Транспортный поток MPEG TS: основные понятия
В данной статье мы рассмотрим основные понятия для MPEG TS, который в настоящее время является стандартом и используется в качестве канального уровня в большинстве систем наземного цифрового телевизионного вещания, использующих передачу пакетных данных в транспортных потоках.
Принимая во внимание то, что структура транспортного потока опирается на некоторые фундаментальные концепции вещания, мы кратко рассмотрим их перед тем, как приступить к MPEG TS.
Вещание и необходимость в сервисах
Большинство вещательных сетей работает, как то, что мы можем назвать однонаправленной сетевой системой (вещательная сеть). Данная структура реализуется таким способом не потому, что невозможно организовать обратный канал с любого устройства в сети, а потому, что конечному пользователю будет довольно затратно приобрести устройство, обладающее необходимыми возможностями. Данная структура делает передачу данных через крупную сеть связи дешевле.
Итак, мы сталкиваемся со структурой, в которой мы должны передавать услуги (например, ТВ каналы) для очень большого количества потребителей. Как вы знаете, старая аналоговая система, используемая для вещания, использует определенную полосу частот в радиочастотном диапазоне. Каждая часть полосы частот называется каналом. Так, в аналоговом телевидении в одном частотном канале у нас передавался только один ТВ канал.
С развитием цифровой передачи мы перестаем использовать концепцию аналоговых данных, и начинаем использовать концепцию передачи битов. Это означает, что в частотном канале, котором ранее передавались видео и аудио сигналы, теперь передаются двоичные данные (обратите внимание, что эти данные передаются последовательно). Использование бита в качестве единицы передаваемых данных дает гибкость для передачи множества типов файлов, что подразумевает снятие ограничения, при котором в канале передавался только один ТВ канал, один аудиоканал и т.д. Теперь канал – это пакет байтов, которые вещатель может распределять, чтобы передавать пользователям множество типов данных. Однако, как мы можем послать все эти данные без их смешивания. Ответ на этот вопрос – мультиплексирование с временным разделением каналов и MPEG TS, который был разработан для возможности такого способа передачи.
Что такое MPEG TS?
MPEG TS определяет канальный уровень, а также уровни данных сервисной информации (с точки зрения модели OSI, MPEG TS охватывает уровни от канального до транспортного). Вся передача данных выполняется с использованием пакетов фиксированного размера, известных как «TS-пакеты». TS пакеты – это базовые кирпичики, в которых передаются все данные канала, а кроме того, они позволяют реализовать временное мультиплексирование, необходимое для передачи.
Структура TS пакета изображена на рисунке ниже:
Любая передача в канале осуществляется путем отправки одного TS пакета за другим (минимальный блок передачи данных составляет 184 байта). Как было показано на рисунке выше, пакет состоит из двух частей:
- Заголовок
- Полезная нагрузка
Полезная нагрузка – это просто двоичные данные для верхних уровней; уровней, которые выходят за рамки темы данной статьи.
4 байта заголовка разделены на несколько секций:
| Название | Длина (бит) | Описание |
|---|---|---|
| Синхробайт | 8 | Постоянное значение (0x47), используемое для определения начала TS пакета. |
| Индикатор транспортной ошибки (TEI) | 1 | Информирует о том, что текущий пакет должен быть проигнорирован, так как содержит биты с ошибками. |
| Индикатор начала полезной нагрузки | 1 | Используется, чтобы указать, какой тип информации представлен в полезной нагрузке (устанавливается равным 1, когда PES, PSI или DVB-MIP пакеты идут сразу после заголовка). |
| Транспортный приоритет | 1 | Дает более высокий приоритет данному пакету по сравнению с другими пакетами с тем же PID. |
| PID | 13 | Идентификатор пакета. В нем заключается вся суть возможностей мультиплексирования в MPEG TS. В следующем разделе рассмотрим его подробнее. |
| Управление шифрованием | 2 |
|
| Наличие поля адаптации | 1 | Информирует о наличии дополнительных заголовочных битов. |
| Наличие полезной нагрузки | 1 | Данный бит используется с некоторыми особыми типами пакетов (нулевые пакеты и пакеты PCR). |
| Счетчик непрерывности | 4 | Еще одна составляющая сути мультиплексирования. Этот счетчик используется верхним уровнем (т.е. любым протоколом в полезной нагрузке), чтобы знать, когда произошла потеря данных. |
В этой таблице наиболее важными полями являются PID и счетчик непрерывности. В следующем разделе мы кратко рассмотрим их.
Мультиплексирование данных
В начале статьи я упомянул, что одной из ключевых особенностей MPEG TS является возможность мультиплексирования данных. Но как достигается это волшебство? Ну, всё связано с PID.
Значение PID является ключом, который используется в качестве идентификатора типа данных, которые идут через поток. Это означает, что я могу выбрать PID для идентификации видеосигнала, другой PID для идентификации звука для этого видео и, наконец, третий PID, который связывает видео и звук (также известный как таблица структуры программы или «Program Map Table», PMT). Со всеми этими данными приемник может реально показать видео и связанный с ним звук, если он знает, как обнаружить PMT пакеты. И это всё? Конечно, нет! Таким же образом я могу создать множество пар пакетов видео и звука с их PMT и передавать всех их через тот же канал, что дает нам возможность создать мультиплекс из нескольких ТВ каналов, использующих один канал передачи данных! Конечно, приемнику будет нужен четвертый тип пакета, чтобы узнать, какие программы идут в потоке: также известный как таблица программ или «Program Association Table», PAT.
На следующем рисунке приведена идея мультиплексирования программ:
На диаграмме выше, у нас три ТВ канала передаются в одном потоке. Все показанные таблицы являются более или менее связанными группами данных. Обратите внимание, что в этом примере, если приемник хочет знать все программы в канале, ему необходимо просто прочитать PAT (которая хоть в данном примере и передается в одном пакете, но это не всегда так делается). Таким образом, приемник знает все программы, которые есть в наличии, и если он хочет настроиться на одну из них, ему просто необходимо прочитать PMT пакет и начать фильтровать все пакеты с необходимыми видео и аудио, отклоняя видео и звук ненастроенных каналов. В заключение отметим, что PID позволяет мультиплексировать данные, а также предоставляет приемнику механизм фильтрации данных, которые необходимо использовать.
MPTS пакеты несут только 184 байта данных полезной нагрузки. Любой человек, который когда-либо использовал видео или аудио файлы, знает, что этот объем данных довольно мал, чтобы переносить какой-либо объем видео/аудио данных. Таким образом, транспортный уровень отвечает за перенос этой информации (уровень выше MPTS), но всё же мы должны знать, как собрать данные полезной нагрузки, и, самое главное, знать, как определить, когда данные полезной нагрузки были потеряны (нам необходима способность обнаружения случаев потери пакета данных!). Механизм обнаружения потери данных предоставляется счетчиком непрерывности.
Счетчик непрерывности (Continuity counter, CC) – это счетчик от 0 до 15, связанный с PID (CC относится только к PID, в котором он был передан). Он увеличивается на единицу каждый раз, когда в поток передается пакет связанного с ним PID. При таком подходе обнаружение потери пакета осуществляется путем анализа потерь значений в циклическом счетчике в принятых пакетах. Таким образом, если в циклическом счетчике потеряется значение, уровень TS сможет сообщить своему верхнему уровню, что он потерял часть переданных данных, позволяя верхнему уровню выбрать действие, которое необходимо выполнить в этом случае (в большинстве случаев происходит отбрасывание поврежденной информации).
Следующие значения CC показывают пример потери данных, которая обнаруживается благодаря нарушению в последовательности значений счетчика непрерывности (для примера мы допустим, что 4 видео TS пакета представляют собой один видео кадр, и, если кадр будет потерян, то декодер выведет на экран сообщение «No signal!»). Обратите внимание, что CC является циклическим.
Вот и всё! Надеюсь, статья оказалась вам полезной. Оставляйте комментарии!