Digi-tv:n välittäminen dataverkossa

Transkriptio

1 Digi-tv:n välittäminen dataverkossa Tämä dokumentti kuvaa miten tietokoneiden käyttämää dataverkkoa voidaan hyödyntää suorien televisiolähetysten välittämiseen käyttäjille. Esimerkkinä käytetään Turun koululaitoksen opetusverkkoa, johon on rakennettu testiympäristö. Dokumentti sisältää keskeisimmät tekniset ja oikeudelliset ongelmat. Kirjoittaja: Tero Pelander, TOP-keskus, Turun opetustoimi Kirjoitettu: 24. helmikuuta 2006 Muokattu: 7. syyskuuta 2006, lisätty kappale Ohjelmien taltiointi Sisällysluettelo Digi-tv:n välittäminen dataverkossa Alustus Videokuvan välittämisen tekniset minimivaatimukset...2 Vain yksi vastaanottaja...2 Useita vastaanottajia...2 Useita kanavia ja useita vastaanottajia Digi-tv:n lähetykset ja Turun koululaitoksen opetusverkko...3 Verkon nopeus...3 Digi-tv:n muunnos multicast lähetykseksi...4 Multicast lähetyksen vastaanotto tietokoneella Tv-kanavien ohjelmatuottajat Ohjelmien taltiointi Yhteenveto...8

2 0. Alustus Toistaiseksi televisiolähetykset ja tietokoneiden käyttämät dataverkot ovat olleet toisistaan riippumattomia. Kuitenkin dataverkkojen keskimääräiset nopeudet kasvavat vuosittain huomattasti. Jo muutama vuosi sitten puhelinoperaattorit totesivat dataliikenteen määrän ylittävän puheliikenteen määrän ulkomaan verkoissa. Tämän takia puhelinoperaattorit ovat itsekin siirtymässä puheliikenteen siirtämiseen osana dataliikennettä. Video vaatii huomattavasti enemmän kaistaa kuin puhe. Kuitenkin dataverkkojen huima kasvunopeus antaa nykyisin mahdollisuuden alkaa siirtää myös videoiden välitystä osaksi yleistä dataliikennettä. Ensimmäinen osa käsittelee teknisiä minimivaatimuksia ja teknisiä ongelmia. Toisessa osassa esitellään Turun koululaitoksen opetusverkossa toteutettu tv-lähetysten välittämiseen rakennettu testiympäristö. Kolmas osa keskittyy oikeudellisiin ongelmiin. Videon sisältö on tekijänsä omaisuutta ja omistaja yleensä haluaa myös maksun tuotteestaan. Neljäs osa käsittelee ohjelmien tallennusta käytettäväksi lähetysajan ulkopuolella. Viimeisenä osana on yhteenveto. 1. Videokuvan välittämisen tekniset minimivaatimukset Vain yksi vastaanottaja Lähdetään liikkeelle ajatuksesta, että välitetään vain yhtä videokanavaa yhdelle vastaanottajille. Suomessa digi-tv:ssä yksittäinen kanava vaatii noin 4 Mb/s kaistaa. Lähetettäessä DVD-levylle talletettua videota, kaistan vaatimus voi olla jopa 9 Mb/s. Tämä antaa dataverkolle miniminopeuden, jota ei voida alittaa ilman, että videota koodataisiin uudestaan tiiviimpään muotoon. Useat kodit ja jotkut yritykset käyttävät ADSL liittymiä (asyncronous digital subscriber line) liittääkseen paikalliset laitteet internettiin. ADSL-liittymien nopeudet vaihtelevat välillä 128 kb/s - 8 Mb/s. Tämä luku ilmoittaa kohteeseen saapuvan liikenteen maksiminopeuden. Tällä hetkellä nopein ADSL-liittymä, 8 Mb/s, riittää siis yhden digi-tv:n kanavan välittämiseen. Toiseksi nopein, 4 Mb/s, ei enää riittäsi edes siihen. Kumpikaan ei pystysi välittämään DVD-levyn koko videovirtaa reaaliajassa. Jos halutaan välittää useita videokanavia samanaikaisesti tai antaa tilaa muulle liikenteelle, ADSL-liittymän nopeudet eivät riitä. Useita vastaanottajia Kun samaa videota on seuraamassa useita henkilöitä, niin tieto voidaan lähettää kahdella eri tavalla. Perinteinen tapa on lähettää jokaiselle vastaanottajalle video erikseen. Jos katsojia on paljon, niin tämä luo lähetyspisteelle ongelman kaistan riittämisestä. Jos meillä on esim. tilanne jossa digi-tv:n lähetystä seuraa 50 henkilöä niin lähetyspäässä pitää olla vähintäin 50 x 4 Mb/s = 200 Mb/s kaistaa käytettävissä koko ajan. Vastaanottajien määrän lisääntyessä myös lähetyskaistan tarve lisääntyy lineaarisesti. Parempi vaihtoehto suurilla vastaaottajamäärillä on käyttää ns. multicast lähetystä. Tällöin video lähetetään vain kerran verkkoon ja sitä kopioidaan kaikkiin niihin verkon haaroihin, joissa on vähintäin yksi vastaanottaja. Näin lähetyspäässä tarvitaan vain 4 Mb/s kaistaa vastaaottajien lukumäärästä riippumatta. Multicast liikenteen käytössä on yksi tärkeä ongelma. Vaikka se on mahdollista, niin useimmissa verkoissa sen tukea ei ole kytketty päälle. Jotta multicast liikenne kulkee verkon osasta toiseen, pitää reitittimien tukea sitä ja sisältää tarvittavat määrittelyt. Tilanne ei ole kuitenkaan aivan niin synkkä, miltä se kuulosta.

3 Internetin protokollasta on kehitetty uusi versio, joka tunnetaan nimellä IPv6 (Internet Protocol version 6). Vanhempi laajasti käytössä oleva versio tunnetaan nimellä IPv4. Tavalliselle käyttäjälle niiden erot eivät juurikaan näy. IPv6 perusvaatimuksiin kuuluu, että multicast tuki on päällä. Se myös mahdollistaa huomattavasti yksinkertaisemman multicast liikenteen jakamisen eri vastaanottajatasoihin. Näitä tasoja ovat mm. paikallisverkko, alaosasto, koko organisaatio, maailma. Toinen hyvä syy valita ipv6 multicast on skaalautuvuus. Vaikka käytössä olisi ipv4 verkko, jossa jo on multicast tuki päällä, niin multicast osuuden laajentaminen on usein ongelmallista. Ipv6 sisältää uusia mahdollisuuksia kuten embedded-rp (Embedded Rendezvous Point), joka tekee globaalin multicast verkon rakentamisen yksinkertaiseksi. Toistaiseksi ipv6:n käyttö on vielä vähäistä Euroopassa. Suomessa sitä käyttävät mm. yliopistot ja kaikki isoimmat internetyhteyksiä tarjoavat yritykset. Myös Turun koululaitos on ottanut sen käyttöön vuoden 2006 alusta. Useita kanavia ja useita vastaanottajia Kun ajatellaan Suomen digi-tv lähetyksiä, niin meillä on 10 kanavaa, joissa on salaamatonta materiaalia. Sen lisäksi meillä on kanavia, joilla ainakin osa ajasta on salattua materiaalia. Kun katsojien määrä on huomattavisti isompi kuin kanavien määrä, niin ainoa toimiva vaihtoehto on käyttää multicast lähetyksiä. Kymmenen kanavaa tarkoittaa, että lähetyspäässä pitää olla jatkuvasti vähintäin 10 x 4 Mb/s = 40 Mb/s kaistaa, joka voidaan käyttää tv-lähetyksiin. Jos jossakin aliverkossa katsotaan kahta eri kanavaa samanaikaisesti, niin kyseisessä aliverkossa kaistan tarve on 8 Mb/s. Vaikka samassa aliverkossa olisi 20 työasemaa avattu samalle kanavalle ja jotain toista kanavaa katsotaan myös, niin kaistan kulutus on vain kaksi kertaan yksittäisen kanavan vaatima määrä. Käyttäen 10 kanavaa saadaan verkon miniminopeudeksi 40 Mb/s. Tällöin jokaisessa kohteessa voidaan samanaikaisesti seurata kaikkia kanavia. Tämän lisäksi verkossa pitää olla edelleen runsaasti tilaa myös muulle liikenteelle. Lopputulos on, että jos dataverkko on vähintäin 100 Mb/s, kannattaa teknisesti digi-tv:n lähetysten siirto dataverkkoon toteuttaa esimerkin laajuisesti. 2. Digi-tv:n lähetykset ja Turun koululaitoksen opetusverkko Verkon nopeus Turun koululaitoksen dataverkon runko-osa on tähtimäinen gigabit ethernet verkko. Kunkin koulun opetusverkko muodostaa oman paikallisverkkonsa, joka on kytketty runkoverkkoon. Keskuksena toimii reititin, joka tukee sekä ipv4 että ipv6 yhteyksiä. Kaiken kaikkiaan verkko kattaa 67 peruskoulua ja lukiota ja lisäksi suomen ja ruotsinkieliset työväenopistot. Vaikka gigabit ethernet tarkoittaa 1000 Mb/s nopeutta, niin tätä ei ole kuitenkaan hyödynnetty täydellisesti käyttäjille asti. Lähes kaikissa kouluissa runkoliittymä on kytketty 24 porttiseen 100 Mb/s kytkimeen, jossa on yksi 1000 Mb/s portti runkoverkkoon liittämistä varten. Näin ollen maksimi nopeus, jota voidaan hyödyntää multicast lähetyksissä on 100 Mb/s. Digi-tv:n lähetykset muunnetaan dataverkon multicast lähetyksiksi Tietokone opetuksessa -keskuksessa, TOPkeskuksessa. TOP-keskus on Turun koululaitoksen erillisyksikkö, joka keskittyy sekä opettajien tieto- ja viestintätekniikan taitojen kouluttamiseen että uusien palvelujen kokeilemiseen ja tarjoamiseen henkilökunnalle ja oppilaille. TOP-keskuksen runkoverkkoon liitetty kytkin on muista poiketen gigabit ethernet kytkin, jossa on "MLD snooping" (Multicast Listener Detection snooping) tuki. Ominaisuus "MLD snooping" tarkoittaa, että kytkin pystyy toteamaan missä porteissa on ipv6 multicast lähetyksen vastaanottajia. Näin kytkin pystyy lähettämään multicast lähetykset vain niihin portteihin, joihin sitä tarvitaan. Kytkin siis pystyy tekemää saman, mitä runkoverkon reititin tekee. Koska MLD snooping on vielä kohtalaisen uutta tekniikkaa, se on toistaiseksi saatavilla yleensä vain valmistajien

4 kalliimmista laitteista.. TOP-keskuksessa laitteeksi valittiin "Cisco Catalyst 3650G, enhanced image". Vaikka laitteen ostohinta on noin kaksinkertainen vastaavaan ilman MLD snooping ominaisuutta, niin se on hyödyllinen sijoitus lähetyspisteessä. Ilman tätä, jokainen TOP-keskuksen paikallisverkossa oleva laite saisi 40 Mb/s multicast liikennettä jatkuvasti. Koulujen kohdalla oletetaan, että normaalisti yhdessä koulussa ei seurata kuin yhtä tai kahta kanavaa yhtä aikaa. Vaikka koulujen kytkimissä ei ole MLD snooping ominaisuutta, niin laitteet saavat vain 4 tai 8 Mb/s ylimääräistä liikennettä. Tämä on riittävän pieni määrä, että se ei haittaa muuta verkkoliikennettä. Digi-tv:n muunnos multicast lähetykseksi Analogiset kanavat lähetetään kukin omalla taajuudellaan. Sen sijaan digi-kanavat lähetetään kanavapaketteina. Yksittäinen kanavapaketti sisältää usean eri kanavan sisällön. Yle:n kanavapaketti sisältää mm. seuraavat tv-kanavat: Yle tv1, Yle tv2, Yle 24, Yle Teema ja Yle FST. Sen lisäksi kanavapaketti sisältää joitain radiokanavia ja lisätietoja kuten tulevien tv-ohjelmien aikataulut. Yhdellä digi-virittimellä saadaan siis 5 eri tv-kanavan sisältö kerralla. Digi-viritin seuraa vain yhtä lähetystaajuutta ja ohjelmiston ongelmaksi jää erottaa kanavat toisistaan. Itse asiassa lähes kaikissa tietokoneisiin asennettavissa digivirittimissä on kyky valita haluttu kanava paketin sisältä ja toimittaa vain se eteenpäin ohjelmistolle. Jos halutaan seurata salattua kanavaa, niin yleensä digi-virittimeltä pitää nimen omaan pyytää vain kyseistä kanavaa. Tällöin laitte pysty purkamaan salauksen ennen kuin sisältö lähetetään ohjelmistolle. Koska tavoite oli saada mahdollisimman moni kanava näkymään päätimme hyödyntää vain ilman salausta lähetettävät kanavat. Näin ollen kaksi digi-viritintä riittää siihen, että saamme 10 tv-kanavaa välitettyä dataverkkoon. TOP-keskuksessa yhteen palvelimeen on sijoitettu kaksi kaapeli digi-tv korttia. Korttien valintakriteereinä oli linux:ssa toimiva ajuri ja kyky antaa kanavapaketin koko sisältö ohjelmistolle. Koska käytetyssä palvelimessa ei ole nopeaa usbväylää, valitsimme laitteen sisälle laitettavan kortin. Valitun kortin malli on Terratec Cinergy 1200 DVB-C. Palvelimen ohjelmistona on VLC client [1]. Kyseisen ohjelmiston linux versio pystyy vastaanottamaan digi-virittimen dataa ja kopioimaan kunkin halutun kanavan eri multicast lähetykseen. Kustakin kanavasta välitetään kaikki äänikanavat ja tekstityskanavat. Näin käyttäjä voi esim. valita kielen monikielisissä lähetyksissä. Kustannukset digi-tv lähetysten muuntamisesta dataverkkoon ovat mitättömät verrattuna siihen, että hankittaisiin joka kouluun erillisiä digi-tv sovittimia tai tietokonekortteja. Kustannukset ilman työpalkkoja: Kytkin "MLD snoop" ominaisuudella 5000 Palvelin 1000 Digi-tv kortit, 2 kpl 2 x 100 Ohjelmistot yhteensä 6200 Jos laskettaisiin, että joka kouluun oltaisiin hankittu edes yksi digi-tv kortti, niin sen hinnaksi olisi tullut 69 x 100 = Lisäksi pitää huomioida, että rakennusten antenniverkkojen kunnostamiseen digi-aikaan uppoaa myös runsaasti rahaa: Turussa budjettiin on merkitty yli / vuosi päällekkäisten digiverkkojen rakentamiseen. Säästyvät rahat voitaisiin sijoittaa järkevämmin dataprojektoreihin tms. [1] VLC client, Multicast lähetyksen vastaanotto tietokoneella Koska kanavan sisältö lähetetään ipv6 multicast lähetyksenä, tarvitaan tietokone, jossa on ipv6 tuki. Ensimmäinen Windows versio, jossa on virallisesti ipv6 tuki on Windows XP SP1. Turun koululaitoksessa on asennettu keskitetysti ipv6 tuki päälle kaikissa Windows XP tietokoneissa.

5 Lähetyksen katsomista varten tietokoneisiin on asennettu ohjelma VLC client. Kyse on täsmälleen samasta ohjelmasta, jota käytetään multicast lähetysten tekemiseen. Ohjelma valittiin, koska se on käyttäjille yksinkertainen ja lisäksi helppo asentaa keskitetysti. Ainakin Quicktime ohjelmiston uusimmat versiot olisivat toimineet myös. Quicktime ohjelmistoa ei kuitenkaan testattu monikielisten lähetysten saati tekstityksen kanssa. Jotta multicast lähetyksen valinta olisi mahdollisimman yksinkertaista, Windowsin käynnistysvalikkoon tehtiin ohjelmaryhmä "TV-kanavat". Sen alla on lueteltu 10 tv-kanavaa. Kukin niistä käynnistää VLC client ohjelman sopivilla parametreillä. VLC media player ohjelmassa käynnistyksen jälkeen käyttäjälle näytetään ensimmäisen videokanavan sisältö, ensimmäisen äänikanavan sisältö ja tekstitystä ei näytetä. Jos käyttäjä haluaa vaihtaa kieltä tai kytkeä tekstityksen päälle, hänen pitää painaa hiiren oikea nappia kuvan päällä ja valita haluamansa ääni- tai tekstityskanava. Otetaan muutama esimerkki: Käyttäjä, joka alkaa seuraamaan Yle 24 kanavan Euronews ohjelmaa, saa oletuksena englanninkielisen äänen. Kyseisessä lähetyksessä on kaiken kaikkiaan neljä erillistä äänikanavaa. Hän voi ohjelmaa seuratessaan valita listasta vaikka saksankielisen selostuksen. Oletuskieli määräytyy sen mukaan, minkä Yle on lähetystä koostaessaan valinnut ensimmäiseksi kieleksi. Käyttäjä, joka seuraa Ylen kanavalla ulkomaalaista elokuvaa, huomaa tekstityksen puuttuvan. Jos hän haluaa kieliharjoittelun sijaan tekstityksen, niin hän valitsee hiirellä tekstityskanavan. Elokuvassa saattaa olla sekä suomen että ruotsinkielinen tekstitys. Käyttäjä voi valita kumpaa hän seuraa. 3. Tv-kanavien ohjelmatuottajat Tällä hetkellä yllä kuvattu toiminta on ns. harmaata aluetta. Se muistuttaa lähinnä kaapelitv-verkkojen toimintaa. Paikallinen tavoitteemme on saada ainakin vuodeksi 2006 testilupa toiminnan mahdollisten ongelmien selvittämiseksi. Tämän jälkeen olisi tarpeen varmistaa, että samanlaiset projektit voivat edetä myös muissa kunnissa.

6 Suomessa sairaalat ovat ilmoittaneet, etteivät millään ehdi uusimaan kaikkia televisiovastaanottimiaan analogisten lähetysten loppumiseen mennessä. Tämän takia sairaanhoitopiirit ovat anoneet poikkeuslupaa muuntaa digi-tv:n sisältöjä analogisiksi lähetyksiksi paikallisesti. YLE ei ole halukas tähän, koska se huonontaa tv-palveluja. Käyttäjät eivät voi esim. valita haluamaansa kieltä monikielisissä lähetyksissä. Tässä dokumentissa esitetyssä tavassa ei lähetyksen sisältöä muokata mitenkään. Se vain jaetaan kanavapaketista yksittäisiin kanaviin, kuten normaalisti tapahtuisi paikallisessa digi-tv virittimessä. Käyttäjä voi edeellen valita sen osan sisällöstä, josta on kiinnostunut. Vaikka tietokoneet muuttuva televisioiksi, niin käyttäjien pitää maksaa tv-lupamaksunsa. Suomen laki määrittelee, että laite, jolla voi katsoa tv-lähetystä on televisio. Näin ollen siirrettäessä tv-lähetykset dataverkkoon kaikki ne tietokoneet, joissa on vastaanottoon soveltuva ohjelmisto, ovat televisioita. Turun koululaitoksen maksamat vuotuiset TV-lupamaksut ylittävät Maksuperusteena on koulukiinteistöjen määrä. Koulujen työajat ja tv:n lähetysajat kohtaavat vain harvoin, jos ollenkaan, ellei ohjelmia tallenneta. Tämän takia olemme kokeilleet myös keskitettyä ohjelmien tallennusta.

7 4. Ohjelmien taltiointi Kun tv-signaali siirtyy erillisestä antenniverkosta tietokoneiden käyttämään dataverkkoon, niin myös vanhat videonauhurit lopettavat toimintansa. Käyttäjillä on kuitenkin edelleen tarve saada ohjelmien sisältö näkymään muulloinkin kuin alkuperäisenä lähetysaikana. Vaikka ohjelmien taltiointi on periaatteessa mahdollista jokaisessa tietokoneessa erikseen, niin pidimme keskistettyä ratkaisua parempana vaihtoehtona kouluympäristössä. Tämän takia lisäsimme olemassa olevan weppipalvelimen yhteyteen mahdollisuuden ohjelmien ajastettuun tallennukseen. Tämä vaati vain tallennustilaa ja muutamat yksinkertaiset weppisivut, jotta palvelu olisi opettajien käytettävissä. Käyttäjälle annetaan yksinkertainen valikko, jossa hän voi ajastaa korkeintaan viikkon etukäteen tulevia ohjelmia. Samalta kanavalta samalla aloitusajalla olevia ajastuksia voi olla vain yksi kappale. Jos joku toinen opettaja on jo ajastanut ohjelman tallennuksen, niin uutta ajastusta ei oteta vastaan. Kuka tahansa verkon käyttäjä, myös oppilas, voi katsoa mitä ohjelmia on ajastettu ja hakea tallennettuja ohjelmia katsottavaksi. Palvelu olisi voitu sijoittaa samaan palvelimeen, joka hoitaa tv-lähetysten siirron dataverkkoon. Päätimme kuitenkin sijoittaa sen erikseen, jotta nämä eivät voi häiritä toisiaan. Käytämme erillistä 2 TB levyjärjestelmää, johon ohjelmat tallennettaan. Tämä levytila riittäisi taltioimaan 10 tv-kanavalta 4,6 vuorokauden ajalta kaiken lähetetyn ohjelmiston. Koska vain ohjelmat, joista joku on kiinnostunut, tallennetaan, niin tämän levytilan pitäisi riittää hyvin 2 viikon säilytykseen. Kun ohjelman tallennuksesta on kulunut kaksi viikkoa, niin se poistetaan palvelimelta. Käyttäjät ovat voineet tänä aikana tehdä ohjelmasta henkilökohtaisen kopion omalle tietokoneelleen. Näin yhteisellä tallennuspalvelimella on aina tilaa tallentaa uusia ohjelmia.

8 5. Yhteenveto Jos käytettävissä on vähintäin 100 Mb/s dataverkko, niin televisiokanavien välitys on mahdollista osana dataverkkoa. Verkon pitää tukea multicast lähetyksiä. Yleisesti paras vaihtoehto on käyttää ipv6 multicast lähetyksiä. Jos tämä ei ole mahdollista, niin ipv4 multicast lähetyksiä voidaan käyttää pienissä verkoissa. Keskitetty digi-tv-lähetysten siirto dataverkkoon on kustannuksiltaan edullinen vaihtoehto. Sen lisäksi, että laitehankintoja tarvitaan vähemmän niin myös rakennuksen antenniverkkojen digi-aikaan kunnostaminen voidaan unohtaa. Toimintaympäristömme lähes 4000 työasemaa saavat virtuaalisesti antenniverkkojen ja digiboksien tehon ilman että nykyinen tekniikka vanhenee ajan oloon tai pitäisi hankkia uutta. On keskitetysti yksi kaapeliverkkoon liitetty tietokone ja runsaasti levytilaa. Ohjelmien dataverkossa välittämisen oikeudellinen osa on vielä harmaata aluetta. Tämä olisi syytä saada selvitettyä mahdollisimman pian. Jos tässä esitettyä mallia voidaan hyödyntää koko maassa, niin voidaan välttää huomattavilta virheinvestoinneilta. Analogiset lähetykset lopetetaan Jos päivämäärä tulee lähelle ja tilanne on edelleen oikeudellisesti epäselvä, niin kuntien on pakko etsiä muita keinoja tv-lähetysten vastaanottamiseen.