マルチメディアQoSアーキテクチャに関する研究

アクセス回線容量の広帯域化、コンピュータの高性能化は目覚しく、一般家庭においてもライブ中継や音楽・映像配信といった分散型マルチメディアアプリケーションの利用が盛んになってきている。しかしながら、現状のインターネットは通信路を提供するだけで通信品質に対して何の保証も行わないため、受信・観賞可能なマルチメディアデータの品質は利用者の要求を十分満足するものではない。分散型マルチメディアアプリケーションに対してユーザの望む通信品質（QoS）を保証するためには、ユーザの要求に基づいて高品質なマルチメディアデータを効率よく効果的にユーザに提供するメカニズムが必要不可欠である。本研究テーマでは、同時に多数のユーザがサービスに参加する、実時間動画像マルチキャストと動画像ストリーミングを対象に、ネットワーク負荷やクライアントシステムの性能などに応じてユーザごとに様々に異なるQoS要求を満足することのできる、QoSアーキテクチャの確立を目指す。

アクティブネットワークによる実時間動画像マルチキャスト

実時間動画像マルチキャスト通信においては、それぞれのユーザのネットワーク接続形態、介在するネットワークの負荷状態、クライアントシステムの構成・能力がさまざまに異なるため、それぞれのユーザが快適に受信、復号、再生、鑑賞することのできる動画像品質（レート）が異なる。本研究では、ユーザやネットワーク管理者によって動的かつ柔軟にネットワークの振る舞いを変更することのできるアクティブネットワーク技術を用い、すべてのユーザの品質要求を満たしつつ効率的な実時間動画像マルチキャストを実現するためのフレームワークを提案している。アクティブノードと呼ばれる網内の高機能ノードで動画像品質調整を行い、これを根とするマルチキャストグループを階層的に組み合わせることにより、多数のクライアントの様々な要求品質にあった動画像をマルチキャスト配信する。 本研究では、階層構造をなすネットワークを対象に、アクティブノードが、スタブ・ネットワークの負荷状態や配送される動画像に対するユーザの要求品質などに基づいて、マルチキャストグループを分割、統合、移動することにより、適切なマルチキャストグループを動的に構成する制御手法を提案した。シミュレーション評価により、スタブ・ネットワーク内のアクティブノードによる自律分散的な制御により、クライアントを適切なマルチキャストグループに収容し、要求品質に応じた動画像をマルチキャスト配信できることを示した。

[関連発表論文]

動画像ストリーミングのためのプロキシキャッシング

動画像、音声などのストリーム型マルチメディアデータのクライアントにおける一時蓄積、逐次再生を前提とした、ストリーミングサービスにおいては、ウェブシステムで広く用いられているプロキシ技術が、サービスの可用性、応答性を高めるために有効であると考えられる。また、プロキシを利用することにより、ネットワークやサーバへの負荷を軽減、分散することができる。さらに、プロキシに動画像品質調整機能を導入することにより、クライアントごと、また、時間によって様々に異なる要求品質を効率よく満たすことができると考えられる。

そこで、本研究では、動画像ストリーミングサービスのための動画像品質調整可能なプロキシキャッシュサーバにおけるプロキシキャッシングアルゴリズムを提案した。提案アルゴリズムでは、動画像ストリームをブロックと呼ばれる固まりに分割し、ブロックを単位として転送、蓄積、加工することで、キャッシュバッファの有効利用および効率的なデータ転送を図る。また、ストリーム型メディアではデータの参照順が予測可能であることを利用し、空き帯域を利用したデータの先読み、キャッシュバッファ内データの掃き出しを行う。さらに、複数のプロキシキャッシュサーバが連携し、動画像データを交換することでより効率のよい動画像ストリーミングサービスを実現するメカニズムについても検討した。実データを用いたシミュレーションにより、必要となるバッファサイズ、再生開始までの待ち時間、再生中の停止時間、帯域の利用効率などにおいて、提案手法が高い性能を示すことを明らかにした。また、提案アルゴリズムを用いた動画像ストリーミングシステムをMPEG-2、MPEG-4のそれぞれを対象に構築し、実証実験により、ネットワークの負荷状態などに従って変化する要求品質に応じた動画像データを、継続的にストリーミング配信可能であり、提案アルゴリズムが実用的であることを示した。さらに、よりスケーラブルな動画像ストリーミングシステムの実現を目指し、P2P型通信アーキテクチャにおける動画像ストリーミング技術の検討にも着手した。P2P型動画像ストリーミングでは、動画像ストリーミングサービスに参加している個々のピアをプロキシキャッシュサーバとみなし、ピア間通信により所望の動画像データを検索、取得、再生することで動画像ストリーミングを実現する。

[関連発表論文]

アクティブネットワーク技術を用いた動画像品質調整

実時間で動画像データを生成、転送し、多数のクライアントが受信、再生する実時間動画像動マルチキャストアプリケーションにおいて、低遅延で途切れのない動画像再生を実現するためには、動画像レートがそれぞれのクライアントの利用可能な帯域に収まるよう、ネットワークの負荷状態に基づいて動画像品質を調整しなければならない。しかしながら、単一のサーバが、個々のクライアントの通信状態を観測し、様々に異なる品質の動画像データを同時に生成、配信するのは困難である。

そこで、本研究では、アクティブネットワーク技術を利用し、高度なパケット処理可能な高機能ノードであるアクティブノードに動画像品質調整機能を導入することにより、サーバに負荷をかけることなく網内の適切な位置で下流のクライアントの通信状態に応じた動的な動画像品質調整を行うシステムの研究、開発を行った。パケット処理に適したアーキテクチャを有する市販のネットワークプロセッサである、Intel IXP-1200を対象に、アクティブノードを構成するための諸機能のプロセッサ配置や機能間通信メカニズム、さらにパケット単位の動画像品質調整を行うための動画像データのパケット化手法について検討した。実システムを用いた実証実験により、制御パケットにより指定された目標レートにあわせて動画像データをパケット単位で品質調整可能であることを示した。また、動画像品質調整の最大スループットが2 Mbps程度であり、ユーザデータを加工するような高度なパケット処理のためには現状のIXP-1200ではプロセッサの処理能力が不足していることを明らかにした。

[関連発表論文]