Видео по заказу

Шаблоны сайтов для самостоятельной разработки.

Видео по заказу иногда сравнивают с электронным видеопрокатом. Пользователь (клиент) выбирает из большого списка доступных видеофильмов один и берет его, чтобы просмотреть дома. В случае видео по заказу выбор производится не выходя из дома, с помощью пульта дистанционного управления телевизора, а за­казанный фильм начинается немедленно. В пункт проката идти не нужно. Надо ли говорить, что реализация видео по заказу несколько сложнее его описания. В данном разделе мы познакомимся с основными идеями и их реализацией.

Действительно ли видео по заказу подобно видеопрокату или оно больше на­поминает выбор фильма в системе кабельного телевидения, состоящей из 500 или 5000 каналов? От ответа на этот вопрос зависят важные технические реше­ния. В частности, пользователи видеопроката привыкли к тому, что можно оста­новить просмотр, совершить прогулку на кухню или в ванную комнату, а затем возобновить просмотр с того места, на котором они остановили фильм. У теле­зрителей же кнопки ПАУЗА нет.

Если видео по заказу собирается успешно конкурировать с пунктами проката видеокассет, возможно, нужно позволить пользователям останавливать, запус­кать и перематывать видеофильмы. Чтобы обеспечить пользователю такую воз­можность, каждому зрителю нужно передавать отдельную копию фильма.

С другой стороны, если рассматривать видео по заказу скорее как обычное те­левидение с заранее составленным расписанием, тогда возможен другой подход, при котором популярный фильм передается сразу по нескольким каналам с ин­тервалом в 10 минут. Пользователь, желающий посмотреть этот фильм, должен подождать начала фильма несколько минут. Хотя при такой реализации приос­тановка и возобновление просмотра невозможны, пользователь, вернувшийся к телевизору после короткого перерыва, может переключиться на один из сосед­них каналов и найти тот же фильм, но идущий с отставанием на 10 или 20 ми­нут. Такую схему называют «почти видео по заказу». Ее реализация обходится значительно дешевле, так как хотя для передачи одного фильма и используется полтора десятка параллельных каналов, но предполагается, что этот фильм од­новременно смотрят тысячи зрителей. Различие между видео по заказу и этой схемой примерно такое же, как между личным и общественным транспортом.

Просмотр видео по заказу представляет собой всего лишь одну из большого набора новых услуг, которые станут возможными, как только сети с большой пропускной способностью получат широкое распространение. Общая модель по­казана на рис. 7.44. В центре системы мы видим глобальную сетевую магистраль (национальную или интернациональную) с высокой пропускной способностью. С ней соединены тысячи локальных распределительных сетей, таких как сети кабельного телевидения или телефонные сети. Локальные распределительные сети доходят до домов пользователей, в которых они заканчиваются телевизион­ными приставками (английское название: set-top box — коробочка, которую кла­дут на телевизор), являющимися, по сути, мощными специализированными пер­сональными компьютерами.

С магистралью с помощью высокоскоростных оптоволоконных кабелей со­единены тысячи поставщиков информации. Некоторые из них будут предостав­лять видеофильмы и аудиокомпакт-диски за плату, другие будут специализиро­ваться на таких услугах, как интернет-магазины (с возможностью прокрутить тарелку с супом и изменить масштаб списка ингредиентов или с демонстрацией видеоролика, объясняющего, как пользоваться газонокосилкой с бензиновым мо­тором). Без сомнения, быстро станут доступными бесчисленные возможности, такие как спорт, новости, сериалы, доступ к Всемирной паутине и т. д.

В систему также входят локальные серверы подкачки, позволяющие снижать нагрузку на главные магистрали в часы пик. Вопросы стыковки отдельных узлов этой системы и вопросы собственности на них в настоящее время являются пред­метами жарких споров. Далее мы рассмотрим устройство основных частей сис­темы: видеосерверов и распределительных сетей.

Видеосерверы

Для предоставления видео по заказу необходимы специализированные видеосер­веры, способные хранить и передавать одновременно большое количество филь­мов. Общее число когда-либо снятых фильмов было оценено в 65 ООО (Minoli, 1995). В сжатом с помощью алгоритма MPEG-2 виде обычный фильм занимает около 4 Гбайт, таким образом, для хранения 65 ООО фильмов потребуется около 260 Тбайт. Добавьте к этому все когда-либо сделанные старые телевизионные программы, спортивные передачи, новости, рекламу и т. д., и станет ясно, что мы имеем дело с проблемой хранения данных в промышленных масштабах.

Дешевле всего хранить большие объемы информации на магнитной ленте. Так было раньше, возможно, так будет и в дальнейшем. На кассету типа Ultrium мож­но записать 200 Гбайт (50 фильмов) по цене около $1-2 за фильм. Уже сейчас можно приобрести большие механические кассетные серверы, хранящие тысячи кассет, снабженные автоматическими манипуляторами, способными менять кас­сеты в магнитофоне. Основными проблемами таких систем остаются время доступа (особенно к 50-му фильму на кассете), скорость передачи и ограничен­ное количество магнитофонов (для одновременного показа п фильмов нужно п магнитофонов).

К счастью, опыт работы с пунктами видеопроката, библиотеками и другими подобными организациями показывает, что не все фильмы (книги) одинаково популярны. Экспериментально доказано, что если в пункте проката есть N филь­мов, то доля заявок на конкретный фильм, стоящий на k-м месте в списке попу­лярности, примерно равна C/k. Здесь С — это число, дополняющее сумму долей до 1, а именно:

С = 1/(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + 1/5 + ... + 1/N).

Таким образом, например, самый популярный фильм берут примерно в семь раз чаще, чем седьмой в списке популярности. Такая зависимость называется за­коном Ципфа (Zipf, 1949).

Тот факт, что одни фильмы значительно популярнее других, наводит на идею иерархической организации хранилища фильмов, показанной на рис. 7.45. В изоб­раженной пирамиде производительность возрастает при движении вверх.

Фильмы можно хранить и на компакт-дисках. Современные диски DVD по­зволяют хранить 4,7 Гбайт данных, чего вполне достаточно для записи одного филь­ма, однако следующее поколение дисков будет иметь примерно удвоенную ем­кость. Хотя по сравнению с жесткими магнитными дисками время поиска на оп­тическом диске на порядок выше (50 мс вместо 5 мс), их низкая цена и высокая надежность делает автомат с тысячами сменных DVD хорошей альтернативой магнитной ленте для более часто используемых фильмов.

На следующем уровне в этой иерархии находятся жесткие магнитные диски. Они обладают малым временем доступа (5 мс), высокой скоростью передачи (320 Мбайт/с для SCSI 320) и значительной емкостью (свыше 100 Гбайт), что делает их вполне подходящими для хранения фильмов, которые действительно смотрят зрители (в отличие от тех, что хранятся на тот случай, если кто-либо за­хочет их посмотреть). Основной недостаток накопителей на жестких дисках за­ключается в их слишком высокой цене, чтобы хранить на них редко просматри­ваемые фильмы.

На вершине пирамиды, показанной на рис. 7.45, находится ОЗУ. Оператив­ная память является самым быстрым запоминающим устройством, но в то же время и самым дорогим. Оперативная память лучше всего подходит для хранения фильмов, посылаемых в данный момент различным получателям одновременно (например, настоящее видео по заказу 100 пользователям, начавшим просмотр в различное время). Когда цены на микросхемы памяти упадут до 50 долларов за гигабайт, 4 Гбайт ОЗУ, необходимые для хранения одного фильма, будут стоить 200 долларов, а 100 фильмов, находящихся в памяти, потребуют ОЗУ на 20 000 долларов (400 Гбайт). То есть видеосервер, имеющий в наличии 100 фильмов, скоро сможет позволить себе хранить их все в ОЗУ. А если у видеосервера всего 100 клиентов, которые день за днем смотрят одни и те же 20 фильмов, это уже не только реальное, но и выгодное решение.

Поскольку видеосервер представляет собой в действительности просто ог­ромное устройство ввода-вывода, работающее в режиме реального времени, его аппаратная и программная архитектура должна отличаться от используемой в PC или рабочей станции UNIX. Аппаратная архитектура типичного видеосерве­ра показана на рис. 7.46. Сервер состоит из одного или нескольких высокопроиз­водительных процессоров, у каждого из которых есть своя локальная память, па­мять общего доступа, большой кэш ОЗУ для хранения популярных фильмов, множества различных накопителей для хранения фильмов, а также сетевое обо­рудование, например, оптического интерфейса с магистралью SONET или ATM с каналом ОС-12 или выше. Все эти подсистемы соединены сверхскоростной ши­ной (по меньшей мере 1 Гбайт/с).

Познакомимся теперь с программным обеспечением видеосервера. Процессоры принимают запросы пользователей, находят нужные фильмы, перемещают дан­ные между устройствами, выписывают счета клиентам, а также выполняют мно­жество других операций. Для некоторых из этих функций фактор времени не яв­ляется критичным, но для большинства он критичен, поэтому на некоторых (если не на всех) центральных процессорах должна работать операционная система ре­ального времени, такая как микроядро реального времени. Такие системы обычно разбивают задание на отдельные небольшие задачи, для каждой из которых из­вестен срок ее окончания. Затем программа, следящая за расписанием выполне­ния задач, может запустить, например, алгоритм выполнения задач в порядке сроков выполнения или алгоритм монотонной скорости (Liu и Layland, 1973).

Программное обеспечение, работающее в центральных процессорах, также оп­ределяет тип интерфейса, предоставляемого сервером своим клиентам (серверам подкачки и телевизионным приставкам). Наиболее популярными являются два интерфейса. Один из них представляет собой традиционную файловую систему, в которой клиент может открывать, читать, писать и закрывать файлы. Помимо сложностей, связанных с иерархией хранения и с соображениями реального вре­мени, в таком интерфейсе клиенту придется еще заниматься и вопросами файло­вой системы, например, UNIX.

магнитных лент             оптических дисков                  диски RAID Рис. 7.46. Аппаратная архитектура типичного видеосервера

В основе второго типа интерфейса лежит модель видеомагнитофона. Сервер получает команды открытия, начала или приостановки воспроизведения, а также команды быстрой перемотки в обе стороны. Основное отличие этого интерфейса от модели UNIX состоит в том, что, получив команду PLAY (воспроизведение), сервер начинает выдавать данные с постоянной скоростью без необходимости передачи новых команд.

Центральной частью программного обеспечения видеосервера является про­грамма управления дисками. Она выполняет две основные задачи: копирование фильмов на жесткий диск с оптического диска и обработка дисковых запросов для нескольких выходных потоков. Вопрос размещения фильма очень важен, так как он сильно влияет на производительность.

Возможны два способа организации дискового хранения: дисковая ферма и дисковый массив. Дисковая ферма подразумевает хранение на каждом диске нескольких фильмов целиком. Каждый фильм должен дублироваться на двух или даже более дисках, чтобы обеспечить высокую надежность и производитель­ность. Дисковый массив, или набор RAID (Redundant Array of Independent Disks — матрица независимых дисковых накопителей с избыточностью), являет­ся формой организации хранения, в которой фильм хранится сразу на несколь­ких дисках, например, блок 0 на диске 0, блок 1 на диске 1 и так далее цикличе­ски. Такая организация хранения называется разбиением на полосы.

Разбитый на полосы массив диска обладает рядом преимуществ перед диско­вой фермой. Во-первых, все п дисков могут работать параллельно, увеличивая производительность системы в п раз. Во-вторых, такой набор можно сделать от­казоустойчивым, если к каждой группе дисков добавить еще один диск, на кото­ром хранить поблочную сумму по модулю два всех данных набора. Наконец, такой способ автоматически решает вопрос балансировки нагрузки. (Все попу­лярные фильмы не смогут оказаться на одном диске). С другой стороны, органи­зация дисковых массивов является более сложной, чем дисковая ферма, и чрез­вычайно чувствительной к множественным отказам, Она также плохо подходит для таких операций видеомагнитофона как быстрая перемотка назад или вперед.

Другая задача дискового программного обеспечения состоит в обслуживании выходных потоков реального времени и удовлетворении соответствующих времен­ных требований. Еще несколько лет назад это было связано с необходимостью реализации сложных алгоритмов планирования, однако по мере снижения цен на модули памяти стал возможен более простой подход. Для передачи каждого видеопотока необходимо хранить в буфере ОЗУ отрезок фильма длиной, ска­жем, 10 с (5 Мбайт). Буфер заполняется путем выполнения дисковой операции и освобождается сетевым процессом. Имея 500 Мбайт оперативной памяти, мы сможем одновременно буферизировать 100 потоков. Конечно, дисковая подсис­тема должна обладать устойчивой скоростью передачи данных 50 Мбайт/с для нормального заполнения буферов, однако матрица RAID, составленная из высо­копроизводительных дисков типа SCSI, запросто может справиться с этой задачей.

Распределительная сеть

Распределительная сеть представляет собой набор коммутаторов и линий связи между источником данных и их получателями. Как было показано на рис. 7.44, она состоит из магистрали, соединенной с локальными распределительными се­тями. Обычно магистраль является коммутируемой, а локальная распределитель­ная сеть — нет.

Основным требованием, предъявляемым к магистрали, является высокая про­пускная способность. Раньше вторым требованием был низкий уровень флук­туации (джиттера), то есть неравномерности трафика, однако теперь, когда даже самые дешевые ПК получили возможность буферизировать 10 с высококачест­венного видео в формате MPEG-2, это требование перестало быть актуальным.

Локальное распределение представляет собой чрезвычайно неупорядоченное, хаотическое явление — это связано с тем, что различные компании пытаются предоставлять услуги в различных регионах по различным сетям. Телефонные компании, компании кабельного телевидения, а также совершенно новые орга­низации пытаются первыми застолбить участок. В результате наблюдается бы­строе распространение новых технологий. В Японии некоторые компании, зани­мающиеся канализационными трубами, утверждают, что именно они обладают преимуществом, так как принадлежащие им трубы большого диаметра подведе­ны в каждый дом (через них действительно прокладывается оптоволоконный ка­бель, однако нужно очень аккуратно следить за местами его вывода из труб). В настоящее время уже используется множество схем локального распределения видео по заказу, из которых четырьмя основными являются ADSL, FTTC, FTTH и HFC. Мы рассмотрим их все по очереди.

Система ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифро­вая абонентская линия) была первой попыткой телефонных компаний поучаст­вовать в деле локального распределения. Мы изучали ADSL в главе 2 и сейчас не будем повторять этот материал. Идея состояла в том, что практически каж­дый дом в США, Европе и Японии уже оснащен медными витыми парами (для аналоговой телефонной связи). Если бы эти провода можно было использовать для видео по заказу, то телефонные компании могли бы сорвать большой куш.

Проблема заключалась в том, что по этим проводам невозможно передать на их обычную длину в 10 км даже поток данных MPEG-1, не говоря уже о MPEG-2. Для передачи полноцветного видео с плавными движениями и высоким разре­шением необходима скорость 4-8 Мбит/с в зависимости от требуемого качества. Таких скоростей с помощью ADSL достичь невозможно (вернее, возможно, но только при передаче на очень малые расстояния).

Второй вариант распределительной сети был также разработан телефонными компаниями. Он получил название FTTC (Fiber То The Curb — оптоволоконный кабель к распределительной коробке). В данной модели телефонная компания прокладывает оптический кабель от каждой конечной телефонной станции до устройства, расположенного по соседству с абонентами и называющегося бло­ком ONU (Optical Network Unit — блок оптической сети). К блоку ONU может быть подключено около 16 медных витых пар. Поскольку эти витые пары корот­кие, по ним можно передавать дуплексные потоки Т1 или Т2 и, соответственно, фильмы в форматах MPEG-1 или MPEG-2. Более того, благодаря симметрично­сти схемы, FTTC может поддерживать видеоконференции.

Третье решение, предложенное телефонными компаниями, состоит в проклад­ке оптоволоконного кабеля в каждый дом. Эта схема называется FTTH (Fiber То The Home — оптоволоконный кабель к дому). При этом каждый абонент полу­чит возможность пользоваться каналом связи ОС-1, ОС-3 или даже выше. Такое решение очень дорого и вряд ли получит широкое распространение в ближай­шие годы, но очевидно, что возможности этого варианта практически безгранич­ны. На рис. 7.31 мы видели схему, используя которую, каждый желающий может содержать собственную радиостанцию. А как вам идея о том, чтобы каждый член семьи был главой собственной телестудии? Все перечисленные системы— ADSL, FTTC и FTTH— представляют собой локальные распределительные сети с топо­логией «точка—точка», что неудивительно, учитывая то, как создавалась совре­менная телефонная система.

Полностью противоположный подход реализуется в настоящее время постав­щиками кабельного телевидения. Он называется HFC (Hybrid Fiber Coax — гиб­рид оптоволоконного и коаксиального кабелей) и показан на рис. 2.41, а. Суть подхода в следующем. Современные коаксиальные кабели с полосой пропуска­ния от 300 до 450 МГц будут заменены кабелями с полосой в 750 МГц, что повы­сит их пропускную способность с 50-75 каналов шириной в 6 МГц до 125 таких каналов. 75 из 125 каналов по-прежнему будут использоваться для передачи ана­логового телевизионного сигнала.

В 50 новых каналах будет использоваться квадратурная амплитудная моду­ляция QAM-256, в результате чего по каждому каналу можно будет передавать данные со скоростью около 40 Мбит/с, что в сумме составит 2 Гбит/с. Каждым кабелем предполагается охватить около 500 домов, Таким образом, каждому дому может быть предоставлен выделенный канал с пропускной способностью 4 Мбит/с, который можно будет использовать для передачи MPEG-2.

При всех достоинствах данного подхода, для его реализации потребуется заме­на всех имеющихся кабелей на новые, установка новых концевых адаптеров и удаление всех односторонних усилителей — в общем, замена всей системы ка­бельного телевидения. Таким образом, общий объем новой инфраструктуры здесь сопоставим с тем, что требуется телефонным компаниям для организации FTTC. В обоих случаях поставщик локальных сетевых услуг должен прокладывать во­локонно-оптический кабель довольно близко к домам заказчиков. Кроме того, в обоих случаях оптоволоконный кабель заканчивается оптоэлектрическим преоб­разователем. Разница этих двух систем в том, что в FTTC на последнем участке используется выделенная витая пара, соединяющая абонента с распределитель­ной коробкой соединением «точка—точка», тогда как в HFC последний сегмент распределительной сети представляет собой общий коаксиальный кабель. Тех­нически эти две системы различаются не столь сильно, как это часто утверждают их сторонники.

Тем не менее, на одно различие следует обратить внимание. Система HFC ис­пользует общий носитель без коммутации и маршрутизации. Любая информация, проходящая по кабелю, может быть прочитана любым абонентом, подключен­ным к этому кабелю, без каких-либо хлопот. Система FTTC, являясь полностью коммутируемой, не обладает этим свойством. В результате операторы системы HFC требуют от видеосерверов способности шифровать потоки, чтобы клиенты, не заплатившие за просмотр фильма, не могли смотреть его. Операторам систе­мы FTTC шифрование не нужно, так как оно увеличивает сложность системы, снижает ее производительность и не повышает защищенность системы. Нужно ли шифрование с точки зрения компании-владельца видеосервера? Телефонная компания, управляющая сервером, может решить намеренно отказаться от шиф­рования видеофильмов, якобы по соображениям эффективности, но на самом де­ле, чтобы экономически подорвать своих конкурентов, предоставляющих анало­гичные услуги с помощью системы HFC.

Во всех подобных распределительных сетях в каждой локальной области об­служивания обычно используется один или несколько серверов подкачки. Они представляют собой уменьшенные версии видеосерверов, о которых рассказыва­лось ранее. Большим достоинством этих локальных серверов является то, что они берут на себя некоторую часть магистральной нагрузки.

На локальные серверы можно заранее копировать фильмы. Если пользовате­ли отошлют заявки на фильмы, которые они хотели бы просмотреть, заранее, та­кие фильмы могут копироваться на локальные серверы в периоды минимальной загрузки линий. Можно ввести гибкие тарифы на заблаговременные заказы филь­мов по аналогии с бронированием авиабилетов. Так, например, можно давать 27-процентную скидку при заблаговременном заказе фильмов (от 24 до 72 ча­сов) для просмотра во вторник или в четверг до 18:00 или после 23:00. Фильмы, заказанные в первое воскресенье месяца до 8:00 для просмотра в среду после по­лудня в день, дата которого является простым числом, получают 43-процентную скидку, и т. д.