SZAKDOLGOZAT Tóth Szabolcs F43L90 Miskolc 2013
Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai kar Vezeték nélküli IPTV-s adatfolyamok javítására képes szoftver folytatása és validálása. Tervezésvezető: Dr. Kane Amadou Egyetemi docens Készítette: Tóth Szabolcs mérnök-informatikus hallgató Miskolc 2013
Tartalomjegyzék Bevezetés:... 4 1. A digitális televíziózás... 5 1.1. A digitális televíziózás története... 5 1.2. DVB Projekt... 6 1.3. Az IP-alapú műsorszórás ismertetése... 9 2. IPTV adatfolyamok bemutatása... 12 2.1. Forráskódolás... 12 2.2. Transport Stream... 16 2.3. Internet Protocol... 19 2.4. További fontosabb protocol-ok... 22 3. Vezeték nélküli átviteli módok ismertetése... 25 WiFi... 25 IEEE Szabványok... 25 Titkosítások... 27 4. Mérések... 29 Méréshez használt eszközök... 29 Mérési helyszínek... 32 Méréshez használt programok... 33 Mérési konfigurációk... 34 Mérési eredmények... 37 5. A vezeték nélküli IPTV-s adatfolyamok javítására képes szoftver folytatása... 39 5.1. Java nyelv rövid ismertetése... 39 5.2. Iframer program ismertetése... 40 5.3. A programon végzett fejlesztések... 42 6. Az elkészült szoftver validálása... 51 6.1. Különböző Framek javításának vizsgálata... 51 6.2. IFramer programmal mért eredmények... 52 Összefoglalás... 56 Summary... 57 Irodalomjegyzék... 58 3
Bevezetés: A digitális televíziózás rohamos fejlődése következtében ma már több szolgáltatónál lehetőségünk van IPTV alapú televíziózásra, ez részben a szélessávú hálózatok nagyfokú sebesség-növekedésének tudható be. Másik fontos dolog, hogy ma már a legtöbb háztartásban van internet hozzáférhetőség és wifi, amin keresztül akár vezeték nélkül is lehetőségünk van IPTV adás továbbítására. Szakdolgozatom témája egy vezeték nélküli IPTV-s adatfolyam javítására képes szoftver folytatása és annak validálása. Ez a vezeték nélküli hálózatok hibáiból és az IPTV által használt szállítási réteg hibáiból adódó minőségromlás kivédésére használható program. A streamben a képi információk újrakérésével a lejátszás minőségét növeli. Dolgozatom első felében bemutatom a program könnyebb megértéséhez szükséges elméleti háttereket, a digitális televíziózást, valamint az IPTV által nyújtott előnyöket. Ezután betekintést nyújtok az IPTV adatfolyamok felépítésébe, a használt protokollokba, az IPTV-nél használt tömörítő eljárásokba, a teljesség igénye nélkül. Dolgozatomban bemutatom továbbá a vezeték nélküli átviteli módokat. A wifi-t és további szabványait, valamint ezek titkosításait. Majd dolgozatom fő része, az IPTV-s mérések bemutatása és elemzése következik. Itt helyet kap a méréshez használt eszközök felsorolása, valamint a mérési helyszínek bemutatása. Ezután az eddig Porcs Milán Lajos által elkészített IFramer programot mutatom be, a program által használt java nyelv alapfogalmainak ismertetésével. Majd az általam végzett bővítések leírása jön. Dolgozatom végén pedig az elkészült szoftver validálását mutatom be, a iframer programmal végzett méréseket összehasonlítva a program nélküli mérésekkel, ugyanazon körülmények között. 4
1. A digitális televíziózás Mielőtt még rátérnék az IPTV ismertetésére, kezdjük azzal, hogy megismerkedünk a digitális televíziózás történetével, különböző szabványaival, és hogy mi is az a digitális műsorszórás. 1.1. A digitális televíziózás története A digitális televíziózás kezdete egészen 1968-ig visszanyúlik, amikor már Japánban elkezdték a HDTV-rendszer kifejlesztését segítő kutatásokat, amelyek egy olyan vizsgálatra épültek, amely megtalálta azt a képméretarányt, ami az emberi látáshoz a legjobban illeszkedik, ez a régi 35mm-es film aránya volt, a 16:9-es arány (1. ábra). Ezenkívül még megállapították, hogy az új HDTV-nek felbontásának nagyobbnak kell lennie, mint 1000 sor. Az első kísérletek a digitális műsorszórásra a 70-es évek közepére tehetőek, ahol a képek sorszáma 1125 volt. 1. ábra: SDTV és HDTV különbség A digitális Televíziózás Európában Európában az European Broadcasting Union avagy EBU indította el a Cine Vision nevű projekt-tét 1981-ben, melyben HDTV-t tanulmányozták. 1983-ban a CCIR-rel (Comite Consultatif Internatinal des Radiocommunications) megalakítják az IWP ideiglenes munkabizottságot (Interim Working Party). Céljuk egy világszabvány létrehozása. 1985-ben az IWP elfogadta a Nippon Hoso Kyokai azaz a Japán műsorszóró intézet javaslatát a 1125 soros, 60 Hz-es félkép frekvenciáról, azonban Európában az 50 Hz-es hálózat miatt ez nagy ellenállásba ütközött volna. 1985-ben az EC (European Comission) a tagállamokat az IWP javaslata ellen állította. Emiatt ketté is vált USA és Európa HDTV szabványválasztása (1990). A HDTV-s célok eléréséhez egy új projektet indítottak az Eureka95-öt, melynek két célja volt, az egyik a CCIR 1990es ülésén bemutatni a HDTV rendszert, a másik hogy a 5
HDTV képtovábbítás műholdon, a MAC (Multiplex Analogue Components) rendszerre épüljön, úgy hogy a hagyományos MAC vevő a HD-MAC vételét is tudja. Az Eureka 95 időtartama 86-90 közé tehető, amit 1989-ben még 2 évvel meghosszabbítottak, azonban ezután új HDTV rendszerek jelentek melyek jobb tulajdonsággal rendelkeztek a HD-MACnél, így az angol kormány megvonta az Eureka95-től a támogatást. 1990-ben a skandináv országok is dolgoztak ki saját HDTV javaslatot HD-DIVINE néven, majd Németországban is egyre több projektek indultak a televíziósás hova tartása végett. Németország összehívta a telekommunikációs és rádiókommunikációs műsorszórókat, szervezeteket, gyártókat, mert felismerte, hogy fontos lenne a digitális televíziósásnak egy közös európai megközelítése. Ebből alakult ki az European Launching Group, ELG avagy az Európai Elindító Csoport 1992-ben. Egy évvel később a telekommunikációs szervezet, a műsorszóró, gyártó és szabályozásért felelős hatóság az egyetértési nyilatkozat (MoU) aláírásával elindították az Európai DVB projektet. Eközben a piackutatás eredményeként rájöttek, hogy a vevők inkább a több csatornát preferálnák, mint a jobb HDTV minőséget. Részben emiatt a DVB projekt inkább a lehető legtöbb és legjobb digitális 16:9-es hagyományos SDTV minőségű adás biztosítását tűzte ki célul. Ezen kívül, a DVB projekt elfogadta az MPEG-2 alapú képés hangkódolást és a multiplexelési elveket. Az EC megadta azokat a direktívákat is, amelyeket Európában a televízió technika szabványosításánál be kell tartani. 1994-ben jelent meg a DVB műholdas (DVB-S) és kábeles (DVB-C) ajánlása, majd 1997-ben a földfelszíni (DVB-T) is, amelyekből mind szabvány lett. A digitális televíziózás Magyarországon 1999. július 9-én kezdték meg az első hazai kísérleti adást az Antenna Hungáriánál, hogy a Széchenyi-hegyi adóállomáshoz egy digitális műsorszórásra alkalmas adót telepítettek. A Szávai utcai adótoronyba is bekerült ez az adó, ami SFN (Single Frequency Network) módban sugárzott. Ez azt jelentette, hogy egy-egy műsorcsomagot azonos frekvencián érhettünk el a két adóállomás esetében, így gazdaságosabban használva a frekvenciakészletet. 2002 májusában már vidéken is telepítettek ilyen adót, a Kabhegyen, ami a Budapesti műsorokat sugározta néhány helyi adóval együtt. Az országos (DVB-T) földi digitális televíziós műsorszórás 2008. december 1-én indult, de ezelőtt már számos digitális műholdas és kábeltévés szolgáltató is elkezdte már hazánkban a digitális adások terjesztését. 1.2. DVB Projekt A DVB Projekt ajánlásainak köszönhetően végül az alábbi szabványok kerültek kialakításra: DVB-T: (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) digitális földfelszíni műsorszórás 6
DVB-H: (Digital Video Broadcasting Handheld devices) digitális műsorszórás mobilkészülékekre DVB-S: (Digital Video Broadcasting - Satellite) digitális műholdas műsorszórás DVB-C: (Digital Video Broadcasting - Cable) digitális kábelhálózaton keresztüli műsorszórás Mielőtt belemennék ezeknek a részletezésébe, nézzük meg hányféleképpen foghatunk televíziós adást Magyarországon. Ha megnézzük a 2. ábrát, láthatjuk, hogy analóg adást kétféleképpen foghatunk, egyszer földfelszíni antennával így csak pár regionális és országos adót foghatunk, vagy kábelen keresztül, amit különböző műsorszolgáltatók szolgáltatnak, jóval nagyobb csatornaválasztékkal. Digitális adás fogásához is fogásához is megvan a lehetőségünk, akár földfelszíni antennával, műholddal, vagy kábelen keresztül. Ám itt jön egy fontos dolog, hogy ezeknek a vételéhez egy úgynevezett SET-TOP BOX-ra van szükségünk. Ezenkívül lehetőségünk van még digitális adás vételére IP TV-s technológiával is. 2. ábra: Digitális adás vételi fajtái DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) A műholdak a földtől kb. 36000 km-re keringenek az egyenlítő síkjában egy geo stacionárius pályán, amelyek a digitális műsorszórást továbbítják. A keringési idejük 24 óra, ami a Föld keringési idejével azonos. Ezen az egy pályán akár több műholdat is el lehet helyezni megfelelő távolságra egymástól, más-más vízszintes irányszögek alatt. Ha a földről vizsgáljuk őket, megállapíthatjuk, hogy ezek látszólag egy helyen maradnak. Az Astra műhold például a 19,2 fokos keleti hosszúságnál található. 7
Mint már az előzőekben említettem a DVB-S átvitelt ajánlását 1994-ben fogadták el, amit az ETS 300421-es szabvány írt le. A DVB-S átviteli rendszer modulációjaként a kvadratúra fázisbillentyűzést fogadták el, rövidebb nevén (QPSK). Egy csatorna sávszélessége a műholdas műsorszórásnál általában 26 és 36 MHz közé tehető. A downlink frekvencia 11 és 13 GHz, míg a uplink frekvencia 14 és 19 GHz között van. A QPSK moduláció esetén a teljes adatátvitel sebessége 55 Mbps, mivel két bittel továbbítható egy szimbólum, így a szimbólumsebesség kétszerese lesz (27,5 MS/s). A műholdas átvitelnél a szakaszcsillapítás eléggé jelentős. A földi vevő antenna és a műhold közötti nagy távolság miatt körülbelül 205 db-re tehető. A műhold jele, míg elér a vevőkészülékhez jelentős zajjal terhelődik és nagy mértékben csillapítódik. DVB-C (Digital Video Broadcasting - Cable) A DVB-C szabványát is 1994-ben fogadták el, amit az ETS 300429 ír le. Itt is ugyanazon a jelfeldolgozási egységeken megy keresztül az MPEG-2 adatfolyam, mint a műholdas rendszereknél, de van egy kis különbség, mert itt elmarad a konvolúciós kódolás, mert a kábeles technikában a vételi minőségi jellemzők sokkal jobbak a műholdasnál. A DVB_C a QAM modulációt használja, melynek öt fajtája közül választhatunk. Ezek: 16, 32, 64, 128, 256 QAM. A koaxális vezetékeknél 64 QAM-et használnak, mert ez a legoptimálisabb a zajok, zavarok miatt. Az optikai kábeleknél viszont 256QAM-et, mert itt nagyon kicsi a zaj, zavar. Mára már megjelent a DVB-C2 szabvány is, ami már tartalmazza az MPEG-4 dekódert és HDTV kompatibilitást biztosít, de ez már az MPEG-2-nél is megvolt. DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) A DVB-T a digitális sugárzásnak köszönhetően jobb képminőséget, hangminőséget, megbízható zavarmentes vételt és nagyobb műsorválasztékot biztosít az analóg adásokhoz képest. Ez a digitális műsorszórás VHF-UHF sávban történik. A DVB-T szabványt 1995-ben fogadták el, aminek a jellemzőit az ETS 300744 írja le. Először Nagy- Britanniában kezdték el a sugárzást, de 2003 ra már több országban is elkezdték a használatát. Hazánkban, mint már említettem 1999. június 9-én kezdték el a kísérleti adásokat az Antenna Hungária RT-nek köszönhetően. Majd egyre több helyre telepítettek ilyen digitális műsorszórásra alkalmas adókat. 2002-ben Kab-hegy és Szentes-re. 2009-re a lefedettség elérte a 88%-ot, ami már nagyobb volt, mint az analóg adások 86%os lefedettsége. Ez újabb 8 adótornyot jelentett. Mára már 95% körül van a lefedettség. A kódolásnak hazánkban az MPEG-4-et választották. 8
1.3. Az IP-alapú műsorszórás ismertetése Az IPTV, ahogy neve is mutatja, internetes protokoll alapú televíziózást jelent. Ebben a részben az IPTV rendszerről, tulajdonságairól, jellemzőiről lesz szó. Az IPTV története Az IPTV-s közvetítések 1994-ben jelentek meg. Az amerikai ABC csatorna World News Now című műsora volt az első, ami - ebben az évben - a CU-SeeMe nevű videokonferencia-szoftverrel interneten keresztül is nyomon követhető volt. Az IPTV kifejezés a Precept Software által egy évvel később megjelent, de igazából 1998 volt az az év, amikor az első izmosabb előd megszületett: úgy döntött az AudioNet webes rádió, hogy megpróbál tévéadást is sugározni, és sikerrel járt. 1999 szeptemberében az angol Kingston Communications már komplett IPTV alapú tévészolgáltatással rukkolt elő. A Total Access Networks Inc. jóvoltából 2003-ban a világ 100 országában lehetett IPTV szolgáltatást igénybe venni, ugyanennyi, összesen 26 nyelven megszólaló adóval. Az AT&T 2006-ra már háromszor ennyi csatornát kínált. Ezt követően már nem érdemes számokkal dobálózni, mivel rengeteg olyan csatorna van, ami az IP protokoll alapú televíziózással elérhető. Kétfajta csomagot különböztetünk meg az IPTV-nél. Az egyiket, mint egy önálló szolgáltatásként is igénybe vehető csomagot, a másikat mint Triple-Play csomag által nyújtott szolgáltatást. 2006 júniusától az IPTV csatornák darabszáma meghaladta 1300-at. A televíziózás ezen ága rohamos gyorsasággal fejlődik, így a televíziós műsorszolgáltatók is egyre inkább arra törekednek, hogy adásaik az interneten is elérhetőek legyenek. Az IPTV szolgáltatás igénybe vételének a feltétele szélessávú internet hozzáférés, és az IPTV-n keresztül elérhető média megtekintésére alkalmas berendezés. Ilyen, például a számítógép, ipod, HDTV vagy akár egy 3G-alapú mobiltelefon is. Az első független IPTV szolgáltató ami a mariposahd névre hallgatott, 2005 decemberében kezdte meg működését, amely HDTV formátumban nyújtotta adásait. Az Egyesült Államokban számos internetes oldal hirdet ingyenesen elérhető csatornákat, melyek olyan népszerű filmeket adnak, mint például Eltűntek és a Született feleségek, amely azt jelzi, hogy az IPTV egyre inkább előtérbe kerül. Főbb jellemzői A csatornák digitális műsorszórás esetén multiplexelve vannak ezért szokás multiplexeknek nevezni őket. Több egymás után következő MPEG tömörített adásból áll egy multiplex, így egy adott frekvencián egyszerre több műsor továbbítására van lehetőség a digitális rendszereknél. Az ilyen típusú továbbítást broadcast-nak hívják. Broadcast továbbításnál a frekvencia spektrumot továbbítva az összes felhasználó megkapja az elérhető adásokat. A csatornaléptetés a vevőkészülék frekvenciák közti gyors áthangolásával valósítható meg. 9
A digitális sugárzással ellentétben az IPTV-nél nincsenek csatornák, mivel nem az egész spektrum kerül továbbításra, hanem csomagok formájában kerülnek elküldésre a különböző adók műsorai. Ennek az előnye, hogy szabályozni lehet melyik felhasználó melyik műsort kapja meg, amennyiben igényt tart rá. Az ilyen továbbítási módot unicast vagy multicast továbbításnak nevezzük. Unicastnál minden felhasználó dedikáltan kapja a kívánt tartalmat, a multicastnál pedig egy úgynevezett multicast group-on át jut el a tartalom a felhasználóhoz. Ez ezért előnyös, mert csökkenti a hálózat terheltségét a szolgáltató és a kliens között. Unicastot nem szívesen alkalmaznak a szolgáltatók, a terheltség elkerülése végett, de vannak bizonyos szolgáltatások, amiket csak unicastal lehet megvalósítani, ilyen például a VoD. Ennél a rendszernél nagyon a biztonság így egy adott tartalomhoz csak a jogosultak juthatnak hozzá. Az IPTV magába foglalja a digitális televíziózás összes előnyét, sőt ezen felül még többletszolgáltatásokat is biztosít a felhasználók számára, de ezeknek a szolgáltatásoknak a feltétele a kétirányú kommunikáció, ami az IPTV-nél adott, mivel kizárólag IP hálózaton továbbítható. Ebből a szempontból előnyt élvez az IPTV, mert a DVB rendszereknél a kétirányú kommunikáció megvalósítása nehézkes, kivéve a DVB-C-t ha a kábelrendszer engedi a visszirányt is. Számos kiegészítő szolgáltatást vehetünk igénybe a kétirányú kommunikáció segítségével. Például a képernyőn keresztül internetezhetünk és az összes ezzel járó előnyöket élvezhetjük, köszönhetően a set-top-box-ba beépített szoftvereknek. Telefonálhatunk, igénybe vehetünk különböző üzenetküldő szolgáltatásokat, webkamera megléte esetén akár videó hívásokat is lebonyolíthatunk. Vezeték nélküli egér és billentyűzet használatával még kényelmesebbé tehetjük ezen szolgáltatások használatát. A továbbiakban nézzünk meg néhány fontosabb fogalmat és szolgáltatást, amit jó ha ismerünk. Ilyenek például a Triple-Play, a VoD (Video on Demand) és a Pip (Picture in Picture). Triple-Play A Triple-Play az internet, a TV, és a telefon együttes szolgáltatására használat fogalom. A lényege, hogy a három legelterjedtebb távközlési alapszolgáltatást, azaz a tévét, az internetet és a telefont az ügyfél ugyanazon szolgáltatótól veszi igénybe. Az ilyen szolgáltatásokért általában valamilyen kedvezményt kap az ügyfél, mintha azokat külön igényelnék, ezzel ösztönözve, hogy minél több ügyfél rendelje meg. A Triple Play fogalma a technológiai fejlődés eredményeként napjainkra már a mobilszolgáltatásokra is kiterjed. A 3G/4G/HSDPA - hálózatok lehetővé teszik a gyors mobilinternet, mobiltévé használatát, így elérhetővé téve a Triple-Play-t vezeték nélküli szolgáltatók esetében is. Amennyiben a Triple-Play mobil technológiát is alkalmaz, Double-Triple-Play-nek vagy Quadruple- Playnek nevezzük. 10
VoD Video on Demand A VoD mint ahogy a neve is mutatja, olyan szolgáltatás, ahol igény szerinti videó és hanganyagokat, filmeket, archivált eseményeket, tudunk egy központi adatbankból letölteni, a nap bármelyik időpontjában. A letöltés dedikált útvonalon IP streaming-el történik. A szolgáltatók rengeteg videót, műsort és mindenféle anyagot rendelkezésre bocsájtanak, de ezekért külön fizetni kell a szolgáltatónak. A VoD tartalma titkosított formában kerül elküldésre. Egy műsor megtekintéséhez nem szükséges megvárnunk, míg az ténylegesen letöltődik, hanem már a letöltés megkezdésekor is nézhetjük. Lehetőségünk van a film megállítására, előre-, hátra tekerésére, a Real Time Streaming Protocol használatának köszönhetően. A VoD-ban az MPEG-2, MPEG-4 kódolási formát használják legtöbbször. Pip - Picture in Picture A kép a képben egy újabb funkció, amit az IPTV nyújt a nézők számára. Lényege hogy több csatorna adását egy időben, mátrixszerű elrendezésben lehetőségünk van áttekinteni. Ehhez csak az kell, hogy több multicast grouphoz csatlakozzunk a set-top boxal és az már szoftveresen előállítja nekünk ezt a funkciót. A gazdaságosság érdekében a PiP funkciókhoz külön szervereket biztosítanak, amik a lebutított adást továbbítják, csökkentett felbontással, kisebb sávszélességgel. 11
2. IPTV adatfolyamok bemutatása 2.1. Forráskódolás AZ IPTV adatfolyamánál az MPEG szabványait használják tömörítésre. A Moving Picture Coding Experts Group-ot, azaz a mozgókép tömörítéssel foglalkozó szakértői csoportot 1988. januárjában alapították. Az ISO/IEC keretében működik. Céljuk egy általános szabvány megalkotása volt a videó anyagok, hanganyagok és audió-vizuális anyagok számára. MPEG-1 Az MPEG-1 szabvány szerinti tömörítés alapja a JPEG eljárás. A képkockán belüli kódolásra sok algoritmust a JPEG tömörítésből vesz át. Ilyen algoritmusok például a kvantálás, a delta koszinusz transzformáció. Az MPEG-1 ezen felül az egymást követő képkockák képi redundanciáját is csökkenti. Mozgáskompenzációs eljárások segítségével igen jelentős tömörítési arányt lehet kihozni belőle. A JPEG-en alapuló algoritmusok a mozgáskompenzációs eljárások után kerülnek végrehajtására. Különbség még a JPEG és az MPEG között, hogy az MPEG hangadatot is tömörít. Sávszélessége kb. 1,5 Mbps-ra tehető, mely egy PAL jelet 25 kép/sec képfrissítésnél, alacsony (352 288) felbontással továbbít. GOP Group of Pictures Az MPEG-1 szabvány három különböző tömörített képfajtát határoz meg. Ezek az I, P, és B képkeretek. Szokás I-, P-, és B-Frame-eknek is nevezni őket. Két I-kép által határolt képek összességét képcsoportnak (Group of Pictures, GOP) nevezik. Ennek hosszúsága különböző lehet. Egy GOP felépítését a 3. ábrán láthatjuk. A továbbiakban a különböző képkereteket mutatom be. I-Frame: (Intra-frame coded), mint ahogy a neve is mutatja az i-frame-ek belső kódolásúak, azaz csak a képen belüli információkat használja a tömörítés során a feldolgozásra. Az I-frame-k periodikus használata nélkül nem lenne lehetséges a videó anyag egyes részeihez való hozzáférés. Az átviteli hibák halmozódását is ezek a framek hivatottak megelőzni. Az egyes képkockákon belül JPEG tömörítést alkalmaznak. Ennél a típusú képkeretnél a legkisebb a tömörítési arány. P-Frame: (Predicted pictures) p-frame előállítása mozgáskompenzációval kombinált előrelátható predikcióval történik, úgy hogy az információt az előtte lévő I vagy P frameből nyeri ki. Tehát a megelőző I, vagy P-kép képrészleteinek elmozdulását, illetve a képtartalmak közötti különbségeket rögzíti. Azt használja ki, hogy az objektumok alakja a mozgás során nem változik, így két egymást követő képkockán sem. Csak az eltérő alakok információit és színinformációkat tartalmazzák. Továbbá mozgásvektorokkal helyettesítik az objektumok elmozdulását. P-frame-ekkel már jóval nagyobb tömörítési arány érhető el, de nem alkalmasak vágási referenciaként való használatra. Ennek magyarázata, hogy P- 12
frame származhat előző P-frame-ből is, ami hibát is tartalmazhat, így hibák halmozódásához vezethet. B-Frame: (Bidirectional pictures) kódolásánál a P-frame-ekkel ellentétben nem csak a megelőző, hanem a következő I és P-framek adatait is felhasználja referenciaként. Ez csak kódolási sorrend megváltoztatásával lehetséges. A legnagyobb arányú tömörítést ezzel a képkerettel lehet elérni, de a feldolgozása jóval időigényesebb. Nem használhatók referenciaként a jósláshoz és természetesen a vágáshoz sem. Egy GOP kezdődhet B- frame-el, de nem érhet véget azzal. 3. ábra: GOP felépítése MPEG-2 Az MPEG-2 az MPEG-1 továbbfejlesztett változata. A DVB Projekt a digitális műsorszórás forráskódolásának az MPEG-2-őt választotta. Az MPEG-2 kódolás esetén a képsebesség 2-6 Mbps, a hangsáv pár száz kbps közé tehető. DVD lemez esetén a teljes adatsebesség 9 Mbps körül mozog, de digitális műsorszórásnál ez az érték valamivel alacsonyabb. A szabványos 8MHz méretű csatornán lehetőség van több tv adás-t is továbbítani. DVB-S esetén 38 Mbps körüli adatsebességet is el lehet érni és ugyanezt az adatsebességet egy 8 MHz-es DVB-C csatornán is elérhetjük a 64QAM moduláció segítségével. Az MPEG-2 tartalmaz még úgynevezett információs táblákat, ami az adatfolyam tartalmáról hordoz információkat. Mivel egy bizonyos vételi szint alatt a digitális adás feldolgozhatatlanná válik, bevezették az MPEG-2-nél a skálázhatóságot. Ez azt jelenti, hogy különböző minőségű adásokat vihetünk át. Például van egy alap csatornánk rosszabb képminőséggel és van egy erre ráépülő kiterjesztett csatornánk jobb képminőséggel. Így rosszabb vételi körülmények között nem az egész adás válik nézhetetlenné, hanem csak a minősége romlik le. HDTV esetén például van egy alap SDTV minőségű csatornánk, amire ráépül egy kiegészítő csatorna, ami HDTV felbontásra javítja fel a képet. Az MPEG-2-nél definiáltak különböző profilokat (4.ábra) és szinteket (5.ábra) is, mivel több különböző beállítása is lehetséges. MPEG-2 profilok 13
SP egyszerű profil, I,P, 4:2:0, nem skálázható MP fő profil, I,P,B,4:2:0, nem skálázható MVP több kameraállás, I,P,B, 4:2:0 422P 4:2:2 profil, I,P,B, 4:2:0/4:2:2, nem skálázható SNR P jel-zaj viszony skálázhatóság, I,P,B, 4:2:0 HP nagyfelbontású profil, I,P,B, 4:2:0/4:2:2, térbeli v. SNR skálázhatóság SSP térbeli skálázhatóság, I,P,B, 4:2:0, SNR skálázhatóság 4. ábra: MPEG-2 profilok MPEG-2 szintek szintek maximális felbontás képpont maximális bitráta (MBps) képfrekvencia (Hz) LL ML 352 288 720 576 4 15 23,976 24 25 29,97 30 H14 1440 1152 60 23,976 24 25 29,97 30 HL 1920 1152 80 50 59,94 60 5. ábra: MPEG-2 szintek Az egyszerű profil (SP) nem használ B frameket, így nincsen kétirányú előrejelzés (Bidirectional prediction). Olyan esetekben használják ahol fontos az alacsony késleltetés, például videokonferenciák esetében ahol a késleltetés nem haladhatja meg a 100 ms-t. A Fő Profil és Fő Szint (MP és ML) együttes alkalmazása a leggyakoribb. Ilyen beállítás mellett 2-15 Mbit/s átviteli sebességű, nem skálázható, SD felbontású (720*576), 4:2:0 szín mintavételezésű, I, P és B képeket használó adatfolyamot továbbítható. A fő profilnál a késleltetés 120 ms-re tehető. Ez a profil lefelé kompatibilis az MPEG-1-el. 14
A HP profil a nagyfelbontású adások továbbítására, a 4:2:2-es profil pedig a 4:2:2-es rendszereknél alkalmazott videóknál használható. Az SNR profil a zajos átviteli közegeknél előnyös a jó jel/zaj viszonya miatt. Az MPEG-2 négyféle kódolási szintet határoz meg képfelbontás, bitráta, képfrekvencia, és puffer méret szerint. Adatátviteli sebessége rugalmasan skálázható. Egy fontos újítást vezettek be az MPEG-2nél, mégpedig, hogy a MPEG-1-nél használt 1:1 arányú pixelekből álló kép helyett az MPEG-2-nél már változtatható a képpont oldalarány(pixel aspect ratio), így téglalap alakú pixelekből is felépülhet egy videó. A fejlécben határozható meg a kép oldalaránya (Aspect ratio) melynek értékei lehetnek: hagyományos (4:3) és szélesvásznú (16:9, 2,21:1). MPEG-2 - Group of Pictures: Az MPEG-2 kódolásnál a GOP-ok, azaz képcsoportok, különböző szekvenciákkal fordulhatnak elő. Az egy GOP-ban előforduló I, P, és B Framek számát a kódoló határozza meg. Az I,P,B képkerete száma nagyban befolyásolja az átviteli sebességet és a videó képminőségét is. Két számmal írható le egy GOP struktúra az N és az M számmal. Két I Frame közötti távolságot jelöli az N szám. Egy GOP tovább bontható úgynevezett SubGOP-okra, ezekben az is és P közötti intervallumot jelölik az M számmal. Általában egy MPEG-2-es videó két I Framet tartalmaz egy másodperc alatt. NTSC rendszerekben gyakori az N=15, PAL rendszerekben pedig az N=12 beállítás. MPEG-4 Az MPEG-2 után az MPEG-3 bevezetése jött volna, amit a HDTV-re rájöttek, hogy ez az MPEG-2-vel is megvalósítható. szántak, de Az MPEG-4 objektum orientált felépítésű lett, hasonló a c++ nyelvre és interaktív elemeket tartalmaz. Kétszer hatékonyabb lett az elődjénél. Például egy MPEG-2 SD csatornájának 4-5 Mbps sebességéhez képest, az igényelt adatsebessége 1,5-2,5 Mbps-ra csökkent. Vagy egy HDTV csatorna esetén a 12 Mbps, helyett is csak körülbelül 6 Mbps adatsebességet igényel Alacsony bitsebességre lett tervezve, mobil hálózatokra, de ezt a nagyfokú tömörítését másra is használják. A DVB-T rendszereknél és a Blu-Ray lemezeknél is ezt a kódolást használják. Nagy újítást jelentett az MPEG-4 Advanced Video Coding (AVC) / H.264 szabvány megjelenése. Az ISO és ITU közösen létrehozott szabánya. Jelentős előrelépést értek el gyorsaság és hatékonyság szempontjából is. Amiben előrelépést hozott: Egész értékű transzformáció (deblocking filter) blokkosodás elleni szűrű Hatékonyabb intra kódolás 15
Hálózati környezetre való adaptálhatóság makroblokk méret 16x16-tól egészen 4x4-es blokkméretig egynegyed képpont pontosságú mozgásbecslés Több referenciakép használata Súlyozott kétirányú predikció Nagyfokú tömörítésének köszönhetően a bitsebesség akár a fele is lehet más szabványokhoz képest, ám a hátulütője hogy ezzel a kódolás és dekódolás erőforrás igenye a kétszeresére nő. 2.2. Transport Stream Az MPEG 2 rendszernek az adatátvitelre használt specifikációját Transport Stream-nek hívják. Egy TS egy vagy több egymástól független csatorna adatait is hordozhatja. De nézzük át előbb azt az elemi adatfolyamot ami a TS-eket is tartalmazza(pes). PES - Packetized Elementary Stream A PES tulajdonképpen az MPEG kódolás után létrejövő adatoknak a csomagolt változata. A kódolt adatfolyamot Elementary Stream-nek (ES) nevezzük. Egy PES csomag hossza változó hosszúságú lehet. Az audio-video, a teletext és a PCR adatok összessége adja a PES-t. 6. ábra: PES felépítése Egy PES csomag fejléce 4 részből áll, mint a 6. ábrán is láthatjuk. Az első egy 3 bájtnyi start code, a második az adatfolyam azonosítója. A harmadik a PES csomag hossza, aminek ha mindkét bájtja a 0 értéket veszi fel akkor a csomag hossza meghaladja a 64 kilobájtot. A fejléc negyedik része a z opcionális fejléc, amely a DTS-t és a PTS-t tartalmazza. A DTS (Decoding Time Stamp) a képek eredeti sorrendjének visszaállításánál a PTS (Presentation Time Stamp) pedig a hang és kép szinkronba hozásánál játszik fontos szerepet. TS - Transport Stream 16
A Transport Stream, röviden TS, állandó csomagmérettel rendelkezik. A 188 bájtos struktúra első bájtja a szinkronizálásra szolgáló szinkron bájt. Egy keret 8 TS.ből áll melyben az utolsó TS szinkron bájtja negáltan szerepel. A hibajavítás végett egy 16 bájtos reed-solomon kódot is kap egy TS csomag. A továbbiakban ismertetem egy TS csomag tartalmát (7. ábra). 7. ábra: TS csomag felépítése Sync: (Szinkron bájt) Minden egyes TS szinkronbájttal kezdődik melynek mérete 8bit és a hexadecimális 47 értéket veszi fel. A szinkronizáció 5 csomag vétele után jön létre és 3 csomag elvesztése után szakad meg. Mivel előfordulhat, hogy ez az érték az adatok között is előfordulhat, ezért a helyességének megfigyelésére a két szinkron bájt közötti távolságot is nézi a vevő, hogy meg van-e a 188 bájt. Transport Priority: Priorítás jelző bit. A csomagoknak lehet ugyanaz a csomagazonosítójuk, de ilyenkor az egyik csomagnál a prioritás jelző bit értéke 1 kell hogy legyen, ezzel jelezve hogy fontosabb a másik csomagnál. Payload Start: Ennek a bitnek a segítségével tudhatjuk meg, hogy egy kapott csomag hasznos adatainak ez eleje egy PES fejléc vagy egy tábla fejlé-e. Ha a kettő közül valamelyik akkor a bit értéke 1-es. Error indicator: Az átviteli hibák jelzésére szolgáló bit. Mint az említettem egy csomag egy 16 bájtos reed-solomon kódolást is kap, aminek köszönhetően 8 bájtnyi hiba javítására képes. De ha ennél több hiba lépne fel, akkor ennek a bitnek az értékét 1-re állítják ezzel jellezve, hogy a csomag felhasználhatatlan. Packet Identifier (stream ID): Ebbe a 13 bites részbe kerül a csomagazonosító, röviden PID. Scrambling Control: Két bit hosszúságú rész, mely azt jelzi, hogy a hasznos adatrészben lévő adatok titkosítottak-e vagy sem. Ha mindkét bit értéke 0, akkor nem titkosított, ha valamelyik bit 1-es akkor titkosított. 17
Adaptation Field: (Adaptációs mező) Értéke 1, ha van adaptációs mező, és 0, ha nincs. Continuity Check Index: A fejléc utolsó 4 bitje a folyamatosság számláló, mely 0 és 15 között vehet fel értékeket. Értéke egy csomag megérkezésénél egyel nő. A számlálás folyamatosságának figyelésével az esetleges hibák kiszűrhetőek. Optional Adaptation Field: (Opcionális adaptációs mező) Fontos szerepet játszik, mivel itt találhatóak azok az információk amik segítenek az adó és a vevő összehangolásában. Itt található a PCR. A PCR (Program Clock Reference) felelős az adó oszcillátorának és a vevő oszcillátorának szinkronizálásáért, mivel a helyes vételhez elengedhetetlen, hogy az adó és a vevő órajele azonos legyen. Ezt egy 33+9 bites számmal valósítják meg. A szinkronizációhoz a rendszer órajelet használják (27MHz). További fontosabb táblák A táblák osztályozását két részre oszthatjuk. Az egyik a PSI, program specifikus információk, melyekben az adatfolyam szerkezetéről, a programok, elemi adatfolyamok számáról kaphatunk információkat. Fontosabb táblák a PSI-ben, melyeket az alábbiakban részletesebben tárgyalok: PAT, PMT, CAT, NIT. Ezek a táblák mind a TS hasznos adatrészében kerülnek elküldésre és az MPEG-2 szabvány jelzési táblázatai. A táblák osztályozásánál a másik rész a DVB szabvány által hozzárakott jelzési táblázatok, az SI, szolgáltatási információk. Ilyenek például az BAT, SDT, TDT, RST, EIT. A sok rendszer információk és jelzési táblák miatt hogy rendet teremtsenek, külön szabványt hoztak létre DVB-SI. Itt meghatározták minden egyes táblának milyen értékű PID csomagban a helye. Erre a célra a 0-től 31-ig terjedő PID-eket foglalták le. A 8. ábra ezek a PID-eket és funkcióikat írja le. PID 0 Funkció Program Association Table (PAT) 1 Conditional Access Table (CAT) 2 Time & Date Table (TDST) 3-15 fenntartva 16 17 Network Information Table (NIT) Service Description Table (SDT), Bouquet Association Table (BAT) 18 Event Information Table (EIT) 19 Running Status Table (RST) 20 Time & Date Table (TDT), Time Offset Table (TOT) 21 Network szinkronizáció 18
22-29 fenntartva 30 Discontiunity Info Table (DIT) 31 Selection Info Table (SIT) 8. ábra: Lefoglalt PID-ek és funkcióik PSI Program Specific Information PAT (Program Association Table): A PAT táblák az egyes például tévé- vagy rádióműsorok adatait leíró PMT-k PID-jeit tartalmazzák. Így ezekből megkaphatjuk adott streambe a műsorok számát is. Ezeket a táblákat meghatározott időközönként be kell illeszteni a TS-be. Ennek PID-je mindig 0 értékű. PMT (Program Map Table): Ez a tábla tartalmazza az egy csatornához tartozó PIDeket. Ilyenek például, a hangnak, a képnek, a teletextnek a PID-jei. Sőt a PCR PID-je is megtalálható itt. Tartalmaz egy mutatót is, ami az adott csatorna STD-jére mutat rá. CAT (Conditional Access Table): Ha az adásunk kódolt, akkor ennek a dekódolásához a CAT tábla nyújt nekünk információkat. NIT (Network Information Table): Ebben a táblában találhatók egy adott programcsomaghoz tartozó hálózatnak a különböző adatai. Ilyenek az átviteli csatorna adatai, a használt frekvencia sávok, amiket a Network Search engedélyezése után ennek a táblának a segítségével talál meg a vevőkészülék. Vagy például a csatornánál használt moduláció. Ez a tábla is tartalmaz egy azonosítót, a NID-et, amellyel egy adott szolgáltatóhoz tartozik. SI - Service Information BAT (Bouquet Association Table): Ebben a táblában kerülnek kategorizálásra az egyes csatornák, témájuk alapján, például zene, sport vagy film. SDT (Service Description Table): Minden adatfolyamhoz, legyen az tévé, rádió, tartozik egy leíró tábla. Ebben található információk a szolgáltatás típusáról, az üzemeltető és a műsor nevéről. TDT (Time and Date Table): Ennek a táblának az alapján jelenítik meg a csatoknák a pontos időt (GMT), bár némelyik csatornánál ez is eltér a valóságtól. EIT (Event Information Table): Ez a tábla tartalmazza az egyes csatornák különböző műsorainak a nevét, azoknak kezdési és végzési időpontját, időtartamukat. Ebből a táblából nyeri ki az adatokat az EPG és állítja elő az elektronikus műsorújságot. 2.3. Internet Protocol Az internet világméretű hálózatának fő szabványa az IP, internet protokoll nevet kapta. Ezen protokoll segítségével kommunikálnak az internet-re kapcsolt csomópontok (számítógépek, hub-ok, routerek,). 19
Főbb jellemzői Az Internet Protokoll az OSI modell szerint a hálózati réteghez tartozik. Csomagkapcsolt hálózati forma, ami azt jelenti, hogy nem épít fel kapcsolatot a forrás és a cél között. Minden egyes hálózatra csatlakoztatott eszköz rendelkezik egy 32 bites azonosítóval, IP-címmel. Az IP-cím két részből tevődik össze, az egyik a hálózatot, a másik pedig a hoszt-ot, a hálózatra csatlakoztatott eszközt azonosítja. Ezeknek a különböző méretű felosztásával 4 osztályt alkottak meg plusz egyet későbbi használatra. Ezeknek a felépítése a 9. ábrán jól látható. 9. ábra: IP cím osztályok Tehát ha valamelyik eszköz kommunikálni szeretne az interneten egy másik eszközzel, akkor egy IP datagramot küld a címzettnek, melyben megtalálható a saját és a címzett gép IP címe. Lehetőségünk van nem csak egy címzettnek, hanem akár többnek is egyszerre üzenetet küldeni. Ez alapján 3 fajta küldési módot különböztetünk meg: az unicast, broadcast, és multicast címzést. Az unicastnál csak 1 címzettnek, a broadcastnál mindenkinek és a multicastnál korlátozottabban bizonyos csoportnak megy a küldés. IP Datagram felépítése Minden egyes IP datagram rendelkezik egy fejléccel, ami nagyon fontos információkat tárol a küldendő csomagról(10. ábra). Az alábbiakban ennek a felépítését fogom részletezni. 10. ábra: IP fejléc felépítése. 20
Verzió: a datagram protokoll verzióját adja meg, ami lehet IPv4-es vagy IPv6-os is. Jelenleg e két verzió között zajlik az átmenet. IHL: a fejrész hossza változó méretű lehet, ezért ennek a megadására szolgál az IHL. Legkisebb értéke 5 lehet, ilyenkor nincs opció, legnagyobb pedig 15, ilyenkor van opció. Szolgálat típusa: arra használjuk, hogy különbséget tegyünk különböző szolgáltatási osztályok között.6 bites mező, de tulajdonképpen mára már csak 3 bitet használunk belőle. Ez a három bit a D,T és R rövidítést kapta. A D = Delay (Késleltetés), a T = Throughput (Átbocsátás), az R = Reliability (Megbízhatóság) megadására szolgál. Ennek alapján lehet eldönteni, hogy egy csomagnál a kisebb-nagyobb átbocsátóképesség, megbízhatóság vagy késleltetés a fontos. Teljes hossz: A datagram teljes hosszát adja meg. Fejrész + hasznos adatrész. Ennek maximális értéke 65535 bájt lehet. Azonosítás: ennek a mezőnek az alapján dönti el a hoszt a darabolt datagramok közül, hogy egy újonnan érkezett daragram melyik datagramokhoz tartozik. A feldarabolt datagram minden része ugyanazt az azonosítót kapja. DF: (Don t Fragment) magyar jelentése: Ne darabold. Ez a parancsa a routereknek szól, hogy ne darabolják az érkező datagramot, ha ennek a mezőnek az értéke 1, mivel a cél nem tudja majd azt újból összerakni. MF: (More Fragment) magyar jelentése: Több darab. Arra szolgál, hogy megállapíthassuk, hogy a datagram minden darabja megérkezett-e. Az utolsó darabot kivéve minden darabnál az értéke:1, az utolsónál: 0. Darabeltolás: a datagram darabok sorba rendezésében segít ennek a mezőnek az értéke. Élettartam: egy számlálót tartalmaz, ami meghatározza, hogy egy adott csomag meddig maradjon életben, azaz mikor dobja el azt a router. Ilyenkor egy figyelmeztető csomagot kap róla a küldő. Ez az érték maximálisan 255 lehet, amit eleinte másodpercekre terveztek, de gyakorlatilag az ugrások számát jelenti. Protokoll: ebben a mezőben a szállításnak a protokollját adhatjuk meg, melyek általában vagy a TCP vagy UDP, de lehetnek más protokollok is. Fejrész ellenőrző összeg: csak a fejlécre vonatkozik, a fejléc védelmére szolgál. Forrás címe: A forrás gép IP címét tartalmazza. Cél címe: A cél gép IP címét tartalmazza. Opciók: Az opció mező a protokoll későbbi fejlesztése céljából hozták létre, hogy olyan információkat is át lehessen vinni, amik az eredeti protokollban nincsenek benne. Pár opció: Biztonság, Időbélyeg, Útvonal feljegyzése. 21
2.4. További fontosabb protocol-ok ARP - Address Resolution Protocol Ez a protokoll az IP címek feloldását hivatott végigvinni. Mivel az adatkapcsolati réteg hardvere nem ismeri az IP cím fogalmát, ezért az IP címeket le kell képeznünk fizikai címekre (MAC cím). Minden hálózatra kötött eszköz interfész kártyájának, ethernet kártyájának van egy egyedi címe, ethernet címe. Minden gyártó külön címtartományt kap, ami alapján minden kártyának külön 48 bites azonosítót adnak. Elméletileg nincs két egyforma címmel rendelkező kártya. Tehát ez a protokoll egy adott IP címhez hozzárendeli az azt használó eszköz ethernet kártyájának a MAC címét. Nézzük meg két gép esetén a címfeloldás lépéseit. Az 1. gép üzenetet akar küldeni a 2. gépnek. 1. lépés: az 1. gép adatszóró csomagot küld, ami tartalmazza a saját IP címét és MAC címét, valamint még egy kérdést, hogy kihez tartozik az 2. gép IP címe, és egy MAC címet vár válaszul. Ezt a hálózaton lévő összes gép megkapja és mind el is raktározza az 1. gép IP és MAC címét, későbbi esetleges felhasználás céljából. 2. lépés: a megkapott csomagot minden gép átnézi és megvizsgálja, hogy neki szól-e a kérdés. Csak a 2, gép fog válaszolni rá, és elküldi a saját IP címét és MAC címét, amit az 1. gép elraktároz. UDP - User Datagram Protocol Az UDP felhasználói datagram protokoll, egy összeköttetés - mentes szállítási protokoll, melynél nincs szükség kapcsolat létesítésére a feladó és a címzett között. A csomagok megérkezése nem garantált, sőt a sorrend is felborulhat. Nincs nyugtázás egy csomag beérkezéséről. Nem végez forgalomszabályozást, hibakezelést. Általában kliensszerver alkalmazásoknál előnyös a használata. Az UDP szegmensek egy 8 bájtos fejlécből és felhasználói adatokból épülnek fel (11. ábra). 11. ábra UDP csomag formátum 22
Az UDP használatának előnye, hogy a fejlécben a címzésnél megadható a forrás és a cél port címe is. Ezeknek a mezőknek a hiányával a szállítási réteg nem tudná kezelni a csomagokat. A gép a port számokat használja ahhoz, hogy melyik csomagot melyik program kapja meg, mivel egyszerre több program is kommunikál az ethernet kártyánk segítségével. Egy port 16 biten tárolódik, így 65536 darab portot különíthetünk el. Egy UDP fejléc a következő mezőkből áll: Source Port: Forrásport, ha válaszküldésre van szükség, akkor használják ezt a portot, innen nyerik ki, hogy melyik portra kell a választ küldeni. Destination Port: Célport, a cél gépnek melyik portjára kell küldeni a csomagot. Message Length: UDP szegmens hossza, a fejléc és az adatmező együttes hosszát tartalmazza. Checksum: UDP ellenőrző összeg a csomaghoz. Valós idejű adatküldésnél mutatkoznak meg az UDP előnyei vagy kis méretű csomagok küldésénél és olyan rendszereknél ahol nem okoz globális hibákat minimális mértékű csomagvesztés. Sokkal gyorsabban végzi el a kisebb csomagok küldését, mint a TCP/IP protokoll, ezért kifejezetten jó kis csomagméretű adatok küldésére, mint például idő szinkronizáció. Ezenfelül számunkra az egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy támogatja az egy pontból több pontba irányuló kommunikációt, tehát IPTV szolgáltatásokhoz kifejezetten előnyös. ICMP: (Internet Control Message Protocol) Az ICMP internet vezérlőüzenet protokollt az internet ellenőrzésére használják a routerek segítségével. Ha váratlak hiba lép fel azt ICMP-vel jelentik. Számos előre definiált ICMP üzenet létezik. Ezek közül felsorolnék párat: Cél elérhetetlen, Időtúllépés, Paraméter probléma, Forráslefojtás, Átirányítás. Ezek csak néhány a fontosabb üzenetek közül, ezenkívül még számos üzenet létezik. Minden egyes ICMP üzenet IP csomagba ágyazva kerül elküldésre. IGMP - Internet Group Management Protocol Az IGMP az egyik már régóta használt multicast-al foglalkozó protokollok közé tartozik. Mielőtt bemutatnám az IGMP protokollt, pár szót írnék a többesküldésről, azaz multicast üzenetekről. Az Internet Protokollnál a multicast továbbítás a D osztályú címeket használja, amelyek mind egy-egy hosztcsoportot azonosítanak. 28 bitet használnak a csoportok azonosítására. Egy D osztályú címre való multicast üzenetnél előfordulhat, hogy valamelyik hoszt nem kapja meg az üzenetet. 23
Az IP kétfajta csoportcímet különböztet meg: ezek az állandó és az ideiglenes címek. Egy állandó csoport mindig létezik, nem szűnik meg és az ilyen csoportoknak a címük is mindig állandó marad. Tekintsünk meg néhány ilyen állandó csoportot: 224.0.0.1 Egy hálózaton levő összes rendszer 224.0.0.2 Egy hálózaton levő összes router 224.0.0.5 Egy hálózaton levő összes OSPF-router 224.0.0.6 Egy hálózaton levő összes kijelölt OSPF-router Az ideiglenes csoportokat létre kell hozni, mielőtt használhatnánk őket, ezekhez csatlakozhatunk, kiléphetünk belőlük, de ha már az utolsó tag is inaktív lesz a csoportban, akkor ez a csoport megszűnik a hoszton. A többesküldést a régebbi routerek nem feltéltenül tudják kezelni, de ma már alapkövetelménynek számít. A többesküldéshez multicast routereket használnak. Ha egy kliens egy multicast csoporthoz szeretne csatlakozni, akkor fel kell iratkoznia az adott hálózat routerénél. Ez a regisztráció IGMP üzenetek segítségével történik IPv4-es hálózat esetén. IGMP Query üzenetek periodikus küldése megy végig a hálózaton. A 224.0.0.1.-es címre történik a küldés. A multicast routerek a Query-re adott válasz alapján (IGMP Report) meg tudják állapítani melyik kliensek tartoznak egy adott csoporthoz. Ha van olyan csoport a hálózaton, amelynek már egyetlen aktív tagja sincs, akkor a routerek leiratkoznak a csoportról (Leave Group üzenetek). Az IGMP üzenet fajták: IGMP Membership Query: Egy multicast router küldi ezt az üzenetet. Ennek a válasza alapján határozza meg a router hogy a kliensek milyen adatokat kapjanak. IGMP Membership Report: Ez az üzenet az IGMP Query-re adott válasza a klienseknek. Tartalmazza, hogy egy kliens melyik multicast group-hoz tartozik, vagy melyikhez szeretne csatlakozni. Egyszerre több válasz esetén az ütközés elkerülése végett késleltetést iktattak be. IGMP Leave Group: A multicast csoportból való kilépéshez használt üzenet. 24
3. Vezeték nélküli átviteli módok ismertetése Ősidők óta törekedtek az emberek a vezeték nélküli kommunikációra, például az indiánoknál a füstjelzés használták, a tengerészeknél a fényjelzéseket használták az ilyenfajta kommunikációra. De a vezeték nélküli hálózatok gyökere a 2. világháborúig vezethető vissza. Itt már a katonaság próbált rádió jelek segítségével adatokat átvinni és ez a próbálkozás sikerrel is járt. Az itt elért eredmények arra inspiráltak a fejlesztőket, kutatókat, hogy kidolgozzák a legelső nyílt csomag alapú, rádiófrekvenciát használó adatátviteli technológiát. Erre a Hawaii Egyetemen került sor. Az első ilyen vezeték nélküli hálózat az ALOHNET nevet kapta, mely 7 számítógépből épült fel. WiFi A Wi-Fi, a vezeték nélküli rádióhullámú kommunikációt megvalósító, az IEEE által fejlesztett, IEEE 802.11-es szabványra használt népszerű név. Mára már nagyon sok háztartásban elérhető, a szükséges készülékek ára jócskán leesett az évek során. Rengeteg készülékbe beépítik manapság, pl: tv, telefon, tablet. Használhatjuk internetezésre, de már IPTV szolgáltatásokra is, az új szabványoknak és a gyors sebességnek köszönhetően. Az IEEE az 1997-es első 802.11-es szabvány megalkotása óta számos szabvánnyal bővült. IEEE Szabványok Az alábbiakban bemutatnék pár IEEE által fejlesztett és jóváhagyott vezeték nélküli kommunikációra használt szabványt és még egy fejlesztés alatt álló szabványt. 802.11a Az első nagysebességű vezeték nélküli LAN szabvány, mely az 5 GHz-es frekvenciát használja. A nagy sebességet az OFDM-nek (Orthogonal Frequency Division Multimplexing) köszönheti, mellyel akár 54Mb/s-os adatátviteli sebességet is el tud érni. 52 különböző frekvenciát használ, ebből 4-et a szinkronizációhoz, a többit az adatokhoz. A több keskeny sávnak számos jó tulajdonsága van például a jobb interferenciatűrés. A kódoláshoz a QAM modulációs eljárást használják. Az 5GHz-es eszközök drágasága miatt nem olyan széles körben használják. 802.11b Ez a szabvány a 2,4 GHz -es frekvenciatartományt használja. Mondhatni a legelterjedtebb szabványok egyike. Itt gyakrabban előfordulhat interferencia, mivel számos eszköz ezt a frekvenciatartományt használja, például vezeték nélküli telefon, kapunyitó, mikrohullámú sütő. A sávszélessége 11Mbit/s, ami elég lassúnak számít manapság, IPTV-s adás átvitelére nem alkalmas. A HR-DSSS (High Rate Direct Sequence 25
Spread Spectrum) eljárást alkalmazza. A 802.11b szabványnál lehetőségünk van az átviteli sebesség változtatására. 802.11g A 802.11b továbbfejlesztett változata, mely a szűkebb 2,4 GHz-es tartományt használja, 802.11a-val szemben. Működését tekintve megegyezik a 802.11a szabvánnyal. Szintén az OFDM eljárását használja, mint a 802.11a, aminek segítségével az adatátvitel sebessége akár az 54 Mb/s-os sebességet is elérheti. Ez a rendszert már képek, filmek, adatok átvitelére és a számunkra fontos IPTV-s műsorszórásra, IPTV adások vételére is alkalmas. 802.11.n A 802.11n szabvány az alap 802.11 szabvány kiterjesztése a MIMO-val. Hogy mi is a MIMO? A MIMO (Multiple In, Multiple Out) egy többantennás rendszer, amely ellentétben a normál vezeték nélküli hálózatokhoz képest, nincsenek hatással rá a visszavert jelek, nem zavarják a működését, hanem éppen ellenkezőleg a hatósugár kiszélesítésére használják fel a reflektált jeleket. Így elérhetővé téve az eddig elérhetetlen pontokat. A jelek akár négyszer távolabb is eljuthattnak a 802.11g szabvány jeleihez képest. Definiáltak egy több antennából álló rendszerek számára tervezett absztrakt matematikai modellt, ez a MIMO Spatial Division Multiplexing. Itt az adó és a vevő oldal is több antennából épül fel és az adatok továbbítása is egyszerre több antennán történik. Akár 300 Mb/s-os sebességet is elérhetünk az ilyen rendszereknél. A szabvány OFDM-et használ ahol 52 darab 300kHz-es subvivőkre osztják a 10, 20, vagy 40 Mhz-es vivőt. Szokás COFDM-nek nevezni. A COFDM-nél 48 subvivő az adatoknak, és a maradék 4 subvivő pedig a szinkronizáció számára van lefoglalva. 802.11.ac Ennek a szabványnak a fejlesztése még folyamatban van, de jelentős változásokkal kecsegtet. A 802.11n-es legújabb vezeték nélküli hálózati szabványhoz képest háromszoros sebességnövekedést ígérnek a fejlesztők, így ezzel elméletben elérve a Gigabites sebesség határt. Ez a sebesség már versenyképes a vezetékes hálózatokkal is. Elémletben egy 3 antennás eszköznél a sebesség 860 Mbit/s és 1.3 Gbit/s között mozoghat majd. Míg a 802.11n szabvány a 2.4 és 5 GHz-es frekvenciatartományt egyaránt használja, a 802.11.ac szabvány csak az 5 GHz-es frekvenciatartományt fogja. Ez azért fontos mert így az interferenciát, amit az otthon használt berendezések keltenek, pl: mikro, kapunyitó stb.., jelentős mértékben csökkenti. Bár ez a sávszélesség rovására megy, de zavartalanabb kommunikációt érhetünk el és nagyobb átviteli sebességet. 26
A 12. ábrán az eddig átnézett szabványokat láthatjuk a 802.11ac kivételével és azoknak számos paraméterét, mint az átviteli távolságot, frekvenciát, csatornák számát hasonlíthatjuk össze. 12.ábra: IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n szabványok Titkosítások WiFi használata esetén, nem nyújt elég védelmet, ha csak azt korlátozzuk, hogy egy kliens csatlakozni tudjon a hálózatunkhoz. Egy elég erős antennával rendelkező gép, amelyik küldeni is képes az irányunkba, akár komoly károkat is okozhat, használhatja az erőforrásainkat. Mivel a sugárzott rádiófrekvenciás jelek messze elérnek, ezért bárki lehallgathatja őket, akár fontos adatok és kódok is a birtokába kerülhetnek, az ilyen lehallgatások során. Ennek a kivédése érdekében titkosítják a WiFi által sugárzott jeleket. Az alábbiakban bemutatok pár módszert amelyiket a WiFi titkosítására használnak, hogy megvédjék a hálózatunkat az idegen kezek elől. WEP Az első vezeték nélküli hálózatoknál használt titkosítási módszer a WEP (Wired Equivalent Privacy) volt. Nevéből adódóan a vezetékessel egyenértékű titkosítási 27