ĐỀ tài tìm HIỂU MULTICAST và ỨNG DỤNG MULTICAST TRONG IPTV

IPTV là một hệ thống dịch vụ truyền hình kỹ thuật số được phát đi nhờ vàogiao thức Internet thông qua một hạ tầng mạng, hạ tầng mạng này có thể bao gồmviệc truyền thông qua một kết nối b

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Tel (84-511) 736 949, Fax (84-511) 842 771

Website: itf.ud.edu.vn, E-mail: cntt@edu.ud.vn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÃ NGÀNH : 05115

ĐỀ TÀI : TÌM HIỂU MULTICAST VÀ ỨNG DỤNG MULTICAST TRONG IPTV

Mã số : 06T4-010 Ngày bảo vệ : 15-16/6/2011

SINH VIÊN : PHAN THANH HẢI

ĐÀ NẴNG, 6/2011

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Công Nghệ Thông Tin cũng như các thầy cô trong Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong những năm học vừa qua.

Đặc biệt em chân thành thầy Nguyễn Thế Xuân Ly đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.

Xin chân thành cám ơn các bạn trong Khoa Công Nghệ Thông Tin đã ủng hộ, giúp đỡ, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu có được cho em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Một lần nữa xin cám ơn!

Sinh viên thực hiện PHAN THANH HẢI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan :

1 Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Thế Xuân Ly.

2 Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá,

tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Sinh viên thực hiện PHAN THANH HẢI

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ IPTV 1

I Giới thiệu chung về IPTV 1

I.1 Khái niệm IPTV 1

I.2 Một số đặc tính của IPTV 2

I.3 Sự khác nhau giữa IPTV và truyền hình Internet 2

I.4 Các thành phần trong hệ thống IPTV 3

I.4.1 Mạng chuyển tải 3

I.4.2 Mạng cung cấp nội dung 4

I.4.3 Hệ thống Video Headend 4

I.4.4 Hệ thống Middleware 4

I.4.5 Hệ thống phân phối nội dung 4

I.4.6 Hệ thống quản lý bản quyền số (DRM) 4

I.4.7 Set-top Box (STB) 4

I.5 Các dịch vụ được cung cấp bởi IPTV 4

I.5.1 Dịch vụ truyền hình 4

I.5.2 Dịch vụ VoD 5

I.5.3 Dịch vụ NPVR 5

I.5.4 Dịch vụ Pay-per-View (PPV) 5

I.5.5 Trò chơi theo yêu cầu (Gamings on Demand) 5

I.5.6 Âm nhạc theo yêu cầu (Musics on Demand) 5

I.5.7 Truyền hình của hôm trước (TV of Yesterday) 6

I.5.8 Karaoke theo yêu cầu 6

II Hệ thống truyền hình IPTV mạng xDSL 6

II.1 Mô hình tổng quát 6

II.1.1 Các thành phần cung cấp dịch vụ Broadcast Video 6

II.1.2 Các thành phần cung cấp dịch vụ VoD 7

CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH TRÊN MẠNG XDSL 8

I Chuẩn nén sử dụng trong IPTV 8

I.1 Nén MPEG: 8

I.2 Chuẩn nén MPEG-2 8

I.3 Chuẩn nén MPEG-4 9

I.4 Chuẩn nén MPEG4 part 10 9

II Các giao thức mạng sử dụng trong IPTV 10

II.1 Unicast 10

II.2 Broadcast 11

II.3 Multicast 11

II.3.1 Giao thức IGMP 12

II.3.2 Giao thức PIM 13

II.3.3 Chuyển tiếp lưu lượng multicast 14

III Chất lượng dịch vụ (QoS) 17

III.1 Giới thiệu về chất lượng dịch vụ 17

III.2 Cung cấp chất lượng dịch vụ trên mạng IP 17

III.3 Các mô hình QoS 18

III.3.1 Best-effort delivery 19

i

III.3.2 Intergrated Service Model 19

III.3.3 Differentiated Service Model 20

III.4 Phân loại và đánh dấu 21

III.5 Sự phân loại – Classification 21

III.5.1 Class-Based Marking 22

III.5.2 Phân loại với NBAR (Network-Based Application Recognition) 23

III.5.3 Đánh dấu – Marking 23

III.6 IP header QoS – Precedence và DSCP 23

III.7 Chuyển tiếp đảm bảo (Assured Forwarding) 25

III.8 Các công cụ phân loại và đánh dấu 25

III.8.1 Cấu hình theo Class-Based Marking 25

III.8.2 Network-Based Application Recognition 26

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27

I Phân tích trang web mô phỏng người sử dụng dịch vụ IPTV 27

I.1 Phân tích các yêu cầu 27

I.1.1 Yêu cầu trang web 27

I.1.2 Yêu cầu người dùng 27

I.1.3 Yêu cầu quản lý 27

I.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu 27

I.2.1 Các bảng cơ sở dữ liệu 27

I.2.2 Quan hệ giữa các bảng 28

II Giới thiệu ngôn ngữ Cakephp 29

II.1 Giới thiệu 29

II.1.1 Tính năng của cakephp 29

II.1.2 Mô hình MVC trong cakephp 29

II.2 Cài đặt và cấu hình 30

II.3 Cấu trúc thư mục của cakephp 30

II.4 Các qui ước của cakephp 31

II.4.1 Các qui ước về file và tên lớp 31

II.4.2 Quy ước về tên model và tên bảng cơ sở dữ liệu 31

II.4.3 Quy ước về Controller 32

II.4.4 Quy ước về View 32

II.5 Các thành phần chính của cakephp 32

II.5.1 Model 32

II.5.2 View 34

II.5.3 Controller 35

III Phân tích truyền gói tin Multicast trong IPTV 36

III.1 Phân tích các yêu cầu 36

III.2 Thiết kế mô phỏng 36

III.3 Chức năng của các thiết bị trong bài lab 37

III.4 Quá trình truyền và nhận gói tin multicast 38

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 39

I Một số hình ảnh trang web mô phỏng giao diện IPTV 39

I.1 Trang đăng nhập 39

I.2 Trang chủ 39

I.3 Trang tìm kiếm 40

I.4 Trang admin 41

II Kết quả mô phỏng truyền gói tin multicast 41

ii

Mục lục iii

II.1 Mô hình và đặt địa chỉ IP cho từng thiết bị 41

II.2 Kết quả 42

II.2.1 Truyền và bắt gói tin multicast 42

II.2.2 Kết quả mô phỏng chất lượng dịch vụ(QoS) 47

Mục lục iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 IPTV Công nghệ tương lai 1

Hình 2 Sơ đồ mạng IPTV 3

Hình 3 Hoạt động của NPVR 5

Hình 4 Mô hình tổng quát hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV 6

Hình 5.Các kết nối nhiều unicast cho nhiều user IPTV 10

Hình 6 Truyền theo kiểu Broadcast 11

Hình 7 Các kết nối được sử dụng trong multicast 12

Hình 8 Ví dụ về cây nguồn 15

Hình 9 Ví dụ về cây chia sẻ 16

Hình 10 Sơ đồ áp dụng 3 mô hình QoS 18

Hình 11 Mô hình tổng quan Intergrated Service 19

Hình 12 Mô hình tổng quát cơ chế Diff-Serv 20

Hình 13 Mô hình MVC trong cakephp 29

Hình 14 Sơ đồ IPTV thực tế 36

Hình 15 Phân phát Multicast trong IPTV 37

Hình 16 Sơ đồ lab 37

Hình 17 Trang login 39

Hình 18 Trang chủ 40

Hình 19 Trang tìm kiếm 40

Hình 20 Trang admin 41

Hình 21 Sơ đồ triển khai 41

Hình 22 Tạo luồng Multicast 43

Hình 23 Chọn luồng 43

Hình 24 Chọn File 44

Hình 25 Chọn địa chỉ Multicast 44

Hình 26 Bắt luồng phát 45

Hình 27 Gõ địa chỉ Multicast 45

Hình 28 Kết quả bắt luồng Multicast 46

Hình 29 Bắt 2 luồng Multicast cùng lúc 46

Hình 30 Tốc độ video 47

Hình 31 Tốc độ tải File 48

Hình 32 Play video sau khi dùng QoS 48

Hình 33 Tốc độ tải File sau khi dùng QoS 49

Mục lục v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Các trường có thể so trùng trong ACL mở rộng 22

Bảng 2 Thể loại dịch vụ (ToS) 23

Bảng 3 Trường DiffServ 24

Bảng 4 Xác định các mức thứ tự trong DiffServ 24

Bảng 5 Xác định cấp DSCP để chỉ định class AF 25

Bảng 6 Một vài lệnh match trong CB-marking 26

Bảng 7 Bảng khách hàng 27

Bảng 8 Bảng thể loại 28

Bảng 9 Bảng phim 28

Bảng 10 Bảng tính tiền 28

Bảng 11 Quan hệ giữa các bảng 28

Bảng 12 Kiểu dữ liệu MySQL tương ứng với Cakephp 34

Bảng 13 Kiểu dữ liệu Oracle tương ứng với cakephp 34

Mục lục vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TV : Television

IGMP : Internet Group Management Protocol

IPTV : Internet Protocol Television

PIM : Protocol Independent Multicast

DM : Dense Mode

SM : Sparse Mode

Int-Ser : Intergrated Services

Diff-Ser : Differentiated Services

PC : Personal Computer

VoD : Video on Demand

QoS : Quality of Service

DRM : Digital Right Management

NPVR : Network Personal Video Recorder

MPEG : Moving Pictures Exert Group

SPT : Shortest-Path Tree

DSCP : Differentiated Service Code Point

ToS : Type of Service

UDP : User Datagram Protocol

TCP : Transmission Control Protocol

Mục lục vii

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển của mạng Internet toàn cầu nói riêng và công nghệ thông tin nóichung đã đem lại tiến bộ và phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật Với sự pháttriển vượt bậc đó nó đã làm thay đổi cả về nội dung và kỹ thuật truyền hình Hiện nay

có nhiều dạng khác nhau: truyền hình số, truyền hình vệ tinh, truyền hình Internet vàIPTV IPTV đang là cấp độ cao nhất và là công nghệ truyền hình của tương lai Sựvượt trội của IPTV là tính năng tương tác giữa hệ thống với người xem, cho phépngười xem chủ động về thời gian và khả năng triển khai nhiều dịch vụ giá trị gia tăngtiện ích khác nhằm đáp ứng nhu cầu của người dùng

Với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Thế Xuân Ly và mong muốn tìm hiểu côngnghệ mới, sau một thời gian tìm hiểu em đã hoàn thành cuốn báo cáo luận văn tốtnghiệp với đề tài “Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV” Nội dungbáo cáo gồm có lý thuyết và thực hành được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương I: Tổng quan về IPTV Chương này trình bày khái niệm IPTV, cấu trúcIPTV, các công nghệ IPTV

Chương II: Các giải pháp công nghệ và truyền hình cho IPTV Chương này trìnhbày các chuẩn nén sử dụng trong IPTV, giao thức sử dụng và chất lượng dịch vụ.Chương III: Phân tích thiết kế hệ thống Chương này phân tích các yêu cầu và giớithiệu ngôn ngữ cakephp

Chương IV: Kết quả mô phỏng Trình bày các kết quả đạt được trong quá trìnhtriển khai

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ IPTV

.I Giới thiệu chung về IPTV

.I.1 Khái niệm IPTV

IPTV viết tắt của Internet Protocol Television, có nghĩa là truyền hình giao thứcInternet IPTV là một hệ thống dịch vụ truyền hình kỹ thuật số được phát đi nhờ vàogiao thức Internet thông qua một hạ tầng mạng, hạ tầng mạng này có thể bao gồmviệc truyền thông qua một kết nối băng thông rộng

IPTV được cung cấp trên Internet nên đôi khi dịch vụ này còn gọi là Internet TVhay Web TV Nó thường được cung cấp cùng với dịch vụ Video-on-Demand (VoD:video theo yêu cầu) cùng với các dịch vụ Internet khác như Web và Voip nên cònđược gọi là công nghệ TriplePlay và được cung cấp bởi nhà khai thác dịch vụ băngthông rộng sử dụng chung một hạ tầng mạng

Hình 1 IPTV Công nghệ tương lai.

IPTV sẽ mang đến cho người dùng những nội dung kỹ thuật số chất lượng cao như video theo yêu cầu(VoD), hội nghị truyền hình( Video Conference), tin nhắn nhanh qua TV…

Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năng vượt trội hơn khả năng của bất kỳ cơ chế phân phối truyền hình nào khác Ví dụ, set-top box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời nhiều chương trình truyền hình trên màn hình hiển thị, email…

.I.2 Một số đặc tính của IPTV

- Hỗ trợ truyền hình tương tác: Khả năng hai chiều của hệ thống IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ phân phối toàn bộ các ứng dụng truyền hình tương tác Các loại dịch vụ được truyền tải thông qua một dịch vụ IPTV có thể bao gồm truyền hình trực tiếp chuẩn, truyền hình chất lượng cao, trò chơi tương tác và khả năng truy cập Internet tốc độ cao

- Sự dịch thời gian: IPTV kết hợp với một máy ghi video kỹ thuật số cho phép dịch thời gian nội dung chương trình – một cơ chế cho việc ghi và lưu trữ nội dung các chương trình truyền hình yêu thích để xem sau

- Cá nhân hóa: Một hệ thống IPTV từ đầu cuối đến đầu cuối hỗ trợ truyền thông tin hai chiều và cho phép người dùng cá nhân hóa những thói quen xem TV của

họ bằng cách cho phép họ quyết định nội dung và thời gian họ muốn xem

- Yêu cầu băng thông thấp: Thay vì phân phối trên mọi kênh để tới mọingười dùng như trong truyền hình quảng bá thông thường, công nghệ IPTV cho phépnhà cung cấp dịch vụ chỉ truyền trên một kênh mà người dùng yêu cầu Đặc điểm hấpdẫn này cho phép nhà cung cấp dịch vụ có thể tiết kiệm băng thông của mạng

- Hỗ trợ nhiều loại thiết bị đầu cuối: Việc xem nội dung IPTV bây giờ không chỉ giới hạn thiết bị đầu cuối là TV Người dùng có thể sử dụng máy tính cá nhân hay thiết bị di động để truy xuất vào các dịch vụ IPTV

.I.3 Sự khác nhau giữa IPTV và truyền hình Internet

Cả hai dịch vụ IPTV và Internet đều dựa trên giao thức IP, nên người ta hay nhầmlẫn IPTV là truyền hình Internet Tuy nhiên, hai dịch vụ này có nhiều điểm khác nhau

- Được truyền tải trên nền mạng khác nhau

Truyền hình Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phát tán các nội dungvideo tới người sử dụng cuối

IPTV sử dụng mạng trên nền IP tương tự như mạng Internet, song đó là các mạngriêng được bảo mật để truyền các nội dung video đến khác hàng Các mạng riêng nàythường được tổ chức và vận hành bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV

- Về mặt địa lý

Các mạng do nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sở hữu và điều khiển không chophép người sử dụng Internet nói riêng và những người không sử dụng dịch vụ IPTVnói chung truy cập Các mạng này chỉ giới hạn trong khu vực địa lý cố định

Trong khi đó, mạng Internet không giới hạn về mặt địa lý, người dùng Internet nàocũng có thể xem truyền hình Internet ở bất kỳ đâu trên thế giới

Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV

Trong khi đó, IPTV chỉ được phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấpdịch vụ Do đó người vận hành mạng có thể điều chỉnh để có thể cung cấp hình ảnhvới chất lượng cao hơn

- Cơ chế truy cập

Một set-top box số thường được sử dụng để truy cập và giải mã nội dung videođược phân phát qua hệ thống IPTV, trong khi PC ( máy tính cá nhân) thường được sửdụng để truy cập các dịch vụ Internet Các loại phần mềm được sử dụng trong PCthường phụ thuộc vào loại nội dung truyền hình Internet Ví dụ, để có thể tải cácchương trình TV từ trên mạng Internet đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm cầnthiết để xem được nội dung đó, hay hệ thống quản lý bản quyền cũng cần để hỗ trợ cơchế truy cập

và DSLAM) cần phải được hỗ trợ Multicast Mạng cũng phải có khả năng hỗ trợ chấtlượng dịch vụ (QoS) từ đầu cuối đến đầu cuối, đảm bảo băng thông cần thiết và độ ưutiền cho các kênh truyền hình quảng bá cũng như các phiên video theo yêu cầu đang

sử dụng

Hình 2 Sơ đồ mạng IPTV.

PHAN THANH HẢI, LỚP 06T4 3

Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV

Mạng cung cấp nội dung

Thu, nhận và xử lý các dữ liệu chương trình từ các nguồn khác nhau như vệ tinh,truyền hình mặt đất và các nguồn khác để chuyển sang hệ thống Video Headend

.I.4.1. Hệ thống Video Headend

Thu và giải mã nội dung hình ảnh và âm thanh từ các nguồn khác nhau và sử dụngcác thiết bị mã hóa (encoder) để chuyển đổi nội dung này thành các luồng IPmulticast ở khuôn dạng mã hóa mong muốn

Hệ thống Middleware

Middleware là bộ phận rất quan trọng trong hệ thống IPTV Middleware đảm nhiệm rất nhiều các nhiệm vụ trong hệ thống Nó cung cấp và quản lý thuê bao ( giámsát các thuê bao và STB, giám sát các dịch vụ cung cấp cho thuê bao, cài đặt mới hoặc gỡ bỏ các dịch vụ ), quản lý các gói cước và giá cả

Hệ thống phân phối nội dung

Bao gồm các cụm máy chủ Video theo yêu cầu (VoD) và hệ thống quản lý VoD tương ứng, cho phép lưu trữ các nội dung đã được mã hóa và thiết lập các chính sách phân phối nội dung một cách mềm dẻo Hệ thống này cho phép nhà khai thác mở rộngmột cách kinh tế phù hợp với yêu cầu dịch vụ của các thuê bao

Hệ thống quản lý bản quyền số (DRM)

DRM giúp nhà khai thác bảo vệ nội dung của mình bằng cách trộn các tín hiệu truyền hình hay mã hóa nội dung VoD, khi truyền đi trên mạng Internet và tích hợp các tính năng an ninh tại STB ở phía thuê bao

.I.5 Các dịch vụ được cung cấp bởi IPTV

Dịch vụ truyền hình

Các nội dung truyền hình được quảng bá theo lịch trình thời gian cố định như truyền hình truyền thống Sự lựa chọn các gói kênh theo yêu cầu của khách hàng có thể bao gồm các kênh truyền hình công cộng, các kênh truyền hình trả tiền, các kênh truyền hình được ưa thích, các kênh về mua sắm, thời trang…

Dịch vụ VoD

Việc phát các nội dung truyền hình được lựa chọn bắt đầu khi người sử dụng lựa chọn nội dung đó Thông thường, nội dung là các bộ phim hay các phim đã được ghi PHAN THANH HẢI, LỚP 06T4 4

Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV

lại từ một thư viện Dịch vụ này có thể được sử dụng trong một thời gian giới hạn Các chức năng thường giống như chức năng của máy ghi hình (VCR) hay đầu

Trò chơi theo yêu cầu (Gamings on Demand)

Dịch vụ này sẽ cung cấp nhiều loại game tùy chọn đến thuê bao từ một danh sách

có sẵn IPTV yêu cầu game đơn giản dựa trên HTML

Âm nhạc theo yêu cầu (Musics on Demand)

Các thuê bao có thể xem những clip ca nhạc theo yêu cầu giống như dịch vụ VoD

Truyền hình của hôm trước (TV of Yesterday)

Dịch vụ này cho phép các thuê bao xem phim truyền hình đã được phát những ngày trước đó

PHAN THANH HẢI, LỚP 06T4 5

Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV

Karaoke theo yêu cầu

Các thuê bao có thể chọn và xem các bài Karaoke qua Set-top Box trên TV Từ danh sách các bài Karaoke đã được giới thiệu, thuê bao có thể mua một hoặc nhiều bài hát cùng lúc Dịch vụ này đang được triển khai

.II Hệ thống truyền hình IPTV mạng xDSL

.II.1 Mô hình tổng quát

Hình 4 Mô hình tổng quát hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV

Dịch vụ IPTV được chia làm hai loại chính: Dịch vụ video quảng bá (Broadcast Video) và dịch vụ video theo yêu cầu (VoD)

Các thành phần cung cấp dịch vụ Broadcast Video

- Bộ nén video thời gian thực

Bộ nén video thời gian thực tiếp nhận tín hiệu audio, video từ các nguồn phát broadcast video (tín hiệu có thể ở dạng tương tự hoặc số), sau đó chuyển đổi tín hiệu này thành luồng các gói IP mang dữ liệu audio/video ở dạng đã được nén sô

- Hướng dẫn chương trình điện tử EPG (Electronic Program Guide)

Cung cấp các thông tin về các kênh truyền hình đến broadcast client chạy trên các STB EPG thường được xây dựng dưới dạng một http server và các kênh được hiển thị dưới dạng các trang web

- Broadcast Client

Broadcast Client là một tiến trình ứng dụng chạy trên STB đảm nhiệm việc cung cấp giao diện người dùng và điều khiển cho các dịch vụ Broadcast video

Các thành phần cung cấp dịch vụ VoD

- Hệ thống phân phối nội dung (Asset Distribution System – ADS)

PHAN THANH HẢI, LỚP 06T4 6

Tìm hiểu Multicast và ứng dụng Multicast trong IPTV

ADS lấy nội dung từ các nhà cung cấp và sử dụng qui tắc kinh doanh để phân phốinội dung này đến những khu vực khác nhau trong hệ thống mạng của nhà cung cấp dịch vụ

- Navigation server

Navigation Server cung cấp các thông tin về nội dung VoD cho client chạy trên STB Thông tin về nội dung video được hiển thị dưới dạng các trang web

- Phân hệ quản lý phiên

Phân hệ quản lý phiên là điểm liên lạc trung tâm cho các yêu cầu phiên VoD từ client chạy trên STB

PHAN THANH HẢI, LỚP 06T4 7