Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. Nieves Mabel Leiva Cáceres Facultad Politécnica - UNE. Ciudad del Este - Paraguay [email protected] Resumen El presente trabajo propone la utilización de herramientas de código abierto para la configuración y puesta a punto de un servidor de video streaming para posibilitar actividades de teleformación sin sobrecargar la red de comunicación. Fueron utilizados dos herramientas distintas, PHPmotion para emisión de videos bajo demanda y Red5 para emisión de videos en vivo. Para realizar las pruebas se utilizó una red wireless de 36Mbps y una red cableada de 100Mbps. Los resultados muestran que la tecnologı́a streaming es una solución válida para el propósito deseado. Descriptores: video streaming, servidor de videoconferencia, Red5, streaming código abierto, PHPmotion. Abstract This works proposes the use of open source tools for setting a video streaming server to allow telecomunication activities without overloading the communication network. Two different tools were used: PHPmotion for streaming videos on demand, and Red5 for live broadcast. A 36Mbps wireless network and a 100Mbps wired network were used for testing. The results show that streaming technology is a valid solution for this purpose. Keywords: streaming video, videoconference server, Red5, open source streaming, PHPmotion. 1. Introducción. La evolución de Internet y de las nuevas tecnologı́as, junto con el incremento del ancho de banda, posibilitan la difusión de contenidos multimedia tales como el streaming de video y audio. Media streaming es un término utilizado para hacer mención a productos y técnicas que tienen el objetivo de difundir contenidos multimedia, donde tales contenidos pueden ser visualizados en el lado cliente sin la necesidad de esperar la descarga completa del archivo [1]. Antes del surgimiento de esta tecnologı́a, para visualizar un contenido multimedia era necesaria la descarga completa del archivo a la computadora y solo después era posible reproducirlo [2]. Con el streaming se ha pasado a ver y a oı́r contenidos multimedia en tan solo algunos segundos, ya que la transmisión se realiza mediante el envı́o de pequeños paquetes de información que llegan justo en el momento de ser visualizados, ya sea en directo o diferido. De esta forma, la carga sobre la 1 Acción red es más ligera que si se envı́a un fichero entero de una sola vez. Un servidor de Media Streaming es un elemento importante para actividades de teleformación1 . Permite ofrecer como recurso educativo verdaderas presentaciones virtuales multimedia, en directo o bajo demanda. Los servidores pueden proporcionar dos tipos de contenidos (Fig. 1) [1]: • Video bajo Demanda (VoD): Los contenidos son previamente almacenados en el servidor y los usuarios tienen acceso a los mismos en el momento que deseen. • Emisión en vivo: En el cuál el video es capturado, codificado y emitido a través de la red en tiempo real. formativa a través de Internet sin limitaciones de horario ni lugar de impartición. Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. Fig. 1. Instalación de un servicio de video streaming. El presente trabajo busca proporcionar una herramienta que auxilie a las instituciones educativas en sus actividades formativas. El sistema propuesto posibilitará a las mismas transmitir y poner a disposición de su comunidad educativa videos tutoriales, charlas, cursos y cualquier actividad relevante llevada a cabo por la institución, en forma de videos bajo demanda o videos en vivo. herramienta de código abierto llamada IPerf [6], que mide el rendimiento de una red creando flujos de datos TCP y UDP. Las mediciones realizadas utilizando el protocolo TCP determinan el ancho de banda efectivo, mientras que las realizadas utilizando el protocolo UDP, calculan el jitter4 y la cantidad de pérdida de paquetes. En las Figuras No 2 y No 3, son mostradas las mediciones obtenidas del ancho de banda efectivo en las conexiones inalámbrica y cableada, utilizadas en las pruebas de este trabajo. Fig. 2. Medición del ancho de banda efectivo en la red inalámbrica. 2. Materiales Los recursos utilizados para la implementación y para la realización de pruebas fueron: 2.1. Recursos de software. Para la instalación y configuración del servidor streaming fueron utilizados: Sistema Operativo Ubuntu 8.10, servidor web Apache 2.2, servidor de base de datos MySQL, servidor de videos bajo demanda PHPmotion Versión 2 y servidor de emisiones en vivo de video Red5 0.8. Los lenguajes de programación utilizados fueron: Java, ActionScript 3.0, MXML y PHP. Para lograr compilar los códigos escritos en ActionScript 3.0, se ha utilizado la versión gratuita del compilador Flex Builder Linux alpha 4, actualmente se encuentra disponible, la versión alpha 5 [3]. Flex Builder para Linux es tan solo un plugin que debe ser agregado en el IDE2 . Eclipse para crear aplicaciones Flex en Linux. Para analizar el tráfico en la red se ha utilizado Wireshark, que es un analizador de protocolos utilizado para realizar análisis y solucionar problemas en redes de comunicaciones. 2.2. Recursos de comunicación. Se ha utilizado la red LAN de la Facultad Politécnica, cuya infraestructura cuenta con parte cableada y parte inalámbrica. Las especificaciones de las redes utilizadas, han mostrado que la red inalámbrica contaba con una conexión de 36Mbps3 y la red cableada con una de 100Mbps de capacidad de transferencia. Para constatar estas informaciones se ha utilizado una Fig. 3. Medición del ancho de banda efectivo en la red cableada. Las mediciones obtenidas han indicado que la red inalámbrica poseı́a un ancho de banda efectivo de 20,9 Mbits/seg, que corresponde a 2,61 Mbytes/seg aproximadamente. Mientras que en la red cableada, el ancho de banda era de 93,6 Mbits/seg, lo que corresponde a 11,7 Mbytes/seg aproximadamente. 2.3. Recursos de Hardware Todos los equipos que han sido utilizados pertenecen a la Facultad Politécnica, institución en la cual se ha llevado a cabo el presente trabajo. Para el servidor, se ha utilizado una computadora con procesador Intel Core2 Quad CPU Q8200 de 2.33GHz, placa madre ASUSTeK P5Q3 DELUXE, 2 memorias DIMM de 2GB, Disco duro SAMSUNG HD502HI. Para realizar las pruebas con la conexión inalámbrica: ruteador Linksys Wireless G 802.11g, se han utilizado computadoras cliente con procesador Intel Pentium IV 3 GHZ, placa madre ASUS p4p800-mx, disco duro SAMSUNG SP1253N de 120 GB IDE 7200 rpm, una memoria DDR de 1 GB. 2 Entorno de Desarrollo Integrado (IDE), consiste en un editor de código, un compilador, un depurador y un constructor de interfaz gráfica. 3 Megabit por segundo, unidad utilizada para cuantificar un caudal de datos en una red de comunicación. 4 Variación estadı́stica del retardo en la entrega de datos en una red. 10 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. Para las pruebas en la red con conexión cableada, se ha utilizado un switch5 , las computadoras cliente contaban con procesador Dual Core Intel Core2Duo E 6320 1866 Mhz, placa madre ASUS P5VDZ-VM, una memoria DDR de 1GB, disco duro SAMSUNG de 160 GB, 7200 rpm. Ninguna de las computadoras mencionadas contaba con acelerador gráfico. algunos archivos que acompañan el paquete PHPmotion, luego para la configuración final se debe ingresar a http://localhost/setup. Este servidor trae consigo una interfaz de administración y otra interfaz para el usuario del sistema videos bajo demanda, fueron hechas las modificaciones necesarias para adecuar a las necesidades del presente trabajo. 3. Métodos. 3.2. Servidor de emisión en vivo. El principal propósito de este trabajo, ha sido el de proporcionar una herramienta que pudiera ser utilizada fácilmente por cualquier persona, por ser intuitiva y simple, y que tal herramienta pudiera proporcionar videos bajo demanda y la transmisión de video en vivo. Como no se ha encontrado una herramienta de código abierto que proporcionara ambas funcionalidades, se ha procedido a ensamblar dos herramientas para que el usuario final pudiera percibirla como una sola. Es ası́ como el sistema propuesto está integrado por PHPmotion, que es el servidor de videos bajo demanda, y por Red5 que posibilita la transmisión de video en vivo. En la Figura No 4, se muestra un esquema del funcionamiento general del sistema propuesto. El servidor de emisiones en vivo utilizado ha sido el Red5 0.8. Para la instalación y configuración del servidor de videoconferencia, Red5; los requerimientos son la previa instalación de sun-java6-jdk, sun-java6-jre y ant [5]. Concluida la descarga del paquete Red5 y su instalación, se procedió a ponerlo en marcha ejecutando ./red5.sh, a partir de allı́, el servidor ya está disponible en http://localhost:5080. Fig. 4. Esquema de funcionamiento del sistema propuesto. 3.1. Servidor de videos bajo demanda. El Servidor de Video Streaming utilizado, ha sido PHPmotion Versión 2 Estable, lanzado al mercado en abril de 2008. Los requerimientos previos a la instalación del servidor de videos bajo demanda PHPmotion son los siguientes [4]: PHP 4.3 o superior, Servidor de base de datos MySQL, LAME MP3 Encoder, Libogg + Libvorbis, Mencoder y ademas Mplayer, FFMpeg-PHP, Librerı́a GD 2 o superior y CGI-BIN. Estos requerimientos son imprescindibles para el correcto funcionamiento del sistema. Otros procedimientos también son necesarios, como la modificación de algunas caracterı́sticas del php.ini y el cambio de los permisos de ejecución de 3.3. Integración de herramientas Con la instalación de las dos herramientas, PHPmotion y Red5, se ha contado con los servidores de videos bajo demanda y transmisión de videos en vivo de forma separada. Luego se ha integrado las herramientas. Para contar con una interfaz de transmisión de video en vivo y con otra interfaz para la recepción de dicha transmisión, se ha modificado el código fuente de uno de los aplicativos demostrativos, llamado Publisher, que trae consigo Red5, de tal manera a integrarlos a las interfaces de administración y de usuario de PHPmotion. Las modificaciones hechas en el código fuente fueron los siguientes: • Se ha adaptado el código fuente para crear una interfaz de usuario en donde los clientes pudieran recibir las imágenes de la transmisión en vivo. • Se han traducido ambas interfaces al idioma español. • Se ha programado la comunicación de los dos aplicativos, de administración y de usuario, a la base de datos de PHPmotion, de tal manera que cuando el video sea transmitido desde el administrador, éste provea un nombre a dicho video y este nombre sea almacenado en la base de datos, de esta forma el aplicativo del usuario puede leer desde la base de datos el nombre del video que está siendo transmitido y lo muestre en la interfaz del usuario, de modo que el usuario solo necesite presionar un botón para reproducir el video. 5 Dispositivo digital de lógica, su función es interconectar dos o más segmentos de red, pasando datos de un segmento a otro de acuerdo con la dirección MAC de destino de las tramas en la red. 11 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. Finalizadas las interfaces necesarias para el sistema, se ha integrado la interfaz de administración de Red5 a la interfaz de administración de PHPmotion, ası́ también se ha integrado la interfaz del usuario de Red5 a la interfaz de usuario de PHPmotion. Estas integraciones se han hecho utilizando el lenguaje de programación PHP. el Servidor de Video Streaming y todas las computadoras clientes han sido conectadas a un switch utilizando cables UTP. 4. Pruebas Los recursos de hardware con los cuales se ha contado para la realización de las pruebas, han posibilitado la medición del tráfico generado en los enlaces durante las transmisiones de los datos multimedia, tanto en una red inalámbrica como en una red cableada. Para lograr el control del entorno de transmisión, de las cargas en los enlaces y para evitar ruidos externos que pudieran ser nocivos para el estudio, se ha procedido a aislar la red de pruebas. El sistema propuesto, posibilita la visualización de videos bajo demanda, el almacenamiento de videos, la transmisión y visualización de una emisión en vivo. Con estas alternativas, han sido realizados procedimientos distintos con las variables disponibles, para lograr medir el comportamiento de la red de transmisión. Procedimientos iguales se han ejecutado tanto en la red inalámbrica como en la red cableada, con el objetivo de realizar una comparación de resultados obtenidos en las mediciones. En la Figura No 5 se presenta el esquema de conexión de la red inalámbrica, el Servidor de Video Streaming ha sido conectado a un ruteador wireless utilizando un cable UTP6 , y las computadoras clientes se han conectado al ruteador a través de tarjetas de red inalámbricas. Fig. 6. Esquema de conexión de la red cableada. Se ha contado con catorce computadoras para representar a los clientes, en ambos tipos de conexión, tal como se muestran las Figuras No 5 y 6. 5. Resultados. En los experimentos son detallados los tamaños de los videos utilizados para las mediciones, todos éstos han superado los 10 Mbytes, debido a que el sistema propuesto está diseñado para ser utilizado como una biblioteca virtual a la que se puede recurrir para la visualización de videos tutoriales, documentales, emisiones en vivo, etc.; que pueden ser archivos de tamaños considerables. 5.1 Prueba 1: Transmisión en vivo. Para capturar el tráfico en la red, se ha procedido a transmitir un video en vivo desde el servidor de tal manera que los clientes puedan recibir la señal. Fig. 5. Esquema de conexión de la red inalámbrica. En la Figura 6, es mostrado un esquema similar al de la red inalámbrica, en la red cableada 6 Cable a) Acceso simultáneo de varios usuarios durante una transmisión: El propósito de esta prueba, ha sido la captura del tráfico en la red durante aproximadamente 60 segundos, de modo a determinar la utilización del ancho de banda, en función al aumento de la cantidad de usuarios. En la Figura No 7 es mostrado los datos de las mediciones correspondientes a las redes inalámbrica y cableada, comparativamente. de par trenzado utilizado en segmentos de conexión Ethernet. 12 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. tan solo a la transmisión en vivo, esto significa, que al cabo de ese tiempo todas las máquinas habı́an finalizado el almacenamiento y la descarga del video bajo demanda. Se constató un tráfico aproximado de 1,35 Mbytes/seg, lo que corresponde a un 51,7% del total del ancho de banda efectivo disponible. Fig. 7. Figura comparativa del tráfico generado en las redes de prueba. Los resultados muestran que el tráfico máximo registrado en ambas redes ha tenido lugar cuando todos los clientes (14 en total) se encontraban visualizando la transmisión en vivo. En la red inalámbrica, el tráfico máximo registrado ha sido de 0,291 Mbytes/seg, que corresponde a un 11,1% del ancho de banda efectivo disponible (2,61 Mbytes/seg, como es planteado en la sección 2.2). En la red cableada, el pico del tráfico ha sido de 0,324 Mbytes/seg lo que corresponde a un 2,77% del total del ancho de banda efectivo disponible (11,7 Mbytes/seg, como es planteado en la sección 2.2). Estos resultados comprueban que la ganancia lograda en la utilización de la red cableada es en promedio 40,23% sobre la red inalámbrica. Aunque en la red inalámbrica se ha registrado menor tráfico, éste ha utilizado un mayor porcentaje del ancho de banda disponible. Es importante destacar que en ambas redes, el porcentaje del ancho de banda utilizado ha sido bastante reducido considerando los datos transmitidos. b) Almacenamiento de videos y visualización de videos bajo demanda durante una transmisión en vivo: En esta prueba se ha tenido en cuenta el tiempo de duración del tráfico en la red desde el momento en que los clientes han empezado a almacenar y visualizar los videos hasta el final de estos procedimientos, al tiempo que recibı́an una transmisión en vivo. La prueba fue realizada de la siguiente manera: • Los catorce clientes recibı́an las imágenes de la transmisión en vivo. • Siete clientes visualizaban a la vez un video de 35 Mbytes de tamaño. • Siete clientes almacenaban un video de 23,2 Mbytes de tamaño. En la Figura No 8 se muestra el monitoreo de la red inalámbrica. Se ha constatado, que al cabo de 4,13 minutos aproximadamente el tráfico se debı́a Fig. 8. Monitoreo de la Red Inalámbrica. En la Figura No 9 se presenta el monitoreo de la red cableada. Los resultados de las pruebas han demostrado que en estas circunstancias, el tráfico aproximado ha sido de 3,69 Mbytes/seg, que corresponde a un 31,54% del total del ancho de banda disponible. El periodo de tiempo durante el cual se ha registrado el tráfico ha sido de 1,5 minutos aproximadamente. Estos resultados muestran, un rendimiento mejor de la red cableada, que además de finalizar en menos tiempo el almacenamiento y el streaming de los videos, ha utilizado menos recursos de la red. Fig. 9. Monitoreo de la Red Cableada. 5.2 Prueba 2: Videos bajo demanda. a) Visualización simultánea del mismo video: Para esta prueba, ha sido utilizado un video de 52,3 Mbytes de tamaño. El procedimiento ha consistido en la medición del tráfico cuando un cliente accedı́a a visualizar el video, luego, en la medición del tráfico cuando dos clientes accedı́an a ver el mismo video, y ası́ consecutivamente hasta que todos los clientes estuvieran visualizando el mismo 13 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. video. La Figura No 10 muestra las mediciones del tiempo en proceso de streaming en las redes de prueba. Fig. 10. Mediciones del tiempo estimado en el proceso de streaming en las redes de prueba. ancho de banda, éste resultado es mucho más satisfactorio para el usuario final. b) Descarga simultánea de un archivo de video: En esta prueba se ha utilizado el mismo video de 52,3 Mbytes de tamaño utilizado en la prueba anterior. El propósito de esta prueba, ha sido el de poseer datos a los cuales pudieran ser comparados los tráficos generados por una descarga a través del streaming y comparar el tiempo de duración de dichos tráficos. La Figura No 12, muestra la comparación de las mediciones del tiempo en proceso de descarga en las redes de prueba, mientras que en la Figura No 13 se presenta una comparación de los tráficos generados en las redes inalámbrica y cableada por la descarga del video. En la red inalámbrica el mayor tiempo registrado ha sido de 6,66 minutos, cuando trece clientes se encontraban visualizando el video. En la red cableada, el tiempo máximo de duración del tráfico registrado, ha sido aproximadamente de 72 segundos, un tiempo reducido para la transmisión de datos multimedia. La Figura No 11 muestra una comparación de los tráficos generados en las redes de prueba. Fig. 12. Mediciones del tiempo estimado en el proceso de descarga en las redes de prueba. Fig. 11. Comparación de los tráficos generados en las redes inalámbrica y cableada por el acceso simultáneo de clientes a visualizar un video. En la red inalámbrica, los datos muestran que el tráfico máximo registrado ha sido de 2,263 Mbytes/seg, esta medida corresponde a una utilización del 86,7% del total de ancho de banda disponible. En la red cableada, los resultados muestran que el tráfico más elevado registrado ha sido de 10,370 Mbytes/seg, correspondiente a un 88,63% del total de capacidad de transferencia disponible. En términos de tiempo de respuesta, la red cableada proporciona mejores resultados. Aunque esta respuesta satisfactoria sea a expensas de utilizar gran cantidad de Fig. 13. Comparación de los tráficos generados en las redes inalámbrica y cableada por la descarga del video. En la red inalámbrica, el mayor tráfico es registrado cuando diez clientes se encuentran descargando el archivo, el cual es 2,435 Mbytes/seg que corresponde a un 93,3% del total de ancho de banda disponible. Y el periodo de tiempo máximo registrado, durante el cual se ha registrado el tráfico, ha sido de un poco más de ocho minutos. En la red cableada, el pico del tráfico registrado, ha sido de 9,470 Mbytes/seg, lo que 14 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. corresponde a un 80,94% del total de capacidad de transferencia disponible. El periodo máximo registrado en el tráfico ha sido de aproximadamente 1,4 minutos. Aunque las diferencias en los resultados, de los procesos de descarga y el proceso streaming, son aparentemente pequeños, en ambas redes, es importante destacar, que el tiempo perdido durante la descarga del paquete es bastante significativo, considerando que sólo después de la descarga podrá ser visualizado; en caso de que no fuera el video deseado por el usuario, éste, habrı́a perdido tiempo y ancho de banda. Con el streaming, no se tendrá este inconveniente, ya que si el usuario no desea visualizar un video, simplemente cerrará la ventana de visualización, ahorrándose los recursos. c) Almacenamiento y visualización simultáneos de video: El propósito de esta prueba ha sido medir el tráfico en la red cuando algunos clientes se encuentran visualizando distintos videos, mientras que otros clientes se encuentran almacenando distintos videos en el sistema. Esta prueba, simula una situación más realista de la utilización del sistema, ya que en un momento dado no todos los clientes se encontrarán realizando los mismos procedimientos. La prueba fue realizada de la siguiente manera: Se ha constatado que en 8,5 minutos aproximadamente, se han finalizado todos los procedimientos, provocando un tráfico promedio de 1,34 Mbytes/seg. Se ha utilizado 51,3% aproximadamente del ancho de banda disponible y el tiempo de finalización de todos los procesos es elevado. Por lo tanto, en una situación más aproximada a la realidad, como ésta, serı́a necesaria una capacidad de transferencia mayor. En la red cableada los resultados obtenidos han mostrado que el tráfico promedio ocasionado por el almacenamiento y visualización de videos de manera simultánea ha sido de 5,21 Mbytes/seg aproximadamente, correspondiente a una utilización del 44,52% del total del ancho de banda. En la Figura No 15 es posible ver que el periodo de tiempo de duración del tráfico ha sido de 2,5 minutos aproximadamente, de los cuales se ha constatado mayor tráfico durante 60 segundos aproximadamente. • 2 clientes almacenaban un video de 100 Mbytes, mientras que otros 2 clientes visualizaban un video del mismo tamaño. • 2 clientes almacenaban un video de 52 Mbytes, mientras que otros 2 clientes. • 2 clientes almacenaban un video de 18 Mbytes, mientras que otras 2 máquinas • 1 cliente almacenaba un video de 23 Mbytes, mientras que otro cliente visualizaba un video del mismo tamaño. En la Figura No 14 se presenta el monitoreo de la red inalámbrica. Fig. 15. Monitoreo del tráfico en la red cableada. 6. Conclusión. El sistema de video streaming es una herramienta muy importante en la actualidad, puede ser utilizada para varias finalidades. Ver un video directamente desde la página web, sin la necesidad de descargarlo al ordenador genera un ahorro de tiempo, portabilidad y menor saturación en la red. Como consecuencia del estudio realizado, se ha llegado a constatar que: • El Sistema de Video Streaming implementado ha demostrado efectividad y eficiencia en la distribución de videos sobre la red IP. • El sistema propuesto posee caracterı́sticas similares a servidores comerciales existentes en el mercado, con la ventaja de estar basada en software libre. Fig. 14. Monitoreo del tráfico en la red inalámbrica. • Las pruebas realizadas con la transmisión en vivo, han demostrado una utilización reducida del ancho de banda disponible, tanto 15 Estudio e implementación de un sistema de video streaming basado en herramientas de código abierto. en la red inalámbrica como en la red cableada. • El almacenamiento de videos y la visualización de videos bajo demanda durante una transmisión en vivo, han afectado la secuencia de imágenes de dicha transmisión en la red inalámbrica, mientras que en la red cableada se ha percibido una recepción satisfactoria de dicha transmisión. • Las pruebas realizadas con videos bajo demanda, han demostrado que la red cableada proporciona resultados más satisfactorios para el usuario, que la red inalámbrica. • En la visualización simultánea de un video bajo demanda, se ha constatado que en la red cableada el tiempo de duración del tráfico en la red es mucho más reducido. • Con la descarga del video utilizado para la visualización simultánea, se ha comprobado que los resultados son similares a los obtenidos en el proceso de streaming, lo cual comprueba sus desventajas. • Las pruebas hechas con el almacenamiento y visualización simultáneos de video, han constatado que la diferencia en la utilización del ancho de banda en ambas redes es poca, pero el tiempo de respuesta de la red cableada es mucho más eficiente. • En la transmisión en vivo, ambas redes han mostrado comportamientos similares, las grandes diferencias se perciben durante la visualización de videos bajo demanda. • El ancho de banda es un factor determinante en la transmisión de archivos multimedia. 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