title: 画面配信システム TreeVNC のマルチキャストの導入
author: Ryo Yasuda, Shinji Kono
profile: 並列信頼研
lang: Japanese
code-engine: coderay

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<!-- ## 目次
- **TreeVNC の概要**
    - **基本概念**
    - **構造**
- 研究内容
    - TreeVNC の改良
    - 送信データの Blocking
-->

## 画面配信システムの活用
- 講義やゼミではプロジェクタを使用して、先生が用意した資料を見ることが多い。その際接続不良など、物理的アクシデントが起きる恐れがある
- 画面配信システムで代用する場合がある。画面配信システムのとしてはAppleTVやUstreamなどが挙げられる
    - AppleTVは画面共有先がTVに限定されている
    - Ustreamは画面の切り替えを行うことができない

<center><img src="./fig/AppleTVRogo.svg " alt="message" width="200" height="200">
<img src="./fig/UstreamRogo.svg" alt="message" width="200" height="150"></center>


## 画面配信システムの活用
- 画面配信システムTreeVNCは、自身のPC画面を他者のPCと共有できるソフトウェアである
- javaで書かれているためOSに依存せず、物理的な制限なしに使用可能
- TreeVNCを使用することで、参加者は手元のPCを使用しながら講義を受ける事が可能になる。切り替えの際も、ボタン一つで共有する画面の切替を可能としている

## TreeVNCとは
- TreeVNCは本研究室で開発している画面配信システム
- VNC(リモートデスクトップソフトウェア)を利用している
- 木構造の接続方式によりNode間で画像データのやりとりを行うことで、配信側の負荷を分散し大人数での画面配信が可能

<center><img src="./fig/treevnc-crop.svg" alt="message" width="450" height="350"></center>


## 本研究の概要
- 画面配信は送信するデータ量が多いため、TreeVNCでは無線接続の場合、画面配信の遅延が大きくなってしまう
- 現在のTreeVNCのデータ転送方法だと、無線接続で送信するには大きすぎる 
- 本研究ではMulticastを導入することで、Wifi環境下における画面配信の遅延対策の検討を行なった
      

## Multicastについて
- WifiのMulticast機能を利用することで無線LAN接続時でも画面遅延を軽減できると考える
- 配信PC画面の変更があった部分のみをマルチキャストで送信する
- wifiのMulticast Paketの最大サイズは64KBとなっているため、データの圧縮が必要


## Multicastの具体的な実装方法
- TreeVNCで利用している画面データ送信プロトコル、RFBプロトコル
- 
- 

## 圧縮形式

## ブロッキング


## RFB プロトコル
- RFB (Remote Frame Buffer) プロトコルは、自身の画面をネットワークを通じて送信し他者の画面に表示するプロトコル
- 他人のPC画面が表示される側と、FrameBufferへの更新が行われる(自身のPC画面を送信する)側に分かれ、それぞれをRFBクライアント、RFBサーバと呼ぶ
- FrameBufferは、メモリ上に置かれた画像データのこと


## VNC
- VNC(Virtual Network Computing)は、RFBプロトコルを用いてPCの遠隔操作を行うことを目的としたリモートデスクトップソフトウェア
- サーバー側とクライアント側に分かれており、起動したサーバーにクライアントが接続することで遠隔操作を可能にしている
- 全てのNodeが一台のサーバーに接続するため負担が大きい

<center><img src="./fig/vnc-crop.svg" alt="message" width="500" height="400"></center>


<!-- ## TreeVNC の構造
- TreeVNCは接続してきたクライアントをNodeとし、木構造状に管理する
- ルートのノードをRoot Nodeと呼び、その下に新たなNodeを接続していく
- Root Nodeが参照しているVNCServerからFrameBufferUpdateを取得し、各Nodeに送信する
- 木構造状に接続することで、画像データのコピーを各Nodeに負担させることができる

<center><img src="./fig/treevnc-crop.svg" alt="message" width="450" height="350"></center>


## 木構造の再構成
- Nodeが切断されたことを検知できなければ木構造が維持できない
- Root Nodeが木構造のネットワークトポロジーを管理しているため、Root NodeにNodeの切断を知らせる必要がある
- 切断検知には画像データが入っているMulticastQueueを使用
- MulticastQueueから画像データが一定時間取得されず、Timeoutを検知した場合切断したと判断する

## 画像データのエンコード方法
- TreeVNCではZRLEというエンコードタイプを元にした、ZRLEEというエンコードを用いて画像データを圧縮を行う
- ZRLEはZlibで圧縮されたデータとそのデータのバイト数がヘッダーとして送られる
- Zlibとはデータの可逆圧縮アルゴリズムが実装されているライブラリ

## 画像データのエンコード方法
- ZRLEでは解凍時に必要な辞書データを書き出すことができない
- ZRLEEはRoot Nodeで受け取ったZRLEのデータを一度解凍し、辞書データを付与して再圧縮している

<center><img src="./fig/EncodeZRLEE.svg" alt="message" width="550" height="450"></center>

## 共有画面切り替え
- 従来のVNCでは、配信者が切り替わるたびに再起動、再接続を行う必要があった
- TreeVNCでは、画面上にあるShareScreenボタンを押すことで配信者の切り替えが実行できる
- ShareScreen実行後、Root Nodeに対しSERVER CHANGE REQUESTというメッセージが送信される
- メッセージを受け取ったRoot Nodeは配信を希望しているNodeのVNCサーバーと通信を行い、切り替え作業に入る

<center><img src="./fig/ShareScreenSS.svg" alt="message" width="400" height="300"></center>

## 有線接続との接続の違い
- 現状のTreeVNCでは画面配信のデータ量は多く、無線LAN接続を行うと画面配信の遅延が大きくなる
- WifiのMulticast機能を利用し、UpdateRectangleを一度だけ送信することで無線LAN接続でも十分に遅延が抑えられると考える
- HDや4kの画面更新には64MB程度となり、これを圧縮しつつwifiのMulticast paketの最大サイズ64KBに変換、送信する必要がある
- paket lossがあった場合、再送処理は複雑であると予想できるため、まずBlokingによる実験を行う

## RFBプロトコルのUpdateRectangleの構成
- 1つのUpdateRectangleには複数のRectangleが格納されている
- RectangleはZlibで圧縮されたデータが指定された長さだけ格納されており、そのデータはさらに64x64 ByteのTileに分割されている

## RFBプロトコルのUpdateRectangleの構成
- 無線接続の場合、一度に送信できるデータ量が64KBしかないため、それに合わせて更新された部分のRectangleを分割する必要がある
    - Phase0 行の途中から始まる部分
    - Phase1 行の最初から最後までの部分
    - Phase2 行の途中で終わる部分

<center><img src="./fig/FrameUpdateRectangleColor.svg" alt="message" width="550" height="450"></center>


## 木構造とマルチキャストの共存
- ツリーに無線接続のNodeを加えてしまうと全体の配信遅延に繋がる
- 無線接続時のMulticastの実装を提案
- Multicastならば、Serverからの送信は一度で済むため、ツリー構造の形成が必要ない
- 従って新しいNodeが無線接続であっても、有線接続のツリーの配信には影響が出ない

<center><img src="./fig/interface-crop.svg" alt="message" width="500" height="450"></center>
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## まとめ
- WifiでMulticast paketを利用する手法についての考察を行なった
    - Wifiの速度とMulticastの信頼性が高ければ実用的である可能性がある
    - Blockingは実装中、再圧縮の時間は実用的な時間で済むと予想されている
    
- 今後の課題
    - Blockingの実装
    - WifiのMulticast paket lossは接続環境や状況に依存すると思われるためさらなる実験が必要
    - Node接続じの有線接続と無線接続の判断、区別処理の実装