JP2014527748A - ビデオコンテンツをストリーミングするための方法、そのような方法を実現するエッジノードおよびクライアントエンティティ - Google Patents

Abstract

エッジノードによって接続されるコアネットワークおよびアグリゲーションネットワークを介して、ビデオサーバエンティティからクライアントエンティティにビデオコンテンツをストリーミングするための方法。サーバエンティティは、オリジンサーバ、またはサロゲートサーバの働きをするＣＤＮ内のサービングノードのいずれかであり得る。ビデオコンテンツは、１組の連続的なフラグメント（またはチャンク、またはセグメント）としてビデオサーバエンティティにより供与され、この１組の連続的なフラグメントの各々のフラグメントは、それぞれの符号化されたビットレートに対応する複数の品質レベルで供与される。方法は、以下のステップ：− ネットワークを介して、前記クライアントエンティティから前記ビデオサーバエンティティに、前記エッジノードを介して、前記クライアントエンティティで表示されるべき前記ビデオコンテンツの目標品質レベルを伴うフラグメントに対する１つまたは複数の要求を送信するステップ、および− 前記クライアントエンティティで、前記ネットワークを介して、前記目標品質レベルを伴うフラグメントを包含する、要求に対する１つまたは複数の返信を受信するステップをさらに含む。方法は、前記エッジノードが、前記アグリゲーションネットワークを経て前記クライアントエンティティに前記フラグメントを送信するための、前記クライアントエンティティに対する利用可能なスループットを評価するステップ、および前記エッジノードが、前記利用可能なスループットに関して前記クライアントエンティティに通知するステップをさらに含む。

Description

本発明は、ネットワーク化されたビデオストリーミングサービス、詳細には、ハイパーテキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ）によって供与される、ＨＴＴＰ適応ストリーミング（ＨＡＳ）などのビデオストリーミングサービスの分野に関する。

ビデオストリーミングアプリケーションが、開放型のインターネットにわたってますます供与されている。従来の方法は、パケット損失を軽減するための再送信またはＦＥＣ（前方誤り訂正）スキームにより支援されることが多い、ＵＤＰ（ユーザデータグラムプロトコル）／ＲＴＰ（リアルタイムトランスポートプロトコル）ベースのプロトコルを使用する。これらの方法には、これらの方法が、インターネットにわたって広く配備されているＨＴＴＰインフラストラクチャに容易に依拠することができないという問題、および関連するフローがファイアウォールにより遮断されることが多いという問題がある。したがって、ＨＴＴＰによってトランスポートされるビデオは注目を集めている。１つの方法、すなわちプログレッシブダウンロードは、可能な限り高速にビデオファイルをトランスポートし（そのことは、受信器側での多くのバッファリングを必然的に含み得る）、完全なビデオファイルの通常のプレイアウトの間にバッファの枯渇が発生しないであろうとクライアントが推定すると直ちに（ファイルが部分的に受信されているだけの場合でも）プレイアウトを開始する。ネットワークにより供与されるスループット（すなわち、ビデオビットがどの程度高速に入って来ることになるか）が、プレイアウトが開始した後にどのように進展することになるかを予測することは難しいので、プレイアウトの開始は保守的に選定されなければならないことが多い。

別の代替方法、すなわちＨＴＴＰ適応ストリーミングは、（基本的にプレイアウトの開始を選定するのみである）プログレッシブダウンロードより頻繁に判断を行う。ビデオは複数のチャンクに細分化され、各々のチャンクは、（各々が異なるビットレートを必要とする）異なる品質バージョンで符号化される。その考え方は、チャンクが、ネットワークスループットが許すバージョンでダウンロードされるということである。このＨＴＴＰ適応ストリーミングプロトコルは、ストリーミングされるコンテンツに対する異なる複数のレベルのビデオ品質の間で動的に切り替えることにより、任意の所与の時間にビデオサーバとクライアントとの間で利用可能な帯域幅を最大限に利用する。

したがって、例えば全体的なネットワークトラフィックのレベルの低下に起因して、利用可能な帯域幅が大きい時間には、比較的高いビットレートで符号化された、解像度が高い、および／またはフレームレートが高いグラフィックスを表す、比較的高い品質で符号化されたビデオをストリーミングすることが有利である。同様に、例えば全体的なネットワークトラフィックのレベルの増大に起因して、利用可能な帯域幅が小さい時間には、解像度が低い、および／またはフレームレートが低いグラフィックスを表す、比較的低いビットレートで符号化されたビデオをストリーミングすることが有利である。

ＨＴＴＰ適応ストリーミング（ＨＡＳ）は、ビデオの配送のための新興の技法である。ＨＴＴＰ適応ストリーミングは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（スムーズストリーミング）およびＡｐｐｌｅ（ライブストリーミング）などの業界トップ企業によりサポートされている。ＨＴＴＰ適応ストリーミングには、それが容易に配備可能であるという利点があり、その理由は、ＨＴＴＰ適応ストリーミングは、他のプロトコルより容易にファイアウォールを通過するから、ＨＴＴＰ適応ストリーミングは、それがＴＣＰ（トランスポート制御プロトコル）に依拠するので輻輳制御が本来備わっているから、ならびにＨＴＴＰ適応ストリーミングは、利用可能なＨＴＴＰインフラストラクチャを、特に、ＨＴＴＰキャッシュおよびＣＤＮ（コンテンツ配信ネットワーク）ノードを利用することが可能であるからというものである。

この基本的な技法の実際の実施は、以下のとおりである：ビデオが、複数のチャンク、またはフラグメント、またはセグメントに細分化され、それらの各々が、異なるビデオ品質を表すいくつかの異なるビットレートで符号化される。前のセグメントがどの程度高速にダウンロードされるかを監視することにより、クライアントは、利用可能なネットワークスループット、およびそのスループットのある決まった時点までの進展の評価を行うことが可能であり、このスループットの推定値に等しい（またはそれよりわずかに低い）ビットレートでの次のチャンクを要求する。

これらの実施において、クライアントは、利用可能なネットワークスループットを評価することに単独で責任を負う。しかしながらクライアントは、そのようにするための最良の情報を常に有するとは限らず、したがってストリーミングは、最適な形で常に遂行されるとは限らない。

本発明の態様によれば、エッジノードによって接続されるコアネットワークおよびアグリゲーションネットワークを介して、ビデオサーバエンティティからクライアントエンティティにビデオコンテンツをストリーミングするための方法が提供される。サーバエンティティは、オリジンサーバ、またはサロゲートサーバの働きをするＣＤＮ内のサービングノードのいずれかであり得る。ビデオコンテンツは、１組の連続的なフラグメント（またはチャンク、またはセグメント）としてビデオサーバエンティティにより供与され、この１組の連続的なフラグメントの各々のフラグメントは、それぞれの符号化されたビットレートに対応する複数の品質レベルで供与される。方法は、
− ネットワークを介して、前記クライアントエンティティから前記ビデオサーバエンティティに、前記エッジノードを介して、前記クライアントエンティティで表示されるべき前記ビデオコンテンツの目標品質レベルを伴うフラグメントに対する１つまたは複数の要求を送信するステップ、および
− 前記クライアントエンティティで、前記ネットワークを介して、前記目標品質レベルを伴うフラグメントを包含する、要求に対する１つまたは複数の返信を受信するステップ
を含む。

方法は、前記エッジノードが、前記アグリゲーションネットワークを経て前記クライアントエンティティに前記フラグメントを送信するための、前記クライアントエンティティに対する利用可能なスループットを評価するステップ、および前記エッジノードが、前記利用可能なスループットに関して前記クライアントエンティティに通知するステップをさらに含む。

エッジノードは、ボトルネックノード（すなわち、輻輳が発生するノード）である。このノードは通常、アグリゲーションネットワークを経てセグメントを送信するための利用可能なスループットに関して、クライアントが有するより多くの知識を有し、例えば、物理層で交換される制御メッセージから、構成プロファイルを照会することから、パケット間の間隔を検査することによって等で、エッジノードは、全体の利用可能なネットワークスループットを推断することが可能であり、ディープパケットインスペクションにより、またはビデオサーバエンティティと通信することによって、エッジノードは、エッジノードが時間的に任意の時点でいくつのビデオフローをサービングするかを把握することが可能である。これらの２件の情報、すなわち、前記全体の利用可能なスループットおよび前記アクティブなクライアントの数によって、エッジノードは、各々のクライアントに対するスループットを計算することが可能である。全体のスループットはクライアント間で均等に分け合われ得るものであり、そうでなければ、一部のクライアントが、何らかのあらかじめ定められた重みに比例して、より多くのスループットを得る場合がある。この利用可能なスループット情報をクライアントに送出することにより、クライアントは、この情報を、スループットのクライアント自体の推定値を却下または調整して、ビデオサーバに要求されることになるチャンクの目標品質レベルに関して、より良好な判断を行うために使用することが可能である。

一実施形態によれば、エッジノードは、（エッジノードからクライアントに伝達された）前記利用可能なスループットを上回るようなものである目標品質レベルを伴うフラグメントを前記クライアントエンティティが要求しないかどうかをチェックする。このことが起こる場合、前記エッジノードは、前記フラグメントを送信するための、前記アグリゲーションネットワークにおいて前記クライアントエンティティに対して利用可能な送信容量を低減することを目指す。エッジノードは、そのようにすることが、（クライアント内のＴＣＰが、そのクライアントのスループットを減少させることにより反応することになるように）選択されたパケットをドロップさせることによって、またはネットワークにわたるセグメントの送信優先順位を低減することによってのいずれかで可能である。

本発明はさらに、上記で説明された方法を実現するエッジノードおよびクライアントエンティティに関する。

次に、本発明の実施形態による装置および／または方法の一部の実施形態が、単に例として、および本発明を実現する包括的なシステムを表す添付する図面を参照して説明される。

アクセス（またはアグリゲーション）ネットワークＮ１およびコアネットワークＮ２を経てビデオサーバＳ（またはサロゲートサーバの働きをするＣＤＮ内のサービングノード）に接続されるいくつかのクライアントエンティティＣ１からＣｎからなるシステムである。

図に示されるシステムは、アクセス（またはアグリゲーション）ネットワークＮ１およびコアネットワークＮ２を経てビデオサーバＳ（またはサロゲートサーバの働きをするＣＤＮ内のサービングノード）に接続されるいくつかのクライアントエンティティＣ１からＣｎからなる。Ｎ１およびＮ２は、エッジノードＥを介して接続される。

第１の実施形態では、Ｎ１はＡＤＳＬネットワークであり、Ｅはデジタル加入者線アクセスマルチプレクサ（ＤＳＬＡＭ）である。クライアントエンティティＣ１−ＣｎとサーバエンティティＳとの間の通信は、ＴＣＰ／ＩＰ上のＨＴＴＰを使用するインターネットＮ２を経てＥを介して実現される。クライアントＣ１−Ｃｎは、評価された利用可能な送信ビットレートに基づく目標品質を伴うビデオセグメントを要求することにより、Ｅを介してＳからビデオストリームをダウンロードする。ユーザエンティティがこの利用可能な送信ビットレートをどのように評価するかは、このことをどのように行うかは当業者には明白であるので、およびそのことは本発明の一部ではないので、本明細書では詳細には説明されない。エッジノードＥは、追加的な能力を伴う単純なパケットフォワーダであり、エッジノードＥは、全体の利用可能なネットワークスループット、またはこのＡＤＳＬネットワークにおいてビデオトラフィックに対して確保されるスループットに関する情報を伴う構成ファイル（図示されない）を記憶する。代替の実装形態ではエッジノードＥは、ネットワーク構成エンジンと通信して、この情報を取得する。加えてエッジノードＥは、例えばディープパケットインスペクションにより、この全体の利用可能なネットワークスループットを分け合うアクティブなビデオクライアントの数を監視する。このようにして取得された知識に基づいて、エッジノードＥは、各々のクライアントエンティティＣ１−Ｃｎに、この利用可能なネットワークスループットの分け前を信号で伝える。この分け前は、例えば、全体のスループットをクライアントエンティティの数で割った商である。あるいは利用可能な全体のネットワークスループットは、あらかじめ定められた重みに比例してクライアントの間で分けられる場合がある。クライアントエンティティＣ１−Ｃｎは、この情報を考慮して、ダウンロードされることになる次のチャンクに対して選択されるビデオ品質のより良好な評価を行う。

代替の実施形態では、エッジノードＥは、アプリケーションサーバ（図示されない）と通信することにより、ビデオクラスに対して確保されるスループット、およびクライアントのプロファイルを監視する。この全体のスループットおよびクライアントのプロファイルに基づいて、個々のスループットが、（プロファイルに比例した小部分として）計算され、クライアントに伝達され、クライアントは前のように、この情報を、次にダウンロードするチャンクのビットレートに関して判断するときに考慮すべきである。

別の代替の実施形態では、（各々のセグメントに対して利用可能であるすべてのビデオビットレートを説明したものであり、ビデオフローの開始でダウンロードされる）マニフェストファイルがスヌープされ、利用可能なビットレートのリストが構築される。この情報は、エッジノードがクライアントに伝達するスループット値をさらに微調整するために使用され得る。

原則としてクライアントＣ１−Ｃｎは、前記エッジノードＥから送出されるこの情報を、どのビデオセグメントをダウンロードすべきかに関するそれらのクライアントの判断の際に考慮する方を選ぶことが可能であり（実際は、考慮すべきである）、１つの保守的な方法は、ヒントで与えられるネットワークビットレート、および利用可能なネットワークスループットのそれらのクライアント自体の測定値のうちの最小値であるビデオビットレートで次のセグメントを選定することになる。しかしながら因習的な（または悪質な）クライアントは、エッジノードにより送出される情報を無視する場合がある（悪質なクライアントは、そのようなことを、他のクライアントより高い品質を達成することを希望して行う場合がある）。

このふるまいを無効にするために、エッジノードＥは、クライアントからサーバエンティティへのＨＴＴＰ要求、および／またはＡＣＫ、ならびにクライアントがサーバエンティティに返送するＴＣＰパケット内のシーケンス番号をさらに監視する。この情報に基づいてエッジノードＥは、前者の場合では、「ＨＴＴＰ Ｇｅｔ」要求内のＵＲＬを検査および解釈することにより、ならびに後者では、（シーケンス番号から推断され得る）いくつのバイトが指定された間隔にわたって送信されたかを検査することにより、次のチャンクに対する要求されるビットレートを推断する。この情報を用いてエッジノードＥは、どのクライアントが因習的または悪質であるかを決定することが可能であり、その結果としてエッジノードＥは、伝達された利用可能なスループットを上回る結果になる品質を伴うビデオセグメントを要求するクライアントにペナルティを科すことが可能である。例えばエッジノードＥは、そのようなことを、そのクライアントのＴＣＰ接続（複数可）のみがより低いスループットに遭遇するように、一部のパケットをドロップさせることにより行うことが可能である。

代替の実施形態では、エッジノードＥはＤｉｆｆＳｅｒｖスケジューラを使用する。ＤｉｆｆＳｅｒｖによって、各々が、すべてのノードにおいて、および特にエッジノードＥにおいて、特定の扱いを受けることが可能であるいくつかのトラフィッククラス（例えば、「ベストエフォート」、「緊急転送」、「確認転送」…）を規定することが可能になる。この技術を使用すると、ある決まったトラフィッククラスに対する最小限の遅延またはパケット損失が確実にされ得る。具体的にはエッジノードＥにおいて、ビデオトラフィック（またはより一般的には、ある決まったＤｉｆｆＳｅｒｖコードポイントが特定の値に設定されるトラフィック）は、通常は、他のトラフィック（すなわち、他のアプリケーションからのデータトラフィック）より上の優先扱いが与えられる。より具体的には、準拠するビデオトラフィックは、優先扱いを受けるＤｉｆｆＳｅｒｖコードポイントによってトランスポートされるが、エッジノードＥは、準拠していないクライアントからのトラフィックを、（例えば「相対的優先転送」から「ベストエフォート」までの）より低い優先順位を伴うＤｉｆｆＳｅｒｖコードポイントに変更して、エッジノードＥにより提供されるスループット情報を考慮しないクライアントにペナルティを科す。

さらに別の実施形態は、ワイヤレス環境に関係する。この筋書では、ボトルネックは典型的には電波インタフェースである。この電波インタフェースは、各々のクライアントに関連する信号強度に関する知識を有し、したがって、各々のクライアントに対するある決まったスループットを達成するために、どれだけ多くの電力が必要とされるかを推断することが可能である。電波インタフェースはさらに、どれだけ大きいビットレートを（ユーザにサービングする）ベアラが受けるかを判断するスケジューラにより管理される。それ自体のポリシーに基づいて、ボトルネックノードは、（ＴＣＰが与えることになる公平な分け前とは異なる）各々のクライアントに対する全体のスループットの目標の分け前を計算する。ボトルネックノードは、このスループットをクライアントに伝達し、クライアントは、どのチャンクを要求すべきか否かのクライアントの判断の際に、このヒントを使用する方を選ぶことが可能である。同様に、上記で説明された有線の場合でのように、ネットワーク（より具体的にはパケットゲートウェイ）は、要求パケット（例えば「ＨＴＴＰ Ｇｅｔ」メッセージ）またはＡＣＫのいずれかを傍受して、クライアントが実際に求めるビデオビットレートを推断する選択肢を有する。クライアントがヒントにしたがうか否かのその判断に基づいて、エッジノードは、クライアントが、実際により低いスループットに遭遇し、準拠することを強いられるように、エッジノードのベアラタイプを変える、または準拠していないフローの多少のパケットをドロップさせることが可能である（そうしないと、クライアントのバッファは使い果たされるおそれがあり、ビデオはストールするおそれがある）。

上記の実施形態は、詳細な実装形態によってではなく、それらの機能性によって説明されているが、その理由は、この機能の説明に基づいて実施形態の要素の実装形態を実現することは当業者には明白であるはずであるからということに留意されたい。

上記の説明された機能は、専用ハードウェア、および適切なソフトウェアと関連するソフトウェアを実行可能なハードウェアの使用によって提供され得ることにさらに留意されたい。プロセッサにより提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサにより、単一の共有プロセッサにより、またはそれらのうちのいくつかが共有されている場合がある複数の個々のプロセッサにより提供され得る。従来の、および／または特注の他のハードウェアもまた含まれ得る。Ｓの機能性またはその一部は、例えばＥに組み込まれ得る。

上記の説明および図面は、本発明の原理を例示するものに過ぎない。したがって、本説明に基づいて、たとえ本明細書で明示的に説明されなくとも、または示されなくとも、本発明の原理を実施し、本発明の趣旨および範囲の範囲内に含まれる様々な配置構成を当業者が考案可能になることが十分認識されるであろう。さらに、本明細書に列挙される実施例は、当技術分野の振興のために（１人または複数の）発明者により与えられる本発明の原理および概念を理解する際に一助となるための、教育的な目的のためのものであるに過ぎないことが明確に主として意図されるものであり、そのような具体的に列挙される実施例および条件への限定を伴わないと解釈されるべきである。その上、本発明の原理、態様、および実施形態、ならびにそれらの具体例を列挙する本明細書でのすべての記載は、それらの均等物を網羅することが意図される。

Claims (9)

1. エッジノード（Ｅ）によって接続されるコアネットワーク（Ｎ２）およびアグリゲーションネットワーク（Ｎ１）を介して、ビデオサーバエンティティ（Ｓ）からクライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）にビデオコンテンツをストリーミングするための方法であって、前記ビデオコンテンツが、１組の連続的なフラグメントとして前記ビデオサーバエンティティ（Ｓ）により供与され、前記１組の連続的なフラグメントの各々のフラグメントが、それぞれの符号化されたデータレートに対応する複数の品質レベルで供与され、前記方法が、
   − 前記コアネットワーク（Ｎ２）および前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ１）を介して、前記エッジノード（Ｅ）によって、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）から前記ビデオサーバエンティティ（Ｓ）に、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）で表示されるべき前記ビデオコンテンツの目標品質レベルを伴うフラグメントに対する１つまたは複数の要求を送信するステップ、ならびに
   − 前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）で、前記コアネットワーク（Ｎ２）および前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ１）を介して、前記目標品質レベルを伴うフラグメントを包含する、要求に対する１つまたは複数の返信を受信するステップ
   を含む方法において、
   前記エッジノード（Ｅ）が、前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ１）を経て前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に前記フラグメントを送信するための、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に対する利用可能なスループットを評価するステップ、および前記エッジノード（Ｅ）が、前記利用可能なスループットに関して前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に通知するステップをさらに含むことを特徴とする、方法。
2. 前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）が、前記利用可能なスループットを、前記目標品質レベルを決定するために考慮するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記エッジノード（Ｅ）が、前記利用可能なスループットを上回るようなものである目標品質レベルを伴うフラグメントを前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）が要求しないかどうかをチェックし、このことが起こる場合、前記エッジノード（Ｅ）が、前記フラグメントを送信するための、前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ１）において前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に対して利用可能な送信容量を低減することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記エッジノード（Ｅ）が、選択されたビデオパケットをドロップさせることによって前記送信容量を低減することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記エッジノード（Ｅ）が、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に対する送信優先順位を低減することによって前記送信容量を低減することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 請求項１に記載の方法を実現するためのエッジノード（Ｅ）であって、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に前記フラグメントを送信するための、前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ２）においての利用可能なスループットを評価するように適合された利用可能なスループット評価モジュール、および前記利用可能なスループットに関する情報を前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に送信するように適合された送信モジュールを備える、エッジノード（Ｅ）。
7. 前記利用可能なスループットを上回るようなものである目標品質レベルを伴うフラグメントを前記ユーザエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）が要求しないかどうかをチェックするように適合され、かつ正である場合に、選択されたビデオパケットをドロップさせるように前記送信モジュールを駆動させるように適合されたチェックモジュールをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のエッジノード（Ｅ）。
8. 前記利用可能なスループットを一貫して上回るようなものである目標品質レベルを伴うフラグメントを前記ユーザエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）が要求しないかどうかをチェックするように適合され、かつ正である場合に、より低い優先順位によって前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）を宛先とするパケットを送信するための要求を、前記ビデオサーバエンティティ（Ｓ）に送出するように前記送信モジュールを駆動させるように適合されたチェックモジュールをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のエッジノード（Ｅ）。
9. 請求項１に記載の方法を実現するためのクライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）であって、前記クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）に前記フラグメントを送信するための、前記アグリゲーションネットワーク（Ｎ１）においての利用可能なスループットに関する情報を前記エッジノード（Ｅ）から受信するように適合され、かつ前記利用可能なスループットに応じて前記目標品質を決定するように適合された、クライアントエンティティ（Ｃ１、Ｃｎ）。

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