Riassunto analitico
Il traffico IP determinato dalle applicazioni video sta crescendo esponenzialmente, questo è attribuibile alla diffusione di dispositivi quali tablet, smartphone, smartTV. Contemporaneamente la diffusione della tecnologia over the top (OTT) streaming, cioè la distribuzione di contenuti video su Internet utilizzando i comuni protocolli di trasporto dati, ha permesso a soggetti diversi dai soli operatori di telecomunicazioni di inserirsi in questo mercato. Tale tecnologia non utilizza una rete dedicata, talvolta può accadere che la larghezza di banda disponibile sia inferiore a quella necessaria al video streaming, determinando così una degradazione della qualità video. Lo standard Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) recentemente proposto, prevede di distribuire diverse versioni dello stesso contenuto per poter dinamicamente adattare la bitrate alle condizioni di rete, e alle diverse capacità degli user devices. In questo contesto, mi sono concentrata sulle opportunità offerte dai sistemi di streaming peer-to-peer (P2P): la cooperazione tra peer garantisce costi infrastrutturali ridotti e maggiore scalabilità e flessibilità. Dapprima, ho investigato come una piattaforma live P2P possa trarre vantaggio dalla presenza di spettatori assidui, fornendo loro un servizio più soddisfacente rispetto ai quelli saltuari, e come questi utenti favoriti siano preservati anche quando il sistema si trova in condizioni critiche di funzionamento. Ho classificato gli utenti in base al loro comportamento, per poi alterare l'algoritmo di scheduling dei chunk richiesti, in modo da servire con priorità gli utenti assidui, fornendo loro un servizio di qualità migliore e un più rapido accesso al canale. É stato sviluppato un modello analitico che descrive lo startup delay, per cogliere il miglioramento introdotto dalla modifica proposta. I risultati ottenuti indicano una evidente differenziazione di servizio e dimostrano che quando la larghezza di banda scarseggia, agli utenti assidui è comunque garantito un servizio di qualità. Successivamente, per garantire agli utenti una migliore qualità di servizio, ho proposto di combinare architettura P2P e DASH, sfruttando la prooprietà di cooperazione della prima e la capacità di adattatività del secondo, in una nuova piattaforma P2P-DASH, che consiste in più overlay, ognuna delle quali distribuisce una differente rappresentazione DASH. Ho sviluppato un algoritmo di controllo distribuito che determina quale rappresentazione un peer deve scaricare in base alla qualità video percepita e lo stato di salute della intera overlay, così da ottenere un duplice obiettivo: buona qualità video per l'utente e buon funzionamento per l'intero sistema. L'efficacia della soluzione è dimostrata attraverso la simulazione e indica che il sistema P2P-DASH è in grado di garantire agli utenti buone prestazioni, migliori rispetto a un sistema P2P, che non usi il DASH a parità di risorse e di richieste. Il sistema è stato studiato in presenza di un evento critico quale il flash-crow, evidenziando come un massiccio arrivo di nuovi utenti possa essere prontamente rilevato e gestito. In fine, ho posto particolare attenzione alla riduzione dello switching delay, ossia il ritardo sperimentato dal peer quando transita da una overlay all'altra. A questo scopo, ho introdotto alcuni specifiche azioni: (i) estensione della neighborhood dei peer in modo da sapere in anticipo la posizione del processo di streaming della overlay target; (ii) priorità di servizio alle richieste di video chunk dei nodi appena arrivati nella overlay, e (iii) nuovo algoritmo di controllo che garantisca più risorse alle overlay che distribuiscono streaming rate più elevate, per ridurre il disallineamento dei processi di streaming tra le varie overlay. I risultati hanno dimostrato che tutte le azioni sono efficaci per la riduzione dello switching delay.
|
Abstract
IP traffic due to video applications is exponentially growing, thanks to the diffusion of devices such as tablets, smartphones and smart TVs. At the same time, the over the top (OTT) streaming diffusion, namely the diffusion of video and audio contents over the Internet employing the conventional data transport protocols, has allowed subjects different from telco operators to penetrate this market. These technologies do not employ a dedicated network and it may therefore happen that the current available bandwidth is lower than the one requested to relay the video, determining a degradation in viewing quality. The video source has therefore be adaptive; to this regard, the Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) standard has been recently proposed, as it providing different versions of the same media content to adapt the delivery process over the Internet to dynamic network conditions and different user device capabilities.
Within this context, I focused on the opportunities offered by peer-to-peer (P2P) system for live streaming: the cooperation among peers guarantees reduced infrastructural cost and greater scalability and flexibility.
At first, I investigated how a p2p television platform can take advantage of the presence of frequent channel viewers to grant them a more satisfying service than to less regular spectators, and how such favorite users can also be protected when unfavorable operating conditions occur. I classified the users on the basis of their behaviour, in order to alter the video chunk scheduling algorithm, with the aim of serving frequent users in a privileged manner, providing them with a better viewing experience and a faster access to the channel. An analytical model to describe the startup delay was developed, to capture the improvement that the proposed modification introduces. The obtained results show that a service differentiation is attained and demonstrate that, even if bandwidth resources become scarce, a good service is granted to frequent users.
Next, to provide users with a better viewing experience, I proposed to jointly exploit DASH adaptivity and the P2P cooperation property in a new P2P-DASH platform, that consists of several swarms, each of them delivering a different DASH representation. I devised a new distributed rate control strategy that determines which video version the user downloads on the basis of both the current viewing quality experienced and the overlay health status, so as to achieve a twofold goal: good user viewing quality and good functioning of the whole system.
The effectiveness of the solution has been demonstrated through simulation and it indicates that the P2P-DASH platform is able to grant its users a good performance, better than in a DASH-unaware P2P platform subject to the same streaming requests and with the same available resources. System behavior has been investigated in the critical condition of a flash crowd, showing that the massive arrival of new users can be promptly revealed and gradually accommodated.
At the end, I paid particular attention to reducing the switching delay, that is, the delay incurred by the peer when transiting from one representation to another. To achieve this goal, I introduced some specific actions:(i) extension of the peer neighborhood in order to know in advance the position of streaming process in the target overlay; (ii) priority scheduling to serve first the video chunk requests of the new nodes entering the overlay and (iii) new rate control algorithm able to guarantee more resources to overlays that deliver higher streaming rates, therefore reducing the misalignment among streaming processes in different overlays. The simulation results have demonstrated the effectiveness of all these actions in confining the switching delay, and have numerically quantified the influence that different actions exhibit.
|