Αρχιτεκτονικές και Πρωτόκολλα για IPTV

Transcript

1 Π Α Ν Ε Π Ι Σ Τ Η Μ Ι Ο A I Γ Α Ι Ο Υ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΉΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΏΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Δ Ι Π Λ Ω Μ ΑΤ Ι Κ Η Ε Ρ ΓΑ Σ Ι Α ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ» Αρχιτεκτονικές και Πρωτόκολλα για IPTV ΠΙΤΤΑΡΑΣ Γ. ΙΩΑΝΝΗΣ Κ Α ΡΛ Ο Β Α Σ Ι

2 ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΡΟΥΣΚΑΣ ΑΓΓΕΛΟΣ, Επιβλέπων, Μόνιμος Επίκουρος καθηγητή Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΣΚΙΑΝΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΚΟΡΜΕΤΖΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, Επίκουρος Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ 3/2/2009 ii

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι εταιρίες παροχής τηλεπικοινωνιών βρίσκονται κάτω από αυξανόμενη πίεση, οφειλόμενη στον ανταγωνισμό από τους διάφορους φορείς σύνθετων συστημάτων, και τις εξελισσόμενες ανάγκες για επικοινωνία και ψυχαγωγία των οικιακών καταναλωτών. Αυτή η πίεση οδηγεί τις εταιρίες τηλεπικοινωνιών στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μητροπολιτικών δικτύων, ικανών για τη διανομή υπηρεσιών με βίντεο ζωντανής αναμετάδοσης και Video-on-Demand μέσω συνδεσιμότητας βασισμένης στο πρωτόκολλο IP. Οι υπηρεσίες αυτού του τύπου ονομάζονται Internet Protocol Television ή IPTV. Ένας σημαντικός αρχιτεκτονικός παράγοντας για αυτά τα IPTV δίκτυα είναι η υποδομή μεταφοράς φυσικού επιπέδου η οποία υποστηρίζει τη διανομή αυτών των υπηρεσιών υψηλού εύρους ζώνης. Στο κεφάλαιο 2, γίνεται μια επισκόπηση κάποιων εκ των κύριων σε φυσικό επίπεδο εναλλακτικών υποδομών, όπως τα διάφορα οπτικά δίκτυα μεταφοράς, περιλαμβανομένων των DWDM, SONET και Ethernet-on-fiber όπως επίσης και τη παθητική WDM/DWDM (PWDM) παραλλαγή. Επίσης στο κεφάλαιο 2 εξετάζεται η αρχιτεκτονική των δικτύων καλωδιακής τηλεόρασης, και αναφέρονται οι πρόσφατα αναδυόμενες τεχνολογίες οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν τα δίκτυα αυτά στη σταδιακή μετάβαση σε IPTV αρχιτεκτονική. Η IPTV μέσω ευριζωνικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων προσφέρει πολύ περισσότερα από τη παραδοσιακά εκπεμπόμενη τηλεόραση. Όχι μόνο μπορεί να να βελτιώσει την αντιλαμβανόμενη από τους χρήστες ποιότητα, αλλά επίσης προετοιμάζει το έδαφος για νέου τύπου τηλεοπτικές υπηρεσίες, όπως Video-on-Demand, time-shifted TV και προσωπική δικτυακή καταγραφή βίντεο, λόγο της αμφίδρομης φύσης των καναλιών και της ικανότητας χειρισμού μεμονωμένα του κάθε χρήστη. Το κεφάλαιο 3 παρέχει μια επισκόπηση των χρησιμοποιούμενων πρωτοκόλλων στα ανώτερα στρώματα μιας τυπικής IPTV δικτυακής αρχιτεκτονικής, καθώς και μερικές βασικές έννοιες όσο αφορά τη κωδικοποίηση βίντεο. Βάση αυτών, στη συνέχεια εξηγήται το πώς σε ένα IPTV σύστημα μπορεί να αυξηθεί η αντιλαμβανόμενη ποιότητα από τους τελικούς χρήστες μειώνοντας τη καθυστέρηση εναλλαγής καναλιών και ελαχιστοποιώντας τις απώλειες πακέτων. Επίσης, γίνεται επισκόπηση διαφόρων τεχνικών FEC και ARQ σε συνδυασμό με διάφορους τύπους καταχωρητών. Περαιτέρω στο κεφάλαιο 3 διατυπώνεται ότι η διαθεσιμότητα μεγαλύτερων καταχωρητών στο δίκτυο διευκολύνει τη βέλτιστη προσφορά των νέων IPTV υπηρεσιών (όπως time-shifted TV, προσωπικούς καταγραφείς, Video-on-Demand) οι οποίες κάνουν ανταγωνιστική αυτή τη πλατφόρμα. Εκ των αποτελεσμάτων επιβεβαιώνεται ότι ακόμα και σε συνθήκες κακής αναμετάδοσης οι IPTV υπηρεσίες μπορούν να αναπτυχθούν εύκολα, δίχως την απαίτηση μεγάλων επενδύσεων σε νέες υποδομές και δικτυακό εξοπλισμό. Η εφαρμογή σε επίπεδο εφαρμογών τεχνικών FEC επιτρέπει υψηλής ποιότητας IPTV υπηρεσίες χωρίς την εγκατάλειψη της φύσης του Internet: best effort μεταφορά και από άκρο σε άκρο αξιοπιστία. Στο κεφάλαιο 4 παρατίθεται μια αρχιτεκτονική για την υποστήριξη IPTV υπηρεσιών σε δίκτυα επόμενης γενιάς βασισμένα στο IMS. Η αρχιτεκτονική αυτή επεκτείνει τις τρέχουσες προδιαγραφές του IMS με την απαιτούμενη λειτουργικότητα ώστε να καλυφθούν οι επιπλέον απαιτήσεις των IPTV υπηρεσιών. Η αρχιτεκτονική αυτή μπορεί να αναπτυχθεί από ένα πάροχο IPTV σε ετερογενή δίκτυα πρόσβασης (κινητής τηλεφωνίας, ασύρματα και σταθερά) ως ένα κομμάτι προτυποποιημένων λύσεων δικτύων επόμενης γενιάς. Επίσης, παρουσιάζονται πιθανές προσεγγίσεις διαβεβαιωμένων NGNbased IPTV υπηρεσιών από τις οπτικές γωνίες της αντιλαμβανόμενης ποιότητας (QoE) και ποιότητας υπηρεσιών (QoS). Επίσης περιγράφονται δύο κύριες τεχνικές προκλήσεις που αφορούν το επίπεδο δικτύου και το επίπεδο εφαρμογών. Για την υποστήριξη μιας iii

4 υπηρεσίας με πολυμεσική ροή δεδομένων σε ένα δικτυακό περιβάλλον με δυνατότητες φορητότητας, παρουσιάζεται μια NGN αρχιτεκτονική βασισμένη στο πρωτόκολλο MPLS με σταθερή και φορητή σύγκληση, η οποία κυρίως υποστηρίζει ποιότητα υπηρεσιών για IPTV υπηρεσίες με δυνατότητα φορητότητας. Η IPTV έχει επίσης τη δυνατότητα να υπερφορτώνει το backbone δίκτυο και τα δίκτυα πρόσβασης με μεγάλους όγκους κυκλοφορίας. Μέχρι τώρα, η παροχή IPTV υπηρεσιών μέσω peer-to-peer streaming δικτύων έχει προοδεύσει σημαντικά με τη χρήση δύο διαφορετικών προσεγγίσεων: της tree-push και της mesh-pull. Ιδιαίτερα με τη meshpull streaming προσέγγιση έχουν επιτευχθεί μια πληθώρα από πετυχημένες εμπορικές υλοποιήσεις. Στο κεφάλαιο 5, εξετάζεται η τρέχουσα πρόοδος όσο αφορά την έρευνα και την ανάπτυξη mesh-pull P2P streaming συστημάτων. Παρατίθεται μια επισκόπηση της γενικής mesh-pull streaming αρχιτεκτονικής και διάφορες παραλλαγές της, σχεδιαστικά θέματα και ενδιαφέρονται ερευνητικά προβλήματα. Η ανάπτυξη συγκλινουσών υπηρεσιών τηλεόρασης, τηλεφωνίας και διαδικτυακής πρόσβασης μέσω του IP πρωτοκόλλου προϋποθέτει μια σημαντική αρχική επένδυση για τους παρόχους των υπηρεσιών αυτών. Η επένδυση αυτή δεν αφορά μόνο τη δικτυακή υποδομή, αλλά και τη διάθεση και διαχείριση μεγάλων κέντρων δεδομένων τα οποία είναι απαραίτητα. Συνεπώς οι πάροχοι υπηρεσιών πρέπει να σχεδιάσουν και να διαχειριστούν προσεκτικά την ανάπτυξη του IPTV συστήματος, ώστε να μεγιστοποιήσουν τις απολαβές από την επένδυση αυτή παρέχοντας ταυτόχρονα καλή αντιλαμβανόμενη ποιότητα στους συνδρομητές. Στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται διάφορες μεθοδολογίες οι οποίες μπορούν να διευκολύνουν τον αποτελεσματικό σχεδιασμό και την ευέλικτη ανάπτυξη IPTV υπηρεσιών σε αυτή τη νέα αγορά. [2009] [ΠΙΤΤΑΡΑΣ ΙΩΑΝΝΗΣ] Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ iv

5 ABSTRACT Telecommunications companies are under increased pressure due to competition from multiple system operators, and the changing communications and entertainment needs of residential consumers. These pressures are driving the telecommunications companies to design and deploy metro networks capable of delivering broadcast video and Video-on- Demand services through IP-based broadband connectivity (known as Interner Protocol Television or IPTV). One important architectural consideration for these IPTV networks is the core layer 1 transport infrastructure that supports delivery of these high-bandwidth services. Chapter 2 surveys some of the major layer 1 infrastructures, such as, optical transport network alternatives including DWDM, SONET, and Ethernet-on-fiber as well as its passive WDM/DWDM (PWDM) variation. Also chapter 2 examines the cable video network architecture, and in particular new emerging technologies that can provide cable networks with the means to transition to an IPTV architecture. IPTV over broadband telecommunication networks offers much more than traditional broadcast TV. Not only can it improve the quality that users experience with this linear programming TV service, but it also paves the way for new TV services, such as videoon-demand, time-shifted TV, and network personal video recorder services, because of its integral return channel and the ability to address individual users. Chapter 3 provides an overview of the typical IPTV network architecture protocols and some basic video coding concepts. Based on these, then is explained how IPTV can increase the linear programming TV quality experienced by end users by reducing channel-change latency and mitigating packet loss. For the latter, forward error correction and automatic repeat request techniques are discussed, whereas for the former a solution based on a circular buffer strategy is described. Chapter 3 further argues that the availability of larger buffers in the network enables IPTV to better offer new services (in particular, time-shifted TV, network personal video recorder, and video-on-demand) than the competing platforms. From the results it is verified that even in non-perfect transmission conditions IPTV services can easily be deployed without requiring huge investments in new infrastructure and network equipment. Powerful application layer FEC enables high-quality IPTV services without abandoning the promises of the Internet: best effort transport and end-toend reliability. Chapter 4 presents an architecture to support IPTV services in an IMS-based NGN. The architecture extends the current IMS specification with the required functionality to meet additional requirements of IPTV services. The proposed architecture can be deployed by an IPTV provider over heterogeneous access networks (mobile, wireless, and fixed) as a part of standardized NGN solutions. Possible approaches to NGN-based IPTV services assurance are presented from the QoE and QoS viewpoints. Also are described two main technical challenges in terms of the network and application levels for mobile IPTV service. To support a multimedia streaming application service over a mobile network environment, is presented the IP/MPLS-based NGN architecture with fixed and mobile convergence and its challenge, which is basically to support QoS for mobile IPTV service. IPTV also has the potential to overwhelm the Internet backbone and access networks with traffic. To date, IPTV over P2P streaming networks has advanced significantly using two different approaches: tree-push versus mesh-pull. In particular, the mesh-pull streaming approach has achieved a number of successful commercial deployments. In chapter 5, it is examined the current progress in the research and development of meshpull P2P streaming systems. It is provided an overview of the general mesh-pull v

6 streaming architecture and various methods, design issues, and interesting research problems in this approach are reviewed. The deployment of converged services of TV, telephony, and Internet access over IP entails a significant initial investment for service providers. This investment is not only for the underlying network infrastructure but also for provisioning and managing vast data centers needed to provide sophisticated IP-based TV (IPTV) experience, including multiple camera views, live (broadcast) and on demand programming, etc., to a large number of viewers. Thus the service providers need to carefully plan and manage the IPTV service deployment to maximize the return-on-investment while providing a good quality of experience to the subscribers. In chapter 6, are presented various methodologies to aid service providers to effectively plan for the staggered deployment of IPTV services in this fledgling market. [2009] [PITTARAS IOANNIS] Department of Information and Communication Systems Engineering UNIVERSITY OF THE AEGEAN vi

7 Table of Contents 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ορισμός και χαρακτηριστικά Διαφορές μεταξύ IPTV και Internet TV Επισκόπηση μιας IPTV δικτυακής υποδομής Προτυποποίηση IPTV τεχνολογιών Παράγοντες σχετικοί με την υλοποίηση μιας IPTV υπηρεσίας Χωρητικότητα του δικτύου Αξιοπιστία Γρήγορη απόκριση Προβλεπόμενη επίδοση QoS QoE ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ IPTV Δίκτυα διανομής στο τελευταίο μίλι Δίκτυα οπτικών ινών ADSL δίκτυα Δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης επόμενης γενιάς Δορυφορικά δίκτυα Ευρυζωνικά ασύρματα δίκτυα Internet Streamed διαδικτυακά τηλεοπτικά κανάλια Peer-to-peer αναμετάδοση IPTV backbone δικτυακή υποδομή ATM και SONET/SDH IP και MPLS Metro Ethernet IPTV σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών Gigabit Ethernet αφιερωμένων οπτικών ινών Gigabit ethernet παθητικής πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος SONET Gigabit Ethernet πυκνής πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος και δυνατότητα αναδιαμόρφωσης IPTV σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης IPTV σε οικιακά δίκτυα ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΣΤΑ ΑΝΩΤΕΡΑ ΕΠΙΠΕΔΑ Πρωτόκολλα Παραδοσιακά πρωτόκολλα μεταφοράς Πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου Real-time Transport Protocol Real-time Transport Control Protocol Real-Time Streaming Protocol Session Description Protocol...28 vii

8 Resource Reservation Protocol Πρωτόκολλα πολυδιανομής Internet Group Membership Protocol Session Initiation Protocol Τεχνολογίες κωδικοποίησης βίντεο MPEG MPEG H Θέματα ζωντανής τηλεοπτικής αναμετάδοσης Ελαχιστοποίηση απώλειας πακέτων Γρήγορη εναλλαγή καναλιών On-demand υπηρεσίες VoD Δυνατότητα χρονικής μετατόπισης Προσωπικός δικτυακός καταγραφέας περιεχομένου IPTV ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΟΜΕΝΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Αρχιτεκτονική NGN Κάθετη αρχιτεκτονική IPTV Εξέλιξη και προσαρμογή της IPTV αρχιτεκτονικής στα δίκτυα επόμενης γενιάς IMS-based IPTV πλατφόρμα Πλεονεκτήματα Αρχιτεκτονική Στοιχεία πυρήνα IMS Ανακάλυψη και επιλογή υπηρεσίας IPTV SCF IPTV media functions Μια πιθανή υλοποίηση μιας IMS-based IPTV πλατφόρμας Προτεινόμενο μοντέλο για QoS και QoE εγγυήσεις Διαβεβαίωση ποιότητας στο επίπεδο υπηρεσιών Η έννοια και η δομή του προφίλ Διαβεβαίωση ποιότητας στο επίπεδο μεταφοράς Mobile IPTV Βασισμένα στο MPLS, NGN δίκτυα με δυνατότητες φορητότητας Υπόβαθρο Αρχιτεκτονική Προκλήσεις επιπέδου εφαρμογών για IPTV υπηρεσίες με δυνατότητα φορητότητας PEER-TO-PEER IPTV Mesh-pull P2P αρχιτεκτονική Mesh-pull αρχιτεκτονική με ομάδες συνεργασίας Ομάδες συνεργασίας P2P με δυνατότητες χρονικής μετατόπισης Διαχείριση του ταμιευτήρα περιεχομένου P2P με πολιτικές προτεραιοτήτων ροών και δυνατότητες χρονικής μετατόπισης...73 viii

9 Χρονική μετατόπιση P2P για live-streaming Το πρόβλημα του pollution attack σε P2P συστήματα Blacklisting Κωδικοποίηση Hash εξακρίβωση ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Μοντελοποίηση της δικτυακής υποδομής Διατύπωση προβλήματος βελτιστοποίησης Μοντελοποίηση κοινότητας Καθυστέρηση εναλλαγής καναλιών Μοντελοποίηση εξυπηρετητών δεδομένων Μοντελοποίηση ποιότητας βίντεο Στοχαστικές διαδικασίες και P2P συστήματα...84 Αναφορές...88 ix

10 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Ορισμός και χαρακτηριστικά Ο όρος IPTV (Internet Protocol Television) συναντάται συχνά και ως Telco TV ή ευρυζωνική τηλεόραση (broadband TV). O επίσημος ορισμός για την έννοια IPTV σύμφωνα με το ITU-T FG IPTV (International Telecommunication Union focus group on IPTV) είναι ο εξής: Ως IPTV ορίζονται ένα σύνολο από πολυμεσικές υπηρεσίες, όπως τηλεόραση, video, ήχος, κείμενο, γραφικά και δεδομένα τα οποία αναμεταδίδονται πάνω από IP δίκτυα με τέτοιο τρόπο, ώστε να παρέχονται τα απαιτούμενα επίπεδα ποιότητας υπηρεσιών (QoS) και εμπειριών (QoE), καθώς και ασφάλεια, διαδραστικότητα και αξιοπιστία. Σε αντίθεση με τους μέχρι τώρα τρόπους τηλεοπτικής μετάδοσης, η IPTV μπορεί να περιλαμβάνει τα εξής χαρακτηριστικά: Διαδραστικότητα Η αμφίδρομες δυνατότητες των IPTV συστημάτων, επιτρέπουν στους παρόχους τέτοιου είδους υπηρεσιών να διανέμουν μια ευρεία γκάμα από διαδραστικές τηλεοπτικές εφαρμογές. Χρονική μετατόπιση (time shifting) Σε συνδυασμό με την δυνατότητα εγγραφής και αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων, δύνεται η ευελιξία της χρονικής μετατόπισης στο περιεχόμενο του τηλεοπτικού προγράμματος και η αποθήκευση αυτού για μετέπειτα παρακολούθηση και επεξεργασία. Εξατομίκευση Η από άκρο σε άκρο αμφίδρομη επικοινωνία των IPTV συστημάτων, μπορεί να επιτρέψει την εξατομίκευση των παρεχόμενων υπηρεσιών ανάλογα με το προσωπικά ενδιαφέροντα και συνήθειες των χρηστών. Καλύτερη αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης Σε αντίθεση με τους μέχρι τώρα τρόπους τηλεοπτικής μετάδοσης, οι IPTV τεχνολογίες επιτρέπουν την μετάδοση προς κάθε χρήστη μόνο του καναλιού το οποίο αυτός παρακολουθεί. Αυτό το χαρακτηριστικό δίνει στους παρόχους τη δυνατότητα να εξοικονομήσουν εύρος ζώνης στο δίκτυό τους. Προσβασημότητα από μεγαλύτερη γκάμα συσκευών Η πρόσβαση σε IPTV υπηρεσίες δεν περιορίζεται μόνο στις τηλεοράσεις, αλλά μπορεί να γίνει και από PC ή από διάφορες φορητές συσκευές (κινητά τηλέφωνα, PDA κτλ) Διαφορές μεταξύ IPTV και Internet TV Ο όρος IPTV καμιά φορά συγχέετε με τον όρο Internet TV. Οι δύο αυτές έννοιες αφορούν δυο διαφορετικά περιβάλλοντα, τα οποία όμως βασίζονται σε ένα κοινό πυρήνα από τεχνολογίες. Ωστόσο η IP μετάδοση τους διαφέρει με τους εξής τρόπους: 1

11 Διαφορετικές πλατφόρμες. Οι Internet TV πλατφόρμες έχουν ισχύ μετάδοσης σε όλους τους χρήστες του διαδικτύου. Στην αντίπερα όχθη, οι IPTV πλατφόρμες, κάνουν χρήση ασφαλών, ιδιωτικών δικτύων για να διανέμουν το τηλεοπτικό πρόγραμμα στους συνδρομητές. Αυτά τα ιδιωτικά δίκτυα διαχειρίζονται και εκμεταλλεύονται από τον εκάστοτε πάροχο της IPTV υπηρεσίας. Γεωγραφικοί περιορισμοί. Δίκτυα τα οποία κατέχουν και ελέγχουν οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι IPTV υπηρεσιών, δεν είναι πλήρως προσβάσιμα στους χρήστες του υπόλοιπου διαδικτύου και είναι τοποθετημένα σε συγκεκριμένες γεωγραφικές περιοχές. Αντιθέτως το διαδίκτυο δεν έχει γεωγραφικούς περιορισμούς και οι Internet TV υπηρεσίες, μπορούν να είναι προσβάσιμες από οποιοδήποτε μέρος του κόσμου. Κυριότητα της δικτυακής υποδομής. Όταν ένα video μεταφέρεται στο διαδίκτυο, κάποια από τα IP πακέτα τα οποία το μεταφέρουν, μπορεί να καθυστερήσουν ή να χαθούν καθώς διασχίζουν τα διάφορα δίκτυα τα οποία απαρτίζουν το διαδίκτυο. Σαν αποτέλεσμα, οι πάροχοι Internet TV υπηρεσιών δεν μπορούν να εγγυηθούν τηλεοπτικές υπηρεσίες αντίστοιχης ποιότητας με τις μέχρι τώρα υπάρχουσες. Αν όμως η τηλεοπτική μετάδοση γίνει εντός του ιδιόκτητου δικτύου ενός παρόχου, τότε ο πάροχος μπορεί να επέμβει για την από άκρο σε άκρο μετάδοση της υπηρεσίας με την επιθυμητή ποιότητα. Μηχανισμοί πρόσβασης. Για τη πρόσβαση και την αποκωδικοποίηση σε IPTV υπηρεσίες συνήθως χρησιμοποιείται μια ψηφιακή συσκευή (set-top box), ενώ για τις Internet TV υπηρεσίες το ρόλο του δέκτη αναλαμβάνει ένας προσωπικός υπολογιστής. Κόστος. Ένα σημαντικό ποσοστό τηλεοπτικού περιεχομένου το οποίο μεταδίδεται σε όλο το διαδίκτυο είναι διαθέσιμο δωρεάν. Ωστόσο ένα κομμάτι των παρόχων Internet TV υπηρεσιών, έχει αρχίσει και παρέχει τις υπηρεσίες του έναντι κάποιου αντιτίμουσυνδρομής. Οι πάροχοι IPTV υπηρεσιών εξ αρχής εφάρμοσαν το μοντέλο μηνιαίας συνδρομής, το οποίο εφαρμόζεται και από τους υπόλοιπους παρόχους συνδρομητικής τηλεόρασης. Στο μέλλον αναμένεται, Internet TV υπηρεσίες, να παρέχονται ως συμπληρωματικές στους συνδρομητές IPTV. Περιεχόμενο αναμεταδόσεων. Ένα μεγάλο μερίδιο του περιεχομένου, το οποίο παρέχεται στα Internet TV συστήματα δημιουργείται από τους ίδιους τους χρήστες σε αντίθεση με τις IPTV υπηρεσίες οι οποίες παρέχουν προγράμματα αντίστοιχα με αυτά των παραδοσιακών τηλεοπτικών προγραμμάτων Επισκόπηση μιας IPTV δικτυακής υποδομής Το σχήμα 1, αναπαριστά τις τυπικές λειτουργικές απαιτήσεις από άκρο σε άκρο, ενός IPTV συστήματος. IPTV Data Center. Γνωστό και ως headend, ένα κέντρο δεδομένων IPTV, λαμβάνει δεδομένα από μια πληθώρα πηγών τηλεοπτικού περιεχομένου (πχ καλωδιακά, επίγεια και δορυφορικά κανάλια) και μετά από κατάλληλη επεξεργασία όπου είναι απαραίτητο, τα προωθεί μέσο του ιδιόκτητου IP ευρυζωνικού δικτύου στους συνδρομητές. Ευρυζωνικό Δίκτυο Διανομής. Η διανομή IPTV υπηρεσιών απαιτεί από άκρο σε άκρο σύνδεση. Στη περίπτωση ενός αρκετά μεγάλου IPTV συστήματος, ο αριθμός των από άκρο σε άκρο συνδέσεων αυξάνεται σημαντικά και απαιτήσεις εύρους ζώνης μπορούν να γίνουν 2

12 πολύ μεγάλες. Η πρόοδος στις τεχνολογίες δικτύων τα τελευταία χρόνια έχουν καταστήσει εφικτό, οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι να μπορούν να καλύψουν τέτοιου είδους απαιτήσεις. IPTV συσκευές χρηστών. Οι IPTV συσκευές των τελικών χρηστών (IPTV consumer devices IPTVCDs) οι οποίες μπορούν να είναι τοποθετημένες σε διάφορα σημεία του οικιακού δικτύου, είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την επιτυχή πρόσβαση σε IPTV υπηρεσίες. Τέτοιου είδους συσκευές συνδέονται στο ευρυζωνικό δίκτυο και είναι υπεύθυνες για την αποκωδικοποίηση και επεξεργασία των εισερχομένων IP πολυμεσικών πακέτων. Επίσης υποστηρίζουν εξελιγμένες τεχνολογίες οι οποίες ελαχιστοποιούν ή εξαλείφουν τα δικτυακά προβλήματα κατά τη μεταγωγή IPTV περιεχομένου. Βασική κατηγορία αυτού του είδους συσκευών είναι τα set-top boxes, αλλά ως IPTVCDs μπορούν να θεωρηθούν και κάποιες παιχνιδομηχανές ή εξυπηρετητές πολυμέσων. Οικιακό δίκτυο. Με τη σύγκληση των υπηρεσιών τηλεφωνίας, διαδικτύου και τηλεόρασης σε μια και μοναδική υπηρεσία έχουν αρχίσει να εμφανίζονται μια πληθώρα από ενδιαφέρουσες προτάσεις τεχνολογιών οικιακής δικτύωσης. Σχήμα 1: Τυπικές λειτουργικές απαιτήσεις ενός IPTV συστήματος 1.4. Προτυποποίηση IPTV τεχνολογιών Ο κατασκευαστικός κλάδος IPTV τεχνολογιών απαιτεί ένα σύνολο από πρότυπα τα οποία θα προάγουν τον ανταγωνισμό, χαμηλότερα κόστη για τους συνδρομητές, ελαχιστοποίηση της σύγχυσης στην αγορά λόγο μη συμβατών τεχνολογιών και βελτιστοποίηση της παροχής ποιοτικών υπηρεσιών. Η προτυποποίηση των IPTV τεχνολογιών, δεν είναι ένα εύκολο κεφάλαιο επειδή αποτελούνται από ένα μεγάλο πλήθος διαφόρων συνιστώντων μερών και συστημάτων από διαφορετικούς κατασκευαστές, οι οποίοι εμπλέκονται στην κατασκευή ενός από άκρο σε άκρο IPTV συστήματος. Ωστόσο, όπως με κάθε νέα τεχνολογία, ένα σύνολο φορέων και κοινοπραξιών εμπλέκονται στη προτυποποίηση των IPTV τεχνολογιών. DSL Forum. Το DSL Forum είναι ένας μη κερδοσκοπικός οργανισμός ο οποίος συγκροτήθηκε για να ορίσει τα γενικά πλαίσια ανάπτυξης των DSL δικτυακών συστημάτων. Ο οργανισμός αυτός έχει δημιουργήσει έναν σεβαστό αριθμό συστάσεωνυποδείξεων σχετικά με το τομέα των IPTV συστημάτων. Moving Pictures Experts Group. Το MPEG group είναι μέρος του ISO/IEC και είναι υπεύθυνο για την ανάπτυξη διεθνών προτύπων συμπίεσης, αποσυμπίεσης, επεξεργασίας και κωδικοποιημένης αναπαράστασης κινούμενων εικόνων, ήχου και συνδυασμό αυτών. Η ομάδα αυτή εξελίσσει και κάποια πρότυπα τα οποία είναι σχετικά με τα IPTV συστήματα, όπως το ISO/IEC (MPEG-E M3W). European Telecommunication Standards Institute (ETSI). Το ETSI ίδρυσε το 2003 μια ομάδα η οποία καλείται Telecoms & Internet converged Services & Protocols for Advanced 3

13 Networks (TISPAN) για να αναπτύξει προδιαγραφές για τις επόμενης γενιάς δικτυακές υποδομές. Το TISPAN είναι διασπασμένο σε διάφορες μικρότερες ομάδες οι οποίες εργάζονται σε θέματα όπως οικιακά δίκτυα, ασφάλεια, δικτυακή διαχείριση και διευθυνσιοδότηση, τα οποία είναι ιδιαιτέρως σημαντικά σε ένα IPTV σύστημα. Open IPTV Forum. Η κοινοπραξία αυτή αποτελείται από ένα σύνολο δικτυακών φορέων και κατασκευαστών δικτυακού εξοπλισμού και ηλεκτρονικών συσκευών. Στόχος της ομάδας αυτής είναι να εργαστεί με τα υπάρχοντα πρότυπα ώστε να ορίσει από άκρο σε άκρο προδιαγραφές για τη διανομή IPTV υπηρεσιών κατά μήκος μιας πληθώρας διαφορετικών δικτυακών αρχιτεκτονικών. Broadband Services Forum (BSF). Ένας από τους βασικούς στόχους και αυτής της κοινοπραξίας διαφόρων εταιριών είναι η ανάπτυξη τεχνολογιών γύρο από IPTV συστήματα. Wireless HD Consortium. Η ομάδα αυτή ιδρύθηκε το 2006 και εργάζεται σε διάφορες τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης τηλεόρασης υψηλής ανάλυσης (high definition HD). ITU-T FG IPTV. Την άνοιξη του 2006 το ITU ίδρυσε μια ομάδα η οποία εστιάζει σε θέματα IPTV για να συντονίσει και να προάγει την ανάπτυξη παγκόσμιων IPTV προτύπων. Η ομάδα αυτή εστιάζει τις έρευνές της σε θέματα όπως, αρχιτεκτονική, DRM (Digital Rights Management), μετρήσεις ποιότητας υπηρεσιών (QoS metrics), μεταδεδομένα, διαλειτουργικότητα και πειραματικούς ελέγχους. Alliance for Telecommunications Industry Standard (ATIS). Ο ATIS είναι ένας οργανισμός της βιομηχανίας τηλεπικοινωνιών, ο οποίος περιλαμβάνει περισσότερες από 350 εταιρίες μέσα στις οποίες περιλαμβάνονται και οι μεγαλύτεροι πάροχοι τέτοιου είδους υπηρεσιών. Μέσα στα πλαίσια του οργανισμού αυτού έχει δημιουργηθεί και το IPTV Interoperability Forum (IΙF). Το IIF έχει σαν στόχο να παράγει μια συνολική αρχιτεκτονική αναφοράς για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση IPTV υπηρεσιών. Τα τέσσερα κύρια πεδία έρευνας και ανάπτυξης αφορούν τον εξοπλισμό υποδομής, την ασφάλεια μετάδοσης δεδομένων, τον έλεγχο διαλειτουργικότητας και τη ποιότητα υπηρεσιών. Πρόσφατα εκδόθηκαν κάποια γενικά πλαίσια που αφορούν τη διαχείριση ψηφιακών δικαιωμάτων και την αρχιτεκτονική των IPTV συστημάτων. ATIS : Το κείμενο αυτό προσδιορίζει τις προδιαγραφές διαλειτουργικότητας που σχετίζονται με την υλοποίηση DRM σε IPTV συστήματα. Ο οργανισμός σχεδιάζει να κάνει χρήση αυτού του πλαισίου σαν βάση για τη δημιουργία μελλοντικά προσδιορισμών διαλειτουργικότητας που αφορά το DRM και την ασφάλεια IPTV συστημάτων. ATIS : Αυτό το κείμενο παρέχει τα πλαίσια λειτουργίας, στους παρόχους περιεχομένου και υπηρεσιών, που απαιτούνται για τη διανομή IPTV υπηρεσιών. ATIS : Αυτό το κείμενο εκδόθηκε το 2006 και διατυπώνει ένα πλαίσιο αποτελούμενο από έναν αριθμό φάσεων για τη προτυποποίηση της αρχιτεκτονικής των IPTV συστημάτων. ATIS : Αυτό το κείμενο ορίζει το πλαίσιο για τη παρακολούθηση στατιστικών στοιχείων που αφορούν το QoS για διάφορους τύπους IPTV υπηρεσιών. ATIS : Αυτό το κείμενο καλύπτει το κεφάλαιο της απώλειας πακέτων κατά μήκος IPTV δικτυακών υποδομών. Επιπροσθέτως, για την αναγνώριση των διαφόρων αιτιών που προκαλούν απώλεια πακέτων παρέχει ένα σύνολο συστάσεων που αφορούν την ελάττωση του αντίκτυπου της απώλειας πακέτων σε ένα ζωντανό IPTV δικτυακό περιβάλλον. Τα παραπάνω κείμενα έχουν κοινοποιηθεί και σε άλλους οργανισμούς προτυποποίησης IPTV συστημάτων όπως το ITU-T FG IPTV για την εξασφάλιση διαλειτουργικότητας μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών. Επίσης ο οργανισμός σχεδιάζει να ιδρύσει στο μέλλον 4

14 μια διαδικασία πιστοποίησης κατασκευαστών υλικού και λογισμικού. Internet Protocol Detail Record Organization (IPDR). Το IPDR είναι μια κοινοπραξία παρόχων υπηρεσιών και προμηθευτών εξοπλισμού, αποκλειστικά επικεντρωμένη στην ανάπτυξη και καθοδήγηση της υιοθεσίας των IP υπηρεσιών επόμενης γενιάς και τη χρήση κοινών προτύπων παγκοσμίως. Αυτός ο οργανισμός έχει αναλάβει την ευθύνη καθορισμού διαλειτουργικών προτύπων για τις χρεώσεις, τη διαχείρισης δικτύου και την υποστήριξη του συστήματος. Internet Streaming Media Alliance (ISMA). Το ISMA ιδρύθηκε το 2000 και αποτελεί μια μη κερδοσκοπική συμμαχία διαφόρων εταιριών η οποία τυγχάνει ευρείας υποστήριξης. Αποστολή του είναι να διευκολύνει και να προάγει την υιοθεσία μιας ανοικτής αρχιτεκτονικής για streaming ήχο και βίντεο πάνω από IP δίκτυα. Έχει αναπτύξει έναν αριθμό από τεχνικές προδιαγραφές οι οποίες εκτείνονται από τους χρόνους αλλαγής καναλιών στα IPTV συστήματα έως το συγχρονισμό γραφικών και δεδομένων με περιεχόμενο streaming βίντεο. Όλες οι τεχνικές προδιαγραφές που έχουν προταθεί κάνουν χρήση των ανοικτών προτύπων του IETF. DVB-IPI. Για την ανάπτυξη προτύπων μετάδοσης υπηρεσιών ψηφιακής τηλεόρασης πάνω από IP ευρυζωνικά δίκτυα ο οργανισμός DVB έχει σχηματίσει την ομάδα DVB Technical Module Ad Hoc Group on IP Infrastructure (DVB-IPI). Στόχος της ομάδας αυτής είναι να καθορίσει τεχνολογίες οι οποίες επιτρέπουν στους συνδρομητές να αγοράσουν ένα DVB-IP set-top box σε οποιοδήποτε κατάστημα, να το συνδέσουν σε ένα ευρυζωνικό δίκτυο, να το θέσουν σε λειτουργία και χωρίς περαιτέρω διαδικασίες να αρχίσουν να λαμβάνουν DVB υπηρεσίες. Το DVB-IPI κάνει χρήση ενός αριθμού από υπάρχουσες και ώριμες τεχνολογίες για να χτίσει ένα πλαίσιο λειτουργίας το οποίο να υποστηρίζει τους στόχους του. Consumer Electronics Association (CEA). Το CEA σε σύνδεση με έναν αριθμό από τηλεπικοινωνιακούς παρόχους των Η.Π.Α. έχουν ορίσει ένα σύνολο από πέντε αρχές για να εξασφαλίσουν τη διαθεσιμότητα ψηφιακών συσκευών οι οποίες συνδέονται σε δίκτυα τα οποία τρέχουν IPTV υπηρεσίες. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαφοροποιήσεις που υπάρχουν στις IPTV αρχιτεκτονικές παγκοσμίως, η υλοποίηση των αυτών των προτύπων θα διαφέρει από δίκτυο σε δίκτυο Παράγοντες σχετικοί με την υλοποίηση μιας IPTV υπηρεσίας Πριν μια IPTV υπηρεσία βγει στην αγορά για εμπορικά κατανάλωση πρέπει να ληφθούν υπόψη ένας αριθμός από σημαντικούς παράγοντες οι οποίοι καθορίζουν την υποδομή και την αρχιτεκτονική μέσω των οποίων παρέχεται η υπηρεσία Χωρητικότητα του δικτύου Για την υποστήριξης IPTV υπηρεσιών τα εκάστοτε δίκτυα διανομής πρέπει να υποστηρίζουν χωρητικότητα μεταφοράς υψηλού εύρους ζώνης. Το μέγεθος του εύρους ζώνης το οποίο απαιτητέ για τη μεταφορά IPTV είναι σε γενικές γραμμές πολλαπλάσιο αυτού που απαιτητέ για την υποστήριξη VoIP ή άλλων διαδικτυακών υπηρεσιών. Το συνολικό εύρος ζώνης το οποίο απαιτήται 5

15 για την υλοποίηση μιας IPTV υπηρεσίας από τους παρακάτω δύο παράγοντες: Το πλήθος των διανεμόμενων καναλιών ζωντανής αναμετάδοσης τα οποία προσφέρονται Για τη παροχή καναλιών με live-streaming, ένα μόνο αντίγραφο κάθε τηλεοπτικού καναλιού αποστέλλεται από το IPTV κέντρο δεδομένων στο εκάστοτε δίκτυο διανομής. Όταν το κανάλι εισέρχεται στο δίκτυο διανομής μια διαδικασία πολυδιανομής (multicasting) αναλαμβάνει το πολλαπλασιασμό και τη δρομολόγηση των πακέτων στους εκάστοτε συνδρομητές που παρακολουθούν το κανάλι. Παραδείγματος χάριν, αν μια IPTV υπηρεσία παρέχει με MPEG-4 κωδικοποίηση, 120 τηλεοπτικά κανάλια μέσης ανάλυσης (standard definition - SD) με 2 Mbps ανά μεταδιδόμενο κανάλι, 8 τηλεοπτικά κανάλια υψηλής ανάλυσης (high definition HD) με 10 Mbps ανά μεταδιδόμενο κανάλι και 50 ραδιοφωνικούς σταθμούς με 192 kbps ανά μεταδιδόμενο σταθμό και μια δεδομένη χρονική στιγμή τουλάχιστον ένας συνδρομητής παρακολουθεί κάθε μια από αυτές τις μεταδόσεις τότε απαιτήται από το δίκτυο χωρητικότητα εύρους ζώνης 329,6 Mbps. Τον όγκο των παρεχόμενων VoD υπηρεσιών Η εκτίμηση της απαιτούμενης χωρητικότητας του δικτύου γίνεται ακόμα πιο δύσκολη εάν πάνω από αυτό παρέχονται και VoD υπηρεσίες οι οποίες επιτρέπουν στους συνδρομητές να επιλέγουν πότε θα παρακολουθήσουν αυτού του είδους το περιεχόμενα και να επεμβαίνουν με χρονικές μετατοπίσεις σε αυτό (rewind, fast-forward, pause, stop). Αυτού του τύπου οι υπηρεσίες απαιτούν unicast τύπου μηχανισμούς αναμετάδοσης από τον VoD εξυπηρετητή προς τη συσκευή του κάθε συνδρομητή με αποτέλεσμα να απαιτήται αρκετά μεγάλη χωρητικότητα στο backbone δίκτυο. Για παράδειγμα, σε ένα δίκτυο με συνδρομητές να αιτούνται μέσα σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα 2 ωρών να παρακολουθήσουν μια VoD ταινία αυτό απαιτεί από το δίκτυο χωρητικότητα της τάξεως των 100 Gbps (50.000x2Mbps) αν οι ταινίες είναι SD (2 Mbps) ενώ αν ένα ποσοστό εξ αυτών είναι HD (10 bps) τότε οι απαιτήσεις αυξάνονται κατά πολύ περισσότερο. Δηλαδή αν ένα 10% των παραπάνω αιτημάτων είναι για HD ταινίες, τότε το δίκτυο πρέπει να διαθέτει 140 Gbps (50.000x90%x2Mbps x10%x10Mbps) Αξιοπιστία Οι συνδρομητές αναμένουν αξιόπιστες IPTV υπηρεσίες, τις οποίες οι πάροχοι πρέπει να εγγυηθούν. Σύμφωνα με στατιστικές μετρήσεις τα ποσοστά αστοχίας στη καλωδιακή τηλεόραση, ανέρχονται στο 3-5% ετησίως, ενώ στη δορυφορική περίπου στο 1% ετησίως. Οι πάροχοι IPTV υπηρεσιών πρέπει να λάβουν πολύ σοβαρά υπόψη τα παραπάνω ποσοστά και να κατασκευάσουν με τέτοιο τρόπο τα συστήματά τους ώστε τα αποδίδουν με ανάλογα ή χαμηλότερα ποσοστά αστοχίας. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να γίνει αυστηρή μελέτη και έλεγχος όλων των στοιχείων του συστήματος. Η δικτυακή υποδομή πρέπει να είναι αξιόπιστη σε ενδεχόμενα αστοχίας υλικού. Τα ενδεχόμενα διακοπής της αναμετάδοσης από αστοχία δικτυακού υλικού, είτε αυτή είναι multicast είτε είναι unicast, πρέπει να έχουν εκμηδενιστεί. Πλεονάζουσες συνδέσεις πρέπει να χρησιμοποιούνται όπου αυτό είναι εφικτό. Τα κέντρα δεδομένων πρέπει να είναι κατασκευασμένα με υψηλούς δείκτες αξιοπιστίας και δυνατότητες γρήγορης αποκατάστασης βλαβών. 6

16 Γρήγορη απόκριση Το δίκτυο πρέπει να υποστηρίζει όσο το δυνατόν μικρότερους χρόνους απόκρισης σε ενέργειες όπως η έναρξη προβολής ενός προγράμματος (ζωντανού ή VoD), τα αιτήματα εναλλαγής καναλιών από τους χρήστες, καθώς και τα αιτήματα χρονικής μετατόπισης στα VoD προγράμματα Προβλεπόμενη επίδοση Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μιας video streaming υπηρεσίας είναι μεταβλητός ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις και δυνατότητες του εξοπλισμού τον οποίο χρησιμοποιεί ο συνδρομητής. Η πάροχοι τέτοιου είδους υπηρεσιών πρέπει να το λάβουν αυτό υπόψη και να συμπεριλάβουν στο σύστημά τους μηχανισμούς που να χειρίζονται με βέλτιστο τρόπο αυτού του είδους τις διαφοροποιήσεις που υπάρχουν στις συσκευές των συνδρομητών QoS Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι περισσότερες IPTV υπηρεσίες παρέχονται μέσω του ιδιωτικού δικτύου του εκάστοτε παρόχου, ενδείκνυται η υλοποίηση μιας QoS πολιτικής για τη διανομή συνδρομητικών υπηρεσιών τηλεόρασης. Ένα σύστημα στο οποίο εφαρμόζονται QoS πολιτικές προστατεύει τη συνεχή ροή των δεδομένων που έχουν προτεραιότητα και ελαχιστοποιεί την πιθανότητα φθοράς της μετάδοσης σε μεγάλες αποστάσεις. Επιτρέπει στους χειριστές τέτοιου είδους πολιτικών να παρέχουν υπηρεσίες οι οποίες απαιτούν αυστηρές εγγυήσεις επιδόσεων. Περιλαμβάνοντας ένα πλήθος από δικτυακές τεχνικές και πρωτόκολλα υποστήριξης που εγγυώνται στους συνδρομητές IPTV ένα καθορισμένο επίπεδο ποιότητας στη παρεχόμενη υπηρεσία QoE Ο όρος Quality of Experience (QoE) περιγράφει το πόσο καλά μια υπηρεσία, ικανοποιεί τις προσδοκίες των συνδρομητών. Αποτελεί την αξιολόγηση της επίδοσης κάθε υπηρεσίας από την οπτική διάσταση των συνδρομητών. Για τις IPTV υπηρεσίες, είναι λογικό να αναμένεται επίτευξη QoE ισάξιο ή καλύτερο από αυτό τον παραδοσιακών τρόπων παροχής τηλεοπτικού υλικού (επίγεια, καλωδιακή και δορυφορική τηλεόραση). Η best-effort φύση των IP δικτύων καθιστά το παραπάνω ως μια δύσκολη αλλά ωστόσο επιτεύξιμη πρόκληση. 7

17 2.ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΚΤΥΩΝ ΔΙΑΝΟΜΗΣ IPTV Για τη παροχή IPTV υπηρεσιών μέχρι το τελικό χρήστη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ένα σύνολο από διαφορετικούς τύπους δικτύων, όπως δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης, τηλεφωνικά δίκτυα χαλκού, ασύρματα καθώς και δορυφορικά δίκτυα. Η διανομή τηλεοπτικού περιεχομένου πάνω από όλους αυτούς τους διαφορετικούς τύπους δικτύων δημιουργεί ένα ευρύ φάσμα από προκλήσεις Δίκτυα διανομής στο τελευταίο μίλι Μια από τις βασικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι πάροχοι IPTV υπηρεσιών είναι η παροχή επαρκούς εύρους ζώνης στο κομμάτι αυτό του δικτύου που ενώνει το core backbone δίκτυο με τους τελικούς χρήστες. Τη παρούσα στιγμή υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι δικτύων ευρυζωνικής πρόσβασης τα οποία πληρούν τις προϋποθέσεις για την παροχή IPTV στο τελευταίο μίλι. Δίκτυα οπτικών ινών ΑDSL δίκτυα Δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης Δορυφορικά δίκτυα Ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα Διαδίκτυο Στη συνέχεια δίνεται μια τεχνική επισκόπηση της χρήσης των παραπάνω τεχνολογιών σε μια από άκρο σε άκρο IPTV δικτυακή υποδομή Δίκτυα οπτικών ινών Οι αυξανόμενες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης σε συνδυασμό με το πλέον χαμηλότερο κόστος λειτουργίας και την έλλειψη ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών είναι κάποιοι από τους παράγοντες που οδηγούν στην ανάπτυξη δικτύων πρόσβασης οπτικών ινών. Η εγκατάσταση οπτικών ινών πλησιέστερα στους τελικούς χρήστες με συνεπακόλουθο την επίτευξη ζεύξεων μεγαλύτερου εύρους ζώνης μπορεί να γίνει με τις εξής αρχιτεκτονικές: Fiber to the regional office (FTTRO). Η αρχιτεκτονική αυτή αφορά τη ζεύξη με οπτικές ίνες του IPTV κέντρου δεδομένων με το τοπικό αστικό κέντρο παροχής τηλεφωνίας ή καλωδιακής τηλεόρασης. Στη συνέχεια η ζεύξη του αστικού κέντρου με τον χρήστη επιτυγχάνεται με χρήση της υπάρχουσας καλωδίωσης από χαλκό. Fiber to the node (FTTN). Σε αυτή την αρχιτεκτονική η οπτική ίνα καταλήγει στον κεντρικό κατανεμητή της γειτονιάς του χρήστη από όπου και πάλι η ζεύξη με τον χρήστη 8

18 γίνεται μέσο της υπάρχουσας καλωδίωσης χαλκού. Fiber to the curb/home/apartment (FTTC/H/A). Πλέον σε όποιες νέες υποδομές υπάρχει ανάλογη πρόβλεψη, οι οπτικές ίνες μπορούν να πλησιάσουν ακόμα περισσότερο το τελικό χρήστη και σε συνδυασμό με ομοαξονικά καλώδια αντί για χαλκό να επιτευχθούν ζεύξεις με πολύ μεγάλο εύρος ζώνης. Η διανομή πληροφορίας μέσο αυτών των αρχιτεκτονικών μπορεί σε γενικές γραμμές να γίνει μέσο δύο διαφορετικών εναλλακτικών οι οποίες είναι τα παθητικά οπτικά δίκτυα (passive optical networks - PONs) και τα ενεργά οπτικά δίκτυα (active optical networks AONs) των οποίων η περαιτέρω ανάπτυξη δεν είναι καίριας σημασίας για τους σκοπούς της εργασίας αυτής ADSL δίκτυα Τη τελευταία διετία ένας αριθμός από τηλεπικοινωνιακούς παρόχους σε διάφορα μέρη του κόσμου έχουν μπει δυναμικά στην αγορά των IPTV υπηρεσιών εκμεταλλευόμενοι την υπάρχουσα υποδομή χαλκού και την ΑDSL τεχνολογία. Το πρότυπο της ADSL (ANSI T1.413 και ITU G.992.1) επιτρέπει κατερχόμενες ταχύτητες μέχρι και 8 Mbps και ανερχόμενες μέχρι και 1 Mbps ενώ με τα πιο πρόσφατα πρότυπα των ADSL2/2+ τεχνολογιών (ITU G.992.3, G.992.4, G.992.5) οι κατερχόμενες ταχύτητες μπορούν να αγγίξουν μέχρι και 24 Mbps. Ωστόσο αν και τη παρούσα στιγμή η τεχνολογία αυτή μπορεί να καλύψει μια μεγάλη μερίδα συνδρομητών με ικανοποιητικές ταχύτητες, η εξέλιξή της πλέον βρίσκεται στα όρια της και σε λίγα χρόνια θα θεωρείται ξεπερασμένη Δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης επόμενης γενιάς Οι πάροχοι καλωδιακής τηλεόρασης έχουν κάνει τα τελευταία χρόνια σημαντικές επενδύσεις ώστε να αναβαθμίσουν τα δίκτυα τους για τη παροχή νέων υπηρεσιών, μέσα στις οποίες είναι και η IPTV. Κατά κύριο λόγο κάνουν πλέον χρήση HFC (hybrid fiber/coax) τεχνολογιών οι οποίες συνδυάζουν οπτικές ίνες και ομοαξονικά καλώδια. Με τη χρήση αυτών των τεχνολογιών οι μέχρι τώρα πάροχοι καλωδιακής τηλεόρασης βρίσκονται ένα βήμα πιο μπροστά από τους παραδοσιακούς παρόχους τηλεφωνίας όσο αφορά την παροχή υψηλών απαιτήσεων ευρυζωνικών υπηρεσίες όπως είναι και η IPTV. Η εταιρία CableLabs με τη συνεργασία κάποιων από τους μεγαλύτερους παρόχους καλωδιακής τηλεόρασης δημιούργησε το πρότυπο DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) για τη συμβατότητα δικτυακού εξοπλισμού αυτού του είδους. Η Ευρωπαϊκή παραλλαγή του προτύπου αυτού ονομάζεται EuroDOCSIS Δορυφορικά δίκτυα Η διανομή βίντεο μέσο IP πακέτων γίνεται πλέον όλο και πιο δημοφιλής στα δορυφορικά δίκτυα. Οι δορυφόροι μπορούν να παρέχουν υψηλότερο εύρος ζώνης σε σχέση με τα επίγεια μέσα μετάδοσης και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ευρέως για τη παροχή IP υπηρεσιών ψηφιακού 9

19 βίντεο, VoIP και υψηλής ταχύτητας πρόσβαση στο διαδίκτυο. Πολλοί από τους παρόχους δορυφορικών υπηρεσιών χρησιμοποιούν τα δίκτυα τους για τη μεταφορά δεδομένων προς τα διάφορα IPTV headends. Αν και η παροχή ευρυζωνικών υπηρεσιών με αμφίδρομη ζεύξη των τελικών χρηστών μέσο δορυφόρου κρίνεται δαπανηρή και ασύμφορη με της υπάρχουσες τεχνολογίες, η δυνατότητα των δορυφόρων να καλύπτουν μεγάλες γεωγραφικές περιοχές και να εκπέμπουν μεγάλο όγκο δεδομένων τους καθιστά ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για τη παροχή υπηρεσιών όπως IPTV. Για τη ενίσχυση των επίγειων IPTV συστημάτων το τελευταίο καιρό αναπτύσσονται ένα σύνολο από υβριδικές συσκευές που συνδυάζουν δορυφορική λήψη, σύνδεση με επίγεια ευρυζωνικά δίκτυα και υψηλής χωρητικότητας αποθηκευτικές μονάδες δεδομένων Ευρυζωνικά ασύρματα δίκτυα Οι νέες ασύρματες τεχνολογίες ευρυζωνικής κάλυψης παρέχουν μια επιπλέον πλατφόρμα διανομής IPTV στους τελικούς χρήστες. Βασικότερες τεχνολογίες αυτού του τύπου είναι οι εξής: Worldwide Interoperability for Microwave Access ή WiMAX (IEEE ) Ασύρματα αστικά mesh δίκτυα 3G δίκτυα κινητής τηλεφωνίας με τεχνολογίες EV-DO και HSDPA Αυτές οι τεχνολογίες αν και με εξαίρεση το WiMAX δεν συνίστανται για διανομή IPTV υπηρεσιών σε οικιακούς χρήστες, μπορούν να αξιοποιηθούν για τη παροχή IPTV υπηρεσιών σε φορητές συσκευές Internet Η βελτίωση της παροχής ευρυζωνικής πρόσβασης στο διαδίκτυο σε συνδυασμό με τη βελτίωση των τεχνολογιών συμπίεσης πολυμεσικών δεδομένων στρέφει τα τελευταία χρόνια όλο και πιο πολλούς χρήστες σε αυτό προς αναζήτηση βιντεοδιασκέδασης. Τη τρέχουσα περίοδο μεγάλη μερίδα των χρηστών του διαδικτύου κατεβάζει με τους παραδοσιακούς τρόπους λήψης αρχείων μεγάλους όγκους δεδομένων βίντεο (πχ κινηματογραφικές ταινίες). Στη συνέχεια παρουσιάζοντα δύο μορφές αναμετάδοσης βίντεο οι οποίες χρησιμοποιούνται είδη για τη παροχή Internet TV και μπορούν να αξιοποιηθούν για την διεύρυνση των IPTV υπηρεσιών (παροχή mobile IPTV σε laptop, PDA κτλ) ή την εξοικονόμηση πόρων στο δίκτυο του παρόχου Streamed διαδικτυακά τηλεοπτικά κανάλια Η διανομή τηλεοπτικών καναλιών μέσο του Διαδικτύου (Internet TV) είναι πλέον μια δημοφιλής IPTV εφαρμογή που περιλαμβάνει τη μεταφορά (streaming) βίντεο από ένα streaming server προς τους χρήστες. Η θέαση μπορεί να γίνει μέσω μιας πληθώρας από διαφορετικές συσκευές, όπως PC, media center, κινητά τηλέφωνα και τηλεοράσεις μέσω ενός IP set-top box. Η τεχνική διεργασία κατά την οποία αναμεταδίδεται ένα Internet TV κανάλι αρχίζει στον streaming server όπου το τηλεοπτικό περιεχόμενο διασπάται σε πολλαπλά IP πακέτα, συμπιέζεται και στη συνέχεια προωθείται μέσο του διαδικτύου στους τηλεθεατές. Εκτός από αυτή τη βασική 10

20 λειτουργία, ένας streaming server υποστηρίζει και λειτουργίες όπως αποθήκευση και ανάκτηση, έλεγχο ρυθμού μετάδοσης καθώς και χρονική μετατόπιση στο περιεχόμενο εφόσον ζητηθεί από τον χρήστη. Η χρήση ενός και μόνο streaming server μπορεί να μεταδώσει μικρό αριθμό καναλιών σε περιορισμένο αριθμό χρηστών. Οπότε για τη κάλυψη μεγάλου αριθμού καναλιών προς μεγάλο αριθμό χρηστών απαιτητέ η τοποθέτηση ενός πλήθους από streaming server σε διάφορα μέρη του δικτύου. Αυτό που διαχωρίζει τις Internet TV υπηρεσίες από τις υπόλοιπες οι οποίες έχουν αναφερθεί σε αυτό το κεφάλαιο είναι ότι οι πάροχοι τέτοιου είδους υπηρεσιών δεν μπορούν να παρέμβουν στις λειτουργίες της δικτυακής υποδομής μέσο της οποίας γίνεται η αναμετάδοση Peer-to-peer αναμετάδοση H peer-to-peer αναμετάδοση τηλεοπτικού περιεχομένου επιτρέπει στου χρήστες να παρακολουθούν, να μοιράζονται και να δημιουργούν το δικό τους τηλεοπτικό περιεχόμενο. Σε επόμενο κεφάλαιο θα γίνει εκτενής αναφορά αυτού του τρόπου αναμετάδοσης ως προς το πως μπορεί να αξιοποιηθεί σε ένα ιδιόκτητο δίκτυο για την εξοικονόμηση πόρων στις VoD μεταδόσεις IPTV backbone δικτυακή υποδομή Η ραχοκοκαλιά-πυρήνας μιας IPTV δικτυακής υποδομής απαιτήται να μπορεί να μεταφέρει μεγάλο όγκο τηλεοπτικού περιεχομένου με πολύ υψηλές ταχύτητες, μεταξύ των IPTV headent και των last-mile δικτύων διανομής. Υπάρχουν μια πληθώρα από πρότυπα τα οποία παρέχουν δυνατότητες πολυδιόδευσης και προστασίας συνδέσμου τα οποία είναι απαραίτητο να παρέχουν και υψηλού επιπέδου δυνατότητες αξιοπιστίας. Καθένα από αυτά τα πρότυπα έχει κάποια ειδικά χαρακτηριστικά ως προς τη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων και τη προσαρμοστικότητα. Οι τρεις βασικές τεχνολογίες μετάδοσης σε backbone IPTV δικτυακές υποδομές είναι οι εξής: ΑΤΜ μέσω SONET/SDH IP μέσω MPLS metro ethernet Οι τεχνολογίες αυτές παρέχουν συνδεσιμότητα μεταξύ των IPTV κέντρων δεδομένων και των δικτύων πρόσβασης των τελικών χρηστών ATM και SONET/SDH Τα ATM δίκτυα μπορούν να στηρίξουν απαιτητικές εφαρμογές όπως IPTV στις οποίες υπάρχει ανάγκη για υψηλό εύρος ζώνης και μικρές καθυστερήσεις. Αν και ATM μπορεί να εφαρμοστεί μέσω διαφόρων μέσων συμπεριλαμβανομένων των ομοαξονικών καλωδίων και των καλωδίων ανεστραμμένων ζευγών, η τεχνολογία αυτή λειτουργεί στη βέλτιστη της ταχύτητα με τη χρήση καλωδίων οπτικών ινών. Σε φυσικό επίπεδο για τη μεταφορά των ATM κελιών μέσα από ένα 11

21 backbone δίκτυο, συνήθως γίνεται χρήση τεχνολογίας SONET. Το SONET (Synchronous Optical Network) είναι ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης με τη χρήση οπτικών ινών. Η ερευνητική προσπάθεια της CCITT για τα SONET συστήματα οδήγησε σε ένα σύνολο από συστάσεις οι οποίες ονομάστηκαν SDH (Synchronous Digital Hierarchy) οι οποίες διαφέρουν από το SONET μόνο σε θέματα ήσσονος σημασίας IP και MPLS Τα τελευταία χρόνια οι περισσότεροι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι έχουν αρχίσει και κάνουν χρήση του IP πρωτοκόλλου στα backbone δίκτυά τους αν και το πρωτόκολλο αυτό δεν είναι σχεδιασμένο για να παρέχει λειτουργίες όπως QoS ή προώθηση δεδομένων με διαφορετικούς ρυθμούς ανάλογα με τη σημαντικότητα αυτών. Ωστόσο, σε συνδυασμό με το πρωτόκολλο MPLS (Multiprotocol Label Switching) το IP λειτουργεί πολύ καλά σε τέτοιου είδους περιβάλλοντα. Έτσι, ένα δίκτυο το οποίο κάνει χρήση του MPLS μπορεί να αξιοποιηθεί με βέλτιστο τρόπο από τον πάροχο που το κατέχει, για να μεταφέρει IPTV δεδομένα. Μια MPLS πλατφόρμα είναι βασισμένη σε δρομολογητές LSR (Label Switch Router) οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την εγκαθίδρυση συνδεσμοστρεφών μονοπατιών προς συγκεκριμένα άκρα του δικτύου αυτού. Η χρήση συνδεσμοστρεφών μονοπατιών απλοποιεί και επιταχύνει τη δρομολόγηση των πακέτων μέσα στο δίκτυο γιατί η επεξεργασία του πακέτου σε υψηλότερα επίπεδα γίνεται μόνο κατά την είσοδο αυτού στο δίκτυο και δεν είναι απαραίτητη στη συνέχεια. Η δεύτερη κύρια λειτουργία των δρομολογητών LSR είναι να αναγνωρίζουν τους διάφορους τύπους δικτυακής κυκλοφορίας μέσω του MPLS header και να εφαρμόζουν σε αυτή διάφορες πολιτικές δρομολόγησης. Αυτή η δυνατότητα είναι πολύ σημαντική αφού για παράδειγμα μπορεί να εφαρμοστεί πολιτική κατά την οποία δύνεται προτεραιότητα στα IPTV πακέτα σε σχέση με άλλη τύπου best-effort κυκλοφορία Metro Ethernet Μια άλλη τεχνολογία η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα backbone δίκτυο είναι το Metro Ethernet. Ένα σύνολο από παρόχους υπηρεσιών, κατασκευαστές δικτυακού εξοπλισμού και διάφορες άλλες εταιρίες με ηγετική θέση στο χώρο με την επωνυμία Metro Ethernet Forum (MEF) είναι υπεύθυνοι για τη καθίδρυση προδιαγραφών για ενιαίες Ethernet τεχνολογίες σε υψηλής χωρητικότητας backbone δίκτυα. Τα σημεία κλειδιά των τεχνικών και λειτουργικών προδιαγραφών ενός Metro Ethernet δικτύου περιλαμβάνουν τα εξής: Καλύπτει τις διάφορες βασικές απαιτήσεις της οποίες έχει ένα backbone δίκτυο όπως προσαρμοστικότητα, υψηλές επιδόσεις κτλ. Κάποιοι από τους νέους Metro Ethernet μηχανισμούς μπορούν να λειτουργήσουν σε ταχύτητες μέχρι και 100 Gbps κατά μήκος μεγάλων γεωγραφικών αποστάσεων. Αυτό δίνει στους παρόχους μια ιδανική πλατφόρμα για αποτελεσματική διανομή απαιτητικών υπηρεσιών όπως IPTV σε γεωγραφικά διάσπαρτα αστικά κέντρα. Υλοποιεί έναν εξελιγμένο μηχανισμό αποκατάστασης στη περίπτωση αποτυχίας μιας σύνδεσης, διαφυλάσσοντας ότι, υπηρεσίες χρονικά ευαίσθητες όπως η IPTV, θα λειτουργούν ανεπηρέαστες μετά από διάφορες αστοχίες. 12

22 Υποστηρίζεται η χρήση συνδεσμοστρεφών εικονικών κυκλωμάτων τα οποία επιτρέπουν στους παρόχους να εγγυηθούν τη διανομή υψηλής ποιότητας βίντεο μέσα στο δίκτυό τους. Αυτά τα αφιερωμένα κανάλια ονομάζονται EVC (Ethernet Virtual Connection). Όλα τα παραπάνω σε συνδυασμό με τις χαμηλές καθυστερήσεις και απώλειες πακέτων το καθιστούν ως ένα ιδανικό backbone δίκτυο για τη μεταφορά IPTV υπηρεσιών IPTV σε δίκτυα τηλεπικοινωνιών Ένα τυπικό δίκτυο ενός τηλεπικοινωνιακού παρόχου το οποίο εξυπηρετεί IPTV υπηρεσίες, αποτελείται από ένα SHE (Super Headend) το οποίο είναι και το σημείο στο οποίο λαμβάνονται τα διάφορα τηλεοπτικά κανάλια από διάφορες πηγές (π.χ. κανάλια επίγειας, δορυφορικής και καλωδιακής τηλεόρασης) και στην συνέχεια κωδικοποιούνται (εφόσον δεν έχουν παραληφθεί με τη κατάλληλη κωδικοποίηση) για να προωθηθούν σε όλο το δίκτυο. Επίσης στο SHE τοποθετήται και ο κύριος αποθηκευτικός χώρος του VoD περιεχομένου. Σχήμα 2: Τυπική αρχιτεκτονική δικτύου IPTV Στη συνέχεια το τηλεοπτικό υλικό προωθείται προς τα διάφορα αστικά δίκτυα όπου παραλαμβάνεται από τα VHO (Video Headend Office) τα οποία αναλαμβάνουν τη προώθηση του υλικού μέσο του αστικού δικτύου στους συνδρομητές, απευθείας ή μέσω κάποιων VSO (Video Serving Office). Βασική λειτουργία των VHO και VSO εκτός από το να προωθούν τα IPTV δεδομένα που λαμβάνουν είναι να αποθηκεύουν δημοφιλή VoD περιεχόμενο για εξοικονόμηση πόρων του δικτύου ή ακόμα και να τροποποιούν το διαφημιστικό περιεχόμενο των τηλεοπτικών προγραμμάτων ανά γεωγραφική περιοχή ή ακόμα και ανά χρήστη. Επίσης σε ένα VHO μπορούν να εισέρχονται κανάλια τοπικής αναμετάδοσης στο σύστημα. Το σχήμα 2 [14] αναπαριστά τις προαναφερθείσες τυπικές λειτουργίες ενός IPTV συστήματος. 13

23 Σχήμα 3: Μητροπολιτικό IPTV δίκτυο με δακτυλίους Ένα τυπικό αστικό δίκτυο, μπορεί να αποτελείται από ένα VHO, δύο κόμβους (hub) για υψηλών ταχυτήτων πρόσβαση στο διαδίκτυο (High Speed Internet - HSI) και έναν αριθμό από VSO. Στο σχήμα 3 [1], αποτυπώνεται ένα τέτοιο δίκτυο με οκτώ VSO τα οποία μέσω δύο δακτυλίων (τέσσερα ανά δακτύλιο) ενώνονται με το VHO και τους κόμβους HSI. Οι δρομολογητές οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι με τα VSO διαχειρίζονται και δρομολογούν τη κυκλοφορία τοπικού βρόγχου από και προς τα δίκτυα πρόσβασης στο τελευταίο μίλι. Η τοπολογία δακτυλίων η οποία παρουσιάζεται παρέχει δύο διόδους σύνδεσης για κάθε VSO με το υπόλοιπο δίκτυο και χρησιμοποιείται για μεγαλύτερη αξιοπιστία του συστήματος. Το παραπάνω μοντέλο καθώς και κάποια παρεμφερή έχει ερευνηθεί και τυγχάνει ευρείας αποδοχής από αρκετούς οργανισμούς προτυποποίησης, μεταξύ των οποίων οι ATIS, ITU-T και DSL Forum. Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες παραλλαγές αυτού του μοντέλου στο φυσικό επίπεδο, όπως αυτές δίνονται στο [1] Gigabit Ethernet αφιερωμένων οπτικών ινών Οι περισσότεροι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι, παρέχουν στους συνδρομητές τους, υψηλών ταχυτήτων πρόσβαση στο διαδίκτυο μέσω DSL. Η κίνηση των διαδικτυακών δεδομένων από τις DSL συνδέσεις, μέσω του δικτύου δεδομένων του παρόχου, το οποίο αποτελείται από ένα πλήθος δρομολογητών ανάλογο με το μέγεθος και τις ανάγκες της περιοχής κάλυψης, δρομολογήται από και προς τους διαδικτυακούς κόμβους. Μια γρήγορη προσέγγιση υλοποίησης ενός IPTV δικτύου είναι η επέκταση του είδη υπάρχοντος δικτύου δεδομένων ώστε να δρομολογεί δεδομένα βίντεο από το VHO προς τα VSO απευθείας μέσω Gigabit Ethernet (GbE) δικτύων οπτικών ινών. Η σύνδεση του κάθε ενός από τα VSO με το VHO γίνεται μέσω αφιερωμένων οπτικών ινών, των οποίων η συνεχόμενη ροή διακόπτεται στο ελάχιστο δυνατό σε κάποια άλλα VSO όταν απαιτήται ενίσχυση του σήματος από επαναλήπτες (small form-factor pluggable SFP). Ένα κατάλληλο SFP μπορεί να μεταδώσει δεδομένα μέσω οπτικών ινών σε αποστάσεις της τάξεως των χιλιομέτρων. Στο σχήμα 4 παρουσιάζεται ένα τέτοιου τύπου δίκτυο δακτυλίων, όπου τα VSO είναι 14

24 τοποθετημένα ανά 8 μίλια και κάθε VSO συνδέεται με το VHO με δακτύλιο μίας GbE οπτικής ίνας. Στο σχήμα 4 [1] δε περιλαμβάνονται οι διαδικτυακοί κόμβοι μιας και το παράδειγμα αφορά IPTV μεταγωγή μόνο. Σχήμα 4: Gigabit Ethernet αφιερωμένων οπτικών ινών Ο σκοπός των δακτυλίων στο μοντέλο αυτό έχει σαν σκοπό, όπως έχει προαναφερθεί, την απόδοση υψηλής αξιοπιστίας στο σύστημα. Κάθε VSO έχει δύο εναλλακτικές διόδους προς το VHO, όπου σαν κύρια θέτεται αυτή με το μικρότερο μήκος. Θεωρώντας ότι ένα SFP είναι απαραίτητο για ενίσχυση του σήματος κάθε 25 μίλια, και παρατηρώντας ότι οι εναλλακτικές δίοδοι των περισσοτέρων VSO είναι μεγαλύτερες αυτής της απόστασης, έχουν χρησιμοποιηθεί με μια συμμετρική και δίκαιη κατανομή πόρτες δρομολογητών σε άλλα VSO για την ενίσχυση του σήματος. Μοναδική εξαίρεση αποτελεί το VSO-C όπου το μήκος κύριας και εναλλακτικής διόδου είναι επαρκές για απευθείας σύνδεση στο VHO Gigabit ethernet παθητικής πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος Η προσέγγιση με GbE αφιερωμένων οπτικών ινών μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια καλή λύση σε αγορές όπου απαιτήσεις διακίνησης IPTV δεδομένων όπως και οι αποστάσεις είναι σχετικά μικρές. Δεν είναι απαραίτητος πρόσθετος εξοπλισμός εκτός από μερικές GbE/SFP κάρτες και 15

25 μερικά μίλια οπτικών ινών. Ωστόσο σε άλλες αγορές οι υψηλές απαιτήσεις, οδηγούν σε μεγάλα κόστη και η προσέγγιση αυτή κρίνεται αναποτελεσματική. Σε τέτοιες περιπτώσεις είναι συνετό να χρησιμοποιηθεί πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος (wavelength division multiplexing WDM) για να επιτευχθεί εξοικονόμηση οπτικών ινών κατά μήκος του δικτύου. Η διαφορά με το προηγούμενο μοντέλο είναι ότι όλες οι δίοδοι πρέπει να διακόπτονται σε κάθε VSO. Σε κάθε δρομολογητή οι GbE πόρτες είναι συνδεδεμένες σε πολυπλέκτες PWDM (passive WDM) μέσω των αντιστοίχων SFP όπως στο σχήμα 5 [1]. Οι πολυπλέκτες PWDM μετατρέπουν τα περαιτέρω GbE κανάλια σε ένα οπτικό κανάλι μεγαλύτερης χωρητικότητας και είναι τοποθετημένοι ανά ζεύγη σε κάθε VSO (ένας προς κάθε κατεύθυνση). Όταν η ανάγκες του δικτύου απαιτήσουν μεγαλύτερη χωρητικότητα, τότε ένα δεύτερο ζευγάρι από πολυπλέκτες PWDM και οπτικές ίνες μπορεί να εγκατασταθεί. Σχήμα 5: PWDM SONET Είναι πλέον γνωστό ότι τα δίκτυα SONET αποτελούν τη βασική δικτυακή υποδομή όλων των τηλεπικοινωνιακών παρόχων οι οποίοι εκμεταλλεύονται τη τεχνολογία αυτή εδώ και αρκετά χρόνια. Πλέον οι μέχρι τώρα χρησιμοποιούμενοι SONET πολυπλέκτες ADM (add-drop multiplexers) έχουν αρχίσει και αντικαθίστανται από επόμενης γενιάς MSPP (multi-service provisioning platform). Τα δίκτυα SONET κάνουν χρήση δακτυλίων OC-192 για να μεταφέρουν 8 με 10 GbE έκαστος. Για αποδοτική μεταφορά IPTV δεδομένων και εξοικονόμηση πόρων, μπορεί να κριθεί απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μέρος της χωρητικότητας των δακτυλίων αυτών. Η δομή και οι δυνατότητες ενός SONET δικτύου επιτρέπουν την αποτελεσματική αξιοποίηση του με την ανάμιξη της κυκλοφορίας των IPTV δεδομένων με άλλου τύπου και αξιοποιώντας πλήρως τη χωρητικότητά του Gigabit Ethernet πυκνής πολύπλεξης με διαίρεση μήκους κύματος και δυνατότητα αναδιαμόρφωσης Οι τεχνολογίες πυκνής πολύπλεξης WDM (DWDM) έχουν αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια σε μια εναλλακτική μέθοδος μεταφοράς δεδομένων, κατά την οποία, οπτικοί πολυπλέκτες ADM (OADM) χρησιμοποιούνται σε κάθε κόμβο για τη προσθαφαίρεση από το διερχόμενο πολυπλεγμένο κανάλι της πληροφορίας που δρομολογήται από και προς τον κόμβο αυτό. Οι 16

26 πολυπλέκτες OADM με δυνατότητα αναδιαμόρφωσης (ROADM) έχουν τη ευελιξία ώστε να επιτρέπουν την αναδιαμόρφωση με προσθήκη νέων υπηρεσιών, τη κατάργηση παλαιοτέρων ή/και αναδρομολόγηση κυκλοφορίας. Η τεχνολογία DWDM αναγνωρίζεται ως η πλέον αποτελεσματική για παροχή υπηρεσιών μεγάλου όγκου δεδομένων όπως IPTV. Στο σχήμα 6 [1] αποτυπώνεται ένα δίκτυο δακτυλίου που κάνει χρήση ROADM πολυπλεκτών. Σχήμα 6: IPTV δίκτυο δακτυλίου με ROADM 2.4. IPTV σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης Η ελάχιστη δυνατή δομή ενός σύγχρονου τυπικού δικτύου καλωδιακής τηλεόρασης, αποτελείται από ένα headend, ένα περιφερειακό IP δίκτυο, ένα ορισμένο πλήθος κόμβων, ένα HFC δίκτυο και έναν ορισμένο αριθμό συνδρομητών. Το headend, το οποίο έχει αντίστοιχες λειτουργίες με ένα VHO τηλεπικοινωνιακού δικτύου, είναι το σημείο από το οποίο εισχωρούν τα μεταδιδόμενα και VoD δεδομένα στο υπόλοιπο σύστημα. Το headend είναι και το σημείο στο οποίο τοποθετούνται και τα περισσότερα back office συστήματα. Με τον όρο back office συστήματα, περιγράφονται τα διάφορα συστήματα χρέωσης, ταυτοποίησης, προσβασιμότητας κτλ, που έχουν να κάνουν με τις σχέσης των συνδρομητών με τις παρεχόμενες υπηρεσίες. Το IP δίκτυο μεταφέρει IP υπηρεσίες (π.χ. IPTV, διαδικτυακή πρόσβαση υψηλής ταχύτητας, VoIP) από το headend σε ένα πλήθος κόμβων, παρέχοντας παράλληλα QoS πολιτικές και διαχείριση προτεραιοτήτων κάθε τύπου παρεχόμενης υπηρεσίας. Οι κόμβοι (hub), οι οποίοι έχουν αντίστοιχες λειτουργίες με τα VSO των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, είναι τα σημεία στα οποία είναι εγκατεστημένοι διάφοροι μηχανισμοί ελέγχου των υπηρεσιών μεγάλου εύρους ζώνης, καθώς και τα συστήματα 17

27 σύνδεσης με το HFC δίκτυο. Το HFC δίκτυο όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενη παράγραφο είναι το δίκτυο πρόσβασης στο τελευταίο μίλι, μέσο του οποίου οι συνδρομητές αποκτούν πρόσβαση στις παρεχόμενες υπηρεσίες. Στο σχήμα 7 [2] αποτυπώνεται μια σύνθετη εικόνα ενός τέτοιου δικτύου το οποίο παρέχει broadcast και on-demand υπηρεσίες. Σχήμα 7: Τυπικό ψηφιακό δίκτυο καλωδιακής τηλεόρασης Στη σύγχρονη ψηφιακή broadcast αναμετάδοση ενός συστήματος καλωδιακής τηλεόρασης όλα τα ζωντανά αναμεταδιδόμενα κανάλια αποστέλλονται προς όλους τους συνδρομητές, ανεξάρτητα από το πιο παρακολουθεί ο κάθε ένας από αυτούς. Η αρχιτεκτονική του συστήματος έχει ως εναρκτήριο σημείο, το σημείο εισροής στο σύστημα του αναμεταδιδόμενου περιεχομένου, από τις διάφορες πηγές (επίγειες, δορυφορικές κτλ). Τα εισερχόμενα ζωντανής αναμετάδοσης κανάλια αρχικά καταλήγουν σε μια πολυλειτουργική συσκευή (statmux, groomer, splicer στο σχήμα 7), όπου πολυπλέκονται με χρονική διαίρεση, προσαρμόζονται στους ρυθμούς μεταφοράς του δικτύου και αναδιαμορφώνεται το τυχόν διαφημιστικό τους περιεχόμενο στις εκάστοτε γεωγραφικές απαιτήσεις. Στη συνέχεια προωθούνται μέσω του IP δικτύου μεταφοράς, σε ένα διαμορφωτή QAM (quadrature amplitude modulator), όπου το περιεχόμενο διαμορφώνεται και κωδικοποιήται για να προωθηθεί μέσω του HFC δικτύου στους συνδρομητές. Επίσης, υπάρχει και ένα εκτός συχνότητας κανάλι (OOB) το οποίο παρέχει τις βασικές πληροφορίες συντονισμού, τα κλειδιά αποκωδικοποίησης, τις αναβαθμίσεις λογισμικού κτλ. H on-demand αρχιτεκτονική, έχει ως εναρκτήριο σημείο, τον VoD διακομιστή όπου το πολυμεσικό-βίντεο περιεχόμενο, υφίσταται των απαραίτητη για το σύστημα κωδικοποίηση, αποθηκεύεται ώστε να είναι διαθέσιμο στους συνδρομητές, ανά πάσα στιγμή. Από τη στιγμή που κάποιος συνδρομητής θα αιτηθεί να παρακολουθήσει VoD, το περιεχόμενο αυτό θα προωθηθεί μέσω του IP δικτύου διανομής σε ένα κωδικοποιητή unicast συνεδριών και στη συνέχεια σε ένα 18

28 διαμορφωτή QAM από όπου μετά τη κατάλληλη διαμόρφωσή του, θα προωθηθεί μέσω του HFC δικτύου στο τελικό χρήστη. Λόγο της φύσης της υπηρεσίας αυτής που έρχεται σε αντίθεση με τη παραδοσιακή broadcast αναμετάδοση της καλωδιακής τηλεόρασης χρειάζεται να εισαχθούν μηχανισμοί διαχείρισης των εκάστοτε VoD συνεδριών, οι οποίοι θα χειρίζονται τα διάφορα μηνύματα σηματοδοσίας που αφορούν την υπηρεσία αυτή, μηχανισμοί DRM κτλ. Τα καλωδιακά δίκτυα και τα δίκτυα των τηλεφωνικών παρόχων, έχουν θεμελιώδεις φυσικές διαφορές. Ένα HFC δίκτυο είναι διαμοιραζόμενο μέσο, όπου ομάδες συνδρομητών είναι ενωμένες σε ένα κοινό βραχίωνα ομοαξονικών καλωδίων και διαμοιράζονται τις ίδιες συχνότητες με τοπολογία point-to-multipoint σε αντίθεσή με τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα όπου οι συνδέσεις είναι παραδοσιακά point-to-point. Η τεχνολογία που δίνει εν μέρη λύση στο πρόβλημα είναι ονομάζεται SVC (switched digital video) και αποτελεί μια σχετικά χαμηλού κόστους επέκταση στις δυνατότητες ενός HFC δικτύου. Σε ένα σύνηθες δίκτυο καλωδιακής τηλεόρασης, το τηλεοπτικό περιεχόμενο μεταφέρεται πάνω από το HFC δίκτυο, είτε παρακολουθήται είτε όχι από τους συνδρομητές. Με τη χρήση του SDV, κάθε κανάλι αναμεταδίδεται από το headent, μόνο στη περίπτωση που υπάρξει αίτημα παρακολούθησής του, από τουλάχιστον ένα χρήστη, ειδάλλως δεν διασχίζει άσκοπα το δίκτυο. Το SDV βασίζεται στις αρχές του Erlang στις οποίες είναι βασισμένα και τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, δηλαδή στο ότι οι δικτυακοί πόροι οι οποίοι χρειάζονται στη πραγματικότητα, είναι κατά πολύ λιγότεροι από το μέγιστο αυτών, το οποίο θα μπορούσε να ζητηθεί. Ομοίως τα διαθέσιμα κανάλια είναι πολύ περισσότερα από αυτά που παρακολουθούνται από τους συνδρομητές μια δεδομένη χρονική στιγμή. Μέσω της SDV αναμετάδοσης, το δίκτυο διασχίζουν μόνο τα τηλεοπτικά κανάλια ζωντανής αναμετάδοσης, τα οποία παρακολουθούνται από τους χρήστες την εκάστοτε τρέχουσα χρονική στιγμή και έτσι επιτυγχάνεται εξοικονόμηση εύρους ζώνης. Στο σχήμα 8 [2] παρουσιάζεται ένα ενοποιημένο σύστημα καλωδιακής τηλεόρασης στο οποίο έχει προσαρτηθεί SDV τεχνολογία. Σχήμα 8: Αναβαθμισμένο δίκτυο καλωδιακής τηλεόρασης με SDV 19

29 Η εξοικονόμηση εύρους ζώνης με SDV τεχνολογία είναι αυτό που δίνει ώθηση στα συστήματα καλωδιακής τηλεόρασης για τη σταδιακή μετατροπή τους σε IPTV συστήματα. Από τη στιγμή που τα συστήματα αυτά θα αξιοποιήσουν το IP πρωτόκολλο, τα οφέλη που θα αποκομισθούν θα είναι αρκετά, όπως η καλύτερη αξιοποίηση του δικτύου μεταφοράς, η υποστήριξη και ενίσχυση διαφορετικών δικτύων πρόσβασης (πχ DOCSIS), η υποστήριξη από περισσότερες τερματικές μηχανές (πχ IP-set-top box, PC, παιχνιδομηχανές). Η λογικότερη επιλογή για την υλοποίηση παροχής IPTV υπηρεσιών είναι με την ισχυροποίηση των υπαρχόντων λειτουργιών του DOCSIS. Το σύστημα αποτελείται από ένα CMTS (cable modem termination system) που βρίσκεται στο κεφαλικό άκρο του HFC δικτύου, και από ένα CM (cable modem) να βρίσκεται σε κάθε άκρο του HFC δικτύου από τη πλευρά των συνδρομητών. Επίσης περιέχει διάφορα στρώματα που καθορίζονται από τις προδιαγραφές του DOCSIS [39] για υποστήριξη της διαλειτουργικότητας με τα υπόλοιπα IP συστήματα, καθώς και εξελιγμένες δυνατότητες όπως υποστήριξη πολιτικών PCMM (Packet Cable Multimedia) [40] για την υποστήριξη των IPTV υπηρεσιών. Στο [2] παρουσιάζονται διεξοδικά κάποιες προτάσεις που έχουν να κάνουν με τη καλύτερη αξιοποίηση του HFC δικτύου και τη δυναμική διαχείριση των SDV, VoD και DOCSIS καναλιών ώστε να υπάρχει πλήρης αξιοποίηση του συνολικού εύρους ανά πάσα χρονική στιγμή. Όπως όλοι οι παραδοσιακοί πάροχοι τηλεοπτικού περιεχομένου, έτσι και οι πάροχοι καλωδιακής τηλεόρασης, διαθέτουν χιλιάδες συνδρομητών οι οποίοι χρησιμοποιούν τους παραδοσιακούς τρόπους αναμετάδοσης της υπηρεσίας αυτής. Η παροχή IPTV υπηρεσιών σε αυτά τα δίκτυα στο άμεσο μέλλον θα συνυπάρξει με τις παραδοσιακές μεθόδους αναμετάδοσης. Είναι εμφανές ότι οι πάροχοί τους, σε σύγκριση με τους υπόλοιπους παρόχους IPTV υπηρεσιών έχουν να αντιμετωπίσουν ξεχωριστές προκλήσεις που έχουν να κάνουν με την ιδιομορφία των δικτύων τους IPTV σε οικιακά δίκτυα H ανάπτυξη τεχνολογιών η οποίες είναι εύκολες στη χρήση, απλές στην εγκατάσταση, υψηλής χωρητικότητας, χαμηλού κόστους και χωρίς την απαίτηση εγκατάστασης εκ νέου δικτυακής υποδομής για τη διανομή IPTV υπηρεσιών στις υπάρχουσες κατοικίες είναι ένας σημαντικός παράγοντας για να γίνουν οι υπηρεσίες αυτές προσιτές στους τελικούς χρήστες. Η εγκαθίδρυση οικιακών δικτύων τα οποία να μπορούν να καλύψουν τις παραπάνω απαιτήσεις, μπορεί να γίνει με με την αξιοποίηση των υπαρχόντων υποδομών των οικιακών δικτύων τηλεφωνίας (καλώδια χαλκού), καλωδιακής τηλεόρασης (ομοαξονικά καλώδια) και ηλεκτροδότησης καθώς και με ασύρματες συνδέσεις (802.11x). Ένα οικιακό δίκτυο πρέπει να έχει τη δυνατότητα να μπορεί να χειριστεί ταυτόχρονα την μεταφορά δεδομένων IPTV, καθώς και άλλου τύπου δεδομένων, όπως ευρυζωνικό Internet ή δεδομένων που παρέχονται/παράγονται τοπικά (πχ από κάποιο τοπικό διακομιστή πολυμεσικού περιεχομένου). Όσο αφορά τις IPTV υπηρεσίες είναι πολύ σημαντικό ο πάροχός τους, να μπορεί να εφαρμόσει πολιτικές QoS στο δίκτυο αυτό, αφού διαφορετικοί χρήστες εντός του, μπορούν να αιτούνται ταυτόχρονα και από διαφορετικές συσκευές, περισσότερες από μία ροές IPTV δεδομένων. Ωστόσο ο έλεγχος, η διαχείριση και η παρέμβαση από το πάροχο σε ένα κατεχόμενο από το χρήστη δίκτυο δεν είναι εξολοκλήρου εφικτά. Τέτοιου είδους πολιτικές μπορούν να εφαρμοστούν με την εγκαθίδρυση διαφόρων μηχανισμών στο άκρο του οικιακού δικτύου. Για παράδειγμα, αν οι IPTV υπηρεσίες παρέχονται μέσω ADSL σύνδεσης, οι μηχανισμοί αυτοί πρέπει να τοποθετηθούν πλησίον του ADSL modem. Οι πολιτικές αυτές μπορεί να αφορούν την εφαρμογή προτεραιοτήτων στις πολλαπλές IPTV ροές, ώστε σε περίπτωση αδυναμίας εξυπηρέτησης του 20

30 συνόλου τους, να διακόπτονται οι λιγότερο σημαντικές ή σε περίπτωση ταυτόχρονης προβολής του ίδιου προγράμματος από δύο διαφορετικές συσκευές να λαμβάνεται μία μόνο ροή του προγράμματος από το δίκτυο του παρόχου. 21

31 3.ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΣΤΑ ΑΝΩΤΕΡΑ ΕΠΙΠΕΔΑ Το πρωτόκολλο IP και η συναφής οικογένεια (TCP, UDP κτλ), δεν έχουν σχεδιαστεί για την αξιόπιστη μεταφορά χρονικά ευαίσθητων (real-time) και συνεχών ροών δεδομένων, όπως είναι αυτά των IPTV υπηρεσιών. Η πληροφορία χωρίζεται σε πακέτα που αποστέλλονται χωρίς εγγύηση άφιξης στο προορισμό τους. Συγκεκριμένα, τα προβλήματα που δημιουργούνται, σε σχέση με την παροχή IPTV, και έχουν επιπτώσεις στη λαμβανόμενη από το χρήστη ποιότητα είναι: Καθυστέρηση (latency) Η μεταφορά ενός πακέτου δεν είναι ακαριαία. Στη καθυστέρηση συμβάλλουν η απόσταση, το μέσο μεταφοράς, και η επεξεργασία στους ενδιάμεσους κόμβους και στον δέκτη. Η αυξημένες καθυστερήσεις έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην αλληλεπίδραση. Μεταβολή καθυστέρησης (jitter) Κάθε πακέτο υφίσταται γενικώς διαφορετική καθυστέρηση. Στην μεταβολή καθυστέρησης συμβάλλουν η συμφόρηση στους ενδιάμεσους κόμβους, ο ανταγωνισμός για πόρους (μνήμη, κύκλοι επεξεργασίας) στον δέκτη, και ο μεταβλητός χρόνος επεξεργασίας στον δέκτη. Η μεταβολή καθυστέρησης καταστρέφει τον αρχικό ρυθμό των δεδομένων. Απώλεια πακέτων (packet loss) Κάποια πακέτα χάνονται κατά τη μεταφορά. Στην απώλεια πακέτων συμβάλουν η υπερχείλιση (overflow) των καταχωρητών προσωρινής αποθήκευσης στους ενδιάμεσους κόμβους και στον δέκτη, και τα σφάλματα ηλεκτρικής μετάδοσης (bit errors). Η απώλεια δεδομένων δημιουργεί ασυνέχειες κατά την αναπαραγωγή. Αναδιάταξη πακέτων (packet reordering) Κάποια πακέτα φθάνουν στον δέκτη με διαφορετική σειρά από εκείνη που εστάλησαν. Στην αναδιάταξη αυτή των πακέτων συμβάλλουν η ύπαρξη πολλαπλών οδών προς τον ίδιο προορισμό, και η μεταβολή των πινάκων δρομολόγησης (routing tables). Η αναδιάταξη των πακέτων μπορεί να οδηγήσει σε ασυνέχειες κατά την αναπαραγωγή. Αντιγραφή πακέτων (packet duplication) Το ίδιο πακέτο μπορεί να φθάσει στον δέκτη περισσότερες από μία φορές. Στην αντιγραφή πακέτων συμβάλλουν τα σφάλματα υλικού και λογισμικού, και η μεταβολή των επικαλυπτικών δέντρων (spanning trees). Η αντιγραφή πακέτων έχει σαν τελική συνέπεια τη καθυστέρηση της αναπαραγωγής. Σε αυτό το κεφάλαιο θα μελετηθούν πιθανές βελτιώσεις που μπορούν να γίνουν σε ένα IPTV δικτυακό σύστημα, ώστε να αντιμετωπισθούν κάποια από τα παραπάνω προβλήματα και να αυξηθεί η λαμβανόμενη από τους τελικούς χρήστες ποιότητα των IPTV υπηρεσιών. Πιο συγκεκριμένα, σε μια IPTV ζωντανή αναμετάδοση τηλεοπτικού καναλιού, οι βελτιώσεις αυτές αφορούν το πως μπορεί να μειωθεί η απώλεια πακέτων και πώς μπορεί να ελαττωθεί η καθυστέρηση εναλλαγής καναλιών. Στις on-demand υπηρεσίες, πιο εκλεπτυσμένες τεχνικές διανομής του περιεχομένου βελτιώνουν την απόκριση αυτού του είδους των υπηρεσιών. Προτού όμως γίνει παράθεση αυτών των θεμάτων, για την καλύτερη κατανόησή τους, πρέπει να γίνει μια σύντομη παρουσίαση εννοιών και πρωτοκόλλων που αφορούν τις τεχνολογίες αναμετάδοσης και κωδικοποίησης βίντεο. 22

32 3.1. Πρωτόκολλα Σκοπός της δημιουργίας των IP δικτύων, είναι η διασύνδεση των διαφόρων υπολογιστικών συστημάτων και η μεταξύ τους επικοινωνία καθώς αυτά βρίσκονται σε διαφορετικά μέρη, αλλά και η ανταλλαγή δεδομένων. Η αρχική μορφή πληροφορίας που διακινήθηκε μεταξύ υπολογιστών είχε textual (κείμενο) μορφή. Σήμερα με την ανάπτυξη πολυμεσικών διαδικτυακών τεχνολογιών, τα διακινούμενα στα IP δίκτυα δεδομένα αποτελούνται τις περισσότερες φορές από πολυμεσικό περιεχόμενο. Η κατηγορία αυτή των δεδομένων περιλαμβάνει μεγάλο όγκο δεδομένων εικόνας και ήχου, ενημερωτικού, εκπαιδευτικού και ψυχαγωγικού περιεχομένου. Η έννοια του multimedia networking απευθύνεται στην ανάπτυξη λογισμικού (software) και υλικού (hardware) ώστε οι χρήστες να μπορούν να επικοινωνούν με πολυμεσική πληροφορία. Η ικανότητα για μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας έχει μετατρέψει τον υπολογιστή σε ένα ισχυρό επικοινωνιακό εργαλείο ώστε τα IP δίκτυα να αντικαταστήσουν σταδιακά όλους τους μέχρι τώρα τρόπους απομακρυσμένης επικοινωνίας και μεταφοράς πληροφορίας, και να ανοίγουν νέους ορίζοντες για τη παροχή καινοτόμων υπηρεσιών όπως είναι και οι IPTV υπηρεσίες οι οποίες εξετάζονται στη παρούσα εργασία. Η παροχή πολυμεσικού περιεχομένου δεν είναι μια απλή διαδικασία. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικά σημαντικά προβλήματα: Bandwidth. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές εφαρμογές που υποστηρίζουν μόνο κείμενο (textual applications), οι πολυμεσικές εφαρμογές απαιτούν συνήθως πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Ένα τυπικό video clip 25 δευτερολέπτων με ανάλυση 320x240 μπορεί να χρειαστεί 2.3 MB χωρητικότητα που ισοδυναμεί περίπου με 1000 οθόνες κειμένου. Real-time μεταφορά δεδομένων. Οι περισσότερες πολυμεσικές εφαρμογές απαιτούν επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο. Η μετάδοση του ήχου και του video πρέπει να είναι συνεχής και οι καθυστερήσεις οι οποίες λαμβάνουν χώρα να είναι ελεγχόμενες. Αν τα δεδομένα δε φτάνουν στην ώρα τους στον παραλήπτη, δημιουργούνται κενά που γίνονται αντιληπτά από το χρήστη και υποβαθμίζουν την ποιότητα της πληροφορίας. Επίσης, ο φόρτος του δικτύου παίζει σημαντικό ρόλο καθώς σε περιπτώσεις που το δίκτυο είναι υπερφορτωμένο τα δεδομένα καθυστερούν σημαντικά μέχρι να φτάσουν στον παραλήπτη. Ακόμα περισσότερο δύσκολη γίνεται η κατάσταση όταν υπάρχουν επαναμεταδόσεις των χαμένων πακέτων με αποτέλεσμα το δίκτυο να απειλείται από κατάρρευση (congestion). Bursty data stream. Ο όρος bursty για μια ροή δεδομένων σημαίνει «καταιγιστικός» με την έννοια της μεταφοράς πολύ μεγάλου όγκου δεδομένων σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Για τις περισσότερες πολυμεσικές εφαρμογές ο παραλήπτης και/ή οι διάφοροι κόμβοι του δικτύου διαθέτουν περιορισμένου μεγέθους καταχωρητές. Αν δε ληφθούν μέτρα για την εξομάλυνση της ροής δεδομένων μπορεί να υπάρξει υπερχείλιση του καταχωρητή της εφαρμογής. Όταν τα δεδομένα έρχονται πολύ γρήγορα ο καταχωρητής μπορεί να 23

33 υπερχειλίσει (φαινόμενο bottleneck) και να χαθούν μερικά πακέτα με αποτέλεσμα να υποβαθμιστεί η ποιότητα. Από την άλλη πλευρά, όταν τα δεδομένα έρχονται με πολύ αργούς ρυθμούς η εφαρμογή υπολειτουργεί και η ποιότητα είναι χαμηλή. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται κάποια από τα χαρακτηριστικά των δημοφιλέστερων υπαρχόντων πρωτοκόλλων, τα οποία έχουν απασχολήσει όλους όσους ασχολούνται με την ανάπτυξη και το σχεδιασμό IPTV συστημάτων Παραδοσιακά πρωτόκολλα μεταφοράς Τα παραδοσιακά πρωτόκολλα μεταφοράς όπως το TCP (Transmission Control Protocol) και το UDP παρέχουν «αξιόπιστη» ή «μη αξιόπιστη» αντίστοιχα επικοινωνία σε δίκτυα με χαμηλό εύρος ζώνης και υψηλό ρυθμό δεδομένων. Από την άλλη πλευρά δεν υποστηρίζουν QoS πολιτικές και υπηρεσίες πολυδιανομής (multicasting). Κατά συνέπεια γίνεται αντιληπτό ότι τα πρωτόκολλα αυτά από μόνα τους, χωρίς τη χρήση επιπρόσθετων μηχανισμών ή πρωτοκόλλων δεν είναι κατάλληλα για εφαρμογές πραγματικού χρόνου, και για δεδομένα των οποίων η παράδοση πρέπει να είναι άμεση, ιδιότητες οι οποίες είναι καίριας σημασίας για ένα IPTV σύστημα. Στη συνέχεια παρατίθενται κάποιοι λόγοι για τους οποίους τα πρωτόκολλα αυτά δεν πληρούν τις προδιαγραφές για τις προαναφερθείσες εφαρμογές: Δομή των πρωτοκόλλων. Τα πρωτόκολλα είναι υλοποιημένα με βάση τα επίπεδα του OSI μοντέλου. Το γεγονός αυτό εισάγει μια έμφυτη συμφόρηση στη μεταφορά των δεδομένων καθώς η επεξεργασία των δεδομένων είναι συνεχής και χρονοβόρα. Το κάθε πακέτο δεδομένων, υφίστανται επεξεργασία κάθε φορά που μεταφέρεται από το ένα στρώμα δικτύου στο άλλο. Αυτή η περιττή αντιγραφή συνεισφέρει στην καθυστέρηση που παρατηρείται στο δίκτυο. Πολύπλεξη. Σύμφωνα με την πολύπλεξη, ροές πολλών εφαρμογών πολυπλέκονται, προκειμένου να περάσουν ως «μια» ροή, πάνω από ένα link. Συνέπεια αυτού του φαινόμενου, είναι ότι όλες οι ροές τυγχάνουν την ίδια αντιμετώπιση, χωρίς να παίζει ρόλο αν είναι πραγματικού χρόνου ή όχι. Έλεγχος ροής. Ο έλεγχος ροής, υλοποιημένος ως έλεγχος ροής παραθύρου ολίσθησης, επιτρέπει στον αποστολέα να στείλει μια συγκεκριμένα ποσότητα δεδομένων. Άμεση συνέπεια της λειτουργίας του μηχανισμού αυτού είναι το γεγονός ότι, οι πόροι του δικτύου πολλές φορές μένουν ανεκμετάλλευτοι. Έλεγχος λαθών. Το TCP πρωτόκολλο, παρέχει αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων. Αυτό οφείλεται στο ότι, όταν κάποιο πακέτο χάνεται ή αλλοιώνεται τότε αυτό μεταδίδεται ξανά. Ο μηχανισμός αυτός όμως είναι ακατάλληλος για πολυμεσικές εφαρμογές καθώς οι εφαρμογές αυτές επιτρέπουν την απώλεια πακέτων σε πολύ μικρό ποσοστό. Επίσης η 24

34 επαναμετάδοση προκαλεί καθυστέρηση γεγονός που αναιρεί το χαρακτηριστικό της παράδοσης σε πραγματικό χρόνο Πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου Η μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων πάνω από το Internet απαιτεί την κατηγοριοποίηση των διάφορων εφαρμογών ανάλογα με τα χαρακτηριστικά που φέρουν και τις ανάγκες που έχουν. Σκοπός είναι να δοθούν οι κατάλληλες προτεραιότητες και να δεσμευτούν ανάλογα οι πόροι του δικτύου. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί κάποια πρωτόκολλα για μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου όπως τα Real-time Transport Protocol (RTP), Real-Time Control Protocol (RTCP) και Real-Time Streaming Protocol (RTSP). Η λειτουργία ενός πρωτοκόλλου μεταφοράς, είναι να εγκαθιστά και να συντηρεί μια σύνδεση με χαρακτηριστικά όπως υψηλό throughput, δυνατότητα multicast και παροχή QoS. Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποιες λεπτομέρειες για τα χαρακτηριστικά αυτά: Υψηλό throughput. Η μορφή των δεδομένων όπως το βίντεο, απαιτεί συνεχή ροή δεδομένων. Για παράδειγμα, ένα βίντεο υψηλής ποιότητας απαιτεί ένα εύρος ζώνης γύρω στα 5 Mbps. Αν το βίντεο αυτό δε συμπιεστεί σύμφωνα με κάποιο πρότυπο, τότε απαιτεί ένα εύρος ζώνης 50 ή 100 φορές παραπάνω. Κατά συνέπεια το πρωτόκολλο μεταφοράς θα πρέπει να είναι αρκετά γρήγορο ώστε να υποστηρίζει τις απαιτήσεις της εφαρμογής σε εύρος ζώνης. Δυνατότητα multicast. Σε πολλές εφαρμογές πολυμέσων, υπάρχει η απαίτηση για μετάδοση της ροής πολυμέσων σε πολλούς χρήστες ταυτόχρονα. Το γεγονός αυτό καθιστά απαραίτητη τη δυνατότητα υποστήριξης της λειτουργίας αυτής από τα πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου. Παροχή QoS. Λόγω της απαίτησης για παράδοση των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, η εφαρμογή θα πρέπει να έχει επαρκές εύρος ζώνης προκειμένου να αποφύγει τις καθυστερήσεις και τις απώλειες πακέτων. Στις επόμενες παραγράφους, παρουσιάζονται τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα IP αναμετάδοσης σε πραγματικό χρόνο Real-time Transport Protocol Το Real-time Transport Protocol (RTP) είναι δομημένο ώστε να παρέχει από άκρο σε άκρο υπηρεσίες μεταφοράς και παράδοσης δεδομένων που έχουν το χαρακτηριστικό να είναι πραγματικού χρόνου. Μπορεί να λειτουργεί πάνω από το UDP προκειμένου να κάνει χρήση των λειτουργιών της πολύπλεξης και του ελέγχου λαθών ή να χρησιμοποιηθεί με άλλα κατάλληλα 25

35 πρωτόκολλα επιπέδου δικτύου ή μεταφοράς που μπορούν να λειτουργήσουν κάτω από αυτό. Επίσης, μπορεί να υποστηρίζει την μεταφορά δεδομένων σε πολλαπλές διευθύνσεις χρησιμοποιώντας multicast μετάδοση εάν αυτή παρέχεται από χαμηλότερα επίπεδα του δικτύου. Το ίδιο το RTP πρωτόκολλο δεν παρέχει κάποιον μηχανισμό που να επιβεβαιώνει την έγκαιρη παράδοση των δεδομένων ή που να παρέχει άλλες QoS εγγυήσεις. Εντούτοις τις λειτουργίες αυτές τις παρέχει με την βοήθεια κάποιων άλλων υπηρεσιών-πρωτοκόλλων από τα κατώτερα επίπεδα του δικτύου. Δεν εγγυάται ότι τα πακέτα θα παραδοθούν ή ότι ο παραλήπτης θα τα λάβει με τη σωστή σειρά, επίσης δεν υποθέτει ότι τα κατώτερα επίπεδα του δικτύου είναι αξιόπιστα. Οι αριθμοί που εισάγονται σε κάθε RTP πακέτο επιτρέπουν στον παραλήπτη να αναδιατάξει τα πακέτα με τη σωστή σειρά. Το RTP αποτελείται από δυο μέρη: Το Real-time Transport Protocol (RTP) το οποίο μεταφέρει πληροφορία πραγματικού χρόνου. Το RTP Control Protocol (RTCP) το οποίο χρησιμοποιείται για την απεικόνιση της κατάστασης του δικτύου. Μεταφέρει πληροφορία που είναι χρήσιμη τόσο στον αποστολέα αλλά και στον παραλήπτη εξασφαλίζοντας την παροχή QoS υπηρεσιών. Το RTP παρουσιάζεται σαν ένα νέο είδος πρωτοκόλλου με την έννοια ότι μπορεί να παρέχει με εύκολο τρόπο την πληροφορία που απαιτεί μια δικτυακή εφαρμογή πολυμέσων και συχνά χρησιμοποιείται σαν ένα τμήμα της εφαρμογής παρά σαν ένα ξεχωριστό επίπεδο. Επίσης μεταβολές ή προσθήκες στη μορφή του πρωτοκόλλου μπορούν εύκολα να γίνουν αλλάζοντας την μορφή της επικεφαλίδας (header) σε αντίθεση με άλλα πρωτόκολλα όπου επιπρόσθετες μεταβολές θα πρέπει να εισαχθούν με τρόπο που να κάνει το πρωτόκολλο πιο γενικό. Το γεγονός ότι η βασικότερες IPTV λειτουργίες χαρακτηρίζονται από αναμετάδοση δεδομένων, συνεχών ροών και/ή πραγματικού χρόνου σημαίνει αυτόματα την ύπαρξη αυστηρών χρονικών περιορισμών κατά τη διάρκεια της μετάδοσης των δεδομένων. Αυτό βέβαια δεν συγκλίνει τόσο πολύ στη λογική της μετάδοσης πληροφορίας μέσα από IP δίκτυα λόγω των συμφορήσεων, των καθυστερήσεων και των προβλημάτων που ενδέχεται να προκύψουν. Το UDP το οποίο χρησιμοποιείται από το RTP για τη μεταφορά των δεδομένων, δεν παραδίδει τα πακέτα με την σειρά κατά την οποία στάλθηκαν. Για το λόγο αυτό τα πακέτα αριθμούνται ώστε να μπορούν μετά να αναδιαταχθούν καθώς και να γίνει έλεγχος για τυχόν απώλειες. Έχοντας το τελευταίο σαν δεδομένο, το RTP παρέχει τους μηχανισμούς time stamping και sequence numbering. Σύμφωνα με το time stamping, ο αποστολέας βάζει σε κάθε πακέτο ένα time stamp που αντιστοιχεί στη χρονική εκείνη στιγμή κατά την οποία το πακέτο φεύγει από τον αποστολέα. Στη συνέχεια ο παραλήπτης θα διαβάσει το συγκεκριμένο time stamp και θα αποφασίσει τη χρονική 26

36 στιγμή όπου θα πρέπει να επεξεργαστεί το πακέτο σε σχέση με τα υπόλοιπα πακέτα. Το time stamping παρέχει σήματα χρονισμού ώστε να είναι δυνατό οι παραλήπτες να ανακατασκευάσουν τα αρχικά δεδομένα με τη σειρά που στάλθηκαν από τον αποστολέα. Μια άλλη επίσης σημαντική λειτουργία του time stamping είναι ο συγχρονισμός των διαφορετικών stream όπως εικόνα και ήχος. Επίσης, σε περιπτώσεις όπου γίνεται multicast μετάδοση δεδομένων, το RTP πακέτο περιέχει την ταυτότητα της πηγής της πληροφορίας, ώστε να είναι εφικτή η αναγνώριση του αποστολέα μέσα από ένα σύνολο αποστολέων. Το source identification επιτρέπει στον παραλήπτη να αναγνωρίσει από ποιόν προέρχεται η πληροφορία που λαμβάνει. Όλα τα παραπάνω βρίσκονται στην RTP επικεφαλίδα. Για την εγκαθίδρυση μιας RTP συνόδου, η εφαρμογή καθορίζει ένα ζευγάρι διευθύνσεων προορισμού καθώς το RTP και το RTCP θα χρειαστούν δυο διαφορετικά port για την μεταφορά των δεδομένων τους. Η διεύθυνση μπορεί να είναι unicast είτε multicast. Αν η πληροφορία είναι πολυμεσική και δεν αποτελείται μόνο από εικόνα ή μόνο από ήχο, το RTP θα εγκαθιδρύσει διαφορετικές συνόδους. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να πούμε ότι μια RTP σύνοδος αποτελείται από τα παρακάτω συστατικά: IP διεύθυνση συμμετεχόντων RTP port number RTCP port number Για τον καλύτερο συγχρονισμό των ροών δεδομένων, το RTP χρησιμοποιεί ένα μονοτονικό ρολόι, το οποίο αυξάνεται σε χρονικές μονάδες που είναι μικρότερες από το μικρότερο μέγεθος μπλοκ της ροής δεδομένων. Το ρολόι ξεκινάει με μια τυχαία αρχική τιμή Real-time Transport Control Protocol Το Real-time Transport Control Protocol (RTCP) βασίζεται σε περιοδικές μεταδόσεις πακέτων ελέγχου σε όλους τους συμμετέχοντες που λαμβάνουν μέρος στην ίδια σύνοδο. Το RTCP παρέχει τους εξής μηχανισμούς: Παρέχει feedback σχετικά με την ποιότητα της πληροφορίας που διανέμεται στους παραλήπτες. Η λειτουργία αυτή είναι ένα εσωτερικό κομμάτι του RTP πρωτοκόλλου σαν πρωτόκολλο μεταφοράς και σχετίζεται με τη ροή δεδομένων και μηχανισμούς ελέγχου της συμφόρησης στο δίκτυο. Μεταφέρει ένα αναγνωριστικό (identifier) της RTP πηγής το οποίο λέγεται και canonical name ή CNAME. Το CNAME χρησιμοποιείται για να παρακολουθούνται τα άτομα που 27

37 συμμετέχουν σε μια RTP σύνοδο. Με τον τρόπο αυτό οι παραλήπτες που συμμετέχουν σε πολλές τηλεδιασκέψεις μπορούν να συσχετίσουν μια ροή δεδομένων με συγκεκριμένη τηλεδιάσκεψη. Οι δυο πρώτες λειτουργίες απαιτούν όλοι οι συμμετέχοντες να στέλνουν RTCP πακέτα. Για το λόγο αυτό ο ρυθμός θα πρέπει να ελέγχεται ώστε να μπορεί το RTP να προσθέσει περισσότερους συμμετέχοντες σε μια σύνοδο Real-Time Streaming Protocol Το Real-Time Streaming Protocol (RTSP) εγκαθιδρύει και ελέγχει μια ή και περισσότερες ροές δεδομένων που είναι χρονικά συγχρονισμένες μεταξύ τους και αποτελούνται από πολυμεσική πληροφορία όπως ήχος και εικόνα. Το RTSP δεν είναι υπεύθυνο για την παράδοση των δεδομένων παρόλο που περιλαμβάνει διαδικασίες ελέγχου. Σε γενικές γραμμές το RTSP πρωτόκολλο θα μπορούσε να ειπωθεί ότι έχει την αρμοδιότητα να ελέγχει από απόσταση τους διακομιστές που μεταδίδουν πολυμεσικά δεδομένα στο δίκτυο. Σκοπός του είναι να παρέχει το πλαίσιο εκείνο το οποίο θα επιτρέψει την ελεγχόμενη και κατά απαίτηση παράδοση των δεδομένων πραγματικού χρόνου. Τα δεδομένα μπορεί να είναι η εικόνα και ο ήχος που αναπαράγονται εκείνη τη στιγμή και μεταδίδονται απευθείας στο δίκτυο ή αρχεία που είναι ήδη κωδικοποιημένα σε κάποιο format και βρίσκονται σε αποθηκευτικούς χώρους. Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο που ανήκει στο επίπεδο της εφαρμογής και παρέχει μηχανισμούς για την υποστήριξη streaming πολυμέσων χρησιμοποιώντας τεχνολογίες μετάδοσης unicast και multicast. Η μετάδοση των δεδομένων δεν πραγματοποιείται από το RTSP αλλά από κάποιο άλλο πρωτόκολλο μεταφοράς. Επίσης είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να παρέχει μια ολοκληρωμένη streaming υπηρεσία πάνω από το Internet. Το RTSP έχει κοινά σημεία στην σύνταξη και στην λειτουργία με το HTTP1.1 έτσι ώστε οι προεκτάσεις του HTTP να μπορούν με μικρές μετατροπές να προστεθούν και στο RTSP. Τόσο ο RTSP server όπως και ο client μπορούν να απευθύνουν αιτήματα. Αντιθέτως στο HTTP αιτήσεις πραγματοποιεί μόνο ο client. Το RTSP παρέχει τον τρόπο να ελέγχεται η μετάδοση πολλαπλών ροών δεδομένων. Αποφασίζει ποιο θα είναι το πρωτόκολλο μεταφοράς όπως UDP, multicast UDP και TCP. Επίσης παρέχει μηχανισμούς για αίτηση μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, αίτηση ενός καθορισμένου τύπου μεταφοράς και προορισμού για τη μετάδοση δεδομένων και αίτηση πληροφοριών σχετικά με τα δεδομένα. Η βασική λειτουργία του RTSP είναι η εγκατάσταση και ο έλεγχος ενός ή περισσότερων συνεχόμενων συγχρονισμένων ροών πολυμεσικής πληροφορίας. Θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι δεν υπάρχει η έννοια της σύνδεσης στο RTSP. O server διατηρεί μια σύνοδο με τον κάθε RTSP client η οποία όμως δεν αποτελεί σύνδεση στο επίπεδο μεταφοράς. Κατά τη διάρκεια μιας συνόδου ένας client μπορεί να δημιουργήσει και να καταργήσει πολλές συνδέσεις προκειμένου να στείλει τα RTSP αιτήματα του στον server Session Description Protocol Το Session Description Protocol (SDP) περιγράφει τις πολυμεσικές συνδέσεις εκτελώντας λειτουργίες όπως την ανακοίνωση μιας σύνδεσης, την πρόσκληση σε μια σύνοδο και κάποιες άλλες μορφές εγκαθίδρυσης μιας πολυμεσικής σύνδεσης. Το SDP είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να 28

38 βοηθάει μια πολυμεσική σύνοδος να γίνει γνωστή στους συμμετέχοντες αλλά και τον τρόπο με τον οποίο αυτοί θα την εγκαταστήσουν. Το πρωτόκολλο αυτό απλά αποτελεί ένα format για την περιγραφή μιας συνόδου και δεν περιλαμβάνει κάποιο πρωτόκολλο μεταφοράς. Βέβαια για τις ανάγκες της περιγραφής της συνόδου είναι διατεθειμένο να χρησιμοποιήσει τα πρωτόκολλα Session Announcement Protocol (SAP), Session Initiation Protocol (SIP), Real-Time Streaming Protocol (RTSP) και το Hypertext Transport Protocol (HTTP). Σκοπός του SDP είναι να είναι ένα γενικό πρωτόκολλο που να μπορούν να το χρησιμοποιήσουν αρκετές εφαρμογές στο δίκτυο και όχι μόνο οι multicast συνδέσεις. Εντούτοις δεν είναι σχεδιασμένο στο να υποστηρίζει την διαπραγμάτευση για το περιεχόμενου της πληροφορίας που θα διακινηθεί κατά την διάρκεια μιας συνόδου ή για τις κωδικοποιήσεις που θα χρησιμοποιηθούν Resource Reservation Protocol Οι εφαρμογές πραγματικού χρόνου δε μπορούν να ικανοποιηθούν χωρίς εγγυήσεις πόρων, και οι εγγυήσεις πόρων δε μπορούν να γίνουν χωρίς δέσμευση πόρων. Για την υλοποίηση αυτού του μηχανισμού δέσμευσης πόρων, χρησιμοποιείται ένα πρωτόκολλο, όπως το Resource Reservation Protocol (RSVP). Σκοπός του πρωτοκόλλου αυτού είναι να αποτελεί το μέσο καθορισμού των πόρων του δικτύου που απαιτούνται για την επίτευξη της απαιτούμενης ποιότητας υπηρεσίας. H λογική του RSVP είναι πως πρέπει κατά μήκος όλης της διαδρομής που ακολουθούν τα πακέτα, να γίνουν δεσμεύσεις πόρων σύμφωνα με τις ανάγκες της κάθε εφαρμογής. Η διαδικασία δέσμευσης πόρων είναι ακολουθιακή και ο πρώτος δρομολογητής στέλνει κατάλληλο μήνυμα στον επόμενο όπου ζητά δέσμευση πόρων. Η διαδικασία αυτή εξελίσσεται μέχρι να φτάσει στον παραλήπτη, ο οποίος τότε στέλνει στην αντίθετη διαδρομή επιβεβαιώσεις κράτησης Πρωτόκολλα πολυδιανομής Η πολυδιανομή (multicast) είναι μια τεχνολογία η οποία αναπτύχθηκε προκειμένου να επιτευχθεί η μετάδοση δεδομένων, με χρήση της στοίβας πρωτοκόλλων TCP/IP του Διαδικτύου, από έναν σταθμό προς πολλούς με κύριο γνώμονα την αποτελεσματική χρήση των διαθέσιμων δικτυακών πόρων. Πιο συγκεκριμένα η βασική αρχή λειτουργίας του multicast βασίζεται στην εξής ιδέα: Σε περιπτώσεις που έχουμε μετάδοση των ίδιων δεδομένων από έναν αποστολέα προς n άλλους παραλήπτες τότε με τον συμβατικό unicast τρόπο μετάδοσης, θα δημιουργηθούν n διαφορετικές ροές δεδομένων με κατεύθυνση από τον αποστολέα που μεταδίδει προς τους n παραλήπτες που λαμβάνουν τα δεδομένα. Όταν κομμάτια των μονοπατιών που οδηγούν στους παραλήπτες είναι κοινά τότε τα ίδια δεδομένα επαναλαμβάνονται πάνω στο ίδιο δικτυακό σύνδεσμο με σαφές αποτέλεσμα να γίνεται κακή χρήση του εύρους ζώνης που αυτό έχει, αλλά και επίσης να αυξάνεται σημαντικά ο φόρτος του σταθμού που στέλνει τα δεδομένα γιατί έχει να εξυπηρετήσει n διαφορετικές ροές. Λύση στο πρόβλημα αυτό δίνεται με τη δρομολόγηση μέσω δέντρων πολυδιανομής. Αξίζει να σημειωθεί πως στο Διαδίκτυο σήμερα η multicast μετάδοση δεδομένων δεν υποστηρίζεται από όλους τους δρομολογητές και για αυτό τον σκοπό έχει δημιουργηθεί ένα ιδεατό δίκτυο το οποίο αποτελείται από δρομολογητές του Διαδικτύου οι οποίοι υποστηρίζουν multicast μετάδοση και ονομάζεται MBONΕ (Multicast Backbone) και στο οποίο δίκτυο μπορεί να λάβει χώρα multicast μετάδοση δεδομένων. Στο MBONE είναι δυνατή η μετάδοση multicast κίνησης ανάμεσα στους δρομολογητές οι οποίοι δεν υποστηρίζουν multicast μετάδοση δεδομένων με την χρήση της τεχνικής του tunneling κατά την οποία τα multicast πακέτα δεδομένων εισάγονται σε unicast πακέτα δεδομένων και μεταδίδονται ως unicast κίνηση μέχρι τον επόμενο δρομολογητή ο οποίος υποστηρίζει multicast. 29

39 Η τεχνολογία multicast ουσιαστικά είναι μια τεχνική δρομολόγησης η οποία αναλαμβάνει να μεταφέρει μια ροή δεδομένων σε όλους τους σταθμούς που ενδιαφέρονται να την λάβουν. Πιο συγκεκριμένα, κάθε επικοινωνία που χρησιμοποιεί το multicast ονομάζεται σύνοδος (session) και σε αυτήν αντιστοιχίζεται μια μοναδική multicast IP διεύθυνση. Τα διακλαδιζόμενα μονοπάτια μέσω των οποίων γίνεται η μεταγωγή των πακέτων από τον αποστολέα προς τους δέκτες ονομάζονται δέντρο πολυδιανομής. Για τη δημιουργία των δέντρων πολυδιανομής έχουν δημιουργηθεί μια σειρά από πρωτόκολλα με τα πιο δημοφιλή από αυτό να είναι PIM, το DVMRP, το MOSPF και το MBGP. Τα πρωτόκολλα αυτά προσπαθούν με δυναμικό τρόπο να δημιουργούν όσο το δυνατών βέλτιστα δέντρα πολυδιανομής τα οποία προσαρμόζονται ανάλογα με το ποιος κόμβος εκπέμπει πάνω στο καθένα από αυτά, και ποιοι είναι οι λήπτες των δεδομένων που εκπέμπονται. Η χρήση πολυδιανομής στα IPTV συστήματα, γίνεται με ρίζα του δέντρου πολυδιανομής το εκάστοτε κέντρο δεδομένων (headend) οπότε η μονόπλευρη αυτή multicast εκπομπή δεν απαιτεί κάποιο περίπλοκο πρωτόκολλο κατασκευής δέντρων. Οι σταθμοί που επιθυμούν να ξεκινήσουν μια καινούρια ή να συμμετάσχουν σε μία προϋπάρχουσα σύνοδο πρέπει να έχουν έναν τρόπο να ενημερώσουν για αυτό τον τοπικό multicast δρομολογητή τους. Οι δρομολογητές μεταξύ τους πρέπει να έχουν κάποιο πρωτόκολλο επικοινωνίας έτσι ώστε να ανταλλάσσουν πληροφορίες όσον αναφορά την δρομολόγηση της multicast κίνησης. Αυτές οι πληροφορίες στις περισσότερες των περιπτώσεων αφορούν κατά πόσο οι σταθμοί που βρίσκονται πίσω από έναν δρομολογητή επιθυμούν ή όχι να λάβουν μέρος σε κάποια μορφή multicast επικοινωνίας και συνεπώς ο δρομολογητής να προωθεί ή να σταματήσει να προωθεί multicast κίνηση προς τους σταθμούς αυτούς. Το πιο διαδεδομένο πρωτόκολλο το οποίο εκτελεί αυτές τις λειτουργίες και χρησιμοποιείται κατά κόρων στα IPTV συστήματα είναι το IGMP Internet Group Membership Protocol Το πρωτόκολλο Internet Group Membership Protocol (IGMP), χρησιμοποιείται από τους σταθμούς (αποστολείς ή παραλήπτες) για να γνωστοποιήσουν την επιθυμία τους να συμμετάσχουν ή να δημιουργήσουν μια multicast συνεδρία και αποτελεί βασικό συστατικό της multicast τεχνολογίας. Ένα χαρακτηριστικό σενάριο της λειτουργίας του πρωτοκόλλου είναι το παρακάτω: Έστω ότι ένας σταθμός θέλει να λάβει κίνηση από μια multicast συνεδρία. Τότε στέλνει ένα IGMP πακέτο τύπου «Membership Report» στον τοπικό multicast δρομολογητή (multicast enabled router) και του ανακοινώνει πως επιθυμεί να λάβει κίνηση από μία multicast συνεδρία. Έτσι ο δρομολογητής αρχίζει να προωθεί την multicast κίνηση της συγκεκριμένης συνόδου προς το τοπικό δίκτυο στο οποίο ανήκει ο σταθμός που του έστειλε την αναφορά. Αντίστοιχα, περιοδικά ο δρομολογητής στέλνει IGMP πακέτα τύπου «Membership Queries» προς τους σταθμούς που είναι συνδεδεμένοι στα τοπικά του δίκτυα προκειμένου να διαπιστώσει ότι οι σταθμοί εξακολουθούν να ενδιαφέρονται για μια multicast συνεδρία. Αν ο δρομολογητής στείλει τρία τέτοια πακέτα χωρίς να λάβει απάντηση τότε σταματάει να προωθεί την κίνηση από την multicast σύνοδο προς το τοπικό δίκτυο. Τέλος το πρωτόκολλο δίνει την δυνατότητα στους σταθμούς να αναγγείλουν την δημιουργία μιας multicast συνόδου στον τοπικό τους δρομολογητή ο οποίος με χρήση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης multicast κίνησης που αναφέρονται παρακάτω αναλαμβάνει πλέον να τα διαφημίσει προς τους γειτονικούς του δρομολογητές Session Initiation Protocol Το Session Initiation Protocol (SIP) είναι ένα πρωτόκολλο ελέγχου-σηματοδοσίας, στο επίπεδο 30

40 εφαρμογών, για τη δημιουργία, τη τροποποίηση, και το τερματισμό των συνεδριών δύο ή περισσοτέρων συμμετεχόντων. Το SIP λειτουργεί ως πρωτόκολλο για έλεγχο της συνόδου στο VoIP, στα Packet Cable Multimedia (PCMM) και αποτελεί ένα σημαντικό πρωτόκολλο για τα δίκτυα νέας γενιάς και τις πολυμεσικές τους δυνατότητες, καθώς αποτελεί το πρωτόκολλο σηματοδοσίας το οποίο χρησιμοποιήται από το IMS (IP Multimedia Subsystem). Οι λειτουργίες του IMS, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για τη παροχή IPTV υπηρεσιών παρουσιάζονται στο επόμενο κεφάλαιο. Για τη δημιουργία συνεδριών και τη μεταφορά περιγραφών της συνεδρίας, χρησιμοποιούνται τα SIP INVITE μηνύματα, τα οποία επιτρέπουν στους συμμετέχοντες να συμφωνήσουν σε ένα σύνολο συμβατών τύπων πολυμέσων. Το SIP εκμεταλλεύεται στοιχεία που αποκαλούνται proxy εξυπηρετητές για να βοηθήσει σε αιτήματα δρομολόγησης στην τρέχουσα τοποθεσία του χρήστη, στην επικύρωση και έγκριση χρηστών για πρόσβαση στις υπηρεσίες και στην εφαρμογή πολιτικών δρομολόγησης κλήσεων. Επίσης παρέχει μια λειτουργία εγγραφής που επιτρέπει στους χρήστες να φορτώσουν τις τρέχουσες θέσεις τους για χρήση από τους proxy εξυπηρετητές. Το SIP τρέχει πάνω από διάφορα πρωτόκολλα μεταφοράς Τεχνολογίες κωδικοποίησης βίντεο Ένα αρχείο βίντεο αποτελείται από μια ακολουθία από καρέ τα οποία έχουν ληφθεί σε τακτά χρονικά διαστήματα (συνήθως ανά 33,3 ms ή 40 ms). Επειδή στην ανεπεξέργαστη μορφή του, ένα τέτοιο αρχείο καταλαμβάνει μεγάλο όγκο και η διανομή του μέσω ενός δικτύου ώστε να μπορεί να προβληθεί σε πραγματικό χρόνο απαιτεί πολύ υψηλό και ασύμφορο ρυθμό μετάδοσης, πρέπει να συμπιεστεί με κάποια τεχνική κωδικοποίησης βίντεο. Τα περισσότερα πρότυπα κωδικοποίησης (πχ MPEG2, H.264), κάνουν χρήση μιας τεχνικής πρόβλεψης και αντιστάθμισης της κίνησης. Όπως φαίνεται στο σχήμα 9, αυτή η τεχνική βασίζεται στην οργάνωση των καρέ σε ένα σύνολο από κύρια καρέ (γνωστά ως I-frame), τοποθετημένα σε τακτά χρονικά διαστήματα και ένα σύνολο από προβλεπόμενα καρέ (γνωστά ως P-frame και B-frame), τοποθετημένα μεταξύ των κύριων καρέ. Τα I-frame κωδικοποιούνται χωρίς να γίνεται αναφορά σε άλλα καρέ, δηλαδή χρησιμοποιούνται τεχνικές συμπίεσης παρόμοιες με αυτές των απλών εικόνων (πχ jpeg). Τα P-frame και B-frame, κατασκευάζονται με βάση κάποια από τα γειτονικά καρέ με χρήση της εκτιμώμενης κίνησης των αντικειμένων μεταξύ του καρέ αυτού και των σχετικών γειτονικών καρέ. Για την αναδόμηση ενός τέτοιου καρέ, ο αποκωδικοποιητής απαιτεί τα αναδομημένα (εφόσον δεν είναι I-frame) γειτονικά καρέ στα οποία αναφέρεται, τη κίνηση των αντικειμένων μεταξύ αυτών και ίσως και κάποιες πληροφορίες για μέρη της εικόνας στα οποία δεν είναι εφικτό και σύμφορο να γίνει πρόβλεψη κίνησης. Ένα σύνολο από P-frame και B-frame, ανάμεσα από δύο διαδοχικά I-frame, μαζί με το πρώτο εξ αυτών I-frame ονομάζονται GoP (group of pictures) και η απόσταση μεταξύ των δύο I- frame δηλώνει το μέγεθος ενός GoP. Το σύνηθες μέγεθος ενός GoP, κυμαίνεται από 0,5 sec έως 2 sec. Τα I-frame μπορούν να αποκωδικοποιηθούν χωρίς τη γνώση περαιτέρω πληροφοριών αλλά είναι αρκετά μεγάλα σε όγκο πληροφορίας. Τα P-frame και B-frame καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο αλλά εξαρτώνται από την επιτυχή αποκωδικοποίηση των καρέ στα οποία αναφέρονται. Στη περίπτωση που ένα καρέ έχει κάποιο σφάλμα, το σφάλμα αυτό μεταδίδεται στα καρέ που το χρησιμοποιούν ως αναφορά. Επειδή μόνο ένα I-frame μπορεί να διακόψει αυτή τη μετάδοση σφαλμάτων, και η αποκωδικοποίηση ενός κωδικοποιημένου βίντεο μπορεί να αρχίσει μόνο μετά τη λήψη ενός τέτοιου καρέ (πχ κατά την εναλλαγή καναλιών), τα μεγάλου μεγέθους GoP δεν είναι 31

41 επιθυμητά. Εκ των προηγουμένων, για την αναμετάδοση IPTV υπηρεσιών, το βέλτιστο μέγεθος ενός GoP καθορίζεται από την αποτελεσματικότητα συμπίεσης, το ρυθμό σφαλμάτων αποκωδικοποίησης και τις επιδόσεις στην εναλλαγή καναλιών. Σχήμα 9: Κωδικοποίηση με GoP MPEG Η ομάδα εργασίας Moving Picture Experts Group (MPEG) αποτελεί μέρος του οργανισμού ISO. Στην ομάδα αυτή ανατέθηκε ο ρόλος της ανάπτυξης προτύπων για την κωδικοποίηση εικόνας και ήχου. Η πρώτη συνάντηση της ομάδας αυτής πραγματοποιήθηκε το 1988 στον Καναδά και μέχρι τα τέλη του 2005 μετράει 350 μέλη από διάφορα πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα. Σαν αποτέλεσμα της μέχρι τώρα δουλειάς που έχει γίνει η ομάδα MPEG έχει καθιερώσει τα εξής πρότυπα: MPEG-1. Πρότυπο για την κωδικοποίηση εικόνας και ήχου. Στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκε σαν πρότυπο για το Video CD (VCD). Περιλαμβάνει το γνωστό πρότυπο για την συμπίεση του ήχου (MP3). MPEG-2. Πρότυπο για την μεταφορά κωδικοποιημένου ήχου και εικόνας. Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις broadcast μετάδοσης. MPEG-3. Αρχικά είχε σχεδιαστεί για High Definition Television (HDTV) αλλά στην συνέχεια εγκαταλείφθηκε από την στιγμή που το MPEG-2 ικανοποιούσε τις απαιτήσεις του συστήματος αυτού. MPEG-4. Πρόκειται για μια επέκταση του MPEG-1 προκειμένου να μπορεί να υποστηρίζει τρισδιάστατα γραφικά, κωδικοποίηση χαμηλού ρυθμού αλλά και την ψηφιακή προστασία των δεδομένων (Digital Rights Management). MPEG-7. Πρότυπο για την περιγραφή πολυμεσικού περιεχομένου. Δεν έχει να κάνει τόσο με την κωδικοποίηση της εικόνας και του ήχου αλλά περισσότερο με την χρήση XML (Extensible Markup Language) γλώσσας για την αποθήκευση metadata (δεδομένα που 32

42 περιγράφουν κάποια άλλα δεδομένα) Στην συνέχεια ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή των χαρακτηριστικών του MPEG-2 το οποίο είναι και το πιο δημοφιλές πρότυπο για τη παροχή IPTV υπηρεσιών MPEG-2 Το MPEG-2 αποτελεί το αποτέλεσμα της επιθυμίας για τη δημιουργία ενός προτύπου κωδικοποίησης για ήχο και βίντεο (Audio and Video AV) συμφωνημένο πάνω στη βάση του τρόπου λειτουργίας του MPEG. Το MPEG-2 χρησιμοποιείται κυρίως για κωδικοποίηση ήχου και εικόνας σε περιπτώσεις broadcast μετάδοσης συμπεριλαμβανομένων των δορυφορικών και cable παρεχόμενων τηλεοπτικών προγραμμάτων. Το πρότυπο αυτό μπορεί επίσης και χρησιμοποιείται ως το format κωδικοποίησης που ακολουθούν οι ταινίες DVD του εμπορίου. Συνεπώς, οι ιδιότητές του, και η παρεχόμενη ποιότητα εικόνας, το καθιστούν ως ένα ιδανικό εργαλείο για τα πρώτα IPTV συστήματα. Το MPEG-2 πρότυπο, περιγράφεται από 9 μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια περιγραφή για τον τρόπο με τον οποίο συνδυάζονται μεταξύ τους οι ροές εικόνας και ήχου προκειμένου να είναι εφικτή η μετάδοση ή η αποθήκευση της πολυμεσικής πληροφορίας. Η διαδικασία αυτή μπορεί να γίνει με δύο διαφορετικούς τρόπους και για το λόγο αυτό, μπορούν να προκύψουν δύο διαφορετικές ροές (κωδικοποίησης της πολυμεσικής πληροφορίας) το Transport Stream και το Program Stream. Το Transport Stream είναι σχεδιασμένο για την μεταφορά ψηφιακού ήχου και εικόνας πάνω από μη αξιόπιστα μέσα. Το Program Stream είναι σχεδιασμένο για αξιόπιστα συστήματα μεταφοράς ή αποθήκευσης όπως τα σύγχρονα αποθηκευτικά μέσα δεδομένων. Και στις δυο περιπτώσεις τα Program και Transport Stream συνδυάζουν ένα ή περισσότερα Packetised Elementary Stream (PES) για την δημιουργία του video. Το Elementary Stream, είναι μια ροή πληροφορίας που περιέχει μόνο εικόνα ή ήχο. Είναι το αποτέλεσμα του βίντεο κωδικοποιητή, καθώς αυτός επεξεργάζεται την πολυμεσική πληροφορία. Από την άλλη πλευρά το Packetised Elementary Stream είναι ένα πακέτο το οποίο περιέχει Elementary stream. Στην ουσία πρόκειται για την προσθήκη μιας επικεφαλίδας (packet header) για κάθε x αριθμό από bit. Στην συνέχεια τα PES ήχου και εικόνας, πολυπλέκονται μεταξύ τους και ανάλογα με τον τρόπο που έχει επιλεχθεί προκύπτει το Program ή Transport Stream H.264 Η σύσταση Η.264 αποτελεί πρότυπο για την συμπίεση video. Επίσης, είναι γνωστή ως MPEG-4 μέρος 10, ή MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding). Από το 2008, είναι το πιο καινούργιο προσανατολισμένο στα block, βασισμένο στο πρότυπο κωδικοποίησης με «αποζημίωση-κίνησης» 33

43 το οποίο αναπτύσσεται από την ITU-Τ Video Coding Expertise Group (VCEG) μαζί με την ISO/IEC MPEG, και είναι το προϊόν μιας προσπάθειας συνεργασίας γνωστής ως Joint Video Team (JVT). Τα ITU-Τ H.264 και ISO/IEC MPEG-4 μέρος 10 πρότυπα (τυπικά, ISO/IEC ) διατηρούνται από κοινού έτσι ώστε έχουν το ίδιο τεχνικό περιεχόμενο. Η πρόθεση του H.264/AVC project ήταν η δημιουργία ενός προτύπου ικανού να παρέχει υψηλή ποιότητα video σε αρκετά χαμηλότερα bit rates από τα προηγούμενα πρότυπα (π.χ. κατά το ήμισυ ή λιγότερο το bit rate των MPEG-2, H.263, ή MPEG-4 μέρους 2), χωρίς να αυξήσει την πολυπλοκότητα του σχεδίου τόσο πολύ ώστε να είναι μη πρακτικό ή υπερβολικά ακριβό να εφαρμοστεί Θέματα ζωντανής τηλεοπτικής αναμετάδοσης Η κύρια παρεχόμενη υπηρεσία ενός IPTV συστήματος είναι η παροχή ζωντανού τηλεοπτικού περιεχομένου, δηλαδή η μίμηση των λειτουργιών της παραδοσιακής τηλεόρασης. Αυτό σημαίνει ότι κάθε συνδρομητής μπορεί να επιλέξει και να παρακολουθήσει όποιο κανάλι επιθυμεί μέσα από ένα σύνολο τηλεοπτικών καναλιών ζωντανής αναμετάδοσης. Το επιθυμητό κανάλι παραλαμβάνεται από τον εξοπλισμό του χρήστη (πχ set-top box), αποκωδικοποιήται και προβάλλεται στην οθόνη του. Μέσα στις λογικές απαιτήσεις ενός συνδρομητή είναι η ευκρινής εικόνα χωρίς διακοπές από πιθανές απώλειες πακέτων και γρήγορες εναλλαγές καναλιών, αντίστοιχες με αυτές των αναλογικών τηλεοράσεων Ελαχιστοποίηση απώλειας πακέτων Θεωρώντας ότι η λαμβανόμενη ακολουθία βίντεο είναι κωδικοποιημένη σε τέτοιο βαθμό ώστε να μην υπάρχουν ορατές απώλειες λόγο αυτής, τότε ο μόνος λόγος οπτικά εμφανών διαταραχών στο προβαλλόμενο περιεχόμενο είναι οι απώλειες πακέτων κατά τη μεταφορά τους από τον κωδικοποιητή προς το τερματικό εξοπλισμό. Οι τελευταίας τεχνολογίας αποκωδικοποιητές είναι ευαίσθητοι σε τέτοιου είδους απώλειες. Η απώλεια ενός πακέτου με πληροφορίες για τη δόμηση ενός I-frame δε θα καταστρέψει μόνο αυτό το καρέ αλλά και όλα τα υπόλοιπα καρέ στο GoP στο οποίο ανήκει και εξαρτώνται από αυτό. Η απώλεια ενός πακέτου το οποίο περιέχει πληροφορίες για ένα από τα υπόλοιπα καρέ του GoP μπορεί και αυτή να επηρεάσει την αναδόμηση άλλων καρέ του συνόλου αυτού, ανάλογα με το αν χρησιμοποιήται ή όχι ως αναφορά από άλλα καρέ. Στα υπάρχοντα πρωτόκολλα δεν είναι εφικτό να εφαρμοστούν πολιτικές για την αναγνώριση και το διαφορετικό χειρισμό των πακέτων με πληροφορίες για καρέ ύψιστης σημασίας. Κάποιοι από τους οργανισμούς προτυποποίησης έχουν συμφωνήσει ότι το μέσο χρονικό διάστημα ανάμεσα σε δύο ανθρωπίνως αισθητές οπτικές (ή ηχητικές) διαταραχές πρέπει να είναι μεγαλύτερο των τεσσάρων ωρών. Σε ένα IPTV δίκτυο υπάρχουν διάφοροι λόγοι οι οποίοι μπορούν να προκαλέσουν την απώλεια πακέτων. Για παράδειγμα σε μια IPTV υποδομή όπου το δίκτυο πρόσβασης στο τελευταίο μίλι αποτελείται από DSL συνδέσεις, ο θόρυβος που υπάρχει σε αυτού του είδους τις γραμμές μπορεί πολύ εύκολα να προκαλέσει απώλειες. Σε τέτοιες περιπτώσεις, τεχνικές στο επίπεδο συνδέσμου (με συνδυασμό κωδικοποιήσεων interleaving, Read-Solomon, trellis), μπορούν να μειώσουν δραστικά 34

44 τις επιπτώσεις του θορύβου, αλλά με κόστος την προσθήκη μεγαλύτερων λειτουργικών δαπανών και καθυστερήσεων. Είναι αρκετά δύσκολο να συντονιστούν αυτού του είδους οι τεχνικές με τέτοιο τρόπο ώστε η σύνδεση να είναι αρκετά σταθερή για μεταγωγή IPTV υπηρεσιών, χωρίς να εισάγονται καθυστερήσεις οι οποίες θα δημιουργούν μεγάλο πρόβλημα σε υπηρεσίες όπως VoIP και online-gaming και παράλληλα να μην καταναλώνεται μεγάλο εύρος ζώνης. Τα οικιακά δίκτυα επίσης, μπορούν να αποτελέσουν ένα άλλο σημείο στο οποίο υπάρχουν απώλειες (wireless links, IP over power-line). Μια άλλη πηγή είναι η δικτυακή συμφόρηση κατά την οποία οι καταχωρητές των δικτυακών κόμβων υπερχειλίζουν και απορρίπτουν πακέτα. Τα περισσότερα IPTV δίκτυα είναι κατασκευασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε τέτοιου είδους υπερχειλίσεις να μη συμβαίνουν συχνά. Τέλος, μπορεί να συμβούν αστοχίες σε συνδέσεις οι κόμβους του δικτύου. Μηχανισμοί προστασίας των χαμηλότερων επιπέδων (αυτόματη προστασία μεταγωγής, IP επαναδρομολόγηση), μπορούν να χειριστούν τέτοιου είδους προβλήματα και να τα αποκαταστήσουν εντός 50 ms με 250 ms από τη στιγμή που θα εντοπιστούν, με απώλεια όλων των πακέτων εντός αυτής της περιόδου. Σχήμα 10: Packet-loss [15] Στα επίπεδο εφαρμογών, υπάρχουν δύο τεχνικές οι οποίες μπορούν να μειώσουν τον αντίκτυπο από τις απώλειες πακέτων, οι οποίες είναι η FEC (forward error correction) και η ARQ (automatic repeat request). Η τεχνική FEC στο επίπεδο εφαρμογών, βασίζεται στην εισαγωγή πλεονάζουσας πληροφορίας στη ροή των περιεχομένων με την οποία ο δέκτης μπορεί να ανακατασκευάσει τυχών απολεσθέντα πακέτα. Η τεχνική ARQ βασίζεται σε αιτήματα επαναμετάδοσης των απολεσθέντων πακέτων. Και οι δύο παραπάνω τεχνικές εισάγουν πρόσθετες καθυστερήσεις, κυρίως επειδή πρέπει να συγκεντρώσουν μεγάλο αριθμό πακέτων σε ένα καταχωρητή του δέκτη (set-top box) για να μπορέσουν να κάνουν αξιόπιστη αντιστάθμιση για τυχών απολεσθέντα πακέτα. Για τη FEC ο καταχωρητής πρέπει να είναι τόσο μεγάλος ώστε να μπορεί να συσσωρεύσει ένα ικανοποιητικό σύνολο από πακέτα ωφέλιμου φορτίου καθώς και τα σχετικά FEC πακέτα, ώστε να μπορέσει να επέλθει αποτελεσματική αναδόμηση των απολεσθέντων. Στην ARQ ο καταχωρητής πρέπει να είναι τόσο μεγάλος, ώστε να μπορούν να εντοπίζονται τα απολεσθέντα πακέτα να αποστέλλεται το αίτημα επαναμετάδοσης και να παραλαμβάνεται το επαναμεταδιδόμενο πακέτο. Σε αυτή τη περίπτωση, όσο μεγαλύτερος ο καταχωρητής, τόσο πιο πολλές και οι δυνατές επαναμεταδόσεις. 35

45 Επίσης, οι δύο αναφερόμενες τεχνικές εισάγουν στο σύστημα πρόσθετη επιβάρυνση σε σχέση με τον απαιτούμενο ρυθμό μετάδοσης. Στη FEC η επιβάρυνση προέρχεται από τη σταθερή επιπλέον μετάδοση FEC πακέτων, ενώ στην ARQ η επιβάρυνση δεν έχει σταθερό ρυθμό και αφορά τα επαναμεταδιδόμενα πακέτα. Στη περίπτωση που οι απώλειες πακέτων (ωφέλιμου φορτίου και πακέτων FEC) είναι αρκετές τότε η τεχνική FEC αποτυγχάνει και δεν είναι δυνατό να αποκατασταθούν τα απολεσθέντα πακέτα. Η ARQ αποτυγχάνει αν δεν υπάρξει λήψη επαναμεταδιδόμενου απολεσθέντος πακέτου μέσα στο καθορισμένο χρονικό πλαίσιο. Οπότε κρίνεται σκόπιμο ο σχεδιασμός του συστήματος να γίνει με τέτοιο τρόπο ώστε η μέση χρονική διάρκεια μεταξύ τέτοιου είδους αποτυχιών να είναι αρκετά μεγάλη (πχ 4 ώρες). Σχήμα 11: FEC [15] Για την υλοποίηση FEC τεχνικών διόρθωσης λαθών στο επίπεδο των εφαρμογών έχουν προταθεί μια πληθώρα από παραλλαγές. Η βασική φιλοσοφία μερικών εξ αυτών είναι ότι για κάθε K πακέτα περιεχομένων προστίθενται στη ροή άλλα M πακέτα με FEC κώδικα αποκατάστασης, συνθέτοντας ένα σύνολο από (K+M=) N πακέτα. Το πλήθος των Μ πακέτων, μπορεί να είναι σταθερό ή να διαφέρει για κάθε νέο σύνολο Ν, ανάλογα με τη χρησιμοποιούμενη τεχνική. Με το σύνολο αυτό των N πακέτων, αν οι απώλειες βρίσκονται μέσα σε λογικά πλαίσια, μπορεί να αναδομηθεί οποιοδήποτε από τα Κ πακέτα. Η ιδανική περίπτωση είναι να μπορεί να γίνει αναδόμηση λαμβάνοντας τουλάχιστον οποιαδήποτε πακέτα πλήθους K εκ του συνόλου των Ν. Τέτοιου τύπου FEC τεχνικές είναι οι κώδικες ελέγχου απλής ισοτιμίας και οι κώδικες Reed- Solomon. Οι κώδικες ελέγχου απλής ισοτιμίας είναι οι απλούστερη μορφή κατά την οποία το Μ είναι αυστηρά ίσο με 1 και με χρήση της XOR μπορεί να γίνει αποκατάσταση κατά την απώλεια μόνο ενός πακέτου. Οι κώδικες Read-Solomon αποτελούν την ιδανική περίπτωση αυτού του είδους των τεχνικών. Επίσης υπάρχουν και άλλου τύπου τεχνικές, όπως δυαδικού τύπου κώδικες, κώδικες Raptor κτλ. Αν και οι κώδικες τύπου Reed-Solomon έχουν τις καλύτερες επιδόσεις αποκατάστασης, απαιτούν μεγαλύτερες υπολογιστική ισχύ για την εφαρμογή τους. Λόγο αυτού, οι οργανισμοί προτυποποίησης DVB και 3GPP, στο ευρύτερο πλαίσιο του MBMS (multimedia broadcast multicast services), δημιούργησαν πρότυπα βασισμένα στους κώδικες Raptor. Οι κώδικες αυτοί αν και είναι εν μέρη λιγότερο αποτελεσματικοί από τους κώδικες Reed-Solomon, εισάγουν μικρότερο υπολογιστικό κόστος και κόστος μεταφοράς στο σύστημα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα ποσοστά απώλειας πακέτων δεν είναι ίδια για όλους τους χρήστες, ένας τρόπος να μειωθεί το προστιθέμενο φορτίο στο σύστημα από τη FEC πλεονάζουσα πληροφορία είναι η δημιουργία πολλαπλών δέντρων πολυδιανομής όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 12 [15]. Οι δέκτες με μηδαμινή απώλεια πακέτων (FTTH) μπορούν να λαμβάνουν μόνο το κύριο περιεχόμενο της αναμετάδοσης, χωρίς πλεονάζουσα πληροφορία. Οι υπόλοιποι δέκτες 36

46 μπορούν να λαμβάνουν τη πλεονάζουσα πληροφορία αποκατάστασης από ξεχωριστά δέντρα πολυδιανομής και με διαβαθμίσιμο τρόπο ανάλογα με τη ποιότητα της σύνδεσής τους. Σχήμα 12: FEC με πολλαπλές ροές πολυδιανομής Σε σχέση με το ποια από τις δύο τεχνικές υπερτερεί (FEC ή ARQ), εξαρτάται από το RTT (round trip time) μεταξύ του τερματικού εξοπλισμού και του σημείου από το οποίο γίνονται οι ARQ επαναμεταδόσεις. Για μικρές τιμές του RTT, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα περισσοτέρων επαναμεταδόσεων σε μικρότερα χρονικά διαστήματα, οι ARQ τεχνικές υπερτερούν των FEC. Οπότε, ενώ η FEC κωδικοποίηση είναι προτιμότερο να γίνεται στην κεντρική πηγή (πχ SHE ή VHO) ώστε να γίνεται μια φορά για εξοικονόμηση υπολογιστικού κόστους, οι ARQ επαναμεταδόσεις πρέπει να γίνονται από καταχωρητές όσο το δυνατόν πλησιέστερα στον χρήστη (πχ VSO). Έτσι εκτός από ελαχιστοποίηση του RTT, δεν δημιουργήται και επιπλέον φόρτος στο υπόλοιπο δίκτυο από τυχόν επαναμεταδόσεις Γρήγορη εναλλαγή καναλιών Στο σχήμα 13 [14] αποτυπώνεται το γιατί το χρονικό διάστημα εναλλαγής δύο καναλιών μετά από έτοιμα του χρήστη μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο. Η αριστερή καμπύλη υποδηλώνει το αθροιστικό πλήθος των bits τα οποία προωθούνται προς το δέντρο πολυδιανομής με τη πάροδο του χρόνο. Η διακεκομμένη καμπύλη υποδηλώνει το αντίστοιχο αθροιστικό πλήθος των bits τα οποία παραλαμβάνονται από τον τερματικό εξοπλισμό (πχ set-top box) στην ίδια χρονική διάρκεια. Τέλος, πάλι στα ίδια χρονικά διαστήματα, η δεξιά καμπύλη υποδηλώνει το αθροιστικό πλήθος των bits τα οποία έχουν αποκωδικοποιηθεί από τον τερματικό εξοπλισμό. Η κλήση κάθε μιας από αυτές τις καμπύλες ανταποκρίνεται στο ρυθμό μετάδοσης, παραλαβής και αποκωδικοποίησης των δεδομένων αντίστοιχα. Η οριζόντια διαφορά της αριστερής καμπύλης με τη διακεκομμένη αντιστοιχεί στον απαιτούμενο χρόνο τον οποίο χρειάζονται τα δεδομένα για να διασχίσουν το δίκτυο από την πηγή μέχρι τον τερματικό εξοπλισμό. Η κάθετη διαφορά μεταξύ της διακεκομμένης και της δεξιάς γραμμής αντιστοιχεί στο πλήθος των bits τα οποία βρίσκονται στον καταχωριτή του τερματικού εξοπλισμού. Προφανώς, βάση των προαναφερθέντων οι δύο σημαντικότεροι λόγοι καθυστέρησης εναλλαγής καναλιών είναι η αναμονή για τη παραλαβή ενός κύριου καρέ και ο χρόνος που χρειάζεται για να συσσωρευτεί στον καταχωρητή το κατάλληλο πλήθος πακέτων ώστε να αρχίσει η διαδικασία της αποκωδικοποίησης. Το μέγεθος του καταχωρητή κατά κύριο λόγο καθορίζεται από το jitter που υπάρχει στο δίκτυο και το κατά πόσο είναι αυτό σταθερό, αφού το να μείνει ο καταχωρητής έστω και στιγμιαία χωρίς δεδομένα θα προκαλέσει αισθητές οπτικές διαταραχές στην 37

47 αποκωδικοποιημένη εικόνα. Από προηγούμενη παράγραφο είναι γνωστό ότι το μέγεθος του καταχωρητή διαφέρει ανάλογα και με την χρησιμοποιούμενη τεχνική αποκατάστασης απολεσθέντων πακέτων. Ένας άλλος λόγος που μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση είναι τα μηνύματα σηματοδοσίας που απαιτούνται κατά τις εναλλαγές των καναλιών. Σχήμα 13: Εναλλαγή καναλιών Ως αποδεκτή καθυστέρηση εναλλαγής καναλιού μπορεί να θεωρηθεί ένα χρονικό διάστημα το πολύ μέχρι 0,5 s. Όπως έχει αναφερθεί πρωτύτερα, το μέγεθος ενός GoP είναι συνήθως μεγαλύτερο αυτής της τιμής, ώστε ο απαιτούμενος ρυθμός μετάδοσης να είναι αρκετά χαμηλός. Χωρίς πρόσθετα μέτρα, το παραπάνω θα έχει σαν αποτέλεσμα η καθυστέρηση εναλλαγής καναλιών να είναι αρκετά μεγάλη και σε μη αποδεκτά πλαίσια. Το σχήμα 14 [14] παρουσιάζει μια δραστική μέθοδο για την ελάττωση της καθυστέρησης. Όταν ο χρήστης επιλέγει ένα νέο κανάλι, εγκαθιδρύεται μια unicast ροή πακέτων προς τον τερματικό εξοπλισμό. Μέσω αυτής της ροής αποστέλλονται τα πακέτα που περιέχουν το κύριο καρέ (I-frame) που έχει εκπεμφθεί πιο πρόσφατα ακολουθούμενο από τα πακέτα που αφορούν τα υπόλοιπα καρέ του GoP στο οποίο ανήκει. Με τη λήψη αυτών των πακέτων, ο τερματικός εξοπλισμός μπορεί να αρχίσει να αποκωδικοποιεί και να προβάλει το βίντεο. Ωστόσο υπάρχουν δύο πολύ σημαντικά προβλήματα. Πρώτο είναι ότι η unicast ροή υστερεί χρονικά της multicast, γιατί αποστέλλει δεδομένα τα οποία έχουν είδη αναμεταδοθεί από το δέντρο πολυδιανομής. Δεύτερο πρόβλημα είναι ότι αν τα δεδομένα αρχίσουν να αναπαράγονται αμέσως δε θα δοθεί ευκαιρία στον καταχωρητή να αποκτήσει το κατάλληλο μέγεθος ασφαλείας. Με την αποστολή της unicast ροής με μεγαλύτερο ρυθμό από ότι την multicast τα δύο αυτά προβλήματα επιλύονται. Τη στιγμή όπου τα περιεχόμενα των δύο ροών συναντώνται χρονικά (το σημείο τομής των δύο διακεκομμένων γραμμών στο σχήμα 14) το set-top box διακόπτει τη unicast ροή και συνεχίζει να λαμβάνει μέσω της multicast. Πρέπει να σημειωθεί ότι όσο πιο μικρό είναι το επιπρόσθετο δαπανόμενο εύρος (ρυθμός μετάδοσης) για τη unicast ροή τόσο περισσότερο θα πρέπει αυτή να διαρκέσει. Επίσης, αν η αναπαραγωγή αρχίσει με την παραλαβή του πρώτου I-frame τότε δε θα υπάρχει προστασία από απώλειες πακέτων μέχρι ο καταχωρητής να λάβει το κατάλληλο μέγεθος. Η επιλογή ενός ακόμα πιο προγενέστερου I-frame 38

48 ως αρχικό εκπεμπόμενο από την unicast ροή μπορεί να λύση εν μέρη το πρόβλημα, αλλά θα επιβάλει και μεγαλύτερο κόστος αφού θα παρατείνει τη διάρκειά της. Σχήμα 14: Γρήγορη εναλλαγή καναλιών 'Ένα ερώτημα που δημιουργήται είναι από που θα ανακτώνται τα σχετικά με τη unicast εκπομπή GoP. Η λύση μπορεί να δοθεί με την υλοποίηση ενός κυκλικού καταχωρητή με τα πιο πρόσφατα απεσταλμένα GoP στη πηγή του δέντρου πολυδιανομής. Αξίζει να σημειωθεί ότι στη περίπτωση που ο μηχανισμός ελαχιστοποίησης απολεσθέντων πακέτων βασίζεται σε ARQ τεχνικές, ένας τέτοιος καταχωρητής υπάρχει είδη στο σύστημα και μπορεί να αξιοποιηθεί παράλληλα και για τους δύο μηχανισμούς On-demand υπηρεσίες Η δυνατότητα αμφίδρομης επικοινωνίας, μεταξύ της πηγής και του τελικού χρήστη, σε ένα IPTV σύστημα δίνει στη νέα αυτή τεχνολογία το προβάδισμα σε σχέση με τους παραδοσιακούς τρόπους τηλεοπτικής αναμετάδοσης, στη παροχή νέου τύπου, ελκυστικών για τους συνδρομητές, υπηρεσιών. Ωστόσο, όπως έχει προαναφερθεί, η εκτίμηση της απαιτούμενης χωρητικότητας του δικτύου γίνεται αρκετά δύσκολη εάν πάνω από αυτό παρέχονται VoD υπηρεσίες οι οποίες επιτρέπουν στους συνδρομητές να επιλέγουν πότε θα παρακολουθήσουν αυτού του είδους το περιεχόμενα και να επεμβαίνουν με χρονικές μετατοπίσεις σε αυτό (rewind, fast-forward, pause, stop). Αυτού του τύπου οι υπηρεσίες απαιτούν unicast τύπου μηχανισμούς αναμετάδοσης από τον VoD εξυπηρετητή προς τη συσκευή του κάθε συνδρομητή με αποτέλεσμα να απαιτήται αρκετά μεγάλη χωρητικότητα στο backbone δίκτυο. Η βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του συστήματος, για τη παροχή αυτών των νέου τύποι υπηρεσιών, είναι ένα καίριο ζήτημα. 39

49 VoD Σε αυτού του τύπου τις υπηρεσίες, οι απαιτήσεις των χρηστών για περισσότερο και ποιοτικότερο υλικό αυξάνονται συνεχώς. Η εφαρμογή δέντρων πολυδιανομής, για την εξοικονόμηση πόρων δεν είναι εφικτό να εφαρμοστεί όπως στην προαναφερθείσα ζωντανή αναμετάδοση. Κάθε χρήστης εξυπηρετήται μέσω μιας unicast αναμετάδοσης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αυτές οι νέου τύπου υπηρεσίες ενημέρωσης και ψυχαγωγίας έχουν μεγάλη ανταπόκριση από τους συνδρομητές και μπορούν να οδηγήσουν ένα δίκτυο σε μη αναμενόμενη συμφόρηση, η παροχή τους πρέπει να γίνεται με χρήση διαφόρων πολιτικών και τεχνικών που να εξασφαλίζουν τη ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας. Η εξοικονόμηση πόρων σε αυτή τη περίπτωση είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας και μπορεί να γίνει με τη μεταφορά και αποθήκευση, του ανά περιόδους δημοφιλέστερου υλικού, πιο κοντά στους τελικούς χρήστες (πχ από το SHE στα VHO και από τα VHO στα VSO). Τα δημοφιλή VoD αρχεία, μπορούν να αποθηκεύονται πλησιέστερα στον τελικό χρήστη, με αποτέλεσμα τα αρχεία αυτά να αναμεταδίδονται μόνο μια φορά από την αρχική πηγή τους, ένα τα λιγότερο δημοφιλή αρχεία παραμένουν αποθηκευμένα στον κεντρικό VoD διακομιστή. Αυτή η τεχνική αν εφαρμοστεί με το βέλτιστο τρόπο, οδηγεί στο να δαπανώνται σημαντικά λιγότεροι πόροι του συστήματος για αυτή την ομάδα υπηρεσιών. Όσο αφορά την αποκατάσταση των απολεσθέντων πακέτων, η δυνατότητα σε αυτού του είδους της υπηρεσίες για δημιουργία μεγάλων καταχωρητών στο τερματικό εξοπλισμό, οδηγεί στο να υπερέχουν αισθητά οι ARQ τεχνικές έναντι των FEC. Σχήμα 15: Χρήση RSVP σηματοδοσίας στον VoD διακομιστή Ωστόσο, και με βέλτιστη κατανομή του VoD περιεχομένου στο σύστημα η αποτροπή της συμφόρησης λόγο αυξημένης ζήτησης από τους συνδρομητές δεν είναι εξασφαλισμένη. Ο βέλτιστος τρόπος για την αποτροπή της, είναι ή απόρριψη αιτημάτων για VoD περιεχόμενο όταν η κινητικότητα στο δίκτυο πλησιάζει στα όρια της χωρητικότητας του. Αυτή η λύση, μπορεί να δυσαρεστήσει μερίδα συνδρομητών, αλλά εξασφαλίζει εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας στους συνδρομητές που είναι είδη συνδεδεμένοι στο δίκτυο. Ένας τρόπος εφαρμογής της πολιτικής αυτής με εφαρμογή admission control στο δίκτυο διανομής δίνεται στο [22]. Η διαδικασία αυτή η οποία περιγράφεται στο σχήμα 15 [22], κάνει χρήση του πρωτοκόλλου RSVP, για σηματοδοσία, η οποία αποστέλλεται από τον VoD διακομιστή (ή από κάποιον άλλο μηχανισμό πλησίον αυτού) πριν από την έναρξη αποστολής της VoD ροής δεδομένων. Όταν ένας συνδρομητής επιλέξει να δει κάποια on-demand ταινία, το αίτημα θα καταλήξει στον VoD διακομιστή. Στη συνέχεια ένα RSVP μήνυμα αποστέλλεται από τον VoD διακομιστή προς τον 40

50 συνδρομητή, διασχίζοντας το ίδιο μονοπάτι που θα χρησιμοποιηθεί και από την VoD συνεδρία, ανιχνεύοντας τυχόν αλλαγές σε πραγματικό χρόνο στις σύνθετες τοπολογίες του δικτύου διανομής. Κατά μήκος του μονοπατιού, οι δρομολογητές εκτελούν λειτουργίες μέτρησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Οι δρομολογητές αυτοί θα αποδεχτούν την εγκαθιδρυόμενη συνεδρία, αν το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι επαρκές, ενώ θα την αρνηθούν σε αντίθετη περίπτωση. Όταν κάποιος δρομολογητής αρνηθεί την εγκαθίδρυση, ένα RSVP μήνυμα θα αποσταλεί στον VoD διακομιστή, ο οποίος με τη σειρά του θα αποστείλει (σε επίπεδο εφαρμογών) στον συνδρομητή ένα μήνυμα ότι η υπηρεσία δεν είναι προσωρινά διαθέσιμη. Για την επιτυχή λειτουργία αυτού του μηχανισμού είναι εμφανές ότι οι δρομολογητές που χρησιμοποιούνται κατά μήκος του δικτύου πρέπει να υποστηρίζουν τις απαιτούμενες εξελιγμένες λειτουργίες στο επίπεδο δικτύου Δυνατότητα χρονικής μετατόπισης Η δυνατότητα αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε VoD περιεχόμενο ή υπό συνθήκες ακόμα και σε ζωντανής αναμετάδοσης περιεχόμενο. Όταν ένας χρήστης εκτελεί μια λειτουργία χρονικής μετατόπισης με μεταπήδηση σε κάποιο άλλο τυχαίο σημείο της ταινίας και δεν έχουν αντληθεί ήδη τα απαραίτητα δεδομένα για το νέο σημείο αναπαραγωγής, θα γίνει αντιληπτή σε αυτών κάποια καθυστέρηση. Για την επίλυση του προβλήματος αυτού, μια απλή υλοποίηση μπορεί να γίνει με την προσθήκη στο τερματικό εξοπλισμό κυκλικών καταχωρητών με τη χρήση των οποίων ο συνδρομητής να μπορεί να οπισθοχωρήσει χρονικά και να ξαναπαρακολουθήσει το είδη προβεβλημένο σε αυτόν περιεχόμενο. Ωστόσο η λειτουργία αυτή δε δίνει τη δυνατότητα της χρονικής μετάβασης σε μη προβεβλημένο πρόσφατα στον χρήστη περιεχόμενο. Η επίλυση αυτού του θέματος μπορεί να γίνει με τη τοποθέτηση στο σύστημα κυκλικών καταχωρητών αντίστοιχων με αυτούς που χρησιμοποιούνται για τη γρήγορη εναλλαγή καναλιών. Οι καταχωρητές αυτοί πρέπει να έχουν πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα από αυτούς για τις γρήγορες εναλλαγές και να είναι τοποθετημένοι στο πλησιέστερο δυνατό σημείο προς τον τελικό χρήστη. Μη άλλη προσέγγιση για τη λύση του προβλήματος αυτού είναι οι παράλληλη λήψη περιεχομένου από άλλα σημεία του αναπαραγόμενου βίντεο, εκτός αυτού που προορίζεται για άμεση αναπαραγωγή με χρήση δευτερευόντων ροών περιεχομένου. Οι δευτερεύουσες ροές μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να κατεβάζουν συνεχές περιεχόμενο λίγων καρέ (πχ διάρκειας 5 sec ή ανά 3-10 GoP), σε διακριτά χρονικά διαστήματα (πχ ανά 1 min ή ανά GoP) εντός του προβαλλόμενου αρχείου βίντεο. Αν η χρονική μετατόπιση εφαρμόζεται πλησίον κάποιου εξ αυτών των καρέ (πχ σε απόσταση 0,5 min), τότε η αναπαραγωγή εκκινήται με αυτά τα καρέ και δίνεται ένα χρονικό περιθώριο στον δέκτη να αρχίσει να λαμβάνει το περιεχόμενο που ακολουθεί αυτών των καρέ. Με αυτό το τρόπο η μεταπήδηση σε άλλο σημείο της ταινίας μπορεί να γίνει χωρίς καθυστέρηση και τα είδη υπάρχοντα καρέ δίνουν το χρόνο για να αναπληρωθεί και το υπόλοιπο κυλιόμενο παράθυρο. Βάση πειραμάτων, το 80% το χρηστών επιλέγει τη λειτουργία fast forward για γρήγορη αναπαραγωγή το πολύ των επομένων 300 δευτερολέπτων της προβαλλόμενης ταινίας. Αυτό το στοιχείο μπορεί να αξιοποιηθεί, δίνοντας στο διακομιστή περιεχομένου τη δυνατότητα να εκτελεί κάποιες ριπές (bursts) περιεχομένου με μεγαλύτερο ρυθμό από αυτόν της αναπαραγωγής με στόχο να γεμίζει τον καταχωρητή του δέκτη με τα δεδομένα που είναι απαραίτητα για την αναπαραγωγή των επόμενων 300 δευτερολέπτων, έτσι ώστε να μπορεί να καλύψει τη λειτουργία fast forward για το διάστημα αυτό. 41

51 Προσωπικός δικτυακός καταγραφέας περιεχομένου Με ένα προσωπικό δικτυακό καταγραφέα περιεχομένου, κάθε χρήστης μπορεί να επιλέξει ποια προγράμματα ζωντανής αναμετάδοσης επιθυμεί να αποθηκευτούν, ώστε να μπορέσει να τα παρακολουθήσει κάποια άλλη στιγμή, μετά από τη κανονική τους αναμετάδοση. Αυτό μπορεί να γίνει, με αποθήκευση του περιεχομένου στον τερματικό εξοπλισμό (set-top box). Ωστόσο, με αυτό το τρόπο ο χρήστης θα καταναλώνει μεγάλο μέρος του διαθέσιμου σε αυτόν εύρους ζώνης στη περίπτωση που ενώ παρακολουθεί κάποιο πρόγραμμα, παράλληλα έχει επιλέξει την καταγραφή ενός ή περισσοτέρων άλλων. Λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να δοθεί με τη διάθεση αυτών των προγραμμάτων με VoD τεχνικές μετά την ζωντανή αναμετάδοσή τους. Με την αξιοποίηση των αιτημάτων των χρηστών για τα προγράμματα που επιθυμούν να γίνει καταγραφή για μετέπειτα θέαση, μπορεί να γίνει βέλτιστη κατανομή αυτού του υλικού στο δίκτυο και μεγάλη εξοικονόμηση πόρων. 42

52 4.IPTV ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΟΜΕΝΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Από τη στιγμή που τα δίκτυα επόμενης γενιάς (next generation networks - NGN) έχουν τραβήξει την προσοχή λόγο των δυνατοτήτων τους ως μια πλατφόρμα για τη μεταφορά IP πολυμεσικών υπηρεσιών, οι IPTV υπηρεσίες αποτελούν σημείο κλειδί για την εξέλιξή τους. Οι υπηρεσίες αυτές διαφέρουν από τις υπόλοιπες υπηρεσίες στις οποίες είναι βασισμένος ο σχεδιασμός των NGN δικτύων, λόγο του γεγονότος ότι συνδυάζουν τρία εννοιολογικώς διαφορετικά μεταξύ τους στοιχεία, τα οποία είναι η συνεχής ροή βίντεο (streamed video), οι Web υπηρεσίες και ο βασισμένος σε NGN έλεγχος υπηρεσιών. Τα στοιχεία αυτά πρέπει να συνδυαστούν και να αναμιχθούν με τέτοιον τρόπο, ώστε να επιτευχθεί η ικανοποίηση του τελικού χρήστη. Ωστόσο, η παροχή IPTV πολυμεσικών υπηρεσιών πραγματικού χρόνου μέσα από NGN δίκτυα, εισάγει προκλήσεις σε σχέση με την εξασφάλιση της ποιότητας, οι οποίες έχουν να κάνουν με τους παρακάτω παράγοντες: Η έμφυτη φύση ενός IP περιβάλλοντος επόμενης γενιάς, το οποίο είναι best-effort και για αυτό απαιτεί αρκετούς επιπρόσθετους μηχανισμούς για να καλύψει τα απαραίτητα επίπεδα ποιότητας και διαθεσιμότητας. Ένα εκτεταμένο εύρος διαφορετικών απαιτητικών υπηρεσιών δημιουργεί προκλήσεις στον καταμερισμό των πόρων ως προς τις ποικίλες απαιτούμενες επιδόσεις και τα διάφορα θέματα διαδραστικότητας και εξατομίκευσης (πχ διανομή πραγματικού χρόνου, επεξεργασία προτεραιοτήτων). Αν και κάποιες υπηρεσίες δεν είναι αυστηρά άμεσης ανάγκης, είναι χαρακτηρισμένες ως υψηλής διαθεσιμότητας και δημιουργούν προσδοκίες διαβεβαιωμένης ποιότητας από την πλευρά των τελικών χρηστών οι οποίες πρέπει να ικανοποιηθούν από τα NGN δίκτυα. Οι IPTV υπηρεσίες ανήκουν σε αυτή τη κατηγορία. Υπάρχουν δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες για την επίδοση ενός συστήματος, οι οποίες σχετίζονται με την διαβεβαιωμένη ποιότητα των διανεμόμενων υπηρεσιών. Η αντιλαμβανόμενη ποιότητα μιας υπηρεσίας από τον τελικό χρήστη (QoE), και σχετίζεται με το επίπεδο υπηρεσιών (service layer) και την ικανότητα μιας υπηρεσίας να καλύψει τις προσδοκίες των τελικών χρηστών. Από την άλλη πλευρά, η ποιότητα υπηρεσιών (QoS) αντιπροσωπεύει τη μέτρηση των επιδόσεων από την οπτική γωνία του δικτύου και εμπλέκει ένα σύνολο από QoS μηχανισμούς για τη διαχείριση των συνθηκών του δικτύου και τη διανομή διαφοροποιημένων υπηρεσιών σε επιλεγμένες ροές δεδομένων και τελικούς χρήστες. Η σχέση μεταξύ QoE και QoS αφορά την αποτύπωση των απαιτήσεων του τελικού χρήστη και της υπηρεσίας σε παραμέτρους και μηχανισμούς που αφορούν το δίκτυο μεταφοράς Αρχιτεκτονική NGN Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη των NGN δικτύων έχει δρομολογηθεί, μελετηθεί επιμελώς και οριστεί με σαφήνεια, από όλους τους παράγοντες-οργανισμούς που ασχολούνται με την έρευνα, 43

53 την ανάπτυξη και τη προτυποποίηση τους. Σημαντικότεροι εξ αυτών είναι οι ITU-T, 3GPP και ETSI-TISPAN. Υπάρχουν αρκετές προτάσεις για την αρχιτεκτονική ενός NGN δικτύου, οι οποίες ωστόσο διαμοιράζονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά τα οποία αναπαρίστανται στο γενικό μοντέλο του σχήματος 16(a) [8]. Το IP multimedia subsystem (IMS), παρέχει το core session control, το service triggering και μηχανισμούς πιστοποίησης, εξουσιοδότησης και χρέωσης (authentication, authorization, accounting - AAA) Το network attachment subsystem (NASS), παρέχει τις διεργασίες προσάρτησης και αρχικοποίησης της συσκευής του τελικού χρήστη στο σύστημα. Το resource and admission control subsystem (RACS), παρέχει την εφαρμογή των διαφόρων πολιτικών, το admission control και τη διαχείριση των πόρων. Σχήμα 16: Σύγκρηση NGN αρχιτεκτονικής με κάθετο μοντέλο IPTV 44

54 Κάθετη αρχιτεκτονική IPTV Από πλευράς αρχιτεκτονικής, οι υπάρχουσες IPTV τεχνολογίες προσεγγίζονται με κάθετο σχεδιασμό, αποτελούμενο από τέσσερα κομμάτια τα οποία αποτυπώνονται στο σχήμα 16(b) [8] και είναι τα εξής: 1. Το κομμάτι από το οποίο γίνεται η τροφοδοσία περιεχομένου, όπου το περιεχόμενο και τα σχετικά μεταδεδομένα εισέρχονται στο σύστημα, συγκεντρώνονται, και προετοιμάζονται με διάφορες προσαρμοστικές διεργασίες και διαχείριση πνευματικών δικαιωμάτων (digital rights management DRM). 2. Το κομμάτι ελέγχου του IPTV συστήματος (IPTV control), το οποίο υλοποιεί τον έλεγχο παροχής υπηρεσιών και λειτουργίες AAA (middleware). 3. Το σημείο διανομής του περιεχομένου, όπου το υλικό ανάλογα με την υπηρεσία στην οποία ανήκει (πχ VoD), προωθείται με τον κατάλληλο τρόπο στους τελικούς χρήστες. 4. Το κομμάτι το οποίο αντιπροσωπεύει τον εξοπλισμό του τελικού χρήστη, και αντιπροσωπεύεται από ένα σύνολο λειτουργιών απόκτησης και επεξεργασίας περιεχομένου, και λειτουργίες εκτέλεσης των υπηρεσιών. Η σύγκριση στο σχήμα 16 των IPTV και NGN αρχιτεκτονικών, αποκαλύπτει αρκετές λειτουργικές αναλογίες οι οποίες διευκολύνουν την ενσωμάτωση IPTV υπηρεσιών σε ένα NGN περιβάλλον Εξέλιξη και προσαρμογή της IPTV αρχιτεκτονικής στα δίκτυα επόμενης γενιάς Η σταδιακή μεταφορά μιας IPTV υπηρεσίας από ένα παραδοσιακής αρχιτεκτονικής δίκτυο, σε ένα δίκτυο επόμενης γενιάς (NGN), μπορεί να οριστεί ως μια διαδικασία τεσσάρων βημάτων, όπως αυτή παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Κάθε εξελικτικό βήμα της διαδικασίας αυτής παρέχει πρόσθετη λειτουργικότητα και επιπλέον χαρακτηριστικά στο IPTV σύστημα. Για παράδειγμα, αυξάνει το QoE για τους τελικούς χρήστες και προσφέρει σύγκλιση της τηλεόρασης με άλλες τηλεπικοινωνιακές και διαδραστικές πολυμεσικές υπηρεσίες. Με τον όρο non-ngn-based IPTV αρχιτεκτονική, εννοούνται όλες οι υπάρχουσες υλοποιήσεις IPTV συστημάτων τα οποία είναι αυτή τη στιγμή διαθέσιμα στην αγορά. Είναι δυνατόν να υπάρξει διαλειτουργικότητα μεταξύ αυτών των συστημάτων και NGN υποσυστημάτων, αλλά σε γενικές γραμμές, ένας διαφορετικός έλεγχος υπηρεσιών και επίπεδο εφαρμογών θα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για IPTV υπηρεσίες βασισμένες σε ένα καθορισμένο IPTV middleware. Με τον όρο NGN non-ims-based IPTV αρχιτεκτονική, προσδιορίζεται η αρχιτεκτονική η οποία επιτρέπει την αλληλεπίδραση και συνένωση, σε καθορισμένα σημεία αναφοράς, μεταξύ των αφιερωμένων στην IPTV λειτουργιών (πχ λειτουργίες ελέγχου IPTV) και μερικών, υπαρχόντων σε ένα NGN σύστημα, στοιχείων, όπως είναι τα υποσυστήματα RACS και NASS. Ένα αφιερωμένο IPTV υποσύστημα εντός του NGN συστήματος χρησιμοποιείται για να παρέχει όλες τις απαιτούμενες λειτουργίες και να ενοποιεί όλα τα IPTV στοιχεία στην NGN αρχιτεκτονική. 45

55 Με τον όρο NGN IMS-based IPTV αρχιτεκτονική, προσδιορίζεται η λειτουργία μιας IPTV υπηρεσίας με την αξιοποίηση του IMS υποσυστήματος και της λειτουργικότητας αυτού. Λεπτομέρειες για την αρχιτεκτονική αυτή θα δοθούν σε επόμενη παράγραφο. Με τον όρο NGN converged IPTV αρχιτεκτονική, εννοούνται ο συνδυασμός και η σύγκληση NGN non-ims-based IPTV και NGN IMS-based IPTV αρχιτεκτονικών σε μια κοινή δομή η οποία παρέχει συγκλίνοντες τύπους IPTV υπηρεσιών. Σχήμα 17: Σταδιακή μετάβαση της IPTV αρχιτεκτονικής στα NGN δίκτυα [6] Σε αντίθεση με τις υπάρχουσες λύσεις για παροχή IPTV υπηρεσιών, τα NGN δίκτυα περιλαμβάνουν ενσωματωμένα IPTV χαρακτηριστικά, όπως λειτουργίες ελέγχου και διανομής. Η εξέλιξη της NGN IMS-based IPTV αρχιτεκτονικής είναι βασισμένη στην παρατήρηση ότι το IMS ως μια ενοποιημένη πλατφόρμα ελέγχου υπηρεσιών είναι αύξουσας σημασίας για μελλοντικές NGN υπηρεσίες. Ωστόσο, δεν είναι αναμενόμενο ότι όλες οι NGN υπηρεσίες στο μέλλον θα είναι βασισμένες στο IMS. Οπότε είναι απαραίτητο να ερευνηθούν και να μελετηθούν NGN converged IPTV αρχιτεκτονικές. Στο σχήμα 18 [8] αποτυπώνεται η βασική δομή της IMS και non-ims NGN IPTV αρχιτεκτονικής. Στο σχήμα 19 [8] παρουσιάζεται μια IMS-based IPTV προσέγγιση. Η IPTV υπηρεσία, εισάγεται στην NGN-IMS αρχιτεκτονική ως μια σύνθεση από εξειδικευμένες εφαρμογές, τοποθετημένες σε αποκλειστικά αφιερωμένους διακομιστές εφαρμογών (IPTV AS) και λειτουργίες διανομής περιεχομένου εκτελούμενες και αυτές από αποκλειστικά αφιερωμένους διακομιστές. Επιπροσθέτως, εξειδικευμένοι διακομιστές απαιτούνται για τη λήψη, προσαρμογή και παροχή περιεχομένου από το σύστημα, τις λειτουργίες του ηλεκτρονικού οδηγού προγράμματος και τη διαχείριση πνευματικών δικαιωμάτων. Οι μηχανισμοί session control, service triggering και ΑΑΑ, εκτελούνται από το IMS. 46

56 Σχήμα 18: NGN non-ims-based IPTV (a) & NGN IMSbased IPTV (b) Σχήμα 19: IMS-based IPTV 47

57 4.2. IMS-based IPTV πλατφόρμα Το IP Multimedia Subsystem (IMS), είναι μία ανοικτή, configurable, NGN προτυποποιημένη αρχιτεκτονική multimedia για τις σταθερές υπηρεσίες IP. Υποστηρίζει μέσα, όπως το βίντεο και τη φωνή. Στόχος του IMS δεν είναι να παράσχει νέες υπηρεσίες αλλά να υποστηρίξει όλες τις πολυμεσικές υπηρεσίες, του παρόντος και του μέλλοντος, οι οποίες παρέχονται από τα IP δίκτυα. Επιπλέον, οι χρήστες του είναι σε θέση να εκτελέσουν όλες τις υπηρεσίες τους με πλήρη κινητικότητα (mobility). Για να το επιτύχει αυτό, το IMS χρησιμοποιεί ευρέος διαδεδομένα προτυποποιημένα standard για τα πρωτόκολλα που καθορίζονται από τον IETF. Οι βασικές αρχές του IMS συστήματος είναι οι ακόλουθες: NGN compatible architecture: Η αρχιτεκτονική του IMS συμμορφώνεται εντελώς με τις αρχές των NGN και μπορεί να προσαρμοστεί ολοκληρωτικά σε ένα NGN αρχιτεκτονικό σχέδιο. Different network architectures: Το IMS επιτρέπει στους χειριστές και τους φορείς παροχής υπηρεσιών να χρησιμοποιήσουν διαφορετικές δικτυακές αρχιτεκτονικές. Terminal and user mobility: Το δίκτυο παρέχει στους χρήστες και στα τερματικά κινητικότητα. Η κινητικότητα αυτή των χρηστών παρέχεται από το IMS και το SIP. Extensive IP-based services: Το IMS προσφέρει IP-based υπηρεσίες όπως IPTV, VoIP, multi-party gaming, videoconferencing, και content sharing. Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί μια προτεινόμενη IMS-based IPTV πλατφόρμα η οποία μπορεί να παρέχει IPTV υπηρεσίες ελεγχόμενες και διαχειριζόμενες από το IMS και να διανέμει τις υπηρεσίες της ανεξάρτητα από το τύπο του δικτύου μεταφοράς IP Πλεονεκτήματα Αυτού του τύπου η αρχιτεκτονική παρουσιάζει μια πληθώρα από πλεονεκτήματα, όπως υποστήριξη φορητότητας, αλληλεπίδραση με τους χρήστες NGN υπηρεσιών, εξατομίκευση υπηρεσιών και προσαρμοστικότητα περιεχομένου. Επιπροσθέτως, με τη χρήση της υπάρχουσας λειτουργικότητας του IMS για την υποστήριξη μιας IPTV υπηρεσίας, μπορούν να βελτιστοποιηθούν και να επαναχρησιμοποιηθούν οι διάφορες λειτουργίες ενός NGN δικτύου που έχουν σχέση με τα παρακάτω θέματα: Ενοποιημένη καταχώριση και αυθεντικοποίηση χρηστών Διαχείριση συνδρομής, συγκέντρωση προφίλ, και ευέλικτες πολιτικές και εξατομίκευση των χρηστών Διαχείριση συνεδριών (session management), δρομολόγηση, service trigger, αριθμοδότηση Υποστήριξη κινητικότητας-νομαδικότητας Έλεγχος της ποιότητας (QoS) και των μέσων διανομής των υπηρεσιών Ενοποίηση χρεώσεων και συνδρομών των διαφόρων υπηρεσιών Επίσης, υπάρχουν λειτουργίες για την προσαρμοστικότητα του διανεμομένου περιεχομένου, ανάλογα με τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου και τις δυνατότητες του τερματικού του χρήστη. 48

58 Οπότε κάθε χρήστης μπορεί να λαμβάνει IPTV υπηρεσίες, όχι μόνο στο σπίτι, αλλά και εν κινήσει μέσο φορητών τερματικών. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η ευελιξία ελέγχου των IPTV υπηρεσιών λόγο του βασισμένου στο πρωτόκολλο SIP ελέγχου συνεδριών (session control). Για παράδειγμα ένας χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει ένα IMS τερματικό για να ελέγξει απομακρυσμένα τον IPTV recorder του. Οι εναλλαγές των ενεργών IPTV συνεδριών μεταξύ διαφορετικών οθονών είναι ακόμα ένα ενδιαφέρον σενάριο αυτού του είδους της αρχιτεκτονικής Αρχιτεκτονική Η IMS-based IPTV αρχιτεκτονική η οποία θα παρουσιαστεί στη συνέχεια εμπεριέχει κύριες λειτουργίες και σημεία αναφοράς βάση των προτύπων που έχουν οριστεί από το ETSI-TISPAN (περιλαμβάνονται λειτουργίες ελέγχου υπηρεσιών και ελέγχου και διανομής περιεχομένου). Οι λειτουργίες αυτές, αποτυπώνονται στο σχήμα 20 [7]. Ο εξοπλισμός του χρήστη (UE) μπορεί να επικοινωνήσει με τους IPTV διακομιστές εφαρμογών (οι οποίοι εκτελούν και λειτουργίες ελέγχου) μέσω διαφόρων διεπαφών με διαφορετικό σκοπό η κάθε μια. Πιο συγκεκριμένα, μέσω της διεπαφή Gm (μέσω του πυρήνα του IMS) γίνεται η διαχείριση συνεδριών (session management), μέσω της διεπαφής Ut (απευθείας) γίνεται η παραμετροποίηση του προφίλ της υπηρεσίας και μέσω της διεπαφής Xa η αλληλεπίδραση με τις λειτουργίες επιλογής υπηρεσίας (Ut+Xa=Xt). Κάθε UE πρέπει να έχει τέσσερις τουλάχιστον διεπαφές για έλεγχο (Xc), διανομή (Xd), προς το IMS (Gm) και μια εικονική διεπαφή προς τους IPTV διακομιστές εφαρμογών (Xt). Οι IPTV διακομιστές εφαρμογών, χρησιμοποιούν τη διεπαφή ISC (IMS service control) για τις βασισμένες στο IMS λειτουργίες ελέγχου υπηρεσίας. Οι λειτουργίες ελέγχου MCF (media control functions) μπορούν να ελέγχουν τις λειτουργίες διανομής MDF (media delivery functions) μέσω του σημείου αναφοράς Xp, το οποίο επιτρέπει το χτίσιμο μιας διαβαθμίσιμης και κατανεμημένης υποδομής διανομής. Το διανεμόμενο υλικό, μπορεί να εισέρχεται στο σύστημα από διάφορες πηγές (πχ IPTV headend) μέσω μιας εξωτερικής διεπαφής στο MDF (Xg) Στοιχεία πυρήνα IMS Ο πυρήνας του IMS χρησιμοποιήται για την προώθηση της πλήρους σηματοδοσίας του πρωτοκόλλου SIP η οποία χρησιμοποιήται στην IMS-based IPTV για τη διαχείριση συνεδριών. Η ροή δεδομένων από εδραιωμένες συνεδρίες, όπως τα IPTV streams, δεν διασχίζουν τον πυρήνα του IMS. Ένα σύνολο από λειτουργίες CSCF (call session control functions) εισάγονται για να καθιερώσουν μια πολυμεσική συνεδρία μεταξύ των συνδρομητών και να προετοιμάσουν τη διανομή των απαιτούμενων υπηρεσιών σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της συνεδρίας την οποία αιτήται ο χρήστης. Μερικές από τις CSCF λειτουργίες έχουν διεπαφές στους διακομιστές HSS (home subscription server) όπου είναι αποθηκευμένες όλες οι πληροφορίες για κάθε συνδρομητή (πχ προφίλ, συμβάσεις, συνδρομές, προτιμήσεις κτλ). Στη συνέχεια παρατίθενται οι τρεις διαφορετικοί τύποι λειτουργιών CSCF: Το proxy-cscf (P-CSCF) είναι το πρώτο σημείο επαφής για τους χρήστες IMS. Κύριοι στόχοι του είναι η εγγύηση των μηνυμάτων σηματοδοσίας μεταξύ δικτύων και 49

59 συνδρομητών και ο καταμερισμός των πόρων για τις διάφορες ροές δεδομένων μέσω της αλληλεπίδρασης με το RACS. Το serving-cscf (S-CSCF) είναι η κύρια οντότητα ελέγχου εντός του IMS. Επεξεργάζεται τους εισερχόμενους στο σύστημα συνδρομητές και αποθηκεύει τη τρέχουσα θέση τους. Επίσης είναι υπεύθυνο για την αυθεντικοποίηση των χρηστών και τη διαχείριση συνεδριών. Οι συμβάσεις συνδρομητών οι οποίες είναι αποθηκευμένες στον διακομιστή HSS καθορίζουν τις λειτουργίες που εκτελούνται από το S-CSCF για κάθε μεμονωμένο συνδρομητή. Το interrogating-cscf (I-CSCF) αναζητά στον HSS και επιλέγει το κατάλληλο S-CSCF για κάθε συνδρομητή. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να αποκρύψει την τοπολογία του δικτύου από άλλα δίκτυα. Σχήμα 20: IMS-based IPTV αρχιτεκτονική Ανακάλυψη και επιλογή υπηρεσίας Οι λειτουργίες SDF (service discovery function) και SSF (service selection function) παρέχουν τις πληροφορίες που χρειάζεται ο UE για να επιλέξει μια IPTV υπηρεσία. Η SDF είναι υπεύθυνη για τη παροχή πληροφοριών σε σχέση με τη προσβασημότητα του κάθε συνδρομητή στις διάφορες IPTV υπηρεσίες. Στην IMS-based IPTV, μία ή περισσότερες SSF χρησιμοποιούνται για να παρέχουν πληροφορίες υπηρεσίας, όπως επίσης και εξατομικευμένες πληροφορίες προτιμήσεων των χρηστών IPTV SCF 50

60 Οι λειτουργίες του IPTV SCF χειρίζονται όλα τα αιτήματα και εκτελούν τον έλεγχο υπηρεσίας και συνεδρίας για όλες τις IPTV υπηρεσίες. Αυτές οι λειτουργίες είναι επίσης υπεύθυνες για την αλληλεπίδραση με το πυρήνα του IMS (μέσω της διεπαφής ISC) και το επίπεδο ελέγχου υπηρεσιών. Μια σύνοψη των γενικών καθηκόντων ενός SCF είναι η εξής: Έναρξη συνεδρίας και έλεγχος υπηρεσιών IPTV Αλληλεπίδραση με τον πυρήνα του IMS και τα S-CSCF για τη λήψη, την επικύρωση και την εκτέλεση των αιτημάτων για IPTV υπηρεσίες από τους χρήστες Εξυπηρέτηση εξουσιοδότησης και επικύρωσης των αιτημάτων των χρηστών για επιλεγμένο περιεχόμενο, βασισμένη στις πληροφορίες του προφίλ κάθε χρήστη Επιλογή των σχετικών λειτουργιών για έλεγχο και διανομή IPTV περιεχομένου Εξατομίκευση της διεπαφής με το χρήστη (πχ η σειρά με την οποία προβάλλονται τα διαθέσιμα τηλεοπτικά κανάλια στον χρήστη μπορεί να επιλεγεί βάση του προφίλ του) Πιστωτικός έλεγχος (credit control) IPTV media functions Οι MCF (media control functions) και MDF (media delivery functions) αποτελούν τις δύο βασικές οντότητες ελέγχου και διανομής του παρεχόμενου περιεχομένου μιας IPTV υπηρεσίας. Μια βασική σχεδιαστική αρχή που διέπει τις οντότητες αυτές είναι η πραγματοποίηση μιας ευέλικτης και ιεραρχικής αρχιτεκτονικής για τη διανομή του περιεχομένου σε ένα κατανεμημένο περιβάλλον. Μια σύνοψη των κύριων καθηκόντων των MCF λειτουργιών είναι οι εξής: Επιλογή των σχετικών MDF λειτουργιών Μετάδοση του διανεμομένου περιεχομένου στα δίκτυα διανομής και έλεγχος της κατανομής του στις διάφορες λειτουργίες διανομής και τον εξοπλισμό του τελικού χρήστη Εφαρμογή πολιτικών για την κατανομή και τη διαχείριση του IPTV περιεχομένου Διαχείριση όλων τον αποθηκευτικών χώρων κατά μήκος του δικτύου Χαρτογράφηση των στοιχείων και της θέσης του περιεχομένου στο αντίστοιχο MDF Αλληλεπίδραση με το UE (πχ χειρισμός εντολών εγγραφής περιεχομένου RTSP) Χειρισμός του προσωπικού καταγραφέα βίντεο PVR (personal video recorder) και των δυνατοτήτων χρονικής μετατόπισης στο περιεχόμενο Συλλογή στατιστικών στοιχείων για τη χρήση κάθε υπηρεσίας Παραγωγή πληροφοριών χρέωσης Η MDF οντότητα είναι υπεύθυνη κυρίως για διανομή του περιεχομένου (βίντεο, ήχος, δεδομένα) στον εξοπλισμό των συνδρομητών. Επιπρόσθετες MDF λειτουργίες που έχουν οριστεί είναι οι εξής: Χειρισμός της διανεμόμενης ροής περιεχομένου Αποθήκευση περιεχομένου (πχ VoD) και πληροφοριών υπηρεσίας Αποθήκευση περιεχομένου καθορισμένου από τον χρήστη (πχ από PVR ή προσωπικό περιεχόμενο δημιουργημένο από τον χρήστη) Επεξεργασία, κωδικοποίηση ή επανακωδικοποίηση (αν απαιτήται) του περιεχομένου σε 51

61 διάφορα media format (πχ διαφορετικές αναλύσεις και μεγέθη εικόνας ανάλογα με τις δυνατότητες των τερματικού ή τις προτιμήσεις των χρηστών) Προστασία περιεχομένου (πχ κρυπτογράφηση περιεχομένου) Λήψη του περιεχομένου (πχ από IPTV headend) Απόδοση των ροών περιεχομένου live streaming καναλιών σε ροές πολυδιανομής Οι λειτουργίες διανομής μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τον τύπο του παρεχόμενου περιεχομένου (multicast, unicast, δυνατότητα χρονικής μετατόπισης) Μια πιθανή υλοποίηση μιας IMS-based IPTV πλατφόρμας Στη συνέχεια δίνονται μερικές προτεινόμενες επεκτάσεις σε ένα IMS-based IPTV σύστημα όπως αυτές παρουσιάζονται στο [6]. Κύρια χαρακτηριστικά του προτεινόμενου συστήματος είναι τα εξής: Η διαχείριση των συνεδριών διεκπεραιώνεται στον πυρήνα του IMS και στον IMSδυνατοτήτων διακομιστή εφαρμογών IPTV Εξατομίκευση των διαθέσιμων υπηρεσιών βασισμένη στις IMS ταυτότητες των χρηστών Υποστήριξη φορητότητας τερματικού και συνεδρίας στις IMS-based IPTV υπηρεσίες Προσαρμοστικότητα των IPTV QoS παραμέτρων στις συσκευές που χρησιμοποιούνται για πρόσβαση στις IPTV υπηρεσίες Η IMS-based IPTV αρχιτεκτονική επιτρέπει υψηλή αποτελεσματικότητα και ευελιξία ως προς την εύρεση και επιλογή υπηρεσιών από τους χρήστες. Οι διαθέσιμες στους χρήστες πολυμεσικές υπηρεσίες, συμπεριλαμβανόμενης της IPTV, παρουσιάζονται σε ένα φιλικό προς τον χρήστη γραφικό περιβάλλον σύμφωνα με τις προτιμήσεις του και τις δυνατότητες του τερματικού του. Ένας εγγεγραμμένος χρήστης μπορεί να αναζητήσει μια συγκεκριμένη υπηρεσία, να τροποποιήσει τις προτιμήσεις του κτλ. Κατά τη διάρκεια εγκαθίδρυσης μιας συνεδρίας βασισμένης σε βασικούς IMS μηχανισμούς, οι QoS παράμετροι της επιλεγόμενης πολυμεσικής υπηρεσίας προσαρμόζονται στις εκάστοτε δυνατότητες του τερματικού σε αντιστοιχία προς τους ρυθμούς μετάδοσης των πολυμεσικών δεδομένων και την ανάλυση της λαμβανόμενης εικόνας. Κατά τη διάρκεια τυχόντων μεταπομπών της συνεδρίας σε νέα τερματική συσκευή οι QoS παράμετροι προσαρμόζονται ανάλογα. Η ευέλικτη προσαρμοστικότητα των QoS παραμέτρων είναι εξίσου σημαντική σε δικτυακά περιβάλλοντα με σταθερή ή με δυνατότητες φορητότητας κάλυψη, όπου ποικίλες τεχνολογίες πρόσβασης με διαφορετικούς περιορισμούς χρησιμοποιούνται από ένα πλήθος τερματικών διαφορετικών δυνατοτήτων. Οι μεταπομπές συνεδρίας και τερματικού επιτρέπουν μεγάλη ευελιξία και φορητότητα στις IMS-based IPTV υπηρεσίες. Προτείνεται μια κατανεμημένη αρχιτεκτονική διανομής του περιεχομένου με την εφαρμογή κατανεμημένων λειτουργιών διανομής οι οποίες εκμεταλλεύονται μια ιεραρχική υποδομή διανομής όπου οι MDF οντότητες διασπώνται σε πολλαπλές επακριβείς λειτουργίες με τα εξής τρία αρχιτεκτονικά στοιχεία: Interconection IPTV MDF (I-IMDF): Το στοιχείο αυτό χειρίζεται την είσοδο του παρεχόμενου υλικού όλων των τύπων από το IPTV headend ή άλλες τοποθεσίες παροχής 52

62 περιεχομένου. Serving IPTV MDF (S-IMDF): Το στοιχείο αυτό χειρίζεται την επεξεργασία του περιεχομένου (πχ κωδικοποίηση, προστασία περιεχομένου, μετατροπή κωδικοποίησης) και είναι επίσης υπεύθυνο για την αποθήκευση του περιεχομένου και των μεταδεδομένων, όπως επίσης και τη διάδοση των πληροφοριών που αφορούν το περιεχόμενο, μέσα στο IMSbased IPTV σύστημα. Primary IPTV MDF (P-IMDF): Το στοιχείο αυτό είναι το αρχικό σημείο επαφής των χρηστών, το οποίο επίσης παρέχει τις streaming λειτουργίες για όλες τις IPTV υπηρεσίες σύμφωνα με την απαιτούμενη ποιότητα, απαιτούμενη διαμόρφωση και απαιτούμενο τύπο διανομής (unicast, multicast). Επίσης, μπορεί να αποθηκεύει το πιο πρόσφατα και συχνά προβεβλημένο VoD υλικό ή προσωπικό υλικό των χρηστών. Σχήμα 21: IMS-based IPTV αρχιτεκτονική [6] 53

63 Σχήμα 22: Σενάριο εγκαθίδρυσης συνεδρίας, εύρεσης και επιλογής υπηρεσίας και διανομής περιεχομένου Ο διακομιστής εφαρμογών IPTV (IPTV AS) με τις SDF λειτουργίες χρησιμοποιήται για να παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες υπηρεσίας για τον IMS εξοπλισμό των χρηστών. Ο IPTV AS περιλαμβάνει επίσης SCF λειτουργίες οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδρούν, μέσω της διεπαφής ISC προς το πυρήνα του IMS, με τις MCF λειτουργίες. Επίσης, υποστηρίζει τη διεπαφή Sh προς το HSS (με τη λειτουργία user profile server function [UPSF]) για να ανακτά τα προφίλ των χρηστών με τις συνδρομές και τις προτιμήσεις τους. Χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που ανακτήθηκαν από τους σχετικούς διακομιστές ελέγχου και εφαρμόζοντας τα IPTV προφίλ των χρηστών από το HSS, μπορεί να δημιουργηθεί μια λίστα με τις διαθέσιμες υπηρεσίες για κάθε μεμονωμένο χρήστη, ανάλογα με τις προτιμήσεις και τα υπόλοιπα χαρακτηριστικά του. Ένα σενάριο με τη βήμα προς βήμα διαδικασία εύρεσης και επιλογής υπηρεσίας, εγκαθίδρυσης συνεδρίας και διανομής περιεχομένου αποτυπώνεται στο σχήμα 22 [6]. Αρχικά γίνεται εκκίνηση του UE (set-top box ή οποιαδήποτε συσκευή που μπορεί να λειτουργήσει ως IMS UE), επίτευξη σύνδεσης δικτύου και κατοχύρωση των απαραίτητων δικτυακών παραμέτρων (διεύθυνση IP, διεύθυνση P-CSCF κτλ). Στη συνέχεια το UE μπορεί να εκκινήσει τις διαδικασίες καταχώρισης (registration) με τον πυρήνα του IMS και να εκτελέσει τις λειτουργίες ένταξης στην IPTV 54

64 υπηρεσία. Όταν ολοκληρωθούν οι παραπάνω λειτουργίες είναι δυνατή η εκτέλεση των λειτουργιών επιλογής επιθυμητής υπηρεσίας. Ο IPTV AS μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σημείο επαφής για την εύρεση και επιλογή των διαθέσιμων υπηρεσιών, και για αυτό μπορεί να θεωρηθεί σημείο κλειδί στην επιλογή και εκκίνηση πολυμεσικών υπηρεσιών από έναν εγγεγραμμένο στο IMS χρήστη και για τη παραμετροποίηση του προφίλ του. Σε γενικές γραμμές, ένα IMS UE πρέπει να γνωρίζει τον επακριβή IMS (SIP) ταυτοποιητή του αντίστοιχου IPTV διακομιστή για να καθιδρύσει κάθε πολυμεσική συνεδρία παράγοντας SIP INVITE μηνύματα κατά την αρχικοποίηση της υπηρεσίας. Στη προτεινόμενη υλοποίηση, ο IPTV AS γίνεται αντιληπτός ως ένα προσαρμόσιμο Web-like τηλεοπτικό portal. Για την επιλογή της επιθυμητής πολυμεσικής υπηρεσίας, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ένα αντικείμενο από μια εξατομικευμένη λίστα έχοντας τη δυνατότητα να πληροφορήσει το UE για το τρόπο ταυτοποίησης του επιλεγμένου περιεχομένου (πχ με μια ασφαλή https σύνδεση μέσω της εικονικής διεπαφής Xt). Στη συνέχεια μπορεί να εκκινήσει την επιλεγμένη IPTV συνεδρία χρησιμοποιώντας την ενσωματωμένη στο IMS, SIP σηματοδοσία. Η νέα συνεδρία θα εδραιωθεί από το UE ως μια συνήθης IMS συνεδρία μέσω της διεπαφής Gm. Το IMS μπορεί να εκκινήσει τη διαδικασία δέσμευσης πόρων για τους δικτυακούς πόρους που απαιτούνται για το IPTV stream σύμφωνα με τις δυνατότητες του UE. Η δέσμευση γίνεται με τη χρήση προτυποποιημένων λειτουργιών των υποσυστημάτων RACS και NASS τα οποία είναι συνδεδεμένα στον πυρήνα του IMS. Για αυτό το λόγο η εκκίνηση της IPTV συνεδρίας πρέπει να γίνει μέσω του πυρήνα του IMS και όχι απευθείας με τον MCF διακομιστή. Μετά την επιτυχή εκκίνηση της συνεδρίας, η SCF οντότητα ενημερώνει την πλατφόρμα διανομής του περιεχομένου (περιλαμβάνει τις οντότητες MDF, MCF) μέσω του πυρήνα του IMS χρησιμοποιώντας τη διεπαφή y2 ώστε να αρχίσει η ροή του επιλεγμένου περιεχομένου προς τον χρήστη. Μετά την εγκαθίδρυση της ροής περιεχομένου ο χρήστης μπορεί να την ελέγξει μέσω της διεπαφής Xc μεταξύ του UE και του διακομιστή λειτουργιών ελέγχου MCF. Σε αυτή τη διεπαφή χρησιμοποιήται το πρωτόκολλο RTSP για τον έλεγχο της ροής και την εφαρμογή των γνωστών για περιεχόμενο βίντεο και ήχου λειτουργιών: play, pause, forward, backward, faster, slower κτλ. H MDF οντότητα εκτελεί την προώθηση της ροής περιεχομένου προς το UE μέσω της διεπαφής Xd με χρήση του πρωτοκόλλου RTP Προτεινόμενο μοντέλο για QoS και QoE εγγυήσεις Σε ένα NGN δίκτυο, οι QoS μηχανισμοί είναι τεχνολογικά εξαρτημένοι και εκτείνονται κάθετα κατά μήκος του επιπέδου μεταφοράς και του τμήματος ελέγχου μεταφοράς του επιπέδου υπηρεσιών, ενώ οι QoE μηχανισμοί είναι τεχνολογικά ανεξάρτητοι και εμπλέκουν έλεγχο υπηρεσιών και λειτουργίες εφαρμογών. Τα δύο όμως αυτά σημεία συνάντησης των αναγκών του χρήστη είναι σφιχτά δεμένα μεταξύ τους. Εν συντομία, κατά τη διανομή μιας υπηρεσίας οι εγγυήσεις ποιότητας παρέχονται στα παρακάτω δύο επίπεδα: Στο επίπεδο εγκαθίδρυσης μιας συνεδρίας, η σηματοδοσία και η δυναμική διαπραγμάτευση μεταξύ των δύο επικοινωνούντων μερών συντελεί στη πραγματοποίηση μιας συμφωνίας όσο αφορά τα χαρακτηριστικά της επικοινωνίας ακολουθούμενη από τον καταμερισμό των πόρων. Κατά τη διάρκεια μιας συνεδρίας, είναι πιθανό να γίνουν περαιτέρω διαπραγματεύσεις ως μια αντίδραση στις ενδεχόμενες αλλαγές στον τελικό χρήστη, στην υπηρεσία ή στο δίκτυο. Τα τρία παρακάτω σύνολα μηχανισμών θεσπίζουν μια λύση παροχής QoS και QoE εγγυήσεων: 55

65 Μηχανισμοί επιπέδου υπηρεσιών μηχανισμοί που αφορούν το admission control, QoS δρομολόγηση με δέσμευση πόρων, διαχείριση των προφίλ και μηχανισμοί AAA Επίπεδο μεταφοράς διαπραγματεύεται απευθείας τη κυκλοφορία από και προς τους τελικούς χρήστες και αφορά λειτουργίες όπως, διαχείριση καταχωρητών, αποφυγή συμφόρησης, μαρκάρισμα πακέτων, διαχείριση προτεραιοτήτων, χρονοδρομολόγηση, διαβάθμιση, διαχείριση και μορφοποίηση κυκλοφορίας Μηχανισμοί διαχείρισης παροχή αποκατάστασης κυκλοφορίας, μέτρησης και καταγραφής και πολιτικών Τα υποσυστήματα RACS και NASS, αντιπροσωπεύουν τη διασύνδεση μεταξύ των επιπέδων υπηρεσιών και μεταφοράς, λαμβάνοντας υπόψη τις απαιτήσεις των υπηρεσιών που σχετίζονται με το χρήστη και τις τρέχουσες συνθήκες στο δίκτυο. Εξ αυτών, το δυναμικό με βάση την υπηρεσία admission control και η δέσμευση πόρων είναι εξασφαλισμένα. Στις κάθετες IPTV λύσεις, η παροχή QoE και QoS είναι εξασφαλισμένη με έναν αποκλειστικό τρόπο. Εννοιολογικά, υπάρχουν κάποιες ομοιότητες στο NGN μοντέλο για υπηρεσίες με εγγυημένη ποιότητα, ωστόσο, στις IPTV λύσεις, είναι αναμενόμενο ότι το QoS στο επίπεδο μεταφοράς είναι εξασφαλισμένο. Τα δίκτυα πρόσβασης και μεταφοράς θεωρούνται κλειστά και ελεγχόμενα και οι συνεργαζόμενες παράμετροι του επιπέδου μεταφοράς που επηρεάζουν τη παροχή IPTV υπηρεσιών είναι προκαθορισμένες. Για αυτούς τους λόγους δε παρέχονται αμοιβαίες διαπραγματεύσεις και μηχανισμοί σχετικοί με την έγκριση της ποιότητας, και τέτοιου είδους αναπτύξεις είναι αυστηρά περιορισμένες σε ομογενή και ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Παρά τη σκοπιμότητα παροχής IPTV υπηρεσιών, τέτοιου είδους λύσεις παρουσιάζουν προβλήματα στα NGN δίκτυα και δεν ενδείκνυνται Διαβεβαίωση ποιότητας στο επίπεδο υπηρεσιών Το προτεινόμενο μοντέλο [8], βασίζεται στο ολοκληρωμένο NGN IMS-based IPTV μοντέλο του σχήματος 19. Σε σχέση με το σχήμα 23 [8], ο τελικός χρήστης προωθεί ένα αίτημα προς μια υπηρεσία, το οποίο εμπεριέχει το προφίλ του ή μια αναφορά προς το αποθετήριο με τα προφίλ των χρηστών (HSS/UPSF). Το αίτημα αυτό παραλαμβάνεται από τις CSCF οντότητες και εκτελούνται οι διεργασίες πιστοποίησης και εξουσιοδότησης με βάση τις πληροφορίες που ανακτώνται από το HSS/UPSF (1-2). Αν η παραπάνω διαδικασία ολοκληρωθεί επιτυχώς, τότε οι οντότητες CSCF προωθούν ένα αίτημα για εξουσιοδότηση και δέσμευση πόρων σε μία policy decision οντότητα, το οποίο περιέχει παραμέτρους του προφίλ στο επιπέδου υπηρεσιών (3). Η επεξεργασία της εξουσιοδότησης και δέσμευσης των πόρων συντίθεται σε δύο μέρη. Το πρώτο εμπεριέχει την αναδρομή και πιστοποίηση του προφίλ στο επίπεδο μεταφοράς, ακολουθούμενη από μια διεργασία εξουσιοδότησης με μέριμνα προς τις απαιτήσεις της υπηρεσίας και του χρήστη (τερματικό εξοπλισμό, δίκτυο πρόσβασης). Το δεύτερο μέρος εμπεριέχει τον καταμερισμό των δικτυακών πόρων. Τα επόμενα βήματα (3a-6) συγκρίνουν τις ληφθείσες παραμέτρους του επιπέδου υπηρεσιών (αποτελούμενες από τον τελικό χρήστη, την υπηρεσία και το αιτούμενο περιεχόμενο) με τις παραμέτρους του επιπέδου μεταφοράς οι οποίες ανακτώνται από τη NASS βάση δεδομένων και με τις τρέχουσες δυνατότητες του δικτύου. Με βάση τις συνδιαλλαγμένες απαιτήσεις, η εξουσιοδότηση του επιπέδου μεταφοράς ολοκληρώνεται και οι δικτυακοί πόροι προσδιορίζονται. Στη συνέχεια, εφαρμόζονται διεργασίες βελτιστοποίησης για να έρθει εις πέρας ο καταμερισμός των πόρων με βάση τις διαπραγματευμένες παραμέτρους του 56

66 επιπέδου υπηρεσιών και τις τρέχουσες συνθήκες στο δίκτυο. Σε αυτό το σημείο επικαλούνται οι μηχανισμοί QoS του επιπέδου μεταφοράς. Σχήμα 23: NGN-based IPTV μοντέλο με QoS και QoE εγγυήσεις Η απόκριση, με τις σχετικές πληροφορίες προωθείται στο CSCF (7). Επίσης, πιθανές αλλαγές σε τελικό χρήστη, υπηρεσία και σχετικές με το περιεχόμενο πληροφορίες αναφέρονται στο HSS/UPSF (7a). Το CSCF προωθεί την απόκριση στη συσκευή του τελικού χρήστη, για διαπραγμάτευση παραμέτρων (8). Στη περίπτωση που οι προτεινόμενες παράμετροι επιβεβαιωθούν από τη συσκευή του χρήστη, το CSCF προωθεί τις διαπραγματευμένες παραμέτρους στον διακομιστή εφαρμογών (9). Ο διακομιστής εφαρμογών καθορίζει τη τελική εφικτά διαμορφωμένη λειτουργία της υπηρεσίας, με βάση πια διεργασία δέσμευσης πόρων επικαλείται (10). Σε αυτό το σημείο, πόροι στο δίκτυο δεσμεύονται που αντιστοιχούν στις απαιτήσεις για τη τελική διανεμόμενη υπηρεσία (12-14). Όταν το CSCF λάβει την επιβεβαίωση για τη δέσμευση πόρων (15), πληροφορεί τη συσκευή του χρήστη (16) και τον αρμόδιο διακομιστή εφαρμογών (17). Ο διακομιστής εφαρμογών προωθεί οδηγίες υπηρεσίας/περιεχομένου στον διακομιστή περιεχομένου (18b) και η υπηρεσία και το περιεχόμενο που την αντιπροσωπεύει διανέμονται στη συσκευή του χρήστη (19b). Επίσης, η εναρκτήρια σηματοδοσία ολοκληρώνεται (18a-19a). Μετά την ολοκλήρωση εγκαθίδρυσης της συνεδρίας, περαιτέρω επαναδιαπραγματεύσεις μπορεί να επικαλεσθούν βασισμένες στα αιτήματα τροποποίησης της συνεδρίας από τη πλευρά του χρήστη 57

67 ή της υπηρεσίας ή κατά τις αλλαγές διαθεσιμότητας των πόρων Η έννοια και η δομή του προφίλ Με βλέψη στη παροχή QoE και QoS διαβεβαιώσεων ποιότητας υπηρεσιών, η έννοια το προφίλ είναι πολύ σημαντική. Εισάγει μια συγκεντρωτική και τεχνολογικά ανεξάρτητη λογική αναπαράσταση των εμπλεκομένων μερών και εφαρμόσιμων διεργασιών μεταξύ αυτών. Η σχετικές πληροφορίες που αφορούν την υποκείμενη φυσική υλοποίηση, οργανώνονται σε προφίλ επιπέδου μεταφοράς και επιπέδου υπηρεσιών, τα οποία αναπαριστούν τον τελικό χρήστη, τις υπηρεσίες και το περιεχόμενο. Τα προφίλ αυτά, παρέχονται από τις οντότητες βάσεων δεδομένων HSS/UPSF και NASS. Με σκοπό τις QoE και QoS διαβεβαιώσεις εντός του προτεινόμενου μοντέλου, προτείνεται μια δομή προφίλ που να εξυπηρετεί τους μηχανισμούς διαβεβαίωσης ποιότητας η οποία αναπαριστάται στο σχήμα 24 [8]. Η δομή, αντικατοπτρίζει το μοντέλο διαβεβαιωμένης ποιότητας των δύο σχετικών επιπέδων και περιλαμβάνει παραμέτρους QoE του επιπέδου υπηρεσιών, αντιστοιχισμένες σε παραμέτρους QoS του επιπέδου μεταφοράς. Αναπαριστά ένα μοντέλο διαπλεκόμενων προφίλ, τελικού χρήστη, υπηρεσιών και περιεχομένου. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι πληροφορίες στο προφίλ του σχήματος 24 είναι περιορισμένες σε παραμέτρους σχετικές με τις QoE και QoS εγγυήσεις. Αναφορικά με τις παραμέτρους του προφίλ, διακρίνονται τρεις κατηγορίες αυτών: τις παραμέτρους αντιλαμβανόμενης ποιότητας που καθορίζουν το QoE (πχ οι διάφοροι τύποι mean opinion score [MOS]), τις παραμέτρους ροής βίντεο/ήχου και τις παραμέτρους μεταφοράς που περιγράφουν το αντικειμενικό QoS. Οι παράμετροι αντιλαμβανόμενης ποιότητας αντιπροσωπεύουν μια υποκειμενική περιγραφή της εμπειρίας του τελικού χρήστη βασισμένη στις ισχύουσες QoS παραμέτρους συνεργαζόμενες με ανθρωποκεντρικούς παράγοντες. Το πεδίο του προφίλ που αφορά τα περιεχόμενα τοποθετήται εντός των λειτουργικοτήτων του προφίλ που αντιπροσωπεύουν το τελικό επίπεδο σύγκλισης. Οι πληροφορίες στο πεδίο αυτό, παρέχονται από τις οντότητες προετοιμασίας του περιεχομένου (μεταδεδομένα περιεχομένου) και τους διακομιστές διανομής του περιεχομένου, για το λόγο αυτό ο διακομιστής περιεχομένου αποτελεί μια εναλλακτική θέση αποθήκευσης του προφίλ των περιεχομένων. Στη περίπτωση αυτή οι απαιτήσεις διανομής περιεχομένου δε μπορούν να διαπραγματευτούν εντός της αρχικής διεργασίας διαπραγμάτευσης (1-2). Για το λόγο αυτό μια διεργασία επαναδιαπραγμάτευσης με επανακαταμερισμό, επιβεβαίωση τελικού χρήστη και δέσμευση πρέπει να διεξαχθεί αφότου ο διακομιστής εφαρμογών αποστείλει τις οδηγίες διανομής περιεχομένου στον διακομιστή περιεχομένου (18b). Όπως υποδεικνύεται στο (0a) πριν την εγκαθίδρυση μιας συνεδρίας πρέπει να υπάρξει μια διεργασία εντοπισμού και επιλογής της επιθυμητής υπηρεσίας (SD&S) από τον χρήστη. Για το λόγο αυτό, το τερματικό του τελικού χρήστη αποκτά τη διεύθυνση των πρωτοκόλλων SIP και RTSP/IGMP του διακομιστή ο οποίος φιλοξενεί το αιτούμενο περιεχόμενο. Αυτές οι λειτουργίες μπορούν να υλοποιηθούν ανεξάρτητα είτε ενιαία εντός των λειτουργιών του διακομιστή που φιλοξενεί το προφίλ των περιεχομένων. Επίσης, όπως υποδεικνύεται στο (0b), πρέπει να παρεχθεί διαχείριση πνευματικών δικαιωμάτων (DRM) και εξαρτημένη πρόσβαση στο περιεχόμενο. Υπάρχουν δύο τρόποι προστασίας του περιεχομένου. Ο πρώτος αφορά το on-demand περιεχόμενο, ενώ ο δεύτερος περιεχόμενο πραγματικού χρόνου. Στη πρώτη περίπτωση, όταν εφαρμόζεται η προστασία περιεχομένου κατά τη διάρκεια εγκαθίδρυσης μιας συνεδρίας, οι μηχανισμοί προστασίας μπορούν να υλοποιηθούν σε έναν αφιερωμένο διακομιστή ή εντός των οντοτήτων ελέγχου των συνεδριών. Στη δεύτερη 58

68 περίπτωση, όπου το περιεχόμενο πρέπει να προστατεύεται σε πραγματικό χρόνο, αυτές οι λειτουργίες αναμένονται εντός ή κοντά στους διακομιστές περιεχομένου. Στο επίπεδο ελέγχου μεταφοράς προτείνεται μια κάθετη προσέγγιση η οποία εμπεριέχει διερευνήσεις των προφίλ στα επίπεδα μεταφοράς και υπηρεσιών, προγενέστερες των διεργασιών συντονισμού. Αυτό επεκτείνει την ευθεία αλληλεπίδραση συντονισμού και πιστοποίησης μεταξύ της συσκευής του χρήστη και του NASS. Ο κύριος λόγος για μια τέτοια προσέγγιση είναι η διανομή με γνώμονα την υπηρεσία, λαμβάνοντας υπόψη τον από το χρήστη συντονισμό της υπηρεσίας και τις επιβεβλημένες από την υπηρεσία απαιτήσεις σύγκλισης αυτής, εκτός των αναγκών συνδεσιμότητας και των τρεχόντων συνθηκών διανομής. Σχήμα 24: Δομή προφίλ για QoS και QoE διαβεβαιώσεις 59

69 Διαβεβαίωση ποιότητας στο επίπεδο μεταφοράς Τα πιο σημαντικά ζητήματα στο επίπεδο μεταφοράς είναι η εισδοχή κυκλοφορίας και οι παράμετροι και διεργασίες του admission control που σχετίζονται με το προαναφερθέν μοντέλο διαβεβαίωσης ποιότητας. Η εισδοχή κυκλοφορίας είναι βασισμένη στην κρισιμότητα της υπηρεσίας, τις συμβάσεις του επιπέδου της υπηρεσίας (service level agreement [SLA]) και τις τρέχουσες συνθήκες οι οποίες παρατηρούνται στους δικτυακούς πόρους. Το admission control χρησιμοποιείται στο να συναντάει τις απαιτήσεις αξιοπιστίας/διαθεσιμότητας χρησιμοποιώντας λειτουργίες καθορισμένων πολιτικών και επίπεδα προτεραιοτήτων. Η δέσμευση δικτυακών πόρων εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα αυτών, δεδομένου ότι η ακριβής φύση της δέσμευσης εξαρτάται από τις ανάγκες επιδόσεων του δικτύου και των ειδικών προσεγγίσεων για την επίτευξη αυτών (πχ IntServ, DiffServ, MPLS). Όπως έχει προαναφερθεί, οι συνθήκες στο δίκτυο καθορίζονται μέσω κάποιον παραμέτρων. Οι πιο σημαντικές εξ αυτών είναι το εύρος ζώνης, η απώλεια πακέτων, οι καθυστερήσεις και το jitter. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι υπηρεσίες δεδομένων τυπικά εξαρτώνται μόνο από το εύρος ζώνης και την απώλεια πακέτων, στη περίπτωση των IPTV υπηρεσιών, οι καθυστερήσεις και το jitter είναι εξίσου σημαντικά. Οι ακριβής QoS παράμετροι που αφορούν τις IPTV υπηρεσίες, εξαρτώνται κατά κύριο λόγο στην χρησιμοποιούμενη τεχνολογία, όπου η επιλογή κωδικοποίησης του περιεχομένου παίζει μεγάλο ρόλο. Θεωρητικά η χρησιμοποίηση καταχωρητών μπορεί να αυξήσει τις ανοχές για κάποιες από τις παραπάνω παραμέτρους. Ωστόσο στην πράξη, η αύξηση του μεγέθους των καταχωρητών έχει αρνητικό αντίκτυπο στο QoE, αφού ο χρόνος εκκίνησης της υπηρεσίας τείνει να αυξάνει σε μη αποδεκτές τιμές Mobile IPTV Τα NGN δίκτυα είναι σχεδιασμένα για να υποστηρίζουν τη σωστή λειτουργία του δικτύου με το να παρέχουν αποδεκτό QoS και να ικανοποιούν τις διάφορες συμβάσεις του επιπέδου υπηρεσιών (SLA) με τους συνδρομητές. Για να εκπληρωθούν οι απαιτήσεις μιας NGN υπηρεσίας με δυνατότητες φορητότητας, η από άκρο σε άκρο επίδοση πρέπει αρχικά να γίνει διαχειρίσιμη και προβλέψιμη ασχέτως με το αν το τερματικό κινήται ή όχι. Για μια IP υπηρεσία με δυνατότητες φορητότητας, οι λειτουργίες των φορητών πρακτόρων (mobile agents) τοποθετούνται μετά τη μελέτη των αρχιτεκτονικών επιπτώσεων. Οι υπάρχουσες και μελλοντικές τεχνολογίες πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν ένα μελλοντικό κόσμο με απεριόριστες δυνατότητες φορητότητας. Το τελευταίο καιρό υπάρχει ισχυρό ενδιαφέρον στον βασισμένο στο πρωτόκολλο MPLS έλεγχο φορητότητας και τη μεταφορά σε δίκτυα NGN. Το MPLS παρέχει μηχανισμούς σηματοδοσίας και μεταφοράς για να υποστηρίξει το QoS, το traffic engineering, τα εικονικά ιδιωτικά δίκτυα (VPN) κτλ. Τα περισσότερα δίκτυα με δυνατότητες φορητότητας έχουν εξελιχθεί ώστε να χρησιμοποιούν μεταφορά με το IP πρωτόκολλο, και οι περισσότεροι IP δρομολογητές υποστηρίζουν το MPLS. Απαιτήσεις φορητότητας σε μηχανισμούς όπως το QoS, το traffic engineering και το VPN μπορούν να ικανοποιηθούν καλύτερα με τη χρήση του MPLS παρά με αμιγή σταθερά/ασύρματα δίκτυα. 60

70 Βασισμένα στο MPLS, NGN δίκτυα με δυνατότητες φορητότητας Υπόβαθρο Σε ένα MPLS backbone δίκτυο μπορεί να βασιστεί ένα μεγάλης κλίμακας IPTV δίκτυο το οποίο να παρέχει φορητότητα στους συνδρομητές του. Η δρομολογητές στα άκρα του MPLS δικτύου (label edge routers [LER]) προωθούν τα πακέτα εντός του δικτύου ενθυλακώνοντάς τα με τις MPLS επικεφαλίδες. Το κάθε ενθυλακωμένο πακέτο ταξιδεύει εντός του MPLS δικτύου μέσω συγκεκριμένης διαδρομής. Η επικεφαλίδες χρησιμοποιούνται για να δηλώνουν το επακριβές μονοπάτι και περιλαμβάνουν και τη σχετική κατηγοριοποίηση των πακέτων ως προς το QoS. Σε αντίθεση με τους κανονικούς IP δρομολογητές, οι MPLS δρομολογητές μεταγωγής επικεφαλίδων (LSR) εγκαθιδρύουν ένα μονοπάτι μεταξύ των άκρων της σύνδεσης και στέλνουν τα πακέτα του μονοπατιού αυτού (label-switched path [LSP]), το οποίο είναι μια εικονική σύνδεση η οποία καταλαμβάνει ένα μέρος του εύρους ζώνης του φυσικού κυκλώματος. Σε σχέση με τη μη συνδεσμοστρεφή δρομολόγηση, οι δρομολογητές LSR μπορούν να ορίσουν τις παραμέτρους τις εικονικής σύνδεσης, οι οποίες περιλαμβάνουν την επιτρεπόμενη ταχύτητα και προτεραιότητα. Αυτό είναι κρίσιμο για την ικανότητα των LSR να διαχειρίζονται το εύρος ζώνης και το QoS. Συνεπώς το MPLS επιτυγχάνει την εξολοκλήρου ή εν μέρη κατηγοριοποίηση των υπηρεσιών μέσω της επικεφαλίδας του. Για την υποστήριξη υπηρεσιών με δυνατότητες φορητότητας, ένα MPLS δίκτυο πρέπει να συνεργαστεί με τους φορητούς πράκτορες. Με το συνδυασμό και την ένωση λειτουργιών φορητών πρακτόρων σε MPLS κόμβους, το MPLS δίκτυο καθίσταται ικανό να χειριστεί φορητούς τελικούς κόμβους. Οι MPLS κόμβοι μπορούν να υποστηρίξουν τέτοιου είδους λειτουργίες Αρχιτεκτονική Η παρακάτω αρχιτεκτονική η οποία προτείνεται στο [10], και ονομάζεται AIMS (access independent mobile service), αποτελείται από δύο κύρια χαρακτηριστικά. Το πρώτο είναι ο διαχωρισμός των καναλιών ελέγχου, από τα κανάλια δεδομένων με τη χρήση των MPLS LSP μονοπατιών. Το δεύτερο χαρακτηριστικό είναι η απευθείας προώθηση δεδομένων μεταξύ του φορητού κόμβου και του ανταποκρινόμενου κόμβου. Το σχήμα 25 [10] αποτυπώνει την προτεινόμενη αρχιτεκτονική του δικτύου. Τα δίκτυα πρόσβασης τοποθετούνται στα άκρα του IP/MPLS backbone δικτύου. Ο IP/MPLS πυρήνας διαθέτει ένα επίπεδο ελέγχου για την υποστήριξη της φορητότητας το οποίο είναι διαχωρισμένο από το επίπεδο μεταφοράς. Το επίπεδο ελέγχου διαθέτει τοπικούς φορητούς πράκτορες (local mobile agents [LMA]) και έναν γενικό (global mobile agent [GMA]). Ο GMA είναι συνδεδεμένος με όλους τους LMA και κάθε LMA είναι συνδεδεμένος με ένα LER δρομολογητή του MPLS δικτύου. Ο LMA είναι συνδεδεμένος σε έναν ελεγκτή RAC (resource and admission controller) και μπορεί να συναλλάσσει πληροφορίες σχετικές με πόρους και συνδέσεις που έχουν να κάνουν με φορητότητα. Σε αυτή την αρχιτεκτονική, τα μηνύματα σηματοδοσίας που σχετίζονται με φορητότητα αποστέλλονται μέσω LSP μονοπατιών ελέγχου μεταξύ του GMA και των LMA για γρήγορη και 61

71 αξιόπιστη αναμετάδοση. Επιπροσθέτως, τα μονοπάτια αυτά χειρίζονται με μεγαλύτερη προτεραιότητα σε σχέση με τα LSP που μεταφέρουν πακέτα δεδομένων. Κάθε LMA διαχειρίζεται τη φορητότητα εντός ενός δικτύου πρόσβασης. Κατά τη διάρκεια μετακίνησης ενός φορητού κόμβου εντός του δικτύου πρόσβασης, εκτελείται μια ανανέωση εγγραφής ή τοποθεσίας στο κόμβο αυτό και στο LMA. Στη συνέχεια το LMA εκτελεί ανανέωση εγγραφής ή τοποθεσίας του φορητού κόμβου στο GMA και ανανεώνει-συντηρεί τις σχετικές με τη διαχείριση φορητότητας πληροφορίες (πχ την IP διεύθυνση του φορητού κόμβου στο τρέχον δίκτυο πρόσβασης). Για γρήγορη φορητότητα το LMA μπορεί να χρησιμοποιήσει για ανανέωση εγγραφής ή τοποθεσίας πληροφορίες του επιπέδου συνδέσμου. Μπορεί επίσης να συναλλάσσεται πληροφορίες με τον ελεγκτή RAC για τους πόρους και το admission control σε συμφωνία με τη κίνηση του φορητού κόμβου. Το LMA περιλαμβάνει τη λειτουργία διαχείρισης θέσης LMF (location management function) και τη λειτουργία διαχείρισης μεταπομπών HMF (handover management function). Σχήμα 25: NGN αρχιτεκτονική με MPLS για κάλυψη σταθερών και κινούμενων χρηστών Το GMS υποστηρίζει τη φορητότητα μεταξύ των LMA και εκτελεί ανανεώσεις εγγραφής ή θέσης μέσω ενός LMA. Για την υποστήριξη γρήγορης φορητότητας και εδώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν πληροφορίες από το επίπεδο συνδέσμου. Επίσης, πληροφορίες μπορούν να συναλλάσσονται και μεταξύ διαφορετικών GMA καθώς και να εφαρμόζονται λειτουργίες LMF και HMF για την υποστήριξη φορητότητας μεταξύ διαφορετικών IP/MPLS ή άλλων δικτύων. Ένας διακομιστής πληροφοριών (information server [IS]) μπορεί να αποθηκεύει πληροφορίες για κάθε φορητό κόμβο, όπως διαθεσιμότητα εύρους ζώνης, χρονική καθυστέρηση και ρυθμό απώλειας πακέτων ενσύρματων και ασύρματων καναλιών. Όταν ο φορητός κόμβος επιλέγει να συνδεθεί σε ένα από τα δίκτυα πρόσβασης ή μετακινήται σε κάποιο άλλο, οι πληροφορίες αυτές λαμβάνονται υπόψη για καλύτερη επιλογή δικτύου. Το σύστημα ελέγχου εξυπηρέτησης φορητότητας MSCS (mobile service control system) μπορεί να υλοποιηθεί σε μια κεντροποιημένη ή κατανεμημένη μορφή. Αν η μορφή είναι κατανεμημένη τότε το MSCS μπορεί να τοποθετηθεί στο GMA και τα LMA. Το MSCS είναι υπεύθυνο για τη σηματοδοσία, τη πιστοποίηση, την εξουσιοδότηση, των έλεγχο συνεδρίας, το προφίλ χρήστη κτλ. Όταν ένας φορητός κόμβος εκτελεί μια μεταπομπή, η IP διεύθυνσή του μπορεί να αλλαχθεί. Σε 62

72 αυτή τη περίπτωση οι MPLS δυνατότητες μπορούν να υποστηρίξουν αυτή την αλλαγή. Επίσης το MPLS μπορεί να συνεργαστεί με τις λειτουργίες διαχείρισης μεταπομπών για τη διατήρηση αλληλουχίας της συνεδρίας κατά τη διάρκεια της μετακίνησης Προκλήσεις επιπέδου εφαρμογών για IPTV υπηρεσίες με δυνατότητα φορητότητας Οι φορητοί τρόποι επικοινωνίας γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς, λόγο των νέων ασύρματων IP δικτύων και υπηρεσιών. Ωστόσο, η πολυμεσική αναμετάδοση συνεχών ροών, μπορεί να υποφέρει από αναξιόπιστες διαδικτυακές συνδέσεις και το ετερογενές απαιτούμενο εύρος ζώνης προς διαφορετικούς παραλήπτες. Η συνεχούς ροής πολυμεσική υπηρεσία, η οποία λαμβάνει υπόψη τους δικτυακούς πόρους, είναι ένα κρίσιμο κεφάλαιο για την λαμβανόμενη από τους χρήστες QoE. Για παράδειγμα, αν ένας χρήστης επιθυμεί να παρακολουθήσει ένα βίντεο έντονων εναλλαγών, όπως αθλητικά ή ταινίες δράσης, ένας κατά πολύ υψηλότερος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων θα απαιτηθεί σε σχέση με ένα χρήστη που παρακολουθεί ένα αργής κίνησης βίντεο. Ο καταμερισμός του εύρους ζώνης στο δίκτυο διανομής θα είναι πολύ διαφορετικός για τους δύο παραπάνω χρήστες για να μπορέσει να παρεχθεί το ίδιο QoE. Ο ρυθμός μεταφοράς που απαιτήται για περιεχόμενο με μια σταθερή καθορισμένη ποιότητα ποικίλει. Επίσης, η υπηρεσία πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις διαφορετικές μεταξύ τους δυνατότητες που έχουν οι τερματικές συσκευές. Η δυνατότητες κάθε χρησιμοποιούμενης συσκευής από κάποιον χρήστη είναι συσχετισμένες με το προφίλ του χρήστη στον HSS διακομιστή. Σε ένα περιβάλλον με ετερογενείς τερματικές συσκευές για να προωθηθεί προς μια συσκευή η κατάλληλη ροή δεδομένων που θα ικανοποιεί τις δυνατότητές της, πρέπει να συνδυαστούν οι λειτουργίες του HSS, του διακομιστή εφαρμογών και των CSCF οντοτήτων. Με τους κλασικούς τρόπους κωδικοποίησης και αποθήκευσης δεδομένων το περιεχόμενο πρέπει να κωδικοποιήται, να αποθηκεύεται καθώς και να προωθείται ξεχωριστά για κάθε διαφορετικό τύπο τερματικής συσκευής. Το πρόβλημα αυτό επιλύεται με κλιμακωτή κωδικοποίηση. Για την υποστήριξη μια πληθώρας από διαφορετικών δυνατοτήτων τερματικές συσκευές καθώς και κανάλια μεταφοράς με διαφορετικό εύρος ζώνης, οι οργανισμοί ISO/IEC, MPEG και ITU-T συντόνισαν τις προσπάθειες τους και δημιούργησαν την SVC (scalable video coding) τεχνολογία κωδικοποίησης βίντεο. Με τη τεχνολογία αυτή είναι εφικτό το περιεχόμενο να αποθηκεύεται σε κλιμακωτή μορφή και να προωθείται μόνο μια φορά από το διακομιστή περιεχομένων στο υπόλοιπο δίκτυο όπου στη συνέχεια η ροή προσαρμόζεται στις δυνατότητες του δικτύου και των τερματικών συσκευών. 63

73 5. PEER-TO-PEER IPTV Τα peer-to-peer (P2P) συστήματα είναι κατανεμημένα συστήματα αποτελούμενα από διασυνδεδεμένους κόμβους, ικανούς να αυτοοργανώνονται σε δικτυακές τοπολογίες με σκοπό να διαμοιράζονται πόρους όπως περιεχόμενο, υπολογιστική ισχύ, αποθηκευτικούς χώρους και εύρος ζώνης. Επίσης, πρέπει να διαθέτουν την ικανότητα να προσαρμοστικότητας στις διάφορες αστοχίες και να εξυπηρετούν μεταβλητούς πληθυσμούς κόμβων, διατηρώντας παράλληλα τη συνδεσιμότητα και τις επιδόσεις σε αποδεκτά πλαίσια. Τέτοιου είδους συστήματα δε βασίζονται σε μια αφιερωμένη σε αυτά δικτυακή υποδομή διανομής και συνεπώς προσφέρουν τη δυνατότητα ταχείας ανάπτυξης και χαμηλού κόστους. Μια πρώτη κατηγοριοποίηση των P2P συστημάτων μπορεί να γίνει διαχωρίζοντάς τα, σε αμιγή και υβριδικά. Τα αμιγή P2P συστήματα δε βασίζονται σε κάποια κεντρική οντότητα για τη διαχείριση δρομολόγησης της δικτυακής κυκλοφορίας εντός του δικτύου. Όλοι οι κόμβοι ενός τέτοιου συστήματος είναι ισάξιοι και καθένας από αυτούς εκτελεί λειτουργίες διακομιστή και πελάτη. Τα υβριδικά P2P συστήματα αντιθέτως είναι υποβοηθούμενα, είτε από κάποιον κεντρικό διακομιστή, είτε από μια διάσπαρτη στο δίκτυο διανομής ομάδα διακομιστών, είτε από άλλους μηχανισμούς, όπως κάποιες εξελιγμένες λειτουργίες του δικτύου διανομής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού του είδους συστημάτων είναι το πρωτόκολλο BitTorrent για τη διανομή αρχείων. Η λειτουργία αυτού του πρωτοκόλλου βασίζεται στη χρήση διακομιστών οι οποίοι ονομάζονται tracker, στους οποίους αποθηκεύονται πληροφορίες για τα διαθέσιμα στο P2P δίκτυο αρχεία. Κάθε χρήστης συνδέεται στον tracker και με χρήση των πληροφοριών που λαμβάνει από εκεί για κάποιο συγκεκριμένο αρχείο εκκινεί τη λήψη του από το P2P δίκτυο. Το BitTorrent, μπορεί να μην είναι ένα πρωτόκολλο για streaming πολυμέσων, αλλά με βάση τη φιλοσοφία του έχουν αναπτυχθεί αρκετές τέτοιου είδους αρχιτεκτονικές. Τα P2P συστήματα μπορούν επίσης να κατηγοριοποιηθούν βάση της αρχιτεκτονικής τους σε δομημένα και μη δομημένα. Στα streaming συστήματα οι δύο αυτές προσεγγίσεις συναντώνται με τις ονομασίες tree-push και mesh-pull αντίστοιχα. Στα δομημένα συστήματα, οι κόμβοι δημιουργούν τοπολογίες δέντρων ή γράφων. Κύρια πρόκληση σε αυτή τη κατηγορία αποτελεί ο τρόπος δημιουργίας και συντήρησης των τοπολογιών αυτών. Από την άλλη πλευρά, από τη στιγμή που θα σχηματιστεί η δομή, ή εύρεση και λήψη ενός αρχείου γίνεται γρήγορα και αξιόπιστα. Ωστόσο προβλήματα δημιουργούνται όταν κόμβοι συνδέονται και αποσυνδέονται στο σύστημα σε τακτά χρονικά διαστήματα, επειδή η δομή θα πρέπει να ανανεωθεί και αυτό έχει σαν συνέπεια να μην αποτελούν κατάλληλη λύση για τηλεοπτικές εφαρμογές όπου η συνεχής ροή δεδομένων και οι γρήγορες αποκρίσεις είναι απαραίτητες. Στα μη δομημένα συστήματα, επικαλυπτόμενες συνδέσεις εγκαθιδρύονται με αυθαίρετο τρόπο. Κάθε κόμβος επικοινωνεί με ένα υποσύνολο από κόμβους του συστήματος για να αποκτήσει μέρη ενός αρχείου. Πρόβλημα σε αυτού του τύπου τις αρχιτεκτονικές αποτελεί το μεγάλο κόστος που εισάγεται στο σύστημα προκειμένου όλοι οι κόμβοι να μπορέσουν να ενημερωθούν για την ύπαρξη και διαθεσιμότητα των υπολοίπων. Η διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη, ώστε κάθε κόμβος να μπορέσει να κάνει τις βέλτιστες διασυνδέσεις. Λύση στο πρόβλημα αυτό δύνεται με την χρήση διακομιστών με αντίστοιχες λειτουργίες με αυτές των προαναφερθέντων tracker του πρωτοκόλλου BitTorrent. Η αξιοποίηση τέτοιου είδους συστημάτων για την παροχή τηλεοπτικών υπηρεσιών βρίσκεται είδη σε εξέλιξη αφού είδη αρκετά Internet TV κανάλια αναμεταδίδονται αυτή τη στιγμή στο διαδίκτυο με τη χρήση αυτής της τεχνολογίας. Όσο αφορά την αξιοποίηση τους από τους παρόχους IPTV, από τη στιγμή που ο φόρτος του δικτύου για τις ζωντανές αναμεταδόσεις είναι ο ελάχιστος δυνατός με τη χρήση του multicasting, η 64

74 εφαρμογή τους δε μπορεί να προσφέρει κάτι περισσότερο σε αυτόν τον τομέα. Ωστόσο, όσο αφορά τις VoD υπηρεσίες, ένα καίριο ερώτημα που τίθεται είναι το κατά πόσο μια P2P αρχιτεκτονική μπορεί να αποφορτίσει το backbone δίκτυο μεταφέροντας μέρος της VoD κυκλοφορίας στα άκρα του δικτύου. Επίσης, μια P2P αρχιτεκτονική, σαν υποσύστημα υποβοήθησης στην είδη υπάρχουσας IPTV υποδομής, μπορεί να ελαχιστοποιήσει το φόρτο που δημιουργήται στους διακομιστές των παρεχόμενων VoD υπηρεσιών. Τα παραπάνω βασίζεται στη λογική ότι η upload χωρητικότητα των τελικών χρηστών παραμένει ανεκμετάλλευτη σε μεγάλο βαθμό και μπορεί να αξιοποιηθεί για τη βελτίωση των επιδόσεων του συστήματος. Στη συνέχεια παρατίθενται μια σειρά από υβριδικές μη δομημένες (mesh-pull) P2P αρχιτεκτονικές οι οποίες μπορούν να δώσουν σχεδιαστικές λύσεις σε ένα IPTV σύστημα και στον δύσκολα προβλέψιμο φόρτο που προκαλούν οι VoD υπηρεσίες στο δίκτυο και τους σχετικούς εξυπηρετητές Mesh-pull P2P αρχιτεκτονική Όπως υποδεικνύεται στο σχήμα 26 [25], οι mesh-pull P2P αρχιτεκτονικές, έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά. Ένα αρχείο βίντεο διαχωρίζεται σε μεγάλα κομμάτια (chunk) και καθίσταται διαθέσιμο για εκπομπή από το διακομιστή που αποτελεί τη πηγή του (origin video server). Οι πληροφορίες που αφορούν το βίντεο αυτό είναι διαθέσιμες σε έναν άλλο διακομιστή του συστήματος (channel server). Όταν ένας χρήστης επιλέξει να παρακολουθήσει το συγκεκριμένο βίντεο, ένα αίτημα θα αποσταλεί στον channel server (βήμα 1). Ο διακομιστής tracker διατηρεί μια δυναμική λίστα με όλους τους χρήστες που επιθυμούν να παρακολουθήσουν ή παρακολουθούν αυτό το βίντεο οπότε επόμενο βήμα (βήμα 2) είναι να αποσταλεί προς τον χρήστη μια λίστα με τους χρήστες που παρακολουθούν το συγκεκριμένο βίντεο, τη συγκεκριμένη στιγμή. Στη συνέχεια εγκαθιδρύονται κάποιες συνδέσεις συνεργασίας (TCP/UDP συνδέσεις) μεταξύ του συγκεκριμένου χρήστη και ενός υποσυνόλου χρηστών από τη ληφθείσα λίστα (βήμα 3) που έχουν σαν στόχο τη διανομή του βίντεο μεταξύ αυτών με βέλτιστο τρόπο. Οπότε η σύνδεση με τη κύρια πηγή του περιεχομένου μπορεί να γίνει είτε με άμεσο, είτε με έμμεσο τρόπο, ανάλογα με τη διαθεσιμότητα του δικτύου. Ανά τακτά χρονικά διαστήματα, αποστέλλονται προς κάθε χρήστη ενημερώσεις με τα chunk που είναι διαθέσιμα στους καταχωρητές των υπολοίπων χρηστών με τους οποίους είναι διασυνδεδεμένος. Χρησιμοποιώντας έναν chunk scheduling αλγόριθμο, αποστέλλονται από κάθε χρήστη αιτήματα με τα chunk που θα χρειαστεί στο κοντινό μέλλον προς τις συνεργαζόμενες με αυτόν συνδέσεις. Επίσης, λόγο της φύσης αυτού του συστήματος είναι εγκατεστημένος και ένας μηχανισμός χειρισμού των συνδέσεων συνεργασίας με δυναμικό τρόπο. Αυτό συμβαίνει γιατί κόμβοι μπορούν να εισέρχονται και να αποχωρούν από το σύστημα ανά πάσα στιγμή. Στο σχήμα 27 [25], παρουσιάζονται οι λειτουργίες ενός mesh-pull P2P streaming συστήματος στο επίπεδο εφαρμογών. Οι λειτουργίες αυτές διαχωρίζονται σε δύο κύριους μηχανισμούς. Πρώτος είναι ο P2P streaming μηχανισμός ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση των chunk, σε σχέση με τη παραλαβή και αποταμίευσή τους, το διαμοιρασμό τους προς τις συνεργαζόμενες συνδέσεις και την προώθησή τους στον δεύτερο μηχανισμό (media player) για αναπαραγωγή και προβολή στο τερματικό του χρήστη. Επίσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 27, ο P2P streaming μηχανισμός στέλνει και λαμβάνει ενημερώσεις (buffer map) με τα διαθέσιμα από αυτόν και προς αυτόν chunk. Μια buffer map ενημέρωση εμπεριέχει τη ταυτότητα του αποστολέα και του πρώτου διαθέσιμου chunk (offset), το μέγεθός της (width) και μια ακολουθία από 0 και 1 που υποδηλώνει ποια chunk είναι διαθέσιμα. Το σχήμα 28 [25], παρουσιάζει τη δομή των buffer map ενημερώσεων. 65

75 Σχήμα 26: Mesh-pull P2P αρχιτεκτονική Σχήμα 27: Mesh-pull P2P streaming application Όσο αφορά το μηχανισμό αναπαραγωγής, αυτός θεωρεί ως διακομιστή περιεχομένου τον P2P streaming μηχανισμό και κατά την εκκίνηση του, αποστέλλει ένα HTTP αίτημα προς αυτόν. Στη συνέχεια ο streaming μηχανισμός συνθέτει τα chunk σε αναγνωρίσιμη ροή πολυμεσικών δεδομένων και τα προωθεί προς τον καταχωρητή του μηχανισμού αναπαραγωγής. Η εκκίνηση της αναπαραγωγής θα γίνει όταν συγκεντρωθεί ο κατάλληλος όγκος δεδομένων στο καταχωρητή. 66

76 Σχήμα 28: Buffer map ενημερώσεις Οι συμμετέχοντες κόμβοι σε ένα mesh-pull streaming σύστημα, δύναται να διακρίνονται από μεταξύ τους ετερογένεια κυρίως όσο αφορά το διαθέσιμο στο upload εύρος ζώνης. Επιπροσθέτως, όπως έχει προαναφερθεί, οι συμμετέχοντες κόμβοι εισέρχονται και αποχωρούν από το σύστημα με τυχαίο τρόπο και για τυχαία χρονικά διαστήματα. Αυτοί οι δύο παράγοντες δημιουργούν τη κύρια πρόκληση, στη παροχή P2P IPTV υπηρεσιών, όσο αφορά τη διαβεβαίωση ότι όλοι οι συμμετέχοντες κόμβοι θα μπορούν να αναπαράγουν το διαθέσιμο περιεχόμενο χωρίς διακοπή και με τις ελάχιστες δυνατές καθυστερήσεις. Πρέπει να τονισθεί ότι το επίπεδο παρεχόμενων υπηρεσιών στα P2P streaming συστήματα είναι αυστηρά συνυφασμένο με το παρεχόμενο στο upload εύρος ζώνης, από το σύνολο των κόμβων του συστήματος. Τα περισσότερα, μέχρι τη παρούσα στιγμή, εφαρμοσμένα mesh-pull streaming συστήματα, χρησιμοποιούν περιορισμένη υποδομή υποβοήθησης που περιλαμβάνει διακομιστές με τις λίστες των διαθέσιμων καναλιών και διακομιστές tracker. Σε αυτά τα συστήματα η παρεχόμενη ποιότητα σε κάθε συνδεδεμένο κόμβο διαφέρει σε διαφορετικές χρονικές στιγμές και διαφορετικές τοποθεσίες. Οι πάροχοι IPTV υπηρεσιών που θέλουν να επενδύσουν σε τέτοιου είδους συστήματα θα πρέπει να τοποθετήσουν πρόσθετη streaming υποδομή, είτε τοποθετώντας διακομιστές διάσπαρτα στο δίκτυο, είτε εκμεταλλευόμενοι αν είναι εφικτό της δυνατότητές του εκάστοτε δικτύου διανομής Mesh-pull αρχιτεκτονική με ομάδες συνεργασίας Η P2P μοντέλο που θα παρουσιαστεί στη συνέχεια ονομάζεται BEAM (Bit streaming) [26] και αποτελείται από τρεις κύριες οντότητες. Οι οντότητες αυτές είναι, οι μετέχοντες στην P2P δομή κόμβοι, ο διακομιστής παροχής περιεχομένου και ένας διακομιστής tracker. Ο διακομιστής περιεχομένου αποτελεί την πηγή από την οποία παρέχεται το streaming περιεχόμενο στο P2P σμήνος. Ο tracker έχει ως κύριο σκοπό να βοηθάει τους κόμβους του συστήματος να εντοπίζουν τους συνεργαζόμενούς τους κόμβους. Επίσης, αλληλοενημερώνεται με τον διακομιστή περιεχομένου για τη τρέχουσα κατάσταση του συστήματος. Όταν ένας νέος χρήστης καταφθάνει στο σύστημα, επικοινωνεί αρχικά με τον tracker και υποβάλει τη ταυτότητά του, την IP διεύθυνσή 67

77 του και το διαθέσιμο uplink/downlink εύρος ζώνης του. Στη συνέχεια ο tracker του προωθεί μια λίστα από διαθέσιμους για σύνδεση συνεργασίας κόμβους με κατά κύριο λόγο ίδια χαρακτηριστικά όσο αφορά το διαθέσιμο uplink/downlink. Η συνεργασία κόμβων με παρόμοιο διαθέσιμο εύρος ζώνης οδηγεί στη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του συστήματος. Ο νεοαφιχθείς κόμβος, στη συνέχεια, αιτήται το streaming περιεχόμενο από τους συνεργαζόμενους κόμβους και παράλληλα εκκινεί ένα μηχανισμό δημιουργίας ομάδων συνεργασίας (alliances) ο οποίος θα αναλυθεί σε επόμενη παράγραφο. Ο διακομιστής πολυμέσων προωθεί τη ροή περιεχομένου προς έναν αριθμό από επιλεγμένους κόμβους (power node), οι οποίοι έχουν επιλεγεί βάσει των υψηλότερων δυνατοτήτων που διαθέτουν για τη προώθηση του περιεχομένου στο υπόλοιπο σμήνος. Κάθε power node, από τη στιγμή που θα επιλεγεί από το διακομιστή πολυμέσων, προωθεί το περιεχόμενο σε έλους ενδιαφερόμενους για αυτό κόμβους στο σύστημα, οι οποίοι επιλέγονται με την ίδια λογική. Ο λόγος για τον οποίο επιλέγονται οι power node για απευθείας λήψη από το διακομιστή περιεχομένου, είναι διότι έτσι αποτρέπονται σε μεγάλο βαθμό, φαινόμενα bottleneck και η κακή ή μη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων. Ο tracker, περιοδικά (πχ κάθε 10 λεπτά) βαθμολογεί τους κόμβους όσο αφορά το περιεχόμενα που προωθούν προς το υπόλοιπο σύστημα. Αν για παράδειγμα, ο διακομιστής περιεχομένου μπορεί να προωθήσει το περιεχόμενο σε P κόμβους, τότε οι P κόμβοι με την υψηλότερη βαθμολογία γίνονται power node. Ο tracker ενημερώνει τον διακομιστή περιεχομένου για τους νέους power node και αυτός τότε αρχίζει να προωθεί το περιεχόμενο προς αυτούς. Η βαθμολόγηση γίνεται με χρήση του παράγοντας UF (utility factor), ο οποίος μετρά τη προσφορά του κάθε κόμβου στο P2P σμήνος. Ο UF υπολογίζεται βάση των παραμέτρων CSR (cumulative share ratio) και TSR (temporal share ratio). Οι δύο αυτές παράμετροι εκφράζουν το λόγο του προωθημένου όγκου περιεχομένου προς τον ληφθέντα όγκο περιεχομένου σε ένα κόμβο του συστήματος. Η παράμετρος CSR εκφράζει το παραπάνω λόγο συνολικά από τη στιγμή προσκόλλησης του κόμβου στο σμήνος, ενώ η TSR εκφράζει το λόγο αυτό σε μια πρόσφατη χρονική περίοδο. Ο UF=f(TSR,CSR) υπολογίζεται ως εξής: UF=αCSR+(1-α)TSR όπου το α το βάρος του CSR και (1-α) το βάρος του TSR. Ο tracker ανανεώνει περιοδικά τη λίστα του μόνο με τους κόμβους των οποίων οι τιμές των παραμέτρων CSR/TSR είναι μεγαλύτερες ή ίσες με ένα προκαθορισμένο κατώφλι. Αυτή η τακτική αποφορτίζει τον tracker από το να κατακλύζεται με μηνύματα από όλους τους κόμβους του συστήματος. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί ότι για να λειτουργήσει σωστά το σύστημα, όλοι οι μετέχοντες κόμβοι πρέπει να τηρούν αυστηρά τους καθορισμένους κανόνες και τα μηνύματα που στέλνουν προς τον tracker να αντιπροσωπεύουν τη πραγματικότητα Ομάδες συνεργασίας Οι κόμβοι χωρίζονται σε μικρές ομάδες συνεργασίας, συνήθως μεταξύ 4 και 8 κόμβων, οι οποίες ονομάζονται alliance. Όλα τα μέλη ενός alliance είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους με συνδέσεις συνεργασίας και διαμοιράζονται το streaming περιεχόμενο απευθείας. Κάθε alliance μπορεί να έχει μέχρι και h μέλη, και κάθε κόμβος μπορεί να είναι μέλος μέχρι και σε k alliance. Οι παράμετροι (h,k), ελέγχονται ώστε να σχηματίζεται καλή συνδεσιμότητα μέσω πολλαπλών μονοπατιών για τη λήψη του περιεχομένου, καθώς και για να μην δημιουργείται σε κάθε κόμβο μεγάλος αριθμός TCP συνδέσεων, οι οποίες μπορούν να επηρεάσουν τις επιδώσεις του συστήματος. 68

78 Κάθε κόμβος δημιουργεί ένα alliance αποστέλλοντας ένα αίτημα συμμετοχής στους κόμβους της λίστας που έχει παραλάβει από τον tracker. Οι κόμβοι της λίστας όταν παραλάβουν το αίτημα μπορούν να το αποδεχτούν ή να το απορρίψουν, ανάλογα με το πλήθος των alliance στα οποία είναι μέλη (π.χ. απόρριψη γίνεται όταν ο κόμβος είναι είδη μέλος σε k alliance). Αν ένας κόμβος δεχτεί το αίτημα τότε στέλνει πίσω ένα μήνυμα αποδοχής του αιτήματος. Τα δύο μέλη του νεοσύστατου alliance, μπορούν πλέον να δεχτούν και νέα μέλη στην ομάδα και να την επεκτείνουν περαιτέρω. Κάθε αίτημα συμμετοχής έχει τη μορφή [ A ID, Num, N 1, N 2,...], όπου A ID είναι η ταυτότητα του alliance, Num είναι το τρέχων πλήθος των μελών του alliance και N id είναι οι ταυτότητες των μελών του alliance τη παρούσα στιγμή. Με N 1 δηλώνεται ο αποστολέας του αιτήματος συμμετοχής. Τα μηνύματα αποδοχής, έχουν τη μορφή [ A ID, Self ID ], όπου Self ID είναι η ταυτότητα του κόμβου ο οποίος το αποστέλλει σε όλα τα μέλη του alliance. Οι κόμβοι επεκτείνουν τα alliance μέχρι αυτά να αποκτήσουν k το πλήθος μέλη. Το διαμοιραζόμενο περιεχόμενο αποτελείται από πακέτα τα οποία αποτελούνται από h-1 κομμάτια. Ως κομμάτι ορίζεται η μικρότερη διαμοιραζόμενη μονάδα δεδομένων. Όταν ένας κόμβος αποκτήσει ένα πακέτο, το προωθεί στα υπόλοιπα μέλη του alliance, αποστέλλοντας διαφορετικά κομμάτια σε κάθε μέλος. Τα υπόλοιπα μέλη στη συνέχεια συναλλάσσουν μεταξύ τους τα κομμάτια ώστε να αποκτήσουν όλοι το πλήρες πακέτο. Αυτή η διαδικασία ακολουθήται για να εξασφαλιστεί η ισομερής και δίκαια χρήση των πόρων κάθε κόμβου. Κόμβοι οι οποίοι λαμβάνουν περιεχόμενο, χωρίς να το διαμοιράζονται, αγνοούνται από τα υπόλοιπα μέλη του alliance στις μελλοντικές δοσοληψίες και αντικαθιστώνται από άλλους κόμβους. Σχήμα 29: P2P alliances Το σχήμα 29 [26] αποτυπώνει ένα σενάριο στο οποίο, το alliance1, αποτελείται από τους κόμβους με ταυτότητες 1, 4, 8, 9, 22 και το alliance2 από τους κόμβους 3, 4, 11, 25, 26. Ο κόμβος 4 αποτελεί μέλος και στα δύο προαναφερθέντα alliance. Υποθέτοντας ότι ο κόμβος 22 αποκτά ένα νέο πακέτα από κάποιο άλλο alliance στο οποίο μετέχει ή από το διακομιστή περιεχομένου (εφόσον είναι power node), στη συνέχεια θα το διανέμει στο alliance1. Αρχικά θα αποστείλει μια ανακοίνωση με τη μορφή [ A ID, PNum, NPieces], όπου Pnum είναι ο αριθμός που δηλώνει τη θέση του πακέτου στη streaming ακολουθία και Npieces το πλήθος των κομματιών στο πακέτο. Οι υπόλοιποι κόμβοι της ομάδας (1, 4, 8, 9) απαντούν με ένα αίτημα το οποίο έχει τη μορφή [ A ID, PNum, P 1, P 2,...], όπου P i είναι τα μη διαθέσιμα σε αυτούς κομμάτια του πακέτου. Στη συνέχεια γίνεται η προώθησή του πακέτου μέσα στο alliance με τη διαδικασία που περιγράφεται σε προηγούμενη παράγραφο. Όταν οι κόμβοι του alliance1 αποκτήσουν το πλήρες πακέτο, το προωθούν με τον ίδιο τρόπο στα υπόλοιπα alliance στα οποία μετέχουν. Στο σχήμα 29, ο κόμβος 4 69

79 προωθεί το πακέτο στο alliance2 στο οποίο είναι μέλος. Ο κόμβος 4 είναι συνδεδεμένος με όλους τους κόμβους των alliance1 και alliance2, ενώ είναι πιθανό και άλλα μέλη των δύο αυτών διαφορετικών ομάδων να συνδέονται μεταξύ τους. Θεωρώντας το παραπάνω περιγραφόμενο σύστημα ως ένα γράφο, τότε αυτός έχει τις εξής ιδιότητες. Κάθε κόμβος του γράφου μπορεί να ενωθεί με οποιονδήποτε άλλο, με ένα πολύ μικρό μονοπάτι. Αυτό αντικατοπτρίζεται σε πολύ μικρές από άκρο σε άκρο καθυστερήσεις. Τα alliance, τα οποία αποτελούν πλήρεις υπογράφους, δίνουν τη δυνατότητα από τη στιγμή που ένα πακέτο θα εισέλθει σε αυτά να θεωρείται ληφθέν από όλα τα μέλη τους. Τέλος, η συνολική δομή του γράφου του δίνει τη δυνατότητα οι λειτουργίες του συστήματος να διατηρούν τη σταθερότητα τους κατά τη διάρκεια αποχώρησης ή εισαγωγής κόμβων P2P με δυνατότητες χρονικής μετατόπισης Η P2P τεχνική που θα παρουσιαστεί στη συνέχεια ονομάζεται BulletMedia [27] και αποτελεί μια πρόταση για την ενίσχυση ενός VoD συστήματος με δυνατότητές χρονικής μετατόπισης. Η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί πάνω σε P2P δομές, όπως για παράδειγμα ως μια αναπροσαρμογή ή επέκταση του τρόπου προώθησης περιεχομένου στη προαναφερθείσα BEAM. Όπως φαίνεται στο σχήμα 30 [27], κάθε κόμβος είναι συνδεδεμένος με ένα πλήθος από γειτονικούς συνεργαζόμενους κόμβους. Κάθε κόμβος ενημερώνεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα για το διαθέσιμο περιεχόμενο στους γειτονικούς κόμβους και στη συνέχεια αποστέλλει σε αυτούς αιτήματα, ζητώντας το απαραίτητο για αυτόν περιεχόμενο. Κάθε κόμβος, είναι διαμορφωμένος με έναν μικρό σταθερού μεγέθους καταχωρητή αναπαραγωγής και με ένα ταμιευτήρα περιεχομένου. Ο καταχωρητής αναπαραγωγής χρησιμοποιήται για να αποθηκεύει τα δεδομένα που απαιτούνται για άμεση αναπαραγωγή. Τα δεδομένα αυτά, όπως επίσης και δεδομένα που έχουν είδη αναπαραχθεί ή θα αναπαραχθούν στη συνέχεια, είναι αποθηκευμένα στο ταμιευτήρα περιεχομένου. Για τη παρακολούθηση της ποιότητας αναπαραγωγής, κάθε κόμβος μετράει τοπικά το δείκτη αλληλουχίας ci, ο οποίος εκφράζει τα τεμάχια των block τα οποία παραδίδονται εγκαίρως, εντός ενός μικρού παραθύρου (πχ των 10 block) πριν από τη στιγμή αναπαραγωγής. Αν το ci πέσει κάτω από ένα προκαθορισμένο κατώφλι τότε η αναπαραγωγή διακόπτεται μέχρι να ληφθούν περισσότερα block. Σχήμα 30: P2P conections 70

80 Ένας αλγόριθμος ελέγχου ροής, ελέγχει πότε μπορούν να ανακτηθούν block από τους συνεργαζόμενους κόμβους. Τα block τα οποία ζητούνται, επιλέγονται τυχαία από το σύνολο των block με τη μικρότερη διαθεσιμότητα στους συνεργαζόμενους κόμβους. Αυτή η στρατηγική έχει αποδειχθεί ως αρκετά αποτελεσματική για τη συνολική επίδοση του συστήματος. Επιπροσθέτως, λαμβάνοντας υπόψη και την εκτελούμενη αναπαραγωγή, ζητούνται και block παρακείμενα του σημείου αναπαραγωγής. Για την επίτευξη καλύτερης εκμετάλλευσης του συνολικού διαθέσιμου εύρους ζώνης στο δίκτυο, πρέπει να χρησιμοποιηθούν block μικρού μεγέθους (πχ των 16 kb). Αν ένας κόμβος μετατοπίσει το σημείο αναπαραγωγής (χρονική μετατόπιση), είναι αναγκαίο να εντοπιστούν και να αποκτηθούν τάχιστα τα απαιτούμενα για το καταχωρητή αναπαραγωγής block. Αν δεν αποκτηθούν τα απαιτούμενα block η αναπαραγωγή δε θα είναι εφικτό να διεκπεραιωθεί. Αν οι συνεργαζόμενοι κόμβοι δε μπορέσουν να προμηθεύσουν τα απαιτούμενα block (πχ στη περίπτωση του κόμβου R3 στο σχήμα 31 [27]), τότε ο κόμβος θα τα προμηθευτεί από το διακομιστή περιεχομένου ο οποίος αποτελεί τη ρίζα του συστήματος. Αν πολλοί κόμβοι επιχειρήσουν ταυτόχρονα να μετακινήσουν τα σημεία αναπαραγωγής τους, τότε μπορεί να δημιουργηθούν στιγμιαία υψηλές απαιτήσεις για εύρος ζώνης στον διακομιστή περιεχομένου. Σχήμα 31: P2P node buffers & server buffer Με σκοπό να λυθεί το παραπάνω πρόβλημα, χρησιμοποιήται μια υπηρεσία εύρεσης κατανεμημένου περιεχομένου. Μεταδεδομένα που δηλώνουν τη τοποθεσία των περιεχομένων στους συνεργαζόμενους κόμβους είναι τοποθετημένα σε DHT (Distributed Hash Table). DHT ονομάζεται μια κλάση από αποκεντροποιημένα συστήματα τα οποία παρέχουν υπηρεσίες αναζήτησης παρόμοιες με ένα πίνακα hash. Ζεύγη ονομάτων και τιμών αποθηκεύονται σε ένα DHT και κάθε συμμετέχοντας κόμβος μπορεί με αποτελεσματικό τρόπο να ανακτήσει τη τιμή που σχετίζεται με ένα δοσμένο όνομα. Η ευθύνη διατήρησης της αντιστοίχησης των ονομάτων με τις τιμές είναι κατανεμημένη μεταξύ των κόμβων με τέτοιο τρόπο ώστε μια αλλαγή στο σύνολο των συμμετεχόντων να προκαλέσει ελάχιστη διαταραχή. Αυτό επιτρέπει στο DHT να διαβαθμίζεται σε αρκετά μεγάλο πλήθος κόμβων και να χειρίζεται συνεχείς αφίξεις, αναχωρήσεις και αποτυχίες αυτών. Για την ελάττωση του επιπρόσθετου φόρτου, οι πληροφορίες που αποθηκεύονται στο DHT δεν παραθέτουν το περιεχόμενο σε δομές block αλλά ομαδοποιημένο σε chunk (πχ 1 chunk = 100 block). Κάθε chunk σχετίζεται με ένα μοναδικό κλειδί, chunkid, το οποίο παράγεται με hashing του ζεύγους <contentname, chunknumber>. Αυτό διαβεβαιώνει ότι κάθε κόμβος, δεδομένου ότι γνωρίζει το πλήθος των block σε κάθε chunk, μπορεί να προσδιορίσει το chunkid του chunk το οποίο περιέχει τα ζητούμενα block. Κάθε κόμβος παρακολουθεί το τοπικό ταμιευτήρα 71

81 περιεχομένου και όταν όλα τα block τα οποία σχετίζονται με ένα συγκεκριμένο chunkid συμπληρωθούν, ο κόμβος ενημερώνει το DHT. Η ενημέρωση αυτή έχει το chunkid ως κλειδί, και τη διεύθυνση IP του συγκεκριμένου κόμβου ως τιμή. Όταν ένας κόμβος εκτελεί μια λειτουργία αναζήτησης, δηλαδή όταν μετατοπίζεται το σημείο αναπαραγωγής, αρχικά ελέγχει τα διαθέσιμα block στους συνεργαζόμενους κόμβους. Εάν δεν είναι εφικτό να αντλήσει τα απαιτούμενα block από τους υπάρχοντες συνεργαζόμενους κόμβους, τότε υπολογίζει το chunkid των ζητούμενων block και εφαρμόζεται αναζήτηση στο DHT. Ο DHT επιστρέφει ένα φραγμένο σύνολο από κόμβους οι οποίοι διαθέτουν του ζητούμενο chunk και επιλέγεται ένας ή περισσότεροι από αυτούς ως συνεργαζόμενοι κόμβοι. Αυτή η διεργασία επιτρέπει στους κόμβους να ανακαλύπτουν τάχιστα νέους κόμβους συνεργασίας με το απαραίτητο περιεχόμενο, χωρίς να εξαρτώνται από το κεντρικό διακομιστή περιεχομένου Διαχείριση του ταμιευτήρα περιεχομένου Υποθέτοντας ότι σε κάποιους κόμβους, ο ταμιευτήρας περιεχομένου δεν έχει τη χωρητικότητα για να αποθηκεύσει όλα τα chunk που σχετίζονται με το αναπαραγόμενο περιεχόμενο (πχ μια κινηματογραφική ταινία 2 ωρών), πρέπει να εφαρμοστεί μια πολιτική βέλτιστης διαχείρισης του διαθέσιμου χώρου. Κάτι τέτοιο μπορεί να εφαρμοστεί με αξιοποίηση του DHT, όπου με μια αναζήτηση του μπορεί να βρεθεί πόσοι και ποίοι κόμβοι διαθέτουν ένα συγκεκριμένο chunk. Με βάση το σημείο αναπαραγωγής στο οποίο βρίσκεται και το πλήθος των διαθέσιμων αντιγράφων ενός chunk στους υπόλοιπους κόμβους, κάθε κόμβος μπορεί να αποφασίσει ποια block θα διαγράψει από το ταμιευτήρα έτσι ώστε να υπάρχει ισορροπία των διαθέσιμων chunk στο σύστημα. Η τοποθέτηση σε ένα ταμιευτήρα του περιεχομένου που απαιτήται για επικείμενη αναπαραγωγή και περιεχόμενο το οποίο έχει είδη αναπαραχθεί είναι ανεπαρκές και αναποτελεσματικό. Αν ένας κόμβος μετακινήσει το σημείο αναπαραγωγής του πιο μπροστά από τα σημεία αναπαραγωγής των υπολοίπων, θα εξαναγκαστεί να αντλήσει περιεχόμενο από τον κύριο διακομιστή περιεχομένου. Για την αποφυγή του παραπάνω φαινομένου, μπορεί να εφαρμοστεί μια τεχνική προνοητικής αποταμίευσης των block. Στόχος είναι η εξασφάλιση ότι όλα τα block υπάρχουν τουλάχιστον k φορές στο σύστημα, όπου μια τυπική τιμή του k είναι το 4. Κάθε κόμβος αξιοποιεί το υπολειπόμενό του, εύρος ζώνης για να αντλήσει περιεχόμενο προκαταβολικά. Το περιεχόμενο αυτό δεν απαιτήται για επικείμενη αναπαραγωγή αλλά για πρόληψη και εξασφάλιση του προαναφερθέντα στόχου. Όταν ένας κόμβος διαθέτει υπολειπόμενο εύρος ζώνης, για παράδειγμα όταν έχει αποταμιεύσει επαρκές πλήθος block για να τροφοδοτήσει το καταχωρητή αναπαραγωγής, πρέπει να εξακριβώσει ποια block πρέπει να αντλήσει για να εξασφαλιστεί καλή ποικιλομορφία του περιεχομένου στο σύστημα. Για την επίτευξη των παραπάνω, κάθε κόμβος ελέγχει το ταμιευτήρα περιεχομένου του, για να καθορίσει το σύνολο των chunkid από τα chunk τα οποία δεν διαθέτει ή δεν αντλεί τη τρέχουσα στιγμή. Στη συνέχεια επιλέγει ένα chunkid με τυχαίο τρόπο από αυτό το σύνολο και εκτελεί μια αναζήτηση στο DHT. Με αυτή την ενέργεια ο DHT παρέχει το πλήθος των κόμβων οι οποίοι διαθέτουν αυτό το chunk. Αν το πλήθος των αντιγράφων είναι μικρότερο από ένα προκαθορισμένο επίπεδο (πχ 4), τότε ο κόμβος αρχίζει να αντλεί τα σχετικά block, αλλιώς επαναλαμβάνεται η παραπάνω αναζήτηση επιλέγοντας κάποιο άλλο chunkid από τη λίστα και συνεχίζει να επαναλαμβάνεται μέχρι να βρεθεί κάποιο chunk το οποίο δεν έχει επαρκές πλήθος αντιγράφων στο σύστημα. Αν βρεθεί ότι όλα τα chunk διαθέτουν επαρκές πλήθος αντιγράφων στο σύστημα τότε ο κόμβος αντλεί περιεχόμενο με βάση τις δικές του ανάγκες. Κανόνας είναι ο κάθε κόμβος να αποφεύγει να αντλεί περιεχόμενο από τον κύριο διακομιστή περιεχομένου για να ελαττώσει τον 72

82 φόρτο που ενδεχομένως να υπάρχει σε αυτόν. Επιπροσθέτως ο κύριος διακομιστής έχει ως προτεραιότητα να διανέμει block που προορίζονται για επικείμενη αναπαραγωγή και βάζει σε δεύτερη μοίρα τη προώθηση chunk που δεν έχουν επαρκές πλήθος αντιγράφων στο σύστημα P2P με πολιτικές προτεραιοτήτων ροών και δυνατότητες χρονικής μετατόπισης Η τεχνική που θα περιγραφεί στη συνέχεια [28], αποτελείται από τέσσερα λειτουργικά κομμάτια, τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν ανεξάρτητα. Τα κομμάτια αυτά είναι ο κατάλογος περιεχομένων, ένας χάρτης με τα διαθέσιμα chunk, το πρωτόκολλο ανάκτησης περιεχομένου και οι κόμβοι/πελάτες. Ο κατάλογος περιεχομένων αντιστοιχεί τα ονόματα των παρεχόμενων ταινιών σε εσωτερικούς ταυτοποιητές με τη χρήση DHT. Για κάθε ταινία ένας χάρτης με τα διαθέσιμα chunk υποδεικνύει ποιοι κόμβου του συστήματος διαθέτουν το κάθε ένα από αυτά. Το πρωτόκολλο ανάκτησης αντλεί chunk από τους συνεργαζόμενους κόμβους με το γρηγορότερο ρυθμό που του επιτρέπει η χωρητικότητα του δικτύου. Μια σύνοψη της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής παρουσιάζεται στο σχήμα 32 [28]. Σε κάθε κόμβο υπάρχουν δύο διαφορετικές ροές λήψης. Η μία αφορά ένα κυλιόμενο παράθυρο στο σημείο αναπαραγωγής και η δεύτερη λαμβάνει δεδομένα από διάφορα άλλα σημεία της ταινίας. Στις δυο αυτές ροές εφαρμόζονται πολιτικές προτεραιοτήτων με τρόπο που θα περιγραφεί στη συνέχεια. Σχήμα 32: P2P node buffer με ροές διαφορετικών προτεραιοτήτων και δυνατότητα χρονικής μετατόπισης Το κυλιόμενο παράθυρο μετακινήται κατά μήκος του καταχωρητή του αρχείου της ταινίας και τροφοδοτεί με την απαραίτητη συνεχή ροή περιεχομένου το μηχανισμό αναπαραγωγής. Με κάθε chunk που καταναλώνεται από το μηχανισμό αναπαραγωγής, το παράθυρο μετακινήται προς τα εμπρός για να αντλήσει ένα νέο chunk. Τα chunk τα οποία χρειάζονται για να συμπληρωθεί το κυλιόμενο παράθυρο είναι υψηλής προτεραιότητας και πρέπει να αντληθούν άμεσα εφόσον δεν έχουν αντληθεί είδη. Εφόσον η ταχύτητα λήψης είναι μεγαλύτερη από τον απαιτούμενο ρυθμό για την αναπαραγωγή της ταινίας, τίθεται σε παράλληλη λειτουργία η δεύτερη ροή λήψης, με χαμηλότερη προτεραιότητα από αυτή του κυλιόμενου παραθύρου, και παραμένει ενεργή όσο αυτό είναι δυνατό μέχρι να ολοκληρωθεί η πλήρης λήψη της αναπαραγόμενης ταινίας. Όπως και στη προηγούμενη τεχνική ο 73