Методы исследования характеристик сетевого трафика в ВС

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВИДЕОТРАФИКА

Абросимов Л.И., Трущенко М.А.

 

(Москва, Московский энергетический институт (ТУ), Россия)

E-mail: abros@srv-14.mpei.ac.ru

 

Введение. Влияние временных задержек при передаче трафика.

Современная тенденция внедрения в приложения возрастающих услуг телефонии, видеоконференций, обработки сообщений, групповой работы над документами вызывают пристальное внимание к обеспечению требуемого качества передачи через транспортную систему вычислительной сети (ВС). Различные виды трафика приложений реального времени (трафик с аудио и видеоинформацией), транзакций (рабочие сессии приложений баз данных (БД) проявляют повышенную чувствительность к задержкам времени доставки, либо к доступной пропускной способности ВС. Для приложений интерактивного потокового видеорежима (далее – видеоконференции) одинаково важны и требования к времени задержки и к пропускной способности ВС.

Требуемые характеристики трафика видеоконференции, определяющие эффективность качества обслуживания в ВС, можно классифицировать по типам:

Временные характеристики:

1)   значение временных задержек (видео: 30мс; голос: 100мс, транзакция 1 с, данные: несколько мин.);

2)   значение колебаний (разброса) временных задержек ( для видео: 30 – 100мс; для голоса: 100 – 150мс, для транзакций 1 – 2 с, для данных: зависит от протокола);

3)   значение времени реакции системы на процесс установления и поддержание сетевого соединения (т.е. характеристика интерактивности соединения), зависящего от задержек при буферизации (видео и голос: 0,5 – 1 с; транзакция 1 – 1,5 с; данные: не ограничено);

Характеристики объёма информации:

4)   значение среднего объёма передаваемой информации в единицу времени (видео: 0.128 – 50 Мбит/с; голос: 0.004 – 0.64 Мбит/с, транзакция 0.064 – 1.544 Мбит/с, данные: 0.01 – 600 Мбит/с.);

5)   изменение размера информационных пакетов сетевого взаимодействия во времени (для файла, транзакции, видеокадра, дейтаграммы, фрэйма);

6)   взрывообразность характеристики трафика (адаптивная вариация и диапазон разброса характеристик информационного потока, вызванного коэффициентом сжатия видеокадров, адаптивной подстройкой частоты видеокадра во времени, задержками буферизации в сети);

Характеристики используемых протоколов:

7)   характеристики используемых протоколов (надёжность и контроль передачи, технология обеспечения качества обслуживания, приоритетность при обработке в очередях, накладные расходы);

8)   изменение во времени количества фреймов, составляющих информационный кадр (видеокадр), вызванных процессом фрагментации (накладные расходы, вероятность успешной доставки информационного кадра);

9)   чувствительность информационного потока к потерям фреймов и ошибкам при передаче (возможность исправления ошибки с помощью повторной посылки);

Характеристики аппаратного оборудования:

10)    аппаратное обеспечение (вычислительная производительность конечных узлов – участников видеоконференции);

11)    тип мультимедийной карты потокового видеокомпрессии и кодирования и версия драйверов.

12)    характеристики канала (номинальная и эффективная пропускная способность, эффективная свободная полоса пропускания, класс обслуживания, коллизии с конкурирующими пакетами);

Характеристики программного обеспечения:

13)    версия операционной системы (наличие параллельных задач и системных сервисов);

14)    тип и версия программного обеспечения видеоконференции,

15)    настройки параметров оптического разрешения видеокадра, глубины цвета, формата видеопотока, формат видеосигнала (PAL: 25 fps, NTSC: 30 fps), формат компресии видеоизображения (MPEG, JPEG), коэффициент сжатия видеокадра;

Характеристика алгоритма работы абонента:

16)    роль узла в видеоссесии (сервер или узел), наличие шлюзов в видеоконференции, установки ПО видеоконференции на других узлах);

Характеристики интерактивности общения:

17)    процент допустимых потерь информационных пакетов во времени (видео и голос: менее 10%, транзакция и данные: зависят от протокола);

18)    синхронизация голосовой и видеоинформации.

Методология исследования.

Характеристики трафика видеоконференции определяют требования к тракту передачи и поэтому существенно влияют на оценки качества обслуживания ВС.

Исследование трафика видеоконференции производится на фрагменте локальной вычислительной сети. Генерируемый двумя абонентами видеосессии трафик передается по сети без промежуточных сетевых коммуникационных узлов (КУ). Измерения проводится программными средствами и позволяют после обработки результатов получить характеристики эталонного трафика видеоконференции.

Для организации сессии видеоконференции был выбран вариант взаимодействия соединение точка – точка между двумя абонентами связи.

Испытательный стенд состоял из двух ПК и сегмента сети Ethernet Half-Duplex 10mbts.

На персональных компьютерах были установлены ОС типа Windows 98 и Windows NT 4.0 c парой различных компьютерных видеокамер.

В качестве видеокамер использовались PC Camera 35 с USB интерфейсом и Happauge WinTV с вспомогательной PCI картой телевизионного приёмника и контроллером обработки видеопотока. Характеристики, оптимизация работы и организация логических уровней драйверов этих камер различен.

USB PC35 предъявляет высокие требования к аппаратным вычислительным характеристикам ПК, требует наличие ОС типа Windows98 или Windows95 OSR2, отличается бета – релизом драйверов.

PCI WinTV позволяет присоединять любой тип видеокамеры со стандартным композитным или S-Video входом, содержит контроллер от фирмы Brook – Tree 408, поддерживает overlay обработку видео – сигнала (т.е. аппаратно – программно, без участия CPU, обрабатывает видео - поток), отличается хорошо оптимизированными и надёжными драйверами. Использует меньшие ресурсы ПК, по сравнению с USB PC35.

В качестве ПО видеоконференции используется MS NetMeeting 3.01. Этот программный продукт является достаточно универсальным и осуществляет хорошую совместимость и поддержку аппаратуры видеокамер и кодеров.

Большинство средств проведения видеоконференций по компьютерным ВС используют свойства транспортной системы, а именно: предоставления качества обслуживания мультимедийному потоку, использование сессионных протоколов для обеспечения требуемой оптимизации и контроля сетевого трафика для нужд мультимедиа потока. Для видеосвязи NetMeeting использует по стандарту ITU H.323 (стандарт передачи потоковой информации через компьютерные сети) RTP/RTCP формат протокола передачи информации реального режима в Internet – сетях. Оба формата пакета RTP (Real – Time Protocol) и RTCP (Real – Time Control Protocol) без фрагментации инкапсулируются в UPD дейтаграммы. Пакеты RTP – протокола несут нагрузку передачи видеопакетов от абонента связи. Один видеокадр может фрагментироваться на несколько RTP – дейтаграмм. Каждая RTP – дейтаграмма характеризуется номером очерёдности в потоке (Sequence number), временем захвата видеокадра (Taimestamp) и флагом последней RTP дейтаграммы для передачи каждого видеокадра.

Вспомогательный формат кадра RTCP обеспечивает минимальный контроль в процессе инициализации и поддержания видеосессии.

Весь трафик активности в сегменте фиксируется с помощью двух средств фотографирования трафика: Microsoft NetworkMonitor (входящего в комплект System Management Server 2.0)  и ПО NetworkMonitor (разработанного в группе ВС МЭИ на основе использования пакетного драйвера). Сессия измерений длилась около 150 сек. и за это время объём переданных данных составляет 11 Мб.

Рис.1 Диаграмма изменения количества видео-кадров от времени

Рис.2 Диаграмма изменения объёма видео-кадра во времени

Рис.3 Диаграмма изменения количества Ethernet-кадров во времени для разных видеокамер.

 

Рис.4 Распределение объёма переданных данных с размером Ethernet-кадра для разных PC-камер

 

Результаты эксперимента.

При анализе результатов фиксирования общего трафика видеоконференции двумя программными средствами было обнаружено, что из 12 тысяч пакетов, которых успел зарегистрировать Microsoft NetworkMonitor, менее половины (5,8 тысяч) пакетов успел зарегистрировать ПО NetworkMonitor на основе пакетного драйвера. Производительности процессора ПК Pentium II – 350 Мгц и  количества ОЗУ 128 Мб оказывается явно недостаточным для получения достоверных результатов. Для построения диаграмм использовался файл результата измерений MS Network Monitor, который позволяет зафиксировать время передачи пакета с точностью 33мкс, что удовлетворяет требованиям точности регистрации пакетов для сети Ethernet 10mbits.

Анализ результатов, полученных в результате эксперимента позволил констатировать следующие положения.

1.      На качество генерируемого видеокамерой оцифрованного изображения влияют:

а) предварительно установленные параметры в ПО видеоконференции, таких как: оптическое разрешение видеокадра, формат видеосигнала (PAL: 25 fps, NTSC: 30 fps), формат компресии видеоизображения (MPEG, JPEG), глубина цвета.

б) фактические параметры: реальная частота видеокадров, разброс коэффициента компрессии. Эти параметры в свою очередь зависят от вычислительной производительности конечных узлов видеоконференции и от типа мультимедийных плат с обработкой мультимедиа потока.

2.      Средний объём передачи в единицу времени при взаимодействии двух абонентов составил порядка 80 кб/с. Коэффициент использования пропускной способности канала Ethernet 10 Mbs Half-Duplex  составил менее 1 %, свидетельствуя о том, что объём передачи сессии видео конференции незначительно загружает канал.

3.      Объём передачи через транспортную систему определяется качеством видеоизображения, коэффициентом компрессии видеоизображения и количеством узлов – абонентов видеоконференции. Влияние разброса коэффициента компрессии оказывается очень заметным, т.к. объем видеокадра может за 10 сек изменяться почти в  4 раза, что можно увидеть для камеры USB PC35 (см. на рис. 2 интервал оси времени 100 – 110 сек.) Этот пример иллюстрирует взрывной характер изменения характеристики трафика. Реактивную динамику изменения видеокадра следует учитывать при решении задачи оптимизации пропускной способности сети. При сильной загруженности сети уcложняется задача обеспечения гарантированного качества передачи через транспортную систему мультимедиа изображения.

4.      Величина допустимых задержек при доставке Ethernet-кадров для обеспечения требуемого качества передачи видеопотока определяется в свою очередь качеством генерируемого видеоизображения, а также объёмом и количеством RTP пакетов, необходимых для передачи одного видеокадра.

5.      Согласованность аппаратно – программных средств видеоконференции (наличие карты обработки мультимедийной потоковой информации, качество предоставляемых драйверов, коэффициент сжатия мультимедийной информации, коэффициент загруженности и вычислительная производительность узлов – абонентов) позволяет более эффективно использовать пропускную способность канала, т.к. вычислительная машина успевает эффективно обработать максимальный размер RTP-кадра. Спектр распределения пакетов RTP по размерам становится более согласованный, средний объём передаваемой информации возрастает, прогнозируемость динамики трафика улучшается. (См. рис. 4).

6.      Применение стандартных средств измерения трафика под управлением MS Windows 2000 позволяет добиться получения достоверных результатов с погрешностью не более 33 мкс.

7.      Применение программными средствами видеоконференции протоколов RTP, RTCP, UDP, а также тип адресации Ethernet-кадров определяет логику передачи видеопакетов. Поэтому при исследовании характеристик трафика видеоконференции необходим тщательный анализ алгоритмов работы используемых протоколов.

Протокол RTP оказывает влияние на время формирования мультимедиа пакетов, внося собственные коррективы в доставке видеокадров.  Влияние вспомогательного протокола контроля передачи RTP пакетов – протокола RTCP на общие характеристики мультимедиа трафика пренебрежимо мало, ввиду их небольшого количества RTP / RTCP = 12000 пакетов / 25 пакетов.

Протокол UDP не обеспечивает гарантированную доставку пакетов, позволяя избежать ретрансляции неактуальных видеокадров. Групповая / широковещательная адресация Ethernet пакетов общего видеопотока всех абонентов видеоконференции позволяет избежать избыточности информации (при количестве узлов-абонентов больше двух).

8.      При значительном использовании полосы пропускания канала и наличии в сети часто передаваемых небольших пакетов увеличивается вероятность столкновений с мультимедиа пакетами, что приводит к потере видеокадров и ухудшая качество передаваемого видеоизображения. В случае фрагментации одного видео кадра несколькими RTP пакетами вероятность успешной доставки видеокадра ещё более уменьшается, т.к. необходимым условием обеспечения целостности видеокадра является успешная доставка всех составляющих его пакетов RTP. Увеличении количества узлов – абонентов видеоконференции приводит также к снижению качества передаваемых изображений.

 

Литература

1.      1889 RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications. Audio-Video Transport Working Group, H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson. January 1996. (Format: TXT=188544 bytes) (Status: PROPOSED STANDARD).

2.      2032 RTP Payload Format for H.261 Video Streams. T. Turletti, C. Huitema. October 1996. (Format: TXT=27488 bytes) (Status: PROPOSED STANDARD).

3.      2190 RTP Payload Format for H.263 Video Streams. C. Zhu. September 1997. (Format: TXT=26409 bytes) (Status: PROPOSED STANDARD).

4.      Л.И.Абросимов, Д.А.Кочнов “Методика и результаты измерений параметров узлов для моделирования ВС”, стр.46-53; Вестник МЭИ, 2, 1999.