IPTV. Стандарты, принципы функционирования и протоколы.

Технология IPTV (англ. Internet Protocol Television) (IP-TV, IP-телевидение) — цифровое телевидение в сетях передачи данных по протоколу IP, новое поколение телевидения.

Архитектура комплекса IPTV, как правило, включает в себя следующие составляющие:

• Подсистема управления комплексом и услугами, которую ещё называют «Промежуточное программное обеспечение» или «IPTV Middleware»
• Подсистема приёма и обработки контента
• Подсистема защиты контента
• Подсистема видео серверов
• Подсистема мониторинга качества потоков и клиентского оборудования.

Доставка контента до клиентского оборудования осуществляется поверх IP-сети оператора.

Главным достоинством IPTV является интерактивность видеоуслуг и наличие широкого набора дополнительных сервисов (Video on Demand (VoD), TVoIP, Time Shifted TV, Network Personal Video Recorder, Electronic Program Guide, Near Video on Demand). Возможности протокола IP позволяют предоставлять не только видеоуслуги, но и гораздо более широкий пакет услуг, в том числе интерактивных и интегрированных.

Помимо основных IPTV может включать в базовый пакет услуг ряд дополнительных сервисов (Video Telephony, Voting, Information Portals, Web, Games, MOD KOD). Это возможно на основе унификации и стандартизации различных оконечных устройств, интеграции звука, видео и данных на основе IP-протокола и предоставления услуг на единой технологической платформе.

В IPTV есть возможность использовать для одного видеоряда двух и более каналов звукового сопровождения, например на русском и английском языках, сами каналы при этом полифонические.

Преимущество IPTV перед аналоговым кабельным ТВ:

• Изображение и звук обычно качественнее, вплоть до HD-разрешения и 5.1-канального аудио
• Интерактивность (возможность просмотреть, например, справку по фильму)
• Сервисные возможности timeshift и video-on-demand

IPTV функционирует в IP-сетях на основе следующих протоколов:

UDP — для передачи потокового видео

HTTP — для организации интерактивных сервисов (таких как пользовательские меню и пр.)

RTSP — для управления потоками вещания.

RTP — для передачи потокового видео.

IGMP — для управления мультикаст-потоками.

UDP

UDP (англ. User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм) — это транспортный протокол для передачи данных в сетях IP без установления соединения. Он является одним из самых простых протоколов транспортного уровня модели OSI. Его IP-идентификатор — 0x11.

В отличие от TCP, UDP не гарантирует доставку пакета, поэтому аббревиатуру иногда расшифровывают как Unreliable Datagram Protocol (протокол ненадёжных датаграмм). Это позволяет ему гораздо быстрее и эффективнее доставлять данные для приложений, которым требуется большая пропускная способность линий связи, либо требуется малое время доставки данных.

HTTP

HTTP (сокр. от англ. HyperText Transfer Protocol — «протокол передачи гипертекста») — протокол прикладного уровня передачи данных (изначально — в виде гипертекстовых документов). Основой HTTP является технология «клиент-сервер», то есть предполагается существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и посылают запрос, и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом.

HTTP используется также в качестве «транспорта» для других протоколов прикладного уровня, таких как SOAP, XML-RPC, WebDAV.

Основным объектом манипуляции в HTTP является ресурс, на который указывает URI (англ. Uniform Resource Identifier) в запросе клиента. Обычно такими ресурсами являются хранящиеся на сервере файлы, но ими могут быть логические объекты или что-то абстрактное. Особенностью протокола HTTP является возможность указать в запросе и ответе способ представления одного и того же ресурса по различным параметрам: формату, кодировке, языку и т. д. Именно благодаря возможности указания способа кодирования сообщения клиент и сервер могут обмениваться двоичными данными, хотя данный протокол является текстовым.

RTSP

Потоковый протокол реального времени (Real Time Streaming Protocol, RTSP), разработанный IETF в 1998 году и описанный в RFC 2326, является прикладным протоколом, предназначенным для использования в системах, работающих с мультимедиа данными, и позволяющим клиенту удалённо управлять потоком данных с сервера, предоставляя возможность выполнения команд, таких как «Старт», «Стоп», а также доступа по времени к файлам, расположенным на сервере.

RTSP не выполняет сжатие, а также не определяет метод инкапсуляции мультимедийных данных и транспортные протоколы. Передача потоковых данных сама по себе не является частью протокола RTSP. Большинство серверов RTSP используют для этого стандартный транспортный протокол реального времени, осуществляющий передачу аудио- и видеоданных.

RTP

Протокол RTP (англ. Real-time Transport Protocol) работает на транспортном уровне и используется при передаче трафика реального времени. Протокол был разработан Audio-Video Transport Working Group в IETF и впервые опубликован в 1996 году как RFC 1889, и заменён в RFC 3550 в 2003 году.

Протокол RTP переносит в своём заголовке данные, необходимые для восстановления голоса или видеоизображения в приёмном узле, а также данные о типе кодирования информации (JPEG, MPEG и т. п.). В заголовке данного протокола, в частности, передаются временная метка и номер пакета. Эти параметры позволяют при минимальных задержках определить порядок и момент декодирования каждого пакета, а также интерполировать потерянные пакеты.

RTP не имеет стандартного зарезервированного номера порта. Единственное ограничение состоит в том, что соединение проходит с использованием чётного номера, а следующий нечётный номер используется для связи по протоколу RTCP. Тот факт, что RTP использует динамически назначаемые адреса портов, создаёт ему трудности для прохождения межсетевых экранов, для обхода этой проблемы, как правило, используется STUN-сервер.

Установление и разрыв соединения не входит в список возможностей RTP, такие действия выполняются сигнальным протоколом (например, RTSP или SIP протоколом).

Спецификация RTP

STD 64. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications. H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson. July 2003.

STD 65. RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control. H. Schulzrinne, S. Casner. July 2003.

IGMP

IGMP (англ. Internet Group Management Protocol — протокол управления группами Интернета) — протокол управления групповой (multicast) передачей данных в сетях, основанных на протоколе IP. IGMP используется маршрутизаторами и IP-узлами для организации сетевых устройств в группы.

Этот протокол является частью спецификации групповой передачи пакетов в IP-сетях. IGMP расположен выше сетевого уровня, хотя, по сути, действует не как транспортный протокол. Он во многом аналогичен ICMP для односторонней передачи. IGMP может использоваться для поддержки потокового видео и онлайн-игр, для этих типов приложений он позволяет использовать сетевые ресурсы более эффективно. IGMP уязвим к некоторым атакам, и брандмауэры обычно позволяют пользователю отключить этот протокол, если в нем нет необходимости.

IGMP используется только в сетях IPv4, так как в IPv6 групповая передача пакетов реализована по-другому.

Стандарты

Согласно Request for Comments (RFC), документу сообщества Internet Engineering Task Force (IETF), существует три версии IGMP. IGMPv1 определен в RFC 1112, IGMPv2 — в RFC 2236 и IGMPv3 — в RFC 3376.

IPTV Middleware

Middleware — промежуточное программное обеспечение для управления комплексом IPTV. Это основной компонент IPTV решения, так как он, в конечном итоге, и определяет набор услуг, доступный абоненту, пользовательский интерфейс, логику переходов и алгоритм управления. На Middleware возлагается роль координатора в процессе взаимодействия практически всех компонентов комплекса.

Ядро подсистемы управляет внешними компонентами комплекса, поддерживает базу данных абонентов и предоставляемых им услуг, занимается аутентификацией и авторизацией абонентских устройств, взаимодействует с системой учёта услуг (система управления имуществом, в отеле — система приёма-поселения PMS).

Абонентский портал (другое название: Пользовательский интерфейс абонента, Subscriber User Interface, SUI) — лицо всего комплекса, интерфейс, который видит абонент на своём экране, и благодаря которому он пользуется услугами.

NetUP IPTV Combine – готовое решение для организации интерактивного телевидения. Программное обеспечение платформы построено на основе Debian GNU/Linux.

Состав предоставляемых сервисов:

DVB-IP стример (DVB-to-IP gateway);

VoD – сервер «видео по запросу»;

Middleware – интерфейс интерактивного доступа абонента;

Биллинговая система;

Аппаратный MPEG-2 кодер;

EPG – электронная программа передач;

DHCP, DNS сервера;

Сервер прошивки абонентских устройств;

IGMP querier, маршрутизатор широковещательных потоков;

Маршрутизатор IP-пакетов, передача данных;

IP-телефония.

IPTV Combine – это универсальное решение для вещания мультимедийного контента поверх IP сети (IPTV). Благодаря использованию передовых разработок, специалистам компании НетАП удалось совместить в одном конструктиве все сервисы, необходимые для организации IPTV. Сочетание всех сервисов в одном устройстве позволяет наиболее оперативно и с минимальными затратами предоставить услуги интерактивного телевидения в локальной сети. Это решение как нельзя лучше подходит для отелей, бизнес-центров и локальных домовых сетей за счет простоты интеграции в существующую инфраструктуру. При увеличении количества абонентов возможно каскадирование устройств.

Прием и вещание контента

NetUP IPTV Combine позволяет принимать спутниковый или эфирный сигнал непосредственно с антенн (в различных форматах – DVB-S, DVB-T, RF) или же посредством кабельных линий, из студии, от стримеров сторонних производителей (в формате ASI или AV). При обработке аналогового источника (эфир RF, AV), сигнал «на лету» кодируется в MPEG-2 аппаратными средствами. Полученные потоки мультиплексируются в формат MPEG-2 Transport Stream и экспортируются в локальную сеть в виде IP-мультикаста. IPTV Combine опционально комплектуется одним либо двумя интерфейсами для приема спутниковых каналов, поддерживается до двух плат оцифровки аналогового контента.

Видео по запросу (VoD)

Обеспечивается более 50 одновременных сессий просмотра контента с жесткого диска (при скорости потоков 4 Мбит/сек каждый). Суммарная скорость ограничена 200 Мбит/сек. Как правило, количество абонентов, одновременно пользующихся услугой «видео по запросу» в пиковой нагрузке составляет около 10% от общего числа. Поэтому IPTV Combine обеспечивает до 500 абонентов при стандартной компрессии видеотрафика. Жесткий диск объемом 750 ГБ (для мультимедийного контента и базы данных) позволяет сохранять более 300 полнометражных фильмов. Поддерживаемые форматы видео: MPEG‑2, H.264 (MPEG-4 AVC). Рекомендуемый битрейт 4096 Кбит/сек и выше, разрешение 720х576 и выше. Аудио: AC-3 либо MPEG Audio Layer 2, 48000 Hz, stereo, 128 Кбит/сек и выше.

Аппаратное исполнение

Для повышенной надежности операционная система и конфигурационные файлы размещаются на Flash-карте. Управление осуществляется через web- и java-интерфейсы администратора, SSH консоль, RS-232 консоль, LCD дисплей (первоначальная настройка и просмотр статистики).

Максимальная скорость передачи мультимедийных потоков в сеть превышает 250 Мбит/сек. В связи с этим подключение производится по порту Gigabit Ethernet с максимальной пропускной способностью 1000 Мбит/сек. Так же необходима поддержка IGMP Snooping Ethernet коммутатором для предотвращения перегрузки абонентских портов широковещательным трафиком (в полной мере таким требованиям соответствуют коммутаторы Cisco Catalyst 2950T-48).

Абоненсткая часть

Система Middleware – это важнейшая часть программно-аппаратного комплекса IPTV, так как именно с ее графическим интерфейсом приходится взаимодействовать абоненту услуг интерактивного телевидения. Помимо управления предоставляемыми сервисами, пользователь может просмотреть статистику по оказанным услугам, проверить баланс, активировать карту оплаты, сменить язык интерфейса. Тарификация и выставление счета абоненту обеспечивается работой Биллинговой системы.

Абонентские приставки и персональные компьютеры подключаются по порту FastEthernet с максимальной пропускной способностью 100 Мбит/сек. Такой скорости вполне достаточно для просмотра одного мультимедийного потока со средней скоростью порядка 4 Мбит/сек.