автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Модели и методы управления услугами IPTV в сетях NGN

На правах рукописи

Бородинский Алексей Андреевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ УСЛУГАМИ 1РТУ В СЕТЯХ NGN

05.12.13-Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ею; ЗЗФ 8 г

Санкт-Петербург - 2013

I 8 ФЕВ 2013

005050101

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедрах "Систем коммутации и распределения информации" и "Телевидение и видеотехника".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Гоголь Александр Александрович

Официальные оппоненты: Комашинский Владимир Ильич,

доктор технических наук, доцент, Ленинградское отделение Центрального научно-исследовательского института связи, заместитель директора по науке

Семёнов Юрий Владимирович, кандидат техических наук, доцент, СевероЗападный филиал ОАО "Гипросвязь СЗ", директор

Ведущая организация Научно-технический центр "ПРОТЕИ", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 21 марта 2013 в 16.00 года на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича».

Автореферат разослан 18 февраля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные телекоммуникационные технологии практически не ограничивают Операторов и пользователей в области предоставляемых услуг. На данный момент наибольший интерес для большинства услуг вызывают свойства интерактивности (когда пользователь становится активным участником процесса предоставления услуги), персонализации (когда пользователь получает индивидуальный для него контент) и мобильности (когда доступ к услуге возможен не только по фиксированным сетям). Вместе с тем, свойства новых услуг могут предъявлять столь несоразмерные (по сравнению со свойствами традиционных услуг) требования к телекоммуникационным ресурсам, что могут стать нерентабельными для Оператора связи. По этой причине всестороннее исследование свойств современных телекоммуникационных услуг является крайне актуальным.

Объектом исследования в данной работе является семейство услуг систем IPTV, число абонентов которых неуклонно растет. По данным исследовательских фирм Digital TV Research и TeleGeography, количество абонентов систем IPTV в мире превысило 67 миллионов, что составляет около 15 процентов от клиентской базы широкополосной сети Интернет, а к 2016 году число пользователей систем IPTV превысит 155 миллионов.

Среди всех способов доставки телевизионного контента, именно технология цифрового телевидения по протоколу IP (IPTV) максимально удовлетворяет новым свойствам услуг, что делает ее все более востребованной на рынке телекоммуникационных услуг и потому актуальной с точки зрения научных исследований.

Набирающие популярность интерактивные и персонализированные услуги систем IPTV в условиях их массового развертывания предъявляют высокие требования к телекоммуникационному ресурсу Оператора. В значительной степени это объясняется отказом от принципов вещательной рассылки трафика IPTV, что не может не привести к необходимости серьёзной модернизации сети Оператора.

Тем не менее, одну из новых интерактивных и персонализированных услуг систем IPTV - «Телевидение, сдвинутое по времени», по ожиданиям аналитиков британского издания «The guardian», наиболее востребованную и прибыльную из услуг рассматриваемого семейства, можно организовать в сетях, рассчитанных на предоставление традиционных услуг систем IPTV (с вещательной рассылкой). Такую возможность можно получить, применяя дополнительные кэширующие серверы, что сделает процесс развертывания этой услуги рентабельным уже в период её внедрения.

При указанном подходе остро стоит задача выбора значимых параметров новой архитектуры систем IPTV, - как с точки зрения объема капиталовложений на организацию интерактивных и персонализированных услуг в сетях с традиционными услугами систем IPTV, так и с точки зрения

выгоды от применения дополнительных кэширующих серверов. Именно поэтому актуальными стали исследования архитектуры и параметров системы интерактивного IPTV «Телевидение, сдвинутое по времени», а также процессы предоставления, хранения и передачи мультимедийного трафика этой услуги.

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 временю).

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 EPTV.

4. Рекомендации по обеспечению гарантированной доставки трафика интерактивных услуг EPTV 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».

При формировании научных результатов были исследованы и

проанализированы работы Салама Г. М., Саморезова В. В., Шинкаренко К. В., Долгих Д. Г., Носова В. П., Хасина М. А., Тормасова А. Г., Аунг Мьо Маунг, Ермолаева С. Ю., Бычкова И. Д., Сизюхина К. С.

В формировании практических результатов были использованы следующие нормативно-методические документы: RFC 2326 - Стандарт протокола RTSP, RFC 1889 - Стандарт протокола RTP, ШЕЕ 802.16 - Стандарт организации беспроводных сетей масштаба города, ГОСТ 52023-03 - Качество предоставления услуг цифрового кабельного вещания, ISO/ffiC 13818-1 -Параметры транспортного потока MPEG, передаваемого по протоколу IP.

Личный вклад. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы используются в Астраханском государственном университете при чтении лекций по курсам «Мультисервисные и Интеллектуальные сети связи» и «Компьютерные технологии в телекоммуникациях». Результаты работы нашли применение в Астраханском филиале ОАО «Ростелеком» для повышения эффективности предоставления услуг «Телевидение, сдвинутое по времени» и «Видео по запросу», и в НТЦ «Аргус» для повышения эффективности учета телекоммуникационного оборудования, используемого для предоставления комплекса услуг IPTV в OSS «Аргус». Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы, входящие в диссертацию, обсуждались на 63-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета СПбГУТ, Санкт-Петербург 2011 г; на 64-й международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании», Санкт-Петербург 2012 г; на Международной конференции «FRUCT9, Petrozavodsk, Russia 2011», на Международной конференции «FRUCT11, Saint-Petersburg, Russia 2012», на заседаниях кафедры Систем коммутации и распределения информации СПбГУТ в 2011-2012 годах.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 14 опубликованных научных работах, в том числе, в 7 статьях в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций..

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение, библиографический список. Основная часть работы изложена на 141 страницах машинописного текста, имеет 37 рисунков, 35 формул, 8 таблиц. В библиографическом списке - 107 наименований использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, излагаются цель и задачи исследования, научная новизна исследования и его практическая значимость.

В первой главе описаны основные свойства телекоммуникационных услуг, создаваемых на базе сетей NGN: интерактивность, лерсонализация и современность. Проанализированы основные задачи, которые стоят на пути телекоммуникационного Оператора, предоставляющего услуги IPTV, и решение которых необходимо для эффективного управления той или иной услугой: необходимость непрерывного контроля и управления видеотрафиком и компонентами IP-сети, и уменьшение издержек эксплуатационной деятельности. В работе дан обзор методов решения такого рода задач.

Во второй главе 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 модель, где каждая телевизионная программа характеризуется начальным временем г,-, длительностью Т,, и функцией ).,(t), представляющей частоту запросов этой программы. N(t) обозначает общее число программ с т,- < t. Прокси кэш I, расположенный между сервером и клиентами, содержит первые X минут любого транслируемого в настоящее время файла ct-Tt< г, < t. Частота h; попадания в кэш /будет определяться отношением количества запросов обслуженных сервером к общему числу запросов.

i-Uf ВД^" w

Определим в качестве функции поступления запросов функцию Гамма-распределения /От) = Xе где х > 0 и Г (а) = ха~ге~х dx.

Тогда частота попадания в кэш может быть определена формулой:

В общем случае hr будет определяться по формуле:

Wl^iP*^ (3)

где min - это минимальное значение х, m — коэффициент формы, а ß — коэффициент масштаба.

Примем, что min = 0, так как будем считать, что все запросы поступают не ранее начала вещания программы. Эмпирические наблюдения показали, что наиболее точно описывает поступление запросов функция с параметрами масштаба m = 2 и ß = 2.

Тогда, применяя данные значения параметров, упростим выражение для hj. Получим следующее выражение, принимая в качестве обозначения — = г¿

б

При коэффициенте масштаба /?=2 получим:

В случае, когда рассматриваются запросы на услугу «Телевидение, сдвинутое по времени» (рис. 1) функция поступления запросов будет соответствовать Экспоненциальному распределению /(х) = Ле~лх• где Л = Тогда:

к, = I /(х)Ох= I Хе~ъйх = Г е-**с1(Лх)= - е'**-(-I) = 1-е~** = 1 - еТ (6)

-'о

Если популярность телевизионной программы уменьшается медленно (например, на 5 процентов после каждого интервала), то нагрузка сервера не будет заметно снижаться. Однако в случае, когда популярность телепрограммы снижается более интенсивно, например в четыре раза после каждого интервала, то нагрузка сервера уменьшается более заметно. Так что:

г*

„ . (7)

2 , если X = аД.

Рис. 1. Распределение запросов на услуги ГРТУ

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 1зТУ, 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 КЭШ^у 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 ^ТУ. 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 Д.

Рис. 2. Принципы алгоритма кэширования с использованием прокси

На риснке 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 р для программы Этот показатель будет использоваться для определения популярности программы, принимая во внимание значение удаленности прокси-сервера, на котором она хранится.

8

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 ^ 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 р и прокси-сервером, на котором хранится программа. После каждого интервала Д 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.

Во второй главе также была исследована задача кэширования системы «Видео по запросу» для нескольких видеопрограмм и описан алгоритм распределения кэш для повышения эффективности предоставления услуги.

Пусть сервис «Видео по запросу» поддерживает N видеопрограмм, каждая из которых имеет длину и соответствующий размер пакетного окна будет В;, 1 < I < N. Пусть для >й видеопрограммы скорость поступления запросов с ограниченным буфером будет а скорость поступления запросов с неограниченным буфером . Пусть у:) обозначает выигрыш за счет использования XI единиц префиксного кэш (0 < X; < В;) и у; единиц интервального кэш (0 < у; < Ц) для 1-й видеопрограммы.' Следовательно, выигрыш выделения К единиц префиксного кэш для 1-й видеопрограммы можно определить как:

В, ,, (В;-К)2 ь д(К, о) = 5(0,о) - 5<Х о) = ~±А\ - - ^ А\ (8)

С другой стороны, выигрыш за счет выделения К единиц интервального кэш для 1-Й видеопрограммы можно определить как:

5(0.Ю = то)-5(0,Ю = КА! АА\ + + (9)

Поскольку размер Н буфера прокси-сервера, как правило, гораздо больше, чем размер каждого окна В;, то пусть В: будет единицей размещения в кэш. При таком предположении, возможность выделения кэш для каждой видеопрограммы можно разделить на два случая в зависимости от размера префиксного: без префиксного кэш и с полным префиксным кэш. Другими словами, прокси-сервер может выделить либо 0, либо В; единиц префиксного кэш (то есть, Х| может быть либо 0, либо В;) и у; единиц интервального кэш (будем считать, что у; делится на В;) для ¡-й видеопрограммы. Таким образом,

выигрыш в производительности вышеупомянутых двух случаев можно резюмировать следующим образом:

1) §(0, у;): В этом случае, прокси-сервер не выделяет префиксный кэш для этой видеопрограммы, так что выигрыш в производительности может быть получен только от функции выигрыша интервального кэширования. Так как у; можно без остатка разделить на В;, то

Таким образом, функция выигрыша становится равной:

В; V 1 \\UiJ ' " 7 ' (10) -^—^-

И формула (13) может быть упрощена:

(п)

2) у,): В этом случае, прокси-сервер выделяет префиксный кэш для хранения всего префикса ьго видео целиком, так что патч-поток не будет создан. Таким образом, теоретическая производительность этого интервального кэширования будет связана с тем, что необходимость в патч-потоках теперь отпадает. Тогда имеем:

= (12)

Таким образом, функция выигрыша становится равной:

В•

&ВиУ0-5(0,0)-ЯВьуО—^АЧ +у£А? (13)

На основе вышеописанных случаев могут быть получены все возможные

значения функции выигрыша g(x¡, уО-

Предположим, что прокси-сервер имеет Н единиц буферного

пространства, то есть полностью заполненный буфер не может превышать Н.

Размер префиксного кэш х; не превышает размера окна Вь а размер

интервального кэш у; не превышает продолжительности видео Ь[. Таким

образом, оптимизированная версия задачи распределения кэш формально

может быть описана как: N

У д(х1.уо

максимум: ^^

У(Х; + у£)<Я, дляО<х£< В(И0 йу£< ¿1 при условии, что ¡=г

Это типовая задача оптимизации может быть решена с помощью алгоритма динамического программирования. Резюмируем детали алгоритма

ю

следующим образом. Пусть G (х, у, i) представляет собой максимальный выигрыш от выделения х единиц префиксного кэш и у единиц интервального кэш для первых i видеопрограмм (1 < i < N). Тогда, мы имеем:

_ ГО, если i - о

G(x,y.i)-[ шгЦб(худ-1),G'Qc.y.i)}, если l<i<.N

где G' (х, у, i) определяется как: (15)

G\x.y. t) = -хьу- yL,i -1) + д(х0 y£)}

Кроме того, пусть С; = {(xi, уО} множество возможных пар х, и у;, которые удовлетворяют данному ограничению. Таким образом, появляется возможность решить задачу распределения кэш рекурсивно.

Данная задача оптимизации может быть далее обобщена на случай, когда видео потоки имеют разные скорости передачи данных. Пусть скорость кодирования видео i-й программы будет г,. Таким образом, фактическое буферное пространство, которое прокси-сервер выделяет для этого видео, станет Г] (х; + у;). Кроме того, значение g(x;, у;), также должно быть пересмотрено следующим образом:

3t0.yO-n(yiAt+^Af) (16)

gŒi.yO-n^AÏ+yiAf) (17)

Тогда задача оптимизации может быть описана следующим образом:

JV

^Sfri-yù

максимум: i=i ,, „ч

N С18)

X ri(xi + yù*H,amiO<xi<BiKO<yizLi при условии, ЧТО 1=1

В третьей главе были рассмотрены особенности предоставления комплекса услуг IPTV с использованием беспроводных технологий. Проведен сравнительный анализ существующих беспроводных широкополосных технологий, на основе которых возможно предоставление услуг IPTV. Наиболее подходящими для данной задачи являются технологии LTE и WiMAX, причем использование технологии LTE выглядит более перспективным, так как она поддерживает различные размеры фреймов и масштабируемую полосу пропускания.

В четвертой главе рассмотрен опыт предоставления услуг IPTV в мире, детально рассмотрен опыт построения сети IPTV в Астраханском филиале ОАО «Ростелеком», а также предоставление услуг на ее базе.

Для иллюстрации принципа кэширования было проведено моделирование в сети доступа Астраханского филиала ОАО «Ростелеком». Модель сегмента сети доступа телекоммуникационной компании включает в себя центральный

сервер tsTV, расположенный на главном узле связи Оператора, а также прокси-сервер на одном из узлов доступа. Для моделирования совместного кэширования второй прокси-сервер был размещен в той же локации сети доступа, что и первый прокси. При моделирования совместного кэширования стоимость использования связи между центральным сервером и прокси-сервером была установлена равной пяти условным единицам вместо единицы. Таким образом, центральный сервер не будет задействован, когда запрошенный сегмент уже можно найти на соседнем прокси-сервере (при расчете кратчайшего пути использовался взвешенный алгоритм Дейкстры). Центральный сервер предоставлял услугу «Телевидение, сдвинутое по времени» для пяти телеканалов. Каждый канал транслировал в течение тестирования пять телепрограмм по шестьдесят минут каждая с потоковой пропускной способностью 2,3-2,5 Мбит/с. Общее число запросов в ходе тестирования было равно тысяче. В ходе тестирования изменялся размер доступного дискового пространства на центральном сервере и прокси-сервере, в результате чего изменялось и количество запросов абонентов, обслуживаемое каждым из них. Популярность программ на канал подчиняется закону Ципфа с параметром Р = 0,7 (популярность ьой по популярности программы пропорциональна ьР). В тестировании приняло участие сто пользователей услугой. В ходе тестирования изменялся размер доступного дискового пространства на центральном сервере и прокси-сервере, в результате чего изменялось и количество запросов абонентов, обслуживаемое каждым из них. • В "ходе проведения тестовых испытаний на первом этапе на узле агрегации (г. Нариманов) был установлен прокси-сервер, а на втором - два прокси-сервера для организации их совместной работы. Последовательно изменялось доступное дисковое пространство на прокси-серверах от нуля до двух гигабайтов. Испытания показали, что уже при размере дискового пространства прокси-сервера в половину гигабайта нагрузка на центральный сервер услуги (г. Астрахань) уменьшается вдвое. При увеличении дискового пространства до одного гигабайта, как видно из графика на рис.3 а, загрузка центрального сервера услуги уже оказывается значительно сниженной. Когда оба объема кэша ограничены до 0,5 Гб (область Б: 25 минут), нагрузка сервера уже гораздо ниже, а кэш обслуживает большинство 1зТУ запросов. Кэш 1 (ближайший к серверу) и кэш 2 сначала сохраняют все пятиминутные префиксы каждой новой программы, но как только кэш 2 получает новые запросы, то кэш 1 удаляет эти сегменты по прошествии времени А. Затем кэш 1 будет сохранять следующие 5 минут каждой программы, в то время как кэш 2 хранит скользящее "заполненное" окно из первого интервала. Это означает, что кэш будет обслуживать все запросы, сделанные в течение первых пяти минут каждой отдельной программы.

О 0.5 1 1.5 2 Размер юш (Г6)

(а)

Рис. 3. Зависимость количества обслуженных запросов от размера кэш (Гб) (а) и изменение нагрузки канала связи (Мбит/сек) между узлом агрегации и центральным узлом связи (б)

В ходе проведения моделирования измерялась также нагрузка канала передачи данных на участке: узел агрегации г. Нариманов - Центральный узел связи г. Астрахань (на котором расположен сервер 1зТУ). Измерения проводились при помощи утилиты 1рег^ причем измерялся только трафик услуги «Телевидение, сдвинутое по времени». Измерения велись в три этапа: без использования прокси-серверов, с использованием одного прокси-сервера и двух прокси-серверов в режиме совместного кэширования. В результате измерений (рис. 3 б) было выявлено, что использование прокси-сервера позволяет разгрузить магистральную сеть передачи данных на участке: узел агрегации - узел установки центрального сервера tsTV в среднем более чем в пять раз. Для проведения моделирования применения кэшируюших стратегий для услуги «Видео по запросу» был использован описанный выше сегмент сети Астраханского филиала ОАО «Ростелеком». Использовалась система предоставления услуги «Видео по запросу», которая поддерживает шесть видеофильмов (512 килобитов в секунду) с продолжительностью 120 минут каждая (Ь, = 120 мин), и с пакетным окном 10 минут (В1= 10 минут). При этом I полагали, что вероятность доступа к видео подчиняется распределению Ципфа с фактором 9 = 0,271. Чтобы перехватывать каждый запрос клиента, прокси-сервер с буферным пространством 225 мегабайтов (Н = 225 Мб — 60 мин) был расположен на границе сети. Неоднородность достигалась путем установки размера буфера клиента либо равной В (В = 37,5 МБ = 10 мин), либо нулевой. I Заметим, что если размер буфера клиента больше, чем В в реальной системе, то только В единиц клиентского буфера будет использоваться в данной стратегии кэширования.

Было проведено исследование влияния размера буфера Н на гибридное кэширование. Положим, что размер буфера прокси-сервера Н варьируется от ! 450 Мб (120 мин) до 2700 Мб (720 мин). Остальные параметры остаются такими же, как и в предыдущем моделировании. Было смоделировано три услуги «Видео по запросу» - с дестью, двадцатью и тридцатью процентами клиентов с ограниченным буфером для оценки влияния Н. На рисунке 4 а изображены входные пропускные способности прокси-серверов этих услуг (А, В, С соответственно). Этот график демонстрирует, что чем больше размер

а Без использования прокси-серверов

■ Автономное кэширование

з Совместно« кэширование

я ^м и нута)

буфера, тем ниже входная полоса пропускания. Когда размер буфера составляет 2700 Мб, все видео может быть полностью кэшировано прокси-сервером, так что входная полоса достигает нижней границы.

450 900 1350 1300 2250 2700 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Размер буфера (Мб) Размер окна (минуты)

(а) (б)

Рис. 4. Влияние размера буфера (а) и размера окна Е^ (б) на пропускную способность

Помимо размера буфера Н, размер пакетного окна В; также является важным фактором в гибридном кэшировании. Следующее проведенное испытание было сосредоточено на изучении влияния размера В1 пакетного окна. При проведении испытания был установлен размер буфера прокси-сервера Н в 900 Мб (240 мин), а размер пакетного окна В; каждого видео изменялся от 5 до 60 минут, при этом остальные параметры были установлены такими же, как и в предыдущем моделировании. График на рис. 46 показывает входную полосу пропускания прокси-серверов в трех случаях А, В, С, и из него видно, что наиболее подходящее значение Bi составляет 10-20 мин. Если В; слишком мало, то значительно возрастает потребность в запланированных потоках. Тем не менее, В, не должно быть слишком большим, потому что В; является единицей предложенного алгоритма распределения кэш прокси-сервера. Другим возможным усовершенствованием может быть допущение того, что единица распределения кэш будет меньше, чем размер пакетного окна. Подобная модификация может улучшить использование буфера, однако это приведет к усложнению алгоритма распределения кэш.

Также было исследовано влияние частоты запросов А, где А = Аь + Ае. В трех испытаниях размер буфера прокси-сервера был установлен в 900 Мб (240 мин), 1350 МВ (360 мин) и 1800 МБ (480 мин). Размер окна Bi каждого видео был установлен в 10 минут, а общая частота запросов А увеличивалась с 5 до 40 запросов в минуту. Остальные параметры оставались такими же, как и в предыдущем моделировании. Как иллюстрирует график на рис. 5, более высокая частота запросов вызывает более высокую входящую пропускную способность.

50

— В (20%) -С (30%)

А ¡10%)

э

о

5 10 15 20 25 30 35 40

Частота э апросов !з апросы в ми нуту]

Рис. 5. Влияние частоты запросов на входящую пропускную способность

Проведенные исследования показали, что, в случае автономного кэширования, нагрузка на каналы связи до центрального сервера снижается в 4,8 раз, а в случае совместного кэширования - в 9,7 раз. Были проведены расчеты затрат на реализацию услуги «Телевидения, сдвинутое по времени» в Астраханском филиале ОАО «Ростелеком», учитывающие расходы на развертывание системы прокси-серверов и модернизацию сетевой инфраструктуры. В результате были получены данные, что в случае использования прокси-серверов, работающих в совместном режиме, возможно получение экономии более чем в 33 раза для предоставления услуги «Телевидение, сдвинутое по времени».

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Определены аналитические зависимости между объемом входящей полосы пропускания прокси-сервера ЕРТУ и размером буфера.

2. Предложен метод оптимизации входящей полосы пропускания прокси-сервера ЕРТУ.

3. Разработан алгоритм совместного кэширования для реализации услуги «Телевидение, сдвинутое по времени».

4. Даны рекомендации по обеспечению гарантированной доставки трафика интерактивного 1РТУ в сетях широкополосного радиодоступа.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бородинский А. А., Гольдштейн А. Б. IMS и WiMAX: перспективы сотрудничества // Вестник связи. - 2007. - № 9. - С. 106-110 (в перечне ВАК).

2. Бородинский А. А., Гольдштейн А. Б. Эксплуатация современных инфокоммуникационных услуг в Астрахани // Connect! Мир связи. - 2010. -№ 12. - С36-37.

3. Бородинский А А. Повышение эффективности предоставления услуги tsTV // Вестник связи. - 2011. - № 9. - С.12-14 (в перечне ВАК).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Статьи

4. Бородинский А. А. Методы достижения синергетйческого эффекта услуги EPTV // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2011. - № 2. - С. 114-119 (в перечне ВАК).

5. Бородинский А. А. Средства и методы эффективной организации услуги IPTV // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. — 2011. — № 3(15). - С.7-11 (в перечне ВАК).

6. Бородинский А. А. Применение кэширования для оптимизации предоставления услуги «Телевидение, сдвинутое по времени». // Труды учебных заведений связи // СПбГУТ. СПб, 2011. - С. 108-113.

7. Бородинский А. А. Применение алгоритма совместного кэширования в реализации IPTV // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2012. - № 2. - С. 7-12 (в перечне ВАК).

8. Бородинский А. А. Использование беспроводных технологий для предоставления услуги IPTV // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2012. - № 2. - С. 106-111 (в перечне ВАК).

9. Бородинский А. А. Возможности ШБД для предоставления IPTV // Вестник связи. - 2012. - № 10. - С. 49-52 (в перечне ВАК).

Тезисы докладов

10. Бородинский А. А. Аналитическая модель услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» // 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы. - СПб. : СПбГУТ, 2011.

11. Бородинский А. А., ГергесС., Гольдштейн А. Б. Особенности построения системы эксплуатационного управления услугами IPTV // 63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: материалы. - СПб. : СПбГУТ, 2011.

12. Borodinsky A. A. Wireless IPTV over WiMAX // Proceedings of 9th Conference of Open Innovations Association FRUCT - Petrozavodsk, 2011,- C.34-40.

13. Бородинский А. А. Применение прокси-кэширования для эффективного предоставления услуги tsTV // Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». № 64. 20-24 февраля 2012 года: материалы. - СПб. : Издательство СПбГУТ, 2012. - С. 197-198.

14. Borodinsky A. A. Methods to improve the efficiency of IPTV services // Proceedings of 11th Conference of Open Innovations Association FRUCT - SPb., 2012--C. 13-21.

Подписано в печать 11.02.2013.

Тираж 100 эй. Объем 1 печ. л.

_Заказ №_

Отпечатано в тип. СПбГУТ, 191186, СПб, наб. р. Мойки, 61 16

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

04^01355195 ^а пРавахРукописи

Бородинский Алексей Андреевич

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ УСЛУГАМИ ІРТУ В СЕТЯХ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Гоголь А.А.

Санкт-Петербург - 2013

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЭВОЛЮЦИОНИРОВАНИЕ УСЛУГИ IPTV.....................................8

1.1. Эволюция телекоммуникационных услуг..................................................8

1.2. Эволюция телевидения и конвергенция с IP сетями...............................15

1.3. Эволюция систем коллективного доступа к телевидению.....................23

1.3.1. Сети кабельного телевидения типа «антенна на подъезд»............23

1.3.2. Сети кабельного телевидения типа «антенна на дом»...................24

1.3.3. Сети кабельного телевидения с конвертацией каналов...................25

1.3.4. Сети кабельного телевидения типа «антенна на группу домов» ...25

1.3.5. Сети кабельного телевидения с обратным каналом........................26

1.3.6. Коллективный доступ к телевидению — системы MMDS..............27

1.3.7. Сети кабельного телевидения типа «волокно в дом»......................28

1.3.8. IPTV.........................................................................................................29

1.4. Эволюция управления бизнес-процессами в инфокоммуникациях.......29

1.5. Синергетический эффект IPTV и проблемы управления бизнес-процессами IPTV................................................................................................37

1.6. Выводы.........................................................................................................41

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ КЭШИРОВАНИЯ ДЛЯ УСЛУГИ «ТЕЛЕВИДЕНИЕ, СДВИНУТОЕ ПО ВРЕМЕНИ»............................................................................43

2.1. Принципы организации услуги «Телевидение, сдвинутое по времени» ..............................................................................................................................43

2.2. Модель услуги «Телевидение, сдвинутое по времени»..........................47

2.3. Алгоритм кэширования со скользящим интервалом...............................51

2.3.1. Основные принципы.............................................................................51

2.3.2. Организация услуги «Телевидение, сдвинутое по времени»...........54

2.4. Анализ методов кэширования для оптимизации услуги «Видео по запросу»...............................................................................................................56

2.5. Выводы.........................................................................................................67

ГЛАВА 3. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ДОСТУПА ДЛЯ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ IPTV........................69

3.1. Требования к беспроводным технологиям для предоставления услуг 1РТУ.....................................................................................................................69

3.2. Сравнительный анализ беспроводных широкополосных технологий для

предоставления услуг 1РТУ...............................................................................73

3.3. Выводы.........................................................................................................76

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ УСЛУГ 1РТУ.....................................................78

4.1. Модель организации услуги «Телевидение, сдвинутое во времени»....78

4.2. Статистические оценки моделирования 1РТУ.........................................79

4.3. Сопоставление данных моделирования и аналитических результатов.94

4.4. Опыт предоставления услуг 1РТУ в мире.................................................97

4.5. Опыт предоставления услуг 1РТУ в Астраханском регионе «ОАО Ростелеком»......................................................................................................105

4.6. Расчет экономической целесообразности применения алгоритма совместного кэширования в Астраханском филиале ОАО «Ростелеком». 121

4.7. Выводы.....................................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные телекоммуникационные технологии практически не ограничивают операторов и пользователей в области предоставляемых услуг. В таких условиях потребности пользователей естественно растут, появляются новые виды и свойства этих услуг. На данный момент наибольший интерес для большинства услуг вызывают свойства интерактивности (когда пользователь становится активным участником процесса предоставления услуги), персонализация (когда пользователь получает индивидуальный для него контент) и мобильности (когда доступ к услуге возможен не только по фиксированным сетям). Вместе с этим свойства новых услуг могут предъявлять несоизмеримые (по сравнению с традиционными услугами) требования к телекоммуникационным ресурсам оператора, делающих их нерентабельными для организации, поэтому рассмотрение этих свойств у современных услуг в работе является крайне актуальным.

Рис. 1. График роста абонентов IPTV в мире

Объектом исследования в данной работе является семейство услуг IPTV, число абонентов которой неуклонно растет. По данным исследовательских фирм Digital TV Research и TeleGeography количество абонентов IPTV в мире превысило 67 миллионов, что составляет около 15

процентов от клиентской базы широкополосного Интернета, а к 2016 году число пользователей IPTV превысит 155 миллионов.

Среди всех способов доставки телевизионного контента, именно технология цифрового телевидения в сетях передачи данных по протоколу IP (IPTV) максимально удовлетворяет вышеописанным новым свойствам услуг, что делает ее все более востребованной на рынке телекоммуникационных услуг, а выбранную тему актуальной с точки зрения научных исследований.

Набирающие популярность интерактивные и персонализированные услуги 1РТУ(«Видео по запросу», «Телевидение, сдвинутое по времени», «Сетевой видеомагнитофон», «Электронный программный гид») в условиях массового развертывания резко повышают требования к телекоммуникационному ресурсу Оператора. Это вызвано в первую очередь отказом от широковещательной рассылки трафика IPTV и приводит к тому, что сеть Оператора связи требуется серьезно модернизировать.

Однако, одну из новых интерактивных услуг IPTV - «Телевидение, сдвинутое по времени», по ожиданиям аналитиков британского издания «The guardian» наиболее востребованную и прибыльную из рассматриваемого семейства, возможно организовать на сетях, рассчитанных на предоставление традиционных услуги IPTV (с широковещательной рассылкой). Данная возможность может быть организована за счет применения дополнительных кэширующих серверов, сделав развертывание этой услуги рентабельной уже сейчас.

Для обозначенного подхода остро стоит выбор значимых (с точки зрения капиталовложений на организацию и влияния на выгоду от использования этих серверов) параметров новой архитектуры, которые остаются не изученными.

Предметом исследования стали: архитектура системы интерактивного IPTV, процессы предоставления, хранения и передачи мультимедийного трафика услуги «Телевидение, сдвинутое по времени». Объектом

исследования являются услуги интерактивного IPTV.

5

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является повышение эффективности предоставления услуг интерактивного IPTV в сетях NGN, рассчитанных на предоставление традиционных IPTV услуг.

Сформулированная цель определила необходимость решения следующих научных задач.

1. Разработка аналитической модели организации услуги «Телевидение, сдвинутое по времени».

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

3. Формулирование задачи оптимизации входящей полосы пропускания прокси-сервера IPTV за счет управления размером буфера.

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

5. Эксперимент предоставления услуг интерактивного IPTV с оценкой эффективности использования совместного кэширования в прокси-серверах.

Основными научными результатами данной диссертационной работы являются:

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

2. Метод оптимизации входящей полосы пропускания в прокси-сервер IPTV.

3. Рекомендации по обеспечению гарантированной доставки трафика интерактивного IPTV в сетях широкополосного радио доступа.

4. Экспериментальное подтверждения аналитической модели и методы оптимизации в сети NGN.

б

Методы исследования. Для решения этих задач используются методы кэширования, теории телетрафика, вычислительной математики, статистического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в разработке модели решения «Телевидение, сдвинутое по времени», основанной на кэшировании со скользящим интервалом с фиксированным размером окна, предлагающей метод оценки, необходимого пространства для хранения контента в сети, а также алгоритма 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».

При формировании научных результатов были исследованы и проанализированы работы Салама Г.М., Саморезова В.В., Шинкаренко К.В., Долгих Д.Г., Носова В.П., Хасина М.А., Тормасова А.Г., Аунг Мьо Маунг, Ермолаева С.Ю., Бычков И.Д., Сизюхина К. С.

Были использованы следующие нормативно-методические документы в формировании практических результатов: RFC 2326 - Стандарт протокола RTSP, RFC 1889 - Стандарт протокола RTP, IEEE 802.16 - Стандарт организации беспроводных сетей масштаба города, ГОСТ 52023-03 -Качество предоставления услуг цифрового кабельного вещания, ISO/IEC 13818-1 - Параметры транспортного потока MPEG, передаваемого по протоколу IP.

Личный вклад. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

ГЛАВА 1. ЭВОЛЮЦИОНИРОВАНИЕ УСЛУГИ IPTV

1.1. Эволюция телекоммуникационных услуг

Стремительное развитие технологий приводит к тому, что количество

услуг в сетях NGN перманентно растет и поражает своим многообразием [1].

Свойство интерактивности современных услуг объясняется тем, что

пользователь в большинстве случаев становится активным участником

процесса ее предоставления, причем уровень интерактивности растет с

каждым годом, поэтому интерактивность может рассматриваться как

особенность современной концепции услуг связи. Другим свойством

современных услуг является персонализация. При широком многообразии

услуг, исключающем какие бы то ни было ограничения спроса на них со

стороны клиентов, пользователь чаще всего хочет получить уникальный,

подходящий именно ему набор услуг. Свойством современных услуг

является также и ограниченность времени их жизни, оно отражает развитие

новой услуги в рыночном поле от появления ее на рынке до прекращения

существования. Это свойство подчеркивает высокую динамику развития

современных сетей. Хотя для услуг, предоставляемых традиционными

сетями также существовало время жизни, оно могло составлять несколько

десятилетий, так что можно было говорить скорее о стационарном наборе

услуг, чем о об их динамичном развитии. В современных сетях услуга может

существовать несколько месяцев или даже несколько дней. Все

перечисленные выше свойства свидетельствуют о процессе изменения

парадигмы современных услуг связи, которая, в свою очередь, связана с

революционными преобразованиями, которые приносят с собой современные

сети. Наряду с преимуществами, которые дает современная сеть в области

услуг, можно выделить и ряд недостатков: рост сложности технических

решений, связанных с новыми услугами, новые требования по объемам

передаваемой информации и повышение требований в части безопасности

сетей. Рассматривая динамику развития услуги, связанную с временем ее

жизни, необходимо учитывать, что любая услуга на рынке сосуществует с

8

другими услугами в едином поле, опирается на определенную социальную группу потенциальных или реальных пользователей. Услуга уходит с рынка, когда количество таких пользователей уменьшается до размеров, при которых затраты на предоставление повой услуги не окупают суммарную плату, полученную от клиентов.

Жизненный цикл услуги на рынке зависит от поведения различных

групп пользователей. Как правило, он представляет собой волнообразную

динамику развития услуги, что характерно для большинства инновационных

технологий [4]. Услугой пользуются разные социальные группы, самая

малочисленная из которых — это инноваторы (профессионалы в области

телекоммуникаций, которые разрабатывают и экспериментируют с новыми

услугами связи). Более многочисленна - группа энтузиастов, для которых

технология связи является своего рода увлечением. Они занимаются

опытным внедрением и тестированием новой технологии, чаще всего на

безвозмездных началах. Эти две социальные группы опережают внедрение

новой услуги. Все остальные пользователи делятся на три группы.

Продвинутое большинство — это люди, хорошо владеющие компьютерной

грамотностью и имеющие достаточную квалификацию для того, чтобы

самостоятельно настроить новые услуги. Обычные пользователи отстают от

них по уровню квалификации и используют новые слуги связи тогда, когда

настройка компьютера сводится к нажатию нескольких клавиш после

загрузки установочного диска. Консервативные потребители, или

запоздавшее меньшинство, представляют собой пользователей, которые

обратятся к уже не новым услугам только тогда, когда все остальное

общество основательно привыкло к ним. Указанное распределение по

социальным группам не является статичным, а меняется с течением времени.

На ранних стадиях новую услугу тестируют в лабораториях инноваторы, а

затем пускают ее в опытную эксплуатацию. В этот момент ее подхватывают

энтузиасты, тестируют, находят и исправляют ошибки. И только после этого

новую услугу можно считать состоявшейся на рынке. Услуга внедряется,

9

продается и охватывает постепенно все социальные группы — от активных и квалифицированных пользователей до консерваторов. Размер социальной базы для каждой услуги свой и определяется ее характером. Для каждой услуги существует своя социальная база, своя динамика развития, свой цикл жизни и свои показатели эффективности.

Эволюционный ряд проиллюстрирован на рис. 1.1. В качестве начальной точки взята технология традиционной телефонии, предоставляющая следующий набор услуг: междугородная, международная, зоновая связь, справочные службы и прочее. Качественный скачок в изменении концепции услуг был связан с развитием технологии ISDN, когда произошла интеграция между телефонной сетью и сетью передачи данных

На основе объединения (2Р1ау) двух услуг (телефония и передача данных) оказалось возможным разработать целый пакет новых услуг. На этом этапе появились услуги передачи данных параллельно с телефонным разговором.

Дальнейшее развитие концепции услуг шло по пути повышения эффективности использования ресурса сетей ISDN и ОКС №7 [30]. Например, возможность передачи сигнальных сообщений в процессе разговора оказалась очень важной при формировании группы услуг, которые

[21], [31].

Сотовая связь

Рис. 1.1. Эволюция современных услуг связи

получили название ДВО (дополнительные виды обслуживания). Услуги ДВО отличаются от традиционного пакета услуг ISDN, которые в большей степени были ориентированы на использование телефонии, передачи данных и их комбинации. ДВО ориентировались на услуги, связанные с поведением абонента в сети. К услугам ДВО относятся такие услуги, как переадресация, «вызов третьего», «вызов на конференцсвязь». Переход от цифровых сетей связи к концепции NGN совершил революцию в современных услугах, поскольку привнес третье измерение - передачу видеосигналов [22].

Первой значимой концепцией NGN была концепция TriplePlay, в

основу которой была положена идея о том, что все современные услуги связи

можно представить в виде объединения речи, данных и видео [33]. Триада

этих услуг создает своеобразный базис, по которому можно разложить

любую современную услугу. Первоначально для этого предполагалось

использовать одну инфраструктуру сетей доступа и единую транспортную

сеть для всех возможных услуг связи. По сути это все та же традиционная

система связи, где услуги доступа к сети Интернет, телефонии и телевидения

предоставляются отдельно и могут быть объединены только на уровне

кабельной сети доступа (доступ в Интернет по телефонной паре, передача

данных и телевидения по волоконно-оптическим линиям связи и так далее).

Концепция TriplePlay предлагает использовать для предоставления всех

указанных услуг единую инфраструктуру мультисервисной сети NGN,

включающую т�