METHODOLOGY OF IMPROVING VIDEO CONFERENCE RELIABILITY

全文:

Введение. Увеличение пропускной способности каналов передачи информации сделало видеоконфе- ренции удобным средством общения. Видеоконфе- ренции проводятся для обмена опытом специалиста- ми в различных областях, проведения корпоративных совещаний, также видеосвязь широко используется в образовательных целях. Системы видеоконференц- связи активно используются в ракетно-космической отрасли для организации связи между удаленными площадками во время работы над совместными про- ектами. Одним из приоритетных направлений разви- тия систем видеоконференцсвязи на сегодняшний день является обеспечение их надежности [1]. В сферах применения систем видеоконференцсвязи, связанных с точными операциями (медицина, обучение работе на станке), очень важно поддерживать заданные ха- рактеристики качества. Любые искажения могут при- вести к неправильной трактовке информации и, как следствие, ошибочным действиям участников видео- конференции [2]. Основные проблемы. Сложность обеспечения надежности видеоконференцсвязи связана с необхо- димостью одновременного поддержания высокой скорости обработки информации и передачи данных с минимальными задержками, а также высокого разре- шения изображения и качества звука, при этом совре- менным системам желательно обладать дополнительным инструментарием интерактивного взаимодействия. Существующие решения также плохо совместимы между собой, так как производители не заинтересова- ны в интеграции различных систем, напротив, систе- ма видеоконференцсвязи чаще всего представляет собой единое целое из программных и аппаратных компонентов, масштабировать такую систему воз- можно, лишь применяя компоненты того же произво- дителя. Такой подход приводит к дороговизне суще- ствующих решений. Одним из перспективных решений проблемы обеспечения надежности видеоконференцсвязи являет- ся использование технологий распределения нагрузки сети. Оптимальное распределение сетевой нагрузки позволяет обеспечивать заданные характеристики видеоконференцсвязи за счет управления информа- ционными потоками. В настоящее время на рынке средств защиты информации в основном представлены средства зару- бежного производства, что несет в себе определенную угрозу при использовании таких систем в государст- венных учреждениях [3]. Все большей популярностью пользуются различные приложения для проведения видеоконференций через глобальные телекоммуника- ционные сети [4]. Исследования в области видеоконференцсвязи проводились в основном зарубежными учеными: C. Zhou, W. Feng, Z. Zhou, X. Tian, J. Tian (Research on audio-video quality evaluation system of video conferenc- ing system), J. Li, J. Wang, W. Wu, L. Chen (Design and implementation of web video conferencing system based on Reds), W. Simpson (Video over IP: IPTV, Internet video, H 264, P2P, WebTV and Streaming: a complete guide to understanding the technology), H. Yan, Z. Sun, L. Zhang, H. Yuan (A scalable video communications framework based on D-bus), S. Braun, J. Taylor (Video- conference and remote interpreting in legal proceedings), B. Furht, S. W. Smoliar, H. Zhang (Video and image processing in multimedia systems), Z. Kang, L. Yian- Feng (Design of H.323-based MC Gateway subsystem for video conference) и др. В работах отечественных авторов В. С. Синепола, И. А. Цикина, Д. О. Кривошеи, В. В. Тупицына, А. Власкина, А. И. Савельева и М. А. Прищепы, Е. А. Будникова и Н. А. Филипповой, Т. Ж. Айдына- бай и Г. Ж. Шуйтенова, П. П. Кравченко, Н. Ш. Ху- саинова и А. Н. Шкурко, В. А. Ягупова, М. В. Стре- моухова, О. О. Басова рассматриваются цифровые методы передачи аудио- и видеоинформации в ком- пьютерных сетях, дан анализ состояния работ по ком- пьютерной видеоконференцсвязи в России, рассмот- рены основные проблемы отрасли [1; 5-12]. В работах А. И. Савельева, В. В. Прохорова, И. П. Манаковой, А. А. Кузнецова, С. Г. Семенова, С. Н. Симоненко и Е. В. Мелешко рассмотрены спо- собы повышения надежности видеоконференцсвязи. К таким способам относят: - управление потоками данных, которое дости- гается упрощением клиентской части приложения и реорганизацией серверной; - переподключение для смены источников плее- ров зрителей; - управление сетевыми ресурсами с помощью статистики; - динамическое распределение ресурсов сети [8]. Основными методами повышения надежности систем видеоконференцсвязи на сегодняшний день являются: 1. Использование оптимизированных современных протоколов маршрутизации для оптимального и рацио- нального использования канального ресурса системы. 2. Использование алгоритмов децентрализованных самоорганизующихся сетей, которые позволяют рас- пределить нагрузку на все элементы пропорциональ- но их ресурсам и характеристикам, тем самым увели- чивая масштабируемость и уменьшая стоимость такого решения при отсутствии необходимости поддержки протоколов прикладного уровня на сетевом оборудо- вании [13]. 3. Применение механизмов динамического пере- распределения скорости передачи информации при совместном обслуживании трафика сервисов реаль- ного времени и трафика данных, допускающего задержку [14]. 4. Автоматический способ определения текущего говорящего для назначения его потокам мультиме- дийных данных наибольшего приоритета при передаче остальным участникам [15]. Основным способом применения управления нагрузкой для организации надежной видеоконфе- ренцсвязи на сегодняшний день является обеспечение минимальной скорости передачи данных и макси- мальной скорости обработки аудио- и видеопотока. Для решения этих проблем разработаны кодеки, позволяющие сжимать сигнал и кодировать его для канала связи, а также восстанавливать и декодировать на приемной стороне. Для организации надежного сеанса видеоконференцсвязи требуется кодек, позво- ляющий сжать видеоданные, сохранив заданные характеристики качества, и канал, по которому эти данные можно будет передать с приемлемой скоростью. Существует два основных типа решений с точки зрения топологии системы: система с выделенным центром и распределенная система [16]. Использова- ние одного узла в качестве центрального элемента негативно сказывается на характеристиках работы системы в случае проведения сеанса многопользова- тельской видеоконференцсвязи. Распределенные сис- темы, использующие в качестве канала передачи сеть Интернет, отличаются низким качеством связи. Использование выделенных каналов связи значительно повышает стоимость системы. Существует проблема стандартизации, необходи- мость использования специальных технологий и про- токолов в зависимости от производителя системы видеоконференцсвязи. Программные решения сущест- венно ограничивают число одновременных участни- ков сеанса видеоконференцсвязи. С другой стороны, применение специальных аппаратных модулей значи- тельно увеличивает стоимость подобных систем. Методика повышения надежности. Авторами предложена новая методика повышения надежности видеоконференцсвязи для авторизованных пользова- телей с гарантированной доставкой сообщений и мо- дели вероятностного доступа к системам видеоконфе- ренцсвязи, пригодные для оценки надежности таких систем. Модель верхнего уровня позволяет описать различные системы видеоконференцсвязи, учитывая их характерные особенности. Модель нижнего уровня описывает системы видеоконференцсвязи для автори- зованных пользователей с гарантированной доставкой сообщений. Полученные вероятностные значения доступа позволяют определить надежность системы, что ранее являлось трудоемкой задачей (в иных реализациях вероятностной модели доступа) или не рассматривалось (в логических моделях доступа). Результаты получены с учетом широко представлен- ных в научной литературе мандатной модели, дискре- ционной модели и ролевой модели доступа. Методика повышения надежности систем видео- конференцсвязи состоит из следующих шагов: 1. Определение исходных параметров системы видеоконференцсвязи. 2. Определение требований к надежности через вероятность получения доступа. 3. Построение моделей доступа верхнего и нижне- го уровня: определение значения Р - вероятности получения доступа для каждого субъекта. 4. Анализ полученного результата сравнения теку- щего уровня вероятности доступа с требуемым уров- нем вероятности доступа. 5. При необходимости - увеличение вероятности получения доступа с помощью алгоритма повышения надежности. Модель вероятностного доступа к информаци- онным ресурсам для повышения надежности видеоконференцсвязи (модель верхнего уровня). В ходе исследований была предложена вероятностная модель доступа к системам видеоконференцсвязи, пригодная для оценки надежности таких систем. Разработанная модель позволяет описать различные системы видеоконференцсвязи и учитывает их харак- терные особенности. Значение вероятности доступа может быть рассчи- тано на основе аппарата марковских случайных про- цессов с дискретными состояниями и непрерывным временем. Вероятностная модель доступа, предложенная в работе, основана на следующих понятиях: субъекты (subjects), объекты (objects), действия (actions). Для каждого объекта доступным является определенный перечень действий. Отношения субъектов и объектов представлены в табл. 1, где Pijk - вероятность совершения действия, i - количество действий, которые можно выполнить над объектом, j - количество объектов, k - количество субъектов. Чтобы получить доступ, субъект должен иметь возможность совершить любое из k допусти- мых действий с j объектами. Таблица 1 Возможные действия субъектов к объектам Object1 Object2 … Objectj subject1 … subjecti subject1 … subjecti … subject1 … subjecti Action1 P111 … Pi11 P121 … Pi21 … P1j1 … Pij1 Action2 P112 … Pi12 P122 … Pi22 … P1j2 … Pij2 … … … … … … … … … … … Actionk P11k … Pi1k P12k … Pi2k … P1jk … Pijk Вероятность получения каждым субъектом полно- го доступа к каждому объекту выражена формулой: где Ps - вероятность доступности сервера; Pc - вероят- ность доступности клиента; P = ÕPi . i (1) Ps = Psv × Psa × Psf × Psm × Psb , (7) Понятие вероятности получения i-м субъектом доступа к любому объекту для каждого субъекта определено следующим образом: где Psv - доступность видеоинформации на сервере; Рsa - доступность аудиоинформации на сервере; Рsf - доступность файлов на сервере; Рsm - доступность сообщений на сервере; Рsb - доступность виртуальной Pi = ÕPij . j (2) доски на сервере; Pc = Pcv × Pca × Pcf × Pcm × Pcb , (8) Вероятность получения доступа субъекта к объекту равна произведению вероятностей всех действий где Pcv - доступность видеоинформации у клиента; субъекта к объекту: Pij = ÕPijk . k (3) Рca - доступность аудиоинформации у клиента; Рcf - доступность файлов у клиента; Рcm - доступность сообщений у клиента; Рcb - доступность виртуальной доски у клиента; Тогда вероятность получения каждым субъектом полного доступа к каждому объекту выражена формулой Psv = ÕPsvk , k Psa = ÕPsak , Psf k = ÕPsfk , k P = ÕÕÕPijk . (4) Psm = ÕPsmk , k Psb = ÕPsbk , k i j k Модель вероятностного доступа к информаци- онным ресурсам для повышения надежности видеоконференцсвязи для авторизованных поль- зователей с гарантированной доставкой сообще- ний (модель нижнего уровня). Рассмотрим пример. Вероятностная модель доступа, предложенная в работе, основана на следующих понятиях: субъекты, объекты, где Psvk - вероятность совершения k-го действия с видеоинформацией на сервере; Psak - вероятность совершения k-го действия с аудиоинформацией на сервере; Psfk - вероятность совершения k-го дейст- вия с файлами на сервере; Psmk - вероятность совер- шения k-го действия с сообщениями на сервере; Рsbk - вероятность совершения k-го действия с виртуальной доской на сервере; действия. Ниже приведены используемые обозначения. Субъекты (subjects): S - cервер, С - клиент. Объекты (objects): видеоинформация (video), аудио- Pcv = ÕPcvk k , Pca = ÕPcak k , Pcf = ÕPcfk , k информация (audio), файл (file), сообщение (message), виртуальная доска (board). Pcm = ÕPcmk , k Pcb = ÕPcbk , k Действия (actions): чтение (read), запись (write), отправка (send), редактирование (edit), выполнение (execute), удаление (delete), создание (create). Для каждого объекта доступным является опреде- ленный перечень действий. Отношения субъектов и объектов представлены в табл. 2, где «+» - действие возможно с некой вероятностью, «-» - действие по отношению к данному объекту не применяется. Критерий надежности системы сформулирован следующим образом: P ® 1, (5) Вероятность получения каждым субъектом полного доступа к каждому объекту выражена формулой где Pcvk - вероятность совершения k-го действия с ви- деоинформацией у клиента; Pcak - вероятность совер- шения k-го действия с аудиоинформацией у клиента; Pcfk - вероятность совершения k-го действия с файла- ми у клиента; Pcmk - вероятность совершения k-го действия с сообщениями у клиента; Рcbk - вероятность совершения k-го действия с виртуальной доской у клиента. Для определения вероятности полного доступа к системе видеоконференцсвязи, состоящей из не- скольких серверов и клиентов, необходимо опреде- лить вероятность доступности серверов и вероятность доступности клиентов. Вероятность доступности клиентов в рамках решаемой задачи принята равной 1. Оп- P = Ps × Pc , (6) ределим вероятность доступности серверов. Таблица 2 Возможные действия субъектов к объектам Video Audio File Message Board S C S C S C S C S C Read + + + + + + + + + + Write + + + + + + + + + + Create - - - - + + + + + + Edit - - - - + + + + + + Execute - - - - + + + - - - Delete - - - - + + + + + + Send + + + + + + + + - - Состояния сервера: - сервер свободен (или сервер обрабатывает заявки, но принимает новые, поступающие идут на обработку); Тогда lPk = (k +1)mPk +1 ® Pk +1 = - сервер занят обслуживанием заявок и не может = 1 l 1 lk +1 (15) больше принимать заявки, все приходящие заявки - в очереди, ограниченной по времени (или неисправен). Р0 - вероятность того, что все серверы свободны; Р1 - вероятность того, что один сервер занят, остальные свободны; k +1 m Pk = (k +1)! mk +1 P0. Из (15) следует, что формула (14) для Pk справед- лива. Данная формула имеет место для всех sk , где k £ n . Рn - вероятность того, что все серверы заняты, ноль заявок в очереди; Для случая k > n ностей: имеем следующий расчет вероят- Рn+m - вероятность того, что все серверы заняты, l 1 m заявок в очереди (вероятность отказа) [17]. Математический аппарат оценки системы видеоlPn = nmPn+1 ® Pn+1 = m × n × Pn , (16) конференцсвязи строится на основе многоканальных систем массового обслуживания (СМО) с ограничен- ной очередью для случая стандартного режима рабоl2 1 l = m ® = × × Pn+1 n Pn+2 Pn+2 m2 n2 Pn . ты системы и совокупности однородных одноканаль- ных СМО с ограниченной очередью. Модель стандартного режима. Ниже представлены исходные данные: S = {si , i = 1, n} - множество серверов в системе; Указанные выражения (16), (17) определяют зна- чение вероятности Pi для i = n +1, i = n + 2 , они также могут быть рассмотрены в качестве базы математиче- ской индукции. Сделаем индуктивное предположение для i = t : t n C = {c j , j = 1, k} - множество клиентов в системе; lt Pn+t = mt × 1 × P , (18) M (S ) = n - количество серверов в системе; M (C ) = k - количество клиентов в системе. lP = nmP n l 1 ® P = × × P = Для каждого сервера si Î S определено mi - скоn+t n+t +1 n+t +1 m n n+t (19) рость обработки заявок. Считаем, что все серверы l 1 lt 1 lt +1 1 в системе одинаковы со скоростью обработки заявок m : = m × n × mt × nt × Pn = mt +1 × nt +1 × Pn . "si , s j Î S :mi = m j = μ. (9) Из (19) следует, что формула (18) для Pt справед- Для каждого клиента ci Î C поступающий поток заявок рассматривается как простой пуассоновский процесс интенсивности li . Считаем, что все клиенты лива. Данная формула имеет место для всех st , где t £ m , где m - длина очереди СМО. Исходя из полученных расчетов вероятностей состоя- ний системы, справедливы следующие выражения: в системе имеют одинаковые характеристики и соз- дают поток заявок (пакетов) одинаковой интенсивности: P0 + P1 +L+ Pn + Pn+1 +L+ Pn+m = 1, (20) "c , c Î C :l = l = l , (10) n æ l öi 1 m æ l ön+ j 1 i j i j 1 P0 +åç m ÷ × × P0 +åç ÷ × j × P0 = 1. (21) k i=1 è ø i! j =1è m ø n n! l = åli = k l1, (11) Отсюда выразим вероятность «нулевого» состояi=1 где λ - общая интенсивность потока клиентов в системе. Расчет вероятностей состояния системы: ния системы примем r= l : m P0 . Для упрощения записи формулы lP = mP ® P = l P , (12) é n ri m r j +n ù-1 0 1 1 m 0 P0 = ê1 +å +å ú . (22) l2 1 l2 ëê i =1 i! j =1 n jn!úû lP1 = 2mP2 ® m P0 = 2mP2 ® P2 = 2 m2 P0. (13) Тогда вероятность отказа Pn+m можно представить следующим образом: Формулы (12) и (13) определяют значение вероят- -1 ности Pi для i = 1, i = 2 . Данные формулы можно rn+m é n ri m rn+ j ù использовать в качестве базы для применения метода математической индукции. Сделаем предположение для случая i = k , запишем формулу для Pk в следую- ë i=1 j =1 û Тогда Pn+m = nmn! êê1+ å i! +å n jn!úú . (23) щем виде: æ rn+m é n ri m rn+ j ù-1 ö 1 lk P = 1- Pn+m = 1- ç m ê1+ å å j ú ÷. + Pk = P0. (14) ç n n! êë i=1 i! j =1 n n!úû ÷ k ! mk è ø Модель специального режима. В специальном ktotal - общее количество клиентов для стандартрежиме системы все клиенты разделяются на группы. ного режима; Каждая группа клиентов привязывается к определен- ному серверу. То есть kspec - общее количество клиентов для специаль- n n C = UCi ,ICi = Æ, (24) ного режима. Оценка эффективности специального режима по отношению к стандартному выполняется посредством i=1 i=1 сравнения вероятностей отказа системы в стандартгде Ci - группы клиентов, привязанные к серверу i. Без потери общности рассуждений можно пола- гать, что клиенты распределяются на равные группы: ном и специальном режимах для определенных зна- чений ktotal и kspec : - P (ktotal , kspec ) = Pn+m - Pm . (30) "Ci ,C j : M (Ci ) = M (Cj ) = = k . Система в специальном режиме может рассматри- Специальный режим считается эффективным, ко- гда P (ktotal , kspec ) > 0 . ваться как совокупность независимых однородных На практике необходимо определить ktotal и kspec одноканальных СМО с ограниченной очередью и от- казами. В этом случае суммарный поток заявок (паке- тов) от группы клиентов Ci для i-го сервера равен при желаемом уровне P (ktotal , kspec ) . Используется программное обеспечение, разработанное авторами. На вход подаются следующие параметры: k - - поток от одного клиента; l = åli = k l1. i=1 Интенсивность обработки заявок всех состояний системы. m = сonst (25) для - скорость обработки запросов сервером; - длина очереди; - коэффициент наполнения очереди; - максимум серверов и клиентов. Проведем расчет вероятностей состояний системы На выходе программное обеспечение выдает грав специальном режиме: фик в трех координатах (P (ktotal , kspec ), ktotal , kspec ) . lP = mP ® P = l P , (26) При заданном уровне P (k , k ) по графику опре- 0 1 1 m 0 l = m ® = m ® = l2 l2 P1 P2 m P0 P2 P2 m2 P0. (27) total spec деляются ktotal и kspec . На рис. 1 в качестве примера приведен график, от- ражающий целесообразность использования специ- По аналогии с расчетами, проведенными для обычного режима, применяя метод математической индукции, получим общую формулу расчета вероят- ности состояния системы для Pk: æ l ök ального режима в системе видеоконференцсвязи, заданной следующими параметрами: - r= l1 m = - отношение интенсивности поступления пакетов от одного клиента к интенсивности обработки пакетов сервером; отношение задано из k m P = ç ÷ è ø P0. (28) соображений соотношения количества ядер процессоров для персонального компьютера и вычислительного Отсюда, исходя из P0 + P1 +L+ Pm = 1, сервера; é m æ l öi ù-1 - n = 5 - количество серверов в системе; - m = r-1 = 16 - средняя длина очереди сервера; 0 ê m ú P = êåç ÷ ú , ëi=0 è ø û æ l öm é m æ l öi ù-1 é m ù-1 K = 200 - общее количество клиентов в системе. На рис. 2 представлен график зависимости максимально возможного количества специальных клиен- Pm = ç ÷ êåç ÷ ú = rm êåri ú . (29) тов при заранее заданном общем количестве клиентов è m ø êëi=0 è m ø úû ëi=0 û и заданном уровне P (ktotal , kspec ) (в примере Эффективность методики повышения надеж- ности. Полагая, что основу системы видеоконферен- цсвязи составляют серверы видеоконференцсвязи, во время проведения сеанса видеоконференцсвязи спра- ведливо считать количество серверов неизменным, n = сonst . Тогда вероятность отказа будет зависеть только от количества клиентов в системе. Необходи- мо отметить, что для каждого режима работы системы количество клиентов считается независимым: (ktotal , kspec ) > 0, 2). Если количество специальных клиентов в системе видеоконференцсвязи меньше максимально возможного, применение алгоритма «Метка привилегий» считается целесообразным при заданном P (ktotal , kspec ). Рис. 1 и 2 подтверждают эффективность приме- няемой методики и определяют границы применимо- сти для заданных числовых значений. Рис. 1. График эффективности системы видеоконференцсвязи (P (ktotal , kspec ),ktotal , kspec ) Fig. 1. Diagram of effectiveness of videoconference system (P (ktotal , kspec ),ktotal , kspec ) Подпись: 100 104 108 112 116 120 124 128 132 136 140 144 148 152 156 160 164 168 172 176 180 184 188 192 196 200 Рис. 2. График эффективности системы видеоконференцсвязи (ktotal , kspec ) Fig. 2. Diagram of effectiveness of videoconference system (ktotal , kspec ) Заключение. Разработана новая методика обра- ботки информации, которая путем выделения приви- легированного трафика и оптимизации потоков ин- формации позволяет повысить надежность системы видеоконференцсвязи для авторизованных пользова- телей с гарантированной доставкой сообщений и по- высить вероятность получения доступа к ресурсам систем видеоконференцсвязи. Новая модель вероят- ностного доступа к информационным ресурсам ви- деоконференцсвязи (модель верхнего уровня и модель нижнего уровня) позволяет оценить уровень надеж- ности системы видеоконференцсвязи посредством определения вероятности получения доступа к ин- формационным ресурсам. Исследование эффективно- сти предложенной методики повышения надежности подтвердило повышение уровня надежности посред- ством увеличения вероятности получения доступа к ресурсам системы видеоконференцсвязи путем сравнения вероятностей отказа системы в стандарт- ном и специальном режимах.

作者简介

K. Lebedeva

Reshetnev Siberian State University of Science and Technologies

Email: shudrova87@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

R. Lebedev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technologies

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. Murygin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technologies

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

参考

补充文件