»  Аппаратное и программное обеспечение для мультисервисных платформ DVB сетей

Мы принимаем за аксиому, что мультисервисные сети должны строиться на мультисервисных платформах, на единой логической программной основе. Для утверждения есть достаточные основания. Аппаратный уровень необходим для соэдания функциональных модулей платформы и перераспределения производительности обработки трафика. В остальном, в том числе на уровне пользователя, логическая часть платформы должна строиться на программном уровне.

Отношение к программному обеспечению всегда было разным, и это правильно. Если качество оборудование измеряется отказоустойчивостью на период времени эксплуатации, то качество программного обеспечения измеряется ошибками. Практика показывает, что ошибки есть и будут, также как и неизбежны помехи в эфире. Важно чтобы программное обеспечение, с том числе и на операционном уровне, было способно их компенсировать. Выбор программного и аппаратного решений процесс творческий и бесконечный. Аппаратное решение также работает по установленной программе, но жестко привязано к рабочим функциям. «Железо» эффективно обрабатывает большие однотипные массивы данных по заданным алгоритмам или правилам. Очень эффективны аппаратные кодеры, кодеки, модуляторы и т.п. За небольшим исключением, алгоритмы соответствуют устоявшимся стандартам. Например, инкодирование и декодирование MPEG 2 в реальном времени целесообразно проводить аппаратно, в противном случае, однотипные операции загрузят процессор компьютера, который не оптимизирован для этой работы, в результате временные задержка и сбои гарантированны. А интеллектуальную многозадачную обработку лучше доверить программе. Примером почти идеальной оптимизации может служить приемная DVB карта Sky Star 2 (Technisat), в которой все однотипные операции по обработке сигнала проводятся аппаратно, включая чип B2C2, а обработка пакетов MPEG 2 TS – программно, обычная работа многих известных программных плейеров. Загрузка процессора зависит только от оптимизации внешнего программного обеспечения.

С точки зрения разработчика, процесс планирования, разработки и производства мультимедийных платформ сравним с технологией создания человека из человека. Сначала масса, затем разум. Другими словами создание платформы в первую очередь начинается от сложившихся на трудный день комплектующих. В принципе это не критично, так как наблюдается некая зависимость: чем качественнее программное обеспечение, тем оно более компактно и требует меньше аппаратных ресурсов. Напомню, мы имеем дело с телекоммуникационным операторским, а значит транспортным оборудованием. Следовательно корректность, легкость обработки трафика и резервы по мощности на доступной элементной базе – профессиональный долг разработчика. Мультисервисная платформа обязана быть адаптивной к любым компетентным сценариям и с реакцией на уровне программного обеспечения.

Если принять классическую схему развития мультисервисов IP уровня, таких как VoIP, DVB/IP(видео), TCP/IP и UDP/IP (multicast) и других, то с высокой степенью вероятности можно говорить о развитии мультисервисных DVB сетей. Достаточно обеспечить условия IP/DVB инкапсуляции в соответствии со стандартами ETSI и RFC, и IP сервисы без видимых затруднений транспортируются через DVB сети. Для ассиметричных TCP/IP сервисов маршрутизация интерактивного трафика встроена в систему комбинированного доступа (СКД), В версии СКД MediaSputnik 1000 series организация маршрутизации трафика выполняется следующим образом (рис.1 и 2):

Система комбинированного доступа организует взаимоувязанную сеть с физическим разделением широкополосного DVB канала вещания данных и узкополосного канала взаимодействия, выделенного или коммутируемого.

Данные для ретрансляции через средства связи поступают в СКД MediaSputnik по интерфейсам Ethernet. СКД выполняет подготовку данных и авторизацию каждого удаленного приемника данных (далее приемник), формирует выделенные (по IP адресам, группам IP адресов приемников) прямые виртуальные каналы вещания данных (далее каналы) с временными и постоянными параметрами каналов, устанавливает контроль за полосой вещания и протоколами каждого канала, инкапсулирует и мультиплексирует IP пакеты каналов в широкополосный транспортный поток DVB/MPEG-2.

Широкополосный транспортный поток DVB/MPEG-2 с выхода инкапсулятора данных по интерфейсу ASI подается на вход модулятора, в котором, в соответствии со стандартом DVB, производится формирование несущей (QPSK) или несущих (COFDM). Несущая, модулированная широкополосным транспортным потоком, излучается передающей станцией в зоне расположения приемников. Несущая принимается на соответствующий приемник, в котором производится демодуляция несущей, демультиплексирование транспортного потока MPEG-2 и фильтрация данных по виртуальным каналам в соответствии с IP-адресами, уникальными для каждого из пользователей спутникового приемника данных. При подключении приемника к интерфейсам 10/100Base-TX локальной сети, IP пакеты маршрутизируются в локальную сеть передачи данных.

Для организации обратного виртуального канала (канала запросов) приемники подключаются к техническим средствам существующих сетей связи (интерактивным каналам передачи данных), в том числе спутниковым каналам и сети Интернет.

При организации прямых и обратных виртуальных каналов (двунаправленных виртуальных соединений), приемники инициализируют передачу IP пакетов с целью своей авторизации на сервере обратного виртуального канала СКД MediaSputnik 1202 series, и последующей организации туннельного канала запросов в сеть Интернет (Интранет) через СКД MediaSputnik. Пакеты ответов на запрос из сети Интернет возвращаются в СКД и поступают, через сервер обратного виртуального канала и QoS сервер, в прямые виртуальные каналы вещания данных. Все пакеты контролируются на соответствие запросам и передаются через IP/DVB инкапсулятор в широкополостном канале с поддержкой TCP/IP протокола в режиме Unicast. Приемники захватывают прямые виртуальные каналы и IP пакеты в соответствии с IP адресами, формируют новые запросы непосредственно или из локальной сети пользователя.

Аппаратура СКД MediaSputnik, в совокупности с сервером обратного виртуального канала, организует через спутниковую сеть прозрачный многопротокольный шлюз передачи данных из сети Интернет/Интранет на приемники. Сервер обратного виртуального канала назначает каждому авторизированному приемнику динамический или статический IP адрес, являющийся уникальным адресом приема данных из широкополосного DVB потока. Канальная емкость широкополосного DVB канала динамически или статически перераспределяется на прямые виртуальные каналы вещания данных, сформированные сервером обратного виртуального канала, QoS сервером или сервером виртуальных каналов для каждого приемника или группы приемников.

Другими словами система комбинированного доступа организует необходимое количество виртуальных каналов с различными классами сервиса. «Нарезка» виртуальных каналов в широкой полосе идет под определенных пользователей или группы пользователей, все зависит от договорных отношений с оператором или провайдером. Например, системный администратор небольшой компании может через свой proxy сервер на один виртуальный канал с одним IP адресом подключить всех своих сотрудников, самостоятельно контролируя их работу в пределах параметров виртуального канала со средним приоритетом. В случае, если количество сотрудников или филиалов растет, а администраторов нет, можно перейти на один виртуальный канал с группой IP адресов и т.д. Если появиться абонент с требованиями по организации своей виртуальной сети с высшим приоритетом для Интранет приложений, включая IP телефонию, то и этот сервис, в пределах сети оператора, доступен. В общем как говорил наш классик: «Хочешь белый низ, черный верх, хочешь…..». Здесь меняется только терминология, динамическое и статическое перераспределение частотных ресурсов меняется на перераспределение виртуальных ресурсов.

Положительных аргументов за организацию мультисервисных DVB платформ более чем достаточно, например, загрузив полностью транспондер DVB потоком, оператор одновременно повышает насыщенность спектра. Если ассиметричный Интернет занимает только часть потока, без существенных затрат в поток мультиплексируются одностороннее вещание данных или цифровые телеканалы. В случае ввода интерактивных сервисов, типа DVB-RCS, в потоке работают виртуальные прямые каналы этого вида сервиса, так как все сервисы совместимы на мультисервисной DVB платформе.

Операратор только перераспределяет ресурсы потока и PIDы. Имеется достаточно инструментов для автоматического или ручного управления потоком. Например, весь поток данных можно передавать по одному PID, а остальные резервируются для телевидения и интерактивных сервисов.

Очень важным элементом СКД является работа программного обеспечения в среде Linux, это принципиальный элемент нашей работы и строительства мультисервисных платформ. Операторское оборудование должно иметь значительный запас по надежности, ресурсам, управлению и безопасности. Но есть еще много других аспектов за Linux. Мы ранее упоминали адаптивную составляющую платформы, в том плане, что цикл жизни программ должен быть длиннее цикла оборудовании, программы должны постоянно совершенствоваться и адаптироваться под оператора. Платформа ориентирована на пользователей, самим выбирающих ОС и не требуют от удаленных пользователей дополнительных затрат

Ведущим элементом СКД является IP/DVB инкапсулятор MediaSputnik 1102 series (Рис.3 и 4) – аппаратное средство, предназначенное для инкапсуляции пакетов IP в транспортный поток DVB в соответствии со стандартом EN 301 192 (MPE). Инкапсулятор по сути является межсетевым транспортом и несет основную нагрузку в сети. Инкапсуляция IP пакетов в транспортные MPEG 2 пакеты традиционно выполняется на аппаратно-программном уровне, что позволяет обрабатывать потоки на скорости до 100 Мб/сек. В случае необходимости расширения сервисов и мультиплексирования IP/DVB и MPEG 2 TS потока (видео), на входящий ASI интерфейс подается транспортный поток. Из входящего транспортного потока инкапсулятор фильтрует нулевые пакеты и замещает их пакетами с данными, Это очень интересная функция, она позволяет, во-первых, сохранить приоритет за потоковым видео, во-вторых, за счет нулевых пакетов расширить полосу пропускания TCP трафика в среднем до 20 процентов. Встроенная функция секционного пакетирования обеспечивает максимальную упаковку IP пакетов в транспортные пакеты, благодаря чему эффективная скорость данных возрастает до 50%.

Недавно мы добавили к инкапсулятору еще один очень интересный сервис. Кратко его можно охарактеризовать формулой: потоковое вещание MPEG2/IP/DVB. Решение получилось очень простым и столь же эффективным: с ASI интерфейса инкапсулятора, параллельно с данными и внешним TS, выходит полностью синхронизированный транспортный поток переданный через IP сеть и соответственно Ethernet интерфейс инкапсулятора. Поток может принять любой спутниковый или территориальный ресивер. Управление MPEG 2 TS потоком производиться сервером вещания данных 1501 series,. Сегодня данный сервис может дать сильный толчок в развитии мультисервисных сетей. Например, региональные телекомпании передают свой TS, через VPN сеть с гарантированным качеством сервиса, на центральный спутниковый шлюз, и далее многоканальный видеопоток по спутниковой сети распределяется по регионам. Решение более чем экономичное, позволяет генерировать много производных решений, например, коммутацию (мультиплексирование) видео каналов на уровне IP.

QoS сервер в СКД неизменно входит в стандартную комплектацию, работает как аппаратный функциональный модуль, формирующий канальную емкость и другие параметры прямых виртуальных каналов на несущей в широкополосном DVB потоке. QoS сервер (рис.5) устанавливает управление и контроль за полосой, протоколами передачи данных каждого канала в соответствии с IP адресами авторизованных терминалов. Надо уточнить, что термин QoS сервер имеет очень широкое понятие, начиная от простейшей утилиты CIR и заканчивая станцией со сложнейшими алгоритмами обработки трафика. Программно-аппаратное обеспечение QoS сервера необходимо и достаточно для всех возможных сервисов мультисервисных платформ, включая интерактивные, с большим запасом по виртуальным каналам и ресурсам. Оператор, если придерживаться терминологии перераспределения частотных ресурсов, динамически и статически распределяет мультисервисный трафик в зависимости от потребностей пользователей.

Сервер обратного виртуального канала 1202 series (Рис.6) работает как аппаратный модуль СКД со встроенным программным обеспечением. Он оптимизирован с оборудованием СКД, в частности с инкапсулятором 1102 series, обеспечивает надежную и специфическую виртуальную маршрутизацию. Собственно сервер и назначает на приемниках удаленных пользователей виртуальные IP адреса. Пользователю не требуется установка специального пользовательского программного обеспечения, привязки к «железному» MAKу DVB карты и не возникнет проблем с выбором операционной системы. В стандартном пакете к серверу прилагаются утилиты Radius, Proxy, Firewall.

Самым интересным оборудованием СКД является сервер вещания данных MediaSputnik 1501 series (Рис. 7, 8, 9). Это уникальный продукт, по сути это первый сервер однонаправленного и надежного вещания данных в режимах Multicast с не лимитированным количеством лицензий подписчиков и свободным программным обеспечением для подписчиков. Другими словами лицензии пользователей на программное обеспечения являются бесплатными. Сервер вещания данных, совместно с инкапсулятором, поддерживает RFC 1112, обеспечивает управление каналами вещания данных, управление и контроль за полосой, авторизацию приемников при организации каналов вещания данных без обратных или с обратными каналами. В режиме вещания по протоколу UDP/IP сервер организует через широкополостные сети односторонний прозрачный шлюз вещания (передачи) данных по сформированным на сервере прямым виртуальным каналам вещания данных. Назначает, в полосе канала передачи данных, параметры по каждому каналу вещания, включая групповые IP адреса и порты. Канальная емкость динамически или статически перераспределяется на виртуальные каналы вещания данных, сформированные сервером вещания данных для каждой группы лицензированных подписчиков. Оператор или контент-провайдер, через Web браузер, планирует вещание данных, хранение и распределение данных по виртуальным каналам вещания. Авторизированные на сервере подписчики захватывают данные по групповым IP адресам, IP портам и лицензионным ключам в текущих заданиях. В сервер встроенна СУБД Postgre SQL или СУБД Oracle 9i.

Так как сервер передает данные через DVB сеть в одну сторону без подтверждения, то крайне важно обеспечить надежность приема данных. Потеря даже одного байта в большом файле сводит на нет затраты на его передачу. Несомненно, можно решить эту проблему многократной ретрансмиссией файлов, но кроме дополнительных затрат надежность останется относительной. Более эффективно использовать алгоритмы надежной коррекции ошибок, т.н. FEC на уровне пакетов. FEC на уровне пакетов – один из самых главных элементов «движка» сервера. По сути качество программного обеспечения подобных серверов оценивается по качеству реализации этого FEC, он является обособленным предметом патентной защиты. В самом деле, если вы тратите средства на передачу контента многотысячной аудитории, то вы вправе ожидать бескомпромиссный прием контента всеми пользователями, независимо от условий транспортной среды. В нашем сервере используется оригинальный FEC@MSp с применением надежного алгоритма кода Рида-Соломона и избыточностью от 0 до 66%.

При односторонней передача данных, возникает еще одно проблема: селективность приема данных. Для бесплатных публичных сервисов ограничение доступа к информации не актуально, подключайся и скачивай. Но для коммерческих сервисов необходима адресность. Поэтому в сервер встраиваются элементы лицензионной политики, каждый подписчик имеет уникальный лицензионный ключ, зарегистрированный на сервере провайдера. Провайдер, формируя текущее задание с контентом, прикрепляет к каждому заданию лицензионные ключи авторизованных подписчиков. При полном отсутствии шифрования, степень защиты очень высокая за счет нескольких уровней доступа к контенту. Неавторизованному пользователю практически невозможно записать или «разобрать» контент на жестком диске, особенно, если передаются группы файлов одновременно. Дешевле зарегистрироваться. Но данная тема требует отдельного обсуждения.

Для интерактивных сервисов типа DVB-RCS, поддерживающих стандарт ETSI EN 301 790 и рекомендации TR 101 790, платформа дополняется только техническими средствами обратных каналов, так как прямые интерактивные каналы формируются в общем DVB потоке. Оператор может использовать технологическую модульность для постепенного наращивания сервисов, оптимизируя инвестиции, например, на первом этапе построить шлюз с сервисами только прямого канала, на втором, сервисы интерактивного канала.

В целом программное обеспечение платформ является очень удобным инструментом управления всей операторской деятельности. Но это только один из элементов платформы. Для общей конструкции платформы оператору необходимо творчески обработать все составляющие его бизнеса и технической политики. В настоящее время, для обеспечения операторов открытой мультисервисной DVB платформой, совместно с компанией «СВИТ», известным разработчиком федеральных спутниковых сетей, планируем разработку и производство типовой DVB платформы, в которую войдут необходимые и достаточные модули с полным соответствием техническим требованиям Минсвязи и стандартам DVB. Наша кооперация снижает риски и затраты операторов, значительно сократит сроки разработки технических требований, проектирования, инсталляции, сертификации и т.д. Есть первые результаты. Компания «Востокинфокосмос» развертывает мультисервисную сеть на Дальнем Востоке.