SYSTÉM PRO EFEKTIVNÍ KOMUNIKACI PRACOVNÍKŮ VÝZKUMNÝCH KONSORCIÍ Petr Číka, Miroslav Balík Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Purkyňova 118, Brno Email: cika@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek se zabývá využitím videokonferencí v IP sítích a popisu nového aplikačního řešení videokonferenčního systému pro potřeby výzkumných konsorcií. V úvodních kapitolách jsou uvedeny výsledky analýzy současného videokonferenčního systému. Následuje soupis požadavků na funkcionalitu nově vyvíjeného videokonferenčního systému vhodného pro komunikaci pracovníků výzkumných konsorcií. Další kapitoly popisují realizované videokonferenční řešení včetně jeho testování. 1. ÚVOD Komunikace v jakékoli formě dnes patří na popředí zájmů společnosti. V současnosti je velmi rozšířena hlasová komunikace prostřednictvím sítí GSM, UMTS a IP sítí, stále více se prosazuje i video komunikace. U video stejně jako hlasové komunikace se rozlišují dva typy spojení: dvoubodové spojení - dialog a vícebodové spojení - konference. Videokonference našly své uplatnění zejména u nadnárodních společností k vnitropodnikové komunikaci. K jejich nesporné výhodě patří nejen úspora nákladů za transport zaměstnanců, ale i značná úspora času. V současnosti se však díky prudkému vývoji v této oblasti stávají v určité míře dostupné i běžným uživatelům. Na poli videokonferenční techniky v posledních letech dominují společnosti LIFESIZE, POLYCOM, a TANDBERG. Většina z dnes dostupných zařízení je složeno minimálně z jednotky určené pro vícebodové spojení MCU (Multipoint Controller Unit) a registračního, řídicího a administrativního serveru pro správu multimediálních relací [1]. Dále mohou obsahovat software specializovaný na správu videokonferencí a brány do jiných sítí, např. 3G. Hlavním standardem určeným pro komunikaci je standard H.323, u většiny jednotek je podporován také protokol SIP (Session Initiation Protocol). Všechny dostupné videokonferenční systémy jsou přizpůsobeny obecným požadavkům uživatelů. Jednou z oblastí využití videokonferencí je komunikace mezi pracovníky ve výzkumných konsorciích, kteří mají specifické požadavky. V tomto případě je potřeba vyvinout takové řešení, které jim vyhoví. V následujících kapitolách je uveden současný stav řešení této problematiky. Popisované řešení využívá vývojový kit a hardware pro realizaci různých typů komunikace v rámci výzkumných konsorcií. Videokonferenční systém nabízí videokonferenční řešení založené na standardu H.323, podporuje i protokol SIP. Základní řešení je složeno z jednotky MCU k vytvoření konference pro dva a více účastníků, karet MVP (Media Video Processing) pro zpracování videa a externího serveru s nainstalovaným gatekeeperem a obslužným softwarem. Uživatelé videokonference mohou pro spojení využít hardwarových nebo softwarových H.323 terminálů. 2. ANALYZOVANÝ VIDEOKONFERENČNÍ SYSTÉM K analýze potřeb výzkumných konsorcií byl využit videokonferenční systém, jehož jádrem je SCOPIA 400 (Obr. 1), která je osazena moduly s DSP procesory umožňující kompresi a mixování audio a video signálů v reálném čase [2]. Testovaný systém se skládal ze tří modulů: 1 x MCU, 2 x MVP. Modul MCU je schopen současně obsloužit maximálně 96 uživatelů audiokonferencí, každý z modulů MVP obslouží až 48 uživatelů videokonferencí. Skutečný počet uživatelů se odvíjí od kvality přenášeného videa. Počet 48 spojení u MVP platí pro maximální přenosovou rychlost 384 kbit/s, což odpovídá kvalitě videa běžné aplikace na PC v rozlišení CIF (Common Intermediate Format). Při požadavku vyšší kvality videa odpovídající kvalitě SD (Standard Definition) může být využita přenosová rychlost do 2 Mbit/s, počet současně spojených uživatelů klesá na polovinu, tzn. 24. V případě kvality HD (High Definition) lze obsloužit pouze 12 uživatelů s přenosovou rychlostí do 4 Mbit/s [2]. Obr. 1: Šasí Scopia 400 Pro kompresi videosignálu je při komunikaci nejčastěji využíván videokodek H.264, může být použit i H.263 či H.261 [3]. Použitý kodek se definuje v nastavení konference před jejím vytvořením. Výměnu informací o podporovaných kodecích umožňují zprávy Terminal Capability Set protokolu H.245 [1]. Audio signál je standardně komprimován kodekem G.722.1, avšak stejně jako u videa může být dohodnut jiný z dostupných [2]. K přenosu audio i video signálu slouží protokol RTP (Real-time Transport Protocol) [4]. Konfigurace jádra videokonferenčního 58-1
systému se provádí pomocí webového rozhraní, které je dostupné na IP adrese jádra systému modulu MCU. Nedílnou součástí systému je gatekeeper uchovávající informace o registrovaných terminálech a dostupné šířce pásma. Gatekeeper je nainstalován na externím serveru a v případě požadavku na sestavení videokonference rozhoduje, zda jsou či nejsou volné prostředky pro sestavení spojení. Mezi jeho další funkce patří například tarifikace spojení, definování předvoleb pro sousední zóny (gatekeepery) a správa dostupných služeb [1], [5], [6], [7]. Na externím serveru může být také nainstalován software pro správu a plánování videokonferencí iview Suite jenž je stejně jako gatekeeper dostupný na webové adrese serveru a portu 8080. Zahrnuje iview Network Manager a iview Communications Manager [5], [6], [7]. Hlavním úkolem iview Network Manageru je shromažďovat informace o hierarchii sítě zahrnující všechny zóny a jejich schopnosti. Dále je zde možné nastavit vzdálená aktualizace hardwarových H.323 terminálů a sledovat dění v celé síti. Communications Manager v případě jeho užití přebírá veškeré informace z modulu MCU. Jeho přednostmi jsou rozšířené možnosti při vytváření videokonferencí, mezi něž patří například plánování, automatické rozesílání emailů účastníkům videokonference, automatické spojení s terminály při začátku konference, atd. Po sestavení konference slouží k moderování. Je zde možné zapínat a vypínat audio, video či sdílenou plochu konferujících účastníků, připojit nebo odpojit účastníka, prodloužit délku trvání konference, zapínat funkci zvednutí ruky či zobrazení právě hovořícího účastníka v hlavním okně. Pro videokonferenci z pohledu uživatele lze využít hardwarové nebo softwarové terminály H.323. Vzhledem k vysokým cenám hardwarových terminálů se u výzkumných konsorcií spíše předpokládá využití softwarových terminálů (Obr. 2). Společnost nabízí softwarové řešení terminálů SCOPIA Desktop. To se skládá ze dvou částí server SCOPIA Desktop a terminály a SCOPIA Desktop. Server SCOPIA Desktop je zpravidla instalován na externím serveru společně s gatekeeperem a iview Suite a je registrován u Gatekeeperu. Uživatelé se pomocí terminálů SCOPIA Desktop libovolně přihlašují k serveru SCOPIA Desktop, který jim uděluje dočasné licence. Připojují se však jen tehdy, když zavolají do předem známé konferenční místnosti. Jejich velkou nevýhodou je to, že nemají dočasně ani trvale přidělené H.323 číslo a tím pádem nejsou registrováni u gatekeeperu. Terminály tedy nemohou být volány, mohou pouze volat. Naopak výhodou tohoto systému je možnost nainstalovat terminály na neomezené množství pracovních stanic. Ostatní informace jsou dostupné v [8],[9]. 3. ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI A FUNKCIONALITY NAVRHOVANÉHO SYSTÉMU Videokonferenční systém určený pro využití ve výzkumných konsorciích by měl podle průzkumu provedeným u konsorcií výzkumných týmů na Vysokém učení technickém v Brně a u spolupracujících společností zahrnovat následující funkce: H.323 endpoint TANDBERG (laboratory) H.323 endpoint POLYCOM (conference room) uživatelsky přívětivé ovládání, adresář (kontakt list) účastníci by měli vystupovat pod svými jmény nebo aliasy a to i v případě webového klienta, definování uživatelských profilů, podpora vícebodových relací, záznam videokonferenčních sezení, práva uživatelů povolování jednotlivých služeb, přístup přes webové rozhraní nebo prostřednictvím klientské aplikace na PC, autentizace uživatelů, možnost zabezpečené komunikace. DESKTOP SERVER (desktop clients, streaming, recording) DESKTOP CLIENT INTERNET MCU Obr. 2: Obecný videokonferenční systém Tučně vyznačené body současnému systému s využitím serveru SCOPIA Desktop z důvodu jeho koncepce chybí. Jediná dostupná komponenta je nahrávání videokonferenčních relací, které je však ve standardní verzi omezeno na 5 minut záznamu. Pro delší záznam je zapotřebí zakoupit licenci, jejíž cena je v řádech sta tisíc českých korun, což je pro mnohé společnosti neúnosné. Z těchto důvodů byly vyvinuty další komponenty, které by měly splnit veškeré požadavky pracovníků oslovených konsorcií. 4. REALIZOVANÝ VIDEOKONFERENČNÍ KLIENT Vzhledem k nedostatkům systému bylo vyvinuto nové alternativní řešení, které má za cíl splnit veškerá očekávání pracovníků ve výzkumných konsorciích. Vyvinuté řešení je založené na systému popsaném v kapitole 2. Nový systém byl vyvíjen pod názvem SyTeS (Systém telematických služeb) a skládá ze serverové a klientské části (Obr. 3). Serverová část zahrnuje především gatekeeper SyTeS, který sdružuje veškeré informace od připojených klientů 58-2
v zóně. Gatekeeper SyTeS spravuje vlastní zónu s uživateli, která sousedí se zónou gatekeeperu. Pod klientskou část spadá koncový klient SyTeS vyvinutý v programovacím jazyce JAVA a webová aplikace. Klient SyTeS spolupracuje s videokonferenčním terminálem SCOPIA Desktop a plně jej využívá k provozu videokonference. Po spuštění se registruje ke gatekeeperu SyTeS a přijímá od něj informace o stavech ostatních uživatelů, se kterými sdílí uživatelské skupiny. Klient má tedy absolutní přehled o dostupnosti ostatních uživatelů. Služby gatekeeperu využívá až při vytváření konference. V případě navazování spojení může být vybrán jakýkoli uživatel pro volání (dialog) nebo skupina uživatelů pro volání (konference). Požadavek na sestavení spojení je posílán ke gatekeeperu SyTeS, který ho zpracuje a rezervuje u gatekeeperu prostředky a číslo konferenční místnosti, které následně rozešle všem volaným včetně volajícího. V této fázi gatekeeper SyTeS změní stavy volajícího a volaných účastníků na stav obsazeno. Klienti SyTeS po obdržení čísla místnosti automaticky toto číslo zavolají prostřednictvím klienta SCOPIA Desktop. MCU DESKTOP SERVER SyTeS MySQL databáze Nahrávání videokonferencí INTERNET Obr. 4: Registrace a přihlášení klienta u gatekeeperu SyTeS Volané číslo je vždy šestimístné a skládá se ze dvou skupin číslic. První skupina číslic (dvě číslice) definuje typ vytvářené konference, druhá skupina číslic (4 číslice) specifikují konkrétní konferenční místnost. Typ místnosti je možné definovat v rámci MCU jednotky a následně nastavit u klienta SyTeS. Obr. 3: Videokonferenční systém pro podporu výzkumných konsorcií Registrace u gatekeeperu SyTeS probíhá buď přímo z klienta, nebo z webového rozhraní. Po registraci je klient zařazen do implicitní skupiny a může komunikovat pouze s uživateli této skupiny. Administrátor může registrovaného klienta přiřadit i do jiných skupin. Zařazení do skupin je u vědecko-výzkumných konsorcií velmi žádáno, neboť umožní sdružovat kontakty lidí pracujících na specifickém úkolu. Navíc je těmto klientům umožněn záznam konferenčního sezení a shromažďování důležitých dokumentů na serveru. Tyto informace se ukládají v rámci probíhající konference a zůstávají uloženy na serveru do té doby, dokud je administrátor dané konference nesmaže. K archívu je možné přistupovat pouze z webového rozhraní. Průběh registrace a přihlášení klienta ke gatekeeperu naznačuje obr. 4. Veškerá komunikace na této úrovni probíhá prostřednictvím TCP spojení, neboť předávané informace jsou důležité a je potřeba jejich kompletní doručení. Pro komunikaci je využíván port protokol TCP, port 449. Klient je po přihlášení do systému informován o dostupnosti ostatních uživatelů. Obr. 5: Vytvoření videokonference Při požadavku na ukončení spojení se klient SCOPIA Desktop z místnosti odpojí. Tento stav monitoruje jak gatekeeper, tak i klient SyTeS, který předá informaci ke gatekeeperu SyTeS. Ten v zápětí změní stav klienta z obsazený na neobsazený a uvolní prostředky na gatekeeperu. 58-3
Obr. 8: Detaily jednotlivých sezení Obr. 6: Přihlášení do konferenční místnosti 5. ZÁZNAM VIDEOKONFERENČNÍCH SEZENÍ K dalším požadavkům pracovníků výzkumných konsorcií patřila možnost záznamu videokonferenčních sezení a opětovné spuštění záznamu. Záznam z konference je umožněn pouze administrátorovi, tzn. tomu, kdo inicioval spojení. Záznam je komprimován standardem H.263 v rozlišení CIF a je ukládán na externím serveru SyTeS do souboru (multimediálního kontejneru) AVI (Audio Video Interleave). Aplikace zaznamenávající videokonferenční hovor se při požadavku záznamu připojí k vytvořené konferenci a nahrává ji. Záznam zůstane uložen na serveru a je zpřístupněn všem účastníkům videokonference až do doby, dokud je administrátor celého systému nesmaže. Přehrát lze libovolným multimediálním přehrávačem s podporou kodeku H.263. Jednotlivé záznamy jsou ukládány podle data a času konference do kalendáře videokonferencí (Obr. 7, Obr. 8). 6. TESTOVÁNÍ VYVINUTÉHO ŘEŠENÍ Jedním ze základních kritérií pro vyvinutý videokonferenční systém je doba potřebná pro přihlášení se do systému a spojením se do konference. Tato doba se skládá z více na sobě nezávislých dějů. Jako první je doba strávená při přihlašování se do systému SyTeS, další položkou je doba pro nalezení účastníka, se kterým má být navázána videokonference a ke třetí položce patří samotné navázání videokonference. Pro měření bylo nezávisle na sobě v různých časech sestaveno 1 000 relací. Prvním měřitelným parametrem je doba potřebná k přihlášení uživatele do systému SyTeS. Ta závisí na počtu uživatelů, který má daný uživatel v kontakt-listu. Od tohoto počtu se odvíjí velikost přenášené zprávy od serveru SyTeS ke klientu SyTeS. V našem případu se jednalo o 10 uživatelů zařazených ve dvou skupinách. Průměrná doba potřebná pro připojení kolísala v rozmezí od 3,76 ms do 3,82 ms. Pro demonstraci je uvedeno kolísání potřebného času pro prvních 100 vytvořených relací (Obr. 9). Obr. 7: Kalendář videokonferencí K jednotlivým relacím lze také přiřadit dokumenty či jiné materiály týkající se dané relace. Tyto dokumenty může přikládat jakákoli osoba, která byla účastníkem dané videokonference. Obr. 9: Čas potřebný k registraci u gatekeeperu Následuje zpoždění při komunikaci s gatekeeperem a vygenerování čísla konferenční místnosti. Doba na zmíněné úkony kolísala od 0,92 ms do 0,97 ms. Následující časový interval určuje dobu, která začíná přihlášením účastníka do konference a končí tehdy, kdy účastník začne přijímat audiovizuální data ze serveru SCOPIA Desktop. Tento interval se pohybuje v rozmezí od 58-4
4,53 s do 5,28 s, kolísání pro prvních 100 relací naznačuje obr. 10. Obr. 10: Čas od přihlášení se do konference do získání obrazu a hlasu z MCU jednotky Z výsledků měření je patrné, že největší míru na době potřebné k vytvoření a následnému přihlášení se do videokonferenční místnosti má samotné přihlášení se do místnosti. 7. ZÁVĚR Článek pojednává o komplexním videokonferenčním systému navrženém k použití při komunikaci osob v rámci výzkumných konsorcií. Vyvinuté řešení vychází z videokonferenčního systému, který rozšiřuje o funkce požadované pracovníky v oslovených konsorciích. Jako hlavní přínos je považován externí klient, který je registrován u gatekeeperu a chová se jako klasický softwarový H.323 terminál. Tento klient rozšiřuje funkčnost klientů SCOPIA Desktop a to o možnost zavolat ostatní účastníky používající tento systém. U originálního klienta SCOPIA Desktop tato možnost v současné době není nabízena. Celý systém byl testován z hlediska funkčnosti a časové náročnosti na registraci u gatekeeperu a připojení se do videokonference. Výsledky měření jsou uvedeny v kapitole 6. Vyvinutý systém je v současné době plně využíváno ke komunikaci v rámci výzkumných konsorcií u společnosti Gity, a.s. a na VUT v Brně, Ústavu telekomunikací. LITERATURA [1] FIRESTONE, Scott, RAMALINGAM, Thia, FLY, Steve. Voice and Video Conferencing Fundamentals. Indianapolis : Cisco Press, c2007. 376 s. ISBN 978-1-58705-268-2. [2] SCOPIA 100/400 MCU [online]. 2009 [cit. 2009-11- 09]. Dostupný z WWW: <http://www.radvision.com /Products/Video-Products/MCUs/SCOPIA-100-400- MCU/default.htm>. [3] RICHARDSON, Iain. H.264 and MPEG-4 Video Compression. West Sussex: John Wiley & Sons, c2003. 281 s. ISBN 0-470-84837-5 [4] PERKINS, C. RTP: Audio and Video for the Internet. Addison-Wesley Professional, c2003. 432 s. ISBN 978-0672322495 [5] iview Suite : Administrator Guide. Version 5.5. Izrael : Ltd., 2007. 334 s. [6] iview Suite : Deployment Guide. Version 5.5. Izrael : Ltd., 2007. 82 s. [7] iview Suite : User Guide. Version 5.5. Izrael : Ltd., 2007. 97 s. [8] SCOPIA Desktop : Administrator Guide. Version 5.5. Izrael : Ltd., 2007. 21 s. [9] SCOPIA Desktop : Deployment Guide. Version 5.5. Izrael : Ltd., 2007. 84 s. PODĚKOVÁNÍ Článek vznikl na základě podpory poskytnuté v rámci projektu MŠMT 2E08035 Podpora výzkumných konsorcií pro zlepšení pracovních podmínek pracovníků ve vědě a výzkumu prostřednictvím telematických služeb, rámec Národní program výzkumu II. 58-5