2.2.1 Cơ sở hạ tầng mạng IPTV
Hình 2.1 là sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV end-to-end.
Hình 2.1: Các thành phần của mạng IPTV
Trung tâm dữ liệu IPTV: Đƣợc biết đến nhƣ là “headend”, trung tâm dữ liệu IPTV tập hợp nội dung từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm video có sẵn, nội dung sƣu tầm, các nhà sản xuất chƣơng trình, các kênh mặt đất và kênh vệ tinh. Tại đây, các thành phần phần cứng khác nhau nhƣ bộ mã hóa, các máy chủ video, các router IP, các phần cứng bảo mật chuyên dụng sẽ đƣợc sử dụng để xử lý dữ liệu nội dung sao cho phù hợp với việc chuyển giao trên nền mạng IP. Ngoài ra còn có một hệ thống quản lý thuê bao để giám sát các thuê bao và tính cƣớc. Vị trí thực tế của trung tâm dữ liệu IPTV là tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịch vụ.
Trung tâm dữ liệu IPTV của nhà cung cấp (Headend) Mạng truy cập băng thông rộng Thiết bị khách hàng IPTV (IPTVCD) Mạng gia đình
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 43
Mạng truy cập băng rộng: Các dịch vụ IPTV đều yêu cầu kết nối điểm – điểm. Khi triển khai IPTV trên phạm vi rộng, số lƣợng các kết nối này tăng đáng kể và băng thông cần thiết cũng tăng cao. Ngày nay sự phát triển của các công nghệ mạng đã cho phép các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đáp ứng yêu cầu bằng cách sử dụng hạ tầng mạng quang và mạng cáp TV là lai ghép giữa cáp quang và cáp đồng trục.
Các thiết bị khách hàng: Các thiết bị phía ngƣời sử dụng là thành phần truy cập dịch vụ chủ yếu trong hệ thống IPTV. Các thiết bị này đƣợc kết nối tới mạng băng rộng và có nhiệm vụ giải mã, xử lý luồng dữ liệu video trên nền IP. Chúng hỗ trợ những công nghệ mới nhằm giảm tối đa hoặc loại bỏ hoàn toàn ảnh hƣởng của các sự cố xảy ra trên mạng trong quá trình xử lý dữ liệu IPTV. Hiện nay tính năng của các thiết bị khách hàng đang ngày càng đƣợc cải tiến nhằm đáp ứng các yêu cầu dịch vụ đa dạng. Các thiết bị phổ biến nhất có thể đƣợc kể đến là RG, IP set-top box, màn hình game và server đa phƣơng tiện.
Mạng gia đình: Mạng gia đình kết nối các thiết bị số trong một phạm vi địa lý nhỏ. Mục đích của mạng gia đình là cung cấp khả năng truy cập thông tin nhƣ giọng nói, âm thanh, dữ liệu và giải trí giữa các thiết bị số khác nhau trong nhà. Nó giúp nâng cao chất lƣợng truyền thông và cho phép các thành viên trong quy mô gia đình có thể cùng chia sẻ những tài nguyên mạng đắt tiền nhƣ các thiết bị ngoại vi hay kết nối Internet băng thông rộng.
2.2.2 Kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV
Mô hình kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV sẽ bao gồm các module cơ bản đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.2. Chức năng của các module đƣợc mô tả nhƣ sau:
Hệ thống cung cấp nguồn dữ liệu: Thu, nhận và xử lý các dữ liệu chƣơng
trình từ các nguồn khác nhau nhƣ vệ tinh, truyền hình mặt đất và các nguồn khác để chuyển sang hệ thống Headen.
Hệ thống Headend: Thu, điều chế và giải mã nội dung hình ảnh và âm thanh từ
các nguồn khác nhau và sử dụng các thiết bị mã hóa (encoder) để chuyển đổi nội dung này thành các luồng IP multicast ở khuôn dạng mã hóa mong muốn. Nội dung sau khi đƣợc xử lí sẽ đƣợc lƣu tại các server tƣơng ứng.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 44
Hệ thống Middleware: Có vai trò gắn kết một số thành phần logíc thành một
hệ thống phần mềm IPTV hoàn chỉnh hơn. Hệ thống Middleware cung cấp giao diện ngƣời sử dụng cho cả dịch vụ băng rộng và theo yêu cầu. Hệ thống này cũng đƣợc sử dụng nhƣ phần mềm liên kết để tích hợp các sản phẩm từ các nhà cung cấp khác nhau thành một mức ứng dụng.Middleware cung cấp khả năng quản lý thuê bao, nội dung và báo cáo hoàn chỉnh cùng với các chức năng quản lý EPG và STB, đồng thời vẫn duy trì tính mở cho việc tích hợp các dịch vụ trong tƣơng lai. Thông thƣờng, Middleware là một giao diện của hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV với ngƣời sử dụng với một só tính năng sau:
Xác định danh tính cho ngƣời dùng.
Hiển thị một danh sách các dịch vụ để lựa chọn.
Đảm bảo các hoạt động bên trong của dịch vụ một cách hoàn hảo.
Hỗ trợ API cho phép mở rộng các chức năng mới và truyền dữ liệu giữa các hệ thống.
Hình 2.2: Mô hình kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV
Hệ thống phân phối nội dung: Bao gồm các cụm máy chủ VoD và các hệ
thống quản lý VoD tƣơng ứng, cho phép lƣu trữ các nội dung đã đƣợc mã hóa và thiết lập các chính sách phân phối nội dung một cách mềm dẻo. Hệ thống này cũng cho phép nhà khai thác mở rộng một cách kinh tế, phù hợp với tải và yêu cầu dịch vụ của các thuê bao. Tại các server VoD sẽ lƣu nội
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 45 dung thực và cung cấp cho thuê bao khi nhận đƣợc xác thực danh tính từ middleware. Cho phép các thuê bao đặt và xem phim chất lƣợng cao và chƣơng trình theo yêu cầu. Đồng thời, có chức năng cung cấp chƣơng trình theo yêu cầu, phim chất lƣợng cao và điều khiển VCR: fast-forward, pause, rewind.
Hệ thống quản lý bản quyền (DRM): Có chức năng bảo vệ nội dung cho các
nhà khai thác: trộn tín hiệu truyền hình, mã hóa nội dung VoD khi đƣợc truyền trên mạng internet. Tích hợp với tính năng an ninh tại STB là bảo mật nội dung các khóa giải mã của thuê bao. Hỗ trợ thêm vào phân nội dung các chức năng thủ thuật trong khi xem (tua nhanh, tua lại…). Hệ thống DRM sẽ dựa trên các khái niệm của hệ thống cơ sở hạ tầng khóa công cộng (public Key Infrastructure, PKI). PKI dùng các thẻ kĩ thuật số X.509 để xác nhận mỗi thành tố trong hệ thống DRM đồng thời để mã hóa an toàn dữ liệu có dùng các khóa chung/ riêng.
Mạng truy nhập: Hạ tầng mạng IP băng rộng có khả năng truyền dịch vụ từ
nhà cung cấp dịch vụ IPTV đến khách hàng. Để thực hiện tốt chức năng này mạng truy nhập băng rộng B-RAS/MSS và DSLAM cần đƣợc hỗ trự multicast và các giao tiếp Ethernet chuẩn (FE, GE). Ngoài ra đối với DSLAM cần hỗ trợ thêm IGMPv2. Mạng cũng phải có khả năng hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối, đảm bảo đƣợc băng thông cần thiết và độ ƣu tiên cho các kênh truyền hình quảng bá, phiên video theo yêu cầu. Băng thông xDSL do các DSLAM cung cấp đến khách hàng phải có khả năng lên đến 10-15 Mbps.
Set-top Box (STB): Thiết bị đầu cuối phía khách hàng cho phép thu, giải mã và
hiển thị nội dung trên màn hình TV. STB cũng có thể hỗ trợ HDTV, có khả năng kết nối với các thiết bị lƣu trữ bên ngoài, video phone, truy nhập web ... nhằm cung cấp các ứng dụng truyền thông giải trí, hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị TV và mạng điện thoại cũng nhƣ internet và thƣ viện ảnh ảo của nhà cung cấp dịch vụ. Lƣu nội dung đƣợc yêu cầu cho phép đối tƣợng sử dụng xem vào thời gian bất kì.
Hệ thống quản lý mạng và tính cƣớc: Có chức năng quản lí và tính cƣớc truy
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 46
2.2.3 Phƣơng pháp truyền nội dung IPTV
Có ba phƣơng pháp truyền nội dung IPTV đó là: truyền unicast, truyền broadcast và truyền multicast. Trong đó đối với truyền unicast mỗi thuê bao đƣợc thiết lập một luồng riêng tới máy chủ video, do đó nếu có nhiều thuê bao cùng muốn xem một kênh truyền hình thì các kết nối unicast đƣợc thiết lập do đó làm tốn băng thông mạng rất nhiều, phƣơng pháp này chỉ đƣợc sử dụng khi thuê bao có nhu cầu riêng nhƣ trong dịch vụ video theo yêu cầu VoD. Còn phƣơng pháp truyền broadcast sẽ truyền đến tất cả các thiết bị không có yêu cầu, do đó làm tăng khả năng sử lý của các thiết bị một cách không cần thiết.
Vì vậy, để tiết kiệm băng thông trong quá trình truyền một video đến đồng thời một nhóm các thuê bao, các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng phƣơng pháp truyền multicast.
Trong phạm vi triển khai IPTV, mỗi nhóm multicast (tƣơng đƣơng với các thiết bị IPTVCD) đƣợc truyền broadcast các kênh truyền hình và các thành viên của nhóm có quyền ngang bằng nhau khi xem kênh đó. Vì thế, mỗi kênh IPTV chỉ đƣợc đƣa tới set – top box (IP – STP) mà có yêu cầu xem kênh đó. Đây là cách hạn chế băng thông tiêu thụ và giảm gánh nặng xử lý trên server. Để có thể truyền multicast cần đảm bảo các điều kiện:
Các thiết bị hỗ trợ IP multicast (các Mrouter)
Các trạm đƣợc định danh theo cấu trúc địa chỉ multicast Các thiết bị phải đƣợc hỗ trợ giao thức truyền tin multicast:
Giao thức quản lý nhóm IGMP
Giao thức phân phối multicast MDP (Multicast Distribution Protocol): PIM, PIM SM...
Hình 2.3 minh họa việc sử dụng kỹ thuật IP multicast trong việc phân phối năm kênh thuê bao truy cập Kênh 10 IPTV cùng một lúc. Nhƣ hình vẽ, chỉ một bản copy đƣợc gửi từ server nội dung tới router phân phối. Router này sẽ tạo ra hai bản copy của luồng thông tin tới và gửi chúng tới các router đặt tại các tổng đài khu vực. Sau đó, mỗi router tại các tổng đài khu vực sẽ tạo ra các bản copy khác để cung cấp cho các thuê bao muốn xem Kênh 10 IPTV đó. Vai trò quan trọng của truyền thông IP multicast là làm giảm số kết nối IP và lƣu lƣợng giữ liệu đi ngang qua mạng.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 47
Hình 2.3: Minh họa kỹ thuật multicast trong IPTV
2.2.4 Các giao thức sử dụng trong truyền tải nội dung IPTV
Các giao thức chính đƣợc sử dụng trong truyền tải nội dung IPTV: UDP, RTP, RTSP và IGMP trong đó các giao thức đƣợc sử dụng cho quá trình truyền dẫn IP là UDP và RTP. Giao thức sử dụng trong quá trình báo hiệu là RTSP và IGMP.
UDP
Sử dụng cho quá trình truyền dữ liệu nhạy với thời gian và video. UDP không yêu cầu truyền thông hai chiều do đó thích hợp cho các hoạt động trên mạng một chiều nhƣ quảng bá vệ tinh. UDP thích hợp cho các ứng dụng multicast.
UDP đƣợc quy định trong IETF RFC 768 và là một trong các giao thức chính của bộ các giao thức IP. Thuật ngữ “datagram” hay “packet” đƣợc sử dụng để mô tả đoạn dữ liệu IP. Mỗi gói IP chứa một tập hợp các trƣờng theo thứ tự xác định nhờ đó máy thu biết các giải mã luồng số liệu. nhiều loại giao thức có thể đƣợc đóng gói trong tải của gói tin IP.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 48 - Source port: Trƣờng này có độ dài 16 bit, xác định cổng của ngƣời gửi thông tin và có ý nghĩa nếu muốn nhận thông tin phản hồi từ ngƣời nhận. Nếu không dùng thì đặt nó bằng 0.
- Destination port: Có độ dài 16 bit, xác định cổng nhận thông tin.
- Length: Trƣờng có độ dài 16 bit xác định chiều dài của toàn bộ datagram: phần tiêu đề và dữ liệu. Chiều dài tối thiểu là 8 byte khi gói tin không có dữ liệu, chỉ có tiêu đề.
- Checksum: Có độ dài 16 bit, dùng cho việc kiểm tra lỗi của phần tiêu đề và dữ liệu. Phƣơng pháp tính checksum đƣợc định nghĩa trong RFC 768.
0 15 16 31 (Source Port) Destination Port
Length (Checksum)
Hình 2.4: Minh họa tiêu đề gói tin UDP
Trên thực tế, độ dài một gói IP có thể mang 7 gói luồng truyền tải MPEG-TS (dài 188 byte). Tuy nhiên, UDP không có cơ chế phát lại và điều khiển luồng nhƣ TCP.
Real Time Protocol (RTP)
RTP đƣợc quy định trong IETF RFC 3550 và IETF RFC 3551, đƣợc thiết kế cho các dịch vụ thời gian thực end-to-end, nhƣ các ứng dụng tƣơng tác audio và video, sử dụng các mạng dịch vụ unicast hoặc multicast. Các ứng dụng sử dụng RTP chạy trên nền tảng của giao thức UDP (TCP cũng có thể sử dụng nhƣng rất ít), nhằm sử dụng các dịch vụ multiplexing và checksum của UDP. RTP gồm 2 phần liên qua chặt chẽ với nhau:
Real Time Protocol: cung cấp nhãn thời gian, đánh số thứ tự chuỗi và các cơ cấu khác để kiểm soát vấn đề định thời. Qua cơ cấu này, RTP tạo ra quá trình truyền tải số liệu thời gian thực từ đầu cuối-tới-đầu cuối. Sử dụng quá trình đánh số chuỗi cho phép phát hiện các gói tin bị mất và sai thứ tự.
Real Time Control Protocol: đƣợc sử dụng để thu thập số liệu giám sát từ đầu cuối tới đầu cuối, thông tin về quá trình truyền phát, QoS.
Vì truyền trong môi trƣờng IP với UDP nên việc mất gói, không đúng thứ tự gói tin, trễ là không tránh khỏi. Để hạn chế tác động của các vấn đề này, RTP sử dụng các trƣờng thời gian (Timestamp) và Sequency Number trong phần tiêu đề để đo đạc các
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 49 thông số loss rate, delay, jitter, RTT,... phần giải pháp cho các vấn đề này do các ứng dụng giải quyết.
Tiêu đề gói tin RTP bao gồm các trƣờng chính nhƣ sau:
Payload Type Sequence Number Timestamp Synchronization Source Identifier Miscellaneous Fields Hình 2.5: Tiêu đề bản tin RTP
- Trƣờng PT (Payload Type) xác định cách thức mã hóa dữ liệu trong gói tin RTP, đƣợc định nghĩa bởi các profile. Vì mỗi gói tin đều có PT nên cho phép các gói tin đƣợc thay đổi cách thức mã hóa trong quá trình truyền trên mạng (ta sẽ thấy rõ ƣu điển này với các chức năng mixer và translator của RTP).
- Trƣờng Sequence number: có độ dài 16 bit, đƣợc tăng thêm bởi 1 đối với từng gói tin, giá trị khởi đầu (của gói tin đầu tiên) đƣợc chọn ngẫu nhiên để nhằm mục đích bảo mật. Xem xét giá trị trong trƣờng này, receiver có thể xác định đƣợc gói tin bị mất hoặc không đến đúng thứ tự, tính toán xác suất mất gói hay để điều chỉnh thời gian playout của dữ liệu nhằm đảm bảo chất lƣợng của dịch vụ.
- Trƣờng Timestamp: có độ dài 32 bit, đƣợc sử dụng để tính tóan đồng bộ cũng nhƣ jitter của dữ liệu, vì vậy giá trị trong trƣờng này luôn tăng một cách tuyến tính và đơn điệu tùy thuộc theo xung clock lấy mẫu đƣợc sử dụng cho từng lọai dữ liệu (ví dụ video là 90kHz) bắt đầu từ thời điểm byte đầu tiên của gói RTP. Giá trị đầu tiên cũng đƣợc chọn ngẫu nhiên.
- Trƣờng SSRC (Synchronization Source Identifier): có độ dài 32 bit là thông tin về nguồn của dữ liệu để đồng bộ trong quá trình phát và nhận dữ liệu (bởi vì một ứng dụng có thể có nhiều nguồn dữ liệu, ví dụ nhƣ voice và data trong video). Giá trị này cũng đƣợc chọn ngẫu nhiên để đảm bảo không bị trùng 2 SSRC trong cùng một phiên RTP.
Các ứng dụng thời gian thực đƣợc triển khai cho các dich vụ multicast hoặc unicast. Đối với hầu hết các firewall đều không cho phép địa chỉ multicast đi qua. Vì vậy Translator đƣợc sử dụng nhƣ một RTP-level relay trong trƣờng hợp này. Hai Translators đƣợc sử dụng ở hai sides của firewall nhằm mụch đích tạo đƣờng hầm để gói tin RTP multicast qua firewall bởi một kết nối bảo mật.
Một lọai RTP-level relay khác là Mixer, đƣợc sử dụng để kết hợp nhiều luồng dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau thành một luồng dữ liệu mới hoặc để thay đổi phƣơng
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 50 thức mã hóa thông tin thích hợp với các tốc độ đƣờng truyền khác nhau trên mạng (ví dụ nhƣ từ nhiều nguồn với đƣờng truyền tốc độ cao đến đích có đƣờng truyền tốc độ thấp).
Cho dù RTP đƣợc thiết kế để không phụ thuộc vào các giao thức mạng phía dƣới,