Организация потокового вещания

На сегодняшний день основу трафика в сетях составляют две большие группы – эластичный трафик, который генерирует традиционные сервисы (электронная почта, WWW, FTP и т. д.) и трафик реального времени, который генерирует мультимедийные сервисы, такие как IP-телефония и видеоконференции.

Потоковая передача данных (streaming) – способ передачи данных малыми порциями (пакетами), причем каждая переданная порция может использоваться без того, чтобы ожидать окончания передачи всего файла.

Суть потоковой передачи данных заключается в следующем. Передаваемые данные сжимаются и разделяются на части (пакеты), а затем последовательно передаются пользователю. Размер пакетов определяется пропускной способностью участка сети или канала связи между клиентом и сервером, передающим данные. Накопив достаточное количество пакетов в буфер, программа-клиент приступает к воспроизведению одного из них и одновременно получает и выполняет декомпрессию следующих. Основной задачей буфера является обеспечение плавного и непрерывного воспроизведения потока информации.

Рост интереса к сервисам, позволяющим передавать по сетям передачи данных информацию в режиме реального времени, обуславливает рост доли трафика реального времени. На увеличение трафика влияет улучшение качества передаваемого видео, которое, в свою очередь, обусловлено совершен- ствованием технологий сжатия и передачи информации.

Для потокового видео требуется непрерывный перенос информации в режиме реального времени. Однако протоколы передачи данных изначально не были предназначены для переноса информации в режиме реального времени. Поэтому были разработаны специальные протоколы(RTP, RTCP, RTSP, RSVP, MPLS и др.), методы резервирования пропускной способности канала передачи и обеспечения требуемого уровня QoS, в критерии оценки которого входят требуемая скорость передачи, максимальная величина задержки пакетов, неравномерность трафика и т. д., а также способы экономии трафика (многоадресная рассылка).

Датаграмные протоколы, такие как UDP, отправляют поток медиаинформации как поток отдельных маленьких пакетов. Он прост и эффективен; в то же время, в спецификации протокола нет гарантии доставки данных получателю. Это очень сильно затрудняет поиск и исправление получаемых данных принимающим информацию приложением. При потере данных поток может быть отключен.

Надежные протоколы, такие как TCP, гарантируют корректность получаемых данных клиентов потокового вещания. Однако при большом количестве ошибок при соединении/подтверждении получаемой информации передаваемая информация может стать неактуальной. Это также может вызвать значительные задержки при передаче информации на время, затраченное на пересылку поврежденной информации. Одним из решений данной проблемы является буферизация информации на стороне клиента.

Уровень QoS обеспечивается следующими методами: поддержкой заданной полосы пропускания канала связи; сокращением вероятности потерь пакетов данных; исключением или максимально возможным сокращением перегрузок сети; конфигурированием сетевого трафика; установкой количественных характеристик трафика в сети.

Организация потоковой передачи.

В самом простом случае передача потоковых данных не управляется, серверное приложение просто упаковывает данные в UDP-дейтаграммы и методом одноадресной или многоадресной рассылки отправляет их получателям. параметры передачи должны быть установлены заранее по надежному соединению, которое в дальнейшем может использоваться для управления воспроизведением потоков. В случае одноадресной рассылки на одного клиента требуется три сетевых соединения (рисунок 15.1).

Рисунок 15.1 – Простейшая схема потокового вещания

Приложение, которое не имеет связи с клиентами и посылает данные в сеть, может нарушить работу других приложений, пересылающих данные по той же самой сети. А в случае большого количества соединений неизбежны перегрузки. Транспортный протокол ТСP управляет передачей потоковых данных. ТСP обеспечивает надежную доставку, но в то же время невозможна своевременная доставка, что чревато для интерактивных услуг. Для неинтерактивных сервисов сгладить колебания задержки можно буферизацией данных. Однако при большом количестве конкурирующих ТСP-соединений рост задержек ничем не ограничен.

Таким образом, оптимальным решением представляется по возможности своевременная доставка с управлением перегрузками и отказом от надежной доставки, реализованных с помощью повторных передач. Это означает введение постоянной обратной связи, по которой информация о принятых данных передается серверному приложению, и отказ от использования ТСP. Потоковые данные необходимо дополнить служебной информацией (номера последовательностей, кадров, временные метки и др.), для чего удобно использовать протокол RTP, а в качестве транспорта – UDP. Тогда при одноадресной рассылке на каждого клиента потребуется, как минимум, пять сетевых соединений (рисунок 15.2).

Рисунок 15.2 – Система потокового вещания с обратной связью

На этапе подготовки к передаче необходимо выяснить пропускную способность соединения, среднюю величину задержек на пути от источника к получателю и оптимальную для данной комбинации кодека, размер буфера получателя и т. д. На этапе собственно передачи данных необходимо использовать обратную связь и какую-либо форму управления перегрузками, например, алгоритм TFRC (TCP Friendly Rate Control). Метрики, которые играют роль ключевых для определения качества связи, могут быть специфическими для приложения, однако можно утверждать, что, по крайней мере, две из них будут общими для всех – среднее время передачи пакетов и интенсивность потерь. Расчеты могут производиться только приложением-отправителем, но, как правило, предпочтительным является расчет некоторых метрик приложением-приемником. Наконец, при завершении сеанса связи необходимо сохранить данные соединения с тем, чтобы в дальнейшем при обращении того же клиента иметь возможность проанализировать историю соединений, и, если надо, скорректировать параметры.

На потребительском рынке телесвязи бурно развиваются различные широкополосные технологии доступа, такие как xDSL, Wi-Fi, Wi-MAX. Большой интерес в связи с этим вызывает технология Triple Play, которая позволяет при одном физическом подключении получать сразу три обширных сервиса: Интернет, IP-телефонию, IPTV.

Одним из наиболее перспективных интерактивных услуг является цифровое телевидение IPTV. IP-телевидением принято называть цифровую технологию многопрограммного интерактивного телевизионного вещания в IP-сети с помощью пакетной передачи видеоданных по IP-протоколу. Главная особенность потокового видео заключается в том, что при его передаче пользователь не должен ждать полной загрузки файла для того, чтобы его просмотреть. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов и проигрывается по мере того, как передается на абонентское устройство.

Передача цифрового видеосигнала требует высокой пропускной способности (6-9 Мбит/сек для обычного ТВ, свыше 16 Мбит/сек для HDTV). Поэтому подключения пользователей возможны при широкополосных технологиях, а также при использовании высокоэффективного сжатия видеосигнала. Вещание осуществляется в трех режимах сжатия видео: MPEG-2, MPEG-4, HD.

Для декодирования сигнала нужен Set-Top-Box (специальная приставка STB). Для просмотра видеопотока на мониторе компьютера достаточно иметь установленную программу VideoLAN, а декодированием аудио и видео потоков занимается непосредственно компьютер. STB могут подключаться напрямую в сеть или через участки «последней мили» на основе технологии ADSL2+. Сеть IPTV строится на основе распределенных информационных ресурсов. Оператор размещает в сети IPTV несколько видеосерверов с различным контентом. Кроме того, создаются хорошие условия для развития сети.