Infokommunikációs hálózatok IPTV rendszerek Orosz Péter BME TMIT 2016. május 17.
Digitális TV/rádió műsorszórás p DVB (Digital Video Broadcasting) rendszerek n DVB-T Terrestrial, azaz földfelszíni digitális sugárzás n DVB-C Cable, digitális kábeltelevízió n DVB-S Satellite, digitális műholdas műsorszórás Egyéb digitális TV szabványok: ATSC (Észak Amerika), ISDB (Dél Amerika), DTMB (Ázsia) p IP alapú műsorszórás p p IPTV (Internet Protocol Television) Internet TV VoD OTT IPTV Internet TV Video streaming 2
Videó adatforgalom alakulása 3
IPTV = Internet TV? p Tartalom kötöttsége n Élő adás specifikus sugárzási időpont n Igény szerinti tartalom (Video on Demand) tetszőleges időpont p Terjesztési modell n Menedzselt hálózaton, átviteli garanciák mellett n Publikus hálózaton, garanciák nélkül p Szolgáltatás kiterjedése n Országos, regionális, városi n Globális 4
IPTV!= Internet TV Élő adás IPTV Igény szerinti tartalom Menedzselt hálózat Internet TV Publikus internet Globális Országos, regionális 5
Internet TV Over-the-top (OTT) terjesztési modell Tartalomszolgáltató Publikus internet Felhasználó ISP A ISP B ISP N VoD szolgáltatók: Youtube, Netflix, TV.Go, stb. Valósidejű forgalmat best effort (BE) hálózaton kell továbbítani (nincs garancia az átvitel minőségére) Unicast kliens-szerver modell: nagy erőforrásigény (rossz skálázhatóság) megoldás: Content Delivery Network (CDN) 6
Valósidejűség best effort hálózaton Az IP protokoll best effort jellegű átvitelt valósít meg, mely során nem garantált, hogy p az üzenet minden darabja megérkezik a címzetthez, p sorrendhelyesen valósul meg az átvitel, p alacsony mértékű és alacsony ingadozású az átvitel késleltetése a teljes útvonalon (end-to-end). 7
Valósidejűség - kihívások p Az IP hálózatokban megjelent valósidejű szolgáltatások jelentős része korábban dedikált fizikai infrastruktúrán működött (pl. telefonhálózat, kábel tv hálózat, videókonferencia rendszer, stb.). p A dedikált hálózatok műszaki paraméterei a szolgáltatás jellegéhez igazodtak, magas rendelkezésre állást biztosítottak. p A kedvező kiépítési és üzemeltetési költségek, valamint a rugalmas konfigurálhatóság hatására a legtöbb interaktív szolgáltatás ma már növekvő arányban IP feletti szolgáltatásként érhető el. 8
Valósidejűség - megoldás Műszakilag fenntartható megoldásokat kell adni az új átviteli követelmények kielégítésére. p Az IP útválasztók eredendőek demokratikus (FIFO jellegű) csomagtovábbítási mechanizmusát új mechanizmusok váltották fel a különböző forgalomtípusok igényeinek dinamikus kiszolgálásához. p Végponttól végpontig kell garanciákat nyújtani p A szolgáltatás minőségének megfelelő szinten tartásához a hálózat forgalmát osztályozni kell és az erőforrásokat az osztályok között fel kell osztani: Quality of Service (QoS) 9
Az IPTV szolgáltatás elterjedése p Jellemzően távközlési szolgáltatók saját hálózatukban, saját előfizetőik számára nyújták p A hagyományos távbeszélő szolgáltatásokból egyre kevesebb bevétel származik, ezért új szolgáltatásokkal kell az ügyfeleket fogyasztásra ösztönözni p Ehhez a meglévő infrastruktúrán is működnie kell a szolgáltatásnak (Triple Play) 10
IPTV szolgáltatások p p p p p p p p p p p Élő TV és rádió adás továbbítása IP hálózaton Digital Rights Management (DRM) Electronic Program Guide (EPG) műsorújság Teletext Élő adás felvétele (kliens oldal) Kép a képben (PiP) Time shifting Egyidőben több felvétel + élő adás (az internet szolgáltatás sávszélessége korlát lehet) Programozott felvétel műsorújság alapján Video on Demand videótéka (TV műsorok, filmek, sorozatok, stb.) Alkalmazások futtatása (hírek, időjárás, árfolyamok, messaging, stb.) 11
IPTV Terjesztés menedzselt hálózaton ISP Tartalomszolgltató IPTV headend Szolgáltatói hálózat Multicast továbbítás Forrás: wikipedia.org Előfizető Set-top-box A rendszer elemei: TV headend VoD kiszolgáló Transzport hálózat Home gateway Set-top-box A szolgáltató saját hálózatában szolgáltatásminőségi (QoS) garanciákat biztosít a médiafolyam továbbításához Skálázhatóság: multicast továbbítási modell 12
Szolgáltatás minősége Médiaszolgáltatás médiafolyam IP hálózat médiafolyam IPTV VoIP Video on demand stb. forgalmi mérések Mérhető? minőség Érzeti? minőség Szolgáltatás vállalt minősége Forgalmi paraméterek A minőség szubjektív megítélése 13
IPTV headend vázlatos felépítése 14
IPTV médiafolyam Tulajdonságok Standard Definition High Definition Sávszélesség-igény 2-2,5 Mbit/s 8-10 Mbit/s Képfelbontás 720 x 576 px 1920 x 1080 px Videókódoló Hangkódoló H.264/MPEG-4 AVC AAC/AC3 Médiakonténer MPEG-2 TS (ISO/IEC 13818-1) Szállítási protokoll Továbbítási modell Real-time Transport Protocol (RTP) IP multicast 15
IPTV protokoll készlet p IPv4/IPv6 p IGMPv3/MLDv2/PIM p UDP p RTP/RTCP p MPEG-2 Transport Stream p PES Médiakódolás: p H.264/H.265 (videókódoló) p AAC (hangkódoló) 16
Multicast IP címek p Multicast üzenettovábbításra: 224.0.0.0/4 (D osztályú) címtartomány p Egy multicast cím csomópontok egy jól definiált csoportját azonosítja: multicast csoport p A csoporttagság dinamikus p IPTV rendszerekben egy multicast IP cím egy adott TV csatorna aktív nézőit azonosítja a hálózaton p A TV műsor médiafolyamát a hozzá rendelt D osztályú IP címmel rendelkező csoport tagjainak továbbítja a hálózat 17
IGMP - Internet Group Management Protocol p Multicast csoporttagságok menedzsmentje hálózaton belül p IGMP üzenetváltás: IP végpontok és a helyi útválasztó között p OSI besorolás: az IP protokollkészlet része, a hálózati réteghez tartozik p Szereplők: IGMP host IGMP querier Forrás: wikipedia.org 18
IGMPv2/v3 üzenettípusok p Membership Query - Csomópontok multicast csoportagságát kérdezi le a hálózathoz kapcsolódó útválasztó (IGMP querier). p Membership Report Tagság(-ok) jelentése a multicast útválasztó (IGMP querier) felé. A csomópont ugyanezzel az üzenettel tud feliratkozni egy multicast csoportba. p Leave Group csoport elhagyásának explicit jelzése p v2 változat: explicit csoportelhagyás (leave group) p v3 változat: forrás-specifikus multicast csoportok 19
IGMPv3 forrásszűrés p Megadhatunk a forráscsomópont címére vonatkozó megkötéseket (szűréseket): forrás-specifikus multicast n Include mode n Exclude mode Megelőzhetőek a jogosulatlan forrásból származó Denialof-Service támadások. 20
Multicast IP útválasztás p Protocol Independent Multicast (PIM) n PIM Sparse mode (SM) n PIM Dense mode (DM) n PIM Source-specific multicast (SSM) IPTV rendszerekben: SM és SSM Forrás: wikipedia.org, cisco.com 21
PIM SM és SSM Sparse mode: A multicast fát, melynek gyökere az ú.n. Rendezvous-point (RP) útválasztó, explicit IGMP kérések alapján építi fel a protokoll. A működési modell jó illeszkedik a WAN hálózati környezetben, fizikailag elszórt multicast vevők kiszolgálásához. Source-specific: A multicast fa gyökere egy előre definiált forrás csomópont. A multicast csoport megadása a forrás-/ csoportazonosító párossal történik: (S,G) 22
Real-time Transport Protocol (RTP) Dedikált transport protokoll valósidejű médiaátvitel támogatására: IETF RFC 3550 Alkalmazási területek: p VoIP p Videókonferencia p IPTV p Streaming audio és video 23
RTP szolgáltatások p Kezeli a hálózati csomagátrendeződést, p időzítést biztosít az üzenetdarabok megfelelő időben történő lejátszásához (jitter kompenzáció), p hang és képi tartalmak továbbítására egyaránt alkalmas. p IP multicast támogatása p Alkalmazás-szintű keretezésen alapul (Application-level Framing, ALF) 24
RTP fejléc Forrás: wikipedia.org 25
MPEG-2 Transport Stream Szabvános konténer formátum mozgókép, hang és program-, illetve szolgáltatás-információs üzenetek (műsorújság, teletext, feliratok, stb.) multiplexelt továbbítására. n Szabvány hivatalos elnevezése: ISO/IEC 13818-1 n Felhasználási terület: DVB, IPTV n Egy TS-ben több elemi médiafolyam n Több hangsáv egyidejű továbbítása n Szinkronizáció az elemi folyamok között (pl. hang, kép, felirat) n PID (packet identifier) minden elemi folyam egyedi azonosítóval rendelkezik 26
MPEG-2 Transport Stream Forrás: bytheway.wordpress.com 27
MPEG-2 információs táblák TV csatorna = Program p Program Association Table (PAT): A transport streamben továbbított csatornák (programok) azonosítóit tartalmazó tábla. p Program Map Table (PMT): Az egyes programokhoz tartozó elemi folyamok PID azonosítóit tartalmazó tábla. p Event Info Table (EIT): Az EPG alrendszer az EIT tábla információi alapján készíti el a műsorújságot. p Program Clock Reference (PCR): Az elemi folyamok szinkronizációjára használt referencia-óra. 28
H.264 p Veszteséges tömörítési eljárás p Konstans vagy változó bitráta p YCbCr színtér p Profilok és szintek p Képcsoportok (Group of Pictures) p Mb-Slice-frame kapcsolat p I-slice, P-slice és B-slice p Makroblokkok p FMO, ASO 2 9
H.264 építőkövek M B Slice Picture 3 0
H.264 kerettípusok p I-frame (intra coded frame) A képkocka előállításához nincs szükség további keretekre. A képcsoport kezdő kerete. p P-frame (predictive coded picture) Korábbi I vagy P keretet használ referenciaként, a változást mozgásvektorokkal írja le. p B-frame (bi-predictive coded picture) Korábbi és későbbi I vagy P kereteket is felhasznál referenciaként. 3 1
H.264 kódolású folyam makroszerkezete p Meghatározható, hogy adott IP csomag milyen típusú videó-keretet tartalmaz. p Egy H.264 kódolású adatfolyam Group Of Pictures (GOP) blokkokra osztható. p Minden GOP I-frame-mel kezdődik, melyet előre definiált sorrendben P és B-frame-ek követnek. p Új I-frame a következő GOP kezdetét jelzi. 3 2
GOP-szerkezet I B B P B B P B B P B B P Lejátszási sorrend I P B B P B B P B B P B B Dekódolási sorrend 3 3
Szolgáltatásminőség mérése p Az átvitt média érzeti minőségét befolyásoló IP-szintű elemi hálózati metrikák: n Késleltetés (delay, ms) n Késleltetés ingadozása (jitter, ms) n Csomagvesztés (packet loss, %) n Csomagsorrend átrendeződés (packet reordeing, %) n Átviteli teljesítmény (throughput, bps) p Az átvitt média érzeti minőségét befolyásoló összetett hálózati metrikák: n MDI (media delivery index) kettős metrika p késleltetési tényező (delay factor) p média veszteségi ráta (media loss rate) p Egyéb szolgáltatási minőséget befolyásoló metrikák: n Csatornaváltási idő (zap time) n EPG betöltési idő 34
Jitter és átrendeződés A médiakódolók meghatározott rátával, adott sorrendben küldik a médiacsomagokat, ezzel szemben a videó- és hangfolyamok IP csomagjai a hálózat működéséből adódóan nem fix késleltetéssel és nem feltétlenül garantált sorrendben jutnak el a forrástól a címzettig. Forrás: exfo.com 35
Kulcskeretet érintő csomagvesztés Két képcsoportot (GOP) tartalmazó videó minta A második GOP kulcs-keretének eldobása A második GOP-ban megjelenő mozgásvektorok nem releváns képi elemeket mozgatnak Forrás: The Internship (Regency Enterprises, Wild West Picture Show Productions, 21 Laps Entertainment) 3 6
De-jitter puffer p A pufferbe változó időközökkel érkező csomagok fix rátával kerülnek kiolvasásra onnan: késleltetlési ingadozás kiegyenlítése p Negatív hatása: megnöveli a késleltetést, melyet valós idejű alkalmazásoknál kívánatos alacsony szinten tartani. p Fontos tervezési szempont a pufferméret helyes megválasztása a hálózati jitter és az elvárt késleltetés ismeretében. p IPTV set-top-box jellemző puffermérete: 80-200 ms 37
Csatornaváltás (Zap Time) A váltás idejét meghatározó faktorok: p Csoportváltás (IGMP leave és join) p Multicast disztribúciós fa bővítése (PIM routing) p Végponti pufferelés (playout buffering) p Következő kulcs videókeret (I frame) bevárása 38
Köszönöm a figyelmet! 39