2.4.1.2. Kiến trúc streaming
Có bốn thành phần trong kiến trúc của streaming:
Thu và mã hóa (Capture and encoding); Phục vụ (Serving); Phân phối (Distribution); Media player.
Hình 2. 11. Quá trình nén – giải nén tín hiệu
Thu và mã hóa (Capture and encoding)
Tín hiệu âm thanh và video được thu và xử lý trong định dạng truyền hình và chuyển đổi chúng vào một tập tin streaming. Các giai đoạn thực hiện như sau:
1) Thu và mã hóa theo định dạng tập tin máy tính. 2) Nén các dữ liệu.
3) Đóng gói dữ liệu.
Tín hiệu video sẽ không được xử lý bằng phần mềm nếu nó khơng được định dạng thích hợp. Vì vậy, tín hiệu âm thanh và video sau khi thu sẽ được chuyển đổi thành định dạng AVI. Tín hiệu thu được có thể giảm xuống cịn một phần tư độ phân giải gốc, vì vậy được xử lý dễ dàng và đạt khả năng lưu trữ cao đối với tập tin cuối cùng.
Thuật toán nén được nhúng vào một ứng dụng phần mềm được gọi là nén-giải nén (codec). Việc nén dữ liệu sẽ làm giảm dung lượng dữ liệu cho phù hợp với băng thông của đường truyền.
Phục vụ (Serving)
Các tập tin sau khi mã hóa được tải lên máy chủ cho việc phân phối ra mạng. Máy chủ là một phần mềm ứng dụng, giống như một máy chủ web hơn là các máy chủ phần cứng vật lý. Máy chủ streaming sẽ điều khiển trong thời gian thực việc phân phối dịng tín hiệu âm thanh và video.
Phân phối (Distribution)
Về nguyên tắc, việc phân phối là rất đơn giản khi có kết nối giữa IP máy chủ và khách hàng, các gói yêu cầu sẽ được chuyển đến player. Nhưng trong thực tế, việc thực hiện phân phối khơng phải là dễ dàng vì Internet khơng được thiết kế để hỗ trợ các dòng dữ liệu liên tục qua các kết nối vĩnh viễn.
Một số cải tiến đã được áp dụng để việc phân phối đạt chất lượng. Đầu tiên là tăng băng thông cho chặng cuối khách hàng. Tiếp theo là việc phát triển mạng lưới phân phối nội dung. Cuối cùng là phát triển chất lượng của mạng Internet, hệ thống cáp quang được xây dựng và giao thức QoS giúp phân biệt lưu lượng ưu tiên.
Media player
Trước đây, quá trình tải-và-phát được thực hiện như sau: tập tin được tải về máy tính, và một khi tồn bộ tập tin đã được tải về hết, người xem có thể xem các tập tin trên máy tính. Ngược lại, với streaming thì khi dữ liệu đến, nó được biên dịch trực tiếp để hiển thị, sau đó dữ liệu được bỏ đi. Vì vậy, khơng phải chờ đợi và nếu khơng thích những gì đang thấy thì có thể bỏ ngay lập tức.
Hình 2. 12. Download-and-play và streaming player
2.4.2. Kỹ thuật Multicasting
Multicasting là cách hữu hiệu để truyền văn bản, âm thanh và video đến một nhóm người trên mạng Internet hoặc mạng nội bộ. Thay vì phải gửi thơng tin tới từng cá nhân, thông tin sẽ được gửi cho cả nhóm multicast. Multicasting giảm số lượng gói lưu thơng bằng cách gửi gói đến người sử dụng có yêu cầu. Chỉ cần một bản sao duy nhất của dòng dữ liệu được gửi từ máy chủ nội dung đến các bộ định tuyến phân phối. Bộ định tuyến này sẽ tạo ra 2 bản sao và gửi chúng đến những bộ định tuyến tại SHO thông qua những kết nối IP riêng.
2.4.2.1. IGMP (Internet Group Management Protocol)
Hoạt động cơ bản của IGMP chủ yếu liên quan đến 2 thiết bị:
IGMP host (hay client): nơi phát đi những bản tin để kết nối hoặc rời khỏi một
nhóm multicast. Các client cũng đáp ứng lại các truy vấn từ các bộ định tuyến multicast.
IGMP router (multicast router): đáp ứng các bản tin kết nối hoặc rời nhóm của
client để xác định nhóm multicast truyền dữ liệu. Định kỳ truy vấn được sử dụng để phục hồi từ chỉ số lỗi và xác nhận yêu cầu.
IGMP cung cấp 4 chức năng cơ bản cho mạng IP multicast:
JOIN: client chỉ ra rằng nó muốn nhận thơng tin từ một nhóm multicast (trở
thành thành viên của nhóm multicast đó).
LEAVE: client chỉ ra nó khơng muốn nhận thơng tin từ nhóm multicast.
QUERY: Một bộ định tuyến multicast có thể yêu cầu client là thành viên của
nhóm. Thực chất đây là quá trình để xác minh một yêu cầu JOIN hay LEAVE để tìm ra lỗi.
MEMBERSHIP REPORT: Một client báo cho bộ định tuyến multicast biết
nó đang là thành viên của nhóm multicast.
Các phiên bản IGMP
Những đặc điểm chính của IGMPv2
Cải thiện độ trễ: IGMPv2 làm giảm thời gian xử lý cho một bộ định tuyến
multicast để tìm hiểu xem khơng cịn th bao IPTV truy cập hoặc xem một một kênh broadcast đặc biệt nữa. Tính năng này giúp loại bỏ bất kỳ dịng dữ liệu khơng mong muốn, lần lượt giảm khả năng xảy ra tắc nghẽn trên mạng và phân phối video chất lượng kém cho người dùng cuối.
Hỗ trợ rộng rãi: Nó được hỗ trợ bởi tất cả các phiên bản của hệ điều hành
Microsoft. Linux và Unix cũng cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ cho IGMPv2.
Tương thích ngược với IGMPv1: Ngoài việc cung cấp thêm các chức năng,
IGMPv2 cũng tương thích với phiên bản 1 của giao thức.
Các loại tin nhắn: IGMPv2 thêm các loại tin nhắn mới khơng có sẵn trong
IGMPv1: tin nhắn báo cáo thành viên và tin nhắn rời nhóm.
Hỗ trợ cho IPTV: khơng giống như phiên bản tiền nhiệm của nó, IGMPv2 hỗ
trợ phát giao thơng multicast. Điều này là do thực tế IGMPv2 có thể thực hiện một cách rõ ràng chỉ dẫn mà nó muốn rời khỏi một kênh cụ thể.
IGMPv3
Giao thức IGMPv3 được xác định trong RFC 3.476. Nó đã được xuất bản trong năm 2002 và được xem là một phiên bản chính cho giao thức tại thời điểm của nó xuất bản. IGMPv3 được xây dựng dựa trên phiên bản trước của tiêu chuẩn và bao gồm các đặc điểm quan trọng sau đây:
Hỗ trợ SSM IGMPv3 hỗ trợ một cách tiếp cận mới gọi là SSM (source specific
multicast). Tính năng thêm vào này cho phép một IPTVCD chỉ rõ những kênh broadcast nó muốn nhận được và các địa chỉ IP của nguồn của những kênh IPTV. Vì vậy, thay vì xác định nhóm địa chỉ IP duy nhất, các thông điệp IGMPv3 chứa địa chỉ IP của nhóm multicast và địa chỉ IP unicast của nguồn nội dung. S là địa chỉ IP unicast và G là địa chỉ của nhóm của kênh truyền hình broadcast.
Sử dụng các bản tin rời nhóm đã được bỏ: IGMPv3 khơng sử dụng bản tin
rời nhóm vì chức năng này được cung cấp hệ thống lọc địa chỉ nguồn. Tương thích với các phiên bản trước của tiêu chuẩn.
Cải thiện việc sử dùng băng thông và bảo mật: Việc cung cấp tại IGMPv3 để
trọng vì nó ngăn các IPTVCD từ khi nhận được lưu lượng truy cập từ các thiết bị khác kết nối với cùng một nhóm multicast.
Hỗ trợ giao thức định tuyến mới: Những giao thức multicast được thông qua
bởi IGMPv3 để hỗ trợ việc triển khai các kỹ thuật phát multicast. IGMP hỗ trợ trong mạng IPTV
Trong hệ thống IPTV, giao thức IGMP có thể triển khai độc lập, nhưng thường là kết hợp 3 tùy chọn sau:
IGMP passthrough: Trường hợp này, các DSLAM không kiểm tra hoặc xử
lý yêu cầu IGMP. Các BSR chuyển kênh cho mỗi thuê bao theo yêu cầu. o IGMP Snooping: Với phương pháp này, DSLAM hỗ trợ xử lý nhân rộng; kiểm tra tất cả các gói IGMP nhưng khơng làm thay đổi các gói tin và tất cả các gói được chuyển tiếp; giúp mạng hiển thị đầy đủ những gì đang xảy ra trong mạng truy cập. IGMP proxy: Thực hiện tất cả các khả năng trên. Một số DSLAM có thể thực
hiện cùng lúc nhiều khả năng khác nhau. Ví dụ, DSLAM quyết định có chọn lọc để chuyển tiếp các bản tin báo cáo của các thành viên trong nhóm multicast, nhưng khơng sửa đổi các địa chỉ IP nguồn (khơng có proxy định tuyến).
Hình 2. 14. Giao thức IGMP trong hệ thống IPTV
2.4.2.2. Cây phân phối multicast
Một bộ định tuyến IP multicast sử dụng thông tin thu được từ giao thức IGMP và các nguồn khác để tạo ra danh sách các nút, vạch ra tuyến đường mà các gói của nội dung
IPTV cần phải đi qua để đến đích. Những danh sách các nút hoặc bản đồ lộ trình này được gọi là cây phân phối multicast. Có hai loại cây multicast là: cây nguồn (source based tree) và cây được chia sẻ (shared tree).
Trong cây nguồn, các nguồn sử dụng các con đường ngắn nhất để tiếp cận với mạng
con của chúng. Trong đó, nguồn hoạt động như là gốc của cây, nhánh của cây là các đường hướng đến nơi nhận. Vì vậy mỗi nguồn gửi dữ liệu đến mỗi nhóm multicast riêng biệt. Cây này còn được gọi là cây đường ngắn nhất (Shortest Path Tree), tạo ra một liên kết của những đường ngắn nhất trong toàn mạng. Sử dụng cây nguồn cho trễ nhỏ nhất, thích hợp trong mạng multicast có nhiều thành viên trong nhóm phân phối.
Đối với cây được chia sẻ, các nguồn đầu tiên gửi dữ liệu đến các bộ định tuyến lõi
để tiếp cận với các mạng con. Chỉ có một gốc được chia sẻ bởi tất cả các nguồn trong nhóm và thường đặt tại một số điểm được chọn trong mạng. Gốc chung này gọi là điểm hẹn (RP). Lưu lượng truy cập được gửi từ tất cả các nguồn vào RP, và sau đó tất cả lưu lượng được chuyển xuống các cây được chia sẻ để tới nơi nhận. Vì vậy, trong cây chia sẻ có thời gian trễ lớn hơn.
2.4.3. Các kỹ thuật phân phối mạng IPTV
Hiện nay IPTV được nhìn nhận như là con đường tốt nhất để phân phối các dịch vụ truyền hình kỹ thuật số cho khách hàng. Bản chất của IPTV là một mạng phân phối tốc độ cao được làm nền móng để phân phối nội dung. Mục đích của mạng này là truyền tải dữ liệu giữa thiết bị khách hàng (IPTVCD) và trung tâm dữ liệu của các nhà cung cấp dịch vụ. Nó cần làm việc này mà không ảnh hưởng tới chất lượng của luồng video được phân phối tới thuê bao IPTV, nó cũng quyết định cấu trúc mạng và độ phức tạp được yêu cầu để hỗ trợ các dịch vụ IPTV. Cấu trúc một mạng IPTV gồm có hai phần là mạng truy cập băng rộng và mạng tập trung hay backbone. Các loại mạng mở rộng khác bao gồm các hệ thống cáp, cáp đồng điện thoại, mạng không dây và vệ tinh có thể được sử dụng để phân phối các dịch vụ mạng IPTV tiên tiến.
2.4.3.1. IPTV phân phối trên mạng truy cập cáp quang
Đối với IPTV thì u cầu về băng thơng lớn nhưng chi phí hoạt động phải thấp và tránh được các can nhiễu. Do đó, người ta quan tâm tới việc sử dụng mạng cáp quang đang có sẵn để triển khai các dịch vụ IPTV. Các liên kết cáp quang cung cấp cho khách hàng đầu cuối một kết nối chuyên dụng tốt nhất để thuận tiện cho việc tiếp nhận nội dung IPTV. Các công nghệ về sản xuất sợi quang gần đây cho khả năng băng thông lớn hơn, từ đó có thể thực thi các cấu trúc mạng sau [4]:
Cáp quang tới khu vực văn phòng (FTTRO – Fiber to the regional office): Sợi
quang từ trung tâm dữ liệu IPTV tới khu vực văn phòng một cách gần nhất được lắp đặt bởi các công ty viễn thơng hoặc cơng ty cáp. Sau đó sợi cáp đồng sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu tới người dùng đầu cuối IPTV trong khu vực văn phòng đó.
Cáp quang tới vùng lân cận (FTTN – Fiber to the neighborhood): Sợi quang được
tập trung tại các node, FTTN đòi hỏi thiết lập sợi quang từ trung tâm dữ liệu IPTV tới bộ chia “vùng lân cận”. Đây là vị trí node có khoảng cách nhỏ hơn 1,5 Km tính từ nhà thuê bao. Việc triển khai FTTN cho phép người dùng nhận một gói các dịch vụ trả tiền bao gồm truyền hình IPTV, truyền hình chất lượng cao và video theo yêu cầu.
Cáp quang tới nhà khách hàng (FTTH – Fiber to the home): với sợi quang tới nhà
khách hàng, toàn bộ các định tuyến từ trung tâm dữ liệu IPTV tới nhà khách hàng đều được kết nối bởi sợi quang này. FTTH dựa trên mạng quang có khả năng phân phối dung lượng dữ liệu cao tới người sử dụng trong hệ thống. FTTH là hệ thống thơng tin song kênh và hỗ trợ tính năng tương tác của các dịch vụ IPTV. Việc phân phối những cấu trúc mạng này thường được triển khai bằng hai loại mạng khác nhau đó là mạng quang thụ động (PON) và mạng quang tích cực (AON).
2.4.3.3. IPTV phân phối trên mạng ADSL
Trong một vài năm gần đây sự tham gia của các công ty viễn thông vào thị trường IPTV đầy tiềm năng, dẫn đến kết quả là các nhà cung cấp truyền hình cáp và mạng băng rộng khơng dây đưa ra các dịch vụ thoại và truy cập Internet để cạnh tranh. Đáp
lại, các công ty viễn thông đang nắm giữ thuận lợi là hạ tầng mạng DSL bắt đầu đưa ra các dịch vụ truyền hình thế hệ tiếp theo cho thuê bao của họ. Công nghệ DSL cho phép các nhà cung cấp viễn thông phân phối các dịch vụ băng thông lớn trên sợi dây cáp đồng đang dùng chỉ để truyền thoại.
Băng thông là một vấn đề quan trọng trong việc phân phối các dịch vụ IPTV thế hệ mới. Một số mạng băng rộng dựa trên DSL hiện có được kế thừa từ các chuẩn DSL. Việc tăng quá trình thực thi được yêu cầu cho IPTV có thể đạt được bằng cách triển khai các công nghệ DSL như ADSL, ADSL2+ và VDSL.
ADSL cho phép tốc độ downstream là 8 Mbps và tốc độ upstream là 1,5 Mbps. Bởi vậy, một kết nối ADSL chỉ đủ cho đồng thời hai kênh truyền hình quảng bá theo chuẩn MPEG-2 và một kết nối Internet tốc độ cao. Điểm trở ngại chính của ADSL là phụ thuộc vào khoảng cách tính từ trung tâm dữ liệu của nhà cung cấp tới nhà khách hàng. Nếu nhà khách hàng ở gần trung tâm dữ liệu thì chất lượng dịch vụ tốt hơn những nhà ở xa. Dịch vụ ADSL giới hạn khoảng cách trên 5,5 Km.
Hình 2. 15. Phân phối IPTV trên mạng DSL
Các thiết bị được sử dụng để triển khai dịch vụ IPTV trên mạng ADSL như trên Hình 2.15 bao gồm:
Modem ADSL: Tại nhà thuê bao có một bộ thu phát ADSL hoặc modem. Modem
đường line DSL. Đa số modem hiện nay đều được tích hợp chức năng định tuyến để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu và truy cập Internet tốc độ cao.
DSLAM – Digital Subscriber Line Access Multiplexer: Bộ ghép kênh truy cập
đường dây thuê bao số. Tại mỗi tổng đài khu vực (Regional Office) của nhà cung cấp dịch vụ IPTV, DSLAM nhận các kết nối của thuê bao trên đường dây cáp đồng, tập hợp chúng lại và kết nối trở lại trung tâm dữ liệu IPTV bằng cáp quang tốc độ cao dựa trên mạng đường trục. Để triển khai IPTV, DSLAM thường hỗ trợ truyền dẫn đa điểm (multicast) vì thế khơng cần phải tái tạo lại các kênh cho từng yêu cầu từ một người xem IPTV. DSLAM chịu trách nhiệm trong việc phân phối nội dung IPTV từ tổng đài khu vực tới các thuê bao IPTV.
DSLAM lớp 2: Hoạt động tại lớp 2 trong mơ hình OSI thực hiện các chức năng như chuyển mạch lưu lượng giữa Ethernet và ATM, chuyển tiếp các lưu lượng mạng ngược dòng (up-stream) và ngăn ngừa can nhiễu giữa các thuê bao IPTV. Việc chuyển mạch giữa các mạch ảo ATM và các gói Ethernet ngược dịng được dễ dàng bằng cách sử dụng cơ chế bắc cầu.
DSLAM nhận biết IP: Hỗ trợ các giao thức IP hoạt động tại lớp 3 trong mơ hình
OSI. Các chức năng tiên tiến được tích hợp trong các DSLAM nhận biết IP là tái tạo các kênh truyền hình quảng bá và kênh thực hiện theo lệnh.
2.4.3.4. IPTV phân phối trên mạng Internet
Việc phân phối các kênh truyền hình trên Internet là một ứng dụng rộng rãi của IPTV, bao gồm nội dung video được streaming từ một server tới các thiết bị client có khả