Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Диссертация на соискание академической степени магистра

Исследование технологий потокового вещания в сетях передачи данных и методов его оптимизации

5A330201 - Компьютерные системы и их программное обеспечение

ШПАКОВ ВИКТОР ВАЛЕРЬЕВИЧ

Научный руководитель ст. пр. Хан И.В.

Ташкент 2013



Аннотация

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию современных методов и алгоритмов оценки надежности телекоммуникационных сетей, разработке и созданию методов и алгоритмов оценки надежности с помощью нейронных сетей, а также оптимизации работы нейронной сети путем модификации программного кода и параметров системы.

Актуальность исследования. На сегодняшний день, трудно представить нашу жизнь без средств связи и телекоммуникации. Телекоммуникация стало неотъемлемой частью жизни каждого из нас. И мы пользуемся их возможностями практический везде. Мы знаем что наш век, век информационных технологий (ИТ), время когда ИТ развиваются высокими темпами, и охватывает все сферы жизни. Рост размерности технических и программных средств характеризуется в настоящее время роста телекоммуникационных сетей, включающим от тысячи до миллиона элементов - узлов и каналов взаимодействия. С ростом размерности сети происходит радикальное перераспределение важности решения различных классов задач разработки и эксплуатации подобных объектов. Резко возрастает значимость анализа надежности таких сетей. Таким образом очень важной становится задача, посвященная разработке методов и алгоритмов оценки надежности телекоммуникационных сетей.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются нейро-информационные методы диагностики систем на основе нейронных сетей, методика и средства вычислительного эксперимента по оценке корректности, достоверности и эффективности построенных моделей и алгоритмов. Предметом исследования является методы оценки надежности систем, модели и алгоритмы.

Цель и задачи исследования. Основной целью исследований является разработка методов и алгоритмов оценки надежности на основе нейронных сетей.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- Обзор существующих методов и алгоритмов оценки надежности систем.

- Сравнительный анализ существующего программного обеспечения.

- Разработка методов и алгоритмов оценки надежности телекоммуникационных сетей на основе нейронных сетей.

- Анализ существующее состояние проблемы разработки моделей оценки и нейронных методов обработки информации при их оптимальном управлении для решения задач сетей телекоммуникации;

- Решение задач оценки надежности телекоммуникационных сетей с использованием нейронных сетей.

Методы исследования. В работе используются методы математического и структурного анализа, оптимизации программного кода, задействован математический аппарат для моделирования процессов нейронных сетей.

Научная новизна данной работы заключается в том, что в ходе исследований и разработки программного обеспечения были разработаны новые методы анализа и оптимизации работы системы путем внесения изменения в существующие методы и алгоритмы.

Научно-теоретическая и практическая значимость. Разработанная система методик позволяет оптимальным образом построить и настроить нейронные сети для оценки надежности телекоммуникационных сетей. Разработанное программное обеспечение может быть использовано в аналогичных системах для диагностики и прогнозирования, а также для обеспечения стабильности.

Структура и объём магистерской диссертационной работы. Данная диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений и библиографического списка из 42 наименований. Работа изложена на 86 страницах, включая 1 таблицу и 19 рисунков.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Исследование современное состояние оценки надежности систем позволяет решать задачу оценки системы при необходимом уровне достоверности.

2. При построении нейронных сетей для оценки надежности сети надо предварительно подготовить входные данные и привести их одному виду. Данные должны быть достоверными и обоснованными для получения реальные показатели надежности.

3. Количество нейронов в нейронном слою надо подобрать оптимальным образом. Так как повышения количество нейронов замедляет работы ПО, а понижения увеличивает искажения. При повышении количество нейронов больше 5 на одно измерения ПО обучения производилось очень долго так как количество нейронов внутреннем слое достигало 390625 шт. Обучения производилась более 15 тыс. данными.

4. Классы было условно разделено на 5 (A, B, C, D, E). Но можно менять количество классов на большее количество или на меньшее.

5. Алгоритм можно усложнить и модифицировать для получения более лучших результатов и ускорить обучение сети.



Содержание

• Введение
• 1. Исследование принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных
• 1.1 Анализ принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных
• 1.2 Классификация технологий доставки информации от сервера до клиента
• 1.3 Классификация и анализ форматов представления мультимедийного контента
• 1.4 Анализ противоречий в реализации вещания мультимедийного контента
• 1.5 Анализ прикладного ПО для организации мультимедийного вещания
• 1.6 Формулирование требований на разработку и выбор прикладного программного обеспечения комплекса мультимедийного вещания
• Выводы по главе I
• 2. Исследование способов представления мультимедийного контента в цифровом виде
• 2.1 Дискретное косинусное преобразование
• 2.2 Исследование способов представления видеоданных
• 2.3 Исследование способов представления аудиоданных
• Выводы по главе II
• 3. Реализация аппаратно-программного комплекса потокового мультимедийного вещания
• 3.1 Разработка методики выбора программного обеспечения
• 3.2 Разработка методики анализа работы и исходного кода программного обеспечения для транскодирования потоков
• 3.3 Разработка методов и приемов оптимизации работы и обеспечения стабильности системы
• 3.4 Разработка дополнительного программного обеспечения для обеспечения удобства пользования системой потокового вещания
• 3.5 Описание структуры разработанной системы
• 3.6 Анализ полученных результатов
• Выводы по главе III
• Заключение
• Библиографический список
• Приложения


Введение

мультимедийный сеть программный обеспечение

В Республике Узбекистан в соответствие с Законом «Об информатизации» [1], Указом Президента Республики Узбекистан «О дальнейшем развитии компьютеризации и внедрении информационно-коммуникационных технологий» [2] и другими нормативными актами предпринимаются активные меры по внедрению информационно-коммуникационных технологий в различные сферы деятельности. Государственная политика в области информатизации направлена на создание национальной информационно-коммуникационной инфраструктуры, отвечающей мировым стандартам и учитывающей современные мировые тенденции развития вычислительной области. В соответствии с государственными программами намечен поэтапный переход на цифровое телевидение до 2016 года [3,4].

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию современных технологий и принципов потокового мультимедийного вещания в рамках сети передачи данных, разработке и созданию аппаратно-программного комплекса потокового мультимедийного вещания спутниковых каналов, а также оптимизации работы системы мультимедийного вещания путем модификации программного кода и параметров системы.

Актуальность исследования.

Передача мультимедийной информации является актуальной для различных сфер человеческой деятельности - телевидения, научных исследований, современных технологий дистанционного обучения, развлекательных услуг и др. В связи с бурным развитием информационно-коммуникационных технологий и активным распространением высокоскоростных IP сетей появились технические возможности для обработки и передачи мультимедийной информации, в частности видео высокого разрешения, по сетям передачи данных. При этом потоковая передача мультимедийной информации в режиме реального времени предъявляет повышенные требования к производительности сети, пропускной способности канала передачи данных, задержкам и допустимым потерям данных. Исследование и применение наиболее приемлемых стандартов сжатия, преобразования и представления видеоинформации, разработка протоколов и методов передачи составляют важную проблему в области развития информационных технологий.

Следующим шагом в развитии высокоскоростных сетей передачи данных может стать организация потокового вещания каналов спутникового телевидения по сети интернет. Данная идея уже не раз реализовывалась в других странах. Решения мультимедийного вещания поставляют компании Cisco, Alcatel, Minerva и другие [27, 28, 29]. Однако решения эти весьма дорогостоящие и ресурсоемкие. Закупку и эксплуатацию больших систем мультимедийного вещания могут позволить себе только очень крупные операторы связи. Мелким и средним операторам приходится либо вообще отказаться от предоставления подобных услуг, либо использовать свои сети в качестве транзитных с предоставлением услуг своим клиентам через более крупного оператора. Рыночная ниша же недорогих систем мультимедийного вещания почти не заполнена. Есть потребность в создании методологии разработки программно-аппартаных комплексов мультимедийного вещания в рамках финансовых ограничений.

Как уже было сказано, одно из основных направлений государственной программы в Узбекистане на данный момент - поэтапный переход к цифровому вещанию. Президент Республики Узбекистан Ислам Абдуганиевич Каримов в своих докладах не раз отмечал, что переход на цифровое, мобильное и интернет-телевидение имеет большое значение в дальнейшем развитии и модернизации страны, повышении благосостояния народа [5,6,7,8].

Данная работа посвящена исследованию технологий и принципов мультимедийного вещания, анализу и методике выбора программного обеспечения для передачи мультимедийного контента, а также методике создания оптимальной системы мультимедийного вещания спутниковых телевизионных каналов.

Объектом исследования являются технологии потокового мультимедийного вещания.

Предметом исследования являются форматы кодирования, сжатия и представления мультимедийной информации, методы построения и оптимизации систем потокового мультимедийного вещания.

Целью работы является исследование принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных и разработка методологии создания и оптимизации программно-аппаратного комплекса потокового мультимедийного вещания.

Кроме того целью работы является изучение математического аппарата, используемого для представления мультимедийных данных в оптимальном с точки зрения аппаратных затрат цифровом виде на основе анализа процессов кодирования и декодирования.

В ходе работы решаются следующие задачи:

· Обзор существующих технологий и принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных.

· Исследование математического обеспечения представления мультимедийного контента в цифровом виде.

· Сравнительный анализ существующего программного обеспечения для систем потокового мультимедийного вещания.

· Разработка методологии выбора программного обеспечения для системы потокового мультимедийного вещания и повышения его стабильности и эффективности.

· Создание дополнительного программного обеспечения для системы мультимедийного вещания.

Основная проблема и гипотеза исследования. Основной проблемой в исследовании является задача разработки совокупности методик для построения оптимальной системы мультимедийного потокового вещания, нацеленной на работу в сети передачи данных со средней пропускной способностью канала. Гипотеза для решения данной проблемы заключается в том, что для построения такой системы необходим комплексный подход в выборе программных средств, анализе их структуры, быстродействия и стабильности, модификации программного кода и разработке дополнительного программного обеспечения.

Методы исследования. В работе используются методы математического и структурного анализа, оптимизации программного кода, задействован математический аппарат цифровой обработки сигналов, а также методология формализованного проектирования программного обеспечения RUP.

Научно-теоретическая и практическая значимость исследования. Разработанная система методик позволяет оптимальным образом построить и настроить систему потокового вещания в сети передачи данных. Разработанное программное обеспечение может быть использовано в аналогичных системах для мониторинга и администрирования, а также для обеспечения стабильности.

Научная новизна данной работы заключается в том, что в ходе исследований и разработки программного обеспечения были разработаны новые методы анализа и оптимизации работы системы путем внесения изменения в существующие программные продукты на основе открытого кода.

Структура работы. Данная диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, четырех приложений и библиографического списка из 42 наименований. Работа изложена на 100 страницах, включая 19 таблиц и 36 рисунков.

Во введении рассмотрена актуальность данной работы, определена цель, поставлены задачи, описана структура работы.

В первой главе проведен анализ современных технологий доставки информации от сервера да клиента, приведена классификация и анализ форматов мультимедийного контента, анализ программного обеспечения для мультимедийного вещания, методика анализа противоречий, определены требования к разрабатываемой системе.

Во второй главе проведено исследование математического обеспечения представления мультимедийного контента в цифровом виде. Подробно изучены процессы кодирования и декодирования видео- и аудиоинформации.

В третьей главе разработана методика построения комплекса мультимедийного потокового вещания спутниковых телевизионных каналов в сеть передачи данных. Разработаны методы и приемы оптимизации работы и обеспечения стабильности системы. Описана программная реализация разработанных методов и приемов оптимизации работы системы, программная реализация дополнительного программного обеспечения, структура аппаратно-программного комплекса мультимедийного вещания. Произведен анализ полученных результатов. Подведены итоги исследований.

В заключении приведен краткий отчет о проделанной работе.

Апробация работы. Часть полученных в работе научных и практических результатов докладывалась и обсуждалась на конференции «Информационные технологии и проблемы телекоммуникаций» проходившей 14-15 марта 2013 года в г.Ташкент, а также на технической конференции Microsoft Tech-ed, проходившей 9-10 ноября 2011 года в г. Москва.



1. Исследование принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных

В данной главе, в результате обзора информационных источнков, проведен анализ принципов мультимедийного вещания в рамках сети передачи данных, анализ современных технологий доставки информации от сервера да клиента, приведена классификация и анализ форматов мультимедийного контента и анализ программного обеспечения для мультимедийного вещания. Также описана методика анализа противоречий и определены требования к разрабатываемой системе.

Под сетями передачи данных подразумеваются информационные сети различной структуры и топологии, поддерживающие работу по протоколу TCP/IP. Услуги сетей передачи данных можно разделить на четыре категории: доступ к Интернет ресурсам, доступ к внутренним ресурсам, IP-телефония, и IP-телевидение/радио.

К источникам мультимедийного контента можно отнести: файлы мультимедиа, цифровое эфирное телевидение, аналоговое эфирное телевидение, эфирное радио (FM/AM), цифровое кабельное телевидение, аналоговое кабельное телевидение, открытое спутниковое цифровое телевидение и радио, зашифрованное спутниковое цифровое телевидение и радио, локальные источники мультимедиа.

Выделяют два принципа потоковой передачи мультимедийного контента в сетях передачи данных - одноадресная передача (Unicast) и многоадресная передача (Multicast).

Управление параметрами сети осуществляется тремя основными способами: варьированием скорости передачи, адаптивным кодированием видеоинформации, характеристики которого определяются скоростью передачи, и локальным ускорением передачи на коротких интервалах за счет повышения степени сжатия.

Для удобства хранения и передачи по сети мультимедийный контент подвергают сжатию. Для получения оцифрованного потока применяются алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании сигнала (JPEG, MJPEG, MPEG-2, MPEG-4, H.263), а также Wavelet и JPEG2000.

К основным стандартам цифрового телевидения относятся стандарты ATSC, ISDB и DVB. В основе всех стандартов лежит формат представления мультимедийных данных MPEG-2. Однако для вещания в рамках сети передачи данных наиболее приемлем формат MPEG-4 как наиболее перспективный.

В данной главе приводится сравнительный анализ существующих программных продуктов для реализации системы мультимедийного вещания.

1.1 Анализ принципов мультимедийного вещания в сетях передачи данных

В данном разделе будут рассмотрены принципы мультимедийного вещания, в сетях передачи данных представляющего собой передачу от некоторого центрального узла (иначе сервера вещания) информационного потока, включающего в себя аудио и визуальные данные, а также некоторый объем служебной информации для возможности получения передаваемой информации и ее воспроизведение клиентом (клиентским программным обеспечением). Под сетями передачи данных подразумеваются информационные сети различной структуры и топологии, поддерживающие работу по протоколу TCP/IP (rfc791, rfc793).

Постоянное усовершенствование технологий сетей передачи данных с одновременным удешевлением оборудования привело к стремительному росту числа высокоскоростных сетей передачи данных и все большему числу пользователей услуг, предоставляемых этими сетями. Классификация услуг, которые могут предоставляться абонентам, представлена на рис.1.



Рис. 1 Классификация услуг сетей передачи данных

Как видно из рис. 1 услуги сетей передачи данных можно разделить на четыре категории: доступ к Интернет ресурсам, доступ к внутренним ресурсам, IP-телефония и IP-телевидение/радио. Различия Интернет-ресурсов и внутренних заключается в различных скоростных возможностях, а также затрат на организацию информационного обмена. С точки зрения оператора желательно, чтобы максимальный информационный поток (игровые сервера, обмен данными и проч.) находились внутри сети, не затрачивая дорогой канал доступа к сети Интернет. IP-телефония стала уже достаточно популярной. Условно ее можно разделить на телефонию только в рамках сетей передачи данных (IP-IP), а также телефонию, связывающую сеть передачи данных с обычной телефонной сетью (IP-phone) (H323, H225, H245, Q931) [10].

Наименее распространенными и наиболее перспективными услугами являются IP- телевидение и IP-радио. Предоставление этих услуг возможно только в сетях со скоростью передачи данных более 100 Мбит/с. Обе услуги могут быть реализованы как в виде потокового вещания - практически полный аналог существующего телевидения и радио с отличием только в среде и форме передачи сигнала от источника к потребителю, так и в виде телевидения и радио по запросу, когда абоненты запрашивают и просматривают только необходимые им в определенный момент времени фильмы, информационные и развлекательные передачи. Радио- и видеоданные возможно объединить единым термином - мультимедиа данные или мультимедийный контент.

В таблице 1 представлены сравнительные характеристики требований к мультимедийному вещанию в сетях передачи данных [12].

Таблица 1

Сравнительные характеристики требований к мультимедийному вещанию

Наименование сервиса	Протокол	Средняя емкость ресурса (бит/с)	Назначение	Аппаратные средства	Примечание
Потоковое вещание видео (multicast)	MPEG2 MPEG4 (UDP, RTP)	4-6M 2-4M	Потоковое вещание при использовании специализированного каналообразующего оборудования	Спутниковая PCI плата	Телевизионное качество (540х768)
Потоковое вещание аудио (multicast)	MPEG1 Layer3 (UDP, RTP)	128k			Стереозвук
Потоковое вещание видео (unicast)	MPEG2 MPEG4 (UDP, RTP)	4-6M 2-4M	Потоковое вещание без использования специализированного каналообразующего оборудования		Телевизионное качество (540х768)
Потоковое вещание аудио (unicast)	MPEG1 Layer3 (UDP, RTP)	128k			Стереозвук
IP телефония	H.323	6k-64k	Местная телефонная связь, доступ к междугородней и международной телефонной сети	IP-Phone, шлюзы IP телефонии	Интерактивный режим
Видеоконфе-ренцсвязь	H.323	64k-256k	Видеотелефония	WEB-камеры	Интерактивный режим

Рис. 2 Классификация источников мультимедийного контента

Основной задачей для операторов сетей передачи данных, развертывающих системы IP-телевидения и IP-радио (или иначе IP-мультимедиа), является задача поиска источников самого мультимедийного контента и выявления критериев сравнения этих источников. На рис. 2 представлена классификация источников мультимедийного контента. Как видно из этой классификации, в качестве источников мультимедийного контента могут выступать: файлы с мультимедиа информацией на носителях, эфирное телевидение, эфирное радио, кабельное телевидение, спутниковое телевидение, а также различного вида локальные источники мультимедийной (видео и/или аудио) информации. Дальнейшее разделение каждого источника основывается на различиях оборудования распознавания/приема данного вида контента [10].

Каждый вид источника обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому для получения объективной картины необходимо выделить критерии сравнения:

1. Информационная новизна;

2. Стоимость оборудования для получения мультимедийного контента;

3. Легкость преобразования для потокового вещания;

4. Легкость преобразования и классификации для видео-По-запросу;

5. Количество доступных различных источников одного типа.

Критерии будем оценивать с помощью 5-ти бальной шкалы: 1 - наихудшее, 5 - наилучшее состояние. В таблице 2 представлена оценка доступных источников мультимедийного оборудования.

Таблица 2

Оценка источников мультимедийного контента

Критерий Источник	1	2	3	4	5
Файлы мультимедиа	1	5	3	5	5
Цифровое эфирное телевидение	4	2	5	5	1
Аналоговое эфирное телевидение	4	4	1	1	4
Эфирное радио (FM,AM)	4	4	2	1	4
Цифровое кабельное телевидение	4	2	5	1	2
Аналоговое кабельное телевидение	4	4	1	1	2
Открытое спутниковое цифровое телевидение и радио	4	3	5	1	4
Зашифрованное спутниковое цифровое телевидение и радио	5	1	3	1	5
Локальные источники мультимедиа	2	3	3	1	3

Как можно увидеть из таблицы у каждого из источников имеются свои достоинства и недостатки, поэтому выбор того или иного источника должен определяться как с учетом вышеозначенных критериев, так и на основе различного рода ограничений (возможностей приобретенного или разработанного программного обеспечения, финансовых, организационных), а также с учетом мнения потенциальных абонентов данной услуги.

Следующим этапом формирования услуги IP-мультимедийного вещания должен стать выбор формата представления самого мультимедийного контента.



1.2 Классификация технологий доставки информации от сервера до клиента

Под технологией доставки информации от сервера до клиента следует понимать многообразие протоколов передачи данных, с помощью которых осуществляется общение сервера вещания и клиента в рамках сети передачи данных. Существует две основные схемы доставки цифровых потоков по IP сетям, обладающих своими достоинствами и недостатками: технология точка-точка (unicast), технология точка-многоточка (multicast) [20] (рис. 3).

Рис. 3 Схемы доставки цифрового потока от сервера до клиента

В случае использовании unicast технологии возможно использование протоколов передачи данных без гарантии доставки: UDP, RTP (Real-Time Transport Protocol - Протокол передачи реального времени, RFC-2205, -2209, -2210, -1990, -1889,-3989, -3952; "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications" H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson). Последний базируется на идеях, предложенных Кларком и Тенненхаузом [21], и предназначен для доставки данных в реальном масштабе времени. При этом определяется тип поля данных, производится нумерация посылок, присвоение временных меток и мониторинг доставки. Приложения обычно используют RTP поверх протокола UDP для того, чтобы использовать его возможности мультиплексирования и контрольного суммирования.

Но RTP может использоваться и поверх любой другой сетевой транспортной среды. Однако сам по себе RTP не обеспечивает своевременной доставки и не предоставляет каких-либо гарантий уровня сервиса. Этот протокол не может гарантировать также корректного порядка доставки данных. Правильный порядок выкладки информации может быть обеспечен принимающей стороной с помощью порядковых номеров пакетов. Такая возможность крайне важна всегда, но особое внимание этому уделяется при восстановлении передаваемого изображения.

Кроме того, при использовании unicast возможно применение и протоколов с гарантией передачи данных: TCP, HTTP. В этом случае будет несколько увеличен информационный поток, но зато гарантируется качество принимаемого мультимедийного контента в условиях ненадежного канала передачи данных. Под ненадежностью канала в данном случае должно пониматься кратковременный отказ передачи (различного рода коллизии в сети), сбои в передаче (неправильный порядок IP пакетов принятых клиентским ПО из за различного времени доставки) и прочее. Однако же информационная емкость самого канала должна быть достаточна как для передачи мультимедийного контента, так и для передачи служебной информации и повторных частей мультимедийного контента.

При использовании multicast технологии возможно применение следующих протоколов без гарантии доставки: UDP, RTP. Как уже отмечалось выше RTP обеспечивает некоторый контроль за информационным потоком, но не может полностью гарантировать доставку данных до клиента. Однако же использование multicast технологии с UDP или RTP протоколом совместно с качественным каналообразующим оборудованием, с поддержкой IGMP маршрутизации (RFC-1112, RFC-2236), позволяет достичь максимальной эффективности сервера мультимедийного вещания - аппаратные и программные затраты сервера вещания идут только на получение мультимедийного контента и передачу его в сеть, а доставку до конкретного абонента и гарантию этой доставки будет обеспечивать каналообразующее оборудование.

Таблица 3

Оценка параметров unicast и multicast

unicast	multicast
Особенности
Непосредственная передача данных от сервера клиенту с установлением или без установления соединения. Причем в отправляемых IP пакетах явно указывается IP адрес сервера и IP адрес клиента.	Опосредованная передача данных от сервера клиенту, осуществляемая с помощью входа сервера и клиентов в т.н. multicast группы [27]. В IP пакетах, отправляемых сервером содержится IP адрес самого сервера и адрес multicast группы, для которой предназначен пакет. Каналообразующее оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы) производят отслеживание подключения и отключения клиентов к/из multicast групп и соответственно направляют или не направляют соответствующий IP пакет в сегмент клиента
Используемые протоколы
передачи: TCP, UDP, RTP, HTTP маршрутизации: RIP, BGP, OSPF	UDP, RTP IGMP
Каналообразующее оборудование, поддерживающее передачу по схемам
Все оборудование, поддерживающее передачу данных по протоколу IP	Маршрутизаторы, поддерживающие протокол маршрутизации IGMP Коммутаторы с поддержкой IGMP Snooping Прочие коммутаторы и концентраторы с передачей multicast пакетов в широковещательном режиме

При решении вопроса относительно схемы предоставления мультимедийных услуг необходимо учитывать сложившуюся обстановку внутри IP сети (существующее оборудование, возможности по его модернизации), количество пользователей сети, количество потенциальных абонентов услуги. Принципиально может сложиться две ситуации - мультимедийные услуги должны быть приложением и простым расширением функциональности базовой IP сети (сети предприятий, офисов) и мультимедийные услуги как отдельный вид предоставляемых услуг внутри сети (за определенную плату). Основное различие этих ситуаций - отсутствие и наличие необходимости организации системы разделения доступа к мультимедиа услугам.

В случае unicast технологии организация разделения доступа реализуется достаточно просто стандартными методами. В частности может быть организован доступ к серверу мультимедиа контента с использованием паролей доступа.

В случае применения multicast технологии организация защиты от несанкционированного доступа достаточно сложна. Это должно быть либо чисто аппаратное решение, когда каналообразующему оборудованию указываются абоненты, которым разрешен доступ к услуге, либо это должно быть шифрование мультимедийного потока на стороне сервера и его дешифрация с помощью санкционировано раздаваемых ключей на стороне клиента.

Параллельно решению вопроса о технологии доставки мультимедийных данных от сервера до клиента, необходимо решить вопрос о собственно формате представлении этих мультимедийных данных, о необходимости или отсутствии необходимости их преобразования из исходного формата получаемого контента.

1.3 Классификация и анализ форматов представления мультимедийного контента

Как уже отмечалось, существует множество источников мультимедийного контента. В этом многообразии источников практически каждому типу ставится в соответствие один или несколько различных форматов представления данных.

Особое разнообразие наблюдается в аналоговом мире - различия как в методах передачи- приема радиосигнала, так и в структуре самого изображения. Большей однообразности удалось добиться путем стандартизации в цифровой среде. Классификация форматов представления передачи мультимедийного (телевизионного) контента представлена на рис. 4.

Стандарты аналогового телевизионного вещания начали появляться с момента появления собственно телевидения. Исторически первым стандартом телевизионного вещания, принятым в 1953 году в США, оказался NTSC. Однако в части европейских стран получил распространение другой стандарт - PAL разработанный позднее в ФРГ в 1961 году, в котором были учтены некоторые недостатки NTSC. Однако же из экономических и финансовых соображений во Франции, а позднее в СССР на вооружение был принят другой стандарт - SECAM.

С развитием информационных технологий начали делаться попытки по созданию цифрового стандарта телевидения. Достоинством самой идеи цифрового телевидения является качество изображения и звука, которое может быть задано самим контент-провайдером. Также немаловажным является возможность существенного увеличения количества каналов при использовании той же самой полосы частот, как и при аналоговом способе вещания. Как и в случае аналоговых стандартов, исходя из геополитических и экономических предпосылок, на свет появился ряд стандартов цифрового телевидения - ATSC в США, ISDB в Японии и DVB в Европе. В основе всех данных стандартов лежит MPEG2 - формат представления мультимедийных данных. Рассмотрим некоторые из цифровых форматов.



Рис. 4 Классификация форматов представления мультимедиа данных

DVB (Digital Video Broadcasting Project, DVB-C, DVB-DSNG, DVB-H, DVB-MC, DVBMS,DVB-MT, DVB-P, DVB-S, DVB-S2, DVB-SFN, DVB-SMATV, DVB-T, DVB-MHP, DVBM) - организация, которая разрабатывает технологии для цифрового телевидения [33]. В Европе наиболее широко используются следующие протоколы передачи, разработанные DVB: DVB-C (для кабельных сетей EN 300 429), DVB-S (для спутникового вещания EN 300 421, TR 101 198), DVB-T (для наземного эфирного вещания EN 300 744, TR 101 190).

DVB разрабатывает не только протоколы передачи, но и стандарты для интерактивных приложений, таких как приставки цифрового телевидения (set-top boxes) и т.п. Другие DVB протоколы включают MHP (multimedia home platform, сокращенно DVB-MHP: TS 101 812, TS 102 812, TS 102 819), DVB-M (стандарт измерений сигналов DVB-S/T/C; TR 101 290, TR 101 291), DVB-H ("обновление" стандарта DVB-T, которое позволяет доставлять цифровой поток в мобильные устройства по наземным эфирным сетям, EN 302 304).

ATSC и ISDB. ATSC (The Advanced Television Systems Committee, ATSC Standard A/53C with Amendment No. 1 and Corrigendum No. 1) - организация, разрабатывающая и утверждающая стандарты для передовых телевизионных систем, в том числе и HDTV. Наиболее широко стандарты ATSC распространены в США и Канаде [35]. ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting, ISDB-T) - стандарт цифрового телевидения, разработанный в Японии. Он интегрирует в себя различные виды цифрового контента. Это может быть HDTV, STDV, звук, графика, текст и т.д.

1.4 Анализ противоречий в реализации вещания мультимедийного контента

В реализации вещания мультимедийного контента можно выделить ряд противоречий, связанных с качеством изображения, используемого в мультимедийном вещании, и с количеством пользователей, использующих услуги мультимедийного вещания (одновременно подключенных пользователей к серверу вещания (рис. 5, 6).

Из анализа противоречий можно выделить основные несостыковки между различного рода желаниями и целями:

1 Желание уменьшить каналоемкость ТВ/радио канала; желание увеличить качество изображения/звука.

2 Увеличить количество одновременно подключенных абонентов; не увеличивать пропускную способность сети (не менять структуру сети).

3 Увеличить количество различного доступного для просмотра мультимедийного контента; не увеличивать пропускную способность сети (не менять структуру сети); не расширять аппаратную часть комплекса вещания.



Рис. 5 Противоречия в плане качества изображения мультимедийного вещания

Рис. 6 Противоречия в плане количества одновременно подключенных пользователей

Рассмотрим каждое из этих разногласий и путь его преодоления:

1. Уменьшение требуемой одним ТВ или радио каналом полосы пропускания сети передачи данных эффективно достигается путем увеличения уровня сжатия исходных мультимедиа данных. С одной стороны до определенной степени, учитывая требования абонентов к качеству, этот метод может быть применен, с другой стороны, при повышенных требованиях к качеству изображения и звука, необходимо искать другие пути решения. Такими путями может быть выбор более современных стандартов (MPEG-4 вместо MPEG-2), использование более современных алгоритмов компрессии в рамках того же самого стандарта, а также большее использование аппаратных возможностей мощи алгоритмами компрессии.

2. Количество одновременно подключенных абонентов является одним из ключевых моментов при построении комплекса мультимедийного вещания. Как уже отмечалось в п. 2. данной главы существует unicast и multicast технологии доставки информации от сервера до абонента. Если имеется сеть передачи данных, которая без серьезных финансовых затрат (сравнимых с построением самой сети или даже больших) не может быть реорганизована в сеть с поддержкой multicast технологии, и при этом число одновременно подключенных абонентов не должен превышать (0.1-0.5)*пропускную способность сети (Мбит/с), то есть смысл использования технологии unicast.

3. Увеличение количества различного мультимедийного контента связано с одной стороны с возможностями сети передачи данных, с другой же наиболее важной стороны, с возможностью оборудования. В случае использования в качестве источника мультимедийного контента открытых цифровых спутниковых каналов, то с помощью одного экземпляра оборудования возможен прием для дальнейшей обработки целого ряда мультимедийных программ (ТВ и/или радио), в случае с эфирными телевизионными каналами - доступное на рынке оборудование обеспечивает получение только какого то одного мультимедийного потока.

Таким образом после выбора на основе исходных данных: а) количества и состава источников мультимедийного вещания, б) формы представления мультимедийного контента, в) метода распространения этого мультимедийного контента в рамках сети передачи данных, должно быть принято решение о приобретении или разработке программного обеспечения комплекса.

1.5 Анализ прикладного ПО для организации мультимедийного вещания

Существует ряд программных решений по организации мультимедийного вещания в рамках высокоскоростной сети передачи данных, каждое из которых обладает некоторыми положительными и отрицательными сторонами.

Проект VideoLAN

Проект был начат французскими студентами Йcole Centrale Paris, в дальнейшем к нему подключились заинтересованные лица со всего земного шара [37].

Проект нацелен на создание программного обеспечения для потокового вещания в рамках высокоскоростных сетей передачи данных в стандартах MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 (в т.ч. и DIV-X [31]), вещания спутниковых телевизионных каналов, эфирных и кабельных аналоговых телевизионных каналов, работающего под различными операционными системами. В данный момент программное обеспечение портировано на все популярные операционные системы. В проекте используются программные библиотеки кодирования и декодирования видео на основе открытого исходного кода FFmpeg.

Изначально проект VideoLAN был разделен на две взаимодополняющие друг друга части - VLS (VideoLAN Server - сервер) и VLC (VideoLAN Client - клиент), однако впоследствии клиент VLC приобрел всю функциональность серверной части.

Таким образом на данный момент можно считать что существует клиентская часть с возможности сервера вещания.

Общая структура использования программного обеспечения проекта VideoLAN показана на рис. 7.



Рис. 7 Структура мультимедийного вещания с помощью проекта VideoLAN

Представленная структура полностью соответствует концепции построения комплекса мультимедийного вещания.

Однако нельзя не отметить существенные недостатки самого проекта VideoLAN. К таким необходимо отнести некоторую разнородность серверных частей. Для построения единого комплекса программно-аппаратного обеспечения с помощью проекта VideoLAN необходима дополнительная доработка программного обеспечения, разработка различных систем мониторинга и управления внутренними объектами системы.

К другим недостаткам необходимо отнести узконаправленность проекта на работу в режиме multicast. Хотя и заявлено, что ПО работает также в режиме unicast, но эта работа производится только по протоколам UDP и RTP, не обеспечивающим гарантированную передачу мультимедиа данных от сервера до клиента, что в случае быстрого, но нестабильного канала связи может привести к полному отказу от получения мультимедийного контента.

FFmpeg

FFmpeg -- набор свободных библиотек с открытым исходным кодом, которые позволяют записывать, конвертировать и передавать цифровые аудио- и видеозаписи в различных форматах. Он включает libavcodec -- библиотеку кодирования и декодирования аудио и видео и libavformat -- библиотеку мультиплексирования и демультиплексирования в медиаконтейнер. Название происходит от названия экспертной группы MPEG и FF, означающего fast forward [39].

FFmpeg разработан под ОС на основе Linux, однако может быть скомпилирован под многие другие операционные системы. Разработчики не выпускают релизов и рекомендуют использовать последнюю версию из Git. Распространяется под лицензиями GNU LGPL или GNU GPL.

Серверное решение Adobe

Adobe Flash Media Server -- проприетарный сервер данных и медиа контента от компании Adobe Systems (изначально Macromedia). Работает со средой Flash Player и позволяет создавать мультимедийные, многопользовательские RIA (англ. Rich Internet Applications). Использует ActionScript 1 (основанный на ECMAScript скриптовый язык) для серверной логики. Раньше, до версии 2, был известен как Flash Communication Server [42].

Используется для:

1. Live Video -- позволяет транслировать видео с веб-камеры для других пользователей.

2. Video on Demand -- потоковое видео по запросу.

3. Real Time Communication -- применяется в приложениях, в которых требуется связь между несколькими клиентами -- видео-конференции, чаты или многопользовательские игры.

Wowza Media Server

Wowza Media Server -- серверное ПО, разрабатываемое Wowza Media Systems. Сервер предназначен для организации как вещания потокового аудио/видео, так и доставки видео-по-требованию. Сервер написан на Java, возможна установка на следующие системы: Linux, Mac OS X, Solaris, Unix, и Windows. Wowza Media Server может осуществлять вещание на различные типы устройств и клиентов, включая Adobe Flash, Microsoft Silverlight, Apple QuickTime и устройства, под управлением iOS (iPad, iPhone, iPod Touch), 3GPP мобильные телефоны (Android, BlackBerry OS, Symbian, etc), устройства IPTV (Amino, Enseo, Roku и другие), игровые консоли (Wii, PS3) [41].

Рис. 8 Структура системы потокового вещания, предлагаемая Wowza Media Systems

Проект LinuxTV

Проект LinuxTV разрабатывает и поддерживает мультимедийный драйвер для операционных систем с ядром Linux, который состоит из устройств для web-камер, аналогового и цифрового телевидения и удаленных контроллеров [40].

DVB tools. Проект DVB tools занимается разработкой инструментов для работы с устройствами DVB в операционной системе Linux [40].

Проект DVB tools включает следующие приложения:

dvbstream - инструмент, который может быть использован для сохранения DVB потока на диск или передачи его по сети используя протокол RTP;

dvbtune - простая утилита для настройки антенны;

dvbaudio - инструмент для записи аудио DVB;

dvbtextsubs - пакет для генерации DVD субтитров из DVB вещания.

1.6 Формулирование требований на разработку и выбор прикладного программного обеспечения комплекса мультимедийного вещания

Разрабатываемое программное обеспечение должно с одной стороны быть гибким и включать возможности использования различных схем распространения данных от сервера к абонентам, с другой стороны эта гибкость может быть обеспечена не на уровне пользователя, а на уровне разработчика, когда под конкретные выбранные источники, используемые технологии и другие критерии будет выбрано и разработано программное обеспечение с максимальным быстродействием и с возможностями максимально полного взаимодействия с аппаратным обеспечением (в плане определения параметров приема, задания уровней качества для оборудования аппаратного сжатия и проч.).

В качестве отправной точки для разработки аппаратно-программного комплекса предоставления мультимедиа услуг выступали:

- ограничения, накладываемые возможной пропускной способностью вычислительной сети;

- ограничения, связанные с источниками мультимедийного контента (цифровые спутниковые каналы);

- финансовые ограничения.

В результате анализа всех ограничивающих факторов, а также доступных вариантов реализации, учитывая накладываемые ограничения была выбрана модель программного обеспечения, включающая в себя следующие компоненты:

1. Источник мультимедийного контента - спутниковые каналы.

2. Получение цифрового потока мультимедийного контента - MPEG-2 коммерчески приемлемого качества с требованиями в 1Мбит/с к пропускной способности канала, получаемый путем аппаратного кодирования DVB-S сигнала, поступающего от цифровых спутниковых ресиверов.

3. Передача цифрового потока в локальную вычислительную сеть - технология unicast.

4. При необходимости перекодирование полученного цифрового потока из формата MPEG-2 в формат MPEG-4.

5. Передача цифрового потока на сервер потокового мультимедийного вещания.

6. Передача цифрового потока с сервера мультимедийного вещания через сеть Интернет на компьютеры и другие устройства клиентов.

Выводы по главе I

В главе дана классификация услуг, которые потенциально могут предоставляться в сетях передачи данных: доступ к Интернет-ресурсам, доступ к внутренним ресурсам сети, IP- телефония, IP-телевидение и IP-радио. Одним из экономически перспективных и активно развивающихся видов услуг является мультимедийное вещание (IP-телевидение + IP-радио). Возможными источниками мультимедийного контента являются файлы мультимедиа, эфирное телевидение, эфирное радио, кабельное телевидение, спутниковое цифровое телевидение и радио, а также различного рода локальные источники мультимедийных данных. Сравнительная оценка источников по различным критериям показала, что не существует какого либо приоритетного источника контента и к вопросу выбора надо подходить комплексно, учитывая и потребности потенциальных абонентов и возможности оператора сети передачи данных.

Основными технологиями доставки мультимедийной информации от сервера до абонента являются технологии unicast, multicast.

Исходя из анализа различных решений для представления и передачи мультимедийных данных (аналоговых и цифровых), определены слабые и сильные стороны этих решений. Наиболее перспективной формой представления мультимедийных данных оказался MPEG-2, на котором базируются стандарты цифрового телевидения и радио (DVB, ATSC, ISDB, DAB), однако высокие требования к пропускной способности сети передачи данных (4-10 Мегабит/с на один ТВ канал) серьезно ограничивают применение этого формата в рамках мультимедийного вещания. Решение проблем, связанных с требованиями к пропускной способности, лежит в применении MPEG-4, однако затраты на аппаратные и программные ресурсы могут вынудить отказаться от него и вернуться либо к исходному MPEG-2, либо перекодированному с увеличенной степенью сжатия MPEG-2.

Выделены противоречия между различными желаниями, возможностями и требованиями при реализации мультимедийного вещания в рамках сетей передачи данных: уменьшение каналоемкости канала и улучшения его качества; увеличение количества одновременно подключенных абонентов и не изменение структуры сети.

Решение о применении той или иной технологии должно приниматься только после анализа существующей сети, возможностей модернизации, а также на основе количества и требований потенциального круга абонентов.

Анализ ряда программных решений показал, что они являются достаточно универсальными, но может понадобиться некоторая их модификация, чтобы удовлетворить решениям задач, поставленных в данной работе.

С учетом поставленных ограничений выбран вариант реализации программного обеспечения (технология unicast), а также выбран вариант представления мультимедийного контента (MPEG-2 приемлемого качества с требованиями к пропускной способности канала 1 Мбит/с с последующим перекодированием в MPEG-4).



2. Исследование способов представления мультимедийного контента в цифровом виде

В данной главе проводится исследование математического обеспечения представления мультимедийного контента в цифровом виде.

Для удобства хранения и передачи по сети мультимедийный контент подвергают сжатию. Для получения оцифрованного потока применяются алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании сигнала (JPEG, MJPEG, MPEG2, MPEG4, H.263), а также Wavelet и JPEG2000 [13]. Эти алгоритмы сжатия видео изображений служат для адаптации цифровых потоков к передаче по сетям передачи данных.

Существующие на сегодняшний день алгоритмы сжатия классифицируются по следующим параметрам: потоковые и статические алгоритмы сжатия. Потоковые алгоритмы сжатия работают с последовательностями кадров, кодируя разностную информацию между опорными кадрами (алгоритмы сжатия семейства MPEG, алгоритм сжатия JPEG 2000), тогда как статические алгоритмы сжатия работают с каждым изображением в отдельности (алгоритмы сжатия JPEG и MJPEG).

1. Дискретное косинусное преобразование

В основе множества алгоритмов компрессии видео- и аудио- данных положено дискретное косинусное преобразование. Дискретное косинусное преобразование для двухмерного массива определяется следующим образом [9,13]:

где

u, v, x, y = 0, 1, 2,... N-1

x, y - координаты выборки

u, v - координаты преобразованного массива

Инверсное дискретное косинусное преобразование определено следующим образом:

Входные данные для прямого преобразование и выходные данные инверсного преобразования представляются 9-ти битными целочисленными значениями. Коэффициенты дискретного косинусного преобразования представляют собой 12-ти битные целочисленные значения. Динамический диапазон ДКП коэффициентов - [-2048; +2047].

...