2015-10-22
666
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
Предлагаемое решение
Предлагается подход к повышению эффективности предоставления услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» (tsTV), при котором устанавливаются распределенные кэш-серверы в узлах агрегации, взаимодействующие как между собой, так и иерархически. В работе представлена аналитическая модель решения «Телевидение, сдвинутое по времени», основанная на кэшировании со скользящим интервалом с фиксированным размером окна, предлагающая метод оценки необходимого пространства для хранения контента в сети.
Рассмотрим алгоритм кэширования услуг «Телевидения, сдвинутого по времени». Так как целесообразно хранить только сегменты телепрограммы, то объем прокси-серверов может быть ограничен до нескольких гигабайт, что позволит, в свою очередь, сократить объем ресурсов центрального сервера tsTV, и в результате снизить стоимость развертывания услуги. Разделим логически кэш прокси-сервера на две части: на малую часть КЭШм (размером
не более 1 Гб) и основную часть КЭШб. При этом будем считать, что КЭШм будет использоваться для кэширования первых нескольких минут каждой вновь запрошенной абонентом телепрограммы (для определения ее начальной популярности). Часть КЭШб будет использоваться для хранения сегментов (с растущими или скользящими окнами) наиболее популярных в данный момент телепрограмм. В свою очередь, разделим логически КЭШб на два отдельных хранилища. Часть КЭШбу будет хранить только уникальные сегменты телевизионных программ, и будет общей для всех узлов, находящихся на одном уровне доступа. При этом будем считать, что все прокси-серверы знают, какие уникальные сегменты хранятся на других прокси-серверах. Таким образом, все части КЭШбу всех прокси-серверов представляют собой один большой кэш, главным образом, для разгрузки центрального сервера tsTV. Вторая часть КЭШбп будет использоваться для хранения наиболее популярных сегментов телевизионных программ. Основным назначением этой части является разгрузка сети доступа, при этом используется механизм совместного кэширования. Фактический размер каждого сегмента в части КЭШбп будет определен и, при необходимости, изменен после каждого интервала А.
Рис. 2. Принципы алгоритма кэширования с использованием прокси
На рисунке 2 представлены основные принципы алгоритма кэширования. В течение интервала А запросы просмотра программы абонентами поступают на прокси-серверы. Каждый раз показатель популярности Пп обновляется на прокси-сервере p для программы tvi. Этот показатель будет использоваться для определения популярности программы, принимая во внимание значение удаленности прокси-сервера, на котором она хранится.
Это означает, что популярная программа не будет сохраняться в кэш, поскольку соседний прокси-сервер уже сохранил эту программу. Параметр Пп рассчитывается следующим образом: каждый раз, когда запрос программы tvi поступает на прокси-сервер, показатель Пп увеличивается или на единицу или (в случае, если в сети находится несколько прокси-серверов) на число сетевых сегментов между прокси-сервером p и прокси-сервером, на котором хранится программа. После каждого интервала А все сегменты, находящиеся в КЭШм в режиме занятости (то есть обслуживающие запросы абонентов) сохраняются в КЭШб. Часть КЭШбп наполняется сегментами с растущими окнами для самых популярных телепрограмм (с максимальными значениями Пп). Остальные сегменты удаляются из КЭШм, а значения Пп обнуляются.
Поскольку все прокси-серверы имеют информацию о состоянии соседних прокси-серверов, все части КЭШбу могут быть эффективно заполнены, а остальное место (КЭШбп) может быть использовано для хранения контента, наиболее популярного локально.
