— (717)

دانشگاه صنعتی امیر کبیر
دانشکده مهندسی کامپیوتر و فنّاوری اطلاعات
پایان نامه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی فنّاوری اطلاعات گرایش شبکه‌های کامپیوتری
مکانیزم تشویقی برای جریان‌سازی ویدئو در شبکه‌های نظیر به نظیر
نگارش:
کاوه میرزائی
استاد راهنما:
دکتر مهدی دهقان تخت فولادی
اردیبهشت 1390
تقدیم به دلبستگی‌های زندگیم
پدر عزیز
مادر مهربانم

از استاد عزیزم جناب آقای دکتر مهدی دهقان تخت‌فولادی سپاسگذارم که در تمام مراحل این پایان نامه مرا از راهنمایی‌های ارزشمندشان بهره‌مند ساختند. از دکتر سیاوش خرسندی که استاد سمینار اینجانب و همچنین داوری این پایان‌نامه را بر عهده داشتند،نیز کمال تشکر را دارم.
همچنین از دوستان خوبم آرش غازی، رکسانا ادریس‌زاده، مهرداد میرزائی، امید صادقی، حبیب وحیدی، وحید امیری، روزبه جلالی و هادی نجاتی که مرا در تمامی مراحل تحصیل یاری کردند متشکرم.
چکیده
امروزه به اشتراک گذاری فایل‌ها به صورت گسترده‌ایی در حال استفاده است به طوری که حدودا 70% ترافیک اینترنت را شامل می‌شود. اخیرا کاربرد جدیدی برای برنامه‌های نظیر به نظیر به وجود آمده است به نام جریان سازی صوت و تصویر. همان گونه که برنامه‌های اشتراک فایل بر روی تبادل داده‌های ثابت کار می‌کنند، برنامه‌های جریان‌سازی بر روی بهبود کارائی خود با توجه به محدودیت‌های زمانی کار می‌کنند. در این برنامه‌ها هر گره به صورت مستقل چند گره‌ی دیگر را به عنوان همسایه انتخاب می‌کنند و داده‌های جریان را با آن‌ها مبادله می‌کنند. در این رساله یک مکانیزم تشویقی کاملا توزیع شده و مقیاس‌پذیر برای جریان‌سازی زنده بر روی یک شبکه پوششی نظیر به نظیر را ارائه می‌دهیم. مکانیزم ما شامل روش امتیازدهی ترکیبی رانش-کشش برای رسیدن به یک کارایی بالا است (از نظر تاخیر، پیوستگی نمایش، همکاری و غیره). مهمترین قسمت کار ما بالا بردن پیوستگی نمایش و جلوگیری از اختلال گره‌های سودجو و در نتیجه بالارفتن کیفیت سرویس می‌باشد. آزمایشات ما نشان داد که این ایده با وجود درصد گره‌های سودجوی بالا هم کیفیت خوبی را ارائه می‌دهد.
کلمات کلیدی: شبکه‌های نظیر به نظیر (Peer-to-peer)، جریان‌سازی تصویر (Live video streaming)، مکانیزم تشویقی (Incentive)، گره‌های سودجو (Free-riders)

Abstract
Peer-to-peer file sharing has become increasingly popular, accounting for as much as 70% of Internet traffic by some estimates. Recently, we have been witnessing the emergence of a new class of popular P2P applications, namely, P2P audio and video streaming. While t–itional P2P file distribution applications target elastic data transfers, P2P streaming focuses on the efficient delivery of audio and video content under tight timing requirements. In these applications, each node independently selects some other nodes as its neighbors and exchanges streaming data with neighbors. In this thesis, we propose a full distributed, scalable, and cooperative incentive mechanism for live video streaming in an overlay peer-to-peer network. Our mechanism makes use of combination of push-pull score-based incentive method to achieve high performance (in term of delay, stream continuity, cooperation, etc.). The main contribution of this work is that it increases the streaming continuity and avoiding free-riders in turn results better delivered quality. Furthermore, with the implementation of score-based incentive mechanism, it is resilient to existence of free-riders and encourages cooperation among participating nodes. Our experiments demonstrate that our work achieves good streaming quality even under the existence of free-riders.
Keywords: Peer-to-peer, Incentive, Live video streaming, Free-riders

فهرست مطالب
TOC \o “1-3” \h \z \u 1دیباچه PAGEREF _Toc293491823 \h 11.1انگیزه‌ها و اهداف جریان سازی PAGEREF _Toc293491824 \h 12پیش زمینه PAGEREF _Toc293491825 \h 42.1مروری بر ویدئوی دیجیتال PAGEREF _Toc293491826 \h 42.1.1فشرده‌سازی و کدسازی استاندارد ویدئوی دیجیتال PAGEREF _Toc293491827 \h 42.1.2کاربرد‌های ویدئوی دیجیتال PAGEREF _Toc293491828 \h 72.2شبکه‌های تحویل ویدئو PAGEREF _Toc293491829 \h 102.2.1یک مدل شبکه‌ای ساده PAGEREF _Toc293491830 \h 112.2.2کیفیت تجربه (QoE) در یک VDN PAGEREF _Toc293491831 \h 162.3معماری شبکه‌های نظیر به نظیر برای ارسال تصویر در اینترنت PAGEREF _Toc293491832 \h 202.4معرفی، شبکه‌های محتوا PAGEREF _Toc293491833 \h 222.4.1شبکه‌های محتوا برای تحویل ویدئو در اینترنت PAGEREF _Toc293491834 \h 242.4.2شبکه‌های نظیر به نظیر PAGEREF _Toc293491835 \h 312.4.3مقدمه‌ای بر استحکام شبکه‌: یک رویکرد P2P ترکیبی PAGEREF _Toc293491836 \h 462.4.4خلاصه:‌ نتیجه‌گیری، نتایج و گفتگو PAGEREF _Toc293491837 \h 473رهیافت داده رانشی : Coolstreaming PAGEREF _Toc293491838 \h 493.1چالش های فنی و مسائل باز PAGEREF _Toc293491839 \h 523.2بر مبنای درختی و داده – رانشی : آیا ترکیب این دو ممکن است ؟ PAGEREF _Toc293491840 \h 523.3تشویق و بی طرفی PAGEREF _Toc293491841 \h 533.4روش‌های دسترسی پهنای باند کم PAGEREF _Toc293491842 \h 553.5جنبندگی بالای نظیرها PAGEREF _Toc293491843 \h 563.6حمایت از گیرنده های ناهمگن PAGEREF _Toc293491844 \h 573.7کدگذاری شبکه : کد گذاری در نظیر PAGEREF _Toc293491845 \h 573.8پیامدهای پیاده سازی PAGEREF _Toc293491846 \h 583.9پخش ویدئو با تأخیر کم PAGEREF _Toc293491847 \h 594مشوق‌ها PAGEREF _Toc293491848 \h 624.1مقایسه‌ای با به اشتراک‌گذاری فایل PAGEREF _Toc293491849 \h 644.1.1رتبه‌بندی همسایه‌ها PAGEREF _Toc293491850 \h 664.1.2توصیه‌نامه‌ها و گواهی‌نامه‌های همسایگی PAGEREF _Toc293491851 \h 674.1.3رانش دادن به همسایه‌های خوب PAGEREF _Toc293491852 \h 694.2کدگذاری منبع و شبکه PAGEREF _Toc293491853 \h 704.3مکانیزم‌های تشویقی استفاده شده در برنامه‌های تجاری PAGEREF _Toc293491854 \h 715روش پیشنهادی PAGEREF _Toc293491855 \h 755.1.1محاسبه‌ی مقدار شراکت موثر گره PAGEREF _Toc293491856 \h 765.1.2روند انتخاب پاسخ به درخواست سرویس PAGEREF _Toc293491857 \h 776شبیه‌سازی‌ها و نتایج PAGEREF _Toc293491858 \h 806.1ویژگی‌های سیستم PAGEREF _Toc293491859 \h 826.2معیارهای ارزشیابی PAGEREF _Toc293491860 \h 846.3نتایج شبیه‌سازی PAGEREF _Toc293491861 \h 857نتیجه گیری و کارهای پیش رو PAGEREF _Toc293491862 \h 898مراجع PAGEREF _Toc293491863 \h 91
فهرست شکل‌ها
TOC \h \z \c “شکل” شکل ‏21وابستگی درونی فریم‌ها PAGEREF _Toc293489444 \h 6شکل ‏22مدل معماری شبکه توزیع ویدئو PAGEREF _Toc293489445 \h 13شکل ‏23اجزای یک شبکه ارسال ویدئو PAGEREF _Toc293489446 \h 20شکل ‏24پروتوکل های معماری PAGEREF _Toc293489447 \h 21شکل ‏31 نمودار سیستم Coolstreamin PAGEREF _Toc293489448 \h 49شکل ‏32نمایشی از مشارکت نظیرها در Coolstreaming PAGEREF _Toc293489449 \h 50شکل ‏33تصویر لحظه ای از بافر a)BitTorrent b)Coolstreaming PAGEREF _Toc293489450 \h 50شکل ‏34مثالی از مکانیزم این-در ازای-آن PAGEREF _Toc293489451 \h 54شکل ‏61معماری لایه‌ای مدل شبیه سازی شده از سامانه جریان سازی نظیر به نظیر ویدئوی زنده PAGEREF _Toc293489452 \h 80شکل ‏62فرضیات شبیه سازی PAGEREF _Toc293489453 \h 83شکل ‏63مقایسه کارایی پیوستگی نمایش برای مقادیر مختلف گره و 10% سودجو PAGEREF _Toc293489454 \h 85شکل ‏64 مقایسه کارایی پیوستگی نمایش برای مقادیر مختلف گره و 50% سودجو PAGEREF _Toc293489455 \h 86شکل ‏65مقایسه کارایی از دیدگاه درصد گره‌های موفق به آغاز نمایش با 10% سودجو PAGEREF _Toc293489456 \h 86شکل ‏66مقایسه کارایی از دیدگاه درصد گره‌های موفق به آغاز نمایش با 50% سودجو PAGEREF _Toc293489457 \h 87شکل ‏67مقایسه از دیدگاه تأخیر آغاز نمایش برای مقادیر مختلف گره 10% سودجو PAGEREF _Toc293489458 \h 87شکل ‏68مقایسه از دیدگاه تأخیر آغاز نمایش برای مقادیر مختلف گره 50% سودجو PAGEREF _Toc293489459 \h 88
دیباچهدر این قسمت انگیزه‌ها و اهداف و کار خود را در این رساله ارائه می‌کنیم.
انگیزه‌ها و اهداف جریان سازیامروزه برنامه‌های پخش ویدئوی برخط با سرعت زیادی رو به رشد هستند و این در نتیجه‌ی نگاه تولیدکنندگان محصولات ویدئویی به مدل‌های تجاری جدید، در دسترس بودن پهنای باند وسیعتر برای شبکه‌ی دسترسی (در اینترنت، در شبکه‌های سلولی، در شبکه‌های IP خصوصی و … ) و انقلاب در توسعه‌ی سخت‌افزار‌های جدید با قابلیت‌های بالا در بازتولید و دریافت جریان‌های تصویری میباشد.
برای نمونه، حجم ویدئوی موجود در اینترنت سالانه دوبرابر می‌شود،‌ و این در حالی است که تقاضا با ضریب سه افزایش می‌یابد. در اینترنت، سرویس‌های انتشار ویدئو بطور وسیعی با استفاده از زیرساختار شبکه‌ی تحویل محتوا (CDN) گسترش می‌یابند، که این زیرساختار‌ها، مجموعه‌ای از سرورها (که در نقاط استراتژیکی در هر سوی اینترنت قرار گرفته‌اند) هستند که بطور ناپیدا برای تحویل محتوا به کاربرهای انتهایی با یکدیگر همکاری دارند. با این وجود، از آنجایی که پهنای باند گرانترین منبع در اینترنت است و تحویل ویدئو یکی از سرویس‌هایی است که بیشترین تقاضا برای آن وجود دارد، سرویس‌های ویدئوی زنده هنوز از نظر تنوع و قابلیت دسترسی، با محدودیت روبرو هستند. [1]
روشی که این روز‌ها محبوب شده، شامل استفاده از ظرفیت عمده بلااستفاده کلاینت‌ها برای به اشتراک گذاری توزیع ویدئو با سرورها از طریق سیستم‌های نظیر به نظیر تکامل یافته کنونی است. این رویکرد همچنین از ازدحام در شبکه‌ی محلی جلوگیری میکند؛ چرا که در این حالت سرورها (کلاینت‌های دیگر) می‌توانند بطور وسیعی نزدیک کلاینت نهایی باشند. ایراد اصلی این روش آن است که کلاینت‌ها (که در این متن نظیر‌ها نامیده می‌شوند) با نرخ بالایی به طریق خودمختار و کاملا غیرهمگام، قطع و وصل می‌شوند. این فرایند منجر به چالش اساسی در طراحی نظیر به نظیر می‌شود: چگونه کیفیت مورد نیاز کلاینت‌ها را در یک محیط با تغییرات زیاد به آنان عرضه نماییم.
قطع اتصال نظیر‌ها می‌تواند منجر به از دست رفتن اطلاعاتی شود که می بایست به شخص دیگری ارسال میگردید. توزیع ویدئوی زنده به دلیل محدودیت‌های بلادرنگ زمانی، به از دست رفتن بسته ها بسیار حساس است. علاوه بر این، به منظور کاهش مصرف پهنای باند، روند کدگذاری برخی از افزونگی‌های طبیعی ویدئو را حذف مینماید، که این امر خود نیز باعث آسیب‌پذیری بیشتر جریان تصویر به اتلاف داده‌ها می‌گردد. واضحا، این عامل و همچنین عوامل دیگر، بر کیفیت تصویر دریافت شده توسط کاربر نهایی تاثیر می‌گذارد، اما مقدار تاثیر آن بر کیفیت آنچنان واضح نیست.
شبکه‌ های استاندارد پارامترهای غیر‌مستقیمی از قبیل نرخ تلفات، تاخیر‌ها، قابلیت اعتماد و … را به منظور اندازه‌گیری و کنترل کیفیت دریافتی در شبکه مورد استفاده قرار می‌دهند. بنابراین مهم است که بتوانیم کیفیت دریافت شده را بلادرنگ و با دقت ارزیابی نماییم. دو رویکرد مهم برای اندازه‌گیری کیفیت ویدئو وجود دارد؛ تست‌های ذهنی و پارامترهای عینی. بطور خلاصه، ارزیابی‌های ذهنی شامل تشخیص های انسانی ای است که روی یک سری از ویدئوهای کوتاه و بر طبق دیدگاه شخصی‌شان در مورد کیفیت نظر می‌دهند. ارزیابی‌های عینی، شامل استفاده از الگوریتم‌ها و فرمول‌هایی است که کیفیت را به طریق خودکار، کمی و تکرارشدنی اندازه‌گیری می‌کنند. مشکل این است که آنها معمولا قرینه خوبی برای ارزیابی کیفیت دریافت شده ندارند. علاوه بر آن، نیاز به محاسبه‌ی سیگنال اصلی نیز دارند. برای کم کردن اشکالات این دو رویکرد، روش‌های هیبرید توسعه یافته‌اند. [9]
برنامه های اشتراک فایل به صورت نظیر به نظیر (برای نمونه، پروتکل‌های مبتنی بر Bittorrent) از یک سری از مشوق‌ها و دستداد‌ها برای مبادله‌ی قطعات فایل‌ها در بین نظیر‌ها استفاده می‌کنند. جستجو‌ها و انتقال‌های فایل های بالاسری از یک نظیر به دیگر نظیرها، می‌تواند باعث ایجاد گلوگاه و یا تاخیر‌هایی شود که این پروتکل ها را نامناسب جریان‌سازی زنده ویدئوی می سازد. برای برخورد با این مشکل، می توان از یک رویکرد چند منبعی استفاده کرد، که در آن، جریان تصویر به چندین جریان افزونه‌ای تجزیه می‌شود که توسط نظیر‌های متقاوتی به نظیر‌های دیگر با یک توپولوژی درختی همراه با هزینه‌ی سیگنالینگ بسیار پایین، فرستاده می شود. [5]

پیش زمینه مروری بر ویدئوی دیجیتالویدئوی دیجیتال‌، نمایش ویدئو توسط سیگنال‌های دیجیتال است. این عمل شامل ضبط، دستکاری، توزیع و ذخیره‌ی ویدئو در فرمت های دیجیتال است، که ویدئو را قابل انعطافتر ساخته و دستکاری آن را سریع و نمایش آن را توسط کامپیوتر امکان‌پذیر می‌سازد. ویدئوی دیجیتال، انقلابی را در عرصه‌ی تحقیقات مرتبط با آن پدید آورد. فشرده‌سازی ویدئو توجه تحقیقاتی عمده‌ای را از دهه‌ی 1980 به خود اختصاص داده است، که این موضوع، کاربرد‌های متنوعی از قبیل انتشار ویدئو بر روی کابل دیجیتال، ماهواره‌ها و ادوات زمینی، ویدئو کنفرانس، ضبط دیجیتال بر روی نوار‌های DVD‌ و … را امکان پذیر ساخته است. ارتباط ویدئویی بر روی شبکه‌های بسته‌های بهترین تلاش در اواسط دهه‌ی 1990 و با رشد اینترنت آغاز شد. در اینترنت، تلفات بسته‌ها، پهنای باند متغیر با زمان و تلفات و پرش‌های نامنظم، از مشکلات عمده‌ای هستند که تحویل ویدئو با آنها مواجه است. [2]
فشرده‌سازی و کدسازی استاندارد ویدئوی دیجیتالفشرده‌سازی ویدئو ،تکنیکی است طراحی شده، برای نابودکردن شباهت‌ها و تکرار‌هایی که در یک سیگنال ویدئویی وجود دارد. در بیان غیرتکنیکی، یک سیگنال ویدئویی دیجیتال یک توالی موقت از تصاویر دیجیتال (یا فریم‌ها) است. تصاویر پی‌درپی، در یک سری از تصاویر، از آنجایی که بیشتر اشیاء ثابت را نشان می‌دهند، دارای تکرر زمانی هستند. در داخل یک تصویر، تکرار زمانی و رنگی وجود دارد، بطوری که مقادیر پیکسل‌های مجاور دارای همبستگی هستند. در کنار زدایش تکرار، اکثر تکنیک‌های فشرده‌سازی استفاده شوند پراتلاف هستند و فقط اطلاعات مربوط به دریافت را کدگذاری می‌کنند، که این کار با کاهش اطلاعات نامربوط و افزایش نسبت فشرده‌سازی انجام می‌شود.
یک روش فشرده‌سازی، کاملا توسط سیستم‌های کدگذار و کدگشای آن مشخص می‌شود که مشترکا CODEC (enCODer/dECoder) نامیده می‌شوند. کدک‌های اصلی و استاندارد امروزی توسط گروه حرفه‌ای متخصص تصاویر متحرک (MPEG) معرفی شده‌اند.
MPEG-2 چتری است بر فراز استاندارد‌های فشرده‌سازی بین‌المللی که توسط گروه MPEG توسعه یافت. چندین قسمت از آن در یک همکاری تیمی با ITU-T (برای نمونه، کدک‌های ویژه‌ی H.261 و H.263) توسعه یافت. بعد از موفقیت MPEG-2، MPEG-4 توسط همان تیم‌ها استانداردسازی شد. قسمت‌های کلیدی که باید از آنها مطلع بود، MPEG-4 قسمت دوم (که توسط کدک‌هایی نظیر Xvid بکار برده شد) و MPEG-4 قسمت دهم (که به MPEG-4 AVC/H.264 موسوم است) می‌باشند. علاوه بر کدک‌های استاندارد، چندین کدک اختصاصی نیز وجود دارد. مهمترین و پراستفاده‌ترین این کدک‌ها، RealVideo و Windows Media Video (که در فرآیند استانداردسازی قرار دارد) هستند.
کدک‌های استاندارد و کدک‌های اختصاصی، اساس فشرده‌سازی یکسانی را بکار می‌برند و بنابراین با فهم یکی از آنها، می‌توانیم به یک فهم اولیه از تمام حوزه‌ی فشرده‌سازی دست یابیم.
در باب مقایسه‌ی MPEG-2 و MPEG-4، به تفاوت‌های مهمی برمی‌خوریم. شاید مهمترین تفاوت اساسی این است که MPEG-2 یک معیار پیکسل‌گرا است در حالی که MPEG-4 شیءگراست. در هر دو معیار، ایده‌ی پشت فشرده‌سازی یکسان است: تکرر‌های زمانی متعدد بین فریم‌ها توسط استفاده از تخمین و جبران‌سازی حرکت مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.یک مفهوم کلیدی در MPEG-2 فریم یا تصویر یا از دید دیگر همان واحد ارسال است. مفهوم متناظر در MPEG-4،‌ صفحه‌ی شیء ویدئویی (VOP) است. هر دو مفهوم یک تصویر کد شده را معرفی می‌کنند. سه نوع فریم اصلی وجود دارد: فریم درونی (I-frame)، فریم‌های پیشگویی شده (P-frame) و فریم‌های دوسویه یا درون‌یابی شده (B-frame). برای هر یک از سه فریم تعریف شده معنای متفاوتی وجود دارد. نوع اول،I-frame، یک تصویر کامل را کدگذاری می‌کند. این به این معنی است که I-frame، می‌تواند در داخل یک تصویر، مستقل از هر فریم دیگر در جریان (stream)، گدگشایی شود. یک P-frame، فریمی است که برپایه‌ی فریم P یا I پیشین دیگری پیشگویی می‌شود (با استفاده از جبران‌سازی حرکت). یک B-frame، فریمی است که بخوبی فریم‌های P یا I، بر اساس گذشته پیش‌بینی شده است. شکل 2-1 وابستگی‌های درونی انواع مهم فریم‌ها را نشان می‌دهد.

شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 1وابستگی درونی فریم‌هااین نوع فریم‌ها در MPEG-2 تعریف شده‌اند. آنها همچنین در MPEG-4 نیز موجودند، اگرچه در این مورد انواع دیگری از فریم‌ها نیز وجود دارد. با این وجود در MPEG-4 مهمترین فریم‌ها، همان سه نوع مذکور هستند.
توالی ویدئو به دسته‌ای از فریم‌ها تقسیم‌بندی می شود که گروه تصاویر (GOP) نامیده می شوند. یک GOP شامل یک تعداد کوچکی از فریم‌ها است که می‌تواند به تنهایی (بدون ارجاع به فریم‌های داخل گروه) کدگشایی شود. بطور نمونه یک GOP دارای یک I-frame در ابتدا است.
معمولا یک خطا، در I-frame تا I-frame بعدی انتشار می یابد. (بدلیل وابستگی فریم‌های دیگر در GOP). خطاها در P-frame ها تا I-frame یا P-frame بعدی انتشار می یابند. B-frame ها خطایی را منتشر نمی‌کنند. هر چقدر که ویدئو دارای I-frame های بیشتری باشد، استحکام بیشتری نسبت به نقص دارد. با این حال داشتن تعداد I-frame بیشتر، اندازه‌ی ویدئو را افزایش می‌دهد. به منظور ذخیره‌ی پهنای باند، ویدئو‌های آماده شده برای انتشار اینترنتی معمولا دارای فقط یک I-frame به ازای هر GOP هستند. در MPEG-2، اندازه‌ی GOP در حدود 20 فریم است در حالی که در MPEG-4 این اندازه به 250 فریم افزایش می‌یابد. بدلیل اینکه کدکردن MPEG-4 دارای قابلیت انعطاف و بیانگری بیشتری نسبت به پیشینیان خود است، فشرده‌سازی بهتر از طریق استفاده از فریم‌های P و B امکان‌پذیر است.
کاربرد‌های ویدئوی دیجیتالویدئوی دیجیتال می‌تواند برای استفاده‌ی بعدی ذخیره شود و یا برای یک استفاده‌کننده‌ی دوردست ارسال شود. محدوده‌ی وسیعی از کاربرد‌های ویدئو وجود دارد که خواص و محدودیت‌های مختلفی دارند. برای نمونه، یک کاربرد ارتباط ویدئویی، می‌تواند برای ارتباط یک به یک (مانند تماس‌های ویدئویی یک ویدئو در زمان تقاضا)، برای ارتباط یک به چند (نظیر ویدئو کنفرانس و بازی‌های چند‌بازیکنی) یا برای ارتباط یک به همه (همانند پخش TV) باشد. ارتباط می‌تواند تعاملی یا دو طرفه (مانند ویدئو کنفرانس) یا غیرتعاملی (مانند پخش TV یا ویدئو در زمان تقاضا) باشد. ویدئو می‌تواند بصورت بلادرنگ (TV زنده) یا بصورت از قبل کدگذاری شده (همانند ویدئو در حین تقاضا) کدگذاری شود.
محدودیت‌های برنامه های کاربردی، قویا طراحی سیستم را تحت تاثیر قرار می‌دهند. خلاصه‌ای از موفق‌ترین شبکه‌های تحویل ویدئو در بخش 2.2 نمایش داده شده است. بعد از آن، بطور خلاصه به مکانیزم‌های تحویل ویدئو بر روی شبکه‌های بسته‌ای می‌پردازیم.
جریان سازی ویدئو، شامل تحویل و بازپخش ویدئو بر روی شبکه‌های بسته‌ای است. هر فریم، باید در زمان بازپخش خود تحویل و کدگشایی شود. بنابراین هر توالی فریم،‌ دارای توالی ضرب‌العجل تحویل/کدگشایی/بازپخش مرتبط با آن است که این توالی، به محدودیت‌های بلادرنگ موسوم است. اساسا در یک مکانیزم جریانی، ویدئو به قسمت‌هایی تقسیم می شود (در یک فرمت خاص) که بطور پی در پی بر روی شبکه ارسال می‌شوند .(با یک پروتکل انتقال) و گیرنده آن را کدگشایی کرده و ویدئو را بازتولید می‌کند.
امروزه چندین فرمت مختلف از جمله MPEG-TS، MPEG-PS، AVI، OMG و … وجود دارند. اکثر این فرمت‌ها روی برخی کاربرد‌های خاص تمرکز می‌کنند. برای مثال، MPEG-PS برای ارسال در یک محیط نسبتا عاری از خطا مناسب است، در حالی که MPEG-TS (جریان‌های انتقال) برای ارسال در محیط‌هایی مناسب است که بصورت بالقوه دارای قابلیت اتلاف و از دست رفتن بسته‌ها و یا خرابی آنها توسط اختلالات هستند.
مشخصه‌های MPEG-TS اساسا دو ویژگی اصلی را آدرس‌دهی می‌کنند، مالتی‌پلکس کردن ویدئوی دیجیتال و صوت و همزمان‌سازی خروجی. این مشخصه‌ها همچنین قواعدی را برای مدیریت دسترسی شرطی و جریان‌های انتقال چند برنامه‌ای (یعنی ارسال بیش از یک برنامه در یک زمان) تعریف می‌کنند. خروجی کدگذاری شده‌ی صوت یا تصویر بک جریان اولیه (ES) نامیده می‌شود. در گام دیگر، جریان‌های اولیه به واحد‌های کوچکتری بسته‌بندی می‌شوند و جریان‌های اولیه‌ی بسته‌بندی شده (PES) را تولید می‌کنند. سپس این PES‌ها دوباره به بسته‌های کوچکتری بسته‌بندی می‌شوند، که بسته‌های جریان انتقال (TS) نامیده می‌شوند. در این سطح عمل مالتی‌پلکس کردن ویدئو صورت می گیرد که یک جریان یکتا با نام جریان انتقال (TS) ایجاد می شود. سرانجام، این جریان انتقال به منظور ارسال از طریق شبکه، درداخل بسته‌های پروتکل‌ انتقال، کپسوله می‌شود. امروزه پروتکل‌های انتقال مناسب متنوعی برای انتقال جریان بر روی یک شبکه وجود دارد. برخی از این پروتکل‌ها عبارتند از: پروتکل نمودار داده‌ی کاربر (UDP)، پروتکل انتقال زمان واقعی (RTP) و پروتکل انتقال مافوق متن (HTTP). هر کدام از این پروتکل‌ها در موقعیت‌های مختلف، مزیت‌های خاص خود را به همراه ایراداتی، در زمان استفاده در برخی سناریوهای خاص را دارا هستند. UDP یک پروتکل بدون نیاز به اتصال است، که برای جریان سازی زنده مناسب است. RTP مخصوصا برای جاری ساختن رسانه بر روی شبکه طراحی شده است. این پروتکل در لایه بالایی UDP ساخته شده است و همانطور که از نام آن پیداست، برای جریان‌های بلادرنگ مناسب است. در نهایت، HTTP یک پروتکل در جهت اتصال است که تحویل صحیح هر بیت را در جریان مدیا تضمین می‌کند. در عمل، 40 درصد از جریان‌های رسانه ای بر روی HTTP انتقال می‌یابد و در اغلب موارد، از پروتکل‌های اختصاصی جریان سازی استفاده شده‌اند. جریان HTTP، مزیت‌ فوق‌العاده‌ی گذشتن از دیوار‌های آتش را دارد. این مزیت، آنرا در مجامع کاربرهای اینترنت بسیار محبوب ساخته است. HTTP، پروتکلی است که عموما در سیستم‌های تلویزیون اینترنتی استفاده شده است.
شبکه‌های تحویل ویدئویک شبکه‌ی تحویل ویدئو (VDN)، سیستمی است که ویدئو را بصورت ناپیدا به کاربرهای انتهایی تحویل می‌دهد. حوزه‌ی شبکه‌های تحویل ویدئو به دلیل افزایش پهنای باند در شبکه‌های دسترسی (اینترنت، شبکه‌های سلولی، شبکه‌های IP اختصاصی و … )، مدل‌های تجاری جدید که توسط تولید‌کنندگان محتوای ویدئویی ارائه می شوند و قابلیت سخت‌افزار‌های جدید برای دریافت جریان‌های ویدئویی رو به گسترش است.
فراهم کنندگان رسانه، انواع زیادی از سرویس‌ها را با استفاده از جریان‌های ویدئو، توسعه داده‌اند. به عنوان مثال، پخش تلویزیون (پخش TV زنده)، ویدئو بر اساس تقاضا (VoD)، ویدئو کنفرانس، مونیتورینگ امنیتی را نام برد. همچنین فرمت‌ها و تفکیک‌پذیری‌های متفاوتی، بسته به ماهیت سرویس‌ و محدودیت شبکه، ابداع شده‌اند. از نقطه نظر شبکه، VDN ها معماری‌های مختلفی دارند و چالش‌های تکنولوژیکی خاصی، مرتبط با هر یک از آنها وجود دارد. موفق‌ترین شبکه‌های VDN امروزی را می‌توان در دسته‌بندی‌های زیر قرار داد: کابل دیجیتال و ماهواره، تلویزیون اینترنتی، P2PTV، IPTV و TV سیار.
در اینجا مشخصه‌های اصلی معماری‌های شبکه‌ی تحویل ویدئویی (VDN) با اهمیت را، با تمرکز ویژه بر روی فاکتورهایی که کیفیت تجربه (QoE) را متاثر می‌سازند، توضیح خواهیم داد.
یک مدل شبکه‌ای سادهیک مدل شبکه‌ی عام سطح بالای انتها به انتهای تحویل سرویس‌های ویدئویی در شکل 2-2 نشان داده شده است. لایه‌ی داده‌ی شبکه از پنج گام تشکیل شده است: اکتساب، کدگذاری، بسته‌بندی، توزیع و کدگشایی. منابع فراوانی برای اکتساب ویدئو وجود دارد. برخی از نمونه‌ها عبارتند از: حافظه‌های آنالوگ و دیجیتال (نوار‌های ویدئویی، دیسک‌های سخت) یا رویداد‌های زنده با استفاده از ضبط کننده‌های ویدئو. ویدئوی غیرفشرده دارای مقدار زیادی تکرر در سیگنال است. این تکرر در هنگام وفق دادن سیگنال، به ظرفیت یک شبکه‌ی انتقال خاص، توسط فرایند کدگذاری، زدوده می شود،کاری که توسط سخت‌افزار‌های خاص یا سرور‌های عمومی صورت می‌گیرد.
پارامتر‌های مهم برای کیفیت، در روند کدگذاری تعریف می شوند. برای مثال، نرخ بیت استفاده شده و انتخاب بین نرخ‌های ثابت و متغیر (CBR یا VBR)، ساختار GOP (تصاویر گروهی)، نرخ فریم، شکل دهی نرخ و … . سیگنال ویدئوی کدگذاری شده توسط یک جریان صوتی کد‌شده‌ی همراه با آن ترکیب شده و به قطعات کوچکی، به منظور ساده‌سازی توزیع، تقسیم می‌شود. این فرایند به بسته‌بندی (برای مثال بسته‌بندی MPEG) معروف است. سپس یک تطابق با لایه‌ی انتقال انجام می شود(بسته‌بندی). معمولا از پروتکل RTP یا UDP برای بسته‌بندی انتقال استفاده می شود. بسته‌بندی معمولا توسط کدکننده و یا سرور جریان ساز انجام می‌شود. از ابتدا (مرکز اکتساب، کدگذاری و بسته‌بندی) تا ترمینال کاربر انتهایی، جریان ویدئو از میان چندین شبکه‌ عبور می‌کند. در ابتدا یک شبکه‌ی انتقال (معمولا IP بر روی MPLS یا ATM) ویدئو را به نزدیکترین نقطه‌ی حاضر تهیه‌کننده ارسال می‌کند. از این نقطه تا مقصد، شبکه‌ی دسترسی بکار برده می شود، که معمولا بر اساس کابل مسی یا فیبر نوری است، و این مکان گلوگاه ظرفیت پهنای باند کل سیستم است. سرانجام یک توزیع در داخل منزل کاربر مورد نیاز است. در شبکه‌ی خانگی، اتصالات اترنت، کواکسیال و یا بیسیم را بکار می‌برند. کدگشایی ویدئو، دی‌مالتی‌پلکس کردن جریان، همزمان‌سازی زمان و کدگشایی سیگنال را انجام می دهد. فرایند کدگشایی ویدئو معمولا برپایه‌ی سخت‌افزار است. ابزار نمایش ویدئو (مثلا یک دستگاه تلویزیون) مولفه‌ی مهمی در تعیین کیفیت ویدئوی نهایی است. مثال‌هایی از این فاکتور‌های مرتبط عبارتند از: نوع صفحه، اندازه‌ی صفحه و قدرت تفکیک پذیری آن.

اکتساب رمز گذاری بسته بندی توزیع رمز گشایی
منبع ویدئو رمز گذار
بسته بندی MPEG
بسته بندی انتقال شبکه انتقال
شبکه دسترسی
شبکه خانگی رمز گشا
نمایشگر
اکتساب ویدئو از منابع مختلفی صورت می‌گیرد. برای نمونه وسایل ذخیره سازی آنالوگ و دیجیتال (نوار و دیسک سخت) از ضبط کننده ویدئو استفاده می‌کنند.
ویدئوی غیر فشرده افزونگی زیادی در سیگنال دارد و لازم است که با ظرفیت انتقال شبکه انطباق داده شود تا افزونگی حذف گردد. این فرایند رمز گذاری است و با سخت افزار خاص یا سرورهای عمومی انجام می‌شود. پارامترهای مهم برای کیفیت کلی در فرایند رمزگذاری تعریف شده‌اند. برای مثال نرخ بیتی، ساختار GOP، CBR یا VBR، نرخ فریم، شکل نرخ و غیره ویدئوی رمزگذاری شده با یک صوت رمزگذاری شده تسهیم می شود و برای سهولت در انتقال به قسمت های کوچک تقسیم می گردد. این فرایند به بسته بندی معروف است (بسته بندی MPEG)
پس از آن یک تطابق برای انتقال ایجاد می شود که بسته بندی نام دارد. معمولاً RTP یا UDP پروتکل انتقال بسته بندی است. برای مثال بسته بندی توسط رمزگذار یا سرور جریان ساخته می شود. از head-end (مرکز اکتساب، رمزگذاری و بسته بندی) تا تلویزیون نهایی، ویدئو از چندین شبکه می گذرد.
ابتدا یک شبکه انتقال ( IP روی MPLS یا ATM) ویدئو را به نزدیکترین سرویس دهنده موجود می فرستد.
از آنجا تا مبدأ، شبکه دسترسی استفاده می شود که معمولاً از سیم مسی یا کابل هم محور است و تنگنای کلی سیستم پهنای باند می باشد.
در انتها یک توزیع در خانه کاربر لازم است. شبکه خانگی از اترنت،کابل هم محور یا ارتباط بی سیم استفاده می کند و تنها گاهی اوقات توسط سرویس دهنده پشتیبانی می شود. رمزگشایی ویدئو تقسیم کردن جریان، هماهنگ سازی ساعت و رمزگشایی سیگنال را انجام می دهد.
معمولاً رمزگشایی ویدئو توسط سخت افزار صورت می گیرد.
دستگاه نمایشگر ویدئو (مثلاً تلویزیون) عامل مهمی در QoE ویدئو است (پارامترهای اصلی نوع صفحه نمایش، اندازه و وضوح آن است)
شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 2مدل معماری شبکه توزیع ویدئوتلویزیون اینترنتی: در اینترنت، اکثریت VDN ها دارای یک ساختار CDN (شبکه‌ی تحویل محتوا) سنتی هستند، که در آن مجموعه‌ای از مراکز داده‌ها تمامی بار را تحمل می‌کنند، یعنی بر روی توزیع محتوا به مشتریان تمرکز می‌کند. برای نمونه، در مورد msnTV، YouTube، Jumptv، myTVPal و …، که تماما با ویدئوهای خاصی کار می‌کنند.
P2PTV: روش دیگری که این روزها در اینترنت محبوب شده است؛ شامل استفاده از ظرفیت بلااستفاده کلاینت‌ها، برای به اشتراک گذاشتن توزیع ویدئو با سرور‌ها، از طریق سیستم‌های با ماهیت نظیر به نظیر است. امروزه، موفق‌ترین شبکه‌های P2PTV شامل iMP (متعلق به BBC)، Joost، PPlive و TVUnetwork، PPstream، SopCast، TVAnts هستند. اینها شبکه‌های مجازی هستند که در سطح برنامه و بر روی زیرساختار اینترنت توسعه یافته‌اند. گره‌های موجود در شبکه، به اسم نظیر‌ها، منابع خود (پهنای باند، قدرت پردازش و ظرفیت ذخیره‌سازی) را به گره‌های دیگری که علایق مشترکی (از طریق برنامه در نظر گرفته شده) دارند را به اشتراک می‌گذارند. در اثر این ویژگی، با افزایش تعداد مشتریان، منابع شبکه‌ی P2P نیز افزایش میابد. و این چیزی است که به آن در اینترنت، مقیاس‌پذیری (scaling) اطلاق می شود. به طور واضح، استفاده از زیرساخت P2P برای توزیع ویدئو، به دلیل نیازی بالای پهنای باند این کار، ایده‌ی خوبی به نظر می رسد، همچنین می توان نتیجه گیری کرد که سرویس‌های ویدئو در زمان تقاضا (VoD) مشخصه‌های مشابهی از سیستم‌های P2P محبوب را، برای اشتراک و توزیع فایل دارا هستند. با این وجود، جریان ویدئوی بلادرنگ (TV زنده) محدودیت‌ها‌ی متفاوت و مقیدی دارند که به یک سری مسائل تکنیکی خاص می انجامد.
IPTV: یک معماری شبکه‌ است که تلویزیون دیجیتال و سرویس‌های VoD را با استفاده از پروتکل اینترنت بر روی یک زیرساخت اختصاصی و محصور تحویل می دهد. IPTV عمدتا توسط یک اپراتور باندپهن، به همراه سرویس VoIP و دسترسی اینترنت (که مجموعه‌ی سرویس‌ها “Triple Play” نامیده می شوند) تامین می‌شود. IPTV، تلویزیونی نیست که بر روی اینترنت و برای عموم پخش شود (بر خلافTV اینترنتی و یا P2PTV). با توجه به پیچیدگی های معماری IPTV و کمبود تجربه‌ی کمپانی‌های ارتباطاتی دوربرد سنتی، راه کار‌های IPTV توسط ائتلاف دهنده ها (integrator) تامین می‌شود. شرکت‌های مشهور بازار، در این حوزه در عبارتند از: Alcatel، Siemens و Cisco.
MobileTV: نامی است که برای سرویس تحویل ویدئو (زنده و ویدئوی VoD) به دستگاه‌های تلفن همراه، استفاده می شود. MobileTV عموما توسط اپراتور شبکه همراه فراهم می شود. یک تفاوت MobileTV با سیستم‌های قبلی، این است که MobileTV دو معماری در شبکه‌ی دسترسی دارد، یا به صورت دوطرفه در شبکه‌ی دسترسی سلولی (W-CDMA، CDMA2000، GSM، GPRS و … ) و یا به یک شبکه‌ی پخش دیجیتال اختصاصی (DVB-H، DMB، TDtv، ISDB-T و …. ) متکی است. پیشبینی شده است که شبکه‌ی سلولی برای ارسال ویدئو در زمان تقاضا و شبکه‌ی پخش، برای سرویس‌های جریان‌سازی چندگانه (TV زنده) استفاده شود. پیاده‌سازی‌های این سیستم با همخوان کردن معماری زیرسیستم چندرسانه ای IP (IMS) شروع می‌شود. همانند IPTV، این بازار، امروزه توسط شرکت های بزرگ ائتلاف‌دهنده قرق شده است.
کابل دیجیتال و ماهواره: تفاوت بین IPTV و کابل دیجیتال، در مرحله‌ی توزیع متمرکز می‌شود. کابل دیجیتال، تلویزیون را از طریق سیگنال‌های ارسال شده با فرکانس رادیویی و از طریق کابل‌های کواکسیال یا فیبر نوری، برای کاربران تدارک می‌بیند. این کابل می‌تواند یک سیستم توزیع یک طرفه یا دوسویه باشد. در استاندارد DVB-C، کابل دیجیتال یک طیف را با بیش از 100 حامل کانال‌های 6 مگاهرتز استفاده می‌کند که بطور نمونه برای انتقال 7 تا 12 کانال دیجیتال استاندارد (جریان‌های MPEG-2 [email protected] 3 تا 5 مگابیت بر ثانیه)، مدولاسیون بکار رفته در نسخه‌های 64-QAM و 256-QAM یک مدولاسیون دامنه‌ی تربیعی (QAD) است. CATV هم اکنون به عنوان تلویزیون کابلی شناخته می شود. تلویزیون ماهواره‌ای دیجیتال، از ماهواره برای ارسال سیگنال به کاربران استفاده می کند. این سیستم، از مدولاسیون دیجیتال کلید‌زنی شیفت فازی تربیعی (QPSK) به همراه استاندارد‌های MPEG-2 یا MPEG-4 AVC و DVB-S (یا DVB-S2) استفاده می‌کند.
کیفیت تجربه (QoE) در یک VDN
یک چالش مشترک در هر نوع پیاده سازی شبکه‌ی تحویل ویدئو،‌ اطمینان از این موضوع است که آن سرویس حداقل کیفیت مطلوب مورد انتظار کاربران را تامین ‌کند. کیفیت تجربه (QoE) اجرای کلی یک سیستم از نقطه نظر کاربران است. QoE، اساسا یک معیار ذهنی از عملکرد انتها به انتها در سطح سیستم از دید کاربران است. همچنین QoE‌ شاخصی از کارایی سیستم و رسیدن آن به اهداف از پیش تعیین شده است. برای شناسایی فاکتور‌های مهمی که در QoE وجود دارند، تعدادی از جنبه های عددی باید در نظر گرفته شوند. مهمترین جنبه برای سرویس‌های تحویل ویدئو، سنجش کیفیت ویدئوی دریافتی است.
در قسمت پیشین، موفق‌ترین کلاس‌های VDN امروزی را معرفی کردیم. هر نوع از VDN ها، بسته به سرویسی که ارائه می‌دهد، پروتکل‌ها و مولفه‌های خاص خود را دارد. در نظر داشته باشید که فرق مهمی در منابع ویدئو‌ی شبکه وجود ندارد. واضح است که کیفیت ویدئوی اصلی (آنالوگ یا دیجیتال) بازدهی کدگذاری و QoE را به شدت تحت تاثیر می‌گذارد. مطمئنا بهترین کیفیت را از شبکه‌های اختصاصی مانند IPTV،‌ کابل دیجیتالی و ماهواره انتظار داریم. (برای مثال،‌ این شبکه‌ها عمدتا از منابع ویدئویی MPEG-2 یا MPEG-4 بهره می برند؛ در حالی که P2PTV از تکنولوژی خانگی استفاده می کند). کدگذاری ویدئو با استفاده از کدک‌های مناسب هر شبکه‌ به صورت اختصاصی انجام می‌شود. در محیط اینترنت (TV اینترنتی و P2PTV) کدگذار‌های ویدئو توسط سرور‌های اختصاصی یا به سادگی توسط کامپیوتر‌های شخصی و خانگی پیاده‌سازی می‌شود. در شبکه‌های اختصاصی ‌(IPTV، Mobile TV،‌ کابل و … ) استفاده از تجهیزات سخت‌افزاری برای کدگذاری ترجیح داده می‌شوند.
پارامتر‌های کدگذار، (مانند: استاندارد انکودر استفاده شده، نرخ بیت، ساختار GOP، CBR/VBR و غیره ) با توجه به روش انتقال و ملزومات پهنای باند تعریف می شوند. از آنجایی که کدگذار‌ها و کدگشاها اساسا برپایه‌ی نرم‌افزار هستند، آزادی وسیعی برای طراحی آن ها در دنیای اینترنت وجود دارد. مورد استاندارد برای استفاده،‌ استفاده از کدک‌های اختصاصی (گاهی اوقات MPEG-4-xvid، H.264 و گاهی‌ اوقات Windows Media 9) است.
در IPTV و کابل‌های دیجیتال و ماهواره‌ها، پیاده‌سازی‌های MPEG-2 به آرامی، با کدگذار‌یهای جدیدی مانند H.264 و VC-1 جایگزین می شوند. در MobileTV، با توجه به توصیه 3GPP، از MPEG-4 استفاده می شود. نرخ بیت اساسا بر کیفیت اثر می‌گذارد. TV اینترنتی و P2PTV عموما از اتصالات خانگی پهن‌باند (در حدود 500 Kbps) استفاده می‌کنند. در MobileTV، شبکه‌ی دسترسی، پهنای باند موجود را به حدود 100 Kbps در شبکه‌های 2G و حداکثر 2 Mbps در شبکه‌های 3G محدود کرده است. در IPTV و کابل دیجیتال و ماهواره، حداقل پهنای باند 12Mbps تا 24 Mbps توصیه می شود.
بسته‌بندی MPEG به منظور ساده‌سازی توزیع، از مالتی‌پلکس کردن صوت و تصویر، و تقسیم آن به قطعات کوچکتر استفاده کرده است. معمولا برای توزیع تک کانالی (جریان‌های انتقال یک برنامه) همانند IPTV و برای توزیع چند کانالی (جریان انتقال برنامه‌ی چندگانه) همانند کابل دیجیتال، ازMPEG-TS استفاده شده است. در TV اینترنتی و P2PTV از استاندارد‌ها و پروتکل‌های اختصاصی بسیاری استفاده شده‌است. بعد از مرحله‌ی بسته‌بندی، بسته‌بندی انتقال صورت می‌گیرد که عموما توسط کدگذار یا سرور جریان ساز انجام می‌شود. برای این مورد نیز استاندارد‌ها و پروتکل‌های اختصاصی زیادی برای این عمل در اینترنت وجود دارد.
مشخص‌های توزیع، معماری‌های VDN مختلفی را مطرح می کند. مقداری تاخیر، پرش و تلفات در جریان، در اثر نحوه توزیع ایجاد می‌شود. در TV زنده و VoD مهم‌ترین فاکتور، تلفات بسته‌ها است؛ چرا که کیفیت ویدئو و QoE کلی، به شدت با توجه آن تنزل پیدا می کند. دسترسی ثابت و همیشگی IPTV و کابل دیجیتال (یعنی ADSL2+، مودم‌های کابلی، اترنت و … ) می‌تواند QoS توزیع را، توسط الگوریتم‌های علامت‌گذاری-اولویت هوشمند، کنترل کند؛ به جز در شبکه‌ی خانگی که از بیسیم (Wi-Fi) استفاده شده، که بطور بالقوه کیفیت را تنزل می‌بخشد. تلویزیون‌ ماهواره‌ای دیجیتال و MobileTV بطور عمده‌ای به شرایط محیطی وابسته اند. در P2PTV، شبکه‌ی دسترسی یک شبکه‌ی پوششی از نظیر‌هاست که پهنای باند خود (بخشی از آن) را به بقیه می‌دهد. مشکل اصلی در اینجا، این است که نظیر‌ها با تناوب بالایی، بصورت خودمختار و کاملا غیرهماهنگ، قطع و وصل می‌شوند. این به این معنی است که چالش اساسی در طراحی P2P، ارائه کیفیت مورد نیاز مشتریان، در یک چنین محیط پر تنشی است، که سعی بر کمینه کردن تلفات بسته‌ها دارد. مجموعه‌ای از روش ها، در شبکه‌های دسترسی برای کم کردن اثر تلفات بسته‌ها استفاده می شود. برای مثال، تصحیح خطای رو به جلو (FEC)، ارسال مجدد، متروک سازی انتخابی، و در موقعیت‌های خاصی در P2PTVها، جریان‌دهی چند منبعی یا چند مسیری است.
کدگشایی ویدئو عموما توسط یک سخت‌افزار اختصاصی (Set-Top-Box برای IPTV، کابل، ماهواره و MobileTV) صورت می‌گیرد؛ البته، به جز در اینترنت، که عموما از یک کامپیوتر شخصی برای آن استفاده می‌شود. سرانجام، همانطوری که در بالا ذکر شد، ترمینال نمایش، مولفه‌ی مهم دیگر در QoE است (با عوامل اصلی : نوع نمایشگر، اندازه و تفکیک پذیری آن). مولفه‌های شبکه‌ی تحویل ویدئو در شکل 2-3 خلاصه شده‌اند و پروتکل‌های آن در شکل 2-4 آورده شده است.
یک شبکه‌ی تحویل ویدئو (VDN) سیستمی است که ویدئو را بصورت ناپیدا به کاربران انتهایی تحویل می‌دهد. VDN ها معماری‌های متنوعی دارند: کابل‌ها و ماهواره‌های دیجیتال، تلویزیون اینترنتی، P2PTV، IPTV و MobileTV. صرفنظر از چگونگی طراحی شبکه یا QoS آن، همیشه امکان نقص در مولفه‌های شبکه وجود دارد، که می‌توانند از نوع ازدحام و یا از نوع خطاهای وارد شده به خود جریان ویدئو باشند. بنابراین لازم است که کیفیت کل در یک شبکه‌ی تحویل ویدئو و بخصوص کیفیت درک شده که نشان دهنده‌ی نقطه‌ نظر کاربر است، ردگیری و اندازه‌گیری شود. در بخش بعدی شبکه‌ی تحویل ویدئوی استفاده شده در اینترنت (TV اینترنتی و P2PTV) را با جزئیات بیشتری مطالعه خواهیم کرد.

اکتساب رمز گذاری بسته بندی توزیع رمز گشایی
منبع ویدئو
رمز گذار
بسته بندی MPEG
بسته بندی انتقال شبکه انتقال
شبکه دسترسی
شبکه خانگی رمز گشا
نمایشگر
تلویزیون اینترنتی و P2PTV تلویزیون اینترنتی و P2PTV
Server
PC تلویزیون اینترنتی و P2PTV
Server
PC تلویزیون اینترنتی و P2PTV
Server
PC
Home gateway تلویزیون اینترنتی و P2PTV
PC
IPTV IPTV IPTV IPTV IPTV
MobileTV
MobileTV MobileTV MobileTV MobileTV
کابل دیجیتال و ماهواره کابل دیجیتال و ماهواره کابل دیجیتال و ماهواره سوییچ
مسیریاب
آنتن
دروازه خانگی
کابل دیجیتال و ماهواره
منبع ذخیره دیجیتال
آنتن
ماهواره
رخداد زنده دیجیتال یا آنالوگ
نوار آنالوگ
سخت افزار رمزگذار
سخت افزار رمزگذار
کابل دیجیتال و ماهواره
تقویت کننده
CMTS CRT
LCD
STB
پروژکتور
MobileTV
PDA
موبایل
شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 3اجزای یک شبکه ارسال ویدئومعماری شبکه‌های نظیر به نظیر برای ارسال تصویر در اینترنتدر تعاریف خاصی از اینترنت، معماری‌های VDN معرفی شده (TV اینترنتی و P2PTV) در داخل مفهوم کلی شبکه‌های محتوا (Content Networks) قرار می گیرند. بعد از معرفی کلی آنها، موارد خاص جریان‌های ویدئو، شبکه‌های تحویل محتوا (CDN) و شبکه‌های نظیر به نظیر (P2P) را معرفی می‌کنیم. در نهایت بر روی تکنولوژی جدید طراحی شبکه‌ی نظیر به نظیر برای ارسال ویدئو تمرکز می‌کنیم.
اکتساب رمز گذاری بسته بندی توزیع رمز گشایی
منبع ویدئو
رمز گذار
بسته بندی MPEG
بسته بندی انتقال شبکه انتقال
شبکه دسترسی
شبکه خانگی رمز گشا
نمایشگر
تلویزیون اینترنتی و P2PTV تلویزیون اینترنتی و
P2PTV
MPEG-2
MPEG-4
ASP (divx,xvid)
MPEG-4
AVC (H.264)
WMV9
RealVideo,
Theora
NSV تلویزیون اینترنتی و P2PTV
MPEG-TS RTP
MPEG-PS UDP
MOV TCP
Rm HTTP
AVI/ASF MMS
FLV flash
Bittorrent
… تلویزیون اینترنتی و P2PTV
Public Internet
IP
Overlay P2P
Ethernet
ADSL2+
VDSL
WIMAX
Copper/coax
Ethernet
Wimax تلویزیون اینترنتی و P2PTV
IPTV IPTV IPTV
MPEG-TS RTP
(SPTS) UDP
AVI/ASF IPTV
MPLS/IP
ATM IPTV
MobileTV MobileTV
3GPP video codecs: ITU-T H.263 video, MPEG-4 simple visual Profile MobileTV
W-CDMA
CDMA2000
GSM, GPRS
DVB-H MobileTV
کابل دیجیتال و ماهواره کابل دیجیتال و ماهواره کابل دیجیتال و ماهواره
QAM
PSQK
Coax/fiber
DVB شکل STYLEREF 1 \s ‏2 SEQ شکل \* ARABIC \s 1 4پروتوکل های معماریمعرفی، شبکه‌های محتوایک شبکه‌ی محتوا، شبکه‌ای است که آدرس‌دهی و مسیریابی اطلاعات به جای موقعیت فیزیکی و منطقی آنها، بر اساس توصیف محتوا است. شبکه‌های محتوا، معمولا شبکه‌های مجازی ای هستند که بر روی زیرساختار IP اینترنت و یا یک شبکه‌ی جمعی بنیان‌گذاری شده‌اند و از مکانیزم‌هایی برای ایجاد امکان دسترسی به محتوا، در زمانی که پیوند ثابتی بین محتوا و میزبان (یا میزبان‌ها) که این محتوا در آن ها قرار گرفته است، وجود ندارد، استفاده می‌کنند. محتوا معمولا در معرض تخصیص دوباره، تکرار، و حتی حذف از گره‌های مختلف شبکه قرار دارد. در سال‌های اخیر، انواع مختلفی از شبکه‌های محتوا توسعه یافته‌ و در مفاهیم مختلف وسیعی به کار بسته شده‌اند (شکل 2-5 ) که این موارد شامل موارد زیر است: سیستم نام قلمرو، شبکه‌های نظیر به نظیر، شبکه‌های تحویل محتوا، شبکه‌های جمعی، ذخیره‌سازی وب تعاونی، شبکه‌های پشتیبان، محاسبه‌ی توزیع شده، پیام‌دهی لحظه‌ای، بازی‌های چند بازیکنی و موتور‌های جستجو.
توانایی شبکه‌های محتوا برای به حساب آوردن ملزومات کاربردهای مختلف (مانند تکرر و نهفتگی) و نیز برای مقیاس کردن شایسته با تعداد کاربران، یک فاکتور مهم در این رشد است. انگیزش‌های دیگر برای بکار بستن آنها، امکان به اشتراک گذاری منابع (برای مثال در شبکه‌های P2P) و طراحی ساده برای اجتناب از مرکزیت ‌یافتن نقاط نقص تکی یا گلوگاه ها است.
بسته به کاربرد‌های خاص شبکه‌ی محتوا و بویژه پویای محتوا در شبکه، طراحی‌های معماری مختلفی استفاده شده‌اند. ناحیه‌های طراحی یک شبکه‌ی محتوا، عبارتند از:
کشف محتوا: هدف یک شبکه‌ی محتوا، نمایش محتوا به کاربران انتهایی است، یعنی نمایش یک دید کلی از محتواها. به منظور رسیدن به این هدف، شبکه باید قادر به پاسخگویی، به پرس و جوی محتوا، با کاملترین مجموعه‌ی ممکن از گره‌هایی باشد که این مفاهیم در آنها یافت می‌شود. این کار شامل یافتن موقعیت محتواها به موثرترین و کارآمدترین روش می‌باشد.
توزیع محتوا: با شناختن گره‌هایی که محتوای خاصی در آنها یافت می‌شود، یک مشتری شبکه، محتوای این منابع را بازیابی می‌کند. عمل تحویل محتوا، توزیع محتوا نامیده می شود. بسته به نوع محتوا، محدودیت‌های مختلفی باید در نظر گرفته شوند. برخی محتواهای یگانه (مانند چت‌ها یا بازی‌های چند‌بازیکنی) می بایست بطور انحصاری از منبع توزیع یابند، اشتراک گذاری فایل، عموما با استفاده از تمامی منابع تکرار شونده به صورت بهترین تلاش توزیع می‌یابد، جریان سازی ویدئو محدودیت‌های بلادرنگ دارد و غیره. به منظور بهبور کارایی توزیع یا در دسترس بودن محتواها، توزیع محتوا بسیار در هر نوع از شبکه‌های محتوا، مطالعه شده است. توزیع محتواها همچنین در مفهوم شبکه‌های P2P بعنوان مکانیزمهای تشویقی برای به اشتراک گذاری و اجتناب یا کم کردن اثر گره‌های سودجو (نظیر‌هایی که فقط محتوا را مصرف می‌کنند و آنها را به نظیر‌های دیگر توزیع نمی‌کنند) مطالعه شده است.
دینامیک‌های شبکه: اثر شبکه به عنوان پدیده‌ای که توسط آن یک محصول یا سرویس با استفاده شدن بیشتر توسط مشتری‌ها و بنابراین تشویق شدن افزون مشتری‌های دیگر، ارزشمند می‌شود، تعریف شده است. معمولا شبکه‌های محتوا تاثیر بالقوه ی بالایی بر شبکه، به ویژه شبکه‌های P2P دارند و بنابراین بطور عمقی بررسی شده است؛ مثلا با استفاده از نظریه‌ی بازی. اگر دو شبکه، محتوای مشابهی را ارائه کنند، در رقابت هستند.
موارد دیگر: فاکتور‌های طراحی دیگری نیز مشترکا مطالعه می شوند که شامل امنیت، ناشناسی، قابلیت همکاری و غیره می باشند.
در سال‌های اخیر دنیا، انفجاری را در طراحی و توسعه‌ی انواع مختلف شبکه‌های محتوا به خود دیده است که در اکثر مواقع بدون درک روشنی از تعامل بین اجزای شبکه، تنظیمات معماری شبکه و پارامتر‌هایی برای اطمینان از استحکام و مقیاس‌پذیری و بهبود عملکرد، انجام شده‌اند. این امر موجب مطالعات تجربی (بر اساس تعداد زیادی از مشاهدات از یک فعالیت شبکه‌ی داده شده) کم و نیز مدل‌های تحلیلی کمتری که بتواند به منظور فهم بهتر و پیشگویی حتی‌الامکان جنبه‌های مختلف رفتار شبکه پیش بینی شود، شده است[3].
شبکه‌های محتوا برای تحویل ویدئو در اینترنتدر قسمت 2.2 دو معماری اصلی را برای شبکه‌های تحویل ویدئو برپایه‌ی اینترنت را معرفی کردیم: TV اینترنتی و P2PTV. در این قسمت آنها را بطور عمیق‌تری مورد بحث و بررسی قرار می دهیم. بسته به تعداد مشتری های همزمان آنها، TV های اینترنتی با استفاده از مجموعه ای از سرورها یا توسط یک شبکه‌ی تحویل محتوا‌ی مقیاس‌پذیر (CDN) به کار بسته شده‌اند. از طرف دیگر، P2PTV بر اساس سیستم‌های نظیر به نظیر (P2P) تشکیل شده است.
معماری‌های گوناگونی برای سرویس‌های یکسان، با توجه به مقیاس و هزینه‌ کاربری ها مورد نیاز است (توسعه‌ی این سرویس در اینترنت به دلیل هزینه‌های بالای پهنای باند بسیار گران است).
مشکل مقیاس پذیری و هزینه‌ی ارسال ویدئوی زنده در اینترنت
مشکل مقیاس و هزینه از این واقعیت که تنها ارتباطات موجود در اینترنت، ارتباطات یک به یک هستند نتیجه می‌شود، که به ارسال نسخه های متعددی از ویدئو به هر کلاینت اشاره دارد.
پهنای باند، گرانترین منبع در اینترنت است و تحویل ویدئو، سرویسی است که بیشترین تقاضای پهنای باند را دارد. به طور خاص، هزینه‌ی تحویل زنده‌ی ویدئو با تعداد کلاینت‌هایی که همزمان در شبکه وجود دارند متناسب است و امروزه این اولین محدودیت برای در دسترس بودن و تنوع محتوای ویدئو در اینترنت است. با این حال، به دلیل اینکه جریان ویدئوهای پرطرفدار، ازدحام زیادی در اغلب بخش های اینترنت ایجاد می کنند، مقیاس‌بندی تحویل ویدئوی زنده بدون یک برنامه‌‌ریزی دقیق، مشکل است. ازدحام، به تعداد زیاد تلفات بسته ها در هنگام توزیع و در نتیجه تنزل کیفیت تصویر دریافت شده توسط کلاینت‌ها منجر میشود.
با این حال ارتباط نقطه به نقطه یک محدودیت استاندارد پروتکل اینترنت نیست، بلکه یک قانون تجاری مهیا کننده‌ی سرویس اینترنت مرسوم است که بر اساس نبود استاندارد‌های پخته و حفاظت از منافع است. در IP، ارتباط یک به یک، تک پخشی نامیده می‌شود. استاندارد IP، ارتباط یک به همه و یک به تعداد را نیز ممکن می‌سازد. در حالی که در IP همه پخشی، داده به تمامی مقصد‌های ممکن فرستاده می‌شود (فقط یکبار توسط منبع)، در چندپخشی IP، داده به تمامی متقاضیانی که علایقشان به آن داده را در منبع ثبت کرده‌اند، فرستاده می‌شود (فقط یکبار توسط منبع). همه پخشی IP و چندپخشی IP به شبکه‌های اختصاصی محدود شده‌اند (شبکه‌های صنفی یا سازمانی). برنامه‌های کاربردی که چندپخشی IP را استفاده می‌کنند؛ شامل: معماری‌های IPTV (بخش 2.2 را ببینید)، ویدئو کنفرانس، یادگیری از راه دور، ارتباطات صنفی، توزیع نرم‌ افزار، پروتکل‌های مسیریابی، نشان دادن سهام، اخبار و غیره می‌باشند. IP چندپخشی قادر به کمینه کردن پهنای باند مصرف شده در شبکه است. یک متقاضی به منظور دریافت یک محتوای چندپخشی خاص، به یک گروه چندپخشی می پیوندد (توسط پروتکل مدیریت گروه اینترنت IGMP). مسیر‌یاب‌ها درخت‌های توزیع را برای هر گروه چندپخشی می‌سازند (با استفاده از چندپخشی مستقل پروتکل PIM) که محتوای چندپخشی را به تمامی متقاضیانی که در این گروه هستند ارسال و توزیع می‌کند.
شبکه‌های تحویل محتوا (CDN): مقیاس پذیری جهانی
بدون استفاده از IP multicasting در اینترنت، زیرساخت تحویل ویدئو معمولا توسط یک مجموعه سرور آغاز می‌شود که ارتباطات تک پخشی را بکار می‌برند. این مجموعه قابلیت دسترسی و حفظ تعادل بالایی را بین سرور‌های خود فراهم می‌کند. این مجموعه سرورها دارای یک پهنای باند در دسترس (و گران قیمت) B Kbps است، که توسط مجموعه‌ای از سرورها (معمولا بطور یکنواخت) به اشتراک گذاشته می‌شود. اگر جریان، bw Kbps را مصرف کند، تعداد کل کلاینت‌های همزمان باید کمتر از B/bw باشد. با افزایش پهنای باند B در دسترس (که هزینه را نیز افزایش می‌دهد)، یا با کاهش کیفیت ویدئو (کاهش bw) می‌توان تعداد کلاینت‌های را افزایش داد. برای مثال اگر bw=500 Kbps باشد و ما چهار هزار کلاینت داشته باشیم (که برای یک سیستم جهانی تعداد کمی است)، ما نیاز به B=2 Gbps داریم (که برای اکثر مدل‌های تجاری مقدار بسیار بالایی است). سرور‌های واقعی می‌توانند جریان‌های تقریبی 800 Mbps را جاری سازند و می‌توانند بسیار مطمئن باشند. با این وجود، زمانی که تعداد کلاینت‌ها افزایش می یابد، مجموعه سرورها برای اجتناب از ایجاد گلوگاه و کاهش تاخیر برای کاربران انتهایی، باید به چندین مجموعه ارتقا یابد.
شبکه‌های تحویل ویدئوی برپایه‌ی اینترنت موفق کنونی، یک ساختار شبکه‌ی تحویل محتوای (CDN) سنتی دارند. یک شبکه‌ی تحویل محتوا (CDN)، سیستمی از سرورهاست که در نقاط استراتژیک در سرتاسر اینترنت قرار گرفته‌اند و بصورت ناپیدا برای تحویل محتوا به کاربران نهایی با یکدیگر همکاری دارند. اساسا تمامی گره‌ها در یک CDN می‌توانند محتوای مشابهی را سرویس‌دهی نمایند. اولویت برای یک گره خاص برای سرویس‌دهی یک کلاینت خاص با استفاده از پروتکل‌هایی بین سرور‌ها برای تشخیص اینکه کدام گره برای این کار بهترین است، مشخص می‌شود. هر CDN قواعد خاص خود را برای تعیین بهترین سرور دارد، که معمولا بر اساس مجاورت شبکه، ازدحام شبکه و غیره است.
CDN ها در اصل، برای بهبود سرویس جهانی وب توسعه یافته بودند. این راهکار، تاخیر و ترافیک شبکه را با مسیر‌دهی تقاضاهای کلاینت‌ها به یک گره نزدیک به آن کلاینت، کاهش می‌دهد. علاوه بر آن، CDN قابلیت در دسترس بودن سرویس را با اجتناب از نقاط نقص یگانه و انکار توزیع شده‌ی سرویس، بهبود می‌بخشد. امروزه، دانش آکادمیک وسیعی از زمینه‌های مختلف استفاده از تکرر CDN به WWW وجود دارد. برخی از مهمترین زمینه‌ها که راهکارهای CDN را متمایز می‌سازند، عبارتند از: مکانیزم مسیر‌یابی تقاضا، که تعیین می‌کند کدام گره به عنوان کلاینت سرویس‌دهی خواهد کرد، محتوا در کجا تکرار خواهد شد (یعنی در کجا، گره‌ای از CDN در اینترنت قرار داده شود و در کدام گره، هر محتوا، بسته به محبوبیتش تکرار شود)، چگونه پایداری بین سرور‌ها، با در نظر گرفتن تغییرات محتوا حفظ شود، و چگونه CDN با تغییرات محتوا، سرور و کلاینت وفق یابد. CDN های موفق کنونی عبارتند از: Akamai، با ده‌ها هزار سرور جایگزین، که در سرتاسر اینترنت قرار گرفته‌اند؛ CDNetworks، با گستره ای وسیع در سطح آسیا؛ Globule، یک CDN جمعی با کد باز؛ CoDeeN، یک سیستم ‌آزمایشی آکادمیک که بر روی PlanetLab ساخته شده است وغیره.
با در نظر گرفتن اینکه تحویل ویدئو، یکی از کاربرد‌های با تقاضای پهنای باند بالاست که در اینترنت وجود دارد، طبیعی است که فکر کنیم که CDN ها می توانند به خوبی، سرویس‌های خود را به تحویل ویدئو گسترش دهند. امروزه، تمامی CDN‌های تجاری، سرویس ویدئو در زمان تقاضا، به دلیل اینکه از نظر تکنیکی مشابه دانلود فایل است، را ارائه می دهند. همچنین CDN های خاصی برای سرویس تحویل رسانه، برای جریان صوت، و جریان تصویر توسعه یافته‌اند. موفق‌ترین TV اینترنتی از معماری CDN استفاده می‌کند، برای نمونه YouTube، msnTV، Jumptv و غیره را می توان نام برد. در پشت CDN های تجاری نیز مطالعات آکادمیک وجود دارند.
از نقطه‌ نظر مقیاس و هزینه، ساختار CDN، مشکل مقیاس‌پذیری مجموعه سرورها را (با اجتناب از گلوگاه ها) حل می‌کند؛ اما مساله‌ی هزینه همچنان پابرجا است، چرا که در یک CDN، مجموعه‌ای از سرور‌ها تمامی بار را تحمل می‌کنند (بر عمل توزیع محتوا به مشتریان متمرکز می‌شوند). بنابراین همانند راهکار مجموعه سرورها، هزینه، متناسب با تعداد کل کلاینت‌های همزمان در شبکه است. علاوه بر آن، هزینه‌ی عملکرد و نگه‌داری سرور‌هایی که در سرتاسر جهان توزیع شده‌اند، نیز باید در نظر گرفته شود. این هزینه‌ی عملیاتی، معمولا کاربرد CDN را فقط به سایت‌های تجاری بزرگ محدود می‌کند.
با این وجود، CDN، مشکل مقیاس‌پذیری را فقط تا حدی حل می‌کند:
پهنای باند در دسترس متغیر نیست؛ بنابراین یک CDN، نمی تواند با محتوایی که ناگهان محبوب می شود، مقیاس‌پذیری را فراهم ‌کند.
اگر سرور‌های CDN نزدیک به کلاینت‌ها باشد، از ایجاد تنگنا اجتناب می‌کنند. برای مثال، برای یک محتوای جهان‌گستر، این کار آسان است، اما در صورتی که برخی محتواها در داخل یک شبکه محبوبیت بسیاری داشته باشند، این عمل غیرممکن است. بعنوان مثال، مسابقات فوتبال یکی از محتواهای زنده‌ی محبوب در جهان هستند، اما برای نمونه مسابقه‌ی ایران-عراق طرفداران زیادی در داخل ایران خواهد داشت و داشتن سرور‌های زیاد در خارج از ایران کمک زیادی به ما نخواهد کرد، زیرا آنها، همان لینک‌های مزدحم را برای کلاینت‌ها به اشتراک می‌گذارند.
شبکه‌های نظیر به نظیر (P2P): کم کردن هزینه‌ها
از نقطه نظر مقیاس‌پذیری، اگر بخواهیم ویدئوهایی با محبوبیت های متفاوت را ارائه دهیم، بنظر لازم می‌رسد که باید سرور را تا حد ممکن در مجاورت کلاینت‌های نهایی داشته باشیم. از نقطه نظر هزینه، توزیع بار تحویل ویدئو به کلاینت‌های علاقمند، امری ایده‌آل بنظر می‌رسد.
روشی که در حال محبوب شدن است، شامل استفاده از ظرفیت عموما بلااستفاده کلاینت‌ها برای به اشتراک گذاری توزیع ویدئو با سرور‌ها، از طریق سیستم‌هایی با ماهیت نظیر به نظیر کنونی است. P2PTVها، شبکه‌های مجازی هستند که در سطح برنامه توسعه یافته‌اند، و گره‌ها در این شبکه‌ها،‌ نظیر نامیده می‌شوند. این گره‌ها به این دلیل که اساسا همگی علایق مشترکی دارند، منابع خود (پهنای باند، توان پردازش و ظرفیت ذخیره‌سازی) را به گره‌های دیگر ارائه می‌دهند. در نتیجه، با افزایش تعداد مشتریان، افزایش منابع کلی شبکه نیز بوقوع میپیوندد. با این وجود، نظیر‌هایی که به نظیر دیگری سرویس می‌دهند، می‌توانند با ملاک مجاورت در شبکه،‌ با اجتناب از گلوگاه ها، حتی به صورت کارآمدتری نسبت به سرورهای CDN انتخاب شوند. پایه‌گذاری مقیاس‌پذیری در خاصیت اثر شبکه به دلیل هزینه‌ی بالای پهنای باند توزیع ویدئو،‌ بنظر ایده‌ی خوبی می‌آید. نقطه ضعف این رویکرد، این است که نظیر‌ها کاملا خودمختار و غیر‌همزمان و با فرکانس‌های بالایی قطع و وصل می‌شوند. زمانی که گره‌ای شبکه را ترک می‌کند (ما این وضعیت را نقصان خواهیم خواند)، باعث از دست رفتن اطلاعاتی می‌شود که در حال ارسال به گره دیگر بوده است. بنابراین، منابع شبکه تماما متغیر هستند و این منجر به یک محدودیت جدی در سطح کنترل می‌شود؛ زیرا شبکه باید دارای استقامت بالایی نسبت به این نوسانات داشته باشد. مهمترین چالش در طراحی P2P، ارائه کیفیت مورد درخواست کلاینت‌ها، در یک محیط با نوسانات بالا می باشد.
برای توزیع ویدئو در شبکه‌های P2PTV، تعدادی نمونه تجاری موجود هست. موفق‌ترین آنها عبارتند از BBC:iMP (بر اساس نرم‌افزار VeriSign Kontiki )، Joost، PPlive، PPstream، SopCast،‌ TVAnts و TVUnetwork. در کنار شبکه‌های تجاری، برخی مطالعات آکادمیک نیز از جمله SpreadIt، CoopNet و SplitStream بر روی P2PTV انجام شده است.
چالش‌های پیاده سازی یک شبکه P2P برطبق انواع سرویس‌ ویدئوی ارائه شده، متفاوت‌اند. برای نمونه، ویدئو در حین تقاضا (VoD) مشخصه‌های مشابهی به عنوان سیستم‌های P2P محبوب برای به اشتراک گذاری و توزیع فایل دارد. با این حال، جریان ویدئوی بلادرنگ (TV زنده)، محدودیت‌های متفاوت و سخت تری دارد، که به یک سری نیازمندی های تکنیکی خاص اشاره می‌کند، که برآورده ساختن آنها در محیط‌های با دینامیک بالا، بسیار مشکل است. در قسمت بعدی، خلاصه‌ای از تکنولوژی P2P را معرفی خواهیم کرد و رویکرد‌های کنونی برای سرویس TV زنده را مورد بحث قرار خواهیم داد.
شبکه‌های نظیر به نظیرشبکه‌های نظیر به نظیر دسته‌ای از سیستم‌ها و برنامه‌ها هستند که منابع توزیع شده را برای انجام برخی اعمال بحرانی به شکلی تمرکز یافته بکار می‌برند. منابع می‌توانند از نوع پردازش، ذخیره‌سازی (بویژه محتوا) و یا ارسال (پهنای باند) باشند. کارکرد‌های بحرانی عبارتند از: محاسبه‌ی توزیع شده، اطلاعات به اشتراک گذاشته شده، همکاری بین نظیر‌ها یا هر نوعی از سرویس که بتواند توسط سیستمی با این ویژگی‌ها ارائه شود.
در رابطه با شبکه‌های P2P، یک سری از تعاریف وجود دارد CITATION Ali99 \l 1065 (1). در این نوشته، از تعریف زیر که توسط Clay Shriky ارائه شده ، استفاده شده است: یک شبکه‌ی نظیر به نظیر، شبکه‌ی محتوایی‌ای است که از منابع آزاد موجود در لبه‌های اینترنت (کاربران انتهایی) بهره می‌جوید.
شبکه‌های نظیر به نظیر موردی خاص از شبکه‌های محتوا هستند، اختلاف‌‌ها در برخی مشخصه‌های معماری و گره‌های شبکه است:
شبکه‌ها‌ی P2P از نظیر‌های مستقل تشکیل شده‌اند. در حقیقت، گره‌ها باید قابلیت قطع و وصل به شبکه را در هر زمان و به طریقی قابل انعطاف را داشته باشند. علاوه بر این، در حالت کلی هر گره‌ای، خود، مقدار منابعی که میخواهد به اشتراک بگذارد را تعیین می‌کند.
با در نظر گرفتن اینکه گره‌ها می‌توانند آزادانه وارد سیستم شده و منابع خود را به اشتراک بگذارند، یک مکانیزم تشویقی برای این عضویت در شبکه لازم است. این عامل تشویقی، به این دلیل که در شبکه‌های P2P، نظیر‌ها اهداف و یا نیازهای مشترکی را به اشتراک می‌گذارند، در حالت کلی حاصل شده است. بنابراین، میل ضمنی برای به اشترک گذاری منابع در این نوع از سیستم‌ها وجود دارد.
دست‌آورد دیگری که از استقلال نظیرها به دست می‌آید، گمنامی است. عموما، منابع و گیرنده‌های یک محتوا نمی‌خواهند شناخته شوند (برای مثال به دلایل قانونی، هنگامی که محتوا شامل حقوق کپی‌رایت باشد)، یا در موارد دیگر، به این دلیل که این دانش، کاملا غیرضروری است.
دسته‌بندی اولیه شبکه‌های P2P که در نشریات ظاهر شد، بر پایه‌ی نوع برنامه شبکه بود CITATION Has09 \l 1065 (2):
اشتراک محتوا: تحویل فایل، توزیع چند‌رسانه‌ای، حافظه‌های توزیع یافته، نهان‌سازی، مدیریت اطلاعات (کشف، توده‌سازی، فیلتر کردن، واکاوی،‌ سازماندهی و … ).
همکاری: ارتباطات (چت، پیغام‌های فوری)، بررسی/ویرایش/تالیف/ایجاد اشتراکی، بازی کردن، شبکه‌های اجتماعی و غیره.
محاسبات توزیع شده: محاسبات توزیع شده‌ی اینترنت/اینترانت و غیره. کاربرد آن شامل جستجوی حیات برون‌زمینی، پروژه‌ی ژنوم، تحلیل بازار، تحلیل ریسک مالی، تحلیل آمارگیری نفوس وغیره.
دسته‌بندی بر پایه‌ی کاربرد، برای فهم انواع مختلف طراحی‌ها، معماری‌ها و الگوریتم‌هایی که در دنیای P2P وجود دارد ناکافی است.
شبکه‌ی پوششی: لایه‌ی کنترل و مسیر‌یابی
در یک شبکه‌ی P2P، دو نوع داده‌ی مبادله شده وجود دارد: خود محتوا (یعنی فایلها، ویدئو‌ها و غیره ) و پیغام‌های کنترل و مسیر‌یابی (قطع و وصل نظیر‌ها، انتشار محتوا،‌ جستجو‌ها و غیره). هر شبکه‌ی P2P، روش خود را برای مبادله‌ی انواع داده‌ها را دارد. همانطور که در شبکه‌های محتوا، مساله‌ی طراحی مبادله‌ی محتوا، توزیع محتوا و مساله‌ی طراحی مبادله‌ی پیغام‌های کنترل، کشف محتوا نامیده می‌شود.
با در نظر گرفتن کشف محتوا، یک شبکه‌ی P2P مجبور است که بصورت ناپیدا، محتوا‌ها را به کاربران انتهایی ارائه کند، یعنی نمای کلی و ثابتی از محتواها را ارائه دهد. به منظور دست یابی به این هدف، برخی پیغام‌های کنترل و مسیر‌یابی، مجبورند که بین نظیر‌ها، برای کشف موقعیت محتوا به طریق کارآمد و موثر (موثرترین و کارامدترین طریق ممکن) مبادله شوند. با اطلاعات کنترلی مبادله شده، شبکه‌ی دانش ساخته می‌شود. دانش، اطلاعاتی است درباره‌ی موقعیتی (در هر نظیر) که محتوایی خاص، در آن یافت می‌شود. شبکه‌ی شناخت معمولا شبکه‌ی پوششی نامیده می‌شود و بدین صورت تعریف می‌شود: شبکه‌ی پوششی، یک گراف جهت‌دار است. گره‌ها همان نظیر‌ها هستند. اگر یک نظیر شرکت کننده، موقعیت نظیر دیگر را بداند، مسیر مستقیمی از گره اولیه به گره دیگر وجود دارد.
خودسازماندهی. یک دسته‌بندی مشترک برای P2P، برپایه‌ی اینکه چگونه شبکه پوششی ساخته می‌شود وجود دارد. خودسازماندهی شبکه‌ی P2P می‌تواند ساخت‌یافته یا غیر‌ساخت یافته باشد.
غیر‌ساخت‌ یافته. گره‌های شبکه پوششی ساخت‌یافته بطور دلخواه (غیر جبری) و با استفاده از سیل (گردش تصادفی یا پخش گسترده) به منظور کشف محتوا، سازماندهی شده‌اند. جستجوهای محتوا، در بین نظیر‌ها و بر روی توپولوژی پوششی، انتشار می‌یابند. گره‌های شرکت کننده در سیستم، با استفاده از پیام‌های زنده‌نگه‌داری، ارتباطشان با یکدیگر را حفظ می کنند. معمولا این شبکه‌ها به دلیل مقدار زیاد ترافیک علامت‌دهی، به خوبی مقیاس‌پذیر نیستند. از سوی دیگر، این شبکه‌ها سطح استقلال بالایی دارند. نمونه‌‌ی مشهور این شبکه‌ها، Gnutella است.
ساخت یافته. یک شبکه‌ی سازمانی ساخت‌یافته، یک پروتکل استوار کلی را برای مسیریابی یک جستجو از گره‌های دیگر و یا محتوا بکار می‌گیرد. در حالت کلی، این شبکه‌ها شامل برخی گونه‌های یک تکنولوژی جدول آمیزش توزیع شد هستند. این شبکه‌ها یک شبکه پوششی ساخت‌یافته را تشکیل می‌دهند که هر گره، مجموعه‌ی خاصی از محتواها را نگه می‌دارد (یا مجموعه‌ای از اندیس‌های موقعیت محتوا). بنابراین جستجوهای محتواها، قطعی و کارآمدند. در شبکه‌های پوششی ساخت‌یافته،‌ تغییرات نظیر‌ها و محتواهای موجود، انتشار می‌یابند، این عمل متفاوت با شبکه‌های پوششی غیرساخت‌یافته‌ است، که در آن‌ها نظیر‌ها باید به دنبال تغییرات باشند. در حالت کلی، پروتکل‌های این شبکه‌ها، کشف محتوای خاصی را با عبور از حداکثر، مقدار لگاریتمی‌ای از تعداد گره‌های شبکه را تضمین می‌کنند. در شبکه‌هایی با تغییرات زیاد، امکان دارد که نگه‌داری اطلاعاتی از تغییر‌ها در مقایسه با رویکرد‌های غیرساخت‌یافته،‌ بقدر کافی کارآمد نباشد. مثال‌های این شبکه‌ها عبارتند از Kademila، CAN، Chord، Pastry و Tapestry.
غیرمتمرکز سازی. برای یک نظیر در یک شبکه‌ی P2P، سه نقش وجود دارد. گره‌هایی که محتواهایی را دارند، گره‌های منبع، آنهایی که این محتواها را درخواست می‌کنند، گره‌های متقاضی و گره‌هایی که پیغام‌های کنترل را برای نمایش سراسری از موقعیت محتواها در شبکه‌ مبادله می‌کنند،‌ گره‌های مسیر‌یاب نامیده می‌شوند. یک کامپیوتر منفرد ممکن است همزمان گره منبع، متقاضی و مسیر‌یاب باشد.
در شبکه‌های محتوا، غیر‌متمرکز سازی توسط ظرفیت شبکه برای کار با چندین گره از یک نوع (منبع،‌ متقاضی و مسیر‌یاب) تعیین می‌شود. با در نظر گرفتن تمایل نظیر برای به اشتراک گذاشتن در شبکه‌های P2P، همواره منابع فراوانی در این شبکه‌های وجود دارد که مفهوم غیر‌متمرکز سازی را برای متقاضی‌ها (اساسا) و مسیر‌یاب‌ها محدود می‌کنند.
از نقطه‌نظر غیر‌متمرکز سازی، شبکه‌های نظیر به نظیر در انواع زیر دسته‌بندی شده‌اند:
خالص. این شبکه‌ها به صورت دقیق، فلسفه‌ی یک شبکه‌ی P2P را بیان می‌کنند، به گونه‌ای که تمامی گره‌ها نقش‌های (منبع، متقاضی و مسیر‌یاب) یکسانی را ایفا می‌کنند و دارای مسئولیت‌های مشابهی هستند. این یک شبکه‌ی بطور کامل توزیع یافته است که می‌تواند با مقدار دلخواهی از گره‌هایی از هر دسته، کار کند. برای مثال متقاضی‌ها می‌توانند یک محتوا از هر گره‌ای درخواست نمایند و این گره مجبور است مسیر‌ی به آن منبع را بداند. مثال‌هایی از این شبکه‌ها Gnutella و Freenet هستند.
ترکیبی. مدل متمرکز به دلیل اینکه یک سیستم P2P خالص نیست، ترکیبی نامیده می‌شود. در این مدل، یک گره مرکزی (یا یک مجموعه از سرورها) وجود دارد که تمامی پیغام‌های کنترل را در شبکه مسیر‌یابی می‌کند. متقاضی‌ها، از سرور مرکزی محتوایی را درخواست می‌کنند، و سرور منابع این محتوا را اعلام می‌کند. منابع، محتوا را به یک شکل برپایه‌ی P2P، به متقاضی‌ها ارسال می‌کنند. یک شبکه‌ی ترکیبی، می‌تواند یک یا چند متقاضی داشته باشد. برای مثال، Napster دارای یک گره مسیر‌یاب واحد، چندین منبع و چندین متقاضی است؛ در حالی که [email protected]، یک گره‌ی مسیر‌یاب واحد، چندین منبع‌ پردازش منابع و فقط یک متقاضی این توان پردازش را دارد.
سلسله‌مراتبی. بین مدل خالص و مدل ترکیبی، مدل سلسله‌مراتبی چندین گره مسیر‌یاب دارد. در برنامه‌های اشتراک فایل،‌ شبکه‌های سلسله‌ مراتبی، شبکه‌های نظیر-بزرگ نامیده می‌شوند. در این شبکه‌ها، گره‌هایی که (منبع/متقاضی/مسیر‌یابی) هستند، نظیر بزرگ نامیده می‌شوند و فقط گره‌های کلاینت (منبع/متقاضی)، نظیر نامیده می‌شوند. نظیرهای بزرگ، ستون فقراتی از پیغام‌های کنترلی را شکل می‌دهند و دید سراسری‌ای از محتوا در شبکه به خود و نظیر‌ها (با منابع کمتری از نظیرهای بزرگ) ارائه می‌دهند. این مدل، پتانسیل ترکیب کارایی جستجوهای محتوای سیستم‌های ترکیبی مرکزیت یافته را با استقلال، تعادل بار و عدم وجود یک نقطه‌ی نقص یکتای سیستم‌های خالص بطور کامل توزیع شده، را دارد. مشهور‌ترین نمونه از این شبکه‌ها، KaZaA است.
معمولا شبکه‌های خالص به دلیل ناهمگنی نظیر‌ها در زمان اتصال و منابع به اشتراک گذاشته شده، به خوبی مقیاس‌پذیر نمی‌شوند CITATION kal \l 1065 (4). طبق تعریف، هیچ شبکه‌ی ترکیبی ساخت‌یافته‌ای وجود ندارد. زمانی که شبکه‌های غیر‌ساخت یافته، از نظر تعداد گره‌ها رشد می‌کنند، نیاز به یک مدل که اندیشه‌ی بهتری از ناهمگنی نظیر‌ها داشته باشد (از نظر زمان اتصال و منابع به اشتراک گذاشته شده)، برمی‌خیزد،‌ یعنی مدل سلسله مراتبی. امروزه، رویکرد سلسه مراتبی کاملا متداول است.
جدول 2.1 چکیده‌ای از طبقه‌بندی داده شده از معماری‌های P2P (با رعایت دو مشخصه‌ی اصلی: خودسازماندهی و غیرمتمرکز شدن) را به همراه چندین مثال ار شبکه‌های P2P نشان می‌دهد. همانطوری مشاهده می‌کنید، هیچ ساختار سلسله‌مراتبی ساخت یافته‌ای وجود ندارد.
شبکه‌های پوششی ساخت یافته برای جریان سازی ویدئوی زنده
محبوب‌ترین سیستم‌های P2P، آنهایی هستند که برای به اشتراک گذاری فایل طراحی شده‌اند. مهم‌ترین آن‌ها KaZaA، Bittorrent یا eMule که هیچ کدام تقریبا از زیرساخت اختصاصی استفاده نمی‌کنند. مشخصه‌ی مشترک این نوع از سیستم‌ها، قانون ساده‌ای است، و آن این که نظیر‌ها برای زمان یکسان در شبکه متصل باقی می‌مانند. برای نمونه، مراجع معتبر مدت زمان میانگین اتصال به شبکه را در حدود یک ساعت (در Napster و Gnutella) گزارش کرده است. بر اساس این فرض، بسیاری از شبکه‌های P2Pی ساخت یافته، برای به اشتراک گذاری فایل توسعه یافته‌اند. موفق‌ترین آنها، با استفاده از ایده‌ی جدول آمیزش توزیع شده، Kademila، CAN Chord و Pastry و Tapestry هستند.
از آنجا که بازتولید ویدئو زنده محدودیت‌های بلادرنگ دارد (به اشتراک گذاری فایل این محدودیت را ندارد) و گره‌ها فقط به مدت چندین دقیقه به شبکه متصل باقی می‌مانند، شبکه‌های P2P ارسال ویدئوی زنده، با محدودیت‌های سخت‌تری مواجه هستند..
پوشش‌های برپایه‌ی درخت. اولین ایده برای استفاده‌ی منابع بلااستفاده موجود در کاربران انتهایی، ساخت زنجیره‌ای از پروکسی‌های جریان‌ساز است. یک منتشر کننده (منبع سیگنال زنده) جریان را یکبار به یک نظیر انتخاب شده ارسال می‌کند. این نظیر، نظیر دیگری را انتخاب می‌کند و جریان را بازپخش می‌کند و این عمل تا آخرین گره انجام می‌پذیرد. یک زنجیره‌ی طولانی از نظیر‌ها که جریان را به دیگری بازپخش می‌کنند، از لحاظ نظری، نیاز‌های توزیع را فراهم می‌کند، اما این کار به دلیل متغیر بودن نظیر‌ها و ناهمگن بودن منابع نظیر‌ها، غیر عملی است. زمانی که نظیری از شبکه قطع اتصال می‌شود (یک اتفاق بسیار متداول)،‌ ادامه‌ی زنجیره، جریان را از دست می‌دهد. علاوه بر این، اگر یک نظیر، پهنای باند ارسال کافی برای جاری ساختن سیگنال نداشته باشد، نمی‌تواند در شبکه مشارکت کند.
ایده‌ی توزیع برپایه‌ی درخت، برای کاهش دادن طول زنجیره و در نتیجه کم کردن احتمال گسستگی زنجیره به



قیمت: 10000 تومان

متن کامل در سایت homatez.com

NameEmailWebsite

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *