PPT 協調的輻輳制御を用いた 映像配信機構の設計と実装

インターネットにおける TCP 協調型の DV 転送技術

通信総合研究所 杉浦一徳

慶應義塾大学政策メディア研究科 小川晃通

通信総合研究所 中川晋一

慶應義塾大学

中村 修 慶應義塾大学

村井 純

発表概要

• インターネット協調型の、 DV( デジタルビデオ ) 技術を用いた映像・音声配送技術の実現

– バーストトラフィックの解決

– ネットワークにおけるジッタの軽減

• ネットワーク空間の共有

– 協調制御

– TCP との協調

• 本発表の DV Over IP デモンストレーション

次 : 研究の背景と目的

本研究の背景と目的

–

実時間性が必要

• TCP は再送、輻輳制御を自立的にしてしまう

• TCP は利用困難

–

既存アプリケーションは、

を用いた輻輳制御 機構のないパケット送出

• ネットワークで混雑に対して無関心

• _{混雑の要因要素}

• 映像・音声データはトラフィック量が多い

• 他通信と協調した映像・音声配送機構の実現 ネットワーク上では厄介者

• インターネットにおける映像・音声の配送

次 :DVTS について

DVTS

（ Digital Video Transport Syste m ）

• デジタルビデオ IP 転送システム

• DV(Digital Video)

• UDP を使用

• RTP を使用

次 :DVTS の動作

DV Transport System 全体像

IEEE1394 Cable

Consumer DV Camera

IEEE1394 Cable

Internet

DV→Internet PC Internet →DV PC

Consumer DV Deck

DV Transport System 全体像

IEEE1394 Cable

Consumer DV Camera

IEEE1394 Cable

Internet

DV→Internet PC Internet →DV PC

Consumer DV Deck

DV Transport System 全体像

IEEE1394 Cable

Consumer DV Camera

IEEE1394 Cable

Internet

DV→Internet PC Internet →DV PC

Consumer DV Deck

次 :DVTS のトラフィック

DVTS での送信トラフィック

• DVTS における 占有ネットワーク帯域

• 常時３０ Mbps の帯域を確保するのは困難

–

画像の間引きによる利用帯域の削減

音声の間引き処理

• コミュニケーションの重要な要素

音声の途切れ = コミュニケーションが成り立たない

• 占有帯域削減に対する効率と，変換コスト

–

画像の間引き手法

• コマ落とし、フレーム削減 ( フレーム飛ばし )

30Mbps

次 : フレーム間引き

• 画像間引きなし

• 画像間引き率　 1 / 2

• 画像間引き率　 1 / 3

DVTS における

画像フレームの間引き

DV フレーム

映像データ 音声データ

音声を含む DV パケット

音声を含まない DV パケット 次 : 利用帯域

画像間引き率と帯域

0.005.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

Video Aud

i ^音声 o

Full Rate Audio : 2.64 MBps Full Rate Video : 27.58Mbps

（計算値）

（ Mbps)

画像間引き率

10Mbps 以下 画像

5Mbps 以下

3 ． 56Mbps(1fps)

次 : デモンストレーション

パケット間引きにおける デモンストレーション

• 画像間引きにおけるデモンストレー ション

次 : バーストトラフィック Panasonic

NV-DJ100

Intel:Celeron 466MHz PC 128MB, PhotoDV IEEE1394 100BaseTX Ethernet

IEEE1394 _Ethernet

Switch

ルータ ルータ

阪大 CRL

RTT=21[ms]

画像フレーム間引きにおける バーストトラフィック

• 定期的にバーストトラフィックが発生する

– 画像フレームの送信、非送信の連続

• １／４の画像間引き率におけるトラフィッ ク

0 50 100 150 200 250 300

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

（計算値）

DV フレーム

パケット数

次 : パケットの破棄

破棄 破棄 破棄

バーストトラフィックによる パケットの破棄

ルータ

パケットキュー

次 : バーストトラフィックの解決 音声パケット

映像パケット

バーストトラフィック の解決方針

• バースティパケットフローの平滑化

– シェーピング，フローコントロール

• 音声・画像パケットの分離

– 画像と音声を個別に扱う

• 音声パケットに対する優先制御

– 音声ジッタの解決

次 : シェーピング

アプリケーション

送信ホストによるシェーピン

（バーストトラフィックの抑 グ 制）

次 : 音声パケットのジッタ

画像データのバーストトラ による音声データのジッタ フィック

アプリケーション

音声パケット 画像パケット

音声パケットが 待たされる 音声パケットが

待たされる 音声パケットが

待たされる

送信ホスト

次 : 音声・映像の分離

トラフィックの分離による解 決

アプリケーション

音声パケット 画像パケット

画像 queue 音声 queue

音声パケットは 優先される 送信ホスト

次 : ジッタの実証実験

音声ジッタの実証実験

• 様々な条件で音声データに対するジッ タを測定

ここの帯域を 変更して測定

sender receiver

100Mbps

DV stream 大きな queue

Audio packet Video packet ルータ

1 / 7 の画像間引き率で 送信

100 Mbps10 Mbps 音声と映像を分離して

音声に対して優先制御

次 :100Mbps における実験

従来方式（１００ Mbps ）

• １００ Mbps 環境での音声データの ジッタ

– 十分大きなネットワーク帯域 – 良好な音声

usec

sequence

音声データの間隔が

６ｍｓを超えると音声が途切れる

次 :10Mbps 実験

従来方式（１０ Mbps ）

• １０ Mbps 環境での音声データのジッ タ

– 音声の定期的な途切れ

usec

sequence

大きな遅延が発生定期的に

次 :10Mbps+CBQ

提案方式（１０ Mbps with CB Q ）

• １０ Mbps 環境で送信者が音声に対し て優先制御したときの音声データの

ジッタ

優先制御をしない場合に 比べ小さい

usec

sequence 次 : 結論 1

音声ジッタ実証実験による結 論

• 音声に対するジッタを解決した

– 映像によるバーストトラフィックの解決

• 音声ジッタの発生

– 映像・音声分離による音声ジッタの解決

次 : 協調制御

協調的輻輳制御機構

協調的輻輳制御機構の必要性

• インターネットでのネットワーク帯域

–

動的にネットワークの消費帯域は変化する

ネットワーク帯域に応じた動的な対応

• TCP には輻輳制御機構がある

–

インターネットのトラフィックの大部分は

は動的にネットワークに適応する

• 映像のリアルタイム通信は主に UDP を使用

– UDP

には輻輳制御機構がない

次 :TCP+UDP は犬猿の仲

TCP sender

UDP sender

輻輳 送信量

送信量

TCP packet UDP packet

TCP ＋ UDP 　トラフィック

TCP sender

UDP sender

輻輳 送信量

送信量

TCP packet UDP packet

TCP ＋ UDP 　トラフィック

TCP sender

UDP sender

送信量

送信量

輻輳回避のため、

送信量を減少

TCP packet UDP packet

TCP ＋ UDP 　トラフィック

TCP sender

UDP sender

送信量

送信量

輻輳回避のため、

送信量を減少

TCP packet UDP packet

輻輳制御機構がないので、

送信量はそのまま

TCP ＋ UDP 　トラフィック

TCP sender

UDP sender

送信量

送信量

輻輳回避のため、

送信量を減少

輻輳制御機構がないので、

送信量はそのまま TCP packet

UDP packet

TCP ＋ UDP 　トラフィック

次 : 輻輳制御機構

DVTS の動的輻輳制御機構

• RTCP を使用して受信者から送信者へ

　　パケットロスに関する情報を渡す

– 送信者は TCP 以上に帯域を使っていたら 画像間引き率を下げる

• TCP の使いうる最大帯域の式（ by S.Fl oyd ）

– TCP friendly traffic

B : パケットサイズ p : パケットロス率 R : RTT

次 : 動的レート調整の実験

動的レート調整実証実験

• DVTS+DVTS トラフィックの協調

– ホスト A→ ホスト C – ホスト B→ ホスト D

Router 1 A

B

C

D Router 2

10Mbps (a)

DVTS トラフィック DVTS トラフィック DVTS 送信

DVTS （２）送信開始 DVTS （２）送信終了

次 : 画像間引き率グラフ

DVTS+DVTS （自動調整）

• 送信者からの送信画像間引き率の推移

– 最適な送信レートを維持

DVTS トラフィック　１ DVTS トラフィック　２

トラフィックが増えると

画像間引き率が減少 トラフィックが減ると 画像間引き率を復活

DVTS ＋ DVTS （トラフィッ

• DVTS ２個目が開始されると一つ目の ク量）

DVTS はトラフィック量を減らす

DVTS トラフィック　１ DVTS トラフィック　２

DVTS ２開始

同様の帯域を使用それぞれ

帯域使用量を復活

TCP と DVTS トラフィックと の協調

• TCP ＋ DVTS の協調

– DVTS 　 ：　ホスト A→ ホスト D – FTP1 　　：　ホスト B→ ホスト E – FTP2 　　：　ホスト C→ ホスト F

Router 1 A

B

C

D

Router 2 E

F 10Mbps

(a)

DVTS トラフィック

FTP トラフィック × ２ DVTS 送信

FTP2 送信 FTP1 送信

TCP ＋ DVTS （画像間引き

• 新しいトラフィックが開始されると送 率）

信のための画像間引き率が減らされる

DVTS トラフィック　１

FTP トラフィックが増加すると 画像間引き率を減少させて

適応した

TCP ＋ DVTS （トラフィック

• DV ＋ FTP ＋ FTP 量）

DVTS トラフィック FTP トラフィック　１ FTP トラフィック　２ FTP1 開始

FTP2 開始

最終的に同様の帯域を共有

結論

• 自動的に送信量を調節する、映像・音 声の転送方式を実現した

– バーストトラフィックを解決した

• トラフィックの平滑化

• 音声と画像の分離

– 動的輻輳制御機構を開発した

• パケットロスの軽減

• 他トラフィックとの協調

• TCP 親和性が高い

– 実証実験として DV/RTP を実現した

Additional Information

• STREAM WG

http://www.sfc.wide.ad.jp/~uhyo/html/japan/STREAM

• 配布

http://www.sfc.wide.ad.jp/DVTS/

今後の流れ (1)

Dvview for X Windows

今後の流れ (2)

• ストリームメディア変換システム

• メディアストレージジューク

• ローカルエリアネットワークによる運

用