Статья опубликована в рамках: XVI Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (Россия, г. Новосибирск, 28 января 2013 г.)
Наука: Технические науки
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции, Сборник статей конференции часть II
- Условия публикаций
- Все статьи конференции
дипломов
К ВОПРОСУ О ПОДКЛЮЧЕНИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ К МУЛЬТИМЕДИА-СЕТИ
Манакова Ирина Павловна
аспирант УрФУ, НТИ(ф) УрФУ, г. Нижний Тагил
E-mail: manakova.ip@gmail.com
Петров Кирилл Борисович
ведущий специалист, отдел программирования, ООО «ЕвразТехника», г. Нижний Тагил
E-mail:
ABOUT THE CONNECTION OF THE USERS TO THE MULTIMEDIA NETWORK
Irina Manakova
postgraduate student UFU, NTI (b) UFU, Nizhny Tagil
Kirill Petrov
senior specialist, Department of Programming,
LLC "EvrazTehnika", Nizhny Tagil
Выражаем особую благодарность руководителю научно-исследовательской работы д-р. ф.-м. наук, профессору В.В. Прохорову за ценные замечания.
АННОТАЦИЯ
Цель работы — исследование вопроса подключения пользователей к мультимедиа-системе, вещающей через публичные интернет-каналы связи. В работе рассматриваются особенности видеосистем, необходимые для оптимизации распределения нагрузки на мультимедиа-сеть. Предлагается модель «Менеджера подключения», алгоритмы распределения пользователей по мультимедиа-точкам. В работе использовались методы математического моделирования, оптимизации, проектирования и др.
ABSTRACT
The connection of the users to the multimedia network is the goal of this paper. Aspects of video systems are considered here. These aspects are necessary to optimize the load distribution of the multimedia network. The authors are proposing a model of "connection manager". Also the algorithms of users connection to the multimedia points are given here. Methods of mathematical modeling, optimization, engineering, and others were used in the work.
Ключевые слова: мультимедиа-сеть; оптимизация; потоковое видео; нагрузка на сеть; мультимедиа; математическое моделирование.
Keywords: multimedia network; optimization; streaming video; network load; multimedia; mathematical modeling.
1. Введение
Мультимедиа-система, вещающая через публичные интернет-каналы связи, представляет собой сеть, состоящую из мультимедиа-узлов, которые предназначены для преобразования, получения, передачи, видео и аудио данных (мультимедиа-сеть). Такие системы используют потоковые технологии. Трансляция мультимедиа-потоков длиться долгое время, вызывает повышенную нагрузку на интернет-каналы, может привести к перегрузке и прерыванию вещания. Последнее становится причиной снижения популярности мультимедиа-системы, что приводит к потере клиентов и убыткам поставщиков услуги.
Программные и аппаратные решения, алгоритмы и методики управления нагрузкой систем, состоящих из интернет-узлов, решают вопрос автоматического подключения клиентов (пользователей) и управляют нагрузкой на сеть и узлы [3, 7, 9]. В литературе предлагаются решения для мультимедийного трафика [1, 2, 8]. Однако в них не учитываются такие особенности мультимедиа-систем, как существование нескольких потоков вещания видео, разные схемы кодирования и декодирования мультимедиа-данных, качество видеоизображения. Эти особенности необходимо учитывать для управления подключением клиентов к мультимедиа-сетям и для повышения количества зрителей трансляции без ущерба производительности.
В данной работе рассматривается вопрос подключения новых клиентов к мультимедиа-сети, вещающей в «прямом эфире» через публичные интернет-каналы связи при малой и повышенной нагрузке на мультимедиа-узлы, которые являются «трансляторами» мультимедиа-данных.
Дальнейшая часть статьи представлена следующим образом:
- в разделе «Проблематика» представлены общие результаты анализа мультимедиа-систем, которые вещают в одностороннем порядке. Указаны варианты управления нагрузкой на мультимедиа-сеть. Описана сущность «Менеджер подключения», выделены основные вопросы, которые должен решать «Менеджер подключения»;
- в разделе «Модель менеджера подключения» предложены два алгоритма управления подключением новых клиентов, описана общая схема проектируемого «Менеджера подключения», оговорены дальнейшие направления исследований, приведена информация о поддержке научно-исследовательской работы.
- в разделе «Дальнейшие направления исследований» обозначены те вопросы, которые не были раскрыты должны образом и требуют дополнительных исследований, делаются общие выводы по работе.
2. Проблематика
Мультимедиа-системы [напр. 6, 14] включают в себя две составляющие: блок передачи (транслирования) и блок приёма (просмотра) медиа-информации (аудио, видео) (Рис. 1). Каждая составляющая Рис. 1 может иметь своё программное и аппаратное обеспечение.
Рисунок 1. Организация одностороннего вещания
Рис. 1. представляет организацию одностороннего вещания. Такой подход используется, например, при трансляции спортивных событий, концертов, митингов и др. В роли «транслятора» может выступать сервер-инициатор — главный сервер, с которого ведётся трансляция, а также ретрансляторы (репликаторы) — специализированные мультимедиа-точки (узлы), которые получают от предыдущей некоторое количество установленных медиа-потоков и передают их далее [5]. Таким образом, получается сложная мультимедиа-сеть из специализированных мультимедиа-точек и связанных с ними приёмников (клиентов) (Рис. 2).
Рисунок 2. Пример структуры системы вещания
На Рис. 2 видно, что трансляторы имеют разную нагрузку. Это связано с количеством подключённых к трансляции клиентов, поскольку каждый новый клиент «занимает» некоторое количество ресурса конкретного канала системы (т. е. суммарного канала конкретной точки).
При передаче видеоданных (аудиоданные в работе не рассматриваются из-за их небольшого размера по сравнению с видеоданными) в реальном времени нагрузка на каналы существует постоянно. Поскольку трансляция может длиться достаточно долго (вплоть до 24 часов в сутки 7 дней в неделю), а новые клиенты могут подключаться к мультимедиа-сети в любой момент времени (их число может быть довольно большим), существуют моменты, когда сеть мало нагружена и сильно нагружена.
В данной работе внимание в большей степени уделяется ситуациям с повышенной нагрузкой, так как в эти моменты мультимедиа-сеть работает на пике своих возможностей и требует большего внимания.
При повышенных нагрузках всегда возникает вопрос: «каким образом можно освободить часть ресурса канала без прерывания эфира или полного отключения клиентов?» Особенности мультимедиа-систем позволяют ответить на этот вопрос и предлагают несколько вариантов (Рис. 3):
Рисунок 3. Управление нагрузкой на мультимедиа сеть
На Рис. 3 приведены обобщённые данные для мультимедиа-систем. Нагрузку на мультимедиа-сеть можно снизить за счёт управления схемами кодирования и декодирования видео, потоками видеоданных, очередями на подключение к сети. Ранее не было сказано, что для мультимедиа-сети существуют две очереди на подключение: очередь приёмников и очередь мультимедиа-точек. Они меняются динамически с течением времени. В работе рассматривается только очередь на подключение приёмников (клиентов). Очередь на подключение мультимедиа-точек также требует внимания, поэтому представлена на схеме в виде пунктирных линий, как требующая рассмотрения в дальнейшем.
Существующие мультимедиа-системы, достаточно сложно организованы, написаны на разных языках программирования, имеют в основе разные алгоритмы. Поскольку эти системы во многом отличаются друг от друга, затраты на разработку частных решений по подключению клиентов будут возрастать с количеством систем, которые требуют подобной модернизации.
В рамках данной работы было принято решение разработать внешний модуль по управлению подключением клиентов к мультимедиа-сети. Этот модуль должен на входе получать данные от мультимедиа-системы (схема подключения, характеристики элементов) и новых клиентов (количество запрашиваемого ресурса для подключения). На выходе должны быть получены данные (план подключения), которые передаются мультимедиа-системе (Рис. 4).
Рисунок 4. Менеджер подключения
При таком подходе существующие мультимедиа-сети претерпевают малые изменения. Затраты на интеграцию (временные и денежные) также будут меньше. Готовый продукт можно внедрить не в одну систему, а в совокупность. Для этого со стороны существующих мультимедиа-систем необходимо реализовать обработчики обмена данными с интегрируемым модулем.
В качестве такого модуля предлагается «Менеджер подключения», который должен решать три связанные между собой задачи. Во-первых, задачу подключения пользователей «в штатном режиме», когда нагрузка на мультимедиа-сеть невысока. Во-вторых, задачу подключения пользователей при повышенной нагрузке на мульти-медиа-сеть. В-третьих — управление мультимедиа-системой при перегрузке.
По распределению пользователей в штатном режиме предложены эффективные алгоритмы [3, 7, 9]. Из множества был выбран алгоритм распределения нагрузки по суммарному потоку, который наиболее подходит в данном случае.
При повышенной нагрузке на систему предлагается следующий подход по распределению пользователей (Рис. 5) [4]:
Рисунок 5. Подключение клиентов при повышенной нагрузке на мультимедиа сеть
Таким образом, дальнейшее проектирование «Менеджера подключения» должно включать в себя разработку алгоритмов, указанных на Рис. 5.
3. Модель менеджера подключения
Общая модель «Менеджера подключения» включает в себя реализацию трёх алгоритмов: алгоритм подключения новых пользователей в «штатном режиме», алгоритм подключения новых пользователей за счёт перемещения зрителей, алгоритм подключения пользователей за счёт управления качеством конечного видеоизображения.
3.1. Алгоритм подключения пользователей за счёт перемещения зрителей
В данном разделе речь идёт об управлении нагрузкой мультимедиа-сети за счёт переключения клиентов, смотрящих прямую трансляцию, от одной мультимедиа-точки к другой для освобождения ресурсов канала конкретного интернет-узла. У каждой точки мультимедиа-сети существует остаточная, незадействованная пропускная способность канала вещания. Суммарный остаток пропускной способности мультимедиа-сети можно использовать для подключения новых клиентов (Рис. 6). При этом существуют ситуации, когда этого остатка недостаточно или распределение невозможно по другим причинам. Тогда, чтобы не нарушить целостность уже существующих связей «мультимедиа-точка»-«приёмник», целесообразно организовать очередь на подключение или отказать в обслуживании на некоторое время.
Рисунок 6. Пример схемы подключения
Вопрос о «распределении клиентов по видеосерверам онлайн трансляции с условием минимального перемещения зрителей (приёмников)» рассматривался в [5]. Были оговорены условия отбора клиентов и видеосерверов для осуществления операции перемещения. Также было представлено первое приближение решения задачи в виде матрицы (табл. 1), где строки — M пользователей (uМ+1 — вновь подключаемый пользователь), а столбцы — N видеоточек. Каждый пользователь может занять m ресурса и это значение постоянно. У каждой видео-точки есть R1,N свободного ресурса. Число R1,N включает в себя количество свободного ресурса видео-точки до отбора пользователей (Rсв1,N) и количество ресурса, которое занимал каждый отобранный клиент на данной видео-точке.
В ячейки необходимо вписать 0 (пользователь не подключён к видео-точке) или 1 (пользователь подключён к видео-точке) при условии, что пользователь может быть подключён только к одной видео-точке.
Таблица 1.
Матрица подключений
|
n1 |
n... |
nN |
m |
u1 |
x1,1 |
x...,1 |
xN,1 |
m1 |
u.. |
x1,... |
x...,... |
xN,... |
m... |
uM |
x1,M |
x...,M |
xN,M |
mj |
uM+1 |
x1,M+1 |
x...,M+1 |
xN,M+1 |
mj+1 |
R |
R1 |
R... |
RN |
|
В [5] была рассмотрена математическая модель, определён опорный план подключения (план заполнения матрицы значениями 0 и 1), найдена целевая функция (главное условие — минимум перемещений уже подключённых пользователей на новые видео-точки). В первом приближении была получена система линейных уравнений (формула 1), решение которой приводит к новому опорному плану подключения.
(1)
В формуле 1 yi,j — это элементы заданной матрицы, а xi,j — элементы искомой матрицы. Количество перенесённых пользователей будет тем меньше, чем меньше различий между заданной и искомой матрицами, т. е. предыдущим опорным планом подключения и новым.
Основной принцип подключения нового пользователя можно описать следующим образом: в «Менеджер подключения» поступают данные о новом клиенте (необходимое количество ресурса для подключения). Все запросы, которые приходят во время подключения нового клиента, помещаются в очередь. В «Менеджере подключения» существует хранилище данных, в которое заносятся общие данные о состояниях мультимедиа-сети, узлах, подключённых клиентов. Эта информация обновляется динамически. Из хранилища извлекается необходимая информация, вычисляется целевая функция, получается новый опорный план подключения, данные посылаются необходимым мультимедиа-точкам, и осуществляются действия по отключению и подключению.
Предложенную методику и алгоритм можно улучшить за счёт управления качеством конечного видеоизображения.
3.2 Алгоритм управления качеством конечного видеоизображения
Помимо перемещения зрителей, для подключения новых пользователей и снижения нагрузки на мультимедиа-сеть, в «менеджере подключения» можно управлять параметрами видеоизображения. При анализе различных видов видеоданных, передаваемых по сетям, в первую очередь говорят об их качестве: насколько чётко показывается изображение, есть ли в кадрах «артефакты» и др. [10, 11, 12, 13, 15]. Такими параметрами можно управлять. Немного снизив качество конечного изображения можно изменить нагрузку на канал и освободить часть ресурсов мультимедиа-сети (Рис. 7). К уже оговоренным ранее моментам добавляется управление сетевыми характеристиками.
Рисунок 7. Освобождение ресурсов мультимедиа сети
Целесообразность приведённых на Рис. 7 решений можно объяснить следующим образом:
6. операция «Смена канала вещания» предполагает наличие в программном обеспечении мультимедиа-системы несколько каналов «качества» передаваемых данных. Например, в системе Vidicor Video System [6] есть возможность задания нескольких каналов передачи видео-данных для мультимедиа-точек. Эти каналы могут занимать разное количество ресурсов (например, 5 Мб, 4 Мб, 3 Мб и др.). Тогда клиенты могут получать видео-изображение в одном из этих качеств. Однако, исследования качества конечного видео-изображения в виде тестирования пользователей и близких к ним компьютерных метрик [10, 11, 12, 13, 15] показывают, что человек улавливает не все искажения конечного видео-изображения. Таким образом, смежные каналы передачи видео-данных могут восприниматься пользователями практически одинаково. В определённых условиях (например, при условии «максимум зрителей») это может существенно помочь при управлении нагрузкой на мультимедиа-сеть;
7.аналогична операция «Воздействие на сетевые характеристики». Если система не поддерживает несколько каналов вещания, но есть возможность, например, понижения битрейта, можно допустить понижение этого значения до определённого уровня. Фактически это симулирует смену канала вещания. При этом также необходимо учитывать, например, мнения пользователей о качестве конечно видео-изображения;
8. наиболее сложной с технической точки зрения представляется последняя операция «Смена способа кодирования». Однако входящие в мультимедиа-сеть специализированные мультимедиа-точки, могут не только получать мультимедиа-потоки и передавать их далее, но и осуществлять операции «кодирование», «декодирование», преобразовывая данные. Программы перевода видео-записей из одной кодировки в другую существуют. Вполне возможна эта операция и для видео-данных, передаваемых по сети. Однако этот способ стоит считать самым неблагоприятным (хотя и возможным), так как из-за манипуляции с видео-данными конечное изображение может существенно пострадать.
Указанные на Рис. 7 решения для «Менеджера подключения» требуют установления границ качества, без которых подобная реализация не будет иметь смысла. Поэтому вопрос установления граничащих значений (или оценок качества) является наиболее важным в данном направлении.
Устанавливая границы качества целесообразно использовать методы статистического анализа собранных о мультимедиа-сети данных. В этом направлении были получены некоторые результаты. Однако они далеки от установления более или менее целесообразных границ и требуют дополнительных исследований.
Предполагая, что граничащие значения существуют, была получена схема, которая расширяет возможности «Менеджера подключения».
3.3. Обобщённый алгоритм подключения клиентов при повышенной нагрузке на каналы вещания
Обобщая рассмотренные ранее данные, предлагается общий алгоритм подключения клиентов при повышенной нагрузке (Рис. 8).
Рисунок 8. Алгоритм подключения пользователей к мультимедиа сети
С учётом всех утверждений, описанных ранее, была получена модель менеджера подключения клиентов. Её обобщение приведено на Рис. 9.
Поскольку система может находиться в трёх состояниях (штатный режим, повышенная нагрузка, перегрузка) и её возможности ограничены физическими характеристиками оборудования, существуют ситуации, когда ресурсов системы оказывается недостаточно для подключения. Поэтому отказ обслуживания также возможен, как и ожидание.
Использование хранилища данных снижает нагрузку на сеть и позволяет расширить возможности по представлению информации (например, можно вести статистику или следить за нагрузкой мультимедиа-сети в реальном времени).
Рисунок 9. Обобщённая схема «Менеджера подключения»
Спроектированную модель можно реализовать в виде компьютерной программы.
4. Дальнейшие направления исследований
В работе не рассматриваются возникающие помехи и неустойчивость сетей. Эти параметры приводят к изменению пропускной способности мультимедиа-сети и, фактически, к постоянному изменению количества ресурсов каждой мультимедиа-точки. Однако динамические изменения количества ресурсов сети можно учесть при отборе мультимедиа-точек и приёмников, которые будут участвовать в алгоритмах подключения новых клиентов. Здесь целесообразно использовать методы статистического анализа собранных о мультимедиа-сети данных. Что приводит к расширению предлагаемого решения и делает его более пригодным для реализации.
Дальнейшие направления исследований должны включить в себя:
1.Выявление неточностей в предложенной модели и алгоритмах, их расширение, изменение.
2.Реализацию «Менеджера подключения» в виде программного кода для интеграции с системами вещания в реальном времени.
3.Тестирование разработанного продукта в виде модели-симуляции на предмет установления несоответствий, определения быстродействия и др. параметров.
4.Тестирование разработанного продукта в реальных условиях.
5.Исследование вопроса определения границ качества конечного видеоизображения и установление оценок качества.
Список литературы:
1.Блог Denivip Media. Интеллектуальная балансировка видео нагрузки. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://blog.denivip.ru/index.php/2012/12/интеллектуальная-балансировка-видео (дата последнего обращения: 21.01.2013).
2.Болодурина И.П., Парфёнов Д.И. Моделирование распределения ресурсов и динамической балансировки нагрузки в информационной системе дистанционной поддержки образовательного процесса. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://paco2012.ipu.ru/procdngs/F110.pdf (дата последнего обращения: 21.01.2013).
3.Калашников Е.И. Адаптивные алгоритмы управления распределением нагрузки в многосерверных системах. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://www.dissercat.com/content/adaptivnye-algoritmy-upravleniya-raspredeleniem-nagruzki-v-mnogoservernykh-sistemakh (дата последнего обращения: 21.01.2013).
4.Манакова И.П., Петров К.Б. Оптимизация подключения пользователей к сети видео-узлов. Молодежь и наука [Текст]: Материалы региональной научно-практической конференции студентов НТИ (ф) УрФУ (25 мая 2012 г.). Нижний Тагил : НТИ (филиал) УрФУ, 2012. — С. 42—46.
5.Манакова И.П., Петров К.Б. Распределение пользователей по видеосерверам онлайн трансляции с условием минимального перемещения зрителей. Технические науки — от теории к практике [Текст]: Материалы X международной заочной научно-практической конференции (28 мая 2012 г.) [под ред. Я.А. Полонского]. Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. — С. 27—35.
6.Мультимедиа-система Vidicor Video System. Официальный сайт продукта. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://vidicor.ru/ (дата последнего обращения: 21.01.2013).
7.Обзор комплекта распределения нагрузки от LinuxShare. — [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://linuxshare.ru/docs/distro/redhat/ el6/Virtual_Server_Administration/ch-lvs-overview-VSA.html (дата последнего обращения: 21.01.2013).
8.Построение систем доставки видео контента. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://myforce.ru/tyeoriya-i-praktika/postroenie-sistem-dostavki-video-kontenta/ (дата последнего обращения: 21.01.2013).
9.Чжоу Т. Системы балансировки нагрузки Web-серверов. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://www.osp.ru/win2000/ 2000/03/174228/ (дата последнего обращения: 21.01.2013).
10.Balakrishnan H., Feamster N. Packet Loss Recovery for Streaming Video: 12th International Packet Video Workshop, Pittsburgh, PA. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://nms.lcs.mit.edu/papers/ index.php?detail=42 (дата последнего обращения: 21.01.2013).
11.Barakat C., Towsley D., Dabbous W. Network Characteristics of Video Streaming Traffic: The 7th International Conference on emerging Networking EXperiments and Technologies. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2079321 (дата последнего обращения: 21.01.2013).
12.Claypool M., Tanner J. The Effects of Jitter on the Perceptual Quality of Video. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://web.cs.wpi.edu/ ~claypool/papers/jitter-pq/ (дата последнего обращения: 21.01.2013).
13.Gostner R., Tyson G., Mauthe A., Mu M., Garcia F. Visibility of Individual Packet Loss on H.264 Encoded Video Stream – A User Study on the Impact of Packet Loss on Perceived Video Quality: Sixteenth Annual Multimedia Computing and Networking, San j25e, United States. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://eprints.lancs.ac.uk/50380/ (дата последнего обращения: 21.01.2013).
14.List of streaming media systems. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_streaming_media_systems (дата последнего обращения: 21.01.2013).
15.Sagatov E.S., Sukhov A.M., Calyam, P., Influence of distortions of key frames on video transfer in wireless networks: 5th International Symposium on I/V Communications and Mobile Network (ISVC), Rabat, 2010. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/ freeabs_all.jsp?arnumber=5656258 (дата последнего обращения: 21.01.2013).
дипломов
Оставить комментарий