Назад в библиотеку

Построение мультисервисной сети IPTV

Ширяев Дмитрий

Ссылка на оригинал.

1 Введение

Ни для кого не секрет что в России к 2015 году телевизионные каналы переведут в цифровое вещание. Многие регионы заявляют о переходе к цифровому ТВ в ближайшие 2 года. Большой интерес в связи с этим вызывает технология Triple Play, которая позволяет при одном физическом подключении получать сразу три обширных сервиса: интернет, IP-телефонию, IPTV. Triple Play получит широкое распространение в широкополосных сетях общего доступа, там где связь между абонентом и провайдером налажена прочно. Triple Play позволяет провайдеру существенно поднять доходность своей сети и снизить суммарный простой связей.

Важнейшей частью Triple Play является IPTV. Как следует из названия. это технология передачи телевидения через IP протокол. Телевидение принимается со спутника в видео центре провайдера и разворачивается в потоки MPEG-2, MPEG-4 или HD. Далее через развитую инфраструктуру широкополосных сетей доставляется абоненту на так называемый Set Top Box (STB) – высокотехнологичную приставку к телевизору. STB является клиентской частью системы. Абонент управляет вещанием TV с помощью ИК дистанционного пульта подобно тому как мы переключаем обычные каналы аналогового TV.

Мультисервисная сеть – комплекс программно-аппаратных средств для продажи услуг именуемых сервисами. Это комплекс программно-аппаратных средств захвата, обработки, хранения, учета и передачи через сеть пользователю аудио– и видео-информации с целью ее круглосуточной продажи.

Мультисервисная сеть через которую подается IPTV дает намного более высокий уровень сервиса чем аналоговое TV. Абонент может заказывать пакет тех услуг которые ему нужны, например выбирать набор телевизионных каналов в зависимости от своих пожеланий. Технология TimeShift позволяет переносить просмотр по времени, а значит смотреть нужные передачи в нужное время. Также в такой сети возможны функции видеомагнитофона, т.е. записи интересующей программы в архив абонента. Video On Demand (VoD) – платная услуга, которая позволяет пользователю заказывать телевизионные программы, видеофильмы с использованием определенного меню. Выбранная программа начинает немедленно передаваться на STB пользователя. При этом абонент имеет возможность использовать некоторые дополнительные функции, такие как пауза, перемотка.


Концептуальная модель мультисервисной сети IPTV

Сервис VoD обеспечивает возможность передачи контента, хранимого на серверах VoD, по запросу подписчика, причем источником контента может быть как информация записанная из видеоданных реального времени, так и оцифрованная видео– и аудиопродукция.

В сетях IPTV становится возможной адресная реклама на основе интересов абонента и статистики. Статистические исследования аудитории выходят на совершенно другой уровень. IPTV – телевидение с обратной связью. Различные токшоу теперь смогут в прямом эфире объявлять голосование через интернет, или, более того, станут возможными видео-звонки от телезрителей, что совсем недавно было кадрами из фантастических фильмов – видеозвонок через экран TV.

2 Мультисервисная сеть

2.2 Основные компоненты мультисервисной сети

Головная станция

Основная функция головной станции – захват контента из различных источников, упаковка контента в капсулы и передача в сеть раздельно (например по каналам).

Формирование видео-контента в форматах DVB-ASI (SPTS/MPTS) производится «обычной» цифровой головной станцией DVB, которая часто уже существует у оператора связи и уже некоторое время обслуживает его кабельную DVB-C сеть. В самом простейшем случае это комплект спутниковых цифровых приемников с ASI-выходом. [1]

Требования к головной станции IPTV

Также к головной IPTV станции могут предъявляться и обычные для любого головного оборудования требования:

На российском рынке наиболее известны четыре производителя IP-TV головных станций, это Scopus Video Networks, Terayon Communication Systems, Optibase и Tandberg Television.

Головная станция на основе свободного ПО

В качестве альтернативы дорогим специализированным головным станциям могут использоваться станции под управлением ОС Linux или FreeBSD. Эти операционные системы очень гибки, быстры и действительно надежны для выполнения возложенных задач по управлению головной станцией. В качестве сервера захвата видео и инкапсуляции, с последующим вещанием по IP сети, может использоваться свободное ПО VLC player, или его серверный вариант VLC server, которые являются частью проекта «VideoLAN project». Данные сервера вещания обладают достаточно широкими возможностями для IPTV вещания, в том числе: transcoding, transraiting, сбор видео из различных источников (DVB, IP поток, Локальный файл, DVD, VCD, TV-тюнер), инкапсуляция видеосигнала в форматы MPEG PS, MPEG TS, MPEG 1, RAW, ASF, MP4, MOV; поддержка всех современных стандартов сжатия видео, включая HDTV; возможности VoD, QoS тэгинг и пр. [11]

Напомним что за свободное ПО, которое распространяется под лицензией GPL не нужно платить денег, что существенно сократит расходы небольших компаний-провайдеров. По сути расходы будут сведены к покупке аппаратной платформы станций захвата видео и преобразования видео-потока. Операционная система и ПО установленное на станциях не потребуют никаких вложений кроме их настройки.

В качестве аппаратной платформы для головной станции на основе свободного ПО могут выступать надежные сервера ведущих производителей таких как Hewlett-Packard, IBM, SUN и других.

На сервер вещания устанавливается операционная система Linux или BSD, DVB карты для приема сигнала со спутников, VLC player для захвата и обработки сигнала, инкапсуляции и вещания в сеть посредством multicast. Для захвата аналогового видео может использоваться любой качественный TV-тюнер работающий под ОС Linux.

Магистраль

Основная городская локальная сеть называемая магистралью представляет собой 10 Gb сеть, построенную на управляемых коммутаторах, как минимум, 3-го уровня. В свою очередь основная городская магистраль делится на районные сегменты. Районный сегмент представляет собой 1-10 Gb сеть, построенную на управляемых коммутаторах 2-го и 3го уровня. По магистральной сети осуществляется передача цифрового контента до домовой сети пользователя. В роли контента выступает IPTV, VoD, Internet, сетевые игры, музыкальный контент, пр. контент.

Пространство пользователя

Устройства, подключенные к домовой сети пользователя, представляют собой пространство пользователя. Это может быть один или несколько персональных компьютеров, телевизионная приставка Set Top Box (STB), система пожарной безопасности, охранная сигнализация, др. Ethernet устройства.

Кэширующие зеркала VoD

Организация системы VoD подразумевает использование серверных кластеров VoD и системы управления контентом VoD. Серверы VoD осуществляют хранение контента и формирование потоков видеоинформации по запросу абонента, с персональной передачей его на unicast-адрес абонента. В видеоцентре может хранится весь видео контент VoD. Вещание производит VoD сервер, но только в том случае если запрошенного контента не оказалось ни на одном из VoD зеркал, которые установлены на каждый районный сегмент мультисервисной сети.

Сервер VoD представляет собой сервер с большим дисковым пространством, несколькими сетевыми интерфейсами и специализированным программным обеспечением для передачи контента подписчикам. Серверы объединяются в кластеры, что позволяет осуществлять масштабирование, как по числу подписчиков, так и по емкости архива контента.

Построение системы распределения контента позволяет хранить непосредственно на серверах VoD лишь небольшую часть всего контента, доступного в сети, как правило наиболее часто запрашиваемый контент, это существенно снижает требования к оборудованию и пропускной способности сети. Основная масса контента может храниться в одном или нескольких центрах данных.

Центр резервирования

Для обеспечения безопасности пользователей, вся информация о состоянии счета и личных данных абонента резервируется на специальном сервере. Данные абонентов собираются со всех районных серверов. Такой подход обеспечивает повышенную надежность системы биллинга.

Управление IPTV и VoD (Middleware)

Middleware – промежуточное ПО которое связывает воедино все компоненты мультисервисной сети : головную станцию, биллинг (систему расчета с абонентами), БД видеоконтента и клиентскую часть системы (PC, STB) ; осуществляет контроль доступа абонентов к контенту, логирование потребления услуг, резервирование БД абонентов, предоставляет наполнение меню услуг на STB, принимает и обрабатывет запросы абонента с STB. Работа клиентского STB без Middleware невозможна. Кроме того Middleware и STB обязательно должны быть совместимыми.

2.2.7 Пользовательская приставка Set Top Box

STB (Set Top Box) – Универсальная высокотехнологичная приставка к телевизору для потребеления абонентом услуг мультисервисной сети без использования персонального компьютера.

Управление приставкой производится при помощи ИК пульта дистанционного управления, комплекта беспроводной клавиатуры и/или указывающего устройства.

Потребление и управление услугами осуществляется через пользовательское меню STB.

2.2.7.1 Общие требования к STB

Требования к программной части STB

Операционная система

Проигрыватель

Броузер

Меню пользователя

ПО поддержки ИК пульта ДУ

Операционная система для STB

Операционная система Linux, непревзойденная по своей гибкости, стабильности и производительности. Linux позволяет организовывать бесдисковые станции с удаленной загрузкой ядра и корня файловой системы по сети.

ОС Linux бесплатна (под лицензией GPL), поддерживает весь спектр современных периферийных аппаратных устройств, а также в своем богатейшем количестве дистрибутивов имеет все мыслимое и немыслимое программное обеспечение, которое также распространяется бесплатно по лицензии GPL. Кроме того, Linux создана в результате творчества независимых программистов по всему миру и потому имеет великолепное API для программирования, кроме того, в мире имеется огромное количество библиотек для Linux; все это ускоряет процесс создания и величину самоотдачи программиста. Сказать, что Linux очень хорошо документирован – не сказать ничего. Он просто детально расписан сообществом FSF (Free Software Foundation). Документацию по Linux пишут в мире все кому не лень.

Linux поддерживает совремнный и суперсовременный графический интерфес. Суперсовременный имеется ввиду возможность использования трехмерных графических ускорителей для отрисовки трехмерного интерфейса доступа к системе. При этом в коде существующих программ не требуется никаких изменений. Отображение обыковенных программ в трехмерном пространстве осуществляется графическим сервеом ОС.

Linux создан по подобию ОС UNIX, которая, как известно была рождена для работы в сети. За сетевую безопасность в Linux отвечает встроенный брадмауэр/файрвол IPTABLES.

Linux отвечает всем стандартам и выдвинутым требованиям безопасности.

Графическое окружение и оконный менеджер

Оконный менеджер – IceWM. За свое быстродействие, минимальный расход памяти, стабильность, время запуска, независимость от библиотек Qt и GTK+, простоту в настройке, богатое управление окнами, поддержку тем. Быстродействие IceWM близко к рекордному среди исследованных оконных сред для Linux. Следует отметить также просто бетонная устойчивость IceWM. За 2 года использования автором не было ни малейшего намека на подвисание или какой-либо глюк.


Меню STB

Выбор среди ведущих графических инструментов для построения современного графического интерфейса очевиден. Qt не подходит для реализации меню пользователя из-за коммерческого лицензирования. Кроме того, стоит отметить и тот факт, что GTK+ приложения работают быстрее и требуют меньше памяти, чем QT/KDE. GTK+ так же имеет заголовочные файлы доступа С и С++, что дает больше возможностей для реализации меню STB.

3 Технологии

Первый момент, принципиально важно в мультисервисной сети IPTV использовать для вещания контента реального времени технологию multicast. Данная технология позволяет производить вещание на групповые IP адреса начинающиеся с 224.0.0.0. Пакет вышедший на данный адрес дублируется на портах коммутаторов в соответствии с запросами абонентов, т.е. направляется только тем абонетам которые запросили данный контент. Multicast существенно снижает нагрузку на сеть.

Второй момент, это применение т.н. QoS (Quality of Service). Данную технологию должно поддерживать оборудование, а реализовывает ее специальный протокол RSVP, при этом различным типам трафика присваивается различный приоритет при обслуживании на коммутационном оборудовании. Это позволяет минимизировать задержки кадров при передаче видео и аудио потока.

Третий момент, распределение VoD контента в сети максимально близко к потребителю. Применение децентрализованных решений VoD, технологии зеркалирования. Это сильно снизит нагрузку на ядро сети и повысит надежность VoD.

Четвертый момент, распределенное Middleware позволяет при сбое на одном из сегментов сети продолжать работу других сегментов в обычном режиме.

4 Требования к коммутаторам мультисервисной сети

В мультисервисных сетях для обеспечения корректной групповой рассылки контента нужно использовать на последней миле коммутаторы второго уровня поддерживающие IGMP Snooping. Функция IGMP Snooping предназначена для того чтобы групповой трафик доставлялся только членам группы подключенным к данному коммутатору. Известно что коммутаторы 1го уровня не поддерживающие IGMP Snooping рассылают групповые дейтаграммы на все порты, что приводит к деградации сети на оконечном оборудовании.

Основные требования к коммутаторам второго уровня:

Основные требования к коммутаторам третьего уровня: