Повышение QoE — залог удержания клиентов
Системы кеширования становятся одними из наиболее востребованных элементов сетевой инфраструктуры, таким же как коммутатор доступа или пограничный маршрутизатор. При этом данный элемент необходим как провайдерам и операторам связи для оптимального планирования расширения каналов передачи данных, так и корпоративным структурам для оптимизации бизнес-приложений.
Для больших корпоративных структур системы кеширования используются для оптимизации арендованных каналов связи для работы CRM и ERP систем.
Cервис-провайдеры сталкиваются с растущими проблемами. P2P и Internet HTTP/video приложения потребляют значительную часть производительности сети, вдобавок к растущему количеству мобильных устройств, с которых осуществляется выход в интернет отовсюду. Подписчики требуют все больше и больше сервисов, а также оперативности действий по их немедленной доступности.
Системы кеширования повышают QoE провайдеров.
Для избежания неудовлетворености услугами и потери клиентов мы рекомендуем провайдерам внедрять системы кеширования для оптимизации производительности аплинк- каналов и увеличения скорости доставки наиболее часто запрашиваемого контента.
Компоненты MDI
На рис. 1 приведена стандартная схема подключения сетевой инфраструктуры провайдера связи.
Рис.1. Обычная сетевая инфраструктура
MDI относится ко всей сети и может быть определен между точками источника видео и STB приставкой пользователя. MDI обычно отображается как два отдельных значения, которые разделяются двоеточием — Delay factor (DF) и Media loss rate (MLR) (DF: MLR)
DF: MLR
Рис.2. Пакеты принятые за интервал времени с джиттером и без
DF (Фактор задержки)
Для того, что бы понять суть параметра Delay Factor (DF), полезно рассмотреть соотношение между джиттером (дрожанием) и буферизацией. Джиттером является изменение задержки сигнала по времени. Пакеты, прибывающие в место назначения с постоянной задержкой по времени имеют нулевой джиттер, а пакеты с непостоянной задержкой — не нулевой. Схемы на рис. 2 иллюстрируют это отличие.
Проходя через сеть между источником и точкой назначения, находясь в очередях, маршрутизируясь и коммутируясь различными сетевыми элементами, пакет прибывает в место назначения с разными скоростями на протяжении времени. Это может быть, например, вызвано временными перегрузками сети, в связи с большим количеством P2P трафика или активных действий абонентов, таких как VoIP звонки, которые имеют больший приоритет в сети и ограничивают обработку трафика из других источников. В любом случае, если мгновенная скорость передачи данных не совпадает со скоростью получения данных принимающей стороной, то пакеты нуждаются в буферизации по прибытию.
Рассмотрим типичный MPEG видеопоток (3,75 Mb/s). Декодер в точке назначения будет принимать поток 3,75 Mb/s, но данные могут приходить со скоростью выше и ниже заявленной величины. Буферы в декодере используются для сбора определенного количества пакетов, прибывающих с разными скоростями и передачи их для декодирования, с постоянной скоростью. Чем больше джиттер, тем больше буферов необходимо для его устранения. Задача больших буферов в том, что они вносят задержку для сигнала большой степени дрожания. Кроме того, буферы ограниченных размеров в совокупности с чрезмерным джиттером приходят к переполнению или не дополнению. Переполнение происходит тогда, когда пакеты приходят с такой скоростью, что происходит полное заполнение буфера, тогда происходит потеря пакетов в приемнике.
Не дополнение к этому ситуация, когда пакеты прибывают так медленно, что буферу недостаточно данных для передачи их в декодер. Обе эти ситуации нежелательны, так как они ведут к ухудшению QoE пользователя.
Пользователи могут наблюдать остановку картинки или прерывание изображения или же картинка на экране пользователей может иметь искажения в результате потерянных пакетов.
DF — это компонент MDI, который является временным значением и определяет количество секунд, которое буфер должен удерживать пакет для устранения явления джиттера. Он определяет, насколько прибывающие пакеты доходят до пользователя, через заданные интервалы времени (обычно 1 секунда) и вычисляется как:
Разница между принятыми буфером и доставленными до пользователя байтами в каждом приходящем пакете – виртуальная глубина буфера MDI (∆):
∆ = “принятые байты” – “доставленные байты”
Отношение разницы между минимальной и максимальной величиной виртуальных глубин буферов к скорости потока данных:
DF=((max(∆)- min(∆)))/(скорость потока);
В качестве примера еще раз рассмотрим видео поток MPEG. Если в течении односекундного интервала, максимальная величина виртуальной глубины буфера MDI составляет 3.775 Mb, а минимальная около 3.740 Mb, то фактор задержки (DF) будет определяться как:
DF=(3.755Mb-3.740Mb)/(3.75Mb/s)= 15kb/(3.75Mb/s)=4ms;
Следовательно, для того чтобы избежать потери пакетов при наличии такого джиттера, буфер приемника должны быть 15kb, что вводит 4 миллисекунды задержки.
DF может быть использован при доставке видео контента, как оценка качества видео с точки зрения пользователей и обозначать QoE. Он также может быть использован для определения влияния каждого сетевого элемента вдоль пути доставки видео. При сравнении DF на входе и DF выходе из устройства, можно определить задержку (footprint), которую вносит устройство. Устройства не вносящие джиттер, должны иметь наименьшее значение задержки (footprint) – они лучше подходят для построения сетей доставки видео.
Acceptable Delay Factor (Допустимый фактор задержки)
Рис.3. Рекомендованный максимально допустимый фактор задержки
Фактор задержки допустимый для множества сетевых элементов сильно варьируется, так как в них доступен широкий диапазон размеров буфера. В большинстве STBs используются RAM модули. Только часть этого RAM используется по прямому назначению, а часть в используется в качестве буфера для ликвидации джиттера входящих IP потоков, именно поэтому большинство STBs не имеет, в списке общих характеристик, указания величины размера буфера. Фактический размер буфера каждого STB может быть определен путем тестирования в конкретных условиях. Множество QoE стандартов, которые разработаны DSL форумом в части WT-126 рекомендуют, что бы джиттер элементов сетевой инфраструктуры не превышал значения 50мс, тем не менее, большинство STBs среднего и высокого уровней могут предложить значение намного ниже. Тестирования ряда STBs низкого уровня показали среднее значение величины джиттера равное 9ms.
Эти два значения немного меняются в зависимости от величин потов, но незначительно (менее чем 10%). Расхождение между двумя значениями (50 мс и 9 мс) объясняется большим разбросом в качестве доступных STBs. Точный максимально допустимый DF должен быть настроен на размер буфера STB. Необходимо установить максимальный размер джиттера, который поддерживает ваша STB, с целью предотвращения появления какие-нибудь искажений.
Media loss rate (MLR)
Media loss rate (MLR) просто определяется, как количество потерянных или пришедших не по порядку медиа пакетов в секунду. Неупорядоченность пакетов важна, потому что большинство устройств не питаются изменить их порядок перед представлением в декодер. Любые потери пакетов – представляются как не нулевой MLR – негативно повлияют на качество видео, приведут к негативным искажениям или к неравномерности воспроизведения видео. MLR является удобным параметром для определения уровня обслуживания (SLA) с точки зрения потерь пакетов. Так, в совокупности с предыдущим параметром DF, показатель MDI 4:0.001 говорит о том, что устройство имеет фактор задержки 4 мс и показатель потерь пакетов в секунду 0.001.
количества пропущенных пакетов. Так, взятые в контексте с предыдущим компонентом DF, устройство с MDI из 4:0.001 будет означать, что устройство имеет задержку в 4 раза миллисекунд и скорости СМИ потере 0,001 СМИ пакетов в секунду.
Acceptable MLR (Допустимый MLR)
Рис.4. Рекомендованный максимально допустимый MLR при переключении каналов, для всех сервисов и кодеков
Рис.5. Рекомендованный максимально допустимый средний MLR
MDI есть простым и понятным способом определения оценки влияния сети на видео, а следовательно и на QoEпользователя. Два компонента, составляющих MDI, фактор задержки и коэффициент потери пакетов, в целом определяют качество предоставления услуг IPTV.
Данные характеристики были рассмотрены с целью более детального понимания необходимости использования систем кэширования. Поскольку расстояния в пределах страны достаточно велики, а задержки сигналов передачи данных зависимы от физических свойств каналов передачи неотвратимы – система кэширования является единственным инструментом, который позволяет стабилизировать QoE в допустимых пределах.
Как выбрать систему кеширования?
Что бы подойти к выбору системы кеширования удовлетворяющей требованиям конкретной сети, необходимо понимать основные параметры и их влияние на работу сети. Конечно же, одним из важнейших параметров любой системы является производительность и система кеширования не исключение. Тем не менее, некоторые параметры нуждаются в рассмотрении для правильного понимания их истинного значения.
Определение производительности системы кеширования (Net Cache Out)
Трафик, входящий в кэш определяется как Cache In, а трафик выходящий из кеш как Cache Out. Мы не должны путать Cache Out с показателями производительности всей системы кеширования. Есть небольшие отличия в функциональности систем кеширования с точки зрения определения параметра Cache Out — out-of-band и in-line системы:
— out-of-band – в данном случае Cache Out зависит только от кешированного контента. В этм случае Cache Out можно сопоставлять со значением производительности системы кеширования.
— В in-line системах, Cache Out параметр является суммой значения кешированного контента распространяющегося из кеш и добавления потока трафика проходящего через систему от входа к выходу без кеширования. Это связано с требованием симметричности маршрутизации. Таким образом, с точки зрения in-line систем кеширования, Cache Out не может быть использован как показатель производительности системы кеширования.
Рис.6. Определение значений Cache Out
Развертывания систем кеширования больших провайдеров показывают, что производительности out-of-band систем кеширования могут достигать 100Gbps (Cache Out = 100gbps). В то время как in-line системы кеширования призванные отрабатывать 20Gbps, обычно дают не более 4Gbps Cache Out – производительности кеширования.
Максимальная эффективность (наивысший коэффициент попадания в кэш)
Важным параметром HTTP/Video производительности есть коэффициент попадания в кэш. Этот коэффициент на HCS (HTTP Cache Server) считается как общее количество видео запросов, которые успешно были доставлены кэш-сервером по отношению к общему количеству запросов пользователей. Коэффициент попадания в кэш может составлять 80% для YouTube трафика или даже 100% для MS обновлений. Очевидно, что высокий коэффициент попадания в кэш определяет высокую эффективность кэширования.
На рисунках представлен возможный вид графиков для YouTube и MS update контента.
Рис.7. Коэффициент попадания в кэш — YouTube
Рис.8. Коэффициент попадания в кэш — MS update
Стоит отметить, что in-line решения кэширования, разворачиваемые в больших сетях, требуют множества систем кэширования и не поддерживают глобального анализа трафика. Ко всему, множество систем кэширования – без централизованного управления – дублируют одинаковых контент много раз. Как результат, in-line решения кэширования дают намного меньшую производительность и есть намного менее эффективными, чем решения out-of-band.