Video per IP

Zusammenfassung

Eine Führungskraft muss Ihren Blick darauf richten, die Kosten zu senken, um das Überleben des Unternehmens auf einem Markt voller Herausforderungen zu sichern. Angenommen, Unternehmen A hat zehn Niederlassungen und möchte eine unternehmensinterne Sitzung einberufen. Bei einer Teilnahme von zwei Personen aus jeder der zehn Niederlassungen fallen Flugkosten in Höhe von US $ 250 pro Person an, sodass sich die Gesamtsumme der Flugtickets auf US $ 5.000 beläuft. Hinzu kommen noch die Kosten für Unterbringung und Verpflegung für 20 Personen. Man erkennt daher schnell, dass die Nachfrage nach kostengünstigeren Alternativen immer mehr steigt. Neueste technologische Fortschritte haben dafür gesorgt, dass die Videokonferenztechnik den Kinderschuhen entwachsen ist und sich zu einem lebensfähigen und reifen Produkt entwickelt hat. Weitere Entwicklungen in der Videoindustrie, wie VOD (Video on Demand ), digitales Video, interaktives Video, Streaming Video und Echtzeit-Audio/Video eröffnen den Unternehmen Möglichkeiten, die vor ein oder zwei Jahren noch nicht denkbar waren.

Die Belastungen, die diese Technologien für die Infrastruktur mit sich bringen, richten sich nach der Nutzungsintensität. Aber niemand wird abstreiten, dass die Nachfrage nach Bandbreite ebenfalls steigt. Unternehmen haben Anwendungen in ihre Netze gestellt, nur um dann festzustellen, dass die erforderliche Bandbreite fehlt. Ein robustes, gut geplantes und sorgfältig installiertes Infrastruktursystem wie 10G ip™ kann dieser Anwendungen genügend Bandbreite zur Verfügung stellen und gewährleistet gleichzeitig, dass andere Anwendungen innerhalb einer einzigen Infrastruktur zukünftig installiert werden können. Im Folgenden wird ein Überblick über die Video-per-IP-Systeme gegeben sowie darüber, wie 10G ip die Anforderungen dieser Anwendungen nach mehr Bandbreite erfüllen kann.

Die Video-per-IP-Technologie und Marktrends

Herkömmliche Videosignale beruhen auf der Analogtechnik. Sie werden über teure Übertragungsnetze übermittelt. Heute aber leben wir in einer digitalen Welt. Durch die Fortschritte in der digitalen Videokomprimierung ist es nun möglich, kombinierte Audio-/Videosignale über typische Netzwerke zu übertragen, und zwar sowohl über das LAN als auch über das WAN und sogar über das Internet. Video per IP bzw. IP-Streaming-Video sind neuere Technologien, mit denen Videosignale per IP-Netzwerke aufgenommen, digitalisiert, übermittelt und verwaltet werden können. Der erste Schritt ist die Aufnahme des Videoinhalts. Dafür können mehrere Methoden angewendet werden. Der Inhalt wird verarbeitet, komprimiert, gespeichert und auf einem Videoserver editiert. Der Inhalt kann entweder „live“ erfasst werden (in Echtzeit aufgenommen und verarbeitet) oder vorab aufgenommen und abgespeichert werden. Diese Videosendungen können dann über das Netzwerk entweder an eine oder an mehrere Stationen übermittelt werden, wo sie einzeln oder gleichzeitig angesehen werden können. Die Displaystation muss entweder über einen Hardware- oder über einen Software-Betrachter verfügen, in manchen Fällen sogar über beides. Neueste Anwendungen stellen dem Betrachter die Videodaten über Java zur Verfügung, wobei das Endgerät keine speziellen Anforderungen erfüllen muss.

Videopräsentationen können in drei Kategorien eingeteilt werden: Video-Sendung, Video auf Abruf und Videokonferenzen. Von diesen drei Anwendungen läuft nur der Dienst Videokonferenz im Vollduplex-Verfahren ab, bei den anderen beiden Diensten wird die Kommunikation nur in einer Richtung abgewickelt. Diese Video-per-IP-Übertragungen sind skalierbar, wirtschaftlich und sehr flexibel. Es sind neue Instrumente für die geschäftlichen Abwicklungen, die voneinander entfernt gelegene Büros in einem Unternehmen zusammenführen und rasch installiert werden können. Gartner Group geht davon aus, dass im Jahr 2006 80 % der Fortune-2000-Unternehmen IP-gestützte Videoanwendungen anwenden werden. Die Anwendungen werden die bisherigen ISDN-gestützten Videokonferenzanwendungen ablösen. Nach Aussagen von In-Stat/MDR (März 2003) werden die Verkaufszahlen für Videokonferenzanschlüsse im Jahr 2007 ein Volumen von US$ 875 Millionen erreichen, und der Gesamtumsatz für Videokonferenzdienste wird im selben Jahr US$ 5,5 Milliarden betragen.

Videosendung per IP

Videosendung per IP ist eine netzwerkgestützte Übertragung für Inhalte von Videodateien, die in einer Richtung abläuft. Der Endpunkt ist lediglich ein passiver Betrachter, der die Sitzung nicht steuern kann. Die Videosendung kann vom Server entweder in der Konfiguration „Unicast“ oder „Multicast“ übermittelt werden. Bei „Unicast“ dupliziert der Server die Übertragung für jeden Endpunkt-Betrachter. Bei „Multicast“ wird ein und dasselbe Signal als ein Übertragungsvorgang über das Netz ausgesendet, jedoch zu mehreren Endpunkten oder, was einfacher ist, zu einer Nutzergruppe.

Diese Technologie wird zurzeit in Umgebungen von Unternehmen installiert und dafür verwendet, Schulungspräsentationen, Besprechungsprotokolle und Vorträge zu verteilen. Sie wird auch von Universitäten eingesetzt sowie von Fortbildungsinstituten oder technischen Ausbildungszentren, von Rundfunkstationen und Webcast-Anbietern, um nur einige wenige zu nennen. Der Bandbreitenbedarf dieser Technologie wird von drei Faktoren bestimmt: die Anzahl der Nutzer, deren Bandbreite zum Videoserver und der Länge der Präsentation bzw. des Videos. Das Senden von Videoinhalten wird typischerweise als „offene Leitung“ bezeichnet.

Video on Demand (VOD) per IP

Im Allgemeinen ausgedrückt ermöglicht es VOD dem Nutzer, ein in Echtzeit übertragenes und auf einem Server abgespeichertes Video zu jedem beliebigen Zeitpunkt abzurufen. Diese Technologie unterscheidet sich von der Sendung von Videoinhalten insofern, als dass der Nutzer die Möglichkeit hat, die Optionen Stop, Start, Schnellvorlauf oder -rücklauf zu bedienen, denn der Service ist interaktiv. VOD verfügt auch noch über eine weitere Funktion, die im Allgemeinen im Zusammenhang mit den Nutzerdaten verwendet wird, nämlich Anzeige und Rechnungsstellung von Videodiensten oder Videozeit. VOD kann zwar für die Anzeige in Echtzeit verwendet werden, wird aber im Allgemeinen für gespeicherte Videodateien eingesetzt.

Anwendungsfelder dieser Technologie sind e-Learning, Schulung, Marketing, Unterhaltung, Fernsehen und andere Bereiche, bei denen der Nutzer die Dateien zu einem individuellen Zeitpunkt, und nicht zum Zeitpunkt des Video-Lieferanten ansehen muss.

Ein typisches VOD-über-IP-Netz umfasst die folgenden Komponenten:

Videoserver (kann ein Archivserver oder eine Gruppe von Servern sein)
Server für die Anwendungssteuerung (Application Control Server), der die Datenübertragung veranlasst (kann in den Archivserver integriert sein).
Endpunkt mit einem Konverter, zum Einreichen der Anzeigeanfrage und Steuerungen der Wiedergabe
Management-Software und/oder Software für die Rechnungsstellung
PC- oder Netzwerk-basierte Geräte zur Aufzeichnung und Konvertierung der Videodateien

Videokonferenzen per IP

Bei VC (Videoconferencing – Videokonferenzanwendungen) erfolgt die Übertragung von Audio- und Videosignalen im Vollduplex-Verfahren, sodass Teilnehmer an zwei verschiedenen Orten Videobilder und Ton empfangen können, als ob sie sich in einer Unterhaltung gegenübersitzen würden. An beiden Endpunkten werden die Videosignale mit Hilfe einer Kamera aufgenommen und gesendet. Jeder Endpunkt ist mit Mikrofonen ausgestattet, die die Sprachsignale aufnehmen, übertragen und mit Lautsprechern wiedergeben werden. Die Kommunikation findet in Echtzeit statt und wird in der Regel nicht aufgezeichnet.

Die erste Videokonferenz-Technologie wurde 1964 von AT&T auf dem Markt eingeführt. Der bisherige Standard für diese Datenübertragungen ist ITU H.320. Dieser Standard beinhaltete Einschränkungen bezüglich der Nutzungskosten, und die Nutzer mussten eine Spezialausrüstung an einem einzelnen Ort bereithalten. Neue Standards (H323), die im Jahr 1996 herausgegeben wurden, sehen eine IPgestützte Videokonferenztechnik vor. IP-gestützten Dienste sind weitaus besser geeignet, denn die Konferenz kann von einem beliebigen, entsprechend ausgerüsteten PC innerhalb des Netzwerks aufgenommen werden. Die Signale werden über die reguläre Netzwerkinfrastruktur und -ausrüstung übertragen, sodass keine Spezialleitungen und Nutzergebühren anfallen.

Diese Dienste können für Anwendungen wie unternehmensinterne Kommunikation, Telemedizin, Telegesundheitsfürsorge, Schulungen, e-Learning, Telearbeit und Kundendienst verwendet werden. Der Videokonferenzdienst kann als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Einzelnutzer zu Einzelnutzer) oder Mehrpunktverbindung (mehrere Nutzer, die an derselben Sitzung teilnehmen) gestaltet sein. Im letztgenannten Fall werden die Nutzer in einem separaten Fenster angezeigt. Die Videokonferenz-Anwendungen haben zu neuen Kommunikationskonzepten durch Zusammenarbeit geführt. Eine elektronische Tafel kann in die Konferenz integriert werden, sodass die Nutzer auf derselben Tafel Notizen machen können bzw. die Präsentationen und Notizen der anderen Teilnehmer ansehen können, während der Vortrag gehalten wird.

Eine MCU (Multipoint Conference Unit – Mehrpunkt-Konferenzgerät) wird im Allgemeinen an einer zentralen Stelle aufbewahrt. Mit diesem Gerät können die verschiedenen Bilddaten-Einspeisungen gleichzeitig angezeigt werden. Ein „Gatekeeper“ genanntes Gerät wird normalerweise bei Mehrpunkte-Konferenzen eingesetzt. Dieses Gerät kontrolliert die Bandbreite, die Adressierung, die Identifizierung und die Sicherheitsmaßnahmen für Konferenzen. Typischerweise handelt es sich um Software-Anwendungen, die sich auf einem separaten PC befinden. In neuere Gerätemodelle ist die „Gatekeeper“-Funktion jedoch schon eingebaut.

Standards für Video per IP

Die Anforderungen an offene Systemstandards legen fest, dass die Datenübertragung innerhalb der vorab festgelegten IP-Paketstrukturen erfolgen müssen und dass der gemeinsame Betrieb von Komponenten verschiedener Anbieter ohne proprietäre Protokolle gewährleistet sein muss. Die beiden wichtigsten Protokoll-Komponenten sind H.323 und SIP (Session Initiation Protocol). Im H.323 und seinen Ergänzungen sind die vier wichtigsten Elemente definiert, nämlich Terminals, Gateways, Gatekeepers und Mehrpunkt-Controller. SIP wurde Mitte der 1990er Jahre von IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelt und ist ein Signalprotokoll für Internetkonferenzen, Telephonie, Anwesenheit- und Ereignismitteilung sowie Instant-Messaging. An der Entwicklung von SIP war die Arbeitsgruppe IETF MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) beteiligt, und die Arbeit wurde ab September 1999 in der Arbeitsgruppe IETF SIP fortgesetzt. Bei den heutigen Video-Anwendungen werden Video-Komprimierungs- und Video-Kodierungstechnologien eingesetzt, um die Videosignale mit reduziertem Bandbreitenverbrauch entsprechend der Komprimierungsmethode zu übertragen. MPEG (Motion Picture Experts Group) ist der maßgebliche Entwickler für Komprimierungsstandards zur Einspeisung von Videosignalen, wobei MPEG-4 der neueste Standard ist.

Bandbreiten, Bits und Bytes

Wenn ein analoges Signal in ein digitales Signal umgewandelt wird (wie bei der Übertragung von Video- oder Tonsignalen), dann wird zur Durchführung dieses Prozesses ein so genanntes „Sampling“ (Abtasten) durchgeführt. Wie schon der Name vermuten lässt, bezieht sich „Sampling“ auf die Entnahme eines Abtastwertes (sample = Abtastwert) mehrmals pro Sekunde (sampling rate = Abtastrate) innerhalb der Abtasttiefe (sampling depth), die die Anzahl der Abstufungen (bits per sample) angibt. Je umfangreicher das Sampling, desto größer ist die Datei. Die Anzahl der Werte entspricht der Anzahl der Abtastwerte (ein oder aus), wobei der Exponent die Anzahl der Abtast-Bits angibt. Oder einfacher ausgedrückt: Bei einer Musik-CD erfolgt das Sampling mit einer Abtastrate von 44.000 Abtastwerten pro Sekunde oder im Allgemeinen mit einem Abtastvolumen (Daten) von 5 MB pro Minute Hörzeit.

Dasselbe Verfahren, wenn auch etwas komplexer, wird ebenso für Video verwendet. Der Unterschied besteht darin, dass in diesem Fall die Daten in Form eines Rasterbilds in Bildpunkten, auch als Pixel bekannt, übertragen werden. Der MPEG-Standard verwendet die so genannte „Verlustbehaftete“-Komprimierung. Das heißt, ein Teil des Bildes geht „verloren“, aber es verbleiben noch genügend Daten, damit das menschliche Auge das angezeigte Bild erkennen kann, denn das menschliche Auge fügt die fehlenden Informationen hinzu. Das Abtasten des Videos erfolgt in Segmenten. Das erste Bild (Frame), das so genannte Index-Bild, wird komplett übertragen und bei den verbleibenden Bildern werden nur die Veränderungen verglichen mit dem ersten Index-Bild übertragen. Je größer die Komprimierung ist, desto größer wird die „Verlustrate“. In einem überlasteten Netzwerk können „Segmente“ auch außer der Reihe empfangen werden und es tritt das so genannte „Blockbildungs“-Phänomen auf. Dies ist der Fall, wenn Pixel im Vergleich zum ursprünglichen Index–Bild offensichtlich falsch platziert sind und das Bild verzerrt ist. Die Einspeisung von Original Videodaten (nicht komprimiert), die ein vollständiges Abtast-Verfahren durchlaufen haben, benötigt zum Erreichen von D1-Qualität eine Übertragungsgeschwindigkeit von 165 Mbps. Die D1-Qualität ist eine Vollformatanzeige mit 720 x 480 Pixel gemäß den Vorgaben des Standardisierungsgremiums NTSC (National Television System Committee) und 720 x 576 Pixel für PAL (Phase Alternating Line). Es gibt zwei Möglichkeiten, die eingespeisten Daten zu komprimieren. Die eine Möglichkeit besteht darin, die Auflösung zu verringern, und die andere Möglichkeit betrifft die Abtastrate (sampling rate). Wenn die eingespeisten Daten komprimiert sind, benötigt man – ganz unverkennbar – weniger Ressourcen, aber man muss infolge der Komprimierung Abstriche bei der Videobildqualität machen.

Erschwernisse und Hindernisse

Um Echtzeit-Video im Netzwerk zu installieren, muss sich das Netzwerk in einem ausgezeichneten Betriebszustand befinden. Datenverkehrsformer können dabei helfen, den Bild- und Sprach-Datenverkehr im Prioritätsbetriebs abzuwickeln, wobei das Quality of Service-Bit (Dienstgüte-Bit) verwendet wird. Alle IP-Header haben einen Abschnitt mit dem so genannten TOS-Byte (Type of Service byte). Dieses wurde vor einigen Jahren in das Protokoll eingebaut. Quality of Service (QoS) ist ein Begriff für eine Serie von Parametern in Bezug auf Übertragungen sowohl im Verbindungsmodus (TCP) als auch im verbindungenlosen Modus (IP), denn diese Übertragungen sorgen für die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Übertragungsqualität und der Serviceverfügbarkeit. Dazu gehören maximale Verzögerungszeit sowie Durchsatz und Priorität der zu übertragenden Pakete. Die ersten Bits des ToS-Byte werden mit QoS-Informationen besetzt. Durch die Priorisierung von Netzwerkdatenverkehr werden zeitempfindliche Datenpakete an die Spitze der Datenübertragung gesetzt. Diese Methode wird auch für VoIP-Netze (Voice over IP) eingesetzt.

Wie auch beim E-Mail werden die Unternehmen in der nächsten Zukunft auf diese Dienste immer mehr vertrauen. Jeder Administratoren ist sich der negativen Konsequenzen des Ausfalls eines wichtigen Systems bewusst. Unternehmen streben dieselbe Betriebszeit an wie Service Provider, nämlich 99,999 %. Ausfallzeit ist teuer. Die Aufrechterhaltung der Betriebszeit lässt sich schwerer realisieren, denn Netzwerke transportieren zusätzliche Datenlasten mit erhöhter Sensibilität in Bezug auf Quality of Service. Und für all diese Anwendungen gibt es den kleinsten gemeinsamen Nenner, nämlich die Infrastruktur.

Eine leistungsfähige Infrastruktur mit großen Reserven sowie reichlich Bandbreite und Kapazität ist der wichtigste Einzelfaktor bei jeder Installation von aufeinander abgestimmten IP-Diensten. 10G ip™ wurde als Antwort auf diese Bedürfnisse entwickelt, denn die Technik entwickelt sich immer weiter. Fähigkeit fördert Findigkeit. Täglich werden neue Standards für neue Anwendungen entwickelt. Noch vor fünf Jahren dachte keiner daran, dass einmal Bedarf für 10G-Übertragungen bestehen würde. Die Wirklichkeit ist, dass heute 10G da ist – und auch eingesetzt wird. Es ist durchaus sinnvoll die Infrastruktur eines Unternehmens mit dem nötigen Raum für Wachstum auszustatten. Und 10G ip beschränkt sich heute nicht nur darauf. 10G ip ist vielmehr die beste Verkabelungstechnologie, die heute erhältlich ist, und wird auch in den Anwendungen von morgen eingesetzt werden.

Literaturverzeichnis: Gartner Group, www.gartner.com; H.323, Multimedia Communication Services for Real-time Audio, Video and Data Communications, ITU-T, www.itu.int; IETF, Internet Engineering Task Force (SIP, MMUSIC), www.ieft.org; In-Stat/MDR, (March 2003), www.instat.com; MPEG, Motion Pictures Experts Group, www.mpeg.org