В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
IP-телевидением принято называть процесс многопрограммного вещания в соответствующей сети с помощью цифровых IP-технологий. При этом вещание является интерактивным и осуществляется с помощью передачи видеопакетов в Интернете по IP (Internet Protokol) – протоколу, определяющему форматы и способы пересылки либо коммутации пакетов данных. По сути этот процесс сводится к передаче ТВ-программ в виде потокового видео (Streaming Video) от IP-головной станции на ТВ-оборудование абонента в соответствии c сетевым цифровым четырехбайтным адресом, присвоенным согласно правилам IP и названным IP-адресом. Потоковое видео пересылается непрерывным потоком в виде последовательности IP-пакетов цифрового видео и принимается по мере того, как передается на абонентский терминал, без ожидания полной загрузки памяти файла для его просмотра.
Предшественником нынешнего варианта Интернета является сеть ARPANet, которая была создана в конце 60-х годов и проектировалась как часть технического задания оборонного заказа Пентагона как система связи между командными пунктами обороны США на случай ядерной войны. Суть заключалась в создании такой системы связи, которая бесперебойно функционировала бы некоторое время даже после выхода из строя отдельных узлов связи.
Первые версии Интернета 70-х, 80-х годов позволяли в рамках существующей сети, связывающей друг с другом несколько компьютеров, обмениваться по электронной почте информацией в виде файлов информации и сообщениями в виде новостей. В 1991 году разработчик Тим Бернес-Ли предложил новую концепцию обмена информацией с помощью компьютерной сети, названной Web, или WWW (Word Wide Web), или Всемирная паутина, или Интернет.
Информационные ресурсы Интернета в настоящее время разбиты на единицы – cайты, которые отличаются друг от друга тем, что каждый сайт имеет собственный индивидуальный адрес.
Технически сайты располагаются или содержатся в памяти мощных компьютеров, названных серверами. Географически серверы могут быть расположены где угодно и соединены между собой линиями связи.
Все запросы из некоторой точки доступа к сети на соединение с некоторым интернет-адресом осуществляются специализированными устройствами – компьютерами, названными маршрутизаторами, которые перераспределяют запросы между линиями связи, чтобы обеспечить их равномерную загрузку с целью сокращения времени прохождения информации. Передача данных по линии связи называется трафиком.
Трафиком может быть разнообразная информация – это и Web-страницы, и телефонный разговор, и т.д. Все договоренности о том, что и как передается, определяются протоколами передачи.
Для обменами в сети Web-документацией за основу логики шифрования взято понятие гипертекста; образцом гипертекста является текст, сопровождаемый пометками, устанавливающими смысловые связи между различными разделами информационного текста. Традиционно принято считать автором термина “гипертекст” нашего современника Теодора Нельсона.
Система гипертекста являлась основой и истоком современной системы электронных ссылок в компьютерных технологиях. Базовое понятие в этой логике было дано в начале ХХ века Ваневаром Бушем, который в своих работах, посвященных кибернетической теме взаимодействия человека и машины, ввел понятие “браузер” – система для просмотра текстово-графической информации, с возможностью введения взаимной связи элементов архивированной текстовой информации. Теперь браузер – это программа для просмотра Web-страниц. Самые распространенные браузеры – Internet Explorer, Google Chrome, Mozilla, Firefox, Яндекс, Рамблер и прочие.
Впоследствии эта система легла в основу логики диалоговой системы взаимодействия “человек – компьютер” под названием NLS (oN Line System), разработанной изобретателем компьютерной мыши Дугласом Энгельбартом.
Сегодняшние электронные системы гипертекста характеризуются большим удобством перехода по ссылкам и позволяют устанавливать связи между произвольными фрагментами текстов и их физическим местонахождением без видимой для пользователя нумерации.
Впоследствии логика гипертекста расширилась и на понятие гипертекста в изображении и звуке.
Тим Бернес-Ли разработал протокол сети Интернет для обмена Web-информацией, стандартной формой представления которого является гипертекст, названный HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста, предполагающий, что информация, передаваемая в сети, это Web-страницы в виде файлов, отображаемые в браузере. Протокол подходит также для передачи файлов других типов. Он является протоколом верхнего уровня и содержит договоренности о том, как представлять данные, чтобы принимающая программа в них разобралась и смогла верно отобразить Web-страницу. К этому уровню в иерархии Интернета относятся и протокол FTR (Fail Transfer Protocol) – протокол передачи файлов, обеспечивающий обмен файлами, и протокол POP 3/SMTP (Post Office Protocol 3) – протокол почтового отделения 3; и протокол Smile Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты.
Протоколы нижнего уровня, позволяющие доставлять информацию по сети Интернет, гарантированно сохраняют ее, это протоколы ТСР (Transmission Control Protocol) – протокол контроля передачи и IP (Internet Protocol) – интернет-протокол. Эти два протокола обеспечивают разбивку передаваемой информации на пакеты и затем отправку каждого пакета по произвольному маршруту, а потом их сборку в правильном порядке и без потерь. Часто их объединяют в одно название TCP/IP, впоследствии просто IP.
Пересылка осуществляется с адреса сервера – узла сети, на котором хранятся сайты, на конкретный компьютер пользователя по запросу. Сетевые адреса называются IP-адресами в действующем стандарте IPV4 и имеют размер 4 б. Нетрудно посчитать, что в этом стандарте может существовать Ν= 28 + 28 + 28 + 28 = 232 = 4 294 967 296 адресов.
Это означает, что каждый второй человек в мире может иметь свой IP-адрес и пользоваться услугами Интернет-сети. Однако со временем выяснилось, что этого количества адресов может не хватить для всех устройств, подключенных к Интернету, поэтому принят более современный стандарт IPv6, в котором адреса имеют 16-байтовый размер, что увеличивает адресное пространство в миллиарды раз, позволяя записать доменные имена на любом языке народов мира, и не только на английском, как принято сейчас.
Как правило, адрес – это уникальный номер каждого узла в сети, по которому его можно идентифицировать. Он записывается числом из четырех групп десятичных чисел номиналом от 0 до 255. Например: 189.17.211.24. Такой адрес имеет сервер, на котором располагаются сайты. Операция по расположению сайтов на сервере получило название “хостинг”, а сервер называется хостом.
Адреса бывают статические. Они остаются неизменными на протяжении всего времени работы узла. Такой адрес уникален и в пределах одой локальной сети может быть только у одного абонента.
Большинство провайдеров Интернета (Internet Service Provider) – организации, предоставляющая услуги доступа к Интернету, используют динамические IP-адреса. Чтобы сменить IP-адрес, можно просто отключиться от услуги и подключится вновь. Некоторые пользователи хотят сохранить анонимность присутствия в сети, чтоб обойти очередную блокировку. Для этого применяются сторонние ресурсы – анонимайзеры, выступающие посредником между пользователем и желаемым сайтом, используя свой IP-адрес. Существуют также специальные программы, используемые при расширении браузеров, выполняющие аналогичную функцию.
Мы ранее упоминали о доменных именах. Дело в том, что пользоваться цифровыми адресами не очень удобно, поэтому в так называемых LAN-сетях (Local Area Network – “сеть в локальной области”), которые строятся по протоколу Ethernet, была придумана система доменных имен – DNS (Domain Name System). Это и есть интернет-адреса типа google.ru, которому соответствует IP-адрес в цифровом варианте 172.217.16.195. Узнать IP-адрес любого доменного имени можно с DNS-серверов с помощью специальной программы. Доменные имена являются составными и включают в себя домены первого, второго, третьего и т.д. уровней, называемые зонами. Контролем над распределением доменных имен в мире занимается общественная организация ICANN. Домены первого уровня делятся на национальные зоны: GOV для США, RU для России, EU для объединенной Европы, UK для Великобритании, а также общественные зоны: COM для коммерческих организаций, EDV для университетов США и т.д. Регистрация доменных имен второго уровня во всех зонах производится по уведомительному принципу и свободному имени, за плату.
Одним из центральных моментов в IP-технологии является формирование IP-пакетов и отправка их по адресу. IP-пакет – это небольшой блок данных, структура и форма которых определена протоколом IP. Структура пакета выглядит как сообщение с заголовком и информационным содержанием. В стандарте IPv4 под заголовок выделяется 20 б. В порядке прочтения в заголовке содержится следующая информация:
В стандарте IPv6 запись протокола выглядит так: 2001:3db8:15a3:01d7; 1f34:8а8е:03аО:725d, то есть содержит восемь групп букв и чисел. Стандарт IPv6, кроме расширения адресов, обладает и другими превосходящими характеристиками. Увеличен, например, объем поддерживающего пакета до 4 Гбайт. Это актуально для высокоскоростных сетей. В новом стандарте устранено фрагментирование пакета. Он просто уничтожается. В заголовке пакета нет поля “Контрольная сумма”. Время жизни пакета в новой версии ограничено временем перехода от узла к узлу. Заголовок пакета увеличился до 40 б.
Итак, IP-вещание сводится к передаче ТВ-программ в виде потокового видео от головной станции на ТВ-оборудование абонента. Видеопоток означает передачу видеоинформации в режиме реального времени. Видеоинформация транслируется непрерывно потоком в виде последовательности сжатых пакетов в спецформате без требования полной загрузки файла, содержащего видеоданные. Начало просмотра связывается с моментом достаточной буферизации данных с их дальнейшим равномерным отображением. Все происходит в виде, очень похожем на традиционное телевещание с непрерывным отображением видеокадров.
Существуют два типа потокового видео Progressive Streaming: последовательный поток и Reale-Time Streaming – поток, проходящий в режиме реального времени.
Режим последовательного потока используется в основном при передаче коротких видеосюжетов и рекламы. При этом видеоинформация воспроизводится с носителя, на который до этого предварительно осуществляется запись. Качество изображения при передаче последовательным потоком всегда лучше, однако недостатком является невозможность просмотра по частям и существует вероятность переполнения приемного устройства.
При IP-вещании используется потоковое видео в реальном времени, которое удобно применять при трансляции длинных файлов. При этом трансляция предполагает наличие аудио/видеокодека, который сжимает аудио/видеопоток и передает его на специальный потоковый сервер (Streaming Server). Существуют две категории кодирования: немасштабируемое и масштабируемое. В связи с изменчивостью пропускной способности транспортной сети в процессе передачи используется в основном масштабируемое кодирование. Потоковой сервер хранит сжатый видеопоток и отправляет его абоненту по запросу. Помимо системы хранения он содержит операционную систему и транспортные протоколы. Кроме этого, потоковый сервер обеспечивает обработку информационного потока в кратчайшие сроки и функции интерактивного контроля над потоком, такие как “Пауза” и “Перемотка”. Передача пакетов потокового видео происходит по транспортной сети с использованием стандартных протоколов, обеспечивающих в сети транспортировку, сетевую адресацию и контроль за передачей.
У абонента существуют приложения, которые декодируют и воспроизводят видеопоток, обладая средствами контроля и управления. Важным фактором в процессе передачи потокового видео является наличие механизма синхронизации аудио- и видеосигналов.
Серьезное воздействие на качество потокового вещания оказывает стабильное соединение, так как изменение пропускной способности канала, задержка и потеря пакетов сильно влияют на сжатые видеопотоки. Они очень чувствительны к ошибкам передачи, до той степени, что поток может оборваться или даже может приостановиться передача.
Успешное развитие потокового информационного вещания в целом стало возможным после разработки стандарта сжатия MPEG-2. В настоящее время наиболее прогрессивным в этом смысле стал стандарт H.264/AVC. Полная аббревиатура формата пишется так: H.264/MPEG 4 Part.10. Advanced Video Coding. Данный стандарт является разработкой группы экспертов, входящих в комитет ITU-T. Он появился в 2003 году и является десятой частью стандарта сжатия MPEG 4. Название H.264 получено в результате разработки серии стандартов сжатия H.26х, оно подчеркивает преемственность от стандарта H.26L. Дополнение AVC возникло в результате разработок группы ISO/EIC, которая занималась разработкой предыдущего формата H.26L. Получившийся в результате стандарт H.264/AVC обеспечивает в два раза лучшее сжатие при низкой скорости передачи информации и работу в различных сетях от IP вещания до записи на DVD дисках, пригоден для передачи видео как обычной, так и высокой четкости.
Технология IP-вещания предполагает соответствующую цифровую обработку начального аналогового информационного потока с использованием технологий дискретизации, квантования и кодирования видеопотока аналогово-цифровым преобразованием (АЦП), сжатия (сокращения) и конечного преобразования с помощью схем преобразования цифрового сигнала в его аналоговый эквивалент (ЦАП). При этом обеспечивается передача цифрового видео по телеканалу в режиме онлайн.
Для просмотра потокового видео на устройствах ТВ-приема используется ТВ-приставка, или по нынешней терминологии STB (Set Top Box), – приставка, которая декодирует видеопоток и выводит его на экран соответствующего ТВ-устройства.
Если для абонентского приема используется компьютер, то для одновременного приема телепрограмм в одно время достаточно было иметь установленную программу Video LAN. Функции декодирования аудио- и видеоинформации выполняют программные средства самого компьютера.
Для понимания, почему IP-вещание является недешевым, но перспективным способом ТВ-вещания, нам следует вспомнить несколько основных прикладных физико-математических положений, объясняющих процесс формирования IP-потока и его приема-передачи.
Общая идея цифровизации процесса телевещания исходит из того, что цифровая обработка телеизображений в процессах их приема-передачи позволяет повысить качество телевизионной картинки в зоне уверенного приема телепрограмм, а также доставляет как вещателю, так и пользователю массу новых возможностей и услуг, в том числе позволяет вещателю организовать эффективную систему платного ТВ.
Цифровые системы телевидения, использующие мощные цифровые процессорные системы, обеспечивающие 109 операций в секунду, позволяют решить задачу эффективного сжатия ТВ-картинки и ее кодирования при аналогово-цифровых преобразованиях. Поэтапная цифровизация предполагает ее проведение от студийного оборудования и новых телеприемников, позволяющих воспроизводить цифровое изображение, до создания аналогово-цифровых приемо-передающих систем телевидения.
В настоящее время осуществляется создание полностью цифровых систем. Результаты этих работ привели к созданию разнообразных стандартов сжатия спектров сигналов ТВ-изображений. Это JPEG (Joint Photographie Experts Group), “объединенная группа экспертов в области фотографии”, – способ сжатия, при котором исключается информация, второстепенная для восприятия. Этим достигаются более высокие степени сжатия. Далее следует наиболее распространенный формат, используемый при IP-вещании – MPEG (Moving Pictures Experts Group) – “экспертная группа по движущимся изображениям” – международная группа, разрабатывающая стандарты сжатия и кодирования аудио- и видеоинформации. К стандартам этой группы относятся такие форматы, как MPEG-2, MPEG-4 и MPEG-7.
Мы еще вернемся к более подробному рассмотрению форматов сжатия, потому что это является камнем преткновения для IP-вещания и не только, так как появились техника и стандарты ТВЧ- и 3D-вещания, предъявляющие свои требования к стандартам сжатия.
Общим для всего изложенного является идея цифровизации телевещания. Это процесс, результатом которого, как мы отметили ранее, является повышение качества телевизионной картинки в зоне уверенного телевещания и организация эффективной системы платного ТВ.
О физико-математической основе цифровизации мы поговорим в следующих публикациях о IP-вещании.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2017
Посещений: 7424
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
