CC BY
11
УДК 519.687
П. Н. Полежаев, преподаватель кафедры компьютерной безопасности и математического обеспечения информационных систем, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» e-mail: newblackpit@mail.ru
Ю. А. Ушаков, кандидат технических наук, доцент кафедры геометрии и компьютерных наук, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» e-mail: unpk@mail.ru
А. Е. Шухман, кандидат педагогических наук, заведующий кафедрой геометрии и компьютерных наук, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» e-mail: shukhman@gmail.com
Н. Ф. Бахарева, профессор, заведующий кафедрой информатики и вычислительной техники, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» e-mail: nadin1956_04@inbox.ru
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ МНОГОАДРЕСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ШИРОКОПОЛОСНОГО МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ТРАФИКА В
СИСТЕМАХ IPTV
Рассмотрена проблема управления и маршрутизации широкополосного мультимедийного трафика, а также проблема снижения качества вещания. В рамках данной статьи предложена схема сетевой инфраструктуры на базе программно-конфигурируемых сетей (ПКС) для IPTV. Формирование оптимального дерева вещания формализуется в виде решения оптимизационной проблемы Штейнера для ориентированного графа сетевой инфраструктуры. Деревья вещания отображаются на сетевую инфраструктуру путем установки правил OpenFlow в таблицы потоков сетевых коммутаторов и маршрутизаторов. При этом протоколы IGMP и PIM заменяются собственным, осуществляется только перехват IGMP-запросов оборудования абонентов. Для контроля качества вещания предлагается в реальном времени выборочно маркировать пакеты уникальными тегами при входе в сеть с помощью OpenFlow, отслеживать качество соответствующего видеопотока и, при необходимости, вносить в него исправления. В будущем планируется исследовать разработанные решения с использованием симулятора сетевой инфраструктуры для многоадресной широкополосной передачи мультимедийного трафика на базе программно-конфигурируемых сетей, а также с использованием реальных экспериментальных установок.
Ключевые слова: программно-конфигурируемые сети, OpenFlow, IPTV, маршрутизация широкополосных многоадресных видеопотоков, анализ качества видеопотоков.
Во всем мире технологии передачи мультимедиа (телевидение, радио, видео по запросу) постепенно смещаются в область цифровых технологий. Самым прогрессивным и наименее затратным способом организовать абонентскую сеть вещания является использование технологий передачи данных по существующим сетям с использованием IP пакетов и соответствующими протоколами высшего уровня. Наиболее распространенной услугой в этой области является IPTV или интерактивное телевидение (IP-телевидение) - технология цифрового телевидения в сетях передачи данных с протоколом IP. В отличие от потокового вещания по протоколу HTTP (например, просмотр видео с сайтов), IPTV работает по принципу многоадресной передачи - распространения одинакового контента на некоторое количество абонентских устройств (телевизоров, TV-приставок).
В настоящее время наблюдается значительный рост потребности со стороны абонентов в услугах IPTV и интерактивных сервисах, однако существует ряд проблем, ограничивающих их распространение. Это проблема управления и маршрутизации
широкополосного мультимедийного трафика, а также снижения качества вещания. Данная статья посвящена их решению.
1. существующие проблемы в области IPTV.
Первой проблемой является управление и маршрутизация широкополосного
мультимедийного трафика. Для одновременного вещания и перекодировки всех каналов требуются значительные ресурсы, поэтому применяется способ начала вещания только по требованию. При этом клиент посылает уведомление о принадлежности к какой-либо группе вещания в сеть (например, выбирает телевизионный канал), запрос доходит до устройства, которое может принять решение о начале вещания или инкапсулировать запрос в IP пакет и перенаправить в другую сеть, где есть устройство для вещания. При начале вещания технология IGMP snooping позволяет вещать поток только на требуемые устройства, однако, способы реализации у каждой версии IGMP разные, как и режимы выбора оптимальной стратегии вещания и маршрутизации таких пакетов (dense mode, sparse mode, sparse-dense mode). Существует три версии
протокола IGMP, в реалиях современных IPTV провайдеров на вход подаются потоки всех трех версий IGMP для разных каналов, и их приходится преобразовывать на серверах вещания в единую версию.
Для работы в произвольных сетях, которые разделены устройствами с маршрутизацией (3 уровень) необходимы другие протоколы, такие как PIM или Multicast OSPF. Он повторяет поведение IGMP в условиях маршрутизации, при этом между маршрутизаторами, предназначенными для передачи многоадресного трафика, настраиваются отношения соседства и IP туннели, в результате чего для каждого конкретного случая строится дерево рассылки. При использовании Dense mode дерево сразу покрывает все возможные направления подобно широковещательной рассылке в пределах одной сети. При работе в других режимах дерево строится, начиная с получателей трафика, и путь
следования пакетов определяется используемым механизмом IGMPv3, например, Source-Based Trees (дерево на основе местоположения источников), Implicit Join (перестроение дерева по уведомлению абонента), Shared Trees (полное дерево с исключением некоторых неоптимальных участков). Однако на большинстве устройств маршрутизации работает только PIM.
При запросе и вещании потока протоколы PIM и IGMP взаимодействуют друг с другом, и каждый из них строит свой маршрут для передачи трафика: IGMP - по настроенным каналам коммутации в соответствии с заложенным режимом работы, PIM - по существующим маршрутам или с использованием протоколов маршрутизации многоадресного трафика, таких, как MOSPF или DVMRP. На рис. 1 показан процесс запроса IGMP, а на рис. 2 - процесс вещания.
Сервер управления
Сервер вещания
Протокол IGMP
Маршрутизаторы
Основной маршрутизатор для IGMP
Коммутаторы
Протопоп Р!М
Протокол IGMP
Запрос на присоединение Рисунок 1. Схема запроса на вещание
Сервер управления Маршрутизаторы
Коммутаторы
Сервер вещания
Протокол ЮМР
Основной маршрутизатор для IGMP
Протокол PIM
Протокол IGMP
Вещание Рисунок 2. Схема вещания
Протокол IGMP, как правило, выбирает один маршрут для запроса и ответа, это связано с отсутствием параллельных маршрутов (колец) на втором уровне в пределах одной виртуальной сети VLAN. Протокол PIM основывается на таблицах маршрутизации, и путь следования пакета может быть разный. Задача согласования между
маршрутизаторами, какой из них будет выполнять какую роль, по каким маршрутам приоритетнее вещать трафик, как минимизировать нагрузку на каналы связи или на маршрутизаторы является крайне сложной и требуется высокая квалификация персонала на любое действие по таким настройкам.
Детерминированность и низкая адаптивность
протокола IGMP, с одной стороны, сложность и нетривиальность настройки протокола PIM (ему сопутствуют более 10 вспомогательных протоколов), с другой стороны, порождает дороговизну внедрения IPTV и низкое качество услуг. Практически не существует технологий простого развертывания вещания многоадресного трафика в гетерогенных сетях, существующее оборудование провайдера не всегда поддерживает ту или иную технологию. Множество коммутаторов уровня доступа, установленные в домах и непосредственно подключенные к абонентам, имеют крайне низкую производительность при работе с многоадресным трафиком, некоторые недорогие устройства уже при пяти потоках перестают обеспечивать качество передачи.
Некоторые услуги, например, «Видео по запросу» требуют одновременного существования одноадресного и многоадресного вещания одного и того же потока, при этом настраивать его необходимо динамически, для чего приходится использовать дополнительное оборудование.
Все это делает услугу IPTV затратной для существующих провайдеров и не гарантирует качество и скорость переключения каналов (присоединения к группам вещания). Основные ограничения возникают из-за закрытости и неизменности архитектуры обработки сетевого трафика традиционным оборудованием.
Другой важной проблемой, связанной с приемом и передачей широкополосного мультимедийного трафика, является снижение качества вещания, связанное с нарушением порядка кадров, пропуском кадров, возникновением артефактов, появлением существенных задержек, увеличением джиттера. Существующие решения достаточно дороги, требуют сложной настройки, в некоторых случаях требуют подключения к нескольким участкам сети или не в состоянии исправить искажения в реальном времени.
2. существующие решения проблем многоадресной передачи мультимедийного трафика.
Проблема перестройки деревьев многоадресной (групповой) передачи в случае возникновения отказов в сети рассматривается в работах [1-6].
В работах Медарда, Ксю и др. [1, 2] предлагается использовать предварительное резервирование за счет вычисления резервных деревьев многоадресной передачи. Данные алгоритмы предполагают централизованные вычисления, но без использования программно-конфигурируемых сетей они не практичны, из-за сложности распределенного отслеживания состояния абонентов группы.
P2MP MPLS (Ясукава [3]) предоставляет механизм быстрого пересчета путей при отказе, но он также не может быть использован в сетях,
где состояние абонентов часто меняется. Это связано с тем, что MPLS устанавливает пути, начиная с отправителей. В статье Ли, Ван [4] предложено улучшение данного алгоритма, за счет эффективного вычисления резервного дерева P2MP, управления пропускной способностью сети и выбора резервных путей. При таком подходе технология P2MP MPLS решает проблему быстрого восстановления при отказах, но по-прежнему не может быть использована в сетях, где состояние абонентов часто меняется.
Медард, Фин и др. [1] предложили алгоритм вычисления избыточных деревьев для вершинно-избыточных и реберно-избыточных графов. Данный алгоритм может быть использован для предварительного резервирования путей многоадресной передачи. В работе Мочизуки, Шимизу и др. [5] представлен схожий алгоритм, который в отличие от предыдущего также минимизирует количество дуг, из которых состоят деревья. Авторы заявляют о необходимости централизованных вычислений для описанных алгоритмов, но не применяют технологию программно-конфигурируемых сетей.
В работе Котани, Сузуки и др. [6] программно-конфигурируемые сети используются для решения проблемы быстрой перестройки деревьев многоадресной передачи с минимальными потерями пакетов в случае возникновения отказов в сети. Авторы решают данную задачу путем создания для каждой группы двух деревьев - основного и резервного, не имеющих пересечений или имеющих минимальное количество пересечений.
Проблема снижения задержек обработки групповых событий (добавление абонентов в группу многоадресной передачи, удаление абонентов, изменение источника), которые могут составлять порядка нескольких секунд, детально рассмотрена Ким, Лю и др. в [7]. Она решается в статьях [8-10].
Кешав, Пол в статье [8] предлагают заблаговременно вычислять все возможные пути передачи данных от источника ко всем хостам с помощью алгоритма Прима, при этом в качестве веса каждой сетевой связи берется расстояние от узла-источника. Данный алгоритм требует централизованных вычислений, однако без применения технологии программно-конфигурируемых сетей он непрактичен.
В работе Ратнасами, Ермолински и др. [9] предлагается использовать одноадресные пути для распространения многоадресных пакетов, формирующих наложенную сеть (overlay network). Авторы описывают данное решение на программном уровне без использования соответствующих сетевых средств.
Использование протокола MPLS для управления многоадресным трафиком описывается в статье Мартинез-Елмо, Ларабейти и др. [10],
однако предложенный авторами подход имеет ограниченную масштабируемость и не обладает гибкостью, свойственной программно-конфигурируемым сетям.
3. предложенные решения для IPTV на базе
программно-конфигурируемых сетей.
Предлагаемый вариант схемы сетевой инфраструктуры на базе программно-конфигурируемых сетей (Полежаев и др. [11-13]) для IPTV представлен на рис. 3.
Рисунок 3. Схема распределения вещания потоков
Она состоит из системы доступа в Интернет, ПКС маршрутизаторов уровня распределения, ПКС коммутаторов уровня доступа и сетей абонентов. Источники видеопотоков расположены в Интернете, также потоки могут приниматься со спутника. Конверторы видеопотоков переводят их в единый формат, т.к. очень часто разные источники используют разные форматы. Вещатели видеопотоков служат их источниками в сетевой инфраструктуре.
Контроллер ПКС должен содержать модули, реализующие: алгоритм маршрутизации многоадресного широкополосного
мультимедийного трафика на базе ПКС, алгоритм сбора информации о топологии и состоянии ПКС, алгоритм сопряжения традиционных протоколов многоадресной коммутации и маршрутизации с алгоритмами маршрутизации многоадресного широкополосного мультимедийного трафика на базе ПКС. Отдельным модулем выступает анализатор качества широкополосного мультимедийного трафика на базе ПКС.
Следует отдельно заметить, что контроллер также содержит модуль для одноадресной маршрутизации и обеспечения QoS для ПКС, используемый для вспомогательных данных, видеопотоков между граничным шлюзом, конверторами и вещателями. Алгоритм работы данного модуля и сам модуль были разработаны ранее и представлены в публикации Полежаева, Ушакова и др. [14].
Сеть абонента может включать различное оборудование, в том числе маршрутизаторы, точки доступа, приставки и телевизоры.
При использовании технологии ПКС становится возможным перехватывать запрос на подключение к группе многоадресного вещания непосредственно на первом управляемом коммутаторе и устанавливать оптимальный маршрут передачи для каждого конкретного потока в динамическом режиме с учетом загруженности каналов и оборудования. При этом возможно использование произвольного количества параллельных маршрутов и нет необходимости в использовании и настройке протоколов PIM. Маршрут, установленный один раз, не требует вмешательства контроллера для своей работы, контроллер используется только для эмуляции работы IGMP в сторону клиента на конечном коммутаторе. В случае если клиентское оборудование имеет поддержку ПКС, то отсутствует необходимость эмулировать IGMP, т.к. имеется возможность использования ПКС на клиентском оборудовании.
Совокупность всех маршрутов передачи данных от вещателя к абонентам группы образует дерево вещания. Формирование оптимального дерева вещания может быть формализовано в виде решения оптимизационной проблемы Штейнера для ориентированного графа сетевой инфраструктуры. Инфраструктура передачи широкополосного мультимедийного трафика может быть представлена в виде ориентированного
графа, вершинами которого являются сервера, коммутаторы, маршрутизаторы, оборудование клиентов, а дугами - сетевые связи между ними. Веса дуг - остаточные пропускные способности и текущие задержки на портах. Известны вершина-источник многоадресного потока и вершины-получатели. Необходимо построить такое ориентированное дерево, чтобы каждая вершина-получатель была достижима из вершины-источника, при этом оптимизируется некоторая целевая функция, отражающая удовлетворение требований к качеству обслуживания QoS потоков, к качеству восприятия QoE.
Данная задача в общем случае является МР-полной, для ее решения могут быть использованы методы искусственного интеллекта, включая муравьиный и генетический алгоритмы.
Для найденного субоптимального дерева вещания с помощью ПКС и протокола OpenFlow в таблицы потоков коммутаторов устанавливаются соответствующие правила многоадресной передачи видеопотоков. В случае если новый абонент подключается к существующему вещанию, то дерево быстро перестраивается, при этом в таблицы коммутаторов добавляются правила для новых
маршрутов, затем удаляются старые правила. Коммутаторы, к которым подключено оборудование абонентов, исключают возможные дублирующиеся пакеты, поэтому перестроение дерева не сказывается на конечных абонентах. Перестроение дерева также происходит в случае отказа сетевого оборудования или сетевых соединений.
Каждый новый канал вещания будет передаваться по наиболее эффективному маршруту с учетом множества факторов. При наличии в маршруте управляемых коммутаторов OpenFlow до уровня доступа, возможно динамическое отслеживание и обеспечение не только QoS (качество сервиса), но и QoE (качество восприятия) - интегральной оценки качества работы мультимедиа потоков. При последовательном анализе статистики конкретного потока возможно определение источника возникновения проблем до того, как он повлияет на качество передачи, и динамическое изменение маршрутов передачи видеопотоков.
Удаленное отслеживание трафика в конкретной точке сети позволит удаленно подключать сетевой анализатор качества или генерировать поток непосредственно в удаленной точке на произвольном коммутаторе (рис. 4).
Рисунок 4. Исправление порядка следования пакетов в потоке
Предлагается в реальном времени выборочно маркировать пакеты уникальными тегами при входе в сеть с помощью механизма перезаписи заголовков OpenFlow. Затем, во время нахождения пакета в очереди вещателя или конвертора анализатор качества проверяет необходимость внесения исправлений в видеопоток (например, перестановки пакетов местами, удаления
искаженных пактов) и посылает команду в очередь конвертора (задержка не более 1 секунды) или на коммутатор непосредственно после вещателя потока. При необходимости анализатор также может изменять параметры вещания.
4. предполагаемый эффект от применения разрабатываемых методов.
Предлагаемые методы позволят улучшить
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
следующие характеристики широкополосной передачи мультимедийных потоков данных:
а) Снижение времени отклика при переключении каналов или включении устройства приема. В существующих решениях задержки доходят до 3-х секунд и сильно зависят от топологии и количества последовательных маршрутизаторов до источника сигнала - каждый коммутатор и маршрутизатор добавляет некоторую задержку при использовании PIM.
б) Уменьшение времени реакции на негативные изменения в сети, влияющие на качество потока (возникновение сетевой проблемы, снижение качества потока у клиента). В существующих решениях нет возможности отслеживать качество потока в произвольной точки сети по требованию, а при нарушениях связности или перегрузках сегментов сети время реакции начинается от 5 секунд при использовании протоколов EIGRP и OSPF.
в) Увеличение нагрузочной способности по обработке многоадресных потоков при использовании ПКС по сравнению с существующими протоколами. Действительно, при использовании OpenFlow скорость обработки одноадресных и многоадресных потоков приблизительно одинаковая. В традиционных коммутаторах этот показатель ниже (до 50%).
г) Устранение проблемы переполнения буфера. Многие коммутаторы (особенно бюджетные, стоящие у абонентов) имеют проблемы переполнения буфера приема при работе с многоадресными пакетами. При использовании ПКС эта проблема не возникает по причине отсутствия задержки обработки пакета, при необходимости принять решение об интерфейсах рассылки - все пути прописаны заранее.
д) Увеличение коэффициента распределения нагрузки (количество параллельных альтернативных маршрутов). При использовании традиционных средств у маршрутизаторов этот показатель ограничен пятью, при использовании ПКС этот показатель не ограничен сверху, количество возможных активных маршрутов соответствует общему количеству возможных параллельных маршрутов.
г) Снижение задержки перестроения путей передачи данных при возникновении отказов. В случае отказа сетевой связи, коммутатора
или маршрутизатора, маршруты проходящих через них потоков данных должны динамически перестраиваться.
5. Выводы
Рассмотрена проблема управления и маршрутизацииширокополосногомультимедийного трафика, а также проблема снижения качества вещания. Анализ существующих публикаций показал отсутствие их решения в полном объеме.
В рамках данной статьи предложена схема сетевой инфраструктуры на базе ПКС для IPTV. Формирование оптимального дерева вещания формализуется в виде решения оптимизационной проблемы Штейнера для ориентированного графа сетевой инфраструктуры. Деревья вещания отображаются на сетевую инфраструктуру путем установки правил OpenFlow в таблицы потоков сетевых коммутаторов и маршрутизаторов. При этом протоколы IGMP и PIM заменяются собственным, осуществляется только перехват IGMP-запросов оборудования абонентов. Перестроение дерева происходит в случае отказа сетевого оборудования, сетевых соединений или при необходимости оптимизации передачи при подключении новых абонентов.
Для контроля качества вещания предлагается в реальном времени выборочно маркировать пакеты уникальными тегами при входе в сеть с помощью OpenFlow, отслеживать качество соответствующего видеопотока и, при необходимости, вносить в него исправления.
В будущем планируется исследовать разработанные решения с использованием симулятора сетевой инфраструктуры для многоадресной широкополосной передачи мультимедийного трафика на базе программно-конфигурируемых сетей, а также с использованием реальных экспериментальных установок. Такой подход позволит еще на этапе теоретических исследований с помощью симулятора выполнить оценку эффективности разрабатываемых алгоритмов маршрутизации многоадресного широкополосного мультимедийного трафика и алгоритмов анализа на базе программно-конфигурируемых сетей.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты №14-07-97034 и №15-07-06071), Президента Российской Федерации, стипендии для молодых ученых и аспирантов (СП-2179.2015.5).
Литература
1. Medard, M. Redundant trees for preplanned recovery in arbitrary vertex-redundant or edgeredundant graphs / M.Medard, S. G. Finn, R. A. Barry // IEEE/ACM Trans. - 1999. -Netw, vol. 7. - pp. 641-652.
2. Xue, G. Quality-of-service and quality-of-protection issues in preplanned recovery schemes using redundant trees / G. Xue, L. Chen, K. Thulasiraman // Selected Areas in Communications, IEEE Journal on. - 2003. - vol. 21, no. 8, pp. 1332 - 1345.
3. Yasukawa, S. Signaling Requirements for Point-to-Multipoint Traffic-Engineered MPLS Label Switched Paths (LSPs) [Электронный ресурс] / S. Yasukawa // RFC 4461 (Informational), Internet Engineering Task Force. -
Электрон.дан. - 2006. Режим доступа: http://www.ietf.org/rfc/rfc4461.txt. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 14.08.2014)
4. Li, G. Efficient distributed mpls p2mp fast reroute / G. Li, D. Wang, and R. Doverspike // 25th IEEE International Conference on Computer Communications. - 2006. - pp. 1 -11.
5. Mochizuki, K. Cam05-3: Multicast tree algorithm minimizing the number of fast reroute protection links for p2mp-te networks / K. Mochizuki, M. Shimizu, S. Yasukawa // Global Telecommunications Conference. - 2006. - pp. 1 -5.
6. Kotani, D. A design and implementation of OpenFlow Controller handling IP multicast with Fast Tree Switching / D. Kotani, K. Suzuki, H. Shimonishi // Proceedings of 2012 IEEE/IPSJ 12th International Symposium on Applications and the Internet. - С. 60-67. - DOI 10.1109/SAINT.2012.17. - Индексировано в Scopus. - Режим доступа: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6305261. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 15.08.2014)
7. KIM, E. Design and Implementation for Reducing Zapping Time Of IPTV Over Overlay Network / E.Kim, J.Liu, B.Rhee, S.Cho, H.Kim, S.Han // International Conference On Mobile Technology, Application and Systems. - New York, 2009. - p. 1-7.
8. Keshav, S. Centralized multicast / S. Keshav, S.Paul // Proceedings of the Seventh Annual International Conference on Network Protocols/ -Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 1999. - pp. 59.
9. Ratnasamy , S. Revisiting ip multicast / S. Ratnasamy, A. Ermolinskiy, S. Shenker // SIGCOMM Comput. Commun. Rev. - vol. 36. - 2006. - pp. 15-26.
10. Martinez-Yelmo , I. Multicast traffic aggregation in mpls-based vpn networks / I. Martinez-Yelmo, D. Larrabeiti, I. Soto, and P. Pacyna // Communications Magazine, IEEE. - vol. 45, no. 10. - 2007. - pp. 78 -85
11. Konnov A.L., Legashev L.V., Polezhaev P.N., Shukhman A.E. Concept of Cloud Educational Resource Datacenters for Remote Access to Software // Proceedings of 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV), Polytechnic of Porto (ISEP) in Porto, Portugal from 26-28 February 2014 -2014 - pp-246-247.
12. Polezhaev P., Shukhman A., Ushakov Yu. Network Resource Control System for HPC based on SDN // Proceedings of 14th International Conference, NEW2AN 2014 and 7th Conference ruSMART 2014, St. Petersburg, Russia. Lecture Notes in Computer Science. - vol. 8638. - PP. 219-230.
13. Polezhaev P., Shukhman A., Konnov A. Development of educational resource datacenters based on software defined networks // Proceedings of 2014 International Science and Technology Conference "Modern Networking Technologies (MoNeTec)", Moscow, Russia, 2014. - PP. 133-139.
14. Полежаев П.Н., Ушаков Ю.А., Поляк Р.И., Миронов А.П. Применение методов муравьиной колонии в разработке эффективных алгоритмов маршрутизации и обеспечения QoS для корпоративных программно-конфигурируемых сетей // Интеллект. Инновации. Инвестиции, 2014. - №4, C. 106-113.
