Microsoft Word - Jug diploma-lektorirana

Transkripcija

1 Aleš JUG SISTEM ZA NADZOR PROMETA IPTV DIPLOMSKO DELO Maribor, December 2012

2 Aleš JUG SISTEM ZA NADZOR PROMETA IPTV DIPLOMSKO DELO SYSTEM FOR CONTROL OF IPTV TRAFFIC GRADUATION THESIS Higher education, Electrical engineering Maribor, 2012

3 Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa SISTEM ZA NADZOR PROMETA IPTV Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektor-ica: Aleš JUG Visokošolski, Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika doc. dr. Gergič Bojan, univ. dipl. inž. el. doc. dr. Hercog Darko, univ. dipl. inž. el. Anja Kopše Maribor, 2012 I

4 II

5 ZAHVALA Za vso strokovno svetovanje, potrpežljivost in spodbujanje pri nastajanju diplomske naloge se zahvaljujem mentorju, doc.dr. Bojanu Gergiču in somentorju, doc.dr. Darkotu Hercogu. Hvala tudi moji družini za vso spodbudo in potrpežljivost. III

6 Ključne besede: meritve in nadzor IPTV signala, storitev IPTV, MDI indeks. UDK: /.398(043.2) Povzetek V diplomski nalogi bom predstavil sistem za nadzor prometa IPTV v telekomunikacijskem omrežju s pomočjo IPTV sond, ki nadzorujejo promet IPTV od dobavitelja signala pa vse do končnega uporabnika. V prvem delu sta opis in struktura elementov za delovanje IPTV, namenjenega za prenos signala od izvora do uporabnika storitev. Predstavljeni so standardi in mehanizmi stiskanja podatkov, pregled protokolov za prenos podatkov po omrežju ter elementi in arhitektura IPTV. V osrednjem delu naloge se bomo omejili na meritve in nadzor IPTV prometa ter prikaz nadzornega sistema s pomočjo IPTV sond. Tukaj želimo doseči, da sistem deluje avtomatizirano in omogoča javljanje alarma ob povečani izgubi signala ali kvalitete slike. Preprečiti želimo izpade ter skrajšati čas intervencije. Namen je tudi zajemanje podatkov, njihova obdelava ter arhiviranje le-teh za nadaljnjo uporabo. IV

7 System for control of IPTV traffic Key words: Measurements & Monitoring IPTV traffic, IPTV service, MDI Index. UDK: /.398(043.2) Summary In my graduation thesis, I am going to introduce an IPTV traffic monitoring system in a telecommunication network by means of IPTV probes, which serve to monitor the IPTV traffic from the signal provider all the way to the end user. The first part provides a description and the structure of IPTV operation elements with the purpose of signal transfer from its source to the user of the services. There is also an introduction of data compression standards and mechanisms, as well as an overview of protocols for data transfer through the network, and the IPTV elements and architecture. The main part of the thesis focuses on the measurements and monitoring of IPTV traffic, as well as it provides a demonstration of the monitoring system executed by means of IPTV probes. We would like to achieve an automatic operation of the system, including the alarm function in case of increased signal or image quality losses. We want to prevent downtimes and shorten response times. The purpose is also data acquisition, its processing and archiving for further use. V

8 KAZALO 1 UVOD NAČELA IPTV Internet IP protokol Video preko interneta Video zahteve Splošno o digitalni televiziji Digitalna televizija preko IP omrežja IPTV ni enako kot internetna TV IP televizija Problematika transporta Trg širokopasovnega dostopa Kako deluje IPTV Kakšne so omejitve IPTV IMS arhitekture IPTV IPTV protokoli Prednosti IPTV Omejitve Zahteve prometa Razpoložljivost Kakovost videoposnetkov Kakovost zvoka VIDEO IN AVDIO STISKANJE Pregled stiskanja Zahteve stiskanja Zahteve širokopasovne hitrosti Zahteve procesiranja strojne opreme Video stiskanje Ključ do stiskanja: odstranjevanje redundance Prostorska redundanca Časovna redundanca MPEG MPEG stiskanje MPEG standardi MPEG MPEG MPEG VI

9 3.5 Video kodeki Tehnologije MPEG stiskanja: I,P,B okvirji in skupina slik - GOP Komponente MPEG GOP Video sekvenca Skupine slik (GOP Group of Pictures) Tipi slik Notranje slike (I-slike) Napovedovalne slike (P-slike) Dvojno usmerjevalne napovedovalne slike (B-slike) Vsak paket šteje MPEG TRANSPORTNI TOK Pregled sistemskega sloja Osnovni tok Paketni osnovni tok Programski tok Program Stream (PS) Transportni tok Transport Stream (TS) Stalne in spremenljive hitrosti prenosa podatkov Stalne hitrosti prenosa podatkov (Constant Bit Rates CBR) Spremenljive hitrosti prenosa (Variable Bit Rate VBR) Referenca programske ure (Program Clock Reference PCR) ELEMENTI OMREŽJA Izrazi omrežja (ang. Network Terms) Protokol (ang. Protocol) Aplikacija (ang. Application) Paket (ang. Packet) Pasovna širina (ang. Bandwidth) Stikalo ali Hub (ang. Switch or Hub) Usmerjevalnik ali prehod (ang. Router or Gateway) Tehnike omrežja (ang. Network Techniques) Povezavno usmerjen (ang. Circuit Switched) Brezpovezavna (ang. Packet Switched) OSI model (ang. Open System Interconnection Reference Model) Omrežne komunikacije Referenčni model OSI Slojevita zgradba ISO/OSI Sedemslojni referenčni model OSI Odnosi med sloji referenčnega modela OSI Fizična plast (ang. Physical Layer 1) Podatkovna povezovalna plast (ang. Data-Link Layer 2) VII

10 5.2.8 Mrežna plast IP (ang. Network Layer 3 IP) Prenosna plast TCP, UDP, RTP (ang. Transport Layer 4) Plast seje (Session Layer) Predstavitvena plast (Presentation Layer) Aplikacijska plast (Application Layer) (najvišji) ARHITEKTURA IPTV OMREŽJA Video preko IP IP enkapsulacija (ang. IP Encapsulation) Transportni protokoli IGMP (Internet Group Management Protocol) Transportna razmišljanja Multicasting Razlika med Unicast ter Multicast prometom Unicasting Multicasting Prednosti Multicast Značilnosti Multicast IPTV MERITVE IN NADZOR Slabosti video omrežja Izguba paketa (ang. Packet Loss) Sprememba vrstnega reda paketnega prenosa (ang. Packet Reordering) Zakasnitev (ang. Delay) Trepetanje (ang. Jitter) Pomnilnik (ang. Buffer) Indeks medijske dostave (ang. Media Delivery Index - MDI) Uvod v MDI MDI ter preverjanje in potrjevanje učinkovitosti Razprava o MLR Uporaba indeksa MDI Druge meritve Vedenje toka Osnovna teorija MDI IP promet s trepetanjem in nizko sinhronizacijo IP promet s trepetanjem in previsoko sinhronizacijo IP promet z izgubo IP paketa Primer stalne hitrosti prenosa podatkov (CBR) Primer spremenljive bitne hitrosti (VBR) Primer faktorja zakasnitve (DF) Meritve in nadzor VIII

11 7.12 Spremljanje vrste tokov Alarmi in opozorila Predstavitev Ineoquest izdelkov in rešitev ZAKLJUČEK VIRI PRILOGE Naslov študenta Kratek življenjepis IX

12 KAZALO SLIK Slika 2.1: Prikaz preklopa kanala Slika 3.1: Digitalizacija slike za prenos preko transportnega omrežja Slika 3.2: MPEG dekodirni sistem zrcalna slika od kodirnega sistema [15] Slika 3.3: Skupina slik [58] Slika 3.4: Plasti v MPEG skupini slik Slika 3.5: Razdelitev video sekvence Slika 3.6: Prikaz zaporedja okvirjev, ki predstavlja skupino slik [53] Slika 3.7: Vrstni red slik na zaslonu je drugačen od zaporedja pri transportu Slika 3.8: Relativne podatkovne vrednosti posameznih tipov okvirjev v MPEG skupini slik [15] Slika 3.9: Napovedovalne ter dvojno usmerjevalne napovedovalne slike [15] Slika 3.10: Število slik na sekundo pri 30 Hz osveževanju Slika 3.11: Proces kodiranja I-slike [27] Slika 3.12: Prikaz napovedovanja vnaprej [27] Slika 3.13: Prikaz dvosmerne napovedi [27] Slika 3.14: Razlika med izgubo B in I okvirja slike [15] Slika 4.1: Vrste MPEG tokov [15] Slika 4.2: Digitalizacija slike [15] Slika 4.3: Multipleksiranje avdio, video, ter ostalih podatkov [59] Slika 4.5: Struktura transportnega podatkovnega toka MPEG paketa [15] Slika 4.6: MPEG sinhronizacija [60] Slika 5.1: Prikaz OSI modela in priprava podatka skozi sloje za pošiljanje po omrežju Slika 5.2: Format Ethernet okvirja Slika 5.3: Format IP paketa Slika 5.4: Glava IP paketa [15] Slika 5.5: TCP glava [15] Slika 5.6: UDP glava [15] Slika 5.7: RTP glava [15] Slika 6.1: IPTV arhitektura [57] Slika 6.2: Enkapsulacija MPEG paketa [64] Slika 6.3: IP paket z 7 TS MPEG paketi Slika 6.4: Unicast, en tok enemu odjemalcu [15] Slika 6.5: Multicast, en tok skupini odjemalcev [15] Slika 7.1: Prikaz časovnega odstopanja trepetanja digitalnega signala Slika 7.2: Podatkovni tok s prisotnim trepetanjem [15] Slika 7.3: Graf prikazuje aktivnosti prometa brez ali z trepetanjem Slika 7.4: Prva slika ima MLR=0, s tem ko ima druga slika MLR>0 [15] Slika 7.5: Potek toka MPEG X

13 Slika 7.6: Video IP paket [15] Slika 7.7: Vzrok prenizke sinhronizacije [15] Slika 7.8: Vzrok je lahko preobremenjenost stikala ali v video viru [15] Slika 7.9: Vzrok izgube IP paketa [15] Slika 7.10: Primer konstantne bitne hitrosti [15] Slika 7.11: Primer VBR [15] Slika 7.12: Primer DF [15] Slika 7.13: Merjenje in nadzor [15] Slika 7.14: Vrste tokov, ki jih spremljamo [15] Slika 7.15: Vrste alarmov in opozoril ter možni vzroki [15] Slika 7.16: IP video nadzorni sistem [15] Slika 7.17: Vrste sond za izvajanje nadzora [15] Slika 7.18: Preko GUI vmesnika dostopamo in nastavljamo parametre sonde Slika: 7.19: Nastavitev mejnih vrednosti v sondi Slika 7.20: Realno časovni nadzor Slika 7.21: Prikaz alarmov in stanj programov Slika 7.22: Razpoložljivost ter vsota časovnih napak Slika 7.23: Razpoložljivost vseh gledanih programov Slika 7.24: Seznam programov ter njihova razpoložljivost v določenem obdobju Slika 7.25: Pregled vseh programov ter njihova razpoložljivost (zelena >99,999%) Slika 7.26: Razpoložljivost storitve razdelano po časovnih dogodkih Slika 7.27: V tabeli prikazuje koliko je izgubljenih paketov v tekočem dnevu (MLT-24) Slika 7.28: Indeks MDI ter število izgubljenih RTP IP paketov Slika 7.29: Program, ki ima izgube na avdio segmentu zadnjih 24 ur Slika 7.30: Prikaz razpoložljivosti in velikost izgub v avdio segmentu Slika 7.31: Pretok programa ter njegove izgube v časovnem zaporedju Slika 7.32: Vse sonde, na katerih je bila zaznana enaka napaka Slika 7.33: Faktor zakasnitve v milisekundah Slika 7.34: Velikost IP podatkovnega toka Slika 7.35: Število izgubljenih RTP paketov Slika 7.36: Časovno prikazane napake v transportnem toku Slika 7.37: MPEG Deep Packet Analysis [15] KAZALO TABEL Preglednica 2.1: Priporočene smernice razpoložljivosti iz DSL foruma, tehnično poročilo TR Preglednica 5.1: IP naslovi razdeljeni po razredih XI

14 UPORABLJENE KRATICE Angleška razlaga Slovenska razlaga APEK Post and Electronic Communications Agency Agencija za pošto in elektronske komunikacije ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Nesimetrični digitalni naročniški vod DVB Digital Video Broadcasting Digitalno videooddajanje DVD Digital Versatile Disc DVD zgoščenka GBit/s GigaBits per second Gigabiti na sekundo HDTV High definition television Televizija z visoko ločljivostjo IGMP Internet Group Management Protocol Internetni protokol za upravljanje skupin IP Internetni Protocol Internetni protokol IPTV Internet Protocol Television Televizija preko internetnega protokola ISO/IEC International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission Mednarodna organizacija za standarde/mednarodna elektrotehniška komisija MBit/s MegaBits per second Megabiti na sekundo MPEG Moving Picture Experts Group Eksperna skupina za gibljive slike NTSC National Television System Ameriški televizijski standard Committee PAL Phase Alternative Line Vrstični sistem z izmenično fazo STB Set-Top Box TV komunikator TCP Transmission Control Protocol Protokol za kontrolo prenosa UDP User Datagram Protocol Protokol za uporabniška sporočila VOD Video on Demand Video na zahtevo VoIP Voice over Internet Protocol Govor preko internetnega protokola EPG Electronic program guide Elektronski programski vodič HTTP Hypertext transfer protocol Protokol za izmenjavo nadbesedila PS Program Stream Programski tok TS Transport Stream Transportni tok PES Packetized Elementary Paketni elementarni tok Stream ES Elementary Stream Elementani tok QoS Quality of Service Zagotavljanje kvalitete storitve LAN Local Area Network Lokalna mreža WAN Wide Area Network Prostrano omrežje MDI Media Delivery Index Indeks medijske dostave QoE Quality of Experience Zagotavljanje kvalitete izkušenj P2P Point to Point Od točke do točke IMS Internet Protocol Multimedia Subsystem IP multimedijski podsistem PIM Protocol Independent Multicast Protokolno neodvisno oddajanje XII

15 več prejemnikom RTP Real Time Protocol Realno časovni protokol RTSP Real Time Streaming Protokol Protokol realno časovnega pretoka SDTV Standard Definition Television Televizija s standardno ločljivostjo SCTE The Society of Cable Telecommunications Engineers Združenje inženirjev kabelskih telekomunikacij TR Technical Report Tehnično poročilo GOP Group of Pictures Skupina slik ITU International Telecommunication Union Mednarodna telekomunikacijska zveza Gb Giga Byte Giga biti Mb Mega Byte Mega biti JPEG Joint Photographic Experts Group Skupina združenih izvdencev za fotografijo CD Compact Disk Kompaktna plošča AVC Advanced Video Coding Napredno video kodiranje SVCD Super Video Compact Disk Super video zgoščenka CATV Cable Analogue Television Analogna kabelska televizija RGB Red Green Blue Rdeča Zelena Modra DCT Discrete Cosine Transform Diskretna kosinusna transformacija MC Motion Compensation Gibalna kompenzacija VLC Variable Lenght Coding Kodiranje spremenljive dolžine AAC Advance Audio Coding Napredno avdio kodiranje DBS Direct Broadcast Satellite Sistem za neposredni prenos DSM-CC Digital Storage Media Command and / Control RTI Real Time Interface Realno časovni vmesnik CCIR Comite Consultatif International Pour la Radio Mednarodna posvetovalna komisija RLE Run Lenght Encoding Kodek za verižno kodiranje ME Motion Estimation Gibalna ocena DRM Digital Rights Management Digitalno upravljanje pravic CIF Common Intermediate Format Pogosta vmesna oblika JVT Joint Video Team / AC Advance Coding Napredno kodiranje DCPM Differential Pulse-Code Modulation / TP Transport Protocol Transportni protokol ATSC Advanced Television System Committee / MUX Multiplexer Multiplekser PID Packet Identification Code Paketna identifikacija MPTS Multi Program Transport Stream Več programski transportni tok SPTS Single Program Transport Stream Enotni program transportnega toka PSI Program Specific Information / PAT Program Association Table / PMT Program Map Tables / CAT Conditional Access Pogojni dostop XIII

16 NIT Network Information Omrežna informacija PCR Program Clock Reference Referenca programske ure CBR Constant Bit Rates Stalne hitrosti prenosa podatkov VBR Variable Bit Rates Spremenljive hitrosti prenosa RF Radio Frequency Radijska frekvenca OSI Open System Interconnection Osnovni referenčni model NIC Network Interface Controller Omrežni vmesnik ATM Asynchronous Transfer Mode Način za asinhroni prenos DOCSIS Data Over Cable Service Interface / Specification RPR Resilient Packet Ring / MAC Media Access Code Koda za dostop do nosilca podatkov DSCP Differentiated Services Code Point / MTU Maximum Transmission Unit Največja enota prenosa ARP Address Resolution Protocol Protokol za prepoznavanje naslovov OSPF Open Shortest Path First Najprej najkrajša pot RIP Routing Information Protocol / BGP Border Gateway Protocol Usmerjevalni protokol RARP Reverse Address Resolution Protocol / DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Protokol za dinamično konfiguracijo gostiteljev RTCP Real Time Control Protocol / RTSP Real Time Streaming Protocol / IGMP Internet Group Management Protocol Internetna protokol za upravljanje skupin ICMP Internet Control Message Protocol Internetni protokol za krmilna sporočila SNMP Simple Network Management Protocol Preprosti protokol za upravljanje omrežij NTP Network Time Protokol / DNS Domain Name Service Sistem za domenska imena URL Uniform Resource Locator Enolični krajevnik vira DF Delay Factor Faktor zakasnitve MLR Media Lost Rate Velikost medijske izgube IFR Interleaving Frame Rate / IFRD Interleaving Frame Rate Delay / MLT Media Loss Total Skupna izguba medijskih datotek MLS Media Loss Seconds Izguba medijskih datotek v sekundah GUI Graphical User Interface Grafični uporabniški vmesnik 3GPP 3rd Generation Partnership Project Naslednja generacija ETSI European Telecommunications Standards Institute Evropski inštitut za telekomunikacijske standarde VLAN Virtual Local Area Network Virtualno lokalno omrežje VC Video Codec Video kodek XIV

17 RFC Request for Comments Priporočila, komentarji PING Packet Internet Groper / NPVR Network based personal video recorder Osebni omrežni snemalnik XV

18 1 UVOD Z razvojem interneta se je razvila tudi vrsta digitalne televizije IPTV (Internet Protocol Television). Delovanje med internetom in IPTV je podobno, vendar je za kakovost, varnost in uporabniku prijazno storitev IPTV potreben še določen element in način delovanja. Večina nas pozna osnovno načelo delovanja IP-televizije (IPTV). Ponudnik storitev nam preko IP-protokola (Internet Protocol) postreže s televizijskim signalom, pretvorjenim v MPEG-2 ali MPEG-4 (Moving Picture Experts Group), ki ga prek STB (Set Top Box) naprave spremljamo na poljubnem TV sprejemniku. Poleg samega TV signala nam uporaba STB naprav omogoča še razne bombončke, kot so elektronski programski vodnik (EPG Electronic Program Guide), video na zahtevo (VOD Video on Demand), igranje preprostih iger in ogled novic. Glede na pomembnost storitve, je bil potreben dogovor o standardizaciji, zato se je leta 1993 ustanovil konzorcij DVB (Digital Video Broadcasting), ki je poskrbel za oblikovanje standardov digitalne televizije. Diplomsko delo vsebuje opis glavnih elementov za delovanje IPTV ter nadzor in meritve signala oziroma kakovost slike storitve, ki jih podajajo priporočila in standardi. Potrošnik zahteva več interaktivnih storitev, višjo ločljivost, HD (High Definition) ločljivost, 3D prikaz slike in prostorski zvok (surround). Manj tolerantni so, ko gre za slabo kakovost videa v primerjavi z glasovnimi klici ali podatkovne povezave. Že vsaka manjša izguba signala povzroča motnjo v zvoku ali sliki in ima škodljiv učinek na video ter gledalčevo izkušnjo kakovosti. Če imamo dobro kvaliteto izvornega signala, potem je izguba paketa edina stvar, ki lahko vpliva na kakovost slike in zvoka v IP prometu, zato moramo poskrbeti, da preverimo kvaliteto še preden pošljemo storitev več sto tisoč uporabnikom. Za učinkovito spremljanje IPTV je potreben stalen pregled vseh programov v celotnem omrežju. Prvi del naloge vsebuje splošno o IPTV. Sledijo opisi video in avdio stiskanja ter način pošiljanja paketa preko elementov omrežja čez arhitekturo IPTV. Osrednji del naloge opisuje delovanje sistema in nadzor IPTV prometa. 1

19 2 NAČELA IPTV 2.1 Internet Internet je nedvomno eden izmed največjih uspešnih primerov v svetu informacijske tehnologije. Njegov razvoj lahko pojasnimo z dvema dopolnjujočima pogledoma. Na eni strani je napredek v informacijski in komunikacijski tehnologiji, povečanje prenosnih zmogljivosti v žični in brezžični tehnologiji. Na drugi strani pa so uporabniki, ki postajajo vse bolj zahtevni in prosijo za prenos velike količine podatkov v omrežje. V zvezi s tem je prenašanje videa preko omrežja IP še posebej zahtevno. V času oblikovanja interneta so bili terminali, ki so imeli prenosne zmogljivosti nekaj Kbps. Kasneje, s prihodom multimedijskih komunikacij, pa so se pasovne širine merile v velikosti Mbps. Največje medmrežje enostavno imenujemo internet. Deluje kot paketno omrežje, ki povezuje končna vozlišča za izvajanje TCP (Transmission Control Protocol)/IP protokola. Vsak gostitelj v omrežju ima edinstven IP naslov. Poleg tega je vsak IP naslov razdeljen na več manjših delov: identifikator omrežja in identifikator gostitelja. Prva edinstveno identificira dostop do omrežja, na katero je pritrjen gostitelj, slednja pa kaže na gostitelja znotraj določenega omrežja. Usmerjevalniki redno izmenjujejo informacije o usmerjanju identifikatorjev naslova na dostopovnem omrežju. Usmerjevalniki si zgradijo usmerjevalne tabele, ki usmerjajo posredovane pakete med različnimi omrežji. Te tabele se uporabljajo na vsakem vmesnem usmerjevalniku vzdolž poti v mreži, ki označujejo kam mora potovati IP paket, da prispe do svojega cilja. 2.2 IP protokol Internetni protokol je danes najpogostejši podatkovni protokol na omrežnem sloju. Internetni protokol IP določa pravila, kako si v internetu računalniki med seboj izmenjujejo sporočila. Na osnovi protokola IP so realizirane vse internetne storitve, ki tvorijo podobo interneta, kot ga vidijo uporabniki. 2

20 Lastnosti protokola IP: 1. Nepovezavno usmerjeni protokol omrežnega sloja. 2. Komuniciranje z najboljšim možnim uspehom. 3. Ne zagotavlja vročitve naslovniku. 4. Vsak paket v glavi nosi izvorni in ciljni naslov. 5. Usmerjanje se za vsak paket izvrši v vsakem vozlišču posebej, neodvisno od ostalih paketov istega podatkovnega toka. 6. Neodvisen od tehnologij fizičnega in povezavnega sloja. 2.3 Video preko interneta Prenos videa preko interneta je prejel veliko pozornosti tako v akademskih kakor tudi v industrijskih krogih. V tem besedilu povzemamo nekaj najpomembnejših tem, povezanih z video prenosom preko interneta. Predlagamo pregled področij, ki na kratko obravnavajo standarde, značilnosti, komunikacijske tehnike ter video kakovost. Ta seznam ni popoln, vendar predstavlja največje dosežke v video prenosu zadnjih letih. 2.4 Video zahteve Narava video vsebin neposredno vpliva na doseženo stopnjo stiskanja za video kodirnik in posledično na promet, ki se prenaša. Na primer, na eni strani imamo novice, ki zaporedje sličic prikazuje samo osebo, ozadje pa je ves čas enako. Na drugi strani pa je akcijski film, ki je manj dovzeten za stiskanje zaradi pogostih prizorov premika kamere in predmetov v filmu. Poleg tega spremembe scene proizvajajo motnje, ki nastanejo v večjih kodiranih okvirih, zato ustvarjajo video posnetki z nenehnimi spremembami scene, kot so glasbeni video posnetki, velik promet v omrežju. Prenos video posnetkov na internetu določa različne zahteve glede video kakovosti. Obdelava, prenos, razmnoževanje in čakanje zamude sestavljajo skupno zakasnitev, ko se paket prenaša iz video vira do cilja. Zakasnitev je sestavljena iz kodiranja in stiskanja pri viru, obdelave na vmesnih usmerjevalnikih ter dekompresije in dekodiranja na sprejemniku. Odvisna je tudi od velikosti paketov in prenosne zmogljivosti na povezavah. Zakasnitev signala je značilna za vsak komunikacijski medij. Zamuda čakanja je nepredvidljiva, saj je odvisna od sočasnega video prometa na vsakem vmesnem usmerjevalniku. Največja zakasnitev je pomembno merilo za interaktivne aplikacije v realnem času, kot so videokonference in upravljanje na 3

21 daljavo. Pretakanje video aplikacij je odvisno tudi od paketov, ki prihajajo v omejeni zamudi za pravočasno razmnoževanje vsebin. Če paket prispe prepozno do sprejemnika, je paket obravnavan kot izgubljen, saj je neuporaben za predvajanje videa. Rešitev je, da posredujejo nekatere pakete vnaprej in jih akumulira v medpomnilnik (buffer) pred začetkom predvajanja. Zaželeno je tudi trepetanje (Jitter), saj nadomesti časovne razlike v zamudi. IP je protokol brez neposredne povezave, zato lahko sledi po različnih poteh prek omrežja. Zaradi tega lahko pride do sprejemnika v drugačnem časovnem zaporedju. Vse te zahteve vplivajo na kakovost videa na sprejemniku s strani končnega uporabnika. 2.5 Splošno o digitalni televiziji Pri digitalni televiziji sta slika in zvok pretvorjena v digitalni format. Za sprejem uporabnik potrebuje tudi poseben zunanji digitalni sprejemnik Set Top Box (STB). STB povezuje televizijski sprejemnik z zunanjim virom in signal pretvori v vsebino, prikazano na ekranu (video, avdio, internetne strani, igre ). Prednosti digitalne televizije so naslednje: 1. slika in zvok sta bolj kakovostna in sprejem boljši kot pri analogni televiziji; 2. omogoča storitev visoke ločljivosti (High Definition TV); 3. omogoča posebne storitve in elektronski programski vodič; 4. omogoča druge ne-televizijske storitve, kot na primer plačljive multimedijske ali interaktivne storitve. 2.6 Digitalna televizija preko IP omrežja IPTV (Internet Protocol Television - televizija, temelječa na internetnem protokolu oz. digitalna televizija) je sistem, ki za prenos podatkov uporablja internetni protokol in omrežno infrastrukturo, običajno preko širokopasovne povezave. Televizijsko sliko ter zvok sestavljajo v MPEG-2 ali v MPEG-4 kodirani paketi IP, ki s precejšnjo bitno hitrostjo potujejo po internetnem omrežju. 4

22 2.7 IPTV ni enako kot internetna TV V zadnjih letih je internet postal platforma tudi za prenos TV-vsebin. Vendar internetne televizije ne smemo mešati s storitvami IP-televizije, ki jih kot del svojih paketov večinoma ponujajo ponudniki dostopa do interneta. Televizijski kanali se do uporabnikov prenašajo na različne načine. Poleg prizemnega oddajanja, ki ga lovimo s pomočjo anten, satelitskega sprejema ter omrežij kabelskih operaterjev, digitalna televizija za transportno omrežje izkorišča tudi telekomunikacijska omrežja. IP-televizija navadno uporablja širokopasovna omrežja, ponudnik pa pri tem zagotavlja ustrezno kakovost storitve (QoS Quality of Service) in skrbi, da ima signal digitalne televizije prednost pred drugimi oblikami komunikacij. To je nujno potrebno, saj bi bila sicer uporabniška izkušnja precej okrnjena - slika bi se»kockala«, zatikala, prekinjala in podobno. Internetna televizija, včasih imenovana Web TV, pa na drugi strani kot transportno omrežje uporablja kar medmrežje samo, večina storitev televizijskih prenosov pa kot tehnologijo uporablja protokol UDP (User Datagram Protocol). V zadnjem času se sicer pri distribuciji TVvsebin vse bolj uveljavljajo tudi omrežja za izmenjavo podatkov med uporabniki (peer-topeer; P2P). Uporabniki do vsebin dostopajo preko internetnih domen / naslovov. Ker ponudnik vsebin seveda ne more nadzorovati svetovnega spleta, je kakovost storitve odvisna predvsem od kakovosti uporabnikove internetne povezave. 2.8 IP televizija Gre za televizijske vsebine, ki jih uporabnik namesto preko tradicionalnih formatov sprejema preko tehnologij, ki se uporabljajo v računalniških omrežjih. Najpogostejši problem, ki se pojavlja na tem področju, je zagotavljanje zanesljivosti prenosa vseh video storitev preko omrežja in z njimi povezanih funkcionalnosti, ki jih uporabniki pričakujejo od te vrste produktov. Vse težave na tem področju izvirajo iz temeljnega dejstva, da je panoga združila dve zelo uspešni tehnologiji (MPEG stiskanje video zapisa in IP prenos) in z njima ustvarila video sisteme. Njuno združevanje prvotno ni bilo načrtovano, saj sta bili tehnologiji zelo uspešni sami po sebi. IP omrežje omogoča prenos med seboj zelo različnih storitev (kot je tudi IPTV) preko enega samega omrežja. Prenos video vsebin se je izkazal za izjemno velik izziv za ponudnike storitev, kjer se zahteve ponudnikov lahko spremenijo v dobičkonosne priložnosti. 5

23 2.9 Problematika transporta Tudi v tem delu tehnologije se pojavljajo problemi in vprašanja, kako zagotoviti transport v omrežjih, ko gre za veliko povečanje IP prometa (IPTV). V osnovi se v teh paketnih omrežij v določenem delu umika IP, ostaja pa Ethernet povezljivost. Zelo pomembno vprašanje za razvoj omrežij je tudi ali bo HDTV (High Definition Television) lahko kvalitetno delovala pri kompresiji na 4 Mbit/s. Zato se danes veliko govori o konvergenci različnih tehnologij, o tem, da Ethernet danes, ko ga v omrežja vgrajujejo operaterji, zahteva večjo zanesljivost, ustrezne QoS, ustrezne mehanizme za vzdrževanje, administracijo, upravljanje in nadzor omrežja itd. Dejstvo je namreč, da so Ethernet vmesniki cenejši. Danes je potrebno skrbno načrtovati transportno omrežje, pri čemer mora biti le-to sposobno zagotoviti prenos ustreznih kapacitet, storitveni QoS ter imeti ustrezen OA&M in nizke stroške. Oprema, ki se danes priključuje, ima vedno več funkcionalnosti, vendar pa ta integracija načeloma pomeni večje stroške in s svojo kompleksnostjo prinaša tudi težje odkrivanje napak. V prihodnosti lahko pričakujemo zahtevo po učinkovitosti operiranja omrežja, visoki avtomatizaciji in zanesljivosti. Glavni gonilniki razvoja bodo IPTV, poslovne in mobilne Ethernet storitve. Pri tem pa moramo ločevati med transportom in zagotavljanjem storitev Trg širokopasovnega dostopa Iskanje možnosti za investiranje v omrežja novih generacij se kaže v rasti števila priključkov širokopasovnega dostopa, ki omogoča storitve dostopa do interneta, IP telefonije, IP televizije in multimedijskih storitev, ki postajajo vedno pomembnejše vsebine, do katerih dostopajo končni uporabniki. Širokopasovni dostop na fiksni lokaciji se še vedno najpogosteje zagotavlja prek xdsl (Digital Subscriber Line) tehnologije, ki uporablja bakreno omrežje javnega telefonskega omrežja ali kabelsko omrežje. Vse več pa je tudi optike, ki je glede na predvidene zahteve storitev HD video prenosov in TV kanalov, visoke grafične kakovosti internetnih iger ter pričakovanega razvoja 3D tehnik, nedvomno preferenčna tehnologija omrežij nove generacije. Optična omrežja namreč omogočajo večje prenosne zmogljivosti in s tem posredno tudi boljšo kakovost storitev. 6

24 2.11 Kako deluje IPTV IPTV pretvori televizijski signal v male pakete računalniških podatkov kot vse druge oblike spletnega prometa, na primer v e-pošto ali spletne strani. Razvrščamo tri glavne komponente IPTV. K prvi prištevamo TV in vsebino ponudnika, kjer so sprejeti in kodirani TV kanali in tudi druge vsebine, kot je video na zahtevo. Drugi del je širokopasovno omrežje, ki ga zagotavlja operater telekomunikacij. Tretji element je set top box (STB), ki je potreben na lokaciji uporabnika. Paketki se ponovno sestavijo v medij s programiranjem programske opreme v STB-ju. STB je preko mrežne povezave priključen med komunikacijskim prehodom (xdsl modem) in uporabniškim zaslonom (TV) Kakšne so omejitve IPTV Ker IPTV temelji na internetnem protokolu, je občutljiv na izgubo paketa in časovni zamik, če širokopasovna povezava ni dovolj hitra IMS arhitekture IPTV Obstajajo vedno večja prizadevanja za standardizacijo uporabe 3GPP (3rd Generation Partnership Project) IP Multimedia Subsystem (IMS) kot arhitektura za podporo IPTV storitve v prenosnih omrežjih. Oba ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) in ETSI (The European Telecommunications Standards Institute) delata na tako imenovanem "IMS temelji IPTV "standardu (npr. ETSI TS ). Ponudniki bodo lahko ponudili VoIP (Voice over Internet Protocol) in IPTV storitev preko iste jedrne infrastrukture in izvajali storitev, ki združuje običajne storitve televizije s telefonijo (npr. ID klicatelja na TV zaslonu) IPTV protokoli IPTV vsebuje predvajanje v živo (Multicasting), prav tako pa tudi shranjen video (video na zahtevo, ali VoD). Predvajanje IPTV zahteva IP priključne naprave, navadno osebni ali tablični računalnik, pametni telefon, igralne konzole ali tradicionalni set-top-box STB priključen na TV. Video vsebina je običajno stisnjena z uporabo bodisi MPEG-2 bodisi MPEG-4 kodeka in nato pošlje MPEG tok promet v omrežje preko IP multicast v primeru živih TV, ali preko IP unicast v primeru videa na zahtevo. IP multicast je metoda, v kateri se lahko podatki pošljejo na več računalnikov sočasno. H.264 (MPEG-4) kodek vedno bolj 7

25 zamenjuje starejši MPEG-2 kodek. V standardih, ki temeljijo na sistemih IPTV, so uporabljeni glavni osnovni protokoli: 1. V živo IPTV uporablja IGMP (Internet Group Management Protocol) za povezavo z multicast tokom (TV kanal) in za spreminjanje iz enega multicast toka v drugega (sprememba TV kanala). IP multicast deluje v okviru lokalnih omrežij (vključno z VLAN Virtual Local Area Network) in čez WAN (Wide Area Network). IP multicast je Protocol Independent Multicast (PIM), ki omogoča distribucijo multicast tokov (TV kanali) od vira pa vse do uporabnika, ki si jih želi ogledati. 2. VOD uporablja UDP ali RTP (Real Time Protocol) protokol za programski tok in nadzor se izvaja s pomočjo Real Time Streaming Protokola (RTSP). 3. Omrežni osebni video snemalnik, kot je video na zahtevo (VOD), uporablja UDP ali RTP za tok, IPTV in RTSP za kontrolo komunikacije končnega uporabnika Prednosti IPTV Platforma na bazi internetnega protokola ponuja pomembne prednosti, vključno z možnostjo za vključitev televizije v druge storitve, ki temeljijo na IP, kot so visoke hitrosti dostopa do interneta in VoIP. Preklopno IP omrežje omogoča tudi zagotavljanje bistveno več vsebine in funkcionalnosti. Pri tipični TV ali satelitskih omrežjih, ki uporabljajo tehnologijo oddajanja videa, vsa vsebina teče vedno navzdol za vsako stranko, ki vsebino preklopi na set-top boxu. Izbira lahko med toliko možnostmi kot mu lahko na področju telekomunikacij kabelsko ali satelitsko podjetje dobavi na dom. Preklopno IP omrežje deluje drugače. Vsebina je še vedno v omrežju in tista, katero kupec izbere, je poslana na njegov dom. To razbremeni pasovno širino, strankina izbira pa je manj omejena z velikostjo širokopasovne hitrosti Omejitve IPTV je občutljiv na izgube paketov in na časovne zakasnitve, če prenosni podatki niso dosegljivi. IPTV ima strogo zahtevano minimalno hitrost, da zagotavlja pravo število sličic na sekundo za zagotavljanje gibljivih slik. To pomeni, da lahko omejena povezava hitrosti in širokopasovne širine zmanjša kakovost storitev (QoS) IPTV. 8

26 2.17 Zahteve prometa Digitalni video je kombinacija zaporedja digitalnih podob, ki so sestavljene iz slikovnih pik ali elementov slik. Vsaka slikovna pika ima dve vrednosti, ki sta svetlost in barvitost. Svetlost zastopa intenzivnost slikovnih pik, barvitost pa predstavlja barvo slikovne pike. Trije bajti se uporabijo za predstavitev barve od visoko kakovostne slike za pravo barvno tehniko. Zaporedje slik je ustvarjanje digitalnega videa, v tem primeru se slike imenujejo okvirji. Video zajema 24 slik na sekundo. Vendar se glede na ozemlje spreminja. V Severni Ameriki imajo 30, v Evropi pa 25 slik na sekundo. Vsak digitalni video ima dve dimenziji: širino in višino. Velikost za SDTV (Standard Definition Television) je , za HDTV pa slikovnih pik. Za SDTV sta dovolj 2 bajta (16 bitov) za ustvarjanje barvne globine, HDTV pa zahteva 3 bajte (24 bitov), da ustvari globino barve. Skratka, s hitrostjo 30 slik na sekundo, nekompromiran format SDTV zasede , bitov na sekundo. Medtem ko je potrebnih za nekompromiran HDTV format ,492,992,000 bitov na sekundo. S tem preprostim izračunom je očitno, da brez uporabe metode stiskanja ne bi mogli ponujati storitev naročnikom. Tako lahko sedaj stisnjeno HDTV vsebino dostavimo s hitrostjo prenosa podatkov med 8 in 10 Mb/s, če pa je doma uporabnik opremljen z več izhodi HDTV, se ta stopnja pomnoži. Visoke hitrosti prenosa podatkov se bodo povečale, za gledalca bo potrebna pasovna širina vsaj 2 Mb/s za uporabo spletne aplikacije na računalniku. Poleg tega pa je 64 kb/s potrebnih za uporabo stacionarnega telefona. Torej potrebujemo za triple-play storitev v gospodinjstvu vsaj 13 Mb/s Razpoložljivost Ključni kazalnik uspešnosti za kakovost distribucije videa je opisan v priporočilih SCTE 168 (The Society of Cable Telecommunications Engineers). Le-ta predstavlja cilj za visoko razpoložljivost programa, in sicer, da do naročnika ne pride več kot 6 (HD) ali 24 (SD) sekundnih napak v 24 urnem obdobju. To pomeni, da mora uspešni ponudnik storitev dosegati ali presegati današnji visoki standard za zanesljivo in zadovoljivo uporabniško izkušnjo, torej zagotavljanje»5-devetk«ali 99,999 % razpoložljivost. časovni interval - čas okvare Razpoložljivost= 100 % časovni interval 9

27 Preglednica 2.1: Priporočene smernice razpoložljivosti iz DSL foruma, tehnično poročilo TR-126 Transportni podatkovni tok (Mb/s) Velikost izgube Cilj razpoložljivosti SD/MPEG Mb/s < 24 error sekund/dan % SD/MPEG Mb/s < 24 error sekund/dan % HD/MPEG Mb/s < 6 error sekund/dan % HD/MPEG Mb/s < 6 error sekund/dan % Primer 8 ms izgube video podatka v MPEG-2 transportnem podatkovnem toku s širokopasovno hitrostjo 3 Mb/s: MPEG paketi na sekundo: 3 Mb/s :188 bajtov na MPEG paket = 1994, 7 MPEG paketov na sekundo 8 bitov/bajt IP paketi na sekundo: 1994, 7 MPEG paketov na sekundo = 285 IP paketov na sekundo 7 MPEG paketov na IP paket Izguba 8 ms ustreza: 285 IP paketov na sekundo 0,008 sekunde=2,28 izgubljenega IP paketa Eden od ključnih kazalnikov je tudi preklapljanje med programi, ki vzame svoj čas. Imenujemo ga zamuda. To je čas med pritiskom gumba na daljincu ter prikazom prvega okvirja na zaslonu. Da bi zagotovili interaktivnost ter zadovoljiv QoE (Quality of Experience), bi moral biti čas preklapljanja pod 2 sekundi. Za preklop skrbi IGMP (Internet Group Management Protocol) protokol. Primer je prikazan na spodnji sliki. Čas preklopa je odvisen od časa, ki je odvisen od prispetja I-okvirja slike na STB, da začne z dekodiranjem novo izbranega programa. Zakasnitev je običajno 600 ms (GOP=15,25 slik na sekundo). 10

28 Slika 2.1: Prikaz preklopa kanala 2.19 Kakovost videoposnetkov Kakovost videoposnetkov je zmožnost zaslona ali sistema za video prenos, da poustvari lastnosti izvirnega videosignala. Podobno kot pri kakovosti avdio posnetkov, so nekateri od dejavnikov, ki vplivajo na kakovost videoposnetkov, video kodeki, vrsta prenosa in omejitve širokopasovne širine. Vrste popačenj pri analognih video sistemih vključujejo zamegljenost in slabšo ostrino na robovih objektov. Slabe strani pri kakovosti digitalnih videoposnetkov in sistemov za prenos vključujejo nastajanje mreže, kock, razmazano sliko, trzanje slike, popačenje robov in zamrznitev predmetov na sliki. Nastajanje mreže je pretvarjanje digitalnega videosignala v pravokotno mrežo, pri čemer pa posamezni razdelki niso na izvirnih položajih na zaslonu. Kocke so skupine skupkov slikovnih pik, ki ne predstavljajo signalov z napako, ampak zgolj delce izvirne slike, ki bi morale biti na določenem odseku slike. Razmazana slika je posledica zastajanja ali preskakovanja kadrov ali slikovnega polja. Zamrznitev predmetov na sliki je zamrznitev dela slike, ko se kader spremeni. 11

29 2.20 Kakovost zvoka Kakovost avdio posnetkov je zmožnost zaslona ali sistema za avdio prenos, da poustvari lastnosti izvirnega avdio signala. Na kakovost zvoka lahko vplivajo številni dejavniki, kot so vrsta avdio kodekov (stiskanje zvoka), sistem za prenos zvoka in omejitve širokopasovne širine. Na splošno je znano, da močnejše stiskanje botruje slabši kakovosti zvoka. Novosti na področju tehnologije stiskanja zvoka so omogočile majhno velikost datotek, kljub temu pa je zvok kakovosten z avdio signalom, ki ustreza večjim datotekam. Znaki slabšega sistema za prenos zvoka vključujejo popačenje zvoka, ki je posledica izgube in / ali okvare paketov. Izguba paketa je nezmožnost omrežja, da v določenem času paket dostavi na cilj. Lahko je posledica več dogodkov, npr. zasedenosti omrežja ali neizpolnjevanja zahtev. Učinek izgube paketov na popačenje zvoka je začasno utišanje ali popačenje avdio signala. Izgube paketov so redke, saj sistemi dandanes navadno znova pošljejo paket, če s cilja prejmejo odgovor, da paket ni prispel v določenem času. Okvarjen paket je sprememba podatkov paketa med prenosom. Lahko je posledica različnih dejavnikov, kot je neustrezna kakovost komunikacijskega voda ali trenutne izgube prenosa zaradi napetostnih konic. Ker sistemi IPTV uporabljajo stiskanje zvoka, podatki paketa predstavljajo zvok, ki ga sistem po prenosu znova poustvari in ne dejanskega avdio signala. Če so torej uporabljeni okvarjeni podatki, se lahko zvok precej razlikuje od pričakovanega (nihanje tona). 12

30 3 VIDEO IN AVDIO STISKANJE 3.1 Pregled stiskanja Video podatki so na splošno požrešen vir omrežnih virov. V nekaterih primerih, ko je širokopasovna povezava visoka, zahteva po prenosu video signala ne predstavlja problema. Vendar je še vedno veliko število terminalnih naprav z nizko zmogljivostjo. Težava pri digitalnem videu je, kako bi veliko količino podatkov skrčili, da bi se omogočilo lažje prenašanje in hranjenje posnetkov. Algoritmi za stiskanje podatkov, zlasti video podatkov, so zelo zahtevni in so bili v središču številnih raziskav v zadnjem desetletju. Na splošno je ideja stiskanja, da je nekaj bitov z nizko prednostjo in več bitov z visoko prednostjo prioriteta. Najbolj uporabljene algoritme in standarde za video kompresijo sta prispevala MPEG in ITU. Glavni standardi za kodiranje videa so MPEG-1, MPEG-2 ter MPEG-4. Digitalni kompresijski metodi, kot sta MPEG-2 ter MPEG-4, dovoljujeta, da lahko posamezen analogni TV-kanal nosi 5 različnih kanalov standardne ločljivosti ali pa 2 kanala visoke ločljivosti Zahteve stiskanja Stroški shranjevanja datotek so se občutno zmanjšali, kljub temu pa bi bilo še vedno zelo drago shranjevanje primerne količine nestisnjene video vsebine. Za dve uri standardne kakovosti televizijskega signala bi potreboval prostora vsaj 200 GB (Giga Byte). Osnovna zahteva je zmanjšanje količine podatkov, ki se morajo prenesti k uporabniku, vendar pa je potrebno čim bolj obdržati kvaliteto same vsebine Zahteve širokopasovne hitrosti Pošiljanje oziroma prenos nestisnjene vsebine na katerokoli oddaljeno lokacijo je z današnjo tehnologijo izredno težko doseči. Nestisnjen video format standardne kakovosti (ang. Standard Definition SD) zahteva prenose več kot 200 Mb/s. Medtem ko nestisnjen video format visoke ločljivosti (ang. High Definition HD) zahteva prenose tudi več kot 1Gb/s. Stiskanje podatkov omogoča, da ponudniki IPTV-ja dostavljajo uporabnikom vsebino v visoki ločljivosti po standardnem širokopasovnem omrežju. Najbolj uporabljene 13

31 so metode z izgubo kvalitete, in sicer standarda MPEG in VC-1 (Video Codec). Standard MPEG se uporablja tudi na področju IPTV-ja Zahteve procesiranja strojne opreme Obdelava velike količine video podatkov (shranjevanje) v realnem času (pasovna širina). 3.2 Video stiskanje Cilj stiskanja video formata je zmanjšanje velikosti podatkovne vsebine za predvajanje video vsebine brez vpliva na kakovost slike. Stiskanje brez izgub ni učinkovito, vendar je popolnoma obnovljivo. Stiskanje z izgubo je veliko bolj učinkovito, vendar na račun kakovosti. Kako močno je video signal stisnjen pove kompresijsko razmerje, pri čemer višje razmerje pomeni tudi slabšo kakovost. Seveda pa je največja slabost stiskanja razmerje med stiskanjem in kakovostjo slike. Bolj kot poizkusimo stisnit podatke pri neki vsebini, bolj bo trpela kakovost in zato je tudi tu potrebno najti pravo razmerje. Slika 3.1: Digitalizacija slike za prenos preko transportnega omrežja 3.3 Ključ do stiskanja: odstranjevanje redundance Algoritmi stiskanja video formata uporabljajo različne vrste redundance, da se zmanjša velikost video posnetka. Enakosti so tako lahko kodirane samo z zaznavanjem razlike znotraj okvirja (prostorsko) in / ali med okvirji (časovno). 14

32 3.3.1 Prostorska redundanca Slikovne pike so lahko zakodirane v skupinah (makro bloki). Barvo in svetlost sosednjih slikovnih pik imajo pogosto podobne vrednosti. Prostorsko kodiranje izkorišča nezmožnost človeškega očesa razlikovati majhne razlike v barvah, za razliko od lažjega zaznavanja sprememb v svetlosti. Tako lahko podobna področja s podobno barvo zamenjamo z eno povprečno barvo na podoben način kot to deluje pri stiskanju slik v JPEG (Joint Photographic Experts Group) format Časovna redundanca Spremembe v gibanju in lokaciji nekega predmeta so po navadi med video okvirji zelo majhne. Pri časovnem kodiranju so stisnjene samo razlike med okvirji, medtem ko je veliko število slikovnih elementov podobnih. 3.4 MPEG Moving Picture Experts Group, ali krajše MPEG, je ime ISO/IEC (International Organization for Standardization / International Electrotechnical Commission) komisije, ki se ukvarja z razvojem video in audio kodiranja. Komisija je nastala maja 1988 v Ottawi v Kanadi, ko se je zbralo 25 strokovnjakov pod okriljem Leonarda Chairigloione in Hiroshe Yasuda s ciljem, da bi razvili standard za kodiranje audia in videa na CD-je (Compact Disk). Namreč, ob koncu 80. let se je industrija audio in video tehnologije soočila s problemom, kako bi veliko količino podatkov skrčili, da bi se omogočilo lažje prenašanje in hranjenje posnetkov. Potrebovali so nov produkt za shranjevanje ter prenos audio in video zapisov. Osnovna ideja je bila, da analogni ali digitalni video signal konvertira v stisnjen paket podatkov, ki je prilagojen za učinkovit prenos preko omrežja. Analogni video prikaže 25 sličic v sekundi. Pogosto se dogaja, da sta si zaporedni sličici zelo podobni. MPEG s primerjavo dveh sosednjih sličic ugotavlja, v katerem delu sličice je prišlo do spremembe. Na ta način ni potrebno shraniti naslednje sličice v celoti, ampak samo spremembe, ki so se zgodile v primerjavi s predhodno. Med drugim MPEG v primerjavi z nekodiranim digitalnim videom odreže informacije, ki jih naše oči niso sposobne videti. Te kodirane tehnike so zbirka patentiranega stiskanja podatkov v programe in so namenjene za pretvorbo avdio / video podatkov. S tem se zmanjša prenos podatkov in pozorni moramo biti, da ni ogrožena avdio in video kakovost. [31] 15

33 3.4.1 MPEG stiskanje V tem delu podrobneje opisujemo formate digitalnega videa. Podajamo osnovne informacije obeh formatov: kako so nastali, kaj vsebujejo in zakaj jih uporabljamo. V opisu tudi primerjamo kateri format je boljši in zakaj. Z leti so se formati izboljševali in nadgrajevali, danes pa jih poznamo kot končen izdelek. MPEG generalno vzame analogni ali digitalni video signal in ga pretvori v digitalne podatkovne pakete, ki so veliko bolj učinkoviti za prenos, oziroma transport preko omrežja. MPEG sistem je sestavljen iz dveh slojev: 1. sistemski sloj (podaja časovno informacijo za sinhronizacijo videa in audia), 2. stisnjen sloj (vsebuje audio in video tok). Video stream Video Decoder decompressed video MPEG system stream System Decoder časovna informacija Audio stream Audio Decoder decompressed audio Slika 3.2: MPEG dekodirni sistem zrcalna slika od kodirnega sistema [15] MPEG standardi V letu 1992 se je izoblikoval standard, imenovan MPEG-1, katerega sta potrdila ISO (International Organization for Standardization) in IEC (International Electrotechnical Commission). MPEG je standardiziral naslednje formate in standarde: 1. MPEG-1: ISO/IEC standard. Združeval je kodiranje video in zvočnega zapisa pri pretočnosti 1.5 Mbit/s. Najdemo ga predvsem v tehnologijah kot so Video CD (VCD), Super Video CD (SVCD), kabelska televizija (CATV Cable Analogue Television). 2. MPEG-2: Pojavil se je pod imenom»generic coding of Moving Pictures and Associated Audio«. Ustvarjen je bil z namenom za razširjeno oddajanje pri velikem pretoku podatkov (3-15 Mbit/s). 16

34 3. MPEG-3: Namenjen je bil za televizijo visoke ločljivosti - High-definition television (HDTV) s prenosom med Mbit/s. Pozneje so ugotovili, da lahko to pokrijejo v okviru MPEG-2 in so ga zato opustili. 4. MPEG-4: Zajema kodiranje audio-vizualnih objektov. Zagotovil je uspešen razvoj na treh področjih: digitalni televiziji, interaktivnih grafičnih aplikacijah in interaktivni multimediji (World Wide Web). Najpomembnejši del standarda pa je vsekakor Advanced video coding (AVC). To je zaradi tega, ker MPEG-4 kompresijski algoritem ustvari datoteke, ki se prenašajo prek interneta. S tem se uredi pretočnost na različnih platformah omrežja. [31] Objavljena pa sta že dva nova standarda: 1. MPEG-7, 2. MPEG MPEG-1 MPEG-1 standard določa vrsto kodiranj za avdio in video, ki so namenjeni za transportne tokove do 1,5 Mbps. Glavni cilj MPEG-1 je bil, da reši problem shranjevanja video posnetkov na CD-ROM in tako je postal uspešna oblika za izmenjavo video datotek preko interneta. Vendar je prišlo hitro do potrebe po hitrostih, višjih od 1,5 Mbps. To je privedlo do opredelitve MPEG-2, ki določa stopnjo od 1,5 do več kot deset Mbps. MPEG-1 je bil objavljen leta Formalno je poimenovan kot ISO/IEC standard. Združuje kodiranje videa in zvočnega zapisa pri pretočnosti 1,5 Mbit/s. Sestavljen je iz petih delov: 1. sistem, 2. video, 3. audio, 4. testiranje prilagajanja, 5. programska simulacija. MPEG-1 standard najdemo predvsem v tehnologijah kot so Video CD (VCD), Super Video CD (SVCD) in kabelska televizija (CATV). Zaradi omejitev kakovosti slike in 17

35 prenosa, je to vplivalo na nadaljnji razvoj MPEG-a. Tako je nastal MPEG-2 (ISO/IEC 13818). [33] Prvi del - Sistem Prvi del je eden izmed najpomembnejših, saj rešuje problem, kako iz enega ali več tokov iz audio in video dela sestaviti en tok podatkov. Podatke v takšni obliki se lažje shranjuje oziroma prenaša. [33] Drugi del - Video Drugi del je bil razvit izključno z namenom, da ponuja stalen prenos podatkov iz zakodiranega stisnjenega videa na podatkovnem nosilcu s hitrostjo prenosa 1,5 Mbit/s. Veliko tehnik je uporabljenih za doseganje visokega povprečja stiskanja podatkov. Pri kodiranju sličic se uporabljajo Hibridne kodirne tehnike: 1. Pretvarjanje barvne sheme in vzorčenje informacij o kontrastu (RGB ->YcbCr). 2. Kvantizacija (razbitje) - povezovanje zaporedja nekih števil v eno samo vrednost. 3. DCT - diskretna kosinusna transformacija nad matrikami 8x8 pikslov. 4. Zig-zag skeniranje. 5. Napovedovalno kodiranje - vzamemo trenutno vrednost in skušamo napovedati naslednjo. 6. Gibalna kompenzacija (MC - Motion Compensation). 7. Kodiraje spremenljive dolžine (VLC - Variable Length Coding) - pogoste barve imajo kratko kodo, redko zastopane pa dolgo. [33] Tretji del - Audio Tretji del predstavlja zaporedje audio kodiranja (mono in stereo). Vhodni audio vzorci vstopajo v kodirnik. Prva enota - preslikovalnik ustvari filtrirano in vzorčno predstavitev vhodnih audio vzorcev. Psihoakustični model naredi podatke za kontrolo kvantizatorja in kodirnika, ki ustvarita paket kodiranih simbolov iz vhodnih vzorcev. Enota»Pakiranje okvirjev«zbere vse podatke iz ostalih enot in doda še kakšno drugo informacijo (npr. popravi napake), če je to potrebno. [33] 18

36 Četrti del - Testiranje prilagajanja Četrti del predstavlja, kako naj bodo narejeni testi, ki bodo določili ali so kodirniki iz prvega, drugega in tretjega dela ustrezno narejeni. [33] Peti del - Programska simulacija Peti del ne opredeljuje standarda, pač pa je programski del, ki vsebuje prve tri dele MPEG-1 standarda. [33] MPEG-2 MPEG-2 (ISO/IEC 13818) se je prvič pojavil julija leta 1990 pod imenom»generic coding of Moving Pictures and Associated Audio«. Novembra 1994 so bili potrjeni prvi trije deli standarda, eno leto kasneje pa še ostali. MPEG-2 standard je pravzaprav razširitev standarda MPEG-1. Ustvarjen je bil z namenom za razširjeno oddajanje pri velikem pretoku podatkov. Vpeljuje dodatne algoritme za efektivno kodiranje prepletenega videa, podporo za širok rang pretoka bitov ter podporo za kodiranje večkanalnega prostorskega zvoka. MPEG-2 kodira standardno ločljivost slike pri toku bitov 3-15 Mbit/s in visoko ločljivost slike pri toku bitov Mbit/s, razširja pa tudi zvočne zmožnosti MPEG-1 standarda v večkanalni prostorski zvok. Standard je seveda združljiv za nazaj, saj dekodira vse zapise, kodirane v MPEG-1 standardu. Sestavljen je iz 8 osnovnih delov. Prvi trije združujejo internacionalno definicijo standarda, ostali pa le izpolnjujejo različne nivoje. Sprva je ta format vseboval le večje bitne hitrosti. Večje hitrosti so pomenile manjše stopnje kompresije in s tem tudi večjo kvaliteto slike. Dodani postopki omogočajo dodatne načine vzorčenja, različne ločljivosti slike oba formata slike (4:3 in 16:9). Kodiranje avdio signala v MPEG-2 formatu ni bilo deležno večjih sprememb. Format se je najprej uporabljal pri profesionalni studijski izmenjavi TV programov preko komunikacijskih satelitov, kasneje pa se je uporaba razširila tudi na satelitsko distribucijo programov, kjer so se zmanjšale tehnične kvalitete, zato je bila potrebna bitna hitrost 4 Mb/s. Pomembno uporabo je MPEG-2 dosegel tudi na področju zabavne industrije. MPEG-2 kodiranje uporablja DVD (Digital Versatile Disc) format za zapise slike, zvoka in podatkov na optične diske. Video posnetki, ki ji gledamo na DVD-ju in digitalni televiziji so kodirani v MPEG-2 standard. Kakovost pri MPEG-2 je brezhibna, vendar ta oblika formata ni narejena za multimedijske aplikacije omrežja. Prav tako ni narejen za predvajanje video 19

37 posnetkov na telefonu. Torej bo kakovost videa, stisnjenega v MPEG-2 formatu ogrožena, če ga uporabljamo na spletu. Ena najbolj pomembnih razširitev standarda je 4:2:2 profil (format ponazarja, da je polovica vrednosti krominance = razlika dejanske barve in prikazane, izbrisana), ki razširja uporabo MPEG-2 za televizijski studio. MPEG-2 podpira standarda NTSC (National Television System Committee) in PAL (Phase Alternate Line) v polni resoluciji, kot tudi 720p in 1080i signala. Omogoča tudi multipleksiranje števila video in zvočnih signalov. Podpira pet kanalni zvok (ang. surround sound) in napredno zvočno kodiranje AAC (Advanced Audio Coding) standarda. Tehnologije, ki še uporabljajo MPEG-2 so: 1. CATV (Cable Analogue Television) uporablja MPEG-2 za kompresijo in dekompresijo videa za distribucijo in prenos. Želijo imeti čim bolj kvaliteten video in pasovna širina je na voljo za visoke hitrosti prenosa. 2. DBS (Direct Broadcast Satellite) uporabljajo ta standard za direkten prenos audia in videa. 3. Največ ga srečujemo na DVD-jih (Digital Versatile Disc). [34] Nivoji MPEG-2 standarda: 1. Prvi nivo MPEG-2 standarda opredeljuje združevanje enega ali več osnovnih tokov videa in zvoka, kot tudi drugih podatkov v enega samega ali več tokov, primernih za shranjevanje ali oddajanje. Toki podatkov so tako razdeljeni v dve veji: Programski tok in Transportni tok. 2. Drugi nivo MPEG-2 gradi na visokih zmožnostih stiskanja videa v MPEG-1 standardu z uporabo široke palete kodirnih orodij, ki so grupirani v profile za doseganje boljše učinkovitosti. 3. Tretji nivo standarda je združljiva razširitev večkanalnega zvoka v MPEG-1 standardu. 4. Četrti in peti nivo sovpadata s 4. in 5. delom MPEG-1 standarda in ponazarjata Testiranje prilagajanja, ter Programsko simulacijo (zig-zag skeniranje in napovedovalno kodiranje). 5. Šesti nivo MPEG-2 standarda je t.i. Digital Storage Media Command and Control (DSM-CC). Združuje več protokolov za nadzor funkcij in operacij pri vodenju z MPEG-1 in MPEG-2 tokovi bitov. 20

38 6. Sedmi nivo opredeljuje algoritem za kodiranje večkanalnega prostorskega zvoka, ki pa ni združljiv z zvokom v MPEG Osmi nivo MPEG-2 standarda je t.i. realno časovni vmesnik (RTI Real Time Interface), ki izvaja prilagajanje za dekodirnike transportnega toka. [34] Razlike med MPEG-1 in MPEG-2: 1. MPEG-1 dovoljuje samo progresivna zaporedja slik. MPEG-2 pa dovoli tudi prepleteno (interlaced) zaporedje. 2. MPEG-2 dovoli višji podatkovni nivo prenosa kot MPEG MPEG-2 dovoli prostorski zvok (sorround sound) in alternativne jezikovne zapise. 4. MPEG-2 ima posebno razširjeno skalabilno informacijo, zato različni dekoderji lahko dobijo različno kvaliteto na izhodu. [34] Kodiranje v MPEG-2 Aktivno področje okvirja digitalne televizije vzorčeno po CCIR (Comite Consultatif International Pour la Radio) priporočilu 601 je v razmerju 720 pik na 576 vrstic pri frekvenci 25 Hz. Z uporabo 8 bitov za vsako izmed komponent Y, Cb, Cr v nestisnjenih razmerjih 4:2:2 in 4:2:0 pridemo do sledečega pretoka: 4:2:2: 720 x 576 x 25 x x 576 x 25 x (8 + 8)= 166 Mbit/s 4:2:0: 720 x 576 x 25 x x 288 x 25 x (8 + 8)= 124 Mbit/s MPEG-2 je sposoben kodiranja standardne kakovosti videa 4:2:0 na 3-15 Mbit/s. Pri digitalnem zemeljskem televizijskem oddajanju v standardni kakovosti videa imamo pretok bitov okrog 6 Mbit/s, kar je trenutno dober kompromis med kakovostjo in učinkovitostjo prenosa. MPEG-2 za kodiranje uporablja enake algoritme kot MPEG-1: 1. pretvarjanja barvne sheme in vzorčenja informacij o kontrastu, 2. kvantizacija (razbitje), 3. DCT (diskretna cosinusna transformacija), 4. Zig-Zag skeniranje in (RLE Run Lenght Encoding), 5. napovedovalno kodiranje, 21

39 6. gibalna kompenzacija (MC Motion Compensation) Gibalna Ocena (ME Motion Estimation), 7. kodiraje spremenljive dolžine (VLC), 8. kodiranje znotraj okvirja, 9. kodiranje med okvirji. V MPEG-2 standard, ki je razširitev standarda MPEG-1 so vgrajeni posebni algoritmi za učinkovito kodiranje prepletenega videa ter razširitev podpore širokemu spektru toka bitov. Orodja, vgrajena v MPEG-2 standard omogočajo t.i. izluščevalno kodiranje, pri katerem se uporabni deli videa rekonstruirajo iz kosov celotnega toka bitov. Tok bitov je lahko strukturiran v plasteh in se začne z osnovno plastjo (lahko je že sama po sebi kodirana), ki ji nato dodaja prečiščene plasti za zmanjšanje uničenj pri razbitju ali za večanje resolucije. Tu govorimo o izluščevalnem ter o neizluščevalnem kodiranju. [27] MPEG-4 MPEG-4 določa stopnjo od nekaj Kb do zmerno visoke stopnje (približno 4 Mbps). MPEG-4 (H.264) pokriva lastnosti prejšnjih dveh standardov: fleksibilni okvir ter prilagodljiv za široko paleto aplikacij. Ustanovljen je bil konec leta 1998 in je potrjen standard za audio in video kodek format in s tem povezane tehnologije s strani ISO/IEC MPEG v okviru formalnega standarda ISO/IEC kodiranje avdio vizualnih objektov. MPEG-4 se uporablja za stiskanje avdio video podatkov za internet (streaming media) in CD distribucijo, govor (telefon, videokonferenca) ter za televizijske aplikacije preko širokopasovnega omrežja. Glede na MPEG-2 ima veliko izboljšav, kot je na primer podpora 3D predmetom, predmetno usmerjena sestava datotek in podpora za zunanje sisteme DRM (Digital Rights Management). Osnovne zahteve MPEG-4 kodiranja so bile: 1. nižje bitne hitrosti slike in zvoka, 2. integracija slikovne, zvočne in podatkovne informacije v multimedijsko vsebino, 3. kompatibilnost z drugimi obstoječimi MPEG kodiranji. 22

40 MPEG-4 ima zelo široko območje bitnih hitrosti, ki segajo od 4,8 kb/s do 10 Mb/s. Z zmanjševanjem ločljivosti slike lahko dosegamo nizke bitne hitrosti. V MPEG-4 formatu sta uporabljena dva standarda za kodiranje slike: 1. MPEG-4 Part 2 oz. H.263, iz katerega izhajata DivX in Quicktime video kodeka, 2. MPEG-4 Part 10 oz. H.264, iz katerega izhaja AVC (MPEG-4 AVC/H.264 Advance Video Coding, HDV media znan kot Blue-ray disc). Video kodeki, ki izhajajo iz standarda MPEG-4 Part 2, so namenjeni multimedijskim aplikacijam, za katere je zahtevana zelo nizka bitna hitrost pri relativno nizki ločljivosti slike. Najpomembnejši del standarda je vsekakor Advanced video coding (AVC). AVC pristop je računsko bolj intenziven kot drugi MPEG-4 profili, vendar hkrati nudi veliko boljše razmerje kompresije. Temelji na iskanju približka, najpogosteje I-slike, kar prejšnji MPEG standardi niso imeli. Testi prikazujejo, da potrebuje samo 50 % bitne hitrosti kot MPEG-2 in nudi 40 % prihranek v primerjavi z drugimi MPEG-4 profili za enako velikostjo slike. Torej bo ta način kodiranja najverjetneje postal prevladujoči pri naslednji generaciji posredovanja digitalnih vsebin, vključujoč "broadcast", "cable", dvd in omrežja. AVC kodek je namenjen kompresiji slike v visoki ločljivosti in nižji bitni hitrosti, kot jo dosegajo MPEG-2 kodeki. AVC kodek vnaša izboljšave postopkov, ki so bili že določeni in bolj podrobnejšo obravnavo slikovnih elementov v sliki. Njegova učinkovitost je dvakrat boljša kot pri MPEG-2 kodiranju. Torej, če povzamemo vse skupaj, H.263 daje boljšo kvaliteto dekodirane slike pri zelo nizkih bitnih hitrostih, medtem ko daje H.264 boljšo kvaliteto pri večjih bitnih hitrostih. Primerjava MPEG-2 in MPEG-4 video formata: Obe obliki se danes uporabljata za različne aplikacije. MPEG-2 se uporablja v kodiranju DVD-ja in kodiranju za TV. Med tem pa se MPEG-4 uporablja za uporabo na internetu in video telefonih. V primerjavi z MPEG-2 datotekami, MPEG-4 datoteke zavzamejo manj velikosti pomnilnika kot MPEG-2. [41] 3.5 Video kodeki International Telecommunication Unit (ITU) je za rešitev problema prenosa stisnjenega videa preko interneta uvedla svoje H serije (H.310, H.320, H324) standardov. Prvi 23

41 standard, ki ga predlaga ITU je video kodek H.261. Standard H.261 določa več metod za kodiranje in dekodiranje videa na stopnji P 64 Kbps, kjer se P spreminja v območju od 1 do 30. Kasneje so se pojavili še ostali trije standardi: H.262, H.263 in H.264. H.262 standard cilja na višje bitne hitrosti (v resnici, H.262, je rezultat partnerstva, ki je privedla do MPEG-2), vendar se ni izvajal v seriji H.320. Tako H.261 in H.263 temeljita na enakih načelih, čeprav H.263 uvaja številne izboljšave, ki vodijo do enake kakovosti videa za polovično pasovno širino. H.261 podpira QCIF ( slikovnih pik) in CIF (Common Intermediate Format) ( ) ločljivost. H.263 podpira SQCIF ( slikovnih pik), 4CIF ( pik) in 16CIF ( slikovnih pik). H.264 standard, znan tudi kot MPEG-4 ali H.264/AVC, je rezultat skupnega dela med ITU in MPEG (partnerstvo se imenuje Joint Video Team JVT) s ciljem, da opredelijo kodek, ki lahko generira brez večje zapletenosti in dober kakovostni video po nižjih stopnjah bitov kot prejšnji formati (H.262, MPEG-2...). H.264/AVC omogoča uporabo naprednih tehnik kodiranja za ustvarjanje videa za široko paleto aplikacij, od nizke do visoke ločljivosti in po različnih bitnih hitrosti (na primer DVD, oddaja, 3G mobilne vsebine). 3.6 Tehnologije MPEG stiskanja: I,P,B okvirji in skupina slik - GOP Okvir so vse točke, ki predstavljajo en časovni moment. Pojem okvir je enak mirujoči sliki. Okvir je ena slika iz video sekvence. 24

42 Slika 3.3: Skupina slik [58] Komponente MPEG GOP Komponente MPEG skupine slik so razdeljene po plasteh in v vsaki plasti se paketu doda glava. Slika 3.4: Plasti v MPEG skupini slik 25

43 3.6.2 Video sekvenca Video sekvenca je sestavljena iz skupine slik. Slika je razdeljena na plasti oziroma rezine, v katerih se nahajajo makro bloki velikosti slikovnih pik. Makro blok je razdeljen na 4 bloke po 8 8 slikovnih pik. Slika 3.5: Razdelitev video sekvence 26

44 3.6.3 Skupine slik (GOP Group of Pictures) I okvir (začetni) je okvir, ki je stisnjen na podlagi informacije, ki jo vsebuje v okvirju. P okvir (predviden) je okvir, ki je bil stisnjen z uporabo podatkov, vsebovanih v lastnem okvirju in podatkov, v katerih je pred I ali P okvir. B okvir (dvosmerni predviden) je okvir, ki je bil stisnjen z uporabo podatkov, v katerem je pred I ali P okvir in podatkov, v katerem je prvi naslednji za I ali P okvirjem. Skupina slik je zaporedje okvirjev, ki vsebuje eden I okvir in nič ali več P in B okvirjev. Slika 3.6: Prikaz zaporedja okvirjev, ki predstavlja skupino slik [53] Naročeni okvirji se lahko prenašajo po drugačnem vrstnem redu kot so prikazani. Slika 3.7: Vrstni red slik na zaslonu je drugačen od zaporedja pri transportu MPEG lahko uporablja tudi spremenljive skupine slik za boljše soočanje s kompleksnim videom. Ta koncentrira I okvirje skupaj v kompleksne prizore. 27

45 Slika 3.8: Relativne podatkovne vrednosti posameznih tipov okvirjev v MPEG skupini slik [15] Tipi slik MPEG-1 in MPEG-2 sta dosegla dobro razmerje stiskanja z vzorčno in nevzorčno napovedjo. Na kratko: je opredeljena kot tok video zaporedja skupine slik (GOP), ki ga sestavljajo tri vrste okvirjev (I, P in B). I-okvirji so v osnovi niz stisnjenih slik, ki služijo kot referenca za izračun P in B okvirjev. P-okvirji so pridobljeni iz preteklosti I-okvirja z uporabo gibanja napovedi in se nato lahko kodirajo z višjim razmerjem stiskanja. B- okvirji, ali dvosmerni okvirji, temeljijo na ravni prejšnjega in prihodnjega I in P okvirjev znotraj GOP, ki vodi v visoko razmerje stiskanja. Slika 3.9: Napovedovalne ter dvojno usmerjevalne napovedovalne slike [15] 28

46 Slika 3.10: Število slik na sekundo pri 30 Hz osveževanju Notranje slike (I-slike) To so slike, kodirane brez referenc na ostale slike, pri katerih dosežemo zmerno stisljivost z omejevanjem prostorske redundance, vendar brez omejevanja začasne redundance. Uporabljene so periodično za zagotavljanje vstopne točke v tok bitov. MPEG-1 standard za kodiranje I-Slike uporablja kodiranje znotraj okvirja. Ta kodirni sistem je precej podoben JPEG standardu. To pa pomeni, da je kodiranje I-Slike manj zapleteno od P-Slike in B- Slike. Dekodiranje I-Slike je le obraten proces od kodiranja. Še vedno pa v tem okviru velja, da gre za blok 8x8, ki ga razširimo na makro-blok sestavljen iz šestih blokov: 4 za svetlost (Y), eden za Cb in eden za Cr. Proces kodiranja I-slike: 1. razstavljanje slike na RGB (Red Green Blue) komponente, 2. pretvarjanje RGB v YCbCr, 3. deljenje slike na makro-bloke (vsak ima 6 blokov 4Y, 1Cb, 1Cr), 4. DCT transformacija za vsak blok, 5. razbitje vsakega izmed koeficientov na enake dele, 6. uporaba DCPM (Differential Pulse Code Modulation) za kodiranje DC vrednosti in zatem še kodiranje z VLC, 7. uporaba RLE za kodiranje AC vrednosti in zopet kodiranje z VLC. [27] Z uporabo takšnega načina kodiranja smo dobili sliko dobre kakovosti, vendar z majhno stopnjo kompresije. [27] 29

47 Slika 3.11: Proces kodiranja I-slike [27] Napovedovalne slike (P-slike) Te uporabljajo predhodne I- ali P-slike za gibalno izravnavo in nastopajo kot referenca za prihodnje napovedi. Vsak blok v P-sliki je lahko napovedan ali notranje kodiran. Ker P- slika zmanjšuje prostorsko in začasno redundanco je ta bolj učinkovita pri stiskanju kot I- slika. [27] Slika 3.12: Prikaz napovedovanja v naprej [27] Dvojno usmerjevalne napovedovalne slike (B-slike) Te uporabljajo predhodne ter sledeče I- ali P-slike za gibalno izravnavo in ponujajo največjo možno stisljivost. Vsak blok v B-sliki je lahko naprej, nazaj, oboje smerno napovedan ali notranje kodiran. [27] 30

48 Slika 3.13: Prikaz dvosmerne napovedi [27] 3.7 Vsak paket šteje Vsak paket je zelo pomemben. Video in avdio kodeki odstranijo veliko redundance. Ustvarjeni podatkovni toki, ki so visoko stisnjeni so veliko bolj občutljivi. Že zelo male motnje v podatkovnem toku lahko občutno zmanjšajo kakovost slike. Prvo načelo je: če imamo dobro kakovost slike na izvoru, je izguba paketa edina stvar v IP transportnem omrežju, ki vpliva na video kakovost. Slika 3.14: Razlika med izgubo B in I okvirja slike. [15] 31

49 4 MPEG TRANSPORTNI TOK V tem poglavju bomo opisali kako pripravimo MPEG format za transport po omrežju. MPEG transportni tok (TS Transport Stream, TP Transport Protocol, MPEG-TS ali M2T) je standardni format za prenos in shranjevanje avdio, video in programskih ter sistemskih podatkov. Uporablja se v sistemih kot so DVB, ATSC (Advanced Television System Committee) in IPTV. Ime datoteke je razširjeno s končnico "*.ts". Standard je bil izdan od MPEG skupine leta 1995 in je uradno znan kot ISO/IEC standard ali ITU-T H Transportni tok oziroma sam protokol omogoča funkcionalnosti, kot so odprava napak pri prenosu preko medija, ko je ta degradiran, kar mu daje izredno robustnost. Transportni tok se razlikuje od programskega toka predvsem v tem, da je programski tok narejen za nezanesljive medije kot so DVD diski, medtem ko je transportni tok narejen za manj zanesljive prenose, kot so zemeljski in satelitski prenosi. Poleg tega lahko transportni tok vsebuje več programov. 4.1 Pregled sistemskega sloja Transportni tok je procesiran nivojsko: 1. sestavljen iz različnih programov, 2. paketiran elementarni tok (Packetized Elementary Stream PES), 3. elementarni tok zvok ali video (služi samo za video) (Elementary Stream ES), 4. skupina slik (Group of Pictures - GOP), 5. rez odpravljanje napak, 6. makroblok vsebuje 6 do 12 DCT blokov, 7. enkodiranje bloka en DCT blok je 8 8 pik. Elementarni tok vsebuje avdio in video signal, ki izhaja iz MPEG kodeka. Elementarni tok je neprekinjen realno časovni signal, ki se zaradi nadaljnje obdelave razbije na bloke določenih velikosti. Elementarni tok ima skupno glavo, format pa je odvisen od kodeka ali podatkov v podatkovnem toku. Razbiti bloki elementarnega toka predstavljajo paketni 32

50 elementarni tok. Video in avdio paketnega elementarnega toka se združi v programski tok, več programskih tokov pa se preko multipleksorja združujejo v transportni tok, ki se prenaša po različnih prenosnih omrežij. Torej, vrste MPEG tokov so: osnovni tok (Elementary Stream ES), paketni osnovni tok (Packetized Elementary Stream PES), programski tok (Program Stream PS), transportni tok (Transport Stream TS). Slika 4.1: Vrste MPEG tokov [15] Osnovni tok (Elementary Stream ES) Osnovni tok je definiran v MPEG komunikacijskem protokolu in je običajno izhod avdio ali video enkoderja v obliki bitnega toka, ki še ni multipleksiran (MUX Multiplexer). Osnovni tok vsebuje le en del podatka, kot je avdio, video ali zaključek slike. Format osnovnega toka je odvisen od mehanizmov kodiranja oziroma podatkov, ki jih vsebuje, vendar bo vseboval enako glavo. 33

51 Slika 4.2: Digitalizacija slike [15] Paketni osnovni tok (Packet Elementary Stream PES) Paketni osnovni tok je specificiran v prvem delu MPEG-2 sistema (ISO/IEC ) in ITU-T H.222.0, ki definira prenos osnovnega toka v paketu MPEG programskega toka in MPEG transportnega toka. Paketni osnovni tok je sestavljen osnovni podatkovni tok, ki je združen v paketno obliko. Vsebuje segmentiranje skupin bitov v elementarnem toku in dodajanje paketne glave k podatkom. Vsak paketni osnovni tok, ki se prenaša, vsebuje v glavi paketno identifikacijsko kodo PID (Packet Identification Code). Paketi so lahko različnih dolžin, omejeni in določeni z 16 bitnim poljem v glavi. Paketni osnovni tok lahko vsebuje časovno dekodiranje in predstavitvene markerje, ki pomagajo prejemniku pri dekodiranju in predstavitvi Programski tok (Program Stream PS) Programski tok (PS ali MPEG-PS) vsebuje formate za multipleksiranje digitalnega avdio, video in ostalih podatkov. Programski tok je specifiran v prvem delu MPEG-1 (ISO/IEC ) in v prvem delu MPEG-2 sistemu (ISO/IEC standard / ITU-T H.222.0). Programski tok vsebuje eden program. Vse informacije v programskem toku morajo biti časovno usklajene. Ponavadi je eden video tok kombiniran z enim ali več avdio tokovi. 34

52 Slika 4.3: Multipleksiranje avdio, video, ter ostalih podatkov [59] Transportni tok (Transport Stream TS) V transportnem toku so shranjeni vsi podtoki, ki prispevajo k posnetemu programu. To so razni sistemski tokovi z metapodatki, tok s sliko, vsi tokovi z zvokom pa tudi tokovi s podnapisi in tok s teletekstom. Transportni tok vsebuje eden ali več programskih tokov z vsebovanimi informacijam. Gre za enotni program, ki ga imenujemo enotni program transportnega toka (Single Program Transport Stream SPTS). Transportni tok z več kot enim programom pa se imenuje več programski transportni tok (Multi-Program Transport Stream MPTS). Vsak programski tok (v MPEG transportnem toku) ima edinstveno 13- bitno paketno identifikacijo (Program Identifiers PIDs). Naštejmo nekaj pomembnih elementov transportnega toka: Paket je osnovna enota podatka za transportni tok. PID vsak tok ima edinstveno paketno identifikacijo. PROGRAMS transportni tok je koncept programov. 35

53 PSI Program Specific Information: PAT, PMT, CAT, NIT. PAT Program Association Table: izbor vseh programov, ki so v transportnem toku. PMT Program Map Tables: vsebuje informacije o programu. CAT Conditional Access. NIT Network Information. PCR Program Clock Reference: za sinhronizacijo avdio in video vsebine. NULL PACKETS nekatere prenosne sheme potrebujejo konstantno hitrost programskega toka in se rešuje s praznimi paketi. Slika 4.5: Struktura transportnega podatkovnega toka MPEG paketa [15] 4.2 Stalne in spremenljive hitrosti prenosa podatkov Stalne hitrosti prenosa podatkov (Constant Bit Rates CBR) Hitrost kodiranega podatkovnega toka je stalna v dekoderju. Če imamo vir informacije je prav tako stalni pretok medija. Stalno hitrost dosežemo tudi z dodajanjem ničelnih paketov v prometnem toku. 36

54 4.2.2 Spremenljive hitrosti prenosa (Variable Bit Rate VBR) Kodek lahko spreminja obseg izhodnih podatkov na časovnem segmentu. Več bitov se dodeli za bolj kompleksno vsebino. Na splošno porabi manj pasovne širine Referenca programske ure (Program Clock Reference PCR) Da je dekodirani program predstavljen s pravilno hitrostjo, ob pravem času in sinhroniziran, program ponavadi periodično (vsakih 40 ms) navede referenco programske ure na enem izmed PID-ov (ponavadi video) v programu. Slika 4.6: MPEG sinhronizacija [60] 37

55 5 ELEMENTI OMREŽJA 5.1 Izrazi omrežja (Network Terms) Protokol (Protocol) Protokol je skupina pravil, dogovorov ali postopkov, ki se uporabljajo v različnih okoliščinah. Protokol (angleško protocol) je formalen opis pravil za izmenjavo sporočil, ki jih je potrebno spoštovati, da se lahko med seboj sporazumevajo računalniški sistemi v omrežju Aplikacija (Application) Aplikacija je uporabniški program, kot je ali prenos datoteke Paket (Packet) Paket je sporočilo, ki vsebuje naslovne informacije. Veliki bloki podatkov, na primer datoteke ali podatkovni tok kot je video, je poslan z več malimi sporočili oziroma paketki Pasovna širina (Bandwidth) Pasovna širina se uporablja za označevanje količine informacij za nosilno zmogljivost naprav (stikalo, usmerjevalnik) ali povezav (optika, baker, RF Radio Frequency) Stikalo ali Hub (Switch or Hub) Stikalo ali Hub je naprava za posredovanje paketov, ki uporablja informacije le v nivoju 2 za posredovalni algoritem. Nekatera stikala lahko imajo funkcionalnost 3. nivoja Usmerjevalnik ali prehod (Router or Gateway) Usmerjevalnik ali prehod je naprava za posredovanje paketov, ki uporablja informacije le v 3. nivoju. 38

56 5.1.7 Tehnike omrežja (Network Techniques) Omrežje je sestavljeno iz dveh osnovnih delov, vozlišča in povezave. Vozlišče je neke vrste omrežna naprava, kot je računalnik. Vozlišča med sabo komunicirajo preko kabelskih povezav. Obstajata dve različni tehniki omrežja za vzpostavitev komunikacije med vozlišči v omrežju: povezavno usmerjena in brezpovezavna. Omrežje podpira veliko število uporabnikov za komunikacijo. Zna ločiti uporabnike za boljšo učinkovitost širokopasovne povezave. Omogoča varnostne povezave in izmenjavo povezav Povezavno usmerjen (Circuit Switched) Je namenski, vzpostavi zasebno povezavo (krog) med dvema točkama na primer telefonski klic. Zagotavlja fiksno pasovno širino. Hkrati pa je pasovna širina zaman, če je neizkoriščena Brezpovezavna (Packet Switched) Podatki so poslani v majhnih paketkih, ki z več napravami v omrežju deli širokopasovno omrežno povezavo. Omrežne naprave razdelijo podatkovni tok na pakete za podatkovni prenos in sestavijo pakete za rekonstrukcijo podatkovnega toka. Če je preveč aktivnih naprav naenkrat, morajo čakati na pošiljanje. Večina podatkovnega omrežja je danes grajena na paketno komutirano tehnologijo zaradi večje učinkovitosti in zmanjšanja stroška. Tehnologija zahteva protokole, ki omogoča učinkovito uporabo skupnih poti in omogoča paketni prenos podatkov, ki se izmenjujejo preko povezanih skupnih poti. 5.2 OSI model (Open System Interconnection Reference Model) OSI model (Open System Interconnection) - medsebojno povezovanje odprtih sistemov je standardizirano v referenčnem modelu, ki definira funkcije povezovanja v sedmih hierarhičnih slojih. Protokoli zgornjih 4 slojev definirajo prehajanje sporočil od in k uporabnikom, spodnji pa med vozlišča omrežja. To je standardni opis za to, kako naj bi se prenašala sporočila med katerimakoli točkama v omrežju. Vsak sloj se opira na omrežni sloj, prav tako pa transportni streže sejnemu. 39

57 5.2.1 Omrežne komunikacije Omrežne dejavnosti zajemajo tudi prenos podatkov iz enega računalniškega sistema na drugega. Programska oprema omrežnega odjemalca deluje na mnogih različnih slojih znotraj oddajnega in sprejemnega računalnika. Vsak od teh slojev predstavlja enega ali več protokolov. Ti protokoli ali pravila obnašanja so običajne specifikacije oblikovanja in prenosa podatkov. Ko računalnik, ki pošilja in tisti, ki sprejema, delujeta z istimi protokoli, je komunikacija zanesljiva. Zaradi razslojene strukture temu pogosto pravimo protokolni sklad. Zaradi hitrega razvoja omrežne strojne in programske opreme je bil pomemben nastanek standardnih protokolov, ki bi omogočali strojni in programski opremi različnih izdelovalcev medsebojno komunikacijo. Nastali sta dve osnovni vrsti standardov, referenčni model OSI in njegova modifikacija, imenovana Projekt 802. Razumevanje pomena standardov v omrežjih je prvi in pomemben korak k razumevanju, kako v tehnološkem smislu omrežje sploh deluje. [9] Referenčni model OSI Leta 1983 je mednarodna organizacija za stardanizacijo ISO izdala dokument, ki so ga imenovali Osnovni referenčni model za odprte sistemske povezave (ang. The Basic Reference Model for Open Systems Interconnection). OSI je doživel popravek in dopolnitev leta V tem modelu so računalniške omrežne funkcije deljene. Originalno je bila struktura teh sedmih slojev model za novi protokolni sklad, toda to se nikoli ni uveljavilo. Namesto tega je bil model OSI uporabljen z obstoječimi protokoli za referenčno orodje in učenje omrežnih komunikacij. Referenčni model OSI je najbolj znan in najbolj uporabljan model omrežnih okolij. Proizvajalci upoštevajo OSI referenčni model, ko oblikujejo svoje omrežne izdelke. OSI vsebuje opis, kako naj strojna in programska oprema delujeta skupaj v omrežni komunikaciji, ki je razdeljena na sloje. Model prav tako pomaga pri odpravljanju težav, ker v določenih okvirih določa, kako naj bi komponente delovale. Referenčni model OSI prikazuje omrežne procese in je bil razdeljen na sedem različnih slojev. Ta teoretična zgradba omogoča lažje razumevanje in učenje. Na vrhu modela je aplikacija, ki uravnava dostop do omrežja, na dnu pa je samo omrežni medij. Ko se podatek premakne navzdol skozi sloje modela, nanj delujejo različni protokoli, ga pripravijo in pakirajo za prenose preko omrežja. Ko podatek pride do pravega cilja, se premakne navzgor skozi sloje na prejemnem sistemu, kjer isti protokoli pretvorijo podatke 40

58 v enakih procesih v nasprotni smeri. Večina protokolov, ki se danes uporabljajo, je še iz časa, ko še ni bilo modela OSI in nimajo strukture teh sedmih slojev. V večini primerov en sam protokol kombinira funkcije, ki so na dveh ali več slojih v modelu. Funkcije protokolov se tudi točno ne skladajo s funkcijami v OSI modelu. Vseeno ta model ostaja najboljše orodje za učenje omrežnih procesov in profesionalnih napotkov za izdelavo protokolov z določenimi nalogami, ki so povezane z določenimi sloji. [9] Slojevita zgradba ISO/OSI: 1. aplikacijski sloj, 2. predstavitveni sloj, 3. sejni sloj, 4. transportni sloj, 5. omrežni sloj, 6. sloj podatkovne povezave, 7. fizični sloj. Referenčni model OSI deli omrežno komunikacijo v sedem slojev. Vsak izmed njih pokriva različne omrežne dejavnosti, opremo ali protokole. Referenčni model OSI predpisuje, kako vsak sloj komunicira in deluje z ostalimi sloji nad in pod njim. Na primer, sejni sloj komunicira in deluje s predstavitvenim in transportnim slojem. [9] Slika 5.1: Prikaz OSI modela in priprava podatka skozi sloje za pošiljanje po omrežju 41

59 5.2.4 Sedemslojni referenčni model OSI Vsak sloj opravi neko delo oziroma dejanje, da pripravi podatke za prenos preko omrežja na drug računalnik. Najnižja sloja, prvi in drugi, določata omrežne fizične medije in sorodne teme, kot je pošiljanje podatkovnih bitov na omrežne vmesnike (NIC Network Interface Controller) in kable. Najvišji sloji definirajo kakšen dostop imajo aplikacije komunikacijskih uslug. Višji je sloj, bolj zapletene so naloge, ki jih opravlja. Sloji so med seboj ločeni z ločnicami, imenovanimi mejne ploskve ali vmesniki. [9] Odnosi med sloji referenčnega modela OSI Vsak sloj zagotavlja usluge naslednjemu višjemu sloju in ščiti zgornji sloj pred podrobnostmi. V istem času se vsak sloj pojavlja v neposredni komunikaciji z istoležnim slojem na drugem računalniku. To omogoča logično ali virtualno komunikacijo med enako ležečimi sloji. V resnici prava komunikacija med sosednjima slojema poteka le na enem računalniku. Na vsakem sloju programska oprema zagotavlja omrežne funkcije glede na skupek protokolov. Preden so podatki poslani iz enega sloja v drugega, so razbiti na pakete ali enote informacij, ki so potem kot celota poslane iz ene naprave v omrežju na drugo. Omrežje pošilja pakete iz enega programskega sloja v drugega v enakem vrstnem redu, kakor se dogaja pri strojnih slojih. Na vsakem sloju programska oprema doda podatkom obliko in naslov, kar je potrebno, da se podatek uspešno prenese po omrežju. Ko se podatek sprejema, gre skozi sloje po obratnem vrstnem redu. Programska oprema na vsakem sloju prebere informacije paketa, odstrani nepotrebne podatke in paket pošlje naslednjemu višjemu sloju. Ko je le-ta poslan do aplikacijskega sloja, so naslovne informacije odstranjene in je paket v originalni obliki, kakršni je bil odposlan, da ga lahko prejemnik prebere. [9] Fizična plast (Physical Layer 1) Nadzoruje prenos bitnega toka prek prenosnega medija. Standardi za ta sloj opredeljujejo parametre velikosti napetostnega signala, trajanje napetosti, itd. Baker: pletene parice, koaksialni kabel. Prednosti: nizka cena, enostavna montaža. Slabosti: kratke razdalje, hitrostne omejitve, občutljivost na motnje. Optika: prednosti: za dolge razdalje, majhne izgube, visoke hitrosti, odporen na motnje. Slabosti: visoka cena, zahtevna instalacija, staranje optične komponente. 42

60 RF: prednosti:brezžično, mobilno. Slabosti: omejen spekter prenosa, motnje, visoka cena, nizka hitrost, omejen na razdaljo. Ethernet Hub Hub ima tri glavne funkcije. Lahko ga uporabimo kot repeater, ki vzame signal, ga okrepi ter ga pošlje dalje na vse porte. Porti so med seboj električno izolirani. Deluje lahko kot razdelilec ali kombinator. Ne preprečuje trka paketov. Signal sprejema in prenaša enostavno. V današnjem času ni več v uporabi Podatkovna povezovalna plast (Data-Link Layer 2) Zagotavlja zanesljivost fizične povezave, ki je ustvarjena na prvem sloju. Standardi določajo kako se prepoznajo podatkovni okvirji in zagotovijo potrebno kontrolo pretoka ter obravnavajo napake na ravni okvirja. Slika 5.2: Format Ethernet okvirja Primeri podatkovnega sloja 2: 1. Ethernet: privlačna in najbolj uporabna tehnologija omrežja. 2. ATM (Asynchronous Transfer Mode) prenos okvirja. 3. DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specification) podatkovni tok za kabelske sisteme. 4. Resilient Packet Ring (RPR) mreža podatkov s funkcijami za prenos multimedijskega prometa, hitra obnovitev napak, enostaven vmesnik za ethernet mrežo, OAM nosilec zahtev. 5. DVB SSI, ASI skupni point-to-point protokol, ki se uporablja za povezavo video distribucijskih naprav. 6. Ethernet oprema uporablja Media Access Control (MAC) naslove za vsako opremo posebej. 43

61 7. MAC naslov je prikazan kot šest zaporednih področjih po dva šestnajstiška znaka. 8. MAC naslovi so enolično dodeljeni na vsak kos strojne opreme s strani proizvajalca in se ne spreminjajo. Prvih šest mest se lahko uporablja za identifikacijo proizvajalca. 9. Okvirji so format podatkovnega paketa v vodniku. Ethernet stikalo (ang. Ethernet Switch) Stikalo zagotavlja ločeno logično in fizično omrežje za vsak port posebej. Običajna praksa je, da je na en port priklopljena ena naprava. Vsaka naprava lahko pošilja in prejema podatke brez skrbi, da bi prišlo do trka z drugimi napravami, zato je lahko prenosna hitrost v tem primeru večja. Stikalo bo poslalo podatke samo na tista vrata, kamor je paket namenjen, zato je izboljšana varnost in zanesljivost omrežja. Nekatere naprave lahko delujejo v full-duplex načinu, kar pomeni, da lahko oddaja in sprejema podatke hkrati. Stikala imajo ponavadi večino svojih portov nastavljenih kot en tip interface. Deluje na osnovi MAC naslovov Mrežna plast IP (Network Layer 3 IP) Oblikuje, vzdržuje in zaključuje omrežne povezave. Med drugimi funkcijami, standardi določajo, kako se obravnava podatkovno usmerjanje in preusmerjanje. Omrežni sloj, tretji od spodaj v modelu ISO/OSI, je odgovoren za naslavljanje sporočil ter prevajanje logičnih naslovov in imen v fizične naslove. Ta sloj določi tudi pot od izvornega do ciljnega računalnika, četudi se ne nahajata v istem omrežju. Določi, katero pot naj bi podatki izbrali glede na omrežne pogoje, prioriteto storitev in druge faktorje. Nadzoruje tudi prometne probleme v medomrežju, kot so zamenjave in usmerjanje paketov in nadzoruje gruče podatkov. 44

62 Glava IP (IP Header) Slika 5.3: Format IP paketa Format IP paketa: 1. IP glava je dolžine 20 bajtov. 2. Vsebuje izvor ter cilj IP naslova. 3. DSCP (Differentiated Services Code Point) vrsta storitve se uporablja za konfiguracijo QoS omrežnih naprav. 4. IP deluje kot dostavna služba za datagrame, ki jim rečemo IP paketi. 5. Datagram je samostojni blok podatkov, ki se pošilja preko spleta, dopolnjen z IP glavo. 6. Maximum Transmission Unit (MTU) standardne ethernet povezave je 1,500 bajtov (RFC 894). 7. Address Resolution Protocol (ARP) uporabljamo za povezavo MAC naslovov in IP naslovov. 8. Sloj 3 je tam, kjer se pojavijo MAC naslovi, IP naslovi in usmerjanja. Primeri usmerjevalnih protokolov so OSPF (Open Shortest Path First), RIP (Routing Information Protocol), BGP (Border Gateway Protocol) in ostali. Protokol gradi usmerjevalne tabele, ki določajo kam prihajajoči paket v omrežju usmeri na pravilni interface. 45

63 Slika 5.4: Glava IP paketa [15] IPv4 naslavljanje IPv4 naslov je posebne oblike in ga je enostavno prepoznati. Primer: Pikčasto desetiško število predstavlja 32-bitno številko razdeljeno v 4 8-bit številke = IP naslov kodira ID omrežja neke naprave (net ID), kot tudi edinstvena naprava (Host ID) na tem omrežju. Vse naprave v omrežju delijo skupno predpono omrežja. IP naslovni razredi (IP Addressing Classes) IP naslovi so razdeljeni po razredih - A, B, C, D in E. Posameznim naslovnim razredom so bile dodeljene različne velikosti omrežja in tipov. Pri usmerjanju pomagajo razredi. Katero koli omrežje ali tip naprave je lahko naslovljen z razredom A, B ali C naslovom. Vrednost prvega števila IP naslova določa razred. Subnet je obseg IP naslovov v skupnem naslovnem prostoru, ki je dodeljen organizaciji. Subnet maske so prikazane v pikčasto decimalni obliki in sledijo IP naslovnemu razredu. Podomrežja se uporabljajo za razdelitev ali združitev skupine IP naslovov. D razred je rezerviran za multicast skupino IP naslovov. 46

64 Preglednica 5.1: IP naslovi razdeljeni po razredih. Razred Začetni naslov Končni naslov A B C D E Ethernet usmerjevalnik (Ethernet Router) Naprava, ki prenaša pakete IP iz enega omrežja v drugo omrežje glede na naslov omrežnega nivoja. Usmerjevalniki zagotavljajo ključno funkcijo za IP omrežja s preučitvijo glave in naslovov IP paketov in jih nato prenašajo naprej do svoje destinacije. Osnovne funkcije usmerjevalnika: 1. Sprejme IP pakete iz naprave in jih posreduje prejemnikom. 2. Posreduje pakete na drug usmerjevalnik, če prejemnik ni v lokalnem usmerjevalniku. 3. Ohranja usmerjevalne tabele za različna omrežja. 4. Povezuje različne omrežne tehnologije. 5. Spremlja stanje povezanih omrežij in ugotavlja ali so prazna, zasedena ali onemogočena. 6. Čakajoči paketi z višjo prioriteto imajo prednost. 7. Obvešča druge usmerjevalnike o konfiguraciji omrežja. 8. Opravlja številne druge administracije ter varnostne funkcije. Usmerjevalniki obdelujejo IP naslove, medtem ko stikala obdelujejo MAC naslove. ARP, Address Resolution Protocol Je eden izmed osnovnih protokolov v mrežni plasti (Network Layer). Odgovoren je za preslikavo internetnega naslova (IP) v pripadajoči strojni naslov MAC. Nasprotno nalogo opravi RARP (Reverse ARP), ki naslove MAC povezuje z naslovi IP. Isto počne DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). [46] 47

65 5.2.9 Prenosna plast TCP, UDP, RTP (Transport Layer 4) Izolira zgornje tri sloje 5-7, ki imajo kompleksno obravnavo za sloje 1-3 z zagotavljanjem funkcije, potrebne za zagotavljanje zanesljive povezave omrežja. Med drugimi funkcijami ta sloj omogoča odpravljanje napak in nadzor pretoka med dvema končnima točkama omrežne povezave. Sloj 4 je tam, kjer pride do multipleksiranja preko številke vrat. IP naslov skupaj s številko vrat se imenuje vtičnik. To je podlaga za "n-terico tokov" : :1234. Glavna prometna protokola za transportni sloj TCP/IP sta Transmission Control Protocol (TCP) in User Datagram Protocol (UDP). TCP ponuja povezavno usmerjene in zanesljive storitve. UDP pa je nepovezovalni protokol za prenašanje paketov, ki se v sedanjem času uporablja za pretočne vsebine (streaming). TCP se uporablja pri aplikacijah, kjer je primarnega pomena velika zanesljivost prenosa, medtem ko UDP v aplikacijah, kjer je primarnega pomena hitrost oziroma hiter odziv. Večja zanesljivost zahteva izmenjavo dodatnih statusnih informacij, kar zmanjšuje razpoložljivo prenosno kapaciteto zveze. Protokol UDP je torej hitrejši na račun manjše zanesljivosti. Izbira prometnega protokola je odvisna od zahteve sprejete prijave. Naloge transportnega sloja so: 1. upravljanje individualne komunikacije med aplikacijami, 2. segmentiranje podatkov, 3. upravljanje posameznih segmentov, 4. sestavljanje segmentov, 5. identifikacija različnih aplikacij. 48

66 Protokol TCP TCP glava vsebuje izvorni port in ciljni port. Je povezljiv. Vsak prejet TCP paket je pregledan in če je izginil ali se pokvaril, je paket ponovljiv. Slika 5.5: TCP glava [15] TCP/IP je množica protokolov, ki izvaja protokolski sklad, preko katerega teče internet. Največ omrežnega prometa poteka preko protokola TCP. Sporočila preko protokola TCP se zaradi vzpostavljene povezave med odjemalcem in servisom prenašajo zanesljivo v obe smeri, so brez napak, podvojevanja in v pravem vrstnem redu. Osebek TCP sprejema uporabniške tokove podatkov od krajevnih procesov, jih razdeli v dele, krajše od 64 K zlogov (v praksi po navadi od 1,500 zlogov) in pošlje vsak kos kot en datagram IP. Vsak poslan paket ima svojo številko in je potrjen s strani prejemnika. Če je odsek za pošiljanje večji, kot je največja prenosna enota (MTU - Maximum Transmision Unit), se ta razbije na dele (fragments), ki so dovolj majhni za pošiljanje in so tudi oštevilčeni, na sprejemni strani pa se odsek obnovi iz prispelih delov. Za omrežja ethernet je največja prenosna enota enaka 1,500 zlogov. Internetni sloj ne zagotavlja pravilnega prenosa datagramov. Za to skrbi TCP. Ker je TCP povezovalni protokol, se najprej vzpostavi povezava med odjemalcem in strežnikom. Pri povezavi je določen odjemalčev naslov IP in vrata (vrata lahko zavzemajo vrednost od 1 do vključno 65535) ter strežnikov naslov IP in vrata, na katerih posluša servis strežnika. Naslov IP, povezan z določenimi vrati, tvori vtičnico (socket) in par odjemalčeve ter strežnikove vtičnice tvorita povezavo TCP, ki je edinstveno 49

67 določena. Glava (header) paketa TCP vsebuje izvorni naslov IP in vrata, ciljni naslov IP in vrata, zaporedna številka paketa, številka potrditve in kontrolne zastavice. Kontrolni zastavici, pomembni za gradnjo požarnega zidu, sta ACK in SYN. Povezava TCP je tok zlogov, ne sporočil. To pomeni, da se meje sporočil ne ohranjajo od konca do konca. TCP so določili v RFC 793. Popravki in spremembe so v RFC Razširitve so v RFC [62] Protokol UDP UDP glava vsebuje izvorni port ter ciljni port. Je nepovezljiv in ima 8 bitov dolžine (32 bitov/bajt). Paketi so neznani in neponovljivi, če pride do izgube ali okvare paketa. UDP je najbolj uporabljen protokol za prenos videa preko IP omrežja. Slika 5.6: UDP glava [15] UDP (User Datagram Protocol) je nepovezovalni protokol za prenašanje paketov. Nepovezovalni pomeni, da odjemalec in strežnik ne vzpostavita povezave, ampak strežnik pošilja pakete odjemalcu in ne preverja, če je odjemalec pakete dobil. Zaradi tega včasih pravijo, da črka»u«pomeni»unreliable«(nezanesljiv). UDP segment (»uporabniški datagram«) vsebuje 8-zlogovno glavo in podatke. Dvoje vrat v glavi uporablja kot v TCPju za identifikacijo končnih točk v izvornem in ciljnem računalniku. Dolžina v segmentu je skupna dolžina glave in podatkov. Nadzorna vsota pokriva glavo in podatke. UDP segment ali uporabniški datagram se za prenos ugnezdi v tekstovno polje IP datagrama. Nadzorna vsota nam tako omogoča, da v transportnem osebku ciljnega računalnika preverimo, ali je vsebina prejetega IP datagrama pravilna. IP datagram sam namreč vsebuje samo nadzorno vsoto za svojo glavo. V sedanjem času se ta protokol uporablja za pretočni (streaming) 50

68 zvok ali video, internetno telefonijo, vendar le za prenos na primer zvoka, ne pa povezavo in zahtevo po prenosu, le-ta se po navadi vrši preko protokola TCP. Preko protokola UDP navadno delujejo DNS (vrata 53), dhcp (68 in 69), ntp (37), netbios-sn (137), netbios-dgm (138) in druge storitve. Protokol UDP je opisan v RFC 768 (Request for Comments). [61] Protokol RTP RTP protokol je podaljšek UDP protokola za robustnost. Je povezavno usmerjen in paketi so sledljivi po zaporednih številkah, s čimer preverja, ko se izgube pojavijo. Glava RTP je dolžine 32 bit. Slika 5.7: RTP glava [15] RTP (Real Time Transport Protocol) podpira transport podatkov v realnem času (avdio in video) preko paketno komutiranih omrežij. Proces RTP protokola na oddajni strani vključuje zbiranje bitnega toka iz kodirnika, razbijanje toka na pakete in pošiljanje teh paketov preko omrežja. Na sprejemni strani pa mora RTP protokol prejete pakete ponovno sestaviti v bitni tok. Proces je zahteven, saj se lahko paketi izgubijo, prihajajo z različno zakasnitvijo ali celo v nepravem vrstnem redu. Transportni protokol mora zato priskrbeti tudi časovno informacijo, da sprejemnik lahko kompenzira variacijo zakasnitve (jitter). Potrebne informacije se nahajajo v glavi RTP paketa. 51

69 RTP protokol ponuja naslednje funkcionalnosti: Zaporednost: vsak RTP paket vsebuje zaporedno številko, na podlagi katere lahko na sprejemu zagotovimo pravilni vrstni red paketov. Sinhronizacija: paketi imajo različno zakasnitev, zato imajo aplikacije na sprejemu predpomnilnike za izravnavo zakasnitev. RTP jim v pomoč zagotovi časovno znamko za merjenje zakasnitve. Identifikacija kodiranih podatkov: zaradi spreminjajočih se pogojev v omrežju je dostikrat smiselno sredi komunikacije spremeniti način kodiranja. Informacijo o uporabljenem kodiranju priskrbi protokol RTP. Indikacija okvira: video in avdio podatki se pošiljajo po logičnih enotah, imenovanih okvirji. RTP priskrbi informacijo o začetku okvirja, ki jo potrebujemo za sinhronizacijo na višjem nivoju. Identifikacija izvora: v sejah z več udeleženci (multicast) nam RTP zagotovi informacijo o tem, kateri udeleženec nam pošilja paket. RTP protokol ima še pridruženi protokol imenovan RTCP (Real Time Control Protocol). RTCP zagotavlja dodatne informacije udeležencem seje, in sicer: Sinhronizacija: zaradi fleksibilnosti se največkrat avdio in video signal pošilja po ločenih tokovih, a morajo biti na sprejemu sinhronizirani. Temu velikokrat rečemo tudi»sinhronizacija ustnic«. Identifikacija: RTCP paketi vsebujejo naslov elektronske pošte, telefonsko številko in polno ime udeleženca. Nadzor seje: RTCP dovoljuje udeležencem naznanitev, da zapuščajo sejo (bye RTCP paket) in pošiljanje kratkih sporočil. RTCP protokol zahteva od vseh udeležencev seje, da periodično pošiljajo paket z omenjeno vsebino. Paketi so poslani na isti naslov kot podatkovni tok, le na druga vrata (port). Perioda je odvisna od števila udeležencev seje in se izračuna po algoritmu, vsebovanem v RTCP protokolu. [63] Protokol RTSP RTSP (Real Time Streaming Protocol) protokol služi za nadzor strežnika, ki hrani vsebine. Naloge vsebinskega strežnika so predvajanje posnetih in snemanje novih vsebin. RTCP 52

70 protokol je podoben daljinskemu upravljavcu videorekorderja. Odjemalec lahko od strežnika zahteva predvajanje, snemanje, hitri prelet vsebine naprej in nazaj ter pavzo. Odjemalec mora izvesti naslednje korake, da povzroči predvajanje vsebine na vsebinskem strežniku: Pridobitev podatkov o vrsti vsebine: predstavitev vsebine lahko vsebuje več komponent (slika nastopajočega, slika gradiva, govor, ). Za vsako izmed teh komponent moramo poznati način kodiranja in hitrost okvirjev. Omenjene podatke lahko odjemalec dobi preko zahteve vsebinskemu strežniku ali kako drugače (npr. preko spletnih strani). Nastavitev strežnika: odjemalec pošlje vsebinskemu strežniku zahtevo, ki pove strežniku destinacijo, kamor naj dostavi podatke. Destinacija vsebuje IP-naslov (lahko multicast), številke vrat (portov) protokole (običajno RTP prek UDP) Strežnik vrne identifikacijo (id) seje, ki jo uporabimo pri nadaljnjih zahtevah. Izvršitev zahteve po vsebini: sem spadajo ukazi kot so: play, record in pause. Play združuje poleg navadnega predvajanja tudi iskanje in prelet vsebine naprej in nazaj (fast forward, rewerse). To je doseženo z dodatkom skalirne glave, ki pove kolikokrat hitreje / počasneje naj bo vsebina predvajana. Rušenje: ko končamo interakcijo s strežnikom, oddamo zahtevo teardown, ki uniči vsa stanja v zvezi s sejo. [63] Protokol IGMP Internet Group Management Protocol (IGMP) je uporabljen v komunikaciji med gostitelji IP in njihovimi agenti, ki so odgovorni za naslavljanje več računalnikov. Zagotavlja oblikovanje začasne skupine naslovov ter dodajanje in brisanje članov iz skupine. Pošiljanje datagramov IP več gostiteljem (angl. multicast) je določeno kot prenos IP datagramov k skupini gostiteljev, ki predstavlja množico z nič ali več gostitelji, ki so identificirani z enim samim IP naslovom. Vsak datagram IP za več gostiteljev je dostavljen vsem članom skupine z zanesljivostjo, ki velja za običajne datagrame IP. Posamezen datagram ne zagotavlja dostave vsem članom v skupini ali pa samo posameznim članom skupine. Članstvo v skupini je dinamično, člani pa se lahko vanjo kadarkoli vključijo. Posamezniki se lahko vključijo tudi v več skupin za pošiljanje datagramov IP. Skupine so lahko stalne ali začasne. Stalna ima dobro znan naslov IP. Pri tem je stalen naslov IP, ne pa tudi članstvo v skupini, ki lahko vsebuje poljubno število članov, vendar najmanj enega. 53

71 Začasni skupini je naslov IP dodeljen dinamično, ko je le-ta ustvarjena. Ko je število članov v skupini nič, je razpuščena. Tvorba začasne skupine je naloga agentov za oddajanje več gostiteljem, ki so nameščeni v usmerjevalnikih. Vsaj en agent za oddajanje več gostiteljem mora neposredno dostopati do vseh naslovov IP, ki podpirajo oddajanje več gostiteljem v nekem omrežju. Agenti so odgovorni za dostavo IP paketov večim gostiteljem in za njihovo izmenjavo med omrežji. Ko se pošlje datagram IP za več gostiteljev, jo izvorni gostitelj pošlje v lokalno omrežje z naslovi za oddajanje skupini. Če ima skupina člane tudi v drugem omrežju, se paketi preko usmerjevalnikov posredujejo tudi agentom v druga omrežja. Končno agenti za oddajanje več gostiteljem v lokalnih omrežjih članom svojih skupin posredujejo datagrame. IGMP informira usmerjevalnike, da je gostitelj v posebni skupini za pošiljanje paketa več gostiteljem. Tudi ta sporočila se raznašajo znotraj protokola IP. Protokol ICMP Protokol za upravljanje z internetom preko sporočil ICMP (Internet Control Message Protocol) predstavlja nepogrešljiv del protokolnega sklada TCP/IP. Funkcije, ki jih opravlja so izjemno pomembne za usmerjevalnike in drugo omrežno opremo, ki komunicira preko protokola TCP/IP. Podobno kot TCP in UDP tudi ICMP uporablja IP protokol za pošiljanje ali sprejemanje sporočil. Medtem ko TCP protokol običajno lahko popravi izgubljene datagrame enostavno tako, da od IP protokola zahteva ponovni prenos, je ICMP protokol v bistvu mehanizem, ki ga uporablja IP (s tem pa tudi protokoli, ki uporabljajo IP) za izmenjavo poročil. Tipičen primer uporabe ICMP protokola je ukaz PING (Packet Internet Groper), ki uporablja sporočili ECHO Request in ECHO Replay za ugotavljanje fizične povezave med izvorno in ciljno postajo. Naslednja pomembna funkcija, ki jo zagotavlja ICMP protokol, je kontrola prometa. Sporočilo o zasičenju izvora se lahko pošlje izvorni postaji v primeru, ko ciljna postaja ne uspe prejemati paketov s takšno hitrostjo kot jih izvorna postaja pošilja. Za usmerjevalnike je izjemno pomembno sporočilo Redirect mesage z njim drugim usmerjevalnikom v omrežju sporočajo, da poznajo boljšo pot do cilja. Spoznali smo, da se ICMP protokol uporablja za sestavljanje podrobnih sporočil, ki kažejo na izvore napak, nudijo nasvete pri usmerjanju, pa tudi ostale funkcije, ki olajšajo upravljanje na internetu. 54

72 Ostali omrežni protokoli SNMP - Simple Network Management protocol uporablja nize in se sporazumeva s skoraj vsemi vrstami omrežne opreme. NTP - Network Time protokol se uporablja za vzdrževanje časovno sinhronizirane opreme. HTTP - HyperText Transfer Protocol je osnova za vse spletne strani. DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol je, da stranke dobijo svoje nastavitve IP avtomatično od strežnika DHCP za komunikacijo z omrežjem. DNS - Domain Name Service je, da so IP naslovi prevedeni v URL-je (Uniform Resource Locator) za bolj razložljiv in nepozaben naslov, npr <-> Plast seje (Session Layer) Ustanavlja in zaključuje komunikacijske seje med procesom gostovanja in odgovarja za vzdrževanje celotne komunikacije Predstavitvena plast (Presentation Layer) Skrbi, da se informacije v komunikacijskih aplikacijah predstavljajo v skupnem formatu (različni sistemi uporabljajo različne notranje podatkovne formate) Aplikacijska plast (Application Layer) (najvišji) Oskrbuje vmesnik, s katerim lahko komuniciramo drug z drugim v omrežju. Nudi visoko stopnjo podpore za omrežne aplikacije, kot so baze podatkov v omrežju, programi za podatkovne baze, sporočila za vodenje elektronske pošte, krmiljene datotek za programe, ki prenašajo datoteke. 55

73 6 ARHITEKTURA IPTV OMREŽJA Arhitektura IPTV Slika 6.1: IPTV arhitektura [57] Elementi: TV head-end: kjer so televizijski programi kodirani, šifrirani in dostavljeni v obliki IP multicast prometa. VOD platforma: kjer je vsebina shranjena in pripravljena za serviranje, ko uporabnik poda zahtevek za ogled vsebine. Interaktivni portal: omogoča uporabniku za pregled različnih storitev znotraj IPTV, kot so VoD katalog. Dostopovno omrežje: paketno komutirano omrežje, ki transportira IP pakete (unicast in multicast). Home gateway: komunikacijski prehod, ki omogoča prehod WAN v LAN (World Area Network v Local Area Network). Uporabnikov set-top-box STB: kos opreme pri uporabniku, ki dekodira in dešifrira TV in VOD vsebino in ga prikaže na TV zaslonu. 56

74 6.1 Video preko IP Zaporedje sličic oziroma video moramo najprej spremeniti v pakete. Najprej izvedemo enkapsulacijo medija podatkov, potem pa pošljemo v omrežje po ustreznem transportnem protokolu. V tem poglavju bomo spoznali kako video spremenimo v pakete, katere protokole uporabimo in kako paket pošljemo po omrežju. Slika 6.2: Enkapsulacija MPEG paketa [64] 57

75 6.1.1 IP enkapsulacija (IP Encapsulation) IP enkapsulacija je proces, ki vzame podatkovni tok, ga spremeni v pakete in doda glavo ter ostale zahtevane podatke. MPEG preko IP transportnega toka sestavlja zaporedje več MPEG TS paketov pakiranih znotraj UDP datagrama. Ponavadi IP video paket vsebuje 7 TS paketov (188 7=1316 bytes). Dodan je še ethernet, IP in UDP glavi (46 bytes). Največja ethernet prenosna enota MTU je bajtov. Slika 6.3: IP paket z 7 TS MPEG paketi Transportni protokoli Protokoli za prenos transportnega toka se uporabljajo za kontrolo prenosa podatkovnih paketov. Trije glavni protokoli, ki se uporabljajo za transport real-time videa so: 1. UDP ali User Datagram Protocol: ta je eden izmed enostavnih in zgodnjih IP protokolov. UDP se običajno uporablja za video in ostale podatke, ki so časovno zelo občutljivi. 2. TCP ali Transmission Control Protocol: ta internetni protokol je na široko uporabljen za podatkovni promet. 3. RTP ali Real-Time Transport Protocol: ta protokol je bil posebej razvit za podporo v realno časovnem prenosu podatkov kot je video streaming. V IPTV sistemih so še protokoli, ki podpirajo delovanje: 1. IGMP (Internet Group Management Protocol) za priklop na multicast tok in za menjavo kanalov, oziroma priklop na drug multicast tok. 2. Video na zahtevo uporablja RTSP (Real-time Streaming Protocol), prav tako kot NPVR (Network-based personal video recorder). 58

76 IGMP (Internet Group Management Protocol) Je komunikacijski protokol, uporabljen za upravljanje članstva v multicast skupinah. Je del specifikacije multicast-a, deluje pa nad omrežno plastjo, čeprav ni transportni protokol. Uporablja se samo v IPv4 omrežjih. IGMP za transport po omrežju uporablja ali UDP protokol ali RTP protokol Transportna razmišljanja Ko se video pretaka preko IP omrežja, morajo uporabniki razmisliti o ostalih dejavnikih, ki lahko pomembno vplivajo na uporabnikovo izkušnjo. Multipleksiranje je postopek razdeljevanja prenosnega kanala na več kanalov, po katerih potujejo podatki iz različnih izvorov. Multipleksiranje nam tako omogoča uporabo ene same telekomunikacijske zveze za prenos večjega števila signalov, istočasno ali v hitrem zaporedju. Torej je proces združevanja video tokov iz različnih virov v en IP tok. Danes uporabljamo dve obliki multipleksiranja: časovno porazdeljeno multipleksiranje (TDM time division multiplexing), pri katerem vsaki enoti pripada prenosni medij le določen časovni interval; frekvenčno porazdeljeno multipleksiranje (TDM freqency division multiplexing), kjer je prenosni medij razdeljen v ožje frekvenčne pasove, kanale, ki so izključno prirejeni posamezni enoti. Traffic Shaping je sestavljen iz različnih tehnik, ki se uporabljajo za lažji video pretok preko omrežja. Skupni cilj je, da je IP tok manj občutljiv ob nenadnih vrhovih v bitni hitrosti. Medpomnjenje je zbirka pomnilnika, ki se uporablja za začasno shranjevanje podatkov pred sprejetjem nekaterih ukrepov. Medpomnilniki lahko imajo velik vpliv na video delovanje omrežja. Požarni zid pa se uporablja za nadzor pretoka informacij med dvema omrežjema. 6.2 Multicasting V tem poglavju so opisani osnovni koncepti, unicast, multicast ter vključevanje in izhod iz multicastinga Razlika med Unicast ter Multicast prometom Primer unicast prometa je, da en signal pošljemo enemu uporabniku. Potrebna je visoka pasovna širina med video strežnikom in številom končnih uporabnikov. Video izvor naredi ločen video tok za vsakega uporabnika. Multicast promet pa pošilja en signal večim 59

77 uporabnikom hkrati. Znižana je pasovna širina med video izvorom in končnimi uporabniki. Mrežne naprave (usmerjevalniki) naredijo kopije video toka za vsakega prejemnika Unicasting Prenos enega podatkovnega toka enemu končnemu odjemalcu. Unicasting je tradicionalna pot, ko je paket poslan od izvora do posamezne destinacije. Vsak uporabnik, ki želi gledati video, mora podati zahtevo k video izvoru. Z vidika tehnične implementacije je konfiguracija izredno lahka, sama implementacija pa močno neučinkovita pri porabi pasovne širine na omrežju. Izvor mora vedeti ciljni IP naslov za uporabnika in mora kreirati naslov IP paketa za vsakega uporabnika. Ko število gledalcev narašča, narašča tudi kapaciteta v omrežju. Vsak gledalec dobi po meri prilagojen pretočni video, ki omogoča, da video izvor ponudi posebne funkcije kot so pavza, previjanje nazaj in previjanje naprej. Slika 6.4: Unicast, en tok enemu odjemalcu [15] Multicasting Je simultan prenos enega podatkovnega toka skupini odjemalcev. Za IP pakete so podani posebni naslovi IP, da se jih prizna kot omrežje Mutlicast. IP naslov je obseg razreda D: do IP Multicast uporablja UDP pakete. IGMP (Internet Group Management Protocol) protokol nadzoruje dostop do multicast tokov. Uporabnik mora zahtevati, da se pridruži ali zapusti Multicast program. Prijavljanje in odjavljanje odjemalcev v multicast skupino poteka s protokolom IGMP. 60

78 Slika 6.5: Multicast, en tok skupini odjemalcev [15] Prednosti Multicast Zmanjša se količina prometa, zmanjšajo pa se tudi obremenitve strežnikov ter omrežnih naprav. Pri unicastu je število sej ekvivalentno številu končnih uporabnikov, pri multicastu pa je število sej ekvivalentno številu programov / storitev / aplikacij Značilnosti Multicast Multicast aplikacije delujejo po principu nepovezavnih sistemov. Za transport se uporablja UDP protokol. Ne zagotavlja zanesljive dostave datagramov ter ne vsebuje mehanizmov za kontrolo zamašitev v omrežju. Posamezni datagrami lahko prihajajo v nepravilnem vrstnem redu. Tehnologija multicast nima lastnih varnostnih mehanizmov. Vsaka naprava lahko prične oddajat v določeno multicast skupino ter se lahko prijavi v multicast skupino. Multicast trenutno predstavlja edini učinkovit mehanizem za prenos velike količine podatkov množici končnih uporabnikov v realnem času. 61

79 7 IPTV MERITVE IN NADZOR 7.1 Slabosti video omrežja Izguba paketa (Packet Loss) Izguba paketa je, ko IP paket ne pride na predvideno lokacijo. Predstavlja razmerje med številom izgubljenih in poslanih paketov. Vzrok je lahko v več okoliščinah: nasičenje omrežja, strojna omrežna napaka, čakalne vrste, napačne konfiguracije Sprememba vrstnega reda paketnega prenosa (Packet Reordering) Do spremembe vrstnega reda paketnega prenosa pride, ko paket pride na cilj v drugačnem zaporedju kot je bil poslan Zakasnitev (Delay) Do zakasnitve lahko pride povsod v omrežju. Poznamo dva tipa zakasnitve: propagacijska zakasnitev in zakasnitev na stikalu. Propagacijska zakasnitev je čas od ene lokacije do druge. Zakasnitev na stikalu pa je lahko povsod v omrežju, kjer je signal razdeljen ali usmerjen. Zakasnitev zaradi procesiranja je čas, ki je potreben, da pride paket iz vhodnega vmesnega usmerjevalnika v izhodno vrsto izhodnega vmesnika. Zakasnitev vrste je čas, ko je paket v izhodni čakalni vrsti usmerjevalnika. Propagacijska zakasnitev je čas potreben za oddajo paketa. Odmetavanje repa se pojavi, ko je izhodna čakalna vrsta polna. To so najpogostejše oblike izgube paketov, pojavijo pa se ob zasičenju povezav. Obstajajo tudi druge oblike odmetavanja paketov, ki pa niso tako pogoste. Te oblike se običajno pojavijo ob zasičenju usmerjevalnika. 62

80 7.1.5 Trepetanje (Jitter) Trepetanje je merjenje razlike v času (odstopanje v frekvenci takta) prihoda podatkovnih paketov. Ali drugače, prehodni digitalni signal se vedno pojavlja bodisi prehitro bodisi prepozno v primerjavi s popolno referenco (referenčna ura). Sprejemniki morajo biti narejeni tako, da prenašajo jitter, omrežje pa mora biti takšno, da ne povzroča veliko motenj. Priporočila za izvajanje meritev so opisana v standardu ITU-T (-2,-3). Slika 7.1: Prikaz časovnega odstopanja trepetanja digitalnega signala Pomnilnik (Buffer) Ko se izvaja prenos podatka iz ene naprave v drugo, pride do izravnave razlike v pretoku podatkov. Zato v telekomunikacijah uporabljamo vmesni pomnilnik buffer. Buffer je pomnilnik, ki se uporablja za shranjevanje podatkov. Uporablja se za številne namene, kot so: 1. medsebojno povezovanje dveh točk, ki delujeta na različnih stopnjah hitrosti, 2. zadrževanje podatkov za kasnejšo uporabo, 3. omogočanje časovnih popravkov glede na podatkovni tok, 4. zbiranje binarnih podatkovnih bitov v skupine, ki lahko nato delujejo kot enota, 5. prelaganje tranzitnega čas signala, da se omogočijo pojavi drugih operacij. 63

81 Zaradi teh značilnosti IP storitev ne ponuja jamstva. Omejen je časovni zamik ter hitrost zaradi izgube paketov. Prav tako ni zagotovila, da bodo paketi v enem podatkovnem toku, poti ali omrežju prispeli na cilj v istem vrstnem redu, kot so bili prvotno poslani po viru. 7.2 Indeks medijske dostave (Media Delivery Index - MDI) Transportni protokol za videosignal MPEG je pri prenosu preko paketno komutiranih omrežij, kot je Ethernet, podvržen časovnemu popačenju, ki ga poznamo kot trepetanje. Ugotavljanje in merjenje trepetanja in izgubljenih paketov v takšnih omrežjih sta ključnega pomena pri vzdrževanju visoke kakovosti zagotovljenega videa. Indeks medijske dostave (MDI) je nabor meritev za spremljanje ter odpravljanje napak v omrežjih, namenjenih prenosu kakršne koli vrste pretočnih vsebin. Indeks MDI je mogoče uporabiti za opozarjanje pred vsakršnimi motnjami, ki bi lahko povzročile nesprejemljivo poslabšanje kakovosti videosignala in pred razmerami, ki bi lahko povzročile nesprejemljiv izkoristek omrežja, še preden to vpliva na kakovost videosignala. Ta prispevek opredeljuje in obravnava, kako je mogoče indeks MDI uporabiti za ugotavljanje značilnih težav z omrežji ter ponuja pregled nad tematiko Uvod v MDI MPEG-video, ki se pretaka po transportnih tokovih preko tradicionalnih paketno komutiranih omrežij Ethernet, je lahko ob prihodu v ciljno vozlišče že pod vplivom časovnega popačenja torej se čas med paketi na cilju razlikuje od časa med paketi pri viru. Če paketi v omrežju zamujajo, kot je prikazano na sliki 7.2, nekateri paketi prihajajo v valovih, med njimi pa so zamude, krajše kot pri oddajanju iz vira (npr. v skupini 1), spet pri drugih (npr. v skupini 2) pa so zamude med posameznimi paketi večje kot pri oddajanju iz vira. Slednje imenujemo trepetanje paketov oz. časovna razlika med dejanskim in pričakovanim prejemom paketa. Sprejemnik (dekodirnik), ki prikazuje video pri njegovi nazivni hitrosti, mora kompenzirati nihanje v času prejema dohodnega toka z medpomnjenjem prezgodaj prejetih podatkov in zagotavljanjem zadostne količine shranjenih podatkov pri prejemanju prepozno prejetih paketov z vnaprejšnjim branjem podatkov pred začetkom predvajanja videa. V ta namen so razvijalci pri zasnovi vseh sistemov sprejeli kompromis med zadostnim medpomnilnikom za glajenje vse zakasnitev in pojavom prekomernih zakasnitev zaradi prevelikega medpomnilnika. Za dano velikost 64

82 medpomnilnika za izravnavanje trepetanja obstaja največja količina tresljajev v omrežju, ki jo je mogoče izravnati brez prekoračitve ali podkoračitve medpomnilnika v vsakem primeru bi bila namreč posledica slaba kakovost videa. Podobno infrastruktura omrežnega stikala / usmerjevalnika v vsakem vozlišču uporablja medpomnilnik za izravnavanje primerov, ko več dohodnih tokov prispe hkrati in so vsi namenjeni v ena izhodna vrata. Tudi ti medpomnilniki (čakalne vrste) morajo biti ustrezno dimenzionirani za obvladovanje preobremenjenosti omrežja, ki je lahko posledica usmerjanja prometa skozi infrastrukturo ali do njega morda pride zaradi različnih hitrosti povezave v infrastrukturi. Če stikala uporabljajo metode za zagotavljanje kakovosti storitve (QoS) z uporabo algoritmov za merjenje paketov, lahko namenoma zadržujejo pakete z namenom izpolnjevanja specifikacij prenosa glede kakovosti storitve z uporabo medpomnilnika. Če je takšen medpomnilnik preobremenjen, se paketi najverjetneje izgubijo. Tudi električni šum v okolici lahko povzroči okvare paketov in s tem njihove izgube. Prav tako so lahko vzrok slabe kakovosti predvajanega videa majhne količine izgubljenih paketov. Nihanje v zamudah paketov in izgube paketov so dokazano ključne lastnosti pri ugotavljanju ali lahko omrežje zagotavlja video visoke kakovosti. Te lastnosti smo združili in razvili indeks medijske dostave (MDI). Le-tega je mogoče uporabiti za ocenjevanje, kako dobro lahko omrežje prenaša video ter za ugotavljanje in odpravljanje težav v omrežjih z zmanjšanimi zmogljivostmi, ki so posledica ponovne konfiguracije ali spreminjajočih obremenitev s prometom MDI ter preverjanje in potrjevanje učinkovitosti Ogled slike, ki jo oddaja videodekodirnik, je osnovni način za ugotavljanje sprejemljivosti slike, zagotovljene stranki, vendar temu načinu manjka več pomembnih lastnosti: 1. Ni arhiva za preverjanje. Če se pojavi motnja v videu, jo lahko zgrešimo, saj si slike ne ogledujemo ves čas brez prekinitve. Vsekakor pa ni na voljo samodejnega beleženja tovrstnih dogodkov, ki bi bilo opremljeno z natančnim časovnim žigom in na podlagi katerega bi lahko motnjo povezali z drugimi dogodki v omrežju ter si tako pomagali pri ugotavljanju in odpravljanju težav. 2. Subjektivni rezultat. Resnost napake je predmet subjektivne presoje ogledovalca. Rezultati preverjanja se lahko med posameznimi ogledovalci razlikujejo. 65

83 3. Točnost. Ko opazimo motnjo, je že v osnovi prepozno, da bi preprečili njen prenos do stranke. 4. Pomoč pri ugotavljanju in odpravljanju težav. Če opazimo motnjo, je na voljo zgolj malo namigov o tem, kaj je šlo narobe in kako lahko to odpravimo. 5. Možnost predvidevanja zasedenosti omrežja. Če v videu ni motenj, ni možno ugotavljati izkoriščenosti sistema ali možnosti za prihodnji pojav motenj. Boljša alternativna možnost za zagotavljanje zadovoljive kakovosti videa je merjenje znanih, kritičnih omrežnih parametrov, povezanih s pretočnimi vsebinami. Ta parametra sta nihanje zamud pri dostavi paketov in zgoraj opisane izgube paketov. Dokazano je bilo, da vsakršne izgube paketov povzročijo motnje v videu. Najpreprostejša rešitev za zaznavanje izgubljenih paketov v omrežni infrastrukturi je spremljanje povezav med omrežnimi napravami, pri tem pa je treba vedeti, da se lahko tudi v infrastrukturi brez izgubljenih paketov časi prejema s strani videodekodirnika spreminjajo zaradi prekoračitve ali podkoračitve zmogljivosti medpomnilnika dekodirnika, pri čemer se paketi izgubijo v samem dekodirniku. Indeks MDI upošteva te dejavnike. Indeks MDI sestavljata dve komponenti: faktor zakasnitve (DF Delay Factor) in hitrost izgube medijskih paketov (MLR Media Lost Rate), ki sta prikazano na naslednji način: DF : MLR DF izračunamo ob času prispetja vsakega paketa na merilno točko ter ga prikažemo in / ali zabeležimo v časovnih intervalih. Časovni interval navadno znaša 1 sekundo. DF posodobimo in prikažemo na koncu intervala. Če vzamemo virtualno kapaciteto pomnilnika X, v katerem merimo DF, X = prejeti _ bajti - odvedeni _ bajti potem je [ najv.( X ) najm.( X )] DF = prenosna _ hitrost _ medija 66

84 Pri tem je prenosna hitrost medija izražena v bajtih / sekundo ter sta najv.(x) in najm.(x) najvišja in najnižja vrednost, izmerjeni v intervalu. Če vzamemo primer, da imamo MPEG video prenosni tok 3,75 Mb/s in da je v intervalu ene sekunde največja vrednost virtualnega pomnilnika 3,755 Mb, najmanjša pa vrednost 3,740 Mb, potem je DF izračunan kot: Mb Mb 15 kb DF = = = 4 ms Mb Mb s s Kar pomeni, da mora biti v prisotnosti trepetanja, da se izognemo izgube paketa, pomnilnik sprejemnika 15Kb, ki bo vložil 4 ms zakasnitve. Največji sprejemljiv DF: 9-50 ms. Slika 7.2: Podatkovni tok s prisotnim trepetanjem [15] 67

85 Poleg tega se zajame in prikaže največja razlika za vse intervale v merilni dobi, ki lahko znaša od nekaj sekund, v katerih merimo določeno aktivnost omrežja, do nedoločene dolžine za dolgoročno spremljanje. Slika 7.3: Graf prikazuje aktivnosti prometa brez ali z trepetanjem MLR izračunamo tako, da število prejetih medijskih paketov v določenem intervalu odštejemo od pričakovanega števila medijskih paketov v istem intervalu ter vrednost prilagodimo na čas 1 sekunde: (pričakovani paketi - prejeti paketi) MLR= trajanje intervala v sekundah MLR (Media Lost Rate) je število medijskih paketov, izgubljenih na sekundo. Vrednost (prejeti bajti - odvedeni bajti) predstavlja velikost, kakršno bi moral zagotavljati virtualni medpomnilnik v določeni merilni točki in ob določenem času. Če to vrednost delimo s prenosno hitrostjo medija, dobimo rezultat, ki navaja čas, potreben za popolno izpraznitev virtualnega medpomnilnika. Ob hitrejši prenosni hitrosti medija bi bil čas, potreben za popolno izpraznitev virtualnega medpomnilnika, krajši. Če vzamemo največji razpon (najv. - najm.) vrednosti, ugotovljen v merilni dobi, je DF čas medpomnjenja, potreben za preprečitev izgub paketov. Ob prikazu največjega zaznanega razpona v določenem intervalu je mogoče ugotoviti vrednost ob najhujšem scenariju. To vrednost je mogoče zabeležiti skupaj s časovnim žigom in jo povezati z drugimi omrežnimi dogodki za zagotovitev vpogleda v obseg in možen vzrok motenj v omrežju. Če lastnosti omrežja opredelimo že vnaprej, lahko za različne lokacije v omrežni infrastrukturi določimo obseg motenj, potrebnih za pojav napake v videu, torej lahko tako opredelimo, koliko prostih 68

86 zmogljivosti je potrebnih za preprečevanje izgub paketov in zagotavljanje možnosti določitve prostih zmogljivosti. Največji sprejemljivi povprečni MLR: 1. SDTV: 0.004, 2. VOD: 0.004, 3. HDTV: Slika 7.4: Prva slika ima MLR=0, s tem ko ima druga slika MLR>0 [15] Za učinkovito uporabo medpomnilnika za uravnavanje paketov na zgodnejši ali poznejši prejem od pričakovanega, je potrebno pred začetkom predvajanja videa (odvajanjem paketov) zapolniti medpomnilnik, tako da prehodna vrzel v podatkih ne dovoljuje popolne izpraznitve medpomnilnika, kar bi povzročilo motnje v predvajanju videoposnetkov. Ker vrednost DF predstavlja čas, potreben za izpraznitev virtualnega medpomnilnika pri dani hitrosti videoprenosa, vrednost DF predstavlja prispevek prehodnega časa omrežja k skupnemu prehodnemu času prenosa videosignala od vira do cilja. Ob prekomernem trepetanju v omrežju, ki zahteva velike medpomnilnike za glajenje, je lahko zakasnitev 69

87 med obema koncema prenosa prevelika. Če se vrednost DF od intervala do intervala nenehno zvišuje, slednje nakazuje, da je dolgoročna hitrost odvajanja drugačna od hitrosti dovajanja paketov (hitrejša ali počasnejša). Slednje najverjetneje povzroča težava na izvoru, saj so motnje v omrežju navadno zgolj prehodne. Študija, ki je bila izvedena v okviru raziskav na DSL Forumu WT-126 je pokazala, da skoraj vsi posamezni izgubljeni IP paketi proizvajajo vidno napako. QoE standard za IPTV je še vedno v okviru razprav, vendar WT-126 trenutno priporoča največjo izgubo do pet zaporednih IP paketov na trideset minut za SDTV in VOD ter štiri ure za HDTV. Da bi razumeli zakaj MLR temelji na petih izgubljenih IP paketih v nekem časovnem okvirju, kar bi pomenilo največjo sprejemljivo MLR za 0,019 (ob predpostavki sedem medijskih paketov v IP paketu), naredimo izračun: 5 IP paketov 1 minuta 7 media paketov 0, 019 Media paketa = 30 minut 60 sekund 1 IP paket sekundo Razprava o MLR Zajem, prikaz in beleženje najvišje vrednosti MLR, ki se je pojavila v merilni dobi, nakazujejo največji obseg motenj znotraj določenega intervala v merilni dobi. Izgube zaradi prekoračitve zmogljivosti pomnilnika, ki so posledica preobremenjenosti omrežja, so navadno občasne in povzročajo pogoste intervale s pozitivno, vendar podobno visoko vrednostjo MLR. Prehodni učinki zaradi npr. motenj, ki so posledica lokalnega električnega šuma, bodo morda vplivali na zgolj nizko število intervalov. Nespremenljiva vrednost MLR ob spremenljivih, vendar nizkih obremenitvah omrežja (brez preobremenitev) lahko nakazujejo težave s strežnikom ali drugim medijskim virom. 70

88 7.2.4 Uporaba indeksa MDI Zelo dober pristop k uporabi indeksa MDI pri namestitvi, prilagajanju ali ocenjevanju videoomrežja je naslednji: 1. Najprej z uporabo indeksa MDI določimo, lociramo in obravnavamo vsakršne izgube paketov. 2. Z uporabo vrednosti DF določimo, lociramo, izmerimo in obravnavamo obseg trepetanja. 3. Uvedemo sistem za spremljanje infrastrukture za vrednosti DF in MLR, s katerim opazujemo prehodne motnje, ki presegajo predhodno nastavljene mejne vrednosti in predstavljajo spremembe v omrežju ali strežniku, neustrezne konfiguracije, napake ipd. Mejne vrednosti lahko določimo na podlagi tipa omrežne opreme, tipa dekodirnika, obsega, želene kakovosti ipd Druge meritve Za odpravo pomislekov, ki so se pojavili glede indeksa MDI, in kot pomoč pri konfiguraciji sistema ter spremljanju bomo morda potrebovali tudi druge merilne parametre. Izkoriščenost omrežja Spremljanje trenutne, najmanjše in največje izkoriščenosti omrežja je potrebno za preverjanje ali je na voljo zadostna gola pasovna širina za pretakanje skozi omrežje. Visoka raven izkoriščenosti je prav tako kazalnik, da je lokalizirana preobremenitev najverjetneje posledica čakalnih vrst v omrežnih komponentah. Vrednost DF predstavlja merilo za rezultate preobremenjenosti v danem toku. 71

89 Statistika o toku videovsebin, npr.: 1. trenutni pretok (IFR Interleaving Frame Rate) in odstopanje od trenutnega pretoka (IFRD Interleaving Frame Rate Delay). Izmerjeni vrednosti IFR in IFRD potrjujeta nazivno vrednost pretoka in (če nista stalni) zagotavljata vpogled v to, kako v toku nastajajo motnje. 2. Povprečen prenos v Mb/s. To merilo nakazuje ali hitrost toka, ki ga analiziramo v merilni dobi ustreza opredeljeni hitrosti. To je dolgoročnejša meritev vrednosti IFR. 3. Izkoriščenost toka v odstotkih pasovne širine. Ta vrednost nam pove, koliko razpoložljive omrežne pasovne širine zaseda tok, ki ga analiziramo. 7.3 Vedenje toka Paket MPEG-2 TS velikosti 188 bajtov je zapečen v IP ethernet okvir. Hitrost IP paketa v ethernet okvirju je enaka hitrosti MPEG paketa iz pomnilnika. Slika 7.5: Potek toka MPEG 72

90 7.4 Osnovna teorija MDI Slika 7.6: Video IP paket [15] 7.5 IP promet s trepetanjem in nizko sinhronizacijo Nižja sinhronizacija: čas ethernet medpaketne vrzeli pri dobavi signala v pomnilnik je počasnejši kakor MPEG video, zato je medpolnilnik prazen. Slika 7.7: Vzrok prenizke sinhronizacije [15] 73

91 7.6 IP promet s trepetanjem in previsoko sinhronizacijo Glede na stopnjo dobave je ethernet medpaketna vrzel hitrejša kakor lahko medpolnilnik obravnava, zatorej medpolnilnik spušča pakete (odmetava). Slika 7.8: Vzrok je lahko preobremenjenost stikala ali v video viru [15] 74

92 7.7 IP promet z izgubo IP paketa Ethernet medpaketna vrzel je povečana zaradi izgube IP paketa, ki povzroča praskavi IP video (trepetanje). Slika 7.9: Vzrok izgube IP paketa [15] 75

93 7.8 Primer stalne hitrosti prenosa podatkov (CBR) Enkoder idealno oddaja IP pakete po stopnji, ki ustreza MPEG kodirani bitni hitrosti. PCR čas se posodablja vsakih 40 ms v toku in nenehno obvešča sprejemnik z MPEG kodirano bitno hitrostjo.»stuffing«biti nenehno vzdržujejo konstantno bitno hitrost, čeprav je kompleksnost slike dinamična. Slika 7.10: Primer konstantne bitne hitrosti [15] 76

94 7.9 Primer spremenljive bitne hitrosti (VBR) Ta primer ima visok DF. Trenutna IP paketna bitna hitrost je praskava in ne spremlja dinamike enkodirane PCR bitne hitrosti. PCR bitna hitrost spreminja dinamičnost kompleksnosti slike z VBR, ker ni prisotnosti PID-a. Trenutna največja PCR zmogljivost je lahko omejena s konfiguracijo. Slika 7.11: Primer VBR [15] 77

95 7.10 Primer faktorja zakasnitve (DF) DF neprekinjeno sledi kumulativni razliki med MPEG bitno hitrostjo in IP bitno hitrostjo, ki zajema popačene tokove. Če je IP tok popačen, lahko njegova bitna hitrost občutno vpliva na omrežne zamude transportnih naprav. Slika 7.12: Primer DF [15] 78

96 7.11 Meritve in nadzor Lastnosti, ki jih je potrebno hkrati meriti in spremljati, da zagotavljamo kakovost videa preko IP: 1. IP izgube paketov. 2. Izguba medijskih paketov / stalno štetje napak. 3. Časovni prihodi IP paketov, ko trepetanje povzroča zakasnitev (zakasnjeno delovanje). 4. Časovni prihodi IP paketov, ko trepetanje povzroča popačenja (obremenjeno delovanje). 5. IP paketna bitna hitrost, ki je povprečno odmaknjena ali premaknjena od stopnje video bitne hitrosti. Slika 7.13: Merjenje in nadzor [15] 79

97 7.12 Spremljanje vrste tokov Slika 7.14: Vrste tokov, ki jih spremljamo [15] 7.13 Alarmi in opozorila Slika 7.15: Vrste alarmov in opozoril ter možni vzroki [15] 80

98 7.13 Predstavitev Ineoquest izdelkov in rešitev Probleme moramo odkriti, izolirati ter rešiti v vseh tokovih, na vseh lokacijah ter ves čas spremljati dogajanje od izvora video signala pa vse do končnega uporabnika preden ta zazna težave na svojem zaslonu. Probleme rešujemo s strojno opremo ter aplikacijami za odkrivanje težav na video prometu. Slika 7.16: IP video nadzorni sistem [15] 81

99 IPTV sonde: Slika 7.17: Vrste sond za izvajanje nadzora [15] Za nadzor uporabljamo Video Management System, s katerim opazujemo promet na vseh sondah hkrati. Za sonde imamo nastavljene mejne vrednosti odstopanj merjenih vrednosti in če se le-ta prekorači, sistem samodejno javi stanje alarma. Slika 7.18: Preko GUI vmesnika dostopamo in nastavljamo parametre sonde 82

100 Slika: 7.19: Nastavitev mejnih vrednosti v sondi Na spodnji sliki so prikazane vpete sonde v omrežju ter stanje alarmov. Slika 7.20: Realno časovni nadzor 83

101 Slika 7.21: Prikaz alarmov in stanj programov V kolikor vidimo, da je težava v programskem toku, nam sonda javi alarm in lahko detajlno pogledamo v stanje alarma na sondi. Slika 7.22: Razpoložljivost ter vsota časovnih napak 84

102 Ker nas zanima zakaj se je zabeležil alarm, pogledamo podrobneje o stanju napake. Na spodnji sliki vidimo, da je imelo le 71 % vseh programov zagotovljeno / pričakovano kakovost storitev. Slika 7.23: Razpoložljivost vseh gledanih programov Pogledamo lahko kateri programi ne zagotavljajo pričakovane kakovosti storitev. Slika 7.24: Seznam programov ter njihova razpoložljivost v določenem obdobju 85

103 Slika 7.25: Pregled vseh programov ter njihova razpoložljivost v zadnjih 24 ur (zelena >99,999%) Nadzor nam omogoča, da pogledamo za nazaj, kdaj in ob kateri uri so se pojavile napake in na katerem segmentu pretoka je prišlo do zmanjšanja razpoložljivosti; video ali avdio. Slika 7.26: Razpoložljivost storitve razdelano po časovnih dogodkih 86

104 Alarm nam javi, da je določen program presegel nastavljeno mejno vrednost. Zato si bomo ogledali kaj je strežnik zabeležil. Slika 7.27: Tabela prikazuje koliko je izgubljenih paketov v tekočem dnevu (MLT-24) Slika 7.28: Indeks MDI ter število izgubljenih RTP IP paketov 87

105 Za program, ki ima težave pogledamo na katerem segmentu je imel napake in ob katerem časovnem dogodku. Slika 7.29: Program, ki ima izgube na avdio segmentu zadnjih 24 ur Slika 7.30: Prikaz razpoložljivosti in velikost izgub v avdio segmentu 88

106 Slika 7.31: Pretok programa ter njegove izgube v časovnem zaporedju Slika 7.32: Vse sonde, na katerih je bila zaznana enaka napaka Slika 7.33: Faktor zakasnitve v milisekundah 89

107 Slika 7.34: Velikost IP podatkovnega toka Slika 7.35: Število izgubljenih RTP paketov Slika 7.36: Časovno prikazane napake v transportnem toku 90

108 Aplikacija IQTsX PRO: 1. Programska oprema za analizo prometa: iskanje in zajemanje slike, zaslon paketnega prenosa podatkov, dekodira glave media paketov. 2. IP paket raziskovalec: časovna poročila prihoda paketa, PCR primerjava poročil in grafikonov, poročila PID seznamov, poročila GOP strukture, individualna analiza kanala na MPTS. 3. Detekcija stalnega štetja napak. 4. Modifikacija paketa. 5. Microsoft IPTV podpora. 6. Software licenca. 7. Podpora drugim aplikacijam: VLC media player, Ethereal, Wireshark. Slika 7.37: MPEG Deep Packet Analysis [15] 91