fマルチメディア通信と分散処理ワークショップJ 平成12年12月
大量同時コンテンツ配信システム
VideoDome/InterDome
渡部智樹
岸田克己
伊佐治真
NTT
サイバーソリューション研究所
近年，w
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サーバへのアクセス集中やインターネットの輯蟻により f欲しい情報を確実に受信で きないという問題が顕在化している.特に最近盛んなイベント映像の田信では，映像が途切れたり， 全く視聴できないという事態を招いている.そこで我々は， 1対多型の通信サービスを利用し，附W ページやライブ映像などのインターネットコンテンツを 100万規模のユーザヘ同時配信可能なシス テム rVideoDome/ InterDomeJを開発した.A Data Transmission System Using Multi-Point Distribution on the Telephone Network Tomoki WATANABE Katsumi KISHIDA Shin ISAJI
NTT Cyber Solutions Laboratories
This article describes a WWW contents transmission system "VideoDome/lnterDome" using point-to-multipoint telephone service called "DataDome/TeleDome
ぺ
itprovides simultaneous distribution of real-time video and files to a million users without access congestion using our stream-type data transmission method over a one-way telecommunication network. Because the VideoDome/lnterDome distribution server system can be constructed from one personal computer and one ISDN line. its allows distribution centers to be made at a low cost.t
まえがき インターネットの普及により.WWW(World Wide Web)を使って，いつでも見たいときに見たい情報 を簡単に得ることができるようになった.また.最 近ではテキストだけでなく，絵や写真のほか，音声 や映像などのマルチメディアコンテンツをリアルタ イムに見ることができる.そのようなコンテンツは 年々増加し，特に人気のホームページやニュース性 の高いリアルタイムな映像では安定した受信・視聴 が困難となってきている.情報提供者が多くのユー ザへ確実に配信しようとする場合，アクセス数に見 合った回線容量と高性能なサーパが必要となり，高 コストになる.つまり，情報提供サーバのプロセス と受信ユーザとの聞はインターネット上で l対 lの 通信を行うため，ユーザが増えるに従って，その数 に比例した通信路とサーバの処理能力が要求される. そ こ で 著 者 ら は 対 多 型 の 通 信 サ ー ビ ス を 用 い て，サーバとなる l台のパソコンから複数のパソコ ンへのデータ配信を容易に実現する，大量情報配信 システムrJnterDomeJ および rVideoDomeJ を開発 した.1対多型の通信サービスとして，現在，音声に よる「テレドームJ
や「オフ，トーク通信J
といった ネットワークサービスが実施されており，アナログ InterDomeは，これらの音声同報サービスを利用して 実現される.テレドームは全国で同時に 100万規模 のユーザに情報提供することが可能であるため， InterDomeにおいても 100万規模のユーザへのデータ 配信が容易に実現できる.一方.定額性サービスの オフトーク通信を利用すると，輯綾なしで繋ぎ放題 のデータ受信が可能であり，ユーザの受信コストを 気にすることなく情報提供サービスを実現できる. さ ら に ， テ レ ド ー ム と 同 等 の 同 時 配 信 サ ー ビ ス を ISDN網で提供する「データドーム Jでは 64kbitlsで のデータ配信が可能で，これを使った VideoDomeは ライブ映像を 100万規模のユーザに容易に配信する ことができる[1]. 本稿は.これまでに発表してきた InterDomeおよ び VideoDomeの関連成果をまとめたものである.ア ナログ回線あるいは ISDN回線を用いたファイル同 時配信システム InterDome.映像同時配信システム VideoDome.そして，これらのシステムを応用ある いは統合したシステムについて.その中で適用した 技術を折り込みながら順に紹介する. 2 嘗積型コンテンツ毘信システム-lnterDome-2
.
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対多片方向通信サービス『テレドーム」 テ レ ド ー ム あ る い は オ フ ト ー ク ( こ れ 以 降 テ レドームjのみを記述するが機能的にはどちらも同 じである)は.1箇所の音源からのアナログ音声信号 を複数の加入者線へ分配する機能を持った，1対多型 情報提供者，
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， このサービスは.NTT
の交換 網におけるマルチ接続機能によ り実現されている.すなわち， l番目の呼が経由する各ディジ タル交換機では.I番目以降の呼 に対して新たな経路を設定せず， l番目の呼と同じ経路にマルチ に接続させ，接続先から伝送さ れてくるデジタルデータを 2番 目以降の接続に対しでもコピー し送信する.よって，話中はほとんど発生しない. また，このコピーは一方向で行われるため，結果と して，接続先となる情報提供者からユーザへの片方 向伝送となる. テレドームの最大分配数を理論的に算出してみ ると，段大マルチ接続数と，全国のマルチ接続可能 な交換機の数の積により求められるが，現在のとこ ろ数 100万となっている. テレドームは実際に，ファンクラブ情報やスポー ツの実況中継など，テレホンサービスの応用として 広く利用されており，ほとんどのユーザが話中なく 同時に聞くことができている.ただし，ユーザは情 報の始まりから聞けるとは限らず，途中から聞き始 めることは多分にありうる. 2.2 テレドームを使ったデータE
信 テレドームでデジタルデータを流すことができ れば.100万規模のユーザへの同時配信が実現する. そこで，モデムの変調音をテレホンサーピスでの音 声情報とみなしテレドームで流す， といったシステ ムを構築した. まず，音源となる音声情報の代わりにモデムを 使って変調音を生成し送出する.ユーザはモデムを 使い，この音源のあるテレドームに接続し.回線か ら流れてくる変調音を復調することによってデータ を受信する.複数のモデムが同時にテレドームに接 続しても，音源から流れる変調音を必ず受信できる ので，一度のアクセスで確実にデータを受信できる. しかし，テレドームは音源からユーザ側への片方 向伝送であるため.既存のデータ通信のように双方 向でネゴシエーションする伝送プロトコルをそのま ま適用できない.また，大多数の端末がそれぞれ非 同期に接続しでも.確実にデータ受信を開始できな ければならない.そこで，片方向通信で複数の端末 にデータ配信を行うための，片方向伝送プロトコル (表1)を開発した.このプロトコルでは，送出側と受 信側の双方で予め変復調方式を合わせておくため， 双方向ネゴシエーションは必要ない[2]， エラーフリーな環境において，片方向伝送プロト コルの送受信試験を実施したところ， lKByte/s以上 の実効通信速度を得た.また，エラーを擬似的に発 生させた環境においても，全ての送信コンテンツを 繰り返し2周以内で受信完了することを確認した[3].2
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テレドームに片方向伝送プロトコルを適用し，N
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の構成 褒，.片方向伝送プロトコルの主な仕様 変調 ITU-T Y.17 14.4kbitJs 方 式 (2線半二重プロトコル) キャリ 一定周期で送出・停止し，端末毎の非同期な接 ア送出 続に対応 データHLDC
フレームで行い，エフーリカパリのた 送受 めにコンテンツを繰り返し送出 コ二フーー フレーム単位でのエフー検出.エラーフレーム 制御 は破棄www
コンテンツを配信するシステム「アナログI
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を構築した(図2
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アナログI
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のサーバからは，クライアン ト側からの接続の有無に関係なく.www
ホーム ページのファイルセットをサーバのモデムへ繰り返 し送出する.モデムは受け取ったファイルセットの データを変調し，アナログ音声帯域の変調音を生成 し，テレドームの音源として流しつづける. クライアントでは .WWWブラウザからテレドー ムの回線番号を含んだI
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独自のURL
(詳細 は後述)をユーザが指定すると.モデムを使ってア クセスし，回線接続後，ファイルセットの受信を開 始する.全ての受信が完了すると回線を切断して， 受信したファイルセット(www
コンテンツ)をブ ラウザに表示させる.ファイルセットの送信途中で は，このファイルセットに含まれる全てのファイル リストが送出されており，クライアントは，このリ ストにより未だ受信していないファイルがあるかど うかを確認する. このようにtI
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ではHTML
などのwww
コンテンツを汎用のwww
ブラウザでアクセスし表 示することができるので.I
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へのアクセスや，逆にイ ンターネットのwww
ページからI
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へのア クセス.といったシームレスな相互参照やコンテン ツの共有利用が可能である.そのため，例えば，人 気のあるwww
のトップページにはI
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を 使って輯暢なくアクセスし，そのページから詳細な 情報のページあるいは個人の認証が必要とされる ページへのアクセスはインターネットで行う，と いった利用形態が容易に実現できる.2
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テレドームと同等の同時配信機能は ISDN網では 「データドームJと呼ばれるサービスで提供されて いる.そこで，データドームを用いたデータ配信システム
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ISDN InterDomeJを開発し，アナロ グ InterDomeと比べて高速かっ高信頼な， 64kbit/sのデータ同時配信を実現した. 一般の ISDNでの 64kbit/s通信では送信 側・受信側の2台のTA(Terminal Adapter)問で 同期 pppによる双方向通信が行われるが， データドームを使うと，回線接続後，データ は片方向で伝送されるため， pppなどのネゴ シエーションができない.そこで， ISDNの HDLCフレーム上に擬似的に pppフォーマッ トのデータを作成し.送信側TAと受信側TA の聞はこの擬似同期 pppフォーマットで片方 向に伝送させ，受信仰JITAで同期/非同期 ppp 変換を実行し，非同期 pppフォーマットでパ ソコンに伝送する.これにより，ネゴシエー ションの省略が可能となり，データドームに 一般TAを適用することができる.上位の伝送 方式についてはアナログ InterDomeと同様の 片方向伝送プロトコルを採用する. このような伝送方法により，同時アクセス数とは 関係なく，低負荷でデータを送信することが可能と なる.つまり， )番目の呼が接続すると，それ以降の 呼は交換網でマルチ接続されるため，多数のアクセ スがあったとしても 1対 1での接続の時と同程度の 負荷で対応できる. 3E
信コンテンツの切替え 3.1 コンテンツ切嘗え時の問題点 アナログあるいは ISDNの InterDomeを使って サービスを提供中に送信コンテンツを更新する場合， 接続中の受信端末がなければ，InterDomeサーバを一 旦停止し，コンテンツを入れ替えれば良い. しかし，接続受信中の端末が l台でもあると，そ の端末がそれまでに受信したデータと通信コストが 無駄(ロス)になってしまう.定期的に更新するサー ビスの場合は，受信側でアクセスするタイミングを 調整することができるが，不定期な状況では対応で きない.また，サーバが停止していて接続できない 端末は通信コストのロスはないが，送信の再開時刻 が分からないため，更新されたコンテンツを即座に 入手できない. 3.2 切嘗え予告情報の毘信 このような問題に対応するために，切替え指示か ら一定期間，コンテンツの配信と同時に「切替え予 告情報jを送信し，切替え時刻までに受信が完了す るかどうかを受信側で判断させ，全てのコンテンツ の受信が不可の場合は，切替えが終わってからアク セスさせる，といった手法を検討した[4]. まず送信側は.以下の手順を実施する. (1)現在のコンテンツ(ファイノレセット)を2周送信 するための所要時間 Trを算出し，切替え実施時 刻Ctを決定する. (エラー対策のため2周送信) 切替え実施時刻Ct= 現 在 時 刻 + 所 要 時 間Tr (2)時刻Ctまでの問，時刻 Ctと所要時間 Trを含ん だ切替え予告情報を，接続中の受信端末にコンテ ンツ送信の合間に定期的に送信する. 切替予告開始 コンテン引の切替実施(CI) 【送信側I
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α ツ ン 一 ア ン コ回
lABCDEIコ ン テ 刈￨
図3
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切脅え予告情報と受信動作 表2. ISDN InterDomeで本手法を適用した場合の コンテンツ切替え所要時間 送信コンテンツ 切替えまでの所要時間￨ サイズ 伝送時間 Tr(2周送信) (バイト) (1周送信) 100K 13秒 25秒 500 K 1分 3秒 2分 5秒 1M 2分 5秒 4分10秒 10 M 20分50秒 41分40秒 20 M 41分40秒 1時間 23分20秒 50M 1時間 44分10秒 3時間 28分20秒 (3)時刻印になったらコンテンツを切替える. 一方の受信端末は，切替え予告情報を受け取ると 切替え実施時刻Ctまでにコンテンツを全て受信可能 かどうかを判断する.コンテンツ切替え前後の4
つ の接続パターンを例に受信動作を示す(図3参照) . 【受信者l】と【受信者4]は切替え予告情報を受 け取ることなく受信を完了する. 【受信者 2] は， 切替え予告情報を途中で受け取るが時刻れまでに受 信完了できるので，コンテンツ αを継続して受信す る. 【受信者3]はコンテンツ αを完全に受信でき ないので一旦切断し，時刻れまで待機後，再接続し てコンテンツB
を受信する. 3.3 実際の運用 本方式により，コンテンツの不定期な切替えが必 要になっても，接続している端末の受信データと通 信コストのロスを最低限に抑えることができる. しかし，送信側の運用者がコンテンツの更新を指 示しても，実際に更新が実施されるまでにコンテン ツ 2周分の時間を要するため，送信されるコンテン ツはすぐに切り替わらない.そこで， ISDN InterDome を使って 64kbpsで伝送する場合，送信コンテンツの サイズに対する切替え実施までの所要時間Trを算出 した(表 2参照) . 配信しているコンテンツサイズがl
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単位はパイト.以下同じ)程度であれば 5分以内に切替えるこ とができるが， 20Mを超えると新しいコンテンツを 配信するまでに 1時間以上かかることになる.した がって運用者は，切替え実施までの所要時間とその 緊急度合いを考慮した上で，適切な切替え手法を選 択する必要がある. 4 ストリーム映像毘信システム-Vl deoDome-4.1 現在のストリーム映像配信ツール 現在のインターネットにおけるストリーム映像 配信ツールを大きく分けると ，TCP/IPを使うものと， IPマルチキャストを使うものの 2種類がある. TCP/IPを使うと，サーバとクライアントとの聞が l対 lで接続されるため，サーバではクライアントと 同じ数の送信処理，そしてクライアントに見合った 回線容量が必要となる.例えば， 64kbitlsで同時 100万 の接続を想定すると， 64Gbit/sの回線を用意しなけれ ばならず.サーバの運営に莫大なコストがかかる. 一方，サーバからクライアントまでの全ての経路 において IPマルチキャストを伝送できるネットワー クがあるとすると，1対多で配信することが可能にな るため，クライアント l台分の送信処理と回線容量 でサーバ環境を構築できる. しかし，インターネットの他のサービスの影響で 伝送容量が不安定になったり，プロパイダに用意さ れたアクセス回線数が不足するなどといった問題に より，実際，人気のあるライブ中継などでは，視聴 可能なユーザ数が限られてしまう. 4.2 ストリーム映像毘信の実現 そこで， 2.4節の ISDN InterDome の 伝 送 容 量 64kbit/sを活かして， リアルタイム映像などのスト リ ー ム 型 コ ン テ ン ツ を 配 信 す る シ ス テ ム rVideoDomeJを開発した[5].この VideoDomeを使 サーバ TA 情報提供者 (Jp
マノルデキャス
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64kb.必令ヂータ データドーム 園 4. VideoDon砲による映像毘慣の構成 用すれば .100万規模のユーザでも交換機がデータを 分配するため確実にデータを配信することが可能で， 人気の集中するライブでも全てのユーザが途切れの ない映像を観ることができる(図4
)
.
また，情報提供 者にとってもサーバを低コストで構築できるという メリットがある. VideoDomeは ISDNInterDomeと同様に片方向伝 送であるデータドームを利用しているため.T.CP/IP など双方向でのデータ送受信が要求される映像配信 ツールをそのまま利用できない.一方.IPマルチキャ ストを使った映像配信ツールは UDP/lPの片方向伝 送が前提であるため，双方向な伝送が必須でないも のも存在する.双方向に伝送される情報は伝送容量 を動的に制御するといった機能が多いが，データ ドームの伝送容量は 64kbitlsで固定であり容量の制 御は必要ない. そこで， VideoDomeでは双方向伝送が必須でない IPマルチキャストを使った映像配信ツールを対象と する.まず，データドームでは IPマルチキャストの データをカプセル化して伝送させる.クライアン卜 では，受信したデータを IPマルチキャストに復元し， インターネットから受信した IPマルチキャストと同 様に再生ツールで受信させる.このようにして， VideoDomeでは IPマルチキャス卜のデータを橋渡 しすることが可能で， IPマルチキャストに対応した 映像配信ツールであればそのまま使うことができる.4
.
3
ストリーム映像毘借方式の比較 4.2節で述べたインターネットでの映像配信ツー ルと VideoDomeでのストリーム映像配信について比 較した(表 3).インターネットでの映像配信は.ア ナログ 33.6kbitlsや ISDN64kbitlsなどの選択肢から ユーザのアクセス回線の伝送速度に合ったものを選 ユ}ザ ばせる方法が一般的である.また， 映像再生中にクライアントから の制御情報を受信し，ネットワー クの状況に応じて伝送容量を動 的 に 変 更 こ と も 可 能 で あ る . TCP/IPの場合，サーバ側の処理 能力や回線容量によって同時接 続数が制限されるため，視聴でき ないユーザが出てくる.一方. IP マルチキャストを使えば， TCP/lP よりも多くのユーザが同時に視 聴できるようになるが， 現在の 表3
.
ストリーム映像毘借方式の比較 イ ン タ ー ネ ッ ト で は， IPマルチキャ ス ト を 伝 達 し な い 設 定 に な っ て い る ネ ッ ト ワ ー ク が 存 在するため，全ての ユーザにまで IPマ ル チ キ ャ ス ト で 伝 達するのは難しい. こ の よ う に ， イ ン タ ー ネ ッ ト で は ネ ッ ト ワ ー ク の 状 ネット 配信プロトコル 伝送方向 伝送容量 同時接続の限界 ワーク 他のサービスのネットワー サーパの処理能 TCP!IP 双方向 ク利用状況に応じて個別に 力.ネットワーク インター 設定. 全体の回線容量 ネット 片方向/ 送信側で固定に設定.実際 IPマノレチキャス IPマルチキャス の受信可能容量をクライア ト 双方向(制 ントからサーバに伝え.動 トの伝達可能な 御情報) 的に変更することも可能. 範囲 VideoDome IPマルチキャス 片方向 固定(64kbit/s) 全国で数100万 トのカプセル化① ② 一 関 複 問 中 よ ' ア プ 再 上 ' よ 一 時 ツ に 干 h の る と 信 ア ム れ と の ツ い 生 ル 若 叫 そ き る 受 た 一 汁 る こ 生 た 再 一 は 加 ' で す の し リ 封 せ ・ 再 見 凶 号 ・ ・ 像 ツ 式 せ ス 定 ム 定 卜 駐 さ る ム - U 中 市 子 ゅ は 了 映 る 形 や さ セ ・ 指 一 指 ス 仰 了 す 一 く 山 町 時 川 鹿 川 比 叩 は す の ト 信 ク る を リ で た 像 終 断 リ よ 播 搬 す 相
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で 一 般 的 なURL
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に対して，InterDomeへのアクセスには dome.という
URL
を用い る.このURL
は， InterDomeクライアントの起動・ 終了に合わせて自動的にwww
ブラウザに登録・解 除されるので，使用するwww
ブラウザへの特別な 設定は必要ない. InterDomeで使用するURL
を図5
のように定義し た.ファイル受信の場合，アナログ回線ではテレドー ムセンタの回線番号を①のように， ISDN回線では回 線番号の後に":isdn"を付けて②のようにそれぞれ指 定する.受信後すぐにwww
ブラウザへ表示される ページは，情報提供者側でデフォルトを設定するの で，URL
内では特に指定する必要はない. 映像などのストリーム受信の場合は，送信中のマ ルチキャストデータと照合するための情報として， マルチキャストアドレスとポート番号を③のように -・・③ lnterDome応用技術とシステム例 これまでInterDomeの基本的な機能と利用形態を 説明してきたが，以下tInterDomeの技術を応用した 情報配信システムについて述べる. 6.1 InterDome Proxy -イントラネット利用 オフィスなどでのLAN
(イントラネット)環境で は，モデムや TA で公衆回線に直接接続されていな い端末が多いと考えられる.そのような環境におい ても.LAN
を経由して InterDomeへのアクセスを可 能とする rlnterDomeProxyJ
を開発した(図 6)• 公 衆 回 線 に 直 接 接 続 さ れ て な い 端 末(InterDorne Proxyクライアント)は，同じLAN
上で公衆回線に接 続している端末のInterDomeProxyサーバへアクセス し，代理でテレドームへアクセスさせ，ファイルを 受信させる.受信が完了すると受信したファイルが Proxyサーバからクライアントへと転送され，www
ブラウザへ表示される.Proxyサーバが一旦受信した ファイルは一定期間キャッシュとして蓄積され，同 じファイノレ要求があった場合にはテレドームへのア クセスを行わず，キャッシュのデータを要求元へ転 送するといった機能も備えている. ストリーム受信の場合も同様に.InterDome Proxy サーバがアクセスを行い，LAN
上にIPマルチキャス トでストリームデータを送出し，要求した Proxyク ライアントをはじめ，LAN
に接続する全ての端末が このデータを受信し同時に映像を見ることができる. このように InterDomeProxyでは，限られた数の 公 衆 回 線 をLAN
内 で 共 有 し ， よ り 多 く の 端 末 で InterDomeを利用することが可能となる.6
.
2
Integrated InterDome -クライアント統合 これまでに述べた通り，アナログ回線を利用したファイル，ストリーム
情報提供者 (直篠受信し，再生)受信端末
1
札AN経由で受信し，再生)受信端末2
図
6. InterDome Proxyの構成
アナログ InterDome. ISDN 回線を利用した ISDN
InterDome，ストリーム映像を配信する VideoDome， イントラネットから公衆回線を共有してアクセス可 能な InterDomeProxyなど，それぞれの利用形態に応 じた InterDome のサービスを提供してきたが.ユー ザはこれらの受信用ソフト(クライアント}を自ら選 び，切替えて使用する必要があった.そこで，全て の InterDome クライアント機能を統合し，適切なク ラ イ ア ン ト を 自 動 的 に 選 択 実 行 す る rIntegrated InterDomeJを開発した.この IntegratedInterDomeで は，アナログ InterDomeと ISDNInterDomeという異 種回線へのアクセスや，同時に複数の回線をそれぞ れ別な InterDomeサーパへのアクセスなど，より複 雑なアクセスでも lつの受信用ソフトで簡単に実現 できる.この IntegratedInterDomeを起動するだけで， ユーザは回線の種別や使用状況を気にすることなく. InterDomeの各種サービスをスムーズに利用できる. 6.3 DlvLlnk-伝送容量の鉱大 VideoDomeの伝送容量 64kbit/sでは，映像の画面 サイズやコマ数が限られてしまうため，より大きな 伝送容量が求められている.このような要望に対し， 64kbit/sのデータドームを 2本あるいはそれ以上同時 に 使 用 し て ス ト リ ー ム を 伝 送 す る シ ス テ ム rDivLinkJを開発した [6，7]. DivLinkは. 2本以上のデータドームに lつの映 像ストリームを分割して伝送し，個別に受信した データを結合することにより，元のストリームを復 元する. DivLinkを用いることにより， VideoDome では 64kbi凶であった伝送容量を，データドームを束 ねた分の容量にまで拡大できる.データドームを複 数利用した DivLinkは， 64kbit/s以上のマルチキャス トの橋渡しを実現し.高品質な映像ストリームを手 軽に配信することが可能なシステムである. 6.4 28鰻練用 TAの開発 DivLinkでは 1つのデータドームを利用する場合 には l台の TAが必要となるため.2つのデータドー ムを用いる場合には 2台の TAが必要となる.最近 の TAでは MP (Multilink PPP)と呼ばれる方式によ り l台の TA で 2B の接続が可能となっており， VideoDomeでも同様な 2B接続が要望されていた. そこで DivLinkの 特 殊 な 形 態 と し て 台 の TA で 2B(128kbit/s)のストリーム受信を実現するシステ ムを現在開発中である. MPでは 18の接続完了後に 双方向ネゴシエーションを行いt 28接続に移行する ため， MPを片方向伝送であるデータドームにそのま ま適用できない.現在は，片方向で28接続するため の TA制御方式の検討を進めている. 6.5 今後の思開 データドームでは情報料課金は提供されれてい ないが，インターネット上での課金システムと組み 合わせることも可能である.また，現在は携帯電話 や PHSからテレドームへの接続はできないが，これ が実現すれば，モパイル端末への強力な一斉情報配 信サービスが可能となる. 7 あと>>(@'
