Peer-assisted video-on-demand [Elektronische Ressource] : cost reduction and performance enhancement for users, overlay providers, and network operators / von Konstantin Pussep

© Konstantin Pussep, Technische Universität Darmstadt, Elektro- Und Informationstechnik

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 29
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

PEER-ASSISTEDVIDEO-ON-DEMAND:
COSTREDUCTIONANDPERFORMANCEENHANCEMENT
FORUSERS,OVERLAYPROVIDERS,ANDNETWORKOPERATORS
Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Darmstadt
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
in englischer Sprache genehmigte Dissertation
von
dipl.-inform. konstantin pussep
Geboren in Nowosibirsk, Russland
Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. Gerd Balzer
Referent: Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia
Tag der Einreichung: 29. November 2010
Tag der Disputation: 11. Februar 2011
Hochschulkennziffer D17
Darmstadt 2011Dieses Dokument wird bereitgestellt von This document is provided by
tuprints, E-Publishing-Service, Technischen Universität Darmstadt.
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de
[e-mail]-dar
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URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24981
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Peer-assisted content delivery is an attractive way to distribute video content through
the Internet at low costs. This approach combines the scalability of the peer-to-peer
paradigm, in which users contribute their resources, and the service level guarantees
of server-based systems. Thus, peer-assistance enables a content provider to reduce
its server hosting costs, which is crucial in a commercial scenario. However, to be
successful, such systems must take into account the interests of all three stakeholders
involved: (1) users that demand high streaming quality with low fees and limited
resource contribution, (2) content providers that aim to decrease server hosting costs,
and (3) network operators that aim to avoid inefficient use of their infrastructure due to
the network-oblivious behavior of peer-assisted overlays.
In this thesis, we address these requirements and develop adaptive mechanisms
to achieve a benefit for all three stakeholders, resulting in the so-called triple-win
situation. Our main scenario is video-on-demand streaming, in which users can re-
quest pre-stored video content at any time and watch the video while downloading
it. Thereby, video-on-demand streaming imposes stricter requirements compared to
other systems that utilize peer resources, such as BitTorrent-like file sharing. Ideally,
the video playback should start within few seconds and there should be no playback
stalling.
First, we focus on dedicated servers or caches that are essential resources in peer-
assistedstreamingsystems.Theirprovisionisnecessarytoguaranteeasatisfyingqual-
ity of experience to consumers, yet they cause significant and largely avoidable costs
forthecontentprovider,whichcanbeminimized.Thehighdynamicsofuncontrolled
peers, however, result in unpredictable changes of the resource demand. Since peers
additionallyofferservicestootherpeers,thesupplyofresourcesisalsodynamic.This
behaviormakesthemanagementofpeer-assistedsystemsandtheproperallocationof
resources challenging. This thesis proposes adaptive allocation policies, a new approach
to address this issue. The policies estimate the capacity situation and service demand
of the system to adaptively optimize allocated resources. Extensive simulations, veri-
fied by testbed measurements, prove the efficiency of our approach, which achieves a
more competitive performance than well-dimensioned static systems.
In the next step, we examine content delivery overlays from the network operators’
perspective,sincesuchoverlaysareresponsibleforalargeamountofconsumertraffic,
including the costly inter-domain traffic. The existing approaches often fail to satisfy
therequirementsofallinvolvedstakeholders.Weproposeanovelincentive-basedtraffic
management mechanism where a network operator offers additional free resources to
selected users. The mechanism assigns resources to users that behave compliant with
the network and overlay policies. Our evaluation shows that this approach satisfies
the requirements of network operators and overlay participants (provider and users).
To this end, the proposed mechanism is able to reduce the inter-domain traffic while
improvingtheoverlayperformance.Wealsoshowthatevenasinglenetworkoperator
can successfully apply the proposed mechanism.
Finally, we consider the availability of peer resources in peer-assisted content distri-
bution. Besides contributing upload bandwidth, it is important that peers stay online
after finishing their downloads to serve new download requests. The longer a peer
stays online the more it can help to offload the servers. However, too extensive online
timeoftenresultsinhighenergyconsumptionpaidbyuserswithoutanadequateben-
efit to the system. In upcoming decentralized architectures based on set-top boxes that
act as tiny servers, their energy can even dominate distribution costs.
Therefore, we propose advanced standby policies that reduce the energy consumptionof set-top boxes while still offloading servers significantly. We evaluate the standby
polices in a lifelike scenario. The results show that a near-optimal behavior can be
realized by utilizing common features of set-top boxes such as the wake-up timer. We
further extend a standby policy with network awareness to address the needs of net-
work operators. In this regard, the resulting policy takes into account the interests of
all three stakeholders: users, content providers, and network operators.KURZFASSUNG
Peer-unterstützte Inhaltsverteilsysteme sind eine vielversprechende Alternative, um
Videoinhalte über das Internet auszuliefern. Dieser Ansatz kombiniert die Skalierbar-
keit und Kosteneffizienz des Peer-to-Peer (P2P)-Paradigmas, wobei Nutzer ihre Res-
sourcen dem System zur Verfügung stellen, mit den Dienstgütegarantien der Client-
Server-Systeme. Insbesondere in kommerziellen Szenarien führt dies zu entscheiden-
den Vorteilen. Zum einen können durch die Server die Qualitätsanforderungen der
Nutzer befriedigt werden. Zum anderen können durch die Verwendung der Nut-
zerressourcen die Serverkosten für den Inhaltsanbieter reduziert werden.
Für den Erfolg eines Peer-unterstützten Systems müssen allerdings die Interessen
vonallendreiinvolviertenParteienbeachtetwerden:(1)NutzererwartenhoheWieder-
gabequalität bei geringen Kosten (Downloadgebühren und beigetragene Ressourcen);
(2) Inhaltsanbieter wollen ihre Distributionskosten gering halten und gleichzeitig viele
Nutzerunterstützen;(3)NetzbetreiberbefürchtenübermäßigeBelastungihrerNetzwer-
kinfrastruktur wegen der hohen Bandbreitenanforderungen und der häufigen Miss-
achtung der Netzwerktopologie bei Videoverteilung.
Diese Dissertation adressiert diese Anforderungen und entwickelt adaptive Mecha-
nismen mit dem Ziel, eine zufriedenstellende Situation für die beteiligten Parteien zu
erreichen.DasHauptszenarioistdabeidassogenannteVideo-on-Demand-Streaming,bei
dem Nutzer jederzeit digitale Videoinhalte über das Internet herunterladen und wäh-
renddessen wiedergeben können. Dabei werden die speziellen Anforderungen des
Video-on-Demand berücksichtigt, denn Videowiedergabe sollte nach nur nach weni-
gen Sekunden starten und möglichst ohne Unterbrechungen wiedergegeben werden.
Als erstes untersucht diese Dissertation wie dedizierte Server (oder Caches im All-
gemeinen) effizient eingesetzt werden können, um die Streaming-spezifische Dienst-
gütezugarantieren.WegenderdamitverbundenenKostenfürBereitstellungundDa-
tenauslieferung muss der Ressourcenverbrauch der Inhaltsanbieter und Nutzer mini-
miert werden. Dies wird insbesondere durch das dynamische und oft unvorhersehba-
re Verhalten der Nutzer zur Herausforderung, da die Nutzer nicht nur als Abnehmer
sondern auch als Anbieter von Daten agieren. Die daraus resultierenden Nachfrage-
und Angebotsschwankungen für einzelne Videos (und Videoteile) erschweren eine
effiziente Bereitstellung der Ressourcen verglichen mit einem reinen Client-Server-
System. Als Lösung werden in dieser Arbeit adaptive Bereitstellungsmechanismen vorge-
stellt, welche die verfügbaren Server (oder Caches) effizient einsetzen, um Nachfrage
und Angebot im System im Gleichgewicht zu halten. Die Qualität der entwickelten
Mechanismen wird mittels ausführlicher Simulationen bewertet und durch Messun-
gen in einem Testbed verifiziert. Dabei zeigt es sich, dass die vorgeschlagenen Mecha-
nismen, im Vergleich zu gut-dimensionierten statischen Systemen, die erforderliche
Dienstgüte bei niedrigeren Kosten erreichen.
Im nächsten Schritt werden die Auswirkungen der Inhaltsverteilsysteme auf die
Netzbetreiberbetrachtet.DerGrunddafürist,dassVideoinhaltedenimmergrößeren
Anteil des Datenverkehrs im Internet ausmachen und eine entsprechend hohe Last
auf der Netzwerkinfrastruktur verursachen. Dabei sorgt insbesondere der Datenver-
kehr zwischen den Domänen der einzelnen Netzbetreiber für hohe Kosten. Ansätze
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