television sobre internet arquitectura p2ptv - pablo rodriguez bocca

Introducción Calidad de Experiencia Protocolo GoalBit Conclusiones

Televisión sobre Internet:calidad percibida en arquitecturas P2PTV

(peer-to-peer)

Pablo Rodríguez-Bocca

Facultad de Ingeniería, Universidad de la República.

Montevideo, Uruguay.

I Jornadas Iberoamericanas de difusión y capacitaciónsobre TVDI,

22 de Octubre, 2012

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Outline

1 Introducción

2 Media de la calidad de video

3 Protocolo GoalBit

4 Conclusiones

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Outline

1 Introducción


3 Protocolo GoalBit

4 Conclusiones

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Introducción / El contexto

Sistemas para distribuir video en Internet

Actualidad!En el 2014 el 57% del tráfico será video [Cis10] ⇒ Grannecesidad de sistemas eficientes para distribuir televisión enInternet.

ServiciosVideo bajo demanda (descarga)Televisión en vivo (eventos)

¿Porqué es difícil brindar televisión en Internet?Principalmente debido al costo de la conexión.También debido a la falta de garantía en la velocidad deconexión.

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Sistemas tradicionales para distribuir video enInternet

Llamados: Content Delivery Network (CDN)Una CDN es un sistema de computadorasinterconectadas en Internet que cooperantransparentemente para distribuir contenido a losusuarios finales. (Wikipedia)

PropiedadesEl video es distribuido desde un conjunto de servidoresdispuestos a lo largo del mundo.Buen control, administración y monitoreo del servicio.Costosos, y muchas veces no logran evitar lascongestiones en la red a pesar de tener mucha capacidaddisponible. 5 / 45



¿Y no podemos hacerlo mejor?. . . Una buena ideapara distribuir video en Internet:

Llamados: Peer to Peer (P2P)Una red P2P es una red de contenido que tomaventaja de los recursos disponibles en los usuariosfinales.

PropiedadesLas redes P2P utilizan el ancho de banda disponible en lospropios clientes que consumen el servicio para distribuir elcontenido.Muy económicos.El ancho de banda es muy fluctuante, es complicadomantener el control de la red y conocer la calidadpercibida por los usuarios. 6 / 45


Limitantes en la soluciones actuales

Limitantes en las soluciones actuales

Limitantes en las soluciones tradicionales: CDNSistemas propietariosConsumo de recursos lineal con la popularidadDifícil de escalar en eventos populares (instalar servidores)Altos costos de mantenimiento (red grande y compleja)no eficientes para esquivar cuellos de botella de la red

Limitantes en las soluciones P2P existentesSistemas propietarios, no se conocen como funcionanEn general tiene costo poner un canal profesional propioRequiere instalar software en el dispositivo del usuario

Solución: crear un sistema de protocolo y código abiertoen el 2008 surge el proyecto GoalBit!!

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Limitantes en la soluciones actuales

Ejemplo de escalabilidad de la red híbrida

Comparación basada en un escenario realComparación entre las redes P2P (GOL!P2P) y una CDNtradicional (adinetTV)Caso de estudio basado en simulaciones, escenariogenerado de datos estadísticos de adinetTV (10000usuarios diferentes/mes, 100 usuarios simultáneos enpromedio por canal de televisión)

CDN P2PMean QoE 10 9.66

Servers BW 50 Mbps 5.6 MbpsClients BW 0 Mbps 0.6 Mbps/client

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Outline

1 Introducción


3 Protocolo GoalBit

4 Conclusiones

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Calidad / QoE vs QoS

Quality of Experience vs Quality of Service

Calidad de Experiencia (Quality of Experience)QoE es la performance global del sistema desde la óptica delusuario.

medida subjetivaperformance de extremo a extremoen la capa de servicio

Calidad de Servicio (Quality of Service)QoS son las medidas objetivas de performance de una reddesde la óptica de la red.

Calidad Percibida (Perceived Quality)La calidad percibida de video es el componente principal de laQoE en los servicios de video [DSL07].

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Calidad / Calidad Percibida de Video

Factores que afectan la calidad percibida de video

Factores que afectan la calidadParámetros de distribución (o de red) (loss rate, delay, jitter,

retransmission,. . . )Parámetros de la fuente / del receptor (original video signal,

codec, redundancy, buffer size,. . . )Parámetros de ambiente (ambient noise, equipment

quality,. . . )

ObservacionesIgnoramos los parámetros de ambiente (no podemoscontrolarlos).En P2PTV, el loss rate es el factor más importante debidoa la desconexión de los usuarios. Esto se ve reflejado en:initial delay, bufferings, video freezes, etc.

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Calidad / Evaluación de la calidad de video

Pero. . . Cuál es la calidad de una secuencia devideo?

La calidad es un concepto muy subjetivoDifícil dar una buena definición, y por tanto una buenaevaluación.Buscaremos un valor medio.

La mejor manera de evaluarla, es preguntándole a losusuarios

Varios métodos de valoración estandarizados (subjectiveassessment methods): ITU-R BT.500–10, draft ITU-RBT.700, DSL Forum WT-126Se solicita a un grupo de personas que evalúen la calidadde acuerdo a su propia valoración, de donde se obtiene el:Mean Opinion Score (MOS).

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Subjective Quality Assessment: Pros and Cons

La evaluación subjetiva de calidad provee los valores“reales” de calidad

De hecho, los usuarios deciden en última instancia lo quees la calidad.Además cuentan con una definición y un procesoestandarizados.

Sin embargo. . .Costosos en mano de obra y consumo de tiempo.No automáticos, no usables en tiempo real.Inútiles para mecanismos de control automáticos.

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Evaluación Objetiva de calidad (Objective QualityAssessment)

Con el fin de evitar los problemas de la evaluaciónsubjetivaExisten varias técnicas objetivas de evaluación: PSNR, VQM,MPQM, CMPQM, NVFM,. . . (y un sinnúmero de otras siglas.)

Algoritmos y / o fórmulas (generalmente algoritmos deprocesamiento de señal).Calcular una especie de distancia entre la secuenciarecibida y la original.

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Objective Quality Assessment: Pros and Cons

Métodos objetivos resuelven algunos problemas de laevaluación subjetiva

Económico y rápido.Automático, posible de ser usado en un proceso de control.

Sin embargo. . .Generalmente, no se correlacionan bien con la percepciónde la calidad humana.La mayoría necesitan la secuencia original =⇒ inútilespara aplicaciones de tiempo real.

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Calidad / PSQA

PSQA: Pseudo–Subjective Quality Assessment

Goals of PSQAPSQA tiene como objetivo proporcionar una evaluación de lacalidad:

como es percibida por el usuario,con buena precisióna

automáticamenteeficientemente (en particular, si se necesita en tiempo real)puede ser aplicado a muchos tipos de medios, sobrediferente redes y condiciones.

aPSQA provee un valor muy cercano al valor promedio que sería obtenidopor un panel de observadores humanos.

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Calidad / PSQA

PSQA: Modo de empleo

Como funciona?Aprende la relación entre algunos parámetros que afectan lacalidad, y la calidad en sí misma.

PSQA tiene 3 etapas1 Generación de una base de datos de videos

distorsionados según los factores que afectan la calidad.selección de factores que afectan la calidadgeneración de base de datos de videos distorsionados

2 Evaluación subjetiva de la calidadrealizar una campaña de evaluacióncalcular el Mean Opinion Score (MOS)

3 Aprendizaje del comportamiento de la calidadentrenar y validar un estimador estadístico en base a losresultados de la campaña

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Calidad / PSQA

PSQA: Modo de empleo

Sobre el estimador utilizado. . .Implementamos PSQA con redes neuronales (Random NeuralNetworks: RNNs).

Observaciones. . .al comienzo del proceso, debemos elegir los parámetrosPSQA es específico para un tipo de red y una aplicaciónrequiere un ambiente de prueba:

para validar los factores que afectan la calidad ypara generar los videos distorsionados

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Calidad / PSQA

PSQA: el proceso en una imagen

Entrenar PSQA: solo una vez!

Modo en operación: muy simple y económico. . .

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Calidad / Análisis de la Calidad de Video

Usando PSQA para entender la calidad de video

¿Cómo la calidad reacciona . . .a un incremento en la tasa de pérdidas?al movimiento que tiene el video original?a un aumento en la redundancia del emisor?a un aumento en el buffer del receptor?a una combinación de los puntos anteriores!. . .

Hemos utilizado PSQA...Para responder estas preguntas y otrasPara desarrollar algoritmos de control automáticos enGoalBit. . .

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Un par de ejemplos de funciones PSQA

Función “Simple”MPEG-2 encoding100 secuencias de videocampaña con 5 expertosprimer estudio que analiza calidad “nivel de frame”solo considera parámetros de distribución

Función “Elaborada”MPEG-4 encoding204 secuencias de videocampaña con 10 expertosa “nivel de frame”, discriminando por frame type: I,P, Bconsidera parámetros de la fuente y de distribución

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Función PSQA “Simple”: las pérdidas

Dos parámetrosDos variables orientadas a la red (esto es, fijamos lascaracterísticas del stream, como bandwidth, encoding,. . . ):

la tasa de pérdidas de frames, llamada LRel tamaño medio de ráfaga de pérdidas de frames, llamadaMLBS

Consideramos. . .LR de 0.0 a 0.2 (la calidad es muy mala con más de un20% de pérdidas)MLBS de 1 a 10 frames

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Función PSQA “Simple”: las pérdidasLR, MLBS 7→ quality

0

0.2

0.4

0.6

0.8

12

4

6

8

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

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MLBS

PSQA

LR

Q

observarmonotonía de Qcon LR y MLBSen particular, lapeor calidadcorresponde alvalor MLBS = 1observar la bajasensibilidadrespecto al MLBS

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Función PSQA “Elaborada”: los tipos de frames

Cinco parámetrosparámetros orientados a la red: pérdidas de frames portipo:LRI ,LRP ,LRB

parámetros orientados a la fuente: el motion del video(usando diferentes métricas):GOP size and frames P information ratio

Consideramos. . .LRI entre 0.0 y 1.0LRP y LRB entre 0.0 y 0.25GOP size entre 25 y 350 framesframes P information ratio entre 0.05 y 0.9

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Función PSQA “Elaborada”: los tipos de framesLRI ,LRP ,LRB,motion 7→ quality

0

0.2

0.4

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1

0

0.2

0.4

0.6

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1

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3

4

5

6

7

8

9

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Loss rate I

Perceptual quality

Loss rate P

Q

0

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0.6

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1

0

0.2

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Loss rate P

Perceptual quality

Loss rate B

Q

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Función PSQA “Elaborada”: los tipos de framesLRI ,LRP ,LRB,motion 7→ quality

0

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Loss rate I

Perceptual quality

Loss rate P

Q

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Loss rate P

Perceptual quality

Loss rate B

Q

observar monotonía respecto a los LR’srápido decrecimiento con LRI y LRP

mayor impacto de LRP que de LRI

lento decrecimiento con LRB

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Outline

1 Introducción


3 Protocolo GoalBit

4 Conclusiones

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GoalBit / Introducción

GoalBit Homepage

http://goalbit.sourceforge.net

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¿Qué es GoalBit?

GoalBit es un equipo de trabajo de alta experticia:Con sólidos conocimiento en multimedia e InternetActualmente: 3 desarrolladores seniors, 4 investigadores, 1gerente de proyectoMás de 20 publicaciones destacadas en los últimos 3 años2 doctorados, 6 maestrías de ingeniería (3 en curso)ver detalles en: http://goalbit.sourceforge.net/publication.html

Resultados de GoalBitFormación de investigadores y profesionales2006: GOL!P2P, primer prototipo2008: primera versión estable de GoalBit2009: varios productos forman la plataforma2010: surge empresa GoalBit-Solutions

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Pero. . . entonces ¿qué es GoalBit?

GoalBit:productos de software que forman una plataforma de video online

GoalBit Media PlayerGoalBit Media ServerGoalBit Suiteun conjunto de aplicaciones (media portal, digital signage. . . )

útil para crear:tu propio canal de televisión (sin infraestructura, usando P2P)sitios tradicionales (CDN con streaming HLS, HTTP, RTMP, etc.). . . y también sistemas híbridos CDN+P2P. Donde el P2P se usa:

distribución escalable de contenido al usuariotransporte auto-gestionado entre los servidores de la CDN

dispone de versión de software libre (GPLv2), de uso gratuito, deprotocolo abierto

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GoalBit / ¿Cómo funciona?

El diseño del protocolo P2P de GoalBit

Principales elecciones de diseño1 Red híbrida entre las infraestructuras CDN y las P2P,

incorporando las ventajas de ambas arquitecturas.2 Monitoreo en tiempo real de la calidad de experiencia (QoE)

usando PSQA.3 Estructura de malla tipo BitTorrent (mesh-based overlay)4 Técnica de distribución multi–source streaming, para permitir

distintos niveles de redundancia y de calidad entre usuarios yentre redes

5 Orientada a televisión en vivo, con soporte para video bajodemanda

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¿Cómo funciona el protocolo P2P de GoalBit?

ComponentesBroadcaster(s)Super-peersPeersTrackerMedia Portal

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Pero. . . ¿Cómo funciona?????

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GoalBit / Protocolo

Conceptos Generales

Active Buffer: la secuencia ininterrumpida de chunks apartir de la línea de ejecución del reproductor.

Active Buffer Index (ABI): Se define como el mayornúmero de secuencia incluido dentro del active buffer. Si elABI coincide con el índice de ejecución el usuario observaun error en la reproducción.

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GoalBit / Protocolo

Comunicación Peers-Tracker

Al iniciar el peer solicita al tracker un swarm (conjunto depeers) y un ABI en donde comenzar la ejecución.Los peers de un swarm reportan sistematicamente su ABIy la calidad percibida al tracker.En caso que un peer se esta quedando sin peers, estepodrá contactar al tracker en busca de nuevos peers.

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GoalBit / Protocolo

Comunicación Peers-Tracker (2)

El swarm debería ser:Distinto según el tipo de peer que lo solicita

Un broadcaster-peer no va a utilizar su swarm.Un super-peer debe recibir la lista de los broadcaster-peersy de los otros super-peers.Un peer debe recibir una lista con algunos super-peers ymuchos peers.

Pequeño, típicamente 55 peersIncluir peers que se encuentran descargandoaproximadamente los mismos chunks (ABIs similares)Incluir peers que presentan el mismo compromiso con lared (o no?. . . )Geográficamente próximo al peer iniciándose

la política de selección de peers (definición del swarm) tienealto impacto en la eficiencia del protocolo ⇒ Análisis y modelomatemático (modelo P4P). Tesis de maestría de Dario Padula.

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GoalBit / Protocolo

Política de selección de pares: P4PWG

Cooperación entre aplicaciones P2P e ISPsPropuestas del grupo de trabajo P4PWGAumentar las coincidencias entre la red del ISP y la redP2P

Reduce el consumo de ancho de banda en el ISPsMejora en el servicio percibido por los usuarios

Pruebas preliminaresPrueba real entre Telefónica Group, Verizon, PandoNetworks y la Universidad Yale.Resultados sobre el uso de la aplicación:

El BW en el borde de Internet del ISP se reduce un 42%saliente y un 35% entrante. El BW en el backbone sereduce en un 71%.Mejora en la velocidad de descarga de aproximadamente23%.

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GoalBit / Protocolo

Comunicación entre Peers

El peer elige a los (5) mejores peers del swarm paraintercambiar piezas.Cada 30 segundos cada peer descarta aquel del cualdescargó menos y lo sustituye por un peer aleatorio delswarm (optimistic unchocking)Cada peer le solicita a los (5) peers elegidos las piezasque considere más importante poseer

La política de solicitud de piezas debería:Priorizar las piezas más próximas a la linea dereproducciónIntentar distribuir todas las piezas por igual en la red

la política de selección de piezas tiene alto impacto en laeficiencia del protocolo ⇒ Análisis y modelo matemático(modelo de probabilidad). Tesis de maestría de Pablo Romero)

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GoalBit / Protocolo

Comunicación entre Peers (2)

La comunicación entre peers es un protocolo complejo ysigue el siguiente flujo:

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GoalBit / Protocolo

Comunicación entre Peers (3)

Handshake: 2 peers aceptan comunicarse entre sí.Bitfield: cada peer le indica al otro que chunks tiene.Interested: un peer le indica al otro que esta interesadoen descargar un chunk de él.Unchoke: un peer le indica al otro que esta dispuesto arecibir pedidos de este.Request: pedido de una parte de un chunk de un peer aotro.Piece: envió de un parte de un chunk a un peer.

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GoalBit / Protocolo

Política de selección de piezas

Implementación actualDado un momento t , se definen 3 intervalos de chunks afuturo:

Urgente: chunks cercanos a la linea de ejecución.Próximo: chunks medianamente cercanos a la linea deejecución.Futuro: chunks lejanos a la linea de ejecución.

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GoalBit / Protocolo

Política de selección de piezas (2)

Si falta algún chunk del período urgente este debería serpedido de inmediato (en lo posible a peers de tiposuper-peer o broadcaster-peer).

Los chunks pertenecientes al período próximo y futuro sonpedidos en base a una distribución exponencial (de estamanera nos aseguramos cubrir el próximo período urgentey tener alguna pieza futura para negociar nuevasdescargas).

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GoalBit / Protocolo

La red híbrida CDN+P2P: arquitectura

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GoalBit / Protocolo

La red híbrida CDN+P2P: uso óptimo de losrecursos

Asignación óptima de recursos de super-peers segúndemanda

Adaptar la capacidad de streaming super-peer (en vivo ybajo demanda) a las solicitudes de los usuariosAdaptar la capacidad de storage de videos de lossuper-peers a las solicitudes de los usuarios

la política de asignación de recursos en la CDN tiene unimpacto en la calidad de experiencia y en la escalabilidad delservicio ⇒ Análisis y modelo matemático (modelo deestocástico). Tesis de maestría de Claudia Rostagnol.

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Outline

1 Introducción


3 Protocolo GoalBit

4 Conclusiones

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Conclusiones / Resultados

Nuestros Resultados

Respecto al producto GoalBitdispone de versión de software libre (de uso gratuito yprotocolo abierto)más de 60k descargasproyecto catalogado en el lugar 150 de SourceForge(mejor ranking)

Respecto a los recursos humanosFormación de investigadores y profesionales (30 personasinvolucradas a lo largo del proyecto)Finalizados: 2 tesis de doctorado (2), 3 tesis de maestría(3), 4 proyectos de grado (6), 7 pasantías en el exteriorEn ejecución: 3 tesis de maestría (2), 2 proyectos degrado (5)

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Conclusiones / Resultados

Nuestros Resultados (2)

Resumen de los resultados académicosLos principales resultados en los siguientes puntos:

1 Calidad de Experiencia (QoE)2 Streaming P2P desde múltiples fuentes3 Búsqueda eficiente en repositorios de video4 Selección óptima de pares basado en geografía5 Selección óptima de piezas en redes P2P malladas6 Asignación óptima de recursos en redes híbridas

CDN+P2P

20 publicaciones,3 años de duro trabajo ;). . . detalles en:http://goalbit.sourceforge.net/publication.html

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¿Preguntas?

¿Preguntas?

Gracias!Por su atención.

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¿Preguntas?

Bibliography

[Cis10] Cisco Systems, Inc.Hyperconnectivity and the Approaching ZettabyteEra., June 2010.

[DSL07] DSL Forum Technical Work WT-126.Video services quality of experience (qoe)requirements and mechansims, Apr 2007.

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