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P2P を用いた動画配信サービスの提案
FIT2011（第 10 回情報科学技術フォーラム） M-037 P2P を用いた動画配信サービスの提案 A Proposal of Video Delivery System Based on P2P Network 柏木 貴紀† Tak anori Kashiwagi 澤本 潤† 杉野 栄二† 瀬川 典久† Jun Sawamoto Eiji Sugino Norihisa Segawa １． はじめに 近 年 , Y ou Tu b e な ど の 動 画 配 信 サ ー ビ ス の 普 及 に よ り,個人単位で動画を用いて情報を発信することが容 易となった．今後も情報発信するための媒体として 動画を用いる動きが活発化すると予想される．また， 個人利用の通信回線速度や端末性能も向上し，情報 を発信するための媒体として動画を用いる動きが今 後 も 活 発 化 す る と 予 想 さ れ る ． 米 Cisco の 独 自 予 測 ・ 調 査 [ 1] に お い て も ， イ ン タ ー ネ ッ ト に お け る 動 画 の 利 用 量 は 20 14 年 ま で に 世 界 の IP ト ラ フ ィ ッ ク の 57%を占めるようになると予想されている． これに伴って，サービス提供側ではサーバへの負 荷や増設に伴うシステムの大型化やネットワークト ラフィックの増加の問題が，ユーザー側ではアクセ ス障害といった問題がますます深刻になってくると 考えられる． そういった中，これらの問題を補うための技術と し て ， デ ー タ 共 有 の 面 に 優 れ る Peer to Peer( 以 下 P 2P ) が 注 目 さ れ て い る ． 中 で も ， そ の 一 種 で あ る H yb r i d P 2 P を 用 い た B i t Tor r e n t [ 2] が デ ー タ 共 有 の 面 だけでなく，コンテンツの検索・管理の面からも動 画配信に適していると考えられる．しかし既存のコ ンテンツのダウンロード方法のままでは，再生の遅 延や途切れが発生する可能性が高く，動画配信に適 さない．そこで，動画配信を想定したダウンロード 手 法 と し て B i To S が 提 案 さ れ た が ， 依 然 再 生 の 遅 延 や途切れが発生する場合があり，それらの時間や回 数の短縮・減少が求められている． こ れ ら の 点 を 踏 ま え 本 研 究 で は ， B i t To r r e n t を 用 い た 安 定 し た P 2P 型 動 画 配 信 サ ー ビ ス の 提 案 お よ び ， B i To S 手 法 の 問 題 点 を 考 慮 し た 新 規 手 法 の 提 案 ・ 実 装を行うことを目的とする． 一 般 的 な P 2P ソ フ ト ウ ェ ア で フ ァ イ ル を ダ ウ ン ロ ードする場合，目的のファイルを持っているピアを ネットワーク上から検索し，そのピアの中から１台 だけを選びファイル全体をダウンロードする．一方 で B i t To r r e n t は ， フ ァ イ ル を ネ ッ ト ワ ー ク 上 に ア ッ プロードする時点で，そのファイルは一定の小さい サイズごとに分割される．この分割された断片ファ イルをピースと呼称する．ネットワーク上のそれぞ れのピアは互いの所持していないピースをダウンロ ードすると同時に，相手の所持していないピースを アップロードして互いに補完しあい，ファイルを完 成させる．この方法によって，すべてのピアがダウ ンロードだけでなくアップロードにも参加するため， 他 の P 2P ソ フ ト ウ ェ ア よ り も 各 ピ ア へ の ア ク セ ス 負 荷は軽減される． ピースを集める際，ネットワークに参加したての 場合やピアの数が少ない場合には，ランダムでネッ トワーク内のピースをダウンロードし，そうでない 場合はネットワーク内のピースの種類を均一にして ダウンロードしやすくするため，ネットワーク内で 希少なピースを優先的にダウンロードして自ピアが アップロードする(Rarest First 手法)など，状況に応 じて手法を変えながら収集する．これらの手法は全 て最終的にファイルを効率よく完成させることが目 的であるため，ピースをダウンロードする順番には 重点は置かれていない． しかし，動画配信においては，連続して再生を行 うために，ファイルの先頭ピースから順に集める必 要があるため，既存のピース選択手法では動画配信 には適さないという問題がある． ピア サーバ 2 ．関連研究 Web上の情報を元にサーバへアクセスし ネットワークへ参加 各ピアのインデックス情報 を管理 2.1. BitTorrent こ こ で ， 本 研 究 の 基 と な る B i t To r r e n t に つ い て 説 明 す る ． B i t To r r e n t と は ， H yb r i d P 2P 型 コ ン テ ン ツ 伝送用プロトコル，及びそれを用いたソフトウェア の名称である[図 1]．通信自体はピア(クライアント) 同士が直接接続することで行い，各ピアのインデッ クス情報はサーバが管理するため，ピアのスムーズ な検索及びネットワーク上コンテンツの配信管理も 容 易 と な る と い う H yb r i d P 2P の 特 徴 に 加 え ， 独 自 の コンテンツの分散・ダウンロード方法を持つ． †岩手県立大学大学院ソフトウェア情報学研究科 357 ( 第 4 分冊 ) サーバが管理するピアのみで 構成されたネットワーク 図 1 . B i t To r r e n t ネ ッ ト ワ ー ク イ メ ー ジ 図 Copyright © 2011 by Information Processing Society of Japan and The Instiute of Electronics, Information and Communication Engineers All rights reserved. FIT2011（第 10 回情報科学技術フォーラム） 2.2. BiToS A . V l a v i a n o s ら の 研 究 [ 3] で 提 案 さ れ た B i To S ( E n h a n c i n g B i t t o r r e n t f o r S u p p o r t i n g Streaming Applications) は ， 動 画 配 信 を 想 定 し B i t To r r e n t の ピ ー ス 選 択 手 法 を 改 良 し た も の で あ る [図 2]．動画の現在の再生位置に応じ てデッドラ イン位置を設定し，その位置に近いピース数個を最 優先グループとして一定の確率で最優先グループ内 のピースを優先的にダウンロードするようにするこ とで，スムーズな動画再生を可能とした． しかし，優先グループ内のピースを集める際は通 常の選択手法のままであるため，必ずしも再生位置 に一番近いピースがダウンロードされるとは限らず， 依然再生の遅延や途切れが発生する可能性がある． 一番再生位置に近いピアが初めに選択されるとは限 らないといった問題点を解消し，より再生遅延や途 切れが発生する頻度を減らすことが可能となると考 えられる． コンテンツの全ピース デッドライン 1 2 3 4 5 6 7 8 優先グループ 9 10 11 12 13 14 15 16 低優先グループ 優先グループ内の最も デッドラインに近いピースを選択 ダウンロード済 ピース 未ダウンロード ピース 5のピースを 所持 5のピースを 所持 通信速度が速い方のピアを 選択してピースを交換 図 2． B i To S 手 法 イ メ ー ジ 図 通信速度が速いピア 3 ．提案手法 通信速度が遅いピア 図 3. 提案するピア・ピース選択手法のイメージ図 本 研 究 で は ， B i t To r r e n t を 基 に し て 信 頼 度 の 高 い動画配信の実現を目的とするため，既存研究より 動画配信に適 したピア・ピース選択手法 [図 3]の提 案を行う． 提 案 す る ピ ア ・ ピ ー ス の 選 択 手 法 は ， B i To S 手 法 に改良を加える事で実現する．再生位置に応じてデ ッドラインを設定し，その位置に近いピース数個を 優先グループに，その他のピースを非優先グループ に設定し，ある一定の確率で優先グループからピー ス を ダ ウ ン ロ ー ド す る 所 ま で は B i To S 手 法 と 同 様 である．その後，非優先グループが選ばれた際は， Rarest First 手 法 に 基 づ い て ピ ー ス を ダ ウ ン ロ ー ドするが，優先グループ中のピースを選択した場合 ， さらにその中で最もデッドラインに近いピースを選 択し最優先でダウンロードするようにする．また， 選択されたピースを持つピアの中でも一 番通信速度 の速いピアを選択し，通信を行うように改良する． ピアの通信速度は，各ピアがそのネットワーク内で アップロードしたピースの総量と比例するため，ピ ア毎のこの値を比較し，通信速度の早いピアを求め る． こ の 手 法 に よ り ， B i To S に お け る ， グ ル ー プ 内 で 4 ． システム設計・実装 本システムは，クライアントソフトをインストー ルしたピアと，各ピアの情報を管理するためのサー バソフトをインストールしたサーバとで構成される [ 図 4 ]． ユーザーはコンテンツを閲覧したい場合，自ピア のインデックス情報をサーバに提供することでその コンテンツが配布されているネットワークへ参加す る．その後サーバから他ピアのインデックス情報を 取得し，その情報を基に各ピアとピースを交換し， 逐次再生を行う． クライアントソフトは，コンテンツの検索機能， 自・他ピアのインデックス情報送受信機能，コンテ ンツのアップロード・ダウンロード機能，コンテン ツの再生機能を有する． コンテンツの検索機能では，ユーザーが閲覧した い コ ン テ ン ツ を 検 索 す る ． 通 常 ， Bi t To r r e n t の ネ ッ ト ワ ー ク に 参 加 す る 場 合 は ， We b 上 で そ の コ ン テ ン ツ を 管 理 す る サ ー バ の IP ア ド レ ス を 入 手 す る 必 358 ( 第 4 分冊 ) Copyright © 2011 by Information Processing Society of Japan and The Instiute of Electronics, Information and Communication Engineers All rights reserved. FIT2011（第 10 回情報科学技術フォーラム） 要があるが，本システムではクライアントソフトで 見たいコンテンツの検索を行うと同時にサーバのア ドレスも取得し，すぐにネットワークへ参加できる ようにする． 自ピアのインデックス情報送信機能は，一定時間 ごとに自ピアの IP，アップロードレートなどの情報 をサーバに送信するものである． 他ピアのインデックス情報受信機能では，一定時 間ごとに現時点でネットワークに参加している他ピ アのインデックス情報を取得する． コンテンツのアップロード・ダウンロード機能 は， サーバから取得したインデックス情報をもとに，ネ ットワーク内の他ピアと通信を行い，ピースをアッ プロード．ダウンロードする． サーバソフトは，コンテンツ情報の管理機能，ネ ットワーク内ピアのインデックス情報管理機能を有 する予定である． コンテンツの管理機能は，自身が管理するネット ワーク内においてやりとりされているコンテンツの 情報を管理し，ピアからの要求に応じてその一覧の 送信を行う． ネットワーク内ピアのインデックス情報管理機能 は，一定時間ごとにネットワーク内のピアの情報を 取得し，各ピアに伝搬する機能である． 本研究では，クライアントソフトのプロトタイプ として，インターフェース部，ピース出力部及び要 求 ピ ー ス 決 定 部 ， コ ン テ ン ツ 再 生 部 を ， B i t To r r e n t A P I に 追 加 す る 形 で 実 装 を 行 っ た [図 5 ]． ユーザーへ インターフェース部 トレントファイル 作成部 トレントファイル 解析部 ピース出力部 動画再生部 所持ピースチェック部 ファイル出力部 サーバへ 接続 トラッカー通信部 自ピア情報管理部 ネットワーク情報 更新・取得部 要求ピース決定部 他ピア情報 管理部 ピア 選択部 BiToS手法 提案手法 他ピアへ 接続 BT手法 ピース送受信部 要求 他ピア通信部 図 5 .ク ラ イ ア ン ト ソ フ ト ウ ェ ア 構 成 図 5 ．実験・評価 本 研 究 で 提 案 手 法 と B i t Tor r e n t に お け る 通 常 の ピ ー ス 選 択 手 法 及 び B i To S 手 法 で ， そ れ ぞ れ 動 画 の 再 生開始までにかかった時間と，再生が途切れていた 時間を計測し，比較を行った． 1 台の PC 上で仮想環境を構築し，あらかじめす べてのピースを持ったピアを仮想ネットワーク上に 1 台用意して，一定時間ごとにピアを次々とネット ワークに参加させていき，それぞれのピアにおける 動画の再生開始までにかかった時間と，再生が途切 れていた時間の合計を計測した．なお，動画の再生 は，ファイルの先頭ピースがダウンロード終了した 時点で開始されるものとした．通信速度はピア毎に プログラムで変化させ，速度はピアのネットワーク 参加時から離脱まで一定とした． 各手法における再生開始時間を比較したグラフを 図 6 に示す． 120 100 80 BT手法 60 BiToS手法 40 提案手法 20 ネットワーク参加から 再生開始までに かかった時間(秒) 0 2 3 4 5 ピアの数 図 6. 再生開始時間の比較グラフ 図 4 .提 案 シ ス テ ム 構 成 図 ネットワーク参加から動画の再生開始までにかか った時間は，提案手法が最も速かった．ファイルの 先頭ピースを選択する時点から，適切な ピア・ピー スが選択されていたと考えられる． BT 手 法 に お い て は ， 時間に ば ら つ き が 見 ら れ る が，これはネットワークに参加してすぐのタイミン グではランダムにピースを選択するため，ファイル の先頭ピースが選択されるまでの時間が一定では無 359 ( 第 4 分冊 ) Copyright © 2011 by Information Processing Society of Japan and The Instiute of Electronics, Information and Communication Engineers All rights reserved. FIT2011（第 10 回情報科学技術フォーラム） いためであると考えられる． ま た ， B i To S 手 法 で は ， 一 部 で 開 始 時 間 が 提 案 手法を上回る速度となったが，これは優先グループ 内の中からピースが選択される際に，適切なピア・ ピースが選択された場合であると考えられる． 次に，各手法における平均再生途切れ時間を比較 したグラフを図 7 に示す． 参考文献 [ 1 ] C i sc o S ys t em s I nc :C is co ® V is ua l N e tw o rk in g I nd e x (V NI ) F or e ca st 20 09 2 0 14 , 20 10 - 06 - 0 2 ， h t tp : // ww w .c is c o. co m/ en / US / so lu t io ns / co 140 l l at e ra l/ n s3 41 / ns 52 5/ ns 5 37 / ns 70 5 /n s8 2 7/ 120 w h it e _p ap e r_ c1 1 - 100 4 8 13 6 0_ ns 8 27 _N e tw or ki ng _ So l ut io n s_ Wh i te 80 BT手法 60 BiToS手法 提案手法 40 _ P ap e r. ht m l , [ 2 ] B i tT o rr en t .I nc . : B it to rr e nt , h t tp : // ww w .b it t or re nt .c o .j p / 20 平均途切れ時間(秒) 0 [ 3 ] A g ge l os V l av ia n os , Ma ri o s I li of o to u a nd 2 3 4 5 ピアの数 M i ch a li s F al ou t so s : B iT o S: E nh an c in g B i tt o rr en t f or Su pp or ti n g S tr ea m in g 図 7. 平均再生途切れ時間の比較グラフ 提 案 手 法 は ， BT 手 法 と は大 き な 差 が 見 ら れ た も の の ， B i To S 手 法 と は 大 き な 差 が 見 ら れ な か っ た ． また，ピアが増えるにつれてピースを持つピアも多 くなるため，本来なら待ち時間が短くなるはずだが あまり変化が見られなかった． これらは，ネットワーク上のピア数が少なすぎる ために，一部のピアに要求が集中してしまったため と考えられる． A p pl i ca ti o ns , P r oc .C on f. 2 5t h I EE E C o mp u t e r a nd C o mm un ic at i on s S oc i et ie s ( I NF O CO M ’0 6 ), p p .1 – 6, A p r. 2 0 06 . 6 ．まとめ 本研究では，P2P を用いた動画配信サービスを提 案した．また，P2P を動画配信に用いる際の問題点 について触れ，それらを考慮した新規手法を提案・ 実装し，既存手法との比較を行った． 提案手法は，既存手法と比較してネットワーク参 加から動画の再生までにかかる時間の短縮は確認で きたが，平均再生途切れ時間においては，既存手法 との大きな変化は確認できなかった． これらは，通信速度の速いピアの選択は出来てい たが，それらのピアの数がネットワーク上に十分で はなく，アクセス集中を起こしてしまった結果，再 生途切れ時間・短縮には繋がらなかったと考えられ る． 今後の課題として，ネットワーク上にある通信速 度の早いピアや，貴重なピースを持ったピアの 数に 応じて適切にピースを要求し，一部のピアにのみダ ウンロードの要求が集中しないようにするなど，手 法の改善が挙げられる． 360 ( 第 4 分冊 ) Copyright © 2011 by Information Processing Society of Japan and The Instiute of Electronics, Information and Communication Engineers All rights reserved.