Архитектурные решения CISCO для реализации IPTV

Для внедрения услуг IPTV инфраструктура существующих сетей находятся на предельных уровнях своих возможностей. Для того чтобы поддерживать услуги IPTV, сети должны иметь возможность масштабироваться до миллионов пользователей, иметь достаточный ресурс полосы пропускания и обеспечивать качество обслуживания (QoS) и безопасность на всей цепочке технологического цикла. По этим и другим причинам особую важность при развертывании передачи видео по широкополосной сети приобретает интеллектуальность сети. Услуги видео в будущем будут доставляться по таким интеллектуальным IP-сетям следующего поколения (IP NGN). Требования таких услуг серьезно отличаются от требований услуг высокоскоростного доступа в Интернет.

Высокоскоростной доступ в Интернет, обычно определяют услугу по скорости пропускания исходящего и входящего потока. В случае же IPTV необходимо обеспечить требуемое количество предоставляемых каналов, качество видео, размер библиотеки «видео по запросу», возможности видеозаписи. Соглашение об уровне обслуживания в этом случае определяется не скоростными параметрами сети, а качеством работы, которую сеть должна поддерживать. Из-за явных различий этих требований, Cisco разработала свою архитектуру IP NGN, чтобы обеспечить возможность организации оптимальной передачи данных для каждого конкретного типа обслуживания абонентов. Такая сеть отвечает всем требованиям для самых различных типов услуг по передачи голоса, видео, данных.

Основные компоненты архитектуры IPTV-сети включают:

•Центральный головной узел SHE (Station Head End) . 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, 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.

•Узлы видеоконцентраторов VHO (Video Hab Open). Узлы VHO зачастую содержат кодировщики реального времени для местных телевещательных станций и серверов «видео по запросу» (VoD), а также маршрутизаторы сети, которые соединяют распределенную сеть с ядром сети. Многие VHO содержат серверы контента для услуг «видео по запросу». Многие операторы поддерживают несколько десятков региональных VHO, преимущественно в зонах больших городов. Эти VHO обычно обслуживают от 100 000 до 500 000 домов.

•Узлы связи и узлы коммутации видео VSO (Video Switch Open). Агрегирующие маршрутизаторы центральной головной станции SHE и узлы VSO, объединяющие трафик от домов абонентов. Для провайдеров DSL центральный узел обычно обрабатывает трафик от мультиплексоров доступа местных цифровых линий абонентов (DSLAM).

Сеть Cisco IP NGN может охватывать всю полосу пропускания и соответствовать всем требованиям услуг для IPTV, поскольку она отличается повышенной масштабируемостью и интеллектуальностью, в особенности на уровнях распределения и объединения (см. рис. 7.5).

Рисунок 7.5

Существует несколько разновидностей архитектур передачи IPTV, и каждая касается четырех логических сегментов сети - ядра сети, узлов распределения, агрегирования и доступа. В типовой модели на рис.7.5 устройства распределения подключены прямо к маршрутизаторам ядра сети, а устройства агрегирования являются первыми устройствами, пропускающими исходящий поток абонента, имеющего избыточные исходящие линки. В этой модели DSLAM является устройством доступа и узлы агрегирования непосредственно объединяют DSLAM-ы.

Термин «ядро сети» в данном контексте относится к сети, используемой для передачи видео от нескольких центральных узлов (SHE) к различным районам (VHO). Видео по IP может передаваться с помощью разнообразных транспортных технологий, и архитектура IP NGN может адаптироваться к широкому спектру технологий передач. Cisco предлагает несколько решений для многоадресной передачи через MPLS. Здесь следует отметить, что крупнейшие сети, предоставляющие широковещательное видео через IP, используют в ядре сети многоадресную рассылку IP для распределения каналов в зоны районов, где предоставляется услуга. Как известно, широковещание IPTV является приложением IP с многоадресной рассылкой.

Сегменты сети распределения и агрегирования предъявляют определенные требования, выполнение которых, можно реализовать различными способами, в зависимости от того, где находится граница уровня L3 (IP). Есть несколько архитектурных решений, зависящих от положения границы уровня L3:

· Размещение уровня L3 в непосредственной близости от ядра сети на распределительных маршрутизаторах затрудняет масштабирование MAC-адресов, получения соответствия между MAC и IP-адресами в распределительных маршрутизаторах, не позволяет создать эффективную защиту от отказов источников.

· Размещение уровня L3 на DSLAM позволяет избежать вышеуказанных проблем, однако развертывание DSLAM с IP приведет к повышению стоимости DSLAM и более сложному управлению пулом IP-адресов.

· Размещение уровня L3 на маршрутизаторах агрегирования (рис.7.6) имеет неоспоримые преимущества:

Рисунок 7.6.

Вставка местного контента. Развертывание возможностей многоадресной рассылки Cisco IP на уровнях агрегирования и распределения дает провайдерам больший контроль, так что они могут определять источник видео, от которого ТВ-приставка (STB) получает потоки. Многоадресная рассылка IP также облегчает добавление и удаление источников видео без изменения настроек ТВ-приставки (STB). Например, сервис-провайдер может развернуть местную рекламу, нацеленную на конкретного потребителя. Вставка местной рекламы является одним из лучших способов получения дополнительного дохода от услуги IPTV. Однако местная вставка рекламы также ведет к увеличению числа каналов многоадресной рассылки IP: например, один канал с 10 разными рекламными зонами внезапно становится 10 каналами многоадресной рассылки.

· Авторизация вызова (Admission Control). Маршрутизатор агрегирования с IP может поддерживать встроенное управление доступом, чтобы предотвратить доступ новым видеопотокам, которые вызвали бы перегрузку сети, и возможную потерю пакетов видеопотоков, что привело бы к неприемлемому ухудшению качества изображения для пользователей.

· Оптимальное распределение полосы пропускания. В этой части сети полоса пропускания очень важна. Многоадресные видеопотоки IP в уровне L3 лишь отправляются к VSO и DSLAM, которые должны получать потоки. В сети агрегирования на уровне L2 все многоадресные рассылки - независимо от места назначения - повторяются через сеть агрегирования. Это имеет особое значение в случае местной вставки рекламы, которая приведет к вставке нескольких видеопотоков для каждого канала, и они будут повторяться через сеть агрегирования (для предыдущего примера: все 10 каналов будут скопированы через сеть агрегирования уровня L2 даже несмотря на то, что они предназначаются конкретным районам). Такое копирование приводит потенциально к гигабитам потерянной полосы пропускания.

· Асимметричное построение сети. Другим преимуществом уровня L3 на маршрутизаторах агрегирования является способность использования однонаправленных компонентов. По сути трафик IPTV является практически однонаправленным. С учетом этого Cisco разработала однонаправленные оптические компоненты, которые позволяют сервис-провайдерам развернуть асимметричную сеть, обеспечивающую значительную экономию на транспортном оборудовании. Для обратного канала Cisco использует общую инкапсуляцию маршрутизации (GRE), технику инкапсуляции уровня L3, которая имеется на маршрутизаторе агрегирования.

· Эффективный выбор источника видео и защита. В сети Cisco IP NGN ТВ-приставки STB сами имеют возможность выбирать источник, от которого они хотели бы получать видеопоток. Такое более эффективное использование полосы пропускания достигается при помощи метода Anycast, который позволяет источникам многоадресной рассылки предоставлять один и тот же контент и разделять тот же IP-адрес. Избыточность источников и быстрый обход отказавшего источника дополнительные преимущества использования Anycast. В случае отказа источника многоадресной рассылки Cisco IP NGN автоматически и эффективно выбирает следующий ближайший доступный источник (см. рис. 7.7).

Рисунок 7.7

Наличие сети, которая быстро восстанавливается при возникновении отказа, является важной частью услуги передачи видео через широкополосный канал. Конечно же бывает много различных типов отказов. Часто встречающееся заблуждение в том, что если элементы сети могут защитить сеть от сбоя связи за время менее 50 мс, абоненту гарантируется хорошее качество услуги. Например, рассмотрим типичный проект на рис. 7.8.

Рисунок 7.8.

Пусть каждая связь в данной сети защищена механизмом с временем восстановления при отказе менее 50 мс. Если не установить других механизмов защиты, абонент будет испытывать неудобства в течение секунды простоя из-за любого из следующих отказов оборудования:

· источник видео, от которого ТВ-приставка получает поток;

· маршрутизаторы, используемые видеоисточником для того, чтобы подключить STB (от R1 до R5);

· однонаправленное соединение;

· DSLAM или домовой шлюз.

Для того чтобы предотвратить перерыв в обслуживании, сеть должна быть оптимизирована так, чтобы позволить быстрое переключение от одного сервера или кодировщика к другому серверу или кодировщику. Механизмы многоадресной IP-рассылки, такие как Anycast, делают возможным обеспечить такую избыточность видеокомпонентов. Архитектура Cisco IP NGN была испытана и оптимизирована для того, чтобы при любом развитии событий любой тип отказа не приводил к простою длительностью более 1 секунды. А простой в 1 секунду не заставит абонента звонить в центр поддержки и жаловаться на недостатки.

Cisco предусматривает избыточность сети с помощью широкого набора механизмов, защищающих ее от различных отказов

Ошибочным является заблуждение в том, что широковещательная IP-рассылка приводит к медленной смене канала. Хотя несомненно, что остановка приема канала многоадресной рассылки и начало приема другого канала не являются мгновенными, многоадресная операция обычно занимает около 50 мс. Такая низкая задержка вызвана тем, что маршрутизатор агрегирования обычно обслуживает тысячи абонентов одновременно. Поскольку это число превышает число предлагаемых широковещательных каналов, вероятность запроса на подключение к многоадресной рассылке, проходящего через весь путь к источнику видео, близка к нулю. Кроме того, многоадресная рассылка не является главной составляющей в запаздывании смены канала. Напомним, что видеопоток - это последовательность изображений, которые ТВ-приставка STB должна отображать. Изображения последовательно отправляются на ТВ-приставку и затем объединяются в группы изображений GOP, которые содержат переменное количество изображений (обычно 15). Первое изображение в группе называется I-фреймом. Основа GOP состоит в том, что все изображения после него (I-фреймы) вычисляются с помощью информации об изменении изображения при кодировании видео. Если GOP состоит из 15 изображений, то I-фрейм идет каждые 0,5 секунд. Когда пользователь переключает канал, ТВ-приставка STB посылает запрос в сеть на изменение канала. Многоадресная рассылка IP представляет собой менее 10% всего времени переключения канала. Существует много других факторов, кроме многоадресной рассылки IP, которые вносят свой вклад в длительность смены канала, и сетевая архитектура многоадресной рассылки Cisco оптимизирована для минимизации влияния сети в длительность смены канала.

Все маршрутизаторы Cisco и коммутаторы уровня L3 поддерживают многоадресные рассылки IP и многоадресные рассылки, не зависящие от протокола PIM (Protocol Independent Multicast). Этот протокол маршрутизации делает возможным организацию многоадресного дерева распределения, которое распространяет широковещательные каналы ТВ от их источников по всей сети. Cisco предлагает многоадресную рассылку, специфичную к источнику SSM (Source Specific Multicast), которая является улучшением стандартной многоадресной рассылки Интернет ISM (Internet Standard Multicast). Она позволяет приемнику (ТВ-приставке) указывать, от какого источника он хочет получать канал. Совокупность PIM-SSM предоставляет многие преимущества, в том числе:

· Оптимальное дерево распределения. Поскольку сеть имеет дерево распределения многоадресной рассылки, которое «растет» прямо от видеоисточника, видеопоток идет к ТВ-приставке по кратчайшему пути. Это особенно важно для сервис-провайдеров, имеющих большие требования к полосе пропускания видео.

· Более совершенная система защиты. Сеть более безопасна, поскольку она не позволяет посторонним лицам передавать свой контент любой группе и выполняет атаку «отказ в обслуживании» (DoS) по отношению к текущим зрителям данного канала. ТВ-приставки могут взять IP-адрес источника каналов из электронного руководства программ (EPG) и передать его при подсоединении к многоадресной группе. Если ТВ-приставки не поддерживают такую возможность из-за отсутствия поддержки IGMPv3, то маршрутизаторы Cisco, такие как серия маршрутизаторов Cisco 7600, способны собирать информацию об источниках с DNS-сервера от имени ТВ-приставки STB. Это позволяет традиционным ТВ-приставкам получать преимущества PIM-SSM, не задумываясь о том, от какого источника должен идти канал.

· Легкая установка и управление. Поскольку сети не нужно следить за активными источниками, добавление и удаление видеосерверов происходят очень легко. Такая способность полезна для растущих сетей, которые должны приспосабливаться к быстрому добавлению и удалению широковещательных каналов. Существует множество способов конфигурирования уровня доступа. Опции конфигурации включают в себя:

- одно виртуальное соединение (VC) в сравнении с многими VC на линии DSL;

- видео VLAN на услугу или на пользователя;

- высокоскоростной Интернет VLAN на услугу или на пользователя;

- домашний шлюз DSL уровня L2 в сравнении с уровнем L3;

- использование битов приоритета VLAN или уровня L2 для QoS.

Не существует однозначно оптимального решения, и каждая комбинация вышеуказанных опций будет иметь преимущества и недостатки. Обладая широкими возможностями, оборудование Cisco может приспособиться практически к любому типу проекта, который выберет провайдер. Внедрение модели, показанной на рис. 7.9, предоставляет ряд преимуществ, по масштабированию, легкости управления и безопасности. В этой прямой конфигурации на каждую услугу используется по одной VLAN. Такой подход улучшает масштабируемость, поскольку каждая VLAN может быть приспособлена к такому количеству абонентов, которое позволяет полоса пропускания. Каждая VLAN независима от числа пользователей, подписанных на услугу. Поэтому DSLAM и ее присоединенные абоненты получают три VLAN.

­

Рисунок 7.9

В этой модели домовой шлюз разделяет трафик и отображает каждую VLAN на собственный порт внутри дома. Можно настроить маршрутизатор агрегирования одним набором услуг VLAN или использовать уникальный набор VLAN услуг для каждого DSLAM, что обеспечивает более высокая безопасность. Для всех абонентов, подключенных ко всем DSLAM, объединяемым на этом маршрутизаторе, может быть использован один пул IP-адресов. Например, к маршрутизатору агрегирования обычно можно подключить около 10 000 пользователей. Всех пользователей можно поместить в одну подсеть с использованием ненумерованных виртуальных интерфейсов коммутатора IP, что сделает управление IP-адресами масштабируемым.

Абонент аутентифицируется на уровне приложения вместе с видео. Однако сервис-провайдеру может потребоваться идентифицировать ТВ-приставку STB. Важным аспектом сети передачи видео для архитектуры Triple Рlay является то, насколько полно сеть обеспечивает поддержку различной производительности и функций, требуемых для каждого типа услуг. Как минимум, сеть должна быть способна отвечать требованиям по задержкам и потере пакетов для каждого типа услуг при разделении одной физической среды. Такая способность является неотъемлемой частью архитектуры QoS решения Cisco. Вдобавок Cisco IP NGN можно настроить так, чтобы для каждого типа услуг предоставлялись раздельные домены коммутации/маршрутизации. Такой уровень разделения весьма полезен, когда сервис-провайдер хочет управлять адресным пространством, топологией и инфраструктурой IP, связанной с каждой услугой по отдельности. Такая архитектура транспорта позволяет трафику, связанному с разными типами услуг, быть объединенным и/или завершаться в разных местах с использованием разных компонентов инфраструктуры. Эта архитектура также позволяет агрегацию трафика, связанного с доступом в Интернет, на широкополосном сервере, в то время как трафик, связанный с видеоуслугами, терминируется с помощью компонентов видеоинфраструктуры.

Видео по широкополосному каналу основывается на протоколе DSCP (Diferentiated Servise Code Point). Поле ToS этого протокола использует 6 разрядов для управления трафиком, гарантирования соответствующего качества QoS, поэтому эти биты в заголовке IP-пакета являются ключевыми при определении политик QoS. Первые три бита определяют 4 класса гарантированной передачи пакетов AF (Assured Forwarding) и класс приемлемой доставки EF (Expeditet Forwarding). При гарантированной доставке в каждом из трёх классов имеется три уровня приоритетов: низкий, средний и высокий. Классы обозначаются соответсвенно кодами 001,010,011,100 в трёх старших разрядах ToS. А приоритет соответствующими кодами 010,100,110 в остальных трёх разрядах этого поля. В этой архитектуре наиболее масштабируемым способом обработки QoS является посегментное обслуживание PHB (Per Hop Behavior) на основании этих битов заголовка IP.

Голос, видео, высокоскоростной Интернет и сигнализация для голоса/видео помещаются соответственно в собственную очередь. Это позволяет получить детерминистическое поведение от начала до конца по задержкам потерям.

Когда такой элемент сети, как DSLAM, не способен проверять биты заголовка IP в протоколе DSCP (Diferentiated Servise Code Point), маршрутизатор агрегирования настраивается так, чтобы отображать эти настройки в битах уровня 2 Ethernet 802.1p. DSLAM может помещать видеокадры в нужный виртуальный канал ATM, а подуровень SAR уровня адаптации ATM будет правильно обслуживать пакеты с учетом различных приоритетов.

Комбинация трафика, генерируемого «видео по запросу» и широковещательным видео, с легкостью может превысить максимальную пропускную способность любого соединения в сети, особенно при отказах. Если такое событие произойдет, пакеты из очереди видео начнут произвольно выпадать. Это отрицательно скажется на просмотре всеми абонентами, находящимися ниже по каналу связи от места возникновения проблемы. Провайдеры должны иметь средства предотвращения возникновения таких катастрофических ситуаций. Некоторые провайдеры планируют ресурсы сети с избытком, так чтобы она могла обслужить трафик VoD со всех возможных путей распространения. Однако на основании расчетов пиковой нагрузки, обеспечение требуемой полосы, потребляемой всеми абонентами, получающими потоки «видео по запросу», приводят к недопустимо большим затратам. Cisco предлагает разнообразные инструменты управления доступом, которые помогают обеспечить хорошее качество для пользователей, даже когда сеть достигает максимума своей пропускной способности. Так провайдеры могут найти баланс между качеством предоставляемых услуг и оптимальными затратами.

Управление доступом к широковещательному видео (Broadcast Video Admission Control). Обычно сервис-провайдеры предлагают 200 или более широковещательных каналов. На часто используемых исходящих соединениях Gigabit Ethernet DSLAM это может означать, что широковещательные видеоканалы сами по себе потребляют 75% доступной полосы пропускания. Остающаяся полоса может оказаться недостаточной для предоставления высокодоходных услуг VoD. В таком случае провайдер может уменьшить полосу пропускания, потребляемой многоадресной рассылкой (без ухудшения качества видео для пользователя), используя механизмы контроля полосы (admission control) на каналах передачи для услуги широковещания. Поскольку маршрутизатор агрегирования выполняет многоадресную рассылку IP, у него имеется способность ограничения количества каналов, одновременно посылаемых в DSLAM. Критерием для выполнения этого может быть общая популярность или полоса пропускания, используемая конкретным видеоканалом (например, каналы высокой четкости в сравнении со стандартным разрешением). Это будет гарантией того, что основные каналы никогда не заблокируются.

Управление доступом VoD (VoD Admission Control). «Bидео по запросу» может оказаться еще более требовательным. Если услуга VoD становится популярнее, чем прогнозировалось, то канал передачи между абонентами и комплексом серверов VoD может оказаться перегруженным. Например, возьмем пиковую нагрузку, когда 20% всех ТВ-приставок (STB) одновременно просматривают видео по требованию. В этом случае центральный узел, поддерживающий 10 тыс. абонентов, потребует от 4 до 7 Гбит/сек. (в зависимости от используемого кодека) для поддержки стандартного разрешения. Добавим контент по запросу с высоким разрешением и получим, что потребуется еще больше полосы. Что же произойдет, когда трафик превысит расчетный ресурс, заложенный при проектировании пропускной способности сети и/или услуги VoD. Если конкретный комплекс серверов VoD не может обслужить конкретный запрос, то он может быть повторно перемаршрутизирован к другому комплексу серверов VoD, у которого имеется доступный ресурс вещания. Если достигается максимальная пропускная способность сети на группе соединений, то разрешение слишком большого количества сессий VoD может стать причиной высокого уровня потери пакетов для всех видеопотоков. Это известно как проблема 1001-го потока: разрешение еще одного потока приводит к тому, что большое количество абонентов испытывает ухудшение видео и аудио сигналов. Более того, в случае отказа сети, в момент пиковой нагрузки, возможно, что у всех пользователей получится простой. Одним из способов избежать широко распространенного простоя является использование встроенного управления доступом (Integrated Admission Control). Если видеосессия не может быть обслужена по причине превышения подписки где-нибудь в сети или на серверах обеспечния услуги, то встроенный контроль возвращал бы на запрашивающую ТВ-приставку STB сигнал «в данный момент услуга недоступна». Хотя никто не любит сигнал занятости, опасность всеобщего ухудшения услуги VoD гораздо хуже. Приложениям известно о существовании потоков, которые скоро завершатся, и поэтому можно предоставлять больше информации в сообщениях о занятости. Абонент имел бы более широкие возможности запуска потока VoD с задержкой, предложения альтернативных видеоуслуг, коммерческих возможностей и т. п. В случае отказа система контроля доступа может быть настроена на сброс сначала всех бесплатных потоков VoD и лишь затем оплаченных потоков VoD, если это необходимо.

Видеоуслуги завтрашнего дня будут доставляться по IP. Лидерство IP Cisco и инновации IP NGN поднимают качество работы всей системы IP-видео и Triple Play путем оптимизации транспортировки видео посредством уникальных свойств, разработанных Cisco. Cisco предлагает первое в промышленности решение IPTV, которое использует разделение услуг для оптимизации QoS и коммутации на основе типа услуги.

Разделение услуг использует различные подходы для транспортных услуг в сравнении с услугами, управляемыми приложением, такими как видео. Эта архитектура вводит интеллектуальность уровня 3 в объединяющую сеть и предоставляет некоторые ключевые преимущества:

• Оптимальный выбор источника и более эффективное выделение полосы пропускания для услуг IPTV.

• Специфическая к источнику многоадресная рассылка (SSM) в маршрутизаторах уровня агрегирования Cisco позволяет оптимально выбирать источник и эффективно доставлять полосу пропускания услуг IPTV при обеспечении уровня простоты и неотъемлемой безопасности, которая выше, чем предоставляемая маршрутизацией многоадресной рассылки в сетях агрегирования на уровне L2.

• Опыт высококачественного просмотра.

• Эффективная защита сети. Продвинутые механизмы отказоустойчивости (такие, как Anycast) с переключением критических источников широковещательного сигнала предоставляют улучшенное время восстановления при любых типах отказов, включая линки, узлы, видеосерверы и кодировщики.