Nail Akar. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Ankara, Türkiye Tel: )

Transkript

1 TCP/IP AĞLARINDA KESİNTİSİZ VİDEO GÖRÜNTÜLEME İÇİN KATMANLI DURAKSIZ VİDEO İLETİMİ Eren Gürses, Gözde Bozdağı Akar Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Ankara, Türkiye Tel: ) Nail Akar Bilkent Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Ankara, Türkiye KONU: İmge/Video Kodlama ve İletimi ÖZ Günümüz Internet trafiğinin çok büyük bir bölümünü TCP(İletim Kontrol Protokolü) trafiği oluşturmaktadır. Sıkışıklık kontolü uyguladığı için yaygınlaşan bu protokol, gecikme kısıtlaması olmayan, kayıplara karşı duyarlı veri trafiği iletimi için tasarlanmıştır. TCP türevlerinden birisinin(tahoe,reno,sack,fack), çoğulortam verisinin (yani zaman kısıtlaması olan, ve kayıplara karşı daha az duyarlı veri) duraksız iletiminde kullanılabilmesi, hem TCP trafiği ile ilgili edinilmiş tecrübelerden yararanılmasını, hem de varolan internet trafiğinin büyük bir bölümünü oluşturan TCP trafiği ile uyumlu olmasını sağlayacaktır. Fakat TCP nin yeniden iletim (retransmission), veri hızındaki ve gecikmedeki yüksek değişim, gibi özellikleri her ne kadar, normal veri transferi için problem yaratmasa da, gerçek zamanlı olmayan duraksız çoğulortam iletiminde performansı oldukça düşürebilmektedir. Bu çalışmada performansı arttırmak için uygulama katmanında bulunan ve TCP ile bağlaşık olarak çalışan bir algoritma önerilmiştir. Önerilen Seçici Çerçeve Atma(SFD) algoritması uygulama katmanındaki giriş arabellegine gelen katmanlı video çerçevelerinden gerekli zamanlarda geliştirme katmanına ait olanları atarak(discard), temel katmana ait çerçevelerin zamanında alıcıya ulaşmasını sağlamaktadır. Simülasyon sonuçlarımız göstermektedir ki, yeterince uzun miktarda alıcı arabelleği kullanılması ve katmanlı/ölçeklenebilir video kullanılması ile, TCP türevleri ile duraksız video iletimi, TCP nin bütün istenmeyen özelliklerine rağmen, yapılabilmektedir. 1. GİRİŞ Yeni video sıkıştırma ve ağ teknolojileri, internet üzerinden yüksek kalitede duraksız video iletimini mümkün kılmıştır. Video konferans, video on demand, vb. gibi uygulamalar sayesinde, video trafiği yakın zamanda toplam internet trafiğinin önemli bir bölümünü oluşturmaya adaydır. TCP, oturmuş AIMD(Additive Increase Multiplicative Decrease) sıkışıklık kontrol algoritmasıyla, gecikme kısıtlaması olmayan, kayıba karşı duyarlı veri iletiminde en yaygın olarak kullanılan protokoldür. Fakat TCP nin yeniden iletim (retransmission), veri hızındaki ve gecikmedeki yüksek değişim, gibi özellikleri genellikle gecikme kısıtlı, kayıba karşı daha az duyarlı video verisi iletimi için uygun bulunmaz. Duraksız video iletimi(video streaming) için genelde önerilen User Datagram Protocol (UDP) dir. Fakat UDP nin herhangi bir sıkışıklık kontrol mekanizması olmadığı için, bu akışların çoğu genelde ağ durumuna göre tepki veremezler (ancak RTCP mesajlarına göre bit hızı ayarlaması yapılır). Ağ durumuna duyarsız olarak trafik üreten böyle video akışlarının artması, ağ performansının tamamen çökmesine neden olabilecek potansiyel bir tehlikedir [1]. Bu potansiyel tehlikeyi engellemek için olası seçenekler vardır [2]: (a) UDP üstündeki katmanlarda sıkışıklık kontrolü uygulanması, (b) hataya az duyarlı akışlar için sıkışıklık kontrolünü iletim protokolü seviyesinde yapan yeni bir iletim protokolü kullanılması, (c) bilinen, oturmuş bir sıkışıklık kontrolü mekanizması olan, bazı ufak değisikliklerle video iletisi için uygun hale gelebilecek varolan bir iletim protokolü (mesela TCP) kullanılması. UDP nin üstündeki katmanlarda sıkışıklık kontrolü yapılmasının en büyük dezavantajı duraksız video iletimi uygulaması yazanlar için

2 ekstra yük getirmesidir. Sıkışıklık kontrolünün UDP seviyesinin üstünde yapılmasının bir diğer dezavantajı ise iletim katmanı seviyesindeki ACK lerin üzerinde taşınan ECN (Explicit Congestion Notification) sıkışıklık bilgisinin kullanılamamasıdır. İletim katmanı seviyesinde ECN ile taşınan sıkışıklık bilgisinin kullanılması sayesinde, paketler sıkışıklık yüzünden kayba uğramadan iletim protokolü hızını düşüreceği için, paket kaybı azalacaktır. Kaybın azalması sayesinde yeniden iletim sayısı azalacağı için video iletim uygulamalarının performansı artacaktır. Bu çalışmada, hataya duyarsız veri iletimi için yeni bir iletim protokolü yazmak yerine, üzerine video iletimi performansını artırmak için uygun eklemeleri yaparak, bilinen TCP türevlerini kullanarak, uygulama katmanı için önerilen Seçici Çerçeve Atma(SFD) algoritmasının performansı gösterildi. TCP türevi olan Fack in bu eklemeler ile birlikte kullanılanılmasıyla RTO(Retransmission Timeout) sayısı ve dolayısıyla yaşanan RTO ların performans üzerindeki kötü etkisi azaltılmış olur. Simülasyon sonuçlarına göre, TCP den kaynaklı bant genişliği tahminlerindeki ve videonun bit hızındaki değişimleri emebilecek kadar uzun süre bellekleme yapılırsa, TCP kullanılarak IP ağlarında katmanlı duraksız video iletimi başarı ile yapılabilmektedir. Bu çalışma aşağıdaki kısımlardan oluşmuştur: Bölüm 2 de bu konuda yapılmış önceki çalışmalar anlatılmıştır. Bölüm 3 te kullanılan katmanlı/ölçeklenebilir video nun yapısı ve ardından önerilen Seçici Çerçeve Atma(SFD) algoritmasının detayları verilip, Bölüm 4 te de bu algoritmayla ilgili yapılan simülasyon sonuçları sunulmuştur. Sonuçlar bölümünde ise yapılan çalışma özetlenerek bitirilmiştir. 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Son yıllarda Internet te duraksız video iletiminde, sıkışıklık kontrolü ve video kalitesi adaptasyonu ile ilgili çeşitli yöntemler önerilmiştir [4,, 6, 7, 9]. Bu çalışmaların çoğunda sıkışıklık kontrolü algoritmaları uygulama katmanı seviyesinde yapılmıştır. Feamster et.al. [6] da, RTP/UDP üzerindeki katmanda uygulanan binom sıkışıklık kontrol algoritmalarını kullanan değişik kalite adaptasyon yöntemlerini karşılaştırmıştır. Bu çalışmada, ağ durumu ile ilgili bilgiler gönderici tarafındaki sıkışıklık kontrol algoritmasına RTCP paketleri ile gönderilmektedir. Sonuçlar göstermektedir ki, hiyerarşik kodlanmış video ve giriş arabelleği yönetim sistemi kullanılması ile iletim performansı artırılabilmektedir. Sisalem et.al [8] deki çalışmada çokluortam uygulamaları için RTP/RTCP mesajları kullanarak çalışan bir bit hızı ayarlama algoritması önermiştir. Hsiao et al. ise [] de, TCP üzerinde bazı değişiklikler yaparak video iletiminde kullanılmak üzere sıkışıklık kontrol algoritmasının performansını incelemiştir. Bu algoritma, TCP ACK lerini yönlendiricilerden gelen bilgiye göre geciktirerek sıkışıklığı kontrol etmeyi hedeflemiştir. Sonuçları oldukça iyi olmasına rağmen, alıcı tarafındaki TCP/IP stack i değiştirilmek zorunda olduğu için bazı güçlükleri vardır. Rejaie et.al. [4] deki çalışmada, TCParkadaşı bir sıkışıklık kontolü algoritması kullanarak, video katmanları arasında bant genişliğini doğrusal olarak paylaştıran bir kalite adaptasyon algoritması önermiştir. Balan et. al [7] de uyarlanabilir kodlama ile birlikde bir paket süzgeçleme tekniği kullanmıştır. Saparilla and Ross [9] da ise iki katmanlı video iletiminde temel ve geliştirici katmanlarda gönderilmesi gereken optimum bit oranlarının, alıcıdan gelen kullanıcı yastık bilgilerini kullanarak, ne olması gerektiğini göstermişlerdir 3. ÖNERİLEN MİMARİ Bu bölümde, simülasyonlarda kullanılan katmanlı/ölçeklenebilir videonun nasıl kodlandığı, önerilen mimari ve Seçici Çerçeve Atma(SFD) Algoritması anlatılacaktır Ölçeklenebilir/Katmanlı Video Kodlanması Ölçeklenebilir/Katmanlı video kodlamasının amacı farklı önemde çerçevelerin üretilmesi ve bunun sonucunda farklı önemdeki çerçevelerin oluşturduğu katmanları farklı bit hızlarında olan bit katarı çıkarmaktır. Bilinen MPEG-2/4 ve H.263/263+ [] kodlayıcıları kullanarak ölçeklenebilir video üretilmesi geçtiğimiz yıllarda bir çok çalışmada kullanılmıştır. Bu kodalyıcılarda kullanılan ölçeklenebilirlik yöntemleri zamansal, uzaysal,snr ve nesne tabanlı (sadece MPEG4 için) olarak sıralanabilir. Bütün bu ölçeklenebilirlik modlarında video, bir tane Temel Katman(T) ve bir veya birden fazla Geliştirme Katmanı(G) bulunur. Temel katman, video nun kodunun çözülebilmesi için gereken minimum bilgiyi içeren katmandır. Bu çalışmada Referans Resim Seçme(RPS) (Annex N)[] modununun aktif olduğu ve bu sayede zamansal ölçeklenebilirlik sağlanmış olan, H263+ video kodlayıcısı kullanılmıştır. Sadece

3 % Application Layer 1/T fps Input Buffer i th frame Sender Side D : Shaping Delay is for i th frame Selective Discard Alg. Discard Yes Discard Receiver Side Missed Playout No 4 Playout Buffer Transport Layer n(t) : number of pkts (3 in this case) Admit w(t) RTT(t) F(t) : Forward Path delay 11 9 w(t) : Wait Time Estimate R(t) : Reverse Path delay RTT(t)=F(t)+R(t) 6 Şekil. 1. Sistemin genel mimarisi önceki çerçevelerden tahmin yapılarak P-çerçeveler oluşturulmakta, ileriki çerçevelerden geriye yönelik tahmin yaparak elde edilebilecek B-çerçeveler kullanılmamaktadır. Bu çalışmanın geri kalanında elimizdeki ölçeklenebilir H263+ videosunun temel katmana ait çerçeveler T-çerçeveler, geliştirme katmanına ait çerçeveler G-çeçeveler olarak adlandırılacaklardır Seçici Çerçeve Atma(SFD) Önceki bölümde anlatıldığı gibi, ölçeklenebilir video kodlayıcıları ile sıkıştırılan videolardaki çerçevelerin hepsi, kod çözücü performansı açısından aynı derecede önemli değildir(temel ve geliştirme katmanları). Genel olarak SFD Algoritması, ağın bant genişliğinin videonun o anki T+G çerçevelerinin veri hızını taşımaya yetmediği durumlarda, gerekli miktarda G-çerçevenin atılarak, T-çerçevelerin zamanında alıcıya ulaşmasını sağlamaya çalışmaktadır. Bu amaca ulaşırken bir yandan da, toplam bant genişliğini adil bir şekilde paylaşarak olası en fazla G-çerçevenin de alıcıya iletilmesi sağlanmalıdır. Bu iki amaca aynı anda ulaşmak için, iletim katmananındaki TCP ile bağdaşmış bir şekilde uygulama katmanında bulunan SFD algoritması kullanılmıştır. Uygulama katmanındaki giriş arabelleğindeki T+G çerçeveler aşağıda anlatılan algoritmaya göre (arabelleğin baş tarafından) TCP katmanına gönderilir veya sistemden atılır. Şekil 1 de önerilen sistemin genel yapısını göstermektedir. Video çerçeveleri giriş arabelleğine nin tam katlarında girip biriktirilirler. İletim katmanındaki TCP, uygulama katmanından gönderilecek yeni veri istediğinde, giriş arabelleğinin en başındaki çerçevenin sistemden atılmasına, ya da gönderilmesi için TCP ye verilmesine SFD Algoritması karar verir. Giriş arabelleği TCP nin sıkışıklık kontolü algoritması tarafından belirlenen bir hıza göre boşaltıldığı için, ağın durumuna uygun olarak çerçeveler arası zaman şekillendirilmiş (shaped) olur. Daha sonra TCP, SFD tarafından gönderilmesine izin verilen çerçeveleri gerekli yerlerden bölerek, sabit boydaki segment leri oluşturur. Şekil 1 de and sırasıyla çerçevenin şekillendirme ve ağdan kaynaklı yaşayacağı gecikmeyi temsil etmektedir. Çerçevelerin anından başlayarak nin tam katlarında üretildiğini kabul ederek, çerçevenin üretilme zamanı olarak hesaplanır. Şekillendirme sonucu çerçevenin giriş arabelleğinde yaşayacağı gecikme olacaktır. çerçeve giriş arabelleğinin en başına geldiği anda,, SFD tarafından sistemden atılır veya kabul edilerek iletim katmanına geçirilir. İletim katmanında TCP ye geçirilen video çerçeveleri, TCP arabelleğinde! #", ve son olarak da ağda $ kadar gecimeye maruz kalırlar. İlk çerçeve alıcıya ulaştığından itibaren &% kadar bir beklemeye uğradıkta sonra göstermilmeye başlarlar. İlk bekletilme süresi göz önüne alındığında,!% çerçevenin gösterim zamanı '( ) $* + olarak hesaplanır. Aşağıdaki eşitsizlik gönderilmeye karar verilen bütün çerçeveler tarafından sağlanırsa, alıcı tarafında görüntü kesintisiz olarak izlenebilir. Denklem 1 sadeleştirildiğinde:,-. $ /. 1"2. $ 43(, - $6 (. 1". 3) 6 değerlerini bilemeyecektir. Bu yüzden, TCP arabelleğindeki paket(segment) sayısının, 87 :9, küçük tutulabildiğini varsayarak, SFD algoritması karar verme anında yukarıdaki eşitsizlikteki çerçeveye ait! #", and &% (1) (2)

4 V ^ % U U T A % % bu değerler yerine tahmini değerlerini koyabiliriz. 87 :9 nin küçük olduğunu düşündüğümüz ve ağdaki gecikmenin yerine paket için karar 87 :9 kadar paketin gönderilmesi sırasında fazla değişmeyeceğini varsayarsak; verilmesi anında( ), TCP nin elindeki son hesaplanmış RTT(gidiş-dönüş zamanı) nin sadece gidiş kısmını, ;<7 9, kullanabiliriz. 1" yerine ise, TCP arabelleğindeki anındaki tahmini bekleme süresini, =>7 :9, koyabiliriz. TCP nin sıkışıklık önleme (congestion avoidance) fazında, bir RTT süresinde ağda bulunabilecek paket sayısı ='?7 :9 (congestion window) tarafından belirlenir. Buna göre anında, çerçeve için =/ @ A ile belirlenir. Gerçek değerler yerine tahmini değerler yazıldığında Denklem 2 aşağıdaki gibi gözükür: ' 7 9CBD='?!7 9 -=/7 91.;<7 9,3. * (3) E Belli bir paket için hesaplanmış gidiş-dönüş zamanının A 7 :9 ;<7 :9FA$7 :9 olduğunu hesaba katarak, eşitliğin her iki tarafına anında hesaplanmış ağdaki dönüş gecikme zamanları, A 7 :9, eklendiğinde, yukarıdaki eşitlik aşağıdaki şekle dönüşür: ' -=/7 91.A 7 9,3. * -A 7 9 (4) Son eşitsizlikteki $* -GA 7 9 değeri en küçük değer olarak sinyalin gidiş-geliş yayılma hızıyla sınırlanmış olur. Bu terimi ihmal edersek kesintisiz görüntü izlenebilmesi daha tutucu bir sınır elde etmiş oluruz. E!% /-=/7 :9#.A 7 9,3 () Yukarıdaki eşitsizliğin gönderilen bütün paketler tarafından sağlanması durumunda, kesintisiz görüntü elde edilecektir. Ağın toplam veri hızını kaldırmadığı durumlarda, T-çerçevelerin yukarıdaki koşulu sağlayabilmesi için G-çerçevelerin!% daha emniyetli bir sınırdayken, HI@ (HKJL7 M&N*OP9 ) sistemden atılarak, gelecek T-çerçeve için in uygun olarak şekillenmesi (küçülmesi) sağlanır. Bu iş için aşağıdaki SFD algoritması uygulanır. if ( çerçeve!%t == G-çerçeve) ' Q if ( SR(HI@ =/7 9 SistemdenAt(); else KabulEt(); else KabulEt(); 7 9 ) Q Bu algoritmadaki kritik olan nokta, uygun H ve % değerleri seçimidir. Bu parametreler için farklı bant genişlikleri için uygun değerler Bölüm 4 te verilmiştir. Şekil 1 de de görüldüğü gibi, in kesin değeri uygulama katmanı E tarafından bilinmekte, ve =>7 :9 ile A 7 :9 tahmini değerleri TCP tarafından bu katmana geri beslenmektedir. 4. DENEY SONUÇLARI Bu bölümde, önerilen katmanlı duraksız video iletimi mimarisinin performansı çeşitli bant genişliklerinde ve farklı ilk bekletilme süreleri ile gösterilmiştir. Simülasyonlar, en iyi sonuç veren TCP türevi, Fack, ile ve AIMD(Additive Increase Multiplicative Decrease) parametreleri (k=., l=1.) kullanarak yapılmıştır. TCP performansını arttırmak için önerilen, Limited Transmit (sınırlı iletim-lt)[14] ve Retransmitted Packet Loss Detection(Tekrar gönderilen paket kaybı tespiti-rpld) [12] ekleri kullanılmıştır. Bu ekler sayesinde gereksiz RTO lardan kurtularak, video iletim performansını artırmak mümkün olmaktadır []. Bu bölümde aşağıda verilen isimlendirme kullanılacaktır: : Ağın en az bant genişliğine sahip hattı : Gönderen tarafında, T,G-çerçeveler için atılma oranları. : Alıcı tarafında zamanında gösterilen T,G-çerçevelerin toplama T,G sayılarına oranı WYX[Z], WYX_Z] WYX ^, WYX % A ^, A : Orijinal videodaki T,G-çerçeveler için ortalama bit hızları A ^, A : Alıcıda gösterilen T,G-çerçeveler için ortalama bit hızları Simülasyonlar için, video iletimi için değiştirilmiş ns-2 [11] simülatörü kullanılmıştır. Herbiri 78 saniye uzunluğunda, ortalama geliştirici katmanı A ^ kbps ve temel katmanı A fgkgm kbps olan, video kaynağına ait çerçevelerin oluşturduğu TCP paketleri, (,8,.) parametreleri ile tanımlanmış RED(Random Early Discard) yönlendiricileri tarafından yönlendirilmektedir. Bütün kaynaklar Fack TCP türevini ve birbirleriyle aynı parametreleri

5 y x % U y x o ^ p o p Tablo 1.!% d sn. için TCP/FACK(AIMD) kullanarak (C, l ) m,no, m,np (bps) q8resut, q8r s]t qvr wt, qvr wt (4,.2) (4,.4) (4,.7) (6,.2) (6,.4) (6,.7) (9,.2) (9,.4) (9,.7) Congestion Window (segs) PSNR(db) T p =. sec. cwnd Congestion Window (segs) PSNR(db) T p =. sec. cwnd Şekil. 2. V =4 kbps, &% =, sec, H =.2 için kullanmaktadır. Verilen sonuçlar, z kaynağın arasından belirli bir tanesinin performansını göstermektedir. Bütün videolar farklı yerlerden başlatıldığı için, video trafikleri arasındaki senkronizasyon bozulmuştur. oranları H M&@ f V seçilmesi halinde, en düşük bant genişliği olan ( hfmgm ) simülasyonlarda bile düşük W X % elde edilmesini sağlamasına rağmen, aynı H V seçimi daha geniş bant genişliklerinde ( k{mgm Nu}gM{M ) bant genişliğinin tamamından faydalanılmasını engellemektedir (i.e. yüksek W X % oranları). Bu yüzden farklı bant genişliği durumları için farklı H seçimleri en optimum sonucu verecektir. Katmanlı duraksız video iletimi performansına % deki değişimin etkisini incelemek için, H ye sabitlenmiş J~Qd N*OPM için simülasyonlar yapılmıştır. Şekil 2 deki grafiklerde, izlenen videonun PSNR değerleri ve ve TCP nin sıkışıklık çerçevesi (congestion window) bilgisi görülebilmektedir. PSNR çizimlerinden görülebilir ki,!% nin artırılması ile TCP nin AIMD davranışından kaynaklanan gecikmedeki ve paylaşılan bant genişliğindeki yüksek değişimler, ve aynı zamanda videonun VBR yapısından dolayı bit hızındaki değişimler, tolere edilebilmektedir. Bu sonuçlardan, yeteri kadar uzun ilk bekletilme süresi kullanmadan TCP türevleri ile duraksız video iletiminin yapılmasının mümkün olmadığı ortaya çıkmaktadır.. SONUÇ Bu çalışmada katmanlı duraksız video iletimi için uygulama katmanındaki giriş arabelleği ve seçici çerçeve atma(sfd) algoritması ile bağdaşmış, TCP türevi bir iletim protokolü kullanılmıştır. TCP türevi olarak Fack i ele aldıktan sonra, RPLD ve Limited Transmit opsiyonları kullanılmış ve böylece RTO(Retransmission Timeout) sayısı azaltılarak RTO ların performans üzerindeki kötü etkisi minimuma indirilmiştir. Ayrıca, ilk bekletilme süresinin yeterince uzun tutulması ve bant genişliğinin temel katmandan yüksek olması durumlarında, hem bant genişliğinin tamamen kullanılması ve hem de iyi bir duraksız video iletim performansı elde edilebileceği gösterilmiştir. [1] S. Floyd, Congestion Control principles, RFC REFERENCES [2] S. Floyd et.al, Problem statement for DCCP, draft-ietf-dccp-problem-.txt, October 2.

6 [3] S. Floyd, TCP and Explicit Congestion Notification, ACM CCR, V.24 N., Oct [4] R. Rejaie et.al, Layered quality adaptation for Internet video streaming, IEEE JSAC, vol.18, Dec.. [] P. H. Hsiao, H. T. Kung, K-S. Tan, Video over TCP with receiver based delay control, NOSSDAV 1. [6] N. Feamster et.al. On the Interactions Between Layered Qual. Adapt. and Congestion Control for Streaming Video PV1. [7] A. Balan et.al. Integrated Buffer Management and Congestion Cont. for Video Streaming, GLOBECOM 2. [8] D. Sisalem et.al, The Loss-Delay Adjustment Algorithm: A TCP-friendly Adaptation Scheme, NOSSDAV,1998. [9] D. Saparilla, K. Ross, Optimal Streaming of Layered Video, INFOCOM. [] ITU-T Rec. H.263+, Video Coding for Low Bit Rate Communication, 1998 [11] Network Simulator ns-2 [12] N.K.G. Samaraweera and G. Fairhurst, Reinforcement of TCP Error Recovery for Wireless Communication, ACM SIG- COMM CCR, Vol.28, No2, [13] S. Floyd and V. Jacobson, Random Early Detection gateways for Congestion Avoidance, [14] S. Floyd, A Report on Recent Developments in TCP Congestion Control, IEEE Communications Magazine, April 1. [] E. Gurses, G.B. Akar, N. Akar, Selective Frame Discarding for Layered Video Streaming in TCP/IP Networks, PV 3.