Télévision et vidéo sur IP

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1 Télévision et vidéo sur IP IP est un protocole de transport de données, rendu plus célèbre parce qu au cœur des technologies d Internet, mais communément utilisé aujourd 'hui dans de nombreux domaines, sur les réseaux informatiques ou téléphoniques ou pour la distribution de programmes de télévision... Sous le titre un peu général donné à ce document, «télévision et vidéo sur IP», on se doit de distinguer deux concepts différents qui bien que s appuyant tous les deux sur le protocole IP, sur les technologies ADSL (principalement) et sur un réseau de distribution final filaire en paire torsadée, présentent des caractéristiques et des finalités bien différentes. Le premier (baptisé «vidéo sur Internet» et que l'on retrouvera parfois dans la littérature spécialisée sous l'acronyme de «VIDEOoIP» pour vidéo sur IP) est effectivement directement lié à Internet et est capable d offrir des images vidéo à l autre bout du monde mais avec une qualité qui peut être très variable en fonction du lieu, du moment et de la méthode utilisée. Les réseaux de transport et de diffusion sont ceux d'internet. Ils ne sont pas dédiés et donc sujets à toutes sortes d'aléas (pertes de données, congestion de routeurs...) qui peuvent affecter la qualité des images vidéo. Le terminal de réception est l ordinateur. La voie «télévision via internet» (WebTV) a bien été tentée. Elle a suscité de nombreux espoirs et différentes tentatives il y a quelques années, mais cette formule n a guère survécu (à une exception près aujourd'hui, on le verra). Le principe de la vidéo à la demande (en anglais VOD pour Video On Demand) semble par contre bénéficier de plus de succès aujourd'hui en raison notamment de la meilleure qualité des images. Le second concept (qui sera étudié dans ce document sous l'étiquette «télévision sur ADSL» et que l'on retrouvera parfois sous l'acronyme TVoDSL) permet la diffusion de bouquets de programmes de télévision, et est comparable dans son esprit, dans ses contenus et MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

2 sensiblement (??) dans la qualité des images aux modes de diffusion des programmes télévisés que nous connaissons par ailleurs (satellite, réseaux câblés urbains, TNT...). Les réseaux d'acheminement de ces programmes sont dédiés ou protégés (physiquement par des câblages séparés ou logiquement par l'utilisation de technologies réseaux qui permettent la réalisation de chemins virtuels, qui intègrent des fonctionnalités de qualité de service, de priorité...). Le terminal de visualisation est le téléviseur via un set top box, du moins dans un premier temps. Les programmes sont ceux qui sont proposés par le fournisseur desservant la zone géographique concernée. Compte tenu des possibilités de transferts bi-directionnels de la ligne téléphonique, des services enrichis (vidéo à la demande, PVR...) sont ici également possibles, ce qui n est pas le cas pour les moyens de diffusion télévisuels traditionnels. Diffusion vidéo et programmes télévisés : comparaison entre la diffusion traditionnelle et les possibilités offertes par les technologies ADSL (schéma volontairement limité à ce type d'accès et ne prenant donc pas en compte les autres technologies de connexion à Internet). Compte tenu des derniers développements réalisés autour des nouveaux boîtiers proposés par certains opérateurs ADSL, la frontière entre le téléviseur et l'ordinateur n'est plus aussi nette que sur ce schéma. Aujourd'hui, il devient possible de visualiser sur le téléviseur les contenus qui ont été stockés sur l'ordinateur et vice-versa, de regarder les programmes télévisés diffusés par ADSL sur l'écran de l'ordinateur. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

3 L objectif de ce document est de présenter et de détailler les deux concepts évoqués, la vidéo sur Internet d'une part, la télévision sur ADSL d'autre part et de présenter les offres du marché français. Table des matières A-La vidéo sur Internet... 5 A.1-Vidéo et Internet : la problématique... 5 A.1.1-Les exigences de la vidéo... 5 A.1.2-le rappel des spécificités d internet... 6 a-«tous les chemins mènent à Rome»... 6 b-un découpage en paquets... 7 c-des débits fluctuants et parfois réduits...8 d-des accès hétérogènes :... 9 A.2-Diffuser de la vidéo sur Internet : les deux solutions...14 A.3-S'affranchir des défauts d'internet A.3.1-les protocoles...16 a-des protocoles spécifiques :...16 b-hiérarchie et encapsulation : A.3.2-le «buffering»...20 A.3.3-«Sure stream», «Intelligent stream»...21 A.3.4-unicast ou multicast a-unicast : b-multicast A.3.5- Stocker plus près : A.4-Réduire les débits de la vidéo A.4.1-Les principes généraux :...25 A.4.2-Quelques technologies :...26 a-la DCT (Discrete Cosine Transform) b-la transformation par ondelettes c-les fractales A.5-Les formats de lecture...30 a-windows Media de Microsoft b-real System c-quick Time : d-la vidéo avec Flash e-divx...35 A.6-La VOD :...36 A.7-Se connecter à Internet via l'adsl :...40 A.7.1-La boucle locale :...40 MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

4 A.7.2-Le dégroupage : A.7.3-Les éléments de base d une connexion Internet via l ADSL : B-La télévision sur ADSL...43 B.1-Transmettre des images vidéo : une question de débit B.1.1-L'encodage des images : une limitation à la source B.1.2-La norme de transport B.1.3-MPEG B.1.4-Vers la haute définition...48 B.2-Architecture de la chaîne de diffusion : B.2.1-Les réseaux de transport grande distance : a-la collecte des programmes :...49 b-des réseaux en fibre optique...50 c-des protocoles pour le transport des données...51 B.2.2-La distribution sur la boucle locale :...54 B.2.3-La VOD (Video on demand) B.3-Les offres commerciales de télévision sur ADSL en avril 2006 : B.3.1-Les Offres : B.3.2-Boîtiers et infrastructure chez l'usager...59 B.3.3-Les dernières innovations, venues ou annoncées...61 a-disque dur interne :...61 b-les boîtiers deviennent les «media centers» du foyer : c-la visiophonie...63 d-adaptateur TNT intégré...63 e-l'arrivée de MPEG-4, de la haute définition...63 MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

5 A- La vidéo sur Internet A.1- Vidéo et Internet : la problématique La diffusion de programmes de radio et de télévision sur Internet est très certainement l'un des enjeux majeurs de ce début de siècle. Le concept est né aux USA dans la première moitié des années 90. Internet n a pourtant pas été conçu à l origine pour la vidéo. De prime abord, ses caractéristiques pourraient même paraître inconciliables avec les exigences de ce média : les accès et les réseaux sont divers et hétérogènes, les débits y sont essentiellement variables et pas toujours suffisamment élevés, alors que la vidéo exige par nature un flux important, continu et régulier. Il n'en est rien. La vidéo sur Internet n a pas encore acquis ses lettres de noblesse, loin s en faut, mais des progrès significatifs ont été atteints ces dernières années. Des technologies spécifiques ont été développées et aujourd hui ce marché est en pleine explosion même si de nombreux progrès restent encore à faire pour améliorer la qualité des images. Le temps où l on comparait les images vidéo à des vignettes ou à des timbres postes animés pour caractériser les dimensions réduites et la qualité très appauvrie des images est aujourd hui révolu. Les progrès technologiques réalisés au niveau du traitement des données (les micro-ordinateurs sont plus rapides et plus puissants, les algorithmes d encodage et les logiciels de lecture sont plus performants), le développement à plus grande échelle des accès à hauts débits sont les éléments déterminants de cette évolution. A.1.1- Les exigences de la vidéo Comparativement aux fichiers textes, les fichiers vidéo sont volumineux et exigent des débits importants. Si on se réfère à la télévision numérique «classique» (TPS ou Canal Satellite) qui utilise la norme de compression MPEG-2, on estimait il y a encore quelques MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

6 années qu il fallait en moyenne un débit constant de 5 ou 6 Mb/s pour obtenir une image numérique comparable à une image analogique composite en Pal ou en Secam, et 9 à 10 Mb/s pour atteindre la qualité studio CCIR 601. Les techniques de compression et d encodage évoluant, on estime aujourd hui qu à qualité d image égale, le débit nécessaire à été divisé par trois entre 1996 et aujourd hui. Des progrès sont assurés. MPEG-4 est une technologie toute récente et prometteuse et sera donc sujette, à l'instar de ce qui c'est déroulé pour MPEG-2, à de nombreuses améliorations au fil du temps. On dit souvent que MPEG-4 AVC peut apporter (dans certains cas) un gain de 50 % en terme de débit par rapport à MPEG-2 1. Les codecs utilisés pour la vidéo sont en évolution permanente et les algorithmes d encodage toujours plus performants. Compte tenu de ces évolutions, MPEG 4 AVC apparaît aujourd'hui comme l'une des solutions du futur pour la diffusion de la télévision sur les réseaux IP avec des débits qui pourraient bien être de l ordre de 1,5 Mb/s d ici quelques années, chiffre tout à fait compatible avec les accès hauts débits (réseaux câblés, ADSL) proposés par les fournisseurs d'accès à Internet. Mais nous n'en sommes pas encore là! Les débits nécessaires aujourd'hui sont encore trop importants pour permettre à Internet d'assurer la diffusion de programmes de télévision avec une qualité suffisante. A.1.2- le rappel des spécificités d internet Ces notions de débits, indissociables du concept de qualité, sont la première pierre d'achoppement de la télévision sur Internet. La seconde se situe au niveau même des caractéristiques d'internet. a- «tous les chemins mènent à Rome» Internet est né aux USA au moment de la guerre froide. C'est un réseau dont le concept d'acheminement des messages a été marqué à l'origine par des préoccupations militaires. L'idée qui a prévalu au moment de sa naissance était que les informations devaient pouvoir être acheminées quelles que soient les destructions opérées sur les réseaux de transmission. D'où l'idée de réaliser un support de communication comprenant un maillage très serré et de multiples imbrications de tous les réseaux entre eux : il existait ainsi plusieurs chemins pour aller d un point à un autre et si l'un d'entre eux était coupé, les données pouvaient automatiquement en prendre un autre. 1 Voir les notes techniques consacrées aux technologies MPEG sur ce même site. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

7 Aujourd'hui, Internet est un vaste réseau né du regroupement à l'échelle mondiale d'une multitudes de réseaux aux caractéristiques très variables, mais la philosophie générale qui prévalait à l'origine a été conservé. Du fait de ce maillage important, ce réseau offre une grande souplesse de fonctionnement. Le maillage important d'internet : pour les données, de multiples chemins sont possibles entre l'ordinateur de l'utilisateur et le site Web demandé. b- un découpage en paquets Les données numériques sur un réseau IP sont découpées en paquets. Ces paquets circulent sur Internet totalement indépendamment les uns des autres. Ils peuvent, en toute autonomie, prendre des itinéraires différents (en plus des données «utiles», chacun d entre eux intègre une entête contenant différentes informations, notamment l adresse IP d arrivée). Sur Internet comme sur de nombreux réseaux informatiques, les données sont "découpées" en paquets. Ces paquets peuvent parvenir à destination avec des écarts variables, être en retard (bloqués dans un routeur) et pas nécessairement dans le bon ordre, voire être purement et simplement éliminés, leur durée de vie ayant expirée. Sur le plan qualitatif, les problèmes de transit évoqués peuvent se matérialiser à l écran par une dégradation des images (apparition MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

8 d artefacts) voire leur gel ou leur disparition complète. Des technologies particulières et des protocoles spécifiques ont été développées pour adapter les réseaux IP au contraintes du transport des données vidéo et audio en temps réel. Sur un réseau IP, les données sont découpées en paquets. L entête contient des informations pour le routage, notamment l adresse IP du poste expéditeur et celle du poste destinataire. c- des débits fluctuants et parfois réduits Les lignes utilisées pour les transferts liés à Internet sont parcourues par des flux divers et variés, leurs capacités en terme de bande passante doivent être partagées en permanence entre de nombreuses applications Le débit possible (et donc la qualité de la transmission) dépend directement de la charge du réseau à un moment donné et peut donc être très variable. D'un instant à l'autre, en fonction des conditions de trafic, du moment de la journée ou de l'encombrement des serveurs visités, le débit peut instantanément varier entre minimum et maximum et provoquer un ralentissement des performances. Visualisation des variations de débits à la lecture d'une séquence vidéo (ici avec l'outil proposé par RealNetworks sur son logiciel de lecture). MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

9 Ces problèmes de congestion ou de surcharge du trafic vont provoquer des retards et les délais dans l acheminement des données. A l arrivée, les écarts temporels entre paquets ne sont pas identiques à ce qu ils étaient au départ (on appelle cela la gigue). On utilise souvent le terme de "qualité de service" (QoS) pour caractériser l aptitude d un réseau à assurer la transmission des données. La qualité de service "best effort" est celle qui est fournie traditionnellement par l'internet et correspond en fait à une absence de qualité de service. Basiquement, la notion de priorité n existe pas, le réseau traite de façon identique tous les flux qui circulent à chaque instant, quel qu en soit le contenu. Les dégradations (ralentissements, pertes) dues aux éventuelles surcharges sont réparties à égalité entre tous. Le réseau "fait de son mieux" (best effort) pour acheminer le plus efficacement possible la totalité des données, sans s'inquiéter des besoins spécifiques correspondant à chacun des flux, et donc sans établir de différenciation entre les données audiovisuelles et les données «informatiques». d- des accès hétérogènes : L ADSL est aujourd hui en France la principale technologie pour l'accès à Internet à haut débit. Les années 2004 et 2005 ont connu une hausse spectaculaire (+180%) du nombre des abonnés. Au 31 décembre 2005, on comptait 9,5 millions d abonnés au haut débit (soit plus de 80% du nombre des connectés à Internet) dont 8,9 millions par l ADSL (chiffre à comparer aux abonnés au haut débit par le câble et aux 5600 divers (satellite, fibre, BLR ). En quelques années, l ADSL est donc devenue, du moins en France, la solution leader pour les accès Internet à haut débit. Cela est du à l'excellente qualité des réseaux téléphoniques jusqu'à l'usager et aux faibles distances entre celui-ci et le central, une situation radicalement différente des USA. Compte tenu de son importance, nous accorderons une place spécifique à sa description et à ses déclinaisons possibles. ADSL (Asymetric Digital Suscriber Line) : L'ADSL est une technologie qui s'appuie sur le réseau téléphonique traditionnel. Elle n est que l un des membres de la grande famille de normes DSL (Digital Suscriber Line ou Ligne d abonné numérique). Ces technologies ne s appliquent pas sur tout le réseau de transmission téléphonique, mais uniquement sur ce que l on appelle dans le jargon spécialisé la boucle locale, c'est-à-dire «le dernier kilomètre» du réseau téléphonique qui relie chaque abonné au central téléphonique. Ces liaisons sont constituées par les simples paires de fils de cuivre du MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

10 téléphone. Contrairement aux communications téléphoniques gérées traditionnellement par France Telecom et qui restent analogiques, c est bien de transfert de données numériques dont il s agit ici. L ADSL permet une connexion Internet permanente et indépendante de l utilisation du téléphone analogique classique. La bande passante d une ligne téléphonique constituée de deux fils en cuivre est de plusieurs Mhz mais elle est très variable en fonction de la distance. Jusqu à l'avènement de l'adsl, les services de téléphonie de France Telecom n utilisaient que les fréquences les plus basses, inférieures à 4 KHz. Les technologies ADSL exploitent les fréquences supérieures, jusqu à 1,1MHz pour l ADSL puis ensuite jusqu à 2,2 MHz pour la norme ADSL2+. Elles sont réparties (hormis la bande réservée à la téléphonie classique) en deux bandes distinctes : la bande inférieure pour la voie montante (pour les données numériques émises par le client) et la bande supérieure descendante beaucoup plus étendue et donc offrant un débit plus important. Spectre de fréquences de l'adsl Les débits proposés par l'adsl ne sont pas donc identiques dans les deux sens de circulation d où la lettre A signifiant Asymétrique dans l acronyme ADSL. Ils ne dépassent pas 1 Mb/s dans le sens montant. Dans le sens descendant (c'est-à-dire vers l usager), ils sont aux maximum de 8 Mb/s avec l'adsl mais peuvent atteindre 25 Mb/s avec l ADSL2+ qui a été normalisé il y a deux ans. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

11 Face à ces valeurs somme toute importantes, tout optimiste excessif se doit d'être tempéré. L'ADSL2+ ne peut pas être proposé à l'ensemble de la population (outre le fait que les équipements spécifiques dans les centraux doivent être justifiés par une population suffisante) parce que ses performances décroissent très rapidement avec la distance. Avec l'adsl le débit maximum théorique de 8 Mb/s ne pourra être atteint que dans le secteur proche du central téléphonique. A 2,5 km de distance, il ne sera plus que de 4 Mb/s environ. D autres éléments intrinsèques peuvent également intervenir dans cette limitation : la qualité la ligne, le diamètre des fils, les interférences avec les fils voisins Avec l'adsl2+, c'est le même problème. S'il autorise des débits pouvant atteindre 25 Mb/s pour les abonnés les plus proches du central, ses performances décroissent d autant plus rapidement avec la distance que les fréquences mises en jeux sont deux fois plus élevées que pour l ADSL classique : en conséquence, le gain en débit apporté par la nouvelle norme ne sera significatif que dans un rayon de 2,5 km environ autour du central. Au delà, le gain sera minime par rapport à l ADSL classique, les clients les plus éloignés ne percevront pas de différence. L'ADSL2+ n'apporte un véritable "plus" que pour les abonnés les plus près du central. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

12 L ADSL n est que l un des membres de la grande famille de normes DSL dont les acronymes ne diffèrent que par la première lettre (d'où l'appellation de xdsl qui est parfois employé pour désigner cette famille). Ces normes se différencient par les technologies de modulation utilisées, par leurs performances en matière de débit (et donc de distance utile) dans un sens et dans l autre... Hormis l ADSL, on distingue : - le HDSL (High bit rate DSL) avec des débits symétriques de 2 Mb/s environ sur deux paires de cuivre pour des distance ne dépassant pas 4 km, - le SDSL (Symmetric DSL) avec des débits symétriques sensiblement identiques mais sur une seule paire de cuivre, - le READSL (Reach Extended DSL) qui permet d'augmenter les distances utiles mais avec des débits ne dépassant pas 512 kb/s, - le RADSL (Rate adaptative DSL) - le VDSL (Very high rate DSL) orienté très hauts débits (plusieurs dizaines de Mb/s dans le sens descendant), mais avec des distances dépassant à peine le kilomètre. Aujourd hui France Telecom teste le VDSL2 qui permet un débit théorique de 100 Mb/s symétrique! Toutes ces technologies ne sont pas encore proposées au grand public. Les autres technologies d'accès : Le câble est une alternative à l ADSL, mais qui reste limitée aux agglomérations câblées. Initialement destinés à la diffusion des programmes de télévision, en analogique dans un premier temps puis en numérique aujourd hui, les réseaux câblés urbains permettent aussi la transmission bilatérale de données à haut débit. Les offres commerciales des câbloopérateurs sont du même ordre que pour l ADSL (jusqu'à environ 20 Mb/s dans le sens descendant). Le débit peut être très variable selon le nombre d utilisateurs simultanés. Tout comme pour l'adsl, la connexion à Internet est permanente. Ces deux technologies phares ne permettent pas de couvrir la totalité du territoire français. Des solutions alternatives existent pour les zones plus «désertiques», hors agglomérations câblées ou situées trop loin d un répartiteur pour l ADSL. Elles s appuient sur le satellite, les ondes radio ou sur le réseau de distribution de l électricité mais elles restent encore marginales par rapport à l ADSL ou le câble. Largement utilisé pour la télévision, le satellite apporte une réponse pour la transmission de données ou pour l accès individuel à Internet avec des débits qui pourraient être importants, mais qui sont généralement limités commercialement à quelques Mb/s pour ce qui concerne les particuliers. Un équipement spécifique (carte de réception à la norme DVB) doit être intégré au micro-ordinateur et être relié à une antenne parabolique extérieure. Deux méthodes sont proposées pour la voie montante (requêtes des utilisateurs). La première s appuie sur la ligne téléphonique classique par l intermédiaire d un modem. La seconde, réservée aux professionnels (collectivités territoriales, entreprises ) est plus onéreuse et MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

13 s appuie exclusivement sur le satellite : les liaisons sont alors bi-directionnelles, la parabole est également utilisée en émission. Le Wimax apportera également une réponse, hertzienne en l occurrence (bande de 3,5 Ghz), pour s affranchir des derniers kilomètres en direction des utilisateurs. Cette technologie radio, pas encore totalement stabilisée sur le plan de la normalisation, présente de nombreux avantages : des liaisons de quelques dizaines de kilomètres, des débits élevés et bidirectionnels, une installation facile, une antenne de dimension réduite... Les conseils généraux de l'orne, du Calcados et de la Vendée ont déjà adopté cette technologie à travers les équipements qui sont proposés par l'opérateur français Altitude Telecom (tarif pour le grand public : 39 /mois pour un débit de 1 Mb/s). La troisième solution alternative s appuie sur le réseau électrique. L idée de superposer des signaux numériques au courant électrique n est pas récente mais elle trouve ici une application nouvelle avec le développement de l Internet. Si elle reste encore expérimentale pour le câblage des agglomérations, elle est par contre totalement opérationnelle à l intérieur, en remplacement des réseaux filaires d établissements. Plusieurs dizaines de collèges dans le département de la Manche, 18 écoles à Nice ont été équipés en interne selon ce principe. En extérieur, la boucle locale électrique autorise des débits élevés (théoriquement plusieurs dizaines de Mb/s, pratiquement beaucoup moins) mais présente aussi des contraintes, notamment, en terme de distance utile puisque qu elles ne peuvent pas excéder quelques centaines de mètres (300m) sauf à installer des répéteurs (voir la note technique «Internet sur les fils électriques?» consacré à ce sujet sur ce même site). Ce tableau ne serait pas complet sans mentionner ces nouveaux opérateurs (Erenis notamment) qui déploient de la fibre optique jusqu'au pied même des immeubles de Paris (technologie dite FTH pour Fiber To The Home). La distribution au sein des bâtiments est ensuite assurée en utilisant la technologie VDSL. Cet opérateur propose des forfaits pour l'accès Internet et la téléphonie illimitée avec des débits compris entre 15 Mb/s (29,90 (pour les particuliers) et 60 Mb/s (70 ). Ces offres sont aujourd'hui disponible sur logements dans la capitale et Asnières. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

14 A.2- Diffuser de la vidéo sur Internet : les deux solutions Pour diffuser de la vidéo sur Internet, deux solutions sont possibles. Compte tenu des capacités encore limitées d'internet qui ne permet pas des diffusions avec une qualité suffisante, il faut, soit réduire le débit (et donc la qualité) des séquences vidéo en conservant le temps réel, soit s affranchir de la diffusion en temps réel. La première solution, radicale, consiste à réduire la quantité d'information transmise - c'est à dire à diminuer la qualité des images et/ou leur fréquence - à proportion du débit numérique maximum permis par le ou les réseaux d'accès qui seront utilisés. On parle de streaming (lecture vidéo en continu). La seconde, plus riche de possibilités, consiste à s'affranchir du temps réel et met en œuvre des techniques de téléchargement. En fait, on triche soit sur la qualité, soit sur le temps. Dans le premier cas, la réduction de débit va s effectuer en diminuant le "poids" des images : taux de compression plus importants, réduction des dimensions des fenêtres. La cadence des images pourra être inférieure à celle qui permet d'assurer une restitution fluide du mouvement (25 images par seconde traditionnellement pour la télévision). Dans ce scénario, l'image s'affiche au fur et à mesure de la réception et sa qualité est directement tributaire de la plus ou moins bonne réception (l'état d'encombrement du réseau) et assujettie à la remise en ordre des paquets d'information. Dans les cas les moins favorables, lorsque les conditions de transmission sur le réseau se détériorent et sont telles que le débit devient insuffisant, l'image peut même se "geler". La qualité est certes dégradée par rapport à une image de télévision, mais elle s effectue en temps réel. Les dimensions des images sont réduites (et ne sont en aucun cas en plein écran). La deuxième famille de solutions part d une approche inversée par rapport à la précédente, et joue du temps au lieu de tricher sur la qualité. Elle repose sur le principe du téléchargement préalable et se déroule en deux étapes. Préalablement au visionnement, la totalité des données vidéo sont d abord rapatriées sur le disque dur du terminal utilisateur. Une fois les données stockées, l'ordinateur peut alors lire la séquence vidéo tout en conservant la cadence requise garantissant de ce fait une qualité constante et bien supérieure à la méthode précédente. Dans certains cas, il est possible de commencer à lire le fichier avant qu il ne soit complètement téléchargé (Progressive Streaming) du moins pour ce qui concerne les données déjà téléchargées et à la condition bien sûr, que l'opération de téléchargement ne soit pas MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

15 moins rapide que la lecture. La qualité des images reste optimale car contrairement à la méthode précédente, elle n est pas altérée par les conditions de transfert sur le réseau. La qualité finale ne dépend plus du réseau, mais de la machine lectrice. La durée du téléchargement peut par contre être très variable et même parfois très longue car elle dépend du mode d accès utilisé, de la taille du fichier (plus la qualité sera grande, plus le fichier sera volumineux) et des conditions de trafic sur Internet. On peut, bien entendu, jouer sur la taille des fichiers et donc sur la qualité des vidéos en utilisant les encodeurs propres au streaming et en adaptant les paramètres d encodage (taille des images, choix du débit, choix des codecs ). Des images en «plein écran» sont tout à fait possibles et c'est d'ailleurs ce qui est proposé sur les sites offrant des services de vidéo à la demande. Chacune des deux méthodes a ses avantages et ses inconvénients : transmission en temps réel mais qualité réduite des images pour l'un, durée plus importante du transfert mais bonne qualité pour l'autre. Les différences entre streaming et téléchargement s'évaluent également en terme de dimensionnement des flux, de serveurs spécifiques ou non, et de type de fichiers. Si le streaming s'appuie sur des formats particuliers (voir chapitre A5), il n'en n'est pas de même pour le téléchargement qui peut être réalisé pour tout type de fichier (pour la vidéo, AVI, Divx, MPEG-2, MPEG-4... et d'autres). Par ailleurs, le streaming soulève des difficultés sur les réseaux internes d'établissements équipés de firewalls. Comparatif entre les deux solutions Téléchargement Streaming Diffusion en différé oui oui Diffusion en direct non oui Lecture simultanée oui oui Protocoles de transfert Sans pertes Pertes possibles mais plus rapide Passage des fire-walls oui Adaptation nécessaire Serveur Classique Spécifique Si le téléchargement de fichiers (qu'ils contiennent ou non des données vidéo) est une opération courante en informatique, le streaming, en revanche a nécessité le développement de technologies particulières : protocoles de transmission des données, algorithmes de compression des images vidéo... Ces points sont développés dans les chapitres suivants. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

16 A.3- S'affranchir des défauts d'internet A.3.1- les protocoles Conçu à l origine pour des applications qui n étaient pas multimédia, Internet repose à la base sur deux protocoles IP et TCP. Le protocole IP assure l acheminement des paquets de point en point, jusqu au terminal final mais sans se préoccuper du contenu. Il ne gère pas les pertes et les retards. Ce protocole simple mais peu fiable est complété par le protocole TCP qui assure la fiabilité de la transmission en demandant la ré-émission des paquets perdus ou détruits. Du fait de cette procédure de ré-émission, TCP est un protocole lent. Cette fiabilité qui est un atout pour la transmission de fichiers «informatiques» devient, du fait de cette relative lenteur, un handicap pour la transmission de la vidéo et de l audio : lors d'une diffusion en temps réel, il est difficile d'attendre que tous les paquets perdus ou détruits soient réexpédiés! a- Des protocoles spécifiques : Pour compenser la lenteur de TCP, on a ainsi créé le protocole UDP (User Datagram Protocol). C'est un protocole simplifié à l extrême, qui fonctionne «au fil de l eau» sans contrôle des erreurs, sans remise en ordre des paquets à l'arrivée, sans ré-émission des données perdues et sans procédure d acquittement. Il ne garantit donc pas la bonne transmission des flux, et constitue donc un service de transport non fiable, exposé à des altérations, des pertes ou des séquencements incorrects mais présente l avantage d être beaucoup plus rapide que TCP permettant des processus temps réel de multidiffusion ou de streaming Au cours d une même session, les deux protocoles TCP et UDP peuvent être simultanément utilisés conjointement avec IP en fonction des caractéristiques des données à transmettre : TCP pour les données ne souffrant aucune perte (textes, tableaux ) et UDP pour la transmission des signaux audios et vidéos pour lesquels une transmission en temps réel est exigée mais où des pertes peuvent être tolérées. Ces protocoles majeurs ont été complétés par des protocoles spécifiques et par des mécanismes particuliers destinés à optimiser la transmission des données audiovisuelles. Le protocole RTP (Real-time Transport Protocol) contrôle les flux vidéo et audio dans les applications en temps réel. Il assure la numérotation des séquences, ajoute une référence MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

17 temporelle (timestamp) qui indique l instant exact d émission du paquet à la source permettant ainsi à l arrivée de replacer les paquets dans le bon ordre, et de rétablir la régularité temporelle (RTP permet ainsi d assurer un jitter inférieur à 40 ms). Les en-têtes RTP indiquent également la nature du codage audio ou vidéo. L optimisation de la qualité des transmissions passe également par l implémentation de mécanismes spécifiques au niveau des applications terminales et des éléments intermédiaires du réseau (les routeurs). Une première étape est d adapter en temps réel le débit de la vidéo en fonction des capacités instantanées du réseau (et donc d assurer une qualité des images aussi optimale que possible). Cette adaptation repose sur les échanges qui sont établis à intervalles réguliers entre les organes terminaux et qui s appuient sur les protocoles RTP et RTCP (Real-time Transport Control Protocol). En fonction des «compte-rendus» de réception émis par le terminal, la station émettrice modifie les paramètres de diffusion des données vidéo et /ou audio. La qualité de la restitution va ainsi diminuer légèrement lorsque le débit sur le réseau devient plus faible (pour les images vidéo, la définition sera un peu moins bonne, la fluidité moins soutenue, pour l audio, la bande passante sera plus réduite ) et vice-versa. Dans un réseau provisoirement congestionné, il est sans doute préférable d afficher des images avec une qualité amoindrie (plus fortement compressées, elles nécessitent un débit plus faible) mais partiellement exemptes de défauts de transmission (peu de pertes de paquets, jitter faible) que des images de meilleure facture (moins compressées, donc avec un débit plus élevé) mais qui présenteraient, compte tenu de la saturation du réseau, des taux de pertes et de jitter importants, de nombreux artefacts, voire un gel complet. Les deux protocoles RTP et RTCP n ont donc pas pour mission d agir sur les équipements constitutifs du réseau. Dans cette quête pour l optimisation des transmissions, une deuxième étape est d intervenir sur tous les éléments intermédiaires. Le transfert des paquets de données sur le réseau peut être amélioré : soit en «balisant» le chemin et en réservant de la bande passante : la réservation de ressources s établit via le protocole de réservation RSVP (Ressource reservation Protocol). Ces réservations sont demandées par le récepteur et adressées périodiquement aux différents routeurs. MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

18 soit en affectant des priorités aux paquets contenant des données sensibles : les données audio et vidéo sont rendues prioritaires par rapport aux autres données lorsque des congestions se produisent sur des routeurs. Ce panorama ne serait pas complet sans mentionner également le protocole RTSP, sorte de télécommande réseau des serveurs multimédia, qui permet de disposer de fonctionnalités analogues à celles d un magnétoscope virtuel. Quelques protocoles utilisés pour diffuser de la vidéo sur Internet. On utilise parfois les termes de «piles de protocoles» (protocol stack) pour qualifier cet arrangement vertical des fonctions. Exemple d'utilisation des protocoles pour une diffusion vidéo MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

19 b- Hiérarchie et encapsulation : On l'a déjà mentionné, sur un réseau IP, les données utiles ne circulent pas en un flot continu sur le réseau mais sont «découpées» en paquets. A chacun d entre eux est affecté une entête (header en anglais) qui contient des informations pour le service. Le traitement de l information est hiérarchisé sous la forme de couches fonctionnelles, chacun d entre elles correspondant à une fonctionnalité précise (couche application, couche transport, couche réseau ) et donc à un ou plusieurs protocoles spécifiques. Le modèle OSI adopté pour l'informatique comporte 7 couches. L intérêt de cette modélisation est, du fait de la création d interfaces clairement définies entre chaque couche, de permettre de changer des fonctions ou des protocoles dans une couche sans influer sur les autres. Dans le cadre d'internet, ce découpage a été réduit à 4 couches seulement : applicatif, transport, passerelle inter-réseau, accès réseau physique. Concrètement, le flux d informations transformé en paquets est transmis de couche en couche. Chacune d entre elles ajoute cependant ses propres informations de service aux données utilisateurs correspondant aux divers protocoles utilisés. A la manière de poupées russes s emboîtant les unes dans les autres, chaque paquet avec sa charge utile et son entête devient la charge utile de la couche suivante et est complété par une entête (et aussi, le cas échéant, par des octets de fin). On utilise le terme d encapsulation. La succession de nombreux protocoles, si elle répond à la nécessité d améliorer la transmission des données, a aussi pour conséquence négative un accroissement important des données «de service» comparativement au volume des informations «utiles» et donc une augmentation du volume total à transmettre. Ces entêtes successives contiennent des informations qui sont, pour certaines, identiques d une entête à l autre. Des techniques de MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64

20 compression ont été aussi élaborées pour alléger le volume de ces entêtes et permettre la suppression de ces redondances à l émission. Encapsulations successives : ici dans le cadre d'une visioconférence. Les données vidéo générées par un encodeur à la norme H261, H263 ou H264 sont successivement «portées» par différents protocoles. A.3.2- le «buffering» A l'image du barrage de montagne qui se remplit plus ou moins rapidement en fonction des périodes de l'année mais qui se vide toujours régulièrement garantissant un débit constant dans la conduite qui mène aux turbines, le buffer est une mémoire tampon qui se remplit à un rythme très variable en fonction des fluctuations de débit sur le réseau mais qui est simultanément lisible à un rythme fixe. Son rôle est donc de lisser les irrégularités de débit sur le réseau : les variations, les ralentissements, les pertes de paquets... ne seront pas perçus s'ils ne sont pas importants. Qu'une interruption de trop longue durée survienne, et le buffer a le temps de se vider complètement. Dans ce cas, l'image se gèle et la visualisation de la séquence vidéo cesse. La suite de la lecture est alors assujettie à la reprise du trafic et à l'attente liée à la «re-bufférisation». Cette notion de buffer, si elle présente l'énorme avantage de fluidifier l'affichage des images, présente toutefois l'inconvénient d'introduire un retard au démarrage du visionnement : toujours à l'image du barrage, il faut attendre quelques secondes que le buffer se remplisse avant de pouvoir commencer à visualiser un flux vidéo (ceci est également visible lorsqu'on effectue un retour en arrière). Cet inconvénient est aujourd'hui minimisé avec MSH Paris nord Plate-forme Arts, Sciences, Technologies Philippe GASSER Avril / 64