Пример исследования в области IPTV

Диссертация на соискание степени ктн: Бородинский Алексей Андреевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ УСЛУГАМИ IPTV В СЕТЯХ NGN

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение эффективности предоставления интерактивных услуг системами IPTV в сетях NGN, рассчитанных на предоставление традиционных услуг IPTV.

Сформулированная цель определила необходимость решения следующих научных задач.

1. Формализованное описание и разработка аналитической модели процесса организации интерактивной услуги «Телевидение, сдвинутое по времени».

2. Разработка алгоритма кэширования для реализации интерактивной услуги «Телевидение, сдвинутое по времени», допускающего расчет входящей полосы пропускания прокси-сервера.

3. Расчет и оптимизация входящей полосы пропускания прокси-сервера IPTV за счет управления размером буфера.

4. Исследование возможностей беспроводных технологий широкополосного доступа с целью предоставления интерактивных услуг IPTV.

5. Эксперимент по предоставлению интерактивных услуг IPTV с оценкой эффективности использования совместного кэширования в прокси- серверах.

Основные научные результаты диссертации. Таковыми являются:

1. Аналитические зависимости между объемом входящей полосы пропускания прокси-сервера IPTV и размером буфера.

2. Метод оптимизации входящей полосы пропускания прокси-сервера IPTV.

3. Экспериментальное подтверждение аналитической модели процесса организации интерактивных услуг IPTV.

4. Рекомендации по обеспечению гарантированной доставки трафика интерактивных услуг IPTV в сетях широкополосного радиодоступа.

Методы исследования. Для решения вышеперечисленных задач

используются методы теории телетрафика и вычислительной математики, методы статистического моделирования и методы кэширования.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в разработке модели для «Телевидения, сдвинутого по времени», которая основана на кэшировании со скользящим интервалом с фиксированным размером окна. Модель предлагает метод оценки пространства, необходимого для хранения контента в сети, а также алгоритм совместного кэширования для реализации услуги «Телевидение, сдвинутое по времени». Новизна диссертационной работы заключается также в предложенной модели использования гибридного кэширования для оптимизации входной пропускной способности прокси- сервера при предоставлении услуги «Видео по запросу».

4.1. Модель организации услуги «Телевидение, сдвинутое во времени»

Основная черта архитектуры предоставления услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» - это дополнение существующей схемы предоставления услуг IPTV специализированным сервером и дата-центром. Основной принцип ее организации состоит в том, что подписчик имеет доступ на сервер, который хранит записанные телевизионные программы, как правило, вещание которых еще продолжается или недавно закончилось. Хранение большого архива телевизионных передач за более продолжительный период времени ведет к значительному росту серверных емкостей и к удорожанию стоимости реализации услуги. Модель типовой архитектуры организации услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» представлена на Рисунке 4.1.

Рис. 4.1. Модель архитектуры «Телевидение, сдвинутое по времени»

Данная услуга может предоставляться на той же сетевой инфраструктуре, что и телевизионное вещание по протоколу IP с использованием многоадресной рассылки.

Как видно на Рис. 4.1 абонент «1» подписан на услугу «Телевидение, сдвинутое по времени», поэтому может получать одноадресные потоки канала «1» даже после окончания трансляции потока канала «1» в многоадресном режиме. Предоставление услуги включает в себя перенаправление многоадресного потока через специализированный сервер и далее на телевизионную приставку абонента. Когда поток проходит через специализированный сервер услуги «Телевидение, сдвинутое по времени», он копируется на устройство хранения информации. Эта копия впоследствии доступна другим абонентским приставкам, которым разрешен доступ к «сдвинутым» версиям телепередач конкретного телеканала.

Хранение сегментов потока на специализированном сервере также позволяет конечным пользователям предоставить дополнительный функционал, такой как пауза, перемотка назад и вперед. Важно отметить, что сервер «Телевидения, сдвинутого по времени» может не быть отдельной физической частью оборудования, а его функциональность может быть в отдельных конфигурациях составе непосредственно вещающего IP сервера, входящего в дата-центр IPTV, либо быть распределена между несколькими серверами. Конечный пользователь «2» может только смотреть канал «1» в режиме реального времени и не может воспользоваться услугой «Телевидения, сдвинутого по времени», так как он не имеет подписки на данный сервис.

Серверы могут быть разделены на несколько типов, в зависимости от своего местоположения и предлагаемых услуг:

• Центральный сервер хранит весь доступный контент (телевизионные программы), но обычно используется для обслуживания запросов на мало популярные или старые программы.

• Региональный сервер обычно хранит более популярные программы, такие как недавно показанные серии телевизионных фильмов или ток-шоу. Эти серверы располагаются на границе ядра сети, тем самым ограничивая видео трафик услуги внутри сети доступа.

• Прокси-серверы располагаются вблизи от пользователей и хранят только фрагменты наиболее популярного контента. В отличии от традиционной технологии услуги «Видео по запросу», для которой используются только региональные и центральные серверы, выбор прокси-серверов для услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» позволяет использовать стратегию кэширования, динамически изменять развернутую систему, в зависимости от потребления контента. Кроме того, с помощью этих прокси-серверов могут предоставляться пользователям различные интерактивные команды.

Выявление проблемы

Для улучшения качества воспроизведения услуги «Видео по запросу» могут быть использованы интегрированные стратегии кэширования с использование прокси, которые могут уменьшить начальные задержки.

Среди этих стратегий, префиксное кеширование, которое работает через прокси, чтобы гарантировать, что на запрос просмотра сразу же передаются начальные сегменты видео, называемые префиксом, с прокси-сервера. Это позволяет клиенту начать воспроизведение немедленно, а остальные части видео извлекаются из медиа-серверов.

Клиенты в реальном мире могут находиться в различных сетях доступа, таких как Ethernet, беспроводная сеть доступа, XDSL, сети кабельного телевидения и так далее. В связи с неоднородным характером сетей доступа клиенты имеют разные требования (например, потоковой скорости) для просмотра видео, для чего необходимо использовать средства адаптации скорости передачи.

В дополнение к гетерогенности сетей, клиентские устройства также могут быть гетерогенными: персональные компьютеры, цифровые телевизоры, PDA, или мультимедийные телефоны. Эти клиентские устройства обычно имеют различные емкости (клиентские буферы). Например, персональный компьютер может иметь гигабайт буферного пространства, в то время как портативные устройства, такие как мультимедийный телефон может иметь всего лишь несколько мегабайт или даже килобайт буферного пространства. Такие гетерогенные клиентские буферы также могут вызвать критичные проблемы для использования прокси-серверов при организации услуги «Видео по запросу». Например, при запросе контента с пропускной способностью 1 мегабит в секунду, при размере префиксного окна 5 минут, для обслуживания запроса клиентский буфер должен быть не менее 37,5 мегабайт, что является затруднительным для карманных персональных компьютеров или многофункциональных телефонов.

Другой стратегией кэширования является интервальное кэширование, при котором прокси-сервер кэширует скользящей интервал видео объекта, сокращая как потребление пропускной способности сети и уменьшая начальную задержку для следующего запроса. Если два запроса поступают близко по времени, то второй запрос может быть удовлетворен полностью прокси-сервером, то есть, клиент может получить немедленно видеопоток из кэша. В этом случае, клиент получает только один видеопоток в это же время, так что большой клиентской буфер больше не требуется.

Интервальное кэширования может использоваться, чтобы обслуживать «клиентов с ограниченным буфером», но оно все равно не подходит для предоставления услуг неоднородным клиентам, потому что оно является менее эффективным, чем префиксное кэширование в случае, когда большинство запросов не ограничено буферами клиентов. Поэтому ни префиксное кэширование, ни интервальное кэширование не пригодны для гетерогенных клиентов. Вместе с тем интеграция обоих типов кэширования в прокси-сервере может показать хороший результат для эффективного обслуживания гетерогенных клиентов