74Опыт и практика

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Услуга «видео по требованию» (VoD) в IP-сетях. Часть 2


По зарубежным материалам подготовила Анна Бителева Теле-Спутник - 10(168) Октябрь 2009 г.


Транспортные протоколы IP-VoD
Потоковую передачу услуг VoD абонентской приставке обычно реализуют с помощью протоколов RTP (Real-Time Transport Protocol) и RTCP (Real-Time Control Protocol). А для управления потоковой передачей предназначен протокол RTSP (Real-Time Streaming Protocol). В последующих разделах будет дан их краткий обзор.

RTP и RTCP RTP входит в состав стека IP-протоколов и был разработан специально для передачи в реальном масштабе времени. Помимо IPTV, RTP используют еще несколько приложений, в частности — видеоконференции и VoIP. Обычно он работает поверх протоколов UDP и IP. В отличие от UDP, RTP поддерживает необходимые механизмы QoS, позволяющие решать некоторые проблемы с потерями и задержками пакетов. Рассмотрим функции и характеристики этого протокола. RTP работает в тесной взаимосвязи с RTCP, который считается его частью. Первый протокол отвечает за передачу данных, второй — за передачу управляющей информации.
RTP — тонкий протокол, ответственный за корректную передачу потока в реальном масштабе времени. RTP включает в пакеты информацию, необходимую для восстановления их последовательности, выявления потерь, синхронизации при их воспроизведении, он также включает некоторые механизмы безопасности передачи, идентификации содержимого пакетов и контроля за их доставкой. Информация от RTP включает порядковые номера, метки времени и описание формата передаваемого контента.
RTP хорошо приспособлен для передачи широкого спектра видео- и аудиоформатов. В приложениях IPTV видео и аудио (их может быть несколько) передаются в отдельных потоках. В приемном устройстве все эти потоки синхронизируются с помощью меток времени.
Управляющий протокол RTCP предназначен для мониторинга качества предоставляемых IPTV-услуг. Он обычно работает поверх UDP и используется для передачи ГС информации о качестве доставки и приема. Характер контрольных данных может быть разным, например, RTCP может передавать информацию о количестве потерянных и о задержках доставленных пакетов.
Для передачи разного типа информации используются разные форматы RTCP-пакетов. Если данные, полученные с помощью RTCP, свидетельствуют о проблемах с качеством доставляемого сигнала, то интерактивные IPTV-приложения выполняют подстройки параметров передачи, необходимые для улучшения качества. В отличие от TCP, RTP при появлении сообщения о проблеме не снижает автоматически скорость передачи. Вместо этого он направляет информацию протоколам прикладного уровня, предоставляя решать проблему им. Решения могут быть разные. Например, приложение может снизить скорость передачи кадров до тех пор, пока не опустеет буфер абонентского приемника, или рассмотреть возможность увеличения компрессии перед трансляцией материала.
Протоколы RTP и RTCP не завязаны на определенные протоколы более низкого уровня и сетевые технологии. Но так как подавляющее большинство распределительных систем IPTV использует связку UDP/IP (см. рис. 1), то они работают поверх этих протоколов.


Что касается портов, то для RTP-пакетов используются четные UDP-порты, а пакеты RTCP передаются на нечетных портах, которые на единицу больше UDP-порта. Номера портов не стандартизированы, но обычно они динамически выбираются из диапазона 16384-32767.
Наряду с существенными достоинствами применения RTP в системах IPTV, этот протокол имеет некоторые недостатки. Во-первых, он не позволяет гарантировать своевременную доставку пакетов за счет управления потоками и разруливания заторов. Во-вторых, у него нет механизмов для обеспечения соответствия другим стандартам предоставления услуги. Эти задачи решают протоколы более низкого уровня. Кроме того, RTP не имеет собственных схем работы с разными потоками, мультиплексированными в единый RTP-поток, поэтому мультиплексирование и создание контрольных сумм реализуется протоколами UDP и IP.
На рис. 2 показан типичный вариант инкапсуляции RTP-пакетов в IP-пакеты.



RTSP
Real-Time Streaming Protocol — протокол прикладного уровня, входящий в состав стека IP-протоколов, который позволяет абонентской приставке налаживать передачу IP-потоков и управлять этим процессом. Спецификация на RTSP была опубликована в 1998 году и доступна под кодом RFC 2326. RTSP позволяет приставке формировать команды управления, аналогичные тем, которые используются для управления цифровыми видеомагнитофонами. Ниже приведен список основных команд RTSP-протокола:
SETUP — эта команда передает некоторые важные параметры, такие как URL запрашиваемого IPTV-объекта, а также идентификатор порта, по которому контент должен быть передан на приставку. Сервер отправляет подтверждение получения команды и готовит нужные ресурсы для потоковой передачи запрашиваемого материала.
PLAY — после обработки команды SETUP серверу отправляется команда PLAY, инициирующая начало передачи выбранного объекта IP-VoD.
PAUSE — как следует из названия, это команда отправляется серверу для временной остановки передачи. Как правило, сервер посылает приставке подтверждение перехода в режим остановки.
RECORD — эта команда используется для инициации записи материала в отведенную для этого область памяти. TEARDOWN — команда инициирует окончание сессии передачи и высвобождение всех ресурсов, которые были под нее задействованы.
ANNOUNCE — эта команда обычно используется для получения данных о параметрах канала и IP-передачи. Характер этой информации и способ ее передачи в XML-формате определен стандартом DVB-IPI.
DESCRIBE — еще одна RTSP-команда, определяемая стандартом DVB-IP, используется для передачи дескриптеров канала и IP-VoD услуг.
Помимо функциональности видеомагнитофона, RTSP поддерживает в приставке возможность запрашивать и получать требуемое наименование из видеотеки IPTV. А в состав запроса на живую трансляцию вещательного ТВ-канала входит IP-адрес мультикастовой группы.
Основные характеристики RTSP включают следующее:
Компьютерная модель «клиент-сервер». RTSP работает по схеме «клиент-сервер».
В рамках этой модели для взаимодействия между RTSP-клиентом на приставке и сервером IP-VoD устанавливаются три независимых соединения. Они показаны на рис. 3.


(1) — соединение по вспомогательному каналу, организованному для передачи управляющей информации RTSP. На транспорт- ном уровне оно использует либо UDP, либо TCP. В DVB-сетях, как правило, используется постоянное соединение TCP. Помимо передачи данных RTSP, оно может применяться также для передачи части самого контента IP-VoD — с целью ускорения его доставки. (2) — отдельное соединение для передачи закрытого контента IPTV с помощью связки протоколов RTP/UDP.
(3) — это соединение предназначено для передачи информации по протоколу RTCP, работающему поверх UDP. Как сказано выше, RTCP предназначен для передачи серверу сообщений о качестве услуги, получаемой абонентским устройством.
По принципу действия RTSP схож с HTTP. Оба имеют совместимые форматы адресации и работают в режиме запрос-ответ. Тем не менее, есть три области, в которых они отличаются:
• Используют разные идентификаторы. В одном случае это http://, а в другом — rtsp://, за которым следует URL соответствующего IPTV-канала или IP-VoD объекта.
• Второе отличие между протоколами заключается в том, что серверы RTSP работают в режиме с сохранением состояния, а HTTP — в режиме без сохранения состояния.1
• HTTP — преимущественно ассиметричный протокол, то есть основная масса данных передается от сервера к клиенту. А RTSP дает возможность формировать одни и те же команды и клиенту, и серверу.
Поддержка одноадресной и многоадресной передачи. RTSP может управлять и многоадресными (multicast ) ТВ-потоками, передаваемыми в реальном времени, и одноадресными потоками с услугами VoD.
Независимость от протоколов нижних уровней. RTSP работает на базе существующих транспортных протоколов с установлением или без установления соединений, в первую очередь на базе TCP или UDP.
Совместная работа с RTP. RTSP и RTP в процессе доставки IPTV-услуг работают в тесном взаимодействии.

Интерактивный клиент IP-VOD
Системы IP-VoD внедряются на базе модели клиент/сервер. Это означает, что между абонентским устройством и сервером на ГС устанавливается соединение точка-точка.
Для общения с сервером на абонентское устройство должен быть установлен клиент VoD-приложения, позволяющий принимать потоки IP-VoD. Клиентское приложение предоставляет конечному пользователю выводимое на экран меню со списком предлагаемых VoD-наименований и сопутствующими описаниями. Содержание этого меню зависит от пакета услуг, на который подписан абонент. Методы сбора информации об услугах, называемые «обнаружением услуг» (service discovery), различаются в зависимости от типа сети. Например, в DVB-сетях для обнаружения информации о доступных услугах используется стандартная XML-регистрация материала VoD, прописанная в пятой части стандарта ETSI TS 102 034. Она включает следующее: идентификатор каталога (сервера VoD), название материала, его описание и URL места хранения описания.
Помимо возможности выбирать и скачивать с сервера определенные фильмы, стандартный сервер IP-VoD поддерживает механизмы поиска материалов и управления потоковой загрузкой. Интерфейс для поиска и выбора услуг IP-VoD чаще всего реализуется на базе HTML-браузера.

Интеграция приложений IP-VoD c другими IP-услугами
Другой важный момент внедрения IP-VoD касается интеграции этой услуги в сеть, в которой уже присутствуют VoIP и широкополосная передача данных (ШПД). То есть VoD нужно вписать в те же транспортные схемы, которые используются для VoIP и ШПД. Один из моментов, с которым при этом сталкивается интегратор — различие механизмов авторизации и идентификации абонентов, применяемых для разных услуг. Например, протокол Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE), прописанный в стандарте RFC 2516, используется для идентификации и авторизации пользователей услуг доступа в Интернет и к VoIP, но не используется для IPTV.
Как можно догадаться из названия, этот протокол получает пакет PPP и инкапсулирует его в Ethernet-фрейм для доставки по широкополосной IP-сети. Пакетизация PPP предусматривает некоторые облегчающие передачу механизмы, такие как компрессия информации или добавление контрольной суммы. В рамках стека IP-протоколов PPPoE находится над Ethernet или физическим уровнем и используется для идентификации абонентских устройств.
Идентификация абонентских устройств в IP-VoD осуществляется не с помощью PPPoE, а на уровне приложения. Кроме того, PPPoE не поддерживает многоадресный трафик.
Различия в подходах к идентификации, инкапсуляции, использованию полосы и, в некоторых случаях в принципах маршрутизации пакетов часто приводят к необходимости создавать отдельные логические структуры для каждой предоставляемой IP-услуги. Эти структуры в Ethernet-среде известны как VLAN (Virtual LAN).

Базовая информация о VLAN
VLAN — самый распространенный метод интеграции услуг IPTV, в частности VoD, в существующую сетевую инфраструктуру. VLAN представляет собой механизм для создания ряда независимых логических сетей. Каждая сеть включает определенное количество абонентских устройств, которые могут находиться в самых разных физических сегментах IP-сети, но общаться друг с другом так, как если бы они принадлежали одному локальному сегменту. С другой стороны, в рамках одной сетевой инфраструктуры могут сосуществовать разные VLAN. Пересылка данных из одной VLAN в другую выполняется протоколами третьего уровня. Создание VLAN для внедрения IPTV, как правило, реализуется ПО системы администрирования, которое непосредственно общается с разными сетевыми компонентами. Основные преимущества использования VLAN для IPTV-вещания и передачи видео по требованию заключаются в уменьшении взаимовлияния услуг, сосуществующих в сети, повышении масштабируемости, гибкости решения и возможности применения распределенной схемы администрирования.
Минимизация взаимовлияния сосуществующих в сети IP-услуг. Выделение IPTV-трафика в отдельную логическую сеть ликвидирует вероятность его взаимовлияния c другими IP-услугами, в первую очередь ШПД и VoIP. Создание множественных VLAN уменьшает размер вещательного домена и снижает вероятность коллизий пакетов. А это, в свою очередь, позволяет выполнить требования QoS в отношении потери пакетов.
Масштабируемость в отношении числа пользователей VLAN. VLAN могут охватывать всю территорию сети, обслуживая тысячи и даже сотни тысяч абонентских устройств.
Распределенная система администрирования. Создание VLAN’ов позволяет сетевым операторам независимо администрировать разные диапазоны IP-адресов, протоколы маршрутизации и топологии распространения для каждой услуги. Например, используя VLAN, сетевые администраторы могут сконфигурировать DHCP-серверы для головной станции IPTV, которые будут заниматься только назначением IP-адресов для клиентских устройств IP-VoD. Гибкость. С ростом значимости мобильных коммуникаций все большее значение приобретает возможность беспрепятст-венного получения услуг на разные абонентские устройства и в разных местах. VLAN организуется таким образом, чтобы минимизировать изменения в аппаратной конфигурации при получении мобильного доступа к IPTV.

Сетевые компоненты, используемые для привязки к VLAN
Принадлежность к VLAN может быть реализована четырьмя разными способами.
(1) По физическому порту. В этом случае к VLAN приписывается определенный порт сетевого коммутатора, маршрутизатора, CMTS или DSLAM’a. Все абонентские устройства, подключенные к этому порту, автоматически оказываются в составе данной VLAN. VLAN’ы, принадлежность к которым определяется по порту, являются статическими. То есть принадлежность к ним задается оператором фиксировано: либо программно, в процессе конфигурирования устройств, либо аппаратно, прошивкой ASIC-чипа.
Другие три метода создают динамические VLAN’ы. В этих случаях распознание принадлежности к VLAN выполняется на базе информации, передаваемой в пакете.
Поддержка динамических VLAN’ов реализуется автоматически с помощью специального сервера, такого, например, как VMPS (VLAN Management Policy Server) от Cisco.
(2) По МАС-адресу. Принадлежность к определенной VLAN указывается для МАС- или физического адреса абонентского устройства. При этой схеме специализированным сервером создается таблица принадлежности MAC-адресов разным VLAN’ам.
(3) По протоколу. Принадлежность к VLAN определяется по идентификатору протокола в Ethernet-пакете. Этот режим не используется в мультисервисных сетях, так как в подавляющем большинстве случаев все услуги передаются с помощью одного и того же IP-протокола. Кроме того, анализ пакетов на предмет распознания протокола иногда занимает много времени.
(4) На базе идентификации. В этом режиме для присоединения к VLAN абонентские устройства должны быть предварительно распознаны соответствующим протоколом.

Передача данных по VLAN
Для передачи данных по VLAN’ам, организованным на базе Ethernet-сети, используется протокол IEEE 802.1Q. В отличие от многих других протоколов, 802.1Q определяет не порядок инкапсуляции в пакеты определенного формата, а формат тега, указывающего на принадлежность к определенной VLAN.
Идентификация принадлежности включает введение дополнительной информации в Ethernet-пакет, а также изменение кода в поле типа кадра на указывающий на его принадлежность к VLAN формата 802.1Q.
На рис. 4 показано, каким образом стандартный Ethernet-кадр с IPTV-контентом изменяется с помощью протокола 802.1Q. Как можно видеть, тип кадра заменяется на 0х8100. Кроме того, в кадр вводится тег VLAN, включающий три новых поля: • Поле приоритета (User priority field) — 3-битное поле для указания приоритета в соответствии со стандартом 802.1p. Они позволяют создавать до 8 классов обслуживания.


• Идентификатор Ethernet-кадра (Canonical format indicator — CFI) — однобитовый флаг, всегда установленный в 1 для указания принадлежности к Ethernet-сети.
• Идентификатор VLAN — 12-битное поле, в котором указано, к какой VLAN принадлежит пакет. В рассматриваемом случае это VLAN, обслуживающая IPTV. 12-битная длина идентификатора позволят конфигурировать с его помощью 4095 разных VLAN. Нулевое значение идентификатора указывает на то, что пакет не принадлежит ни к какой VLAN.

Варианты организации VLAN
Принцип конфигурирования VLAN зависит от характера трафика, который будет по ней передаваться. Существуют три основных варианта.
Привязка VLAN к абоненту. В этом случае VLAN прокладывается между шлюзом абонентской домовой сети и маршрутизатором на ГС IPTV. Эту VLAN поддерживают также промежуточные устройства, как DSLAM’ы или сетевые коммутаторы. На рис. 5 показан упрощенный пример схемы сети с поддержкой VLAN’ов, сконфигурированных для каждого абонента.


Между пограничным маршрутизатором и DLAM может быть проложено 4095 VLAN, то есть охвачено 4095 абонентов. Увеличить их количество можно за счет создания стека VLAN’ов. При создании стека в Ethernet-кадр вводятся множест-венные теги. Например, пограничный маршрутизатор может ввести один тег, идентифицирующий один из своих портов (VLAN c привязкой к порту), и второй тег для идентификации каждого из DSLAM’ов (VLAN’ы c привязкой к порту или MAC-адресу, сегментирующие первую VLAN). В данном случае это позволит увеличить число обслуживаемых абонентов. Хотя привязка VLAN к абонентам имеет ряд достоинств, она не позволяет поддерживать мультикастовое распространение. Поэтому данный тип VLAN может использоваться для одноадресных приложений, таких как VoD, но плохо пригоден для ТВ-трансляций большому количеству абонентов.
Привязка VLAN к услуге. При таком конфигурировании каждая VLAN соотносится с определенной IP-услугой, предоставляемой в сети. Как правило, это IPTV, VoIP и ШПД. Такой подход дает абонентом возможность выбирать и комбинировать интересующие их услуги. Кроме того, это позволяет оператору добавлять новые услуги без отрицательного влияние на уже имеющиеся.
На рис. 6 изображена архитектура с привязкой VLAN к услугам. Как можно видеть, головные серверы не связаны с VLAN’ами. Тем не менее, абонентские устройства могут быть сконфигурированы для подключения к нескольким VLAN’ам, если на то получено разрешение от сервис-провайдера. То есть в типичной мультисервисной сети все подписчики будут иметь доступ к VLAN с ШПД, а часть из них — дополнительно к VLAN с VoIP и к VLAN’ам c IPTV.


Комбинированная схема. В этом случае при конфигурировании VLAN используются преимущества обоих подходов. В этой гибридной модели для передачи ШПД, VoIP, VoD и других одноадресных услуг используются VLAN’ы с привязкой к подписчику, а для ретрансляции ТВ-программ — VLAN’ы с привязкой к услуге.

Конфигурирование VLAN
Для применения VLAN в сети требуется соответствующим образом сконфигурировать сетевые устройства. На рис. 7 показан пример архитектуры мультисервисной сети с DSL-доступом. Четыре порта трех маршрутизаторов прямого потока сконфигурированы для поддержки трех различных VLAN’ов. Каждая из них обслуживает одну из трех IP-услуг — VoIP, IPTV и ШПД. Причем VLAN, предназначенная для доставки видео, может переносить как одноадресный, так и многоадресный потоки.


Защита контента IP-VoD
Защита материалов реализуется с помощью систем условного доступа, как правило, закрывающих транспортные потоки MPEG-2 TS, и систем DRM, защищающих непосредственно сам контент от несанкционированного копирования. Системы DRM обычно используются для контроля за процессом сохранения материалов в памяти или передачи материала на другие устройства. Обе системы защиты тесно взаимодействуют с системой OBSS, к каким пакетам и тарифам относится запрошенное наименование IP-VoD. Подробно работа CAS и DRM здесь рассматриваться не будет.

Заключение
PPV, традиционно применяющаяся для индивидуального предоставления видеоуслуг, постепенно заменяется технологией VoD. Она позволяет предлагать пользователям широкий спектр коммерческих услуг, от HDVoD и MoD до AoD и EVoD. Основными компонентами системы VoD являются видеосерверы, транспортные протоколы и клиентское ПО. Видеосерверы хранят VoD-контент и осуществляют его потоковое вещание. Видеоматериалы хранятся в памяти в виде компьютерных файлов. Сами системы хранения, используемые в серверах VoD, можно разделить на две категории: жесткие диски и твердотельные диски.
• Жесткие диски. Сегодня во многих системах VoD и библиотечные, и потоковые серверы строятся на базе жестких дисков. В случае их частичного отказа работоспособность серверов удается сохранить за счет применения RAID-технологий. • Твердотельные диски. Высокопроизводительные твердотельные диски позволяют повысить скорость доступа к VoD-наименованиям и за счет этого улучшить качество работы VoD-приложений.
Некоторые серверы реализованы с применением комбинации этих технологий. В этом случае твердотельная память используется для хранения наиболее востребованных наименований.
Переход к использованию в серверах GbE-интерфейсов и множественных процессоров создает возможность более высокой плотности видеопотоков на их выходах.
VoD-серверы также включают программные платформы для администрирования хранимого VoD-материала. Специализированное ПО, устанавливаемое в абонентских устройствах, позволяют добавить различную функциональность для выбора и загрузки материалов, а также для получения различной сопутст-вующей информации. Это ПО общается непосредственно с сервером VoD. Доставка контента VoD может быть реализована на базе централизованной или распределенной архитектуры. При централизованном подходе все серверы размещены на ГС, а при распределенном — территориально разнесены по разным региональным точкам.
Взаимодействие VoD-серверов и абонентских устройств может быть реализовано с помощью разных протоколов, выбор которых зависит от сетевой архитектуры, но он, как правило, включает RTP, RTCP и RTSP.
• RTP — один из проколов IP-стека, используемый для передачи потоковых IP-услуг в реальном времени. В частности, он используется для IPTV.
• RTCP применяется для контроля за качеством проведения сессии, установленной для взаимодействия между клиентским устройством и сервером.
• RTSP — протокол прикладного уровня, позволяющий управлять процессом передачи видеоконтента, получаемого по требованию. RTSP широко используется для предоставления услуги IP-VoD.
При внедрении IPTV в сеть, в которой уже предоставляются VoIP и ШПД, возникает ряд проблем, связанных с их совместимостью. Наиболее распространенным способом обеспечить сосуществование разных услуг в мультисервисной сети является разнесение трафика по разным VLAN’ам.

По зарубежным материалам подготовила Анна Бителева.


 
Теле-Спутник Октябрь 2009
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт