Thema 11: Streaming Video Ramiz Polat

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1 Proseminar: Multimedia-Standards im Internet WS 03/ Januar 2004 Thema 11: Streaming Video Ramiz Polat Zusammenfassung: In dieser Ausarbeitung über Video Streaming werden die unterschiedlichen Techniken, Zusammenhänge und ihre gemeinsame Funktionsweise behandelt. Ziel ist das Verständnis der Grundlagen und Streaming-Technologien von der Erstellung bis zum Client. Da es hier um das Medium Internet geht, wird auch über die Übertragungsmethoden diskutiert. Der Beitrag der Transfer-Protokolle sowie Mbone sind zu recherchieren. Die verschiedenen Streaming-Formate von drei Marktherrschenden IT-Unternehmen Microsoft, Apple und RealNetworks werden näher untersucht und verglichen. 1 Einleitung Die Zukunft ist unterhaltsam... Dank der Streaming Technologie ist unser gutes Internet, das ja bis vor kurzem hauptsächlich statisch war, heute dynamisch, schnell und unterhaltsam. Die Verbreitung der schnelleren Internetzugänge, die technologischen Entwicklungen insbesondere im Bereich Audio und Video Streaming haben die Folge, dass Ansprüche und Erwartungen der Menschen und der Wirtschaft an diese Technologie immer höher werden. Informationen werden heute in Echtzeit verlangt, kommunizieren sowieso und wenn noch Unterhaltung in guter Qualität zur Verfügung gestellt wird, ist die Aufgabe perfekt gelöst. Wie werden all diese Wünsche erfüllt? Streaming Video ist die Antwort. Streaming in diesem Zusammenhang bedeutet, dass multimediale Objekte über Netzwerke wie Internet Ihre Verbreitung finden Streams genannt werden. Streaming bedeutet 'strömend' und bezeichnet das Abspielen von Multimediadateien schon während des Downloads. Im Unterschied zum gewöhnlichen Download werden die Daten ohne auf der Festplatte gespeichert zu werden, abgespielt. Das ermöglicht dem Client ein komfortables Betrachten und von der Festplattenkapazität unabhängiges Genießen solcher Videos bzw. Audios. Schon heute steht ein großes multimediales Angebot im Internet zur Verfügung. Sei es Radio, Fernsehen, Konferenzen, Überwachung, Lehrveranstaltungen über Internet oder Werbungen, News, Präsentationen oder Live Konzerte und Events, alles profitiert bereits von den Vorteilen der Streaming Technologie. 2 Grundlagen Video-Streaming wurde bisher aus Kostengründen abgelehnt. Der einzige Geschäftsbereich, der konsequent sein Interesse in dieser Technologie gezeigt hat, war die Pornografie. Später haben die Nachrichtenagenturen diesem wertvollen Werkzeug Anerkennung gezollt. Das war auch der Auslöser einer stetig steigenden Verbreitung dieser Übertragungstechnik. Heute ist Video-Streaming nicht nur eine reine Informationsvermittlung sondern eine wichtige wirtschaftliche Quelle, die sowohl neue Arbeitsplätze, als auch ein neues Image für Internet geschaffen hat.

2 2 Thema 11: Streaming Video 2.1 Warum Streaming, was sind die Vorteile? Die Ladezeiten, die man vom klassischen Download kennt, entfallen. Die Verweildauer der Internetnutzer auf Internetseiten ist gestiegen. Das bedeutet mehr Werbemöglichkeiten. Die Abrufhäufigkeit der Webinhalte steigen, da es jetzt einen Grund zum wiederholten Besuch gibt, z.b. aktuelle Nachrichten oder neue Videos etc. Da die breitbandige Internetnutzung sich rasant verbreitet, erhöhen sich die Ansprüche und Erwartungen der Besucher, die über solche Internetverbindungen verfügen entsprechend. Mehr Qualität, Attraktionen, aufwendigere aber dafür nützliche Techniken sind gefordert. Streaming Video bietet die Möglichkeit, bereits vorhandene Video-Audio Materialien (wie Schulungsvideos) kostensparend zu archivieren und um sie viel einfacher und günstiger zur Verfügung stellen zu können. Streaming Videos sind ohne fundierten Kentnisse bzw. endsprechende Software nicht zu kopieren. Die Daten werden in Echtzeit übertragen und nicht auf der Festplatte des Clients zwischengespeichert. Dies hat den Vorteil, dass Urheberrechte geschützt werden. Weitere Schutzmechanismen wie Digital Rights Management von Microsoft, sowie wirtschaftliche Lösungen zur Gewinnmaximierung wie Pay per Click sind einfach realisierbar. E-Commerce Lösungen könnten mit dieser Technologie attraktiver gestaltet werden, so dass die Kauflust der Internetnutzer positiv beeinflusst wird. Es gibt sicherlich noch mehrere Gründe, die für Streaming Video sprechen würden. Aber als Motivation genügen diese Punkte. 2.2 Allgemeine Begriffe Hier werden einige wichtige Begriffe, die uns immer wieder begegnen und vom Verständnis her wichtig sind, erklärt. Streaming: Datenstrom, Echtzeitübertragung komprimierter Video- und Audiodateien über das Internet. Beim Streaming werden die Daten nicht auf einmal heruntergeladen, sondern schubweise im Store-and-Forward-Verfahren [SieLex]. Realtime (Echtzeit): Das zeitliche Verhalten eines Vorgangs. Voraussetzung ist, dass der Vorgang simultan zu einer durch einen Computer berechneten Aktion abläuft und dabei das menschliche Zeitempfinden oder die ausgelöste Aktion nicht gestört werden. Protokoll: Definierte Vereinbarungen über die Art und Weise des Informationsaustausches zwischen zwei Systemen. Je nach System und Format können unterschiedliche Protokolle separat oder kombiniert verwendet werden Die wichtigsten Streaming-Protokolle werden in dieser Arbeit noch vorgestellt. Session: Eine Sitzung ist eine logische Verbindung zwischen zwei adressierbaren Einheiten im Netz, um Daten auszutauschen. Je nach Kontext ergeben sich weitere mit einer Sitzung assoziierte Funktionen und Eigenschaften. In der Datenübertragung versteht man unter einer Sitzung die Dauer der Verbindung in der die Kommunikationspartner die Daten austauschen und die übertragungstechnischen Mechanismen ablaufen [SieLex].

3 Thema 11: Streaming Video 3 Routing: Prozess der optimalen Wegwahl von Daten vom Sender zum Empfänger. Diese Aufgabe wird von einem sogenannten Router erledigt. Ein Router ist eine Vermittlungsstelle in einem Netzwerk, die Datenpakete (IP-Pakete) von einem Netzwerk in ein anderes weiterleitet. Das Internet funktioniert als Verbund einzelner Netzwerke, die über Router miteinander verbunden sind. Natürlich sollte er dabei auch zusehen, dass niemand "von außen" einfach auf das LAN zugreifen kann (IP- Masquerading - IP des vorherigen Routers wird ersetzt durch die eigene, somit ist eine Rückverfolgung bis in das LAN nicht möglich. Die Inhalte sind geschützt). In jedem Fall hat ein Router mindestens zwei Anschlüsse (Interfaces), die auch jeweils mit einer eigenen IP-Adresse versehen sind. Zudem wird in einer Tabelle eingetragen, welche IP-Datagramme wohin zu transportieren sind. Sie wird deshalb Routingtabelle genannt. Die Einträge bei den Routingtabellen beschreiben die vorhandenen Interfaces (Ethernet oder ISDN z.b.), Destination, Netmask (bezieht sich auf das Subnetz, das über dieses Interface erreichbar ist), Next Hop (nächster Router im eigenen Subnetz Richtung zum Ziel). Mit Hilfe dieser Tabellen wissen die Router woher diese Datenpakete kommen und wohin sie weitergeleitet werden. Die benutzten Protokolle sind z.b. RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol). Ein Router vermittelt Datenpakete direkt (wenn das Ziel im selben Subnetz ist) oder indirekt (über mehrer Router außerhalb des eigenen Netzes) je nach Weginformationen und Ziel in der Routingtabelle [TurBel]. B Ziel-Netz (1) (1) D (1) (1) (10) (1) C Eintrag in Routing-tabelle zum Ziel Router Next Metrik D Direkt 1 A B D 2 C B 3 A B 3 Abbildung 1: Ein Routing Beispiel via Distance Vector Routing Protokoll [RFC].

4 4 Thema 11: Streaming Video Anhand des Routingbeispieles (Abbildung 1) können wir uns den Wegwahlprozess eines Routers einfacher vorstellen. Nehmen wir an, dass von dem Punkt A zum Ziel- Netz Datenpakete verschickt werden. Die möglichen Wege sind ABDZ, ABCDZ, ACBDZ, ACDZ. Da die Verbindung zwischen C und D unerwünscht ist, sind die Wege ABCDZ und ACDZ eliminiert. Der optimale Weg ist der kürzeste Weg nach dem Protokoll OSPF, also wird die Entscheidung für ABDZ statt ACBDZ fallen, denn der Metrik-Wert für ABDZ ist 3 und für ACBDZ ist er 4 und der Weg mit dem niedrigsten Metrik-Wert ist der Kürzeste. Es gibt selbstverständlich weitere unterschiedliche Verfahren. Dieses Beispiel soll nur zum Verständnis dienen. 2.3 Streaming Protokolle TCP/IP - Transmission Controll Protocol / Internet Protocol: Protokollfamilie, die verschiedene Rechner miteinander verbindet und Grundlage für das Internet ist. TCP ist für die erfolgreiche Versendung von Daten zuständig und kontrolliert, ob Verluste bei der Übertragung aufgetreten sind, in welchem Fall das Datenpaket erneut angefordert wird (RFC 791). IP ist für das Routing (Wegwahl) der Pakete zuständig (RFC 793) HTTP - Hyper Text Transfer Protocol: Client-Server-TCP/IP-Protokoll, das zum Austausch von HTML Dokumenten benutzt wird. In unserem Fall dient es dazu, die Datenpakete, die von Netzwerk Firewalls wegen Streaming Protokolle nicht durchgelassen werden, gekapselt durchzulassen RTP - Real-Time Protocol: HTTP kompatibles Protokoll, d.h. der Streaming Server verhält sich wie ein gewöhnlicher Webserver. RTP ist ein offener Standard.(RFC 1889). RTP ist zuständig für Realtime-Daten-Transport (Video und Audio inklusive). Es kann sowohl für MoD (Media on Demand) als auch für interaktive Services (wie Internet Telefon) benutzt werden. Es kann Zeitstempel setzen, so dass eine zeitsynchrone Darstellung möglich ist. Es besitzt zwar einen Verlust-Detektor, jedoch wird das Paket nicht noch einmal aufgefordert wie bei TCP, denn es basiert auf UDP Protokoll und eine Korrektur zeitintensive Folgen haben kann. Die vergleichbaren Funktionen hat MMS Protokoll von Microsoft [EricTr] RTCP - Real-Time Control Protocol: Es ist eine Erweiterung des RTP Protokolls mit einem Control-Part. Ermöglicht somit ein Quality of Service (QoS) Feedback vom Client zum Multicast-Gruppe, von denen die Datenpakete kommen. Das Protokoll unterstützt auch die Synchronisation unterschiedlicher Streams RSVP - Resource Reservation Protocol: Es basiert auf der vorhandenen Internet-Architektur. Die Netzwerkressourcen werden reserviert (QoS Anforderungen werden empfangen und bearbeitet), in dem Prioritäten gesetzt werden, je nach Datenpaket und Inhalt dieser Pakete. Dies geschieht in jedem Router kontinuierlich. Seine Stärke ist die Skalierbarkeit der Multicast-Gruppen, von denen die QoS - Anforderungen kommen. Die Anforderungen werden in einer

5 Thema 11: Streaming Video 5 Baumstruktur zusammen weitergeleitet und nicht einzeln. Das Protokoll kümmert sich nicht um das eigene Routing, dafür benutzt er andere Protokolle wie RTP/RTCP RTSP - Real-Time Streaming Protocol: Es basiert auf RTP/RTCP Protokolle, unterstützt sowohl TCP als auch UDP. Der grösste Unterschied ist, dass es ein 2-Way Protokoll ist, so dass eine Kommunikation zwischen Server und Client möglich ist. Client kann Streaming-Media-Abrufe steuern (z.b. Vor- und Rückspulen, Aufnehmen). Im Gegensatz zu HTTP achtet es auf die Zeitlinie von Streams, so dass mehrere Streams zeitgleich betrachtet und gesteuert werden können. RTSP unterstützt sowohl Unicast- als auch Multicast-Streaming. Neben der standardmäßigen Multicast-Variante, bei der die Multicast-Adresse vom Server gewählt wird, ermöglicht RTSP auch, dass die Adresse von einem Client gewählt werden. Dies kann nötig werden, wenn z.b. während einer Live-Konferenz auf das Material eines Streaming-Servers zurückgegriffen werden soll [EricTr]. 2.4 Welche Möglichkeiten gibt es für Video im Internet? Es gibt zwei Möglichkeiten, Download und Streaming. Download basiert auf dem Store and Forward Prinzip, wobei die Daten hier erst vollständig gespeichert werden müssen, damit sie überhaupt abspielbar sind. Streaming-Verfahren ist unter drei Kategorien zu erklären Progressives Streaming Eigentlich ist es kein reines Streaming Verfahren. Für die Übertragung wird ein HTTP Server benötigt. Das Video kann zwar ohne vollständiges Herunterladen nach einer gewissen Pufferungszeit abgespielt werden, jedoch ist diese Pufferungszeit erheblich länger als bei Realtime Streaming und es ist direkt abhängig von der Serverbelastung, somit fehleranfällig. Gleichzeitig werden weitere Daten im Hintergrund zwischengespeichert. Der Nachteil ist, bei einer Serverbelastung wird der Film unterbrochen, bis wieder genügend Daten im Speicher sind. Ein weiterer Nachteil ist der Kopierschutz. Die Daten auf dem temporären Speicher können auf einem beliebigen Medium abgelegt werden. Diese Methode ist für kleinere Video-Clips geeignet Realtime Streaming (VoD - Video on Demand) Realtime Streaming nutzt die speziellen Streaming Protokolle und Streaming Server für die Übertragung der Daten. Das hat den Vorteil, dass alles für Streaming optimiert ist, somit wird ein kontinuierlicher Datenstrom gewährleistet. Die Datenraten können von der zur Verfügung stehenden Bandbreite bestimmt werden. Es erfolgt eine Kommunikation und Synchronisation zwischen dem Server und Player. Dank der Protokolle ermöglicht es einen freien Zugriff auf den Datenstrom, somit ist z.b. Vorund Rückspulen realisierbar. Die Pufferzeit ist zu gering und die Daten werden nicht zwischengespeichert. Am häufigsten werden die Protokolle MMS (Microsoft) und RTSP (RealNetworks, Apple) verwendet. Der größte Vorteil ist, dass Web-Server und Streaming-Server getrennt sind, und somit ist der Video-Stream vollkommen unabhängig von der Webserverbelastung.

6 6 Thema 11: Streaming Video Live - Streaming Live-Übertragungen sind nur mittels Realtime Streaming möglich. Multicast spielt eine wichtige Rolle. Somit wird die Bandbreite geschont. Im Gegensatz zu VoD ist eine redaktionelle Vorbereitung und Abspeicherung der Daten auf dem Server nicht möglich. Die Media Daten werden sofort mit einer übersehbaren Zeitverzögerung direkt encodiert und über Streaming-Server ins Netzwerk eingespeist. Das wichtigste Kriterium ist die Zeit. Deswegen wird UDP Protokoll statt TCP/IP benutzt. Eine fehlerfreie Datenpaket-Übertragung ist somit nicht garantiert, jedoch erhält man die Daten fast zeitgleich, da keine Verzögerungen auftreten, die während der Kontrolle auftreten. Der Nachteil dieses Protokolls ist, dass es nicht immer von den Firewalls der Netzwerke akzeptiert wird. Dieses Problem löst man so, in dem die Real Time Protokolle in HTTP Protokolle gekapselt und so von einem Router zum Anderen weitergeleitet werden. Alle diese drei Streamingarten unterstützen Übertragung via Multicast. Das hängt aber von dem Router ab, ob er Multicast unterstützt oder nicht. Mrouter sind Router, die Multicast unterstützen. 2.5 Kommunikationskardinalitäten Es gibt drei für Streaming wichtige Verteilungsmethoden. Diese werden im Streaming Kontext erläutert Multicast Beim Multicasting wird ein einzelner Stream von mehreren Clients verwendet. Hierbei kann sich jeder Client zum Stream zuschalten. Diese Methode beugt Staus und Überlastungen im Netzwerk vor. Allerdings ist dazu entweder ein Netzwerk mit Zugang zum Multicast-Backbone (auch Mbone genannt) erforderlich für Inhalte, die im Allgemeinen über das Internet verbreitet werden, oder aber ein multicastfähiges Netzwerk für Inhalte, die innerhalb eines in sich geschlossenen, privaten Netzwerks verteilt werden [Real02]. Bei eingehenden Datenpaketen entscheidet der Router und checkt, ob die Daten bereits passiert sind, wenn ja verwirft er diese, wenn nein leitet er sie zu den Adressgruppen (IP Adressgruppen), die auch die Daten benötigen, weiter. Der reservierte Adressbereich für Multicasting ist bis Die Vervielfältigung der Datenpakete findet in den Knotenpunkten des Netzes nur dann statt, wenn es nötig ist und die Anzahl der Kopien wird je nach Bedarf bestimmt. Dann werden diese weitergeleitet. Bei diesem Verfahren werden UDP und UDP basierte Streaming Protokolle verwendet Unicast Eine am häufigsten verwendete 1:1 Verteilungsmethode. Die Daten werden zwischen Server und Client einzeln übertragen. Eine Kommunikation zwischen beiden Parteien ist möglich. Es besteht keinerlei Konflikte mit Routern, denn eine Multicastfähigkeit ist nicht verlangt. Es ist kritisch, da die Serverbelastung hoch ist und die selben Daten unter Umständen vielfach transferiert werden, jedoch sehr zuverlässig. Da allerdings noch so teuere Streaming-Server nur eine bestimmte Anzahl gleichzeitiger Videoströme verkraften, sind Datenstaus und damit Ärger vorprogrammiert. Einen Ausweg aus dem Dilemma bieten Content-Delivery- und Caching-Provider wie Akamai. Das grundlegende Ziel dieser Anbieter ist es, Daten (nicht nur Video) über

7 Thema 11: Streaming Video 7 eigene Server auszuliefern, die - installiert an wichtigen Internet-Knotenpunkten - die Daten näher zu den Betrachtern bringen. Dabei ist mit Nähe nicht die physikalische Entfernung, sondern vielmehr die beste Anbindung zum Verbraucher gemeint[c`t01] Broadcast Ein vom Server gesendetes Stream-Paket wird jedem Host im Subnetz zugestellt. Dabei ist es nicht möglich die Clients zu gruppieren. Meistens wird diese Methode beim Live Streaming eingesetzt. Eine Client Server Kommunikation ist nicht möglich. Unabhängig davon, wann sich verschiedene Zuschauer einschalten, sehen alle gleichzeitig den gleichen Stream-Inhalt. Dieses Live-Erlebnis kann mit aufgezeichneten Inhalten simuliert werden. 3 Streaming Funktionsweise 3.1 Encoder, Server, Client Streaming Technologie lässt sich in drei wichtige Kategorien unterteilen, die im Endeffekt bestimmen, wie das Endprodukt funktionieren und vor allem wo und wozu es eingesetzt soll. Das sind Encoder, Server und Client. Analoge Aufnahme Digitalisierung Speicherung / Verteilung* Verteilung Experience Encoder VCC VoD client encode SC Netzwerk Webserver / Streamingserver Netzwerk client edit Live client Media Quelle Komprimieren und Server Software Protokolle Player Software Encodieren Datei Formate QoS Browser Abbildung 2: Allgemeine Funktionsweise für Streaming, von der Media-Quelle bis zum Client Encoder und Encodieren Wie der Name schon sagt, ist die Aufgabe vom Encoder, die Daten zu codieren, so dass sie im Netz übertragbar werden. Analoge Daten werden hier in digitale streambare Daten umgewandelt, in dem sie komprimiert und encodiert werden. Diese Aufgabe wird vom Encoder abhängig von dem Video-Format in verschiedenster Art und Weise gemacht. Ist das Ziel eine Live Übertragung, setzt man einen Live-Encoder ein, der die

8 8 Thema 11: Streaming Video Daten beinahe in Echtzeit codiert und gleichzeitig zur Verteilung dem Streaming Server weitergibt. Für die Kompression werden Codecs auf Hardware- und Softwarebasis eingesetzt, die sich in Bildqualität und in der Berechnungszeit unterscheiden. In der Regel erfolgt die Echtzeit-Encodierung mit Hilfe von einem Hardware-Encoder, der über einen entsprechenden Chip verfügt. Software-Encoder sind bei der Analyse des Bildes langsamer, können dafür in vielen Fällen aber genauer arbeiten. Im Bereich der Internet- Videos existieren verschiedene Codecs für unterschiedliche Verwendungsarten, die alle auf Softwarebasis arbeiten und durch ihre sehr hohen Kompressionsraten für die Distribution über Netzwerke geeignet sind. Die Encodierung der Video und Audio Daten ist je nach Bandbreite verlustbehaftet. Hier stellt sich die Frage, welche Daten mehr Gewichtung bekommen sollen und wieviel Datenverlust akzeptabel ist. Dies hängt von der Art der Präsentation und dem Ziel ab. Bei einem On-Demand Lehrveranstaltung z.b. ist eine deutliche Sprache in der Regel wichtiger als ein klares Bild. Bei einem Landschafts-Video ist ein klares Bild das wichtigste Kriterium. Für die Festlegung der Übertragungsraten gelten als Richtwerte, bei analogen Übertragungen 75% bei digitalen 90% der zur Verfügung stehenden maximalen Bandbreite des Clients. Diese Werte sind Erfahrungswerte, die auf Real Codecs abgestimmt sind. Typische Stream-Video-Versionen sind zur Zeit 28, 56, 100 und 300 kbit/s. Weitere Einstellungen kann man mit Hilfe von Meta-Dateien vornehmen, wie z.b. Seitenverhältnisse, Bildgrösse, Multiple Streamraten (mehrere Streams mit unterschiedlichen Datenraten werden in eine Datei verpackt), Angaben über Author, Urheberrechte, Filter etc. Im Bereich der Internet-Videos existieren verschiedene Codecs für unterschiedliche Verwendungsarten, die alle auf Softwarebasis arbeiten und durch ihre sehr hohen Kompressionsraten für die Distribution über Netzwerke geeignet sind Webserver / Streamingserver (MediaServer) und Senden Theoretisch sind Webserver für Videostreaming (ausser LiveStreaming) auch geeignet und werden heute öfters eingesetzt. Die Probleme sind jedoch wie bei den Protokollen bereits erwähnt, die Auslastung der Server und ihre natürlichen Folgen. Ausserdem benötigt man auf einem Webserver geschlossene Dateien. Dies ist der Grund, warum Live-Streaming mit einem Webserver nicht zu realisieren ist. Oft ist es sehr umständlich Vor- und Rückzuspulen, das Vor- und Rückspringen auf einen Marker ist ohne vollständigen Download nicht möglich. Das verwendete Protokoll TCP ist zwar zuverlässig, hat jedoch den Nachteil, dass jedes Datenpaket streng kontrolliert und jedes Mal ein fehlerbehaftetes Paket durch erneutes Verlangen vom Server ersetzt wird. Dadurch wird der Datenstrom gestört und das Netz extra belastet. Es ist empfehlenswert für Streaming-Media Streaming-Server zu benutzen, denn die Streaming Protokolle wie RTP, RTCP, RTSP, MMS werden von solchen Servern implizit unterstützt und da Sie nur für Transfer der Medieninhalte konzipiert wurden, kann eine Auslastung des Webservers den Datenstrom zwischen dem Mediaserver und Player nicht beeinflussen. Bei fehlerhaften Pakete werden keine neuen Abfragen

9 Thema 11: Streaming Video 9 durchgeführt. Die Übertragungsfehler werden von dem Player korrigiert z.b. durch Interpolation. Somit ist eine ununterbrochene Stream-Übertragung garantiert. Sowohl für Live-Streaming als auch für VoD sind grosse Datenmengen zu bewältigen, insbesondere bei einer Live-Streaming ist eine hohe Prozessorleistung notwendig, damit das Encodierverfahren in Echtzeit ausgeführt werden kann. Beim On-Demand Stream spielen die Festplatte und der Cache der Festplatte eine Rolle, um einen kontinuierlichen Datenstrom zu garantieren. Da Audio und Videodaten schnell auch komprimiert hohe Datenmengen aufweisen. Für Live-Streaming ist die Größe der Festplatte und deren Cache eher nebensächlich, da die Daten direkt in das Netzwerk eingespeist und nicht auf der Platte zwischen gespeichert werden. Diese direkt eingespeisten Daten werden in ein auf dem Streaming Server erstellten Unterverzeichnis (Mountain genannt) abgelegt und von dort sind sie abrufbar. Es existiert keine geschlossen Datei sondern Daten, die kontinuierlich strömen. Der Server bei einem Live-Stream verhält sich wie ein Verteiler oder ein sogenannter Reflector Client Der Empfänger des Streams. Das wichtigste Kriterium, das das Streamingverfahren direkt beeinflusst. Denn Videos werden für diese Betrachter so aufwändig encodiert und letztendlich auf den Servern zur Verfügung gestellt. Zu berücksichtigen sind: die Hardware Ausstattung der Zielgruppe, welche Bandbreiten stehen zur Verfügung, welche Software (sowohl Betriebssystem als auch die Decoder also die Player) hat der Betrachter? Denn abhängig vom Anbieter des Multimediaservers, wird auch auf Grund von Patenten dessen Encoder Software verwendet, so dass der Empfänger gezwungen ist, auch das Player Plug-In des Herstellers zu verwenden. Leider ist aber nicht jeder Player auf jedem Betriebssystem verfügbar. So existiert für UNIX/Linux zur Zeit keine offizielle Version des Microsoft Media Players.

10 10 Thema 11: Streaming Video 3.2 Aufruf eines Streaming-Videos und die Kommunikation zwischen Parteien Abbildung 3: Eine Aufruf-Szenario für Streaming Video mittels RTSP Protokoll [HenS02]. Der Aufruf eines Streams wird im Betracht der obigen Abbildung erläutert: Erst wird per HTML über einen Verweis nach dem multimedialen Inhalt auf einer Website gefragt und somit der Wunsch zur Betrachtung dieser Datei dem Webserver mitgeteilt. Als Antwort erhält man eine Metadatei (Auf der Abbildung 2 - Meta file), die je nach Codec von dem geeigneten Player interpretiert wird. Der Player ist jetzt in der Lage mit Hilfe der Informationen in der Metadatei den Speicherplatz des eigentlichen Streams auf dem Streaming-Server zu finden und diese den Einstellungen (die beim Encodieren festgelegt und in der Meta Datei aufgestellt wurden) entsprechend darzustellen. Die Interaktion zwischen dem Player und dem Mediaserver ist fast unabhängig von dem Webserver. Anders als z.b. HTTP unterstützt RTSP eine gleichberechtigte, beidseitige Kommunikation. Das bedeutet, dass nicht nur der Client Anfragen an den Server stellen kann, sondern dass auch der Server zu solchen Anfragen berechtigt ist, z.b. um die Beschreibung einer Präsentation zur Laufzeit zu ändern. Hier hat der Client die Kontrolle auf den Datenstrom und kann Streaming-Befehle erteilen. RTP Protokoll dient hier nur zum Transfer der Daten und sorgt dafür, dass der Datenstrom ohne Unterbrechung fortgesetzt wird. 4 Vergleich der Streaming Technologie Anbieter: Real Networks, Apple und Microsoft Die Marktherrscher in dieser Technologie unterscheiden sich wenig, wenn es Streaming Video und die Qualität angeht. Jedoch gibt es grosse Unterschiede im

11 Thema 11: Streaming Video 11 Streaming-Verfahren und bei den Formaten, die sie selber entwickeln und patentieren. Der Vergleich wird in vier Kategorien gemacht. Encoder, Server, Player und Steuerung der Streams. 4.1 Encoder Real Networks bietet als Encoder Real Producer (Basic Version, Plus Version) an. Sie unterstützen beide VoD und Live-Streaming. Der Producer codiert Streams in Echtzeit, was für Live Stream nötig ist, aber bei VoD Qualitätsverluste bedeutet. Surestream ist möglich, d.h. unterschiedliche Streamraten können in eine Datei verpackt werden. Real verwendet das *.rm Format (auch: *.ra für Audio und *.rv für Video) für seine Codecs, RealFlash für Shockwave Flash, die aber nur Container für gängige Formate darstellen. RealAudio und RealVideo Codecs sind von Real Networks lizensiert und nur mit dem Real Player abspielbar. Die Qualität der Real Codecs sind eher mittelmäßig. Besonders bei geringen Bitraten ist die Video und Audio Qualität schlechter als bei Windows Media[ZAIK]. Apple bietet kein spezielles Tool zum Encodieren. Quicktime Pro Player ist in der Lage diese Aufgabe zu erledigen. Es gibt trotzdem andere Tools wie Sorenson Video 3 Codec, die in die Quicktime Architektur eingebettet sind. Multiple Bitraten kann Quicktime Pro nicht erzeugen, da helfen aber Sorenson Tools. Apple verwendet kein eigenes Format für Streams sondern benutzt eine zusätzliche Spur für die nötigen Streaming Informationen. Microsoft bietet in Microsoft Media Tools Media Encoder und Media Author zum Encodieren an und verwendet seine eigenen Streaming Formate ASF, WMA, WMV. Beide Encoder unterstützen Live-Streaming und VoD jedoch, Media Encoder codiert in Echtzeit und deswegen ist bei On-Demand Produktionen Vorsicht geraten. 4.2 Server Real Networks bietet den eigenen Streaming Server in drei Versionen Basic (Streaming für bis zu 25 Clients gleichzeitig), Plus (65 Clients) und Professional ( Clients). Real Server gibt es für alle Betriebssysteme und unterstützen alle gängigen Streaming Protokolle. Apple bietet einen Open Source Server namens Darwin und einen Quicktime Streaming Server an. Darwin ist für alle Plattformen, Quicktime Streaming Server nur für Macintosh erhältlich. Darwin kann Live-Stream realisieren, verwendet dafür das Protokoll SDP (Session Description Protocol), was Multicast Sessions definiert. Leider bietet Darwin keine Administrations Oberfläche, deswegen manuelle Eingriffe sind notwendig. Quicktime Streaming Server verwendet die Protokolle RTP und RTSP und kann bis zu 3000 Clients gleichzeitig bedienen. Microsoft Streaming Service basiert auf zwei Versionen von Internet Information Server (Version 4-Windows NT Server und Version 5 Windows 2000 Server). Andere Betriebssysteme und unabhängige Protokolle werden nicht unterstützt. Microsoft hat ein eigenes streaming Protokoll, was dem RTP gleichgestellt ist, nämlich das MMS (Microsoft Media Streaming Protocol). MMS ist sowohl unicast als auch multicastfähig [ZAIK].

12 12 Thema 11: Streaming Video 4.3 Player Real Networks bietet als Player Real Player an. Er ist für alle Betriebssysteme erhältlich. Real One Player kann SMIL (Synchronised Multimedia Integration Language) interpretieren. Alle gängigen Video- und Audio Formate werden unterstützt. Apple bietet den Quicktime Player an. Quicktime unterstützt auch alle gängigen Videound Audio Formate, Quicktime VR (Virtual Reality Tool, seine Stärke), Flash und SMIL. Bearbeitung des Videos und Audios ist mit der Pro Version möglich. Quicktime Player ist auch für Windows Betriebssysteme erhältlich. Microsoft ist im Player Markt mit Media Player vertreten. Alle gängigen Formate sind abspielbar. Verschiedene Skins, Audiovisualisierungen Mediadatenverwalter sind integriert. Ausserdem bietet Media Player einen umfangreichen Online Multimedia Portal zur Verfügung. Leider versteht Media Player kein SMIL. Es wird jedoch von IE ab Version 5.5 interpretiert. 4.4 Steuerung der Streams Real Player kann durch SMIL gesteuert werden, somit wird die Synchronisation von Inhalten im Browser möglich. Quicktime profitiert davon, dass Quicktimeformat in den Datenstrom Integrationen von verschiedenen Tracks unterschiedlichen Typs (Texte, HTML, Scriptbfehle etc) erlaubt. Bei Windows Media können Scriptbefehle und Marken direkt im Stream verankert werden. Dies ermöglicht dem Client auf verschiedene Punkte im Stream zu springen. Javascript kann für Steuerung des Media Players eingesetzt werden. Eine Stärke von Microsoft ist die Verwendbarkeit von PowerPoint für Liveübertragungen. Hier verteilt der Videoserver die Daten per Multicast. Dies wird mittlerweile auch von Real Player unterstützt. 5 Mbone Wir haben am Anfang dieser Ausarbeitung bereits im Überblick die unterschiedlichen Kommunikationskardinalitäten Unicast, Broadcast und Multicast behandelt. Eine von diesen Übertragungsmethoden hat in der Mbone Technologie eine besonders wichtige Bedeutung nämlich Multicast. Beim Multicast empfängt nur eine spezifizierte Gruppe Informationen vom Sender. Die Datenpakete werden nicht mehr an alle Empfänger einzeln gesendet, sondern mit der Gruppenadresse, der Multicastadresse, versehen und zur Gruppe geschickt. Unterwegs können diese Datenpakete an den Knotenpunkten beliebig vervielfältigt werden. Dies hängt von der Anzahl der angemeldeten Interessenten ab, die sich über Session Description Protocol (SDP) zu dieser Multicast- Gruppe beteiligen. Der reservierte Adressbereich hier für ist: bis , man spricht auch von einer Class-D-Adresse. Eine IP Adresse hat zwar 32 Bits, aber davon werden 4 Bits für Angabe der maximalen Reichweite der IP- Pakete im Netz benutzt. Für die Gruppenadresse bleiben 28 Bit übrig, so dass sich 2 28 Gruppen unterscheiden lassen. Derzeit wählen die Multicast-Anwendungen (dazu zählen auch die Mbone Tools), oder auch die Nutzer, einfach eine der 2 28 Adressen aus und teilen Sie allen gewünschten Mitgliedern der Gruppe mit - sofern die Adressen nicht vorkonfiguriert sind. Dadurch kann es vereinzelt zur doppelten Nutzung von IP- Multicast-Adressen kommen. Eine Arbeitsgruppe der "Internet Engineering Task Force" (IETF) entwickelt daher ein mehrstufiges Verfahren, um Anwendungen eine

13 Thema 11: Streaming Video 13 zeitlich befristete Reservierung von IP-Multicast-Adressen zu ermöglichen. Eine andere Lösung wäre IPv6, denn dann stehen 112 Bits für Gruppenadressen zur Verfügung [TECC]. Da Multicasting im Internet auf TCP/IP-Protokollen aufsetzt und zur Unterscheidung von Multicasting bei anderen Protokollen wird es deshalb IP-Multicast genannt. Die Auslieferung der Daten vor Ort übernehmen Multicast Router (auch Mrouter genannt). Gegenüber einer Punkt-zu-Punkt Verbindung mit n Teilnehmern, wobei n Datenpakete gleichen Inhaltes die Leitungen durchlaufen, ist bei einer Multicast Verbindung nur ein Datenpaket notwendig. Außerdem erfolgt die Auslieferung der Daten nur dann, wenn Empfänger vorhanden sind. Damit wird ein überflüssiger Datenaustausch verhindert [LUX]. Der Name MBone steht für IP Multicast Backbone on the Internet und wurde im Jahre 1992 von der IETF (Internet Engineering Task Force) ins Leben gerufen. Zur Entwicklung und Anwendung von Konferenzen im Internet unter Nutzung von IP- Multicasting wurde der Adreßbereich reserviert. Die wichtigsten Grundsteine der Mbone Technologie sind die Multicast Router (Mrouter). Diese bilden das gesamte Mbone-Netz, in dem sie alle Multicast-Gruppen- Netze miteinander verknüpfen. Die Mrouter sorgen dafür, dass die Datenpakete zu einem anderen Multicastfähigen Router erfolgreich weitergeleitet wird. Diese Vermittlung findet über eine Unicast Punkt-zu-Punkt Verbindung (Tunnel) statt. Hier werden die Multicast Pakete in ganz normale Unicast-Datagramme verpackt, somit ist gewährleistet, dass nicht multicastfähigen Router diesen Transfer trotzdem bearbeiten können und weiterleiten. Am Ziel werden die Daten dann vom Ziel-MRouter ausgepackt und im Subnetz verteilt. Das Problem bei der IP-Multicast-Routing ist, dass jeder Rechner jederzeit in beliebige IP-Multicast-Gruppen ein- beziehungsweise austreten kann Daher nutzen Router und Endgeräte das in quasi alle Betriebssysteme integrierte "Internet Group Management Protocol" (IGMP, RFC 1112/2236). Will ein Client die Daten einer Multicast-Gruppe empfangen, sendet es ein sogenanntes "IGMP Join". Dann fragt ein Router periodisch alle angeschlossen Clients nach den aktuellen Gruppenzugehörigkeiten. Der IGMP-Datenaustausch wird dabei auf Multicast-Adressen durchgeführt, so daß ein Router parallel alle client abfragen kann und diese die Antworten anderer Endgeräte einer Gruppe ebenfalls empfangen. Dadurch sendet in der Regel pro Multicast-Gruppe nur ein Client einen Report. Empfängt ein Router für einige Zeit keine Reports für eine bestimmte Multicast-Adresse, hört er auf, Pakete dieser Gruppe in das entsprechende Subnetz weiterzuleiten [TECC]. Datenpakete können auch von Mroutern verworfen werden, wenn an den Enden der Subnetze keine Abnehmer vorhanden sind und können dies auch ihren Vorgängern mitteilen. Dieses Verfahren nennt man Pruning. Wenn lokal oder am nachgelagerten Mrouter wieder Interesse an Multicastdaten besteht, werden die Daten wieder weitergeleitet. Dieser Vorgang wird als Grafting bezeichnet [LUX]. Um Daten kontrolliert zu verteilen und ihre Reichweite einzuschränken werden Time to Live (TTL) Parameters eingesetzt. Der Sender initialisiert die Pakete mit einem bestimmten Wert. Bei jedem Mrouter-Durchlauf wird dieser Wert um eins erniedrigt. Ist der TTL-Wert bei Null angekommen, wird das Datenpaket verworfen.

14 14 Thema 11: Streaming Video Mit der Digitalisierung von Fernsehen, Video, Hörfunk und Printmedien nimmt der Bedarf an Broadcast- und Multicast-Übertragung rasant zu. Generell ist der Einsatz von IP-Multicast immer dann zu erwägen, wenn weitgehend identische Daten an Gruppen zu übertragen sind. Die sich daraus ergebenden Einsatzfelder sind vielfältig und umfassen beispielsweise: Audio- und Videoübertragungen, Informationsdienste wie Nachrichten, Wetter, Börse und Verkehr, Video-/Audioabbonements, Simulationen und Multiuser-Spiele usw. Die Unterstützung von Audio- und Videokonferenzen wird von den sogenannten MBone-Tools gewährleistet. Einige Video und Audio Tools sind z.b. RendezVous(Audio/Video), vat (Audio Conferencing), rat (Audio), vic (Video Conferencing) usw. 6 Zusammenfassung In dieser Ausarbeitung wurden Streaming Technologien im Bezug auf Video Streaming, die Grundlagen über die technischen Voraussetzungen sowie Funktionsweisen und Mbone Technologie behandelt. Der Vergleich der drei grössten Unternehmen im Geschäftsfeld Streaming hat uns gezeigt, dass der Kampf um eine vielversprechende Zukunft noch im Anfangsstadion ist. Trotz all den komplizierten technischen Voraussetzungen, die teilweise einen hohen Kostenaufwand aufweisen, wird sich Video Streaming weiterhin entwickeln. Heute fällt es auf, dass sogar auf dem vorhandenen Netzwerk-System basierende Streamingtechnologien hervorragende Ergebnisse produzieren können. Was das konkret bedeutet, Video Streaming hat seine verdiente Anerkennung. Notwendig sind weitere Schritte von den drei verschiedenen Formate von Microsoft, Apple und Quicktime zum Ziel zur Plattformunabhängigkeit und Standartisierung, wenn ein Medium wie Internet als Grundlage festgelegt wird. Ansonsten erfüllen alle Formate die Voraussetzungen für Streaming Video. Allerdings je nach Aufgabenstellung und Zielgruppe sollte man das richtige Werkzeug auswählen. Zum Beispiel, für Präsentationen mit hohen Bandbreiten sind alle Formate beinahe gleich gut. Bei niedrigeren Bitraten jedoch sollte man Real Producer wählen oder wenn eine anspruchsvolle, mit Folien und weiteren von Scripten unterstützten Präsentationen in Rede stehen, sollte man Real Player oder Windows wählen. Quicktime von Apple hat leider Nachholbedarf, jedoch liegt seine Stärke im Bereich Virtual Reality. Zum Schluss wurde noch das Thema IP Multicasting und MBone behandelt.

15 Thema 11: Streaming Video 15 Literatur [SieLex] [Real02] [TurBel] [HenS02] Quicktime Streaming Server 4.1 Datenblatt H. Shulzrinne. Internet Media-on-Demand. The Real-Time Streaming Protocol. Columbia University, 2001, pp 11 [c`t01] S. Hansen, F. Möcke. Video-Streaming. c't, 10/2001, pp 136 [ZAIK] [EricTr] [LUX] [TECC] [TuDre] [RFC] RFC 1058 / 2453

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