ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 35 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΖΩΝΗΣ Θ. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ Μηχανικός Η/Υ & Πληροφορικής Δρ Ηλ. Μηχ & Μηχ Υπολ. ΕΜΠ Περίληψη Οι απαιτήσεις ενός μητροπολιτικού δικτύου ευρείας ζώνης για παροχή ολοκληρωμένων υπηρεσιών πολυμέσων με αλληλεπίδραση είναι πολύ μεγάλες. Πέρα όμως από τις τεχνικές δυσκολίες τεράστιο είναι και το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας ενός τέτοιου δικτύου. Στη δημοσίευση αυτή θα ασχοληθούμε με δύο καθοριστικούς παράγοντες που επηρεάζουν την οργάνωση ενός τέτοιου δικτύου: την κατανομή του ελέγχου υπηρεσίας και την κατανομή του περιεχομένου. Το κόστος επικοινωνίας, το κόστος αποθήκευσης, η αντοχή σε βλάβες, η απόδοση των εξυπηρετητών καθώς και η ακροαματικότητα του περιεχομένου είναι μερικοί από τους παράγοντες που μελετώνται τόσο θεωρητικά όσο και με εξομοιώσεις και πειραματικές μετρήσεις. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παροχή ολοκληρωμένων υπηρεσιών ευρείας ζώνης σε εκατομμύρια χρήστες, δημιουργεί πολλαπλά τεχνολογικά και τεχνικά προβλήματα [1]. Παράλληλα οι οικονομικοί παράγοντες παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο, ορίζουν την «καταλληλότερη» υποδομή και καθορίζουν τη χρυσή τομή ανάμεσα στις βιώσιμες και τις ανέφικτες λύσεις. Άμεση ή έμμεση απόρροια του κόστους είναι και ορισμένες από τις βασικότερες απαιτήσεις σε μια αρχιτεκτονική ολοκληρωμένων υπηρεσιών ευρείας ζώνης. Τέτοιες απαιτήσεις είναι ο μεγάλος βαθμός αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας, η αντοχή στα σφάλματα και τις βλάβες, καθώς και η επεκτασιμότητα του δικτύου διανομής. Στη δημοσίευση μελετάμε το πρόβλημα της κατανομής ελέγχου υπηρεσίας και συγκρίνουμε την περίπτωση κεντρικού και κατανεμημένου ελέγχου. Πέρα όμως από την αρχιτεκτονική, σημαντική είναι και η κατανομή ρόλων και αρμοδιοτήτων στους ενδιάμεσους κόμβους του δικτύου, έτσι ώστε να περιορίζονται οι απαιτήσεις σε μηχανισμούς αποθήκευσης δεδομένων και βίντεο, να ελαττώνεται όσο το δυνατό η πολυπλοκότητα και το κόστος του δικτύου, να αυξάνει η αντοχή σε πιθανές βλάβες ή μη φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας, έτσι ώστε τελικά να βελτιώνεται η συνολική επίδοση του συστήματος. Στη δημοσίευση προτείνεται η κατανομή αρμοδιοτήτων και λειτουργιών σε εξυπηρετητές και ενδιάμεσους κόμβους του δικτύου με γνώμονα κυρίως την επίδοση, την αξιοπιστία και την επεκτασιμότητα, καθώς και κατανομή του περιεχομένου σε επιμέρους εξυπηρετητές. 2. ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ : µ : µ SCP: Service Control Point d fr : µ µ (frames/ block) N cmax: µ µ µ n max : µ µ p max : µ p i : µ R dr : µ (bits/sec) R pl : µ (frames/sec) s fr : µ frame (bits/frame) Ts : µ µ Tu : T dr : µ µ µ (sec/ block). 3. ΚΑΤΑΝΟΜH ΕΛEΓΧΟΥ ΥΠΗΡΕΣIΑΣ Δύο είναι οι βασικότερες αρχιτεκτονικές κατανομής ελέγχου: η αρχιτεκτονική κεντρικού ελέγχου και η αρχιτεκτονική κατανεμημένου ελέγχου, όπου έμφαση δίνεται στον τρόπο με τον οποίο ελέγχεται η παροχή της υπηρεσίας. Υποβλήθηκε: 9.10.2001 Έγινε δεκτή: 4.11.2002

36 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 3.1. Αρχιτεκτονική Κεντρικού Ελέγχου 3.2. Αρχιτεκτονική Κατανεμημένου Ελέγχου Με τον όρο αρχιτεκτονική κεντρικού ελέγχου ή συγκεντρωτική αρχιτεκτονική δεν εννοούμε ότι ένας εξυπηρετητής είναι υπεύθυνος για όλους τους χρήστες ή για όλες τις υπηρεσίες, αλλά για συγκεκριμένους συνδρομητές το περιεχόμενο μιας εφαρμογής πολυμέσων π.χ. βίντεο μεταφέρεται κατευθείαν από έναν Κεντρικό Εξυπηρετητή Πολυμέσων (ΚΕΠ) μέσω του δικτύου, και οι λειτουργίες σηματοδοσίας και ελέγχου για τους συγκεκριμένους συνδρομητές γίνονται από ένα κεντρικό σημείο. - 1-2 -. µ µ : µ : µ SCP Σχήμα 1: Κατανεμημένη Αρχιτεκτονική Εξυπηρετητών Figure 1. Distributed Server Architecture. SSP - 1-1 SSP - 2-2 SSP - - Η μεταφορά δεδομένων πολυμέσων από τον ΚΕΠ, γίνεται μέσα από ένα συγκεκριμένο κανάλι που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για κάθε χρήστη. Αν η μεταφορά γίνεται με σταθερό ρυθμό δεν χρειάζεται επιπλέον τοπικός ενταμιευτής για κάθε χρήστη στο τοπικό μεταγωγέα/ δρομολογητή, μια και το εύρος ζώνης που απαιτείται είναι σταθερό και η μετάδοση είναι πιο κοντά σε Σύγχρονο Τρόπο Μετάδοσης (Synchronous Transfer Mode, STM) παρά σε Ασύγχρονο Τρόπο Μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode, ATM). Σε περίπτωση που η μετάδοση δεν γίνεται με σταθερό ρυθμό, ένας επιπλέον τοπικός ενταμιευτής χρειάζεται τουλάχιστο στο τοπικό γραφείο μετάδοσης. Διάφορες τεχνικές μετάδοσης με μη σταθερό ρυθμό είναι η μέθοδος αποθήκευσης και προώθησης (store-and-forward) και η μέθοδος περιοδικής κλιμάκωσης του πλαισίου μετάδοσης [2]. Στην περίπτωση του συστήματος Κεντρικού Ελέγχου, η επεξεργασία και η μεταφορά του περιεχομένου των ταινιών γίνεται στον ΚΕΠ. Αν ο ΚΕΠ πάθει κάποια βλάβη, γίνει αδρανής ή μη ικανός να εξυπηρετήσει τις υπάρχουσες συνδέσεις ταινιών, τότε εκείνες οι συνδέσεις απορρίπτονται με αποτέλεσμα να πέφτει κατακόρυφα η ποιότητα των υπηρεσιών, εκτός και αν υπάρχει κάποιος άλλος ΚΕΠ που θα αναλάβει αυτόματα τον έλεγχο. Στην περίπτωση του κατανεμημένου ελέγχου, δεν υπάρχει ένας κεντρικός επεξεργαστής, αλλά η λειτουργία του ΚΕΠ κατανέμεται μέσα στο δίκτυο χρησιμοποιώντας Τοπικούς Επεξεργαστές Πολυμέσων (ΤΕΠ). Η εύρεση της θέσης του καταλληλότερου ΤΕΠ, μπορεί να γίνει είτε με χρήση μιας Πύλης 1ου Επιπέδου ή πιο αποτελεσματικά με ένα συνδυασμό από SCP και Ευφυή Τερματικά, τα οποία μπορούν με τη σειρά τους να είναι κεντρικά ή κατανεμημένα, ανάλογα με το μέγεθος, το είδος και την "ευφυΐα" του δικτύου, και τις απαιτήσεις σε ανοχή σε βλάβες. Αν ένας ΤΕΠ είναι συνδεδεμένος στον τοπικό μεταγωγέα, τότε μπορεί να είναι ο τυπικός εξυπηρετητής του συγκεκριμένου μεταγωγέα. Εντούτοις, για οικονομικούς λόγους μπορεί να μην είναι εφικτό να αντιστοιχεί ένας ΤΕΠ ανά μεταγωγέα. Σε αυτή την περίπτωση οι συνδρομητές που είναι φυσικά συνδεδεμένοι σε ένα μεταγωγέα, μπορούν να εξυπηρετούνται από έναν άλλο ΤΕΠ ή από έναν ΚΕΠ. Σε αυτή την κατανεμημένη αρχιτεκτονική, εξισορροπημένη κατανομή του φορτίου και επανα-δρομολόγηση της κλήσης είναι απαραίτητες για αποφυγή ή τουλάχιστο περιορισμό των συγκρούσεων και μεγαλύτερη αντοχή του συστήματος σε περίπτωση βλάβης. Ο σκοπός της κατανομής της λειτουργικότητας του ΚΕΠ τοπικά είναι η μείωση του κόστους της επικοινωνίας επιτρέποντας στους χρήστες να προσπελαύνουν τα περιεχόμενα τοπικά και να μην είναι αναγκασμένοι να συνδέονται κάθε φορά σε κάποιο ΚΕΠ. Κατά συνέπεια η ακριβής μορφή της αρχιτεκτονικής του κατανεμημένου συστήματος πολυμέσων εξαρτάται από το μοντέλο πρόσβασης των συνδρομητών, καθώς και σε επιλογές στη διαδικασία προώθησης των υπηρεσιών. Για παράδειγμα, είναι πιο πιθανό να τοποθετηθούν όλες οι ταινίες που έχουν μεγαλύτερη ακροαματικότητα και είναι επίκαιρες σε ΤΕΠ, ώστε να μειώνεται η συχνότητα πρόσβασης στους ΚΕΠ και κατά συνέπεια και το κόστος που σχετίζεται με τις ταινίες αυτές. Η κατανεμημένη αρχιτεκτονική που προτείνεται εδώ είναι μια μορφή Ιεραρχικής Αρχιτεκτονικής. Μπορεί να ποικίλλει από δύο επίπεδα με έναν ΚΕΠ και πολλούς ΤΕΠ, μέχρι ένα πολυεπίπεδο σχήμα με πολλούς ενδιάμεσους εξυπηρετητές. Ο αριθμός των επιπέδων ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος του δικτύου, το κόστος του δικτύου και των εξυπηρετητών, και τις απαιτήσεις σε απόδοση του δικτύου. Συγκρίνοντας την κατανεμημένη αρχιτεκτονική ελέγχου, με την αρχιτεκτονική κεντρικού ελέγχου, η δεύτερη μπορεί να έχει μικρότερο κατά μέσο όρο αριθμό συνδέσεων, μικρότερο κόστος και αυξημένη αξιοπιστία, αλλά έχει αυξημένες απαιτήσεις σε τοπικούς αποθηκευτικούς χώρους και τοπικούς εξυπηρετητές. Μια σύγκριση των απαιτήσεων των δύο ειδών αρχιτεκτονικής φαίνεται στον Πίνακα 1. Αυτές οι πολύ υψηλές απαιτήσεις μπορούν να εξομαλυνθούν με κατάλληλο σχεδιασμό της αρχιτεκτονικής του συστήματος.

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 37 µµ µ µ / µ µ µ o Πίνακας 1: Σύγκριση Κεντρικού και Κατανεμημένου Ελέγχου Table 1: Comparison of central and Distributed Control 4. ΚΑΤΑΝΟΜH ΠΕΡΙΕΧΟΜEΝΟΥ Μετά την επιλογή της αρχιτεκτονικής του μητροπολιτικού δικτύου ευρείας ζώνης, ακολουθεί ο καθορισμός της κατανομής, του μέρους και της αναπαραγωγής του περιεχομένου στους Τοπικούς Εξυπηρετητές Πολυμέσων. Βασικά κριτήρια είναι η αύξηση της διαθεσιμότητας του περιεχομένου, η αύξηση της ποιότητας των υπηρεσιών, η μείωση του χρόνου αναμονής, η μείωση της πιθανότητας να συμβεί λάθος που να μην μπορεί να αποκατασταθεί, και φυσικά το κόστος. Το αποτέλεσμα θα είναι ένα σύστημα εύρωστο και ανθεκτικό στα λάθη και η δημιουργία ενός πρωτοκόλλου που να μπορεί να αντεπεξέρχεται και σε μη φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας, βλάβες και υπερφόρτωση του συστήματος, ανταγωνιστικές ή/ και συγκρουόμενες κλήσεις. Βέβαια πρέπει να παρατηρήσουμε ότι το σημείο αποθήκευσης του περιεχομένου εξαρτάται και από τη φύση της εφαρμογής. Για παράδειγμα, σε περίπτωση μιας εφαρμογής με δεδομένο περιεχόμενο π.χ. ταινίες με επιλογή, σημαντικό θεωρείται το σημείο αποθήκευσης των ταινιών, ενώ σε περίπτωση μιας εφαρμογής με ανοικτό περιεχόμενο, όπως πρόσβαση στο Διαδίκτυο, σημαντικό είναι το σημείο αποθήκευσης και του μεγέθους των προσωρινά αποθηκευμένων δεδομένων. 4.1. Αποθήκευση σε Κεντρικό Σύστημα Στην περίπτωση της αποθήκευσης του περιεχομένου σε ένα κεντρικό σύστημα, κάθε προμηθευτής υπηρεσιών ευρείας ζώνης έχει έναν ΚΕΠ. Πάνω σε αυτό τον εξυπηρετητή είναι αποθηκευμένο όλο το περιεχόμενο, ενώ δεν υπάρχουν αντίγραφα κατανεμημένα σε άλλα σημεία του δικτύου. Κατά συνέπεια δεν χρειάζεται ιδιαίτερη ευφυΐα ή αλγόριθμοι για επιλογή του περιεχομένου μέσα στο συγκεκριμένο εξυπηρετητή. Εντούτοις, αντίγραφα του περιεχομένου μπορούν να υπάρχουν εσωτερικά στον ΚΕΠ, ώστε να μπορεί ο εξυπηρετητής να παρέχει ταυτόχρονα πολλές εξόδους ταινιών, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η αξιοπιστία του και ο βαθμός χρησιμοποίησής του. Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για το σχεδιασμό παράλληλων συστημάτων ή συστημάτων με πίνακες δίσκων ικανών να αυξήσουν την αξιοπιστία και το λόγο απόδοση προς τιμή τέτοιων συστημάτων [3][4]. Εντούτοις, θα μείνουμε μόνο σε αρχιτεκτονικές και τεχνικές που μπορούν να εφαρμοστούν στο δίκτυο και όχι εσωτερικά στον εξυπηρετητή. 4.2. Αποθήκευση σε Κατανεμημένο Σύστημα Η αποθήκευση του περιεχομένου και αντιγράφων σε ένα κατανεμημένο σύστημα έχει ως σκοπό την ελαχιστοποίηση του κόστους της υποδομής και λειτουργίας του δικτύου, συμπεριλαμβανομένου του κόστους των συνδέσεων και του χώρου αποθήκευσης, και ταυτόχρονα την αύξηση της αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας του δικτύου. Η αποθήκευση του περιεχομένου είναι συνήθως απόφαση της γενικής αρχιτεκτονικής του συστήματος παροχής υπηρεσιών ευρείας ζώνης, και για το λόγο αυτό αντιμετωπίζει ολόκληρο το δίκτυο ως μια οντότητα. Αντίθετα, η στρατηγική δημιουργίας και αποθήκευσης αντιγράφων συνήθως αναφέρεται σε περιφερειακό ή τοπικό επίπεδο με σκοπό να μειωθεί το συνολικό κόστος και ο αριθμός των αντιγράφων, και να μειωθεί η καθυστέρηση επανα-δρομολόγησης. Η αρχή που προτείνεται για την καλύτερη οργάνωση των τοπικών μεταγωγέων/ δρομολογητών είναι η Ομαδοποίηση. Σε κάθε ομάδα ανήκει ένας αριθμός από ΤΕΠ και από μεταγωγείς/ δρομολογητές. Ο αριθμός τους ποικίλλει ανάλογα με γεωγραφικούς, οικονομικούς, διοικητικούς και πολιτικούς λόγους [5]. Στο Σχήμα 2, το σύστημα παροχής υπηρεσιών πολυμέσων είναι χωρισμένο σε τρεις ομάδες από σημεία πρόσβασης (μεταγωγείς), που μπορεί να έχουν ή όχι αντίστοιχους αποκλειστικούς ΤΕΠ. Για παράδειγμα, στην ομάδα 1, ο μεταγωγέας 3 έχει αντίστοιχο ΤΕΠ, ενώ ο μεταγωγέας 1 δεν έχει. Σε αυτή την περίπτωση ένας συνδρομητής που είναι φυσικά συνδεδεμένος στο μεταγωγέα 3, θα εξυπηρετηθεί από τον αντίστοιχο ΤΕΠ 3, ενώ αν είναι συνδεδεμένος στο μεταγωγέα 1, θα εξυπηρετηθεί πρώτα από έναν ΚΕΠ ή ένα ΤΕΠ που βρίσκεται στην ομάδα 1, π.χ. τον ΤΕΠ του κόμβου 3. Άρα είναι κρίσιμο να καθοριστεί ο αριθμός των ΤΕΠ ανά ομάδα και ο τόπος που θα τοποθετούνται. Το σύνολο των εξυπηρετητών πολυμέσων μπορεί να διαμοιραστεί με βάση πολλά διαφορετικά σχεδιαστικά κριτήρια. Για παράδειγμα, αν η κύρια σχεδιαστική επιλογή είναι ο περιορισμός του κόστους επικοινωνίας, τότε το σύστημα πρέπει να διαμοιραστεί με βάση την απόσταση των κόμβων. Σε αυτή την περίπτωση, ΤΕΠ τοποθετημένοι μέσα σε μια περιορισμένη γεωγραφική απόσταση συγκροτούν μια ομάδα, ώστε να εξασφαλίζουν ότι η τοπική πρόσβαση στο δίκτυο θα εξυπηρετείται από έναν ΤΕΠ που ανήκει στη συγκεκριμένη ομάδα. Άλλο σχεδιαστικό κριτήριο διαχωρισμού είναι η δημιουργία ομάδων που έχουν κοινά ενδιαφέροντα. Ο διαχωρισμός αυτός οδηγεί σε περιορισμό του κόστους αποθήκευσης, μια και κάθε ΤΕΠ σε μια ομάδα με κοινά ενδιαφέροντα έχει ανάλογο περιεχόμενο. Έτσι, το περιεχόμενο που χρειάζεται για κάθε τοπικό κόμβο πρόσβασης είναι πολύ πιθανό να είναι το ίδιο, οπότε είναι αρκετό να υπάρχουν ένας με δύο ΤΕΠ εγκαταστημένοι σε αυτή την ομάδα.

38 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 µ 1 µ 2 3 2 4 1 µ 3 ATM µ μεταγωγέων που μεσολαβούν μέχρι να φτάσει η ταινία από τον ΤΕΠ στο χρήστη. Το μέγεθος του βίντεο μπορεί να υπολογιστεί ως το απαιτούμενο εύρος ζώνης για τη μεταφορά της ταινίας (σε Mbits/sec) επί το χρόνο που απαιτείται για τη μεταφορά (sec). Μέγεθος Ταινίας (Gbits) = (Απαιτούμενο Εύρος Ζώνης (Mb/s) x Διάρκεια Σύνδεσης (s) / 1000) Έτσι, για παράδειγμα, αν έχουμε μια ταινία που απαιτεί εύρος ζώνης 3 Mb/s και μεταφέρεται πάνω από ένα δίκτυο ευρείας ζώνης για 1.5 ώρα, ενώ μεταξύ του εξυπηρετητή και του χρήστη μεσολαβούν 2 ATM μεταγωγείς, τότε το κόστος επικοινωνίας είναι: Κόστος = (3 Mb/s x (1.5 x 3600 s ) /1000) x 2 = 32.4 Gbits switched Το κόστος αυτό μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε χρήματα, αν είναι γνωστό το κόστος ανά Gbits switched καθώς και το κόστος σύνδεσης μεταξύ των ATM μεταγωγέων. 4.3.2. Κόστος Αποθήκευσης Σχήμα 2: Ομαδοποίηση περιεχομένου και εξυπηρετητών Figure 2: Grouping of Content and Servers 4.3. Κριτήρια Κατανομής Περιεχομένου Για την κατανομή του περιεχομένου και των αντιγράφων στο μητροπολιτικό δίκτυο, λαμβάνονται υπόψη διάφορα στοιχεία μεταξύ των οποίων είναι και τα εξής: Στατιστικά στοιχεία σε σχέση με την πρόσβαση σε κάθε συγκεκριμένο μεταγωγέα, καθώς και τον αριθμό και το ρυθμό πρόσβασης σε κάθε ταινία. Η πληροφορία αυτή μπορεί να ληφθεί είτε από ανάλυση της αγοράς, είτε από μετρήσεις που γίνονται σε μια περιορισμένη φάση. Συγκέντρωση και ομαδοποίηση της πληροφορίας. Ο αριθμός των Ομάδων που θα συνδέονται με κάθε ATM μεταγωγέα και κάθε ΤΕΠ. Γεωγραφική/ τοπολογική πληροφορία. Ο συνολικός αριθμός των ATM μεταγωγέων, οι πίνακες δρομολόγησης με τις από άκρη σε άκρη συνδέσεις, και η απόσταση (μετρημένη σε αριθμό ενδιάμεσων ATM μεταγωγέων) στο μονοπάτι μεταξύ οποιωνδήποτε δύο μεταγωγέων της ίδιας ομάδας. Πληροφορία σχετικά με τους εξυπηρετητές. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά και οι δυνατότητες των ΚΕΠ και ΤΕΠ. Πληροφορία σχετικά με το περιεχόμενο. Ο χρόνος της αναμονής (σε ώρες), και το μέγεθος των ταινιών/ περιεχομένου (σε GBytes). Πιο συγκεκριμένα με βάση το κόστος και την απόδοση του μοντέλου μπορούμε να έχουμε τα εξής κριτήρια: 4.3.1. Κόστος Επικοινωνίας Το κόστος επικοινωνίας μιας σύνδεσης βίντεο μπορεί να περιγραφεί σαν το γινόμενο του μεγέθους της ταινίας (σε GBits) επί την απόσταση που μεταφέρεται. Ως απόσταση μπορούμε να θεωρήσουμε τον αριθμό των τοπικών ATM Το κόστος αποθήκευσης είναι το συνολικό μέγεθος σε GBytes που χρειάζονται για την αποθήκευση του περιεχομένου και πιθανών αντιγράφων. Το κόστος των δίσκων μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με την τεχνολογία, το χρόνο πρόσβασης και ανάκλησης και το μέγεθος του δίσκου. Επιπλέον, πολλοί μικροί δίσκοι οργανωμένοι σε πίνακες είναι πιο φτηνοί και έχουν το πλεονέκτημα της εύκολης αντικατάστασης, αλλά επειδή οι ταινίες συνήθως αποθηκεύονται σαν ενότητες είναι πολύ πιθανό να αφήνουν πολλά μικρά τμήματα ανεκμετάλλευτα. Από την άλλη πλευρά, μια ιεραρχική αποθήκευση σε Σκληρούς και Οπτικούς Δίσκους μπορεί να μειώσει και κατανείμει σημαντικά το κόστος. Εντούτοις, σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ δύσκολο να υπολογιστεί η απόδοση του συστήματος. Αν και το κόστος των δίσκων δεν είναι απολύτως ανάλογο του μεγέθους τους, μπορεί με καλή προσέγγιση να υπολογιστεί το κόστος αποθήκευσης, αν είναι γνωστό το κόστος ανά MByte. 4.3.3. Βαθμός Αντοχής σε Βλάβες Ο βαθμός αντοχής σε βλάβες είναι ιδιαίτερα σημαντικός, γιατί ορίζει το βαθμό αξιοπιστίας και τη διαθεσιμότητα του συστήματος. Ορίζεται ως το ποσοστό των αιτήσεων των χρηστών που μπορούν να ικανοποιηθούν και να ολοκληρωθούν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, ανεξάρτητα από τις συνθήκες που επικρατούν στο σύστημα (π.χ. βλάβες στους εξυπηρετητές, συγκρούσεις μεταξύ των αιτήσεων των χρηστών, υπερφόρτωση του συστήματος). Γενικά μπορούμε να διαχωρίσουμε τις απορρίψεις κλήσεων σε δύο κατηγορίες: Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι απορρίψεις κλήσεων που προκύπτουν κατά τη διάρκεια αποκατάστασης της κλήσης εξαιτίας αποτυχίας εύρεσης κατάλληλου εξυπηρετητή να εξυπηρετήσει την κλήση. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι απορρίψεις κλήσεων που προκύπτουν ενώ η κλήση έχει

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 39 αποκατασταθεί, αλλά διακόπτεται εξαιτίας προβλήματος στο σύστημα (π.χ. βλάβη του εξυπηρετητή, συγκρούσεις μεταξύ των αιτήσεων των χρηστών, υπερφόρτωση του συστήματος). Ο βαθμός αντοχής του συστήματος σε βλάβες εξαρτάται από τον τρόπο αποθήκευσης/ κατανομής του περιεχομένου και των αντιγράφων που έχουν αποθηκευτεί στο σύστημα. Επιπλέον, εξαρτάται από τον τρόπο διαχείρισης του συστήματος και την ικανότητα του δικτύου να βρει εναλλακτικό εξυπηρετητή πολυμέσων και να ανακατευθύνει την αίτηση του χρήστη. 4.3.4. Απόδοση του Εξυπηρετητή Η απόδοση του εξυπηρετητή ορίζεται ως ο αριθμός των παράλληλων ταινιών (ροές βίντεο και ήχου) που μπορεί να υποστηρίξει ταυτόχρονα ένας εξυπηρετητής με μια δεδομένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Ο αριθμός των παράλληλων ταινιών πολλαπλασιάζεται με τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης κάθε ροής για να δώσει κατά προσέγγιση την απαραίτητη απόδοση του εξυπηρετητή (σε Bbits/sec). Ο συνολικός αριθμός των ροών βίντεο που μπορεί να υποστηρίξει ένας εξυπηρετητής είναι περιορισμένος, όπως και ο αριθμός των ταυτόχρονων προσπελάσεων της ίδιας ροής βίντεο τόσο για τεχνικούς λόγους όσο και για λόγους πνευματικής ιδιοκτησίας του περιεχομένου. Αν η απόδοση του εξυπηρετητή υπερβαίνει κάποια σχεδιαστικά όρια, ο εξυπηρετητής θα πρέπει να βασίζεται σε κάποια ιδιαίτερα ισχυρή πλατφόρμα ή να υποστηρίζεται από ειδικά συστήματα παράλληλης μετάδοσης βίντεο, ώστε να μπορέσει να διατηρήσει την αναμενόμενη ποιότητα. Μελέτες για τη δομή του εξυπηρετητή, τη διάταξη των δίσκων και του συστήματος προσπέλασης των αρχείων μπορούν να βρεθούν στα [4-8]. Αν Ts είναι ο μέσος χρόνος για να διαβάσει από το δίσκο ο εξυπηρετητής ένα μπλοκ δεδομένων και να το μεταδώσει, και Tu είναι ο μέσος χρόνος που καλύπτουν τα δεδομένα σε βίντεο και ήχο για κάθε χρήστη, τότε ο μέγιστος αριθμός χρηστών n max που μπορεί να εξυπηρετήσει ο συγκεκριμένος εξυπηρετητής θα είναι: Tu nmax Ts Tu nmax Ts Έστω, R pl (frames/sec) ο ρυθμός που παίζεται το βίντεο, και d fr (frames/ block) τα δεδομένα που υπάρχουν ανά μπλοκ. Έστω ακόμα ότι το μέσο μέγεθος του frame είναι s fr (bits/frame), R dr (bits/sec) ο ρυθμός ανάκλησης του βίντεο από το δίσκο, και T dr (sec/ block) η καθυστέρηση μέχρι να βρεθεί το κατάλληλο μπλοκ στο δίσκο. Τότε θα έχουμε ότι: Tu dfr και Ts T R pl dr d οπότε τελικά ο μέγιστος αριθμός χρηστών θα είναι: dfr nmax dfr s fr Rpl Tdr R dr Για παράδειγμα, έστω ο ρυθμός που παίζεται το βίντεο είναι R pl = 25 frames /sec, και έστω ότι κατά μέσο όρο 1 αποθηκεύεται 1 frame/ block, και ότι κάθε frame έχει κατά μέσο όρο μέγεθος s fr = 0,3 Mb/frame, ο δίσκος έχει κατά μέσο όρο ρυθμό ανάκλησης R dr = 1Gb/sec και καθυστέρηση T dr = 1msec/block. Τότε ο μέγιστος αριθμός χρηστών που μπορούν να εξυπηρετηθούν είναι 30. Κατά συνέπεια, με 50 τέτοιους δίσκους μπορούν να εξυπηρετηθούν 1500 χρήστες. Αυτό όμως θα οδηγήσει σε προβλήματα στην απόδοση του εξυπηρετητή. Όλες αυτές οι προϋποθέσεις μπορεί να κάνουν τον εξυπηρετητή περιεχομένου ιδιαίτερα ακριβό. Κατά συνέπεια, μια από τις ανάγκες της κατανομής του περιεχομένου και δημιουργίας αντιγράφων σε διαφορετικούς εξυπηρετητές είναι να κατανεμηθούν και οι αιτήσεις των χρηστών, ώστε να κρατηθεί το κόστος του εξυπηρετητή συγκριτικά χαμηλό και ο βαθμός αξιοπιστίας του συστήματος υψηλός. 4.4. Κατανομή Περιεχομένου και Αντιγράφων Μια τεχνική για να βελτιωθεί η απόδοση του συστήματος χωρίς ουσιαστικά να αυξηθεί η απαραίτητη χωρητικότητα των δίσκων είναι να αποθηκεύεται σε κάθε εξυπηρετητή, η αρχή από κάθε ταινία (5-7 λεπτά) [9]. Με αυτό τον τρόπο, όταν μια ταινία επιλέγεται από το χρήστη, ένα μικρό κομμάτι της είναι ήδη στον ΤΕΠ, ενώ η υπόλοιπη αρχίζει να μεταφέρεται με μικρή προτεραιότητα μετά το πέρασμα κάποιου χρονικού διαστήματος, φυσικά μικρότερου από το αποθηκευμένο τμήμα. Με τον τρόπο αυτό όχι μόνο βελτιώνεται ο χρόνος που χρειάζεται για να ξεκινήσει μια ταινία, αλλά αυξάνει και η απόδοση του συστήματος, όταν ο χρήστης απλά δεν έχει ακόμα αποφασίσει για την ταινία που θα δει, και βλέπει λίγο από την αρχή κάθε μιας. Γενικά, η κατανομή του περιεχομένου και των αντιγράφων μπορεί να τυποποιηθεί σε ένα προγραμματιστικό πρόβλημα, αν είναι γνωστή η "δημοτικότητα" μιας ταινίας, δηλαδή με τι πιθανότητα θα την παρακολουθήσουν κάποιοι συνδρομητές. Αντίθετα, εμείς θα μελετήσουμε τέσσερις 1 Το μέγεθος κάθε frame μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Ιδιαίτερα αν χρησιμοποιείται κωδικοποίηση MEPG-II όπου τα I, P, B frames έχουν πολύ μεγάλη διαφορά μεταξύ τους. fr R dr s fr

40 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 ευριστικές μεθόδους υπολογισμού της κατανομής του περιεχομένου. 4.4.1. Μέθοδος 1 Η μέθοδος αυτή είναι η πιο απλοϊκή. Υποθέτει ότι ένας ΤΕΠ είναι συνδεδεμένος σε κάθε τοπικό ATM μεταγωγέα, και βασίζεται απλά σε στατιστικές μετρήσεις του αριθμού και του ρυθμού πρόσβασης σε κάθε ταινία. Το περιεχόμενο είναι τοποθετημένο στους επεξεργαστές σύμφωνα με αύξουσα σειρά του ρυθμού πρόσβασης από τον κάθε τοπικό μεταγωγέα. Αρχικά αποθηκεύεται στον τοπικό εξυπηρετητή το περιεχόμενο ή το είδος του περιεχομένου που προσπελαύνεται πιο συχνά από τους τοπικούς χρήστες. Η διαδικασία συνεχίζεται με βάση τη λίστα προτίμησης των χρηστών, μέχρι να καλυφθεί η χωρητικότητα του τοπικού εξυπηρετητή. Αν η ομαδοποίηση των ΤΕΠ γίνεται με βάση τα κοινά ενδιαφέροντα των χρηστών, κάθε ΤΕΠ μέσα στην ομάδα θα έχει ανάλογα περιεχόμενα. Έτσι, είναι πιθανό μια ταινία να αποθηκευτεί σχεδόν σε όλους τους ΤΕΠ μιας ομάδας, οδηγώντας σε υπερβολική επανάληψη του περιεχομένου. Από την άλλη, αν τα κριτήρια ομαδοποίησης των ΤΕΠ είναι άλλα, το αποτέλεσμα μπορεί να οδηγήσει σε τελείως διαφορετικό περιεχόμενο από εξυπηρετητή σε εξυπηρετητή μέσα στην ίδια ομάδα, με αποτέλεσμα έναν πολύ μικρό βαθμό επανάληψης του περιεχομένου και μικρή διαθεσιμότητα του συστήματος. 4.4.2. Μέθοδος 2 Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο που μοιάζει με τη μέθοδο βέλτιστης κατανομής αρχείων [10]. Η μέθοδος αυτή κατανέμει τα περιεχόμενα αντιμετωπίζοντας όλους τους ΤΕΠ μιας ομάδας σαν ένα κοινό σύνολο. Σκοπός αυτής της μεθόδου είναι ο περιορισμός του κόστους των τηλεπικοινωνιακών συνδέσεων, σε σχέση με τη χωρητικότητα του εξυπηρετητή. Βασική ιδέα της μεθόδου είναι ότι το περιεχόμενο είναι χωρισμένο σε διακριτά τμήματα μεταβλητού μεγέθους. Έτσι, προσπαθεί να τοποθετήσει όσο το δυνατό περισσότερα τμήματα περιεχόμενου μέσα σε προκαθορισμένο αριθμό εξυπηρετητών που ανήκουν σε μια ομάδα, λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη τις προτιμήσεις των χρηστών της ομάδας. Φυσικά ο αριθμός των εξυπηρετητών και της συνολικής τους χωρητικότητας μπορεί να διαφέρει από ομάδα σε ομάδα. Σε αυτή τη μέθοδο αντίγραφα του περιεχομένου δεν λαμβάνονται υπόψη. Ο αλγόριθμος επαναλαμβάνεται σε κάθε ομάδα, μέχρι να καλυφθούν όλες οι ομάδες. Έστω Ν και Μ ο αριθμός των ΤΕΠ και των ταινιών αντίστοιχα, και έστω c i και s j η χωρητικότητα του ΤΕΠ i και το μέγεθος της ταινίας j αντίστοιχα (σε GBytes). Έστω ακόμα ότι f ij το πλήθος των προσπελάσεων της ταινίας j από τον ΤΕΠ i σε έναν καθορισμένο χρόνο. Ο αλγόριθμός κατανομής συνοψίζεται στα επόμενα βήματα: Βήμα 1. Δημιούργησε έναν ταξινομημένο πίνακα από βάρη όπου κάθε στοιχείο θα έχει το βάρος κάθε ταινίας. Το βάρος υπολογίζεται σε μια συνάρτηση W ij = W(f ij,s j ). Βήμα 2. Αν ο πίνακας έχει αδειάσει, ο αλγόριθμος σταματά. Αλλιώς, για κάθε ταινία j επέλεξε τον ΤΕΠ i με το μεγαλύτερο f ij και αποθήκευσε την ταινία j στον ΤΕΠ i. Βήμα 3. Αν η χωρητικότητα c i του ΤΕΠ i δεν επαρκεί για την αποθήκευση της ταινίας, επέλεξε τον επόμενο ΤΕΠ k με τον αμέσως μικρότερο f kj. Βήμα 4. Ενημέρωσε τον πίνακα με τα βάρη, σβήσε τη γραμμή j από τον πίνακα, και πήγαινε στο βήμα 2. 4.4.3. Μέθοδος 3 Η μέθοδος 3, σε αντίθεση από τη μέθοδο 2, κατανέμει τα περιεχόμενα, αλλά επιπλέον δημιουργεί αντίγραφα του περιεχομένου για να αυξήσει την διαθεσιμότητά του και την αντοχή σε βλάβες. Τοποθετεί μέχρι δύο αντίγραφα από κάθε ταινία σε διαφορετικούς τοπικούς εξυπηρετητές πολυμέσων της ίδιας ομάδας χωρίς όμως να λαμβάνει υπόψη τους περιορισμούς στη χωρητικότητα των εξυπηρετητών. Η μέθοδος μπορεί να τροποποιηθεί, ώστε να αποθηκεύονται μέχρι ν > 2 αντίγραφα από κάθε ταινία μέσα στην ίδια ομάδα. Έστω Ν ο αριθμός των ΤΕΠ και f ij το πλήθος των προσπελάσεων της ταινίας j από τον ΤΕΠ i σε έναν καθορισμένο χρόνο. Ο αλγόριθμός κατανομής συνοψίζεται στα επόμενα βήματα: Βήμα 1. Δημιούργησε έναν ταξινομημένο πίνακα από βάρη όπου κάθε στοιχείο θα έχει το βάρος κάθε ταινίας. Το βάρος υπολογίζεται σε μια συνάρτηση W ij = W(f ij ). Βήμα 2. Αν ο πίνακας έχει αδειάσει, ο αλγόριθμος σταματά. Αλλιώς, για κάθε ταινία j επέλεξε τον ΤΕΠ i με το μεγαλύτερο f ij και αποθήκευσε την ταινία j στον ΤΕΠ i. Αν δύο εξυπηρετητές έχουν τον ίδιο ακριβώς ρυθμό προσπέλασης στην ταινία, επέλεξε τον ένα από τους δύο τυχαία. Βήμα 3. Επέλεξε τον επόμενο ΤΕΠ k με τον αμέσως μικρότερο f kj και αποθήκευσε ένα αντίγραφο της ταινίας και στον ΤΕΠ k. Βήμα 4. Ενημέρωσε τον πίνακα με τα βάρη, σβήσε τη γραμμή j από τον πίνακα, και πήγαινε στο βήμα 2. Στο σημείο αυτό μπορούμε να δούμε ένα παράδειγμα της μεθόδου. Έστω ο Πίνακας 2 με τις συχνότητες προσπέλασης ταινιών από διάφορους ΤΕΠ. Ξεκινάμε από την ταινία 1. Η ταινία έχει τη μεγαλύτερη συχνότητα προσπέλασης από τον ΤΕΠ 3. Για το λόγο αυτό αποθηκεύεται η ταινία 1 στον ΤΕΠ 3. Δεύτερο μεγαλύτερο ρυθμό προσπέλασης έχει για τη συγκεκριμένη ταινία ο ΤΕΠ 1. Για το λόγο αυτό αποθηκεύεται η ταινία και στον ΤΕΠ 1. Στη συνέχεια η γραμμή 1 διαγράφεται, και ο αλγόριθμος προχωρά στην ταινία 2. Όταν φτάσουμε στην ταινία 4, το πρώτο αντίγραφο αποθηκεύεται στον ΤΕΠ 1. Οι τοπικοί επεξεργαστές ΤΕΠ 3 και ΤΕΠ 4, έχουν τον ίδιο ρυθμό προσπέλασης στην ταινία και για το λόγο αυτό επιλέγεται τυχαία ο ένας από τους δύο. Η μέθοδος 3 εγγυάται ότι δύο αντίγραφα από κάθε ταινία θα αποθηκευτούν στην ομάδα των ΤΕΠ, κατά συνέπεια μπορεί να αντεπεξέλθει με επιτυχία 100% σε πιθανότητα

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 41 βλάβης σε έναν εξυπηρετητή. Το αντάλλαγμα βέβαια είναι το μεγαλύτερο κόστος σε δίσκους αποθήκευσης. 1 2 3 4 1 20 17 25 10 2 19 35 10 13 3 0 25 7 17 4 14 0 12 12 5 12 0 0 8 6 0 10 8 0 Πίνακας 2: Παράδειγμα με αριθμούς προσπέλασης ταινιών Table 2: Numerical example of movies access times. 4.4.4. Μέθοδος 4 Η μέθοδος 4 είναι ανάλογη με τη μέθοδο 3. Κατανέμει τα περιεχόμενα και δημιουργεί αντίγραφα. Εδώ όμως λαμβάνονται υπόψη και περιορισμοί στη χωρητικότητα των εξυπηρετητών που σημαίνει άμεσα ότι λαμβάνεται υπόψη και το κόστος. Η μέθοδος τοποθετεί μέχρι δύο αντίγραφα από κάθε ταινία σε διαφορετικούς τοπικούς εξυπηρετητές πολυμέσων της ίδιας ομάδας, μερικές ταινίες όμως που δεν είναι πολύ δημοφιλείς, μπορεί να μην αποθηκευτούν δύο αντίγραφα λόγω έλλειψης χώρου. Επειδή οι ταινίες δεν είναι δυνατό να αποθηκεύονται τμηματικά, σαν δεύτερο κριτήριο επιλογής ανάμεσα στις ταινίες είναι το μέγεθός τους, και ανάμεσα στους εξυπηρετητές ο διαθέσιμος αποθηκευτικός χώρος. Η μέθοδος μπορεί να τροποποιηθεί, ώστε να αποθηκεύονται μέχρι ν > 2 αντίγραφα από κάθε ταινία μέσα στην ίδια ομάδα. Έστω Ν και c i ο αριθμός των ΤΕΠ και η χωρητικότητα του ΤΕΠ i σε μια ομάδα, αντίστοιχα. Ο αλγόριθμος κατανομής συνοψίζεται στα επόμενα βήματα: Βήμα 1. Δημιουργούμε ένα πίνακα με βάρη της μορφής W ij = W(f ij,s j ), όπου f ij το πλήθος των προσπελάσεων της ταινίας j από τον ΤΕΠ i σε έναν καθορισμένο χρόνο και s j, το μέγεθος της ταινίας, και έναν πίνακα με τον ελεύθερο αποθηκευτικό χώρο κάθε ΤΕΠ. Βήμα 2. Αν ο πίνακας με τις ταινίες έχει αδειάσει ή όλοι οι εξυπηρετητές έχουν μηδενικό ελεύθερο χώρο, ο αλγόριθμος σταματά. Αλλιώς, επέλεξε την ταινία j με το απολύτως μεγαλύτερο f ij ανεξάρτητα του i και αποθήκευσε την ταινία j στον ΤΕΠ i. Αν δύο ταινίες έχουν τον ίδιο ακριβώς ρυθμό προσπέλασης, επέλεξε την ταινία με το μεγαλύτερο μέγεθος. Αν η ταινία έχει τον ίδιο ακριβώς ρυθμό προσπέλασης για δύο εξυπηρετητές επέλεξε τον εξυπηρετητή με το μεγαλύτερο ελεύθερο αποθηκευτικό χώρο. Αν η ταινία δεν χωράει στο συγκεκριμένο εξυπηρετητή, επέλεξε εκείνο τον εξυπηρετητή με τον αμέσως μικρότερο ρυθμό προσπέλασης που χωράει την ταινία. Αν η ταινία δεν χωράει σε κανένα τοπικό εξυπηρετητή, τοποθέτησέ την στον κεντρικό εξυπηρετητή. Βήμα 3. Επέλεξε τον επόμενο ΤΕΠ k με τον αμέσως μικρότερο f kj και αποθήκευσε ένα αντίγραφο της ταινίας και στον ΤΕΠ k, με βάση τους κανόνες ii-iv του βήματος 2. Βήμα 4. Ενημέρωσε τον πίνακα με τις ταινίες και τον πίνακα με τον ελεύθερο χώρο των εξυπηρετητών, σβήσε τη γραμμή j από τον πίνακα, και πήγαινε στο βήμα 2. 4.4.5. Μέθοδος 5 Η μέθοδος 5 κατανέμει τα περιεχόμενα και δημιουργεί αντίγραφα. Εδώ όμως λαμβάνονται υπόψη και περιορισμοί στη χωρητικότητα των εξυπηρετητών που σημαίνει άμεσα ότι λαμβάνεται υπόψη και το κόστος καθώς και οι δυνατότητες του εξυπηρετητή. Αυτό έχει πρακτικά το νόημα ότι, αν όλες οι δημοφιλείς ταινίες τοποθετηθούν στον ίδιο εξυπηρετητή, αυτό θα τον υπερφορτώσει με αποτέλεσμα να μην είναι σε θέση να εξυπηρετήσει τους χρήστες με την απαιτούμενη ποιότητα. Για το λόγο αυτό εισάγουμε έναν ακόμα παράγοντα: το βαθμό χρησιμοποίησης u i του εξυπηρετητή ΤΕΠ i. Ο βαθμός αυτός αλλάζει κάθε φορά που μία νέα ταινία αποθηκεύεται σε ένα συγκεκριμένο εξυπηρετητή πολυμέσων. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιήσει ακριβώς τα ίδια βήματα με τη μέθοδο 4 με τη διαφορά ότι το βάρος μπορεί να υπολογίζεται με βάση μια συνάρτηση της μορφής: W ij = W(f ij,s j,u i ) 4.5. Πλήθος Δίσκων και Αντιγράφων ανά Εξυπηρετητή Μέχρι τώρα υποθέσαμε ότι δεν υπάρχει περιορισμός στο πλήθος των συνδρομητών που μπορούν να προσπελάσουν μια ταινία. Έτσι υποθέταμε ότι υπό φυσιολογικές συνθήκες ένα αντίγραφο της ταινίας ανά ΤΕΠ είναι αρκετό για να εξυπηρετήσει όλους τους συνδρομητές που θέλουν ταυτόχρονα πρόσβαση σε αυτή την ταινία. Στην πραγματικότητα όμως υπάρχει περιορισμός και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος και την τεχνολογία των αποθηκευτικών μονάδων του εξυπηρετητή. Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε το πλήθος των δίσκων που είναι απαραίτητοι ανά ΤΕΠ, ώστε να μπορεί να εξυπηρετήσει όλους τους συνδρομητές που είναι εκείνη τη στιγμή συνδεδεμένοι. Έστω λοιπόν ένας ΤΕΠ με Μ ταινίες και Κ συνδρομητές που είναι συνδεδεμένοι. Κάθε συνδρομητής προσπελαύνει μια ταινία ή ένα αντίγραφό της. Οι Μ ταινίες είναι κατανεμημένες σε δ δίσκους του ΤΕΠ. Η επιλογή των ταινιών που θα αποθηκευτούν σε κάθε ΤΕΠ, μπορεί να βασίζεται στην πιθανότητα η συγκεκριμένη ταινία να προσπελαστεί από κάποιο χρήστη [11]. Για παράδειγμα, η συνολική δημοτικότητα των ταινιών ενός ΤΕΠ μπορεί να εκφραστεί από ένα διάνυσμα της μορφής: P p1, p2,..., p όπου p i i 1 1 Η πιθανότητα να προσπελαστεί μια ταινία μπορεί να αλλάζει από μέρα σε μέρα ή και από ώρα σε ώρα. Επιπλέον, μια νέα ταινία μπορεί να προστεθεί στο σύνολο των ταινιών

42 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 που έχουμε ήδη αποθηκεύσει στον ΤΕΠ, αλλάζοντας τις πιθανότητες να επιλεγεί μια από τις υπάρχουσες ταινίες. Στην επόμενη παράγραφο θα ασχοληθούμε με την αξιολόγηση της δημοτικότητας των ταινιών. Προς το παρόν θα θεωρήσουμε ότι η πιθανότητα επιλογής μιας ταινίας είναι σταθερή για το διάστημα που μελετούμε. Έστω ότι ο ΤΕΠ έχει μια ομάδα από συνολικά δ δίσκους, και ότι κάθε δίσκος j, μπορεί να αποθηκεύσει μ j ταινίες. Τότε θα ισχύει: M j i1 Αν μια ταινία i έχει N ci αντίγραφα, τότε αν έχουν μεταξύ τους την ίδια πιθανότητα να προσπελαστούν, η πιθανότητα να προσπελαστεί ένα από αυτά θα είναι p ci : ή pmax K K Το κάτω όριο αντιστοιχεί στην κάλυψη των αιτήσεων πρόσβασης στην πιο δημοφιλής ταινία, ενώ το άνω όριο στην ακραία περίπτωση που κάθε δίσκος αποθηκεύει μόνο μια ταινία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, το άνω και το κάτω όριο του αριθμού των δίσκων σε σχέση με τον αριθμό των χρηστών είναι αρκετά μεγάλο, δίνοντας τη δυνατότητα να επιλεγεί ο καταλληλότερος λόγος μεταξύ απόδοσης και κόστους, ανάλογα με την επιθυμητή ποιότητα των προσφερόμενων υπηρεσιών. p ci pi N ci Αν κάθε δίσκος υποστηρίζει περιορισμένο αριθμό προσπελάσεων λ, τότε το κάτω όριο για τον αριθμό των αντιγράφων N ci για μια ταινία i θα είναι: pi K N ci και πραγματοποιείται στην περίπτωση που όλοι οι δίσκοι χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για να εξυπηρετήσουν Κ συνδρομητές που θέλουν να παρακολουθήσουν την ίδια ταινία. Εντούτοις, το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα ακραίο και μπορεί να αποφευχθεί αυξάνοντας προσωρινά τον αριθμό των δίσκων του συστήματος. Τοποθετώντας περισσότερα του ενός αντίγραφα της ίδιας ταινίας στον ίδιο δίσκο, δεν έχουμε στην ουσία κανένα ιδιαίτερο όφελος, και ενώ ο μέγιστος αριθμός των ταυτόχρονων προβολών που μπορεί να υποστηρίξει είναι λ, καταναλώνεται περισσότερος χώρος στο δίσκο. Έτσι, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το πλήθος των αντιγράφων μιας ταινίας i ανά ΤΕΠ ορίζεται από τη σχέση: pi K N ci Αν p max είναι η πιθανότητα να προσπελαστεί η πιο δημοφιλής ταινία, τότε ο μεγαλύτερος αριθμός αντιγράφων μιας ταινίας N cmax θα είναι : p max K N c max Ως άνω όριο για τον αριθμό των δίσκων που θα έχει κάθε ΤΕΠ μπορεί να οριστεί το σύνολο των απαιτήσεων που δημιουργούνται για κάθε ταινία. Έτσι θα έχουμε: M pmax K pi K i1 Σχήμα 3: Αναλογία Αριθμού Χρηστών και Δίσκων. Figure 3: Number of Users per Disk Το πλήθος των δίσκων μπορεί να μεταβληθεί αν χρησιμοποιηθούν διάφοροι αλγόριθμοι που τεμαχίζουν την ταινία και την αποθηκεύουν σε διαφορετικούς δίσκους. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να αυξάνουν τον αριθμό των ταυτόχρονων προσπελάσεων σε μια ταινία, χωρίς να αυξάνουν τα αντίγραφά της, μια και τα τμήματα είναι σε διαφορετικούς δίσκους [9], [12],[13],[14], [15]. Αν μια ταινία είναι τεμαχισμένη σε τ δίσκους και ο μέγιστος αριθμός ταυτόχρονων προσβάσεων σε ένα δίσκο είναι λ, τότε την ίδια ταινία μπορούν να παρακολουθούν μέχρι τ x λ χρήστες.

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 43 4.6. Ακροαματικότητα του Περιεχομένου Όπως εκτενώς έχουμε δείξει μέχρι στιγμής, λόγω κόστους δεν είναι δυνατό να αποθηκεύσουμε όλες τις ταινίες σε κάθε ΤΕΠ. Εντούτοις, αν μπορούσε να προβλεφθεί η ακροαματικότητα/δημοτικότητα κάθε ταινίας, θα ήταν δυνατό να επιλέξουμε τις ταινίες που θα τοποθετηθούν σε κάθε ΤΕΠ, με τέτοιο τρόπο ώστε να εγγυηθούμε μεγαλύτερο βαθμό επιτυχίας και πολύ μεγαλύτερη απόδοση στο σύστημα. Μια απλή εκτίμηση της δημοτικότητας μιας ταινίας που βασίζεται στο αριθμό των συνδρομητών που παρακολούθησαν μια ταινία τις προηγούμενες μέρες δίνεται στο [17]. Έτσι, αν K i (t-1) και K i (t-2) είναι ο αριθμός των συνδρομητών που παρακολούθησαν την ταινία i τις δύο προηγούμενες ημέρες, ο αριθμός που θα την παρακολουθήσουν την επόμενη K i (t) δίνεται από τον τύπο: K i (t) = 2K i (t-1) - K i (t-2), με K i (t) 0 Με βάση αυτή την πρόβλεψη, η δημοτικότητα μιας ταινίας μπορεί να υπολογιστεί σαν: p i M K ( t) j1 i K j ( t) Όταν μια νέα ταινία αποθηκεύεται στον ΤΕΠ, τότε της δίνεται μια αυθαίρετη τιμή, η οποία μπορεί να κυμαίνεται ανάλογα με το θέμα και τα σχόλια που έχει δεχτεί η ταινία. Διάφορα μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί για να δώσουν μια πιο ρεαλιστική μορφή στη δημοτικότητα του περιεχομένου. Μια προσπάθεια οδήγησε στην μοντελοποίηση του VCR ελέγχου από την πλευρά του χρήστη [18], ενώ μια άλλη προσπαθεί να βελτιστοποιήσει την προσωρινή μνήμη ενός ΤΕΠ χρησιμοποιώντας την Zipf κατανομή [19]. Στη συνέχεια θα μελετήσουμε δύο μοντέλα υπολογισμού της δημοτικότητας των ταινιών. 4.6.1. Κατανομή Zipf Αν Μ είναι ο αριθμός των διαθέσιμων ταινιών, και i είναι ο δείκτης του τίτλου μιας ταινίας στη λίστα των ταινιών, η πιθανότητα να επιλεγεί η ταινία αυτή σύμφωνα με την Zipf κατανομή περιεχομένου είναι : p i C i όπου C=1/(1+1/2+...+1/M). Πρέπει να παρατηρήσουμε ότι ο τύπος αυτός είναι στατικός και ανεξάρτητος από τον αριθμό των χρηστών που προσπελαύνουν μια ταινία. µ Σχήμα 4: Σύγκριση πιθανότητας επιλογής με τη Zipf κατανομή. Figure 4: Zipf distribution of the movie selection probability Στο Σχήμα 4 συγκρίνουμε την πραγματική 2 [5] πιθανότητα επιλογής μιας ταινίας με την κατανομή Zipf, θέτοντας το πλήθος των ταινιών Μ=250. Είναι φανερό ότι η κατανομή Zipf, αν και πολύ κοντά στη πραγματική πιθανότητα, είναι υπεραισιόδοξη σε μικρές δημοτικότητες. Η πάνω πλευρά της καμπύλης μπορεί να προέρχεται όχι από μείωση της δημοτικότητας των ταινιών, αλλά από έλλειψη αντιγράφων. Η κάτω πλευρά της καμπύλης δεν επηρεάζεται από αυτό τον παράγοντα, αλλά δείχνει ότι η διαφορά μεταξύ της πραγματικής και της θεωρητικής καμπύλης είναι μεγαλύτερη. Κατά συνέπεια, η κατανομή Zipf καλύπτει τη χειρότερη περίπτωση, υποτιμώντας τη δημοσιότητα σε λίγες τιμές που μπορεί να έχει επίπτωση σε εξυπηρετητές πολύ κοντά στους χρήστες. 4.7. Δυναμική Κατανομή Η κατανομή Zipf είναι κατά κάποιο τρόπο στατική και δεν περιλαμβάνει κάποιο κύκλο ζωής για τις ταινίες. Μια άλλη προσέγγιση είναι να δημιουργήσουμε ένα δυναμικό μοντέλο κατανομής που να υπολογίζει τη δημοτικότητα μιας ταινίας βασιζόμενη στη πιθανότητα ενοικίασης της ταινίας. Δυναμική κατανομή μπορεί να επιτευχθεί υπολογίζοντας την κατανομή Zipf για διάφορες ταινίες, και στη συνέχεια εναλλάσσοντας τις τιμές τους ανά μέρα. Με τις εναλλαγές γίνεται προσπάθεια μοντελοποίησης της δυναμικής αλλαγής της δημοτικότητας κάθε ταινίας από μέρα σε μέρα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, η μοντελοποίηση της δημοτικότητας ταινιών με εναλλαγές μπορεί να συγκριθεί με την πραγματική δημοτικότητα των ταινιών, Σχήμα 6. 2 Τα πειράματα έγιναν στα πλαίσια του ερευνητικού έργου ACTS AMUSE (AC011) σε 7 Ευρωπαϊκές πόλεις: Μιλάνο (Ιταλία), Μόναχο (Γερμανία), Βασιλεία (Ελβετία), Ρέικιαβικ (Ισλανδία), Κέιμπριτζ (Αγγλία), Μόνς (Βέλγιο), Αβέιρο και Λισσαβόνα (Πορτογαλία). Οι τοποθεσίες επιλέχτηκαν με σκοπό να δοκιμαστούν διάφορες τεχνολογίες πρόσβασης (ADSL, HFC, FTTC/FTTB, ATM PON), τηλεπικοινωνιακές υποδομές, υπηρεσίες, κατηγορίες χρηστών.

44 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 µ τελείως υποκειμενικό και βασίζεται σε ανεξάρτητους παράγοντες, από τη διαφημιστική καμπάνια μιας ταινίας μέχρι την ψυχολογία του χρήστη τη συγκεκριμένη στιγμή. Τέλος, η δημοτικότητα μπορεί να αλλάζει αρκετά γρήγορα, από μέρα σε μέρα, αλλά πολλές φορές ακόμα και από ώρα σε ώρα ανάλογα με το κοινό που απευθύνονται, π.χ. άλλες ταινίες - εκπομπές προορίζονται για το πρωί, το απόγευμα και το βράδυ που το ακροατήριο διαφέρει πολύ. Εντούτοις, τα μοντέλα που μελετήσαμε μπορούν να δώσουν μια αρκετά ρεαλιστική εικόνα της πραγματικότητας. µ Σχήμα 5: Δημοτικότητα ταινιών με εναλλαγές Figure 5: Popularity of movies with exchanges µ µ Σχήμα 6: Πραγματική Δημοτικότητα ταινιών Figure 6: Real Popularity of movies 5. ΣΥΜΠΕΡAΣΜΑΤΑ Στη δημοσίευση αυτή μελετήσαμε διάφορες αρχές σχεδιασμού κατανεμημένων συστημάτων παροχής ολοκληρωμένων υπηρεσιών και ασχοληθήκαμε με διάφορα σενάρια κατανομής του περιεχομένου και δημιουργίας αντιγράφων. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η σωστή πρόβλεψη της δημοτικότητας μιας ταινίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για την απόδοση ολόκληρου του συστήματος. Αν γνωρίζουμε τι θα επιλέξει ο χρήστης, όχι μόνο γίνεται καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του συστήματος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν λιγότεροι δίσκοι ή αντίγραφα ταινιών που κατά πάσα πιθανότητα δεν θα επιλεγούν, αλλά και βελτιώνεται η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Οι προβλεπόμενες επιλογές των συνδρομητών μπορούν να φορτώνονται στους ΤΕΠ σε ώρες μη αιχμής, έτσι ώστε όταν τις ζητάει ο χρήστης να είναι ήδη στον κατάλληλο εξυπηρετητή. Από την άλλη, όπως φάνηκε, κάτι τέτοιο είναι αρκετά δύσκολο γιατί η δημοτικότητα μιας ταινίας είναι κάτι 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Th.Zahariadis, C. Rosa, M. Pellegrinato, A. Lund, G. Stassinopoulos, "Interactive Multimedia Services to Residential Users", IEEE Communications Magazine, Special Issue on Residential Networks, June 1997 [2] Tsong-Ho Wu, I. Korpeoglu, B. Cheng, "Distributed Interactive Video System Design and Analysis," IEEE Communications Magazine, March 1997, pp.100-108 [3] J. Gemmell, H. Vin, D. Kandul, L. Rowe, "Multimedia Storage Servers: A Tutorial," IEEE Computer Magazine, May 1996,n pp.40-49 [4] Harrick Vin, V. Rangan, "Design a Multiuser HDTV Storage Server," IEEE Journal on selected areas in communications, vol. II,No1,January 1999, pp.153-164 [5] G.Gallassi, Th.Zahariadis,G.Stassinopoulos "Advanced Multimedia Services for Residential Users", Proc. Networking and Information Services in the CEE Countries, Blagoevgrad, Bulgary, July 1996, pp. 49-62, [6] C. Federighi, L. Rowe, "A Distributed Hierarchical Storage Manager for Video-on-Demand System," Storage and Retrieval for Image and Video database II, Symp. On Elec. Imagging Sci. & Tech., San Jose, CA, February 1994. [7] T.D.C. Little, D. Venkatesh, "Probabilistic Asignment of Movies to Storage Devices in a Video-On-Deman System," Proc. 4th Intl. Workshop on Network and Operating System Support for Digital Audio and Video, Lancaster UK, November 1992 [8] Th.Zahariadis, D. Kalivas "A Spiral Search Algorithm for fast estimation of block motion vectors", Proc. EUSIPCO-96, Vol II, pp. 1079-1082, Trieste, Italy, September 1996 [9] J. Gemmell, H. Vin, D. Kandlur, V. Rangan, L. Rowe, "Multimedia Storage Servers: A Tutorial," IEEE Computer Managize, vol. 28, issue 5, May 1995 [10] D. Bell, "Discrete Optimization Algorithms," Addison Wesley, 1992 [11] R. Ramarao, V. Ramamoorthy, "Architecture Design of On- Demand Video Delivery Systems: The Spatio-Temporal Storage Allocation Problem," IEEE ICC'91, 1991 [12] B. Ozden, R. Rastogi, P. Shenoy, A. Silberschatz, "Fault-tolerant Architectures for Continuous Media Serves," ACM SIGMOD Conference on the Management of Data, Montreal, Canada, June 1996, pp. 79-90 [13] M. Chen, D. Kandlur, Ph. Yu, "Support of Fully Interactive Playout in a Disk-Array-Based Video," ACM Multimedia '94, ACM Press, San Francisco, Oct. 1994 [14] M. Ko, I. Koo, "An Overview of Interactive Video on Demand System," University of British Columbia, Dec. 1996 [15] R. Krishnan, D. Venkatesh, T.D.C. Little, "A Failure and Overload Tolerance Mechanism for Continuous Media Servers," ACM Multimedia 97, Seattle, USA, November 1997 [16] T.D.Little,D.Venkatesh,"Popularity-Based Assignment of Movies to Storage Devices in a Video-on-Demand System," ACM Multimedia Systems, 1994

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 45 [17] A. Dan, D. Sitaram, "A Generalized Interval Caching Policy for MIxed Interactive and Long Video Workloads," IBM Research Division, RC 20206 (89404), 9/28/95 [18] J.P. Nussbaumer, B. Patel, F. Scaffa, J. Sterbenz, "Networking requirements for interactive video on demand," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 13(5), pp. 779-787, 1995 [19] C. Griwodz, M. Bar, L. Wolf, "Long-term Movie Popularity Models in Video-on-Demand Systems," ACM Multimedia Systems, November 1997. [20] A. Dan, D. Sitaram, "Buffer Management Policy for an On- Demand Video Server," IBM Research Division, RFC 19347 Θ. ΖΑΧΑΡΙΑΔΗΣ Μηχανικός Η/Υ & Πληροφορικής Δρ Ηλ. Μηχ & Μηχ Υπολ. ΕΜΠ Ellemedia Technologies Συγγρου 223 & Τραλαίων, Αθήνα Τηλ.+30 1 9373097, Φαξ. +30 1 9370386 e-mail: zahariad@ellemedia.com

46 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 EXTENDED ABSTRACT METHODS OF MULTIMEDIA CONTENT AND CONTROL DISTRIBUTION IN BROADBAND NETWORKS Th. ZAHARIADIS Computer Engineer & Informatics Dr. Electrical & Computer Engineer Abstract The requirements of an interactive multimedia broadband metropolitan network are really enormous. However, apart from the technical difficulties, a critical factor for system success is the cost of the network installation and operation. In this paper, we are going to face two critical issues that affect the structure of a broadband network: the control and the content distribution. The cost of communications, the cost of storage, the fault tolerance, the servers' efficiency along with the content publicity are some of the factors that are analyzed and studied both theoretically, and through simulations and field experiments. 1. INTRODUCTION The provisioning of multimedia services to million of users introduces multiple technological and technical problems [1]. On the other hand economical factors play a critical role. The cost finally defines the technical requirements and the "appropriate" infrastructure, and specifies the boundary between the solutions that are acceptable or not. Thus some of the major requirements of an integrated architecture for interactive multimedia services are directly or indirectly derived from the system cost. The requirements include the system efficiency and availability, the reliability, the system fault tolerance and the scalability. In the paper we study the problem of the distribution of the services control and compare the cases of centralized and distributed control. Apart from the end-to-end architecture, the allocation of roles to intermediate nodes in the network is also critical. In this way the storage requirements can be limited and the complexity can be reduced, while the system efficiency and robustness are increased. In this paper, an allocation of control and operation functions along with content distribution to intermediate nodes is proposed, taking into account the efficiency, reliability and scalability of the end-to-end system. 2. CONTROL ALLOCATION In this paper two major architectures for control allocation/ distribution in interactive multimedia networks are analyzed: the architecture of centralized control and the architecture of distributed control. By the term centralized control architecture we do not mean that a single server is allocated for all the users or provides all services for specific users. Instead we mean that a single server provides specific services to specific users e.g. in case of a Video on Demand (VoD) application all the content, control and signaling functions are handled by a single control server. In case of centralized control architecture, the content processing and distribution takes place at the Central Control Server (CCS). If the CCS is out of order or unable to serve existing or forthcoming requests, the system efficiency is dramatically reduced, unless there is a backup CCS to takeover. In case of distributed control architecture, the CCS functionality is distributed to Local Control Servers (LCS). A Level 1 Gateway or a combination of SCPs and intelligent terminals may select the most appropriate LCS location. If an LCS is attached to a local switch, then it can be the default server of the switch. However, for economical reasons it may not be feasible to assign one LCS per switch. In that case the subscribers may be served by an LCS attached to a different switch or a CCS, while the calls should be re-routed and amortized for better fault tolerance. On the other hand, the main advantage of distributing the functionality of the CCS is to reduce the cost of communications, enabling the users to access the content locally. The final structure of the multimedia network architecture is affected by the subscriber access network architecture along with the decisions in boosting the services. For example, a choice could be to locate all the movies to each LCS as long as they have great popularity and keep Submitted: Oct. 9. 2001 Accepted: Nov. 4. 2002

Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 47 only one copy in the CCS as soon as their popularity is reduced. The proposed distributed architecture is the Hierarchical structured. It may vary from a two layers architecture with one CCS and multiple LC, to a multi-layer schema with many intermediate servers. The number of servers may vary according to network size and cost, servers' volume and cost, and network response time and efficiency requirements. By comparing the distributed network architecture with the central control architecture, the latter may have a smaller average number of connections, lower cost and increased reliability, but increased requirements regarding local storage capacity. A comparison is shown in Table 1. 3. CONTENT DISTRIBUTION The content distribution is the next critical issue in interactive multimedia networks. Main parameters include the available storage capacity, the Quality of Service, the response time and the fault tolerance. We have to notice that the appropriate location for storage of content strongly depends on the service's type. For example, in the case of an application with static, predefined content e.g. Movies on Demand, we considered as critical the storage location of the movies, while in the case of applications without predefined content (e.g. access to the Internet), we considered as critical the size and the storage location of caching data. 3.1. Central System Storage In the case of central system storage, each broadband service provider owns at least one Central Control Server, where all content is stored, while there are replicas or copies locally distributed. Thus no extra intelligent algorithms are required for the content selection. However, internal copies of the content may exist, in order to increase the number of parallel transmissions and enhance the system fault tolerance and system efficiency. There is a number of approaches to the design of parallel systems and disk arrays able to increase the system efficiency [3][4]. 3.2. Distributed System Storage The main advantage of storing the content in a distributed system is the optimization of the system's resources. The selection of the storage location however, is a decision based on the design and structure of the end-to-end architecture. The approach proposed in this paper is the grouping of switches/routers. Each group according to geographical, regional, economical, political and administrative reasons includes a number of LCS and switches [5]. Figure 2 shows a system architecture organized in 3 groups that may or not have dedicated LCS. 3.3. Content Distribution criteria Content distribution is based on the following criteria: Statistical data concerning access to a specific switch, along with the number and rate of access to each movie. Grouping of the information Number of Users per Server Geographical/topological information counted in kilometers or intermediate nodes. Information concerning the nodes and the servers. Information concerning the content (play time, size, number of movies) In more details the cost and the efficiency of the system are evaluated using the following criteria: 1. Communications Cost 2. Storage Cost 3. Fault tolerance Servers efficiency 3.4. Content and Copies Distribution One method to enhance the efficiency of the content distribution system, without increasing the capacity of the hard disks is to store only the start of the movie (5-6 minutes) in each LCS [9]. In this way if a movie is selected, a small part is already available, while the rest can be transferred with minor priority; thus the system response time is dramatically reduced. Moreover, the system efficiency is increased especially when the user just zaps between movies or finally decides not to watch a movie at all. In general, content distribution and creation of copies can be modeled according to movies' popularity, that is the probability of a movie's being watched. In this paper four methods of content distribution are analyzed in the case where movies' popularity is not known. 3.5. Number of Disks and Copies per Server Until now we have assumed that there is no limit on the number of subscribers that can access a movie. However, there is an upper bound that depends on server hard disks type and technology. Lets us assume that a LCS has Μ movies and Κ subscribers. Each subscriber accesses a movie or a movie replica. The M movies are distributed in δ disks. The selection of the movies that are going to be stored may be based on the probability that a specific movie to be accessed by a user [11]. In this paper, we estimate the upper and the lower bounds of hard disks in the server that provide the maximum efficiency with the lowest cost. The number of disks may be decreased if the movies are fragmented. In this way the number of simultaneous accesses is increased as the segments may be in different disks [9], [12],[13],[14], [15]. If a movie is fragmented in τ

48 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, IIΙ, τεύχ. 1&2 2001, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1&2 disks and the maximum number of simultaneous accesses in a disk is λ, then the number of users that can access the film is τ x λ. 3.6. Content Popularity As has been shown before, due to cost limitations it is not possible to store all movies on each LCS. However if we could estimate the content popularity, it would be feasible to select the movies that are going to be stored in each LCS in such way that guarantees the best hit rate and the maximum efficiency. A simple estimation of the content popularity based on the number of subscribers that have watched the movie is given in [17]. When a new movie is stored in an LCS, then it is assigned an arbitrary value. Various models have been used in order to provide a more realistic form in content popularity [18], [19]. Two of them are analyzed in the paper. 3.6.1. Zipf Distribution Let us assume that Μ is the number of available movies and i is the movie title index in a list of movies. Then the probability of selecting this movie according to Zipf distribution is given by a static equation that is independent of the number of users that select the movie. In Figure 4, we compare the Zipf distribution with real measurements 3 [5]. The graph 250 is based on a selection of 250 movies (Μ=250). It is clear that the Zipf distribution is very close to the actual probability, but rather overoptimistic regarding the movies with small publicity. 3.7. Dynamic distribution The Zipf distribution is rather static and does not include any movie lifecycle. A more accurate approach is to define a dynamic distribution model that takes into account the Zipf distribution and then changes the values day by day using feedback of accurate measurements. As shown in Figure 5, the results of dynamic modeling are comparable with the accurate movies' publicity as shown in Figure 6. 4. CONCLUSIONS In this paper, we have studied various distributed architectures for the provision of interactive multimedia services, focusing on the control and the content distribution issues. It is important to underline that correct prediction of the popularity and the rating of the movies is very critical for the effectiveness and the efficiency of the end-to-end system. If the user selection is a priori known, the system resources can be utilized much more efficiently, while the quality is dramatically increased. However, the prediction of each movie's popularity is quite difficult, as it is subject to independed factors including advertisement, other events, season and holidays, audience. Finally, the popularity may vary drastically and change even according to the time of day. 3 The experiments took place within the research project ACTS AMUSE (AC011) in 7 European cities: Milan (Italy), Munich (Germany), Basil (Switzerland), Reykjavik (Iceland), Cambridge (England), Mons (Belgium), Aveiro and Lisbon (Portugal). The locations were selected in order to test various access technologies (ADSL, HFC, FTTC/FTTB, ATM PON), telecom infrastructures, services, user groups etc.. Th. ZAHARIADIS Computer Engineer & Informatics Dr. Electrical & Computer Engineer