PŘENOS SIGNALIZACE PRO INTERNETOVOU TELEVIZI

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS PŘENOS SIGNALIZACE PRO INTERNETOVOU TELEVIZI SIGNALLING TRANSMISSION FOR INTERNET TELEVISION DIZERTAČNÍ PRÁCE DOCTORAL THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. RADIM BURGET doc. Ing. DAN KOMOSNÝ, Ph.D. BRNO 2010

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Dizertační práce doktorský studijní obor Teleinformatika Student: Ing. Radim Burget ID: Ročník: 1 Akademický rok: 2009/2010 NÁZEV TÉMATU: Přenos signalizace pro internetovou televizi POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: DOPORUČENÁ LITERATURA: Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: doc. Ing. Dan Komosný, Ph.D. prof. RNDr. Vladimír Aubrecht, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor dizertační práce nesmí při vytváření dizertační práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

3 ABSTRAKT Signalizace v sítích pracujících s internetovým protokolem (IP) je používána pro monitorování a řízení činnosti sítě. Tato práce se zabývá přenosem signalizace skrze IP sítě pro velké skupiny komunikujících prvků a navrhuje škálovatelné řešení, jak pro malá, tak pro velká vysílání internetových televize(iptv). Hlavní přínos práce spočívá v návrhu algoritmů pro ustavení optimálního hierarchického stromu na základě dostupných zdrojů a s ohledem na geografickou a virtuální polohu jednotlivých stanic. Pro účely optimalizace byly použity jak simulace s parametry globální experimentální sítě Planetlab, tak byly navržené algoritmy a protokoly nasazeny do reálného provozu v této síti. KLÍČOVÁ SLOVA IPTV, signalizace, RTCP, RTP, Hierarchická agregace, síťové souřadnicové systémy ABSTRACT A signalization in an Internet protocol environment is commonly used for monitoring quality of service and other parameters of a network. This thesis is involved in transmission of signalization through internet protocol networks and proposes scalable solution for small and even for large-scale internet television broadcasting. The main contribution of this thesis lies in design and validation of optimal hierarchical tree on the basis of resources assigned. This is done in respect to geographical distance, network distance of each particular member of the hierarchical structure. For the design of algorithms simulations and global experimental network were used. KEYWORDS IPTV, signalling, RTCP, RTP, hierarchical aggregation, network coordinating systems

4 Bibliografická citace: BURGET R. PŘENOS SIGNALIZACE PRO INTERNETOVOU TELEVIZI. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Počet stran s Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Dan Komosný, Ph.D.

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou dizertační práci na téma PŘENOS SIGNALIZACE PRO INTERNETOVOU TELEVIZI jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího dizertační práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené dizertační práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této dizertační práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. VBrnědne (podpis autora)

6 Děkuji vedoucímu disertační práce Doc. Ing. Danu Komosnému, Ph.D. a Prof. Ing. Zdeňkovi Smékalovi, CSc. za užitečné rady a pomoc při vypracování disertační práce.

7 SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK R přijímač S vysílač FT cíl zpětné vazby RFT kořenový FT FTM správce FT stanic LM poziční bod(z anglického landmark) RR zpráva přijímače(ang. Receiver Report) posílaná od R směrem k FT SR zpráva vysílače(z ang. Sender Report) RSI zpráva FT(ang. Receiver Summary Information) informující o stavu v podsíti Is Alive zpráva posílaná periodicky za účelem monitorování funkčnosti stanice FTD zpráva Feedback Target Definition sloužící pro definici role v hierarchickém stromu FTR zpráva Feedback Target Registration sloužící pro registraci stanic v hierarchickém stromu FTI zpráva Feedback Target Information sloužící pro informování stanice FTM od ostatních stanic FT FTS zpráva Feedback Target Specification sloužící pro popis podoby hierarchického stromu n R n FT početpřijímačů početvšechcílůzpětnévazby n FT (h) početcílůzpětnévazbyvh-tévrstvěhierarchickéhostromu,počítánood kořenestromu h = 0 T RR periodavysílánírrzprávpřijímačem T SR PeriodavysíláníSRzprávvysílačem T RSI periodavysílánírsizprávodft

8 B šířka pásma vyhrazená pro vysílání RTP i RTCP(audio či video) B RTCP šířkapásmavyhrazenáprokanálrtcp B RR šířkapásmavyhrazenáproposílánírrzpráv B RSI šířkapásmavyhrazenáproposílánírsizpráv B TTP šířkapásmavyhrazenáproprotokolttp RTP Real-Time Transport Protocol[73] RTCP Real-Time Control Protocol[73] F F A F P FA l množina všech FT množinavšechaktivníchft množinavšechpasivníchft množinavšechaktivníchftvl-tévrstvěhierarchickéhostromu L RR délkapaketurr L RSI délkapaketursi TTP Tree Transmission Protocol LAN Z anglického Local Area Network, představuje síť lokálního charakteru WAN Z anglického Wide Area Network, představuje rozsáhlejší sítě spojující několik LAN T ALIVE PeriodaprohlášenífunkčnostistaniceFT T REQ PeriodaprodotazovánístanicFTozměřeníRTTvůčijinýmFT P RTT MíranaplněnítabulkyvzdálenostíRTTmezijednotlivýmiFT RTT Z anglického round-trip time. Představuje dobu přenosu paketu na vydálené místovsítiazpět C FT MírazměnyveskupiněFTodposledníhostanovenípozic N I PočetFTpřiposledníinicializacisouřadnicovéhosystému N CH PočetzměnveskupiněFTstanicodposledníinicializacesouřadnicového systému

9 N D Celkový počet pozičních bodů v souřadnicovém systému Počet dimenzí v souřadnicovém prostoru ε(x,y)odchylkamezihodnotami xay L L i Množina pozičních bodů Pozičníbod d Li,H j VzdálenostmezipozičnímbodemastanicíHvsíti d Li,L j Vzdálenostmezipozičnímibodyvsíti d S L i,l j Vzdálenostmezipozičnímibodyvsouřadnicovémprostoru Z množina celých čísel min(x, y) Funkce vracející menší z hodnot argumentu x či y max(x, y) Funkce vracející větší z hodnot argumentu x či y wait(x) Funkce pozastaví provádění programu na x milisekund. random(x, y) Funkce vracející(pseudo)náhodné číslo v intervalu x a y s rovnoměrným rozložením pravděpodobnosti. VoD Video na vyžádání z anglického Video on Demand on-line Termín online je termín vztažaný k telekomunikacím, s tím, že online představuje status připojení k síti set-top-box zařízení sloužící k dekódování videa na straně uživatele služby IPTV STB viz set-top box IP Internet protokol PIM Protocol Independent Multicast ASM Any-source Multicast, typ multicastu, umožňující libovolný počet vysílačů ve skupině SSM Source-secific Multicast, typ multicastu, umožňující jediného vysílače ve skupině IGMP Internet Group Management Protocol

10 IP Internet Protocol UDP User Datagram Protocol TCP Transport Control Protocol MPLS Multiprotocol Label Switching, a mechanismus používaný ve vysokorychlostních sítích IPTV Televizní vysílání vysílané přes IP protokol P2P architektura peer-to-peer, neboli klient-klient VoD Video on Demand, internetová služba video na vyžádání MLD Multicast Listener Discovery BPON Broadband Passive Optical Network GPON Gigabit Passive Optical Network DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer, zařízení(nejčastěji umístěné u telefonního operátora) pro připojení mnoha zákazníků modem zařízení pro převod mezi analogovým a digitálním signálem kodek zařízení nebo počítačový program, pro kompresi a dekompresi datového proudu nebo signálu terestriální pozemní analogové anebo digitální televizní vysílání MPEGjezkratkouMotionPictureExpertsGroup,vdnešnídoběsejednáo zažitou zkratku ohledně rodiny audio a video kodeků PES Packetized Elementary Stream IOS IOS je název pro operační systém v síťových produktech společnosti CISCO ATM zkratkou Asynchronous Transfer Mode, protokol založený na přepínaných okruzích b bit, základní a současně nejmenší jednotka informace používaná v informatice B byte, jednotka množství dat v informatice, zpravidla označuje osm bitů Mbs 1 jednotkapřenosovérychlosti,megabitzasekundu

11 OBSAH Seznam symbolů, veličin a zkratek 7 1 Úvod Používané protokoly pro přenos videa v internetovém televizním vysílání Signalizaceprostřednictvímzpětnéhokanálu Přehledčleněnítextudisertačnípráce Přenos multimédií v sítích internetového protokolu VyužitísignalizaceRTCP Hierarchická agregace Prvkysítěhierarchickéagregace Vysílač Přijímač Cílzpětnévazby Odhad vzájemné polohy stanic na základě latence Odhadpozicevsíti OdhadpozicepomocíIPadresyareverzníchzáznamů Měřenívzdálenostipomocílatence Souřadnicové systémy pro odhad vzdáleností mezi stanicemi Síťový souřadnicový systém Global Network Positioning SíťovýsouřadnicovýsystémVivaldi SíťovýsouřadnicovýsystémNetvigator SíťovýsouřadnicovýsystémMyth SíťovýsouřadnicovýsystémPharos Limity hierarchické agregace 43 6 Simulace souřadnicových systémů Ideálnípodmínky SouřadnicovýsystémGNP Mapovánízimaginárníhoprostorudo2Dprostoru SouřadnicovýsystémVivaldi Šíťovépodmínky

12 7 Sběr signalizace přijímačů NávrhalgoritmuprorozloženístanicFT OptimalizacealgoritmuTTA ZhodnoceníalgoritmuTTA UstavenístromupřinedostatečnémpočtuFT Integrace hierarchické agregace se souřadnicovým systémem RegistracenověpříchozcíchFTstanic OdhlášeníFTstanice Přiděleníhierarchickéhostromuvysílači ZajištěníspolehlivostiFT Inicializacepozicepřijímače Návrh protokolu pro hierarchickou agregaci Obecnáhlavičkapřijímače ObecnýpopisfungováníprotokoluTTP Přijímač Cílzpětnévazby(FT) FTManažer(FTM) Vysílač(S) Vybrané navazující práce a validace navrženého řešení GlobálníexperimentálnísíťPlanetLab SběrinformacíavizualizaceceléhostromuzesítěPlanetLab Závěr 86 Literatura 89 Vybraná literatura autora 98 Seznam algoritmů a příloh 104 A Přílohy 105 A.1 ObsahpřiloženéhoCD A.1.1 ImplementaceprotokoluTTP A.1.2 Knihovna pro podporu Source-specific Multicast pro platformujava A.1.3 SimulačníknihovnaJSimlib A.2 Grafzávislostidobypřenosuapočtuzařízení

13 Rejstřík 107

14 1 ÚVOD Na základě mnoha prognóz[35],[68],[53], které byly v posledních letech provedeny na téma vývoje trhu internetových televizí (IPTV), vše nasvědčuje tomu, že v následujících letech budeme svědky globálního rozmachu nasazení této technologie po celém světě. Oblasti, kterých se tento rozmach dotkne nejvíce, budou zřejmě Evropa, Asie a Severní Amerika. Na základě minulého rozvoje a předpokládaných výdajůbytrhsiptvměldokonceroku2013přesáhnout80milionůdomácností, kde se předpokládá, že celkový obrat překročí 36 miliard dolarů ročně. Za zmínku také stojí skutečnost, že i přes současnou ekonomickou recesi si růst trhu IPTV udržel silnou pozici a některé prognózy z minulých let současná situace dokonce předčila. Z tohoto pohledu skýtá trh IPTV velký potenciál s příslibem růstu až několik desítek procent ročně v letech [53]. Tímto se technologie IPTV stává perspektivní investicí pro mnoho subjektů a i malý podíl na tomto trhu může představovat zajímavé ekonomické výsledky v letech následujících. Služba IPTV přináší nižší náklady pro distributory televizního signálu, nižší náklady pro koncové zákazníky a má potenciál přinést divákovi nové služby s přidanou hodnotou. S pomocí IPTV je možné provozovat on-line videopůjčovny, poskytovat mnohonásobně větší škálu televizních programů, mnohem snadněji, a tedy i efektivněji, cílit reklamu a regionálně přizpůsobovat jejich podobu, získávat podrobnější statistiky o sledovanosti a chování diváků, zajistit interakci s diváky a mnohem dalších služeb. Jedna z nejběžnějších podob struktury sítě z pohledu distribuce IPTV je znázorněna na obr Struktura je rozdělena podle role, kterou v síti zastává, na oblast hlavního odbavovacího pracoviště, páteřní síť, regionální odbavovací pracoviště, přístupovou síť a domácnosti. Činností hlavního odbavovacího pracoviště je sběr a kódování multimediálního obsahu do podoby, která je vhodná pro přenos po síti. Multimediální obsah může být poskytován na základě aktuálního obsahu obdrženého terestriálního vysílání, z satelitního vysílání, z obsahu kamery či také na základě obsahu uloženého v databázi. Takový obsah je v případě filmů často označován za video na vyžádání(vod, z anglického Video on Demand). Vysílač má pakzaúkolposkytnoutdatovýtokdosítě. Takto zpracovaná data jsou následně přenášeny skrze páteřní síť až na místo regionálního odbavovacího pracoviště. Páteřní síť má zpravidla vysokou propustnost a dobré parametry sítě z pohledu kolísání zpoždění přenosu. Nicméně i přesto mohou vznikat chyby. Nejčastější chyby jsou způsobeny ztrátou paketu, poškozením paketu, duplikací paketu či zpožděním paketu. Regionální odbavovací pracoviště přijímá data zpravidla z mnoha zdrojů(např. satelit, terestriální vysílání, IPTV) a poskytuje tuto službu zákazníkům, kterým je 14

15 Database Database VoD VoD Média kodéry Vysílač IP / MPLS páteřní síť Média kodéry Vysílač OLT BPON/ GPON PC Set-top-box TV Přepínač ADSL2 PC IP DSLAM Modem Set-top-box TV Hlavní odbavovací pracoviště Páteřní síť Regionální odbavovací pracoviště Přístupová síť Domácnosti Obrázek 1.1: Obecná struktura sítě pro potřeby internetového televizního vysílání. zpravidla poskytována datová konektivita. Poslední vrstvou sítě je síť přístupová. Skrze ni jsou pak připojovány domácnosti či další odběratelé datových či hlasových služeb. Toto regionální odbavovací pracoviště může signál odebírat z hlavního regionálního pracoviště, či může čerpat z jiných zdrojů a tato data posílat do sítě. Jeden z důvodů, proč je koncovému zákazníkovi zprostředkováno vysílání skrze regionální pracoviště, je skutečnost, že audio a video data jsou náchylná na poruchy, které v síti mohou vznikat, a současně je obtížné měřit kvalitu příjmu pro velký počet diváků. Této problematice se bude věnovat blíže následující text. 1.1 Používané protokoly pro přenos videa v internetovém televizním vysílání Aby mohl přenos videa skrze paketové sítě správně probíhat, je nezbytné nejprve transformovat datový tok do podoby, kterou podporují jednotlivé technologie vrstvy sítě. Nejčastěji používané technologie jsou naznačeny na obr Vstupní signál může být jak v digitální podobě, tak v podobě analogové. V druhém případě je signál nejprve digitalizován a následně zkomprimován pomocí některé komprimační technologie(nejčastěji MPEG-2[3], MPEG-4, H.264[84] anebo WM9(VC-1)[79]). Komprimovaný obraz a zvuk je členěn do menších tzv. Packetized Elementary Stream(PES) paketů, které jsou již vhodnější pro přenos po síti. Tyto PES pakety potom tvoří základ přenosového datového toku MPEG-TS. Tento datový tok je následně vložen do záhlaví Real-Time Transport protokolu(rtp). Následuje zasazení datového toku do zbylých čtyř vrstev- transportní, síťové, spojové a fyzické. To obnáší opatřit data záhlavím a zápatím nejprve Uniform Datagram Protokolu 15

16 Aplikační vrstva Prezentační vrstva Relační vrstva Transportní vrstva Síťová vrstva Spojová vrstva Fyzická vrstva Video/Audio+služby PES MPEG-TS UDP,RTP, RTCP IP Ethernet Fyzická vrstva Obrázek1.2:ModelISO/OSIaprotokolypotřebnéproIPTVvysílání. 1 (UDP), následně Internet Protokolu (IP) a nakonec jsou zasazeny do podoby ethernetovéhorámce 1.Protokolysepodlepoužitétechnologiemohouilišit,nicméně popsaná sada je dnes jednou z nejčastěji používaných v rámci vysílání IPTV. V této podobě jsou data připravena k transportu skrze síťové prvky a jsou doručena až k settop-boxu na straně příjemce vysílání. Set-top-box je nejčastěji hardwarové zařízení, kterým musí být vybaven každý z koncových uživatelů služby. V tomto zařízení dojde postupně k odstranění hlaviček a zápatí jednotlivých protokolů a nakonec k dekomprimaci dat a transformaci do podoby, která je čitelná televizním přístrojem. Samotná distribuce dat může být realizována pomocí spojení typu unicast či multicast. Pro komunikaci typu multicast je definována protokolová sada Protocol Independent Multicast(PIM), kde každá část je optimalizována pro různá prostředí. Existují dva hlavní režimy PIM: řídký(pim-sm)[24],[25],[26] a hustý(pim-dm) [77]. Třetí případ obousměrného PIM(BIDIR-PIM)[30] není tolik rozšířen. Řídký režim předpokládá, že členové multicastové skupiny jsou v síti a podsítích rozmístěni spíše řídce, zatímco hustý režim předpokládá, že téměř všichni(či alespoň většina) podsítí bude mít o distribuovaná data zájem. V případě spojení typu unicast existuje spojení pro každého diváka zvlášť, a pokud je např. 100 diváků současně sledující jeden pořad, je nutné posílat data pro každého diváka samostatně. Pro datový tok o velikosti 2 Mb/s by tedy bylo zapotřebí linky o kapacitě 2000 Mb/s. Je zřejmé, že takový typ vysílání je nepříliš efektivní 1 Protokolová sada RTP/RTCP je z pohledu modelu ISO/OSI obtížněji zařaditelná a lze v ní najít prvky transportní, relační i prezentační vrstvy. V tomto textu byla protokolová sada RTP/RTCP v souladu s převládající většinou odborné literatury také zařazena do vrstvy transportní. 16

17 a současně neumožňuje sledování kanálu příliš mnoha uživatelům. Další a mnohem efektivnějším způsobem datového přenosu je spojení typu multicast. Multicast je na v současnosti dostupných zařízeních k dispozici ve dvou základních módech: Any- Source Multicast(ASM) a Source-Specific Multicast[2]. Historicky starší varianta ASM má velkou výhodu v tom ohledu, že vysílat data do multicastové skupiny může kdokoli z připojených uživatelů. To umožňuje komunikaci typu každý s každým. Nevýhodou je složitost konfigurace a také skutečnost, že tento typ není obecně v prostředí Internetu podporován a je spíše záležitostí menších soukromých sítí či experimentálních prostředí v rámci univerzit. DruhávariantaSSMjenovějšíapřinášíomezení,žepouzejedinýuzelzcelé skupiny může být vysílačem. Výhodou je, že jeho nasazení je výrazně jednodušší. V prostředí IPv4, která je současnosti stále převládající oblastí internetu, je nezbytné, aby poslední směrovač u příjemce podporoval protokol Internet Group Management protokol(igmp) ve verzi 3[12]. Zřejmě celosvětově nevýznamnějším dodavatelem prvků síťového zařízení je společnost CISCO. Tento výrobce do svých směrovačů integrujepodporuprotokoluigmpv3jižřadulet.konkrétnějetoodverzeios PodporaIPv6jesamozřejmětakékdispozici.Projehopodporujenezbytný Multicast Listener Discovery(MLD)[31], který je také od verze IOS 12.2 k dispozici. V případech, kdy je žádoucí, aby do vysílací skupiny posílal data pouze jediný zdroj (tj. např. IPTV, rádio, atp.), je SSM rozhodně vhodnější variantou. Kromě dopředného kanálu pro distribuci audio a video dat existuje také kanál zpětný. Jeho nejčastější využití je sledování kvality příjmu na straně přijímacího zařízení. Na jejich základě lze identifikovat případné problémy sítě a provést taková opatření, která povedou k minimalizaci dopadů vnímaných ze strany diváka. V případě, že měření kvality služby je interaktivní, může poskytovatel provádět změny v reálném čase a adaptovat tak vysílaný tok aktuálnímu stavu v síti. Tím lze minimalizovat potenciální problémy z pohledu koncového uživatele. Monitorování kvality příjmu a vlastností přenosu je realizováno prostřednictvím Real-Time Control protokolu(rtcp). 1.2 Signalizace prostřednictvím zpětného kanálu Zatímco dopředný kanál je již v současné době dobře zvládnut a příslušná protokolová sada pro multicast je již několik let nabízena v základní verzi většiny směrovačů přinejmenším předních výrobců síťových zařízení, distribuce zpětného 2 IOSjezkratkouInternetworkOperatingSystém,cožpředstavujeoperačnísystémpoužívaných na směrovačích a přepínačích firmy Cisco Systems. 3 exaclsxh.html 17

18 kanálu doposud vyřešena není. V případě nasazení multicastu typu ASM problém není. V takovém případě může být každý prvek současně přijímač i vysílač a protokolová sada automaticky zajistí distribuci přes multicastovou skupinu. Jeho nevýhodou je značná složitost a také, že nemůže být nasazena pro velké vysílací skupiny(max. v řádu stovek účastníků). Mutlticast typu SSM je z tohoto pohledu připraven na výrazně větší vysílací skupiny. Díky omezení na jeden zdroj dat tu ale vzniká komplikace s distribucí zpráv od zbytku vysílací skupiny. Tato práce navazuje na společné výsledky pracoviště Univerzity v Cambridge a AT&T Labs-Research, dále společnosti Intel[63],[37] a University of Prince Edward Island[23],[21],[22],[20], které se zbývají výzkumem přenosu signalizace skrze zpětný kanál pro velké skupiny uživatelů. Ke konci řešení této práce v únoru roku 2010 byly některé z jejich výsledků shrnuty do výsledného dokumentu RFC[63]. Přínos této práce spočívá v rozšíření struktury pro přenos signalizace od přijímačů zpět k přijímači a optimalizaci využití zdrojů. V práci jsou navrženy autonomní algoritmy, které samy určují strukturu zpětného kanálu a automaticky se přizpůsobují aktuálnímu stavu v síti. Struktura zpětného kanálu před a po optimalizaci je znázorněn v obr Použité algoritmy jsou navrženy tak, aby pracovaly efektivně jak pro malé regionální poskytovatele, tak pro rozsáhlé vysílací skupiny, které pokrývají rozsáhlá geografická území. Oproti původnímu předpokladu [37], kde autoři předpokládají neomezené hardwarové zdroje poskytovatele, tato práce vychází z praktických požadavků poskytovatelů IPTV vysílání a je schopna se přizpůsobit libovolným hardwarovým zdrojům. Je tak schopna růst od malých vysílání až po rozsáhlé skupiny, pokrývající např. celé kontinenty. Veškeré navržené algoritmy byly nasazeny a ověřeny z pohledu jejich funkčnosti v experimentální síti Planetlab 4. Jedná se o celosvětově rozlehlou počítačovou síť určenou pro experimentální účely a potřeby. Celá práce se snaží v maximální míře využít stávající používané protokoly, zejména protokolovou sadu RTP/RTCP. Jetřebatakézdůraznit,žeprácesivžádnémpřípaděnekladezacílpomocí popisovaných technologií kompletně nahradit zavedenou strukturu, kde vystupuje hlavní odbavovací pracoviště a regionální odbavovací pracoviště(viz obr. 1.1). Co popisovaná technologie přináší, je relativně rychlé a škálovatelné sledování kvality služby na straně přijímačů. Pokud se poskytovatel IPTV služby rozhodne poskytovat službuiptvnejenvrámcisítělan 5,aleivrámcisítíWAN 6.Pokudsenaleznečást IPTV trhu, kde uživatelé upřednostní nižší cenu či větší velikost nabídky programů LANvycházízanglickéhoLocalAreaNetworkajevdnešnídobězavedenázkratkaznačícísíť lokálního rozsahu 6 WANjezkratkouzanglickéhoWideAreaNetworkapředstavujerozsáhlousíťzahrnujícív sobě mnoho sítí LAN 18

19 (a) Neoptimalizované rozložení (b) Optimalizované rozložení Obrázek 1.3: Optimalizované a neoptimalizované rozložení struktury pro sběr signalizace. a služeb nad vysokou kvalitou, může to znamenat z hlediska poskytovatelů výrazně větší cílovou skupinu. Společně s tím je možné skrze zpětný kanál přenášet další data a tak poskytnout služby s přidanou hodnotou v podobě např. interaktivních služeb. Jelikož se tato práce zajímá přednostně o signalizaci skrze veřejné sítě, bude ve zbytku práce používána zjednodušená topologie, kde nebudou brány v úvahu detaily, ale jen vztah vysílač vs. přijímač popřípadě další prvky, které jsou v této práci zavedeny. 1.3 Přehled členění textu disertační práce První část této práce se detailněji zabývá protokolem RTP/RTCP s tím, že klade důraz na matematické vztahy, kterými se celý protokol řídí. Současně s tím je v kapitole zdůrazněna závislost doby šíření signalizace na počtu přijímačů ve skupině a nastíněn problém z toho plynoucí. Tato protokolová sada je v současné době jedna z nejčastěji používaných pro přenos audia a videa. Další kapitola je věnována teoretickému modelu hierarchické agregace. Kapitola opět objasňuje závislost doby přenosu signalizace na počtu přijímačů ve skupině a zdůrazňuje její výhody oproti RTP/RTCP. Kapitola třetí se potom zabývá problematikou lokalizace síťových stanic s použitím latence. Čtvrtá kapitola zdůrazňuje nedostatky hierarchické agregace a ukazuje prostor pro její zdokonalení. Pátá kapitola popisuje experimenty a simulace, které byly provedeny s umělými síťovými souřadnicovými systémy. Simulace byly prováděny, jak v umělém prostoru, tak i v prostoru získaném z měření parametrů skutečné sítě. Šestá kapitola se zabývá návrhem a popisem algoritmů pro ustavení hierarchické stromové struktury pro přenos signalizace přijímačů a 19

20 zhodnocuje kolik z celkové cesty v síti lze tímto algoritmem v rámci celé struktury ušetřit. Stav před a po aplikaci tohoto algoritmu je znázorněn na obr Sedmá kapitola popisuje principy protokolu, s pomocí kterého lze integrovat virtuální souřadnicový systém společně s hierarchickou stromovou strukturou pro přenos signalizace. Protokol je navržen tak, aby jej bylo možné provozovat v rámci vlastní sítě, ale také jako službu pro jiné operátory IPTV vysílání. Její nasazení nemusí být vázáno na konkrétního operátora, ale pro jakýkoli druh služeb, kde je vyžadován rychlý přenos signalizace od velkého počtu přijímačů. Osmá kapitola potom uvádí detaily ohledně podoby zpráv používaných v rámci protokolu a detailně objasňuje roli jednotlivých prvků v síti. V poslední kapitole jsou popsány některé z podpůrných nástrojů, které v rámci této práce vznikly. Je také popsán webový portál, který slouží ke kontrole a celkové validaci funkčnosti celého zpětného kanálu. Na konci je celá práce zhodnocena a jsou naznačeny další možné cesty vývoje. 20

21 2 PŘENOS MULTIMÉDIÍ V SÍTÍCH INTER- NETOVÉHO PROTOKOLU Pro distribuci časově citlivých multimediálních dat se protokoly RTP a RTCP[73] sestalypřevládajjícímřešením.dvojiceprotokolůjepřesnědefinovánavrfc 1 Protokol RTP slouží k distribuci časově citlivých dat, jako je například audio či video. Často bývají tímto způsobem šířena i další data, jako jsou titulky, klíče pro autentifikaci atp. Vysílání RTP je možné prostřednictvím unicastového spojení, avšak při větším počtu přijímačů dochází ke značně neefektivní komunikaci a velice brzy také k vyčerpání kapacity použitého datového kanálu. Jako řešení pro větší počty spojení se nabízejí multicastová spojení Any-Source Multicast(ASM), popřípadě také novější Source-Specific Multicast(SSM)[2]. Rozdíl mezi těmito ASM assmjeten,ževpřípaděasmmůžebýtkaždýpřihlášenýveskupiněvysílačem, což však vede k velké složitosti ve směrování a směrovacích tabulkách. SSM přišel z tohoto pohledu s optimalizací, nicméně podporuje pouze jeden zdroj dat. Na druhou stranusejednáozjednodušeníasmmulticastuajemožnéjejnasaditiprovelké skupiny přijímačů. Na obr. 2.1a jsou znázorněna schéma IPTV vysílání. U varinaty SSM(viz obr. 2.1b) dochází mírně ke komplikaci v tom smyslu, že signalizace od přijímačů nemůže být odesílána. Řešení je však jednoduché- signalizace je poslána unicastovým kanálem vysílači a ten pak tyto zprávy zrcadlí do multicastového kanálu. Multicast je technologie, kterou pravděpodbně v budoucnu čeká velký rozmach. V současnosti roste výrazně počet domácností, které disponují širokopásmovým připojením do sítě Internet a díky tomu je také možné provozovat i služby, které by nepřipadaly v úvahu. Co se týče problematiky multicastu je to ovšem poněkud ošidné. V jakékoli literatuře se o nich dočteme jako běžně známou a používanou věc, nicméně pokud příjdeme do reality dnešního internetu, až na výjimky jako jsou především experimentální a akademické laboratoře, téměř nikde na něj nenarazíme. Tentostavjezapříčiněntím,žetentodruhslužebjepoměrněnovýazestran uživatelů je po nich malá poptávka. V tomto směru mají výhodu operátoři velkých sítí, jako je France Telecom, Deutche Telecom kteří současně poskytují službu IPTV a současně vlastní infrastrukturu sítě. Mohou tedy směrovače v síti optimalizovat pro své potřeby. Bohužel, většina struktury sítě internet je na americkém, evropském i asijském trhu poměrně značně segmentována na malé vlastníky lokálních sítí, které jsou vzájemně připojeni. Ukáže zřejmě až čas, zdali se vytvoří dostatečně silná 1 RFC je zkratkou anglického Request For Comments a je vydávána organizací Internet Engineering Task Force(IETF). Organizace se zabývá popisem metod, chováním, výzkumem a inovacemi pro Internet a internetové aplikace. 21

22 poptávka po tomto druhu aplikací. RTCP realizuje přenos signalizace směrem od přijímačů. Tato signalizace má širokou škálu využití- od monitorování kvality služby přijímačů, přes informování o lokalitě posluchačů, až po služby jako je interaktivní hlasování, online nakupování a další. RTP/RTCP jsou navrženy tak, aby byly zcela nazávislé na nižších protokolech. Není tedy žádný problém použít technologii jak v prostředí Transmission Control Protocol(TCP)[36] tak v prostředí UDP[70] popřípadě dalších. Zjednodušeně by se dal princip RTCP protokolu shrnout nějak takto: vysílač posílá tzv. Sender Report(SR) zprávy všem přijímačům, kde je mimo jiné informace iotom,kolikdatbylovysláno.nadruhéstranějsoupřijímače,kterésrzprávy přijímají, analyzují a odpovídají tzv. Receiver Report(RR) zprávami. Ty obsahují mimojinéinformaciokvalitěpříjmu(ztrátovostpaketů,jitter 2,RTT 3 )[73].Tyto zprávy jsou periodicky posílány po dobu celého spojení. Aby nedošlo k zahlcení kanáluivpřípadě,žejepočetpřijímačůvelký,jeperiodavysílánísrirrzpráv přesně stanovena podle následujících rovnic: T RR = n R P RR 0,75 B RTCP [s], (2.1) T SR = P SR 0,25 B RTCP [s], (2.2) B RTCP = 0,05 B [bit s 1 ]. (2.3) Kde 0,25 zastupuje 25 % podíl pásma vyhrazený pro dopředný kanál, 0,75 představuje 75 % vyhrazeného pro zpětný kanál, 0,05 představuje 5% kanálu vyhrazenéhoprortcp, P RR představujedélkuzprávyrrvbitech, P SR délku zprávysr, Bjecelkovášířkapásmavyhrazenáslužbě, B RTCP představuješířku pásmavyhrazenouprortcpprotokol[73], n R představujepočetpřijímačů.během trvánírtp/rtcpvysíláníjsou B RTCP a Bneměnné,ajelikožjevsítiprávějeden přijímač,jedélkazprávrr(p RR )takékonstantní.copředevšímovlivňujeperiodu vysíláníjetedypočetpřijímačůveskupiněn R.Pokudjepočetpřijímačůn R opravdu velký,znamenáto,žeperiodaposílánízprávrostetřebaažnapůlhodiny,cožje například pro potřeby interaktivního hlasování diváků nedostačující. Aby nenastal případ, kdy by zprávy přijímače byly posílány příliš často, byla zavedena spodní hranice 5 s. Pro všechny hodnoty periody nižší než je tato konstanta jsou hodnoty upraveny na právě tuto délku periody, viz rovnice 2.4. Další 2 Kolísánívelikostizpožděnípaketůpřiprůchodusítí(vznikánapř.nasměrovačích(routerech) jako důsledek změn routování, chování interních front routeru atd.) 3 ZanglickéhoRound-TripTime,představujelatencicestovánípaketunavzdálenoustanicia zpět. 22

23 parametr modifikující výpočet periody je tzv. kompenzační faktor a náhodné číslo k(viz rovnice 2.6, 2.5). Kompepnzační faktor byl stanoven na základě empirických zkušenostívsíti,parametr kpředstavujenáhodnéčíslovintervalu k < 0,5;1,5 >, které zajišťuje vzájemné vysílání RR zpráv přijímači rovnoměrně v čase. V případě standardu RFC je náhodné číslo aplikováno jak na přijímač, tak na vysílač. Nicméně, jelikož vysílač může být v případě IPTV pouze jeden, pozbývá svého významu a je spíše na škodu nežli ku prospěchu. Není-li řečeno jinak, jsou v následujícím textu veškeré vztahy, týkající se délky periody z důvodu jednoduchosti, popisovány bez nich: T XX = max(5 s,t XX ) [s], (2.4) T T XX RR = k,k < 0.5;1,5 > [s], (2.5) e 1,5 T SR = T XX e 1,5 [s]. (2.6) RR-RTCP RR-RTCP IPTV vysílač SR-RTCP + zrcadlené RR-RTCP RTP (audio, video) IPTV vysílač SR-RTCP RR-RTCP RTP (audio, video) RR-RTCP Multicastová skupina Multicastová skupina (S,G) RR-RTCP RR-RTCP RR-RTCP RR-RTCP RR-RTCP Přijímač Přijímač Přijímač Přijímač Přijímač Přijímač Přijímač Multicast RR/SR (RTCP) Přijímač Multicast Audio/ Video(RTP) Unicast RR (RTCP) Multicast SR (RTCP) Multicast Audio/ Video(RTP) (a) Any-Source Multicast(ASM) (b) Source-specific Multicast(SSM) Obrázek 2.1: Zjednodušená topologie architektury IPTV vysílání využívající druh multicastu SSM a ASM. 23

24 SDTV HDTV MPEG-2 2-4Mbs Mbs 1 MPEG-4 1,6-2,1Mbs 1 6-9Mbs 1 H.264 1,5-2Mbs 1 6-8Mbs 1 WM9(VC-1) 1,5-2Mbs 1 6-8Mbs 1 Tabulka 2.1: Kompresní poměr kodeků používaných pro IPTV vysílání. Jak je z rovnice 2.1 patrné, délku periody pro vysílání RR zpráv ovlivňují parametryjakojsoušířkapásma B,početpřijímačů n R adélkazprávy P SR.Zde šířka pásma a délka zprávy zůstávají většinou po dobu vysílání konstantní. Co tedy předevšímovlivňujedélkuperiody T RR jepočetpřijímačů.uvážíme-li,ženejčastěji používané kodeky pro IPTV vysílání jsou kodeky MPEG-2, MPEG-4 H.264(MPEG- 4-AVC) či WM9(VC-1) a šířka potřebného pásma je následující jak je uvedeno v tabulce 2.1, může perioda RR zpráv narůstat do opravdu velkých hodnot. Ty se pak mohou stát pro některé případy, jako je například interaktivní hlasování, nepoužitelné. Na obr. 2.2 je potom znázorněna závislost délky periody T RR na použitémkodekuapočtupřijímačůveskupině.napříkladprokvalituvideasdtv 4 vkombinacis10 5 přijímačůjedélkaperiodyhlášenízprávrrukodekuh minut. Uvážíme-li, že televize Nova ve svých rekordech sledovanosti obsahuje dokonce počtů diváků 2,6 milionu. byly by pro některý druh použití tento kanál natolik pomalý, že získaná data by již byla irelevantní. Nemluvě zde o počtech sledovanosti v zemích s větším počtem obyvatel, nežli žije v České republice. V brzké budoucnosti se počítá také s rozmachem mobilních multimediálních služeb. Vzhledem k jejich potenciálnímu počtu a značné nestabilitě vůči době připojení se bude zřejmě jednat o výzvu pro současné technologie. 2.1 Využití signalizace RTCP Jak již bylo nastíněno, zpětný kanál má velkou škálu využití a s rozmachem této služby se předpokládá ještě širší využití. Signalizace internetového vysílání je nejčastěji používána pro přenos parametrů sítě. Jsou jimi kolísání(jitter), RTT a ztrátovost paketů. Pokud má být služba považována za vysoce kvalitní, neměla by ztrátovostpaketůpřekračovathodnotu 10 6,RTTbýtvřádechstovekmilisekund a kolísání v řádech desítek milisekund. Jestliže poskytovatel garantuje nějakou úroveň služby, měl by mít možnost průběžně monitorovat aktuákní stav. Další scénář 4 Zkratka anglického standard-definition television, odpovídá rozlišení 704 pixelům na 480 řádcích. 24

25 Obrázek2.2:Závislostdélkyperiody T RR napoužitémkodeku,kvalitěvideaapočtu přijímačů. pro poměrně bohaté využití je interaktivní komunikace spolu s diváky na základě aktuálně vysílaného programu. Přínosem této práce je právě skutečnost, že s její pomocí je možné výrazně urychlit přenos této signalizace i pro velké počty přijímačů. Další schopností jsou přesné statistiky o počtu přijímačů. V současnosti operátoři používají speciální zařízení, která komunikují přes GSM kanál a posílají statistiky o aktuálně sledovaném programu. V tomto případě jeden pozorovaný přijímač zastupuje přibližně 8000 diváků. Výsledky proto mohou být výrazně zpřesněny. Navíc je možné přenášet také informaci o přibližné poloze přijímače a interaktivně zobrazovat oblasti sledovanosti. Dnes nepříliš tradiční, ale do budoucna možná slibnou metodou, může být také adaptivní přizpůsobování kvality vysílání aktuálnímu stavu v síti. Například, pokud server dostává informaci, že se plošně zhoršila kvalita příjmu, může na to reagovat vyšší kompresí, tím redukovat datový tok a zamezit tak problémům sítě. Popřípadě by přijímače s nižší kvalitou příjmu byly přesměrovány na jiný kanál, kde je vysílání s menším požadavkem na dostupnou šířku pásma. 25

26 3 HIERARCHICKÁ AGREGACE Pro RTCP protokol bylo navrženo několik vylepšení, jako jsou filtrace, zaměření, zdůraznění až po sumarizaci a hierarchickou agregaci[4],[55],[44], které dokázaly tuto závislost snížit. Nejslibnější z těchto metod se ukázala být hierarchická agregace [61],[48],[37],[63]. Hierarchická agregace do sítě přivádí nový prvek takzvaný cíl signalizace,čianglicky feedbacktarget (FT).TěchtostanictypuFTjevsíti několik.zaveďmeformálnípopissítějakomnožinupřijímačů R = {r 1,..., r m }, jichžjevsíti m.množina F = {f 1,..., f n }představujemnožinu nftuzlůa S označuje vysílač. Množina F se dále dělí na dvě disjunktní množiny: množinu aktivníchft: F A amnožinupasivnýchft: F P kde F A F P =.PasivníFT neprovádějí žádnou činnost a pouze čekají, až dostanou pokyn k aktivaci. Aktivní FT tvoří stromovou strukturu, kde v kořenu stromu je tzv. root feedback target(rft), nebolikořenovýcílsignalizace.zaveďmekonvenci,že F i představujemnožinuuzlův i-tévrstvěstromovéstrukturyafjpředstavujeft i f j,kterýsenacházívi-tévrstvě. Aktivní FT v nejnižší vrstvě stromu přijímají RR zprávy od přijímačů, agregují je do tzv. Receiver Summary Information(RSI) paketu a přeposílají nejbližšímu FT z vyšší vrstvy. Na obr. 3.2 jsou znázorněny architektury klasická a rozšířená o hierarchickou agregaci s výškou stromu 1. Zatímco v klasické architektuře jsou RSI-RTCP RSI-RTCP RTP/RTCP standard RR-RTCP RTP RR-RTCP (audio, video) Přijímač Přijímač IPTV vysílač Multicastová skupina (S,G) SR-RTCP + RSI-RTCP Přijímač RR-RTCP RR-RTCP Hierarchická agregace Cíl zpětné vazby RR-RTCP Přijímač RR-RTCP RTP (audio, video) Přijímač IPTV vysílač + Hlavní cíl zpětné vazby Multicastová skupina (S,G) SR-RTCP + RSI-RTCP Přijímač Cíl zpětné vazby RR-RTCP RR-RTCP Unicast RR (RTCP) Multicast SR (RTCP) Přijímač Multicast Audio/ Video(RTP) Unicast RR (RTCP) Multicast SR (RTCP) Unicast RSI (RTCP) Multicast Audio/ Video (RTP) Přijímač Obrázek 3.1: Srovnání struktury klasické architektury RTP/RTCP vůči spojení typu SSM multicast[73](vlevo) a architektury hierarchické agregace (vpravo). 26

27 RR zprávy posílány přímo vysílači, v případě hierarchické agregace jsou RR zprávy přeposlány nejbližším FT z nejnižší vrstvy stromu, zpráva je potom agregována a šířenaažkrft. S touto architekturou se potom vztahy pro výpočet periody chovají dle následujících rovnic: T SR = P SR 0,25 B RTCP [s], (3.1) T RR = P RR L H FT (n) 0,75 B RTCP [s], (3.2) T l RSI = P RSI L l 1 FT (n) 0,75 B RTCP [s], (3.3) kde konstanta 0,25 zastupuje 25% vyhrazené pro dopředný kanál, 0,75 zastupuje 75% kanálu vyhrazeného pro zpětný kanál, n představuje počet přijímačů ve skupině afunkce L H FT (n)vypočtepotřebnýpočetft,abynedošlokpřekročeníhodnoty5s. TRSI l představujeperioduvysílánírsizprávftvevrstvě l, Ll 1 RSI představujepočet FT stanic ve vrstvě hierarchického stromu. Ostatní parametry jsou identické jako v případě standardního RTP/RTCP[73]. Na obr. 3.2 je znázorněná závislost výsledného času šíření signalizace. Hodnota Bbylazvolena1Mbs 1,délkapaketuRRbylazvolena60B(konstantnídélka bez použití Source Description RTCP paketu). V druhém řádku grafu je vyznačena závislost potřebných aktivních FT v závislosti na počtu přijímačů. 3.1 Prvky sítě hierarchické agregace V hierarchické agregaci jsou nezbytné čtyři druhy stanic. Obdobně jako v případě standardního RTP/RTCP protokolu to jsou vysílač a přijímač. Dále potom ještě nový prvek: tzv. cíl zpětné vazby(ft) Vysílač Úkolem vysílače je odesílat multimediální data do sítě internet prostřednictvím protokolu RTP. Aby bylo možné monitorovat kvalitu příjmu jednotlivých stanic, jsouvpravidelnýchintervalecht SR 3.1posílányzprávySR.Najejichzákladěmohou přijímače vyhodnotit množství ztracených paketů a další vlastnosti o kvalitě příjmu. V reálném nasazení bude vysílač zřejmě vypadat jako aplikace nasazená na samostatném serveru. Těchto vysílání může být v jednom okamžiku více, nizméně všechny by měly posílat v různých vysílacích skupinách. V případě SSM multicastu je počet multicastových adres dostatečný, protže je každá skupina identifikována adresou zdroje + multicastovou skupinou. 27

28 A] B] x1 hlavní cíl zpětné vazby 5 seconds 5 x123 seconds 4 Výsledný čas kolísá vždy když je přidán nový FT (výsledný čas není omezen žádnou spodní hranicí) přijímačů doba šíření signalizace stromem [s] 2 doba šíření signalizace stromem [s] number Počet of přijímačů receivers number Počet of přijímačů receivers x C] D] } } Přibývají FT ve druhé vrstvě Number of FTs in session počet FT ve skupině počet FT ve skupině 4 Number of FTs in session 20 Změněna výška stromu number počet přijímačů of active FTs x number počet of přijímačů active FTs Obrázek 3.2: Závislost celkové doby přenosu signalizace směrem od přijímačů ke kořenovému FT na počtu přijímačů. Levý sloupec , pravý sloupec Spodnířádekreprezentujepočetpotřebnýchaktivních FT(B = 1Mbs 1, L RR = 60B). 28

29 3.1.2 Přijímač Úkolem přijímače je přijímat aduiovizuální data, zobrazovat je a přehrávat je. Mimo to je dobrý zvyk signalizovat vysílači kavlitu příjmu, které jsou posílány ve formě RR paketů. Oproti standardnímu RTP/RTCP protokolu[73] jsou tyto zprávy směrovány nikoli přímo vysílači, ale některému z cílů zpětné vazby. Dojde tak k rozprostření zátěže mezi několik síťových stanic a zamezí se tím zahlcení vysílače či velmi dlouhým periodám T RR provysílánírr zpráv.vodeslanýchrr zpráváchjemimojiné obsažena informace o kvalitě příjmu, která je vypočtena podle standardu protokolu RTP/RTCP. Přijímač bude zpravidla zákazníkovi doručen jako samostatná aplikace instalovatelná jako klasický software, či v podobě set-top boxu, který bude dekomprimovat audio/video data a převádět do formátu kompatibilním s rozhraním, které podporují televizní přijímače dnes dodávané na trhu Cíl zpětné vazby Cíl zpětné vazby(ft) je prvek, který ve standardním protokolu RTP/RTCP není definován. V sísti je jich několik a jejich role je taková, aby sbíraly zprávy přijímačů RR o kvalitě příjmu, odstranily redundantní a irelevantní část informace a v podobě zprávy RSI doručily vysílači statistiky o kvalitě příjmu. Tyto FT stanice tvoří ve skutečnosti jakousi hierarchickou stromovou strukturu, kde FT nejnižší vrstvy stromu sbírá zprávy přijímačů. Ostatní FT potom opět provádí agregaci informace z předešlých FT a předávají ji dále do vyšší vrstvy hierarchického stromu až se informace dostane ke kořenovému FT, který získá informaci o celé síti. Aby bylo možné realizovat nad jedinou množinou více hierarchických stromů, každý FT bude udržovat tabulku s indexací cíle zpětné vazby pro každý uzel. FT bude v reálném síťovém prostředí vypadat jako samostatný dedikovaný server. V tomto případě by bylo nerozumné na jedné stanici spouštět více instancí této aplikace, jelikož bychom vytížení nikterak neulehčily. Navíc v krajním případě sebudejednatostanicivytíženousběremrrčirsizprávajejichagregacídonové RSI zprávy. 29

30 4 ODHAD VZÁJEMNÉ POLOHY STANIC NA ZÁKLADĚ LATENCE Výkonnost většiny distribuovaných aplikací, jakou nepochybně je i hierarchická agregace, úzce závisí na latenci komunikace mezi účastníky spojení (např. [19], [80]). Pro tyto účely bylo navrženo mnoho metod, od tzv. měření proxy[29],[78], přes uchovávání pozičních značek[72], až po metody decentralizovaného síťového zakotvení[27],[59],[66],[76],[82],[34]. Jako nejzajímavější metodou se ukázaly být metody decentralizovaného síťového zakotvení, kde měření vzdáleností mezi stanicemi je transformováno do nízkodimenzionálních prostorů. Každý uzel potom udržuje informaci o svých síťových souřadnicích v umělém prostoru. Na jejich základě je potom možné odhadnout vzdálenost i k těm stanicím, mezi kterými nebylo provedeno měření. Výsledkem je výrazná úspora šířky pásma, zvlátě z toho důvodu, že je možné provádět jen malé množství měření. Druhou příčinou úspory je, že sdělovat informaci o poloze v prostoru zabírá výrazně méně bytů, právě díky tomu, že je nyní reprezentován pouze v nízkodimenzionálním umělém prostoru. Na adresu souřadnicových systémů se také objevila kritika, že jsou vysoké požadavky na jejich provoz a mají menší přesnost nežli přímé metody měření. Někteří odpůrci dokonce tvrdí, že se jedná o nespolehlivou a neprověřenou myšlenku. Kritika se zpravidla opírá o oprávněné tvrzení, že všechny tyto metody mají hlavním předpokladem, že v síti se nesmí(nemělo by) objevovat porušení pravidla trojúhelníkové nerovnosti [87]. To je bohužel nemožné a často se vyskytuje. Na druhou stranu obhájci souřadnicových systémů argumentují faktem, že chybovost je v průměru 11%(od 8% do 15%). To je uspokojivý výsledek, uvážíme-li, že prostor sítí není homogenní s euklidovskými prostory, a že samotné měření není vždy přesné ani v klasické podobě. Měření samotné latence může být, a často i bývá, postiženo chybou vlivem dočasných problémů v síti atp. Pozitivní vlastnosti a stabilitu potvrzují dlouhotrvající měření (několik měsíců) experimentální síti PlanetLab [51], [67], [51] a dokonce byly provedeny měření, jak uvádějí sami autoři publikace, v divočině [50], které opět dávají uspokojivé výsledky. Autoři tím mají na mysli prostředí běžných uživatelů a nikoli prostředí experimentální sítě. 4.1 Odhadpozicevsíti Pro rozsáhlé distribuované aplikace, jako jsou například peer-to-peer(p2p) sdílení dokumentů, tzv. overlay multicast aplikace či rozprostřené ukládání dat, dokáže správná organizace koncových uzlů v sezení výrazně ovlivnit celkovou spotřebovanou šířku pásma. K tomu, aby stanice znaly vzdálenosti vůči ostatním aplikacím, existuje 30

31 jednoduchá cesta- prostým změřením latence ke kandidátním uzlům. V prostředí sítě,kdebyexistovalo Nstanic,bytotedyznamenalo N (N 1)měření.UvážímelivelikostjednohoICMPpaketu8bytů,znamenátopronáspřenosdatjakýje znázorněn v obrázku 4.1, kde je patrné, že se jedná o nezanedbatelný datový tok. monžství přenesených dat [GB] počet komunikujících stanic [-] Obrázek 4.1: Množství přenesených dat při měření vzdáleností mezi stanicemi způsobem každý s každým. Velikost ICMP paketu je 8 bytů. S tímto problémem se snaží vypořádat tzv. souřadnicové systémy. Jednou z metod pro určení pozice v síti je tzv. trojúhelníková heuristika. Pro ni se ukázalo jako nejspolehlivější a nejpřesnější zjišťování vzdálenosti mezi stanicemi podle spodní meze vzdálenosti[59], jak je popsáno rovnicí 4.1: U = min i {1,2,...,N} ( d H1 L i +d H2 L i ) [ ], (4.1) kde H 1,H 2 představujestanice,mezikterýmijevzdálenostměřena, L i kde i = 1,2,...,Npředstavujepozičníbody. Mezi metody pro určování vzdáleností patří metody jako IDMaps[27], trojúhelníková heuristika[59], Global Network Positioning[59], Vivaldi[18], Hilbertovy křivky[1] a další. Problémem většiny metod, zde zmíněných, je skutečnost, že vychází z předokladu, že směrování je prováděno ideálně. To bohužel v praxi není pravda. Například pro všechny tojúhelníkově uzavřené okruhy, které jsou tvořeny cestami(a, b),(b, c) (a,c) a(c,a),kterébylyzměřeny,celých7%poměrů bylovětšíchnežjedna[28]. (a,b)+(b,c) 31

32 4.2 Odhad pozice pomocí IP adresy a reverzních záznamů Jednou z možností, jak předpovídat polohu stanice v síti Internet, je s využitím IP adresyareverzníchzáznamů.cojevkontextutétokapitolynutnozmínitjefakt,že prostý odhad na základě hodnoty IP adresy možný není. Přidělování IP adres není na polohu strojů nikterak vázáno a dvě velice podobné adresy mohou být vzájemně topologicky velice vzdálené. Naštěstí existují prostředky, pomocí kterých lze stanice podle její IP adresy alespoň odhadnout. I tak, jak bude demonstrováno později, není přesnost této metody příliš vysoká. Odhad pozice stanic pracující s hodnotami IP adres využívají databáze organizací. Celosvětovou zodpovědnost za přidělování adres náleží organizaci InternetAssignedNumbersAuthority(IANA) 1.Dokoncepolovinyřídilapřidělování adrres IPv4. V současné době, hlavně z důvodu docházejícího prostoru adres IPv4, se zabývá zejména přidělováním adres IPv6 a komunikaci typu multicast. Zodpovědnost za přidělování adres IPv4 byla delegována na organizace s regionální působností.organizacesregionálnípůsobnostíjsouafrinic 2 prooblastafriky, APNIC pro oblast Asie a Pacifiku, LACNIC 3 pro oblast Latinské Ameriky a Karibiku,ARIN 4 proseverníamerikuarésauxipeuropéensnetworkcoordination Centre(RIPENCC) 5 proevropu,střednívýchodacentrálníasii. Organizace RIPE NCC mimo jiné spravuje databázi RIPE. Tato databáze zahrnuje IP adresy, autonomní systémy, údaje o organizacích a uživatelích svázaných s IP adresami, popř. s autonomními systémy. U všech eviduje kontaktní údaje(tzv. Point sof Contact(POC)). Na základě těchto údajů pak lze následně odhadovat fyzickou polohu zařízení, vázanému ke konkrétní IP adrese. Veškeré údaje o IP adresách z databáze RIPE jsou volně k dispozici na adrese a lze je také dotazovat s pomocí nástroje whois. Další alternativou, jak zjišťovat polohu stanice podle IP adresy, je s využitím Domain Name System(DNS) záznamů. Tento systém slouží k překladu doménového jménanazákladějejíipadresy.lzevšakpoužítireverznípřeklad,kdekipadrese získáme doménový záznam. Lze tak získat například i informaci o přesném umístění stroje v rámci jedné organizace. Nevýhodou DNS záznmů je, že tato položka je nepovinná, a tudíž mnoho IP adres touto informací ani nedisponuje. 1 Informaceotétoorganizacijsoudostupnénaadresehttp:// 2 Informaceotétoorganizacijsoudostupnénaadresehttp:// 3 Informaceotétoorganizacijsoudostupnénaadresehttp://lacnic.net. 4 Informaceotétoorganizacijsoudostupnénaadresehttps:// 5 Informaceotétoorganizacijsoudostupnénaadresehttps:// 32