Передача видео по IP-сетям зачастую может быть нетривиальной задачей. Рассмотрим некоторые варианты использования технологий вещания в реальном времени в различных условиях – как в корпоративных сетях, так и в сетях операторов связи. Коснемся проблем передачи видео и предложим возможные пути их решения. И, наверное, самое важное – обратимся к построению и оптимизации IP-сетей для обеспечения адекватной передачи видео высокого разрешения
С развитием технологий цифровой обработки видео и появлением новых форматов видео и аудио значительно повысилось качество изображения. Вместе с этим параллельно развивались и различные технологии видеовещания, позволяющие передавать видеопотоки более высокого качества. Появились системы цифрового вещания через проводные, спутниковые, мобильные системы, а также вещание с использованием традиционной сети телевещания (DVB-T). С повышением качества передаваемого видео появляются новые возможности для решения различных задач в самых разных областях: общение (Skype, Telepresence), развлечения (IPTV, "домашний кинозал"), коммерция, безопасность и др.
Однако возникли и новые проблемы, которые приходится решать администраторам IP-сетей. Как известно, для передачи не только видео, но и любых других потоков реального времени сеть должна удовлетворять определенным требованиям по обеспечению пропускной способности QoS. Технически с точки зрения пакетной коммутации основное отличие потока HD от SD заключается в большей занимаемой пропускной способности каналов. Рекомендации по настройке QoS практически те же самые. Но с точки зрения развития услуг, основанных на передаче формата HD, возникают дополнительные ограничения, которые необходимо преодолевать не только техническими, но и организационными средствами при построении либо оптимизации сетей. Рассмотрим основные требования, которым должна удовлетворять сеть для передачи видео:
1. Пропускная способность каналов
На сегодня услуга IPTV предлагается большинством крупных операторов ШПД. Повышение спроса на нее среди пользователей, а также огромный выбор телеканалов явились следствием огромной нагрузки на каналы связи. Суммарная пропускная способность, занимаемая потоками IPTV на магистральных каналах оператора, может достигать сотен мегабит в секунду, что является существенной долей по отношению к остальным видам трафика. То же относится и к ведомственным, и коммерческим сетям.
Если речь идет о видеонаблюдении, то по сравнению с потоками SD пропускная способность каналов, используемая потоками HD, вырастает на порядок. Если говорить о сервисах ВКС, то для современных систем с учетом нескольких участников конференции может потребоваться до нескольких десятков мегабит в секунду.
2. QoS
Наличие необходимой пропускной способности является достаточным условием в случае, когда мы используем отдельную сетевую инфраструктуру исключительно для передачи трафика реального времени. Такую роскошь может позволить себе не каждый, поэтому чаще всего потоки передаются вместе с остальным трафиком в одном канале. Вследствие этого, если не принимать никаких дополнительных мер, увеличивается задержка пакетов, джиттер, а также возникают потери. В итоге страдает качество предоставляемых услуг. В случае операторов IPTV качество изображения – это ключевой момент для конкурентоспособности услуги. Для корпоративных заказчиков – вопрос престижа компании. В сфере безопасности ухудшение качества видеопотоков может быть в принципе неприемлемым: из-за потерь пакетов может, например, не сработать система распознавания образов.
При проектировании сетей либо оптимизации существующей инфраструктуры необходимо учитывать описанные выше ограничения. В какой бы сфере ни предполагалось использование вещания цифровых потоков, при подготовке решения в первую очередь нужно понимать, каким требованиям должна удовлетворять сеть. Это позволит правильно выбрать подходящие технологии и модели оборудования. Для этого необходимо проработать несколько вопросов.
Расчет пропускной способности
Необходимо оценить количество источников видео и приемников, чтобы в итоге иметь представление о требуемой пропускной способности каналов на каждом участке сети. Кроме того, нужно также понимать, с какой скоростью будет вещать каждый из источников. Это зависит от настроек вещающего оборудования, параметров видео и степени сжатия.
В данном вопросе также нужно рассчитать количество потоков, которое будет проходить одновременно через каждый участок сети в разные моменты времени. Для систем ВКС этот вопрос вряд ли актуален, так как количество терминалов обычно небольшое и занимаемая пропускная способность известна заранее. В системах видеонаблюдения такой расчет тоже не вызовет затруднений, поскольку обычно количество оборудования и количество принимаемых потоков известны заранее и остаются постоянными в течение длительного времени. Сложность возникает у операторов IPTV, поскольку заранее неизвестно, сколько пользователей какие каналы будут смотреть. В данном случае расчеты должны основываться на статистических исследованиях.
Выбор технологий передачи потоков
Здесь в первую очередь нужно решить, какой способ маршрутизации потоков следует выбрать. Вариантов всего два – unicast или multicast, но от выбора кардинально зависит решение в целом.
Вещание unicast просто реализовать технически. Такой способ может использоваться в случаях, когда в каждый момент времени каждый поток принимает только один получатель. Передача видео в форме unicast в основном используется в ВКС, а также для видеонаблюдения, когда каждый поток приходит только на один операторский монитор либо сервер записи.
В случае если планируется организовать распределенную сеть видеонаблюдения, где требуется выводить каждый поток на множество операторских терминалов, а также серверов записи и обработки видеоинформации, нужно использовать multicast. Так экономится пропускная способность, поскольку каждый поток в каждом канале существует в единственном экземпляре. По этой причине для операторов IPTV остается только вариант использования multicast. Но с другой стороны, multicast предъявляет дополнительные требования к сети, поскольку для его маршрутизации используются отдельные протоколы.
Другой важный вопрос – обеспечение приоритета для трафика реального времени на каждом отрезке сети. Существует множество стандартов и различных способов реализации данной задачи у каждого производителя сетевого оборудования. В Интернете можно легко найти подробную документацию по этой теме. Нужно также помнить, что в случае передачи видеопотоков через арендованные каналы или IP VPN, следует озаботиться заключением договора SLA с операторами по обеспечению гарантированных параметров каналов.
Масштабируемость решения
Заключительным этапом технического проектирования сети должен стать выбор оборудования. Выяснив, какие протоколы и какую общую пропускную способность должно поддерживать оборудование, нужно оценить, насколько может увеличиться количество источников и приемников в течение ближайших нескольких лет. Поскольку всякое оборудование имеет ограниченный запас системных ресурсов, стоит рассмотреть возможность выбора оборудования с запасом производительности. Зачастую неверный выбор модели оборудования приводит к необходимости модернизации сети уже через 1–2 года после покупки оборудования, и его замена может обойтись гораздо дороже. По этому вопросу лучше всего проконсультироваться с представителями производителя выбранного оборудования, поскольку нередко ограничения могут быть связаны с особенностями оборудования и используемой в нем прошивки.
В случае когда для видеовещания планируется использовать multicast, следует иметь ввиду возможные проблемы, с которыми придется столкнуться.
В первую очередь важно знать, что операторы связи часто намеренно фильтруют сквозную передачу multicast через свои сети. Поэтому если планируется передавать видеопотоки через арендованные каналы или же какие-либо сегменты собственной сети не поддерживают multicast, то можно прибегнуть к различным способам, чтобы обойти эту проблему.
Самый простой способ – создание туннеля между сегментами сети. В этом случае multicast будет дополнительно инкапсулироваться и передаваться как обычные пакеты unicast. Существует большое количество протоколов туннелирования, у каждого из которых есть свои плюсы и минусы.
Другой способ – применение шлюзов вещания. Данный способ также подразумевает использование unicast, но при этом (в отличие от туннеля) меняется заголовок пакетов. В простейшем случае такой функционал можно реализовать путем установки пары серверов с использованием СПО (например, VLC). Но есть также большое количество решений для операторов IPTV, в которых сервер не только выступает в роли шлюза, но и осуществляет функции хранения и мониторинга видеопотоков.
Как мы уже говорили, с развитием видеовещания и появлением на его основе массовых услуг сформировалось более серьезное отношение к качеству предоставляемого видео. Появляется важная задача – осуществление мониторинга качества услуги. Причем зачастую эта задача также нетривиальна в связи с тем, что данный мониторинг носит проактивный характер. То есть система мониторинга должна автоматически анализировать состояние сети и различные параметры передачи потоков и, если какие-то изменения могут повлиять на качество потоков, заблаговременно сигнализировать об этом либо производить автоматическую перенастройку сети (например, переключение на резервный маршрут).
Способы мониторинга потоков реального времени можно условно разделить на два типа: низкоуровневые и высокоуровневые. Под низкоуровневым мониторингом понимается анализ параметров прохождения пакетов через сеть. Например, путем задания тестовой последовательности между двумя хостами в сети проверяется задержка прохождения пакетов, уровень джиттера, а также наличие потерь на всем пути между этими хостами. Поскольку тестовые пакеты замешиваются с реальными потоками в тех же каналах, то любые ухудшения параметров тестовой последовательности также указывают и на возможные ухудшения параметров этих потоков. Производители сетевого оборудования часто включают возможность такого анализа в функционал оборудования и обеспечивают его взаимодействие (настройку и отправку статистики) с системами мониторинга стандартными средствами (например, по SNMP).
Высокоуровневый мониторинг подразумевает использование специальных анализаторов в разных участках сети для подробного разбора видеопотоков на транспортном уровне. Такие средства используются в основном операторами IPTV для проверки качества оцифровки и сжатия видео. Для максимально эффективной работы можно совмещать оба способа.
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #2, 2012