放送型映像配信とマルチキャスト

Oct. 2006
河野 美也
Miya Kohno (mkohno@cisco.com)
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

1Agenda 放送型映像配信に求められる信頼性、品質要件
 技術概要 今後の方向性とビジネスモデルの可能性
 MPLSの果たしうる役割

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential2

Problem Definition :「途切れちゃいけません」
 http://it.nikkei.co.jp/mobile/news/index.aspx?n=MMITfa001019072006

 インターネットでテレビ番組などを送信する「ＩＰマルチキャスト」
技術については、「ネットワークの障害が起きたとき、途切れのないようにすることが最大の課題」と指摘。

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential3

「途切れない」を定義する ?! (1/5)
 y.1541によるIPパケット転送品質の目標値• VTC (Video TeleConferencing) … class 0 or 1
• Video Streaming … class 4• Video Broadcasting … ?!
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential• convergence time … ?!

4

「途切れない」を定義する ?! (2/5)● Video Codec概要
Video Sequence

ISO/IEC-11172 (MPEG-1 ~1988-1996)
ISO/IEC-13818 (MPEG-2 ~1993-2000)
ISO/IEC-14496 (MPEG-4 ~2001-2005)

Group of Pictures…

Next Gen “Advanced Video Codecs”:

…

H.264

Picturevs.

Macroblock
16x16 pixels

VC-1Block
Discrete
CosineTransform

8Pixels(Future: MPEG-4 SVC?)

IB

B

PBBPB

B

8PixelsI43.8-40 0

One Group of Pictures

I Frames - Intra-coded only - Reference frame for future prediction.
P Frames - Forward prediction from either previous I or P frames.
B Frames - Bi-directional interpolated prediction from two sources.
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential-4.10-1.10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

DCT Co-efficients
Zig-Zag extraction
5

「途切れない」を定義する ?! (3/5)● MPEG TS (Transport Stream) Packet フォーマット
PacketHeader
4 bytes

8 bits111Syncbyte
0x47

Transporterror
Indicator

Payloadunit start
Indicator

Transport
Priority132

24 bits

PID

Transport
Scrambling
Control

Adaptation
Field Control

Continuity
Counter

188 bytes. . . eam packet
1 bit

8 bits

MPEG-2 Transport Stream packet

1 bit

1 bit

42 + 6 res

42 + 6 res

PCR

OPCR...

5Random Elementary
Adaptation
DiscontinuityFlags
Streamaccessfield
Indicator
Priority
Indicator
lengthAdaptation
Fields

MPEG-2 Tra

8 bits

Optional
Adaptation
FieldsStuffing
bytes
0xFF

Packet Payload(PES or PSI data)
Start code 0x000001yy

variable

SpliceTS private
countdown

data

Adaptation
field ext.

PES: Packetized Elementary Stream, PSI: Program Specific Information
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

6

「途切れない」を定義する ?! (4/5)
 Streamは圧縮されており、各パケットは複数のフレームを含む。
→ 1パケットでも落ちると画像の乱れの原因になる。
→ 2時間の間に一度しかパケットロスを起こさないためには、パケット損失率を10-6のレヴェルに抑える必要がある。
MPEG2(3.75Mbps)の場合(7 x 188 x 8) / (3,750,000 x 3600 x 2) = < 0.390 x 10-6
MPEG-4 AVC (6Mbps)の場合(7 x 188 x 8) / (6,000,000 x 3600 x 2) = < 0.244 x 10-6
MPEG TS パケットサイズ： 188 bytes
IP MTU ： 1,500 bytes

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

7

「途切れない」を定義する ?! (5/5)
 パケット損失率 <= 10-6 を実現するために– BER (Bit Error Ratio) <= 10-10
Optical Fiber <= 10-14ADSL <= 10-7– 輻輳によるパケットロスを防ぐ– 障害によるパケットロスを防ぐ

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

8Agenda 放送型映像配信に求められる信頼性、品質要件
 技術概要 今後の方向性とビジネスモデルの可能性
 MPLSの果たしうる役割

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

9

技術概要
 輻輳によるパケットロスを防ぐ
 障害によるパケットロスを最小化する
 障害を隠蔽する※
本書に記載されている機能は、2006年10月現在、既に実装済みのものとは限りません。今後の予定も含み、また予定は変更されることがあります。
恐れ入りますが、ご使用をご検討戴く場合は、個別にご確認下さい。

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential10輻輳によるパケットロスを防ぐ
 QoSの適用
 Traffic Engineering– p2mp TE– unicastとmulticastを分けるPresentation_ID•

static rpf•vlan + multi instance IGP•

MTR (Multi Topology Routing)•SDR (Service Domain Router, aka Logical Router)© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

11Static RPF
Static Join, Static RPF setting
SourceAccess/Aggregation

Core/Distribution
Unicast Topology
CRSource

CRCR

LHR

Receiver

Layer 2
SwitchStatic join
StaticLayer
rpf2

CR

LHR

SwitchCR
Staticjoin

LHR

Layer 2
Switch

LHR

Layer 2
SwitchCR

Static rpf
Static join
Static rpf

CR

RPF vector (draft-iegf-pim-rpf-vector)への拡張により、ある程度自動化の余地あり。
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

12

MTR : Multi Topology Routing
UnicastとMulticastでTopologyを分ける
SourceAccess/Aggregation

Core/Distribution
Unicast Topology
Multicast Topology

SourceCR110101CR

LHR

Layer 2
SwitchCR

LHR

Layer 2
SwitchCR

LHR

Layer 2
Switch

LHR

Layer 2
SwitchReceiver

110CR

CR

101110101CR

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

13

障害によるパケットロスを最小化する
 Fast Convergence, Protection– multicast fast convergence• IGP FC + α
α= rpf switch (triggered), join/prune overhead• ターゲット： subsecond– p2mp TE FRR• ターゲット： 50msec• 但し、まずはlink protectionのみ

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

14

障害によるパケットロスを最小化する
 但し：– p2mp TEを導入したとしても、全区間に渡ってTEを展開 しないかもしれないので、その場合は両者の組み合わせになる。
– p2mp TEの場合、node障害時が懸念点。
– また、たとえ50msecを達成できたとしても、「要件」を満たすことができない。

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

15

障害を隠蔽する
 FEC
 RTP retransmission
 Stream Redundancy+ Path Diversity+ Timing Diversity

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

16

FEC
 Forward Error Correction– RandomなBit errorを修復する。
10-6の品質を、 実質的に10-10程度にまで向上することが可能。

バースト的な(>300msec)エラーには不向き。

– Protection Packetを、data streamに挿入する。
大体12-20%のオーヴァヘッド増。
受信側での計算負荷も大きい。

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

17

RTP retransmission– FECに比べると、帯域オーヴァヘッドが少ない。
– Random Errorのみならず、バースト的エラ－にも強い。
– 但し、delayが大きいと使えない。(RTT < 40msec程度?!)
End-to-endでは難しい。
→ Access網のみで使用する？
→ その場合、Multicast Source自体をエッジに持って行くかMulticast Sourceはそのまま、RTPのみ終端するかいくつかのI-D提案あり。(IETF AVT WG)
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

18

Stream Redundancy
2. Timing Diversityによる

1. Path DiversityによるStream Redundancy

Stream Redundancy

Encoders

Encoders

StreamEgressEgress∆T

RTP/SSM SSRC#!

RTP/SSM SSRC#!

RTP/SSM

RTP/SSM

EgressStreamStreamStreamStreamStreamIngress

Ingress

Egress※ 両方式とも、帯域は2倍必要になる。
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

19

Stream Redundancy
 Path DiversityによるStream Redundancy
Path Diversityを実現する方式• Source Addressを分けて– Multicast ECMP
– Static join, Static RPF– MTR• p2mp TE•…

Dual Streamを終端するノード：• STB ?
• 外付けサーヴァ?
• Last Hop Router ?
• p2mp TE tailend ?

検出のCriteria ：• RTP header等上位ヘッダ?
• Multicast CV ? (p2mp TEの場合) e.g. draft-swallow-mpls-mcast-cv
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

20

Redundant Streams + Path diversity● Sourceを分ける
SourceAccess/Aggregation

Core/Distribution
Redundant disjoint mcast tree (*)

CRLHRLayer 2
SwitchCR

LHR

Layer 2SwitchCRLHR

Layer 2
Switch

LHR

Layer 2
SwitchReceiver

S1, G
Source

CRCR

CR

S2, G
CR

Source NAT(*) by multicast ECMP source hash, static-RPF, MTR…
Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

21

Redundant Streams + Path diversity● P2MP TE
SourceCore/Distribution
P2MP Tunnel

SourceAccess/Aggregation

CR

CR

LHR

Layer 2Switch

CR

LHR

Layer 2
SwitchCR

LHR

Layer 2
Switch

LHR

Layer 2
SwitchReceiver

CRCRCR

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

22

Redundant Streams + Timing diversity

Source Block Size = L = 6Transmission Window Delay = D * L
T = 0 toT = 5DT = 6D to
T = 11DT = 12D to
T = 17D

Presentation_ID

012345012345678910

116789101112131415

1617© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

 Source Blockが、あるTime
Windowで2回繰り返される。
 Outage時間がTime Windown内に収まっている必要がある。

23

障害を隠蔽する
 FEC
 RTP retransmission
 Stream Redundancy+ Path Diversity+ Timing Diversity
それぞれ長短があるので使い分けも考慮する。
もう少し方式自体を成熟させる必要がある。

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

24Agenda 放送型映像配信に求められる信頼性、品質要件
 技術概要 今後の方向性とビジネスモデルの可能性
 MPLSの果たしうる役割

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

25２つの方向性Open Internet的Carrier NGN的- Defacto standard- OTT (over the top)
- Overlay- Dumb pipe + Intelligent Edge

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential- Dejur standard- 品質保証- SIP (+non-SIP)- 垂直統合、もしくは、IF (UNI, NNI,ANI, SNI) をきっちり規定。

26

Carrier NGN的IPTV Framework ArchitectureManagement Functions• AAA; DRM;SLA; Etc.

Control/Signaling Functions
HomeNetwork
• HGW
• STB
• PC• TV
• Etc.

VideoResource Control Functions
ContentMiddleware domainFunctions
ServiceAccess IP
EdgeCore IPTransportTransport• QoS• Wireline• IP/MPLS/Optical• PS• cable• Etc.
• Mobility• Eth/Opt

NNI

UNI

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

27

Open Internet的P2P, overlay- Skype- Youtube/google, Gyao
- Web2.0
http://www.oreillynet.com/pub/a/oreilly/tim/news/2005/09/30/what-is-web-20.html?page=1#mememap

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential28２つの方向性Open Internet的Carrier NGN的- Defacto standard- OTT (over the top)
- Overlay- Dumb pipe + Intelligent Edge

SP Shareof Value
Chain

Presentation_ID

Broadband Internet
Subscription Tiers© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

- Dejur standard- 品質保証- SIP (+non-SIP)- 垂直統合、もしくは、IF (UNI, NNI,ANI, SNI) をきっちり規定。

Triple/Quad-Play
Bundles

Cisco Confidential29

共存のためのアプローチ例
BT Total Broadband
http://www.bt.com/broadband/bb_info.jsp?s_cid=FURL-broadband

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential30

共存のためのアプローチ例
BT Total Broadband

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

31

Example: Internet OTT Video vs IPTV
BT’s environment
Open Internet的Carrier NGN的X
SP Shareof Value
Chain

2GB
Presentation_ID

No Quota concept

6GB

40GB

BT has also integrated its online payment
tool iTunes Store. This means users areable to make payments via their BT Bill.

Quota Counting© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential32

Agenda 放送型映像配信に求められる信頼性、品質要件
 技術概要 今後の方向性とビジネスモデルの可能性
 MPLSの果たしうる役割

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

33

MPLSの果たしうる役割
 明示的パス指定
 Path Diversityの実現
 Transport Orientedな高信頼性の実現

Presentation_ID© 2006 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.

Cisco Confidential

34