Системи обробки інформації, 2019, випуск 4 (159) ISSN 1681-7710 УДК 621.397 DOI: 10.30748/soi.2019.159.03 В.І. Магро1, В.О. Святошенко2, Д.С. Тимофєєв2 1 Дніпровський національний університет ім. О. Гончара, Дніпро 2 Національний технічний університет “Дніпровська політехніка”, Дніпро МЕТОД ОЦІНКИ ЧАСУ ЗАТРИМКИ В ПРОЦЕСІ ПОТОКОВОГО МОВЛЕННЯ Розглянута задача мінімізації затримки медіаконтенту при онлайн-трансляції. Об’єктом досліджен- ня є медіасерверні платформи, що використовуються для організації онлайн-трансляцій медіаконтенту. Метою роботи є дослідження часу затримки при доставці медіаконтенту в процесі онлайн-трансляції. В процесі проведення експериментів встановлено, що найбільші витрати часу на доставку зумовлені проце- сом обробки потоку в медіасервері. Затримка в медіасервері виникає за рахунок перетворень сигналу. Про- аналізовано найбільш поширені на ринку медіапослуг медасервери, які дозволяють організувати онлайн- трансляцію на регіональному рівні. Це Ant Media Server 1.7.2, MistServer 2.14.1, Nimble Streamer Server 3.5.4, Red5 1.1.1,Wowza Streaming Engine 4.7. Запропоновано методику оцінки часу затримки доставки медіакон- тенту в мережах потокового мовлення. Розроблена методика надає змогу визначити як загальний час за- тримки, так і його складові на кожному з етапів доставки. Ключові слова: час затримки, медіасерверна платформа, онлайн-трансляція, відеоконтент, протокол. Вступ онлайн-трансляції. Інфраструктура системи потоко- вої медіатрансляції містить три складові: серверна Постановка проблеми. Актуальним питанням, частина, мережа передачі даних та кінцеві системи що виникає під час сучасної організації онлайн- формування/відображення контенту. Недоліком та- трансляцій, є можливість мінімізації затримки пере- ких методів є обмеженість впливу учасників проце- дачі відеозображення при збереженні його високої су трансляції на кожну з цих складових. візуальної якості. Здебільшого ця потреба обумов- До групи “програмні методи” можна віднести лена вимогами при організації медичних операцій за такі технічні рішення: оптимальне використання допомогою телемедицини, при відео спостереженні смуги пропускання [2–4], адаптивне розподілення за важливими віддаленими об’єктами. контенту [5], управління буферизацією в різних сег- Більшість телекомунікаційних систем працю- ментах системи доставки [6–11] та інші. Дані мето- ють за принципом “клієнт-сервер”. Це передбачає ди широко застосовуються для зменшення часу за- наступний ланцюг передачі даних: камера – кодую- тримки, тому розглянемо їх детальніше. чий пристрій – медіасервер – декодер – кінцевий В роботах [6–8] пропонується застосовувати користувач (один чи декілька пристроїв відеозобра- спеціальний контролер для регулювання бітрейту та ження). На затримку передачі, яку вносить камера недопущення втрати кадрів при онлайн-трансляції. чи кінцевий пристрій, майже не можна вплинути, Іншим напрямком є управління буфером. Оптима- адже вона залежить від технічних можливостей цих льне використання смуги пропускання та ресурсів пристроїв. Затримка в обох випадках менша за 1мс, буферу реалізується із застосуванням алгоритмів отже нею можна знехтувати. Більш суттєвіша за- розподілення швидкості доставки з використанням тримка виникає під час кодування відеосигналу та мережного кодування в іменованих мережах даних передачі його через медіасервер до кінцевого корис- (NDN) [2]. тувача. Цю затримку можна мінімізувати, однак, у В роботі [9] запропонований алгоритм оптимі- більшості випадків, така мінімізація погіршує якість зації управління кешуванням відеоконтенту, орієн- відеозображення. тований на прогноз його популярності. Оптимізація Зазвичай медіасерверні платформи використо- розподіленого кешування контенту та архітектури вують пропріетарне програмне забезпечення, тому системи реплікації дозволяє підвищити енергоефек- порівняння їх характеристик майже відсутнє. тивність роботи та зменшити витрати на реплікацію Аналіз останніх досліджень і публікацій. Роз- в мережах, де здійснюється обробка багатошарового глянемо основні підходи, які спрямовані на мінімі- відеоконтенту [10–12]. зацію часу затримки при онлайн-трансляції [1]. В роботі [5] запропонована мінімізація часу за- Першу групу умовно можна назвати “апаратні тримки доставки за рахунок реалізації адаптивного методи”. Зазвичай дані методи використовуються розподілення контенту з об’єднанням його у класте- для сталих широковживаних рішень, таких як коду- ри за ознакою подібності запитів користувачів. вання, транскодування, пакетування. Ресурсоємні В ряді робіт пропонуються способи контролю в операції призводять до виникнення затримок при системах потокового відео. В роботах [3–4] розгля- 28 © Магро В.І., Святошенко В.О., Тимофєєв Д.С., 2019 Інфокомунікаційні системи нуто стратегії розподілення пропускної здатності зйомку, кодування відеосигналу, передачу від ко- каналів гетерогенних мереж за рахунок вибору біт- дуючого пристрою до медіасерверу, обробку потоку рейта на основі HTTP-потокового відео та алгорит- медіасервером, передачу від медіасервера до клієн- ми розподілу швидкості на основі серверів для CDN та, декодування та відображення на пристрої корис- з урахуванням якості трафіку. тувача. Для систем потокового відео дуже важливо Зображення, що перетворюється камерою у враховувати тип просторою користувача та пропус- відеосигнал формату SDI, composite або component, кну спроможність мережі, зокрема суттєвими є гра- не придатне до передачі в каналі зв’язку. Тому існує ничні параметри стохастичної затримки відтворення необхідність перетворення його у цифровий формат відеоконтенту [13]. для до подальшого поширення в мережі. Існує три Застосування нових технологій дозволяє змен- загальноприйняті формати потокового відео H.264, шити затримку часу доставки при медіатрансляції. VP9 та MPEG2-TS. Нині в системах глобального Серед них можна виділити загальний формат додат- розповсюдження відео більш поширений формат ка для медіа (CMAF) для сегментованих носіїв ін- H.264. Тому перед передачею відеосигналу існує формації [14–15], який дозволяє абстрагуватися за необхідність перетворення його у відеопотік в фор- допомогою гіпотетичної моделі програми. Це дає маті Н.264 без втрати якості або з мінімальною можливість здійснювати широкий спектр реалізацій, втратою якості, у деяких винятках. Для цього вико- включаючи HLS [16] та DASH [17]. ристовуюся кодуючі пристрої. Це може бути про- Іншою новою технологією є модель веб- грамне забезпечення або спеціально спроектований перегляду для обміну носіями інформації в реально- пристрій, який керується мікропрограмами. Після му часі, а саме WebRTC, що надає широке коло мож- кодування відеопотік готовий до передачі вищими ливостей у вирішенні задач підвищення якості он- рівнями моделі OSI. Мережею він передається до лайн-трансляцій. Зокрема залишаються актуальними медіасервера в одному з можливих мережевих про- проблеми спрощення оцінювання функціональності токолів (UDP, RTSP або RTMP). Медіасервер є ос- та якості для додатків і служб WebRTC [18–20]. новною структурною одиницею, яка розповсюджує Використання розглянутих методів та техноло- прийнятий потік до кінцевих користувачів. Від ньо- гій потребує високої кваліфікації в процесі їх впро- го здебільшого залежить часова затримка та якість вадження. Це потребує значних часових та фінансо- відеопотоку, що передається. Медіасервери викори- вих витрат. З метою мінімізації витрат використо- стовуються, зокрема, для таких цілей: вуються методи тестування мереж, як складової ін- – трансляції мультимедійних потоків у режи- фраструктури системи медіатрансляції в реальних мі реального часу (live-трансляції) віддаленим кори- умовах експлуатації. стувачам; В роботі [21] розглянуто критерії порівняння – відео за запитом; хмарних мереж доставки контенту, які є основою – трансляції по плейлистам; розвитку перспективних сервісів з високими пара- – трансляції з IP-камер. метрами якості доставки контенту в глобальному Відеопотік, що надійшов до медіа серверу, пе- масштабі. редається до клієнтського пристрою у необхідному У роботі [22] розглянуті варіанти розв’язку протоколі (HLS, RTMP, MPEG-DASH, RTSP). Вибір проблем, що виникають в процесі впровадження протоколу обумовлений операційною системою клі- мереж 5G та пов’язаного з цим суттєвого зростання єнта. Затримка кожного із цих протоколів залежить споживання відеоконтенту. Це призводить до суттє- від їхньої характеристики. Існують так звані “пові- вого збільшення трафіку в ядрі мережі. Запропоно- льні протоколи” (MPEG-DASH, HLS), специфіка вано розширити застосування клієнт-адаптивного яких спрямована на кількість кінцевих користувачів, підходу, великих даних (big data) та оцінки якості а не на швидкість передачі сигналу. Тривалість за- сприйняття сервісів (QoE). тримки у цьому випадку становить 5÷30 секунд. Таким чином, системи доставки медіаконтенту “Швидкими” називають протоколи RTMP і RTSP, регіонального рівня потребують ефективного і про- які використовують у телекомунікаційних системах стого методу оцінювання існуючої інфраструктури, і в телебаченні зокрема. Їхня затримка обумовлена зокрема вибору оптимального медіасерверу. тільки часом, який витрачається на кодування, ме- Метою статті є розробка методології дослі- режеву передачу та опрацювання медіасервером. дження часу затримки на різних етапах доставки Клієнтський пристрій, який приймає відеопотік, по- потокового відео. винен декодувати його у зображення. Наразі майже всі пристрої роблять це без вагомої затримки – ме- Виклад основного матеріалу нше, ніж за 1 мс. Тому на цьому етапі затримкою Ланцюг передачі відео під час онлайн- можна знехтувати.