Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. ユーザレベルの品質保証を実現する ＱｏＳマッピング技術 大阪大学 若宮直紀 [email protected] ＱｏＳアーキテクチャ Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • よりよい通信サービスを – 単なる通信路，接続口 – 他にない速さを謳うだけでは不十分 • サービス品質（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を制御，保証 するためのＱｏＳアーキテクチャが必要 – どのようなＱｏＳをどのように制御，保証する か？ – ユーザを向いた制御 20 September 2001 若宮直紀 2 ユーザとシステム Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. 大きな隔たりがある なめらか 荒い CPUは？ CPU量は? I/Oは？ 帯域は? パケット棄却率は？ 転送遅延は？ こま送り きれい ＴＶ電話システム 20 September 2001 若宮直紀 3 Network Architecture Res. Group さまざまなＱｏＳパラメータ：ユーザ ＱｏＳ Multimedia Information System Lab. • ユーザの思うサービス品質 – データをはやく正確にダウンロードできる – ホームページがすぐに見られる – 音声，動画像がきれい 20 September 2001 若宮直紀 4 さまざまなＱｏＳパラメータ：ネットワー クＱｏＳ Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • ネットワークレベルで制御できるＱｏＳ – 呼損率 – 転送レート – 棄却率 – 転送遅延 – 転送遅延揺らぎ – ビットエラー率 20 September 2001 若宮直紀 5 Network Architecture Res. Group さまざまなＱｏＳパラメータ： エンドシステムＱｏＳ Multimedia Information System Lab. • エンドシステムで制御できるＱｏＳ – ＣＰＵ処理能力 – メモリ容量 – 処理の周期性 – デッドライン – バス速度 – I/O処理能力 20 September 2001 若宮直紀 6 ＱｏＳマッピング Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. User Level App. Level User Interface Layer Media Control Layer Data Control Layer Network Level Bus 20 September 2001 Processor Storage EndSys Level Kernel Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 7 Network Architecture Res. Group • • • • アプリケーションレベルの役割 Multimedia Information System Lab. ユーザＱｏＳと下位レベルＱｏＳの橋渡し 下位レベルＱｏＳ間の橋渡し ユーザＱｏＳに応じた制御手法の選択 下位レベルＱｏＳの変化の吸収 User Level App. Level Media Control Layer Data Control Layer Bus Processor Network Level Kernel Layer Storage EndSys Level 20 September 2001 User Interface Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 8 Network Architecture Res. Group ユーザＱｏＳとアプリケーションＱｏ Ｓ Multimedia Information System Lab. マッピングの例 ユーザＱｏＳ アプリケーションＱｏＳ データを速く正確に 品質 データ ダウンロードできる 時間 ホームページが ＷＷＷ 時間 すぐに見られる 応答時間， 転送時間など 起動時間，応答時間， 表示速度など マルチ メディア 標本化レート， 符号化手法，解像度， フレームレートなど 音声，動画像が きれい 20 September 2001 品質 若宮直紀 9 ユーザＱｏＳの数値化 Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • 制御，保証するためには実体化が必要 • 時間 – 何ミリ秒以内なら「速く」なのか？ – 何秒以内なら「すぐ」なのか？ （８秒ルール） • 品質 – 音声： • ＭＯＳ（Mean Opinion Score） • ＰＳＮＲ（Peak Signal to Noise Ratio） • ＰＳＱＮ（Perceptual Speech Quality Measure） – 動画像： • ＤＳＣＱＳ（Double Stimulus Continuous Quality Scale） • ＳＳＣＱＥ（Single Stimulus Continuous Quality Evaluation） • ＰＳＮＲ（Peak Signal to Noise Ratio） 20 September 2001 若宮直紀 10 Network Architecture Res. Group ユーザＱｏＳを考慮した アプリケーションＱｏＳ保証，制御技 術 Multimedia Information System Lab. • ホームページがすぐに見られる – アプリケーション起動の高速化 – persistent connection，pipelining – プロキシ，サーバ負荷分散 – Interlaced GIF，Progressive JPEG – 先読み，キャッシュ • 音声，動画像がきれい – 符号化手法 – サンプリングレート – 解像度，フレームレート，色数 20 September 2001 若宮直紀 11 ＱｏＳマッピング Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. User Level App. Level User Interface Layer Media Control Layer Data Control Layer Network Level Bus 20 September 2001 Processor Storage EndSys Level Kernel Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 12 Network Architecture Res. Group エンドシステムレベルの役割 Multimedia Information System Lab. • エンドシステム資源の管理 • アプリケーション間の調整 User Level App. Level Media Control Layer Data Control Layer Bus Processor Network Level Kernel Layer Storage EndSys Level 20 September 2001 User Interface Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 13 Network Architecture Res. Group アプリケーションＱｏＳとエンドシステ ムＱｏＳ Multimedia Information System Lab. マッピングの例 アプリケーションＱｏＳ データ ＷＷＷ エンドシステムＱｏＳ 応答時間， バス速度， 転送時間など I/O処理能力など 起動時間，応答時間， ＣＰＵ処理能力，バス速度， 表示時間など I/O処理能力など 標本化レート， マルチメ 符号化手法，解像度， ディア フレームレートなど 20 September 2001 若宮直紀 ＣＰＵ処理能力， バス速度，I/O処理能力， 周期性など 14 Network Architecture Res. Group アプリケーションＱｏＳを考慮した エンドシステムＱｏＳ保証，制御技術 Multimedia Information System Lab. • 起動時間 – ディスク配置最適化 • 応答時間，表示時間 – タスクスケジューリング – メモリアクセス高速化 • 標本化レート，符号化手法，解像度，フレームレート – ＣＰＵ処理能力割当 – メモリ容量，バス容量割当 – デッドライン制御 20 September 2001 若宮直紀 15 ＱｏＳマッピング Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. User Level App. Level User Interface Layer Media Control Layer Data Control Layer Network Level Bus 20 September 2001 Processor Storage EndSys Level Kernel Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 16 Network Architecture Res. Group ネットワークレベルの役割 Multimedia Information System Lab. • ネットワーク資源の管理 • ＱｏＳに応じたプロトコル，サービスレベル，パラ メータの選択，設定 • ネットワーク品質の揺らぎの吸収 User Level App. Level Media Control Layer Data Control Layer Bus Processor Network Level Kernel Layer Storage EndSys Level 20 September 2001 User Interface Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 17 Network Architecture Res. Group ユーザＱｏＳとアプリケーションＱｏ Ｓ Multimedia Information System Lab. マッピングの例 アプリケーションＱｏＳ ネットワークＱｏＳ データ 応答時間， 転送時間など 棄却率，転送遅延など ＷＷＷ 応答時間など 伝搬遅延，転送遅延など 標本化レート， マルチメ 符号化手法，解像度， ディア フレームレートなど 20 September 2001 若宮直紀 帯域，転送遅延， 遅延揺らぎなど 18 Network Architecture Res. Group アプリケーションＱｏＳを考慮した ネットワークＱｏＳ保証，制御技術 Multimedia Information System Lab. • 応答時間 – ＱｏＳルーティング • 転送時間 – パケットスケジューリング • 標本化レート，符号化手法，解像度，フレームレート – 帯域割当 – 実時間通信プロトコル 20 September 2001 若宮直紀 19 ＱｏＳマッピング Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. User Level App. Level User Interface Layer Media Control Layer Data Control Layer Network Level Bus 20 September 2001 Processor Storage EndSys Level Kernel Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 20 Network Architecture Res. Group ＱｏＳマッピングによる 動画像通信におけるエンド間ＱｏＳ制 御 Multimedia Information System Lab. User Level 動画像品質（ＭＯＳ値） Application Level ＳＮＲ解像度，時間解像度，空間解像度，ＧｏＰ構成 End System Level Network Level End System Level ＣＰＵ処理能力 （サイクル／秒） 帯域 （ビット／秒） ＣＰＵ処理能力 （サイクル／秒） 動画像サーバ （リアルタイムＯＳ） ネットワーク （帯域予約） クライアント ユーザ （リアルタイムＯＳ） 20 September 2001 若宮直紀 21 Network Architecture Res. Group アプリケーションＱｏＳとネットワー クＱｏＳ Multimedia Information System Lab. • 符号化パラメータと帯域の関係 20 Scenery Starwars Music Comedy Peak Rate (Mbps) 15 10 640x480 320x240 5 160x120 0 20 September 2001 5 10 15 20 25 30 Quantization scale 若宮直紀 35 40 22 Network Architecture Res. Group アプリケーションＱｏＳとネットワー クＱｏＳの マッピング（定式化） Multimedia Information System Lab. • 定式化によりＱｏＳ制御のアルゴリズム化が可能 20 BW(R,Q,F) Scenery 5 3 2 640x480 320x240 160x120 4 3 640x480 10 5 1 0 Rate(Q)/Rate(10) Rate (Mbps) Rate(Q)/Rate(10) 15 4 5 Scenery Starwars Music Comedy 2 320x240 1 160x120 0 5 10 15 0 20 25 30 35 40 15 Quantization5scale 10 0 5 10 20 25 30 Quantization scale Q log4 B 3.1 20 September 2001 0 R 640480 15 20 25 35 40 scale Quantization 30 35 F 2 Bbase Q Q 30 若宮直紀 23 40 アプリケーションＱｏＳと エンドシステムＱｏＳのマッピング Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • サーバＣＰＵ処理能力 R F S SG 640 480 30 • クライアントＣＰＵ処理能力 NP NB R F C 40 B 870 N N 640 480 30 Required Bandwidth (Mbps) I 16 IPPPPP IBBPBB 14 12 10 IBBBBB 8 6 4 2 0 IBPBPB 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 I IP IB 14 IPPPPP IBPBPB 12 IBBPBB IBBBBB 10 16 IP IB Required Bandwidth (Mbps) 18 18 5 5.5 Required CPU resource (1.0e+10 cycle/sec) 20 September 2001 若宮直紀 8 6 4 2 0 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Required CPU resource (1.0e+9 cycle/sec) 24 Network Architecture Res. Group ユーザＱｏＳとアプリケーションＱｏ Ｓの マッピング Multimedia Information System Lab. • 動画像の主観評価結果と符号化パラメータの対応 付け（マッピング） 30fps 10fps 5 640x480 MOS 4 3 320x240 2 160x120 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Quantization scale 20 September 2001 若宮直紀 25 ＱｏＳマッピングを利用したＱｏＳ制 御 Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • 利用可能な資源量（提供されるＱｏＳ）に応じた ユーザレベルＱｏＳを考慮した動的なＱｏＳ制御 640x480 320x240 5 15 640x480 30fps 10fps 4 MOS Peak rate (Mbps) 20 10 320x240 3 2 5 0 1 0 5 10 15 20 25 30 Quantization scale 20 September 2001 35 40 若宮直紀 5 10 15 20 25 30 Quantization scale 35 26 40 Network Architecture Res. Group ＱｏＳマッピングを利用した 統合化資源割当制御 Multimedia Information System Lab. • アプリケーションＱｏＳを介することによりエンドシステ ムＱｏＳとネットワークＱｏＳの関係が明らかになる • 同じアプリケーションＱｏＳを提供する場合にも．．． – エンドシステムが頑張ればネットワークが楽になる – ネットワークに余裕があればエンドシステムが楽に なる 動画像サーバ （リアルタイムＯＳ） 20 September 2001 ネットワーク （帯域予約） 若宮直紀 クライアント ユーザ （リアルタイムＯＳ） 27 Network Architecture Res. Group ヘテロジニアス動画像マルチキャスト への適用例 Multimedia Information System Lab. • それぞれ置かれる環境の異なるクライアントに， 利用可能な資源の範囲内で できるだけ高品質な動画像を マルチキャスト配信する 20 September 2001 若宮直紀 28 Network Architecture Res. Group ヘテロジニアス動画像マルチキャスト Multimedia Information System Lab. 1. ＣＰＵ資源量（エンドシステムＱｏＳ），アクセスリン ク容量（ネットワークＱｏＳ）によるグループ分け 2. システム全体の効用（Utility）最適化 k U U i i Bi Ui Pi Bi qi mi P P Pi Pi Pi B ni B 2 S 2 C 2 i Bi Si S P i Bi free S i free i 1 Pi mi C Ci j C free ij 効用＝利得／コスト 利得＝ユーザＱｏＳ コスト＝エンドシステムＱｏＳ，ネットワークＱｏＳ 20 September 2001 若宮直紀 29 数値例 Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • ３つのマルチキャストグループ • 同じエンドシステムＱｏＳ（サーバＣＰＵ処理能力）， ネットワークＱｏＳ（帯域）を配分した場合 19.42 19.42 18.93 [dB] • ユーザＱｏＳを最大化する最適割当を行った場合 25.71 21.59 20.68 [dB] 20 September 2001 若宮直紀 30 Network Architecture Res. Group さまざまなＱｏＳマッピング Multimedia Information System Lab. • レイヤ間のＱｏＳマッピング Ｉｎｔｓｅｒｖ／ＡＴＭ，Ｄｉｆｆｓｅｒｖ／ＡＴＭ • システム間のＱｏＳマッピング Ｉｎｔｓｅｒｖ－Ｄｉｆｆｓｅｒｖ User Level App. Level Media Control Layer Data Control Layer Bus Processor Network Level Kernel Layer Storage EndSys Level 20 September 2001 User Interface Layer 若宮直紀 Transport Layer Network Layer Lower Layer 31 まとめ Network Architecture Res. Group Multimedia Information System Lab. • ユーザ不在のシステム制御，サービス提供からの 脱却 • ＱｏＳマッピングを利用した高度なＱｏＳ制御 • ＱｏＳマッピングは万能ではない 20 September 2001 若宮直紀 32
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