Исследование методов управления IPTV-трафиком в сетях ISP

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2020 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обзор международных источников
• 3.2 Обзор национальных источников
• 4. Структура сети IPTV
• 5. Метод построения сети IPTV для операторов связи
• Выводы
• Список источников

Введение

Совсем недавно густой лес антенн на крышах многоэтажек сменили кабели с сотнями импортных каналов, а если не дотянулись операторы – спутниковые тарелки. Теперь ожидается новый переход – в эпоху интерактивного телевидения IPTV. Это объясняется не только плюсами технологии, но и фактором, который сначала может казаться неочевидным – в случае с IPTV уже не телевидение управляет зрителем, как продолжалось столетие, а зритель – телевидением. IPTV не транслируется через интернет, для его передачи лишь используется интернет-протокол передачи данных, технология зависит не от мировой сети, а от провайдера, предоставляющего услугу. IPTV может передаваться по закрытым сетям, поддержку которых осуществляет телекоммуникационная компания. Это самый современный и оптимальный вариант с точки зрения качество+возможности. В дом приходит по тому же кабелю, что и интернет, потенциально может поставлять неограниченное количество каналов, всегда высокое качество картинки, большой выбор дополнительных услуг (IPTV содержит определенный набор функций и доступен только подписчикам услуги).

1. Актуальность темы

Современные телекоммуникационные технологии практически не ограничивают Операторов и пользователей в области предоставляемых услуг. На данный момент наибольпшй интерес для большинства услуг вызывают свойства интерактивности (когда пользователь становится активным участником процесса предоставления услуги), персонализации (когда пользователь получает индивидуальный для него контент) и мобильности (когда доступ к услуге возможен не только по фиксированным сетям). Вместе с тем, свойства новых услуг могут предъявлять столь несоразмерные (по сравнению со свойствами традиционных услуг) требования к телекоммуникационным ресурсам, что могут стать нерентабельными для Оператора связи. По этой причине всестороннее исследование свойств современных телекоммуникационных услуг является крайне актуальным. Объектом исследования в данной работе является семейство услуг систем IPTV, число абонентов которых неуклонно растет. По данным исследовательских фирм Digital TV Research и TeleGeography, количество абонентов систем IPTV в мире превысило 155 миллионов, что составляет около 25 процентов от клиентской базы широкополосной сети Интернет. Среди всех способов доставки телевизионного контента, именно технология цифрового телевидения по протоколу IP (IPTV) максимально удовлетворяет новым свойствам услуг, что делает ее все более востребованной на рынке телекоммуникационных услуг и потому актуальной с точки зрения научных исследований.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данной работы является повышение эффективности предоставления интерактивных услуг системами IPTV в сетях ISP за счет кэширования данных.

Основные задачи исследования:

1. Провести анализ структуры мультисервисной сети, предоставляющей услугу IPTV.
2. Описать модель процесса организации интерактивной услуги Видео по запросу.
3. Разработать алгоритм кэширования для реализации интерактивной услуги Видео по запросу, допускающего расчет входящей полосы пропускания прокси-сервера.
4. Провести моделирование работы сети с предоставлением услуги IPTV.
5. Провести технико-экономическое обоснование.

Объект исследования: семейство услуг систем IPTV.

Предмет исследования: кэширование данных в видеосерверах сети IPTV.

3. Обзор исследований и разработок

Поскольку интерактивное телевидение является одной из важнейших телекоммуникационных систем, то проблемы их построения и реализации были широко исследованы как американскими, европейскими, японскими учеными, так и отечественными специалистами.

3.1 Обзор международных источников

Книга зарубежных авторов Фатхи Сулейман Мохамеда, Азад Сайфула, Патхан Аль-Сакиб Хан IPTV сети доставки: архитектура нового поколения для услуг Live и Video-on-Demand[1] является руководством по современным технологиям, связанным с процессом предоставления услуг как в реальном времени, так и по запросу в рамках сетей доставки IPTV. Авторы международной группы экспертов вводят рамки для сети доставки, применимой для услуг live и video-on-demand. Они рассматривают фундаментальные проблемы сетей доставки IPTV и изучают проблему качества обслуживания (QoS) для сетей доставки IPTV, которая подчеркивает вопросы безопасности и обнаружения аномалий в связи с качеством.

Поскольку IPTV является постоянно развивающейся системой, то она часто является темой научных работ на соискания различных ученых степеней. Гергес Мансоур Салама Мансоур в своей диссертации Исследование сетевых моделей IPTV[2] предлагает исследование сетевых аспектов IРТV и анализ численных характеристик IРТV-трафика и качества услуг через IРТV-сеть.

3.2 Обзор национальных источников

Вопросы связанные с технологией IPTV можно встретить во многих международных и национальных источниках, таких как учебные пособия, научные статьи и диссертации. Киреева Н.В. и Буранова М.А. в своей работе Обеспечение качества обслуживания в мультисервисных сетях[3] приводят сведения о построение сети IPTV, IP-телефонии, производят расчет характеристик передачи голосовых пакетов и методику оценки параметров качества передачи пакетной речи.

В диссертации Маколкиной М. А. Разработка и исследование моделей оценки качества передачи видео в IP-сетях[4] приводится анализ архитектуры и возможностей существующих систем на примере предоставления услуг IPTV, разработка комплекса параметров качества обслуживания, оказывающих существенное влияние на оценку качества передачи видео по IP-сетям, разработка модели оценки качества передачи видео по IP-сетям, учитывающей сетевые характеристики и параметры, специфические для видеоприложений, проведение имитационного моделирования для проверки корректности допущений, которые были сделаны в модели для упрощения расчета, а также для оценки пригодности использования модели. В научной работе к.т.н. Бородинского А.А. Модели и методы управления услугами IPTV в сетях NGN[5] были решены такие научные задачи как разработка аналитической модели организации услуги Телевидение, сдвинутое по времени, разработка алгоритма кэширования для реализации услуги Телевидение, сдвинутое по времени, допускающего расчет входящей полосы пропускания в прокси-сервер, формулирование задачи оптимизации входящей полосы пропускания прокси-сервера IPTV за счет управления размером буфера, исследование возможностей беспроводных технологий широкополосного доступа с целью предоставления услуги IPTV, эксперимент предоставления услуг интерактивного IPTV с оценкой эффективности использования совместного кэширования в прокси-серверах, которые также получили практическое распространение.

4. Структура сети IPTV

Технология IPTV представляет собой технологию доставки мультимедийных услуг (ТВ, аудио/видео, текст, графика, данные) на базе сетей IP в режиме вещания и в интерактивном режиме.

IPTV относится к классу закрытых частных систем телевизионного вещания. Оно подобно существующим сегодня системам кабельного телевидения и отличается от них тем, что телевизионные программы доставляются абонентам по безопасным IP-каналам. Это позволяет значительно улучшить управление доставкой контента. При этом основное преимущество услуг IPTV состоит в наличии постоянного обратного канала.

Особенностью IPTV является то, что контент поставляется в дом абонента через частично замкнутую сетевую инфраструктуру, в которую нельзя осуществить доступ через сеть Интернет. Эта инфраструктура находится под управлением какого-нибудь телекоммуникационного оператора или Интернет-провайдера (ISP). IPTV операторы при предоставлении услуг используют усовершенствованные технологии сжатия, что приводит к улучшению качества изображения.

В общем случае сеть IPTV строится на основе распределенных информационных ресурсов. Как правило, оператор предполагает размещение в сети IPTV нескольких видеосерверов, заряженных разным контентом.

Преимущества IPTV:

• онлайн-видеомагазины с множественным выбором разнообразных программ;
• возможность заказа доставки жесткого диска для цифровой записи;
• возможность просмотра программ, которые уже показывались на телевидении;
• улучшенное качество изображения с высоким разрешением;
• интерактивное использование для покупок, почты, музыки.

Недостатки IPTV:

• необходимость наличия доступа к DSL и IPTV-провайдеру, который сможет вас обслуживать;
• необходимость в IPTV – Set-Top-Box;
• пропускная способность сети интернет должна быть достаточной для обслуживания IPTV;
• нерешенный вопрос защиты информации, предоставления пользователями IPTV своих данных различным компаниям не регулируется законом.

Для реализации IPTV необходима головная станция (Head-End) – это серверный программно-аппаратный комплекс, который принимает, хранит и записывает контент, управляет услугами и абонентами.

Также требуется клиентское оборудование – Set-Top-Box приставки для телевизоров, которые являются клиентами для головной станции.

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.

Головная станция состоит из ряда компонентов:

1. IP стример – это устройство, которое принимает спутниковый, кабельный или эфирный ТВ-сигнал и транслирует его в локальную IP-сеть в режиме multicast.
2. Middleware – это промежуточное программное обеспечение для управления IPTV. Это основной компонент IPTV комплекса, так как он определяет набор услуг, доступных пользователю, задает пользовательский интерфейс.
3. Биллинговая система (система управления пользователями) – занимается учетом и тарификацией услуг, потребляемых пользователями.
4. Сервер VoD/nVoD – это отдельное устройство, хранящее базу фильмов, которые могут предоставляться по запросу абонентов.
5. Система сокрытия контента (CAS) – с помощью этой системы оператор может контролировать доступ к контенту для отдельных абонентов, подписанных на определенные услуги. Система шифрует потоки в сети и руководит раздачей ключей доступа к этим потокам.

Клиентское оборудование:

1. IPTV PC клиент – для доступа к услугам IPTV через персональный компьютер существует программный клиент. С помощью него абонент сможет просматривать телеканалы и пользоваться всеми дополнительными сервисами IPTV на своем ПК.
2. Абонентские приставки – для использования абонентами сервисов IPTV на телевизорах необходимы специальные приставки Set-Top-Box (STB). Они являются связующим звеном между системой Middleware, источниками контента в сети и телевизором абонента. [6]

Типовая схема сети IPTV приведена на рис. 1.

5. Метод построения сети IPTV для операторов связи

На сегодняшний день в мире ожидается новый переход – в эпоху интерактивного телевидения IPTV. А одно из главных требований пользователя, для любой услуги, является качество принимаемого им контента, которое напрямую зависит от скорости передачи. Для уравновешивания этих показателей в системе услуг IPTV нужно умело разместить контент на имеемых серверах, при минимальном их количестве.

В данной работе предлагается рассмотреть способ построения сети с двумя уровнями серверов (рис.2).

В сети IPTV, построенной на базе двух уровней серверов, сервера первого уровня используются для хранения первых 15 минут телепрограмм, что позволяет увеличить количество хранимого контента, а также время доступа абонента к нужным ему телепрограммам. Второй уровень серверов хранит, непосредственно, телепрограммы без начальных 15 минут. Сеть построена на базе топологий кольцо[7] и звезда[8], которое увеличивают отказоустойчивость данной сети.

Рассмотрим алгоритм кэширования услуг Видео по запросу. Так как целесообразно хранить только сегменты телепрограммы, то объем серверов может быть ограничен до нескольких гигабайт, что позволит, в свою очередь, сократить объем ресурсов центрального сервера IPTV, и в результате снизить стоимость развертывания услуги.

На рисунке 3 представлены основные принципы алгоритма кэширования. В течение интервала tз запросы просмотра программы абонентами поступают на серверы. Если начало программы не хранится на ближайшем абоненту сервере, запрос осуществляется к соседнему серверу. В случае, когда программы еще нет и в соседнем сервере, трансляция начинается с центрального IPTV сервера (например, кинопремьера только состоялась, и видео еще не успело кэшироваться в сервера). Каждый раз показатель популярности П обновляется на сервере для программы tvi. Этот показатель будет использоваться для определения популярности программы, принимая во внимание значение удаленности сервера, на котором она хранится. Это означает, что популярная программа не будет сохраняться в кэш, поскольку соседний сервер уже сохранил эту программу[5].

Выводы

Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что рассмотренное в статье построение сети IPTV, является выгодным как для провайдеров, так и для абонентов. Поскольку, провайдер в данном случае минимизирует нагрузку на центральный сервер IPTV, так как количество запросов от абонентов значительно сокращаются, а также получает возможность увеличить количество сохраняемого в серверах контента. Абонент же, в свою очередь, получает большой выбор телепрограмм и малое время на их запрос.

Список использованной литературы

1. Fati Suliman Mohamed, Azad Saiful, Pathan Al-Sakib Khan (eds.) IPTV Delivery Networks: Next Generation Architectures for Live and Video-on-Demand Services. Wiley, 2017. – 372 p.
2. Гергес Мансоур Салама Мансоур. Исследование сетевых моделей IPTV. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Санкт-Петербург. 2012. – 19 стр.
3. Киреева Н. В., Буранова М. А. Обеспечение качества обслуживания в мультисервисных сетях. – ПГУТиИ, Кафедра МСИБ, Самара, 2013. – 35 с.
4. Маколкина М. А. Разработка и исследование моделей оценки качества передачи видео в IP-сетях. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Санкт-Петербург. 2014. – 18 стр.
5. Бородинский А. А. Модели и методы управления услугами IPTV в сетях NGN.: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург. 2013. – 16 стр.
6. Барсков А. Г. ТВ в сетях IP. Сети и системы связи. 2004. № 11.
7. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2016. – 992 с.: ил. – (Серия Учебник для вузов).
8. Куроуз Джеймс Ф., Росс Кит В. Компьютерные сети. Настольная книга системного администратора. 6-е изд. – Эскимо, 2016. – 912 с.