Медиа-серверы

Для большинства пользователей компьютерные сети сегодня ассоциируются с передачей текстовой и числовой информации. Между тем в ряде стран динамично развивается рынок систем, активно использующих передачу по сетям видеоданных. Один только рынок медиа-серверов - центральной части таких систем - в прошлом году имел объем 95 млн. долл., а в этом ожидается, что он достигнет 140 млн. и к 2000 г. вырастет до 1,7 млрд. долл.

Медиа-серверы в работе

В предверии Олимпийских игр в Атланте для журналистов была развернута кабельная телевизионная сеть SCARLET (Synchronous Communication Accessing Live Event Television), созданная на основе высокоскоростной оптоволоконной сети SONET (Sychronous Optical Network) корпорации Bell South. Широкополосная сеть в режиме реального времени передавала "живое" видеоизображение с соревнований и данные из системы хранения результатов Results System в 7 тыс. пресс-центров. Журналисты получили доступ к 48 каналам "живого" видео и одновременно к информации о распределении медалей, результатам соревнований, сводкам новостей и т.п.

В декабре 1994 г. состоялся дебют системы комплексного обслуживания (FSN - Full Service Network) кабельной сети компании Time Warner Cable. Это вторая по масштабу кабельная сеть в США, охватывающая 9 млн. потребителей в 35 штатах. FSN интегрирует аппаратные и программные средства разных производителей и дает пользователям наиболее качественное на сегодняшний день интерактивное телевизионное обслуживание. В FSN используются новые интерактивные технологии, разработанные компанией Silicon Graphics (SGI), включая программное обеспечение системы FSN, пользовательский интерфейс, VOD (Video On Demand) и несколько интерактивных компьютерных игр. Основу технических средств составляют 8 медиа-серверов класса Challenge. Коммутация в сети осуществляется через скоростной переключатель Globeview2000 фирмы AT&T Network Systems, работающий по сетевому протоколу ATM. Для получения услуг по этой сети пользователям устанавливается телевизионная приставка фирмы Scientific Atlanta.

Пришло время всерьез заговорить о медиа-серверных приложениях, которые занимаются хранением и передачей цифровой аудио-, видеоинформации, анимаций и изображений удаленным потребителям, используя для этого сети. В список медиа-приложений, которые уже имеют реальное воплощение, следует включить:

• видео по запросу;
• интерактивное телевидение;
• цифровое телевещание;
• дистанционная коммерция;
• дистанционное обучение и консультации;
• разделение корпоративной информации.

Масштабы рынка медиа-услуг можно представить на примере приложений типа VOD, позволяющих пользователям глобальных или локальных сетей получать и просматривать видеоданные тогда и там, где это им удобно: дома, в гостинице, в больнице, в самолете, в корабле, в поезде.

В настоящее время в мире насчитывается свыше 5 млн. гостиничных номеров. Если только в 20% из них каждую ночь смотрят фильмы, то получается, что задействовано 1 млн. активных каналов просмотра. Обслуживанием рынка гостиничных VOD-систем сейчас занимаются три фирмы - Spectradyne, On Command Video и Lodgenet. Их комплексы базируются на ПК, к которым подсоединены видеопроигрыватели. Фильмы поступают в гостиницу раз в месяц или раз в неделю через специальные службы доставки, а служащие гостиниц должны устанавливать новые ленты и отсылать старые. Такая организация бизнеса оказывается весьма дорогостоящей. Спасение - в снижении издержек по стоимости и времени при переходе на цифровую систему распределения и воспроизведения. VOD-обслуживание небольших гостиниц на 200 комнат может быть обеспечено одним недорогим медиа-сервером класса SGI Challenge S или HP MediaStream Integrator. Доходы от просмотра фильмов часто даже возрастают за счет расширения репертуара фильмов (несколько сотен), доступных в цифровой системе, в то время как VCR-системы, действующие ныне, могут предложить только десятки. Такие же возможности могут быть предоставлены на рынках пассажирских перевозок, включая пароходы, самолеты и поезда.

Не следует думать, что рынок медиа-серверных приложений сводится только к индустрии развлечений. Весьма перспективным выглядит рынок корпоративного обучения и коммуникаций. Компании ищут пути для расширения контактов со своими сотрудниками и покупателями, а также для снижения затрат на обучение персонала. В области здравоохранения ведущие врачи обычно заинтересованы в получении и обмене со своими коллегами оперативной информацией о новейших препаратах и методиках лечения. Часто оказывается, что нужная информация предоставляется в форме видеоматериалов. Цифровая сеть дает возможность распространять ее сразу после создания.

Архитектура медиа-серверных систем

Итак, медиа-серверные системы решают три задачи:

• создание медиа-данных;
• упорядоченное хранение и выборка;
• доставка потребителю.

Создание медиа-данных производится с помощью систем машинной графики, поддерживающих трехмерные изображения и цвет, и систем анимации и видеомонтажа. Особое место в технологии медиа-систем занимают ввод и оцифровка аналогового видеосигнала, а также сжатия цифровых изображений. Хранение медиа-данных опирается на технологии баз данных, специализированные по различным типам медиа. Доставка медиа-данных производится по компьютерным сетям различных видов и, соответственно, опирается на передовые сетевые технологии, среди которых важное место занимают Internet/intranet и, в частности, Web-технологии.

Архитектура систем доставки медиа строится на идеологии клиент-сервер, что, собственно, и отражено в их названии. В большинстве приложений требуется очень мощная серверная часть, имеющая достаточные ресурсы для решения перечисленных задач и способная обслуживать пользователей одновременно по большому числу каналов ввода-вывода. Клиентская часть играет роль интерфейса для просмотра медиа и по мере возможности должна быть максимально простой.

Анатомия медиа-сервера

Центральная часть медиа-систем - медиа-сервер, образующий ядро для наращивания программно-аппаратной среды хранения и передачи медиа.

Медиа-сервер можно определить как высокопроизводительный файл-сервер, специализированный на управлении мультимедиа-данными - видео, аудио и графическими изображениями высокого качества. Эти данные могут быть интегрированы с текстовыми и исполняемыми двоичными данными - программными данными, которые могут включаться для обеспечения интерактивного доступа и обратной связи.

От медиа-сервера требуется общая высокая производительность, что является следствием больших объемов медиа-данных и необходимостью их обработки в реальном времени по большому числу параллельно действующих каналов ввода-вывода. Цифровым медиа-системам приходится конкурировать с традиционным телевидением. Как правило, пользователи хотят, чтобы медиа-сервер мог закачивать медиа-данные со скоростью и уровнем качества, которые диктуются их приложениями. Подобная ситуация складывается и в приложениях, в которых клиент проигрывает видео, получаемое по сети от сервера. В этом случае медиа-сервер должен быть способен обеспечить постоянную скорость передачи данных в течение достаточно длительного времени - порядка длительности фильма (около часа).

Примером могут служить системы цифрового телевещания, порождающих, как показывает практика, наиболее сложные задачи. В круг таких задач входит ввод информации в медиа-сервер в реальном времени - одновременно с поступлением материалов от журналистских бригад, работающих в различных регионах мира. Подготовка новостей, которые должны выходить в эфир строго по расписанию, обеспечение эфирного вещания, как минимум кратного длительности самой большой передачи, и все это при гарантии надежности на период вещания (от нескольких часов до нескольких десятков часов) - вот главные задачи медиа-сервера.

Оценка производительности медиа-сервера

Объем одной секунды несжатого цифрового видео в формате PAL составляет от 27 до 32 Мбайт. Это выливается в 2 Гбайт в минуту или 115 Гбайт в час. Поскольку средняя продолжительность фильмов около часа, последняя цифра красноречиво характеризует картину. Понятно, что для управления данными такого объема требуются чрезвычайно быстрые сети, колоссальные объемы дисковых массивов и высокопроизводительный процессор хотя бы просто для того, чтобы переслать данные.

Проблему скорости отчасти решает компрессия данных, например MPEG1, являющийся стандартом ISO, определяет способ сжатия и восстановления изображения с разрешением кадров 352*452 пиксела так, что видео при скорости 30 кадров преобразуется в поток данных 1,5 Мбит/с. Это довольно грубое преобразование обеспечивает все же качество потребительского видео. Преобразование MPEG2 определено для разрешения 720*480 и при 30 кадрах в секунду дает поток 15 Мбит/с. Здесь уже достигается студийное качество.

Сравнение показывает, что сжатие существенно улучшает ситуацию, но объемы данных, которые нужно хранить на сервере, остаются еще очень большими. В расчете на один час: несжатое видео - 115 Гбайт, MPEG1 - 675 Мбайт, MPEG2 - 6,75 Гбайт. При этом нужно иметь в виду, что MPEG - это алгоритм, который теряет часть данных при сжатии, что, естественно, приводит к ухудшению изображения. В обычных условиях это практически незаметно, но, если изображение проецируется на экран большого размера, нельзя рассчитывать на получение кинематографического качества. Тем не менее соблазн велик, и, поскольку сжатие уменьшает объемы видеоданных в несколько раз, ведутся разработки альтернативных схем кодирования/декодирования. Компания Intel предлагает Indeo, Apple - Cinepak, исследуются перспективные кодеки на основе фрактального сжатия и вейвлетов. Однако пока большинство схем не способно обеспечивать обработку данных в реальном времени, и рекламные ролики этих компаний, демонстрирующие возможности процессоров и эффективность алгоритмов кодирования, по-прежнему создаются на зарекомендовавших себя станциях SGI.

Медиа и организация ее доставки

Как организуется доставка медиа-продукции потребителям? Какие сети для этого подходят? Сейчас используется несколько типов сетей (рис. 2), поддерживающих разные протоколы и имеющих разные возможности - от "слабеньких" ISDN (64 Кбит/с) до скоростных ATM (155 Мбит/с) и HIPPI (800 Мбит/с). Ясно, что чем быстрее сеть, тем она лучше, но, исходя из сегодняшней ситуации, требуется доставлять медиа по сетям любых типов. И это действительно возможно при соответствующей организации процесса пересылки. Если в сети с архитектурой клиент-сервер в качестве клиентов применяются обычные рабочие станции, то доступ к медиа-данным можно осуществлять в следующем режиме. Клиент выполняет загрузку нужных медиа-файлов, хранит их некоторое время и обеспечивает просмотр. Для этого он должен иметь хотя и ограниченные, но существенные ресурсы. Сеть будет иметь смысл, если ресурсы сервера многократно превосходят ресурсы клиентов и на сервере хранятся тысячи файлов с ценными медиа-данными. При таком режиме распространения годятся практически все сети - вопрос только в выборе медиа-сервера.

Иной способ распространения требуется, когда в качестве клиента используется дешевый бездисковый терминал, а сервер хранит цифровое видео. В этом случае единственный способ дать возможность заказчику смотреть видео состоит в том, чтобы обеспечить бесперебойный поток цифровых данных от сервера.

Наконец, можно представить множество потребителей, имеющих приставки к домашним телевизорам, которые через скоростную сеть ATM подключены к мощному серверу. Сервер предоставляет услуги по просмотру фильмов и новостей, совершению покупок, играм. Это уже совсем не похоже на компьютерную систему, скорее, на фантастическое телевидение, по крайней мере пока.

В идеале медиа-серверная система должна поддерживать все актуальные сетевые протоколы, но наибольший интерес представляют приложения, в которых требуется, чтобы поток данных поступал с постоянной скоростью. Хотя многие протоколы имеют хорошие характеристики производительности, у них отсутствуют механизмы, гарантирующие постоянную полосу пропускания. Это относится и к лидерам - протоколам FDDI и HIPPI. Лишь в ATM имеется механизм формирования трафика. Для работы с этим протоколом в системе FORE предлагается библиотека программ, с помощью которых можно зарезервировать нужную полосу пропускания для отдельного процесса.

Можно ли получить постоянный поток в широко распространенных сегодня Ethernet или FDDI? Вообще говоря, необходимую производительность можно получить в сети любого типа, проблема в том, что нельзя гарантировать постоянный поток. В любой сети, кроме ATM, по мере роста числа пользователей и потоков данных реальная пропускная способность уменьшается.

Одна из схем, применяемых для решения этой проблемы, состоит в буферизации передаваемых по сети данных. На рис. 4 показана схема доставки, которая использует буферизацию на двух концах - и на сервере, и у клиента. Поскольку медиа-проигрыватели воспроизводят данные с постоянной скоростью, можно успеть закачать данные с опережением даже в загруженной сети. Однако полной гарантии все же дать нельзя, и при возрастании нагрузки в сети может возникнуть ситуация, когда буферы клиента окажутся пустыми.

Выводы

Системы доставки медиа предъявляют серьезные требования к общей производительности сервера, который должен справляться со следующими задачами:

• "закачивать" видеоинформацию со скоростью до 32 Мбайт/c по одному каналу;
• выполнять сжатие такого потока данных в реальном времени и запись его во внешнюю память;
• хранить и обеспечивать доступ к тысячам объектов с суммарным объемом порядка десятков терабайт;
• выдавать в сеть постоянный поток данных со скоростью не ниже 1,5 Мбит/с (MPEG1).

В таблице 1 приведены модели компьютеров, уже используемых сегодня в качестве медиа-серверов. Изменения в конкретных конфигурациях происходят достаточно быстро, например совсем недавно линия серверов Challenge и Power Challenge была расширена системами Origin на базе процессора R10000, однако общие тенденции и закономерности из таблицы выделить можно.

Таблица 1.
Характеристики медиа серверов.

Новые высокопроизводительные видеосерверы

Компании Sun Microsystems и Oracle объявили о своих планах создания высокопроизводительных видеосерверов, которые служат средствами обработки больших объемов графических данных предприятий.

Подразделением Interactive Services компании Sun представлен медиа-сервер MediaCenter, предназначенный для ускорения передачи высококачественного видео по сетям ATM или в локальных сетях Fast Ethernet. MediaCenter оптимизирован для телекоммуникационного доступа, передачи корпоративных учебных видеофильмов и видео по заказу, и может обрабатывать 67 параллельных потоков видеоданных в формате MPEG.

"Мы обнаружили, что объем передаваемых потоков видео в 10 раз превышает возможности используемой нами технологии ", - заявил Вес Николс, директор по маркетингу фирмы Vivix Software, которая занимается распространением продуктов мультимедиа и участвует в некоторых разработках Sun.

В клиентскую часть системы входят рабочие станции, компьютеры Macintosh и интерактивные устройства, устанавливаемые на корпусах компьютеров. По утверждению генерального менеджера Sun Interactive Services Group Энн Шоув, в следующем году MediaCenter будет дополнен возможностью распределения нагрузки между кластерами видеосерверов, объединенных высокопроизводительными интерфейсами. Шоув добавила, что в дальнейшем будет реализована поддержка интерактивного видео, хотя ограниченная пропускная способность не позволяет использовать эту возможность для организации электронной торговли.

Стоимость MediaCenter - 89995 долл. В состав комплекта входит дисковый массив RAID 4 объемом 50 Гбайт, расширяемый до 100 Гбайт, два процессора UltraSparc с тактовой частотой 167 МГц и 256 Мбайт оперативной памяти. Объем накопителей позволяет уместить 62 часа полноэкранного видео со скоростью 1,5 Мбит/с или 23 часа видео со скоростью 4 Мбит/с.

Пакет программного обеспечения включает в себя операционную систему Sun Solaris 2.5.1, оптимизированные драйверы устройств, 64-разрядную специализированную файловую систему и средства управления, поддерживающие протокол SNMP.

Корпорация Oracle объявила о планах создания совместно с Digital Equipment видеосервера для рынков Internet, интерактивного телевидения и корпоративных сетей intranet. Продукт создан на базе сервера Alpha фирмы Digital и пакета Video Server от Oracle, и в настоящее время проходит бета-тестирование.