「マルチメディア通信と分散処理ワークショップJ平成15年12月
動的制御ルールを用いたベストエフオートネットワーク上での
リアルタイム映像配信システム
加藤由花
美冬梅
箱崎勝也
電気通信大学大学院情報システム学研究科 E-mail:[email protected] 本稿では，ベストエフオートネットワークであるインターネット上でのリアルタイム映像配信サービスの実 現を目指し，システム環境の変化に柔軟に対応可能なビデオストリーム配信システムの提案を行う.本シ ステムの特徴は，システム環境に応じて動的に変化する制御ルールを利用すること，ストリーム視聴中に ネットワーク状態の推定精度を徐々に上げていくこと，サービス品質劣化要因を積極的にユーザに開示して いくことの3点である.これらの特徴によって，簡易なネットワーク状態推定手法を用いても，ユーザ満 足度の高いサービスの提供が可能になる.本稿ではさらに，本システムの実装例として，研究室内に構築し た実験システムの構成を示す.A
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YUKA KATO DONGMEI JIANG KATSUYA HAKOZAKI Graduate School of Information Systems， University of Electro-Communications E-mail:[email protected] This paper proposes a streaming video system which can be used in various system environments. The target of the system is real-time video delivery services in the Internet.This system has three features. The白rstis using QoS control rules adapting to the system environment.The second is improving estimation accuracy of the network condition gradually while viewing the stream. The third is notifying the degradation factors of service quality to the system users actively. These features make it possible to provide services with a high level of customer satisfaction. In addition， this paper shows the experimental system in our laboratory as the implementation examples.
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はじめに
近年，アクセスネットワークのブロードバンド 化に伴い，インターネット上での映像配信サービ スの実現が望まれている.そのため， MPEGを始 め， Windows Media Technology (WMT) [1]， Real System[2]， Quick Time[3]など，様々なストリーミ ング技術が開発され，広く利用されている.一方， 本格的なユピキタス社会の到来を目指した研究開発 の進展とともに，インターネットへのアクセス手段 やアクセスする端末の種類は急速に多様化している. アクセス回線の速度としては，携帯電話 (96∞
bps) や電話回線 (56kbps)などの低速なアクセスから， LAN環境(数十 数百Mbps)からの高速なアクセ スまで，その差異はますます大きくなっている.ま たアクセス端末の種類としても，これまで想定され ていたPCからのアクセスだけではなく，ゲーム端末やSTB(Set Top Box)からのアクセス， PDAや携 帯電話からのアクセスなど，多種多様な端末からの アクセスを考慮する必要が出てきた.インターネッ トはペストエフオートネットワークであるため，こ れまでもその上で提供されるサービスの品質を完全 に保証することはできなかったが，このようなシス テム環境の多様化に伴い，著しいサービス品質の低 下が引き起こされる可能件.が増大している. このような背景から これまで インターネット 上でのストリーミング技術を対象に，多種多様なシ ステム環境からのアクセスに対して適応的にサー ビス品質を調整する手法が多く提案されてきた.例 えば，エンドツーエンドのネットワークの空き帯域 や輔犠状態に応じて，ストリーミングの転送レート を制御する方式が提案されている [4][5].前述した WMTやRcalSystemにおいても，エンコードレー トの異なる複数の映像ファイルを統合して扱うこと
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一により，ネットワーク状態に適応したストリームの 配信を実現している.さらに，メディアデータを適 切なフォーマットやエンコードレートに変換するト ランスコーデイング手法によって，様々なシステム 環境に対するストリーミングサービスを実現する研 究[6][7]，マルチキャスト環境において適応的に転 送レートを制御するシステムの研究[8]，無線区間 を対象とした適応的制御手法に関する研究
[
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など が行なわれている. しかし，性質の大きく異なるネットワークを相互 接続した環境では，動的に転送レートを制御する方 式では対処しきれない場合や， トランスコーデイン グ処理に大きな負荷がかかる場合などが考えられる. その結果，相互接続点において通信の品質が大きく 劣化する可能性がある.また，このような環境では， ネットワーク形態やネットワークに接続するユーザ 端末が動的に変化するため，システム環境を高い精 度で推定することは困難である.その結果，システ ム環境に適応した制御の精度が低下する. 本稿では，これらの問題の解決を目指して，シス テム環境に応じて動的に変化する制御ルールを用い たリアルタイム映像配信システムの提案を行う.本 システムでは，動的な制御ルールを用いることによ り，簡易なネットワーク状態推定手法の利用を試み る.また，映像品質の完全な保証を目指すのではな く，映像品質に対するユーザの満足度が向上する制 御手法の確立を目指す.これは，映像レート制御の 本来の目的は，映像を試聴するユーザがその映像品 質に対する満足度を高めることにあるためである.2
システム構成
本稿では，多種多様なシステム環境に適応した 映像配信システムの構築を目指す.ただし，ここで の考察対象は，ペストエフオートネットワークであ るインターネット上でのサービスとする.そのた め，本システムでは，ネットワークレベルでのQoS (Quality ofService)制御は行なわない.提案するシ ステムの特徴は以下の3点である. -サービス開始前に，サーバ周辺のネットワーク 状態を観測し，その状態に適した制御ルールを 作成する.これは，システム環境に適応した映 像品質の制御を行なうためには，サービス提供 中にネットワーク状態を迅速に推定する必要が あることによる.この制御ルールは，サーバ周 辺のシステム環境に応じて動的に変化する. ・簡易なネットワーク状態推定手法を利用する. これは，多種多様なシステム環境においては， ネットワーク状態を高い精度で推定することが 困難であることによる.推定の精度が低いこと から，初期転送レートは低いレートから開始し， 映像の視聴中に推定精度を上げることにより， 徐々にシステム環境に適したサービス品質へと 調整を行う. ・ネットワーク輔撲などによりサービス品質が悪 化した場合，そのサービス品質やネットワーク 情報をユーザに開示する.これは，本システム における制御の目的が，ユーザの品質に対する 満足度向上にあることによる.ユーザへの品質 情報の開示により，サービスに対するユーザの 不満足度の低減を目指す. これらの特徴を満足するようにシステムの設計を 行なった.提案するシステムの構成を図 lに示す. 本システムでは，システム環境に適したエンコー ド方式，転送レートの映像を配信するため，単一の 映像入力に対して複数種類のエンコーダおよびス トリーミングサーバを用意する.そして，同一映像 を複数の異なる品質レベル(エンコードレート，フ レームレート，画面サイズなど)で符合化し，配信 する.1章で述べたように，システム環境に適した 映像配信を実現するためには，サーパ側で適応的に 転送レートを変更する方法や， トランスコーダによ りエンコード方式や転送レートを変換する方法が採 られることが多い.しかし，これらの方法では，新 しいエンコード方式への対応や，既存のストリーミ ングサーバの利用などが困難である.本システムで は，既存のストリーミングサーバを複数用意するこ とによって，これらの問題の解決を図っている(さ らに，新方式のストリーミングサーバを，適宜増設 することも可能である). 次に，本システムのモジュール構成について述べ る.上記の特徴を実現するため，本システムを，情 報収集モジュール，サービス受付モジュール，制御 モジュール，品質提示モジュールの4種類のモジュー ルから構成することとした.モジュール聞の処理の 流れを図2に示す.まず，サーピス開始前に，情報 収集モジュールがサーバ周辺のネットワーク構成や ネットワークへの接続手段などの情報を収集する. これらの情報は，システム管理者によって手動で設 定される.情報収集モジュールはこれらの情報を基 に制御ルールを作成し，このルールを制御モジ‘ュー ル内に保持する.次に，ユーザからの視聴要求が あったとき，この要求はサービス受付モジュールに よって処理され，ユーザ認証後，ユーザ情報とネッ トワーク状態を測定した結果を制御モジュールに通 知する.制御モジュールでは，これらの情報と制御 ルールに従って，提供するサービス(どのストリー。 。
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サーパ群が接続されたネットワークのパック ボーン帯域を決定し，入力する. 6.クライアント OS，ネットワーク接続手段，サー パ周辺のネットワーク構成，パックボーン帯域 別に，利用するビデオフォーマットおよび初期 転送レートを決定し，これを制御ルールとして システム内に保持する. 例えば， IOOMbpsのネットワーク速度を持つLAN 内にストリーミングサーバ群が設置されている場合 を考える.このとき，まず， LAN内のユーザからの アクセスとそれ以外からのアクセス(インターネッ ト経由)を区別する.そして，そのLANが比較的 規模の大きいものであれば，同一セグメント内から のアクセスとそれ以外からのアクセスを区別する (概ね， ドメイン，サプドメイン単位でアクセスを 区別する).上記の手順 4によって周辺ネットワー ク構成を確認した後，これらの区別はサーパからの ホップ数によってのみ行なう.ここではアクセスが LAN内からのものか，インターネット経由のもの かを区別するためにホップ数を利用する.そのため， ストリーミング転送レートとホップ数の問に相関関 係はない.それに対して，インターネット経由のア クセスと判断された場合は，エンドツーエンドのボ トルネック帯域によってアクセスの種類を56kbps， 1 28kbps， 512kbpsの3種類に区別する.本システム では，簡易なネットワーク状態推定手法を利用するた め，このような狭帯域のみを区別の対象としている. 利用するビデオフォーマットをDVTS(Digital Video Transport System) [11]を利用したDVフォーマット， MPEG2， WMT， Real System， Quick Timeの5種 類とし，クライアント OSの種類を MSWindows， LinuxlUnix， Machintoshの3種類とすると，作成さ れる制御ルールの例は表1のようになる.このよう に，サーバ周辺のシステム環境に合わせて事前に制 御ルールを作成し，制御モジュールに保持しておく.3
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2
サービス受付モジ‘ュール
サービス受付モジュールは，ユーザから映像の視 聴開始要求があると，開始要求通知とともに，当該 クライアント端末の OS，IPアドレス，ホスト名， 端末の種類 (PC，PDA，携帯電話など)などの情報 を取得する.本システムでは， Webブラウザ経由で 視聴の開始要求をサービス受付モジュールに通知す るので， HTTPプロトコルによってIPアドレスとホ スト名を取得する.また，ユーザがメニューを選択 することによってOSと端末の種類を取得する.本 システムでは，これらの情報を制御モジュールに通 知することにより，この視聴開始要求が制御ルール のどの項目に該当するかを決定する. ここでは，表 1の例の場合を考える(この例で は，ホップ数が5以上のとき LAN外からのアクセ スと判断するにまず，本モジュールは，管理サーバ からクライアント端末に向けてT
江=5のICMPパ ケットを送出する.その結果， ICMPエラーパケッ トが返ってきた場合はLAN外からのアクセス，そ れ以外の場合はLAN内からのアクセスと判断する. LAN外からのアクセスと判断された場合は，帯域 測定ツールpathchar[12]を利用し，サーバとクライ アント聞のボトルネック帯域を測定する.これらの データは制御モジュールに通知され，サーピスを提 供するストリーミンク・サーバの種類と転送レートの 初期値B印itが決定される.一方， LAN内からのア クセスと判断された場合は， TTL=1のICMPパケッ トを送出し，同一セグメント内からのアクセスか否 かを判断する.そしてその結果を制御モジュールに 通知することによって，ストリーミングサーバの種 類と Binitを決定する. ここで一般に，帯域測定ツールを利用したボトル ネック帯域の測定では，測定する帯域が広い場合， 長い測定時間が必要になる.また，その測定精度も 低いものになることが知られている.そこで本シス テムでは，狭帯域を対象にこの測定結果を利用する こととしている.具体的には，表1の例のように， 512kbps以上， 128kbps以上， 56kbps以上の3段 階 に分類するために，この測定結果を利用している.3
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制御モジュール
制御モジュールは，サービス受付モジュールから 通知されたユーザ情報とネットワーク情報を基に， サービスを提供するストリーミングサーパの種類 と転送レートの初期値Binitを決定する.ただし， ここで決定したサーバと転送レートは，簡易なネッ トワーク状態推定結果に基づいたものである.その ため，制御モジュールでは，ユーザの映像視聴中に サーパ側で転送パケットを監視することにより，こ の依を補正する.ここでは， TCP-friendlyレート制 御手法[13]を利用し，以下の式(1 )に従って送出 可能な最大レートを算出する. T=1.5.
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まとめ
本稿では，システム環境に応じて動的に変化す る制御ルールを利用することにより，簡易なネット ワーク状態推定手法を用いても，ユーザ満足度の高 いサービスの提供を可能とする，リアルタイム映像 配信システムの提案を行なった.本システムの特徴 は， (i)サービス提供中にネットワーク状態を迅速に 推定するため，サービス開始前にサーバ周辺のネッ トワーク状態を観測し，制御ルールを作成しておく こと， (ii)簡易なネットワーク状態推定手法を用い るため，低い帯域でストリーミングの転送を開始し， 視聴中にネットワーク状態の推定精度を上げていく こと， (iii)ネットワーク輯鞍などによりサービス品 質が悪化した場合は，そのシステム環境情報をユー ザに提示することにより，ユーザの品質に対する不 満足度の軽減を目指すことの 3点である.本稿では さらに，研究室内に構築した実験システムの構成に ついて述べ，本システムの実装例を示した. 今回，制御ルールの作成には，ホップ数，ボトル ネック帯域，クライアント OSという限られたパラ メータのみを利用したが，今後，アクセス回線の種 類など，より多様なパラメータを対象とした制御 ルールの検討を行なっていく予定である.また，本 稿では，ユーザにシステム環境情報を提示すること によりユーザの不満足度は軽減するという前提で議 論を進めてきたが，この定量的な評価は行なってい ない.今後，提示パラメータおよび提示方法の検討 を進めるとともに，ユーザに対する主観評価実験に よって，不満足度の軽減度合いを明らかにしていく 予定である.さらに，これらの手法を実験システム に実装し，検証実験を行なっていく予定である.参考文献
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