IPTV

1. IPTV Лекция 16

2. 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.

3. 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

4. Организация системы VoD и IPTVна абонентском участке провайдеры, предоставляющие VoD, IPTV или internetTV STB Блок доступа к видеосерверу абонент VoD Система биллинга и учета трафика, мониторинг SLA Видеосервер

5. 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.

6. Типовая аппаратная архитектура видеосервера CPU CPU Лок. ОЗУ Лок. ОЗУ ОЗУ Кэш фильмов Контроллер видеомагнитофона Контроллер CD/DVD Контроллер HDD Сетевой интерфейс Ленточная библиотека Сеть Ethernet Архив RAID Архив CD/DVD

7. Типовая схема организации сети IPTV 1 OSPF OSPF Опорная сеть OSPF igmp VLAN-TV VLAN1 VLAN2 192.168.1.25 192.168.3.58

8. 2 Система управления услугами, и биллинг SNMP-link DVB DVB DVB DVB SLA - cистема мониторинга мультиплексор PIM F=11000 Гц OSPF OSPF К абонентскому маршрутизатору Опорная сеть PIM OSPF PIM

9. 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.

10. 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.

11. 0 4 8 16 31 версия тип резерв Контрольная сумма • IGMPv1 • IGMPv2 Групповой IP-адрес 0 8 16 31 Тип Время ожидания Контрольная сумма Групповой IP-адрес

12. 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 15 максимальное время тип = 0х11 контрольная сумма ответа Адрес группы S QRV QQIC количество источников (N) адрес источника [1] адрес источника [2] . . . адрес источника [N]

13. 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.

14. Групповые IP-адреса • Групповыми являются адреса класса D: • 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). 1110 Идентификатор многоадресной группы Идентификатор адреса как группового

15. 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.

16. 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.

17. Состояния работы протокола IGMP Ответ другого узла Подключение к группе Время истекло Не участник группы Ожидание таймера Участник группы Отключение от группы Запрос получен Обнуление счетчика обращений

18. 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.

19. Дерево PIM-DM 5 7 2 Источник трафика- сервер VoD 4 6 1 Лавинная рассылка VLAN-TV 3 Отсекающее сообщение Получатель трафика

20. 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.

21. 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.

22. Дерево PIM-SM 5 2 Точка сбора – центральный маршрутизатор Источник трафика- сервер VoD 4 6 1 Общее дерево VLAN-TV Дерево кратчайшего пути 3 Получатель трафика

23. 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 мультимедиа-интерфейс 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.

24. MPEG 2: Передача разностной информации кадров

25. 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.

26. Структура потока MPEG2

27. MPEG 4:Пример работы с медиаобъектами Исходный кадр

28. 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

29. 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 CRC Контрольная сумма Протокольные заголовки

30. 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.

31. 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

32. 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,обеспечивающие синхронизацию потоков данных в декодере.

33. Формат программного потока

34. Формирование транспортного потока

35. 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.

36. 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

37. 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.

38. 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.

39. 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

40. Уровни проверки работоспособности сети IPTV. 3 • Уровень PVQ представляет собой уровень оценки качества передачи интерактивного телевидения. Анализируется штатный и пороговый уровеньсогласно 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.

41. Субъективные методы оценки качества услуг IPTV • Quality of Experience, QoE - отражает степень удовлетворённости пользователей. • Количественная оценка качества видеоуслуги производится по следующим параметрамэкспертом: • блочность (распад изображения на квадраты); • смазанность; • кадровое дрожание (Jerkiness); • случаи остановки кадров; • случаи потери кадров; • кратковременные сбои (Temporal complexity); • пространственные сбои (Spatial complexity).

42. 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.

43. 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:

44. 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.

45. 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.

46. Механизм объективного подхода к оценке качества IPTV Механизм оценки качества Источник видео контроль параметров кодер декодер пакетизация IP-сеть RTP/RTCP RTP/RTCP получатель отправитель