XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Компьютерные коммуникационные системы, представляющие собой сети передачи информации, играют очень значимую роль в современном мире и являются одним из важнейших течений научно-технического прогресса в нынешнее время. Сети передачи данных являются распределенной системой, в которой процессы передачи информации управляются с помощью коммуникационных протоколов. Транспортный уровень занимает одно из значимых мест в иерархии протоколов передачи данных. На этом уровне обеспечивается сквозной обмен данными между пользователями транспортных услуг, который обладает нужными пользователю характеристиками, такими как контроль надежности доставки данных, восстановление порядка пакетов.

Транспортным протоколом называется коммуникационный протокол, отвечающий за трансляцию данных, передаваемых с помощью установленных соединений.

Транспортные протоколы находятся на четвертом уровне модели взаимодействия открытых систем — OSI. Такая модель, одобренная Международной организацией по стандартизации, служит шаблоном, описывающим стек сетевых протоколов. На этом уровне они обеспечивают качественное соединение, надежную трансляцию данных. Транспортные протоколы гарантируют предоставление информации, необходимой для передачи файлов, поддержки критически важных приложений. Некоторые протоколы обладают дополнительными возможностями: восстановлением после ошибок, управлением потоком, поддержкой повторной передачи.

Транспортные протоколы при передаче видео используются для ввода, производства, распространения, доставки данных.

Рисунок 1 описывает четыре этапа цепочки передачи видео в онлайн-режиме.

Рисунок 1 Цепочка передачи видео

Ввод данных иногда называют «первой милей», а доставку — «последней милей». На данном этапе видеопотоки доставляются непосредственно конечным пользователям к выбранному ими устройству или телеэкрану.

Существуют проприетарные протоколы, принадлежащие одной компании и обычно требующие лицензии для использования клиентами или сторонними поставщиками.

Подобный протокол требует постоянных ежемесячных платежей, зависит от поставщика (не взаимодействует с устройствами других производителей) и рискует остаться «бесхозным» в случае прекращения выпуска линейки продуктов поставщиком или ликвидации бизнеса.

Существует два основных транспортных протокола, отвечающих за доставку информации, это TCP — протокол управления передачей и UDP — протокол пользовательских дейтаграмм.

TCP используется в Интернете чаще других. Он гарантирует поочередное получение адресатом пронумерованных пакетов.

Получатель посылает сообщения обратно отправителю, сигнализируя об их приеме. Если отправитель не дождется ответа, он отправляет пакеты повторно, чтобы убедиться, что они дошли до получателя. Из-за этих подтверждений надежность TCP возрастает. Пакеты также проходят проверку на наличие ошибок.

UDP-протокол работает аналогично TCP, но без проверки ошибок, которая замедляет работу. Пакеты («дейтаграммы») при использовании UDP отправляются получателю, но отправитель не ждет подтверждения о получении пакета адресатом — он просто продолжает отправку следующего. Минусы подобного подхода — пропуск некоторых UDP‑пакетов, отсутствие гарантии получения всех пакетов, а также возможности повторного запроса пропущенных. Основным преимуществом метода выступает быстрая и четкая работа (даже с чувствительными ко времени приложениями — онлайн-играми, прямыми трансляциями) в тех случаях, когда задержка по времени критичнее потери пакетов данных.

RTMP — протокол обмена сообщениями в реальном времени

Первоначально собственный протокол RTMP был разработан Macromedia (Adobe) для потоковой трансляции видео, аудио и данных, передаваемых между сервером и Flash-плеером в реальном времени.

Этот протокол, выполненный на базе TCP, представляет собой технологию непрерывной потоковой трансляции, основанной на сообщаемых получателем подтверждениях (АСК). Однако последние не уходят отправителю немедленно, что поддерживает сниженный уровень обратного трафика. Отчет об ACK или NACK (отрицательных подтверждениях) отправляется только после получения последовательности пакетов. Если в этой последовательности есть потерянные пакеты, вся цепочка будет передана повторно, начиная с последнего ACK. Этот процесс может значительно увеличить сквозную задержку.

RTP — транспортный протокол реального времени

RTP — интернет-протокол для онлайн-трансляции мультимедийных данных в одноадресном или многоадресном режиме. RTP работает по UDP‑протоколу, обеспечивая низкие временные задержки. UDP не восстанавливает данные после потери пакетов, но способен компенсировать любые незначительные пробелы при использовании вместе с RTP (RTCP) — протоколом управления. В то время, как RTP переносит медиапотоки (видео, аудио), RTCP применяется для мониторинга статистики передачи, информирования о QoS — качестве обслуживания (потерянных пакетах, времени приема-передачи, джиттере), позволяет синхронизировать несколько потоков.

RTP также функционирует как транспортный протокол, используемый WebRTC — открытым одноранговым протоколом с JavaScript API для обмена видео между браузерами. Хотя WebRTC хорошо подходит для видеоконференций между небольшими группами или многоадресной потоковой передачи внутри закрытой сети, его возможности масштабирования и надежной потоковой передачи качественного видео ограничены.

RTSP — протокол потоковой передачи в реальном времени

RTSP — протокол управления прикладного уровня, который взаимодействует напрямую с сервером потокового видео. RTSP позволяет зрителям удаленно воспроизводить, приостанавливать, останавливать видеопотоки через Интернет без необходимости локальной загрузки. RTSP ранее использовался RealNetworks RealPlayer и до сих пор применяется для различных целей, включая прием потоков с удаленных камер, онлайн‑обучение, интернет‑радио. RTSP требует отдельного сервера для потоковой передачи и не поддерживает шифрование контента или повторную рассылку потерянных пакетов, поскольку он использует протокол RTP вместе с RTCP для доставки медиапотока.

SRT — безопасная, надежная передача видео

Технология SRT, впервые разработанная Haivision, обеспечивает производительность UDP с низкой задержкой при потере данных внутри ​​сети с помощью высокопроизводительного модуля отправителя / получателя, который максимально увеличивает доступную полосу пропускания. Независимый от кодеков, бесплатный протокол SRT с открытым исходным кодом гарантирует, что частота пакетов, поступающих в сеть, идентична тем, которые принимаются декодером, что значительно упрощает процесс декодирования.

Технология имеет дополнительные функции, включая встроенное шифрование AES, поэтому управление безопасностью потока происходит на уровне канала. Кроме того, SRT может объединять несколько потоков видео, аудио и данных для поддержки сложных рабочих процессов, что упрощает работу сетевых администраторов.

HLS — прямая трансляция HTTP

HLS — протокол потоковой передачи, оснащенный адаптивным битрейтом от Apple, созданный в 2009 году, который используется для доставки видео к конечному устройству пользователя.

До попадания на видеоплеер данные HLS доставляются с веб-сервера или исходного сервера (часто через CDN). Видеоконтент HLS разбивается на отдельные фрагменты продолжительностью 10 секунд, которые дублируются, кодируются параллельно с различными битрейтами, разрешениями (или профилями). В качестве адаптивного протокола битрейта видеоплеер ищет изменения в условиях пропускной способности. При наличии колебаний устройство может плавно переключаться на наиболее подходящий в данный момент профиль ABR. HLS поддерживает видео, зашифрованное с помощью кодеков H.264 или H.265 (HEVC).

MPEG-DASH — динамическая адаптивная потоковая передача по HTTP

Протокол с открытым исходным кодом MPEG-DASH, разработанный группой специалистов MPEG, в ноябре 2011 года стал международным стандартом. MPEG-DASH поддерживается приставками, смартфонами, планшетами, другими устройствами. Принцип трансляции аналогичен HLS, поскольку контент так же разбивается на части или фрагменты с каскадом различных кодировок, что делает его адаптируемым к доставке видео от провайдера к устройству без прямого контакта с оператором (OTT).

Заключение

Все больше людей выбирают удаленную работу, школьники и студенты предпочитают онлайн конференции, вебинары и удаленные занятия с педагогами. Количество контента транслирующегося в сеть увеличивается с каждым днем. Именно поэтому, изучение потоковой трансляции видео и протоколов, для ее осуществления является одним из актуальных вопросов в информационных технологиях в настоящее время.

Список литературы

Берлин, А. Н. Основные протоколы Интернет : учебное пособие / А. Н. Берлин. – Москва : Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ) : Бином. Лаборатория знаний, 2008. – 504 с. : ил.,табл. – (Основы информационных технологий). – Режим доступа: по подписке. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=232986 (дата обращения: 07.12.2022). – ISBN 978-5-94774-884-0. – Текст : электронный.

Землянухин, П. А. Видео- и радиосигналы в системах передачи информации : учебное пособие / П.А. Землянухин ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2017. - 119 с. - ISBN 978-5-9275-2394-8.1020577. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1021541 (дата обращения: 07.12.2022). – Режим доступа: по подписке.

Семенов, Ю. А. Алгоритмы телекоммуникационных сетей : учебное пособие : в 3 частях / Ю. А. Семенов ; Национальный Открытый Университет "ИНТУИТ". – Москва : Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ) : Бином. Лаборатория знаний, 2007. – Часть 2. Протоколы и алгоритмы маршрутизации в Internet. – 829 с. – (Основы информационных технологий). – Режим доступа: по подписке. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=233325 (дата обращения: 07.12.2022). – ISBN 978-5-94774-707-2. – Текст : электронный.

Сети и телекоммуникации : учебник и практикум для среднего профессионального образования / К. Е. Самуйлов [и др.] ; под редакцией К. Е. Самуйлова, И. А. Шалимова, Д. С. Кулябова. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 363 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-9916-0480-2. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/517817 (дата обращения: 07.12.2022).