Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ РАЗДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПОТОКОВ

Манакова И.П. 1 Прохоров В.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
В работе рассматривается класс систем раздачи мультимедийных потоков (мультимедийные системы) и их реализация в виде сетей распределения контента (Content Delivery Networks, CDN), которые строятся на элементах IP-сетей. В настоящее время наблюдается высокий рост потребностей в онлайн мультимедиа, это требует изучения систем раздачи мультимедийных потоков. В настоящее время нет общепринятого описания моделей мультимедийных систем, поэтому главная цель работы – разработка модели мультимедийной системы для последующей реализации в виде имитационной компьютерной модели. Архитектура мультимедийной системы рассматривается на примере «Vidicor Video System»: предлагается структурная модель для описания класса мультимедийных систем и построения имитационной модели. Описания, предложенные в работе, используются в разрабатываемом авторами комплексе программ анализа и управления раздачей мультимедийных потоков в CDN.
потоковое мультимедиа
CDN
оптимизация
математическое моделирование
системный анализ
1. Манакова И.П., Прохоров В.В. К вопросу об оптимизации построения мультимедиа-сетей // III Информационная школа молодого учёного: сб. научных трудов / ЦНБ УрО РАН; отв. ред. П.П. Трескова; сост. О.А. Оганова. – Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2013. – С. 306–315.
2. Манакова И.П., Петров К.Б. К вопросу о подключении пользователей к мультимедиа-сети. «Инновации науке» / И.П. Манакова, К.Б. Петров // Материалы XVI международной заочной научно-практической конференции, 28 января 2013 г. – Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. – Ч. I. – С. 94–108.
3. Манакова И.П. Менеджер управления мультимедиа-сетью. Список–2013 // Список-2013: материалы всероссийской научной конференции по проблемам информатики, 23–26 апреля 2013 г., Санкт-Петербург. – СПб.: Изд-во ВВМ, 2013. – С. 441–447.
4. Манакова И.П. Построение интернет-видеосистем с позиции микроконтекстного подхода. Теоретические и практические аспекты развития современной науки; Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований» // Материалы VI международной научно-практической конференции, Москва, 26 декабря 2012 г. – М.: Изд-во «Спецкнига», 2012. – С. 97–100.
5. Манакова И.П., Петров К.Б. Распределение пользователей по видеосерверам онлайн трансляции с условием минимального перемещения зрителей. Технические науки – от теории к практике // 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. Наместников А.М., Тронин В.Г. Примеры реализаций систем имитационного моделирования вычислительных сетей // Инфокоммуникационные технологии. – Т. 6. – 2008. – № 1. – С. 84–88.
7. Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2012–2017. – 2013. URL: http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-481360.pdf, свободный (дата обращения: 02.02.2014).
8. Pathan M., Buyya R.A taxonomy and survey of content delivery networks // Technical Report, GRIDS-TR-2007-4, The University of Melbourne, Australia, Feb 2007.
9. Vidicor Video System. URL: http://www.vidicor.ru (дата обращения: 02.02.2014).

Провайдеры различных информационных услуг (сервисов) создают специализированные сети поверх IP-сетей, чтобы оптимизировать распределение потоков в контролируемых ими сетевых сегментах. В общем случае такие сети называют «сетями распределения контента» (Content Delivery Networks, CDN) [8]. Одним из направлений развития CDN являются мультимедийные сети, раздающие мультимедийные потоки в реальном времени. Поскольку в настоящее время наблюдается высокий рост интереса к онлайн мультимедиа [7], изучение мультимедийных CDN в виде систем раздачи мультимедийных потоков актуально и своевременно. Здесь важное место занимает анализ способов управления движением потоков, анализ влияния сетевой инфраструктуры на распределение данных, анализ алгоритмов распределения вычислительной нагрузки между узлами и др. При изучении указанных вопросов применительно к IP-сетям широкое распространение имеет имитационное моделирование [6].

В отличие от IP-сетей, для описания моделей мультимедийных CDN нет общепринятого подхода, имитационных моделей, учитывающих специфику систем раздачи мультимедийных потоков.

В статье описывается модель системы раздачи мультимедийных потоков, (мультимедийной CDN), разработанная на основе использования методов системного анализа и математического моделирования. Исследование проводилось на примере системы «Vidicor Video System» [9]. Разработанная модель применяется в разработке конкретного комплекса управления раздачей мультимедийных потоков в CDN. Результаты анализа мультимедийных CDN приводятся также в [1–5].

1. Разработка структурной модели системы раздачи мультимедийных потоков

В качестве системы раздачи мультимедийных потоков рассматривался отечественный продукт «Vidicor Video System» [9], который используется для организации вещания, а также многосторонней видеосвязи. Методика построения модели системы включила в себя следующие этапы:

  • определение состава системы;
  • определение структуры системы;
  • выделение динамических и статических характеристик элементов системы;
  • определение объектной модели, структуры классов.

Связь элементов системы раздачи мультимедийных потоков можно представить в виде схемы (рис. 1).

Описание элементов данной схемы приводится далее.

Источником данных для системы раздачи может быть стример (streamer) или репликатор (replicator).

pic_17.tif

Рис. 1. Элементы системы раздачи мультимедийных потоков

Стример обеспечивает преобразование данных от внешнего источника (камеры, микрофона и др.) в потоки мультимедийной системы. Внешними устройствами можно считать программные и аппаратные средства, которые производят мультимедийный IP-поток.

Репликатор обеспечивает преобразование внутренних информационных потоков системы, т.е. тех, которые уже сгенерированы стримерами и полученные от стримера или другого репликатора. Репликатор размножает потоки, при этом копии могут отличаться от оригинала. Например, репликатор может получать видеопоток в формате 3D, а отдавать в форматах 3D и 2D.

Промежуточными узлами сети помимо репликаторов могут быть ретрансляторы (reflector). Ретранслятор получает поток и передаёт его далее, тем самым увеличивая ресурсы системы в целом.

Мультимедийные узлы связаны между собой мультимедийными потоками (media stream). Набор связей, характеризующий передачу конкретного потока от источника до конечного приёмника, назовём мультимедийной трассой, маршрутом (route). Один и тот же поток может передаваться по разным маршрутам и задействовать разные узлы.

Набор всех внутренних маршрутов представляет собой схему репликации данных (data replication circuit). Схема репликации данных является основной характеристикой внутренней нагрузки на систему. При передаче мультимедийных потоков важно обеспечение целостности схемы репликации данных.

Маршруты потоков от системы к конечным потребителям представляют собой схему подключения зрителей (viewers connection circuit) – набор внешних маршрутов. Здесь под термином «зритель» понимается мультимедийный плеер (media player), с помощью которого конечные потребители получают необходимый поток. Поскольку под «зрителем» подразумевается плеер конечного потребителя, связь «мультимедийная система – зритель» подразумевает треки вида «узел – поток – плеер». Если одно и то же внешнее устройство клиента получает несколько потоков от системы, то можно говорить о нескольких треках. Схема подключения зрителей характеризует внешнюю нагрузку на систему.

Плееры, ожидающие подключения к мультимедийной системе, образуют очередь клиентов на подключение. Эта очередь порождает внешнюю нагрузку на сеть. Мультимедийные узлы, которые ожидают подключения к системе, образуют очередь узлов на подключение, которая также порождает внешнюю нагрузку. При подключении плеера из очереди меняется схема подключения клиентов. При подключении узла из очереди меняется схема репликации потоков. Под изменением понимается добавление новых связей, а также изменение старых.

Для управления нагрузкой мультимедийной системы в процессе раздачи данных вводятся специальные узлы – носители системы управления (балансировщик нагрузки). Балансировщик решает вопросы предоставления оптимального в данных условиях качества обслуживания. Он решает такие вопросы как «подключение клиентов из очереди», «распределение нагрузки между узлами», «экстренное реагирование в условиях нестабильности, выхода узлов из строя» и др. Одна мультимедийная сеть может иметь как централизованную систему управления, так и несколько систем управления, которые отвечают за конкретный участок.

Представление системы с точки зрения взаимодействия с внешней средой показано на рис. 2.

pic_18.tif

Рис. 2. Взаимодействие мультимедийной системы с внешней средой

Предлагаемая модель структуры для описания систем раздачи мультимедийных потоков представлена на рис. 3.

Мультимедийная система является динамической системой. В ней со временем изменяются количества мультимедийных узлов, зрителей, потоков и, как следствие, схема подключения зрителей, схема подключения узлов, схема репликации данных, ресурсы узлов и системы в целом. Изменения характеризуют нагрузку сети и узлов.

pic_19.tif

Рис. 3. Модель структуры системы

Для описания динамической модели определим множество состояний, в которых система может находиться в определённые моменты времени с точки зрения нагрузки. Мультимедийная сеть может быть ненагруженной, нагруженной, перегруженной, может находиться в состоянии выхода из строя.

Общая нагрузка на систему может быть выражена через нагрузку на узлы сети, которые также могут быть ненагруженными, нагруженными, перегруженными и могут находиться в состоянии выхода из строя.

2. Разработка объектной модели системы раздачи мультимедийных потоков

Для описания мультимедийной системы, приведённой ранее, будем использовать объектную модель, общая схема которой приведена на рис. 4.

Каждый участок сети, представляющий собой CDN, обозначен как класс «NetworkMap» («Карта сети»). Карта сети включает в себя стандартные элементы IP-сети (маршрутизаторы, переключатели и др.) и элементы мультимедийной системы (мультимедийные узлы, мультимедийные плееры).

Класс «Node» («Мультимедийный узел») определяет узлы IP-сети и узлы мультимедийной CDN. Узлами мультимедийной сети являются стримеры, репликаторы, ретрансляторы, узлы записи и хранения мультимедиа. Все узлы связаны с некоторой картой сети. Параметры узлов: IP-адрес (ip_address), название (name), тип узла (node_type), данные по количеству пользователей (max_users, now_users), данные о пропускной способности канала (output_bandwidth, occupied_output_bandwidth, input_bandwidth, occupied_input_bandwidth), данные о загруженности процессора (max_cpu, now_cpu), данные об используемой памяти (max_memory, now_memory), популярность узла (popularity), загруженность (load_status).

pic_20.tif

Рис. 4. Объектная модель системы раздачи мультимедийных потоков

Класс «Multimedia Player» («Мультимедийный плеер») определяет принимающее устройство клиента. Плееры связаны с мультимедийными узлами. Основные характеристики плееров: IP-адрес (ip_address), название (name), данные о пропускной способности входящего канала (input_bandwidth, occupied_input_bandwidth), данные о загруженности процессора (max_cpu, now_cpu), данные об используемой памяти (max_memory, now_memory), привязка к узлу (node), привязка к потоку/маршруту (route).

Попарную связь узлов с указанием объёма пропускной способности канала (bandwidth) представляет собой класс «NetworkTopology» («Топология сети»). Набор таких связей характеризует сетевую топологию.

Мультимедийные маршруты представляют собой класс «Route» («Маршрут»). Каждый маршрут характеризует не только попарную связь узлов, но и принадлежность к некоторому источнику: {start_node, end_node, parent, quality, bandwidth}, где start_node – узел начала потока, end_node – узел завершения потока, parent – источник трансляции, quality – качество мультимедийных данных, bandwidth – необходимая величина пропускной способности канала для данного потока.

Для описания систем управления определён класс «Control Manager» («Система управления»). «Система управления» включает в себя набор алгоритмов по управлению нагрузкой системы и набор узлов, связанных с данной системой управления. Для выбора того или иного алгоритма управления необходимо знать, в каком состоянии находится система и её узлы. Поэтому были введены «Состояния» («Load status»), в которых может находиться узел:

  • INL (Is Not Loaded) – система не нагружена; числовое значение, описывающее данное состояние, равно 0;
  • IL (Is Loaded) – система нагружена; числовое значение, описывающее данное состояние, находится в диапазоне 0 < IL ≤ BL и представляет собой число с плавающей точкой;
  • IOL (Is OverLoaded) – система перегружена; числовое значение, описывающее данное состояние, находится в диапазоне BL < IOL < 1 и представляет собой число с плавающей точкой;
  • IB (Is Broken) – система вышла из строя и нуждается в устранении неполадок, числовое значение, описывающее данное состояние, равно 1.

BL (boundary load) – граница между состоянием «система нагружена» и состоянием «система перегружена». Её значение определяется для каждой мультимедийной системы в отдельности.

На основании статических и динамических параметров узлов можно найти числовое значение нагрузки на мультимедийный узел, затем – состояние: {CCPU, CBI, CBO, CU, CM}. Здесь CCPU – уровень загруженности процессора (1); CBI – уровень использования входящего канала (2); CBO – уровень использования исходящего канала (3); CU – уровень нагрузки по количеству зрителей (4); CM – уровень загруженности памяти (5).

На основании статических и динамических параметров плееров можно найти числовое значение нагрузки на плееры: {CCPU, CBI, CM}, где CCPU – уровень загруженности процессора (1), CBI – уровень использования входящего канала (2), C– уровень загруженности памяти (5).

manakov01.wmf (1)

где max_cpu – максимальное количество ресурсов процессора, now_cpu – уровень загруженности процессора в конкретный момент времени.

manakov02.wmf (2)

где input_bandwidth – входящая пропускная способность, установленная провайдером, occupied_input_bandwidth – занятая пропускная способность исходящего канала в конкретный момент времени.

manakov03.wmf (3)

где output_bandwidth – исходящая пропускная способность, установленная провайдером, occupied_output_bandwidth – занятая пропускная способность входящего канала в конкретный момент времени.

manakov04.wmf (4)

где max_users – максимальное количество подключённых зрителей, now_users – количество пользователей, подключённых к узлу в конкретный момент времени.

manakov05.wmf (5)

где max_memory – максимальное количество памяти, now_memory – уровень использования памяти в конкретный момент времени.

Представленные описания используются нами в составе разрабатываемой имитационной модели мультимедийной CDN.

Заключение

В результате произведённого анализа системы раздачи мультимедийных потоков предложена общая модель для данного класса систем, описывающая основные особенности мультимедийных CDN. Разработаны структурная и математическая модели. Результаты построения используются в разрабатываемом авторами комплексе программ по анализу и управлению раздачей мультимедийных потоков в CDN.

Рецензенты:

Воротников В.И., д.ф.-м.н., профессор, ФГАОУ ВПО «Нижнетагильский технологический институт» (филиал) УрФУ, г. Нижний Тагил;

Красовский А.Н., д.ф.-м.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный аграрный университет», г. Екатеринбург.

Работа поступила в редакцию 21.05.2014.


Библиографическая ссылка

Манакова И.П., Прохоров В.В. МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ РАЗДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПОТОКОВ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8-2. – С. 311-316;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34550 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074