Transcript IPTV - Сетей связи и передачи данных

IPTV
Лекция 16
Версии видеоконтента:
• VоD – Video on Demand, видео по запросу.
Использует видеосервер, с которого по
запросу пользователя на его терминал
организуется просмотр ролика или фильма.
Использует общедоступную сеть.
• Internet-TV – возможность просмотра
телепрограмм через Интернет. Использует
общедоступную сеть.
• IPTV – телевидение поверх IP. Один из
вариантов построения сетей кабельного
телевидения, в качестве протокола сетевого
уровня использующего IP. Использует
специализированные каналы.
Основные проблемы реализации услуг
IPTV на базе существующих сетей
• Поддержка абонентской сетью услуги
IPTV
• Достаточный ресурс транспортной сети
• Обеспечение гарантированного
качества обслуживания
• Совместимость оборудования
различных производителей
• Разработка видеоконтента с учетом
запросов пользователей
Организация системы VoD и IPTV
на абонентском участке
Блок доступа
к видеосерверу
STB
провайдеры,
предоставляющие
VoD, IPTV
или internetTV
абонент
VoD
Система биллинга
и учета трафика,
мониторинг SLA
Видеосервер
Основные компоненты системы IPTV
• STB – Sеt-Top Box, абонентское устройство,
принимающее, обрабатывающее и преобразующее в
аналоговую форму сигнал DVB, совместимый с ТВ
приемником; позволяет организовать абонентский
доступ к видеосерверу.
• Видеосервер – сервер, содержащий видеоконтент,
может сочетать в себе как возможность просмотра
телевидения, так и видео по запросу.
• Для доступа к видеосерверу может использоваться:
– Технология ADSL или другие технологии
последней мили.
– Ethernet
– Коммутируемый доступ через MAN
• Опорная транспортная сеть, имеющая ресурс для
обработки таких объемов трафика.
• Маршрутизаторы с поддержкой OSPF.
Типовая аппаратная
архитектура видеосервера
CPU
Лок. ОЗУ
Контроллер
видеомагнитофона
Ленточная
библиотека
CPU
Лок. ОЗУ
ОЗУ
Контроллер
CD/DVD
Контроллер
HDD
Архив CD/DVD
Архив RAID
Кэш фильмов
Сетевой
интерфейс
Сеть Ethernet
Типовая схема организации сети IPTV
1
OSPF
OSPF
Опорная сеть
OSPF
igmp
VLAN1
VLAN2
192.168.1.25
192.168.3.58
VLAN-TV
2
Система
управления
услугами,
и биллинг
SNMP-link
DVB
DVB
DVB
F=11000 Гц
DVB
SLA - cистема
мониторинга
Список каналов:
1. BBC
PIM
2.CNN
мультиплексор
3.CTC
…
OSPF
PIM
Опорная сеть
OSPF
OSPF
К абонентскому
маршрутизатору
PIM
Специализированные протоколы
многоадресной рассылки
• IGMP - Internet Group Management Protocol.
Относится к управляющим протоколам.
Интегрируется в IP на сетевом уровне. Позволяет
маршрутизатору определять принадлежность хостов
к группе. Ориентирован на минимизацию служебного
трафика.
• PIM - Protocol Independent Multicast MIB for IPv4.
Позволяет строить покрывающее дерево в группе,
причем между двумя хостами существует только
один путь. Работает с базами MIB, в основе него
лежит протокол SNMP, поэтому протокол PIM также
является протоколом запросов и ответов.
Версии IGMP
• Действующие версии IGMP v2, v3 и snooping,
IGMPv1 - устаревшая.
• Версии IGMP 1 и 2 совместимы между собой.
• В IGMPv1 предусмотрено два типа
сообщений:
– запрос участника группы
– ответ участника группы.
• В IGMPv2 существует 4 типа сообщений: з
–
–
–
–
апрос участника группы,
ответ участника группы для v1,
ответ участника группы для v2,
отключение от группы.
• IGMPv1
0
4
версия
8
тип
16
резерв
31
Контрольная сумма
Групповой IP-адрес
• IGMPv2
0
8
Тип
16
Время
ожидания
31
Контрольная сумма
Групповой IP-адрес
• В IGMPv3 добавляется поддержка фильтрации источников,
которая позволяет узлу-получателю многоадресной рассылки
сообщить маршрутизатору группы об источниках, от которых он
желает получать данные многоадресной рассылки, и источники,
от которых такие потоки
данных ожидаются. Такая информация о составе группы
позволяет программному обеспечению пересылать потоки
данных только от источников, запрошенных получателями.
0
7
тип = 0х11
15
максимальное время
ответа
контрольная сумма
Адрес группы
S
QRV
количество источников (N)
QQIC
адрес источника [1]
адрес источника [2]
.
.
.
адрес источника [N]
• IGMP snooping предназначен для
непосредственной работы с коммутаторами
третьего уровня.
• IGMP snooping запрашивает коммутатор
локальной сети третьего уровня о наличии
пакетов IGMP, посылаемых между
оконечными узлами и маршрутизатором.
• В случае наличия запроса участника группы,
коммутатор добавляет номер порта, на
который подключен данный участник, в
соответствующую таблицу коммутатора. В
случае наличия пакета отключения от группы,
порт отключается.
Групповые IP-адреса
• Групповыми являются адреса класса D:
1110
Идентификатор многоадресной группы
Идентификатор адреса как группового
• В точечной десятичной форме диапазон адресов от
224.0.0.0 до 239.255.255.255.
• 224.0.0.0 – 224.0.0.255 зарезервированы для
протоколов маршрутизации (например, 224.0.0.5 и
224.0.0.6 для маршрутизаторов OSPF, 224.0.0.9 для
маршрутизаторов RIP).
Алгоритм работы IGMP
Этап 1:
• Узел присоединяется к группе. Для
присоединения он отсылает IGMP-запрос по
адресу группы, объявляя таким образом свое
присутствие.
• Маршрутизаторы группы (локальные)
получают запрос от узла, обрабатывают его и
добавляют соответствующий маршрут в
таблицу маршрутизации.
• После изменения таблицы маршрутизации
происходит рассылка обновления другим
маршрутизаторам.
Этап 2:
• Маршрутизаторы регулярно (каждые 125 с)
опрашивают группы для определения
действующих членов группы.
• Если хотя бы один член группы отвечает, то
принимается решение о дальнейшем
существовании группы.
• Если в течение установленного времени
ожидания (до 10 с) ответ не приходит, то
принимается решение о ликвидации
многоадресной группы.
Состояния работы протокола
IGMP
Ответ другого узла
Подключение к группе
Не участник
группы
Время истекло
Ожидание
таймера
Отключение от группы
Участник
группы
Запрос получен
Обнуление счетчика обращений
Версии PIM:
PIM-DM (Dense Mode) – уплотненный режим.
Используется для работы в сетях, где пользователи
расположены плотно, задержки небольшие,
отсутствует дефицит пропускной способности.
• Обеспечивает гарантированную доставку, не
предусматривает методов уменьшения нагрузки на
сеть.
• Использует метод шировещания и отсечения
(пересылка широковещательных сообщений
прекращается только после получения явного
запроса на отсечение).
• Для маршрутизации используется любой протокол
маршрутизации (чаще всего OSPF). Кратчайший путь
вычисляется к каждому получателю.
Дерево PIM-DM
5
2
Источник
трафикасервер VoD
7
4
6
1
Лавинная
рассылка
Отсекающее
сообщение
VLAN-TV
3
Получатель трафика
PIM-SM (Spase Mode) – разреженный режим.
Рассчитан на работу в сетях с небольшой
плотностью пользователей и ограниченными
ресурсами.
• Использует метод управления по запросу:
– Определяется точка сбора RP (Rendezvous Point),
в которую отсылаются сообщения о
присоединении. Маршрутизатор RP называется
центральным.
– При получении IGMP запроса, локальный
маршрутизатор отсылает центральному
одноадресный запрос о присоединении.
– Все маршрутизаторы, находящиеся на маршруте,
анализируют этот запрос о присоединении, и
любой из них может ответить на запрос, если
является частью дерева.
• Оптимизирует возможность подключения к точке
сбора с помощью процедур реконфигурации.
• Структура дерева может быть перестроена в
случае недоступности центрального
маршрутизатора или при наличии нескольких
альтернативных точек сбора. Т.е. происходит
переключение с общего дерева на дерево
кратчайшего пути.
• Содержит механизм, позволяющий
переключаться между общим деревом и
деревом кратчайшего пути. Например, в
качестве критерия переключения может служить
интенсивность трафика, но в силу высокой
пачечности трафика требуется отдельная
процедура усреднения интенсивности.
Дерево PIM-SM
5
2
Источник
трафикасервер VoD
4
6
1
Общее дерево
Дерево кратчайшего
пути
VLAN-TV
3
Получатель трафика
Точка сбора –
центральный
маршрутизатор
Кодеки, используемые в IPTV
• MPEG 1 – использует полное кодирование, требует
высокоскоростных каналов.
• MPEG 2 – использует двунаправленное
предсказание, кодирует полностью кадр.
• MPEG 4 – использует раздельное кодирование для
разных типов видеоинформации.
• MPEG 7 – представляет собой мультимедиаинтерфейс для описания содержимого,
стандартизирует элементы, ориентированные на
поддержку мультимедиа. Использует понятие
«уровня абстракции», виды информации о файле:
форма, условия доступа, классификация,
локализация, связи и т.п.
MPEG 2: Передача разностной информации
кадров
Формирование кадров в MPEG2
• I (intra) – изображение с внутрикадровым кодированием, Р
(predicted) – с однонаправленным предсказанием, В
(bidirectional) – с двунаправленным предсказанием.
• Чередование кадров при передаче позволяет уменьшить
джиттер задержки.
• Использование кадров с двунаправленным предсказанием
раньше, чем с однонаправленным также позволяет уменьшить
задержку на приеме.
Структура потока MPEG2
MPEG 4: Пример работы
с медиаобъектами
Исходный кадр
Особенности MPEG4
 MPEG4 фактически задает правила организации
объектно-ориентированной среды
 Работает с медиаобъектами - это ключевое понятие
стандарта. Объекты могут быть аудио–, видео–,
аудиовизуальными, графическими (плоскими и
трехмерными), текстовыми. Они могут быть как
“естественными” (записанными, отснятыми,
отсканированными и т. п.), так и синтетическими (т. е.
искусственно сгенерированными).
 Примерами объектов могут служить неподвижный
фон, видеоперсонажи отдельно от фона (на
прозрачном фоне), синтезированная на основе
текста речь, музыкальные фрагменты, трехмерная
модель, которую можно двигать и вращать в кадре.
 Из объектов строятся сцены
Структура кадра IPTV
• Заголовок протокола прикладного уровня отсутствует.
• В одном кадре передается информация о звуке и
видео.
• Размер кадра соответствует MTU=1500 байт
• Используемые типы видео кодеков MPEG2 и MPEG4
Данные (PID-группы или видеопоток)
MAC
IP
UDP
Протокольные заголовки
CRC
Контрольная
сумма
Особенности кадра IPTV
 Заголовок протокола прикладного уровня
отсутствует.
 В одном кадре передается информация о
звуке, видео, тексте.
 Размер кадра соответствует MTU=1500 байт
 Используемые типы видео кодеков: MPEG2 и
MPEG4
 Стандарт MPEG4 разработан с опорой на
MPEG2, поэтому, несмотря на разницу
формирования кадров в MPEG2 и MPEG4,
алгоритм формирования потока трафика
сохраняется.
Формирование PID-группы
PID – идентификатор потока
PES – элементарный поток пакетов: пакеты видео и аудио данных
неопределенной длины (I, P, B кадры)
PCR – блок синхронизации, передается каждые 0,1 с., частота 27 МГц
Формирование элементарного
потока
• Код старта 32 бита:
•
•
стартового префикса
идентификатора потока.
Идентификатор потока позволяет
выделить PES-пакеты,
принадлежащие одному
элементарному потоку
телевизионной программы..
• Флаги 1 и 2
•
•
•
авторские права
скремблирование
приоритет
• PST (Presentation Time Stamps)
•
поля с метками времени
представления.
DTS (Decoding Time Stamps)
декодирования,обеспечивающи
е синхронизацию потоков
данных в декодере.
Формат программного потока
Формирование транспортного
потока
Ограничения на транспортный
поток:
 Первый байт каждого PES- пакета элементарного
потока должен быть первым байтом полезной
нагрузки транспортного пакета.
 Каждый транспортный пакет может содержать
данные лишь одного PES-пакета.
 Если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам,
то один из транспортных пакетов не заполняется
данными PES-пакета полностью. В этом случае
избыточное пространство заполняется полем
адаптации. Транспортные пакеты, переносящие
разные элементарные потоки, могут появляться в
произвольном порядке, но пакеты, принадлежащие
одному элементарному потоку, должны следовать в
транспортном потоке в хронологическом порядке.
Основные требования к сети IPTV
• Пропускная способность на абонентском
участке до 24 Мбит/с (с учетом взрывного
характера трафика).
• Пропускная способность VLAN 100 Мбит/с.
• Поддержка мультикастового (multicast)
трафика при организации IPTV.
• Поддержка одновременной передачи
трафика различных типов (эластичного,
потокового и реального времени)
транспортной сетью.
• Поддержка стандартов кодирования MPEG2 и
MPEG4.
• Поддержка QoS согласно заключенному SLA
Начальный контроль сети на
возможность предоставления
услуг TriplePlay и IPTV
• время переключения между разными типами
контента;
• поведение сети и элементов IPTV при массовом
обращении к популярному контенту (особенно при
обращение к очень динамическому контенту);
• время авторизации и идентификации пользователей
(обычное и при массовом включении);
• нагрузка «игровых» серверов и серверов VOD;
• работа пользователя со специально защищенным
контентом и пр. дополнительные функции IPTV.
Уровни проверки
работоспособности сети IPTV. 1
• Уровень «последней мили» и проверки работы сети
доступа в процессе предоставления услуг IPTV.
Обычно этот уровень связан с оценкой параметров
DSLAM и мультиплексоров доступа по параметрам
качества передачи трафика тройного использования
(Triple Play) с учетом специфики передачи/приема
трафика IPTV
• Уровень IPTV - проверяется возможность
предоставления услуги IPTV от абонента до
видеосервера. Этот уровень включает в себя сегмент
сети ПД и оборудование предоставления
интерактивного телевидения. Измерения
выполняются на уровнях 4-7 OSI и основываются на
результатах измерений уровня транспортной сети.
Уровни проверки
работоспособности сети IPTV. 2
• Уровень транспортной сети предусматривает
измерения, направленные на проверку
возможности использования сегмента сети
для передачи трафика IPTV как
транспортного потока. Видеотрафик имеет
свои параметры и может эффективно
имитироваться приборами. По результатам
измерений анализируются параметры
качества транспортной сети по RFC-2544 и
делается вывод о пригодности данной сети
для передачи видеотрафика
Уровни проверки
работоспособности сети IPTV. 3
• Уровень PVQ представляет собой уровень
оценки качества передачи интерактивного
телевидения. Анализируется штатный и
пороговый уровень согласно SLA,
выполняется пассивными методами в
процессе эксплуатации. Данные о
результатах интерактивных измерений
используются системой мониторинга SLA для
контроля соответствия параметров сети IPTV
требуемым значениям параметров QoS.
• Уровень эксплуатации, использующий
пассивные методы мониторинга сетей.
Субъективные методы оценки
качества услуг IPTV
• Quality of Experience, QoE - отражает
степень удовлетворённости пользователей.
• Количественная оценка качества видеоуслуги
производится по следующим параметрам
экспертом:
–
–
–
–
–
–
–
блочность (распад изображения на квадраты);
смазанность;
кадровое дрожание (Jerkiness);
случаи остановки кадров;
случаи потери кадров;
кратковременные сбои (Temporal complexity);
пространственные сбои (Spatial complexity).
Oбъективные методы оценки
качества услуг IPTV
•
•
•
•
•
Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR),
Media Delivery Index (MDI, RFC 4445, 1996)
Moving Pictures Quality Metric (MPQM)
Video Quality Metrics (VQM, 1999) и
Сontinuous Video Quality Evaluation (CVQE,
2004)
*Экспертная группа по оценке видео - Video Quality Experts Group
(VQEG) - была организована 1997, ее работа полностью
согласована с ITU.
Peak Signal-to-Noise Ratio
(PSNR),
• Общепринятой величиной для оценки потерь при
восстановлении изображений является метрика,
называемая пиковое отношение сигнал/шум. Оценка
может использоваться как приблизительная, т.к. не
дает гарантию, что зрителю понравится
восстановленный образ.
• Связь между PSNR и MOS:
MOS
1
2
очень плохое
плохое
3
среднее
4
5
хорошее очень
хорошее
PSNR
<20
25-31
31-37
20-25
>37
Media Delivery Index (MDI)
• Включает в себя данные о потерянных и
ошибочных пакетах, джиттере и задержках.
• DF (Delay Factor, относительная задержка) и
MLR (Media Loss Rate, потери в потоке) –
ключевые параметры сети передачи, к
которым чувствителен трафик реального
времени IPTV.
• 0.5% потерь – заметно глазу, 5% неудовлетворительное качеcтво.
Moving Pictures Quality Metric
(MPQM)
• В модуле контроля параметров анализируются
исходная и полученная последовательности кадров.
• В модуле оценки качества последовательности
раскладываются по цветовым каналам, проходят
через 17 пространственных и 2 временных фильтра,
оцениваются по 34 параметрам, важным для
зрительного восприятия, анализируется их
контрастность и «размытость».
• На выходе формируется результат по пятибалльной
шкале.
• Недостаток: большая ресурсоёмкость.
• Преимущества: ориентированность на восприятие
человеком, возможность контроля на любом этапе.
Механизм объективного подхода к
оценке качества IPTV
Источник
видео
Механизм
оценки качества
кодер
контроль
параметров
пакетизация
декодер
IP-сеть
RTP/RTCP
RTP/RTCP
отправитель
получатель