ТелевидениеСистемы цифрового вещания

RSS, Twitter, Vkontakte, Facebook

Новости

Системы цифрового вещания и их модели

Автор: Владимир Ткаченко

Источник: Обучение в интернет

Широковещательное цифровое видео DVB

Известно, что для аналогового телевидения, используются стандарты PAL, SECAM, MESECAM, NTSC и т. д. Что касается цифрового ТВ, то в нем применяются основные или базовые стандарты цифрового вещания, к которым относятся: DVB, ATSC, ISDB. Цифровое телевещание основано на открытых стандартах и развивается под контролем консорциума DVB. Наиболее распространенным является стандарт DVB (Digital Video Broadcasting – широковещательное цифровое видео) и его модификации.

Наибольшее распространение получили системы:

  • цифрового спутникового вещания - DVB-S (DVB-S2 второе поколение);
  • цифрового кабельного вещания - DVB-C;
  • цифрового эфирного вещания - DVB-T (в Украине стандарт DVB-T2);

Кроме того, распространено цифровое мобильное телевидение. Для мобильных устройств было создано несколько стандартов цифрового вещания. Например, в Европе выбран формат DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld). Стандарт мобильного вещания в формате DVB-H, основанный на стандарте DVB-T, позволяет передавать цифровой видеосигнал на мобильные устройства (КПК, смартфоны, портативные телевизоры и т.д.).

Альтернативой цифровому мобильному вещанию DVB-H является стриминговое мобильное ТВ (Интернет вещание) на базе мобильных сетей 2G/3G или Wi-Fi. Для просмотра телеканалов на мобильных устройствах необходимо установить специальную программу - видеоплеер (Например, SPB TV, Crystal TV, ITV, Telebreeze Player и др.).

Необходимо отметить, что в настоящее время развивается цифровое телевидение IPTV (DVB-IPTV) и Интернет телевидение Internet-TV. IPTV и Internet-TV - это различные технологии цифрового телевидения. На рисунке 1 представлена схема подключения различных видов цифрового вещания к телевизионному приемнику (smart-tv).

Схема подключения цифрового вещания к smart-tv

Рис. 1. Схема подключения различных видов цифрового вещания к smart-tv.

Цифровое телевидение IPTV в сетях передачи данных по протоколу IP

IPTV (Internet Protocol Television: IP-TV, DVB over IP, IP-телевидение или DVB-IPTV) — цифровое телевидение в сетях передачи данных по протоколу IP. IPTV не связано с инфраструктурой глобальной сети Internet. Компании, которые предлагают видеосервисы IPTV, как правило, дублируют кабельные и спутниковые ТВ-каналы. Важно отметить, что IPTV — это телевидение, которое вещает не через Интернет, для Интернет вещания применяется термин Internet-TV (Интернет-телевидение).

В IPTV доставка видеоконтента к клиентским терминалам осуществляется по IP-сети, управляемой оператором связи. Абоненты могут просматривать телеканалы непосредственно на компьютере с помощью предложенных операторами связи видеоплееров - VLC-player или IP-TV Player, либо на телевизоре с помощью специализированного устройства Set Top Box. IPTV предоставляет два вида видеосервисов: линейное вещание и VOD (Video on Demand — видео по запросу).

При линейном вещании транслируемые программы рассылаются группам клиентов в соответствии с определенным графиком. Для того чтобы клиент смог перейти из одной группы в другую (зарегистрироваться в одной из этих групп) и смотреть выбранный IPTV-канал используется протокол IGMP (Internet Group Management Protocol). Сетевой протокол IGMP предназначен для регистрации клиентов в группах на роутере (multicast routing), который поддерживает multicast. В таблице маршрутизации multicast routing хранится информация о принадлежности клиентов к определенной группе. IGMP предотвращает широковещательную трансляции IPTV и несанкционированный просмотр TV-каналов.

В сервисе VOD применяется совершенно другой подход. В этом случае видео из хранилища пересылается клиенту по его требованию, т.е. каждый клиент получает персональный видеопоток, который он вызывает с пульта управления. Запросы на получение требуемого видео направляются абонентами с использованием протокола RTSP (Real -Time Streaming Protocol). Протокол RTSP используется для доставки содержимого в виде одноадресного потока (для одноадресной передачи видео, т.е. по запросу). Одноадресная передача данных (unicast) используется, в основном, в системах "видео по запросу" (video on demand).

В IPTV применяются транспортные протоколы UDP, RTP, RTCP. Протокол RTP работает поверх UDP (RTP/UDP) и дополняет заголовок пакета UDP полем временной метки и порядковым номером пакета. RTP работает совместно с протоколом RTCP. RTP-протокол отвечает за передачу данных, а RTCP — за управление потоковой передачей.

На уровне IP для определения места доставки пакета используется адрес, на уровне UDP - номер порта. Именно это свойство позволяет сделать услугу цифрового ТВ "DVB over IP" адресной, контролируемой и управляемой на уровне порта с привязкой к MAC адресу устройства абонента.

Цифровое Интернет вещание Internet-TV

Internet-TV (Интернет-ТВ, Онлайн-ТВ или Web-телевидение) – это другая, в отличие от IPTV и DVB, модель распространения видео. Internet-TV – это Интернет вещание, основанное на современном принципе объединения двух технологий: Интернета и телевидения. Интернет-телевидение – это цифровое видео, которое формируется на серверах публикаций CDN и доставляется зрителям через сеть Интернет.

Воспроизведение видео в Интернете осуществляется в двух формах:

  • воспроизведение видео файла по запросу зрителя или телевидение в записи (iVoD - видео по запросу);
  • трансляция видео потока в реальном времени (Live  broadcast - прямой репортаж, прямая передача или "живое" вещание).

Internet Video on Demand (iVoD) - это предоставление готовых мультимедиа файлов, хранящихся на серверах публикаций, для просмотра по запросам зрителей является одной из перспективных форм телевидения. В iVoD используется принцип потоковой передачи – Unicast (одноадресная передача данных). Первым Интернет-видео по запросу iVoD на основе технологии Flash является сервис YouTube.

Web-вещание или онлайн-трансляция (видеовещание в прямом эфире) - это доставка видео и аудиопотоков с веб-камер через Интернет на сервер публикаций (сервер видео трансляций) с последующей трансляцией видео- и аудиоконтента на видео плееры зрителей. В этом случае для раздачи мультимедийного контента используется Multicast трафик (многоадресная передача данных, т.е. широковещательная передача).

Видео плейеры могут быть интегрированы в браузеры (в виде плагина) или работать как самостоятельная прикладная программа (настольная программа). Онлайн телевидение - это просмотр телевизионных каналов на серверах публикаций (веб-порталах прямых трансляций) в реальном времени с помощью видео плееров.

Существует три способа потоковой передачи звука и изображения или доставки мультимедийного контента зрителям через Интернет:

  • последовательный (progressive streaming) с HTTP-сервера, кэшируются на дисковом носителе;
  • в реальном времени (real-time streaming) с потокового сервера (streaming server), не кэшируются на дисковом носителе;
  • гибридный метод.

При прогрессивной загрузке видеофайлов они постепенно загружается на винчестер (в кэш) ПК зрителя и по мере закачки их можно просматривать с жесткого диска (в кэше). При таком способе передачи потокового видео качество изображения гораздо лучше, чем при просмотре с сервера, поскольку видео воспроизводится с жесткого диска ПК зрителя. Следует отметить, что просматривать можно только те части видео, которые уже загружены на ПК зрителя.

Последовательная передача видео через Интернет, в основном, применяется для трансляций медиофайлов небольших размеров, а для реализации такого способа передачи потокового видео применяются обычные HTTP-серверы. Прогрессивная загрузка - это обычная загрузка файла с HTTP-сервера с помощью прикладного протокола HTTP.

Для передачи потокового видео в реальном времени и загрузки видеофайлов больших размеров применяются так называемые потоковые серверы (streaming servers), например, Adobe FMIS streaming, WOWZA streaming, Red5 streaming, Icecast streaming и т.д. В этом случае видеофайлы, которые хранятся на потоковых серверах, в процессе трансляции видео не загружаются полностью на жесткий диск устройства зрителя, т.е. видеозапись можно просматривать, не закачивая весь видеофайл на винчестер ПК зрителя.

Потоковые серверы или серверы потокового мультимедиа (Streaming Media Servers) - это серверные приложения для организации потокового аудио и видеовещания, которые осуществляют раздачу мультимедийных потоков в различных форматах, а в качестве вещательных протоколов применяют различные прикладные и транспортные протоколы.

К прикладным протоколам традиционного потокового вещания относятся: RTSP (Real-Time Streaming Protocol) компании RealNetworks, RTMP (Real Time Messaging Protocol) компании Adobe Systems, модифицированная версия HTTP или Windows Media HTTP Streaming Protocol (MS-WMSP). Протокол RTSP применяют для создания и управления сеансами передачи мультимедийного контента между сервером и клиентом. RTSP используется совместно с протоколами реального времени RTP/RTCP, а в качестве транспортного протокола используется UDP.

RTP работает поверх UDP (RTP/UDP) и заголовок пакета UDP дополняется полем временной метки и порядковым номером пакета. Протоколы RTP и RTCP работают совместно. RTP отвечает за передачу данных, RTCP — за управление потоковой передачей. Прикладной протокол RTMP применяется совместно с транспортным протоколом TCP. Прикладной протокол MS-WMSP применяется совместно с транспортным протоколом TCP.

Гибридный метод доставки мультимедийного контента - это Adaptive HTTP Streaming (адаптивное потоковое вещание поверх протокола HTTP), основанное на протоколе передачи данных HTTP (прогрессивной HTTP загрузке). Суть адаптивного вещания заключается в том, что видеопоток на сервере делится на множество небольших частей и кодируется (упаковывается в определенный контейнер), затем формируется заданное количество вариантов каждой части, отличающихся значениями bitrate и разрешением видео. Закодированные части (cегментированные медиапотоки) размещаются на HTTP-сервере. За выбор частей (сегментов) с сервера в нужном качестве (битрейт и контейнер) отвечает клиентская часть (плеер).

Каждый клиент (плеер) запрашивает (выбирает) те части на HTTP-сервере, которые можно транслировать с оптимальным качеством для существующих в данный момент каналов связи, и скачивает их, используя обычную прогрессивную загрузку по HTTP. Адаптивность состоит в том, что во время просмотра видео плеер зрителя осуществляет переход (адаптируется) между готовыми потоками с различными битрейтами и форматами контейнеров.

К прикладным протоколам адаптивного потокового вещания поверх HTTP относятся: протокол HTTP Dynamic Streaming (HDS) для Adobe Flash, HTTP Live Streaming (HLS) для Apple (в основном для iOS устройств), Microsoft Smooth Streaming for Silverlight, MPEG-DASH (MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Протокол MPEG-DASH можно применять на любой платформе доставки контента и на любом устройстве.

Следует отметить, что наряду с такими традиционными технологиями как Flash или HTTP Streaming, используемыми для создания серверов потокового мультимедиа, уже начинает применяться новая технология - это WebRTC для организации потоковых серверов, так компания Flashphoner выпустила серверное приложение для организации онлайн трансляций в реальном времени и вебинаров "WebRTC Media & Broadcasting Server".

Источником аудио- и видеопотока для WebRTC Media & Broadcasting Server может быть веб-браузер с поддержкой WebRTC и веб-камерой, IP-камера, имеющая поддержку RTSP протокола или медиа-серверы с поддержкой RTSP, видеокодеков H.264, VP8 и аудиокодеков G.711, Speex, Opus. Видеосервер преобразовывает входной мультимедийный контент и транслирует его клиентским терминальным устройствам по WebRTC. Роль клиентских терминальных устройств выполняют браузеры, поддерживающие HTML5 и WebRTC без установки плагинов и расширений.

Модели вещания: централизованное потоковое вещание CDN, пиринговое телевидение P2P и гибридная модель вещания P2P CDN

В Интернете существуют две модели вещания: клиент-серверная модель на основе CDN (Content Delivery Network - сеть доставки контента) и пиринговая модель телевидения или торрент-телевидение. Сеть CDN представляет собой совокупность кэширующих серверов, в которой серверы располагаются как можно ближе к оконечным пользователям с целью предотвращения опорной сети от перегрузки. Популярные в настоящее время видеохостинги основаны либо на классической клиент-серверной модели CDN, либо на ее модификации, которые используют централизованную систему хранения и доставку контента (Рис.2).

Модель вещания на основе CDN

Рис. 2. Клиент-серверная модель на основе CDN.

Основным недостатком централизованного потокового вещания является необходимость создания мощных видеосервер и каналов передачи видео с высокой пропускной способностью, которые должны поддерживать работу потокового видео для миллионов пользователей в реальном времени. Чем больше зрителей одновременно выбирают определенный канал, тем больше нагрузка на сервер и каналы передачи видео, в результате возникают проблемы со скоростью и качеством передачи видеопотока (зависанием кадров).

В отличие от клиент-серверной модели вещания CDN у пиринговой модели телевидения качество и скорость передачи видеопотока улучшается с увеличением количества зрителей, т. е., чем больше зрителей, тем выше качество телевидения. По этой причине в настоящее время востребовано децентрализованное Internet-TV или пиринговое телевидение, которое основано на тех же принципах, что и работа торрентов.

Использование торрент-технологий позволяет плееру зрителя загружать фрагменты видео не из централизованного CDN сервера, а выбирать требуемые фрагменты из кэша (где они временно хранятся) компьютеров клиентов, которые смотрят это видео. Торрент-технологии значительно разгружают серверы видеохостингов. Но наиболее перспективными моделями вещания являются гибридные на основе клиент-серверной модели CDN и пиринговой модели телевидения P2P.

Гибридная модель обеспечивает возможность одновременной передачи видеофрагментов клиенту как из централизованного сервера (по протоколу HTTP), так с и компьютеров клиентов через P2P сеть (по сетевым протоколам BitTorrent). В такой гибридной модели HTTP серверы служат только в качестве серверов поддержки, а весь основной трафик децентрализовано распределяется между потребителями через P2P сеть.

Гибридная модель вещания P2P CDN реализована, например, на основе технологий Ace Stream. ACE Stream HD – это кроссплатформенное программное приложение. В пакет программного обеспечения Ace Stream Media включены серверные и клиентские приложения (как настольная программа, так и плагины для браузеров): ACE Stream HD, плагин для веб-браузеров Ace Stream P2P Multimedia Plug-in, мультимедийный плеер ACE Player HD и TS Magic Player – дополнительное расширение для браузеров Mozilla Firefox, Google Chrome и Opera. Платформа обеспечивает воспроизведение видео в режимах: iVoD и Live Stream.

Модель вещания ACE Stream p2p

Рис. 3. Модель ACE Stream p2p.

К другому типу гибридной модели относятся: PeerCDN, FlockPlay, Viblast, Peer5, Swarmify, StreamRoot, в которых используются технологии WebRTC. В этих моделях применяется клиент-серверная модель на основе CDN и пиринговая модель телевидения на основе технологии WebRTC. Для организации распределенной CDN в этих проектах браузеры (пиры) работают как серверы (PeerServer) для других браузеров через пиринговые P2P-каналы с использованием технологии WebRTC.

Необходимо отметить, что WebRTC является частью проекта HTML5. WebRTC обеспечивает доступ браузера к веб-камере и микрофону пользователя средствами HTML5 и JavaScript без дополнительных плагинов и расширений.

Следует отметить, что в гибридной модели с применением WebRTC метаданные видео файлов и информацию о пирах, просматривающих данное видео, пиры получают от Tracker, установленного на CDN сервере. Перераспределение потоков видеотрафика P2P/CDN в гибридной сети Viblast на основе технологии WebRTC показано на рисунке 4.

Гибридная модель вещания Viblast

Рис. 4. Viblast.

В Китае широко применяется P2P потоковое интернет-телевидение: PPLive, PPStream, TVUPlayer, Coolstreaming, PPMate и другие модели.

В настоящее время ведутся работы по созданию гибридной модели вещания на основе WebTorrent. WebTorrent это первый клиент BitTorrent, который работает в браузере, используя только HTML5 и WebRTC без установки плагинов и расширений. WebTorrent является торрент-клиентом для Node.js (среды выполнения серверного JavaScript кода) и браузера, поддерживающего WebRTC.

Необходимо отметить, что при поддержке Евросоюза активно велись работы по созданию пирингового вещания проекта P2P-Next на основе BitTorrent. Консорциумом P2P-Next был разработан видеоплеер SwarmPlayer (SwarmPlayer 2.0) или программа-клиент для пирингового вещания P2P-Next. Но в настоящее время судьба этого проекта неизвестна и, кроме того, сайт http://www.p2p-next.org/ о деятельности консорциума заблокирован.