Методы передачи трафика в IPTV

Сегодня в мире используют три основных метода передачи трафика в IP-сетях, это – однонаправленный (unicast) трафик, широковещательный (broadcast) трафик и многоадресная рассылка (multicast).

Каждый из этих трех методов передачи использует различные типы назначения IP-адресов в соответствии с выполняемыми задачами и объемом потребляемого трафика.

Unicast трафик (одноцелевая передача пакетов) используется, прежде всего, для сервисов «персонального» характера. Каждый абонент может запросить персональный видео-контент в произвольное, удобное ему время.

Unicast трафик направляется из одного источника к одному IP-адресу назначения. Этот адрес принадлежит в сети только одному единственному компьютеру или абонентскому STB (Set-Top Box – клиентской телевизионной приставке) как показано на рисунке 2.

Число абонентов, которые могут получать unicast трафик одновременно, ограничено доступной в магистральной части сети шириной потока (скоростью потока). Для случая Gigabit Ethernet сети теоретическая максимальная ширина потока данных может приближаться к 1 Гб/сек за вычетом полосы, необходимой для передачи служебной информации и технологических запасов оборудования. Предположим, что в магистральной части сети мы можем для примера выделить не более половины полосы для сервисов, которым требуется unicast трафик. Легко подсчитать для случая 5Мб/сек на телевизионный канал MPEG2, что число одновременно получающих unicast трафик абонентов не может превышать 100.

Рисунок 2 – Одноцелевая передача пакетов (Unicast)

Broadcast трафик (широковещательная передача пакетов) использует специальный IP-адрес, чтобы посылать один и тот же поток данных ко всем абонентам данной IP-сети. Например, такой IP-адрес может оканчиваться на 255, например 192.0.2.255, или иметь 255 во всех четырех полях (255.255.255.255).

Важно знать, что broadcast трафик принимается всеми включенными компьютерами (или STB) в сети независимо от желания пользователя. По этой причине этот вид передачи используется в основном для служебной информации сетевого уровня или для передачи другой исключительно узкополосной информации. Разумеется, для передачи видеоданных broadcast трафик не используется. Пример передачи broadcast трафика показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Широковещательная передача пакетов (Broadcast)

Multicastтрафик (групповая передача пакетов) используется для передачи потокового видео, когда необходимо доставить видео-контент неограниченному числу абонентов, не перегружая сеть. Это наиболее часто используемый тип передачи данных в IPTV сетях, когда одну и ту же программу смотрят большое число абонентов.

Multicast трафик использует специальный класс IP-адресов назначения, например адреса в диапазоне 224.0.0.0 ….. 239.255.255.255. Это могут быть IP-адреса класса D.

В отличие от unicast трафика, multicast адреса не могут быть назначены индивидуальным компьютерам (или STB). Когда данные посылаются по одному из multicast IP-адресов, потенциальный приемник данных может принять решение принимать или не принимать их, то есть будет абонент смотреть этот канал или нет. Такой способ передачи означает, что головное оборудование IPTV оператора будет передавать один единственный поток данных по многим адресам назначения. В отличие от случая broadcast передачи, за абонентом остается выбор - принимать данные или нет. Пример передачи multicast трафика показан на рисунке 4.

Рисунок 4 - Групповая передача пакетов (Multicast)

Когда определённая группа пользователей желает смотреть тот или иной канал телевидения, в сети формируется группа Multicast, для которой передается определенная информация от сервера IPTV. Чтобы не формировать отдельный канал передачи данных до каждого пользователя, поток данных передается до ближайшего узла, где данные уже дублируются для всех членов группы. Это позволяет существенно разгрузить ресурсы сети.

Загрузка магистральной части сети multicast трафиком зависит только от числа транслируемых в сети каналов. В ситуации с Gigabit Ethernet сетью, предположив, что половину магистрального трафика мы можем выделить под multicast передачу, мы получаем около 100 телевизионных MPEG-2 каналов, каждый имеющий скорость потока данных 5 Мб/сек.

Наиболее распространенные в мире схемы предоставления услуг IPTV в режимах Multicast и Unicast представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема предоставления услуг IPTV

Разумеется, в IPTV сети присутствуют одновременно все 3 вида трафика broadcast, multicast и unicast.

Оператор, планируя оптимальную величину пропускной способности сети, должен учитывать разный механизм влияния разных технологий IP- адресации на объем трафика. Например, при использовании режима unicast нагрузка на сеть возрастает пропорционально количеству пользователей.

Разгрузить сети возможно используя прокси-сервера, рассредоточенные по сети как показано на рисунке 6. Прокси-сервера хранят копии наиболее востребованных фильмов и предоставляют их абоненту локально. При этом невозможно установить прокси-сервер на каждом узле, поэтому необходимо тщательное планирование по распределению таких серверов на сети.

С точки зрения нагрузки на сеть, unicast трафик более опасен для сети, так как multicast легко планируется и прогнозируется. А unicast сильно зависит от активности пользователей.

Средним считается, что 10% пользователей используют услуги VoD (unicast).

Рисунок 6 - Распространение сигнала в режиме unicast

Для реализации multicast передачи в IP-сети должны быть маршрутизаторы, поддерживающие multicast (См. рисунок 7). Маршрутизаторы используют протокол IGMP для отслеживания текущего состояния групп рассылки (а именно, членство в той или иной группе того или иного конечного узла сети).

Рисунок 7 - Распространение сигнала в режиме multicast

Переключение каналов (Zapping)

Рассмотрим также интересную особенность IPTV - переключение каналов (zapping). Переключение каналов с дистанционного пульта столь привычное и простое для пользователей традиционного телевидения, представляет сложность в сети IPTV. Всякий раз, когда пользователь переключает канал, в сети начинает кипеть работа.

Во-первых, пользователя следует отключить от группы Multicast.

Во-вторых, командой Join подключить его к новой группе Multicast.

В-третьих, если канал вещания вообще отсутствует в данный момент, так как его никто не смотрит, значит нужно инициировать вещание и создать новую группу Multicast.

В-четвертых, в случае использования процедуры IGMP Snooping (селективная рассылка) все перечисленные изменения должны быть переданы по сети, чтобы обновить соответствующие реестры групп вещания.

Добавим к этому, что каждый из перечисленных шагов предусматривает не просто пересылку одного - двух сообщений, но выполнение целой протокольной процедуры, и тогда станет понятно, что простое нажатие клавиши на пульте IPTV запускает довольно сложный механизм. Иногда из-за настроек сети, задержек, перегрузок на направлениях и т.п. переключение каналов (zapping) может существенно запаздывать.

Время переключения фиксируется как время отклика сервера. Чтобы услуга IPTV не раздражала пользователя, Zapping time не должен превышать 100 мс, в противном случае недовольства не избежать.

Следует отметить, что для функционирования транспортной сети не столько страшна задержка переключения каналов отдельного пользователя, сколько массовое переключение каналов. В мировой практике уже сейчас было обнаружено явление, которое получило название «спираль коллапса» сети IPTV. Сценарий возникновения «спирали коллапса» можно описать следующим образом:

1. Предположим, на сети IPTV имеет место трансляция популярной программы, например, футбольного матча финала мирового первенства. Большая часть (30%) всех зрителей смотрят сегодня этот матч, т.е. принадлежат к единой группе Multicast.

2. Матч заканчивается, и каждый зритель понимает, что после него идет надоевшая всем реклама. Большая часть пользователей переключает канал.

3. В таком случае в сети возникает ситуация массового переключения каналов. Сеть наполняется служебными каналами Join/Leave. Списки групп Multicast стремительно меняются.

4. В результате массового переключения сеть перегружается и дает высокий показатель потери пакетов (более 5%) для 1% пользователей. В таком случае этот 1 % пользователей видит на своих экранах картинку, далекую от идеала.

5. Качество нового канала вполне естественно не нравится, и пользователи спонтанно переключают канал снова, некоторые по нескольку раз.

6. Новая волна массовых переключений приводит к еще большей перегрузке сети. Это вызывает недопустимый уровень потерь пакетов еще для 5% пользователей сети.

7. Далее лавина нарастает, 5% пользователей делают массовое переключение каналов, так что перегрузка «убивает» качество для 10% пользователей. А потом 15, потом 20, 50 % и.т.д.

8. В результате вся сеть «падает». Она не может предоставить качественной трансляции видеопрограмм и нуждается в полной перезагрузке.

Представленный сценарий «спирали коллапса» показывает всю серьезность возможных нарушений в работе системы маршрутизации трафика для работы сети IPTV. При неправильных настройках системы маршрутизации либо при любых нарушениях в работе транспортной сети по обслуживанию трафика Multicast услуга IPTV не просто может дать сбой, но и вызвать нарушения работы всей транспортной сети, включая компоненты VoIP и передачи данных.