Implantação do Serviço de IPTV em uma rede acadêmica: Um Estudo de Caso na Faculdade Católica do Tocantins

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1 Implantação do Serviço de IPTV em uma rede acadêmica: Um Estudo de Caso na Faculdade Católica do Tocantins Aline Diniz de Oliveira, Joaquim Pires de Oliveira, Kayllah Cunha dos Santos, Stéphany Moraes Martins, Umbelina Macedo dos Santos Filha Faculdade Católica do Tocantins FACTO Palmas TO Brasil {alinedinizn.n, joaquim.p.oliveira, kayllahcds, Resumo. Soluções baseadas em redes de comunicação podem ser aplicadas nas mais diversas áreas, tais como a Televisão Digital e comunicação entre dispositivos móveis. O presente artigo se propõe a descrever os estudos e experimentos realizados no desenvolvimento de um servidor IPTV na Faculdade Católica do Tocantins (FACTO) para distribuir conteúdo institucional na Internet, utilizando um servidor Video on Demand (VoD) e uma página web como meio de acesso ao streaming de vídeo disponibilizados pelo servidor. Introdução A idéia de um servidor IPTV consiste na entrega de sinais de TV usando redes privadas que compreendem IP (Internet Protocol). Para tornar isso possível, a construção de um servidor IPTV deve agregar diversas tecnologias e estudos sobre: A implementação da infra-estrutura de hardware e software que ofereçam suporte à distribuição de conteúdo em uma rede IP. Problemas relacionados a redes de comunicação, tais como: recursos escassos em relação à vazão, baixo nível de tolerância a ruídos e interferências e atrasos gerado pela insuficiência de taxa de transmissão das tecnologias de redes de computadores existentes (MONTEIRO, 2010). O desenvolvimento de aplicações e a distribuição de multimídias oferecem problemas inerentes à manipulação de áudio e vídeo, tais como: manipulação e transferência de grande quantidade de dados, largura de banda utilizada para transmissão das mídias, requisitos temporais para captura, transmissão e exibição. Segundo DA SILVA (2010) o que diferencia a IPTV de outras formas de TV Digital é o canal de retorno, permitindo uma rápida implantação de serviços interativos. Dessa forma, a TV pode ser transformada em um centro de informação e comunicação de maneira mais rápida. A IPTV tem o potencial de permitir a convergência de diversas aplicações de comunicação e informação hoje existentes. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 189

2 A implantação de um servidor IPTV necessita de estudos preliminares da infraestrutura requerida a um serviço VoD (Video on Demand Vídeo sob Demanda). Neste caso, foi desenvolvido um estudo com foco na transmissão de vídeos que serão disponibilizados na rede. O objetivo do projeto foi realizar um estudo e implantar um servidor de stream IPTV, ou seja, de um servidor de vídeo (VoD) para uso na FACTO sendo ele uma das características que compõem um servidor IPTV. O servidor VoD oferece programações voltadas para o interesse dos cursos existentes na instituição, promovendo um ambiente de ciência e tecnologia. Além de possibilitar, posteriormente, os estudos sobre a qualidade de transmissão para o ambiente acadêmico e comunidade externa na apresentação de conteúdos educacionais, entretenimento, mensagens do coordenador, docentes e discentes. E com isso, promovendo um ambiente interativo e proporcionando a difusão do conhecimento. Este documento está estruturado da seguinte forma: A seção 2 apresenta uma revisão de literatura sobre os principais aspectos relacionados à montagem de um servidor IPTV, sendo abordado na subseção 2.1 Tipos De Transmissão (Unicast, Broadcas E Multicast) e 2.2 Vídeo sob Demanda, que ferramenta utilizada para a transmissão das mídias. Já a seção 3, discute as Descrição de Ambiente Experimental. Na seção 4. Resultados obtidos. Por fim, a seção 5 apresentada as conclução e trabalhos futuros. 2. IPTV (Internet Procotol Television) O objetivo do serviço IPTV é oferecer aos usuários transmissões de um conteúdo multimídia através da utilização do protocolo IP, tornando o modo convencional de assistir televisão mais interativo. Como o próprio nome indica, a transmissão de um servidor IPTV é realizada através da Internet, ambiente no qual existem ligações de banda larga em redes privadas, sendo o sinal recebido e decodificado por um Set-Top-Box (STP) e finalmente reproduzido no televisor (RODRIGUES, 2006). Porém, as limitações inerentes ao transporte de informações em rede IP são também impostas a esse serviço, por isso, requer estudo e definição de Qualidade de Serviço (QoS) e Qualidade de Experiência (QoE). O serviço IPTV possui características como: suporte por TV interativa (HDTV, VOD), otimização dos recursos disponíveis enviando apenas um canal de utilização, maior acessibilidade, pois o conteúdo está acessível também através de um computador ou dispositivos móveis. Permite que o usuário adapte o mesmo ao seu modo de utilização. Essa adaptação do sistema de acordo com as necessidades dos seus usuários possibilita a criação de novos serviços tarifados economicamente, sendo favorável para ambos, quem disponibiliza e quem usa o serviço (SANTOS, 2010). Segundo SANTOS (2010) Os componentes que compreendem a arquitetura da IPTV são: O head-end, onde é realizada a aquisição dos conteúdos através de satélites, câmeras digitais, além da codificação e empacotamento dos dados. É por 190 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

3 meio do head-end que a informação é transmitida através de uma rede IP, podendo ser distribuído como uma Broadcast TV, onde os sinais de satélite são recebidos e decodificados, através de um Set-Top-Box, recodificando, multiplexando os sinais recebidos e envia-os por stream em tempo real com a utilização de protocolo de Multicast. Uma outra forma de transmissão é a utilização do VoD, no qual o conteúdo multimída é armazenado em um servidor VoD; Middleware, responsável pelo controle e gerenciamento de uso do usuário, possibilitando realizar funções como: autenticação, faturação e proteção de conteúdo; Proteção de conteúdo, responsável pela encriptação e gestão dos Digital Media Rights; Rede de transporte e de acesso, rede pela qual os usuários terão acessos aos serviços da IPTV. Através de estudos e experiências foi possível caminhar com os primeiros passos para a construção da IPTV da FACTO, através da criação da definição de uma infraestrutura inicial que pudesse conter um servidor VoD para hospedagem dos conteúdos disponibilizados aos usuários deste serviço através de um frontend (página web), podendo ser acessado sempre que o usuário sentir necessidade ou interesse Tipos de transmissão (unicast, broadcas e multicast) Os modos de transmissão de streaming podem ser classificados de três maneiras, são eles: Unicast, que é um endereçamento para um pacote feito a um único destino, ou seja, ponto-a-ponto. O Broadcast, onde existem vários receptores ao mesmo tempo. E o Multicast, onde a entrega de informação ocorre para múltiplos destinatários simultaneamente pertencentes a um mesmo grupo previamente definidos (PINHO, 2002). Logo a frente cada tipo de transmissão será demonstrada. A figura 1 mostra o funcionamento de uma transmissão Uniscast, onde um pacote é envidado para um único cliente da estação. Figura 1: Transmissão em Unicast. Quando um aplicativo faz Broadcast de dados, ele torna uma cópia dos mesmos disponível a todos os outros computadores na rede. (COMER, 2007, p.137). XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 191

4 Figura 2: Transmissão em Broadcasting. A figura 2 representa a transmissão em Broadcast, onde todos os computadores de uma estação irão receber a mensagem envidada pelo servidor de streaming. E a próxima figura ilustra a transmissão em Multicast, onde apenas alguns dos computadores receberam a mensagem. Figura 3: Transmissão em Multicast O Multicast opera de forma muito semelhante ao Broadcasting. Uma cópia da mensagem viaja através da rede e as interfaces de rede em todas as estações recebem uma cópia. O hardware de interface deve ser programado com especificações de quais quadros de Multicast devem aceitar ou rejeitar a mensagem. (COMER, 2007). No ambiente experimental, foi utilizado o modo de transmissão em Broadcasting Vídeo sob demanda O modo sob demanda oferece maior controle e liberdade ao usuário, ao contrário do modo ao vivo, onde toda a transmissão é compartilhada para todos os usuários do streaming. É através do VoD, o qual apresenta características de um DVD (Digital Video Disc), o cliente pode interagir com o vídeo utilizando comandos como: avançar, pausar ou retroceder. Além disso, diversos usuários podem requisitar os mesmos vídeos simultaneamente gerando uma sobrecarga na rede e atrasos não toleráveis (BENICIO, 2010). 192 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

5 Assim, o ideal é a utilização de uma rede de comunicação com altas taxas de transmissão, porém nem sempre o provedor de um serviço como esse tem recursos financeiros disponíveis. Neste caso, estudos sobre a qualidade de serviço (QoS Quality of Service) para a transmissão de vídeos sob demanda se tornam também uma necessidade, porém é um tema que será abordado em uma outra etapa da construção do servidor IPTV. 3. Descrição de ambiente experimental Inicialmente o grupo de pesquisa estudou sistemas operacionais, surgimento, funcionalidades e o funcionamento de um servidor de stream IPTV, através de revisão bibliográfica e artigos disponíveis na Internet. Esta revisão de literatura ofereceu suporte ao levantamento das informações a respeito das estratégias de implementação, ferramentas disponíveis, requisitos e problemas na construção de servidor IPTV. Assim, foi verificado, como um dos requisitos necessários, a configuração e montagem de um servidor VoD para a realização de experimentos. Para isso foi criado um ambiente adequado para que o servidor VoD pudesse ser implementado. No ambiente foram configuradas duas máquinas para a instalação do sistema operacional Ubuntu Sendo uma das máquinas cliente e outra o servidor. A máquina cliente possui uma configuração de 512 MB de memória, HD 40 GB e processador Pentium 4 de 1.6 GHz. E o servidor possui 1 GB de memória, HD 80 GB e processador AMD Opteron. O sistema operacional Ubuntu foi escolhido por ser um sistema seguro, com constantes atualizações, de fácil instalação, manipulação e por ser open source, ou seja, de código aberto que permite alterações de acordo com a necessidade do usuário. Após a instalação do Ubuntu nas máquinas procedeu-se a instalação e configuração do aplicativo VLC Media Player. O VLC é um player multimídia de código aberto capaz de suportar vários formatos tais como: MPEG4, DivX, DVD e VCD. Na configuração foram utilizados os comandos update e install vlc apresentados abaixo: sudo apt-get update -> para atualizar os repositórios do sistema. sudo apt-get install vlc -> para instalar o VLC. Em seguida, foi projetada a organização do ambiente físico, através da realização da disposição das máquinas em uma sala conectando-as com cabo par trançado e um switch, e lógico, representado pela configuração das máquinas em ambiente de rede para que as mesmas pudessem realizar transmissão de vídeos. Para isso, primeiramente foi configurado o servidor através dos comandos: sudo su -> para obter permissão de administrador. ifconfig -> utilizado para verificar o IP do computador. Ifconfig -> eth networck > configuração do endereço IP e a máscara de sub-rede. route add default gw > adicionar o gateway da rede. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 193

6 Quanto aos vídeos que seriam utilizados para os testes de transmissão entre o servidor e cliente, foi realizada uma seleção e o download de vídeos sobre aulas relacionadas às disciplinas existentes no curso de Sistemas de Informação presentes no YouTube um site que permite que seus usuários carreguem e compartilhem vídeos em formato digital com extensão FLV. Após baixar os vídeos, eles foram convertidos para o formato MP4, o qual representa um dos formatos de arquivos de vídeos apropriados para a TV Digital. Para isso foi usado o seguinte comando: ffmpeg-i nome_do_video.flv-target DVD novo_nome_do_video.mp4 -> para conversão de vídeos. Os vídeos passaram pelo processo de renomeação, junção e classificação, sendo então salvos em diretórios separados de acordo com o conteúdo para facilitar na hora de chamá-los. No servidor de vídeo implantado na FACTO existe uma coletânea de vídeos disponíveis para acesso. Em seguida, foram realizados alguns testes de transmissão dos arquivos multimídia a partir do ambiente desenvolvido e dentro da rede através da ferramenta VLC. O objetivo dos testes era verificar se o servidor estava funcionando adequadamente, bem como o desempenho e consumo de banda, do ponto de vista do usuário. Dessa forma, foram verificados parâmetros como: a demora na recepção dos vídeos, a perda de qualidade e tempo de buferização (pequeno armazenamento prévio no intuito de dar continuidade a um arquivo em execução em tempo real, evitando a percepção pelo usuário de um erro ocasionado durante a transmissão de áudio/ vídeo) do vídeo. Além desses parâmetros testes mostraram que o servidor e a rede possuem uma limitação quanto à transmissão, pois vídeos com duração maior ou igual a cinco minutos não puderam ser visualizados pelo cliente. Inicialmente era imprescindível que o cliente instalasse o VLC para acessar os vídeos do servidor, mas após o desenvolvimento do frontend o cliente passou a acessar os vídeos pela Internet, para isso é necessário instalar um plug-in de exibição de conteúdo e vídeos requerido pelo navegador utilizado. Para a visualização de streaming, uma técnica que possibilita a execução de recursos multimídia em um host cliente VoD através do VLC é necessário que se construa um servidor Web, por exemplo o Apache, no qual ficará armazenado todos os arquivos multimídia que serão acessados pelos clientes. No trabalho utilizamos o Apache Tomcat que é empregado na implementação de tecnologias Java e JSP (URBIÊTA, 2007). 4. Resultados obtidos Ainda como um dos requisitos do servidor IPTV, fez-se necessário a construção de um frontend para que os usuários possam ter acesso a uma guia de programação para que eles soubessem qual o conteúdo disponível e também que pudessem escolher mais facilmente o que irão assistir, substituindo assim a necessidade de instalação do software VLC. Assim, foi desenvolvida uma página web que resolvesse essa necessidade, conforme apresenta a Figura XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

7 Figura7: Frontend do IPTV A fronted foi desenvolvida utilizando a tecnologia Java para web, o Java Server Pages (JSP) que permite criar aplicações de forma rápida, dinâmica, fácil de manter e que não depende da plataforma (ORACLE, 2010). O desenvolvimento da página web possibilitou testar a capacidade de resposta da rede e do servidor às requisições solicitadas por usuários que utilizam diferentes sistemas operacionais, navegadores e dispositivos. Todavia, faz-se necessário aumentar os parâmetros de testes para se ter uma proporção real, bem como a produção própria dos vídeos pela FACTO, por exemplo, gravação de trechos de aulas, palestra, comentários e depoimentos dos professores e/ou acadêmicos. Foram realizados testes de QoS e recepção de vídeo em redes após a montagem do ambiente experimental. Os resultados desses trabalhos serão mais bem descritos logo abaixo. De acordo com DOMINGUES (2009) os resultados de testes em relação ao QoS mostraram que a presença de outros tráfegos concorrentes na rede e a largura de banda implica diretamente na transmissão de um sinal de vídeo, e que caso não haja um devido ajuste pode prejudicar demasiadamente a qualidade percebida pelo cliente final. E os testes revelaram ainda que transmissões de vídeo em redes sem configurações de QoS se torna inviável. Os testes realizados por DOMINGUES E ARAÚJO (2009) para verificar o QoS e a recepção de vídeos em uma rede utilizaram métricas de QoS para analisar o fluxo multimídia, sendo elas vazão, atraso, jitter e perda de pacotes. A qualidade do vídeo foi medida utilizando a métrica de PSNR. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 195

8 ARAÚJO (2009) realizou testes com os vídeos disponíveis no servidor IPTV, esses testes demonstraram que as redes WLAN ainda não apresentam condições ideais e satisfatórias para transmissões de tráfego em tempo real. Os testes demonstraram ainda que, de acordo com as características de cada vídeo, determinadas métricas de QoS são mais determinantes do que outras na tarefa de garantir QoE ao usuário final. É evidenciado também que a presença de tráfego concorrente na rede provoca quedas significativas na qualidade percebida pelo usuário, onde o vídeo perde muito de suas características iniciais (ARAÚJO, 2009) Com relação à rede da FACTO concluiu-se que ainda não é viável, pois a mesma apresentou baixo desempenho com os testes realizados quanto ao conteúdo transmitido e ainda não suporta uma grande quantidade de dados. 5. Conclusões e trabalhos futuros O projeto visa integrar a tecnologia e a produção de conhecimento da instituição, através de um portal interativo, para compartilhar, visualizar e acessar o conteúdo produzido na FACTO e no meio acadêmico. A primeira etapa do projeto envolveu a conversão de vídeos baixados da Internet e convertidos para o formato MP4. Foi criado um ambiente de teste para a transmissão destes vídeos dentro de nossa rede através da ferramenta VLC, bem como a realização de testes de desempenho e consumo de banda. Foi construída uma página web para que melhor visualização do conteúdo disponível e, assim, oferecer uma programação para que os usuários possam escolher o que irão assistir. Além disso, foi identificado que para a transmissão na rede da Católica, ainda não é viável, pois a rede não suportará a quantidade de dados, deixando a transmissão muito lenta. Como trabalhos futuros serão fomentados a produção de vídeos próprios na FACTO, por exemplo, gravação de trechos de aulas, comentários e depoimentos dos professores e/ou acadêmicos. Tornar a página web mais interativa, para facilitar aos usuários a hora da busca dos vídeos e com controle de parâmetros de QoS. Além disso, pode-se realizar estatísticas sobre a demanda de uso e a qualidade do serviço oferecido através da monitoração dos acessos e avaliação dos resultados, e assim, construir argumentos para otimizar os serviços oferecidos. O projeto ainda não está disponível para os usuários em sua totalidade, visto que os estudos da qualidade de transmissão são complexos e demorados. Mas já apresenta uma página web com conteúdo pronto para ser acessado pelos usuários. Referências Bibliográficas ARAÚJO, Jean Nunes. RECEPÇÃO DE VÍDEO EM REDES : Utilizando o Ambiente IPTV Proposto Pela Recomendação G da ITU-T. Monografia (TCC) Faculdade Católica do Tocantins, Sistemas de Informação, XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

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