Сети IP становятся универсальным транспортом для трафика все большего числа приложений. Они характеризуются высокой степенью гибкости и доступности и функционируют на основе практически любых физических сред передачи. Но пакетная природа этих сетей накладывает свои ограничения, которые особенно остро проявляются при передаче мультимедийного трафика реального времени. В таких сетях возможны потери и дублирование пакетов, нарушения порядка их следования, а также вариация задержки (jitter), что негативно влияет на качество работы аудио- и видеоприложений.

Между тем видеосистемы предъявляют очень жесткие требования к характеристикам передачи. Так, в соответствии с документом TS 102 034 при распространении цифрового телевизионного сигнала Digital Video Broadcasting (DVB) по сетям IP вариация задержки пакетов не должна превышать 40 мс, а порядок следования пакетов должен сохраняться. В этом же документе сказано, что в течение часа допускается не более одного артефакта: число ошибочных пакетов для выполнения этого требования зависит от скорости потока, но желательно, чтобы пакеты вообще не терялись. Послабления возможны, например, в случае применения помехоустойчивого кодирования (FEC). Но прежде чем говорить о FEC, попробуем разобраться, как вообще оценивать качество передачи видео.

КАК ИЗМЕРИТЬ КАЧЕСТВО

Александр Земсков, заместитель директора департамента ИС компании Syrus Systems, представил классификацию измерений в системе IPTV, описанную в стандарте ATIS-0800004 (Alliance for Telecommunication Industry Solutions). Согласно этой классификации измерения осуществляются на четырех уровнях:

  • сети,
  • медиапотоков,
  • контента,
  • управления.

Эти уровни могут охватывать несколько уровней классической модели OSI, а могут «помещаться» на одном (см. Рисунок 1). Седьмой (прикладной) уровень OSI занимают средства отображения контента и управления. К характеристикам управления обычно относят скорость переключения каналов IPTV, время инициализации ТВ-приставки и доступа к сервису.

 

Рисунок 1. Соответствие уровней измерения в системах IPTV уровням модели OSI.

 

Упомянутая выше негативная специфика IP проявляется на уровне сети. По словам Александра Земскова, причинами потерь пакетов обычно служат неверная настройка механизмов очередей и правил QoS, перегрузка интерфейсов, изменение маршрутов в сети и скачки задержки, причем качество видео существенно снижается даже при потере 0,5% пакетов. Статическая задержка не является для видеосистем столь критичной, как ее вариация. Причины возникновения последней — очереди на сетевом оборудовании, а также уже упомянутые перегрузка интерфейсов и смена маршрутов в сети.

Системы доставки видеоконтента используют протокол UDP, который не предусматривает повторной передачи потерянных пакетов (отрасль мультимедиа отказалась от TCP, поскольку его механизмы повторной передачи приводят к слишком большим задержкам). Поскольку кадр MPEG передается не одним IP-пакетом, а множеством таких пакетов (например, для доставки одного I-кадра могут потребоваться сотни IP-пакетов), то даже небольшой процент потерь последних приводит к высокому уровню потерь кадров (см. Рисунок 2).

 

Рисунок 2. Влияние потерь пакетов IP на потери кадров MPEG.

 

Потери кадров MPEG — это уже событие на уровне медиапотоков. Здесь также могут возникать проблемы, связанные с перестановкой кадров, их дублированием, ошибками PSI (Program Specific Information), CRC, PCR (Program Clock Rate). На этом уровне измерения осуществляются в соответствии с документами TR 101 290 и ATIS-0800008; также используются средства определения индекса MDI (Media Delivery Index) и выдачи статистики по типам кадров MPEG-TS.

Определенный в документе RFC 4445 расчет индекса MDI — один из наиболее популярных методов оценки качества на уровне медиапотоков. Этот индекс состоит из двух коэффициентов: коэффициент задержки MDI?:?DF (Delay Factor) показывает наибольшее значение параметра вариации задержки за период измерения, а коэффициент потерь MDI?:?MLR (Media Loss Rate) — число мультимедийных (MPEG) пакетов, потерянных за этот период. Коэффициенты вычисляются за произвольный промежуток времени, за который обычно берется одна секунда. Индекс MDI свидетельствует о «состоянии здоровья» транспортной сети и качестве доставки мультимедийных пакетов, но не позволяет судить о качестве видеокартинки.

Качество восприятия видео (QoE) определяется уже на уровне контента. Самый известный показатель — оценка Mean Opinion Score Video (MOS_V), которая, как и в случае обычного («телефонного») MOS, имеет субъективный характер. Комиссия экспертов оценивает качество видеокартинки по 5-балльной шкале: от 0 (неприемлемо) до 5 (отлично). Применяется и комбинированная оценка MOS-AV, характеризующая качество QoE с учетом синхронизации аудио- и видеопотоков.

Очевидно, что субъективный метод определения MOS_V имеет серьезные ограничения в применении на практике: это дорого, долго и сложно. Для автоматизации процесса разработано множество объективных методов оценки, которые позволяют анализировать сразу несколько потоков в режиме 24/7. Эти методы делятся на те, что требуют наличия оригинала изображения (full reference), и те, которым оригинал не нужен (zero reference). К первой группе относятся алгоритмы PSNR, VQM и PEVQ. По словам Александра Земскова, для реализации этих алгоритмов необходимы большие вычислительные ресурсы, к тому же при их применении труднее обеспечить анализ сразу множества потоков. Алгоритмы, относящиеся ко второй группе (EPSNR, MPQM (V-factor), TVQM) позволяют в реальном времени анализировать до 1000 потоков. В основе их работы лежит использование откалиброванной модели восприятия, через которую «пропускают» измеренные характеристики сети и видеопотока.

Указанные выше технологии реализованы в специальном контрольно-измерительном оборудовании. Например, представленные на семинаре продукты компании Ixia «умеют» измерять метрики транспортной сети, проводить расчет индекса MDI, а также оценивать качество видео, используя алгоритмы PEVQ и TVQM. При этом нагрузочные модули Ixia способны обеспечить эмуляцию трафика абонентов IPTV и VoD (видео по требованию) в режиме одноадресной и групповой доставки. Оборудование Ixia предназначено в первую очередь для тестирования на этапах планирования сервисов, выбора поставщика оборудования, проверок на совместимость, оптимизации настройки и приемо-сдаточных испытаний.

Не менее важной является задача мониторинга функционирования сети. Она решается с помощью специальных анализаторов и/или зондов, устанавливаемых в сети (возможно интегрированных с другим оборудованием, в том числе абонентским) для просмотра «живого» пользовательского трафика (см. Рисунок 3). В качестве примера таких продуктов на семинаре были представлены изделия компании Sencore, запатентовавшей несколько эффективных технологий оценки качества контента. Компания выпускает, в частности, те самые зонды и анализаторы, расставив которые по сети, можно через централизованную систему управления получать информацию о деградации качества видео при его передаче. Это позволяет контролировать выполнение договоров об уровне сервиса (SLA), оперативно локализовать возникающие проблемы (они могут быть связаны с перегрузкой сети, перегревом оборудования и пр.), своевременно устранять их, а также планировать меры по модернизации сети.

 

Рисунок 3. Пример расстановки анализаторов/зондов для мониторинга качества видеосигнала.

 

И КАК ЕГО ПОВЫСИТЬ

Мониторинг и тестирование чрезвычайно важны и полезны, но сами по себе они не позволяют повысить качество. Существует ряд способов борьбы с потерями и вариацией задержки. Наиболее очевидный — это повышение пропускной способности каналов. Это эффективный, но очень дорогостоящий метод, который к тому же применим только в собственной сети. Если сеть внешняя, то можно лишь добиваться от ее владельца более жестких условий SLA. Безусловно, полезно также использовать механизмы инжиниринга и приоритизации трафика, а также другие алгоритмы QoS. Однако, как полагает Эди Розенберг, технический директор компании VideoFlow, «реализуемые в настоящее время меры не могут гарантировать 100-процентной защиты от потерь пакетов».

Если потери в IP-сетях неизбежны, повысить качество можно путем добавления избыточности в передаваемую информацию. Это достигается с помощью алгоритмов помехоустойчивого кодирования (FEC). Примером такого алгоритма является описанный в стандарте SMPTE 2022 механизм ProMPEG FEC, который поддерживается современным оборудованием DVB. Он предусматривает обеспечение избыточности путем формирования специальных пакетов FEC. Эти пакеты и медийные пакеты с основной информацией передаются на разные порты UDP, что гарантирует работу не только с приемниками, поддерживающими алгоритм FEC, но и с устройствами, в которых он не реализован. Приемники с поддержкой FEC могут использовать дополнительную информацию для восстановления любых потерянных или испорченных пакетов. Другие приемники будут просто игнорировать пакеты FEC.

Это относительно эффективный метод передачи видео по «плохим» каналам, но в определенных ситуациях и он не гарантирует полного восстановления пакетов. Кроме того, по словам Эди Розенберга, он значительно увеличивает накладные расходы (загруженность полосы пропускания возрастает на 30–40%) и может потребовать полной замены имеющегося видеооборудования. Компания VideoFlow разработала инновационный метод VFEC (FEC по запросу), при использовании которого, по утверждению представителей компании, достигается 100-процентное восстановление потерянных пакетов при незначительных накладных расходах.

Основная идея заключается в том, что дополнительная информация (пакеты FEC) передается не все время, а только в случае ухудшения качества передаваемого потока. Решение построено по схеме клиент-сервер и состоит из двух типов устройств: DVP100 Protector (защитник) и DVP100 Sentinel (контролер). Контролеры устанавливаются на принимающей стороне (см. Рисунок 4) и постоянно отслеживают состояние видеопотоков. При возникновении проблем они информируют устройство DVP100 Protector, которое размещается на передающей стороне. Только получив соответствующий запрос, это устройство начинает пересылать пакеты FEC. По данным VideoFlow, решение VFEC полностью совместимо с технологией ProMPEG.

 

Рисунок 4. Пример установки оборудования VideoFlow в сети.

 

Участники семинара могли лично убедиться в эффективности работы решения VideoFlow. Специалистами компании Syrus Systems была собрана демонстрационная сеть, в которой видеотрафик с сервера (его функции выполнял нагрузочный модуль Ixia) через эмулятор территориально распределенной сети транслировался на мониторы. На одном мониторе демонстрировалось видеоизображение, передаваемое с использованием устройств VideoFlow, а на другом?— аналогичное по содержанию видеоизображение, передаваемое без участия этих устройств. При постепенном увеличении уровня потерь пакетов качество первого видеоизображения долгое время оставалось достаточно высоким и начало снижаться лишь после того, как кооэффициент потерь превысил 10%. Качество же второго видеоизображения быстро ухудшалось по мере роста потерь пакетов и при достижении значения 10% стало совершенно неприемлемым.

Представленные на семинаре компании Syrus Systems подходы и решения ориентированы в первую очередь на вещательные системы (односторонняя передача видео). Вопросы контроля качества в таких системах проработаны более тщательно, чем в системах интерактивной связи (с двусторонней передачей видео). Одна из причин этого заключается в том, что абонент редко доносит информацию о плохом качестве ТВ-сигнала до контент-провайдера — просто уходит к другому поставщику. При интерактивном же взаимодействии, например в процессе видео-конференц-связи (ВКС), собеседники сразу сообщат друг другу об ухудшении качества. Кроме того, системы ВКС долгое время развертывались «вне поля зрения» операторов связи. В последнее время все больше операторов начинают предоставлять сервисы видеосвязи, а потому вопросы контроля качества становятся актуальными и для интерактивного видеовзаимодействия.

Какую услугу ни возьми, на одной чаше весов — повышение ее качества, на другой — более эффективное использование сетевых ресурсов, например путем увеличения числа транслируемых каналов. Грамотное развертывание систем тестирования и мониторинга позволит оптимально загрузить сеть, не допуская при этом ухудшения качества услуг.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.