Методика повышения надежности видеоконференцсвязи

Введение. Увеличение пропускной способности каналов передачи информации сделало видеоконференции удобным средством общения. Видеоконференции проводятся для обмена опытом специалистами в различных областях, проведения корпоративных совещаний, также видеосвязь широко используется в образовательных целях. Системы видеоконференцсвязи активно используются в ракетно-космической отрасли для организации связи между удаленными площадками во время работы над совместными проектами. Одним из приоритетных направлений развития 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 характеристики качества. Любые искажения могут привести к неправильной трактовке информации и, как следствие, ошибочным действиям участников видеоконференции [2].

Основные проблемы. Сложность обеспечения надежности видеоконференцсвязи связана с необходимостью одновременного поддержания высокой скорости обработки информации и передачи данных с минимальными задержками, а также высокого разрешения изображения и качества звука, при этом современным системам желательно обладать дополнительным инструментарием интерактивного взаимодействия.

Существующие решения также плохо совместимы между собой, так как производители не заинтересованы в интеграции различных систем, напротив, система видеоконференцсвязи чаще всего представляет собой единое целое из программных и аппаратных компонентов, масштабировать такую систему возможно, лишь применяя компоненты того же производителя. Такой подход приводит к дороговизне существующих решений.

Одним из перспективных решений проблемы обеспечения надежности видеоконференцсвязи является использование технологий распределения нагрузки сети. Оптимальное распределение сетевой нагрузки позволяет обеспечивать заданные характеристики видеоконференцсвязи за счет управления информационными потоками.

В настоящее время на рынке средств защиты информации в основном представлены средства зарубежного производства, что несет в себе определенную угрозу при использовании таких систем в государственных учреждениях [3]. Все большей популярностью пользуются различные приложения для проведения видеоконференций через глобальные телекоммуникационные 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 conferencing 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 (Videoconference 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. Хусаинова и А. Н. Шкурко, В. А. Ягупова, М. В. Стре-моухова, О. О. Басова рассматриваются цифровые методы передачи аудио- и видеоинформации в компьютерных сетях, дан анализ состояния работ по компьютерной видеоконференцсвязи в России, рассмотрены 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 способы повышения надежности видеоконференцсвязи. К таким способам относят:

• -    управление потоками данных, которое достигается упрощением клиентской части приложения и реорганизацией серверной;

• -    переподключение для смены источников плееров 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 рационального использования канального ресурса системы.

• 2.    Использование алгоритмов децентрализованных самоорганизующихся сетей, которые позволяют распределить нагрузку на все элементы пропорционально их ресурсам и характеристикам, тем самым увеличивая масштабируемость и уменьшая стоимость такого решения при отсутствии необходимости поддержки

• 3.    Применение механизмов динамического перераспределения скорости передачи информации при совместном обслуживании трафика сервисов реального времени и трафика данных, допускающего задержку [14].

• 4.    Автоматический способ определения текущего говорящего для назначения его потокам мультимедийных данных наибольшего приоритета при передаче остальным участникам [15].

протоколов прикладного уровня на сетевом оборудовании [13].

Основным способом применения управления нагрузкой для организации надежной видеоконференцсвязи на сегодняшний день является обеспечение минимальной скорости передачи данных и максимальной 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, позволяющий 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]. Использование одного узла в качестве центрального элемента негативно сказывается на характеристиках работы системы в случае проведения сеанса многопользовательской видеоконференцсвязи. Распределенные системы, использующие в качестве канала передачи сеть Интернет, отличаются низким качеством связи. Использование выделенных каналов связи значительно повышает стоимость системы.

Существует проблема стандартизации, необходимость использования специальных технологий и протоколов в зависимости от производителя системы видеоконференцсвязи. Программные решения существенно ограничивают число одновременных участников сеанса видеоконференцсвязи. С другой стороны, применение специальных аппаратных модулей значительно увеличивает стоимость подобных систем.

Методика повышения надежности. Авторами предложена новая методика повышения надежности видеоконференцсвязи для авторизованных пользователей с гарантированной доставкой сообщений и модели вероятностного доступа к системам видеоконференцсвязи, 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 авторизованных 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 представленных в научной литературе мандатной модели, дискреционной модели и ролевой модели доступа.

Методика повышения надежности систем видеоконференцсвязи 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 нижнего уровня: определение значения Р – вероятности получения доступа для каждого субъекта.

• 4.    Анализ полученного результата сравнения текущего уровня вероятности доступа с требуемым уровнем вероятности доступа.

• 5.    При необходимости – увеличение вероятности получения доступа с помощью алгоритма повышения надежности.

Модель вероятностного доступа к информационным 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 характерные особенности.

Значение вероятности доступа может быть рассчитано на основе аппарата марковских случайных процессов 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 P ijk – 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 допустимых действий с j объектами.

Возможные действия субъектов к объектам

Таблица 1

	Object 1			Object 2			…	Object j
	subject 1	…	subject i	subject 1	…	subject i	…	subject 1	…	subject i
Action 1	P 111	…	P i 11	P 121	…	P i 21	…	P 1 j 1	…	P ij 1
Action 2	P 112	…	P i 12	P 122	…	P i 22	…	P 1 j 2	…	Р 3 P ij 2
		…			…		…		…
Action k	P 11 k	…	P i 1 k	P 12 k	…	P i 2 k	…	P 1 jk	…	Р 1 ijk

Вероятность получения каждым субъектом полного доступа к каждому объекту выражена формулой:

р = П p .                (1)

i

Понятие вероятности получения i -м субъектом доступа к любому объекту для каждого субъекта определено следующим образом:

P i = ГИ -                (2)

Вероятность получения доступа субъекта к объекту равна произведению вероятностей всех действий субъекта к объекту:

P -П P jk .              (3)

k

Тогда вероятность получения каждым субъектом полного доступа к каждому объекту выражена формулой p=ПППPjk.           (4)

ijk

Модель вероятностного доступа к информационным ресурсам для повышения надежности видеоконференцсвязи для авторизованных пользователей с гарантированной доставкой сообщений (модель нижнего уровня) . Рассмотрим пример. Вероятностная модель доступа, предложенная в работе, основана на следующих понятиях: субъекты, объекты, действия. Ниже приведены используемые обозначения.

Субъекты ( subjects ): S – cервер, С – клиент.

Объекты ( objects ): видеоинформация ( video ), аудиоинформация ( audio ), файл ( file ), сообщение ( message ), виртуальная доска ( board ).

Действия ( actions ): чтение ( read ), запись ( write ), отправка ( send ), редактирование ( edit ), выполнение ( execute ), удаление ( delete ), создание ( create ).

Для каждого объекта доступным является определенный 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

P = Ps ■ Pc ,(6)

где P s – вероятность доступности сервера; P c – вероятность доступности клиента;

Р = Р Р Р, Р -Р.(7)

s sv sa sf sm sb, где Psv – доступность видеоинформации на сервере; Рsa – доступность аудиоинформации на сервере; Рsf – доступность файлов на сервере; Рsm – доступность сообщений на сервере; Рsb – доступность виртуальной доски на сервере;

Р = Р Р Р,Р Р,..

ccvcacfcmcb ^,

где P cv – доступность видеоинформации у клиента; Р ca – доступность аудиоинформации у клиента; Р cf – доступность файлов у клиента; Р cm – доступность сообщений у клиента; Р cb – доступность виртуальной доски у клиента;

P sv = П P svk , P sa = П P sak , P f = П P sk kkk

Psm =ПPsmk, Psb =ПPsbk , kk 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 действия с файлами на сервере; Psmk – вероятность совершения k-го действия с сообщениями на сервере; Рsbk – вероятность совершения k-го действия с виртуальной доской на сервере;

P cv = П P cvk , P ca = П P eak , P f = П P f , kkk

Pcm Pcmk, Pcb 11Pcbk , k k где Pcvk – вероятность совершения k-го действия с видеоинформацией у клиента; Pcak – вероятность совершения k-го действия с аудиоинформацией у клиента; Pcfk – вероятность совершения k-го действия с файлами 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 нескольких серверов и клиентов, необходимо определить вероятность доступности серверов и вероятность доступности клиентов. Вероятность доступности клиентов в рамках решаемой задачи принята равной 1. Определим вероятность доступности серверов.

Возможные действия субъектов к объектам

Таблица 2

	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);

• - сервер занят обслуживанием заявок и не может больше принимать заявки, все приходящие заявки – в очереди, ограниченной по времени (или неисправен).

Р ₀ – вероятность того, что все серверы свободны;

Р ₁ – вероятность того, что один сервер занят, остальные свободны;

Р n – вероятность того, что все серверы заняты, ноль заявок в очереди;

Р n+m – вероятность того, что все серверы заняты, m заявок в очереди (вероятность отказа) [17].

Математический аппарат оценки системы видеоконференцсвязи строится на основе многоканальных систем массового обслуживания (СМО) с ограниченной очередью для случая стандартного режима работы системы и совокупности однородных одноканальных СМО с ограниченной очередью.

Модель стандартного режима. Ниже представлены исходные данные:

5 = { s i , i = 1, n } - множество серверов в системе;

C = <  c, , j = 1, к >  - множество клиентов в системе; j

M ( 5 ) = n - количество серверов в системе;

M ( C ) = к - количество клиентов в системе.

Для каждого сервера s i е 5 определено ц i - скорость обработки заявок. Считаем, что все серверы в системе одинаковы со скоростью обработки заявок ц :

Тогда

^{X P} k = ( ^к + 1М +1 ^ ^P k +1 =

= 1 X P = 1 x ^{к + 1} P ⁽¹⁵⁾

= к + 1 ц ^к = ( к + 1 ) ! ц ^{к + 1 0 .}

Из (15) следует, что формула (14) для P k справедлива. Данная формула имеет место для всех s_k , где к <  n .

Для случая к >  n имеем следующий расчет вероятностей:

X P n = n J' +1 ^ P n +1   ^Х1 ■ P n ,        (16)

ц n

X ² 1 _

^X P n +1 = n ц ^p n +2 ^ P n +2 = ~ ■ ~ ■ P n .     (17)

ц n

Указанные выражения (16), (17) определяют значение вероятности P i для i = n + 1, i = n + 2, они также могут быть рассмотрены в качестве базы математической индукции. Сделаем индуктивное предположение для i = 1 :

P t = ^X " n + 1 t

ц

■

t^{n ,} n ^t

X P n + 1 = nJ- + 1 +1 ^ P n + 1 +1 ^{X 1} ■ P n + 1 ц n

X 1 X1 1 _ X1+1 1 _ — — . —       p — -------- p nn. ц n ц tn1         ц1+1 nt+1

V s i ,s j е ⁵ : ц i =ц _у = ц.               (9)

Для каждого клиента c i е C поступающий поток заявок рассматривается как простой пуассоновский процесс интенсивности X i . Считаем, что все клиенты в системе имеют одинаковые характеристики и создают поток заявок (пакетов) одинаковой интенсивности:

V c i ,c_j е C : X i = X j = X 1 ,              (10)

k

X = y X i = к X ! ,                (11)

i =1

где λ – общая интенсивность потока клиентов в системе.

Расчет вероятностей состояния системы:

X Po = ц^ ^ P1 = X Po,(12)

Ц

XP1 = 2pP2 ^—Po = 2цP2 ^P2 = -—Po.(13)

Ц

Формулы (12) и (13) определяют значение вероятности P i для i = 1, i = 2. Данные формулы можно использовать в качестве базы для применения метода математической индукции. Сделаем предположение для случая i = к , запишем формулу для P k в следующем виде:

k

P = Т7— P^ .              (14)

к ! ц ^к

Из (19) следует, что формула (18) для P t справедлива. Данная формула имеет место для всех s_t , где 1 <  m , где m - длина очереди СМО.

Исходя из полученных расчетов вероятностей состояний системы, справедливы следующие выражения:

P o + P 1 + ™ + P n + P n +1 + ™ + P n + m = 1,     (20)

i

^{n + j}    ,

I   ■ — ■ P o = 1. (21)

n ^j n !

Отсюда выразим вероятность «нулевого» состояния системы P ₀ . Для упрощения записи формулы

X примем p = —:

ц

P o =

""I-1

n _i m j+ + n

1 + Z ²r + Z ²T7

i =1 i ^! j =1 n^Jn ! j

.

Тогда вероятность отказа P_{n + m} можно представить следующим образом:

^P n + m '

Тогда

P = l-P ^x n + m

n + m

n

i

m

n + J

-i-1

nm nmnj

=^p— 1+Ё-+Х— n ^m n ! [ i =1 i ! J =1 n ^J n !

= 1 -

p n + m n ^m n !

.

n J m ⁿ+ + ^j

1 +У-+ У— i =1 i ^! j =1 ^{nn !} _

-i-1 ^

.

Модель специального режима. В специальном режиме системы все клиенты разделяются на группы. Каждая группа клиентов привязывается к определенному серверу. То есть nn

C = U C i , П C                 (24)

i =1         i =1

где C_i – группы клиентов, привязанные к серверу i .

Без потери общности рассуждений можно полагать, что клиенты распределяются на равные группы:

V C i , j M ( C ) = M ( C ) = % = k .

Система в специальном режиме может рассматриваться как совокупность независимых однородных одноканальных СМО с ограниченной очередью и отказами. В этом случае суммарный поток заявок (пакетов) от группы клиентов Ci для i-го сервера равен k —

X = ^Xi= k Xh i=1

Интенсивность обработки заявок ц = const для всех состояний системы.

Проведем расчет вероятностей состояний системы в специальном режиме:

XPo = цТ^ ^ Pi = - Po,(26)

ц

XP1 = цР2 ^—Po = цР2 ^P2 = — P,.

цц

По аналогии с расчетами, проведенными для обычного режима, применяя метод математической индукции, получим общую формулу расчета вероятности состояния системы для P_k :

Отсюда, исходя из P_o + P 1 +— + P m = 1,

Эффективность методики повышения надежности. Полагая, что основу системы видеоконференцсвязи составляют серверы видеоконференцсвязи, во время проведения сеанса видеоконференцсвязи справедливо считать количество серверов неизменным, n = const. Тогда вероятность отказа будет зависеть только от количества клиентов в системе. Необходимо отметить, что для каждого режима работы системы количество клиентов считается независимым:

k_total – общее количество клиентов для стандартного режима;

k – общее количество клиентов для специаль-spec ного режима.

Оценка эффективности специального режима по отношению к стандартному выполняется посредством сравнения вероятностей отказа системы в стандартном и специальном режимах для определенных значений k_total и k_spec :

^P ( k total , k spec ) = ^P n + m ^- P m -             ⁽³⁰⁾

Специальный режим считается эффективным, когда ^P ( k total , k spec ) > 0.

На практике необходимо определить k_total и k_spec при желаемом уровне P ( k_totol , k_spec ) . Используется программное обеспечение, разработанное авторами. На вход подаются следующие параметры:

• -    поток от одного клиента;

• -    скорость обработки запросов сервером;

• -    длина очереди;

• -    коэффициент наполнения очереди;

• -    максимум серверов и клиентов.

На выходе программное обеспечение выдает гра^фик в трех координатах ( P ( k total , k spec ) , k_totol , k spec ) . При заданном уровне P ( k_total , k_spec ) по графику определяются k_total и k_spec .

На рис. 1 в качестве примера приведен график, отражающий целесообразность использования специального режима в системе видеоконференцсвязи, заданной следующими параметрами:

X,/

• -    Р = 1/ = Уле — отношение интенсивности по ^н / ц /16

ступления пакетов от одного клиента к интенсивности обработки пакетов сервером; отношение задано из соображений соотношения количества ядер процессоров для персонального компьютера и вычислительного сервера;

• -    n = 5 - количество серверов в системе;

• -    m = р ^{- 1} = 16 - средняя длина очереди сервера;

K = 200 - общее количество клиентов в системе.

На рис. 2 представлен график зависимости максимально возможного количества специальных клиентов при заранее заданном общем количестве клиентов и заданном уровне P ( k_total , k_spec ) (в примере ( k total , k spec ) > ^0,2). Если количество специальных клиентов в системе видеоконференцсвязи меньше максимально возможного, применение алгоритма «Метка привилегий» считается целесообразным при заданном P ( k total , k spec ) .

Рис. 1 и 2 подтверждают эффективность применяемой методики и определяют границы применимости для заданных числовых значений.

Рис. 1. График эффективности системы видеоконференцсвязи (P (ktotol, kspec ),ktotol, kspec )

• Fig. 1.    Diagram of effectiveness of videoconference system ( P ( k_totol , ^k _spe_C ) , kt_ot_al , kspec )

  

  Рис. 2. График эффективности системы видеоконференцсвязи ( k oal , k_spec )

  
  

• Fig. 2.    Diagram of effectiveness of videoconference system ( k_total , k_spec )

Заключение. Разработана новая методика обработки информации, которая путем выделения привилегированного трафика и оптимизации потоков информации позволяет повысить надежность системы видеоконференцсвязи для авторизованных пользователей с гарантированной доставкой сообщений и повысить вероятность получения доступа к ресурсам систем видеоконференцсвязи. Новая модель вероятностного доступа к информационным ресурсам видеоконференцсвязи (модель верхнего уровня и модель нижнего уровня) позволяет оценить уровень надежности системы видеоконференцсвязи посредством определения вероятности получения доступа к информационным ресурсам. Исследование эффективности предложенной методики повышения надежности подтвердило повышение уровня надежности посредством увеличения вероятности получения доступа к ресурсам системы видеоконференцсвязи путем сравнения вероятностей отказа системы в стандартном и специальном режимах.