Perspectives of internet-tv system development for video streaming delivery to the end-users

Full Text

Введение Сеть Internet привлекает самое пристальное внимание разработчиков, она свободнее от национальных и геополитических ограничений, ограничений по времени и ее популярность постоянно растет. Число пользователей сети ежегодно удваивается и составляет более одного миллиарда человек. Передача аудиовизуальной информации через Internet уже давно не является технической проблемой. Особенности передачи видео-информации Internet-сетям Системы Internet-телевидения будут со временем заменять существующие системы телевизионного (ТВ) вещания или существовать параллельно с ними, занимая главенствующее место. В ряде стран мира уже ведется регулярная трансляция ТВ программ через Internet [1-6]. Видеоконтент формируется в едином центре Internet, а затем транслируется через спутник. Кроме ТВ каналов, в пакет включены и другие услуги - видео по запросу, передача данных, доступ в Internet и другое. Качество изображения при этом определяется пропускной способностью сети от видеосервера до компьютера получателя видеопрограмм. Однако, в отличие от эфирного вещания, распространение программ в сети Internet происходит по другим законам. Особенность сетей Internet состоит в том, что информация в них распространяется частями, то есть пакетами. Каждый такой пакет, неся в себе, кроме основной информации, адреса отправления и назначения, направляется в пункт назначения по маршруту, который является оптимальным. Для реализации такого режима в узлах сети обеспечивается не только маршрутизация, но и размножение пакетов, и распределение их среди пользователей - участников группы «мультивещания». Абонент IP TВ получает от оператора пакет услуг и имеет возможность выбирать и менять состав услуг. Практическая реализация ТВ вещания через Internet-сеть Возможны два варианта передачи видео- и аудиоинформации через Internet. Первый вариант заключается в получении из сети файлов, содержащих в сжатом виде видеопрограммы, и последующее воспроизведение их на компьютере. Второй вариант предполагает получение через сеть сжатых видео- и аудиоданных со скоростью, позволяющей в реальном времени воспроизводить движущиеся изображения и звук. Качество изображения определяется пропускной способностью сети на всем пути протяжения от видеосервера, который является отправителем данных, до компьютера получателя видеопрограмм. Для получения изображения с удовлетворительным качеством достаточно иметь пропускную способность не менее 28,8 кбит/с. Однако такая способность передачи двоичных символов обеспечивает прием изображений с сильно пониженной частотой кадров (SQCIF-протокол). Для получения приемлемого качества изображения при использовании методов сжатия MPEG-4 необходима пропускная способность канала равная 128 кбит/с. Для увеличения пропускной способности канала связи используют подключение к Internet систем кабельного ТВ, у которых скорость передачи по прямому каналу составляет 30 Мбит/с, а по обратному каналу от 64 кбит/с до 1,5 Мбит/с. Еще одно обстоятельство, влияющее на возможность распространения ТВ программ по сети Internet, заключается в способе распространения (маршрутизации) информационных пакетов. Сеть Internet способна доставлять пакеты по адресному принципу, тоесть из одного компьютера(сервера) в компьютер получателя, или, как говорят, «из точки в точку», как это показано на рис. 1а [1]. Такой способ распространения информации называется unicasting (унивещание). Для распространения ТВ программ этот способ плох тем, что попытка большого количества пользователей сети «зайти» на сервер, откуда распространяется интересующая их программа, не удается, так как сервер может одновременно отправлять информацию ограниченному числу пользователей. Кроме того, формировать большое количество почти одинаковых потоков информации для большого числа пользователей нерационально. В примере, показанном на рисунке, пользователи 1, 4 и 5 запросили информацию с сервера 1, в результате чего сервер формирует три потока данных, предназначенных для названных пользователей. Технология неограниченного распространения информации, называемая broadcasting (широкое вещание) и свойственная, например, эфирному ТВ, теоретически также может быть реализована в сетевом варианте (см. рис. 1б), однако распространение информации без соответствующего запроса пользователя также приводит к нерациональной загрузке участков сети. Достаточно универсальной является технология multicasting (мультивещание), показанная на рис. 1в. Этот способ распространения мультимедийной информации в сети Internet считается перспективным и позволяет так изменить работу сетевого оборудования, что в процессе маршрутизации информационных пакетов происходит их размножение (где это нужно) и распространение среди определенной группы получателей. Это не только разгружает сервер, являющийся источником распространяемой ТВ программы, но также позволяет незаметно для получателя организовать «вещание» отдельных частей ТВ программы с разных серверов. Такой способ позволяет организаторам вещания хранить распространяемую информацию у ее владельца, а не сосредотачивать ее на одном сервере. Кроме того, данный способ оптимизирует нагрузку на сеть, хотя и предъявляет повышенные требования к сетевому оборудованию. В приведенном на рис. 1 примере пользователи 1, 3, 4 и 5 запросили информацию с сервера 1, в результате чего получают ее в режиме мультивещания. Для реализации такого режима в некоторых узлах обеспечивается не только маршрутизация, но и размножение пакетов информации, и распространение их среди пользователей - участников группы мультивещания. В этих же узлах, как видно из рис. 1, могут быть аналогично созданы условия для распространения информации тем же получателям, но уже с сервера 2. Такой переход от одного источника информации к другому, при неизменном составе получателей, может быть осуществлен для них незаметно. Абонент IPTV получает от оператора пакет услуг, важнейшим отличием которых от услуг, предоставляемых классическим кабельным ТВ, является интерактивность, то есть возможность для абонента оперативно выбирать и менять состав услуг, на которые он подписан, и в любой момент заказать дополнительную услугу, например, дополнительный платный просмотр фильма. Конечно, интерактивность может быть реализована на базе кабельной DVB-C сети с обратным каналом, но такие решения не распространены сколько-нибудь широко. Рассмотрим подробнее состав возможных услуг, которые может предоставить IP-ТВ. Рис. 1. Распространение информации по сети Internet [1] Базовой услугой, прежде всего, является многопрограммная трансляция ТВ каналов, или собственно IP ТВ. Здесь могут быть реализованы два варианта просмотра телепрограмм: первый- оператором формируется несколько пакетов телеканалов, из которых зрители могут выбирать желаемый набор, причем каждый пакет имеет свою абонентскую плату; второй - зрители формируют индивидуальные пакеты из каналов, транслируемых оператором, абонентская плата определяется стоимостью выбранных каналов, входящих в индивидуальный пакет. Интерактивность IP ТВ позволяет предложить абоненту ряд дополнительных услуг. 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 100 ТВ MPEG-2 каналов, каждый имеющий скорость потока данных 5 Мб/сек. Разумеется, в IP TВ сети присутствуют одновременно все три вида трафика broadcast, multicast и unicast [5-6]. Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разный механизм влияния разных технологий IP-адресации на объем трафика. Например, оператор должен ясно представлять себе, что предоставление услуги «видео на заказ» большому числу абонентов требует очень высокой пропускной способности магистральной сети. Одним из решений этой проблемы является децентрализация в сети видеосерверов. В этом случае центральный видеосервер заменяется на несколько локальных серверов, разнесенных между собой и приближенных к периферийным сегментам многоуровневой иерархической архитектуры IP-сети. Рис. 2. Передача трафика multicast [6] Разумеется, в IP TВ сети присутствуют одновременно все три вида трафика broadcast, multicast и unicast [5-6]. Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разный механизм влияния разных технологий IP-адресации на объем трафика. Например, оператор должен ясно представлять себе, что предоставление услуги «видео на заказ» большому числу абонентов требует очень высокой пропускной способности магистральной сети. Одним из решений этой проблемы является децентрализация в сети видеосерверов. В этом случае центральный видеосервер заменяется на несколько локальных серверов, разнесенных между собой и приближенных к периферийным сегментам многоуровневой иерархической архитектуры IP-сети. Рассмотрим подробнее важнейшие компоненты сети IP TВ (см. рис. 2 и [6]). На приведенной схеме мы видим следующие компоненты сети IP TВ. 1. Компоненты головной аппаратной системы IPTV: - головная станция; - система условного доступа; - видеосерверы; - серверы биллинговой системы; - серверы системы менеджмента; -серверы промежуточного программного обеспечения (middleware). 2. Компоненты опорной (магистральной) транспортной сети, в том числе: - собственно опорная (backbone) оптическая сеть на базе IP-технологии или технологии ATM; -высокопроизводительные коммутаторы (маршрутизаторы) с оптическими интерфейсами. 3. Компоненты уровня доступа, состоящие, например, для случая xDSL сети, из устанавливаемого в помещении АТС головного DSL устройства DSLAM (DSL accessmultiplexor) и медной пары (телефонной линии), непосредственно заведенной в дом к абоненту. В случае же сети Ethernet в этой части сети мы будем иметь управляемые Ethernet-коммутаторы уровня доступа. Функции большинства серверов системы аналогичны таким же функциям для цифрового кабельного ТВ (DVB-C) и в пояснениях не нуждаются. Функции сервера middleware и соответствующего программного обеспечения имеют исключительно большое значение для понимания работы IP ТВ систем, поэтому остановимся на них подробнее. В самом общем случае под middleware понимают промежуточное программное обеспечение для содействия процессам обмена информацией между приложениями и ресурсами. Фактически в контексте интерактивного телевидения middleware выполняет функции управления видеоуслугами и доступом к ним. Другим важнейшим компонентом сети IP ТВ является головная станция. Основная функция головной станции IP TВ - это формирование видеоконтента и последующая трансляция выходного потока видеоданных в формате Videoover IP (видео по IP протоколу). Также для магистральной (опорной части сети) может использоваться формат IP-Videoover ATM (IP видео поверх ATM). Это связано с широким распространением магистральных ATM-сетей. Для трансляции видеоконтента через ATM/SDH-сети многие операторы используют, например, хорошо известную станцию цифрового телевидения TelesteATMux. Заключение Пока IP ТВ является дорогой цифровой технологией, так как относительно высоки цена оборудования и абонентская плата за скоростной Internet. Основной технической проблемой для IP TВ является обеспечение высокой гарантированной скорости передачи данных с малыми задержками и приоритетом видеотрафика. Для этого оператор, обслуживающий большое количества абонентов, должен иметь опорную магистральную сеть (backbone) с очень высокой пропускной способностью и возможностью обеспечения высокого качества обслуживания (QoS). Несколько лет назад высокая стоимость реализации таких решений была серьезным препятствием для инвестиций в проекты IP ТВ. Применение более эффективных алгоритмов сжатия (таких, как MPEG-4) позволит снизить требования к пропускной способности сети. Однако высокая стоимость и низкая доступность на рынке как головного, так и абонентского оборудования MPEG-4 не позволяли закладывать такие решения в текущие телекоммуникационные проекты. Однако, следует отметить, что IP ТВ является перспективной технологией. С течением времени следует ожидать снижение стоимости оборудования и абонентской платы, что создаст экономически выгодную ситуацию для создания новых сетей IP ТВ.

About the authors

Vladimir Grigorjevich Balobanov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: balobanov@tv.psati.ru

Marina Your’evna Nagornaya

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: galochkin.vladimir@yandex.ru

Vladimir Andreevich Galochkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: nm@psuti.ru

References

Supplementary files