動画ストリーミングプロトコルの実測による評価

ネットワークシステム研究室
指導教員 坂本 直志
12EC103 馬場達也

目次

1章 はじめに
2章 用語集
3章 関連研究
3.1 TCPによる動画像ストリーミングのためのデータ転送方式
3.2 Network Characteristics of Video Streaming Traffic
4章 実験
4.1 実験の目標
4.2 実験の原理
4.3 実験環境
4.4 実験項目
4.5 実験1の結果
4.6 実験2の結果
5章 考察
6章 まとめ
7章 文献
8章 付録

1. はじめに

近年, ネットワークの広帯域化により, YouTubeに代表される, インターネット上で動画を視聴できるサイトが普及している.YouTubeは2005年にサービスを開始し, 2008年ではモバイル端末での視聴が可能となり, 2010年には4k映像のアップロード, 動画再生に対応した. 2015年現在の動画のデータ転送技術はとても向上している. 高画質化により, 1つの動画の情報量が増えているにもかかわらず, 動画の再生が途中で止まるという問題が少なくなっている. この問題は, 動画の再生が動画データのダウンロードに追いついてしまう現象であるが, 動画データの転送方法を通常のダウンロード方式ではなく, ストリーミング方式という転送技術を用いることにより, ユーザに快適なサービスを提供している. 調査の結果, 既存の動画サイトのほとんどが, ストリーミン グ方式を用いてデータ転送を行っていることが判明した.

そこで本稿は, 通常のダウンロード方式とストリーミング方式の違いを確認する. 次に, ストリーミング方式を用いるYouTubeやニコニコ動画など, 既存の動画サイトの転送方式を, 各動画サイトのビットレートや, 動画の読み込み開始から終了までの通信パターンの調査を行い, 動画サイトの転送レートをコントロールするアルゴリズムの違いを示す. 調査結果から, YouTubeがどのように優れているのかを考察する.

2. 用語集

2-1 ストリーミングの説明

まずは, 動画サイトのデータ転送方式と一般的なダウンロードの違いについて説明する. 動画とは, 多くの枚数の画像を連続的に扱ってできる映像であり, データ容量がとても大きい. これを一般的なダウンロード方式として, すべてのデータを得てから動画を視聴するとなると, とても時間がかかってしまう. そのため, 既存の動画サイトはインターネット上で動画を転送する方法として, ストリーミングというダウンロード方式を用いている. この方式は, 全てのデータをハードディスクに保存する通常のダウンロードとは違い, ユーザから要求があった動画ファイルを, パケット単位でストリーミングサーバからユーザへ転送し, パケット単位で受け取った動画ファイルを再生しながら, 次の動画ファイルのパケットを受け取る方式であり, ユーザは長時間待たずとも動画を視聴できる.

通常ダウンロード方式
図2.1 通常ダウンロード方式
ストリーミング方式
図2.2 ストリーミング方式

2-3 ファイルフォーマットの説明

  1. AVI(.avi)
    Microsoftが開発したWindows標準のファイルフォーマット. 音声と動画が複合されたファイルを扱うことができる. AVI1.0では2.0GBを超えるファイルを作成できなかったが, AVI2.0では, その取扱いが可能となった.
  2. MOV(.mov)
    Appleが開発した, 「QuickTime」で使われている, 動画像のファイルフォーマットである. 特筆すべき点は, トラックによるファイル構造の柔軟性であり, MOVファイルといえど, ビデオトラックのみを含むもの, 音声トラックのみを含むものといったものが作成可能な点である. 例えば, 既存のMOVファイルにヒントトラックを追加するだけでストリーミング配信が可能になる.
  3. MP4(.mp4)
    MPEG-4形式の圧縮動画データを格納するファイルフォーマットである. MP4ファイルにはMPEG-4形式の動画だけでなくMPEG-2やMPEG-1の動画を保存することもでき, また, AACやMP3などの音声, JPEGやPNGなどの静止画などを多重化して格納することができるため, どのような形式のデータが入っているかは内部を解析してみないと分からない.
  4. FLV(.flv)[ Flash Video]
    Adobe Flashが標準で対応している動画のファイルフォーマットである. Flashアニメーションには画像や音声などとともにFLV形式の動画を含めることができ, メディアプレーヤーやコーデックなどを別途用意しなくてもFlash Playerを組み込んだWebブラウザだけで再生することができる. これを利用して, Flashで作成した動画プレーヤーにビデオを埋め込んでWeb上でそのまま再生できる動画配信サービスが広く普及している.

2-4 動画データの圧縮方式の説明

  1. コーデック
    データ圧縮機能を使ってデータを圧縮・伸張するソフトウェアや, 音声や動画などのデータを別の形式に変換する装置およびソフトウェア. また, データを圧縮するためのアルゴリズムを指す用語としても使用される.
  2. MPEG-1
    ISO/IEC JTC 1のMoving Picture Experts Group(MPEG)によって作られた動画フォーマットの一つ. コンパクトディスク(CD)に1時間程度の動画を記録する事を目標にNTTとアスキーに由って提案された.
  3. MPEG-2
    ISO/IEC JTC 1のMoving Picture Experts Group(MPEG)によって決められたフォーマット. 放送やHDTVを想定して提案された.
  4. MPEG-4
    動画・音声全般をデジタルデータとして扱うためのフォーマット. 3次元コンピュータグラフィクスや音声合成などを含む, 広い企画であり, 現在もなお追加・拡張が継続されている規格である.

2-5 Webブラウザ用再生ソフトの説明

  1. Flash Player
    アドビシステムズによって開発された, Flashで作成されたコンテンツを再生するためのWebブラウザ用のプラグイン. Microsoft Windows, Mac OS X, Linuxなどのオペレーティングシステム上で動作し, 代表的なウェブブラウザの中でプラグインとして動作させることもできる. 動画配信の分野では, YouTubeなどの動画サイトの広く使用されている.
  2. HTML5
    Webページの記述などに用いるマークアップ言語, [HTML]の第5版. 従来, 動画やアニメーションなどを含むマルチメディアコンテンツは, JavaアプレットやFlash, Silverlightなど特定の技術やプラグインを必要としていたが, HTML5では動画や音声データをHTMLから扱えるようになった.

2-6 動画サイト説明

2-6-1 YouTube[1]

YouTube

YouTube はGoogle社が運営する世界最大の動画共有サービスである. 動画の投稿・閲覧ともに無料で利用できる.ファイルフォーマットは, MOV, MPEG4, AVI, WMV, MPEGPS, FLV, 3GPP, WebMと広く対応している. 映像コーデックはMPEG-4 AVC(H.264), 音声ファイルはAACである.
また, YouTubeの動画再生にはFlash Playerが使われていたが, 2015年1月に, ほぼ完全にFlash PlayerからHTML5 Playerに移行した. 本研究では, Internet Explorer上での動画再生はFlash Player, Google Chrome, Mozilla Firefox上での動画再生はHTML5 Playerとなっている.

2-6-2 ニコニコ動画[2]

ニコニコ動画

ニコニコ動画はニワンゴが提供している動画共有サービスである. 動画の投稿・閲覧は会員登録することで利用できる. 会員には, 動画視聴サービスを無料で利用できる一般会員と, 一定の金額を支払って利用するプレミアム会員が存在する.
プレミアム会員に登録すると, 動画を視聴するとき動画の読み込みが早くなり, 動画を投稿するときに, ファイルサイズの上限が40MBから100MBになり, 解像度およびビットレートの制限が無くなる.
現在, ニコニコ動画のファイルフォーマットはMP4, FLV, MPEG1, MPEG2, WMVなどに対応している. 映像コーデックはMPEG-4(H.264), 音声ファイルはAACである. 動画再生には, Flash Playerが使われている.

2-6-3 Gyoo![3]

Gyao!

Gyao! はYahoo JAPANが運営する動画サービスである. 動画の多くは無料で視聴できる. しかし, YouTubeやニコニコ動画とは違い, 動画投稿することが出来ない. ファイルフォーマットは, WMVとなっている. 動画再生には, Flash Playerは使われている.

2-6-4 Pandora.TV[4]

Pandora.tv

Pandora.TV は韓国のパンドラTV社が運営する韓国語, および日本語, 中国語, 英語の動画共有サービスである. ファイルフォーマットはAVI,WMV,MPEG4,MOV,MPEG2,ASFに対応している. 動画再生にはFlash Playerが使われている.

2-6-5 国会インターネット審議中継[5]

インターネット国会審議中継

インターネット国会審議中継は衆議院と参議院が提供する, 本会議・委員会などを視聴できる動画サービスである. 動画再生には, Flash Playerが使われている.

2-6-6 FC2動画[6]

FC2動画

FC2動画はFC2が運営する動画共有サービスである. ニコニコ動画と同じで, 会員登録制となっており, 有料会員で画質や機能が異なる. 本実験では, 無料会員のデータのみ計測を行っている. ファイルフォーマットはFLV,AVI,WMV,MP4,MPEG4に対応している. 動画再生にはFlash Playerが使われている.

2-6-7 Dailymotion[7]

dailymotion

Dailymotionはフランスの動画共有サービスである. YouTubeと同時期の2005年にパリで設立し, サイトの公開はYouTubeより一か月早かったとされている. ファイルフォーマットはMOV,MPEG4,MP4,AVI,WMVに対応している. 動画再生にはFlash Playerが使われている.

3. 関連研究

ここで本研究に関係する2つの論文を紹介する.

3.1 TCPによる動画像ストリーミングのためのデータ転送方式

久松らは, TCPを使用して動画データの転送を行うYouTube, ニコニコ動画の調査を行い, これら動画サイトの転送方式は, 動画の再生レートより大きなレートでネットワークにパケットを送出し, 他のトラフィック帯域を不要に奪う問題があることを示した [16]. 彼らの調査では, YouTubeの転送レートをコントロールするアルゴリズムには2つの方式があることを示し, これを第1方式, 第2方式と呼んでいる.

2種類の動画転送のパターン
図3.1 2種類の動画転送のパターン

図3.1は, 1秒当たりの通信量を表しており, 第1方式, 第2方 式について説明するために作成したグラフである. 動画デー タの転送方式は2つのフェーズに分類され, それぞれのフェー ズで転送レートが大きく変化する. 第1フェーズでは, デー タパケットをあらかじめ大量に送っておくことにより, ユー ザにデータをバッファリングさせ, 一時的にTCPのスループッ トが動画の再生ビットレートを下回ったとしても途切れなく 動画を再生できるようにしている. 第2フェーズは, 第1フェー ズのデータ転送から数秒経過すると移行され, 第1フェーズ より転送レートが制限されており, この転送は動画の読み込 みが終わるまで続く. 第1, 第2方式の違いは, この第2フェー ズの転送パターンの違いである. 第1方式は, 動画データの 転送時と, 全く通信が行われない中断時が, 数秒ずつ交互に 行われている. 第2方式は, 第1方式のように全く通信を行わ ない中断時がなく, 常に低レートで転送を行っている.

彼らは, 2010年時点のYouTubeの計測結果にて, 第1方式は2つのフェーズがあることを示していた一方, 本研究においてYouTubeには, さらに第3のフェーズがあることを確認した. また, 第2方式にも2つのフェーズに分割できることを確認した. さらに既存の動画サイトが, これら2つの方式に当てはまることを示す.

3.2 Network Characteristics of Video Streaming Traffic

Raoら[17]は, YouTubeとNetflixの2つの動画サイトを, ブラ ウザ, プラグインを変更, また使用するハードウェアをPCの 他に, AndroidやiOSを使用し, パケットの容量, 棄却率を調 査している. しかし, 調査結果である, ビットレートや読み 込み時間などが表によって数値化されてなく, 速いか遅いか の一言で表している.

一方, 本論文は, 動画サイトを2種類だけでなく, 様々な動画サイトを調査した. これらの動画サイトのビットレートや読み込み時間の数値を明らかにし, さらに, 転送レートをコントロールするアルゴリズムを発見した.

4. 実験

本章にて実験について報告する. 4.1にて実験の目標, 4.2にて実験の原理, 4.3にて実験環境の紹介, 4.4にて実験1, 実験2の説明, 4.5にて実験1の結果報告, 4.6にて実験2の結果報告, という流れになっている.

4.1 実験の目標

本実験はYouTubeやニコニコ動画など, 既存動画サイトのデータ転送をパケット単位で計測する. 計測結果から, 各動画サイトのデータ転送のビットレート, および転送レートをコントロールするアルゴリズムを明らかにし, これらの違いを明らかにすることを本実験の目標とする. 特にYouTubeのデータ転送方式のアルゴリズムを明らかにする.

4.2 実験の原理

動画サイトのデータ転送をパケット単位で計測するため, Wiresharkを使用して計測を行う. ビットレートの測定方法と, 転送レートをコントロールするアルゴリズムの変化を見つける方法を紹介する.

4.1.1 実験1

ビットレート測定の流れ 1/6
図4.1.1.1 ビットレート測定の流れ 1/6

動画計測を行う動画の選択画面まで進める

ビットレート測定の流れ 2/6
図4.1.1.2 ビットレート測定の流れ 2/6

Wiresharkを使用しキャプチャを始める. キャプチャを始めた後, 動画の再生を行う.

ビットレート測定の流れ 3/6
図4.2.1.3 ビットレート測定の流れ 3/6

動画の読み込み終了までパケットを観測し待つ. 上図はパケットデータである. 各パケットがどこからどこへ送られているのか, そのパケットのサイズなど確認できる.

ビットレート測定の流れ 4/6
図4.2.1.4 ビットレート測定の流れ 4/6

動画の読み込み終了後, WiresharkのIO Graphsという機能を使い, 計測データをグラフ化する. しかし, このグラフは本実験では使用しない. ここでは[Copy]のボタンをクリックする.

ビットレート測定の流れ 5/6
図4.2.1.5 ビットレート測定の流れ 5/6

Microsoft Excelにて貼り付けを行うと, 計測データの数値が入力される. 上図4.2.1.5は数値の入力を5回行ったときのデータである.

ビットレート測定の流れ 6/6
図4.2.1.6 ビットレート測定の流れ 6/6

入力された数値は計測によって得られたすべての数値であるが, 初めの数秒, 終わりの数秒はデータ転送の行われない余分なデータであるため, これを処理する. 処理した後, 入力された数値を合計し, 計測によって得られた合計パケット数を調べる. packetをbitに単位を変え, 読み込み終了時間で割ることでビットレートを導く. 以上がビットレート測定の全体の流れである.

4.2.2 実験2

動画サイトの転送レートをコントロールするアルゴリズムを調査するため, YouTube, ニコニコ動画(一般会員回線, プレミアム会員回線), Gyao!, Dailymotion, インターネット国会審議中継, Pandora.TV, FC2の動画サイトの計測を行う. 動画の計測には, 動画時間が約10分の動画を使用し, 動画の読み込みの開始から300秒経過したところで計測を止める.

これら動画の計測はそれぞれ5回行い, フェーズ1, フェーズ2ごとのビットレートを求める. 計測を行った動画データの1秒あたりのダウンロード量を, 横軸を秒単位, 縦軸をパケット単位にしてグラフ化する. グラフ化するための流れは, ビットレート測定の流れ5まで行い, そのデータをグラフ化する. 以下の図4.2.2は, Fire Foxを使用してYouTubeを測定した結果をグラフ化した結果である. このグラフから, 転送レートの変化するところが分かる. この前と後でビットレートを計算し, 転送レートの変化を求める.

転送レートの変化
図4.2.2 転送レートの変化

4.3 実験環境

ここで計測に使用したPCの情報, ブラウザのバージョンと利用したプラグインを説明する.

4-3-1 デスクトップPC

機種名
Hewlett-Packard s5-1250jp
CPU
Intel Core i7-2600 CPU @ 3.40GHz
実装メモリ
8GB
OS
Windows 7 Home Premium
ブラウザバージョンプラグイン
Google Chrome47. 0. 2526. 80m Widevine Content Decryption Module -ver: 1. 4. 8. 824
Native Client
Adobe Flash Player - ver: 19. 0. 0. 245
Internet Explorer11. 0. 9600. 18097 Shockwave Flash Object - ver 19. 0. 0. 245
Java Plug-in
Firefox39. 0 Primetime Content Decryption Module
Shockwave Flash 19. 0. 0. 245
QuickTime Plug-in 7. 7. 4
Silverlight Plug-In 5. 1. 40728. 0

4-3-2 ノートPC

機種名
Panasonic Let's note CF-RZ4
CPU
Intel Core M-5Y31 CPU @ 0.90GHz 1.10GHz
実装メモリ
8GB
OS
Windows 8. 1 Pro
ブラウザバージョンプラグイン
Google Chrome46. 0. 2526. 80m Widevine Content Decryption Module - ver: 1. 4. 8. 824
Native Client
Adobe Flash Player - ver: 19. 0. 0. 245 Shockwave Flash 19. 0 r0
Internet Explorer11. 0. 9600. 18098 Shockwave Flash Object 19. 0. 0. 245
Windows Media Player 12. 0. 9600. 17415

4.4 実験項目

4.4.1 実験1

YouTubeとニコニコ動画, 2つの動画サイトを, デスクトップPCとノートPCと2種類のハードウェア, Internet Explorer, Google Chrome, Mozilla Firefoxの3つのブラウザと, 実験環境を変更し計測を行う. 計測結果からYouTubeとニコニコ動画の読み込み時間, 動画容量, ビットレートを示す. 計測方法はWiresharkを用いてパケット単位で計測した. YouTube, ニコニコ動画上の動画に対して, それぞれ同一動画を5回計測し, そこから平均ビットレートを求めた. YouTubeは, 再生時間が約2分半, ニコニコ動画(プレミアム会員回線)は再生時間が約8分半の動画を対象とした.

4.4.2 実験2

既存動画サイトのビデオデータ転送を計測し, 1秒ごとのパケットの受信状況をグラフ化することで, 転送レートをコントロールするアルゴリズムを調査した. アルゴリズムの調査に使用した動画サイトはYouTube, ニコニコ動画, Gyao!, Pandora. TV, インターネット国会審議中継, FC2動画, Dailymotionである. これらの動画サイトの転送レートと転送パターンを比べ, その数値を示す.

動画サイトの計測は2015年7月から2016年1月の間に行った.

4.5 実験1の結果

YouTubeに対する計測結果を表5.5.1に示す. 計測結果からブラウザ, PCのスペックによる読み込み時間の差が大きく見られた. また, ノートPCを用いた計測で, 動画容量がデスクトップPCの半分以下となっているが, これはデータ転送におけるウィンドウサイズの差が大きな要因となっていると考えられる.
ニコニコ動画は, 動画視聴サービスを無料で利用できる一般会員と一定の金額を支払って利用するプレミアム会員によってサービスが異なる. 一般会員の画像解像度が1280×720まで, ビットレートが600kbpsまでと制限がかかっていることに対し, プレミアム会員はどちらも制限なしとなっている. そのプレミアム会員回線の計測結果を表4.5.2に示す. 読み込み時間に多少の差がみられるが, 約5MBの動画を10数秒で読み込みを行っている. 中でもInternet Explorerの読み込みが一番早かった.
実験1の結果を得るために計測したデータを8章の付録に載せる. YouTubeの計測データは表8.1から表8.5まで, ニコニコ動画の計測データは表8.6から表8.10までである.

YouTube(2:36動画) 読み込み時間[sec] 動画容量[MB] ビットレート[Kbit/s]
Internet Explorer 94. 18 2. 20 195. 21
Google Chrome 49. 92 4. 75 802. 66
Mozilla Firefox 62. 52 4. 16 558. 57
ノートPC Internet Explorer 38. 60 2. 21 481. 37
ノートPC Google Chrome 39. 50 1. 84 393. 18
表4.5.1 YouTube 計測結果表
https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
ニコニコ動画プレミアム会員回線(8:29動画) 読み込み時間[sec] 動画容量[MB] ビットレート[Mbit/s]
Internet Explorer 8. 78 5. 22 5. 04
Google Chrome 13. 62 5. 16 3. 20
Mozilla Firefox 22. 20 5. 69 2. 16
ノートPC Internet Explorer 11. 40 4. 95 3. 67
ノートPC Google Chrome 12. 76 4. 72 3. 12
表4.5.2 ニコニコ動画プレミアム会員回線 計測結果表
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video 

4.6 実験2の結果

YouTube, ニコニコ動画の転送レートをコントロールするアルゴリズムの調査は, 関連研究である「TCPによる動画像ストリーミングのためのデータ転送方式の検討」が行っていた. その調査においてYouTubeのビデオデータ転送には, 2つの方式があると明言している. このうちの第1方式は, 動画のデータ転送においてパケット制御を行う方式で, 2つのフェーズに分けられる. 第1フェーズでは, データパケットをあらかじめ大量に送っておき受信側ホストにデータをバッファリングさせ, 一時的にTCPのスループットが動画の再生ビットレートを下回ったとしても, 途切れなく動画を再生できるようにしている. 第1フェーズから数秒経過すると, 第2フェーズへ移行する. 第2フェーズは, データ転送時と中断時が交互にあり, データ転送終了まで続く. また, YouTubeには, 動画時間によって第3フェーズが存在することを確認した. 第3フェーズの確認の他に, 調査した動画サイトのデータ転送は, 全て二つの方式に分けられることを確認した. まず第1方式は先ほど説明したYouTubeのようなデータ転送で, データ転送時と中断時が交互にあり, データ転送終了まで続く方式. 第2方式は, 第1方式のようなデータ転送の中断はなく, 転送終了までデータ転送を行う方式である.

4.6.1 第3フェーズの調査

下図4.6.1のグラフは, YouTubeの, 動画時間が約40分の動画を, データ転送の開始から5分ほど計測した結果を, 縦軸をパケット数, 横軸を時間にして表したものである. 第1フェーズのビットレートは595. 83[Kbit/s], 第2フェーズは318. 55[Kbit/s]となっている. そして, このグラフからわかるように, 第2フェーズから数秒後, さらにパケットが制限されてデータ転送が行われていることが確認できる. これを第3フェーズと呼ぶことにする. 第3フェーズのビットレートは115. 68[Kbit/s]と, 第2フェーズより半分近く制限されている. この結果からYouTubeの幅輳制御は動画時間に応じて大きく変わることが分かった.

YouTube 第3フェーズの確認
図4.6.1 YouTube 第3フェーズの確認

4.6.2 2種類のアルゴリズム

YouTubeの他に, 様々な動画サイトを計測した結果, 動画サ イトの転送レートをコントロールするアルゴリズムは2つの 方式に分けられることを発見した. これらを, 第1方式, 第2 方式と呼ぶことにする.

第1方式は, データ転送時に輻輳制御が行われていて, 上図4. 6. 1のYouTubeのような, データ転送時と中断時が交互に行われている形となっている. 第2方式は, 下図4. 6. 2のような輻輳制御のないアルゴリズムとなっている. このグラフは, ニコニコ動画(一般会員)の計測データのうちの一つである. 第2方式の転送方式も, 初めは, 第1方式の第1フェーズのように, データパケットを大量に送り, 受信側ホストにデータをバッファリングさせ, 一時的にTCPのスループットが動画の再生ビットレートを下回ったとしても, 途切れなく動画を再生できるようにしている. ここまでは同じだが, 第2フェーズでは, データパケットを制御することなく転送している. この計測結果での第2方式, 第2フェーズのビットレートは59. 77[Kbit/s]と, とても遅い転送となっている. YouTube, ニコニコ動画, Gyao!, Pandora. TV, インターネット国会審議中継, FC2動画, Dailymotionの7つの動画サイトをGoogle Chromeを用いて計測した結果, 動画サイトの転送レートをコントロールするアルゴリズムは, 上記の2種類の方式に分けられることを確認した. 調査の結果, アルゴリズムが第1方式の動画サイトは, YouTube, Gyao!,Dailymotion, インターネット国会審議中継であり, 第2方式である動画サイトは, ニコニコ動画, Pandora. TV, FC2動画に分けられるという結果を得られた. また, YouTubeの計測にて明らかになった第3フェーズは, 他の動画サイトにない制御であることもわかった. これらの動画サイトの第1フェーズ, 第2フェーズ, 及び第3フェーズのビットレートを以下の表4. 6. 2にまとめる. この結果を求めるために計測したデータを8章の付録(表9.11から表9.16)に載せる.

第2方式 アルゴリズム
図4.6.2 転送レートアルゴリズム 第2方式
動画サイト 第1フェーズ 第2フェーズ 第3フェーズ
第1方式 YouTube 595.83 318.55 115.68
Gyao! 995.55 187.46 確認できず
Dailymotion 1008.01 114.51 確認できず
国会審議中継 311.85 39.02 確認できず
第2方式 ニコニコ動画(一般会員) 899.53 117.83 確認できず
FC2動画 336.84 95.76 確認できず
Pandora.TV 410.39 163.34 確認できず
表4.6.2 既存動画サイト フェーズごとのビットレート
計測を行った動画のURLは8章, 付録に記述する.

5 考察

YouTubeとニコニコ動画の転送方式をまとめる. YouTubeの転送方式のような, データ転送時と中断時を交互に行う転送方式を, 第1方式と呼ぶ. 第1方式, 第1フェーズでは, データパケットをあらかじめ大量に送っておき受信側ホストにデータをバッファリングさせ, 一時的にTCPのスループットが動画の再生ビットレートを下回ったとしても, 途切れなく動画を再生できるようにしている. その後, 第2フェーズに移行する. 第2フェーズは, 転送レートをコントロールし, データ転送時と中断時が交互に行われている形となっている. ビットレートは第1フェーズの半分近くに制限されている. YouTubeのみ, 第2フェーズから約60秒後, 第3フェーズに移行する. 第3フェーズは, 転送レートがかなり制限されている. 第1方式では, このようなアルゴリズムを確認できた.

Google Chrome YouTube 計測結果
図5.1 Google Chrome YouTube 計測結果

次に, ニコニコ動画の転送方式のような, 低レートで中断時 のないデータ転送を行う転送方式を第2方式と呼ぶ. 第2方式 は, 第1方式の第1フェーズのようにデータパケットをあらか じめ大量に送った後, 同じように第2フェーズに移行する. 第2フェーズはデータ転送終了まで続き, データ転送を中断 することなく, 常に低レートで送り続けている. このような アルゴリズムを観測できた.

YouTubeとニコニコ動画(一般会員回線)を比べると, ニコニコ動画の動画読み込みが遅い. YouTubeではあまり発生しなかったが, ニコニコ動画では計測の途中で動画の再生が読み込みに追いついてしまい, 再生が止まるといったことが発生した(図5.3). この問題から, 第2方式のような転送レートアルゴリズムでは, 何かの問題でサーバからのデータ転送が数秒止まった場合, 動画データのバッファが足りず, すぐに再生が追いついてしまい, 動画が止まってしまうのではないか, と考えられる. 第1方式でも, 転送レートは制限されているが, 常に動画データのバッファの余裕がある状態であった. この結果から, 第1方式の方が, 動画を快適に視聴するうえで優れていると言える.

Google Chrome ニコニコ動画(一般会員回線) 計測結果
図5.2 Google Chrome ニコニコ動画(一般会員回線) 計測結果
データ読み込み 例
図5.3 ニコニコ動画 データ読み込み時 例

6. まとめ

本実験では, 既存の動画サイトのデータ転送を調査し, その転送方式の違いを示した. 調査の結果, 既存の動画サイトの転送レートをコントロールするアルゴリズムは2種類に分けられ, その中で第2, 第3のフェーズを持つことが分かった. この2種類の転送方式を, 第1方式, 第2方式と呼び, 実験の結果, YouTube, Gyao!, Dailymotion, インターネット国会審議中継が第1方式, ニコニコ動画, FC2動画, Pandora.TVが第2方式に分けられることを示した.

YouTubeとニコニコ動画(一般会員)を比較すると, 後者の動画サイトでは, 動画の再生が途中で止まるといった問題が発生し, 第2方式の転送方式に問題があるのではないかと考察した. 動画の再生が途中で止まることなく, ユーザが快適に視聴することを考えると, ニコニコ動画(プレミアム会員)の転送方式のように, 高レートで転送することが望ましい. しかし, 既存の動画サイトが, このような転送方式を行うと, ネットワーク帯域を圧迫してしまう. そのため, 転送レートを制限し, データ転送しなければならない.

このことを考えると, 本研究にて明らかになった, YouTubeの転送レートをコントロールするアルゴリズムが, 既存の動画サイトの転送方式の中で優れているのではないか, と考えられる.

7. 参考文献

  1. YouTube
    www. youtube. com
  2. ニコニコ動画
    www.nicovideo.jp
  3. Gyao!
    http://gyao.yahoo.co.jp/
  4. Pandora.TV
    www.pandora.tv/
  5. インターネット国会審議中継
    www.webtv.sangiin.go.jp
  6. FC2動画
    www.video.fc2.com
  7. Dailymotion
    www.dailymotion.com
  8. ストリーミング
    https://ja.wikipedia.org/
  9. YouTubeがFlashではなくHTML5でのムービー再生を初期設定にすることを発表
    http://gigazine.net/news/20150128-youtube-defaults-html5/
  10. ニコニコプレミアムサービス プレミアム会員の特典について
    https://secure.nicovideo.jp/secure/premium_detail
  11. 動画のファイル形式とは
    http://www.tokyo-dc.jp/movie-service/
  12. 久松潤之,長谷川剛,村田正幸 "TCPによる動画像ストリーミングのためのデータ転送方式" 電子情報通信学会技術研究報告. CQ, コミュニケーションクオリティ 110(198), 31-36, 2010-09-02
  13. Ashwin Rao,Yeon-sup Lim,Chadi Barakat,Arnaud Lefout,Don Towsley,Walid Dabbous "Network Characteristics of Video Streaming Traffic" ACM CoNEXT 2011. ACM 978-1-4503-1041-3/11/0012(2011-9)

8 付録

8-1 Internet Explorer YouTube

InternetExplorer YouTube 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 94.1 94.1 94.2 94.2 94.3 94.18
動画容量[MB] 2.18 2.20 2.20 2.19 2.21 2.20
ビットレート[Kbit/s]194.26 196.58 195.69 194.57 196.43 195.51
表8.1 Internet Explorer : YouTube 平均ビットレート測定表
https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
InternetExplorer YouTube グラフ
図8.1 Internet Explorer : YouTube 5回分のデータ転送

8-2 GoogleChrome YouTube

GoogleChrome YouTube 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 49.4 50.1 50.0 50.1 50.0 49.92
動画容量[MB] 4.71 4.80 4.75 4.73 4.76 4.75
ビットレート[Kbit/s]806.37 808.36 800.12 795.68 802.79 802.67
表8.2 Google Chrome : YouTube 平均ビットレート測定表
https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
InternetExplorer YouTube グラフ
図8.2 Google Chrome : YouTube 5回分のデータ転送

8-3 Mozilla Firefox YouTube

Mozilla Firafox YouTube 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 63.0 62.4 62.4 62.5 62.3 62.52
動画容量[MB] 4.45 4.05 4.10 4.16 4.06 4.16
ビットレート[Kbit/s]592.54 544.33 551.19 558.22 546.62 558.58
表8.3 Mozilla Firefox : YouTube ビットレート測定表 https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
Mozilla Firefox YouTube グラフ
図8.3 Mozilla Firefox : YouTube 5回分のデータ転送

8-4 ノートPC Internet Explorer YouTube

Note-PC InternetExplorer YouTube 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 39.3 39.4 37.6 38.2 38.4 38.6
動画容量[MB] 2.49 2.31 2.20 2.18 1.88 2.21
ビットレート[Kbit/s] 532.53 492.87 491.66 479.82 410.00 481.37
表8.4 ノートPC Internet Explorer : YouTube 平均ビットレート測定
https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
ノートPC InternetExplorer YouTube グラフ
図8.4 ノートPC Internet Explorer : YouTube 5回分のデータ転送

8-5 ノートPC Google Chrome YouTube

Note-PC GoogleChrome YouTube 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 34.6 43.9 45.2 35.0 39.0 39.5
動画容量[MB] 1.80 1.97 1.89 1.74 1.79 1.84
ビットレート[Kbit/s] 437.39 376.62 350.31 417.27 384.34 393.19
表8.5 ノートPC Google Chrome : YouTube ビットレート測定表
https://www.youtube.com/watch?v=7Ti3bLIvHw8
ノートPC GoogleChrome YouTube グラフ
図8.5 ノートPC Google Chrome : YouTube 5回分のデータ転送

8-6 Internet Explorer ニコニコ動画(プレミアム会員)

Internet Explorer ニコニコ動画(プレミアム会員) 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 8.5 10.0 7.3 10.2 7.9 8.78
動画容量[MB] 5.34 5.47 4.79 5.43 5.07 5.22
ビットレート[Mbit/s] 5.27 4.59 5.51 4.46 5.38 5.04
表8.6 Internet Explorer : ニコニコ動画(プレミアム会員)ビットレート測定表
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
InternetExplorer ニコニコ動画(プレミアム会員) グラフ
図8.6 Internet Explorer : ニコニコ動画(プレミアム会員)5回分のデータ転送

8-7 Google Chrome ニコニコ動画(プレミアム会員)

Google Chrome ニコニコ動画(プレミアム会員) 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 14.7 14.0 12.4 12.0 15.0 13.62
動画容量[MB] 5.15 5.12 5.13 5.16 5.24 5.16
ビットレート[Mbit/s] 2.94 3.07 3.47 3.61 2.93 3.20
表8.7 Google Chrome : ニコニコ動画(プレミアム会員)ビットレート測定表
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
GoogleChrome ニコニコ動画(プレミアム会員) グラフ
図8.7 Google Chrome : ニコニコ動画(プレミアム会員)5回分のデータ転送

8-8 Mozilla Firefox ニコニコ動画(プレミアム会員)

Mozilla Firefox ニコニコ動画(プレミアム会員) 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 19.2 21.8 21.5 24.1 24.4 22.2
動画容量[MB] 5.42 5.49 6.02 6.10 5.44 5.69
ビットレート[Mbit/s] 2.37 2.11 2.35 2.12 1.87 2.16
表8.8 Mozilla Firefox : ニコニコ動画(プレミアム会員) ビットレート測定表
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
Mozilla Firefox ニコニコ動画(プレミアム会員) グラフ
図8.8 Mozilla Firefox : ニコニコ動画(プレミアム会員)5回分のデータ転送

8-9 ノートPC Internet Explorer ニコニコ動画(プレミアム会員)

ノートPC Internet Explorer ニコニコ動画(プレミアム会員) 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 13.5 11.9 10.4 11.4 10.0 11.4
動画容量[MB] 5.00 4.97 4.89 4.96 4.94 4.95
ビットレート[Mbit/s] 3.10 3.50 3.95 3.65 4.15 3.67
表8.9 ノートPC Internet Explorer : ニコニコ動画(プレミアム会員) ビットレート
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
ノートPC InternetExplorer ニコニコ動画(プレミアム会員) グラフ
図8.9 ノートPC Internet Explorer : ニコニコ動画(プレミアム会員) 5回分のデータ転送

8-10 ノートPC Google Chrome ニコニコ動画(プレミアム会員)

ノートPC Google Chrome ニコニコ動画(プレミアム会員) 1 2 3 4 5 平均
読み込み時間[sec] 11.7 11.6 14.7 13.0 12.8 12.76
動画容量[MB] 4.57 4.79 4.86 4.69 4.68 4.72
ビットレート[Mbit/s] 3.28 3.46 2.77 3.03 3.07 3.12
表8.10 ノートPC Google Chrome : ニコニコ動画(プレミアム会員)ビットレート測定表
http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
ノートPC GoogleChrome ニコニコ動画(プレミアム会員) グラフ
図8.10 ノートPC Google Chrome : ニコニコ動画(プレミアム会員)5回分のデータ転送

8-11 Gyao!

Gyao! 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 266.18 265.81 264.46 269.08 266.81 266.47
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 987.14 1087.421083.46852.60 967.11 995.55
第2フェーズのビットレート[Kbit/s] 186.07 185.66 184.56 192.01 188.99 187.46
表8.11 GoogleChrome : Gyao! フェーズごとのビットレート測定表
http://gyao.yahoo.co.jp/player/00066/v13134/v1000000000000024023/
Gyao グラフ
図8.11 Google Chrome : Gyao! 5回分のデータ転送

8-12 インターネット国会審議中継

インターネット国会審議中継 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 45.35 46.17 44.93 48.8 46.55 46.21
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 263.58 302.90 303.10 305.15 384.51 311.85
第2フェーズのビットレート[Kbit/s] 39.12 38.84 37.55 40.73 38.86 39.02
表8.12 Google Chrome : インターネット国会審議中継 フェーズごとのビットレート測定表
http://www.webtv.sangiin.go.jp/webtv/index.php 本会議:2015年9月25日
インターネット国会審議中継 グラフ
図8.12 Google Chrome : インターネット国会審議中継 5回分のデータ転送

8-13 ニコニコ動画(一般会員回線)

ニコニコ動画(一般会員回線) 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 130.19 128.16 139.17 212.57 162.32 154.48
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 859.78 823.94 1021.16878.34 914.43 899.53
第2フェーズのビットレート[Kbit/s] 96.26 95.83 92.75 181.60 122.74 117.83
表8.13 Google Chrome ニコニコ動画(一般会員)フェーズごとのビットレートの測定表 http://www.nicovideo.jp/watch/sm1556758?ref=search_key_video
ニコニコ動画(一般会員回線) グラフ
図8.13 Google Chrome ニコニコ動画(一般会員)5回分のデータ転送

8-14 Pandora.TV

Pandora.TV 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 219.14 195.41 223.25 222.65 224.05 216.90
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 407.92 415.23 417.82 402.41 408.58 410.39
第2フェーズのビットレート[Kbit/s] 166.93 132.61 172.91 172.93 171.33 163.34
表8.14 Google Chrome : Pandora.TV フェーズごとのビットレート測定表
http://jp.channel.pandora.tv/channel/video.ptv
Pandora.TV グラフ
図8.14 Google Chrome : Pandora.TV 5回分のデータ転送

8-15 Dailymotion

Dailymotion 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 172.45 172.41 169.14 168.14 170.91 170.61
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 965.38 1153.541026.231013.2088.74 1008.02
第2フェーズのビットレート[Kbit/s] 115.82 114.70 113.36 113.13 115.58 114.51
表8.15 Google Chrome : Dailymotion フェーズごとのビットレート測定表
http://www.dailymotion.com/video/
Dailymotion グラフ
図8.15 Google Chrome : Dailymotion 5回分のデータ転送

8-16 FC2動画

FC2動画 1 2 3 4 5 平均
動画全体のビットレート[Kbit/s] 107.09 107.13 111.41 111.42 111.67 109.74
第1フェーズのビットレート[Kbit/s] 303.21 301.67 359.53 360.45 359.33 336.84
第2フェーズのビットレート [Kbit/s] 95.56 95.69 96.81 95.21 95.55 95.76
表8.16 Google Chrome : FC2動画 フェーズごとのビットレート測定表
http://video.fc2.com/content/20160114
FC2動画 グラフ
図8.16 Google Chrome : FC2動画 5回分のデータ転送