CC BY
113
Разработка экспериментальной платформы для исследования качества восприятия (QoE) услуг потоковой передачи видео
Согласно последним данным социологических опросов все большее число пользователей сети Интернет отдают предпочтение видеоуслугам OTT (Over-The-Top), нежели чем пользованию IP TV. В предыдущей статье было показано[1], что является условиями и причинами данного тренда: в текущих условиях развития инфраструктуры сети передачи данных пользователь соглашается на компромисс между качеством и удобством получения контента. В этих условиях первоочередной задачей становится оценка качества восприятия QoE пользователем видео изображения при различном характере возникающих искажений (остановки кадра, искажения и т. п.). Приводится описание экспериментальной платформы для исследования качества восприятия QoE для услуг потоковой передачи видеофайлов. Подробно рассматривается функциональная схема платформы, как в аппаратной части, так и по составу программных средств, реализующих основные технологии стриминга (pseudo HTTP-streaming, HDS, RTMP). Приводится список параметров QoS, позволяющих изменять условия передачи в широком диапазоне. Предлагаемая платформа мо-Кпючввыв аюкс ОТТ, вжимосвяы жет быть использована для получения зависимости качества восприятия QoE от сетевых параме-
QoS QoE, моделирование QoE. тров качества обслуживания QoS.
Деарт В.Ю., Кожухов И.С., Пилюгин А.В. Введение
Предоставление доступа к видеоматериалам поверх услуги доступа в Интернет (OTT) все больше набирает популярность последнее время, вытесняя с рынка видео услуг традиционное IPTV К концу 2012 г. согласно отчетам аналитиков число подключенньх к IPTV домохозяйств в России достигло двух миллионов [2], в то время как на начало 2012 г. аудитория Интернета в России превысила 70 млн. человек [3], из которых, согласно статистике, половина ежемесячно просматривает видеоматериалы на хостинге YouTube [4]. Кроме YouTube среди пользователей также популярны видеохостинги RuTube и Vimeo, значительное число видеоматериалов размещено в социальной сети "В контакте". Все перечисленные сайты предоставляют пользователям видеоматериалы по запросу, не гарантируя ни качество видео, ни скорость передачи, работая по принципу "as is" — это классический пример организации видеосервиса согласно концепции OTT. Таким образом, видеоуслуги поверх негарантированного доступа в Интернет—это не специфическая инновационная услуга, это неотъемлемая часть повседневного посещения сети Интернет большинства пользователей.
Появление концепции OTT связано, в первую очередь, с увеличением пропускных способностей каналов и, соответственно, расширением возможностей пользователей смотреть видео материалы через "негарантированный" Интернет. Кроме того, восприятие информации пользователем и желанием поучаствовать в наполнение всемирной сети своим собственным видео, развивает и укрепляет позиции таких сайтов, как YouTube и "В контакте". С точки зрения провайдера, OTT — это отличная возможность сократить инвестиции в инфраструктуру и, в то же время, расширить абонентскую базу. Для провайдера концепция OTT позволяет не только не задумываться об обеспечении передачи многоадресного трафика до порта подключения пользователя, но и не беспокоится о географическом положении пользователя: поскольку не требуется обеспечивать соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement) и не требуется контролировать весь участок сети от пользователя до видеосервера. С этой точки зрения продвижение OTT наиболее выгод-
но именно провайдерам связи, которые сокращают свои расходы и начинают "бороться" за клиентов глобальной сети с помощью расширения контента (списка видео-материалов и теле-каналов).
Но, несмотря на все преимущества и высокие темпы роста, концепция OTT имеет ряд нерешенньх на данный момент проблем, которые препятствуют повсеместному внедрению OTT в мире. В-первую очередь, это проблема обеспечения высокого уровня качества восприятия видеоматериала пользователем. Следует отметить, что восприятие качества видеоматериала, зависит не только от качества видеоизображения, но и от ряда других параметров [1], например: ожидания пользователя, предыдущий опыт пользователя, скорости переключения между каналами, задержки между видеоматериалом и реальным временем (для трансляций в реальном масштабе времени) и т. п. Второй существенной проблемой внедрения OTT для провайдеров является защита прав интеллектуальной собственности на предоставляемый цифровой материал. В случае с IPTV, когда рамки предоставления материала жестко ограничивались подконтрольной провайдеру сетью передачи данных, следить за соблюдением пользователем прав на интеллектуальную собственность провайдеру не составляло большого труда. В случае же с OTT, видеоматериалы передаются пользователю через открытую сеть Интернет, и защита видеоматериала становится первостепенной задачей для провайдера.
Сравнение существующих методов оценки качества восприятия
Проблема оценки восприятия пользователем какого-либо сервиса или услуги является очень важной, поскольку, в конечном счете, именно воспринимаемое качество влияет на решение пользователя о продолжении пользования услугой, но, с другой стороны, и очень сложной, поскольку зависит от большого числа объективных и субъективных факторов. В случае с услугой доступа к видеоматериалам, размещенным в сети Интернет, стохастический характер реакции пользователя лишь усугубляется. Важно представлять насколько пользователь "опытен" в получении такой услуги, и каковы его ожидания от услуги на данный момент. Например, при просмотре записи на YouTube и соблюдении норм Y1541 [4] на задержку, джиттер
и процент потерянных пакетов для класса трафика 0, пользователь может остаться недоволен, поскольку видео будет транслироваться хоть в реальном масштабе времени, но в очень низком разрешении. И, с точки зрения пользователя, будет лучше переключить разрешение на более высокое, подождать полной загрузки записи в течение нескольких минут и посмотреть запись целиком. Хотя в этом случае, нормы на задержку согласно Y1541 будут превышены во много раз даже для трафика класса 5. В случае же со спортивной трансляцией пользователь может быть готов "пожертвовать" качеством ради просмотра видео материала в прямом эфире.
Оценку качества восприятия в современной науке принято осуществлять двумя методами: QoS-ориентированными и QoE-ориентированными. В первом случае, оценка аппроксимируется на базе функции параметров QoS и представляется как достоверная. Во втором — проводится социологический опрос пользователей, и оценка качества выставляется на основе обработки результатов социологического опроса. Оба подхода имеют ряд недостатков: в случае с QoS-ориентированными методами нельзя достоверно оценить восприятие пользователем и пользовательскую реакцию в вырожденных случаях, в случае с QoE-ориентированными методами исчезает гибкость, требуется постоянная корректировка результатов социологического исследования, невозможно осуществить автоматизацию получения оценки.
Описание экспериментального стенда для исследования качества восприятия видео услуги
Для решения комплексной задачи получения оценки качества восприятия пользователем видео услуг в OTT было предложено использовать гибридный метод, основанный на положительных сторонах QoS и QoE подходов. Для реализации данного метода был разработан экспериментальный стенд, схематично изображенный на рис. 1.
Для построения адекватной модели комплекса, предоставляющего доступ к видеоматериалам по концепции OTT, необходимо предусмотреть аппаратную часть, программную составляющую и промежуточное сетевое окружение между источником трафика и потребителями.
К аппаратной составляющей стенда применяются требования по производительности и показательности. Стенд имитирует реальную платформу предоставления сервиса, при этом следует учитывать, что надежность и безотказность работы стенда необязательно должны соответствовать идентичным показателям реальной плат-
РИс. 1. Схема экспериментального стенда оценки качества восприятия видеоуслуг OTT
формы. Производительность стенда также может быть значительно ниже производительности реальной системы, но при этом должно соблюдаться условие, что аппаратная платформа стенда обеспечивает эквивалентную производительность на одного пользователя, что и аппаратная платформа реальной системы.
С целью создания универсальной и трансформируемой платформы стенда по результатам анализа возможных конфигураций было установлено, что оптимальным решением является использование высокопроизводительного сервера (хост-сервер), как основы для виртуальных машин, на базе которых будут развернуты функциональные серверы комплекса. В качестве аппаратной платформы для хост-сервера модельного стенда предложено использовать сервер со следующими техническими характеристиками:
• процессор: два процессора Intel Xeon E5-2620 2,0 ГГц;
• оперативное запоминающее устройство: 256 Гб;
• энергонезависимое магнитное запоминающее устройство: восемь жестких дисков SAS 3,0 Тб;
• сетевой интерфейс: два интерфейса Ethernet 1 Гбит/с.
Клиентские рабочие места могут быть оптимизированы для воспроизведения видеоматериалов или быть универсальными персональными компьютерами. Для клиентских рабочих мест обязательным является только наличие достаточной пропускной способности и производительности для воспроизведения видеофайлов в разрешении 1920x1080 пикселей с частотой 30 кадров в секунду в формате MPEG-4.
Веб-прокси сервер имеет ряд виртуальных интерфейсов для каждого клиента, с целью управлять характеристиками QoS персонально.
В рамках хост-сервера виртуальных машин сетевой трафик передается без искажений и с минимальными постоянными задержками, очереди создаются только в операционных системах функциональных машин и могут быть увеличены на период моделирования.
Подключение пользовательских терминалов к стенду происходит через веб-прокси и внешний интерфейс хост-сервера. Хост-сервер подключён двумя высокоскоростными интерфейсами Ethernet 1 Гбит/с к коммутатору. К коммутатору также подключены! и пользовательские терминалы! с интерфейсами Ethernet 100 Мбит/с. Таким образом, при условии достаточности производительности коммутатора по обработке трафика, такая схема подключения гарантирует отсутствие "узких" мест в сети передачи данных между сервером и клиентом.
В задачи аппаратного хост-сервера входит обеспечение необходимой производительности для всех виртуальных функциональных серверов, реализующих услугу предоставления видеоматериала. Аппаратная платформа предоставляет общий пул оперативной памяти и дисковый массив для хранения большого объема информации, а также процессорные ядра (включая виртуальные) для обработки информации. Программное обеспечение, распределяющее аппаратные ресурсы хост-сервера и контролирующее виртуальные машины, называется гипервизор (hypervisor).
Основная задача гипервизора обеспечить интерфейс между виртуальными машинами серверов (в общем случае возможны другие варианты функционального назначения виртуальных машин) и аппаратной платформой. В некоторой степени, гипервизор является специализированной операционной системой для обслуживания виртуальных машин. В качестве гипервизора для стенда был выбран гипервизор VMware vSphere Hypervisor [6].
Для целей моделирования на стенде создаются три виртуальные машины для размещения следующих компонент:
• виртуальная машина 1 — веб-прокси сервер;
• виртуальная машина 2 — веб-сервер;
• виртуальная машина 3 — стример-сервер.
Все три виртуальные машины оснащаются операционными системами, предназначенными для поддержки работы специализированного программного обеспечения. Виртуальные машины 1 и 2 оснащаются операционной системой Ubuntu (64-bit), виртуальная машина 3 оснащается операционной системой Windows Server 2008 R2 Standard (64-bit).
Дополнительно к операционной системе Ubuntu на виртуальную машину 2 устанавливается программное обеспечение — веб-сервер Apache, для предоставления доступа к файлам по протоколу HTTR Веб-сервер настраивается таким образом, чтобы предоставить пользователю веб-интерфейс (веб-страницу) выбора режимов просмотра видеоматериалов. Выбор качества просматриваемого видео материала осуществляется пользователем на начальной странице. В случае необходимости функционал медиа-портала может быть расширен за счёт установки дополнительных средств работы с данными, например, интеграции с базой данных или генерации динамического содержания страниц.
В качестве тестовых образцов видеоматериалов используется два видеоролика продолжительностью 10 минут. Содержание первого ролика, в основном, статичные сцены с небольшим количеством движения, без частых изменений общего плана. Второй ролик является фрагментом трансляции спортивной игры с большим количеством динамичных объектов и частыми сменами планов.
Оба ролика закодированы видеокодеком H.264 AVC с переменным битрейтом (VBR) в формате MPEG-4; в качестве аудиокодека применяется AAC с переменным битрейтом. Сводные характеристики файлов указаны в табл. 1, где средняя величина битрейта рассчитана по всей продолжительности видеофайла.
Проигрывание видеофайлов происходит на тестовых веб-страницах с помощью JW Player [7] и, установленного на терминалах пользователя, Flash плагина. Flash плагин встраивается в веб-браузер пользователя для воспроизведения Flash-анимации. В случае с вещанием или трансляцией видеофайлов, веб-страница содержит специализированный интерпретатор-интерфейс между сервером вещания видеоматериалов и Flash плагином пользовательского браузера.
Псевдо-потоковое вещание (pseudo HTTP-streaming) организуется на стенде при помощи веб-сервера Apache с дополнительным модулем h.264_streaming, который управляет прогрессивной загруз-
кой видеофайла. Данный модуль позволяет в режиме реального времени принимать от пользователя запросы на загрузку файла с указанием сдвига от начального байта данных, таким образом осуществляется управление моментом просмотра видеоматериала.
Для воспроизведения видеофайлов в динамическом режиме (HDS) в стенде используется программное обеспечение Adobe Flash Media Server [8], настроенное соответствующим образом для проигрывания файлов из локального каталога сервера.
В реальной сети передачи данных на параметры передачи трафика такие, как задержка, джиттер и процент потерь, влияют, в большинстве своем, очереди обслуживающих устройств (маршрутизаторов). На стенде воспроизводятся идеальные условия передачи трафика с целью снизить влияние стендового оборудования на результаты эксперимента. При этом добавляется специализированное программное обеспечение, интегрированное в ядро Linux — netem (NETwork EMulator) [9], предлагающее напрямую управлять очередью обработки трафика на интерфейсе.
Для каждого пользователя выделяются виртуальные тоннели (интерфейсы) таким образом, чтобы функционирование netem на одном интерфейсе не влияло на результаты тестов на другом интерфейсе.
Функциональные возможности netem позволяют управлять следующими параметрами:
• задержка IP-пакетов;
• вариация задержки IP-пакетов (джиттер);
• процент потерь IP-пакетов;
• процент дублирования IP-пакетов;
• процент искажения IP-пакетов (искажения, не подлежащие восстановлению);
• порядок передачи IP-пакетов.
Кроме того, netem позволяет использовать стохастические распределения (нормальное, Парето, равномерное и т. д.) для случайных величин. При необходимости средствами netem может быть изменена стандартная дисциплина обслуживания очереди FIFO на RED, CBQ и т. п.
При помощи данного стенда можно симулировать большинство вариаций предоставления услуги доступа к видео материалам, учитывая, что Flash Media Server позволяет использовать в качестве источника видеоинформации трансляцию с устройства видео захвата
Таблица 1
Ключевые характеристики видеофайлов
Название файла (*.тр4)
1_320р 1_480 1_720р 1_1080р 2_320р 2_480р 2_720р 2_1080р
Продолжительность, с 599 599 599 599 599 599 599 599
Видео Тип битрейта VBR VBR VBR VBR VBR VBR VBR VBR
Средний битрейт, Кбит/с 485 733 1049 3808 512 768 1200 4000
Частота кадров в секунду 23,976 23,976 23,976 23,976 23,976 23,976 23,976 23,976
Разрешение изображения (ШхВ), пиксели 352x240 720x480 1280x720 1920x1080 352x240 720x480 1280x720 1920x1080
Соотношение 16:9 16:9 16:9 16:9 16:9 16:9 16:9 16:10
Аудио Битрейт, Кбит/с 128 128 128 128 128 128 128 128
Количество каналов 2 2 2 2 2 2 2 2
Частота дискретизации, кГц 44,1 44,1 44,1 44,1 44,1 44,1 44,1 44,1
Размер файла, Мб 44 62 85 281 46 65 96 296
(видеокамеры) в реальном масштабе времени. Таким образом, на базе стенда можно получить экспертную оценку качества восприятия видео в широком диапазоне динамически изменяющихся QoS-характеристик, которые находятся под контролем оператора стенда. В дальнейшем планируется продолжить исследование в области получения функции соответствия QoS-характеристик и QoE-оценки с учётом ряда сторонних факторов.
Выводы и последующая работа
Эксперименты на разработанном стенде позволяют оценить восприятие пользователями качества QoE видео услуг при фиксированных значениях сетевых параметров QoS, и, тем самым, дают возможность провайдерам определить критерии качества предоставления современных услуг по концепции OTT. Возможности стенда охватывают все наиболее популярные на данный момент технологии вещания и предоставления доступа к файлам, кроме того моделируются характеристики качества обслуживания трафика в широком диапазоне с возможностью динамического изменения в ходе эксперимента.
В дальнейшем планируется произвести ряд измерений значимых параметров QoS трафика услуги доступа к видеоматериалам на реальной сети и совместить результаты измерений с экспертными оценками, полученными на разработанном стенде. Это позволит
получить корреляционную зависимость качества восприятия QoE от параметров QoS передачи видеотрафика.
Литература
1. Деарт В.Ю., Кожухов И.С. Исследование параметров качества обслуживания (QoS), определяющих качество восприятия пользователем (QoE) потокового видео при передаче через Интернет // T-Comm — Телекоммуникации и транспорт, 2013. — №7. — С. 28-31.
2. J'son & Partners Consulting: "Российский рынок платного телевидения по итогам 2012 г. и прогнозы его развития до 2017 г." (http://mskit.ru/ analytics/a137629/03.03.2013).
3. Количество пользователей Интернета в России. (http://www.bizhit.ru/index/users_count/0-151 , 03.03.2012).
4. Сеть "В контакте" лидирует по видеопросмотрам. (http://www.vedo-mosti.ru/tech/news/6553571/3_mln_let_v_kontakte, 03.03.2013).
5. Рекомендация МСЭ-Т Y1541. Network performance objectives for IP-based services.
6. VMware vSphere Hypervisor (http://www.vmware.com/products/ vsphere-hypervisor/overview.html, 03.03.2013).
7. JW player (http://www.longtailvdeo.com/iw-player/, 03.03.2013).
8. Adobe Flash Media Server family (http://www.adobe.com/products/ adobe-media-server-family.html, 03.03.2013).
9. Netem (http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/ nelworking/netem, 03.03.2013).
Experimental Platform for QoE research of streaming video services V.Deart, I.Kozhuhov, A. Pilugin
Abstract
According to the latest data from sociological surveys a more and more Internet users prefer OTT video services (Over-The-Top), rather than use traditional IP TV In a previous article it was shown the conditions and causes of this trend. Modern networks offer to users trade-off between quality and convenience of getting content. In these circumstances, the primary task is assessing the perceiving quality by the user (QoE) and describing the main crucial factors (drops of frames, distortion etc.). The paper describes an experimental platform for research quality of experience for video streaming services. The functional diagram of the platform had been described including the hardware and software on the composition for streaming videos over the Internet (pseudo HTTP-streaming, HDS, RTMP). Key QoS parameters also had been described to qualify the proposed platform for trustworthy QoE assessment in variable network conditions.
Keywords: OTT, QoS QoE correlation, QoE simulation.
