بخشی از مقاله
بررسی متدهای جریان سازی ویدئو در شبکه های نظیر به نظیر وارائه پروتکل لایه ایی جدید
چکیده
با توجه به افزایش استفاده از برنامه های چند رسانه ای، وسرعت خدمات بیشتر در شبکه های ارتباطی و بخصوص اینترنت که کاربران علاقه بیشتری به استفاده از امکاناتی نظیر پخش ویدئو و آموزش های راه دور نشان داده اند بدین خاطر تحقیقات در این زمینه بیش ازپیش مورد توجه قرار گرفته است.پژوهش هایی در این زمینه رامی توان به موضوعات زیر تقسیم کرد.پروتکل های همبندی گره های شبکه، پروتکل های مسیریابی در شبکه، مباحث مربوط به بازیابی اطلاعات، مکانیزم هایی برای کنترل خطاها وامنیت شبکه.در اینجا ضمن بیان مفاهیم جریان سازی ویدئو با بررسی پروتکل های مسیریابی موجود خواهیم دید ترکیب متدها روشی بهینه تری است و بعد پروتکلی ارائه می شود که گره هایی را که کیفیت پایه ای برایشان کفایت می کنند و ثابت هستند را به صورت درخت در نظر می گیریم وفریم ها را پوش می کنیم در ادامه گره هایی که ثابت نیستند را به صورت توری در نظر گرفته و فقط آنهایی که کیفیت بالاتری می خواهند لایه های بهبود برایشان در مسیر کم ازدحام پول شود، پیش بینی می شود این روش زمان تاخیر ونرخ اتلاف قطعه فریم ها راکاهش می دهد و کیفیت مطلوب هر گره فراهم می کند.
کلید واژه-جریان سازی ویدئو، شبکه های نظیربه نظیر، چند پخشی، مسیریابی لایه ای.
-1 مقدمه
با افزایش دسترسی کاربران خانگی به پهنایباند بالا کاربردهای چندپخشی ویدیو طرفداران بیشتری یافتهاند. شبکههای نظیر به نظیر یکی از بسترهای کارا برای جریانسازی ویدیو هستند چراکه بار توزیع ویدیو را از ماشینهای خدمت دهنده و اجزای شبکه به خود کاربران منتقل کرده و از ظرفیتهای پهنایباند، پردازش، و حافظه ماشینهای کاربران در جهت بهبود ارائه خدمت استفاده می کنند. با این وجود سیستمهای جریانسازی ویدیو نظیر به نظیر زنده با چالش های مختلفی مثل ناهمگونی پهنایباند، خروج گرهها، و ازدحام در شبکه مواجه هستند.
-2 مفاهیم بنیادی
برای پخش زنده فیلم به صدها یا هزاران کاربر در سراسر دنیا، با 2 محدودیت روبرو هستیم پهنای باند لازم برای ارسال این حجم اطلاعات و نیز فرصت برای بافر کردن فیلم این باعث شد از شبکه های نظیر به نظیر((P2P برای به اشتراک گذاری منبع ویدئویی استفاده کنیم . به طور کلی سه راه کار برای تحویل مقیاس پذیر ویدئو در اینترنت وجود دارد:
- چند پخشیIP
- شبکه های توزیع محتوا
- چند پخشی OVERLAY
-1-2 چند پخشیIP
چند پخشی Multicast به حالتی گفته می شود که فرستنده بخواهد بسته های اطلاعاتی خودش را برای گروهی از نودهای شبکه ( ما آن ها را به نام گیرنده می شناسیم ) ارسال کند. در این حالت فرستنده با قرار دادن آدرس های IP(Internet protocol) گیرنده های پایانی در بسته مورد نظر ، این بسته را به مسیریاب تحویل می دهد. مسیریاب با توجه به آدرس های IP گیرنده های پایانی آنها را به سمت گیرنده ها و مسیریاب های بعدی ارسال می کند.
-1-1-2 مشکلات گسترش چندپخشی IP
· پیچیدگی پروتکل
· ناهمگن بودن سیستم های نهایی اینترنت
· پیچیدگی خدمات لایه انتقال
کیفیت مسیر داده شده است . امکان انتقال بسته های تکراری وجود دارد. دارای اتصالات فیزیکی بیشتری است. و دارای پویایی میباشد یعنی یک گره می تواند از شبکه حذف شود. که موجب قطع موقت شبکه می شود.
-3 ساختارهای کلی نظیر به نظیر برای جریان سازی
-2-2 شبکه توزیع محتوا
شبکه های)CDN )Content delivery network ، شبکه هایی از سرورهای ویدئو می باشند که توسط فراهم کننده های خدمات توزیع محتوا در سراسر دنیا ایجاد شده اند. در این شبکه ها از مدل خدمت تک پخشی IP برای تحویل داده های ویدئویی استفاده می شود.که هر ویدئو برای پخش وسیع روی سرورهای شبکه CDN تکثیر می شود و در اینترنت پخش میگردد. استفاده از شبکه های توزیع محتوا دارای هزینه های بالایی بود که این موجب استفاده از راه حل سومی چند پخشی Overlay در چند سال گدشته مورد توجه بوده ،گردید.
-3-2 شبکه های چند پخشی Overlay
محدودیت مسیریاب ها ، مساله کنترل ازدحام باعث شد چندپخشی پوششی مطرح شود . در این طرح گره های پایانی با قرار گرفتن در یک شبکه پوششی ، با دریافت بسته مورد نظر ، این بسته را برای بقیه نودهای عضو گروه ارسال خواهند کرد. ارتباط بین این گره ها می تواند به صورت تک پخشی در نظر گرفته شود. این روش را می توان در لایه کاربرد پیاده سازی کرد.[1]
-4-2 مقایسه چند پخشی Overlay و چند پخشیIP
گره های میانی درخت چند پخشی Overlay در لایه کاربرد مسئولیت تکثیر و انتشار بسته ها و بلوک های داده به دیگر گره های موجود در شبکه را بر عهده دارد.
مزایا: شبکه های چند پخشی Overlay خود سازمان دهنده هستند. همچنین می توان آن ها را به راحتی توسعه و گسترش داد زیرا تکثیر بسته های داده با استفاده از تک پخشی IP توسط میزبان های انتهایی اینترنت صورت می گیرد و نیازی برای تغییر در زیر ساخت نیست.
معایب: در چند پخشی IP به علت تاخیر بسته های چند پخشی به دلیل طی شدن تعداد گام IP بیشتر سبب تاثیر بر دو نوع کلی برای همبندی تحویل داده در سیستم های جریان سازی Overlay وجود دارد.[2]
· روش های مبتنی بر توری
· روش های مبتنی بر درخت
-1-3 روش های مبتنی بر درخت
گره های شبکه برای تحویل داده های ویدئویی خود را به دو صورت سازماندهی می کنند:
به صورت یک درخت چند پخشی واحد(تک درختی) به صورت چندین درخت(چند درختی)
-1-1-3 روش تک درختی
در روش های تک درختی گره های برگ در توزیع داده مشارکت ندارند و پخش داده توسط گره های داخلی صورت می پذیرد . به همین دلیل برای حفظ کیفیت ویدئو تحویل داده شده سعی بر آن است که در ساختن درخت چند پخشی گره هایی که کم ظرفیت هستند را به عنوان گره های داخلی نگذاریم چون مانند گلوگاه برای گره های زیرین خودشان عمل می کنند.
-2-1-3 روش چند درختی
در روش چند درختی جریان ویدئو به زیر جریان ها تقسیم می شود و هر زیر جریان به یک درخت تحویل داده می شود. در روش چند درختی از تمام پهنای باند همه اعضا شبکه استفاده می شود یعنی این که هر گره به عنوان گره داخلی یک درخت و به عنوان برگ درخت دیگر است.
-3-1-3 مقایسه روش تک درختی و چند درختی
یکی از تفاوت های روش چند درختی و تک درختی این است که در تک درختی وقتی گره ای شبکه را ترک می کند گره های فرزند دیگر نمی توانند داده ها را دریافت کنند و ارتباطاتشان با شبکه قطع می شود و باید به دنبال پدری برای خود باشند که از طریق آن داده ها را دریافت کنند اما در روش چند درختی اگر گره پدر حذف شد و شبکه را ترک کرد ، ارتباط فرزندان به طور کامل قطع نمی شود و داده ها را از یک پدر دیگر و مسیر و زیر جریان دیگری دریافت می کنند این امر سبب مشکل شدن نگهداری و بهینه سازی همبندی در روش چند درختی شده است.
-4-1-3 معایب روش درخت
از معایب این روش نگهداری درخت گفته شد یعنی این که وقتی گره ای حذف می شود دسترسی به گره ها و بخش های سطح پایین تر آن گره مختل می شود تا سرور وضعیت را بهبود بخشد.
برای این مشکل یک مدل توزیع شده متمرکز پیشنهاد شده در این روش سرور می تواند زمان ترک یک گره را براساس ارسال و دریافت سیگنال پایانی و زمان خاتمه آن کشف کند سرور ساختار را برای هر گره محاسبه می کند برای همین لازم است هر گره موقع پیوستن به شبکه و ارتباط با سرور مرکزی اطلاعاتی راجع به مکان و نحوه دستیابی اش به شبکه را به سرور اطلاع دهد. اما با این حال باز این روش دارای معایبی است آن هم وقتی که جریان بزرگ باشد، سرور تبدیل به نقطه شکست خواهد شد پس حل این مشکل باید برای نگهداری و ایجاد درخت روش های دیگری بر آدرس دهی به کار برد.
شروع فرآیند بارگذاری و کیفیت پایین پخش ویدئو ، زیرا چندین انتخاب برای مسیر حرکت وجود دارد، اشاره کرد.
-4 تکنیک تبادل قطعه داده
در یک سیستم جریان ویدئو درخواست ها و پاسخ ها هر کدام حالت هایی دارند ممکن است درخواست برای دریافت کل یک ویدئو و یا قسمتی از آن باشد و پاسخ تنها توسط یک سرور و یا استفاده از گره هایی که خود پس از دریافت از سرور اصلی ، سرور شده اند صورت گیرد.
-1-4 روش پول
تحویل داده براساس نیاز و تقاضا مصرف کننده ، نه ارسال کل فایل انجام می پذیرد. در این روش هر گره یک نگاشت حافظه ی Buffer map را در بازه های زمانی خاصی به گره های دیگر می دهد که بگوید چه فریم های از ویدئو را در اختیار دارد تا دیگر گره ها بدانند برای دریافت فریم های مورد نیاز درخواست خود را به کدام یک از گره های دیگر (سرور) بفرستند.[3]
-1-1-4 مزیت و معایب متد پول
مزیت : احتمال بالای همپوشانی میان درخواست های کاربران و نیز کوتاه شدن زمان برای پاسخ گویی به نیاز کاربر
معایب: تاخیر ناشی از ارسال نگاشت حافظه ای و درخواست
-2-3 روش های مبتنی بر توری
ایده اصلی سیستم جریان سازی ویدئو مبتنی بر توری در یک شبکه Overlay از سیستم اشتراک فایل Bittorrent منبع گرفته شده است. یعنی گره هایی که به صورت توری به هم متصل شدند . اگر یک گره جدید بخواهد عضو این شبکه شوند چند گره را به عنوان همکار خودش انتخاب می کند و داده های ویدئویی را که به چندین قطعه با اندازه های کوچک تقسیم شده را از همکاران خود دریافت می کند. در این ساختار هر گره برای اتصال براساس دسترسی پذیری محتوا و پهنای باند ، ارتباطی پویا با زیر شبکه یک گره به صورت تصادفی برقرار می کند که این اطلاعات در یک دوره زمانی بررسی می شود، که موقع ترک هر گره فرزندان آن گره به یک پدر دسترسی پیدا می کنند.از معایب پویایی ساختار توری می توان به تاخیر زمانی فریم
-2-4 متد پوش
در روش پوش کل فایل یکباره فرستاده می شود و این سبب بروز مشکلاتی هم چون زیاد شدن مدت پاسخ دهی سرور و نیز زمان بارگذاری کل فایل می شود. اما مزیت این روش سادگی بررسی درخواست های صورت گرفته می باشد .روش کار متد پوش بدین گونه است که هر گره به گره های همسایه اش هر فریم دارد ودریافت می کنند را بفرستد.
-1-2-4 مزایا و معایب پوش
مزیت : تاخیر ناشی از ارسال نگاشت حافظه ای و درخواست فریم وجود ندارد زیرا بافری برای ذخیره اطلاعات وجود ندارد. معایب: در شبکه های قابل اطمینان که امکان از دست نتایج شبیه سازی در جدول 2 قابل مشاهده است.[4] هنگام رفتن بسته در شبکه وجود ندارد استفاده می شود زیرا در صورت کمبود پهنای باند پوش تصادفی بهتراز پوش طوفانی بهتر است، از دست رفتن یک بسته امکان ارسال مجدد آن نیست و ویدئو پس روش پوش در ساختار توری می تواند به خوبی عمل کند تکه تکه می شود و نیز در ساختار های بدون حلقه مانند درخت مزیت کاهش تاخیر شبکه مورد توجه است اما مشکل سربار استفاده می شود.در شبکه های مش موجب افزایش بار شبکه و شبکه را هم دارد. ترافیک به علت ارسال چندین بار یک فریم خواهد شد. جدول :2 مقایسه کارایی سه متد
-3-4 تکنیک ترکیبی Hybrid
ترکیبی از دو روش پوش و پول به صورتی که در بعضی موارد قطعه های مورد نیاز پوش و در بازه زمانی پول می شود.
-5 مقایسه کارایی متد پوش و پول در ساختارهای درختی و توری
مهمترین شاخص کارایی ، درصد فریم هایی است که رد شده اند به علت تاخیر شبکه در ارسال بسته ها و یاعدم داشتن فریم های لازم برای کدگشایی ، از دیگر شاخص ها می توان به زمان انتشار کل جریان ، سربارشبکه ، زمان سر به سر ارسال یک بسته اطلاعاتی اشاره کرد. در جدول شماره1 متدهای پوش و پول در ساختار درختی و توری بررسی شدند.]4[
