Vysoká škola ekonomická v Praze Fakulta informatiky a statistiky Katedra informačních technologií Téma diplomové práce IPTV use in academic network Autor práce: Bc. Kamil Jireš Studijní program: Aplikovaná informatika Obor: Informační systémy a technologie Vedoucí bakalářské práce: Ing. Luboš Pavlíček Oponent: Ing. Jiří Beneš Rok vypracování: 2010
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu, ze kterých jsem čerpal. V Praze dne 15. prosince 2010........................... Kamil Jireš
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval Ing. Luboši Pavlíčkovi jakožto vedoucímu diplomové práce za cenné a věcné připomínky v průběhu psaní.
Obsah Úvod 1 1 Teoretická východiska 3 1.1 Definice základních pojmů......................... 3 1.1.1 IPTV................................ 3 1.1.1.1 TV - Television...................... 4 1.1.2 Akademická sít........................... 4 1.2 Základní prvky systému.......................... 4 1.2.1 Zdroj audio/video signálu..................... 5 1.2.1.1 Podmíněný přístup.................... 6 1.2.1.2 Digitalizace........................ 7 1.2.1.3 Komprese přenášených dat............... 8 1.2.1.4 Multiplex......................... 9 1.2.2 Zpracování pro potřeby distribuce................. 9 1.2.3 Distribuce směrem k uživatelům.................. 10 1.2.3.1 Unicast.......................... 13 1.2.3.2 Multicast......................... 13 1.2.4 Zobrazení na straně uživatele................... 14 1.2.4.1 Softwarové zpracování.................. 14 1.2.4.2 Set-top-box........................ 15 1.3 Protokoly.................................. 16 1.3.1 IP - Internet Protocol....................... 16 1.3.2 RTP................................. 18 1.3.3 RTSP................................ 18 1.3.4 SAP................................. 18 1.3.5 IGMP................................ 19 1.3.6 PIM................................. 21 1.4 Kvalita distribuce.............................. 21
2 Architektura řešení 24 2.1 Zdroj signálu................................ 24 2.2 Svod signálu................................. 26 2.3 Zpracování signálu............................. 26 2.4 Doručení k uživatelům........................... 27 3 Volba SW/HW 29 3.1 Komponenty serveru............................ 29 3.1.1 DVB-T................................ 31 3.1.1.1 Leadtek WinFast DVR 3100 H............. 31 3.1.1.2 MSI DIGI VOX mini II................. 32 3.1.2 DVB-S................................ 34 3.1.2.1 Technisat SkyStar2.................... 34 3.1.2.2 Technisat SkyStar2 HD................. 34 3.2 Software................................... 35 3.2.1 Operační systém.......................... 35 3.2.1.1 Dostupné distribuce................... 35 3.2.1.2 Zvolený operační systém................. 38 3.2.1.3 Zabezpečení........................ 38 3.2.2 Vysílání obsahu........................... 39 3.2.2.1 Dostupné programové vybavení............. 39 3.2.2.2 Volba multicastových adres............... 43 3.2.2.3 Oznamování vysílaných televizí............. 43 3.2.3 Dohled a řešení výpadků vysílání................. 43 3.2.3.1 Vysílání.......................... 44 3.2.3.2 Systémové prostředky.................. 44 3.3 Dekódování programů........................... 45 3.3.1 Virtuální rozhraní.......................... 46 3.3.2 Zdroje klíčů pro dekódování.................... 46 3.3.2.1 Čtečka karet....................... 48 4 Realizace distribuce signálu 49 4.1 Distribuce.................................. 49 4.1.1 Sdílení klíčů: newcs......................... 49 4.1.1.1 Stažení a instalace.................... 49
4.1.1.2 Konfigurace........................ 50 4.1.1.3 Spuštění.......................... 52 4.1.2 Dekódování: sasc-ng........................ 52 4.1.2.1 Stažení a instalace.................... 52 4.1.2.2 Konfigurace........................ 53 4.1.2.3 Spuštění.......................... 55 4.1.3 Podpůrné programy pro DVB: dvb-apps............. 55 4.1.3.1 Stažení a instalace.................... 56 4.1.3.2 Konfigurace........................ 56 4.1.3.3 Spuštění.......................... 58 4.1.4 Vysílání obsahu: mumudvb..................... 60 4.1.4.1 Stažení a instalace.................... 60 4.1.4.2 Konfigurace........................ 60 4.1.4.3 Spuštění.......................... 65 4.2 Zabezpečení................................. 66 4.2.1 Firewall: iptables, ip6tables.................... 66 4.2.2 Vzdálený přístup: ssh........................ 68 4.3 Ostatní nastavení.............................. 69 4.3.1 Ramdisk............................... 69 4.4 Konfigurační soubory............................ 70 4.4.1 /etc/rc.d/rc.firewall......................... 70 4.4.2 /etc/rc.d/rc.ramdisk........................ 72 4.4.3 /etc/ssh/sshd config........................ 72 4.4.4 /usr/local/bin/runsasc....................... 73 4.4.5 dhcpd.conf.............................. 75 4.4.6 amino.htm.............................. 76 4.5 Parametry dostupných multiplexů DVB-T................ 77 Závěr 81 Terminologický slovník 83 Literatura 85 Seznam tabulek 88 Seznam obrázků 89
Abstrakt Cílem práce je nabídnout čtenáři řešení nasazení IPTV s využitím bezplatného software. V rámci práce bude čtenář seznámen s teorií týkající se IPTV, která obnáší nezbytné části systému, protokoly související s IPTV a možné chyby, se kterými se můžeme v průběhu provozování IPTV setkat. Práce je dělena do čtyřech částí. V první části je rozebrána teorie. V rámci teorie se čtenář seznámí s definicí základních pojmů, se základními prvky systému, s protokoly používanými ve spojení s IPTV a také budou zmíněny chyby, které mohou nastat během provozu IPTV služby. Ve druhé části je nastíněna architektura řešení, kde se čtenář může seznámit s řešením, které bylo realizováno v rámci zkušebního provozu. Třetí část se zaměřuje na volbu komponent (HW a SW), které byly použity pro zkušební provoz. Jsou zde zmíněny varianty, ze kterých se jednotlivé části vybíraly. Čtvrtá část obsahuje samotnou realizaci, kde je popsáno zprovoznění jednotlivých komponent. Na závěr čtvrté části jsou vloženy konfigurační soubory, které se dají použít v případě opakované realizace řešení. klíčová slova IPTV, DVB, DVB-S, DVB-T, multicast, stream, server, set-top-box, mumudvb, sasc-ng, newcs
Abstract The purpose of this diploma thesis is to provide readers the deployment of IPTV solutions using free software. In this thesis the reader will familiarize with the theory of IPTV, which implies a necessary part of the system, IPTV related protocols and possible errors that can be when running the IPTV service. The work is divided into four parts. The first part discusses the theory. In theory, the reader familiarize with the definition of basic concepts, which are essential elements of the system, the protocols used in conjunction with IPTV and will also be discussed errors that may occur during operation of IPTV services. The second section outlines the architecture of which the reader can find a solution that was implemented in an experimental operation. The third section focuses on the choice of components (hardware and software) that were used in the test sytem. The variants are mentioned, from which the components were selected. The fourth section contains the actual implementation, which describes each components. At the end of the fourth part is inserted configuration files that can be used in case of repeated implementation of the solution. Key words IPTV, DVB, DVB-S, DVB-T, multicast, stream, server, set-top-box, mumudvb, sasc-ng, newcs
Úvod Již desítky let lidé využívají televizi jako prostředek zábavy i zdroje informací. Jedná se o velmi efektivní formu šíření, která pokrývá velké množství adresátů s využitím minimálních nákladů, přesněji řečeno minimálních variabilních nákladů na jednoho příjemce daného sdělení. Této skutečnosti se využívá i na poli komerčním - efektivní marketingový nástroj. Výrazné rozšíření počítačových sítí mělo za následek přesunutí šíření televizního signálu i do prostředí datových sítí založených na protokolech TCP/IP 1 - IPTV. Mohou tak vznikat televizní programy / videa zaměřená na úzce specifickou zájmovou skupinu, přičemž posluchači sledují daný program skrze datovou sít. Při využití IPTV odpadá nutnost instalace antény (případně satelitní paraboly) a rozvod koaxiálních kabelů speciálně pro každé přijímací zařízení. Datové rozvody jsou v dnešní době již standardním prvkem nově budovaných, případně rekonstruovaných kanceláří, začínají být již zároveň automatickou součástí obytných prostor. Tématikou příjmu televizního signálu v prostředí počítačů se zabývám již několik let. V případě nasazení IPTV do oblasti počítačové sítě se jedná o přirozené tématické rozšížení, které se mi přidalo do sféry zájmu v průběhu řešení problémů týkajících se realizace příjmu televizního signálu. Cílem práce je nabídnout uživateli postup, jak nasadit službu IPTV v prostředí počítačové sítě s využitím volně dostupných (freeware, případně opensource) aplikací. Dílčím cílem v teoretické části práce bude seznámení s nezbytnými součástmi systému, protokoly využívanými během přenosu signálu a chybami, které se mohou projevit během přenosu od poskytovatele služby (server) k příjemci služby (klient). Dílčím cílem praktické části bude volba vhodného hardware a software, včetně konfigurace pro prostředí vzorové počítačové sítě. Tato práce si neklade za cíl řešit otázky přípravy televizního programu, otázku ukládání vysílaného obsahu ani systém videa na požádání (Video on Demand - VoD). Mimo rámec práce se také nachází řešení právních aspektů nasazení IPTV, přičemž v případě reálného provozu je nezbytné konat v souladu s platnými právními normami. Práce je určena pro zájemce o rozšíření, případně získání, znalostí týkajících se 1 TCP/IP je dvojice protokolů běžně využívané pro realizaci komunikace v počítačové síti, mimo jiné i v celosvětové síti internet 1
IPTV. Rovněž může být tato práce užitečná pro čtenáře, kteří uvažují o zavedení IPTV do počítačové sítě, nebot součástí práce je i návod jak nakonfigurovat programy pro vysílání a oznamování vysílaných obsahů. Práce je rozdělena na dvě části. V teoretické části, první kapitole, nejdříve definuji základní pojmy, které se prolínají celou prací. Dále popisuji základní prvky systému šíření signálu. Následně se čtenář obeznámí s protokoly využívanými během přenosu od poskytovatele služby (server) k příjemci služby (klient) a budou rozebrány okolnosti ovlivňující kvalitu distribuce. Druhá kapitola se zabývá volbou vhodného operačního systému, softwaru a hardwaru. Praktická část je tvořena třetí kapitolou, která seznamuje čtenáře se zvoleným prostředím a poskytuje návrh uplatnění teoretických poznatků v dané počítačové síti. Práce nabízí jednu z možností využití IPTV, ale ne jedinou. V dnešní době internacionalize a informatizace se stávají možnosti neomezenými a proto se s pojmy podobného rázu budeme v budoucnu setkávat čím dál častěji. 2
Kapitola 1 Teoretická východiska 1.1 Definice základních pojmů 1.1.1 IPTV Označení IPTV je složeninou dvou zkratek. První z nich je IP vycházející z Internet Protocol (bližší informace jsou k dispozici v samostatné kapitole 1.3.1 IP - Internet Protocol), druhou je TV odpovídající slovu Television. Ačkoli zkratky českých ekvivalentů slov by odpovídali anglickým, uvádím původní anglické názvy. IPTV označuje službu distribuce televizního programu skrze počítačovou sít pracující na protokolu IP. [10, přeloženo autorem] Pod pojem IPTV spadají i služby videa na požádání (VoD). Mezi nejznámější bezplatné služby tohoto typu patří Youtube. Jedná se o stránky, kde uživatelé, nebo společnosti nabízejí nějaký audio/video obsah, v tomto případě bezplatně. Existují ovšem i servery, které nabízí obdobné služby za úplatu. Je pak již čistě na vůli autora videa, zda chce poskytnout daný obsah bezplatně, či nikoli. Dalším příkladem je videoarchiv odvysílaných programů (uvádím příklad českých televizí): www.ceskatelevize.cz/ivysilani archiv.nova.cz www.iprima.cz/videoarchiv Na druhou stanu IPTV není, pokud máme uložena data na pevném disku, které si pouštíme na televizi (nejedná se o přenos skrzepočítačovou sít, ale pouze o lokální 3
přehrávání videa) - např. záloha disku DVD, nebo video z dovolené... 1.1.1.1 TV - Television Zkratka TV odpovídá slovu Televize. Tento pojem může označovat jak službu přenosu obrazu a zvuku, tak zařízení potřebné pro zpětný převod přijatého signálu do podoby přijatelné pro člověka - televizní přijímač, televizor. Samotné slovo pochází ze dvou řeckých slov, konkrétně tele znamenající daleko a vize znamenající vidět. Služba televizního vysílání s využitím rádiových vln se začala používat v první polovině 20. století. Na našem území (svého času území Československa) začala vysílat Československá Televize dne 1.května 1953 své pravidelné zkušební vysílání a od 25. února 1954 vysílá pravidelné vysílání[4]. V současné době dochází k digitalizaci televizního vysílání a dle oficiálních harmonogramů by poslední český analogový pozemní vysílač měl být vypnut do konce roku 2011, v případě zbytku Evropské unie se jedná o rok 2012. Po tomto datu bude možné naladit pozemní televizní vysílání skrze rádiové vlny pouze v digitální podobě[5]. Aktuálně je již možné přijímat digitální podobu vysílání jednak paralelně k analogovému skrze rádiové vlny pozemního vysílání, satelitního vysílání, případně skrze alternativní komunikační kanály mezi které patří počítačová sít. 1.1.2 Akademická sít Tato práce bude brát pojem akademická sít jako sít jedné vysoké školy využívající protokoly TCP/IP. 1.2 Základní prvky systému Každý systém zabývající se vysíláním audio/video signálu musí obsahovat několik základních prvků. Tyto prvky by se daly shrnout do logických skupin. Následuje stručný výčet, který je dále v práci blíže rozebrán. zdroj signálu Obecně musí být na začátku celého procesu vyřešena otázka: Co vysílat? 4
zpracování pro potřeby distribuce Získaný signál je potřeba upravit po stránce formální tak aby byl schopen přepravy zvolenými komunikačními kanály. Tyto úpravy nesouvisí s obsahem, který bude ve finále vnímán koncovým uživatelem. distribuce směrem k uživatelům Získaný a upravený signál je zapotřebí doručit koncovému uživateli skrze komunikační kanály - v našem případě počítačové sítě. zobrazení na straně uživatele Po obdržení signálu na straně uživatele je nezbytné formálně upravit obdržené informace do podoby zpracovatelné příjemcem. Obrázek 1.1: Schéma systému pro vysílání - pojetí VideoLAN. (zdroj: [25]) 1.2.1 Zdroj audio/video signálu Řešení může být závislné na konkrétních typech zdrojů, případně může být univerzální. V druhém případě je nezbytné stanovit rozhraní mezi zdroji a procesy zpracování signálu. Tímto způsobem jsme schopni v průběhu času přidávat podporu nově 5
nastupujících zařízení, aniž bychom museli upravovat další procesy využívané pro zpracování a přenos signálu. Zdroje signálu jako takové lze rozdělit do dvou základních skupin podle typu signálu: analogové zdroje signálu Analogový signál je z principu přímo závislý na kvalitě přenosu. Jakékoli zarušení, případně dočasné zhoršení přenosových parametrů má vliv na přijatou informaci, přičemž příjemce není schopen určit, zda přijatý signál odpovídá, nebo neodpovídá vysílanému signálu. Tudíž není možné opravit přijatý signál - pokud neznáme rozdíl, není co opravovat. digitální zdroje signálu Digitální signál poskytuje částečnou odolnost proti rušení, nebot samotné zpracování signálu probíhá úrovňově (při mírné změně přenášeného signálu ještě nemusí být pozměněna samotná přenášená informace). Zároveň dokážeme určovat kontrolní součty, na základě kterých jsme schopni posoudit, zda přijatá informace odpovídá odeslané inforamci a v případě malé odchylky lze za některých okolností dokonce opravit poškozená data. Pro potřeby IPTV potřebujeme mít k dispozici digitální signál. Potřebujeme-li odvysílat analogový signál, je potřeba v rámci bloku zdroje signálu provést samotnou změnu podoby signálu - digitalizaci. Příklady digitálních zdrojů můžeme vidět na obrázku 1.1. Jsou jimi soubory obsahující video, DVD, zachytávací (grabovací) karty, kódovací karty, satelit, Digitální pozemní vysílání. Mezi další příklady bych zmínil kamery a to jak webové (USB konektor), případně klasické připojitelné přes USB nebo fireware. 1.2.1.1 Podmíněný přístup U vysílaného signálu je technicky možné podmínit přístup k obsahu. Příjemce je v takovém případě schopen běžně dostupnými prostředky přijmout signál jako takový, ale bez dalších potřebných informací (klíčů) není schopen signál dekódovat. Každý oprávněný příjemce obdrží od poskytovatele signálu čipovou kartu, která je schopna sdělit potřebné klíče pro proces dekódování. Jelikož je systém připraven pro jednosměrnou komunikaci (např. satelitní přenos), jsou klíče obnovovány na jednotlivé karty v rámci samotného datového toku souběžně 6
s vysíláním. Aktualizace pro každou jednu kartu tedy obsahuje informaci o platném klíči pro další časové období a dobu platnosti (délku období). Samotná aktualizace je samozřejmě zakódována tak, aby ji mohla zpracovat jen karta pro kterou je určena. 1.2.1.2 Digitalizace Digitalizace je proces, kdy je analogivý signál převáděn na digitální. Analogový signál je spojitá veličina, která popisuje určitou informaci. Spojitou veličinou rozumíme hodnotu veličiny (většinou elektrické napětí) v daném rozsahu přípustných hodnot, přičemž i drobná změna hodnoty odpovídá změně přenášené informace. Teoreticky lze tedy definovat neomezeně mnoho odstínů. Prakticky jsme omezeni na hodnotu nejmenšího kroku, tedy nejmenší technicky rozpoznatelné změny, kdy můžeme určit že došlo ke změně hodnoty. Pro příklad můžeme uvést rozsah přípustných hodnot 0-1 V, přičemž přenášenou informací bude barevná hodnota jednobarevného bodu (černá až bílá). Ze zmíněného popisu přenášené informace můžeme odvodit skutečnost, že v případě přítomnosti hodnoty napětí 0 V má daný bod černou barvu, při hodnotě napětí 1 V je barva daného bodu bílá. Všechny hodnoty mezi krajními přípustnými hodnotami odpovídají barvě mezi černou a bílou - odstíny šedé. Pro ilustraci předpokládejme nejmenší rozpoznatelnou změnu 1 mv (jedna tisícína voltu), z čehož nám vyplývá, že jsme schopni definovat odstín bodu s využitím 1000 možných hodnot. Digitální signál je informace vyjádřená pouze za použitím logických jedniček a nul - binárně. Při přenosu jsou využívány tzv. logické úrovně. Logická úroveň je rozsah veličiny využité pro přenos infomace, který vyjadřuje danou logickou úroveň. Pro lepší názornost uvažujme TTL (Transistor-Transistor-logic) logiku, která je definována v rozsahu 0-5 V. Pro logickou nulu je vymezen rozsah 0-0,8 V. Pro logickou jedničku je určen rozsah 2-5 V. Jak můžeme vidět, tyto rozsahy spolu přímo nesousedí. Nejedná se o chybu, nýbrž o rezervu, která je označována jako ochranné pásmo, někdy označováno jako zakázané pásmo. Tímto způsobem je definuje základní odolnost proti vnějšímu rušení. Pokud tedy zdroj vyšle hodnotu 0 V a vlivem rušení se během přenosu zvýší úroveň přenášené veličiny o 0,2 V, stále nedojde ke změně přenášené informace. 7
Samotný proces digitalizace V rámci digitalizace informace musíme vždy definovat délu slova, což je stanovení množství bitů (logických úrovní) vyjadřující každou jednotku digitalizované informace. Tato dodatečná informace má přímý vliv na přesnost vyjádření, nebot přímo ovlivňuje kolik úrovní jsme schopni popsat. Pokud bych tedy chtěl například popisovat odstín šedé pro konkrétní bod, volbou počtu bitů přímo definuji přesnost popisu - počet odstínů, které mám k dispozici. Zvolím-li 10 bitů, získávám 2 10 hodnot, což je 1024. K přenášeným informacím se mohou přidávat kontrolní součty pro potřeby ověření správnosti přenášených dat. Nejrozšířenějším a nejjednodušším kontrolním součtem je Cyclic Redundancy Check (CRC). Kontrolní součty zohledňují výskyt logických jedniček v určité délce kontrolované digitální informace. Jsme tedy shopni rozpoznat chybu přenosu a v některých případech jsme schopni přenášenou informaci opravit. Další informace týjající se dílčích tématických částí převodu lze nalézt v knize IPTV Basics [10, str. 73], na stránkách wikipedie([27]), popřípadě lze vyhledat na internetu pod klíčovými slovy: A/D převodník, A/D converter, barevné systémy. 1.2.1.3 Komprese přenášených dat Přenos surového obrazu tak, jak je zachycen například kamerou by byl velmi neefektivní. Bylo by zapotřebí neuvěřitelného datového toku k přenosu videa. Pro ilustraci vezměme snímek o velikosti 300 kb (běžný nekomprimovaný obrázek má několikanásobnou velikost). Chceme-li abychom video vnímali jako plynulé, je zapotřebí 25 snímků za sekundu, což nám způsobí požadavek na přenos 7500 kb za jednu sekundu (cca 7,32 MB). Tato velikost odpovídá požadavku na datový tok 60000 kbps (cca 58,59 Mbps). V této souvislosti by stál za zmíňku fakt, že běžné připojení v domácnosti obvykle nepřesahuje 8 Mbps (1 MB za sekundu) - např. ADSL, 802.11b. Další podstatnou poznámkou je aplikace FUP 1 na některé typy spojení, kdy se velikost pohybuje v řádech jednotek GB (10 GB bychom rychlostí 60000 kbps stáhli přibližně za 23 minut). Řešením této situace je zavedení formátů obsahujících kompresní algoritmy, které jsou schopny výrazně zredukovat požadavky na datový tok. Jednak obvykle zohledňují proměnlivost obrazu (požadavky na přenos statického obrazu dokáží zmenšit na ne- 1 Fair User Policy : Způsob zabezpečení férového přístupu. Po překročení určitého limitu obvykle dojde k snížení rychlosti přenosu. 8
zbytné minimum plynoucí z povahy algoritmu), popřípadě mírně zkreslí obraz s cílem odbourat detaily, které stejně často příliš neovlivní vnímaný obraz - lidské oko je vcelku nedokonalé, alespoň co se vnímání detailů týče. Takovými úpravami dokážeme zredukovat požadavek na datový tok pod hodnotu 5 Mbps. V oblasti digitálního televizního vysílání (DVB) se používají formáty MPEG2 (programy v kvalitě SD, některé programy HD) a MPEG4 (programy HD). Jelikož se v rámci realizace zabýváme programy v kvalitě SD, pracujeme prakticky výhradně s formátem MPEG2. Jelikož není předmětem práce rozebírat konkrétní video formáty, odkážů na několik zdrojů pro zájemce o bližší informace o tématu: [10, str. 162-178], [12], [27] případně vyhledávání pro klíčové slovo mpeg2. 1.2.1.4 Multiplex V případě digitálního vysílání je možné na jedné nosné frekvenci vysílat více programů ve skupině, která je označována jako multiplex. Princip vychází ze skutečnosti, že při dostatečné kompresi (použitím vhodných kodeků) je možné přenášet potřebná data mnohem vyšší rychlostí, než příjemce požaduje pro zabezpečení příjmu dat a jeho plynulé zpracování. Provozovatel vysílání na dané frekvenci může ve zbylém volném pásmu (tedy nevyužitý datový tok) zasílat informace pro další program. Množství programů v jednom multiplexu je tedy odvislé od použitého kodeku, přesněji řečeno od výsledného datového toku, který vyžaduje daný program. Výrazný rozdíl je mezi programem radia a televize, kde obrazová informace je podstatnou částí datového toku. Výrazný rozdíl může být i mezi SD a HD programy - nejednoznačnost příměru vyplývá ze skutečnosti, že pro SD a HD se obvykle používá rozdílné kódování, přičemž výsledný datoký tok může být srovnatelný, ale s rozdílnými nároky na výpočetní výkon při zpracování vysílaného/přijímaného signálu. Pro naše účely nám tato skutečnost umožní na jedno DVB zařízení zpracovat více programů - samozřejmě pokud provozovatel v jednom multiplexu vysílá více programů o které máme zájem. 1.2.2 Zpracování pro potřeby distribuce V rámci zpracování pro potřeby distribuce nedochází k úpravě co do obsahu, ale pouze k úpravě formální. 9
Jak již bylo podotknuto v části týkající se zdrojů signálu, je zapotřebí mít v této fázi digitální signál. Máme-li k dispozici pouze signál analogový, je nezbytné provést jeho dogitalizaci. Tento proces je nastíněn v kapitole 1.2.1.2 Digitalizace. V rámci těto části zpracování signálu můžeme signál transkódovat - transcoding. Transkódování je operace, kdy převádíme obsah z jednoho kódování do jiného, aniž bychom pozměnili samotný obsah (audio/video), které signál obsahuje. Jednotlivé druhy kódování se liší jak v nárocích na datový tok 2, tak na výkon potřebný pro jejich zpětné dekódování. V současnosti nejrozšířenějšími kodeky jsou MPEG2 a MPEG4. V rámci DVB 3 se můžeme setkat s oběma, přičemž MPEG2 se objevuje obvykle v datovém toku cca 4 Mbit/s s kvalitou obrazu označovanou jako SD a MPEG4 s datovým tokem také kolem 4 Mbit/s ovšem v kvalitě HD. Bylo by vhodné podotknout, že samotné transkódování je činností obecně velmi náročnou na výkon počítače, natož je-li požadavek transkódování v reálném čase. Jsou dostupné technologie, které jsou schopny pro tyto operace využít procesory grafických karet (GPU - Graphical Processor Unit), které jsou sice úzce zaměřené co do nabízených činností, zato jsou schopny velmi výrazně ulehčit od výpočtů samotnému procesoru počítače (CPU - Central Processor Unit). Využitím tohoto přístupu jsme schopni několikrát zvýšit propustnost transkódování v reálném čase. Jako příklad bych uvedl technologii CUDA od společnosti nvidia, popřípadě ATI Stream. 1.2.3 Distribuce směrem k uživatelům Pod pojmem distribuce v tomto případě řešíme přepravu signálu od serveru ke klientům, tedy od zdroje signálu k uživatelům, kteří projeví zájem o příjem. Jelikož budeme signál distribuovat skrze počítačovou sít, musíme data rozdělit na menší části. Tento požadavek vyplývá z typu zvolené sítě, tedy sítě postavené na protokolech TCP/IP. Distribuce probíhá po jednotlivých paketech, kdy každý paket putuje sítí individuálně. Nikde není zaručeno, že všechny pakety budou putovat sítí stejnou cestou. Důsledkem může být různé pořadí doručení paketů. V podstatě neexistuje ani záruka samotného doručení 4. Na druhou stranu by zde stálo za zmínění, že tento model se za desítky let používání osvědčil jako dostačující a v případě kvalitní datové linky 2 nezbytně velká propustnost sítě pro doručení dat na místo určení v požadovaném množství a čase 3 Digital Video Broadcast - digitální vysílání, tedy satelitní, pozemní, ale i kabelové 4 platí pro protokol UDP, protokol TCP řeší otázku doručení na bázi potvrzování paketů 10
prakticky bezproblémový. Velikost každého paketu je omezena, přižemž dodržení omezení velikosti nám zaručuje, že bez ohledu na výrobce jednotlivých prvků použitých na síti bude možné tento paket doručit od odesílatele k příjemci. V případě Ethernetu se obvykle použývá velikost 1500 bajtů, přičemž tato hodnota již zahrnuje i samotné hlavičky paketu (viz. obrázek 1.8). Pro kvalitní sledování televizního programu je nezbytné mít dostatečný datový tok. Vzhledem k parametrům dostupného DVB-T a DVB-S vysílání budeme potřebovat datový tok v průměru okolo 4 Mbps na jeden programový kanál. Důležitá je samozřejmě i kvalita připojení. Bez dosažení dostatečně rychlého a stabilního spojení nejse schopni zaručit koncovému příjemci kvalitní službu - příjem, respektive sledování programů. Metalická sít - Ethernet Pro používání IPTV je nezbytné dostatečně dimenzovat plánovanou infrastrukturu. V případě metalického připojení je doporučováno připojení klientů alespoň 100 Mbps (10 Mbps by mohlo být také dostačující, ale protože 4 Mbps není maximální hodnota, může docházet při další souběžné sít ové komunikaci ke zhoršení kvality služby). V závislosti na množství portů na prvcích je chodné zvážit propustnost uplinku 5 1 Gbps a více s ohledem na další infrastrukturu. Bezdrátová sít - Wifi Existují standardy pro bezdrátové technologie, které jsou teoreticky schopny poskytnout pokrytí s dostatečnými parametry pro potřeby IPTV - 802.11g, 802.11n (zatím není masově nasazováno - ekonomické aspekty). V praktickém nasazení musíme počítat se vzájemným ovlivňováním jednotlivých sítí a členitostí budov, které mají za následek možné kolísání kvality připojení. V důsledku docházíme k závěru, že při použití bezdrátové sítě nejsme schopni garantovat kvalitu služby IPTV. Volba způsobu vysílání Podstatnou otázkou je, zda bude server každého uživatele obsluhovat samostatně, nebo bude jednoduše vysílat obsah a o samotné rozlišení kdo co dostane se bude starat 5 uplinkem se označuje připojení prvku do sítě - k dalším prvkům 11
sít, respektive sít ové prvky. V první variantě se bavíme o unicastu, v druhém případě se jedná o multicast. Nelze jednoznačně říci, že by jedna varianta byla lepší než druhá. Volba konkrétního způsobu šíření závisí od požadavků na parametry systému (tabulka 1.1). parametr unicast multicast řešení oprávnění server rozhodne, zda data kódování dat, oprávnění odešle, či nikoli příjemci mají klíče k dispozici informace pro statistiky k dispozici na serveru rozprostřené na prvcích sítě zatížení serveru závislé na počtu příjemců nezávislé na počtu příjemců multiplikace dat server sít ové prvky zatížení datových linek závislé na počtu příjemců závislé na členitosti požadavků cílová adresa paketu komkrétní IP adresa klienta multicastová adresa dostatečně velké, aby paket podle rozložení routerů parametr TTL doputoval k příjemci na datové síti (větší nevadí) (větši spíše nevhodné) Tabulka 1.1: Rozdíly mezi unicastem a multicastem Obrázek 1.2: Distribuce pomocí unicatu a multicastu. (zdroj: [13]) 12
1.2.3.1 Unicast Metoda vysílání využitím unicastu nevystavuje na prvky sítě prakticky žádné specifické požadavky, jen základní schopnosti pro doručování paketů. Otázky kdo co má obdržet řeší server, nebot veškeré pakety nesou adresu přímo konkrétního uživatele. Uživatelé svůj zájem o příjem dat projeví kontaktováním samotného serveru. Tento model je nezbytný například při aplikaci služet VoD 6. Dále je tento model jednou z variant, jak poskytovat podmíněný obsah, tedy zpřístupnit obsah pouze uživatelům, kteří si například zaplatili za určité programy. Nevýhodou vysílání je nejednoznačnost nároků na datový tok a výkon serveru. Nejednoznačnost zpočívá právě přesunu rozhodování na server. Každý požadavek na příjem obsahu je obsluhován vyhrazenými zdroji serveru a data se nijak neagregují. Pokud tedy 5 klientů vznese požadavek na ten samý obsah, je daný obsah vysílán 5x a tím stoupají požadavky i na propustnost sítě. Tento stav je vidět na obrázku 1.2. Na druhou stranu, jsme schopni bez problému vyhodnocovat kolik uživatelů požaduje nějaký obsah, což lze využít jednak pro statistiky, nebo pro vyúčtování v případě placeného obsahu. Další výhodou může být, že nepožadovaný obsah není vysílán. Konkrétně se tento fakt může projevit větší nabídkou, než jsme schopni plně pokrýt zdroji. Jsme totiž schopni přesouvat zdroje mezi jednotlivými obsahy podle požadavků. Vezměme si za příklad hotel a nabízení služby videopůjčovny. Pokud máme 100 klientů (např. set-top-boxů na pokojích), je nezbytné dimenzovat server a samotnou sít na 100x variabilní požadavky na jedno vysílání. Jsme schopni ovšem nabízet mnohem více než 100 titulů. Nebot v jeden okamžik není možné, aby probíhalo více jak 100 aktivních toků - není nikdo další, kdo by to požadoval a zpracovával. Pokud by někdo zvolil jiný obsah, již nebude potřebovat sledovat původně požadovaný. 1.2.3.2 Multicast Alternativou k unicastu je multicast. Zde jsou již určité požadavky na samotné sít ové prvky. Server odesílá do sítě data bez ohledu na skutečnost, zda je někdo požaduje či nikoli. Přesněji řečeno server odesílá data na multicastové adresy, čímž dá sít ovým prvkům najevo, že distribuce je na nich. Samotné sít ové prvky rozhodují kam všude budou tato data doručena. Server přitom odesílá data právě jednou bez ohledu na množství příjemců. Pokud někdo chce daný obsah přijmout, musí se přihlásit v síti 6 Video on Demand - video na požádání 13
k odběru datového toku na konkrétní multicastové adrese. Sít ové prvky si již mezi sebou vykomunikují kde všude musí být data zasílána, aby konkrétní koncový uživatel mohl obdržet požadovaný obsah. V případě více příjemců provádí replikaci dat právě sít ové prkvy. Chce-li pět klientů sledovat stejný obsah, nedochází k zahlcování datové linky duplicitními daty - tato skutečnost je vidět na obrázku 1.2. Nasazení multicastu je vhodné v situacích, kdy nepožadujeme zaznamenávání signálu. Důraz je kladen na distribuci signálu v jednom okamžiku velkému množství příjmemců při minimalizaci režijního zatížení sítě. Například pokud bychom chtěli distribuovat přednášku v reálném čase, jednalo by se o ideální nasazení s minimálními požadavky na odbavovací stanoviště i při počtu několika set či tisíc příjemců. Případný požadavek na záznam by se dal řešit formout aplikace v režimu klienta, kdy by nedocházelo k zobrazování, ale k zaznamenávání signálu - nebyl by dotčen výkon odbavovacího stanoviště. Pro přihlašování se využívá protokol IGMP 7. 1.2.4 Zobrazení na straně uživatele Nacházíme se ve fázi, kdy jsme si jako uživatelé zažádali a obdrželi požadovaná data. Na naše sít ové rozhraní dostáváme proud dat, který obsahuje námi požadovaný obsah. V závislosti na serveru máme k dispozici video data, obvykle jsou ve formátu MPEG2 nebo MPEG4. Naším cílem v tomto kroku je zpracovat data do podoby, v jaké budeme schopni vnímat vysílaný obsah. Jako uživatelé máme na výběr, zda chceme tuto fázi absolvovat na počítači v podobě vhodné aplikace, nebo dáme přednost vyhrazenému zařízení, které připojíme k televizi - Set-top-box. 1.2.4.1 Softwarové zpracování Zde by mohl následovat dlouhý seznam nejrůznějších méně či více rozšířených aplikací. Pro účely seznámení s problematikou zvolím univerzálního zástupce této skupiny aplikací. Tímto zástupcem je VLC z projektu VideoLAN, který je dostupný na adrese www.videolan.org/vlc. Tento zástupce je zvolen, nebot je bezplatně dostupný jako opensource. Další podstatnou vlastností je nezvávislost na konkrétním operačním systému (zkompilované 7 Internet Group Management Protocol - protokol pro řízení členství v multicastových skupinách 14
Obrázek 1.3: Aplikace VLC (verze 1.1.4.1, OS LINUX) (zdroj: autor) podoby jsou dostupné pro Windows, Mac OS X, Syllable, ios, Linux). V neposlední řadě za zmíňku stojí jednoduchost uživatelského rozhraní a prakticky kompletní implementace všech použitých protokolů či služeb. 1.2.4.2 Set-top-box Set-top-box je zařízení, které se připojí mezi sít ový kabel a televizní přijímač (ukázka možného vzhledu je na obrázcích 1.4 a 1.5). Za úkol má uzpůsobit signál z datového toku v počítačové síti na zpracovatelný signál televizním přijímačem. Forma předání informací mezi set-top-boxem a televizním přijímačem závisí na konkrétních vlastnostech jednotlivých zařízení - většinou lze zjednodušit na nalezení shodných dostupných konektorů. Obrázek 1.4: AMINO 110 (zdroj: [23]) Obrázek 1.5: Motorola VIP1920 (zdroj: [26]) Obvykle se k propojení používají rozhraní SCART, kompozitní vstup (CINCH), 15
YPbPr (CINCH), S-Video, HDMI, anténní vstup (RF). Konketory pro jednitlivé rozhraní se označují shodně s názvem rozhraní, případně byly v závorkách uvedy názvy. Většinu zmíněných konektorů lze vidět na obrázku 1.6. SCART CINCH HDMI S-Video Obrázek 1.6: konektory pro připojení set-top-boxů (zdroj: [9] upraveno autorem) Alternativním využitím set-top-boxů by mohlo být seskupení jednotlivých zařízení do kaskády. Jelikož jsou zařízení průchozí pro ostatní než své kanály, mohli bychom simulovat zdroj analogového signálu pro společné televizní antény (STA) v domech s větším množsvím bytů / přijímačů. pokud bychom zvolili vhodné kanály, které by se nepřekrývali (nerušili) s kanály používanými pro digitální vysílání, mohli bychom nechat dožít analogové televize bez nutnosti nákupu set-top-boxů. 1.3 Protokoly Pro potřeby této práce se nebudu zabývat obecnými protokoly používanými na síti, ale zmíním protokoly charakteristické pro použití šíření IPTV. Využití těchto protokolů předpokládá aplikované základní protokoly pro komunikaci na počítačové síti - TCP/IP. Jelikož pro šíření IPTV formou unicastu nejsou požadovány žádné speciální protokoly, zmíněné protokoly se zaměří na formu šíření pomocí multicastu. 1.3.1 IP - Internet Protocol Jedná se o protokol využívaný v počítačových sítích pro adresování komunikace. Jak je možné vidět na obrázku 1.7, IP hlavička obsahuje mimo jiné informace týkající odesílatele a příjemce dat. Aktuálně se používají dvě verze IP protokolu. Konkrétně se souběžně vyskytují verze 4 a 6. IP ve verzi 4 byl navržen tak prozřetelně, že obstál desetiletí vývoje služeb internetu. Důvodem zavádění nové verze je malý adresní prostor, kdy 32 bitová adresa 16
již nepokrývá potřeby internetu v rozsahu do jakého se rozrostl. Nově zaváděná verze počítá se 128 bitovými adresami. Obrázek 1.7: IP hlavička - IPv4. (zdroj: [27] upraveno autorem) Jelikož protokol řeší pouze otázku kam doručit a nikoli jak doručit, využívá se vždy v kombinaci s jedním z protokolů TCP (RFC793) nebo UDP (RFC768), které zabezpečují poskytnutí dalších informací potřebných pro zpracování dat přijatých z počítačové sítě. Díky využití těchto protokolů v páru je možné zpracovávat více nezávislých datových toků - například jsme schopni stahovat více souborů najednou. Bez těchto párových protokolů by příjemce nebyl schopen rozlišit ke kterému spojení náleží právě obdržená data. Znázornění spolupráce protokolů během přenosu dat je možno vidět na obrázku 1.8. Obrázek 1.8: Zapouzdření dat během přenosu v sítí TCP/IP. (zdroj: [27]) 17
1.3.2 RTP Protokol RTP (Realtime Transfer Protocol) definuje standardizovaný formát paketu pro přenos audio a video signálu skrz IP sít.[27] Jak dále zdroj uvádí, RTP se využívá ve spojení s RTCP (RTP Control Protocol). Zatímco RTP navazuje spojení na suděm portu a přenáší samotná data, RTCP naváže spojení na nejbližším vyšším (lichém) portu a slouží pro sledování přenosových statistik včetně QoS (Quality of Service). V rámci naší realizace nebudeme využívat RTP protokol, z důvodu kompatibility se zvolenými set-top-boxy. Protokol je využitelný jak pro unicast, tak pro multicast. 1.3.3 RTSP Protokol RTSP (Real Time Streaming Protocol) slouží pro kontrolu spojení pro účely přenosu audio/video signálu. Protokol je (na rozdíl od protokolu http) stavový pro navázané spojení. Skrze tento protokol mohou být na straně klienta dostupné video funkce typu play nebo pause, přičemž tyto příkazy se provádí ve spolupráci se serverem. Samotný přenos multimediálních dat probíhá obvykle skrze protokol RTP. Tento protokol se využívá při unicastovém šíření dat. 1.3.4 SAP Protokol SAP (Session Anouncement Protocol) se používá pro periodické oznamování multicastových streamů. Obsahuje název a multicastovou adresu oznamovaného programu. Dále obsahuje název skupiny a informace o zdroji dat. Název skupiny slouží pro orgranizování informací na straně klienta do složek v rámci playlistu. Vzhledem k opakujícímu se oznamování (cca 5-30 sekund) se jedná o mocný nástroj pro udržování aktuální nabídky programů na straně klientů. Pokud nějaký stream není opakovaně oznámen, klient je schopen neaktivní program stáhnout z nabídky. V rámci dokumentu RFC2974 [21] jsou definovány výchozí adresy, na kterých by mělo být toto oznamování vysíláno. Pro IP verze 4 se jedná o adresu 224.2.127.254. Pro IP verze 6 se jedná o adresy FF0x:0:0:0:0:0:2:7FFE, kde x je závislé na protoru vysílání (scope). 18
1.3.5 IGMP Protokol IGMP (Internet Group Management Protocol) rozšiřuje protokol IP a slouží ke správě členství v jednotlivých skupinách pro příjem multicastového vysílání obecně (tedy použití si najde uplatnění nejen v IPTV). Pomocí tohoto protokolu koncové stanice vyjadřují zájem či nezájem o konkrétní multicastová data, přičemž rozlišení dat probíhá na základě multicastových (skupinových) adres. Jelikož se využívá pro komunikaci mezi koncovými stanicemi a pro ně nejbližším routerem, je v rámci IP hlaviček nastaven parametr TTL na hodnotu 1 a také nastaven příznak IP Router Alert, čímž je zajištěno, že odeslaná informace skončí na nejbližším routeru a bude mu věnována patřičná pozornost routeru. Obrázek 1.9: Formát IGMPv2 (zdroj: [19] upraveno autorem) Na obrázku 1.9 je vidět formát IGMP paketu. Skupinová adresa odpovídá identifikaci skupiny dat (multicastová adresa). Význam pole Maximální čas odpovědi je předpokládám zřejmý. Pole Kontrolní součet je zde pro ověření správného doručení IGMP paketu. Poslední hodnota Typ může mít tři hodnoty: Membership Query (0x11) Dotaz na aktuálnost přihlášení do skupiny. Tímto typem paketu se ověřuje, zda má zařízení na určitém portu sít ového prvku stále zájem o příjem dat multicastové skupiny, do které se dříve přihlásil. Případně po odhlášení se ještě prvek ověřuje zda na daném portu není nějaký další klient se zájmem o příjem (například pokud by byl na daný port připojen switch bez funkce IGMP Snooping, kde by měl nějaký jiný klient stále zájem o tato data). Membership Report (0x16) Přihlášení k odběru dat multicastové skupiny. Leave Group (0x17) Odhlášení od multicastové skupiny. 19
Klient (koncový uživatel) požádá o příjem dat na konkrétní multicastové adrese - multicastové adresy odlišují jednotlivé obsahy. Tento požadavek je vyslán na switch, který ho přepošle na další prvek směrem k routeru. Je-li dalším prvkem switch, proces se opakuje. Jakmile tato žádost o členství ve skupině dorazí na router, router přiřadí daný port na seznam členů v konkrétní multicastové skupině. Podle tohoto seznamu duplikuje data na jednotlivé porty. Pokud má switch implementován IGMP Snooping, je schopen tento požadavek rozpoznat a vytvořit si vlastní tabulku pro samotnou distribuci. Tato skutečnost se projeví v nezatěžování uživatelů nechtěnými daty. Není-li funkce IGMP Snooping implementována (případně povolena) chová se prvek z pohledu multicastu spíše jako hub - multicastové vysílání posílá na všechny klienty, ne tedy pouze těm, kteří si o něj výslovně řekli (IGMP). Obě situace je možné vidět na obrázku 1.10. Obrázek 1.10: Vliv funkce IGMP Snooping na datový tok. (zdroj: autor) Zmíněná funkce IGMP Snooping se projevuje v agregování odpovědí. Po obdržení paketu typu Membership Query od routeru, rozešle prvek obdobný paket na všechny porty. Odpověd ovšem nepřeposílá zpět na router, ale sám zpracovává po potřeby distribuce dat. Na router posílá pouze jednu odpověd, která odpovídá situaci zda někdo požaduje data na které byl zaslán dotaz či nikoli. Na druhou stranu, pokud obdrží paket typu Membership Report (případně Leave Group), nejdříve zaznamená danou změnu do své tabulky a pouze v případě kdy se jedná o prvního zájemce (nebo posledního v případě odhlášení) posílá paket daného typu dále na router. 20
1.3.6 PIM V rámci distribuce (směrování) multicastu mezi routery se využívá rodina protokolů PIM (Protocol Independent Multicast). Nejpoužívanějšími variantami jsou PIM-SM (Sparse Mode) a PIM-DM (Dense Mode). PIM-DM Hustý PIM se využívá převážně na sitích s menším množstvím routerů. Při zahájení nového multicastového vysílání první router (routera), který obdrží data rozešle multicast na všechny porty. Další router (routerb) na větvi sítě, která nemá zájem o příjem daných dat, projeví nezájem o daná data - Prune. Dá se říci, že v první moment, se data vnucují okolí. Pokud z daného portu (od routerb) nepříjde zmíněná zpráva, routera nadále posílá data. Obdrží-li routerb požadavek od klienta na příjem daného multicastu, routerb zašle informaci na routera, že má nově zájem o daná data - Graft. PIM-SM Využívá se převážně na rozsáhlejších sítích, ve smyslu členitosti - počtu routerů. Na rozdíl od PIM-DM, dochází pouze k nabízení dat, nikoli k jejich vnucování. Je definován Randezvous Point (RP), který je pojítkem mezi zdrojem signálu a příjemcem. Každý nový požadavek na příjem dat (router obdrží využitím IGMP) je vyřízen proti RP. Po sestavení cesty se již optimalizuje datová trasa, takže ve finále datový tok nemusí jít přes RP, ale samotné sestavení spojení by v tomto případě nebylo bez RP možné. 1.4 Kvalita distribuce Kvalita IPTV služby je přímo úměrná stavu sítě - propustnost, zatížení... Pokud bychom vysílali pomocí protokolu RTP (definován nad protokolem UDP), jednotlivé pakety by obsahovali dodatečné informace pro datový tok. Distribuci realizujeme pomocí UDP z důvodu kompatibility set-top-boxů. V rámci implementace nebyl problém s kvalitou datových cest, nebylo tedy nutné řešit otázku zvláštního nastavení sítě pro upřednostnění distribuce IPTV. Obecně mohou nastat komplikace během : 21
přenos datovou sítí zpravidla kostičkování, nebo lupání ve zvuku (blíže další tabulky) zpracování na straně set-top-boxu špatné zpracování přijatého signálu - např. chybně implementovaný kodek zvuku nebo videa přenos obrazu ze set-top-boxu do televize kvalita může být výrazně snížena špatným kabelem, který přenáší již zpětně odbavený signál pro zobrazení zobrazení na televizi samozřejmě i reproduktory či obrazovka jsou jen zařízení, které se monou porouchat Ve spojení se zvukem mohou nastat dva typy problémů: není synchronní zvuk s obrazem absence informace týkající se synchronizace není vysílána (trvalý stav) došlo ke ztrátě / zpoždění dat během přenostu (nahodilý jev) zvuk šumí, slyšíme lupnutí ztráta / zpoždění paketů obsahující zvuková data Ve spojení s obrazem mohou nastat tyto problémy: kostičkovaný obraz neni dostatečný datový tok případně došlo ke ztrátě části dat během přenosu trhání obrazu nebo jeho zamrznutí nedostatečný datový tok chybný systémový čas (např. během sychnronizace času PC) ztráta synchronizace obrazu - data nedorazila včas pro zpracování videa 22
žádný obraz ztráta spojení se serverem, nebo server přestal vysílat rozostření obrazu, šum v obraze chyba kodéru (zdroj signálu), nebo dekodéru (set-top-box / SW) 23
Kapitola 2 Architektura řešení Obrázek 2.1: Realizované řešení. (zdroj: autor) 2.1 Zdroj signálu V rámci řešení se získává odbavený digitální signál skrze pozemní a satelitní vysílání. Pro pozemní vysílání jsou využity 2 antény. Jedna je směrována na vysílač Praha- Cukrák (LON: 14 21 21 LAT: 49 56 12) a druhá je směrována na vysílač Praha-město (LON: 14 27 04 LAT: 50 04 52). Obě přijímají signál sití 1-3, přičemž druhá zmiňovaná přijímá i signál z vysílače Praha-Olšanská (O 2, kde vysílá sít 4). Pro satelitní příjem je využito 5 parabol o průměru 80cm s osminásobným konvertorem (LNB). 5,0 W - Atlantic Bird 3 některé francouzské nekódované kanály, např. France 2, France 3 Sat, France 5 13,0 E - Hot Bird 6, 8, 9 některé arabské, italské, nebo polské nekódované programy 24
19,2 E - Astra 1H, 1KR, 1L, 1M některé německé, polské, arabské, španělské, francouzské či anglické nekódované programy, zároveň zde ještě do konce září v plném rozsahu vysílala svou kódovanou nabídku společnost UPC (od 1. května oficiálně spustila své pakety na satelitu 0,8 W - Thor 5, 6) 23,5 E - Astra 3A, 3B, 1G, 1E některé holandské, české (ČT 24 a Z 1 - Paket skylink/cslink, TV Óčko, TV Noe), slovenské (TA 3 - paket skylink/cslink), německé, lucemburské nekódované programy, zároveň na této pozici vysílá svou kódovanou nabídku společnost skylink, nebo cslink Družice Astra 1G přestala poslední signál šířit dne 22.června 2010 (vysílání přesunuto na novou družici Astra 3B). Družice Astra 1E přestala šířit signál o týden dříve. V době psaní práce se ovšem stále ještě nachází a naprázdno operují na dané pozici. 28,2 E - Eurobird 1, Astra 2A, 2B, 2D některé anglické nekódované programy Na obrázku 2.2 je vidět instalace pěti parabol a jedné terestriální antény. Obrázek 2.2: Umístění parabol (zdroj: autor) 25
2.2 Svod signálu Zachycený signál musíme doručit až ke vstupům do zařízení zpracovávajících signál, které provede nezbytné úpravy pro potřeby doručení signálu. K tomuto účelu se využívá 42 koaxiálních kabelů. Jelikož je velmi nepraktické zakončovat koaxiální svody přímo na vstupech zařízení je vložen meziprvek, kterým je patch panel (obrázek 2.3), kde jsou koaxiální kabely zakončeny F konektory. V rámci patch panelu jsou umístěny spojky tak, aby se pro připojení jednotlivých vstupů na zařízení daly využít standardní patch kabely, které jsou běžně dostupné. V celé délce svodu se nenachází žádný slučovač ani rozbočovač signálu, každý výstup z konvertoru / antény je sveden přímo na patch panel. Vzhledem k pokrytí českých programů z terestriálního vysílání, se ukázalo nezbytné použít rozbočovač signálu pro svod od terestriální antény, ten byl umístěn až k serverům, nicméně mohl by se nacházet i před patch panelem. Obrázek 2.3: Patch panel pro anténní svody (zdroj: autor) 2.3 Zpracování signálu Pro zpracování přijatého digitálního vysílání a jeho odesílání do sítě se využívá počítač setavený z běžně dostupných dílů (tabulka 3.1). Při volbě operačního systému, byl zohledněn aspekt nákladů, proto byl nasazen operační systém Linux. Pro své požadavky na velikost pevného disku byla zvolena distribuce Slackware. 26
Vzhledem k použitým prvkům v počítačové sítí (viz Doručení k uživatelům) a jejich HW podpoře pro multicast přes IPv4 byla zvolena forma šíření právě využitím multicastu na IPv4. Samotné odbavení je realizováno využitím aplikace MUMUDVB, která nejen zpracuje signál digitálního vysílání pro potřeby vysílání IPTV, ale zároveň odesílá do sítě oznámění o vysílaných programech (SAP Announcement). Pro potřeby set-top-boxů je na jednom počítači zprovozněn webový server pro poskytování konfigurace programů a nabidek uživatelům. Konfigurace programů v tomto kontextu představuje přiřazení rychlých voleb jednotlivým programům - 1 odpovídá ČT 1, 2 odpovídá ČT 2... 2.4 Doručení k uživatelům Každý server je připojen linkou 1Gbps do routeru ge-stream. Tento prvek se stará o další distribuci signálu. Pokud by nikdo neměl zájem o žádný program, tento prvek by dále nic nevysílal. Obrázek 2.4: Schéma sít ového zapojení (zdroj: autor) Z pohledu sítě (obr. 2.4) je prvek zapojen pomoci etherchannel 1 2x1Gbps do gejmb0. Odtud je dostupná konektivita 1Gbps pro areál jižního města, případně kolejí Blanice a Vlatava. Dále je zde 10Gbps spoj do ca65sb a 1Gbps do ca65rb, přičemž oba prvky jsou v areálu na žižkově. Odtud jsou již další lokality připojeny rychlostí 1Gbps, 1 technologie pro agregaci fyzických linek pro zvýšení propustnosti 27
výjimkou jsou lokality Třebešín a Točná, které jsou připojeny bezdrátovou technologii s nižší propustností (nicméně pro souběžné sledování omezeného počtu programů dostačující). Pro většinu koncových klientů platí, že jsou připojeny do prvku 3com 4500 (obr. 2.5). Tento prvek má inplementovaný IGMP Snooping a tudíž zpracovává IGMP požadavky na odběry multicastu. Se serverem dále komunikuje agregovanými statuty IGMP paketů - nepřeposílá každý jeden od uživatele. Obrázek 2.5: Switch 3com 4500 (zdroj: [2]) 28
Kapitola 3 Volba SW/HW 3.1 Komponenty serveru Pro volbu správných komponent serveru je nezbytné zvážit několik okolností. Kritéria lze rozdělit podle částí které ovlivňují: CPU Volbu vhodného CPU ovlivňuje skutečnost, zda uvažujeme o softwarovém dekódování, tedy zpracování programů s podmíněným přístupem, který by nebyl řešen pomocí CAM modulů (hardwarová akcelerace zpracování podmíněného přístupu). HDD Otázka archivace programů ovlivňuje velikost zvoleného pamět ového zařízení, neuvažujeme-li o archivaci, postačí nám prostor okolo 2 GB (v případě nouze by se dalo vyjít i s menší kapacitou - pro funkční operační systém by stačilo i několik desítek MB). V rámci našeho řešení použijeme 2GB CompactFlash kartu s redukcí na SATA. RAM Náročnost na operační pamět není nijak výrazná. Pro pouhé přeposílání nám bohatě postačuje pamět okolo 256 MB (stačila by i měnší, ale vzhledem k nabídce na trhu by se již těžko sháněla... ). Nicméně vzhledem k cenám pamět ových modulů můžeme použít 2GB modul a 1GB bez jakýchkoli problémů vyčlenit na RAM disk - přímo se nabízí pro využití jako pracovní složky, vzhledem k závislosti na napájení není vhodné pro ukládaní logů. CD-ROM Pro běžný chod serveru není potřeba, nemusí být součástí sestavy. Pro instalaci lze použít externí CD-ROM mechaniku, flash disk, popřípadě načtení systému po síti - 29
PXE boot. zdroj signálu Tato kapitola závisí na datech, které se rozhodneme vysílat. Uvažujeme-li o vysílání digitálního televizního signálu, musíme zvážit vhodné DVB zařízení. Příklad karet dostupných v České republice můžeme najít v kapitolách 3.1.1 DVB-T (pozemní vysílání) a 3.1.2 DVB-S (satelitní vysílání). počítačová skříň - CASE Volba case je závislá na požadovaném umístění připravovaného serveru. Umístění do 19 racku : 1 U 1 PCI karta s úhlovou redukcí možnost připojení DVB zařízení přes USB 1,5 U 2 PCI karty s dvojitou úhlovou redukcí možnost připojení DVB zařízení přes USB 3 U dostatek místa pro umístění PCI karet přímo do základní desky možnost připojení DVB zařízení přes USB Obrázek 3.1: Skříň Eurocase IPC 4U-500 server case 19 (zdroj: [1]) Pokud se spokojíme pouze s USB kartami, můžeme použít i embeded PC (např. ALIX 1 ), nebo můžeme použít i některé typy přístupových bodů pro WiFi, Router- 1 produkt firmy PC Engines - www.pcengines.ch 30