcast принимается всеми вклю­ченными компьютерами (или STB) в сети независимо от желания пользователя. По этой причине этот вид передачи используется в основном для служебной информации сетевого уровня или для передачи другой исключительно узкополосной информации. Разумеется, для передачи видеоданных трафик broadcast не используется. Пример передачи трафика broadcast показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Передача трафика broadcast

Трафик multicast (групповая передача пакетов) используется дляпередачи потокового видео, когда необходимо доставить видео­контент неограниченному числу абонентов, не перегружая сеть. Это наиболее часто используемый тип передачи данных в сетях IPTV, когда одну и ту же телевизионную программу смотрит большое чис­ло абонентов (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Передача трафика multicast

Трафик multicast использует специальный класс IP-адресов на­значения, например адреса в диапазоне от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Это могут быть IP-адреса класса D.

Вотличие от трафика unicast адреса multicast не могут быть назначены индивидуальным компьютерам (или STB). Когда данные посылаются по одному из адресов multicast, потенциальный прием­ник данных может принять решение принимать или не принимать их, т.е. будет абонент смотреть этот канал или нет. Такой способ передачи означает, что головное оборудование оператора IPTV бу­дет передавать один поток данных по многим адресам назначения. В отличие от случая broadcast-передачи, за абонентом остается выбор — принимать данные или нет.

Важно знать, что для реализации multicast-передачи в IP-сети должны быть маршрутизаторы, поддерживающие multicast. Марш­рутизаторы используют протокол IGMP для отслеживания текущего состояния групп рассылки (а именно членство в той или иной группе того или иного конечного узла сети).

Основные правила работы протокола IGMP следующие:

• конечный узел сети посылает пакет IGMP типа report для обеспечения запуска процесса подключения к группе рассылки;

• узел не посылает никаких дополнительных пакетов при отключении от группы рассылки;

• маршрутизатор multicast через определенные временные интервалы посылает в сеть запросы IGMP; эти запросы позволяют определить текущее состояние групп рассылки;

• узел посылает ответный пакет IGMP для каждой группы рассылки до тех пор, пока имеется хотя бы один клиент данной группы.

Загрузка магистральной части сети multicast трафиком зависит только от числа транслируемых в сети каналов. В ситуации с Gigabit Ethernet-сетью (предположив, что половину магистрального трафика мы можем выделить под multicast -передачу) мы получаем около 120 телевизионных каналов MPEG-2 (4 Мбит/с).

Разумеется, что в реальной IPTV-сети присутствуют одновременно все три вида трафика: broadcast, multicast и unicast. Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разные механизмы влияния различных технологий IP-адресации на объем трафика. Например, оператор должен ясно представлять себе, что предоставление услуги «видео по заказу» большому числу абонентов требует очень высокой пропускной способности магистральной сети. Одним из решений этой проблемы является децентрализация видеосерверов в сети.

В этом случае центральный видеосервер заменяется на несколько локальных, разнесенных между собой и приближенных к периферийным сегментам многоуровневой иерархической архитектуры IP-сети.

Главное требование к IP-сети — высокая скорость передачи. Во всем мире и в РФ наблюдается огромный прогресс в доступности высокоскоростного «домашнего» Интернета и тенденция постоянного снижения тарифов на него.

В настоящее время в большинстве российских городов активно внедряется высокоскоростной Интернет на базе ADSL, домашних Ethernet-сетей, PON и WiMAX.