2.3.1 Thiết bị phần cứng trung tâm Headend
Thành phần trung tâm hạ tầng IPTV là Headend. Headend bao gồm một số thành phần nội dung, chuyển đổi và phân phối lại nội dung tới thuê bao. Headend có thể đƣợc triển khai bằng cách sử dụng một headend trung tâm và các Headend khu vực, phƣơng thức này sẽ làm cho công việc phân phối nội dung broadcast dễ dàng hơn, các Headend khu vực gần thuê bao hơn và làm giảm các nguy cơ tiềm ẩn. Headend hoạt động nhƣ điểm tập trung của hạ tầng. Nó nhận tất cả các yêu cầu từ thuê bao và cung cấp nội dung tới các STB phù hợp. Thêm nữa, tất cả các ứng dụng liên kết công việc đƣợc sử dụng để cung cấp, lập hóa đơn và quản trị khách hàng đều đƣợc giữ hoặc liên kết tới Headend. Headend nhận các dữ liệu liên tiếp trong các định dạng và phƣơng tiện khác nhau, bao gồm trực tiếp từ studio nội bộ, nội dung từ bên cung cấp thứ ba, các truyền dẫn phát lại, nội dung từ vệ tinh và thông tin video nội bộ. Do có các nguồn khác nhau, một số nội dung là tín hiệu tƣơng tự nên không thể truyền tới mạng IP. Sau đó nội dung đƣợc mã hóa và đóng gói để có thể truyền trên mạng dựa trên giao thức TCP/IP. Các thành phần thêm vào còn có ứng dựng DRM và các hệ thống quản lý nội dung. Tất cả thông tin liên lạc với thuê bao đều đƣợc sắp xếp bởi Middleware server nhận các yêu cầu từ các STB khác nhau. Hình 2.7 trình bày các thành phần dịch vụ của hệ thống IPTV.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 52
Hình 2.7: Cấu trúc trung tâm Headend IPTV
2.3.1.1 Thiết bị tiếp nhận dữ liệu đầu vào
Nội dung đƣợc tiếp nhận tại Headend của nhà cung cấp dịch vụ bao gồm: nội dung thu từ vệ tinh, nội dung mất phí, nội dung đƣợc mã hóa trƣớc và nội dung thu từ hệ thống vô tuyến nội bộ. Để thu đƣợc các dạng nội dung trên, Headend cần có các thiết bị chuyên dụng cho từng loại.
Nội dung từ vệ tinh: Nội dung đƣợc tiếp nhận bằng các thiết bị thu vệ tinh đƣợc gọi chung là bộ giải mã đầu thu tích hợp IRD (Integrated Receiver Decoder). Nội dung đƣợc phát broadcast bởi các vệ tinh dịch vụ cố định với công suất tƣơng đối thấp và yêu cầu ăngten vệ tinh lớn cho việc tiếp nhận. Headend nhận các tín hiệu vô tuyến và sử dụng IRD để điều chỉnh và khuếch đại tín hiệu. Một khi tín hiệu đã đƣợc khuếch đại, IRD có thể tiến lên giải mã tín hiệu. IRD có thể nhận cả tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số. Các tín hiệu tƣơng tự sẽ đƣợc gửi tới bộ mã hóa video MPEG, và tín hiệu số có thể đƣợc gửi tới bộ chuyển đổi mã để kết hợp với thông tin quảng cáo nội bộ.
Bộ chuyển đổi mã video
Đầu thu vệ tinh (IRD)
Nội dung từ vệ tinh Server thông tin
quảng cáo nội bộ
Video streaming server
VoD server Firewall Middleware server Kho video Server quản lý nội dung
Các ứng dụng kinh doanh, quản lý khách hàng, lập hóa đơn,...
Hệ thống DRM Bộ đóng gói IP
Bộ thu NTSC/PAL
Nội dung thu từ hệ thống vô tuyến nội bộ Nội dung mất phí Nội dung đã được mã hóa Bộ mã hóa video MPEG
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 53
Nội dung mất phí: Nội dung này là các nội dung mất phí pay-per-view trong các định dạng tƣơng tự và cần đƣợc mã hóa bởi bộ mã hóa MPEG trƣớc khi đƣợc gửi tới bộ đóng gói IP.
Nội dung đã đƣợc mã hóa trƣớc: Đây là nội dung đã đƣợc mã hóa trong các loại mã có thể chấp nhận, đƣợc hỗ trợ bởi các bộ STB và các phần mềm client. Nội dung này có thể đƣợc gửi trực tiếp tới bộ đóng gói IP.
Nội dung thu từ hệ thống vô tuyến nội bộ: Đây là nội dung đƣợc phát broadcast bởi các trạm nội bộ và đã gửi tới các bộ thu PAL/NTSC trƣớc khi nó có thể đƣợc sử dụng.
Tất cả nội dung sẽ đƣợc xử lý tuần tự bởi các thiết bị: bộ mã hóa video MPEG, bộ đóng gói IP và bộ chuyển đổi mã video.
2.3.1.2 Bộ mã hóa video MPEG
Bộ mã hóa video MPEG (hay getway tiếp nhận) là nhiệm vụ của hệ thống ghi nhận, quản lý ghi nhận và server nhận/phân phối đƣợc sử dụng để nhận dữ liệu và tạo nội dung đƣợc định dạng chính xác. Để thu đƣợc nội dung phù hợp, tín hiệu tƣơng tự phải đi qua các bộ mã hóa video MPEG để tạo ra nội dung trong định dạng số sẵn sàng đƣợc sửa đổi và phát broadcast. Tiến trình này đƣợc đảm bảo bởi bộ nén/giải nén, và tiến trình này là cầu nối giữa dữ liệu và bộ điều chế cho truyền dẫn. Thông tin siêu dữ liệu (metadata) sẽ bao gồm các header, dữ liệu mật mã và dữ liệu đƣợc yêu cầu khác để đảm bảo truyền dẫn chính xác. Các thuật toán sử dụng để thực hiện việc mã hóa sẽ quyết định việc cân bằng giữa chất lƣợng video, tốc độ dữ liệu cần để truyền video, tình trạng mất và lỗi dữ liệu, các yêu cầu về băng thông, các bộ nhớ đệm đƣợc sử dụng và các đặc tính khác nữa. Các nhà cung cấp dịch vụ IPTV quyết định các mã phù hợp nhất dựa trên hoàn cảnh, băng thông sẵn sàng sử dụng và các đặc điểm phần cứng của bộ STB đƣợc triển khai. Một số mã chuẩn đƣợc các nhà cung cấp dịch vụ IPTV sử dụng nhƣ sau:
MPEG-2: mã này cũng đƣợc ITU đƣa ra với tên là H.262. MPEG-2 đƣợc sử dụng cho phát broadcast video số, các hệ thống phân phối cáp và mã hóa DVD (Digital Video Disc).
MPEG-4: đƣợc biết tới với tên là H.264. MPEG-4 thích hợp với các tiến bộ trong kỹ thuật nén so với các mã đã có trƣớc đây. Đầu ra của bộ mã hóa video MPEG là video số sẵn sàng để đóng gói IP, mật mã hoặc lƣu trữ.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 54
2.3.1.3 Bộ đóng gói IP
Chức năng của bộ đóng gói IP là nhận các luồng video đã đƣợc mã hóa và chuẩn bị truyền broadcast trên mạng IP. Nó cho phép luồng IP đã mã hóa đƣợc đóng thành các gói IP có thể vận chuyển qua mạng. Một số chuẩn hỗ trợ truyền dẫn video, ví dụ nhƣ giao thức truyền dẫn thời gian thực RTP. RTP đƣợc tạo ra để hỗ trợ các truyền dẫn ứng dụng thời gian thực nhƣ audio và video. Nó không đảm bảo chất lƣợng của dịch vụ hoặc việc phân chia tài nguyên mạng, nhƣng nó bao gồm một số chức năng nhƣ định lại thời gian, phát hiện sự mất mát, bảo an và nhận dạng nội dung. Bộ đóng gói IP nhận lƣu lƣợng từ ba nguồn chính: nội dung đƣợc mã hóa trƣớc đƣợc gửi trực tiếp, nội dung đƣợc mã hóa từ các bộ mã hóa video MPEG và từ đầu ra bộ truyền đổi mã video. Đầu ra bộ đóng gói IP gửi tới video streaming server. Các gói có thể truyền broadcast hoặc gửi tới DRM và cơ sở dữ liệu nội dung. Trong một số trƣờng hợp, nội dung tới bộ đóng gói IP đã đƣợc mã hóa bởi DRM, và một số giải pháp có thể lƣu trữ của bộ đóng gói IP trong kho lƣu trữ video.
2.3.1.4 Bộ chuyển đổi mã video
Bộ chuyển đổi mã video nhận dữ liệu từ máy thu vệ tinh và dữ liệu nội bộ đƣợc gán vào các server. Chức năng chính của bộ chuyển mã video là làm phiên dịch giữa các loại mã khác nhau. Server này có thể chuyển đổi các dạng nội dung từ một số mã đƣợc xác định trƣớc và cho nội dung đầu ra là MPEG-2, MPEG-4 hoặc một mã riêng do các nhà cung cấp dịch vụ IPTV lựa chọn. Tiến trình chuyển đổi mã sẽ nhận các luồng nội dung đã đƣợc mã hóa và chuyển chúng thành một luồng mã khác với tốc độ bit thấp hơn hoặc loại định dạng mà chất lƣợng không giảm nhiều. Với bộ chuyển đổi mã này, các luồng khác nhau từ vệ tinh hoặc thông tin quảng cáo nội bộ có thể đƣợc gửi tới bộ đóng gói IP dƣới dạng các luồng mã hóa theo các chuẩn đƣợc ƣu tiên hơn. Một số giải thuật đƣợc sử dụng để khôi phục lại nội dung gốc, gỡ bỏ một số dữ liệu mà không tốn quá nhiều năng lực xử lý trong tiến trình và tạo một luồng nội dung có chất lƣợng với một chuẩn mã hóa khác.
2.3.1.5 Server quản lý nội dung
Server quản lý nội dung sẽ điều khiển luồng thông tin từ bộ đóng gói IP và video streaming server, việc lƣu trữ tất cả video thích hợp vào kho video hoặc gửi dữ liệu tới hệ thống DRM. Các yêu cầu từ Middleware server có thể đƣợc phục vụ bởi server quản lý nội dung. Đây sẽ là dữ liệu yêu cầu hoặc chỉ dẫn phục vụ để giảm bớt khi đi qua video streaming server.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 55
2.3.1.6 Kho video
Kho video đƣợc sử dụng để lƣu trữ nội dung chuẩn bị cho các ứng dụng truyền broadcast. Kho lƣu trữ bao gồm một thƣ viện video và thƣ viện đa phƣơng tiện trên các server, đảm bảo truy cập nhanh chóng và tin cậy nội dung đƣợc yêu cầu. Kho video là thành phần lƣu trữ tất cả tài sản số thuộc quyền sở hữu của nhà khai thác IPTV. Hầu hết tài sản số sẽ đƣợc lƣu trữ tại đây, và những ngƣời xâm nhập sẽ cố gắng truy cập server này để ăn cắp nội dung. Nội dung thƣờng đƣợc lƣu trữ mà không có mật mã cơ sở dữ liệu hay bảo vệ DRM. Một số giải pháp DRM sẽ hỗ trợ việc mật mã nội dung trong khi đƣợc lƣu trữ, và sau đó các key có thể đƣợc phân phối tới thuê bao. Có các phiên bản khác của DRM sẽ không hỗ trợ tùy chọn này, và nội dung sẽ đƣợc mật mã trƣớc khi phát broadcast.
2.3.1.7 Video streaming server
Video streaming server làm theo các lệnh từ Middleware server và VoD server, và nó cũng nhận thông tin từ DRM và server quản lý nội dung với các mã là MPEG-2, MPEG-4 hoặc các mã tƣơng tự đƣợc nhà cung cấp dịch vụ IPTV lựa chọn. Video streaming server cung cấp các nội dung đã đƣợc mã hóa và đƣợc phân phối tới bộ STB thông qua giao thức TCP/IP. Các thành phần này hỗ trợ TCP và UDP, và tạo luồng multicast phụ thuộc vào dạng ứng dụng và giải pháp đƣợc triển khai bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV. Các server khác nhau sẽ có khả năng tạo luồng riêng biệt. Phụ thuộc vào năng lực xử lý, một số server có thể điều khiển vài ngàn thuê bao tại cùng một thời điểm.
2.3.1.8 Middleware server
Middleware server là mặt trƣớc của hệ thống IPTV. Tất cả các bộ STB đều liên lạc với Middleware server để yêu cầu nội dung riêng biệt. Việc liên lạc thƣờng sử dụng giao thức HTTP. Một chƣơng trình trình duyệt bên trong STB sẽ liên lạc với Middleware server, download hƣớng dẫn chƣơng trình EPG và gửi các yêu cầu tới Middleware server. Middleware server sẽ ra lệnh cho streaming server gửi nội dung tới đích. Các thuê bao có thể liên lạc thông qua STB và yêu cầu nội dung từ Middleware client. Một khi Middleware server đã ra lệnh cho VoD server cung cấp nội dung cho các thuê bao riêng lẻ, thì sau đó STB và VoD server cũng có thể liên lạc với nhau. IPTV middleware hoạt động nhƣ một cầu nối giữa một số hệ thống và các ứng dụng. Chính xác hơn, nó tƣơng tác với DSLAM, các server nội dung, các bộ STB, VoD server, DRM và các ứng dụng kinh doanh giữa các hệ thống khác. Hình 2.8 trình
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 56 bày cấu trúc middleware và cách thức tƣơng tác của nó với các thành phần lõi mạng IPTV.
Hệ thống IPTV Middleware có hai thành phần chính đó là các chức năng lõi và một số chức năng mạng dựa vào hệ điều hành chuẩn và cung cấp giao diện web để liên lạc với STB. Các chức năng lõi bao gồm quản lý, điều khiển các giao dịch và các phiên đang tồn tại, xác thực user và một số chức năng khác. Các chức năng lõi chịu trách nhiệm duy trì EPG và các chức năng cơ bản khác, cũng nhƣ sắp xếp các hoạt động với hệ thống bên ngoài, ví dụ nhƣ quản lý nội dung, DRM, VoD và các ứng dụng kinh doanh.
Hình 2.8: Cấu trúc hệ thống Middleware IPTV
Một số hệ thống bên ngoài tƣơng tác với hệ thống Middleware nhƣ sau:
DSLAM: một số DSLAM cho phép middleware server chia sẻ dữ liệu xác thực với nó, làm thuận tiện cho tiến trình xác thực truy cập của thuê bao mới tới các VLAN nội dung cũng nhƣ trao đổi thông tin về vị trí vật lý của bộ STB đƣợc thuê bao sử dụng. Middleware cung cấp cho bộ STB thông tin về các VLAN đang tồn tại, STB cần phải gia nhập vào danh sách để truy cập nội dung.
Server nội dung: Middleware server sẽ nhận thông tin từ server nội dung đối với các nội dung sẵn sàng đƣợc sử dụng và sẽ sử dụng thông tin này để chuẩn bị EPG.
STB: Có một số cấp độ tƣơng tác khác nhau giữa Middleware server và các bộ STB. STB đƣợc cấu hình để kiểm tra VLAN tại mỗi thời điểm nó khởi động hệ điều hành của nó. VLAN này sẽ cung cấp các yêu cầu nâng cấp cho hệ điều
Các chức năng lõi
Các chức năng mạng IPTV middleware
DSLAM Server nội
dung STB
VoD &
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 57 hành. Một khi Middleware server đã đƣợc kiểm tra xong, STB có thể đƣợc chỉ dẫn để download các nâng cấp đƣợc yêu cầu. Hầu hết các bộ STB sẽ sử dụng trình duyệt web để download EPG và thông tin cơ sở từ Middleware server. Các key DRM và dữ liệu quan trọng khác có thể đƣợc cung cấp trực tiếp bởi Middleware server, hoặc STB có thể đƣợc hƣớng dẫn tới ứng dụng DRM để thu đƣợc key.
VoD và streaming: Middleware sẽ nhận các yêu cầu từ STB trên các mục EPG bao gồm nội dung VoD và pay-per-view. Đây sẽ là một tƣơng tác giữa Middleware và VoD để khởi động streaming nội dung unicast tới thuê bao.
Quản lý DRM: ứng dụng Middleware sẽ lấy lại các key và các giấy phép số đƣợc sử dụng bởi STB, trong một số trƣờng hợp STB sẽ tìm đến dữ liệu yêu cầu dữ liệu trực tiếp từ DRM server.
Các ứng dụng kinh doanh: middleware server sẽ tƣơng tác với các ứng dụng kinh doanh để user đƣợc xác thực và có hiệu lực, các chức năng lập hóa đơn và thanh toán, và thông tin tài khoản đƣợc yêu cầu bởi thuê bao.
2.3.2 Thiết bị mạng gia đình 2.3.2.1 Mạng gia đình 2.3.2.1 Mạng gia đình
Mạng gia đình bao gồm một thiết bị đầu cuối mạng, về cơ bản là điểm truy cập từ mạng. Thiết bị đầu cuối sẽ đƣợc kết nối tới modem, modem sẽ chuyển đổi thông tin thành các dạng IP, và trong một số trƣờng hợp một bộ splitter sẽ đƣợc sử dụng để cung cấp các dịch vụ thoại nếu mạng điện thoại công cộng đƣợc sử dụng. Một gateway sẽ đƣợc sử dụng để tách các dịch vụ IP (dữ liệu, video, thoại), và các gateway này thƣờng có firewall, dịch vụ DHCP và các dịch vụ mạng khác đƣợc yêu cầu để cải thiện dịch vụ. Khách hàng yêu cầu một bộ giải mã STB trong hầu hết các trƣờng hợp, và nó sẽ đƣợc cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ. Trong một số trƣờng hợp, máy tính cá nhân sẽ đƣợc sử dụng để kết nối trực tiếp tới mạng mà không cần STB. Ngoài ra còn có các thiết bị khác nhƣ kết cuối thoại cho cả mạng PSTN và VoIP, các router truy cập không dây. Mạng gia đình nằm ngoài phạm vi các cơ chế bảo an đƣợc thiết lập bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV.Nhƣng sữ có một số thiết bị đứng giữa DSLAM và Tivi, nó chịu trách nhiệm mang lƣu lƣợng an toàn tới STB và giữ liên lạc với nhà cung cấp dịch vụ IPTV để đảm bảo đƣợc cấu hình để tránh các truy cập không đƣợc xác thực.
Nguyễn Văn Hưng – D06VT2 58
2.3.2.2 Bộ giải mã IP – STB