ITSネットワークで映像をサポートするために必要な帯域幅とは？

映像の帯域幅について語られる際、通常はMbps（メガビット毎秒）という単位で表現されます。しかし、この帯域幅の表現は、正確に理解されていないと誤解を招く可能性があります。この表現は、任意の時点で帯域幅が常に一定であるかのような錯覚を生み出します（つまり、データと速度が時間全体に均等に分配されているように見える）。

しかし、優れたパケットキャプチャソフトウェアが示すように、現実のネットワークではそうではありません。「Mbps」という表現は、1秒間の平均的な帯域幅を示すだけであり、その1秒間の中で帯域幅がどのように分布しているかの詳細は提供されません。この情報は、ネットワーク上でパケットロスがいつ、どのように発生するかを理解するのに役立ちます。

一般的に、帯域幅がある時間内で本当に均等に分布しているかを確認したい場合は、その時間間隔をより短い単位で詳細に分析する必要があります。以下の情報は、実際にデータがネットワーク上でどのように流れるか、そして平均帯域幅の表現がどれほど誤解を招く可能性があるかを示しています。

理想的な帯域幅 vs 実際の帯域幅のニーズ

例えば、100 Mbpsで動作する「理想的な」ネットワークがあるとします。下の表では、緑色でハイライトされた各セルが、1秒間に送信された映像トラフィックを示しています。この映像トラフィックのグループは、通常「1秒間に50 Mbpsで送信された」と表現されます。
これは平均帯域幅またはデータ速度として知られています。

理想的なネットワークにおいて、時間間隔が短くなった場合にデータがどのように動くかを見てみましょう。 ここでも、映像トラフィックが時間全体に均等に分布していると仮定します。

下の表は、前述のグラフと同じトラフィックを示していますが、**1秒ではなく0.1秒（10分の1秒）**の短い時間間隔で表示しています。 重要なのは、各0.1秒の時間間隔において映像トラフィックのデータ速度が常に50 Mbpsであるという点です。 これは「真の定常ビットレート（True Constant Bit Rate）」と呼ばれます（後述する映像圧縮規格のCBRとは異なります）。 この場合、データは時間全体に非常に均等に分布しているため、短い時間間隔で測定しても、長い時間間隔で測定した場合と同じ速度になります。

次の表では、データが実際にどのように動くかをさらに一歩進めて示しています。 映像データが時間全体に均等に送信されるのではなく、0.1秒間隔のうち5つの区間で100 Mbpsで送信される様子を示しています。 この場合、データ速度は100 Mbpsと0 Mbpsが交互に現れることになります。 これは「バースト型帯域幅（bursty bandwidth）」と呼ばれ、データが時間全体に均等に分布していないため、短い時間間隔で測定すると、平均よりも速い速度になることがあります。

これらの例はあくまで説明用のシンプルなモデルです。実際には、トラフィックのバースト性を正確に捉えるために、0.1秒よりもさらに細かい時間間隔で測定する必要があります。もしこの例が現実のケースであり、回線速度が100 Mbpsであるならば、**0.01秒（100分の1秒）**の時間間隔を使用するべきです。

すべてのトラフィックはバースト型になる傾向がある

すべてのネットワークトラフィックはバースト型（bursty）であり、異なる時間間隔でデータを観察することでバーストの存在が見えてきます。 以下は、100 Mbpsのネットワーク上でPingトラフィックをパケットアナライザーで分析したグラフです。 Pingトラフィックは10キロバイトのバッファデータを運んでいました。 グラフが示すように、通常の1秒間隔で見ると、Pingトラフィックは平均160 Kbps（0.16 Mbps）で送信されているように見えます。これは正確で、20KBのPing往復データは13.5個のフルサイズイーサネットパケットに相当し、13.5 × 12304ビット = 160,104ビット、つまり0.16メガビットになります。

しかし、次のグラフが示すように、前のグラフの最初の1秒間のPingデータ（0.16メガビット）を0.1秒（10分の1秒）間隔で見ると、 同じPingデータが2つの0.1秒間隔（1回目と3回目）で800 Kbps（0.8 Mbps）で送信されていることが分かります。 それぞれの間隔で0.08メガビットのバーストデータが送信されており、Pingトラフィックがバースト型であることが明らかになります。

さらに、回線速度が100 Mbpsであるため、Pingトラフィックのバースト性をより正確に把握するには、0.01秒（100分の1秒）間隔で観察する必要があります。 以下のグラフが示すように、0.01秒間隔で見ると、同じ0.16メガビットのPingデータが2つの0.01秒間隔（1回目と26回目）で8 Mbpsで送信されていることが分かります。
それぞれの間隔で0.08メガビットのバーストデータが送信されています。

最後の2つのグラフでバースト速度が増加した理由は、0.1秒間隔ではマイクロバーストを測定するには粗すぎたためです。 0.01秒というより細かい時間間隔を使用することで、これらのマイクロバーストの真のバースト性を正確に測定することができました。

映像トラフィックは設計上バースト型である

映像トラフィックは、通常のトラフィックとは異なる形でバースト型になります。これは「時間圧縮（Temporal Compression）」という技術によるものです。 この技術では、動きの予測を利用して、2種類の映像フレームを生成します：

• キー・フレーム（Key Frame）：完全な画像を構成するために必要なすべての情報を含むフレーム
• デルタ・フレーム（Delta Frame）：部分的な画像情報のみを含み、完全な画像を構成するには前のキー・フレームの情報が必要

時間圧縮された映像トラフィックは、キー・フレームパケットとデルタ・フレームパケットの組み合わせで構成されており、大部分はデルタ・フレームパケットです。 その結果、映像トラフィックは設計上バースト型となり、定期的にキー・フレームパケットによるバーストが発生します。

同じ映像データを通常の1秒間隔ではなく、0.1秒（10分の1秒）間隔で見てみると、映像データは8 Mbpsで送信されていることが分かります。

回線速度が100 Mbpsであることを考慮すると、バースト性を正確に評価するには、0.01秒（100分の1秒）間隔で観察するのがベストプラクティスです。

以下のグラフが示すように、0.01秒間隔で見ると、この映像データの真のバースト速度は25 Mbpsであることが明らかになります。

このような映像トラフィックのバースト例は、一般的な映像通信に非常によく見られる典型的なパターンです。 通常、映像トラフィックは平均帯域幅の5〜6倍の速度でバーストする傾向があります。

映像帯域幅の平均値が生む錯覚

冒頭で、映像の帯域幅は通常Mbps（メガビット毎秒）で表されること、そしてこの表現がネットワーク設計において誤解を招く可能性があることについて説明しました。 この帯域幅の数値だけを基にネットワークを構築・設計できるかのような錯覚を生むのです。 以下の2つの例では、1台ではなく2台のカメラを使ってこの問題を説明します。

ネットワークが100 Mbpsで動作しており、各カメラが50 Mbpsの映像データを生成できると仮定します。 さらに、両方のカメラが**真の定常ビットレート（True Constant Bit Rate）**で映像を出力できるとします。 下の表は、0.1秒（10分の1秒）間隔で両方のカメラから送信された映像トラフィックの形状を示しています。 各カメラからの映像データは、異なる色のセルで表されています。

このシナリオは説明目的のみであり、実際のネットワーク上では問題を引き起こすことはありません。

今度は、各カメラがTrue Constant Bit Rateで50 Mbpsの映像データを出力するのではなく、0.1秒（10分の1秒）間隔で5回に分けて100 Mbpsのバースト映像データを出力するという仮定をしてみましょう。 下の表は、このシナリオにおける映像トラフィックのパターンの一例を示しています。 ここでも、各カメラからの映像データは異なる色のセルで表されています。

もちろん、この表では両方のカメラが同時にバーストデータを出力しないことを前提としており、異なる時間間隔で出力すると仮定しています。 この仮定が正しければ、ネットワーク上で問題が発生することはありません。

しかし、現実にはカメラがいつデータを出力するかを制御することはできません。この状況を同じ表形式で示すことはできませんが、もし両方のカメラが同時にデータを出力した場合、その瞬間にネットワークは**トラフィックの輻輳（混雑）**を起こし、映像の損失が発生する可能性があります。

その原因は単純で、ネットワークは**0.1秒間隔で最大10メガビット（100 Mbps × 0.1秒）**しか受け入れることができないのに対し、両方のカメラが同じ0.1秒間隔でデータを出力すると、合計で20メガビットのデータが流れることになるからです。

以下のグラフは、実際のシナリオを用いてこの問題を明確に示しています。このグラフで取得されたデータは、100 Mbpsのネットワーク上で複数のカメラから送信されたライブ映像データです。ネットワークは当時、定期的な映像損失を経験していました。

グラフが示すように、通常の1秒間隔で見ると、すべてのデータは平均約45 Mbpsで送信されているように見えます。 しかし、このような高レベルのグラフでは、映像損失の原因を特定することはできません。

回線速度が100 Mbpsであるため、映像トラフィックをさらに詳しく調べるために0.01秒（100分の1秒）間隔を使用します。 下のグラフが示すように、この時間間隔で見ると、非常に高いデータ速度（中には100 Mbpsに近いものも）で送信される多数のバースト映像データが確認できます。 これが映像損失の主な原因である可能性が高いです。

結論

映像トラフィックは本質的にバースト型であることを常に念頭に置き、ネットワークの設計やアプリケーションの導入時にはこの事実を考慮する必要があります。 ここでの経験則としては、映像帯域幅がMbpsで提示された場合、その平均値を5〜6倍にして真のバースト帯域幅として換算し、そのバースト帯域幅に基づいてネットワークを設計することが推奨されます。

映像バーストによるネットワーク輻輳の問題を回避するための代替策もいくつか存在します。 例えば、トラフィックシェーピング機能を備えたカメラを選ぶことで、映像出力をTrue Constant Bit Rateに平滑化することが可能です。 ただし、カメラが本当にトラフィックシェーピングを実装しているかを確認する必要があります。 一部のカメラは「Constant Bit Rate対応」と謳っていますが、これはH.264などの映像圧縮技術に基づくものであり、ネットワーク上のトラフィック制御とは無関係です。 このようなソリューションは、必ずパケットキャプチャで検証するべきです。

要するに、パケットキャプチャで証明されない限り、映像トラフィックは非常にバースト型であると常に想定すべきです。

将来のプロジェクト、特に映像を含むものにおいてネットワーク帯域幅を計画する際には、これらの追加ステップを踏むことで、現在だけでなく将来にわたってネットワークの成功を確実にすることができます。