Internet Trfiğinin Vieo Yyın Knlınn İletimi: DVB üzerinen IP Hkn YILMAZ 1, hy@te.mm.gov.tr Bülent SANKUR snkur@oun.eu.tr 1 TÜBİTAK, Mrmr Arştırm Merkezi, Bilişim Teknolojileri Arştırm Enstitüsü, 4147, Geze, Koeli Boğziçi Üniversitesi, Mühenislik Fkültesi, Elektrik-Elektronik Mühenisliği Bölümü, 8815, Beek, İstnul Özetçe Herleşme ğlrın sğlnn teknik gelişmeler, yrık ğ ypılrının ve ğ servislerinin tümleştirilmesi yönüne ir eğilim getirmiştir. Bu eğilimleren iri e syısl vieo yyım (DVB) ğı üzerinen vieo yyını ynın Internet/WWW gii veri hizmetlerinin sğlnmsı olmuştur. Bu çlışm Internet ğ trfiğinin DVB knlı üzerine tşınmsı urumun, ğ trfiğinin şrımı enzetim yoluyl inelenmiş ve ğ kynklrının şrım üzerineki etkileri irelenmiştir. 1 Giriş Doğrun Vieo Yyını (DVB : Diret Vieo Brosting), vieo ve ses verilerinin yyımlnmsın MPEG- stnrını kullnır. MPEG- stnrın göre yyın işi MPEG- nin tşım ktrı (TS: trnsport strem) (MPEG- TS) olrk lnırıln knllr rılığıyl ypılır [5]. MPEG- TS genele sıkıştırılmış vieo ve ses verisi tşır, nk unun ynın genel mçlı verilerin tşınmsın olnk sğlmktır. Vieo ve ses verisinin MPEG- olrk sıkıştırılmsı eğişen veri hızın yol çr. Kynk kolyıın gelen eğişken hızlı veri kısını sit hızlı kılmk için TS içine oş itler, yni olgu itleri, yerleştirilir [8]. İşte u olgu itleri yerine IP pketleri kullnılığın onelere ir pket knl hizmeti orty çıkr, iğer ir eyişle DVB üzerinen IP (IP over DVB) iye lnırileeğimiz ir olnk oğr. Veri hızının eğiştiği (VBR: Vrile Bit Rte) vieo kynklrı üzerine ypıln çlışmlr, u kynklrın uzun süreli ğımlılık (long-rnge epenene) sergileiğini göstermiştir [1, 7]. Benzer şekile gerek yerel ln ğı (LAN) trfiği, gerekse geniş ln ğı (WAN) trfiği üzerine ypıln irelemeler trfik ğılımlrının özenzeş (self-similr) özellik tşıığını göstermiştir [3, 9, 11]. Bu çlışm DVB üzerinen IP hizmetinin sunulmsı urumun krşılşılileek ğ trfiğinin özellikleri, gerek vieo kynklrı, gerekse Internet pket trfiği için özenzeş trfik moelleri kullnılrk irelenmiştir. Bu enzetimen mç sunuln IP hizmetinin şrımını, nt genişliği, rellek sığsı gii ğ özkynklrın ve trfik moel prmetrelerine ynırrk inelemektir. Ele eilen veri hizmeti şrımı ise geikme, yitirilen pket ornı, iş çıkrm yeteneği olrk ölçülmekteir. Bilirinin. ölümüne özenzeşimli moel tnımlnmkt, rınn enzetim yöntemi nltılmktır. 4. ölüme trfik enzetim sonuçlrı sunulmktır. Son ölüme enzetim sonuçlrı çözümlenmekte ve vrgılr verilmekteir. Özenzeşimli Süreçler ve Benzetimi.1 Özenzeşimli Moel Durğn ir sürein özilinti işlevinin, r (k), toplmı sonsuz gittiğine, uzun-süreli ğımlı ir süreç olrk nitelenirilir [1, 4, 9]: r( k) = k (1) k
Özenzeş süreçler uzun-süreli ğımlılığı Hurst prmetresi ile ife eilen, en sit uzun-süreli ğımlı moellerir. Nitekim özenzeş süreçlerin özilinti işlevi hiperolik olrk zlır. Böylesi ir süree örnek olrk X = ( X t : t =,1,,...) kovryns nlmın urğn ir sürei llım. X in özilinti işlevi r (k) : r ( k) ~ k β L( k), ( m) k < β < 1 ve L sonsuz yvş eğişiyor olsun. X = ( X k : k = 1,,3,...), X in irirleriyle örtüşmeyen m oyun loklrının ortlmsınn oluşn, urğn, yeni ir süreç olsun. Öyle ki: ( m) 1 X k = ( X km m+ 1 + X km m+ +... + X km ), m k 1 m = 1,,... (3) X süreinin eğişintisi σ olmk üzere; β vr( X m) = σ ( ) m r m ( k) = r( k), k (4) koşullrı sğlnığın X, özenzeşlik prmetresi H = 1 β / oln, ikini ereeen özenzeş ir süreçtir [9]. Uzun-süreli ğımlı trfik, geleneksel kıs-süreli ğımlı trfik moellerinin ksine, kümelenikçe çoğuşm (urst) özelliğini, yni slvolu, ni yoğun ptlmlı trfik vrnışını yitirmez. Bu özellik Şekil 1 e frklı zmn ölçeklerine verilen yerel ln ğı trfiğinin zmn göre grfiklerine sergilenmekteir. ( m) () () () () Şekil 1 : Frklı zmn ölçeklerine yerel ln ğı trfiğinin grfikleri () irim zmn 1 s () irim zmn 1 s () irim zmn,1s. Uzun-süreli ğımlılığın ifesi oln Hurst prmetresinin kestirimi için şlı kullnıln yöntemler: Whittle kestiriisi, R/S isttistiği, kümelenmiş eğişinti yöntemleriir. Whittle kestiriisi ışınki yöntemler grfiksel yöntemler oluğunn Whittle kestiriisi h kesin sonuç verir [9,1]. Öte ynn Whittle kestiriisi Hurst prmetresi kestirileek sürei en ştn özenzeş kul ettiğinen, sürein öneen grfiksel ir yöntemle özenzeşliğinin gösterilmiş olmsı gerekir. X, eğişintisi 1 olk şekile üzgelenmiş (normlize) özenzeş ir süreç olsun. f ( ; H ) güç spektrumunu, { x t } X in ir örneklem işlevini, ( λ) yöntemine göre [1, 4, 9]; g π I ( ) ( λ) Hˆ = π f ( λ, Hˆ ) λ u sürein I u işlevin peryoogrmını göstersin. Whittle enklemini enküçülten Ĥ eğeri sürein Hurst prmetresiir. Ağ enzetimlerine özenzeş trfik sentezi için şlı üç yöntem kullnılır: Preto VAR/YOK (Preto ON/OFF) kynklrının kümelenmesi [11], DTFT tnlı Frtionl Gussin Noise (FGN) ve Frtionl ARIMA (FARIMA) sentezi [1]. DTFT (Zmn yrık Fourier önüşümü) tnlı yöntemler h hızlı λ (5)
sonuç veriğinen genele terih eilmekteir. Bu çlışm trfik sentezi Preto vr/yok kynklrının kümelenmesi yolu ile ypılmıştır. Preto vr/yok kynklrı gönerime olm vey olmm urumlrı rsın geçiş yprlr. Kynklrın gönerime olm vey olmm süreleri şekil prmetresi α, konum prmetresi k oln Preto ğılımlrınn seçilir. Preto ğılımı, şekil prmetresi α ve konum prmetresi k olmk üzere: α F( x) = P( X x) = 1 ( k / x), k, α, x k (6) irikimli ğılım fonksiyonu ile ife eilir. U, [,1) rlığın irörnek ğılmış (uniformly istriute) ir rsgele eğişken olmk üzere, Preto rsgele eğişkeni : 1 k X PARETO = F ( U ) = 1 α (7) U formülü ile üretilir.. Benzetim Yöntemi Bu çlışm enzetim yöntemlerine ynmktır ve u mçl NS [6] pketi temel enzetim ortmı olrk kullnılmıştır. NS, çeşitli TCP sürümlerini, yönlenirme (routing) yöntemlerini estekleyen çık kolu (open-soure) ir enzetim yzılımıır [6]. TCP nin iş çıkrm yeteneği (throughput) ve yenien iletim isteklerinin isttistiğinin (retrnsmission rte) nlizi için u çlışm NS e eklemeler ypılmıştır. Şekil u enzetim çlışmsın kullnıln ğ ypılnışını göstermekteir. S1 ilâ S64 Internet sunuulrını, G1 ğ geçiini, V1 VBR vieo kynğını, C1 istemiyi temsil etmekteir. Sunuulr ile ğgeçii rsın 1 Mit/s nt genişliğine, 15 ms geikmeli, çift yönlü knllr sğlnmıştır. Vieo sunuusu ile ğ geçii rsın Mit/s kpsiteli 1 ms geikmeli ir knl kullnılmıştır. Ağgeçii ile istemi rsın merkezen oneye (ğgeçiinen uyu üzerinen oneye) 8 ms geikmeli ve eğişen nt genişliklerine, oneen merkeze (oneen yer üstü ğlntı ile ğgeçiine) 3 ms geikmeli ve 8.8 kit/s nt genişliğine simetrik ir knl sğlnmıştır. Bu oyutlnırmlr ışığın sunuulr y vieo ile ğgeçii herhngi ir roğz ulunmmkt, tüm sıkışıklık ğgeçii istemi rsınki knl yoğunlşmktır. S1 S G1 C1 S64 V1 Şekil : Benzetim ğının ypılnışı Internet trfiği: Internet trfiğinin enzetimi için frklı rsgele çekirekli (rnom see) 64 tne Preto vr/yok kynğı kullnılmıştır. Preto kynklrının α (α: 1.95, 1.65, 1.35, 1.5 ) şekil prmetreleri eğiştirilerek frklı özenzeşlikteki ğ trfiği ile enzetimler yinelenmiştir. Benzetimlereki Preto kynklrının k konum prmetreleri yrlnrk α prmetreleri ne olurs olsun ortlm toplm it hızının 46 kit/s üzeyine klmsı sğlnmıştır. Yukrı nıln Preto şekil prmetreleri kullnılrk sentezlenen ğ trfiğinin özenzeşlik ineksi (Hurst prmetresi) Whittle kestiriisi kullnılrk sırsı ile H:.65,.74,.84,.9 olrk sptnmıştır. Vieo trfiği: VBR vieo trfiğinin enzetimi için, özenzeşlik çlışmlrın sıkç kullnıln, MPEG1 ile kolnmış Strwrs filminin iz osysı kullnılmıştır. İz osysının R/S ve Whittle yöntemleri ile nlizi sonuun vieo kynğının özenzeşlik ineksi.9989, ortlm it hızı 365 kit/s olrk ulunmuştur. Bileşik trfik: VBR vieo trfiği ile Preto vr/yok kynklrınn gelen ğ trfiği ğgeçii üzerine irleştirilerek vieo trfiğinin kullnmığı ABR ın (Aville Bit Rte) Internet pketlerinin tşınmsı için kullnılmsı sğlnmıştır. Bunun için ğ geçii üzerine, vieo trfiğinin önelikli oluğu sınıflm tnlı
ir kuyruklm (CBQ: Clss Bse Queuing) kullnılmıştır. Vieo trfiği pket geikme seğirmesini (jitter) sınırlmk ve vieo pket kyı ornını %1 in ltın tutmk için vieo rellek üyüklüğü 1 pket olrk sitlenmiştir. Ağ trfiği için oluşturuln rellek üyüklüğü eğiştirilerek enzetimler yinelenmiş ve ğ trfiği üzerineki etkileri inelenmiştir. Vieo trfiğinin Internet trfiği şrımı üzerineki etkilerinin ineleneilmesi için enzetimler vieo trfiği vrken ve yokken yinelenmiştir. Tşım protokolü: Kynk seviyesineki özenzeşliğin ğ şrımı üzerineki etkisini göreilmek için enzetimler önelikle çgözlü/kontolsüz UDP (User Dtgrm Protool) kullnılrk koşturulmuştur. TCP (Trnsmission Control Protool) tşım protokolünün özenzeş trfik üzerineki etkisini göreilmek için enzetimler TCP Reno tşım protokolü kullnılrk yinelenmiştir. Benzetimler 1 sniye oyun koşturulmuş ve izgenin urğn hleeki şrımının yklnmsı için enzetimin ilk sniyesi ihml eilmiştir. 3 Benzetim Sonuçlrı Vieo trfiğinin önelikli olrk iletilmesi ve Internet trfiğinen etkilenmemesi öngörülmekteir. Dolyısıyl vieo trfiğinin gerek tek şın gerekse Internet trfiği ererliğineki şrımlrı krşılştırılmıştır. İki urum rsın ihml eileileek kr küçük çıkn frkın, kuyruğ yeni gelen ir vieo pketinin o sır iletilmekte oln Internet pketinin iletimini eklemesinen kynklnığı nlşılmıştır. Ağ trfiğinin kontrolsüz ğ protokolü UDP ile istemiye iletilmesi urumun orty çıkn ğ şrımı, IP kyıp yüzesi olrk Şekil 3 e gösterilmiştir. Yitirilen IP Orni: Bnt Genisligi 47 kit/s Yitirilen IP Orni: Bnt Genisligi 79 kit/s Yitirilen IP Orni: Bnt Genisligi 79 kit/s 1 1 1 8 8 8 IP Kyip Orni [%] 6 4 IP Kyip Orni [%] 6 4 IP Kyip Orni [%] 6 4.6.65.7.75.8.85.9.95 1.6.65.7.75.8.85.9.95 1.6.65.7.75.8.85.9.95 1 () () () Şekil 3 : () 47 kit/s knl: vieo trfiği yokken UDP pket kyıp ornı () 79 kit/s knl: Strwrs vieo trfiği vrken UDP pket kyıp ornı () 365 kit/s Poisson vieo trfiği vrken UDP pket kyıp ornı. Arellek üyüklüğü : - 1 pket, - pket, - 5 pket, - 1 pket Ağ trfiği 47 kit/s lik knl üzerinen tek şın tşınığın ğ trfiğinin özenzeşliğin etkisi [Şekil 3-()] elirgin olrk görülmekteir. Özenzeşlik rttıkç pket kyı rtmkt ve ğ şrımı üşmekteir. Ağ trfiği, özenzeşliği.9989 oln vieo trfiği ile irlikte tşınığın [Şekil 3-()] ğ trfiğinin özenzeşliğin etkisi zlmkt htt kyolmktır. Ağ trfiği, özenzeşliği olmyn ynı ortlm it hızın Poisson vieo trfiği ile irlikte iletiliğine [Şekil 3-()] ğ pket kyının h üşük oluğu ve yine özenzeşliğe ğımlı oluğu görülmekteir. Tüm urumlr rellek elleğin üyütülmesi ğ şrımının rtışını sğlmktır. Ağ trfiğinin TCP Reno protokolü kullnılrk iletilmesi urumun ele eilen ğ şrımı, iş çıkrm yeteneği olrk Şekil 4 e gösterilmiştir. Şekil 3 ile Şekil 4 krşılştırılığın, TCP kontrol lgoritmsının pket kyıplrını lgılığı ve Şekil 3. görünen yüksek özenzeşlik ğımlılığını yumuşttığı görülmekteir. Ank u urum oğllıkl ortlm pket kyı çok h fzlır. Bunu seeini nlmk için TCP pket vrış zmnlrı üzerine Whittle kestiriisi ile ypıln nliz sonuun ğ trfiğinin özenzeşliğinin kynktkinen frklı oluğu görülmüştür. Vieo trfiğinin olmığı urum [Şekil 4-()] için ypıln kestirimlere ğ trfiği özenzeşliğinin, trfik kynğı özenzeşliğinen ğımsız olrk H:.77 seviyesine çekiliği görülmüştür. Vieo trfiğini ile irlikte iletim urumun ğ trfiği Hurst prmetresinin
.74 seviyesine, istemiye iletilen irleşik trfiğin Hurst prmetresinin.69 seviyesine çekiliği görülmüştür. Is Cikrm Yetenegi [Mit/s].4.38.36.34.3 IP Is Cikrm Yetenegi: Bnt Genisligi 47 kit/s Is Cikrm Yetenegi [Mit/s].4.38.36.34.3 IP Is Cikrm Yetenegi: Bnt Genisligi 79 kit/s IP Kuyruk Geikmesi [ms].3.6.65.7.75.8.85.9.95 1 3 5 15 1 5 - geikme - geikme - geikme - kyip - kyip - kyip () IP Kuyruk Geikmesi - Kyip Orni 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Arellek Buyuklugu [pket].1.1.8.6.4. IP Kyip Orni [%].3.6.65.7.75.8.85.9.95 1 Şekil 4 : () 47 kit/s knl: vieo trfiği yokken TCP iş çıkrm yeteneği () 79 kit/s knl: vieo trfiği vrken TCP iş çıkrm yeteneği. Arellek üyüklüğü : - 1 pket, - pket, - 5 pket, - 1 pket. Kuyruk Geikmesi Pket Kyı Şekil 5 : - 47 kit/s knl vieo trfiği yokken, - 79 kit/s knl özenzeş vieo trfiği vrken, - 79 kit/s knl poisson vieo trfiği vrken, TCP kuyruk geikmesi / pket kyı ornı () Kuyruk geikmeleri üzerine ypıln nliz sonuun, rellek üyüklüğü rttıkç kuyruk geikmesinin rttığı görülmüştür [Şekil 5]. Arellek küçültülüğüne ise kyıp ornının rttığı gözlenmiştir. Özenzeş vieo trfiği ile irlikte iletilen ğ trfiği kuyruk geikmelerinin, vieo trfiği yokken sğlnn kuyruk geikmelerinen h üyük oluğu görülmüştür. TCP Reno tşım protokolü kullnılrk vieo trfiği yokken () ve vieo trfiği vrken (), 1 pket rellek ellekli knllr üzerine ypıln enzetimlere Şekil 6 gösterilen ğ şrımlrı gözlenmiştir. Şekil 6 görülüğü gii, knl nt genişliği rttırılığın IP iş çıkrm yeteneği rtmktır. Vieo trfiği ile ğ trfiği ynı knln iletiliğine vieo trfiğinin özenzeşliği neeniyle ğ trfiğinin şrımı üşmekteir. Is Cikrm Yetenegi [Mit/s].45.4.35.3.5..15.1 IP Is Cikrm Yetenegi H:.65 H:.74 H:.84 H:.9 Is Cikrm Yetenegi [Mit/s].45.4.35.3.5..15.1 IP Is Cikrm Yetenegi H:.65 H:.74 H:.84 H:.9.5.5 1 3 4 5 6 7 8 Bnt Genisligi [Mit/s] () 1 3 4 5 6 7 8 Bnt Genisligi [Mit/s] Şekil 6 : () Vieo trfiği yokken TCP iş çıkrm yeteneği () Vieo trfiği vrken TCP iş çıkrm yeteneği. Arellek üyüklüğü : 1 pket ()
4 Sonuç Ypıln enzetim çlışmlrı, vieo trfiğinin ynın tşınn Internet trfiğinin iş çıkrm yeteneği, kuyruklm geikmesi ve pket yitirilme ornı gii şrım ölçütlerinin Internet trfiğinin vieon ğımsız olrk tşınmsınn frklı oluğunu göstermiştir. UDP ile ypıln enzetimlere trfik kynğı özenzeşliğinin ğ şrımı üzerineki etkisi inelenmiş ve ğ şrımının, trfik kynğının özenzeşliği ile ters orntılı olrk üştüğü görülmüştür. Özenzeş vieo trfiği ile irlikte iletilen ğ trfiğinin şrımının vieo trfiğinin özenzeşliğinin rtmsıyl üştüğü ve ğ trfik kynğının özenzeşliğine ğımlılığının zlığı görülmüştür. TCP ile ypıln enzetimlere tşım protokolünün özenzeşlik ve ğ şrımı üzerineki etkisi inelenmiştir. Ypıln nlize TCP nin geriesleme meknizmsı syesine kynk trfiği uzun-süreli ğımlılığı eğiştiriği, kynk özenzeşliğinen ğımsız hle getiriği, gözlenmiştir. Bu seeple protokol seviyesine ypılk eğişikliklerle şrımın rttırılileeği öngörülmekteir. Gerçek zmn kısıtı ltınki (time-ritil) vieo trfiğinin özenzeş olmsı, pket kyıplrını thmmül eileilir seviyeye çekmek için relleğinin üyük olmsını gerektirmekteir. Bu urum ererine kuyruk geikmesi seğirmesini küçültmek için nt genişliğinin rttırılmsını gerektirmekteir. Bu çlışm kullnıln Strwrs filmi trfiği ortlm olrk 436 kit/s nt genişliğine ihtiyç uyrken, pket kyını ve kuyruklm seğirmesini thmmül eileilir sınırın ltın çekmek için nt genişliğinin 8kit/s hızın yükseltilmesi ihtiyı görülmüştür. Gerçek zmn kısıtı olmyn Internet trfiği uygun rellekleme ile u nt genişliğine hi 5 kit/s ortlm it hızın ir hizmet sğlnmsın olnk vermiştir. Kynkç [1] Bern J., Shermn R., Tqqu M. S., Willinger W., Long-rnge epenene in vrile-it-rte vieo trffi, IEEE Trnstions on Communitions, no. 43, 1995, s. 1566-1579. [] Clusen D. H., Liner H., Collini-Noker B., Internet over Diret Brost Stellites, IEEE Communitions Mgzine, Hzirn 1999, s. 146-151. [3] Crovell M. E., Self-Similrity in WWW Trffi: Eviene n Possile Cuses, IEEE Trnstions on Networking, vol. 5, no. 6, Arlık 1997, s. 835 845. [4] El Bize H., Atm T., Heuterne G., Impt of Shping on Network Performne with Self Similr Trffi, ITC [5] Europen Teleommunitions Stnrs Institute (ETSI), Digitl Vieo Brosting (DVB); DVB speifition for t rosting. Europen Stnr EN 31 19 v1..1, Hzirn 1999. [6] Fll K.,Vrhn K, The ns Mnul, http://www.isi.eu/nsnm/ns/ns-oumenttion.html [7] Grrett M. W., Willinger W., Anlysis, Moeling n Genertion of Self-Similr VBR Vieo Trffi, ACM SIGCOMM 94, (1994), s. 69-8. [8] ISO/IEC 13818-1: Informtion tehnology Generi oing of moving pitures n ssoite uio informtion: Prt 1: Systems, Reommention H.., Uluslrrsı Stnrt. [9] Leln W. E., Tqqu M. S., Willinger W., Wilson D. V., On The Self-Similr Nture of Ethernet Trffi (Extene Version), IEEE Trnstions on Networking, vol., no. 1, Şut 1994, s. 1 15. [1] Pxson V., Fst Approximtion of Self-Similr Network Trffi, 1995 [11] Pxson V., Floy S., Wie Are Trffi: The Filure of Poisson Moeling, IEEE/ACM Trnstions on Networking, vol. 3, no. 3, Hzirn 1995, s. 6-44. [1] Tqqu M. S., Teverovsky V., Willinger W., Estimtors for long-rnge epenene: n empiril stuy, Frtls, vol.3, no. 4, 1995, s. 785-788