Савлук Б.А., Щерба А.О.

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Розповсюдження контенту в мережі інтернет за допомогою технологій P2P

З розвитком всесвітньої мережі Інтернет виникає все більше задач захисту електронної інформації, які теж значною мірою можна вирішити за допомогою криптографії.

Розповсюдження інформації переходить на новий етап розвитку, на зміну теле та радіо трансляціям приходить широке розповсюдження та використання інтернету для доставки контенту, причому в якості приймачів виступають в основному персональні комп’ютери та різні мобільні пристрої. Поява нових способів доставки тягне за собою багато технічних, комерційних та правових проблем і також міняє способи формування самого контенту. В даній роботі розглядаються можливості і проблеми передачі контенту в мережі інтернет.

На сьогоднішній день для організації надійної трансляції контенту використовуються спеціальні мережі розповсюдження контенту(CDN - Content Distribution Networks), працюючі по схемі клієнт-сервер. Послуги таких мереж зазвичай дуже дорогі для масового використання, так як оплачується потік даних до кожного клієнта. Дешевшою альтернативою традиційним CDN виступають мережі на базі P2P технології(P2P - Peer To Peer), які дозволяють використовувати ресурси клієнтів для підтримки трансляції.

Мотиви використання P2P технологій

На сьогоднішній день більшість провайдерів послуги IPTV. Також сервіси потокової передачі файлів, відео та музики набули поширення і практикуються на комерційній основі(YouTube, Vimeo^ GrooveShark, та інші). Доставка медіа потоку в індивідуальному режимі(unicast) може обслуговувати значно меншу аудиторію, як традиційні трансляції, даючи навить нижчу якість. Крім того, вартість передачі медіа потоку значно вище як вартість трансляції з розрахунку на абонента.

Мережі доставки контенту CDN розповсюдженні досить широко, проте не дуже влаштовують потреби організації масових трансляцій, із-за собівартості та малої маштабуємості(наприклад, обмежена кількість клієнтів). Крім того затримка для буферезації в таких мережах досить значна. Бізнес моделі таких мереж також не дуже привабливі для потокових трансляцій - вартість використання мережі збільшується пропорційно числу користувачів, тобто набуваючи популярність такі трансляції натикаються на фінансові обмеження.

В порівнянні з клієнт-серверними системами доставки контенту P2P мережі в плані загрузки і навіть в більшій мірі - трансляції, потенційно мають значно більшу маштабованість і стабільність надання послуг із-за відсутності критичних обмежень. Основна вартість P2P мережі заключається в вартості клієнтського обладнання. Крім того P2P мережі організовуються на основі уже існуючих мереж, і відповідно не потребує додаткових затрат на створення інфраструктури. На рахунок на затрат на трансляцію для контент-провайдера, то вони зовсім незначні. Тобто з точки зору економії, P2P мережі можуть використовуватись для розповсюдження будь-якого контенту в тому числі користувацького. Проте хоч P2P мережі і найдешевші з точки зору контент-провайдера, загрузка мереж інтернет провайдерів зростає і мережі потребують модернізації.

Необхідність локалізації трафіку

Традиційна модель трансляції включає декілька медіа серверів, доставляючих клієнтам медіа потоки в реальному часі. Нагрузка на сервери і вартість трансляції пропорційна кількості клієнтів отримуючих послугу, причому одночасно в мережу передається багато ідентичних потоків даних різним користувачам.

Концепція потокової передачі P2P передбачає використання частини не задіяної потужності каналів зв’язку від клієнтів. Наприклад якщо в одній підмережі декілька клієнтів отримує один потік даних то існує можливість зекономити вхідний канал завантажуючи тільки один потік а уже потім розповсюджувати його по внутрішній мережі. Так при значній кількості користувачів може досягатись значна економія вхідного каналу пропорційно кількості користувачів. Також даний підхід дозволяє значно розвантажити сервер трансляції - замість передачі багатьох потоків даних залишається необхідність лише в одному.

Скільки трафіку можна зекономити

Зниження смуги на виходах серверів і економія транспортного ресурсу в Інтернеті при переході на Р2Р залежить від декількох факторів - від ширини абонентських каналів, від швидкості потоків і від конкретного рішення, використовуваного для реалізації Р2Р.

У добре продуманих рішеннях абонентські P2P потоки займають тільки вільну частину транспортного ресурсу зворотного каналу. Використана частина цього ресурсу пропорційна ширині переданого потоку (тобто клієнт може віддавати один або кілька потоків). Зворотний канал від клієнтського пристрою використовується тільки тоді, коли це необхідно іншим активним клієнтам. Тобто клієнтський пристрій обмежує кількість ресурсів, що відводяться для передачі цього Р2Р контенту так, щоб не заважати іншим програма що використовують мережу.

Менш розвинені Р2Р системи можуть займати всю смугу зворотного каналу, доступну в поточний момент. В основному вони орієнтуються на використання клієнтів з широким зворотнім каналом, з пропускною здатністю значно більшою, ніж потрібно для передачі типового потоку. Такі клієнти, що віддають у мережу кілька типових потоків, розглядаються системою як супер-вузли. Але така організація використання зворотного каналу здатна заблокувати роботу інших додатків клієнта. У зв’язку з цим використання такої структури на основі супер-вузлів небажано.

Економія смуги на виході сервера в процентному вираженні приблизно пропорційна відношенню середньої пропускної здатності зворотного каналу від клієнтського пристрою до ширини потоку. На практиці це означає, що в мережах, де для абонентів типові широкі зворотні канали, економія трафіку дуже значна, навіть при передачі високошвидкісних потоків даних. В інших регіонах, де зворотні канали не настільки широкі, відсутню пропускну здатність часто компенсують передачею з відповідних серверів мережі CDN.

Якісна потокова передача і стабільна якість послуги

Для того щоб запропонувати дійсно привабливу послугу, яку можна порівняти з традиційними трансляціями, Р2Р трансляціях мають підтримувати максимально можливі швидкості передачі і, як мінімум, стандартні формати передачі. На жаль, більш високі швидкості передачі можуть супроводжуватися збільшенням втрат пакетів, що в свою чергу призводить до проблем декодування і більш низького рівня якості сприйняття контенту QoE (Quality of Experience). Відомо, що втрата навіть дуже невеликої кількості пакетів може спричинити за собою значні перебої в прийомі і різке зниження суб’єктивного сприйняття якості послуги. Для подолання цієї проблеми Р2Р-клієнт повинен містити спеціальний програмний модуль, що виявляє неприпустимий рівень втрат і приймає необхідні заходи. Надмірні втрати можуть бути викликані несправністю сервера або перевантаженням каналу від сервера до клієнта. І в тому, і в іншому випадку допомогти може перемикання на інший потоковий сервер, якщо такий є. Проблема може також носити місцевий характер, наприклад, вона може бути пов’язана з використанням клієнтом бездротового маршрутизатора з високим рівнем втрат. В цьому випадку можна ввести додатковий захист від перебоїв.

Авторизація та контроль за відтворенням

Системи Р2Р часто використовуються для нелегального розповсюдження контенту, захищеного авторськими правами. Щоб ускладнити виявлення користувачів таких систем, централізовані сервери в них не використовуються. Легальні системи Р2Р працюють на базі центрального сервера, який здійснює початковий обмін повідомленнями і може підтримувати такі функції контролю, як геофільтрація, DRM, контроль оплати послуг і т.д. Тобто, сучасні системи P2P можуть забезпечити як мінімум такий же рівень безпеки, можливості дотримання правових норм, що і CDN.

Сучасний стан P2P систем потокової доставки контенту

На сьогоднішній день багато комерційних пірінгових систем доставки потокового відео уже введено в експлуатацію(наприклад SopCast, PPLive). Дані системи при відносно малих затратах на організацію трансляцій забезпечують прийнятну якість сприйняття контенту. Проте архітектура даних систем все ж потребує мережу серверів для підтримки достатньої якості трансляції і організації P2P мережі. Зараз розробляються алгоритм і протоколи які дозволили б зменшити необхідність в обладнанні для підтримки трансляцій - розробка так званих “чистих” пірінгових мереж. Наступним кроком в розвиткові пірінгових мереже, за умови удосконалення алгоритмів організації передачі даних в пірінгових мережах, може стати розповсюдження користувацьких трансляцій, з веб камер або мобільних пристроїв.

Список літератури

1. The NAPA-WINE Project: http://www.napa-wine.eu/

2. Enabling broadcast of user-generated live video without servers Chao Liang, Yong Liu

3. PeerStreamer: fast and efficient P2P streaming http://peerstreamer.org/