Методы передачи трафика в IPTV

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.

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). Они либо являются владельцами сети, либо, как минимум, управляют данной сетью.

Телевизионный контент, предоставляемый провайдерами, увязан с телефонными, широкополосными и с мобильными услугами, как часть так называемых triple или quadruple play предложений.

В общем случае сеть IPTV строится на основе распределенных информационных ресурсов. Как правило, оператор предполагает размещение в сети IPTV нескольких видеосерверов, «заряженных» разным контентом. Кроме того, IPTV является открытой развивающейся системой, и предлагать свои программы в ней может огромное количество небольших и средних видеопродюсеров.

Услуги IPTV аналогичны услугам, предоставляемым традиционными эфирными, кабельными и спутниковыми операторами, а не услугам Internet television. При этом основное преимущество услуг IPTV состоит в наличии постоянного обратного канала.

IPTV операторы при предоставлении услуг используют усовершенствованные технологии сжатия, что приводит к улучшению качества изображения, сопоставимого с его качеством у кабельных, спутниковых и эфирных вещателей и превосходящему качество изображения Internet television.

Рассмотрим упрощенную модель тракта интерактивного телевидения, приведенную на рисунке 1.

Рисунок 1 - Модель тракта интерактивного телевидения

Провайдерами вещательных и интерактивных служб могут быть несколько операторов. Провайдер вещательных служб передает контент абоненту, используя сеть доставки вещательных программ и канал вещания. Контент поступает на модуль интерфейса сети вещания Set top box абонента, с помощью которого терминал получателя взаимодействует с сетью. Тоже происходит при передаче интерактивной информации через сеть интерактивного обмена. Только в этом случае используются два интерактивных канала: прямой и обратный.

Услуги IPTV

Весь спектр услуг IPTV можно условно разделить на три основные группы:

- базовые (канальные) услуги (Basic Channel Service);

- расширенные (избираемые) услуги (Enhanced Selective Service);

- интерактивные телематические услуги (Interactive Data Service).

Базовый комплекс IPTV включает в себя стандартный набор услуг, предоставляемых в сетях кабельного и эфирного телевидения. Реализация этого комплекса обеспечивает возможность трансляции по сетям IP радио и телевизионных программ в сочетании с базовым комплексом услуг сетей передачи данных. При этом предполагается, что услуги базового комплекса не являются взаимосвязанными и могут предоставляться независимо.

Услуги расширенного комплекса IPTV реализуются в комплексах, которые обеспечивают активное взаимодействие абонента с системой, которая предоставляет услугу. Для таких комплексов характерно наличие и активное использование обратных каналов. К услугам, предоставляемым в составе расширенного комплекса IPTV, относятся:

- различные варианты реализации услуги "Видео по требованию" VоD;

- трансляция музыкальных программ по запросу абонента - MоD;

- услуга электронного гида по транслируемым программам - EPG;

- услуга "Персональный видеомагнитофон" - PVR;

- услуга "Деловой канал" - B2B hosting - предполагает организацию выделенного канала для обмена оперативными данными и проведения видеоконференций между подразделениями одной компании;

- услуга "Персональный канал" - С2С hosting - обеспечивает организацию выделенного канала для внутреннего обмена групп пользователей;

- услуга "Углы зрения" - (Multi-angle service) - обеспечивает пользователю возможность оперативно изменять ракурс обзора представляемого объекта;

- услуга «Платный просмотр» (Pay per View) - покупка и просмотр абонентом отдельно выбранных программ (например, финал чемпионата мира по футболу). Трансляция ведется в режиме реального времени и используется технология IP-multicast;

- услуга «Телевидение со сдвигом по времени» (Time Shifted TV) - абонент покупает услугу просмотра заранее записанных на видеосервере программ. Услуга и реализуемые в ней сервисные функции близки к «видео по заказу». Также используется технология IP-unicast;

- услуги «Сервисы по заказу» SoD - это заказ товаров и услуг на дом, различная справочная информация, расписание транспорта, гостиничный сервис и т.п. Данные услуги близки к аналогичным сервисам в Internet.

Комплекс интерактивных телематических услуг сетей IPTV представляет собой расширенный набор информационных сервисов сети Internet, объединенных в пяти тематических категориях:

- информационная категория (T-information);

- коммерческая категория (T-commerce);

- коммуникационная категория (T-communication);

- развлекательная категория (T-entertainment);

- образовательная категория (T-learning).

Варианты реализации услуги "Видео по требованию" VоD

Услуга «виртуальный кинотеатр» (Near Video on Demand) - это трансляция фильмов с видеосервера оператора c жестко определенным расписанием сеансов, когда абонент покупает удобный ему по времени сеанс для просмотра фильма. Неудобство для абонента состоит в том, что он не может начать просмотр фильма в любой произвольный момент времени. Преимуществом для оператора является использование обычной технологии IP-multicast, которая очень сильно экономит объем трафика в магистральной сети оператора. Для снижения объемов трафика, оператор предоставляет возможность просмотра не очень большого количества фильмов, обычно количество фильмов в «виртуальном кинотеатре» не превышает двух-трех десятков, как правило, это новые фильмы, недавно вышедшие в прокат.

Услуга «Видео на заказ» (Video on Demand) – фильм с видеосервера оператора персонально транслируется абоненту в любой произвольно выбранный абонентом момент времени. В отличие от услуги «виртуальный кинотеатр» количество фильмов здесь намного больше и может достигать иногда несколько тысяч. Появляется ряд очень удобных пользовательских функций виртуального видеоплеера – перемотка назад, вперед, пауза. В данном случае объем трафика здесь зависит не от количества фильмов, а от количества пользователей этой услуги, так как используется «персональная» трансляции видеоданных абоненту по технологии IP-адресации «unicast».

Услуга «Персональный видеомагнитофон» (Personal Video Recorder) - на видеосервере оператора абоненту выделяется определенный объем памяти и предоставляется интерфейс с аналогичными видеомагнитофону функциями для цифровой записи и воспроизведения телепередач. Абонент может по своему желанию записывать, стирать, воспроизводить, перематывать свои личные записи. Здесь также используется технология IP-unicast.

Услуга «Платный просмотр» (Pay per View) – покупка и просмотр абонентом отдельно выбранных программ (например, финал чемпионата мира по футболу). Трансляция ведется в режиме реального времени и используется технология IP-multicast.

Услуга «Телевидение со сдвигом по времени» (Time Shifted TV) – абонент покупает услугу просмотра заранее записанных на видеосервере программ. Услуга и реализуемые в ней сервисные функции близки к «видео по заказу». Также используется технология IP-unicast.

Методы передачи трафика в IPTV

Сегодня в мире используют три основных метода передачи трафика в IP-сетях, это – однонаправленный (unicast) трафик, широковещательный (broadcast) трафик и многоадресная рассылка (multicast).

Каждый из этих трех методов передачи использует различные типы назначения IP-адресов в соответствии с выполняемыми задачами и объемом потребляемого трафика.

Unicast трафик (одноцелевая передача пакетов) используется, прежде всего, для сервисов «персонального» характера. Каждый абонент может запросить персональный видео-контент в произвольное, удобное ему время.

Unicast трафик направляется из одного источника к одному IP-адресу назначения. Этот адрес принадлежит в сети только одному единственному компьютеру или абонентскому STB (Set-Top Box – клиентской телевизионной приставке) как показано на рисунке 2.

Число абонентов, которые могут получать unicast трафик одновременно, ограничено доступной в магистральной части сети шириной потока (скоростью потока). Для случая Gigabit Ethernet сети теоретическая максимальная ширина потока данных может приближаться к 1 Гб/сек за вычетом полосы, необходимой для передачи служебной информации и технологических запасов оборудования. Предположим, что в магистральной части сети мы можем для примера выделить не более половины полосы для сервисов, которым требуется unicast трафик. Легко подсчитать для случая 5Мб/сек на телевизионный канал MPEG2, что число одновременно получающих unicast трафик абонентов не может превышать 100.

Рисунок 2 – Одноцелевая передача пакетов (Unicast)

Broadcast трафик (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, например 192.0.2.255, или иметь 255 во всех четырех полях (255.255.255.255).

Важно знать, что broadcast трафик принимается всеми включенными компьютерами (или STB) в сети независимо от желания пользователя. По этой причине этот вид передачи используется в основном для служебной информации сетевого уровня или для передачи другой исключительно узкополосной информации. Разумеется, для передачи видеоданных broadcast трафик не используется. Пример передачи broadcast трафика показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Широковещательная передача пакетов (Broadcast)

Multicast трафик (групповая передача пакетов) используется для передачи потокового видео, когда необходимо доставить видео-контент неограниченному числу абонентов, не перегружая сеть. Это наиболее часто используемый тип передачи данных в IPTV сетях, когда одну и ту же программу смотрят большое число абонентов.

Multicast трафик использует специальный класс IP-адресов назначения, например адреса в диапазоне 224.0.0.0 ….. 239.255.255.255. Это могут быть IP-адреса класса D.

В отличие от unicast трафика, multicast адреса не могут быть назначены индивидуальным компьютерам (или STB). Когда данные посылаются по одному из multicast IP-адресов, потенциальный приемник данных может принять решение принимать или не принимать их, то есть будет абонент смотреть этот канал или нет. Такой способ передачи означает, что головное оборудование IPTV оператора будет передавать один единственный поток данных по многим адресам назначения. В отличие от случая broadcast передачи, за абонентом остается выбор - принимать данные или нет. Пример передачи multicast трафика показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Групповая передача пакетов (Multicast)

Когда определённая группа пользователей желает смотреть тот или иной канал телевидения, в сети формируется группа Multicast, для которой передается определенная информация от сервера IPTV. Чтобы не формировать отдельный канал передачи данных до каждого пользователя, поток данных передается до ближайшего узла, где данные уже дублируются для всех членов группы. Это позволяет существенно разгрузить ресурсы сети.

Загрузка магистральной части сети multicast трафиком зависит только от числа транслируемых в сети каналов. В ситуации с Gigabit Ethernet сетью, предположив, что половину магистрального трафика мы можем выделить под multicast передачу, мы получаем около 100 телевизионных MPEG-2 каналов, каждый имеющий скорость потока данных 5 Мб/сек.

Наиболее распространенные в мире схемы предоставления услуг IPTV в режимах Multicast и Unicast представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема предоставления услуг IPTV

Разумеется, в IPTV сети присутствуют одновременно все 3 вида трафика broadcast, multicast и unicast.

Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разный механизм влияния разных технологий IP- адресации на объем трафика. Например, при использовании режима unicast нагрузка на сеть возрастает пропорционально количеству пользователей.

Разгрузить сети возможно используя прокси-сервера, рассредоточенные по сети как показано на рисунке 6. Прокси-сервера хранят копии наиболее востребованных фильмов и предоставляют их абоненту локально. При этом невозможно установить прокси-сервер на каждом узле, поэтому необходимо тщательное планирование по распределению таких серверов на сети.

С точки зрения нагрузки на сеть, unicast трафик более опасен для сети, так как multicast легко планируется и прогнозируется. А unicast сильно зависит от активности пользователей.

Средним считается, что 10% пользователей используют услуги VoD (unicast).

Рисунок 6 - Распространение сигнала в режиме unicast

Для реализации multicast передачи в IP-сети должны быть маршрутизаторы, поддерживающие multicast (См. рисунок 7). Маршрутизаторы используют протокол IGMP для отслеживания текущего состояния групп рассылки (а именно, членство в той или иной группе того или иного конечного узла сети).