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DLNA - Standardisierung in Heimnetzwerken - Grundlagen Informationstechnik

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Die Digitalisierung der Unterhaltungselektronik begann in den 1980er Jahren mit der Ablösung der Schallplatte durch die CD. Fast gleichzeitig revolutionierte ein anderes Gerät die Arbeitswelt: der PC. Viele Jahre existierten CD und PC jeder für sich in seiner eigenen Welt. War die CD (und deren Nachfolger DVD) zunächst für den Bereich der Unterhaltungselektronik, einem wichtigen Aspekt der Freizeitgestaltung, geschaffen worden, so war der PC ausschließlich im Berufsleben zu finden.
Bis zur Jahrtausendwende wurden immer mehr Geräte, die einst mechanisch oder chemisch ihre Funktionen erfüllten durch digitale Produkte ersetzt. Die rapide technische Entwicklung machte Computer immer leistungsfähiger, Software immer bequemer, Datenspeicher immer größer und die Kommunikation zwischen elektronischen Geräten immer schneller. Durch Massenproduktion wurde ehemals professionelle Hochtechnologie für jedermann zugänglich. Mit CD-Brennern und Audiokarten ausgestattet, avancierten Computer in den Multimediabereich.  Mit der Verfügbarkeit von digitalen Camcordern, Fotoapparaten und DVD-Brennern und dem Auftauchen von MP3 als Kompressionsverfahren wurde dieser Trend weiter beschleunigt. Die Grenzen zwischen Unterhaltungselektronik und Informationstechnik begannen zu verwischen.

Die Tatsache, dass aber nur wenige Hersteller sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch in der Informationstechnik tätig waren, führte dazu, dass in den ersten Jahren jedes Unternehmen sein eigenes Süppchen kochte und die Inkompatibilitäten bei Schnittstellen und Formaten die digitale Konvergenz von UE und IT stark behinderte. Kauf-CD konnten nicht auf PCs abgespielt werden, selbstgebrannte Video-CDs konnten nicht vom DVD-Player wiedergegeben werden und der Fernseher konnte nicht an einen PC angeschlossen werden.
Es galt nun alles unter einen Hut zu bringen: die Industrie war gefordert Standards zu schaffen und durchzusetzen. Die neuen Komponenten müssen die Intelligenz haben, andere Komponenten zu erkennen und sich dementsprechend selber zu konfigurieren. Die Verbindung der Komponenten untereinander sollte nicht mehr über individuelle Verbindungen und Signale, sondern über eine Vernetzung untereinander, dem Heimnetzwerk, erfolgen.
Dieses Netzwerk muss die gleiche Sprache sprechen (das gleiche Protokoll haben) wie das Internet und muss auch von Nicht-IT-Profis handhabbar sein. Einfachste Installation ist somit allererste Voraussetzung.

2. Die DLNA (Digital Living Network Alliance)

Die für eine einfache Interoperabilität erforderlichen Schnittstellen werden durch viele Organisationen und Standards definiert. Um eine allüberspannende Struktur zu schaffen wurde 2003 die DLNA (Digital Living Network Alliance) gegründet. In der DLNA vereinigten sich ursprünglich 17 Firmen der Unterhaltungselektronik, Hardware- und Softwarehersteller sowie der Mobilfunkbranche unter einem Dach. Unterstützt wird dieser aktive Kern von über 250 weiteren Firmen. Die DLNA erarbeitet die Rahmenbedingungen innerhalb bestehender Standards und gibt Richtlinien für die Mitgliedsfirmen heraus. Das Ziel ist die Definition der Bedingungen um in einem drahtgebundenen oder drahtlosen Netzwerk digitale Inhalte wie Musik und Videos nahtlos über Computer, Consumer Electronic und mobile Geräte im Haus, aber auch darüber hinaus wiedergeben zu können.
Die Grundstrategie der DLNA ist es, existierende Standards zu verwenden und die Interoperabilität durch eine Einschränkung der Möglichkeiten zu verbessern.
Weiterhin schafft die DLNA Konformitätstests und unterhält ein Zertifizierungsprogramm.
 
Im Sommer 2004 wurden die ersten Richtlinien (DLNA Version 1.0) herausgegeben. Diese definieren ein Minimum an Architektur, Formaten und Protokollen, lassen aber schon ein voll funktionsfähiges Heimnetzwerk mit Mediaserver und Mediaplayern zu. Dieser kleinste gemeinsame Nenner wird seitdem regelmäßig dem Stand der Technik entsprechend erweitert.
Im Oktober 2006 wurden erweiterte Richtlinien (DLNA Version 1.5) veröffentlicht. Wichtigste Neuerungen betreffen den Kopierschutz und rund 200 neue Mediaformatprofile. Neben Mediaserver und Mediaplayer werden zehn weitere Geräteklassen und fünf Gerätefähigkeiten definiert.

Abb. 01: Logo der DLNA
Abb. 01: Logo der DLNA [1]

Neben der Promotion soll ein Logo dem Kunden die Kompatibilität der Geräte offensichtlich machen. Hierzu führen mehrere weltweit verteilte Zertifizierungsstellen für die DLNA Konformitätsprüfungen an Produkten der assoziierten Hersteller durch. Anfang 2011 waren bereits über 9000 Produkte DLNA-zertifiziert. Die Produktpallette reicht von TV-Geräten, DVD- und Blu-ray-Spielern über Spielkonsolen und digitalen Bilderrahmen bis zu NAS, Mobilgeräten usw.
Mit  DLNA-zertifizierter Software können Verbraucher nicht DLNA-kompatible Geräte in ihrem Heimnetzwerk (z.B. Server) upgraden um die Systemvorteile voll nutzen zu können.

3. DLNA-Geräteklassen (Device Classes)

Die DLNA-Richtlinien definieren insgesamt zwölf zertifizierbare Geräteklassen, die in die Kategorien Heimnetzwerkgeräte, Mobile tragbare Geräte und Netzwerkinfrastrukturgeräte eingeteilt sind. Geräteklassen sollen die funktionalen Fähigkeiten eines Gerätes unabhängig ihrer physischen Eigenschaften beschreiben.  Jede Geräteklasse weist bestimmte Eigenschaften und Funktionen auf. Multifunktionsgeräte können mehreren Geräteklassen angehören.

Tabelle 1: Übersicht der DLNA-Geräteklassen
Tabelle 1: Übersicht der DLNA-Geräteklassen

Kategorie "Heimnetzwerkgeräte"

  • Digital Media Server (DMS) halten Medieninhalte (Filme, Bilder, Musik) zur Wiedergabe mit Digital Media PLayer (DMP), Digital Media Renderer (DMR) oder Digital Media Printer bereit. Technisch können Digital Media Server  als PC oder NAS, Satellitenreceiver, Blu-ray-Player usw. ausgeführt sein.
  • Digital Media Renderer (DMR) spielen wie DMPs Medien ab, die sie von einem DMS empfangen. Allerdings können Digital Media Renderer nicht selber Inhalte im Netzwerk finden. Die Auswahl des Inhalts findet über einen Digital Media Controller statt. Dieser holt den Inhalt von einem Digital Media Server ab. Beispiele für DMRs sind netzwerkfähige Fernsehgeräte, AV-Receiver oder Funklautsprecher.
  • Digital Media Player (DMP) sind Kombinationen aus einem Digital Media Renderer und einem Digital Media Controller. DMPs finden Inhalte auf Media Servern und spielen über ein Netzwerk zur Verfügung gestellte Medien ab (z. B. netzwerkfähiges Fernsehgerät, MP3-Player, Digital Media Adapter, Smartphones). Digital Media Player sind für andere Geräte wie Digital Media Controller (DMC) im Netzwerk nicht sichtbar.

Einige Geräte, wie netzwerkfähige Fernsehgeräte oder Digital Mediaadapter, können sowohl als DMP (Digital Media Player) als auch als DMR (Digital Media Renderer) fungieren. Als DMP laden ("pull" = "ziehen") sie Inhalte vom DMS. Als DMR empfangen sie einen vom DMS gesendeten ("push" = "schieben") Multimediastream.

  • Digital Media Controller (DMC) finden Inhalte auf Digital Media Servern und spielen sie auf Digital Media Renderern ab. Beispiele für Digital Media Controller sind Smartphones, Tablet-PCs oder PDAs.
  • Digital Media Printer (DMPr) stellen (Foto-) Druckdienste in einem DLNA-Netzwerk zur Verfügung.

Kategorie "Mobile tragbare Geräte"

  • Mobile Digital Media Server (M-DMS) speichern Inhalte und stellen diese Mobile Digital Media Playern, Digital Media Renderern und Digital Media Printern zur Verfügung. M-DMS unterscheiden sich von DMS dadurch, dass sie Formate unterstützen, die hauptsächlich bei mobilen Geräten zu Einsatz kommen.  Beispiele für M-DMS sind Smartphones und portable Abspielgeräte.
  • Mobile Digital Media Player (M-DMP) finden und spielen Inhalte von Digital Media Servern oder Mobile Digital Media Servern ab. M-DMPs unterscheiden sich von DMPs dadurch, dass sie Formate unterstützen, die hauptsächlich bei mobilen Geräten zu Einsatz kommen. Mobile Digital Media Player sind für andere Geräte wie Digital Media Controller (DMC) im Netzwerk nicht sichtbar. Ein Beispiel für ein M-DMP ist ein multimediafähiges Tablet-PC.
  • Mobile Digital Media Controller (M-DMC) finden Inhalte auf Digital Media Server oder Mobile Digital Media Server und senden ihn an einen Digital Media Renderer.
  • Mobile Digital Media Uploader (M-DMU) können Daten auf einen Digital Media Server oder Mobile Digital Media Server hochladen (Beispiel: Digitalkameras, Camcorder).
  • Mobile Digital Media Downloader (M-DMD) finden Daten, laden diese von einem Digital Media Server oder Mobile Digital Media Server herunter und spielen sie nach dem Download lokal ab.

Kategorie "Netzwerkinfrastrukturgeräte"

  • Media Interoperability Unit (MIU ) können die Medienformate für die Heimnetzwerkgeräte und tragbare Geräte konvertieren (Transcoder).
  • Mobile Network Connectivity Function (M-NCF) dienen als Verbindungsbrücke zwischen den tragbaren Geräten und Heimnetzwerkgeräten.

Gerätefähigkeiten (Device Capabilities)

Gerätefähigkeiten sind zusätzliche Funktionalitäten, die eine Gerätklasse aufweisen kann. Gerätefähigkeiten werden nicht von der DLNA zertifiziert.

Abb. 02: Gerätefähigkeiten (Device Capabilities)
Abb. 02: Gerätefähigkeiten (Device Capabilities) [2]

4. Die DLNA-Richtlinien zur Interoperabilität

Durch die Formulierung der Richtlinien zur Interoperabilität schafft die DLNA eine Basis zur Entwicklung von Geräten und Komponenten der Computer- und Netzwerktechnik und Unterhaltungselektronik. Die Richtlinien beruhen weitgehend auf offenen Standards wie HTTP, UPnP oder XML. Abbildung 03 zeigt den DLNA-Protokollstapel im Bezug zum OSI-Referenzmodel.

Abb. 03: der DLNA-Protokollstapel (DLNA Version 1.5)
Abb. 03: der DLNA-Protokollstapel (DLNA Version 1.5) [2]

4.1. Netzwerk und Konnektivität

Die Basis der Kommunikation in einem DLNA-Netzwerk beruht auf der IPv4-Protokollfamilie. IPv4 gilt als bewährter Industriestandard und wird von einer Unzahl an Geräten und Zubehör unterstützt.
Da IP-Netze protokolltransparent sind, spielt es für Anwendungen keine Rolle wie und auf welchem Medium die Daten übertragen werden. So kann ein Mediaserver im Keller per Kabel einen Multimediastream an einen WLAN-Access-Point im Hauswirtschaftraum übertragen, der den Stream dann per Funk an den Fernseher im Wohnzimmer weiterleitet. Mediaserver und Fernseher bemerken dabei nicht, dass die übertragenen Inhalte über zwei unterschiedliche Übertragungsmedien gelaufen sind.
In der 2011 veröffentlichten DLNA-Richtlinie werden für drahtgebundene Netzwerke Ethernet, HPNA (Home Phoneline Networking Alliance: Hausvernetzung über bestehende Telefonkabel) und MoCA (Multimedia over Coax Alliance) und für drahtlose Netze die Standards IEEE 802.11a/b/g/n und Bluetooth empfohlen.

4.2. Lokalisierung und Steuerung von Geräten

4.2.1. UPnP als Unterbau von DLNA

Die Dienste "Lokalisierung und Steuerung von Geräten" ermöglicht es Geräten im Netzwerk sich selbst automatisch mit Netzwerkeinstellungen (wie z.B. eine IP-Adresse) zu konfigurieren, die Anwesenheit und Eigenschaften von anderen Geräten im Netzwerk zu erkennen und mit mit anderen im Netzwerk nahtlos zusammenzuarbeiten. Realisiert werden diese Funktionen unter dem Universal Plug and Play Device Control Protocol Framework (UPnP DCP Framework).

UPnP (Universal Plug and Play)

UPnP wurde in den 1990er Jahren von Microsoft entworfen und wird seit 1999 von einem Zusammenschluss von Herstellern, dem UPnP-Forum, weiterentwickelt.
UPnP ist ein vom Betriebssystem unabhängiges Framework von Netzwerkprotokollen, die es erlauben vernetzbare Geräte wie PCs, Drucker, Haushaltsgeräte, Unterhaltungselektronik, Internet-Gateways, WLAN-Access-Punkte und mobile Geräte miteinander zu verbinden und Netzwerkdienste für Datenaustausch, Kommunikation und Multimedia zu teilen.
Die UPnP-Technologie definiert die Grundprinzipien wie Geräte über XML (Extensible Markup Language) und dem Simple Object Access Protocol  (SOAP) kommunizieren. Dies ist ein Standard beim Nachrichtenaustausch innerhalb von IP-Netzwerken.
Die UPnP-Architektur unterstützt Zero Configuration Networking (Vernetzung ohne Konfiguration) und eine  automatische Lokalisierung von Geräten, Diensten und Inhalten. Ein Gerät kann sich selbst einem Netzwerk anschließen, eine IP-Adresse erhalten, seinen Namen bekannt geben, auf Anfrage seine Funktionalitäten (capabilities) übermitteln und die Anwesenheit und Funktionalitäten anderer Geräte erfahren.
DHCP- (Dynamic Host Configuration Protocol) und DNS- (Domain Name System) Server sind optional und werden nur wenn sie im Netzwerk vorhanden sind genutzt. Ein Gerät kann problemlos und automatisch ein Netzwerk verlassen oder aus einem Netzwerk entfernt werden ohne dass unerwünschte Statusinformationen zurückbleiben.
Ein UPnP-Netzwerk besteht aus einem oder mehreren UPnP-Kontrollpunkten (UPnP CPs) und einem oder mehreren UPnP-Geräten (Devices). UPnP-Kontrollpunkte können separate Geräte sein (z.B. ein PDA oder Tablett-PC) oder auch in Geräte (z.B. Smartphone) integriert sein.
Ein UPnP-Kontrollpunkt kann andere Geräte ohne Interaktion des Benutzers finden.

Adressierung (Addressing)

UPnP hat IP-Netzwerke als Basis. Daher muss jedes Gerät über einen DHCP-Client verfügen und nach einer neuen Verbindung mit einem Netzwerk einen DHCP-Server suchen. Sollte kein DHCP-Server zur Verfügung stehen, muss das Gerät sich an selbst eine IP-Adresse vergeben. Dieser Vorhang wird in der UPnP-Architektur als AutoIP (auch APIPA oder ZeroConf) bezeichnet.
Sollte während dieses Prozesses z.B. ein DNS-Server an das Gerät einen Domain-Namen vergeben haben, sollte das Gerät in den folgenden Netzwerkaktivitäten diesen statt der IP-Adresse verwenden.

Erkennung/Lokalisierung (Discovery)

Hat ein neues Gerät im Netzwerk eine IP-Adresse erhalten, muss es seine Anwesenheit im UPnP-Netz veröffentlichen (advertise = ankündigen, werben). Mit dem Simple Service Discovery Protocol (SSDP) schickt das Gerät über UDP per HTTP-Multicast (HTTPMU) eine kurze XML-Nachricht ("Discovery Message"), die Gerätenamen, Typ, Dienste und eine URL enthält, an die Broadcast-Adresse 239.255.255.250:1900, auf der alle UPnP-Geräte und Kontrollpunkte ständig lauschen.
Wird ein UPnP-Kontrollpunkt in ein Netz eingefügt, kann dieser ebenfalls über SSDP per HTTPMU nach UPnP-Geräten im Netz suchen. Als Antwort auf seine Suchabfrage senden alle Geräte ihre Discovery Message per Unicast (HTTPU) direkt an den Kontrollpunkt.

Beschreibung (Description)
Abb. 04: Beschreibung eines Mediaservers
Abb. 04: Beschreibung eines Mediaservers [3]

Nachdem ein Kontrollpunkt ein Gerät gefunden hat, holt er sich per HTTP über TCP/IP die Beschreibung des Gerätes von der URL, welche ihm bei der Erkennung/Lokalisierung mitgeteilt wurde. Diese stellt das Gerät in Form eines XML-Dokumentes zur Verfügung. Die Beschreibung beinhaltet Informationen über den Hersteller, die Seriennummer, URL-Adressen für die Steuerung, Ereignisse und die Präsentation. Für jeden Service, den ein Gerät anbietet, werden Kommandos und Aktionen sowie Datentypen und Datenbereiche spezifiziert. Die Beschreibung beinhaltet neben den Diensten, die es anbietet, auch alle eingebetteten Geräte mit deren Diensten.
Abb. 04 zeigt als Beispiel einen Ausschnitt eines XML-Beschreibungsdokuments für einen Mediaserver.

Steuerung (Control)

Hat ein Kontrollpunkt die Beschreibung eines Gerätes erhalten, kennt er dessen Eigenschaften und Dienste und kann Steuerungsbefehle ausgeben. Hierzu sendet er Steuernachrichten (Control Messages) an die URL des jeweiligen Dienstes. Die Control Messages verwenden das Simple Object Access Protocol (SOAP) im XML-Format.

Ereignismeldungen (Event Notification, Eventing)

Läuft ein Dienst auf einem Gerät, können sich währenddessen Status und Umgebungsvariablen ändern. Damit ein Gerät nicht dauernd den Zustand eines Dienstes bzw. einer Statusvariablen abfragen muss , nutzt UPnP die XML-basierte General Event Notification Architecture (GENA). Mit GENA können Kontrollpunkte Informationen zum Gerätestatus abonnieren; somit werden sie bei jeder Änderung einer Statusvariablen automatisch informiert. Dazu werden Event Messages verschickt, die den Zustand der abonnierten Variablen enthalten, die sich geändert haben.

Präsentation (Presentation)

Präsentation ist eine alternative Möglichkeit ein UPnP-Gerät zu steuern. Verfügt ein Gerät über eine URL zur Präsentation, kann ein Kontrollpunkt diese abrufen und in einem Web-Browser darstellen. Abhängig von den Funktionalitäten des Gerätes und den Möglichkeiten, die die Präsentationsseite bietet, kann ein Benutzer das Gerät steuern und den Gerätestatus anzeigen.

Abb. 05: Protokolle und Dienste unter UPnP
Abb. 05: Protokolle und Dienste unter UPnP [3]

4.2.2. Architektur eines UPnP-/DLNA-Netzwerkes

Das einfachste DLNA- (UPnP AV-) Netz besteht aus den drei Grundeinheiten Media Server als Quelle der Inhalte, einem Media Renderer als Verbraucher und einem Kontrollpunkt als Koordinator. Media Server und Media Renderer sind Geräte (Devices), die nicht über UPnP miteinander kommunizieren. Der Kontrollpunkt initialisiert und konfiguriert beide Geräte über UPnP so, dass der gewünschte Inhalt von einem Gerät auf das andere übertragen wird. Da der Inhalt nicht per UPnP sondern mit einem anderen ("Out-of-Band") Transportprotokoll übertragen wird, ist der Kontrollpunkt an der Übertragung nicht beteiligt. Der Kontrollpunkt löst lediglich den Datenstrom aus, für die Übertragung des eigentlichen Inhalt wird er nicht benötigt.

Abb. 05: Grundlegende Architektur von UPnP-Netzen
Abb. 05: Grundlegende Architektur von UPnP-Netzen [3]
Digital Media Server

Media Server werden verwendet um Inhalte, die im Netz verfügbar sind zu lokalisieren. Ihre wichtigste Aufgabe ist es zu ermöglichen, dass ein Media Controller Inhalte suchen und dem Benutzer auflisten kann. Auf einem Media Server laufen hierfür zumeist drei Dienste.
Der Content Directory Service verfügt über eine Anzahl von Aktionen. Die wichtigste in der Wiedergabefunktion ist Browsen. Diese Aktion liefert dem Kontrollpunkt detaillierte Informationen über jeden einzelnen Inhalt (Content Item), den der Server bereitstellt. Diese Informationen (z.B. Metadaten) schließen Eigenschaften wie Name, Künstler, Entstehungsdatum usw.
Zusätzliche Metadaten geben Auskunft über Transportprotokolle und Datenformate, die der Server für einen spezifischen Inhalt unterstützt. Der Kontrollpunkt verwendet dies Informationen um festzustellen ob ein gewählter Media Renderer im gegebenen Format wiedergeben kann.

Der Connection Manager Service verwaltet die Verbindungen, die mit einem einzelnen Gerät verknüpft sind. Sollen mehrere Geräte (Renderer) gleichzeitig mit Datenströmen versorgt werden, vergibt der Connection Manager jedem Stream eine ID. Der Kontrollpunkt kann dann über die ID den Datenfluss jedes Stream separat beeinflussen (z.B.  Stop, Pause, Suchen).

Der AVTransport Service wird vom Kontrollpunkt zur Wiedergabesteuerung (Stop, Pause, Suchen, ...) benutzt. Soll der Media Server Streams gleichzeitig an mehrere Geräte schicken, wird für jeden einzelnen eine eigene Instanz des AVTransport Service angelegt. Anhand der vom Connection Manager Service vergebenen ID kann der AVTransport Service jeden Stream identifizieren.

Digital Media Renderer

Der Renderering Control Service verfügt über Aktionen, die es dem Kontrollpunkt ermöglichen zu steuern, wie ein Renderer ein Stück des eingehenden Inhalts zu bearbeitet hat. Das schließt die Beeinflussung von Wiedergabeeigenschaften wie Helligkeit, Lautstärke oder Stummschaltung ein, es kann aber auch ein Mischen von mehreren Inhalten, wie z.B. Bild im Bild oder verschiedene Tonkanäle in einem Audiomixer sein.

Der Connection Manager Service in einem Renderer teilt einem Kontrollpunkt mit, welche Transportprotokolle und welche Datenformate er unterstützt. Anhand diese Informationen kann ein Kontrollpunkt feststellen ob ein Renderer einen bestimmten Inhalt wiedergeben kann.
Über den Conection Manager Service erfährt der Renderer auch vom Kontrollpunkt dass ein Datentransfer bevorsteht und welche ID der Stream hat.

Der AVTransport Service wird vom Kontrollpunkt dazu verwendet um den Datenstrom eines Inhalts zu steuern. Dies ermöglicht Play-, Stop-, Pause-Funktionen.
Empfängt der Renderer mehrere Streams gleichzeitig, werden mehrere Instanzen des AVTransport Service angelegt, die die Streams mittels deren ID identifizieren und selektieren können.

Digital Media Controller (Kontrollpunkt)

Kontrollpunkte koordinieren die Zusammenarbeit von Media Servern und Media Renderern. Normalerweise geschieht dieses in Interaktion mit der Benutzeroberfläche (Anzeigen, Bedienungsknöpfe) des Kontrollpunkts. Die wichtigsten Aufgaben eines Kontrollpunkts sind:

  • Lokalisierung von AV-Geräten
    Mittels der Discovery-Mechanismen können Media Server und Media Renderer im Netzwerk lokalisiert werden.
  • Lokalisierung von Inhalten
    Über den Content Directory Service kann ein gesuchter Inhalt auf einem Server gefunden und die Übertragungsparameter ermittelt werden.
  • Unterstützte Protokolle und Formate von Renderern erkennen
    Über den Connection Manager Dienst des Renderers bekommt der Kontrollpunkt die unterstützten Transportprotokolle und Datenformate aufgelistet.
  • Protokolle und Formate vergleichen und anpassen
    Die vom Content Directory Service gelieferte Protokoll/Format-Informationen  eines bestimmten Inhalts wird mit den Protokoll/Format-Informationen des Renderers verglichen. Der Kontrollpunkt wählt ein Protokoll und ein Datenformat, das beide unterstützen.
  • Konfiguration von Media Server und Media Renderer
    Der Kontrollpunkt informiert Server und Renderer, dass eine Verbindung mit einem bestimmten Protokoll und Datenformat aufgebaut werden soll. Der Kontrollpunkt erhält vom Server eine ID für die Verbindung. Der Kontrollpunkt leitet diese Information an den Renderer weiter.
  • Auswahl und Transfer des gewünschten Inhalts
    Über den AVTransport Service markiert der Kontrollpunkt den gewünschten Inhalt und löst die Übertragung aus.
  • Einstellen der Wiedergabeeigenschaften
    Über den Renderer Control Service kann der Inhalt so wiedergegeben werden, wie der Benutzer es wünscht.
  • Cleanup von Server und Renderer
    Wenn eine Übertragung beendet ist und die bestehenden Verbindungen nicht mehr benötigt werden, können diese über die Connection Manager Services des Servers und des Renderers aufgelöst werden.

4.3. Lokalisierung und Management von Inhalten

Viele Geräte in einem Heimnetzwerk können verschiedene Typen von Inhalten enthalten, auf die von anderen Geräten aus zugegriffen werden soll. So mag beispielsweise ein Mediaserver den größten Teil der Musik, Videos, und Fotos eines Haushalts enthalten. Ein CD-Wechsler kann weitere Teile der Musiksammlung umfassen. Um auf diese Inhalte zugreifen zu können, muss ein Benutzer in der Lage sein, die Inhalte der Geräte zu durchsuchen, ein spezifisches Objekt auszuwählen und es auf dem entsprechenden Ausgabegerät (Audio-Player für Musik-Objekte, TV-Gerät für Video-Objekte, ...) wiederzugeben.
Bequemerweise sollen all diese Funktionen von einem Gerät mit einer Benutzeroberfläche ausgelöst werden. Die Benutzeroberfläche kann in dem Abspielgerät selber integriert sein oder aber auch ein eigenständiges Gerät, z.B. ein PDA oder Tablet-PC, sein. Unwahrscheinlich hingegen ist, dass der Benutzer dies direkt am Gerät, das den gewünschten Inhalt enthält (z.B. Server), vornimmt. Der Server benötigt daher einen einheitlichen Mechanismus, der es Geräten mit Bedienoberflächen die Inhalte zu durchsuchen und detaillierte Informationen über ein spezifisches Objekt liefert. Diese Aufgabe wird, wie im vorherigen Kapitel beschrieben, vom Content Directory Service (CDS) übernommen.
Der Content Directory Service liefert eine logische Struktur für die auf dem Server liegende Medienbibliothek. Die wichtigsten Objekte, in die der CDS untergliedert, sind Container, Items und Ressourcen.   

  • Container ("Behältnisse") sind Sammlungen von mehreren anderen Containern oder Items. In der Praxis sind Container meist mit Verzeichnissen gleichzustellen.
  • Items ("Gegenstand", "Element") sind Einheiten, die vom Benutzer als ein Stück Inhalt angesehen werden.
  • Ressourcen sind die binären Darstellungen des Inhalts (Dateien oder Streams)

Alle Objekte sind in einer hierarchischen Baumstruktur angeordnet. Das oberste Objekt der Hierarchie ist ein einzelner Root-Container. Dieser enthält alle weiteren Container und Items.

Abb. 07: Organisation der CDS-Objekte
Abb. 07: Organisation der CDS-Objekte [3]
Abb. 07: XML-Beschreibung von CDS-Objekten (Ausschnitt)
Abb. 07: XML-Beschreibung von CDS-Objekten (Ausschnitt) [3]

Bei der Initialisierung eines Servers scannt der CDS alle Objekte und sammelt die den Inhalt beschreibenden Metadaten aus den Tags ("Anhängern", "Markierungen") der Items. Alle Informationen über die auf einem Server befindlichen Objekte schreibt der CDS in ein XML-Dokument.
Löst ein Benutzer/Knotenpunkt eine Aktion aus, z.B. eine Suche, wertet der CDS dieses XML-Dokument aus. Auf der Basis von vorgegebenen Suchbegriffen und freier Textsuche kann der CDS gewünschte Inhalte lokalisieren und sortiert an den Benutzer/Knotenpunkt melden.

Abb. 09: UPnP/DLNA-Grundstruktur
Abb. 09: UPnP/DLNA-Grundstruktur [3]

Um die Einordnung, Lokalisierung und Sortierung von Inhalten zu erleichtern stellt UPnP/DLNA per Default eine Grundstruktur der Objekte (Abb. 08) auf einem Server zur Verfügung. Diese Grundstruktur ist auf allen Bedienoberflächen (Browser, Menüs, ...) von UPnP/DLNA-kompatiblen Clients wiederzufinden.

4.4. Medientransport

Quality of Service (QoS)

Gerade in größeren Haushalten kann der zu transportierende Datenstrom im Netzwerk erhebliche Ausmaße erlangen. Mehrere Multimedia-Streams gleichzeitig in verschiedene Räume, große Downloads aus dem Internet, File Sharing und ans Netzwerk angeschlossene Drucker können leicht zu Kapazitätsengpässen führen. Um Störungen wie Ton- oder Bildaussetzer zu vermeiden, können über Quality of Service in einem Netzwerk Multimedia-Streams oder Voice-over-IP-Streams bevorzugt werden. Wie im Artikel "Netzwerkverteiler" beschrieben ist, kann in herkömmlichen lokalen Netzwerken eine solche Priorisierung sinnvollerweise nur im Layer 2, der Sicherungsschicht, vorgenommen werden.

Um den Datenströmen der verschiedenen Multimedia-Anwendungen gegenüber sonstigen Datenverkehr im Netzwerk bevorzugen zu können, hat die DLNA das Bewertungs- und Wichtungsschema der WMM (Wi-Fi Multimedia, einem Zusammenschluss von Herstellern von WLAN-Geräten) übernommen. Diese Einteilung sieht vier Kategorien von Datenströmen (Traffic Types) vor, die unterschiedlich priorisiert sind. Tabelle 02 zeigt die DLNA-Traffic-Typen im Vergleich zu den entsprechenden Prioritäten in drahtlosen Netzen (WMM), drahtgebundenen Netzen (802.Q) und DSCP (Differentiated Service Code Point).

Tabelle 02: Vorgegebene Prioritätsstufen für DLNA Traffic Typen
Tabelle 02: Vorgegebene Prioritätsstufen für DLNA Traffic Typen

Der Priorisierungsmechanismus in DLNA-Netzwerken beruht auf der UPnP-Architektur. UPnP-QoS folgt einigen Grundfunktionen:

  • Einheitliche Zuweisung von Prioritäten über mehrere Anwendungen und Geräte hinweg (= Richtlinien ("Policy"))
  • Erkennen von QoS-Eigenschaften von Geräten (Discovery)
  • Zuweisung einer Priorität an einen Stream abhängig von seinen Eigenschaften (Management)
  • Zugangssteuerung basierend auf der Wichtigkeit des Benutzers

Abbildung 09 zeigt das Prinzipbild des UPnP-QoS-Frameworks. Dieses soll die Lokalisierung, Konfiguration und Steuerung der QoS-Fähigkeiten des LANs gewährleisten.
Der Kontrollpunkt  entscheidet, ob Inhalte gestreamt werden oder Daten priorisiert werden sollen. Hierzu erfragt er den Stream-Typ (AV, VoIP, Gaming, ...), Stream-ID, Quell- und Ziel-IP-Adresse und Port und, wenn verfügbar, Paketgröße und benötigte Bandbreite. Aus diesen Informationen erzeugt der Kontrollpunkt eine Beschreibung des Streams (Traffic Descriptor). Dann ruft der Kontrollpunkt den QoS-Manager auf, fordert eine QoS-Verbindung an und und überträgt den Descriptor (1). Der QoS-Manager wiederum fordert bei der Richtlinienverwaltung eine zum Descriptor passende Richtlinie (2) an. Die Richtlinienverwaltung erzeugt entsprechend der DLNA-Spezifizierung und der Konfiguration durch den Administrator/Benutzer eine passende Richtlinie. Die Konfiguration durch den (berechtigten) Benutzer ermöglicht es beispielsweise, dass der mit DLNAQOS_1 gekennzeichnete Datenstrom ins Arbeitszimmer des Vaters Vorrang vor dem mit DLNAQOS_2 gekennzeichneten Videostream des Sohnes hat. Die Richtlinie übermittelt die Richtlinienverwaltung in Form einer Prioritätskennziffer ("TrafficImportanceNumber") an den QoS-Manager (3).
Entsprechend der Prioritätskennziffer konfiguriert der QoS-Manager alle Geräte im neuen Streamingpfad, damit sie die Datenpakete korrekt behandeln (4) können. Die tatsächliche Priorisierung im Netzwerk erfolgt über Layer 2-Mechanismen in den Netzwerkgeräten.

Abb. 10: Prinzipbild des UPnP-QoS-Frameworks
Abb. 10: Prinzipbild des UPnP-QoS-Frameworks [3]

4.5. Medienformate

Die von der DLNA vorgegebenen Medienformate stellen eine Mindestanzahl der Kompressionsverfahren, Containerformate und Profilen dar, die zum Austausch von Inhalten in einem Heimnetzwerk benötigt werden. Die DLNA-Richtlinien unterscheiden hier in geforderte Profile und optionale Medienformate. Die Bezeichnung "Format" bezieht sich dabei auf einen Codec oder eine Codec-Familie. Ein DLNA-Profil hingegen repräsentiert eine Kombination von Kodierungsformaten aus denen ein Mediaobjekt besteht. Die DLNA hat über 350 Profile erstellt, die an das Medium (Bilder, Audio, Video),  die Geräteklasse und die geografische Region angepasst sind.
Beispielsweise steht MPEG_PS_PAL für:
Video: MPEG-2 Videostream mit PAL-Bedingungen,
Audio: MPEG-1/2 Layer 2 oder AC-3 oder LPCM
System: Programm-Stream
Sonstiges: folgt den DVD-RW-Spezifikationen

Tabelle 03: DLNA-Formate und Profile
Tabelle 03: DLNA-Formate und Profile

4.6. Copyright-Schutz

Um ein unbefugtes Kopieren von Multimediainhalten zu verhindern, werden diese häufig mit einem Kopierschutz versehen oder bei der Übertragung verschlüsselt. DLNA's Protected Streaming-Richtlinien verwenden DTCP-IP (Digital Transmission Content Protection over Internet Protocol) um geschützte Inhalte sicher innerhalb des Heimnetzes zu verteilen ohne sie Dritten zugänglich zu machen.
Kopiergeschützte Medien können über vielfältige Kanäle ( Kabel- oder Satellitenempfang, Internet) vertrieben werden. Die Nutzungsrechte an den Medien sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Beispielsweise weist ein über Pay-per-View bestellter Film andere Nutzungsrechte auf als ein in einem Internetportal erworbenes und heruntergeladenes Video. Der Konsument möchte allerdings selber bestimmen wann, wie  und wo er die Inhalte nutzen möchte. Ein Gleichgewicht zwischen den berechtigten Schutzwünschen des Inhalt-Providers und der Interoperabilität der Netzwerkgeräte zu gewahren ist eine äußerst komplexe Problematik.
Geräte, die den DLNA Protected Streaming-Richtlinien entsprechen, müssen DTCP-IP unterstützen. Wenn ein UPnP AV-Media Server DLNA Protected Streaming unterstützt, muss dieser zur Übertragung mindestens ein DLNA-Mediaprofil mit DTCP-IP-Verbindungsschutz einsetzen können.

5. Vorbehalte gegenüber DLNA und UPnP

Zu den Geräten, die in ein DLNA/UPnP-Netzwerke nahtlos eingebunden werden können, gehören auch Router. Ein in DLNA/UPnP-tauglichen Routern integrierter Dienst, das Internet Gateway Device (IGD), stellt Statusinformation über den Router im Netzwerk zur Verfügung. Dies sind z.B. die öffentliche (externe) IP Adresse und existierende Portweiterleitungen. Dabei erlaubt UPnP Clients ohne Authentifizierung das automatische Hinzufügen und Entfernen von Portweiterleitungen, was die Funktion der NAT als Firewall aushebelt. Mangelhafte Programmierung oder Softwarefehler in der Router-Firmware haben bei mehreren Router-Typen in der Vergangenheit mehrmals zu schweren Sicherheitslücken geführt. DLNA/UPnP bzw. IGD sollten bei Nichtverwendung daher sicherheitshalber im Router abgeschaltet werden.

Abb. 11: Abschalten der IGD-Funktion in einer Fritz!Box 7170
Abb. 11: Abschalten der IGD-Funktion in einer Fritz!Box 7170

Referenzen

Abbildungen

[1] Das DLNA-Logo ist ein geschütztes Warenzeichen der Digital Living Network Alliance
Quelle: http://www.dlna.org/

[2] Quellen: Digital Living Network Alliance
http://www.dlna.org/dlna-for-industry/guidelines (Registrierung erforderlich)
An Overview of the DLNA Architecture Part 1 & Part 2
Zeichnungen neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

[3] http://upnp.org/resources/upnpresources.zip
Zeichnungen neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

 

Weblinks

1. http://www.dlna.org/dlna-for-industry/digital-living/how-it-works/dlna-device-classes/
2. http://upnp.org/sdcps-and-certification/standards/
3. http://upnp.org/sdcps-and-certification/resources/whitepapers/

 

Rechtshinweis

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