Менеджер управления мультимедиа-сетью

Менеджер управления мультимедиа-сетью 1
Манакова И.П., асп. УрФУ, iman@vidicor.ru
Аннотация
В работе рассматривается проблема функционирования
сети доставки мультимедиа-контента (CDN) с ограниченными
ресурсами её элементов. Выделена сущность «Менеджер
управления CDN», требующая реализации. Указаны
требуемые компоненты менеджера и их функции. Приведены
результаты
проектирования
менеджера.
Предложены
алгоритмы управления нагрузкой мультимедиа-сети для
менеджера.
1. Введение
Развитие мультимедиа-технологий, расширение и улучшение каналов
связи повлияло на распространение мультимедиа-сетей. Вещание событий
в реальном времени, просмотр записей из архивов на сетевых серверах и
вещание интернет-телеканалов приобретают всё большую популярность.
Однако в настоящее время существуют проблемы, связанные с
ограниченностью ресурсов элементов мультимедиа-сетей (скорости
каналов связи, производительности узлов-маршрутизаторов и др.).
Поэтому важной задачей при организации массового просмотра
мультимедиа-данных через сеть Интернет является построение поверх IPсети специфической мультимедиа-сети CDN (Content Distribution Network
– сеть доставки контента).
Такая сеть должна решать вопросы управления доставкой
мультимедиа-контента конечным потребителям (зрителям) в условиях
ограничений на ресурсы элементов сети. Кроме того в этой сети должны
решаться задачи распределённого хранения контента и транскодирования
(тоже с ограниченными ресурсами). Должны также осуществляться
мониторинг состояния сети, предсказание возможной нагрузки, устранение
неполадок, выработка рекомендаций по развитию сети.
В работе приводится анализ существующих решений по управлению
CDN. Предлагается программно-аппаратный комплекс «Менеджер
управления CDN», который позволяет устранить ряд проблем,
оговоренных ранее. Приводятся результаты проектирования менеджера.
Предлагаются алгоритмы управления нагрузкой мультимедиа-сетей.
Научный руководитель работы д.ф.-м.н., профессор УрФУ В.В. Прохоров.
Работа выполнена при поддержке НПЦ «Видикор» и НТИ(ф) УрФУ.
1
2. Представление мультимедиа-системы
Рассмотрим пример системы мультимедиа-вещания [1]. Она
представляет собой мультимедиа-сеть (Рис. 1), включающую источники
(«стримеры» и «репликаторы»), хранилище-архив, зрителей медиаданных
(клиентов) и транспортную сеть передачи данных.
Рис. 1: Пример CDN
Основная задача данной системы – доставка мультимедиа-контента
зрителю (конечному потребителю) через публичные интернет-каналы. На
систему налагаются условия, связанные с ограниченностью ресурсов
элементов
мультимедиа-сетей
(скорости
каналов
связи,
производительности узлов-маршрутизаторов и др.).
Репликаторы выполняют функции как простой ретрансляции
(передачи) потока, так и репликации – ретрансляции с размножением
данных (поток, полученный от источника в одном экземпляре, может
раздаваться сразу нескольким получателям). Мультимедиа-контент
представляет собой две составляющие: мультимедиа-потоки, передаваемые
в реальном времени (Streaming Media – живое/потоковое медиа), и записи,
которые хранятся на сервере (Media on Demand – медиа по запросу).
Рост количества зрителей может приводить к перегрузке элементов
сети, что будет вызывать ухудшение качества приёма у клиентов. Это
делает актуальным решение задачи автоматического (программного)
управления системой в реальном времени. При этом система в целом
должна быть построена иерархическим образом как совокупность
вложенных подсистем, что целесообразно осуществлять с использованием
мультипарадигменного подхода [2].
3. Анализ существующих подходов к управлению CDN
Исследователями и разработчиками предлагается ряд подходов к
построению CDN. Скажем, концепция предлагаемая в [3], подразумевает
построение системы из множества серверов, содержащих распределённые
копии данных, которые клиенты могут копировать с «ближайшего» к ним
сервера. Даже такой подход является оптимизационным, поскольку
нагрузка на систему распределяется между серверами; в нашем случае
мультимедиа вещания нагрузка на стримеры распределяется между
репликаторами (Рис. 1). Однако этот подход не рассматривает возможные
ограничения на ресурсы элементов сети для разных топологий её
построения и на динамику изменения топологии. В то же время учёт этих
особенностей является важным при управлении нагрузкой мультимедиасетей. В связи с этим в известных публикациях предлагаются другие
решения. Они опираются на два аспекта управления системой.
Первый аспект – раздача мультимедиа-контента клиентам, т.е.
управление системой при условии, что количество получателей остаётся
неизменным. При этом для решения проблемы распределения нагрузки
между элементами (узлами и дугами графа сети) можно изменять
маршруты следования мультимедиа-потоков [4]. Что активно используется
при организации маршрутизации. Однако в ходе анализа существующих
решений было установлено, что в случае построения мультимедиа-сети
важен не столько выбор «кратчайшего пути» доставки контента (что
обычно требуется от алгоритмов маршрутизации), сколько оптимальное
распределение нагрузки между элементами в течение больших
промежутков времени за счёт управления схемой маршрутизации.
Алгоритмы маршрутизации не решают эту задачу.
Второй аспект – подключение новых клиентов, т.е. управление
системой при условии роста количества потребителей. В этом случае
необходимо определить, к какой из точек раздачи контента подключить
нового клиента и как сформировать путь доставки контента в эту точку.
Наиболее часто используемыми методами распределения нагрузки
между узлами считаются циклический алгоритм («Round Robin») и
«взвешенное обслуживание» («Weighted Fair Queuing») [5]. Для специфики
CDN предлагаются специальные решения. Кроме этого предлагаются
решения с использованием протоколов сбора статистической информации
о сети и готового программного и аппаратного обеспечения. Однако эти
решения не учитывают многих аспектов мультимедиа-систем. Например,
существование нескольких потоков данных на узлах мультимедиа-сети,
разные схемы кодирования и декодирования данных и др.
Опираясь на сказанное выше, были сделаны следующие выводы по
задаче улучшения работы мультимедиа-сети:



при наличии программно-аппаратного комплекса по доставке
мультимедиа-контента зрителям есть проблема оптимального
управления таким комплексом;
на данный момент нет готового решения по управлению, которое
учитывало бы все аспекты мультимедиа-систем;
для управления мультимедиа-сетью необходим дополнительный
программно-аппаратный комплекс; в качестве такого комплекса
предлагается «Менеджер управления CDN».
4. Менеджер управления CDN
Согласно анализу, представленному в п. 3, были выделены следующие
задачи, которые должен решать «Менеджер управления CDN»:
оптимизация подключения новых клиентов, сбор, хранение, отображение
статистической информации о системе вещания, управление нагрузкой на
аппаратное обеспечение узлов и на каналы мультимедиа-сети (Рис. 2).
Рис. 2: Менеджер управления CDN
Указанные на Рис. 2 компоненты можно охарактеризовать следующим
образом:
«Менеджер подключения пользователей» активируется в том
случае, если в систему поступает запрос на подключение нового клиента.
Данный компонент вырабатывает оптимальный план подключения, отвечая
в каждый данный момент времени на вопросы: «возможно ли подключение
данного клиента?», «какой из имеющихся возможностей воспользоваться,
чтобы подключить клиента?» и «к какой точке подключить клиента?».
«Менеджер сбора и хранения данных о мультимедиа-системе»
предполагает несколько режимов активации: круглосуточный мониторинг,
активация «по требованию» (например, раз в день, раз в час, раз в минуту).
Этот компонент вырабатывает оптимальный план сбора и хранения
статистической информации о системе в целом, узлах, клиентах, отвечая
на вопросы: «как и когда собирать данные о системе?», «где хранить
собранные данные?», «какие данные необходимы для сбора и хранения?»,
«какие возможности обработки данных необходимо осуществить?».
«Менеджер
отображения
статистической
информации»
взаимодействует с теми данными, которые удалось получить во время
работы «Менеджера сбора и хранения данных о мультимедиа-системе». Он
может активироваться «по требованию» или же работать в реальном
времени. Менеджер должен выработать (выбрать) оптимальную стратегию
(алгоритм) отображения статистической информации. Основные вопросы,
которые решает этот компонент – «в каком виде отобразить данные из
хранилища?», «какие данные необходимо отобразить в указанный момент
времени?», «какие методы статистической обработки информации
необходимо использовать?», «какой пользовательский интерфейс
необходимо предоставить?».
«Менеджер
управления
нагрузкой
мультимедиа-системы»
активируется тогда, когда на участках системы возникает повышенная
нагрузка. Менеджер должен выработать (выбрать) оптимальную стратегию
(алгоритм) снижения нагрузки на точке (точках). Основные вопросы,
которые должна решать данный компонент – «каким образом разгрузить
точку(и) во время трансляции?», «каким образом разгрузить точку(и) во
время подключения нового клиента?».
Поскольку задачи, которые должны решать указанные на Рис. 2
сущности, оговорены, далее приводится краткое описание работ,
проведённых в каждом из направлений.
4.1. Менеджер подключения пользователей
Результаты по моделированию менеджера подключения пользователей
приведены в [6, 7]. Алгоритм подключения новых пользователей включает
в себя следующие составляющие (Рис. 4):
Рис. 4: Подключение новых клиентов
Алгоритм «Минимум подключений» широко используется при
управлении нагрузкой в многосерверных системах. Алгоритмы
«Управление качеством видео» и «Перемещение зрителей» предлагаются
автором в [6, 7]. Алгоритм «Смена схемы связи узлов» в известных
публикациях не рассматривается и требует изучения.
4.2. Менеджер управления нагрузкой мультимедиа-системы
Задачи, которые решает «Менеджер управления нагрузкой
мультимедиа-системы», во многом схожи с задачами, которые решает
«менеджер подключения пользователей» при повышенной нагрузке и
перегруженности. Их решение должно снимать проблему подключения к
системе дополнительного клиента, т.е. они являются частным случаем
более общей задачи, возможности управления системой также включают в
себя «Смену схемы связи узлов», «Управление качеством видео»,
«Перемещение зрителей».
4.3. Сбор, хранение, отображение статистической информации
Комплексное наблюдение за системой является одним из важных
условий качественного управления. Оно необходимо для экстренного
реагирования, предсказания поведения клиентов и будущей нагрузки.
Имеется достаточно много специализированных средств мониторинга
сетей и сетевых узлов; интересная таблица их сравнения приведена в [8].
Однако в этих системах учитываются не все аспекты мультимедиа-сетей,
необходима разработка дополнительного программного комплекса.
5. Дальнейшие направления исследований
В работе был приведён анализ существующих решений по
управлению нагрузкой в CDN. Установлено, что существующие подходы
не учитывают всех особенностей мультимедиа-сетей, работающих в
условиях существования ограничений на ресурсы элементов сети. В связи
с этим был предложен дополнительный программно-аппаратный комплекс
«Менеджер управления CDN». В работе обозначен круг задач, которые
должен решать менеджер. Были приведены результаты исследований,
описаны алгоритмы по управлению нагрузкой мультимедиа-сетей.
Дальнейшие направления исследований включают в себя:

исследование вопроса изменения схемы связи узлов во время
раздачи мультимедиа-контента и подключении новых клиентов;
 исследование вопроса сбора, хранения, отображения информации
о мультимедиа-сети.
В результате работ будет реализован и внедрён в существующую
мультимедиа-сеть «Vidicor Video System» [1] «Менеджер управления
CDN».
Автор благодарит В.В. Прохорова за постановку задачи и оказанную
помощь.
Список литературы
1. Интернет-видеосистема Vidicor Video System. Официальный сайт
продукта. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vidicor.ru
(дата последнего обращения: 01.04.2013).
2. Prokhorov, V.V. On Microcontext Approach to the construction of
Knowledge
Representation
Languages
and
Human-Computer
Interaction//Journal of Computer and Systems Sciences International, 1997,
№5. – P.5-16.
3. Риз, Дж. Облачные вычисления: Пер. с англ. – СПб: БХВ-Петербург,
1201. – 288 с.: ил. ISBN 978-5-9775-0630-4, с. 262.
4. Gerald, R. Ash, Prosper Chemouil 20 Years of Dynamic Routing in CircuitSwitched Networks. – [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://perso.rd.francetelecom.fr/chemouil/gcn_ieee/DynRout20.pdf
(дата
последнего обращения: 01.04.2013).
5. Носков В., Криницын К., Пономарёв А. Балансировка масштабируемых
приложений. Открытые системы №08, 2012. – [Электронный ресурс]. –
Режим
доступа:
http://www.osp.ru/os/2012/08/13019244/
(дата
последнего обращения: 01.04.2013).
6. Манакова И.П., Петров К.Б. Распределение пользователей по
видеосерверам онлайн трансляции с условием минимального
перемещения зрителей. Технические науки – от теории к практике:
Материалы
X
международной
заочной
научно-практической
конференции (28 мая 2012 г.) [под ред. Я. А. Полонского]. Новосибирск:
Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. – 27-35 с.
7. Манакова И.П., Петров К.Б. К вопросу о подключении пользователей к
мультимедиа-сети.
«Инновации
науке»:
материалы
XVI
международной заочной научно-практической конференции. Часть 1
(28 января 2013 г.); Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013, 94-108 с.
8. Comparison of network monitoring systems. – [Электронный ресурс]. –
http://en.Wikipedia.org/wiki/Network_monitoring_comparison
(дата
последнего обращения: 01.04.2013).