Менеджер управления мультимедиа-сетью

Менеджер управления мультимедиа-сетью1
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 требующая реализации
сущность «Менеджер управления CDN». Указаны требуемые
компоненты менеджера и их функции.
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.
Массовый просмотр прямых трансляций и записей требует
построения поверх IP-сети специфической мультимедиа-сети CDN
(Content Distribution Network – сеть доставки контента). Эта сеть должна
решать вопросы управления доставкой мультимедиа-контента конечным
потребителям (зрителям) в условиях ограничений на ресурсы элементов
сети (скорости каналов связи, производительность узлов-маршрутизаторов
и др.). 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». Устанавливается круг задач, которые должен решать
менеджер. Приводятся результаты исследования, оговариваются вопросы,
требующие дальнейшего изучения.
2. Представление мультимедиа-системы
Рассмотрим пример мультимедиа-системы [1]. Она представляет
собой мультимедиа-сеть (Рис. 1), включающую источники («стримеры»),
Научный руководитель работы д.ф.-м.н., профессор УрФУ В. В.
Прохоров. Работа выполнена при поддержке НПЦ «Видикор» и НТИ(ф) УрФУ.
1
хранилище-архив, зрителей медиаданных (клиентов) и транспортную сеть
передачи данных.
Рис. 1: Пример CDN
Основная задача системы – доставка мультимедиа-контента зрителю
(конечному потребителю) через публичные Интернет-каналы. При этом
репликаторы выполняют функции как простой ретрансляции 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. Подходы к управлению CDN
Концепция построения CDN подразумевает разработку системы,
состоящей из множества серверов, содержащих распределённые копии
данных, которые клиенты могут копировать с «ближайшего» к ним сервера
[3]. Фактически такой подход уже является оптимизационным, поскольку
нагрузка на систему распределяется между серверами. В нашем случае
повышенная нагрузка на стримеры распределяется между репликаторами
(Рис. 1). Этот подход не рассматривает возможные ограничения на ресурсы
элементов сети для разных топологий её построения и динамику
изменения топологии.
В более общем случае можно выделить 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]. В нашем случае
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.
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]. С учётом
особенности CDN предлагаются специальные решения. Кроме этого
предлагаются решения с использованием протоколов сбора статистической
информации о сети и готового программного и аппаратного обеспечения.
Учитывая приведённые выше примеры и особенности современных
мультимедиа-систем, вещающих через публичные интернет-каналы,
сделать следующие выводы по задаче улучшения работы мультимедиасети:



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
На менеджер управления возлагаются задачи: 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.
Отвечая на три вопроса «возможно ли подключение данного клиента?»,
«какой из имеющихся возможностей воспользоваться, чтобы подключить
клиента?» и «к какой точке подключить клиента?», данный компонент
вырабатывает оптимальный план подключения, который возможен в
данный момент времени.
«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).
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?», этот компонент вырабатывает оптимальный план сбора и
хранения статистической информации о системе в целом, узлах, клиентах.
«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. Основные вопросы, которые решает сущность – «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 должен выработать
(выбрать) оптимальную стратегию (алгоритм) отображения статистической
информации.
«Менеджер
управления
нагрузкой
мультимедиа-системы»
активируется тогда, когда на участках системы возникает повышенная
нагрузка. 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?»
Менеджер должен выработать (выбрать) оптимальную стратегию
(алгоритм) снижения нагрузки на точке (точках).
5. Результаты
Поскольку круг задач, которые должен решать «Менеджер управления
CDN» были оговорены ранее, здесь приводятся главным образом только
направления, которые нами активно исследуются на данном этапе работы.
5.1. 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
Вариант «Смена схемы связи узлов» в имеющихся публикациях не
обнаружен, он требует изучения. Эту задачу должен решать «менеджер
управления нагрузкой мультимедиа-системы», однако здесь она возникает
не в случае постоянного количества зрителей, а при подключении нового
клиента.
5.2. Менеджер управления нагрузкой мультимедиа-системы
Во многом задачи, которые решает «Менеджер управления нагрузкой
мультимедиа-системы», схожи с задачами, которые решает «менеджер
подключения
пользователей»
при
повышенной
нагрузке
и
перегруженности. При этом «снимается» проблема подключения к системе
дополнительного клиента, т.е. задача является частным случаем более
общей. Поэтому возможности по управлению системой также включают в
себя «Смену схемы связи узлов», «Управление качеством видео»,
«Перемещение зрителей».
5.3. Сбор, хранение, отображение статистической информации
Комплексное слежение за системой является одним из важных
условий качественного управления. Это необходимо для экстренного
реагирования, предсказания поведения клиентов и будущей нагрузки. На
сегодняшний день известно достаточно много специализированных
программ по мониторингу сетей и сетевых узлов. Интересная таблица
сравнения приведена в [8]. В данном направлении проводятся анализ
существующего программного обеспечения и выбор оптимального
решения.
6. Дальнейшие направления исследований
Поскольку составляющие «Менеджера управления CDN» обозначены
и вопросы, которые они должны решать, оговорены, дальнейшие
направления исследований включают в себя более детальное рассмотрение
пунктов, указанных в разделе 5:



исследование проблемы изменения схемы связи узлов при
подключении нового клиента, при повышенной нагрузке на
мультимедиа-сеть и при перегрузках;
исследование вопроса управления качеством конечного видео;
выбор подходящего существующего программного обеспечения по
сбору, хранению, отображению статистической 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,
12011. – 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).