IPTV felügyeleti és minőségbiztosítási rendszerek Magyarországon Szemethy Tivadar, Bakay Árpád
Kivonat: Az előadás az IPTV hálózatok felügyeleti és minőségbiztosítási kérdéseit tárgyalja, különös tekintettel annak hálózati (gerinc és elérési) vonatkozásaira. A szerzők részt vettek (külföldi projektek mellett) mindkét hazai IPTV szolgáltató felügyeleti rendszerének kialakításában, így első kézből számolnak be az IPTV rendszerek üzemeltetésének hazai és középeurópai tapasztalatairól. Az előadás során rövid technológiai és fogalmi bevezető után az elejétől a végéig áttekintjük az IPTV szolgáltató infrastruktúrát. Elsősorban hálózatos-távközlési szemszögből megvizsgáljuk a jó minőségű szolgáltatás nyújtásához szükséges feltételeket. Részletesen ismertetjük és elemezzük az IPTV minőség-biztosításban használt mérőszámokat, jellemző mennyiségeket, és kitérünk ezek méréstechnikájára, valamint az ehhez kapcsolódó – jelenleg is folyó – szabványosítási tevékenységre. Elemezzük a leggyakoribb hálózati és berendezés-hibák, problémák a korrelációját a mérhető minőségi paraméterekkel, valamint tárgyaljuk ezek hatását felhasználó által tapasztalt minőségre. Végezetül
összefoglaljuk
a
hazai
szolgáltatóknál
szerzett
tapasztalatainkat,
bemutatjuk
és
összehasonlítjuk a két hazai szolgáltató gyökeresen eltérő filozófiájú rendszerét (T-Home IPTV és InviTV). Ismertetjük a tapasztalataink alapján kialakított IP MultiView felügyeleti rendszert.
Bevezető Az elmúlt 3-4 évben az IPTV szolgáltatások rohamos térnyerésének lehettünk tanúi Magyarországon. Az IPTV – digitális TV szolgáltatás IP hordozó protokoll felett – segítségével a távközlési szolgáltatók új
piacra léptek be, és új felhasználási területen hasznosítják meglévő – korábban távbeszélő, majd adatátviteli, ISP szolgáltatásra kiépített – infrastruktúrájukat. Az infrastruktúra meglétének – valamint a technológia nyújtotta értéknövelt szolgáltatásoknak köszönhetően versenyképes alternatívát nyújtanak az eddig domináns kábel TV szolgáltatókkal szemben. Ez a trend természetesen nem csak Magyarországra jellemző – az iparágban TriplePlay néven ismert szolgáltatás-konszolidáció már korábban is megjelent ott, ahol a meglévő szolgáltatói infrastruktúra erre lehetőséget biztosított (jellemzően Nyugat-Európa). Az IPTV technológiából következően (legfontosabb: kétirányú adatkapcsolat, és dedikált sávszélesség az előfizetői hurkon) az alábbi értéknövelt szolgáltatások valósíthatók meg: •
Magas szintű interaktivitás (műsorújság, gyerekzár stb.)
•
„TimeShift”, adás felvétele, megállítása, visszapörgetése
•
On-line videotéka (VoD –Video on Demand)
A jelentős aggregált sávszélesség-igény miatt a „hagyományos” TV szolgáltatás (valós idejű TV adás továbbítása nagy tömegű előfizető felé) IP Multicast technológiával valósul meg, amely skálázható és erőforrás-takarékos módon lehetővé teszi, hogy egy forrás adását egyszerre több vevő (kliens) fogadja. Az alkalmazott technológia lényege, hogy egy TV csatorna egy ún. multicast csoportban kerül továbbításra, amelyet a csoport egyedi IP címe és port száma azonosít. Minden csoportnak egy forrása van (adó), és a hálózat elküld minden, a csoporthoz tartozó csomagot az adott csoportra feliratkozott hálózati eszköznek. Mivel a multicast egy csoporton belül egyirányú továbbítást tesz lehetővé (1 forrás→több vevő), ezért a jelfolyam átvitele kapcsolatmentes IP protokollon (UDP) történik. A szolgáltatói hálózatok számára az IPTV újszerű kihívásokat jelent, még akkor is, ha már üzemeltetnek IP szolgáltatásokat. Multimédia adatfolyamok továbbítására nem elegendő nagy sávszélességű, hiba-,
veszteségmentes átviteli szolgáltatást biztosítani: valósidejű multimédia továbbításához meg kell oldani a csomagkapcsolt hálózat késleltetés-ingadozásának korlátok közt tartását is, ami hagyományos IP hálózatokban
különösen
nehéz
feladat.
Tovább
emeli
a
szolgáltatói
hálózattal
szembeni
követelményeket az, hogy mindezt IP Multicast felett (is) meg kell valósítani, amit tovább nehezít a Multicast-képes eszközök viszonylagos kiforratlansága.
IPTV hálózatok felépítése Az alábbi ábra segítségével áttekintjük az IPTV hálózatok általános architektúráját:
1. ábra: IPTV hálózatok általános architektúrája Az IPTV jel az ún. fejállomásban (headend) lép be a rendszerbe. Az általában műholdról, professzionális műholdvevő (receiver) eszközök segítségével vett stúdióminőségű (nagy sávszélességű – 40Mbps) jelet transcoder-ekbe vezetik, amelyek digitálisan átkódolják és (át)tömörítik.. Erre a következő okok miatt lehet szükség: •
Egységes, a hálózat minden vevője által kezelhető sávszélesség és kódolási formátum (pl. ha az előfizetői végpontok ADSLv1 technológián vannak bekötve, egy csatorna sávszélességét általában kb.2Mpbs-re állítják be)
•
További tulajdonságok (képarány, kép-hang csatornák párosítása) beállítása
Ez után a jel belép a szűkebb értelemben vett IPTV központba, amit műsorelosztónak nevezünk. Itt általában a következő rendszerek találhatók meg: •
Middeware: feladata az előfizetők nyilvántartása, műsorújság, csatorna-csomagok kezelése, tágabb értelemben véve az IPTV szolgáltatás vezérlése
•
VoD: Video on Demand rendszer, on-line videotéka szolgáltatás szervere. Bizonyos rendszereknél (ahol a felhasználói végberendezésen nincs helyi felvételi lehetőség) a „timeshift” funkció (adás megállítása, felvétele) is itt valósul meg. Ilyenkor a felvett adás is logikailag az online videotékába kerül.
•
Conditional Access (CAS) rendszer: prémium csatornák kriptográfiai kódolása, hogy ezekhez csak az arra előfizetett és dekóderrel rendelkező felhasználók férjenek hozzá.
A Microsoft IP platformon a fenti logikai funkciók (beleértve a transzkódolást is) egy része az ún. ASzerveren (Acquisition Server) valósul meg. A műsorelosztóban áll össze az a multiplexált jel, amely azután átlép a nagy sávszélességű szolgáltatói IP Multicast gerinchálózatba. Ehhez - a tipikusan logikai gyűrű topológiájú – hálózathoz csatlakoznak az előfizetői aggregációs hálózatok (PoP – Point of Presence). A hazai gyakorlat szerint itt csatlakoznak a gerinchálózathoz az előfizetői vonalakat végződtető ADSL koncentrátorok. Microsoft IP platformon az előfizetői aggregációs pontokhoz csatlakozhatnak a D-Szerverek (Distribution Server), amelyek a rendszer skálázhatóságát hivatottak fokozni bizonyos műsorelosztó ill. gerinchálózati funkciók lokális gyorsításával (pl. csatornaváltás, VoD). Az előfizetői vonal másik végén (CP – Customer Premises) kapcsolódik a hálózathoz a megfelelő illesztőberendezés (általában ADSL modem), amit napjainkban integrálnak a Home Gateway-jel (más néven IAD – Internet Access Device). Ehhez kapcsolódik Etherneten az előfizetői Set Top Box (STB), amely az IP protokollon érkező digitális TV adást hagyományos TV készülékek számára fogadja.
IPTV hálózatokkal kapcsolatos műszaki követelmények A fenti áttekintésből levezethetően az IPTV szolgáltatás az alábbi követelményeket támasztja a szolgáltatói hálózat felé: •
Garantált, dedikált sávszélesség, mind az előfizetői hurkon, mind az elosztóhálózatban. A következő táblázat foglalja össze egy csatorna elvi sávszélesség-igényét, illetve a gyakorlatban használt értékeket Sávszélesség-igény (Mb/s)
Kódolás
MPEG-2 (ajánlott)
MPEG-4 (ajánlott)
Hazai gyakorlat
SDTV (standard definition)
3-4
1-2
2-2.5
HDTV (high definition)
20-25
10-16
8
Mindkét hazai szolgáltató MPEG-4 kódolást használ, HDTV-t jelenleg csak a T-Home szolgáltat. A szolgáltatók arra törekednek, hogy a lehető legnagyobb sávszélességen szolgáltassanak úgy,
hogy az IPTV-re minimálisan dedikálandó 4-5Mbps-on legalább 2 csatorna egyidejűleg továbbítható
legyen.
Gyakori a különbőző FEC (forward error correction) technológiák használata is, amikor bizonyos kritikus információt redundánsan kódolnak. Így kicsit nő a sávszélesség-igény, de védettebbé válik az adás a bithibák, csomagvesztések ellen. •
IP
Multicast
átvitelre
képes
szolgáltatói
hálózat,
garantált
IGMP
válaszidővel:
IPTV esetén a csatornaváltást IP Multicast IGMP JOIN művelettel valósítják meg (a vevő egy másik multicast csoporthoz csatlakozik). Ennek a műveletnek az időtartama kritikus a felhasználói élmény szempontjából. Hagyományos multicast hálózatokban ez kb. 2 másodperc, ami a TV előfizető számára nehezen tolerálható, ezért a szolgáltatók jelentős erőfeszítéseket tesznek ennek javítására. •
Alacsony késleltetés, csomagvesztés: mint a későbbiekben látni fogjuk, valósidejű multimédia folyamok (stream-ek) továbbításánál az IP csomagok ütemezése (pontosabban a csomagok közti késleltetés-ingadozás) kritikus minőségi paraméter. Ennek megfelelőem alacsonyan tartása
best-effort IP hálózatokon nehéz feladat. A jelentősen tömörített multimédia folyamok nyilvánvalóan érzékenyek az átviteli hibákra (csomagvesztés). Ennek minimalizálása szintén a szolgáltató fontos feladata.
Az IPTV minőségbiztosítás eszközei A minőségbiztosítás végső célja a „felhasználói élmény” zavartalanságának biztosítása, vagyis hogy az előfizetők jó minőségű, élvezhető TV adást nézhessenek (képminőség, hang-kép szinkron stb.). További fontos cél a kapcsolódó szolgáltatások, funkciók (pl. csatornaváltás, műsorújság rendelkezésre állása), kielégítő sebességgel és üzembiztonsággal működjenek. Az adásminőség romlása és a szolgáltatásban jelentkező zavar természetesen többféle okból jelentkezhet, ezek forrásuk szerint 3 fő csoportba oszthatók: a) Hiba a fejegységbe érkező adásban b) A műsorelosztóban lévő eszközök infrastruktúra eszközök rendellenes működése c) Hálózati hiba a gerinc, aggregációs v. előfizetői hálózatban Nem tárgyaljuk, mint nem jellemző és központilag nem kezelhető esetet a STB hibás működéséből származó hibákat.
Az a) eset (rossz minőségű beérkező adás) meglepően gyakran előforduló probléma, amelynek oka lehet a műsorszolgáltatónál jelentkező műszaki probléma, vagy akár az időjárás műholdvételre gyakorolt hatása is. Ilyen hiba ellen az IPTV szolgáltató sajnos nem sokat tehet: a gyakorlat szerint a fejegységben/műsorelosztóban humán operátorok figyelik a beérkező adást, és döntenek arról, továbbengedik-e
az
adott
csatornát
az
előfizetői
szolgáltatásba.
Kísérleti képfeldolgozó rendszerek léteznek a beérkezett adás minőségének felügyeletére, de ezek automatizáltan általában csak a triviális hibák (adáskimaradás) automatikus észlelésére képesek. A b) esetben az automatizált minőségbiztosításnak már több eszköz áll rendelkezésre: a fejegységben üzemelő szerverek „hagyományos” monitorozó rendszerrel történő felügyelete nagyon sok hibát ki tud szűrni, illetve sok problémát előre tud jelezni. A fejegység szerverek operációs rendszer paramétereinek (erőforrás terhelés, hálózati forgalom, programok naplófile-jai) monitorozása általában elegendő információt adnak az itt jelentkező hibák gyors azonosításához. A szervereken futó, adott IPTV műsorelosztó funkciót megvalósító szoftverek is általában jó minőségű diagnosztikai információt adnak működésükről. Minőségbiztosítás szempontjából szerencsés körülmény az is, hogy skálázhatósági illetve üzembiztonsági megfontolásokból a műsorelosztóban üzemelő szerverek általában cluster-ben üzemelnek. Igazán érdekes a c) eset vizsgálata: a szolgáltató saját hatáskörébe eső hálózati-adatátviteli hibák hatásának vizsgálata a felhasználónál tapasztalható adásminőségre. Itt az átviteli hálózat alábbi jellemzőit kell vizsgálni: •
Csomagvesztés, bithiba-arány: erre az IPTV kódolásban használt veszteséges tömörítő alkalmazások többé-kevésbé fel vannak készítve – nyilván egy adott küszöbig
•
IP csomagok sorrendhelyes átvitele: ezt az IP szabvány nem írja elő, ezért a hálózati berendezések nem is garantálják (bár műszaki okokból törekednek rá). A tapasztalatok szerint a felcserélt sorrendben érkező, esetleg duplikált csomagok komoly minőségromlást okoznak
•
Késleltetés-ingadozás (jitter) a csomagfolyamban: a lejátszó korlátos pufferelése miatt fontos paraméter
•
Csatornaváltási (IGMP) késleltetés: a szolgáltatás szubjektív megítélésénél nagyon fontos szempont – a meglévő IP szabványok itt sem garantálnak korlátos átkapcsolási időt.
A felsorolt paraméterek közül egyik sem mérhető hagyományos IP hálózatfelügyeleti eszközökkel. Egyes esetekben áttételesen (bithiba-arány) lehet a csomagvesztésre következtetni, ez azonban a tapasztalatok szerint kevés a felhasználónál tapasztalható minőségromlás becsléséhez. A meglehetősen bonyolult hang- és video-kódoló algoritmusok miatt pl. egy csomagvesztés felhasználónál érzékelhető hatásának megbecslése gyakorlatilag lehetetlen. SDTV és MPEG-4 esetén
egy, általában 1300 byte-os UDP csomag elvesztését az esetek nagy részében észre sem veszi a felhasználó. Ha azonban „szerencsétlenül”, képfejléchez tartozó csomag vész el, akkor kellemetlen, több tized másodperces zavar látható adásban. Tapasztalati tény az is, hogy egy ilyen karakterisztikájú adásnál 1%-os csomagvesztésnél az adás már gyakorlatilag élvezhetetlen. Hasonló a helyzet fent tárgyalt a többi hiba esetén: olyan ingadozás pl. a csomagok késleltetésében (átviteli idő), amely a hagyományos TCP/IP hálózatokon nem probléma, az kielégítő minőségű IPTV adás továbbítását lehetetlenné teszik. A következőkben röviden ismertetjük az IPTV jelfolyamok szerkezetét, és a fenti paraméterek mérésének műszaki lehetőségeit, problémáit.
Az IPTV jelfolyamok rétegrendje és az alapvető átviteli jellemzők mérése Mint már említettük, az IPTV jelfolyamok IP UDP csomagok sorozataként kerülnek átvitelre, a csomagok tartalmát (transport stream) az MPEG-2 szabvány definiálja. A csomagok rétegrendjét az alábbi ábra mutatja:
2. ábra: IPTV csomagok rétegrendje Az UDP csomag tartalma:
•
RTP fejléc: (Real Time Transport Protocol fejléc) opcionális mező, a szerepe a lejátszó feladatának megkönnyítése. A 16 bites Sequence számlálóval könnyebben észlelhető csomagvesztés ill. folytonossági probléma, illetve a Timestamp mező segít a lejátszó szinkronizálásában.
•
TS fejléc: (Transport Stream): kötelező elem, ami tartalmaz egy 13 bites Program ID-t (PID), valamint egy 4 bites(!) szekvenciaszámlálót (ún. Continuity Counter). A TS csomagban továbbá opcionálisan
elhelyezkedhet
egy
PCR
időbélyeg
(Program
Clock Reference)
mező.
A TS csomagok további tartalma a kódoló (codec) algoritmus hatáskörébe eső ún. Elementary
Stream mező, amelynek tartalmára az átviteli protokoll nem ad megkötést. A TS csomagok hossza a szabvány szerint 188 byte, így egy Ethernet csomagban általában 7 TS csomagot helyeznek el a transzkódolás során (7 * 188 = 1316). Az RTP fejléc használata opcionális, és a szolgáltató döntésétől függ, hogy bekapcsolja-e ezt vagy sem (ha igen, akkor minden UDP csomagba bekerül, ha nem akkor egyikbe sem). Mint a fentiekből látható, a fent részletezett átviteli paraméterek mérése a gyakorlatban kétféleképpen történhet: a) Ideális esetben a végponton (felhasználónál) mérhető az IPTV jelfolyam. Ez általában úgy valósul meg, hogy a STB-on vagy a HGW-n fut egy szoftver modul, amely veszi a beérkező UDP/TS csomagokat, és az RTP ill. TS fejlécek elemzésével méri az átviteli minőségi paramétereket b) Ezt kiegészítheti, illetve valamennyire helyettesítheti az, ha az átviteli hálózatba a szolgáltató ún.
probe-okat (szondákat) telepít, amelyek feliratkoznak beállított IPTV csatornákra, veszik azok csomagjait, és a hálózat adott pontján mérik az átviteli jellemzőket. A jellemzők mérése az egymás után beérkező csomagok vizsgálatával történik: •
Csomagvesztés és sorrendhelyes átvitel: az RTP Sequence számláló követésével, illetve ennek hiányában a TS fejléc CC mezőjének elemzésével. Mivel ez utóbbi csak 4 bites, a többszörös csomagvesztések (gyakori hálózati hiba) pontos detektálása nehéz. (Mivel 1 Ethernet csomagban 7 TS csomag van, 1 Ethernet csomag elvesztésekor rögtön 7-et lép a számláló).
•
Késleltetés-ingadozás: az egymást követő csomagok közt eltelt idő historikus mérésével határozható meg
•
Csatornaváltási késleltetés: értéke minimum az előző csatornához tartozó utolsó csomag és az új csatornához tartozó első csomag közt eltelt idő
Monitorozó rendszerekben használt szabványos IPTV átviteli jellemzők Az előző részben ismertetett alapvető átviteli jellemzők után áttekintjük azokat a – szabványos, vagy gyakorlatban jól bevált – metrikákat, amelyek az alapvető mérésekből számíthatók, és a legtöbb IPTV felügyeleti rendszerben megtalálhatók. Transport Stream alapú mérések: •
Csatorna sávszélesség: az adás/csatorna meglétének alapvető ellenőrzésére használják
•
CC hiba: (Continuity Counter) RTP fejéc hiányában is mérhető, csomagvesztés v. sorrendhiba
•
PCR folytonosság: a TS csomagokban lévő időbélyegek meglétének ill. késleltetésének jellemzésére használatos
RFC 3550 Media Delivery Index (MDI): két, az alapvető mérésekből számítható szabványosított mérés: a) MDI-LR (Loss Rate): csomagvesztési arány b) MDI-DF (Delay Factor), amely a késleltetés-ingadozás mérés alapján egy szabványos virtuális puffer modell alapján ad becslést arra, hogy az adott stream lejátszásához legalább mekkora pufferrel kell a lejátszónak rendelkeznie. Mint a következő ábrán látható, a korlátos pufferrel rendelkező lejátszók számára mind az (adott időszak alatt) túl gyorsan, mind túl lassan beérkező csomagok problémát jelentenek:
3. ábra: Késleltetés-ingadozási problémák és MDI-DF számítása
A MultiView/iTVSense rendszer A korábbiakban ismertetett elméleti és műszaki alapokon készítettük el a MultiView/iTVSense IPTV monitorozó rendszert, amelyet a következő ábra szemléltet:
4. ábra: A MultiView/iTVSense IPTV monitorozó rendszer Az ábrán a kerek, kitöltött pontok a mérési pontokat jelképezik. Mint látható, a megoldás az architektúra minden pontján végez méréseket, és ezeket a központi adatgyűjtő, kiértékelő és megjelenítő rendszerbe juttatja el. Az elvégzett főbb mérések jellegük szerint: •
Általános „system health”, operációs rendszer- és szerver szoftver terhelés mérések a fejegységben, műsorelosztóban és az elosztóhálózatban
•
IPTV csatorna-specifikus mérések a fejegységben és a műsorelosztóban, mint pl. vételi hibaarány, referencia értékek a sávszélesség, késleltetés-ingadozás stb. mérésekhez a jelfolyam keletkezési pontján
•
Hálózati eszköz mérések a gerinc- és aggregációs hálózat reprezentatív eszközein (pl. szumma átvitt multicast sávszélesség, multicast protokoll jellemzők)
•
A hálózat több pontján elhelyezett probe-okon az IPTV átviteli jellemzők mérése
•
Az előfizetői STB-okra kifejlesztett szoftvermodul (IPTV agent) segítségével az átviteli jellemzők mérése a végponton
A méréseket az adatgyűjtő rendszer tárolja, az operátorok számára gyorsan áttekinthető grafikus nézeteken megjeleníti (IPTV Dashboard). A mért értékeket egy több lépcsős riasztás-kiértékelési modulba is betápláljuk, amely első lépésben egyszerű küszöbérték-sértéseket ellenőriz és ezekből csatorna- eszköz v. lokalitás-riasztásokat generál (pl. „Duna TV sávszélesség alacsony a probe03-on”, vagy „Receiver22 reboot detected”, vagy „Router Szentendre01 interface down”). Ezeket a riasztásokat egy korrelációs modul tovább elemezve megpróbálja meghatározni a legmagasabb szintű hiba-okot (pl. azért jelentkezett mindenhol DunaTV riasztás, mert a DunaTV vételéért felelős műholdvevő leállt), és a riasztásokat logikailag csoportosítva jeleníti meg az operátori kezelőfelületen.
Összefoglaló Az IPTV minőségbiztosítási rendszerekkel kapcsolatos munkánk során alkalmunk nyílt mindkét hazai IPTV szolgáltató hálózatának a megismerésére, és a fent leírt MultiView/iTVSense előzményeinek tekinthető megoldások üzembe helyezésére mind az Invitelnél, mind a Magyar Telekomnál. A két szolgáltatás eltérő filozófiával és jelentősen eltérő architektúrán valósul meg: a Telekom szolgáltatás (T-Home) egy zárt, jól definiált technológia platformon építkezik (Microsoft-Cisco IPTV platform). Az Invitel rendszere (InviTV) ezzel szemben egy heterogén, több gyártótól származó, szabványos, nyílt csatolók mentén integrált rendszert épített ki. Az általunk ismertetett megközelítés legnagyobb hozzáadott értékének tekinthető, az alapvető átviteli jellemzőket IPTV Probe-okkal ill. STB szoftver agent-ekkel mérő, és a mérésadatokat megjelenítő/kiértékelő rendszer azonban mindkét hálózatban jól vizsgázott, és jelenleg is működik. Összeségében úgy látjuk, hogy az IPTV rendszerek népszerűsége Magyarországon töretlenül növekszik, az elmúlt immár 4 év alatt több mint 100 ezer üzembe helyezés történ, és a „visszalépők” aránya minimális. Reméljük, hogy a minőségbiztosítás terén végzett munkánkkal egy kicsit mi is hozzá tudtunk járulni ehhez a sikerhez. A tapasztalatok szerint a további fejlődésnek elsősorban infrastrukturális akadályai vannak: Magyarországon a potenciális további IPTV-előfizetők túlnyomó része ADSL kapcsolattal rendelkezik, amely nem képes a megfelelő sávszélességet kellően alacsony hibaaránnyal biztosítani. A napjainkban lakossági bevezetésre kerülő új elérési technológiák (GPON, VDSL) azonban már biztosítani tudják a HDTV-hez szükséges sávszélességet is, így ezek elterjedése után az IPTV előfizetők számának további jelentős növekedése várható.
