Исследование технологий передачи цифрового видео по протоколу IP в инфокоммуникационных сетях

метки: Технология, Передача, Трафик, Услуга, Отправлять, Данна, Контент, Решение

Огромное распространение сетевых технологий стимулировала разработку широкополосных сетей и различных медиа-приложений. Фактически, уже стало действительностью все сетевое . Целью современных сетей стало максимально быстро и качественно передавать информацию пользователям. В связи с этим, специалисты начали искать способы для расширение диапазона предоставляемых услуг. Технология VoIP сделала возможным использование сети для передачи голосовых данных. Следующим шагом стала передача видео для еще более полного использования сетевых возможностей связи. Яркими примерами этих достижений являются IPTV или Телевидение по протоколу интернета (IP-TV, IP-телевидение) (это технология цифрового телевиденья в сетях передачи данных по протоколу).

В последнее время часто путается с технологией OTT (то бишь передача контента от провайдера к пользователю без оператора связи), которая, в свою очередь является подклассом IPTV в области распространения видео-контента. Кроме того, не следует путать и с интернет-телевиденьем, которое передаётся потоковым видео и доступно пользователю напрямую, без посредников (компаний-операторов).

Цели и задачи

Цель – оптимизация передачи IPTV трафика в сети провайдера без потерь качества и скорости (либо же с повышением данных показателей) с учетом стоимостных характеристик оборудования самой сети и оконечных устройств пользователей.

Задачи:

• исследовать тенденции развития, принципы и варианты предоставления услуги IPTV пользователям провайдерами соответствующих услуг;
• выбрать реальный участок сети и провести для него анализ трафика IPTV, выявить возникающие при передачи медиапотоков проблемы;
• изучить современные перспективные методы оптимизации характеристик сетей доступа с учетом передачи по ним медиапотоков большому числу пользователей;
• разработать математическую модель передачи IPTV трафика в сети провайдера Интернет;
• провести оптимизацию сети провайдера с целью улучшения показателей качества передачи IPTV трафика;
• проверить качество предложенных решений путем моделирования;
• обосновать экономическую эффективность, получаемую при внедрении предложенных решений.

Объект исследования:, Предмет исследования:

В результате разработки подсистемы управления передачей IPTV медиа потоков планируется достижение следующих научных результатов:

1. Разработка модели передачи IPTV трафика в сети доступа провайдера Интернет и медиауслуг;

Технологии глобальных сетей

... позволяет передавать по телефонным сетям данные, голос и другие виды трафика. Технология ISDN появилась в 1984 году. ISDN - это коммутируемая цифровая служба для передачи голоса и данных ... различных видов трафика, в том числе мультимедийного. Оконечными устройствами в сети ISDN могут быть: цифровой телефонный аппарат, компьютер с ISDN-адаптером, видео- и аудиооборудование. Суть технологии ISDN, ...

2. Разработка подхода для оптимизации IPTV трафика в сети доступа провайдера Интернет и медиауслуг.

1. Обзор существующих систем для предоставления услуги IPTV

Архитектура сети с предоставлением услуги IPTV представлена на рис. 1.1. Головная станция .

Головная станция – важный компонент решения «IPTV» при построении услуг цифрового телевидения. Головная станция является программно-аппаратным комплексом, который обеспечивает прием сигнала от радио и телевизионных станций и спутников, обеспечивает раскодирование и демультиплексирование цифровых сигналов и MPEG-кодирование аналоговых сигналов с последующим мультиплексированием подготовленных материалов в IP-потоки [ 1 ].

Компонентами Головной станции являются

антенный пост

узел цифрового кодирования

стример / мультиплексор

Система закрытия контента.

Система CAS/DRM (рисунок 1.3) осуществляет шифрацию аудио- и видеоматериалов, при этом доступ к материалам абонентам разрешается по авторизации абонентов собственными средствами CAS/DRM или средствами других систем – middleware , биллинг . В качестве средств авторизации используются программные ключи и самые современные и надежные алгоритмы. Дешифрация аудио- и видеоматериалов осуществляется непосредственно на стороне абонента посредством STB .

Middleware

Middleware – программно аппаратный комплекс, который обеспечивает управление всеми компонентами решения «IPTV», обрабатывает запросы от абонентских устройств, обеспечивает взаимодействие с системами Оператора связи.

Middleware позволяет осуществлять [ 3 ]:

• авторизацию абонента;
• формирование программы передач EPG ;
• формирование интерфейса и инструментов управления решением «IPTV» ;
• взаимодействие с системами CAS , VoD , головной станцией, STB-устройствами ;
• взаимодействие с биллинговыми системами и системами поддержки бизнеса Оператора связи (OSS/BSS/CRM и т. п.).

Middleware имеет открытую архитектуру, что позволяет оперативно масштабировать компоненты решения, и расширять спектр услуг. Программируемый абонентский интерфейс позволяет в полной мере учитывать потребности операторов связи и их абонентов.

Абонентское устройство

Абонентское устройство является связующим звеном между системами формирования и доставки аудио- и видеоматериалов и телевизором абонента.STB-устройство представляет собой миникомпьютер с операционной системой и WEB-браузером.

Обмен командами управления и медиа материалами осуществляется через сетевой интерфейс.

Система распределения контента

При построении услуг IPTV сосредотачивать аудио и видео материалы в единой точке обмена – не целесообразно. Данный шаг приводит к повышенной загрузке сети, нерациональному использованию компонентов решения, отсутствию возможности предоставлять качественные услуги большому количеству абонентов.

Как следствие, необходимо качественно распределить в сети Заказчика видеосерверы, что бы было обеспечены условия:

• минимальная загрузка сетевой инфраструктуры Заказчика;
• равномерное распределение нагрузки на видео серверы.

Для решения данной задачи используется система распределения контента.

Технология пассивных оптических сетей PON

... потребностей абонентов. На сегодняшний день одним из основных вариантов PON является технология GPON (Gigabit PON), основанная на принятых в последние годы стандартах. GPON предоставляет операторам эффективное решение высокоскоростной сети ...

Система распределения получает от middleware запросы абонентов на доступ к контенту, определяет, на каком сервере с минимальной загрузкой и в максимальной близости к абоненту находятся требуемые данные, и разрешает абоненту получить их с выбранного сервера. Если на минимально загруженном, но максимально приближенном к абоненту, сервере требуемого контента не обнаружено, то запрос будет переадресован на другой, схожий по условиям, сервер.

Видео сервер

Видеосерверы используются для реализации услуг NVoD, VoD, PVR. Видеосервер представляет собой дисковый массив большой емкости с установленным программным обеспечением.

Программное обеспечение реализует multicast – трансляцию видеоматериалов для услуги NVoD и unicast – трансляцию при предоставлении услуги VoD. Видеосервер позволяет осуществлять перехват и запись multicast-потоков, то есть поддерживать услугу PVR.

Методы передачи трафика в IP-сетях: unicast , broadcast и multicast :

1. 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. Число абонентов, которые могут получать трафик unicast одновременно, ограничено доступной в магистральной части сети шириной потока (скоростью потока).

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.

3. Трафик multicast (групповая передача пакетов) используется для передачи 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. 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 [1 ].

RTP (Real-TimeTransportProtocol)

4. Основные функции RTCP:
   • обеспечение качества услуг и обратной связи;
   • идентификация пользователя;
   • оценка размеров сеанса и масштабирование.

2. Исследование проблем реализации IPTV

Самыми распространёнными проблемами в сети IPTV являются:

1. Скорость передачи данных;
2. Качественная передача данных в том числе в ЧНН;
3. Стоимость оборудования;
4. Ёмкость самой сети.

Методы решения проблем

IGMP (Internet Group Management Protocol) snooping

Ниже мы рассмотрим работу данного протокола в общих чертах:

1. Первое, что делает коммутатор, определяет, где находится маршрутизатор(ы).
   15 стр., 7173 слов

   Промышленные локальные сети, Ethernet tcp/ip (IP)

   ... как Foundation Fieldbus, Profibus или DeviceNet, остается открытым. Промышленные локальные сети, Промышленная сеть Устройства используют сеть для: передачи данных, между датчиками, контроллерами и исполнительными ... сетевому оборудованию относятся: сетевые карты; концентраторы; коммутаторы; маршрутизаторы; спец оборудование для доступа к глобальным сетям. Сетевые карты, являются одной из важнейших ...

   Для этого он слушает наличие в сети сообщений IGMP GeneralQuery, PIM, DVMRP и пр.

2. Устройство отправляет IGMP Report, когда хочет получать тот или иной multicast-трафик. Данное сообщение перехватывает коммутатор. Из него коммутатор получает следующую информацию: устройство с таким-то MAC-адресом, находящееся за определённым портом, хочет получать трафик такой-то multicast группы. Причём для коммутатора при идентификации multicast группы в первую очередь важен не IP-адрес этой группы (IP-адреса multicast групп лежат в диапазоне 224.0.0.0 – 239.255.255.255), а её MAC-адрес. Коммутатору проще работать именно с адресацией на канальном уровне. Как мы знаем, MAC-адрес формируется по определённому правилу из IP адреса multicast группы. Вся эта информация заносится в таблицу MAC-адресов коммутатора.

   Далее коммутатор отправляет в сторону маршрутизатора IGMP Report, содержащий такую же информацию, как была получена от устройства.

3. Маршрутизатор, получив сообщение IGMP Report, начинает передавать multicast-трафик. Но так как коммутатор знает, где находится устройство, желающее его получать, он ретранслирует трафик только на определённый порт. Теперь в таблице MAC-адресов есть запись с MAC-адресом multicast-группы, которая смотрит на конкретный порт.
4. Периодически маршрутизатор отправляет в сеть IGMP GeneralQuery . Коммутатор рассылает его через все порты.
5. Получив IGMP GeneralQuery , устройство отвечает сообщением IGMP Report . Коммутатор перехватывает его и отправляет только в сторону маршрутизатора. Остальные получатели multicast-трафика данное сообщение не получают. А, значит, отвечают своими IGMP Report. Таким образом работа механизма ReportSuppression нарушается. Это необходимо для идентификации всех получателей multicast-трафика. Иначе клиент, услышав IGMP Report от другого, решит, что ему отвечать не нужно, и коммутатор не узнает о его присутствии. Получив от всех IGMP Report, коммутатор обновляет свои записи. В сторону маршрутизатора все сообщения IGMP Report отсылать смысла нет, поэтому отправлется только одно — самое первое.
6. Если устройство решает прекратить получать трафик для определённой multicast-группы, оно отправляет сообщение IGMP Leave . Коммутатор, как обычно, перехватывает его [2 ].
7. Во-первых, коммутатор проверят, нет ли за этим же портом (откуда пришло сообщение IGMP Leave) других получателей multicast-трафика. Ведь в этот порт может быть подключен другой коммутатор. Для этого он отправляет сообщение IGMP Group-SpecificQuery . Если ответа на него не последовало, коммутатор просто убирает закрепление MAC-адреса multicast-группы за данным портом. Если ответ пришёл, продолжает передавать трафик через данный порт.
8. Далее коммутатор проверяет, а есть ли на нём другие получатели multicast-трафика для данной группы, но находящиеся за другими портами. Для этого он просто смотрит в свою таблицу MAC-адресов .
   • Если такие получатели есть, больше коммутатор ничего не делает. Посылать сообщение IGMP Leave в сторону маршрутизатора смысла никакого нет.
   • Если это был последний получатель для данной multicast-группы , коммутатор отправляет сообщение IGMP Leave в сторону маршрутизатора.
9. Получив сообщение IGMP Leave, маршрутизатор рассылает сообщения IGMP Group-SpecificQuery , которые коммутатор в свою очередь рассылает через все свои порты. Конечно же, никто не откликается и маршрутизатор перестаёт передавать трафик для данной группы.

3. Описание объекта исследования

В качестве объекта исследования рассмотрим участок сети, топологическая схема которого представлена на рис. 3.1

Разработка систем передачи информации нового поколения

... усилители, компенсаторы дисперсии, демультиплексоры и коммутаторы. Успехи в технологии создания высококачественных источников излучения и ... в общей длине передаваемого сообщения, а значит, и эффективность передачи в целом. Естественно, что ... нм), отводится в распоряжение систем волнового уплотнения. Термин DWDM (densewavelengthdivisionmultiplexer) - плотное волновое мультиплексирование - используется ...

Так же существует проблема передачи multicast.

В первую очередь важно знать, что операторы связи часто намеренно фильтруют сквозную передачу multicast через свои сети. Поэтому если планируется передавать видеопотоки через арендованные каналы или же какие-либо сегменты собственной сети не поддерживают multicast, то можно прибегнуть к различным способам, чтобы обойти эту проблему.

Самый простой способ – создание туннеля между сегментами сети. В этом случае multicast будет дополнительно инкапсулироваться и передаваться как обычные пакеты unicast. Существует большое количество протоколов туннелирования, у каждого из которых есть свои плюсы и минусы.

Другой способ – применение шлюзов вещания. Данный способ также подразумевает использование unicast, но при этом (в отличие от туннеля) меняется заголовок пакетов. В простейшем случае такой функционал можно реализовать путем установки пары серверов с использованием СПО (например, VLC).

Но есть также большое количество решений для операторов IPTV, в которых сервер не только выступает в роли шлюза, но и осуществляет функции хранения и мониторинга видеопотоков.

Выводы

При выполнении магистерской работы рассмотрены различные методы улучшения работы сетей IPTV. Выполнен анализ некоторых из этих методов. Исследованы архитектура сети, протоколы передачи трафика, способы передачи трафика и проблемы передачи трафика. При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Предполагаемыми результатами являются улучшение качества передачи предоставляемых услуг с меньшими денежными затратами на оборудование сети.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июль 2018 года.

Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/tehnologiya-iptv/

1. Аль-Днебат Саид Али. Применение сетей массового обслуживания для исследования процессов передачи видеопотоков в пакетных сетях / Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com/… .
2. Алексеев И. Интегрированные услуги нового поколения Internet / Игорь Алексеев. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.osp.ru/… .
3. Мизин И. Телекоммуникационные технологии. Состояние и перспективы развития / И. Мизин. – М.: Электроника НТБ. Выпуск #1 / 1998.
4. Анатомия VoD – основы видео по запросу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://internetno.net/… .
5. Бугай А. А. IPTV Вызов традиционному телевидению / Бугай А. А., Яшенкова Н. А. // T-Comm. 2008. № 1. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/… (дата обращения: 23.01.2018).
   3 стр., 1469 слов

   Инфокоммуникационные системы и сети

   ... работе. Изучить протокол, алгоритм и временную диаграмму передачи сообщения в инфокоммуникационной сети передачи данных с синхронным временным доступом (https:// , 19). По исходным данным определить ... Модель массового обслуживания Представленную этой временной диаграммой систему множественного доступа называется синхронно-временной доступ. Адекватной его моделью является СМО M/G/1. Напомню, что ...

6. Петрусь И. П. Аспекты практического использования беспроводной оптической технологии передачи данных / Петрусь Иван Павлович, Гузенкова Елена Алексеевна // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 2 (21).

   [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/… (дата обращения: 23.01.2018).

7. Шалагинов В. А. Требования к построению транспортных сетей операторов мобильной связи // T-Comm. 2012. № 7. – С. 225–227.