+7 (495) 234-32-12
пн-пт с 9.30 до 18.00

Корзина пуста

Все системы безопасности в одном центре
Продажа Доставка по России Монтаж Обслуживание
Поиск по каталогу

Требования к IP-сетям для трансляции IPTV

Способность предложить доступные и надежные сервисы широковещательной трансляции программ IP-телевидения становится для провайдеров услуг жизненной необходимостью и залогом сохранения конкурентоспособности в отрасли, все более насыщенной разнообразными услугами. Удовлетворение ожиданий потребителей в отношении высококачественных услуг IP-телевидения требует архитектуры сети и систем маршрутизации, которые могут решить проблему широковещательной видеотрансляции по сети одновременно миллионам пользователей, наряду с необходимостью предоставления видео по запросу (VoD) в растущем объеме.

Операторы решительно двигаются к предоставлению разнообразных видеоуслуг через IP-инфраструктуру, с тем чтобы максимально увеличить доход, получаемый с каждого пользователя и сохранить конкурентоспособность. IP-сети придают дополнительную гибкость и уменьшают расходы как для телекомпаний, так и для операторов, которые в большей степени смещаются в сторону предложения взаимосвязанных услуг triple-play (передачи видеосигнала, аудио и данных) через конвергированную инфраструктуру. Также в последнее время в различных формах развивается и трансляция видео по Интернету – от самых свежих телевизионных шоу, доступных для скачивания, до местных общественных интернет-сайтов, информационное содержание которых пополняется самими пользователями. Однако этот тип видео, который обычно относят к классу потокового IP-видео, необходимо отличать от видео на уровне индустрии развлечений, которое в основном выводится на экраны большого размера, с тем чтобы обеспечить требуемое качество восприятия для зрителя, причем обычно в режиме реального времени. Предоставление сервиса трансляции видео на уровне развлекательной индустрии по сети IP, часто именуемое IP-телевидение (IPTV), включающее в себя телевизионное вещание по сети IP и видео по запросу (VoD), ставит перед операторами новые трудные задачи. Операторы вынуждены масштабировать свои сети и системы предоставления услуг на администрирование миллионов абонентов, выдерживая периоды пикового спроса и обеспечивая превосходное качество восприятия для зрителей, при этом балансируя между расширением пропускной способности сети и эффективностью капитальных вложений. Данная статья фокусирует внимание на проблемах и решениях в сфере масштабируемых услуг по телевизионному вещанию в сетях IP (IPTV).

Широковещательная видеотрансляция по сети на уровне индустрии развлечений в случае как телевидения стандартной четкости (SDTV), так и телевидения высокой четкости (HDTV) сталкивается с проблемой ожидания со стороны потребителя высокого качества. По аналогии с гудком в телефонной трубке традиционной телефонной сети общего пользования зрители ожидают, что широковещательная видеотрансляция по сети в их телеприемниках будет «просто работать». Зрители не желают терпеть неудобства из-за ухудшения качества передачи или прерывания программ, и это означает, что поставщик услуг обязан обеспечивать качество услуги предоставления широковещательной видеотрансляции по сети, защищая ее от исчезновения сигнала или деградации изображения. Низкое качество передачи или частые прерывания видеосервиса, особенно телевизионного вещания, будут означать для оператора потерю клиентов.

Видеосигнал, передаваемый по сети IP, весьма чувствителен к потерям пакетов данных, так как чаще всего передается в сильно сжатом виде с использованием механизмов кодирования MPEG-2 и MPEG-4. По причине того, что эти видеокодеки не восстанавливаются при пакетных потерях на сетевом уровне, потеря даже единственного пакета IP-инкапсулированного видео может привести к заметному ухудшению качества видеоизображения.

Видеокодеки обычно получают поток в стандарте MPEG-2 или MPEG-4, который состоит из трех типов кадров: I, P и B.

  • Кадры типа I являются внутренними кадрами (intra frames) и содержат информацию для описания целого кадра в пределах видеопотока. Это дубликаты отдельных кадров, которые могут использоваться для воссоздания всей информации об изображении в пределах потока.

  • Тип Р – это предсказуемые кадры (predictive frames); они используют информацию предыдущих кадров типа I или P для воссоздания самих себя в качестве полного изображения.

  • Кадры типа В являются двунаправленными (bidirectional), для полной прорисовки они нуждаются в информации как из предыдущих, так и из последующих кадров последовательности.

Для создания группы изображений (GOP) кодировщик или декодер стандарта MPEG использует в потоке последовательность кадров типа I и следующих за ними кадров типа P или B. Группа изображений – это некоторое количество кадров в промежутке между следующими друг за другом кадрами типа I, как показано на рисунке 1. В телевизионном вещании стандартной четкости (SDTV) группа изображений варьируется от 12 кадров в сигнале стандарта PAL с частотой 25 кадров в секунду до 15 кадров в сигнале стандарта NTSC с частотой 30 кадров в секунду, и это означает, что кадр типа I отсылается примерно каждые полсекунды.

Рисунок 1. Группа изображений (GOP) в потоковом видео стандарта MPEG

Кодирование последовательности группы изображений в потоке MPEG позволяет значительно снизить требования к пропускной способности, достигая более управляемых диапазонов скорости передачи, характерных для сегодняшних сетей. Тем не менее, взаимозависимость кадров типа P и B от кадра типа I выдвигает требование обеспечения высокой надежности при передаче по сети. Утеря кадра типа I может привести к внедрению в передачу явно видимых ложных изображений (называемых артифактами), таких как пикселизация, укрупнение составных частей видеоизображения или даже потеря кадра, что ухудшает впечатление пользователя от видеопросмотра.

В настоящее время сети многих операторов поддерживают некоторые типы механизмов постоянной сетевой доступности, с тем чтобы обеспечивать защиту в случае неисправности узла или канала. Однако тесты показали, что потеря единственного пакета IP, содержащего кадр типа I в составе группы изображений одиночного программного транспортного потока (SPTS), может привести к значительному ухудшению впечатления от просмотра.

Рисунок 2. Влияние потерь пакета IP на результаты просмотра для потока MPEG

Как показано на рисунке 2, потеря единственного пакета может иметь следствием ухудшение просмотра в течение одной секунды, а при последовательной непрерывной потере до 1000 пакетов ухудшение просмотра может доходить до 4 секунд. Согласно отраслевым нормам, качество восприятия видеоизображения считается приемлемым, если в течение двух часов передачи случается не более одного видимого ухудшения изображения.

Соответствующим качеством обслуживания (QoS) сети для измерения данного параметра допускается уровень потерь пакетов приблизительно один пакет на миллион (10-6). Для операторов, предоставляющих услуги IPTV, максимальный уровень потерь пакетов 10-6 является базисным требованием на рынке.

Передача видеосигнала по сети имеет значительно более строгие, чем при оказании обычных услуг по передаче голоса по протоколу IP, требования к колебаниям задержки и потерям пакетов. Удовлетворение этого требования – достаточно нетривиальная задача, особенно, учитывая динамический характер интернет-трафика, который, в свою очередь, может содержать в себе потоковое IP-видео. Более того, инфраструктура сети сервис-провайдера должна продолжать поддерживать и существующие услуги по передаче голоса и корпоративного сервиса виртуальных частных сетей. Поэтому IP-сеть нового поколения должна предоставлять некие механизмы изоляции и разделения сервисов, сохраняя при этом общую базу в виде IP-протокола.

Для обеспечения качества сервиса при распространении видеопрограмм на требуемом уровне сеть сервис-провайдера должна быть надежной и масштабируемой. Поддержка видео должна осуществляться на уровнях магистрали, распределения и уровне сети доступа. Сети, архитектура которых предназначена для передачи видеопрограмм, обычно разбиваются на три функциональные области. Это центральный головной узел (SHE), станция видеоконцентраторов (VHO), станция видеокоммутации (VSO). Операторы кабельных сетей могут иметь аналогичную структуру, но использовать другую терминологию для данных функциональных областей сети.

  • Центральный головной узел (SHE). Центральный головной узел получает сигналы со спутника, по которым передаются записи программ или передачи в прямом эфире станций телерадиовещания. Кроме того, центральный головной узел может получать со спутника содержание для услуг видео по запросу, хранить записи VoD и включать вспомогательные системы, такие, например, как база данных подписчиков. В последних архитектурах видеопередачи определяются два центральных головных узла национального уровня для резервирования при влиянии солнечной активности, которые располагаются в ядре сети, один головной узел служит основным, а другой – резервным. Хотя большинство новых сетей видеопередачи построены по этой архитектуре, многие действующие провайдеры видеоуслуг имеют также спутниковые приемные станции в каждом регионе, что приводит к увеличению суммарных расходов на эксплуатацию. Используя IP-сеть нового поколения, провайдеры видеоуслуг имеют возможность объединить множество приемных станций и использовать в национальном масштабе только основную и резервную. Основная задача центрального головного узла – предоставление пакетов каналов, ресурсов видео по запросу (VoD) и нишевых программ регионам по IP-сети нового поколения.
  • Станция видеоконцентраторов (VHO). Станции видеоконцентраторов часто оборудованы кодировщиками программ местных станций телевещания и каналов, по которым транслируются общественные передачи, образовательные программы и официальные сообщения (PEG channels), серверами видео по запросу (VoD), а также маршрутизаторами для подключения к магистральной сети и сетям распределения. Как правило, сервис-провайдеры поддерживают некоторое количество региональных VHO, преимущественно в городских районах плотной застройки, которые обслуживают от 100 тысяч до 500 тысяч абонентов. Кроме того, станции видеоконцентраторов могут обеспечивать подключения для предоставления бизнес-сервисов, таких как виртуальные частные сети 2-го и 3-го уровней (VPN).
  • Центральная АТС и станция видеокоммутации (VSO) – содержат агрегирующие маршрутизаторы и DSLAM’ы, основная задача которых – агрегация пользовательского трафика.

Для создания группы изображений (GOP) кодировщик или декодер стандарта MPEG использует в потоке последовательность кадров типа I и следующих за ними кадров типа P или B. Группа изображений – это некоторое количество кадров в промежутке между следующими друг за другом кадрами типа I, как показано на рисунке 1. В телевизионном вещании стандартной четкости (SDTV) группа изображений варьируется от 12 кадров в сигнале стандарта PAL с частотой 25 кадров в секунду до 15 кадров в сигнале стандарта NTSC с частотой 30 кадров в секунду, и это означает, что кадр типа I отсылается примерно каждые полсекунды.

Традиционная теория IP-коммуникаций предусматривает два варианта отправки пакетов от источника – отправку в адрес одного получателя (одноадресная передача – unicast) или в адрес всех получателей (широковещательная передача – broadcast). Многоадресная IP-рассылка (multicast) обеспечивает также другой вариант рассылки, предусматривая отправку источником пакетов информации в адрес групп, которым дается определение «группа многоадресной рассылки». Механизм, известный под названием «передача по любому адресу» (anicast), применяемый для обеспечения дополнительной надежности, дает возможность повторного использования IP-адресов многочисленными устройствами. Данный механизм может использоваться совместно с многоадресной рассылкой, для того чтобы гарантировать, что при отказе источник потока многоадресной рассылки не будет являться единственным местом отказа. Такой сценарий достигается посредством использования двух источников пакетов многоадресной рассылки, сконфигурированных с одинаковыми IP-адресами источника (и адресами назначения), но расположенных в разных местах сети, позволяя сети определять один из них в качестве оптимального к использованию на данный момент времени.

Многоадресная IP-рассылка является проверенной технологией, специально разработанной для уменьшения сетевого трафика посредством предоставления одиночного видеопотока потенциально миллионам получателей одновременно. Заменяя выделенные потоки для каждого получателя на унифицированный поток для всех, многоадресная IP-рассылка снимает тяжелую нагрузку с промежуточных маршрутизаторов и уменьшает общий сетевой трафик. В сети именно маршрутизаторы отвечают за тиражирование и распространение многоадресного контента в адрес получателей, имеющих соответствующие права.

Обычно с целью обеспечения надежности операторы устанавливали в каждом узле сети по два маршрутизатора, связанных между собой каналами. Однако с ростом потребностей видеотрафика, учитывая неадекватные возможности по наращиванию емкости существующих маршрутизаторов, операторы вынуждены были добавить новые устройства и соответствующие каналы, что усложняет схему и приводит к дополнительным расходам.

Основное преимущество масштабируемой многостоечной системы состоит в том, что провайдеры могут избежать использования дорогостоящих высокоскоростных каналов и интерфейсов между многочисленными маршрутизаторами в точке присутствия оператора (POP), так как возможность такого соединения обеспечивается самой многостоечной фабрикой. В результате общая емкость системы и портов может быть освобождена для обеспечения пропускной способности клиентского трафика и приложений.

Реализация многоадресной рассылки в многостоечных и одностоечных системах маршрутизации различается по используемой архитектуре, которая влияет на общую производительность, масштабируемость сервиса и восприятие пользователя IPTV. Два основных варианта различаются по тому месту, где производится репликация трафика multicast: на линейной карте или в матрице коммутации.

Репликация на линейной карте

При репликации на линейной карте в случае поступления на маршрутизатор сообщения о Подключении (Join) (2) (запрос абонента на подписку на многоадресный поток или группу), как показано на рисунке 3а (слева), принимающая линейная карта делает запрос на линейную карту (обычно через центральный маршрутный процессор), на которую поступает входящий поток, и получает копию данных, как это и показано (3). В определенных схемах при репликации на линейных картах поступающие друг за другом сообщения на Подключении (Join) подают свой запрос на дополнительные копии данных на карту, подключившуюся к этому потоку последней, а не на ту, на которую поступает источник потока. Это происходит при наступлении определенного лимита на потоки репликации (2, 3, 4 и 5 в данном примере). При репликации на линейных картах для распределения трафика многоадресной рассылки получателям внутри системы маршрутизатора создается древовидная структура.

Такой подход к репликации имеет несколько существенных недостатков. Во-первых, из-за того, что репликация выполняется на входящих и исходящих линейных картах, один и тот же поток многоадресной рассылки пересекает матрицу коммутации множество раз. Чем больше подключившихся к потоку, тем более матрица маршрутизатора загружается одинаковыми копиями пакетов. Во-вторых, из-за того, что линейные карты заняты репликацией трафика multicast, производительность коммутации на картах ограничена, их загрузка может отрицательно сказаться на коммутации трафика unicast.

И наконец, когда на одну из линейных карт, участвующих в репликации, прибывает сообщение об Отключении/Prune (2) (запрос на отключение от потока многоадресной рассылки), например, когда от передачи программы IP-телевидения отключается последний зритель, этот узел (карта) удаляется из древовидной структуры многоадресной рассылки, запрещая все репликации от данной линейной карты к другим соседним по дереву узлам (4 и 5), как показано справа на рисунке 3б. Данное действие вызывает реконвергенцию древовидной структуры многоадресной рассылки, что приводит к серьезной деградации работающих сессий multicast IPTV на нижестоящих по дереву узлах, продолжающих прием передач IPTV и потенциально готовых к полному разрыву этих сессий.

Рисунок 3. Неоптимальная схема репликации на линейных картах для многоадресной рассылки

Значительные ограничения использования такой схемы репликации потоков multicast создают ограничения по масштабированию на уровне сети и на уровне услуг для операторов, желающих развернуть услуги IPTV в магистрали IP или MPLS-сети и нуждающихся в масштабировании до миллионов одновременно получающих услугу зрителей.

Репликация в матрице коммутации

Трехэтапная, интеллектуальная и маршрутизирующая топология матрицы коммутации Бенеша (для примера используется маршрутизатор Cisco CRS-1) использует репликацию пакетов многоадресной рассылки в матрице и на линейной скорости (рисунок 4). Такая реализация устраняет сложность и снимает чрезмерную нагрузку с элементов коммутации на линейных картах и используется во многих матричных системах маршрутизации.

Матричная топология также разделяет сервисы посредством использования отдельных наборов аппаратных приоритетных очередей для трафика multicast, unicast и управляющих сообщений. Использование выделенных очередей позволяет гарантировать ячейкам в матрице коммутации требуемые характеристики по задержке и колебаниям задержки, что особенно важно, когда сервисы по трансляции видеопрограмм и передаче голоса по IP-сети (VoIP) смешиваются c best-effort приложениями данных на мультигигабитных скоростях.

Топология Бенеша состоит из трех стадий, как показано на рисунке 4. Стадия 1 (S1) принимает ячейки с входящей карты и распределяет их по картам матрицы стадии 2 (S2). Стадия 2 выполняет многоадресную репликацию, используя идентификаторы матричных групп (FGID) и доставляя ячейки на соответствующую карту матрицы стадии 3 (S3) с использованием нескольких очередей приоритетности как для одноадресного, так и для многоадресного трафика. Используемая система буферизации ускоряет трафик при выходе стадии 2. Стадия 3, используя идентификаторы FGID, реплицирует ячейки на соответствующую выходную линейную карту, которая затем вновь собирает пакеты из ячеек и доставляет их на соответствующий интерфейс или сабинтерфейс.

Отключение/Prune или отказ любого из приемников не производит нежелательного общесистемного эффекта, в отличие от механизмов репликации на линейных картах, и не влияет на восприятие любого другого потребителя IPTV в системе. Кроме того, поскольку репликация выполняется матрицей коммутации, ее емкость эффективно используется для максимизации общего масштабирования системы и исключает повторные проходы потока multicast через матрицу.

Рисунок 4. Архитектура интеллектуальной матрицы коммутации Cisco CRS-1 с поддержкой репликации multicast в матрице коммутации

Сетевая надежность для широковещательной видеотрансляции

Потребительские ожидания в отношении качества широковещательной видеотрансляции растут, и операторам необходимо дифференцировать свои предложения по трансляции видео на основании параметров качества и общей надежности. Широковещательная видеотрансляция требует быстрейшего восстановления сервиса и гарантированной доставки, потому что аварийные отключения имеют потенциальное влияние на очень широкую аудиторию – миллионы пользователей. Удовлетворение этих ожиданий требует высокой степени надежности от всей сетевой инфраструктуры.

Для того чтобы успешно решать эти проблемы и обеспечить надежный транспорт видеопрограмм, операторы должны тщательно продумать архитектуру сети, которая обеспечивает сложившееся зрительское восприятие даже в случае сетевого отказа или нестабильной работы, достигая этого с помощью выхода за рамки обычных механизмов обеспечения надежности, существующих в отрасли. Операторы будут особенно нуждаться в архитектуре сети с разнесением маршрутов трафика, чтобы исключить наличие отдельной точки отказа и в целях предоставления надежной широковещательной видеотрансляции.

Разнесение маршрутов (путей)

Получение видеоизображения от двух источников (dual-live) подразумевает возможность для клиента получать идентичный контент с одного или двух источников по двум раздельным путям. При возникновении ошибки в видеопотоке у получателя есть возможность переключения с одного потока или источника на другой.

Есть вопросы?
Обращайтесь в "АйТиМаксима", чтобы узнать подробности и получить именно то, что вам требуется.

Чтобы связаться с нашими менеджерами, Вы можете:
сделать заказ, задать любой вопрос
позвонить по телефону (495) 234-3212 (многоканальный)