Resume Quality of service issues in streaming architectures

JARINGAN MULTIMEDIA

Jurusan Teknik Informatika

Fakultas Teknologi Informasi

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Quality of service issues in streaming architectures

Dengan kemajuan cepat dalam komputasi dan teknologi kompresi, perangkat penyimpanan high-bandwidth, dan jaringan berkecepatan tinggi, sekarang layak untuk menyediakan layanan multimedia real-time melalui Internet. Hal ini terlihat dari penggunaan digunakan sistem streaming media, yaitu Microsoft Windows Media, RealNetwork itu RealPlayer, dan Apple QuickTime. Multimedia streaming merupakan komponen penting dari banyak aplikasi internet seperti pembelajaran jarak jauh, perpustakaan digital, video conferencing, belanja rumah, dan video-on-demand.

Live streaming

Sumber informasi multimedia hidup terhubung ke video dan audio encoders. Mesin encoding bertanggung jawab untuk menangkap, digitalisasi, dan mengompresi video analog yang masuk dan informasi audio dan melewati bitstreams terkompresi yang dihasilkan ke server, yang merupakan asal dari konten streaming.

On-demand streaming

Mekanisme distribusi multimedia kedua yang disebut on-demand streaming yang memiliki perbedaan besar antara mekanisme untuk live streaming dan tidak memiliki hubungan langsung antara encoder dan server.

8.1 QoS mechanisms for multimedia streaming

Streaming video melalui Internet menghadapi banyak teknis serta tantangan bisnis, dan codec baru, protokol, pemain, dan sistem perlu dikembangkan untuk mengatasinya. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.3, ada enam komponen kunci dari sistem multimedia streaming kompresi yaitu multimedia, pengendalian aplikasi-layer QoS, layanan distribusi media terus menerus, server streaming mekanisme sinkronisasi media, dan protokol untuk media streaming. Masing-masing dari enam komponen merupakan blok dasar, dan dari blok ini arsitektur untuk streaming multimedia dapat dibangun.

Kompresi video dan audio

Mentahan video dan audio harus dikompresi sebelum ditransmisi untuk mencapai efisiensi. Kompresi video dan audio skema dapat terukur atau non – scalable.

Aplikasi -layer QoS Control

Untuk mengatasi kondisi jaringan yang berbeda-beda dan yang bervariasi tersebut, kualitas presentasi yang diminta oleh pengguna, berbagai teknik pengendalian aplikasi -layer QoS telah diusulkan.

Layanan distribusi media berkelanjutan

Dalam rangka untuk memberikan kualitas tinggi multimedia presentasi, dukungan jaringan yang memadai untuk mengurangi delay transportasi dan packet loss sangat penting.

Streaming server

Memainkan peran kunci dalam menyediakan layanan streaming untuk menawarkan layanan streaming yang berkualitas tinggi, streaming server yang diperlukan untuk mengolah data multimedia di bawah kendala waktu dan untuk mendukung operasi kontrol interaktif.

Mekanisme Sinkronisasi Media

Media adalah fitur utama yang membedakan aplikasi multimedia dari aplikasi data tradisional lainnya. Protokol untuk streaming protokol media yang dirancang dan standar untuk komunikasi antara klien dan server streaming.

8.1.1 Audio and video compression

Karena tuntutan bandwidth yang lebih rendah untuk kompresi audio, audio coding non-scalable adalah coding yang paling banyak digunakan dalam sistem streaming. Namun demikian, scalable dan non-scalable coding video keduanya tersedia untuk sistem streaming. Untuk video streaming, kontrol kongesti mencoba untuk menyesuaikan tingkat pengiriman ke bandwidth yang tersedia dalam jaringan, sehingga video yang scalable adalah lebih mudah beradaptasi dengan bandwidth yang bervariasi tersedia di jaringan dibandingkan dengan non-scalable coding video. Kebanyakan usaha baru pada kompresi video untuk video streaming telah difokuskan pada scalable coding video. Tujuan utama dari penelitian yang sedang berlangsung pada scalable coding video untuk mencapai efisiensi tinggi kompresi, fleksibilitas yang tinggi (skalabilitas bandwidth), dan kompleksitas rendah. Selain itu, streaming audio dan video (A/V) membutuhkan dibatasi end-to-end delay sehingga paket dapat sampai pada penerima dalam waktu yang akan diterjemahkan dan ditampilkan.

8.1.2 Application-layer QoS control

Tujuan dari aplikasi lapisan kontrol QoS adalah untuk menghindari kemacetan dan memaksimalkan kualitas video dengan adanya packet loss. Teknik kontrol aplikasi-layer QoS termasuk kontrol kemacetan dan kontrol kesalahan. Teknik ini digunakan oleh sistem akhir dan tidak memerlukan dukungan QoS dari jaringan. Kebanyakan penelitian baru pada pengendalian laju berbasis sumber komunikasi A / V telah difokuskan pada adaptasi TCP-friendly.

Kerugian bersifat bursty dan delay yang berlebihan memiliki dampak buruk pada kualitas presentasi multimedia dan biasanya disebabkan oleh kemacetan jaringan. Dengan demikian, kemacetan kontrol mekanisme pada sistem akhir yang diperlukan untuk membantu mengurangi packet loss dan delay. Tujuan rate shaping adalah untuk mencocokkan tingkat bitstream video yang precompressed dengan kendala tingkat target. Sebuah pembentuk suku, yang melakukan rate shaping diperlukan untuk pengendalian laju berbasis sumber. Alasannya adalah bahwa video yang disimpan dapat precompressed pada tingkat tertentu yang mungkin tidak sesuai dengan bandwidth yang tersedia dalam jaringan. Mekanisme kontrol Kesalahan meliputi forward error correction (FEC), transmisi, errorresilient encoding, beberapa coding deskriptif (MDC), dan kesalahan penyembunyian.

8.1.3 Continuous media distribution services

Pelayanan distribusi media yang berkelanjutan dibangun di atas upaya terbaik Internet dengan tujuan untuk mencapai QoS dan efisiensi untuk media streaming. Beberapa teknik filtering representatif meliputi jaringan, aplikasi-tingkat multicast, replikasi konten, dll. Topik utama dari penelitian aktif adalah bagaimana membangun infrastruktur deployable terukur, efisien, hemat biaya, dan tambahan untuk distribusi media berkelanjutan.

Sebagai teknik kontrol kemacetan, filter jaringan bertujuan untuk memaksimalkan kualitas media yang selama kemacetan jaringan. Filter jaringan yang dapat ditempatkan di server media atau jaringan dapat menyesuaikan tingkat media stream sesuai dengan status kemacetan jaringan.

Jaringan multicast Media dapat dibangun dari interkoneksi multicastcapable node (server CDN ) yang melakukan routing pada lapisan aplikasi. Selain itu, setiap server CDN saling berhubungan dengan satu atau lebih CDN tetangga server melalui konfigurasi eksplisit, yang menentukan topologi overlay aplikasi - tingkat . Sebuah teknik penting untuk meningkatkan skalabilitas dari sistem pengiriman konten media atau replikasi Media . Replikasi Konten mengambil dua bentuk , yaitu mirroring dan caching yang digunakan oleh penerbit, CSP, dan ISP. Kedua mirroring dan caching berusaha untuk menempatkan konten lebih dekat dengan klien dan keduanya berbagi keuntungan bahwa mereka mengurangi konsumsi bandwidth pada link jaringan, mengurangi beban pada server streaming, mengurangi latency untuk klien , dan meningkatkan ketersediaan.

8.1.4 Streaming servers

Untuk menawarkan layanan streaming yang berkualitas tinggi, streaming server memainkan peran penting. Mereka diminta untuk mengolah data multimedia di bawah kendala waktu yang ketat untuk memberikan disinkronisasi A/ V dan presentasi data serta untuk mencegah artefak selama pemutaran. Selain itu, streaming server juga perlu untuk mendukung operasi kontrol VCR-seperti berhenti, menjeda atau melanjutkan, fast forward, dan cepat mundur. Sebuah server streaming yang biasanya terdiri dari tiga subsistem berikut :

1.  Komunikator untuk menangani aplikasi-layer dan transportasi protokol (lihat rincian lebih lanjut dalam diimplementasikan pada server.

2.      Sistem operasi real-time untuk memenuhi kebutuhan real-time untuk aplikasi streaming.

3.    Sistem penyimpanan untuk mendukung media penyimpanan terus menerus dan pengambilan dalam layanan streaming.

Manajer Proses

Untuk memenuhi persyaratan waktu media terus menerus, manajer proses dalam real-time OS digunakan untuk memetakan setiap proses tunggal ke sumber daya CPU sesuai dengan kebijakan penjadwalan tertentu.

Manajer Sumber Daya

Manajer sumber daya dalam real-time OS bertanggung jawab untuk kontrol penerimaan dan alokasi sumber daya yang terbatas, yang meliputi CPU, memori, dan perangkat penyimpanan.

Manajer File

File manager menyediakan akses protokol dan fungsi kontrol untuk penyimpanan file dan pengambilan. Untuk mendukung media yang terus-menerus dalam file sistem, itu adalah umum untuk mengatur file A / V pada penyimpanan didistribusikan seperti disk array.

Data Stripping

Dalam rangka mendukung jumlah yang lebih tinggi dari klien sambungan dalam streaming

sistem, mekanisme yang paling banyak digunakan untuk meningkatkan throughput didasarkan pada teknik data stripping dimana file multimedia yang tersebar di beberapa disk dan disk array dapat diakses secara paralel.

Arsitektur Penyimpanan Hirarkis

Untuk mengurangi biaya keseluruhan, arsitektur penyimpanan hirarkis biasanya digunakan. Dalam arsitektur penyimpanan tersebut, sebagian kecil saja yang sering file video yang diminta disimpan pada disk untuk akses cepat, sisanya berada di perpustakaan tape tersier otomatis.

Toleransi Kesalahan Penyimpanan

Dalam rangka untuk memastikan layanan tanpa gangguan bahkan saat kerusakan disk, server harus dilengkapi dengan kemampuan toleransi kesalahan. Ada dua fault-tolerant teknik umum: paritas encoding dan file mirroring.

8.1.5 Media synchronization

Fitur utama yang membedakan multimedia streaming dari aplikasi transportasi data tradisional lainnya adalah sinkronisasi media yang mengacu pada pemeliharaan hubungan waktu dalam satu aliran data dan antara berbagai media stream.

Timestamping dapat dilakukan baik secara otomatis atau manual. Dalam kasus rekaman A/ V dan playback, timestamping dilakukan secara otomatis oleh rekaman perangkat. Dalam kasus presentasi yang terdiri dari independen ditangkap atau media lain dibuat, timestamping harus dilakukan secara manual.

8.1.6 Protocols for multimedia streaming

Beberapa protokol standar yang tersedia untuk komunikasi antara server streaming dan klien. Menurut fungsi mereka, protokol langsung berhubungan dengan Internet. Streaming video dapat digolongkan dalam tiga kategori berikut.

1.    Network-layer protocols memberikan dukungan layanan jaringan dasar, seperti penanganan jaringan. IP berfungsi sebagai protokol lapisan jaringan internet video streaming.

2.   Protokol transport menyediakan fungsi transportasi jaringan end-to-end untuk streaming aplikasi. Protokol transportasi termasuk pengguna protokol data (UDP), Protokol kontrol (TCP), protokol transport real-time (RTP), dan protokol kontrol real-time (RTCP).

3.  Protokol kontrol sesi mendefinisikan pesan dan prosedur dalam lapisan aplikasi yang dibutuhkan untuk mengontrol pengiriman data multimedia selama sesi dibentuk.

Server proxy adalah aplikasi-lapisan router yang bertanggung jawab untuk menerima permintaan, menentukan lokasi pengguna, dan kemudian mengirimkannya. Untuk entitas lain tampak seolah-olah pesan tersebut datang dari proxy bukan dari beberapa entitas tersembunyi di balik proxy. Sebuah proxy harus menerapkan kedua klien dan server persyaratan dari spesifikasi. Hal ini juga berguna untuk menegakkan kebijakan dan untuk melintasi firewall (yang blok paket jaringan yang dipilih).

8.2 Windows Media streaming technology by Microsoft

Microsoft Windows Media Services 9 Series adalah komponen server Windows Media 9 platform Series, dan bekerja sama dengan Windows Media Encoder dan Windows Media Player untuk memberikan audio dan video streaming konten ke klien melalui Internet atau intranet. Windows Media Services dapat memberikan live stream atau konten yang sudah ada, seperti file media digital. Untuk melakukan streaming konten langsung, titik penerbitan siaran perlu dikonfigurasi dan kemudian terhubung ke software encoding, seperti Windows Media Encoder, yang mampu mengkompresi live streaming ke format yang didukung oleh server.

8.2.1 Fast streaming

Fast Start

Fast Start menyediakan pemutaran instan tanpa delay buffering, apakah bermain satu bagian dari konten, atau beralih antara klip on-demand saluran siaran. Sebelum dapat mulai bermain konten, Windows Media Player harus menyediakan sejumlah data. Ketika streaming ke klien yang menggunakan Windows Media Player, fast start digunakan untuk memberikan data secara langsung ke buffer pada kecepatan lebih tinggi dari bitrate dari konten yang diminta.

Fast Cache

Untuk penggunaan efektif mekanisme fast start, fast cache diperlukan untuk memungkinkan streaming konten ke Windows Media Player, fast chace jaringan akan mengurangi kemungkinan gangguan karena masalah jaringan.

Fast Recovery

Pemulihan sistem yang cepat bekerja sama dengan forward error correction (FEC) untuk menyediakan paket berlebihan informasi kepada klien yang menggunakan koneksi wireless. Dengan memberikan jumlah yang diperlukan, dapat dipastikan bahwa tidak ada data yang hilang sebagai akibat dari gangguan konektivitas.

Fast Reconnect

Jika klien terhubung ke server streaming on-demand, client restart pemutaran pada titik di mana sambungan ini hilang, dengan sendirinya akan terjadi sinkronisasi dengan timeline konten.  Jika klien terhubung ke server streaming siaran langsung, klien akan dapat menghubungkan ke siaran berlangsung dengan celah di siaran.

8.2.2 Dynamic content delivery

Dengan Windows Media Services 9 Series, distribusi konten pengguna dapat disesuaikan menggunakan playlist server-side dan iklan. Kedua siaran dan on-demand streaming server dapat melakukan streaming konten dari playlist yang mengeksekusi pada server. Sebuah playlist side-server dapat berisi konten langsung atau preencoded dan disampaikan dengan menggunakan transmisi unicast atau multicast.

8.3 SureStream streaming technology by RealNetworks

RealMedia adalah teknologi streaming yang ditawarkan oleh RealNetworks, yang berjalan pada Windows dan Linux. Kedua format kontainer dan codec adalah proprietary, dan file yang memiliki ekstensi. RA,. RAM,. RM, dan. RPM. Sebuah server RealMedia disebut Helix Universal Server dapat menangani protokol control RTSP dan MMS dan mampu memberikan berbagai macam format kontainer, termasuk RealMedia, Windows Media (WM), Apple QuickTime (QT), MPEG, dan lain-lain. Hal ini juga dapat menerima koneksi dari WM, QT, dan MPEG-4 encoders, dan dari setiap pemain ini.

8.3.1 Adaptive stream management (ASM) protocol

Protokol manajemen aliran adaptif adalah mekanisme yang memungkinkan klien (RealPlayer) untuk berkomunikasi dan meminta efisien sesuai jenis disandikan SureStreams dengan server untuk meminimalkan distorsi informasi yang diterima.

Aturan ASM ini dapat digunakan untuk menggambarkan berbagai sarana adaptasi channel mulai dari menetapkan prioritas sederhana untuk paket yang berbeda untuk menghasilkan ekspresi menggambarkan efek dari berbagai kombinasi bandwidth,packet loss, dan jenis-jenis kerugian sinyal direkonstruksi yang dapat dinilai oleh klien.

8.3.2 The structure of the RealVideo 8 algorithm

Struktur keseluruhan dari proses encoding RealVideo 8 untuk menciptakan berbagai SureStreams disajikan pada Gambar 8.10, dimana frame video digital dan ditangkap  bersama dengan dilewatkan ke satu set filter input. Filter ini digunakan terutama untuk menghilangkan kebisingan dan artefak khusus diperkenalkan oleh suntingan dan konversi dari sinyal video. Output dari mesin penyaringan terhubung ke Resampler spasial yang digunakan untuk downscale frame masukan untuk satu set resolusi spasial yang cocok untuk encoding pada berbagai bitrate output.

8.3.3 Technical components of RealVideo 8 encoding

Pre - filtering

Filter input video di RealVideo 8 digunakan untuk menghilangkan noise dan artefak lainnya

terkandung dalam video input asli . Selain itu, filter ini juga dapat menghapus khusus jenis informasi relevan, sehingga membantu algoritma kompresi video utama untuk mencapai tujuannya. Sebagai contoh, jika sinyal video ditangkap dari sumber digital seperti USB kamera, itu sudah disajikan dalam bentuk progresif dan mungkin hanya perlu melewati filter yang menghilangkan energi rendah noise spasial.

Algoritma kompresi inti

Inti algoritma kompresi video single-rate di RealVideo 8 pada dasarnya adalah sebuah skema hybrid motioncompensated.

Rate control

Rate kontrol untuk RealVideo memiliki dua modalitas utama, single-pass dan rate kontrol double-pass. Rate kontrol digunakan dalam mode single-pass yang selalu digunakan untuk encoding.

Client-side video post-processing

Selain kompresi video dan dekompresi layanan dasar, RealVideo 8 juga menawarkan beberapa filter post-processing yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas subjektif dari pemutaran video.

8.4 Internet protocol TV (IPTV)

Kemajuan teknologi dalam dekade terakhir untuk VoIP, IP koneksi last-mile, video streaming, dan konferensi video melalui IP sekarang dapat diterapkan untuk sebuah teknologi baru, TV protokol internet (IPTV) yang akan memberikan lebih banyak fungsi kepada pengguna mengenai interaktif TV kepada konsumen. IPTV menyediakan beberapa fungsi tambahan berdasarkan paket sistem TV dua arah. Penghalang utama untuk penyebaran IPTV melalui infrastruktur IP yang ada adalah kebutuhan bandwidth dan kualitas layanan (QoS) yang memadai.

8.4.1 Swisscom IPTV

Gambar 8.12 menunjukkan sistem IPTV, yang dibangun di atas sistem DSL Bluewin itu, yang beroperasi melalui jaringan fisik yang sama seperti sistem telepon Swisscom itu. Dalam sistem DSL, paket aliran data masuk dan keluar dari komputer rumah dari atau ke perangkat sistem telepon (akses digital subscriber line multiplexer, DSLAM) tidak lebih dari 5000 meter.

8.4.2 An IPTV reference architecture and functionality modules

Studi arsitektur di ITU-T IPTV dimulai dengan analisis dari domain yang relevan yang terlibat dalam penyediaan layanan IPTV. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.13, ada empat domain utama yang terlibat dalam arsitektur referensi IPTV.

1.      Penyedia konten adalah entitas yang memiliki atau menjual aset konten atau konten berlisensi.

2.      Penyedia layanan adalah entitas yang menyediakan layanan IPTV kepada pelanggan.

Biasanya, penyedia layanan mengakuisisi atau lisensi konten dari penyedia konten dan paket ini menjadi sebuah layanan yang dijual kepada pelanggan.

3.      Penyedia jaringan adalah entitas yang menyediakan platform yang menghubungkan pelanggan dan penyedia layanan.

4.      Pelanggan adalah entitas yang mengkonsumsi dan membayar untuk layanan IPTV.

Dari aspek fungsi, arsitektur referensi IPTV terdiri dari tiga modul fungsi: bangunan pelanggan, video yang headend, dan jaringan transportasi.

8.4.3 ATIS IPTV Interoperability Forum (IIF)

The IPTV Interoperability Forum (IIF) didirikan oleh ATIS pada bulan Juni 2005 direkomendasikan dari kelompok eksplorasi dibentuk oleh Direksi Dewan ATIS untuk menilai peluang teknis dan operasional dan tantangan seputar penyebaran IPTV dan status kegiatan standardisasi terkait. Secara luas diyakini bahwa pasar IPTV berkembang pesat dan sudah bahwa operator harus menggunakan proses standar yang lebih mirip dengan pengembangan Internet daripada di industri telekomunikasi tradisional.

8.4.4 High-level requirements of IPTV

Ekosistem IPTV sangat besar dan kompleks, dan IIF telah mengakui bahwa ia tidak akan dapat menentukan seluruh ekosistem pada tingkat rinci sekaligus. Oleh karena itu, sebagai upaya awal, beberapa focus group (FG) di bawah ITU-T ATIS IIF adalah bekerja pada pengembangan persyaratan tingkat tinggi untuk berbagai aspek penting: arsitektur IPTV, QoS dan kinerja, keamanan dan perlindungan konten, jaringan dan kontrol, akhir sistem dan middleware, dan kepentingan umum.

8.4.5 High-level functional components in the IPTV architecture

IPTV tingkat tinggi arsitektur standar (ATIS-0800007) menentukan referensi arsitektur (lihat Gambar 8.13) untuk pekerjaan IIF lebih lanjut dan dirancang untuk memungkinkan sistem IPTV end-to-end yang akan digunakan menggunakan perangkat keras atau perangkat lunak dari beberapa vendor. Hal ini akan berfungsi sebagai referensi arsitektur untuk spesifikasi fungsional IPTV didefinisikan dalam dokumen terpisah IIF spesifikasi. Pada dasarnya arsitektur referensi IPTV ditunjukkan pada Gambar 8.13, lima komponen fungsional diidentifikasi dalam hal penyediaan IPTV : penyediaan konten, kontrol IPTV, pengiriman konten, sistem akhir dan manajemen sistem IPTV dan keamanan. Gambar 8.14 menunjukkan Model arsitektur tingkat tinggi ini.

MindMap