ブロードバンド用高性能映像配信サーバ

ブロードバンドを活用したコンテンツ配偶ソリューション

ブロードバンド用高性能映像配

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竹内 理 ね由言わ/ゎたe〟C伽 レ･モアルタミエン1eMo∂/β∂加即 小林郁子 仙舟0伽由y∂吉山 櫻庭健年 乃拗0ぶ加ざ∂た〟招ム∂ 高性能映像配信サーバ 屯i∃ 管理情報 管理端末 ブロードバンド回線 (ADSL,FTTHなど) 映像データ クライアント(パソコン) +

サーバ

｢ミヨ 注:略語説明 ADSL(AsymmetrjcDigitalSubscriberLine)､FTTH(FibertotheHome) 高性能な映像配信サーバ ブロードバンド回線を介して,高品質な映像データを安定した品質で配信する映像配信サーバを開発し,これによって少ないサーバの台数で多数のユーザーに映像データを配信す る性能を極限まで高めることができた(十5Gビノト/S以上の配信性能を確保)｡同時に.広く普及しているクライアントソフトウェアや管理ソフトウエアとの連動も実現することができた｡ ADSLやFTTHをはじめとするブロード/てンド回線が 普及しつつある｡それに伴って,高品質映像の配信サー ビスを実用化しようという動きが高まりつつある｡しか し,既存の映像配信サーバには,(1)配信性能が低 い,(2)安定した品質での配信が困難などの課題が ある｡また,この課題が高品質映像配信サービスの実 用化の障害になっていることも明らかになってきた｡ 日立製作所は,高品質映像の配信サービスを実用 化するため,新たに高性能映像配信サーバの構成方

晋

はじめに

近年,ADSL(Asymmetric DigitalSubscriber _Line),

FTTH(Fiber to _{the Home),CATV(Cable Television)}

をはじめとするブロードバンド回線が普及しつつある｡これら のブロードバンド回線は,1ユーザー当たり1Mビット/s以上の 式を提案した｡また,この方式を適用して,新規に映 像配信サーバを試作した｡このサーバは,既存の映像 配信サーバに比べて配信性能が5倍以上向上してい る｡また,CPU(CentralProcessing Unit)負荷が 70%程度に達しても,10ms程度しか映像データの配 信遅延が発生せず,安定した品質で映像データを配 信することができる｡さらに,既存の映像配信サーバと の互換性を維持しているので,従来のクライアントソ フトウェアや管理ソフトウェアとの連動も図れる｡ 帯域を提供しており,高品質な映像情報の配信も十分に￣=r 能である｡ ブロードバンド回線を提供している各キヤリヤは,加入ユー ザーをさらに獲得するために,ブロードバンドの特件を生かし た新たなサービスの開拓を目指している｡その一つが高品質 映像の配イ言サービスであるが,既存の映像配信サーバには 多くの技術課題があるために,このサービスは実用化するに lけ評曲2Dり21(=29

■

は至っていない｡ ここでは,高品質映像配信サービス実用化の障害となって いる,既存の映像配信サーバの技術課題を明らかにし,この 技術課題を解決するために,日立製作所が提案している映 像配信サーバの構成方式について,また,その構成方法を 用いた映像配信サーバの性能評価結果と,今後の展望につ いて述べる｡

腰

既存映像配信サーバの技術課題

2.1 _{ローエンドタイプの技術課題} 現在市販されている映像配信サー′iは,ローエンドタイプと ハイエンドタイプの∴つに大別できる｡ ローエンドタイプの映像配信サーバは,汎用パソコンのサー バや汎用OS(Operating _{System)上に映像配信アプリケー} ションを搭載し,提供されていることが多い｡この映像配信サー バは,インターネットを介した映像配信に広く使用されている｡ そのため,クライアントソフトウェア(映像表示ソフトウェア)は, エンドユーザーが使用しているパソコンにプレインストールされ ていることが多い｡サーバの管理者も,このサーバ用の管理 ソフトウェアを使い慣れている,という利点がある｡しかし,ロー エンドタイプの映像配信サーバは,ビデオクリップなどの無料 映像を配信するために設計されており,これをブロードバンド の特性を生かした高品質映像の配信サービスに適用しようと すると,以下のような技術課題が発牛する｡ (1)低い配信性能 ローエンドタイプの映像配信サーバは配信性能が低いの で,高品質映像を配信する場合,1台のサーバから同時配 信できるクライアント数が十分ではない｡多数のクライアント(ユー ザー)にサービスを提供しようとすると,多数の映像配信サー バが必要となり,サービス提供の際に必要となるサーバ設備 コストやサーバ管理コストが増大する｡その結果,高価なサー ビス料金でしかサービス提供ができなくなる｡ (2)安定した品質での配信が困難 ローエンドの映像配信サーバは,特にサーバが高負荷状 態になった際に,安定した品質で映像配信を行うことが難し い｡その結果,特に人気コンテンツの配信を有料化すること が困難になる(ユーザーは課金されているにもかかわらず,不 安定な品質の映像しか受信できないこととなる)｡ 2.2 _{ハイエンドタイプの技術課題} ハイエンドタイプの映像配信サーバは,専用ハードウェア, 専用OS上に映像配信アプリケーションを搭載して提供されて いることが多い｡ハイエンドタイプの映像配信サーバは,放送 素材の配信などのような高品質映像が必安な特殊用途での 使用にも耐えられるように設計されている｡しかし,これをブ

30Flほ評論200川

ロードバンド回線用の映像配信サービスに適用しようとすると, 以下の技術課題が発生する｡ (1)高価な専糊ハードウェアの使用 専用ハードウェアは高価であり,サービス提供の際に必要 となるサーバ設備コストを増大させる｡その結果,高価なサー ビス料金でしかサービス提供ができなくなる｡ (2)専用ソフトウェアのインストールと使用の強要 ハイエンドタイプの映像配信サーバ用の専用クライアントソ フトウェアは,エンドユーザーが使用しているパソコンにはプレ インストールされていない｡そのため,エンドユーザーは新しく 専川クライアントソフトウェアをインストールしなければならない｡ また,サーバ管理者は,使い慣れていない専用管理ソフト ウェアを使用しなければならない｡

題

高性能映像配信サーバの構成方式

ここで提案する高性能映像配信サーバの構成方式は,前 章で示した技術課題の解決を目的に設計されている｡この方 式では,ローエンドタイプの映像配信サーバにわずかな改変 を加えることにより,(1)配信性能の改善,(2)配信品質保 証機能の追加,(3)互換性の維持(従来どおりのクライアント ソフトウェアや管理ソフトウェアの利用が■吋能)を同時に実現 する｡ 高性能映像配信サーバの構成方式を図1に示す｡この方 式では,ローエンドタイプの既存映像配信サーバと,配信エン ジンノードを並置する｡ 既存の映像配信サーバでは,クライアントからの配信要求 に応じて映像データの芙配信を実行するモジュール(図1で は｢配信エンジン+と表記)が,汎用OSのディスクのⅠ/0(入出 力)やネットワークⅠ/0を用いて配信処理を実行する｡汎用OS のⅠ/0は実行オーバーヘッドが大きいうえに,サーバが高負荷 状態になった際には,安定したレートでⅠ/0を実行し続けるこ 管理ノード 既存管理 ソフトウェア 配信状況 など インタフェースは不要 独自OSを利用した 配信性能の改善, 配信品質の保証 既存映像の配信サーバ 配信管理部 配信･登銀指示 配信実行部 L.里匡三上之エ.j

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独自OS 配信エンジンノード クライアント 配信要求 インタフェースは不要 配信指示転送 映像データ 既存クライアント 注:略語説明 _{OS(OperatingSystem)} 図1高性能映像配信サーバの構成方式の概要 既存映像配信サーバから配信エンジン部分を分離し,独自のOSを搭載した配信 エンジンノード上で実行する｡

ブロードハンド用扁性脚央倭配信サーハ■

とが難しい｡そのため,十分な配信性能が確保できず,配信 品質が保証できないという課題があった｡ この課題を解決するため,この方式では,上記｢配信エン ジン+の部分を既存の映像配信サーバから分離し,並置した 配信エンジンノード上で実行させるようにした｡配信エンジン ノードには,日立製作所が開発した独自のOSを搭載する｡ この独自のOSは,汎用パソコンサーバを用いた映像配信に 適用することを前提に設計されており,Ⅰ/0の実行オーバー ヘッドを極限まで低減しているうえ,サーバが高負荷になって も安定したレートで実行し続けるための独自Ⅰ/0スケジューリ ング機能も持っている｡この結果,既存映像配信サーバの配 信性能が改善されるとともに,このサーバに配信品質保証機 能を追加することもできる｡ このような改変を既存の映像配信サーバに加えても,映像 配信サーバとクライアントソフトウェア問のインタフェース(配信 要求や映像データを送受信するためのインタフェース)や,映 像配信サーバと管理ソフトウェア間のインタフェース(配信状 況についての情報などを送受信するためのインタフェース)は 変わらない｡この結果,既存の映像配信サーバとの互換件を 維持し,従来どおりのクライアントソフトウェアや管理ソフトウェ アを利用することもできるようになる｡

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性能評価結果

口立製作所は,3章で述べた高性能映像配信サーバの構 成方式を適用し,新規の映像配信サーバを試作した｡ここで は,この映像配信サーバの性能評価結果について述べる｡ この性能評価に用いた実験システムを図2に示す｡この実 験システムでは,｢負荷ジェネレータ+から,｢既存映像配信サー パソコンサーバ 既存映像 配信サーバ パソコンサーバ仕様 PC/AT*1互換機 Pentium*21.26GHz搭載

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ーーー■ (Ultra160HDDX16台) パソコンサーバ 新規映像 配信サーバ パソコンサーバ 配信 エンジン ノード 一一一一 配信要求 ≡ 叫ヽ￣こ⊥--. ギガビット

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配信要求 負荷 ジェネレータ (Ultra160HDDX16台) 注:略語説明ほか PC/AT(PersonalComputer/AdvancedTechnologies) HDD(HardD弓skDrive) *1PCノATは,米国lnternationalBusinessMachinesCorp.の商標である｡ *2Pentiumは,米国仙elCorp.の登含量商標である｡ 図2実験システムの概要 従来の既存映像配信サーバと,配信エンジンとの連動をサポートとした新規映像 配信サーバの性能を比較した｡ (∽､エヘ･山≡)エー上州←山虹 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ∩) (U O O O O n) 0 6 4 2 0 8 6 4 2 注:小一イ芸ゝbvw(新規サーバ) ◆(既存サーバ) 200 400 600 800 1,0001,2001,400 配信要求数 (a)配信レートの変動 0 0 0 0 (U O O O O O O (U 9 8 7 6 5 4 3 2 1 (ざ)捉収⊃LO (∽∈)宕咄仰ナ刈叩小-≠ 0 0 0 0 0 ∩) 0 0 0 5 0 5 0 5 0 ｢C 注:Jゾや〟ゾk(新規サーバ) ◆(既存サーバ) 0 0 2 400 600 800 1,0001,2001,400 配信要求数 (b)CPU負荷の変動 注咋､､数､∧･ふゝ(新規サーバ) -◆-(既存サーバ) 10 20 30 40 50 60 70 80 CPU負荷(%) (c)データ送信遅れの変動 図3測定結果 新規サーバは,既存サーバに比べて配信性能が5倍以上向上している｡ バ+や｢新規映像配信サーバ+に,1,42Mビット/sのビットレー トを持つ映像データの配信要求を発行している｡発行する 配信要求数を変動させた場合,各サーバの配信レート, CPU負荷,データ送信遅れの変動を測定することにより,各 サーバの配信性能や配信品質保証能力にどの程度の差が あるかを評価した｡ 測定結果を図3に示す｡この評価により,以下のことが明 らかになった｡ (1)新規映像配信サーバは既存映像配信サーバと比べて 配信惟能が約5倍l叶卜している｡つまり,1.42Mビノト/sの映 像データの,1.000ストリーム以上の同時配信を可能としてい る｡これは,新規映像配信サーバを使用することにより,映像 配信サービスを提供する際に必要となるサーバ設備コストを,

少なくとも÷に低減することができることを意味する｡

(2)既存映像配信サーバでは,配信性能が飽和している際 にCPU負荷が100%に達している｡それに比べて,新規映像 配信サーバは,配信性能が飽和している際のCPU負荷が 70%以下である｡これは,新規映像配信サーバが,パソコン サーバのPCI(PeripheralComponentInterconnect)バス の帯域限界に達する配信性能を実現しているためである｡今 後は,PCI-Ⅹなどの広帯域バスに対応したⅠ/0デバイスの汁与

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現により,既存映像配信サーバと新規映像配信サーバの配 信性能差がさらに広がるものと考える｡ (3)新規映像配信サーバは,CPU負荷が高くなってもデー タの配信遅れが10ms前後しか発生していない｡このことは, 新規映像配信サーバが,人気コンテンツ配信などのサーバを 高負荷にする配信でも,安定した品質で実行することができ ることを意味する｡

霧今後の展望

ここで示した高性能映像配信サーバの構成方法を応用す ることにより,高性能な映像配信サーバだけではなく,以下に 示すような特徴的な製品群も提供していく｡ (1)大規模映像の配信システム 映像配信サーバをバックボーンネットワークの中央に一台配 置し,配信エンジンノードをバックボーンネットワークのエッジに 複数自分散配置する(図4参照)｡このような構成をとっても, クライアントからの配信要求は必ずLP央の映像配信サーバに 課金などの集中管羊 既存映像の配信サーバ 映像データの分配 要求転送 配信エンジン キヤ 配信エンジン

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映像 データ 配信エンジン キャッシュ キャッシュ 近傍キャッ 映像データを分散配信 クライアント クライアント クライアント 図4大規模映像配信システム 配信エンジンの台数に応じたスケーラブルな性能向上と,消費ネットワ冊ク帯域の 低減を図ることができる｡ 竹内 理

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到達するため,課金処理などの管理処理を集中して行うこと ができる｡一一方,映像配信処理では,エッジに存在する配信 エンジンノードが分散して実行するので,配信エンジンノード 数に応じてスケーラブルに同時配信クライアント数を増大する ことができる｡また,クライアントと配信サーバのネットワーク的 な距離が短いので,映像配信に要するネットワーク帯域を削 減することができ,ネットワークの編棒(ふくそう)などによる映 像配信の品質劣化を発生しにくくする｡なお,分散配置した 配信エンジンに耐障害機能を持つディスク装置(日立製作所 の｢SANRISEシリーズ+など)を利用すれば,ディスク障害発 生時の運用管理コストを大きく低減することができる｡ (2)監視映像向けの映像配信サーバ 映像配信サーバ(図1参照)が,各地に設置されたカメラ からの監視映像を受信し,ディスクにリアルタイムに蓄積する 機能を追加する｡独自のOSによってⅠ/0を実行するので,多 くの地点からの監視映像がディスクに蓄積され,安定した品 質での監視映像配信を同時に行うことができる｡

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おわりに

ここでは,高品質な映像配信サービスの実用化を図ること ができる高性能映像配信サーバの構成方式の概要と,この 方式を適用して新規に試作した映像配信サーバの性能評価 結果について述べた｡ 日立製作所は,この構成方法を応用した映像配信サーバ の早期製品化を図っていく｡さらに,この映像配信サーバを 核とし,ユーザーのニーズにこたえた,総合的なブロードバン ドソリューションを提供していく考えである｡ -一参考文献- -1)竹内,外:HiTactixを応用したDarwinストリームサーバl帥ナⅠ/0エン ジンの設計と実装,情報処理学会研究報告,No.090(2002,6) 執筆者紹介 1994年[_J立製作所人札 システム開発研究所第3部所属 現在,次世代映像配信システムの研究開発に従弔 情報処稚学会会員 E-mこ1il:1-はkeしtせノSdl.hitachi.c().jp 小林郁子 198叫三=･ンニ製作所人手セ システム開発研究所第3部所靖 視れ 次1叶代映像附言システムの研究開発に従事 情報処理学会会ムi E-mail:katsulれとl("Jsdl,llitaclli.c(),jp 当敬〝濁 レモアルダミエン 2000年R布製作所入社,システム開発研究所第3部所属 現在,次叩二代峡傾配信システムの研究開発に従事 轡 _{E-1ユー乙Iil:danlieIl世sdl.11itaclli.co,Jp} 櫻虞健年 覿_′Ⅶ崩 ㌧Wも′ご､∨曾 1983年日立製作所入社,システム開発研究所第3邦所属 現在,次担りと映像配信システムやセキュリティの研究開発 に従事 ACM会員,1上王EE会員,情報処理学会会員,11本数学会会員 E-1nail:salくし1raba￠jsdl.hitaclli.co.jp