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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. 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. なめらか 荒い. こま送り きれい. CPU 量は?. CPU は? I/O は?. ユーザとシステム. 大きな隔たりがある. 帯域は? - PowerPoint PPT Presentation
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MultimediaInformationSystem Lab.
NetworkArchitectureRes. Group
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
20 September 2001 若宮直紀 2
MultimediaInformationSystem Lab.
NetworkArchitectureRes. Group
QoSアーキテクチャ
• 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 3
MultimediaInformationSystem Lab.
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ユーザとシステム
大きな隔たりがある
なめらか
荒い
帯域は ?パケット棄却率は?
転送遅延は?CPU 量は ?CPU は?I/O は?
こま送り
きれい
TV電話システム
20 September 2001 若宮直紀 4
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さまざまなQoSパラメータ:ユーザQoS
• 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 5
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さまざまなQoSパラメータ:ネットワークQoS
• 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 6
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さまざまなQoSパラメータ:エンドシステムQoS
• 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 7
MultimediaInformationSystem Lab.
NetworkArchitectureRes. Group
EndS
ys Level
App. L
evel
Netw
ork Level
QoSマッピング
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel Layer
User Level
20 September 2001 若宮直紀 8
MultimediaInformationSystem Lab.
NetworkArchitectureRes. Group
EndS
ys Level
Netw
ork Level Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel Layer
アプリケーションレベルの役割
• 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
App. L
evel
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
User Level
20 September 2001 若宮直紀 9
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ユーザQoSとアプリケーションQoS
ユーザQoS アプリケーションQoS
データ
データを速く正確に
ダウンロードできる
品質時間
応答時間,転送時間など
WWWホームページがすぐに見られる
時間起動時間,応答時間,
表示速度など
マルチメディ
ア
音声,動画像がきれい
品質標本化レート,
符号化手法,解像度,フレームレートなど
マッピングの例
20 September 2001 若宮直紀 10
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ユーザQoSの数値化
• 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 11
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ユーザQoSを考慮したアプリケーションQoS保証,制御技
術• 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 12
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EndS
ys Level
Netw
ork Level
QoSマッピング
User Level
Media Control Layer
User Interface Layer
Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel Layer
App. L
evel
Data Control Layer
20 September 2001 若宮直紀 13
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エンドシステムレベルの役割
• エンドシステム資源の管理• アプリケーション間の調整
EndS
ys Level
Netw
ork Level Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel LayerA
pp. Level
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
User Level
20 September 2001 若宮直紀 14
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アプリケーションQoSとエンドシステムQoS
アプリケーションQoS エンドシステムQoS
データ応答時間,
転送時間などバス速度,
I/O 処理能力など
WWW起動時間,応答時間,
表示時間など
CPU処理能力,バス速度,
I/O 処理能力など
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
CPU処理能力,バス速度, I/O 処理能力,
周期性など
マッピングの例
20 September 2001 若宮直紀 15
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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
• 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 16
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EndS
ys Level
Netw
ork Level
QoSマッピング
User Level
Media Control Layer
User Interface Layer
Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel Layer
App. L
evel
Data Control Layer
20 September 2001 若宮直紀 17
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ネットワークレベルの役割
• 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
EndS
ys Level
Netw
ork Level Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel LayerA
pp. Level
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
User Level
20 September 2001 若宮直紀 18
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ユーザQoSとアプリケーションQoS
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
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
帯域,転送遅延,遅延揺らぎなど
20 September 2001 若宮直紀 19
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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
• 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 20
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EndS
ys Level
App. L
evel
Netw
ork Level
QoSマッピング
User Level
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel Layer
20 September 2001 若宮直紀 21
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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
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(リアルタイムOS)
ユーザ
Application Level
End System Level
User 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)
動画像品質(MOS値)
SNR解像度,時間解像度,空間解像度,GoP構成
20 September 2001 若宮直紀 22
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アプリケーションQoSとネットワークQoS
• 符号化パラメータと帯域の関係
0
5
10
15
20
5 10 15 20 25 30 35 40
Pea
k R
ate
(Mbp
s)
Quantization scale
640x480
SceneryStarwars
MusicComedy
320x240
160x120
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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)
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Rat
e(Q
)/R
ate(
10)
Quantization scale
SceneryStarwars
MusicComedy
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Rat
e(Q
)/R
ate(
10)
Quantization scale
640x480320x240160x120
base
R
BF
QQB
301.3
2480640
log4
• 定式化によりQoS制御のアルゴリズム化が可能
0
5
10
15
20
5 10 15 20 25 30 35 40
Rat
e (M
bps)
Quantization scale Q
640x480
320x240
160x120
BW(R,Q,F)Scenery
20 September 2001 若宮直紀 24
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アプリケーションQoSとエンドシステムQoSのマッピング
• サーバCPU処理能力
• クライアントCPU処理能力30480640
FRSS G
3048064087040
FR
N
N
N
NBC BP
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
Req
uire
d B
andw
idth
(M
bps)
Required CPU resource (1.0e+10 cycle/sec)
I IPIBIPPPPP
IBPBPB
IBBPBB
IBBBBB
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Req
uire
d B
andw
idth
(M
bps)
Required CPU resource (1.0e+9 cycle/sec)
IIPIB
IPPPPPIBPBPBIBBPBBIBBBBB
20 September 2001 若宮直紀 25
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ユーザQoSとアプリケーションQoSの
マッピング• 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)
Quantization scale
0
1
2
3
4
5
5 10 15 20 25 30 35 40
MO
S
30fps10fps
640x480
320x240
160x120
20 September 2001 若宮直紀 26
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QoSマッピングを利用したQoS制御
• 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
Pea
k ra
te (
Mbp
s)
0
1
2
3
4
5
5 10 15 20 25 30 35 40
MO
S
Quantization scale
640x480
320x240
30fps10fps
0
5
10
15
20
5 10 15 20 25 30 35 40Quantization scale
640x480320x240
20 September 2001 若宮直紀 27
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QoSマッピングを利用した統合化資源割当制御
• 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)ネットワーク(帯域予約)
クライアント(リアルタイムOS)
ユーザ
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ヘテロジニアス動画像マルチキャストへの適用例
• 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
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ヘテロジニアス動画像マルチキャスト
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
iiUU
i
ii P
BU iii mqB
222 Ci
Si
Bii PPPP
freei
ii
Bi B
BnP
freei
iSi S
SP
jfreeij
i
i
Ci C
C
mP
1
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 30
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数値例
• 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 31
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さまざまなQoSマッピング
• レイヤ間のQoSマッピングIntserv/ATM,Diffse
rv/ATM• システム間のQoSマッピング
Intserv-Diffserv
EndS
ys Level
Netw
ork Level Lower Layer
Network Layer
Transport Layer
Storage
Processor
Bus
Kernel LayerA
pp. Level
Data Control Layer
Media Control Layer
User Interface Layer
User Level
20 September 2001 若宮直紀 32
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まとめ
• 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