Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Цифровое и аналоговое вещание. Пути развития. IP-вещание. Часть 1

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Цифровое и аналоговое вещание. Пути развития. IP-вещание.Часть 1

Когда выросла популярность IP-вещания в Интернете, цифровой стандарт утвердился в нашей жизни. Чтобы понять, как будет развиваться этот сегмент медиарынка, необходимо немного вспомнить, что такое IP TV и историю его возникновения
Алексей Синятынский
Генеральный директор ООО “Фирма “Интеграл-Т”, к.ф.-м.н., ч.-к. МАОН

IP-телевидением принято называть процесс многопрограммного вещания в соответствующей сети с помощью цифровых IP-технологий. При этом вещание является интерактивным и осуществляется с помощью передачи видеопакетов в Интернете по IP (Internet Protokol) – протоколу, определяющему форматы и способы пересылки либо коммутации пакетов данных. По сути этот процесс сводится к передаче ТВ-программ в виде потокового видео (Streaming Video) от IP-головной станции на ТВ-оборудование абонента в соответствии c сетевым цифровым четырехбайтным адресом, присвоенным согласно правилам IP и названным IP-адресом. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов цифрового видео и принимается по мере того, как передается на абонентский терминал, без ожидания полной загрузки памяти файла для его просмотра.

Word Wide Web, или Всемирная паутина

Предшественником нынешнего варианта Интернета является сеть ARPANet, которая была создана в конце 60-х годов и проектировалась как часть технического задания оборонного заказа Пентагона как система связи между командными пунктами обороны США на случай ядерной войны. Суть заключалась в создании такой системы связи, которая бесперебойно функционировала бы некоторое время даже после выхода из строя отдельных узлов связи.

Первые версии Интернета 70-х, 80-х годов позволяли в рамках существующей сети, связывающей друг с другом несколько компьютеров, обмениваться по электронной почте информацией в виде файлов информации и сообщениями в виде новостей. В 1991 году разработчик Тим Бернес-Ли предложил новую концепцию обмена информацией с помощью компьютерной сети, названной Web, или WWW (Word Wide Web), или Всемирная паутина, или Интернет.

Информационные ресурсы Интернета в настоящее время разбиты на единицы – cайты, которые отличаются друг от друга тем, что каждый сайт имеет собственный индивидуальный адрес.

Технически сайты располагаются или содержатся в памяти мощных компьютеров, названных серверами. Географически серверы могут быть расположены где угодно и соединены между собой линиями связи.

Все запросы из некоторой точки доступа к сети на соединение с некоторым интернет-адресом осуществляются специализированными устройствами – компьютерами, названными маршрутизаторами, которые перераспределяют запросы между линиями связи, чтобы обеспечить их равномерную загрузку с целью сокращения времени прохождения информации. Передача данных по линии связи называется трафиком.

Трафиком может быть разнообразная информация – это и Web-страницы, и телефонный разговор, и т.д. Все договоренности о том, что и как передается, определяются протоколами передачи.

Для обменами в сети Web-документацией за основу логики шифрования взято понятие гипертекста; образцом гипертекста является текст, сопровождаемый пометками, устанавливающими смысловые связи между различными разделами информационного текста. Традиционно принято считать автором термина “гипертекст” нашего современника Теодора Нельсона.

Система гипертекста являлась основой и истоком современной системы электронных ссылок в компьютерных технологиях. Базовое понятие в этой логике было дано в начале ХХ века Ваневаром Бушем, который в своих работах, посвященных кибернетической теме взаимодействия человека и машины, ввел понятие “браузер” – система для просмотра текстово-графической информации, с возможностью введения взаимной связи элементов архивированной текстовой информации. Теперь браузер – это программа для просмотра Web-страниц. Самые распространенные браузеры – Internet Explorer, Google Chrome, Mozilla, Firefox, Яндекс, Рамблер и прочие.

Впоследствии эта система легла в основу логики диалоговой системы взаимодействия “человек – компьютер” под названием NLS (oN Line System), разработанной изобретателем компьютерной мыши Дугласом Энгельбартом.

Сегодняшние электронные системы гипертекста характеризуются большим удобством перехода по ссылкам и позволяют устанавливать связи между произвольными фрагментами текстов и их физическим местонахождением без видимой для пользователя нумерации.

Впоследствии логика гипертекста расширилась и на понятие гипертекста в изображении и звуке.

IP (Internet Protocol) интернет-протокол

Тим Бернес-Ли разработал протокол сети Интернет для обмена Web-информацией, стандартной формой представления которого является гипертекст, названный HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста, предполагающий, что информация, передаваемая в сети, это Web-страницы в виде файлов, отображаемые в браузере. Протокол подходит также для передачи файлов других типов. Он является протоколом верхнего уровня и содержит договоренности о том, как представлять данные, чтобы принимающая программа в них разобралась и смогла верно отобразить Web-страницу. К этому уровню в иерархии Интернета относятся и протокол FTR (Fail Transfer Protocol) – протокол передачи файлов, обеспечивающий обмен файлами, и протокол POP 3/SMTP (Post Office Protocol 3) – протокол почтового отделения 3; и протокол Smile Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты.

Протоколы нижнего уровня, позволяющие доставлять информацию по сети Интернет, гарантированно сохраняют ее, это протоколы ТСР (Transmission Control Protocol) – протокол контроля передачи и IP (Internet Protocol) – интернет-протокол. Эти два протокола обеспечивают разбивку передаваемой информации на пакеты и затем отправку каждого пакета по произвольному маршруту, а потом их сборку в правильном порядке и без потерь. Часто их объединяют в одно название TCP/IP, впоследствии просто IP.

Пересылка осуществляется с адреса сервера – узла сети, на котором хранятся сайты, на конкретный компьютер пользователя по запросу. Сетевые адреса называются IP-адресами в действующем стандарте IPV4 и имеют размер 4 б. Нетрудно посчитать, что в этом стандарте может существовать Ν= 28 + 28 + 28 + 28 = 232 = 4 294 967 296 адресов.

Это означает, что каждый второй человек в мире может иметь свой IP-адрес и пользоваться услугами Интернет-сети. Однако со временем выяснилось, что этого количества адресов может не хватить для всех устройств, подключенных к Интернету, поэтому принят более современный стандарт IPv6, в котором адреса имеют 16-байтовый размер, что увеличивает адресное пространство в миллиарды раз, позволяя записать доменные имена на любом языке народов мира, и не только на английском, как принято сейчас.

Как правило, адрес – это уникальный номер каждого узла в сети, по которому его можно идентифицировать. Он записывается числом из четырех групп десятичных чисел номиналом от 0 до 255. Например: 189.17.211.24. Такой адрес имеет сервер, на котором располагаются сайты. Операция по расположению сайтов на сервере получило название “хостинг”, а сервер называется хостом.

Адреса бывают статические. Они остаются неизменными на протяжении всего времени работы узла. Такой адрес уникален и в пределах одой локальной сети может быть только у одного абонента.

Большинство провайдеров Интернета (Internet Service Provider) – организации, предоставляющая услуги доступа к Интернету, используют динамические IP-адреса. Чтобы сменить IP-адрес, можно просто отключиться от услуги и подключится вновь. Некоторые пользователи хотят сохранить анонимность присутствия в сети, чтоб обойти очередную блокировку. Для этого применяются сторонние ресурсы – анонимайзеры, выступающие посредником между пользователем и желаемым сайтом, используя свой IP-адрес. Существуют также специальные программы, используемые при расширении браузеров, выполняющие аналогичную функцию.

Мы ранее упоминали о доменных именах. Дело в том, что пользоваться цифровыми адресами не очень удобно, поэтому в так называемых LAN-сетях (Local Area Network – “сеть в локальной области”), которые строятся по протоколу Ethernet, была придумана система доменных имен – DNS (Domain Name System). Это и есть интернет-адреса типа google.ru, которому соответствует IP-адрес в цифровом варианте 172.217.16.195. Узнать IP-адрес любого доменного имени можно с DNS-серверов с помощью специальной программы. Доменные имена являются составными и включают в себя домены первого, второго, третьего и т.д. уровней, называемые зонами. Контролем над распределением доменных имен в мире занимается общественная организация ICANN. Домены первого уровня делятся на национальные зоны: GOV для США, RU для России, EU для объединенной Европы, UK для Великобритании, а также общественные зоны: COM для коммерческих организаций, EDV для университетов США и т.д. Регистрация доменных имен второго уровня во всех зонах производится по уведомительному принципу и свободному имени, за плату.

IP-протокол как инструмент реализации IP-вещания

Одним из центральных моментов в IP-технологии является формирование IP-пакетов и отправка их по адресу. IP-пакет – это небольшой блок данных, структура и форма которых определена протоколом IP. Структура пакета выглядит как сообщение с заголовком и информационным содержанием. В стандарте IPv4 под заголовок выделяется 20 б. В порядке прочтения в заголовке содержится следующая информация:

  1. версия протокола содержится в первых четырех битах заголовка;
  2. четыре последующих бита дают информацию о длине заголовка;
  3. в последующих восьми битах содержится информация, указывающая на приоритет данного пакета для узлов и маршрутизаторов;
  4. следующие 16 бит содержат информацию о размере пакета, включая заголовок;
  5. 16 последующих бит являются идентификатором пакета, который служит для опознания частей пакета;
  6. следующие три бита дают признаки фрагментации пакета;
  7. 13-битное смещение служит для расчленения и сборки пакета на фрагменты;
  8. следующее 8-битное поле содержит информацию о времени существования пакета – при проходе каждого узла поле времени существования пакета уменьшается на единицу, а при обнулении этого поля пакет уничтожается;
  9. очередное 8-битное поле является протоколом, в котором содержится информация о том, к какому протоколу относится информация содержимого пакета;
  10. поле в 16 бит, которое идет за этим, является идентификатором целостности пакета. При каждой обработке заголовка и проверке контрольная сумма обнуляется и перезаписывается;
  11. конечные два поля в 64 бита предназначены для указания IP-адресов отправителя и получателя.

В стандарте IPv6 запись протокола выглядит так: 2001:3db8:15a3:01d7; 1f34:8а8е:03аО:725d, то есть содержит восемь групп букв и чисел. Стандарт IPv6, кроме расширения адресов, обладает и другими превосходящими характеристиками. Увеличен, например, объем поддерживающего пакета до 4 Гбайт. Это актуально для высокоскоростных сетей. В новом стандарте устранено фрагментирование пакета. Он просто уничтожается. В заголовке пакета нет поля “Контрольная сумма”. Время жизни пакета в новой версии ограничено временем перехода от узла к узлу. Заголовок пакета увеличился до 40 б.

Потоковое видео

Итак, IP-вещание сводится к передаче ТВ-программ в виде потокового видео от головной станции на ТВ-оборудование абонента. Видеопоток означает передачу видеоинформации в режиме реального времени. Видеоинформация транслируется непрерывно потоком в виде последовательности сжатых пакетов в спецформате без требования полной загрузки файла, содержащего видеоданные. Начало просмотра связывается с моментом достаточной буферизации данных с их дальнейшим равномерным отображением. Все происходит в виде, очень похожем на традиционное телевещание с непрерывным отображением видеокадров.

Существуют два типа потокового видео Progressive Streaming: последовательный поток и Reale-Time Streaming – поток, проходящий в режиме реального времени.

Режим последовательного потока используется в основном при передаче коротких видеосюжетов и рекламы. При этом видеоинформация воспроизводится с носителя, на который до этого предварительно осуществляется запись. Качество изображения при передаче последовательным потоком всегда лучше, однако недостатком является невозможность просмотра по частям и существует вероятность переполнения приемного устройства.

При IP-вещании используется потоковое видео в реальном времени, которое удобно применять при трансляции длинных файлов. При этом трансляция предполагает наличие аудио/видеокодека, который сжимает аудио/видеопоток и передает его на специальный потоковый сервер (Streaming Server). Существуют две категории кодирования: немасштабируемое и масштабируемое. В связи с изменчивостью пропускной способности транспортной сети в процессе передачи используется в основном масштабируемое кодирование. Потоковой сервер хранит сжатый видеопоток и отправляет его абоненту по запросу. Помимо системы хранения он содержит операционную систему и транспортные протоколы. Кроме этого, потоковый сервер обеспечивает обработку информационного потока в кратчайшие сроки и функции интерактивного контроля над потоком, такие как “Пауза” и “Перемотка”. Передача пакетов потокового видео происходит по транспортной сети с использованием стандартных протоколов, обеспечивающих в сети транспортировку, сетевую адресацию и контроль за передачей.

У абонента существуют приложения, которые декодируют и воспроизводят видеопоток, обладая средствами контроля и управления. Важным фактором в процессе передачи потокового видео является наличие механизма синхронизации аудио- и видеосигналов.

Современные форматы сжатия цифровых видеопотоков

Серьезное воздействие на качество потокового вещания оказывает стабильное соединение, так как изменение пропускной способности канала, задержка и потеря пакетов сильно влияют на сжатые видеопотоки. Они очень чувствительны к ошибкам передачи, до той степени, что поток может оборваться или даже может приостановиться передача.

Успешное развитие потокового информационного вещания в целом стало возможным после разработки стандарта сжатия MPEG-2. В настоящее время наиболее прогрессивным в этом смысле стал стандарт H.264/AVC. Полная аббревиатура формата пишется так: H.264/MPEG 4 Part.10. Advanced Video Coding. Данный стандарт является разработкой группы экспертов, входящих в комитет ITU-T. Он появился в 2003 году и является десятой частью стандарта сжатия MPEG 4. Название H.264 получено в результате разработки серии стандартов сжатия H.26х, оно подчеркивает преемственность от стандарта H.26L. Дополнение AVC возникло в результате разработок группы ISO/EIC, которая занималась разработкой предыдущего формата H.26L. Получившийся в результате стандарт H.264/AVC обеспечивает в два раза лучшее сжатие при низкой скорости передачи информации и работу в различных сетях от IP вещания до записи на DVD дисках, пригоден для передачи видео как обычной, так и высокой четкости.

Технологии IP-вещания

Технология IP-вещания предполагает соответствующую цифровую обработку начального аналогового информационного потока с использованием технологий дискретизации, квантования и кодирования видеопотока аналогово-цифровым преобразованием (АЦП), сжатия (сокращения) и конечного преобразования с помощью схем преобразования цифрового сигнала в его аналоговый эквивалент (ЦАП). При этом обеспечивается передача цифрового видео по телеканалу в режиме онлайн.

Для просмотра потокового видео на устройствах ТВ-приема используется ТВ-приставка, или по нынешней терминологии STB (Set Top Box), – приставка, которая декодирует видеопоток и выводит его на экран соответствующего ТВ-устройства.

Если для абонентского приема используется компьютер, то для одновременного приема телепрограмм в одно время достаточно было иметь установленную программу Video LAN. Функции декодирования аудио- и видеоинформации выполняют программные средства самого компьютера.

Для понимания, почему IP-вещание является недешевым, но перспективным способом ТВ-вещания, нам следует вспомнить несколько основных прикладных физико-математических положений, объясняющих процесс формирования IP-потока и его приема-передачи.

Общая идея цифровизации процесса телевещания исходит из того, что цифровая обработка телеизображений в процессах их приема-передачи позволяет повысить качество телевизионной картинки в зоне уверенного приема телепрограмм, а также доставляет как вещателю, так и пользователю массу новых возможностей и услуг, в том числе позволяет вещателю организовать эффективную систему платного ТВ.

Цифровые системы телевидения, использующие мощные цифровые процессорные системы, обеспечивающие 109 операций в секунду, позволяют решить задачу эффективного сжатия ТВ-картинки и ее кодирования при аналогово-цифровых преобразованиях. Поэтапная цифровизация предполагает ее проведение от студийного оборудования и новых телеприемников, позволяющих воспроизводить цифровое изображение, до создания аналогово-цифровых приемо-передающих систем телевидения.

В настоящее время осуществляется создание полностью цифровых систем. Результаты этих работ привели к созданию разнообразных стандартов сжатия спектров сигналов ТВ-изображений. Это JPEG (Joint Photographie Experts Group), “объединенная группа экспертов в области фотографии”, – способ сжатия, при котором исключается информация, второстепенная для восприятия. Этим достигаются более высокие степени сжатия. Далее следует наиболее распространенный формат, используемый при IP-вещании – MPEG (Moving Pictures Experts Group) – “экспертная группа по движущимся изображениям” – международная группа, разрабатывающая стандарты сжатия и кодирования аудио- и видеоинформации. К стандартам этой группы относятся такие форматы, как MPEG-2, MPEG-4 и MPEG-7.

Мы еще вернемся к более подробному рассмотрению форматов сжатия, потому что это является камнем преткновения для IP-вещания и не только, так как появились техника и стандарты ТВЧ- и 3D-вещания, предъявляющие свои требования к стандартам сжатия.

Общим для всего изложенного является идея цифровизации телевещания. Это процесс, результатом которого, как мы отметили ранее, является повышение качества телевизионной картинки в зоне уверенного телевещания и организация эффективной системы платного ТВ.

О физико-математической основе цифровизации мы поговорим в следующих публикациях о IP-вещании.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2017
Посещений: 6173

  Автор

 

Алексей Синятынский

Генеральный директор ООО “Фирма “Интеграл-Т”, к.ф.-м.н., ч.-к. МАОН

Всего статей:  10

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций