ас. маг. инж. Владимир Димитров Димитров

Изследване пренасянето на телевизионен сигнал чрез интернет протокол

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

на дисертация за придобиване на образователна и научна степен „доктор”

по научна специалност „Компютърни системи, комплекси и мрежи”

Научни ръководители: Рецензенти: . . . . . . . . . . . . . . . . доц. д-р инж. Петко Стоянов Стоянов доц. д-р инж. Николай Ганев Николов

доц. д-р инж. Георги Атанасов Найденов проф. д-р инж. Иван Крумов Куртев

София, 2016 г.

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – СОФИЯ Факултет по Компютърни системи и управление

Катедра „Компютърни системи”

Дисертационният труд се състои от увод, четири (4) глави, аспекти на бъдещи разработки и едно приложение. Текстът е написан на 142 страници, съдържа 103 фигури и 21 таблици. Списъкът на използваната литература включва 113 източника. Номерата на използваните в автореферата фигури и таблици съвпадат с тези от дисертацията.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита на заседание на катедра „Компютърни системи” към ФКСУ при Технически университет – София, състояло се на 25.04.2016 г. Дисертантът работи като асистент в същата катедра.

Защитата ще се състои на 19.09.2016 г. от 15:00 ч. в Технически университет – София, Конферентна зала на БИЦ.

Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на ФКСУ, каб. 1443А на ТУ – София.

Автор: ас. маг. инж. Владимир Димитров Димитров

Заглавие: Изследване пренасянето на телевизионен сигнал чрез интернет протокол

Тираж: 30 бр.

Печатна база на ТУ – София

1

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Актуалност на проблема IPTV е технология за разпространение на цифрови телевизионни услуги,

свързани с доставка на телевизионен сигнал с гарантирано качество, чрез използването на IP базирани широколентови комуникационни мрежи.

Телевизионните услуги, базирани на IPTV се появяват за първи път в края на миналия век и от тогава IPTV услугата е с нарастващо разпространение сред телевизионните и/или интернет доставчици.

Днес IPTV се налага като една от най-перспективните технологии за разпространение на мултимедийно съдържание, предоставяйки множество предимства в сравнение със съвременната кабелна телевизия.

За пълноценното й реализиране обаче е необходимо в мрежите да се приложат различни методи и средства за подобряване качество на обслужване (QoS).

Цел и задачи на изследването Дисертационната работа е посветена на изследване на уникаст и

мултикаст разпространение на телевизионен сигнал чрез интернет протокол, с цел прилагане на методи и средства за подобряване качеството на обслужване (QoS).

Във връзка с основната цел са формулирани следните задачи: 1. Да се осъществи изследване на основните параметри на мрежовия

трафик при уникаст разпространение на видео съдържание със стандартна и висока резолюция за различни типове IPTV системи.

2. Да се осъществи изследване на основните параметри на мрежовия трафик при мултикаст разпространение на видео съдържание.

3. Да се приложат методи и средства за подобряване качеството на обслужване (QoS) при мултикаст разпространение на видео съдържание.

4. Да се проектира и реализира мултимедиен IPTV плейър с разширена функционалност.

Апробация на резултатите от дисертацията Основните резултати от дисертационния труд са докладвани и

публикувани в: - ХIХ Национална конференция с международно участие “ТЕЛЕКОМ

2011”, 13-14 октомври 2011, София;

2

- ХХ Юбилейна национална конференция с международно участие “ТЕЛЕКОМ 2012”, 18-19 октомври 2012, София;

- 7th International Scientific Conference Computer Science’2015, 08-10 September 2015, Durres, Albania;

- Списание „Фундаментални науки и приложения”, Издание на Технически университет – София, Филиал Пловдив;

- Списание „Компютърни науки и технологии”. Издание на Факултета по изчислителна техника и автоматизация при Технически университет – Варна;

- Journal “Computer & Communications Еngineering”. Издание на Катедра „Компютърни системи“ при Технически университет – София.

Внедряване на резултатите

Резултатите от дисертационния труд са внедрени в следния проект:

Научноизследователски проект в помощ на докторант 122ПД0021-09 на тема „Изследване качеството на обслужване (QoS) при пренасяне на телевизионен сигнал чрез интернет протокол (IP)” с ръководител доц. д-р инж. Петко Стоянов Стоянов.

Обем на дисертационния труд Дисертационният труд е с обем 142 страници съдържа Списък на фигурите,

Списък на таблиците, Увод, Четири (4) глави, Аспекти на бъдещи разработки, Приноси, Списък с публикации, Списък на използваните съкращения, Използвана литература, Внедряване на резултатите и Приложение.

Първа глава: Анализира разпространението на IPTV услугата в световен и национален мащаб. Прави се преглед на използваните технологии за изграждане на IPTV мрежа. Разглеждат се подходите за предаване на IPTV съдържание.

Във Втора глава се изследват основните параметри на мрежовия трафик при уникаст разпространение на видео съдържание със стандартна и висока резолюция за различни типове IPTV системи. Системите се базират на най-разпространените платформи – Windows, Linux и Android.

В Трета глава са разработени симулационни модели за изследване качеството на обслужване (QoS) и са приложени методи и средства за подобряването му, като резултат от изследванията на основните параметри на мрежовия трафик при мултикаст разпространение на видео съдържание.

Четвърта глава е посветена на проектиране и реализиране на IPTV, VoD и радио плейър за Андроид устройства. Посочени са технологиите, нужни при изграждането, архитектура на приложението, основните използвани класове, както и тестове и работа със самото приложение.

3

4

КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Глава 1. Тенденции при потреблението на IPTV като услуга, технологии за изграждане на IPTV и подходи за предаване на IPTV съдържание

Изводи от Глава 1

Интернет доведе до сериозни трансформации в телеком индустрията като позволи на операторите да обновят и разширят пакета на предлаганите от тях услуги. По-големият капацитет на оптичните трасета дава предпоставки за развитие на IPTV технологията като я прави конкурент на традиционните платформи за разпространение на видео съдържание – кабелни и сателитни. Тя е технология, която предлага по-гъвкаво управление на съдържанието и възможности за директно взаимодействие с източници на съдържание, подобряване на обратната връзка и бъдещо планиране. IPTV притежава DRM (Digital Rights Management) защита на съдържанието и излъчването и абонатите винаги използват услуга с постоянно качество. Със световната тенденция в законите за защита на личните данни, цялата информация, изпратена и получена от клиента трябва да бъде защитена от трети страни, които се опитват да я прихванат.

Бъдещите предпоставки са за изместване на кабелната телевизия във вида, в който съществува. IPTV е най-перспективният метод за разпространение на мултимедийно съдържание. IPTV технологията предоставя повече възможности и приложения в сравнение със съвременната кабелна телевизия.

Доставянето на видео сигнал, който е сравним или по-добър от видео сигнала, предоставян от съществуващите платени телевизионни доставчици е една от основните предпоставки за предлагането на IPTV услуги. За достигането на такова ниво на гледане от един доставчик е необходимо в IPTV мрежата да се гарантира качеството на обслужване, чрез поддържането на QoS система. Внедряването й осигурява преживявания с високо качество за клиента.

В България тепърва предстои голямото развитие на IPTV, каквото има например в Западна Европа. У нас има и добри предпоставки за развитие на услугата, защото голяма част от мрежите за абонатен

5

достъп на доставчиците са изградени по стандарта Ethernet, който предоставя свързаност от 100 Mbps. Други технологии, които все по-често се използват за достъп от абонатите са тип FTTx (Fiber to the Curb, Building, Home). Това са технологии с висок капацитет, какъвто именно е нужен за пълното разгръщане на възможностите, които предоставя услугата IPTV.

ГЛАВА 2. Изследване на основни параметри на мрежовия трафик при уникаст IPTV разпространение

Същността на изследването е анализ на основните параметри на мрежовия трафик при на уникаст разпространение на видео със стандартна (SD) и висока резолюция (HD) при различни настройки на параметрите на медийния енкодер.

Целта е да бъдат определени оптимални стойности за компресия на съдържанието, при запазване на приемливо качество на получаваната картина.

Опитната постановка е базирана на Windows Server IPTV система. За изграждането на IPTV система чрез Windows Server са използвани

следните софтуерни продукти: VMWare Workstation, Windows Server 2003, Windows Media Platform, Windows Media Player, Windows Media Encoder и Windows 7. Като първа стъпка е инсталирана виртуална машина VMWare Workstation с Windows Server 2003 под Windows 7. След това са инсталирани Windows Media Player, Windows Media Platform, Windows Media Encoder на виртуалната машина, а горепосоченото съдържание на Microsoft Windows платформата изгражда една IPTV система.

Чрез използване на възможностите на платформата е конфигурирана IPTV система, излъчено е мултимедийно съдържание по мрежата и е анализиран предавания трафик.

За целта се използва девета версия на Windows Media платформата (Windows Media Encoder, Windows Media Services и Windows Media Player). Получените резултати се основават на настройките на системата. Може да се постигнат по-добри резултати при използване на хардуерни устройства като енкодери и декодери. 2.3.4 Експериментални изследвания, настройки и резултати

SD видеото притежава следните характеристики: - Видео-резолюция 512 х 384, максимална битова скорост (total bit rate) 1287

kbps, 23fps; -Аудио- битова скорост 121 kbps, 2 канала (stereo), скорост на семплиране 48 kHz.

6

HD видеото притежава следните характеристики: - Видео-резолюция 1280 х 720, максимална битова скорост (total bit rate) 1381 kbps, 24fps; -Аудио- битова скорост 330 kbps, 2 канала (stereo), скорост на семплиране 48 kHz.

Получените опитни данни са обобщени в таблици 2.1, 2.2, 2.3 и 2.4. Табл. 2. 1 – SD Аудио

Аудио вход Аудио изход Комбинирана битова скорост Sampling rate 48 kHZ Sampling rate 48 kHZ Max. bit rate 937.02 kbps

Channels 2 Channels 2 Current bit rate 908.44 kbps Samples dropped 0 Max. bit rate 128.02 kbps Avg. bit rate 917.00 kbps

Current bit rate 128.02 kbps Avg. bit rate 128.02 kbps

Табл. 2. 2 – HD Аудио

Аудио вход Аудио изход Комбинирана битова скорост Sampling rate 48 kHz Sampling rate 48 kHz Max. bit rate 1518.02 kbps

Channels 2 Channels 2 Current bit rate 1459.62 kbps Samples dropped 0 Max. bit rate 128.02 kbps Avg. bit rate 1405.77 kbps

Current bit rate 128.02 kbps Avg. bit rate 128.02 kbps

Табл. 2. 3 – SD Видео

Видео вход Видео изход width & height 512 x 384 width & height 512 x 384 Max. bit rate 800.00 kbps

Max. fps 23.98

Max. fps 23.00 Current bit rate 780.42 kbps

Current fps 24.00 Current fps 24.02 Avg. bit rate 788.99 kbps Total frames 33956 Total frames 21.61 Pre-comp drop 0

Frames dropped 0 Frames dropped 0 In-comp drop 0 Post-comp drop 0

Табл. 2. 4 – HD Видео Видео вход Видео изход

width & height 1280x720 width & height 1280x720 Max. bit rate 1381.00 kbps Max. fps 23.98 Max. fps 23.98 Current bit rate 1331.61 kbps

Current fps 13.00 Current fps 14.46 Avg. bit rate 1277.75 kbps Total frames 5277 Total frames 14.46 Pre-comp drop 0

Frames dropped 0 Frames dropped 43 In-comp drop 43 Post-comp drop 0

7

Анализът на получените експериментални данни при уникаст разпространение на видео със стандартна резолюция позволява да бъдат формулирани следните изводи:

при предаване на видео сигнал, средната битова скорост достига 789 kbps, при ограничение от страна на енкодера 800 kbps;

липсата на загуби показва, че ограничението от 800 kbps е допустимо;

средната битова скорост за комбиниран аудио / видео сигнал достига 917 kbps;

не се налага въвеждане на ограничение в изходящия дебит на енкодера.

Анализът на получените експериментални данни при уникаст разпространение на видео със висока резолюция (HD) позволява да бъдат формулирани следните изводи:

при предаване на видео сигнал, средната битова скорост достига 1278 kbps, при ограничение от страна на енкодера 1200 kbps;

констатирани са загуби в размер на 43 кадъра; средната битова скорост за комбиниран аудио / видео сигнал

достига 1406 kbps; налага се въвеждане на ограничение в изходящия дебит на енкодера

до 1300 kbps с цел избягване на загубите при предаване. 2.4 Изграждане на IPTV система чрез Tvheadend. Описание на компонентите

Същността на изследването е анализ на основните параметри на мрежовия трафик при уникаст разпространение на видео със стандартна (SD) и висока резолюция (HD), като за източник на видео сигнала е използвана цифровата ефирна телевизия в България.

Целта е да бъдат определени зависимостите на количеството на предавания трафик и процесорното натоварване в предаващата система от броя на потребителите на системата.

Опитната постановка е базирана на Tvheadend IPTV система. Източникът на сигнал е изградената цифрова ефирна телевизия в

България. Мултиплексорите, които се използват са с честота 722 MHz и 626 MHz. Каналите на тези честоти са в MPEG-4 видео компресия и не се прекомпресират.

8

2.4.6 Настройки на системата При IPTV разпространение един тунер може да работи само с един

мултиплекс (честота). За всеки следващ мултиплекс е необходим и нов тунер. 2.4.7 Експериментални резултати 2.4.7.1 Изследване на мрежовия трафик и процесорно натоварване при разпространение на видео със стандартна резолюция

Основният проблем на уникаст разпространението е трафикът, който се генерира в локалната мрежа при гледане на TV.

Графичният интерфейс на Tvheadend предлага възможност за мониторинг на клиентските устройства, свързани към сървъра в реално време. Предоставя информация, както за броя на клиентите в мрежата, така и количеството трафик, което генерира всеки от тях в мрежата. За измерването са използвани, както данните от Tvheadend, така и информация от други софтуерни продукти, които отчитат цялостното натоварване на системата.

Основно е описано натоварването при 5 клиента, гледащи едновременно, а в табличен вид е представена промяната при намаляването на броя потребители от един до пет.

На фигура 2.10 е представена цялостната информация, която е налична от Tvheadend. Виждат се гледаните в момента канали, от кои IP адреси се гледа и количеството трафик, което генерира всеки отделен потребител при гледането на конкретния канал. Трафикът показан на фигура 2.10 е моментен. Той може да варира в определени граници.

Фиг. 2. 1 – Tvheadend – трафик при 5 клиента На фигура 2.11 се виждат графично промените в натоварването на мрежата

по време на гледане. Измерването е направено при същите 5 клиента показани на фигура 2.10. Измерването е извършено с помощта на вградения в Kubuntu инструмент за измерване на трафик в мрежата.

9

Фиг. 2. 2 – Kubuntu – трафик при 5 клиента Следва измерване на натоварването на централния процесор, което

генерира Tvheadend при едновременно гледане от 5 клиента. Моментното натоварване е показано на фигура 2.12. на същата фигура се вижда и количеството използвана RAM памет от Tvheadend.

Фиг. 2. 3 – Kubuntu – CPU натоварване Фигура 2.13 показва цялостен мониторинг на системата по време на

гледане. На нея е измерено натоварването на централния процесор от цялата система, не само от Tvheadend. Вижда се и заетата RAM памет по време на работа на сървъра.

Фиг. 2. 4 – Kubuntu – системен мониторинг

10

На следващите две фигури (фигура 2.14 и фигура 2.15) са представени графично промените в натоварването на централния процесор и трафика в мрежата при нарастването на клиентите от един до пет. Показаните резултати на фигура 2.14 са както за натоварването генерирано от Tvheadend, така и за цялата система. Натоварването е в проценти.

Трафикът показан на фигура 2.15 е взет от показанията на Tvheadend и е моментен. Целта е общо представяне промяната на трафика при нарастване броя на клиентите. В случая броят на потребителите нараства от 1 до 5 като всеки гледа различен ТВ канал.

Фиг. 2. 5 – Процесорно натоварване, %

Фиг. 2. 6 – Мрежово натоварване, kb/s

0

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5

TvHeadEnd CPULoad

System CPU Load

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

1 2 3 4 5

Network Load kb/s

Network Load kb/s

Потребители

%

Потребители

11

Анализът на получените експериментални данни при уникаст разпространение на видео със стандартна резолюция позволява да бъдат формулирани следните изводи:

констатира се силно влияние на броя потребителите в системата върху обема на генерирания трафик;

за локална мрежа със скорост на обмен от 100 Mbit/s граничната стойност на допустимия трафик се достига при брой потребители = 35

влиянието на броя потребители върху натоварването на процесора на системата е слабо изразено и няма съществено значение.

2.4.7.2 Сравнение между HD и SD канал Целта е да бъде определена разликата в количеството на генерирания

трафик при разпространение на видео със стандартна и с висока резолюция. Изследването е проведено за два клиента приемащи едновременно

каналите БНТ и БНТ HD. Разликата между трафика, генериран от БНТ и БНТ HD е представен и

схематично на фигура 2.17:

Фиг. 2. 7 – HD и SD канали Генерираният трафик в SD канала е около 2547 kbps, а при HD канала

около 3 пъти по- голям - 7809 kbps. 2.5 Изграждане на IPTV система чрез свободен за използване софтуер

Същността на изследването е изграждане и проверка на работоспособността на системата при уникаст разпространение на видео с

0100020003000400050006000700080009000

SD HD

Network Load kb/s

Network Load kb/s

12

висока резолюция (HD) при задаване на препоръчителни настройки на параметрите на мултимедийния плейър.

Опитната постановка е базирана на Андроид Mini PC и VLC Media Player. За източник на видео сигнала е използван файл от твърдия диск с

големина 4,36 GB, HD резолюция 1280x720 пиксела, 23.976 fps и аудио кодиране AC3 5.1. 2.5.3 Реализация на IPTV мрежа

На фиг. 2.18 е показан модела на мрежата:

Фиг. 2. 8 – Модел на домашна IPTV мрежа

Андроид Mini PC – представлява мини компютър с операционна система Андроид и модул за Wi-Fi връзка. Свързан е чрез HDMI кабел към телевизор с висока разделителна способност. За възпроизвеждане на мрежовия поток е инсталиран BSPlayer FREE за ОС Андроид. 2.5.4 Настройки и резултати

За излъчване на мултимедийно съдържание от основното меню на програмата VLC се избира Media => Stream. След това се отваря прозорец за избор на съдържание от различни източници – файл от локалния диск, файл от оптичното устройство, файл от мрежата или файл от записващо устройство (например уеб камера). В случая се използва файл от твърдия диск на компютъра с големина 4,36 GB и резолюция 1280x720 пиксела.

В менюто за избор на компресия на съдържанието (фиг. 2.21) е избран стандарта H.264.

13

Фиг. 2. 9 – Опции за компресиране на съдържанието

H. 264 стандартът е проектиран да доставя видео съдържание с високо качество при минимални скорости на пренос на данни и е един от най-мощни стандарти за компресиране, използвани при IPTV системи [16].

Следващото меню предоставя възможност за извеждане на кодирания поток към мрежата чрез различни протоколи (фиг. 2.22). В случая е избран протоколът HTTP. За да се улови сигнала трябва да е зададен точния адрес (URL) на потока.

Фиг. 2. 10 – Избор за извеждане на потока чрез различни мрежови протоколи

От страна на приемника за възпроизвеждане на поточната информация в BSPlayer се избира опцията за отваряне на URL и се изписва пълния адрес на източника: http://192.168.7.108:8080.

Резултатите от проведеното изследване може да бъдат обобщени по следния начин:

констатирана е работоспособност изградената система; VLC медия плейърът предоставя богат набор от кодеци за

компресиране на аудио и видео съдържанието, както и голям брой протоколи за последващо мрежово разпространение;

времето за първоначално зареждане на потока – около 5 sec e в рамките на допустимите стойности за подобен тип системи;

като основен недостатък на системата може да се посочи времето за превъртане на видео файла назад или напред, което е от порядъка на

14

25 секунди, което неколкократно превишава допустимите стойности за подобен тип системи.

Изводи от Глава 2 и насоки за продължаване на изследването Предложеното решение за IPTV система в началото на Глава 2 е

базирано на продуктите на Microsoft. От направените експерименти може да се направи извод, че използването на Windows Media Encoder предоставя широк набор от възможности за кодиране на аудио и видео съдържание. Това е важен показател тъй като работата в глобалната мрежа предполага свързаност с различни мрежи, предлагащи различни скорости. За работа с такива мрежи е необходима гъвкавост от страна на излъчващата система, изразяваща се във възможност за работа с различна степен на компресиране на предаваната информация с цел постигане на максимално възможно качество. От проведените експерименти се вижда, че скоростта на потока при излъчване на видео с висока резолюция е по-висока от тази за поток със стандартна резолюция. Това се дължи на подбраните параметри на енкодера, целящи запазване на приемливо качество на излъчваното съдържание при намаляване на изискванията към преносната среда. От резултатите може да се направи извода, че по-голямата част от трафика, генериран за IPTV се пада на видео съдържанието. На данните за аудиото се падат под 16% от общия поток. При последващо намаляване на скоростта на потока започва по-силно да се забелязва влошаване на качеството на картината. Като недостатък на системата може да се посочи, че Windows Media Server работи само с видео формат .wmv. При наличен файл в друг формат, същият трябва да бъде предварително конвертиран към .wmv с помощта на Windows Media Encoder.

Получените резултати в раздел 2.4.7.1 резултати потвърждават линейното нарастване на трафика, с нарастването на броя потребители на IPTV системата. Получените около 1.4 MB/s само при 5 клиента биха се превърнали в 14 MB/s в една реална IPTV мрежа. Генерираният немалък трафик прави уникаст разпространението неприложимо за голям брой клиенти. От друга страна сравнително по-лесното реализиране и поддържане на уникаст разпространението го прави един добър вариант за изграждане на IPTV в малки локални мрежи.

В раздел 2.5.3 се разглежда приложение на стандартен мултимедиен плейър за излъчване и приемане на поточно аудио и видео съдържание. Предложеният модел на IPTV система е базиран изцяло на свободен софтуер. Той може лесно и евтино да се реализира като се използват не толкова популярни възможности, които предоставят мултимедийните

15

плейъри. Също така осигурява съвместимост между различни операционни системи, устройства и плейъри. По този начин се разширява стандартният обхват от възможности на един такъв плейър.

На база на проведените в Глава 2 изследвания и с цел избягване недостатъците на уникаст разпространението при IPTV е необходимо изследванията да бъдат продължени чрез анализ на основните параметри на мрежовия трафик при мултикаст разпространение на видео съдържание. ГЛАВА 3. Изследване на основни параметри на мрежовия трафик при мултикаст IPTV разпространение Разработване на симулационни модели за изследване качеството на обслужване (QoS) при IPTV

Симулационна среда Riverbed Modeler Academic Edition 17.5 [45] За провеждане на симулациите е използвано приложението Riverbed

Modeler Academic Edition 17.5 (от 2012 г. това е новото име на OPNET IT Guru Academic).

Riverbed Modeler предоставя симулационна среда за моделиране и проектиране на комуникационни протоколи и мрежово оборудване. Дизайнерите на мрежови технологии, които използват Modeler намаляват необходимостта от използването на скъпи хардуерни прототипи.

Riverbed Modeler Academic Edition е ограничена функционално версия, която е предназначена за обучаващи се потребители, които искат да използват софтуер за симулация на мрежи. Riverbed Modeler Academic Edition включва инструменти за всички фази на обучение, включително проектирани модели, симулации, събиране на данни и анализ на данни. Modeler Academic Edition замества IT Guru Academic Edition като това е безплатно за всички потребители.

Симулациите в Modeler се управляват от представляващи реални устройства възли и връзки. Modeler предоставя среда, на която атрибутите на тези възли и връзки могат да бъдат конфигурирани и използвани като атрибути в симулацията, след което резултатите могат се анализират.

Всеки проект трябва да съдържа поне един сценарий. A сценарият може да се редактира в редактора на проекта, където подмрежи, възли, линкове, услуги и трафикът могат да бъдат включени за изследването в симулацията.

Някои от основни ограничения за версията са: Не поддържа специализирани модели за LTE, UMTS, WiMAX; Ограничен максимален брой възли (80), мобилни възли (20) и събития

(50 милиона) при симулация.

16

3.2 Симулация за подобряване работата на LAN чрез използване на IGMP Snooping

Същността на изследването е анализ на основните параметри на мрежовия трафик при мултикаст разпространение на видео.

Целта е да бъде извършено ограничаване на мрежовия трафик чрез селективно разпределяне на основния поток между отделните мултикаст групи.

Опитната постановка е базирана на IGMP Snooping конфигуриране на мрежовите комутатори.

IGMP Snooping е процес на слушане и метод за анализ на IGMP мрежов трафик разменян между клиентски компютър и маршрутизатор. На база на наученото от IGMP, комутаторите автоматично блокират разпространението на мултикаст пакети към клиенти, които не са заявили получаването им. IGMP е протокол използван от крайни компютри, за да се присъединят към дадена мултикаст група [54]. Ако комутаторът не поддържа IGMP snooping, то той изпраща мултикаст пакетите до всички, подобно на броудкаст пакетите.

Сценарият илюстрира функционалността на IGMP Snooping. В него са създадени три IPv4 мултикаст групи (видео конференции) и една уникаст връзка. На 3 (три) от комутаторите е активирана функционалността за IGMP Snooping и те са в състояние да предават пакети само към портовете, към които са свързани членове на отделните мултикаст групи. Също така има комутатор, при който тази функционалност е забранена. В този случай, той не е в състояние да знае на кои портове са свързани членовете на всяка група и просто залива с пакети всички портове, с изключение на този, от който ги е получил. 3.2.1 Конфигурация на мрежата

Мрежата се състои от три (3) департамента и една администрация. Има три (3) мултикаст групи (Video Conferences) с IP адреси 224.0.6.1, 224.0.6.2 и 224.0.6.3 и скорост на предаване ~84 kbps, ~28kbps и ~20 kbps от източник към получател. Получателите не изпращат нищо обратно към изпращачите. Има и един уникаст трафик (Video Conference) със скорост ~20kbps от Admin_Sender_3 към Dep2_Wkstn.

Admin_Sender_1 е изпращачът на трафик за първа и трета мултикаст група, докато Admin_Sender_2 е изпращачът на трафик за втората мултикаст група. В мрежата има 4 комутатори като на три (3) от тях (Admin_switch, Dep1_switch and Dep2_switch) е конфигуриран IGMP Snooping. За комутатор Dep3_Switch е забранен IGMP Snooping. Комутаторите на които е разрешен IGMP Snooping са в състояние "да слушат" за служебни IGMP Join & Leave

17

съобщения и да следят за членството в различните мултикаст групи. По този начин, когато получат пакет, който е предназначен до конкретна група, те знаят портовете, на които членовете на тази група са свързани и препращат пакетите само до тях. Така се спестява честотна лента. 3.2.2 Резултати:

На първата графика е показан трафикът от Admin_Sender_2 към Admin_switch (IGMP Snooping разрешен). Това е втората мултикаст група с приблизителен трафик ~28kbps. Изобразен е също и трафикът през Dep1_switch (IGMP Snooping разрешен), който получава Dep1_Receiver_1. Получателят е член единствено на втора мултикаст група и поради това не получава други пакети.

Фиг. 3. 1 – Трафик от Admin_Sender_2 към Admin_switch и от Dep1_switch към Dep1_Receiver

Следващата графика показва трафикът от Dep3_switch (IGMP Snooping забранен) към компютрите, свързани в неговата мрежа – Dep3_Receiver и Dep3_Wkstn. Първият е член едновременно на първа и втора мултикаст група. Сумарният им трафик е ~112kbps.

18

Фиг. 3. 2 – Трафик от Dep3_switch към Dep3_Receiver и от Dep3_switch към Dep3_Wkstn

Трафикът, който получава Dep3_Wkstn е показан също на графика. Той се припокрива с този на Dep3_Receiver.

Анализът на получените експериментални данни позволява да бъдат формулирани следните изводи:

при разрешен IGMP Snooping комутаторът предава пакети единствено към членовете на определените мултикаст групи;

в случая Dep1_switch следи членството в групите на всеки компютър в неговата мрежа и предава съответните пакети;

така Dep1_Receiver_1 получава пакети само от втората мултикаст група, към която е член, без да получава излишно пакети и от останалите групи в мрежата на комутатора;

IGMP Snooping функционалността при Dep3_switch е забранена, в резултат на което Dep3_Wkstn получава целия трафик, предназначен за мрежата на комутатора без да е член на никоя мултикаст група;

уникаст трафикът, който преминава през комутаторите не е засегнат от IGMP Snooping.

3.3 Симулация за подобряване работата на LAN чрез използване на RSVP Целта на симулацията е осъществяване на мултикаст разпространение на видео съдържание в мрежата.

19

Същността на изследването е анализ на изменението в закъсненията на предаваните пакети при мултикаст разпространение на видео при заделяне на честотна лента и буфер за изходящите интерфейси.

Опитната постановка е базирана на RSVP конфигуриране на мрежовите маршрутизатори.

RSVP е сигнален протокол използван от: - хост, за да изиска специфично качество на обслужване (QoS) от мрежата за конкретен поток от данни на приложение (application data stream) - маршрутизатори, за да доставят исканото качество на обслужване QoS до всички възли по пътя на потоците, както и поддържат предоставяната услуга [75].

Резервацията се прави на изходящия интерфейс за трафика. 3.3.2 Сценарий - RSVP е конфигуриран за хостове, използващи мултикаст приложения - 3 приемника получават трафик от един и същ изпращач - получателите изискват резервиране на трафика, който получават чрез RSVP - размерът на честотната лента е 140 000 bytes/sec, а големината на буфера 50 000 bytes, които са резервирани на изходящите интерфейси 3.3.3 Резултати:

На първата графика е показана големината на заделената честотна лента на изходящия интерфейс при Admin_Sender. Следват още 2 ключови мрежови компоненти – изходящите интерфейси на Backbone Router1 и Backbone Router2. Стойностите им се припокриват с тези на Admin_Sender.

Фиг. 3. 3 – Заделена честотна лента от RSVP

20

Втората графика показва заделената големина на буфера за същите. Отново стойностите се припокриват и остават непроменени.

Фиг. 3. 4 – Заделена големина на буфера от RSVP На следващата фигура в логаритмичен мащаб е показано изменението на

закъснението при предаване на пакетите за видеоконферентната връзка. Направено е сравнение на разглежданата мрежа с RSVP и същата мрежа, но без конфигуриран RSVP

Фиг. 3. 5 – Закъснение при мрежа с RSVP и мрежа без RSVP

21

Анализът на получените експериментални данни позволява да бъдат формулирани следните изводи:

използването на RSVP конфигуриране на мрежовите маршрутизатори при предаване на мултикаст пакети за видеоконферентна връзка води до намаляване закъснението на предаваните пакети;

стойностите на заделяните честотна лента и буфер при маршрутизаторите трябва да бъдат определяни според конкретните потребителски условия – натовареност на мрежата, желаното качеството на видео връзката, хардуерните особености на маршрутизаторите и други.

3.4 Симулация за подобряване работата на LAN чрез използване на CAR Целта на симулацията е осъществяване на видеоконферентна връзка между

двойка потребители. Същността на изследването е анализ на закъснението на пакетите от край

до край, чрез въвеждане на ограничения в пропускането им в зависимост от задаването на WFQ приоритети.

Опитната постановка е базирана на CAR конфигуриране на мрежовата защитна стена.

CAR е механизъм за регулиране на трафика, който дефинира трафичен “договор” в маршрутизирани мрежи. CAR може да класифицира трафика и да залага политики за третирането му, когато надвиши определена честотна лента [1].

CAR също може да се използва за задаване предимство на пакетите въз основа на приложение, входящ интерфейс и TOS [70]. Той позволява значителна гъвкавост при присвояване на предимство. 3.4.1 Конфигурация на мрежата

Мрежата се състои от уеб клиент/сървър и видео клиент/клиент. Едната подмрежа е 4Mb token ring, която представлява bottleneck.

Видео трафикът се нарежда на „опашката” при Защитната стена и там му се задава приоритет чрез използването на WFQ. Въпреки това забавянето на видеото зависи от HTTP трафика.

Сценарий "Забранен CAR": Всичкият трафик е със зададен приоритет "best effort".

Сценарий "Разрешен CAR": CAR е разрешен и конфигуриран по следния начин:

- Видео трафикът е настроен с TOS 5 - Http трафикът е ограничен до 50Kbps

22

WFQ заделя процент от изходящата честотна лента, равна на относителната „тежест” на всеки клас от трафика през периода на натоварването. Освен това видео трафикът притежава висока стойност (5) на TOS, а HTTP трафика ниска – 1. WFQ по този начин дава по-висок приоритет на видео трафика.

CAR може да бъде разрешен на входящите или изходящите интерфейси. 3.4.2 Резултати

На графиките е изобразена мрежата, при двата сценария – със забранен CAR и с конфигуриран CAR.

Фиг. 3. 6 – Осреднена пропускателна възможност от точка до точка при двете мрежи

В случая при мрежата със забранен CAR, HTTP трафикът достига около 150 Kbps.

С разрешен CAR в симулираната мрежа, HTTP трафикът е ограничен до 50 Kbps, което означава, че за видео трафика ще се освободи по-голяма честотна лента.

23

Фиг. 3. 7 – Осреднено закъснение от край до край на пакети при видео конференция

Анализът на получените експериментални данни позволява да бъдат формулирани следните изводи:

използването на CAR конфигуриране на мрежовата защитна стена при поражда съществена редукция на мрежовия трафик;

това води до намаляване на закъсненията на предаваните пакети от край до край при осъществяване на видеоконферентна връзка.

Изводи от Глава 3 и насоки за продължаване на изследването Ако в мрежата се разпространява IPTV трафик, най-добре би било той

да се обособи в отделен VLAN. По този начин ще може да се отдели от останалия трафик, по-лесно да се обработва от мрежовите устройства и би му се дал по-висок приоритет.

Чрез използването на IGMP Snooping в мрежата може да се спести от честотна лента. Например, ако абонатът на IPTV ползва пакет с 80 канала, то доставчикът няма да предава всички канали до абоната. Всеки ТВ канал ще е отделен мултикаст адрес, така до декодера ще се предава само трафикът за заявения канал.

RSVP се използва при трафик, който е чувствителен към закъснения (какъвто е този, предаван в реално време). Протоколът запазва ресурси (честотна лента и буфер), което води до намаляване на закъснението. Чрез мрежово планиране и телетрафични изчисления, употребата му в една IPTV мрежа би подобрила нейното качество на обслужване (QoS).

24

CAR е механизъм за регулиране на трафика, той може да го класифицира и да залага политики за третирането му, когато надвиши определена стойност.

На база на проведените в Глава 3 изследвания и с цел прилагане на методите и средствата за подобряване качеството на обслужване (QoS) при разпространението на IPTV, е необходимо изследванията да бъдат продължени към проектиране и реализиране на IPTV мултимедиен плейър. Освен за възпроизвеждане на IPTV съдържание, той трябва да е способен да възпроизвежда видео по заявка (VoD), както и интернет радио. ГЛАВА 4. IPTV, VoD и радио плейър за Андроид устройства 4.3.2. Основни класове използвани в приложението

Фиг. 4. 1 – Схема на основните използвани класове 4.3.3 Ресурси и ресурсни файлове В Андроид освен стандартните java файлове, място намират и обикновени бинарни файлове, наречени ресурсни. Андроид SDK компилира тези ресурсни файлове по време на построяването на цялото приложение. За да бъде използван един ресурс, той трябва да бъде правилно инсталиран в дървото от директории на проекта. Директорията, в която се намират тези файлове е “res/”. По време на компилация, Андроид SDK генерира символи за всеки един ресурс, така че да може да бъде извикан от кода на приложението. Дървовидната структура на мултимедийното приложението е следната:

25

-res/ -drawable/ -radio.png -radioicon.png -tv.png -vod.png … -layout/ -activity_main.xml -activity_playlist_finder.xml -activity_radioplayer.xml -activity_videoplayer.xml -add_item_prompt.xml -file_row_list_item.xml -fragment_main.xml -progress_bar.xml -row_list_item.xml -menu/ -add_item_to_playlist.xml -home.xml -main.xml -playlist_finder.xml -radio_player.xml -video_player.xml -values/ -color.xml -dimens.xml -strings.xml -styles.xml 4.4. Реализация, настройка, тестове и работа с приложението 4.4.1 Екрани и описание на приложението

На фигура 4.7 е изобразен първоначалният екран на приложението. По подразбиране е избран екранът, в който се съдържат телевизионните канали. Екраните “TV CHANNELS”, “VIDEO ON DEMAND” и “RADIO” представляват фрагменти, в които се съдържат потребителски плейлисти.

26

Фиг. 4. 2 – Начален екран на приложението Всеки един от екраните разполага със свой набор от менюта.

Възможностите, които предоставят са за добавяне на нов запис в плейлиста или вмъкване на плейлист файл във формат .m3u.

Потребителят има възможност да извършва няколко действия при стартиран телевизионен канал/видео до поискване:

Пускане и паузиране Прехвърляне на следващ канал от плейлиста (чрез бутона най-вдясно) Прехвърляне на предходен канал от плейлиста (чрез бутона най-вляво) На фигура 4.17 са изобразени всички налични бутони за управление.

Фиг. 4. 3 – Контролни бутони на видео плейъра

27

За допълнително удобство на потребителя са добавени и два допълнителни слайдъра от двете страни на екрана. Те контролират осветеността на екрана и силата на звука. По този начин не се налага прекъсване на гледането.

Слайдърът за контрол на звука се намира в дясната част на екрана. При усилване/намаляване на силата на звука, на екрана се изобразява контролно съобщение, което показва текущата сила на звука и максималната сила на звука.

Слайдърът за контрол на осветеността се намира в лявата част на екрана. Също както при слайдъра за контрол на звука, и тук се изобразява контролен текст върху екрана с текущата и максимална осветеност.

Изводи от Глава 4

Инсталацията на приложението е стандартна. APK файлът се записва върху паметта на телефона и се изпълнява. При инсталиране на приложението са необходими следните разрешения: Пълен достъп до мрежата (Full network access) Преглед на мрежовите връзки (View network connections) Преглед на безжичните връзки (View Wi-Fi connections) Предотвратяване „заспиването“ на телефона (Prevent phone from

sleeping)

Приложението е ориентирано към устройства с операционна система Android 4.x като минималната съвместимост е с Android 4.0 (Ice Cream Sandwich). При по-стари версии има вероятност от непредвидимо поведение на приложението.

Мултимедийният плейър е предназначен за възпроизвеждане на видео и аудио потоци от интернет като основа за IPTV, VoD и радио плейър. Има възможности за разширяване на спектъра от съвместими формати за аудио и видео потоци чрез интегриране на софтуерен кодек.

Аспекти на бъдещи разработки, произтичащи от дисертационния труд

Дисертационното изследване може да бъде доразвито в следните аспекти:

Използване на хардуерен енкодер за излъчване на IPTV; Използване на хардуерни декодери (STB) за приемане на IPTV; Прилагане на предложените методите и средствата за повишаване

качеството на обслужване (QoS) в мрежа на IPTV оператор.

28

Приноси

НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ:

1. Изследвани са основните параметри на мрежовия трафик при уникаст разпространение на видео съдържание със стандартна и висока резолюция, чрез IPTV системи базирани на най-разпространените платформи – Windows, Linux и Android.

2. Разработени са симулационни модели при мултикаст разпространение на видео съдържание за изследване на:

влиянието на VLANs върху времената за отговор на приложенията и закъснението на заявките между комутаторите;

изменението в закъсненията на предаваните пакети при RSVP конфигуриране на мрежовите маршрутизатори и при CAR конфигуриране на мрежовата защитна стена.

3. Предложени са методи и средства за подобряване качеството на обслужване (QoS) при мултикаст разпространение на видео съдържание

ПРИЛОЖНИ

4. Извършено е изследване и анализ на разпространението на IPTV услугата в световен и национален мащаб.

5. Проектиран и реализиран е мултимедиен IPTV плейър с разширена функционалност, с възможност за увеличаване поддържаните формати за аудио и видео потоци.

29

Списък с публикациите по дисертационния труд

1. Димитров, В., Анализ и тенденции за потреблението на услугата IPTV в световен и национален мащаб. ХIХ Национална конференция с международно участие “ТЕЛЕКОМ 2011”, 13-14 октомври 2011, София, стр. 97-101, ISSN 1314-2690

2. Димитров, В., П. Стоянов, Н. Николов, Механизми за осигуряване качеството на обслужване при IPTV. ХХ Юбилейна национална конференция с международно участие “ТЕЛЕКОМ 2012”, 18-19 октомври 2012, София, стр. 101-104, ISSN 1314-2690

3. Димитров, В., Приложимост на мултимедиен плейър за изграждане на домашна IPTV мрежа, Списание „Фундаментални науки и приложения”, том 19, книга 1, 2013, стр. 309-312, ISSN 1310-8271

4. Димитров, В., М. Игнатов, IPTV, VoD и радио плейър за ANDROID устройства, Списание „Компютърни науки и технологии”, бр. 1, 2014, стр. 33-40, ISSN 1312-3335

5. Димитров, В., Н. Стражакова, Изграждане на IPTV система чрез Windows Media® платформа, Списание „Фундаментални науки и приложения”, том 21, книга 1, 2015, стр. 221-224, ISSN 1310-8271

6. Dimitrov V., Nedylkov D., Development of IPTV system through Tvheadend®, 7th International Scientific Conference Computer Science’2015, 08-10 September 2015, Durres, Albania, pp. 13-18, ISBN 978-619-167-177-9

7. Dimitrov, V., Improving of Computer Network Performance by using Committed Access Rate, Journal “Computer & Communications Еngineering”, Vol. 9 No. 2/2015, pp. 24-26, ISSN 1314-2291

30

Annotation

Researching the distribution of a video content through Internet Protocol (IPTV)

IPTV is a technology for distribution of digital television services related to the

supply of TV signal quality assured through the use of IP-based broadband communications networks.

TV services based on IPTV appeared for the first time at the end of last century and since then IPTV service is increasingly deploying among television and / or Internet providers.

Today IPTV has established itself as one of the most promising technologies for the distribution of a multimedia content, providing many advantages over current cable TV.

For its full realization, however, it is necessary to implement various methods and means to improve Quality of Service (QoS) in the networks.

Dissertation work is devoted to the investigation of a unicast and multicast distribution of video content via Internet Protocol and to implement methods and means for improving the Quality of Service (QoS).

Chapter One: Analyze the subscriptions for IPTV services on a global and national scale. Takes stock of the technologies used to building an IPTV network. Discussed are also the approaches to streaming IPTV content.

In the second chapter are explored the basic parameters of network traffic when streaming unicast video content with standard-definition and high-definition resolution for different types of IPTV systems. The systems are based on the most popular platforms – Windows, Linux and Android.

In the third chapter are explored the basic parameters of network traffic when streaming multicast video content. Simulation models are developed for investigating the Quality of Service (QoS) and are applied methods and means for its improvement.

The fourth chapter is devoted to the design and implementation of a mobile application – an IPTV, VoD and radio player for Android devices. The technologies are indicated, needed for the programming of the application, the application architecture, basic classes used for the development and also approaches for testing and working with the App.