Videokonferencia rendszerek minőségi garancia jellemzőinek elemzése. Bevezetés Gál Zoltán, zgal@cis.unideb.hu Karsai Andrea, kandrea@cis.unideb.hu Debreceni Egyetem Informatikai Szolgáltató Központ Napjainkban az Interneten továbbított különféle multimédiás szolgáltatásokra egyre nagyobb szerep hárul. A video továbbító megoldások palettája egyre szélesebbé válik: az egyszerűbb szoftveres alkalmazásoktól a videó megfigyelő rendszereken, az off-line, illetve valós idejű-jellegű streaming videon keresztül a bonyolultabb videokonferencia alkalmazásokig. A best effort típusú átviteli technikák feletti valósidejű jellegű alkalmazások gyors terjedése szükségessé teszi a hálózati erőforrás igényének pontosabb behatárolását ahhoz, hogy a felhasználói oldalon megfelelő minőségű szolgáltatást kapjunk[]. Ennek megállapítása nem egyszerű feladat, hiszen a minimális sávszélesség igényen túl ez magába foglalja a protokoll adatelemek továbbításának különféle minőségi garanciáit is[].. Gyakori videoátviteli megoldások IP hálózaton Az audio és video átvitel esetén jelentkező probléma a QoS-t nem biztosító, általában sávszélesség alapú IP hálózaton való adat továbbítás megfelelő minőségének biztosítása. A probléma kezelésére irányuló megoldások közül a H. szabvány használata terjedt el[]. A H. specifikáció célja valós idejű hang,, video és adatátvitel biztosítása csomagkapcsolt hálózatokon. Elsősorban IP hálózatokra tervezték, de jól működik más csomagkapcsolt hálózatokon is. A H.-t esernyő-specifikációnak szokás nevezni, mivel számos egyéb szabványt foglal magába[]..ábra. H. Stack A szabványok egy része TCP, mások UDP fölött működnek, és alapvetően csoportba sorolhatók: a. Management és terminál kontrol: RAS: (H.-RAS) végpont és gatekeeper közötti kapcsolat specifikálása; Call signaling: (H.-Q.) végpontok közötti kapcsolat specifikálása; Media control: (H.) Végpontok közötti média átvitel fölötti kontol, többek között a minőségi paraméterek kezelése is ide tartozik.
b. Multimédia átvitel specifikáció: Video szabványok (G., G.., G.); Audio szabványok (H., H., H.) c. Adat átvitel specifikáció: Adat átviteli szabványok (V., T., T.) Amennyiben a multimédiás átvitel minőségét befolyásoló paraméterek nem felelnek meg az igényeknek, az a vételi oldalon gyenge minőségű szolgáltatást eredményez (akadozó hang, szaggatott kép, stb.)..ábra. Video átvitel QoS nélkül. A multimédiás átvitel minőségét befolyásoló tényezők A minőséget befolyásoló legfontosabb tényezők a sávszélesség, az átviteli idő a végpontok között (Delay), az átviteli idő szórása (Jitter), a csomagvesztés aránya (Error Rate), valamint a torlódás (Congestion). Sávszélesség: Az IP hálózatok forgalom irányítása alapvetően sávszélesség alapú, multimédiás átvitel esetén is a legfontosabb tényező. Az audio és video sávszélesség igénye is több tényező függvénye. Az audio átvitel sávszélesség igénye elsősorban a mintavételezés gyakoriságától és a tömörítés mértékétől függ: Mintavételezés másodpercenként Frekvencia tartomány [KHz] Tömörítés mértéke Sávszélesség igény [Kbps] G.. Nincs - G..-.: - G... :.-. G.. : G.. :.ábra. IP forgalom video átvitel esetén
A videoátvitel sávszélesség igényét befolyásolja az átvitt kép felbontása, a másodpercenként átvitt képek száma, illetve nagymértékben a tömörítés foka. A H., H. szabványok az alábbi paramétereket specifikálják: Képfelbontás: CIF: *; QCIF:*; CIF:*. Átvitt képek száma: - Frame/Sec. Sávszélesség igény: Kbps Mbps. Tömörítés (Temporal compression): Az átvitt frame-k csoportba sorolhatók: Key frame, amely a teljes képet tartalmazza; Delta frame az előző key frame, illetve key frame és delta framekhez képest történt változásokat viszi át, ami jóval kisebb mennyiség küldését teszi szükségessé. Átviteli idő: A végpontok közötti átviteli idő, illetve annak szórása szintén meghatározó a minőség szempontjából. Az átviteli idő a forrás és cél oldalon való kódolási, illetve dekódolási idő, valamint a köztes hálózaton való áthaladási idő adja. Időigény Javaslat Kódolási idő - ms Hardveres kódolás LAN delay elhanyagolható Switching, gyors uplinkek WAN delay - ms (Torlódás esetén jóval több) Prioritás vagy RSVP Dekódolás - ms Gyors CPU A megfelelő minőségű átvitel biztosítására a hálózati paramétereknek az alábbi elvárásoknak kell megfelelniük: sávszélesség a video sávszélesség igénye + %, Delay átviteli idő a végpontok között, erre a felső korlát ms; Jitter átviteli idő szórása, amelynek maximuma ms; csomagvesztés aránya, amire a megengedett maximális érték %. Az átviteli idő szórása a folyamatos műsornál akadozásokat, a csomagvesztés és a torlódás a kép kockásodását okozza. A QoS biztosítására leggyakrabban két megoldás alkalmaznak. Egyik az un. prioritásos mechanizmus az érzékeny forgalom számára (Best effort vagy soft QoS). Ennél a végpont osztályozza a forgalmat, az IP fejrész tartalmazza az igényt a Differentiated Services TOS bájt méretű mező DSCP-re való átdefiniálásával, amiből bitet vesz figyelembe. A második megoldás az RSVP (Resource ReserVation Protocol, hard QoS), amely esetében a paraméterek biztosítása a teljes útvonalon történik. Ehhez a végpontoknak, valamint a köztes routereknek és switcheknek isa funkcionalitással rendelkezniük kell.. Mérési környezet, mért mennyiségek Előadásunk célja a multimédiás alkalmazások hálózattal szemben támasztott valós igényeinek behatárolása. Ennek meghatározásához különböző multimédiás alkalmazások tesztkörnyezetben való futtatását végeztük. Ehhez különféle paraméterekkel (keretméret, sávszélesség, simítás, stb.) rendelkező valós videó forgalmakat generáltunk és a tesztkörnyezet megfelelő pontjain protokoll analizátor segítségével méréseket végeztünk. A mérésekhez az alábbi eszközöket használtuk: a.) FX ViewStation videokonferencia beredezés ( db): Sávszélesség: H.: Kbps, H.: Kbps Video szabványok: H., H., H.; ITU mező/sec: Letter-boks Video funkciók: PIP, Intelligent Video ManagementTF Video bemenetek: belső kamera, S-video, Composite Video kimenetek: S-video (), Composite, XGA Video formátumok: NTSC, PAL, SXGA, XGA, SVGA, VGA b.) Tandberg videokonferencia beredezés: Sávszélesség: H.: Kbps, H.: Kbps Video szabványok: H., H., H. Video funkciók: PIP, Intelligent Video ManagementTF Video bemenetek (): belső kamera, S-video, Composite, XGA Video kimenetek (): S-video, Composite, XGA
XGA INPUT / XGA OUTPUT: bemenet: x x, Hz auto, kimenet: x x, Hz Video formátumok: NTSC, PAL, VGA, SVGA / XGA c.) Axis webkamera: ARTPEC- tömörítő chip: JPEG, Motion JPEG; Full color; - között skálázható tömörítés ETRAX LX, bit RISC, MIPS CPU Mbyte RAM Mbyte FLASH memory * optikai zoom d.) TEKELEC Protokol analizátor db alkalmazás modul (ATM, Ethernet, FDDI, Frame Relay, Token Ring, WAN) SunSoft interaktív UNIX OS Funkciók: adatgyűjtés, keretelemzés (off-line), statisztikák, szimulációk e.) Cisco L switch, melynek egy portjára csatlakozott a protocol analizátor, s innen tükröztök a megfelelő portot, melyhez a cél eszköz csatlakozott. f.) PC-k a streaming video vételi oldalaként g.) TV bemenettel rendelkező PC, a mérésekhez szükséges folyamatos jelforrás biztosítására. A mintavételezési idő vizsgált kapcsolatonként legkevesebb percet jelentettek, tehát szükségünk volt egy olyan tartalom forrásra, amely hosszú időn keresztül folyamatosan és nem ismétlődően változó, mozgó kép és hanganyagot generál. Erre a célra televízió adást használtuk fel. h.) Szoftver modulok az adatok feldolgozásához. A mérések során az alábbi kapcsolat típusokat vizsgáltuk. Mérések Paraméter Mintavételezett mennyiség. Streaming: Tandberg -> PC Sávszélesség [Kbps]: bájtszám, keretszám. Video: Polycom - Tandberg Sávszélesség [Kbps]: bájtszám, keretszám. Video: Polycom - Tandberg - Polycom Sávszélesség [Kbps]: bájtszám, keretszám. Streaming: Web kamera -> PC Keretméret: QCIF CIF CIF bájtszám, keretszám. Streaming: Web kamera -> PC Kompresszió: bájtszám, keretszám Minden kapcsolat esetén a következő paraméterek álltak rendelkezésünkre: A protokoll analizátorral mért paraméterek: beérkezett keretszám beérkezett byte szám Származtatott paraméterek: átlagos sávszélesség sávszélesség ferdesége, szórása átlagos keret méret átlagos keret beérkezési időköz keret beérkezési időköz ferdesége, szórása A Tekelek protokoll analizátor segítségével szabályos időközönként mintavételezett bájtszám és keretszám lehetővé teszi, hogy T= sec periódusra vetítve átlagos keretméretet és átlagos keret beértkezési időközt (IAT Inter Arrival Time) számolhassunk. Minden típusú multimédiás kapcsolat, minden egyes paraméter értékére a mérést másfél órás időtartamig végeztünk, így mintavételezett értékből álló idősorokat kaptunk, amelyeket további statisztikai elemzéseknek vetettünk alá[][][]. A jelforrást a CNN televíziós csatorna biztosította minden esetben. A webkamerás streaming-nél a kamera a televízió képernyőjére volt irányítva, a video kapcsolatoknál pedig a közvetlenül kapcsoltuk egy TV tuneres videokártya S-video kimenetét a konferencia berendezés S-video bemenetére.
. ábra. Keret beérkezési időköz és keretméret. A mért és a származtatott paraméterek értelmezése A mért paraméterek idősora grafikusan reprezentálva a különböző típusú videokapcsolatok esetén ránézésre is eltérő jelleget sugall[]. Például addig, amíg a webcamera ságszélesség igénye az átlaghoz képest nagy szórást és börsztös jelleget mutat, a streaming-nél különböző husszúságú időintervallumok esetén számolt, valamint a kumulált átlagérték megegyezik (. ábra.). A többi videoforgalom idősora is típustól függően lényegesen különbözik egymástól. Ezen megállapításból kiindulva karakterisztikus görbéket állítottunk elő, amelyek a származtatott paramétereket hasonlítják össze, miközben a kapcsolat elméleti sávszélességét, illetve a kompresszió mértékét módosítottuk. Webcam BW(,Mbps): Wcam->PC Streaming BW(Kbps): Ta->PC Sávszélesség [Kbps] y =,x + E+ Sávszélesség [Kbps] y = -,x + R = E- R = E- Idő [sec] Idő [sec]. ábra. Webkamera és streaming sávszélesség igénye Átlagos sávszélesség: A videojelfolyam indítása előtt beállított sávszélesség értékek mellett az összes típusú forgalom közül a streaming igényelte a legkisebb átlagos sávszélességet. Videokonferencia kapcsolatnál a tapasztalati sávszélesség Kbps-ig lineárisan növekedet. Ugyanakkor -%-al nagyobb erőforrásigény jelentkezett, mint az elméleti sávszélesség. Ez biztosítja a tartalékot a hálózatban jelentkező esetleges más forgalmakkal való egyidejű kommunikáció esetén. Mivel a Tandberg maximális videokonferencia kapacitása Kbps, ezért a görbe ellaposodik, sőt nagyobb terhelés esetén a torlódás
miatt az átlagos átviteli sebesség Kbps-ra esik vissza (%). Tehát ezekkel e berendezésekkel nem érdemes Mbps felett videokonferenciázni. Három helyszínes videokonverencia kapcsolás esetén a Polycom berendezés a másik két helyszínhez azonos jelfolyamot kell küldjön. Megfigyelhető, hogy kis sávszélességnél ( Kbps) a forrás duplázza a valós egycsatornás sávszélesség igényt Kbps-ról Kbps-ra. Ez az igény viszont gyorsan növekszik az elméleti sávszélességgel, mivel a csatornánkénti elméleti Kbps esetén a forrás a sejthető összes Kbps valós sávszélesség helyett Kbps-ot használ átlagosan. Ez az erőrorrás igényének exponenciális növekedését sugallja. A webkamera kompresszió aránya erőteljesen befolyásolja a valós sávszélesség igényt. A tömörítés növelése a videoátviteli feladat nagy részét a hálózat köztes csomópotjairól (L, L gerinchálózati eszközök) a végfelhasználói csomópontokra helyezi át. Emiatt fontos figyelembe venni egyidőben nemcsak a webkamerás igényeket kielégítő hálózati csatornák kapacitását, hanem a beszerzésre kerülő multimédiás végfelhasználói gépek hardver konfigurációját is. Tapasztalati átlagos sávszélesség Mért sávszélesség [Kbps]. ábra. Átlagos tapasztalati sávszélesség az elméleti sávszélesség, illetve a kompresszió függvényében Sávszélesség ferdesége, szórása: Minden típusú video továbbítás esetén kis sávszélességnél az igényelt sávszélesség ferdesége közel nulla értéket ad. Ez könyen magyarázható, hiszen elegendő erőforrás esetén a csatornák az átlagos sávszélesség igény körül közel azonos valószínűséggel küldenek. Videokapcsolat esetén viszont az átviteli igény növelése a ferdeség közel lineáris növekedését okozza mindaddig, amíg a Tandberg készüléket a maximális terhelehető sávszélességet (Kbps) el nem éri. Ez azt jelenti, hogy az elméleti sávszélesség növelésével a tapasztalati sávszélesség periodogamja az átlaghoz képest egyre inkább jobbra torzul, azaz egyre gyakrabban jelennek meg az átlagnál nagyobb pillanatnyi sávszélesség igények is. A Tandberg torlódása után a H. visszaszabályoz, az átlagos sávszélességen forgalmaz, de egyre gyakrabban az átalgnál kevesebbet. Ezt sugallja a negatív ferdeség Kbps elméleti sávszélesség értéknél. Tapasztalati sávszélesség ferdesége Tapasztalati sávszélesség szórása Ferdeség - - - - - Video: Polycom - Tandberg Video: Streaming: Tandberg -> PC Polycom - Tandberg - Polycom Szórás [%]. ábra. Tapasztalati sávszélesség ferdesége és szórása az elméleti sávszélesség függvényében
A webkamera sávszélesség szórása jóval nagyobb, mint a többi fajta videoátvitel. Ezt a webkamera speciális képfájl küldéses mechanizmusa okozza. Mivel csak képtovábbítást végez, a tömörített állomány mérete erőteljesen műsorfüggő. Emiatt a vételi oldali számítógépben jelentős méretű puferre és CPU kapacitársa is szükség van. Fontos megjegyezni, hogy mindezek miatt ugyanakkor a webkamera forgalma jobban adaptálható másfajta adatátviteli forgalmakhoz, azaz kevésbé érzékeny a hálózat egyéb börsztös forgalmára. Ez viszont a végpontokban az erősebb konfiguráció miatt magasabb bekerülési költséget implikál. Videokonferencia kapcsolat esetén a sávszélesség szórása viszonylag kicsi (max. %) és a jobb minőségű videocsatornák esetén ez nem haladja meg a %-ot. Ennek feltétele, hogy más adatforgalom jelentős sávszélességet ne használjon ugyanazon a hálózati útvonalon. Átlagos keretméret: A videoátvitelt biztosító berendezések olyan adatkapcsolati protokoll adatelemeket használnak, amelyek méretének átlagos tapasztalati értéke - bájt tartományban helyezkedik el. Megfigyelhető a video jelforrások általános jellemzője, mely szerint ha a felhasználó jobb minőséget kíván a videokapcsolat részéről a forrás növeli az átlagos keretméretet. Ezzel bistosítja a növekvő sávszélesség igényt a videokapcsolat számára. A Tandberg Kbps-os maximális kapacitása miatt az igény további növelése a küldött átlagos keretméret maximumának %-os csökkenését eredményezi. Ez és a tapasztalati sávszélesség torlódás miatti %-os csökkenése okának fentebbi ismertetéséből az következik, hogy Kbps feletti igény esetén a forrás ritkábban is küldi a kereteket, mint Kbps-nál. Mivel a forrás L keret processzálási kapacitása korlátos, többhelyszínes videokapcsolat esetén a küldő csomópont ugyancsak a keretméret növelésével éri el a csatorna számára szükséges sávszélességet. Három helyszínes kapcsolás esetén a forrás a két helyszín esetén alkalmazott bájtos átlagos keretméretet mintegy %-al növeli meg az bájtos átlag biztosítása céljából. A kompresszió növelésével a webkamera által küldött keretek átlagos mérete is növekedni fog. A görbe jó megközelítéssel két lineáris szakaszból tevődik össze, amelyek között a töréspontot az -es sűrítés jelenti. -es kompresszió alatt csak enyhén növekszik a keretméret - bájt tartományban. -es sürítés felett viszont erőteljesen növekszik az átlagos keretméret. Maximális tömörítés esetén a webkamera a maximális bájtos keretek segítségével küldi a képfájlokat. Tapasztalati átlagos keretméret Keret [B]. ábra. Tapasztalati átlagos keretméret az elméleti sávszélesség, illetve a kompresszió függvényében Átlagos keret beérkezési időköz: Általános megállapítás, hogy a video infomrációt továbbító L keretek beérkezési időköze a sávszélesség növekedésével aszimptótikusan csökken. A webkamera streaming keretei akár msec-os időközönként is érkezhetnek LAN környezetben. Videokonferencia kapcsolásnál a beérkezési időköz - msec, amihez kis mértékben terhelt hálózati kapcsolat szükséges. A több helszínes videokonferencia kapcsolás esetén a forrás keretei a sávszélesség növelése esetén egyre gyakrabban továbbítódnak az egyes célokhoz. A harmadik csomópont bekapcsolásához szükséges két videocsatorna megléte nem csökkenti felére az egy csatorna esetén mért beérkezési időközt. Ez is alátámasztja azt a fenti megállapítást, hogy többpontos videokonferencia esetén a forrás növeli az elküldött keretek méretét. A webkamera kompressziójának növelése lassítja a keretküldések gyakoriságát. Ilyen átvitelnél a küldés - msec időtartam alatt valósul meg. A tömörítés mértékével egyre több processzálási feladatot végez a webkamera, ezért egyre ritkábban küld keretet. Ez és az előző megállapítások alapján viszont egyre börsztösebb és erőteljesen műsorfűggő lesz a generált forgalom.
Tapasztalati beérkezési időköz (IAT) átlaga Átlag [ms]. ábra. Tapasztalati átlagos beérkezési időköz az elméleti sávszélesség, illetve a kompresszió függvényében Keret beérkezési időköz ferdesége, szórása: A streaming ferdesége kis sávszélességnél nulla körüli, vagyis a webkamera az átlagos küldési időközökhöz képest közel azonos valószínüséggel tér el a nagyobb és a kisebb értékek felé. Kis sávszélélességű videokonferencia kapcsolat esetén a negatív ferdeség azt mutatja, hogy a forrás az átlagos küldési időközhöz képest gyakran kisebb időközonként küld. Kbps feletti videokonferncia kapcsolatok esetén az dominál, hogy a forrás egyre többször küld nagyobb időközönként. A többhelyszínes videokonferencia a küldési időközök ferdeségét a sávszélesség növelésével pozitív irányba mozdítja, vagyis a forrás egyre többször vár küldés előtt. Az egycsatornás kapcsolatok küldési időközének szórása kis értéken van (% alatti). Ez azt jelenti, hogy a különböző típusú video források majdnem periódikusan küldik a kereteket. Több helszínes videokonferencia esetén a szórás is növekszik. Három helyszínes konferencia esetén a második csatorna miatt a küldési időköz %-ra nő. Ez indokolttá teszi, hogy sokfelhasználós videokonferencia kapcsolások esetén az MCU (Multimedia Communication Unit) központi kiszolgáló szerver környékén a hálózatból minden fajta egyéb forgalmat ki kell tiltani. Tapasztalati beérkezési időköz (IAT) ferdesége Tapasztalati beérkezési időköz (IAT) szórása Ferdeség - - - - - - - - Szórás [%]. ábra. Tapasztalati beérkezési időköz ferdesége és szórása az elméleti sávszélessé függvényében. Összefoglalás A videokonferencia és átalában a multimédiás szolgáltatások minőségéhez körültekintő előzetes tervezésre, valamint a hálózati forgalmak megfelelő szabályozására van szükség. A klasszikus LAN-ok best effort adattovábbítási jellege miatt videokonferencia rendszerek csak dedikált szegmenseken képesek kielégítően működni. Heterogén átviteli forgalmat biztosító gerinchálózati eszközök csak további intelligencia integrációja (RSVP, MPLS) segítségével képesek QoS jellemzőket biztosítani. Fontos szempont a
multimédiás berendezés és a végfelhasználói számítógép kapacitása a különböző streaming jelfolyamok megjelenítéséhez. Videokonferenciás műsorok továbbításához elegendő az Kbájt méretű MTU paraméter (Maximum Transfer Unit). Ezt az IEEE. Ethernet technológiák alap beállítás szerint kezelik, de egyéb WAN technológiák (ATM, Frame Relay, stb.) esetén erre az értékre és ennek hatására figyelni kell[]. A több helyszínes videokonferncia kapcsolások központi kiszolgáló szerver gépének megfelelő méretezése és a hálózathoz való kapcsolódást biztosító interfész közvetlen környezetében az egyéb adatforgalmak kiszürése a minőség alapvetően meghatározó tényezője. Irodalom [] Andrew S. Tanenbaum: Computer Networks, Prentice-Hall, Inc., ISBN ---,. [] Jerry D. Gibson: The Communication Handbook, CRC Press LLC, ISBN ---/,. [] http://www.openh.org/standards.html [] http://www.iec.org/online/tutorials/h/ [] Gwilym M Jenkins, Donald G. Watts: "Spectral analysis and its applications", Holden-Day, Inc.,. [] Tusnády Gábor, Ziermann Margit: "Idősorok analízise", Műszaki Könyvkiadó,. [] Kihong Park, Walter Willinger: "Self-similar network traffik and performance evaluation", John Wiley & Sons, Inc.,. [] IEEE Communications Magazine, May Vol.. No. [] Gál Zoltán, Karsai Andrea, Terdik György: Videokonferencia ATM-Ethernet heterogén környezetben, NetworkShop' konferencia, Nyugat-magyarországi Egyetem, Sopron,. április -.