< Terug naar vorige pagina

Project

Architectuur en algoritmen voor het efficiënt beheer van gevirtualiseerde ICN-netwerken (178EA1213)

Tijdens de afgelopen decennia is het internet ge¨evolueerd van een onderzoeksnetwerk met enkele honderden knopen tot een netwerk dat miljarden gebruikers over de hele wereld met elkaar verbindt. Deze verbluffende evolutie werd aangestuurd door een onafgebroken vooruitgang op vlak van aangeboden diensten, gebruikte technologie en gebruikersverwachtingen. Waar het internet in de begindagen hoofdzakelijk gebruikt werd voor statische diensten zoals e-mail en surfen op het web, wordt vandaag een brede waaier van hoofdzakelijk multimediadiensten aangeboden. Zo vertegenwoordigen videodiensten momenteel meer dan 70% van het wereldwijde internetverkeer. Bovendien wordt verwacht dat de populariteit van deze diensten de komende jaren alleen maar zal toenemen. Niet alleen het dienstenaanbod is sterk uitgebreid, maar tegenwoordig worden ook uiteenlopende toestellen gebruikt om deze diensten te gebruiken, gaande van desktop computers en laptops tot slimme televisies, smartphones en tablet computers. Daarbovenop nemen de gebruikersverwachtingen over de aangeboden diensten, bijvoorbeeld op vlak van beeldkwaliteit en reactiesnelheid, voortdurend toe. De sleutel tot het succes van videodiensten schuilt dan ook in het effici¨ent invullen van deze hoge verwachtingen. Daarom is de zogenaamde Quality of Experience (QoE), een maatstaf voor de gebruikerservaring, een belangrijke waardemeter bij het beheer van multimediadiensten. Ook de technologie¨en die worden gebruikt om videodiensten af te leveren zijn doorheen de tijd sterk ge¨evolueerd. Terwijl oorspronkelijk gespecialiseerde protocollen werden aangewend, hebben Hypertext Transfer Protocol (HTTP)-gebaseerde technieken de laatste jaren heel wat aan populariteit gewonnen. Deze technieken hebben enkele onmiskenbare voordelen zoals de betrouwbare aflevering over Transmission Control Protocol (TCP), de mogelijkheid tot hergebruik van standaard caches en de moeiteloze integratie met firewalls. Om in te spelen op dynamische netwerkomstandigheden werd HTTP Adaptive Streaming (HAS) voorgesteld. In HAS wordt de video opgesplitst in verschillende segmenten van enkele seconden. Bovendien wordt elk van deze segmenten in verschillende kwaliteitsniveaus aangeboden. In de videospeler wordt een heuristiek voorzien die voor elk segment het meest geschikte kwaliteitsniveau selecteert op basis van de waargenomen netwerkomstandigheden en de huidige buffervulling. De laatste jaren is HAS de de facto standaard geworden voor Over-The-Top (OTT) videodiensten. Gezien de vele voordelen van deze techniek geniet HAS recent ook steeds meer aandacht in scenario’ waarbij het netwerk wordt beheerd door de operator. Ondanks de adaptiviteit van HAS kunnen kwaliteitsschommelingen en onderbrekingen in de video nog steeds voorkomen. Dit heeft vanzelfsprekend een negatieve invloed op de gebruikerservaring. In het verleden werden kwaliteitsdegradaties voorkomen door het netwerk sterk te overdimensioneren. Gezien de hoge populariteit van videodiensten en de toenemende gebruikersverwachtingen is dit economisch niet langer haalbaar. Daarom is het effici¨ent beheren van videodiensten van essentieel belang geworden om aan de hoge kwaliteitsvereisten te kunnen voldoen en tegelijkertijd de druk op de onderliggende netwerkinfrastructuur onder controle te houden. In deze thesis worden dan ook verschillende beheersoplossingen voorgesteld die de aflevering van HTTP-gebaseerde videodiensten optimaliseren. Deze optimalisaties richten zich zowel op de serverzijde, de gebruikerszijde als op aanpassingen in het netwerk. Een eerste manier om de geleverde diensten te verbeteren is het optimaliseren van de kwaliteitsselectie in de videospeler. Ook al werden de HAS-protocollen gestandaardiseerd door MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH), toch is een grote hoeveelheid aan commerci¨ele kwaliteitsselectieheuristieken beschikbaar. De huidige implementaties zijn echter deterministisch en toegespitst op specifieke netwerkomstandigheden. Hierdoor zijn ze minder geschikt om met een brede waaier aan dynamische netwerkomstandigheden om te gaan. De huidige kwaliteitsselecties zijn dan ook vaak niet optimaal waardoor een aanzienlijk deel van de videostromen invloed ondervindt van lage kwaliteit en onderbrekingen. Daarom werd een zelflerende heuristiek ontwikkeld. Door gebruik te maken van een techniek gebaseerd op Reinforcement Learning (RL) zal de videospeler zijn gedrag voortdurend aanpassen aan de waargenomen netwerkomstandigheden en de huidige buffervulling. In deze thesis wordt aangetoond dat deze heuristiek huidige deterministische algoritmes sterk kan overtreffen op vlak van QoE in dynamische netwerkomstandigheden. Naast aanpassingen aan de videospeler kunnen ook optimalisaties in het netwerk worden toegepast om de aflevering van videodiensten efficienter te maken en de druk op de netwerkinfrastructuur te verminderen. Daarom zijn Internet Service Providers (ISPs) recentelijk begonnen met het uitrollen van zogenaamde telco-Content Delivery Networks (telco-CDNs). Dit biedt hen meer controle over hun infrastructuur door de videos in hun eigen netwerk dichter bij de eindgebruiker te kunnen cachen. Bovendien stelt de huidige vooruitgang op vlak van netwerkvirtualisatie hen in staat om hun telco-CDN infrastructuur te virtualiseren. Dit laat hen toe om op een dynamische manier virtuele opslag- en afleveringsdiensten aan te bieden aan verschillende partijen. Gebaseerd op dit scenario werd een hybride caching strategie voorgesteld die de allocatie van opslagcapaciteit, het plaatsen van data en het selecteren van een server optimaliseert over deze verschillende partijen heen. Door het periodiek proactief plaatsen op basis van populariteitsvoorspellingen te combineren met klassieke reactieve caching, kan de druk op het ISP netwerk sterk worden verlicht. Tegelijkertijd worden de videos dichter bij de eindgebruiker gebracht, wat dan weer de QoE ten goede komt. De prestatie van een reactieve caching aanpak is sterk afhankelijk van de gebruikte vervangingsstrategie. Aangezien de videosegmenten met HAS worden afgeleverd via HTTP kunnen traditionele algoritmes, gebruikt bij web caching, eenvoudig worden hergebruikt. De eigenschappen van gesegmenteerde video kunnen echter worden aangewend om de prestaties van de caches sterk te verbeteren. Er werden dan ook algoritmes ontwikkeld die de temporele structuur in een gesegmenteerde video in rekening brengen bij cachevervangingen. In deze thesis werd hier op verder gebouwd door rekening te houden met het feit dat steeds meer gebruikers van videodiensten verschillende afleveringen van dezelfde serie na elkaar bekijken. Naar dit fenomeen wordt vaak verwezen onder de noemer binge watching. Gebaseerd op deze trend werd een strategie ontwikkeld die aanneemt dat wanneer een gebruiker een aflevering van een bepaalde serie bekijkt, hij vervolgens de daaropvolgende aflevering zal bekijken. Door deze informatie in rekening te brengen kan de effici¨entie van de cachenetwerken sterk verhoogd worden, wat leidt tot een vermindering van de druk op de onderliggende netwerkinfrastructuur. Als laatste optimalisatie werd voorgesteld om deadlines geassocieerd met videodiensten in rekening te brengen in de transportlaag van het netwerk. Aangezien ze worden afgeleverd over TCP, concurreren HTTP-gebaseerde videodiensten om de beschikbare bandbreedte met andere diensten met uiteenlopende karakteristieken. Elke byte in een videostroom kan echter worden geassocieerd met een impliciete deadline. Wanneer het videosegment niet wordt afgeleverd vooraleer het moet worden afgespeeld, zal een onderbreking optreden. Aangezien dit een negatieve invloed heeft op de gebruikerservaring werd een deadline-gebaseerd adaptatiealgoritme voorgesteld op basis van een geparametriseerde versie van TCP New Reno. Deze aanpak vereist op de transportlaag enkel aanpassingen aan de serverzijde en is dan ook volledig transparant voor de rest van het netwerk. Er werd aangetoond dat de QoE van een HAS videodienst sterk verbeterd kan worden door het dynamisch aanpassen van de aggressiviteit van een TCP videostroom. De oplossingen die worden voorgesteld in deze thesis behandelen enkele belangrijke uitdagingen die momenteel optreden in HTTP-gebaseerde gesegmenteerde videodiensten door de gebruikerservaring te verbeteren en tegelijkertijd de druk op de netwerkinfrastructuur te beperken. Verder onderzoek kan hierop verderbouwen door te blijven focussen op nieuwe evoluties, zowel op technologisch vlak als op vlak van gebruikersverwachtingen. Zo biedt de huidige interesse in nieuwe protocollen zoals HTTP/2 bijvoorbeeld een aantal nieuwe mogelijkheden. Door de toenemende tendens van dergelijke protocollen richting in-netwerk encryptie gaat dit echter ook gepaard met een aantal belangrijke uitdagingen op vlak van in-netwerk optimalisaties. Bovendien zorgen de sterke diversificatie van gebruikerstoestellen en hun verhoogde mobiliteit voor toenemende gebruikersverwachtingen. Tenslotte introduceren nieuwe netwerkstrategie¨en zoals Software-Defined Networking (SDN) en Network Function Virtualization (NFV) een aantal nieuwe scenario’ die de flexibiliteit van videodiensten sterk kunnen doen toenemen. De sterke interactie tussen dergelijke dynamische netwerkbeslissingen en de efficientie van strategie¨en zoals proactieve plaatsing van data zorgt er echter voor  dat dit een uitdagende opdracht wordt.  

Datum:1 jan 2013  →  31 dec 2016
Trefwoorden:gevirtualiseerde ICN-netwerken, visualisatie van netwerkfuncties, http, software gedefinieerd netwerken
Disciplines:Computertheorie, Andere computer ingenieurswetenschappen, informatietechnologie en mathematische ingenieurswetenschappen, Scientific computing, Computer hardware