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 capacitación
sobre TVDI,
22 de Octubre, 2012

Introducción


Outline

1

Introducción

2

Media de la calidad de video

3

Protocolo GoalBit

4

Conclusiones

Protocolo GoalBit

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Introducción / El contexto

Sistemas para distribuir video en Internet
Actualidad!
En el 2014 el 57% del tráﬁco será video [Cis10] ⇒ Gran
necesidad de sistemas eﬁcientes para distribuir televisión en
Internet.
Servicios
Video 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 de
conexión.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Sistemas tradicionales para distribuir video en
Internet
Llamados: Content Delivery Network (CDN)
Una CDN es un sistema de computadoras
interconectadas en Internet que cooperan
transparentemente para distribuir contenido a los
usuarios ﬁnales. (Wikipedia)
Propiedades
El video es distribuido desde un conjunto de servidores
dispuestos a lo largo del mundo.
Buen control, administración y monitoreo del servicio.
Costosos, y muchas veces no logran evitar las
congestiones en la red a pesar de tener mucha capacidad
disponible.

5 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


¿Y no podemos hacerlo mejor?. . . Una buena idea
para distribuir video en Internet:
Llamados: Peer to Peer (P2P)
Una red P2P es una red de contenido que toma
ventaja de los recursos disponibles en los usuarios
ﬁnales.
Propiedades
Las redes P2P utilizan el ancho de banda disponible en los
propios clientes que consumen el servicio para distribuir el
contenido.
Muy económicos.
El ancho de banda es muy ﬂuctuante, es complicado
mantener el control de la red y conocer la calidad
percibida por los usuarios.

6 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Limitantes en la soluciones actuales

Limitantes en las soluciones actuales
Limitantes en las soluciones tradicionales: CDN
Sistemas propietarios
Consumo de recursos lineal con la popularidad
Difícil 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 existentes
Sistemas propietarios, no se conocen como funcionan
En general tiene costo poner un canal profesional propio
Requiere instalar software en el dispositivo del usuario
Solución: crear un sistema de protocolo y código abierto
en el 2008 surge el proyecto GoalBit!!

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Limitantes en la soluciones actuales

Ejemplo de escalabilidad de la red híbrida
Comparación basada en un escenario real
Comparación entre las redes P2P (GOL!P2P) y una CDN
tradicional (adinetTV)
Caso de estudio basado en simulaciones, escenario
generado de datos estadísticos de adinetTV (10000
usuarios diferentes/mes, 100 usuarios simultáneos en
promedio por canal de televisión)

Mean QoE
Servers BW
Clients BW

CDN
10
50 Mbps
0 Mbps

P2P
9.66
5.6 Mbps
0.6 Mbps/client

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

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 del
usuario.
medida subjetiva
performance de extremo a extremo
en la capa de servicio
Calidad de Servicio (Quality of Service)
QoS son las medidas objetivas de performance de una red
desde la óptica de la red.
Calidad Percibida (Perceived Quality)
La calidad percibida de video es el componente principal de la
QoE en los servicios de video [DSL07].

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Calidad / Calidad Percibida de Video

Factores que afectan la calidad percibida de video
Factores que afectan la calidad
Parámetros 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,. . . )
Observaciones
Ignoramos los parámetros de ambiente (no podemos
controlarlos).
En P2PTV, el loss rate es el factor más importante debido
a la desconexión de los usuarios. Esto se ve reﬂejado en:
initial delay, bufferings, video freezes, etc.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Calidad / Evaluación de la calidad de video

Pero. . . Cuál es la calidad de una secuencia de
video?
La calidad es un concepto muy subjetivo
Difícil dar una buena deﬁnición, y por tanto una buena
evaluación.
Buscaremos un valor medio.
La mejor manera de evaluarla, es preguntándole a los
usuarios
Varios métodos de valoración estandarizados (subjective
assessment methods): ITU-R BT.500–10, draft ITU-R
BT.700, DSL Forum WT-126
Se solicita a un grupo de personas que evalúen la calidad
de acuerdo a su propia valoración, de donde se obtiene el:
Mean Opinion Score (MOS).

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


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 que
es la calidad.
Además cuentan con una deﬁnición y un proceso
estandarizados.
Sin embargo. . .
Costosos en mano de obra y consumo de tiempo.
No automáticos, no usables en tiempo real.
Inútiles para mecanismos de control automáticos.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Evaluación Objetiva de calidad (Objective Quality
Assessment)

Con el ﬁn de evitar los problemas de la evaluación
subjetiva
Existen varias técnicas objetivas de evaluación: PSNR, VQM,
MPQM, CMPQM, NVFM,. . . (y un sinnúmero de otras siglas.)
Algoritmos y / o fórmulas (generalmente algoritmos de
procesamiento de señal).
Calcular una especie de distancia entre la secuencia
recibida y la original.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Objective Quality Assessment: Pros and Cons

Métodos objetivos resuelven algunos problemas de la
evaluación subjetiva
Económico y rápido.
Automático, posible de ser usado en un proceso de control.
Sin embargo. . .
Generalmente, no se correlacionan bien con la percepción
de la calidad humana.
La mayoría necesitan la secuencia original =⇒ inútiles
para aplicaciones de tiempo real.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Calidad / PSQA

PSQA: Pseudo–Subjective Quality Assessment
Goals of PSQA
PSQA tiene como objetivo proporcionar una evaluación de la
calidad:
como es percibida por el usuario,
con buena precisióna
automáticamente
eﬁcientemente (en particular, si se necesita en tiempo real)
puede ser aplicado a muchos tipos de medios, sobre
diferente redes y condiciones.
a

PSQA provee un valor muy cercano al valor promedio que sería obtenido
por un panel de observadores humanos.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Calidad / PSQA

PSQA: Modo de empleo
Como funciona?
Aprende la relación entre algunos parámetros que afectan la
calidad, y la calidad en sí misma.
PSQA tiene 3 etapas
1

Generación de una base de datos de videos
distorsionados según los factores que afectan la calidad.
selección de factores que afectan la calidad
generación de base de datos de videos distorsionados

2

Evaluación subjetiva de la calidad
realizar una campaña de evaluación
calcular el Mean Opinion Score (MOS)

3

Aprendizaje del comportamiento de la calidad
entrenar y validar un estimador estadístico en base a los
resultados de la campaña

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Calidad / PSQA

PSQA: Modo de empleo
Sobre el estimador utilizado. . .
Implementamos PSQA con redes neuronales (Random Neural
Networks: RNNs).
Observaciones. . .
al comienzo del proceso, debemos elegir los parámetros
PSQA es especíﬁco para un tipo de red y una aplicación
requiere un ambiente de prueba:
para validar los factores que afectan la calidad y
para generar los videos distorsionados

Introducción


Protocolo GoalBit

Calidad / PSQA

PSQA: el proceso en una imagen
Entrenar PSQA: solo una vez!

Modo en operación: muy simple y económico. . .

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

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 otras
Para desarrollar algoritmos de control automáticos en
GoalBit
...

Introducción


Protocolo GoalBit


Un par de ejemplos de funciones PSQA
Función “Simple”
MPEG-2 encoding
100 secuencias de video
campaña con 5 expertos
primer estudio que analiza calidad “nivel de frame”
solo considera parámetros de distribución
Función “Elaborada”
MPEG-4 encoding
204 secuencias de video
campaña con 10 expertos
a “nivel de frame”, discriminando por frame type: I,P, B
considera parámetros de la fuente y de distribución

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Función PSQA “Simple”: las pérdidas

Dos parámetros
Dos variables orientadas a la red (esto es, ﬁjamos las
características del stream, como bandwidth, encoding,. . . ):
la tasa de pérdidas de frames, llamada LR
el tamaño medio de ráfaga de pérdidas de frames, llamada
MLBS
Consideramos. . .
LR de 0.0 a 0.2 (la calidad es muy mala con más de un
20% de pérdidas)
MLBS de 1 a 10 frames

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Función PSQA “Simple”: las pérdidas
LR, MLBS → quality
observar
monotonía de Q
con LR y MLBS

PSQA

10

en particular, la
peor calidad
corresponde al
valor MLBS = 1

9
8
7

Q

6
5

observar la baja
sensibilidad
respecto al MLBS

4
3
2
1
0
10

0.2
8

0.4
6

0.6

4

0.8
1

2

MLBS
LR

21 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Función PSQA “Elaborada”: los tipos de frames
Cinco parámetros
parámetros orientados a la red: pérdidas de frames por
tipo:
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 1.0
LRP y LRB entre 0.0 y 0.25
GOP size entre 25 y 350 frames
frames P information ratio entre 0.05 y 0.9

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


LRI , LRP , LRB , motion → quality
Perceptual quality

Perceptual quality

10

9

9

8

8

7

7

6

6

Q

Q

10

5

5

4

4

3

3
2

2
0

0
0.2

0.2
0.4

0.4
0.6

0.6
0.8

0
0.2

0.2
0.4

0.4
0.6

1

0.6
0.8

0.8
1

Loss rate P

0

0.8
1

Loss rate I

1

Loss rate P

Loss rate B

22 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


LRI , LRP , LRB , motion → quality
Perceptual quality

Perceptual quality

10

9

9

8

8

7

7

6

6

Q

Q

10

5

5

4

4

3

3
2

2
0

0
0.2

0.2
0.4

0

0
0.2

0.4
0.6

0.6
0.8

0.2
0.4

0.4
0.6

0.8
1

1

Loss
observar monotoníarate I
respecto a los LR’s B
Loss rate

0.6
0.8

0.8
1

1

Loss rate P

Loss rate P

rápido decrecimiento con LRI y LRP
mayor impacto de LRP que de LRI
lento decrecimiento con LRB

22 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Introducción

GoalBit Homepage
http://goalbit.sourceforge.net

24 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


¿Qué es GoalBit?
GoalBit es un equipo de trabajo de alta experticia:
Con sólidos conocimiento en multimedia e Internet
Actualmente: 3 desarrolladores seniors, 4 investigadores, 1
gerente de proyecto
Más de 20 publicaciones destacadas en los últimos 3 años
2 doctorados, 6 maestrías de ingeniería (3 en curso)
ver detalles en: http://goalbit.sourceforge.net/publication.html
Resultados de GoalBit
Formación de investigadores y profesionales
2006: GOL!P2P, primer prototipo
2008: primera versión estable de GoalBit
2009: varios productos forman la plataforma
2010: surge empresa GoalBit-Solutions

25 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


Pero. . . entonces ¿qué es GoalBit?
GoalBit:
productos de software que forman una plataforma de video online
GoalBit Media Player
GoalBit Media Server
GoalBit Suite
un 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 usuario
transporte auto-gestionado entre los servidores de la CDN

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

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / ¿Cómo funciona?

El diseño del protocolo P2P de GoalBit
Principales elecciones de diseño
1

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 y
entre redes

5

Orientada a televisión en vivo, con soporte para video bajo
demanda

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones


¿Cómo funciona el protocolo P2P de GoalBit?

Componentes
Broadcaster(s)
Super-peers
Peers
Tracker
Media Portal

28 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit


Pero. . . ¿Cómo funciona?????

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Conceptos Generales
Active Buffer: la secuencia ininterrumpida de chunks a
partir de la línea de ejecución del reproductor.

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

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Comunicación Peers-Tracker

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

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

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-peers
y de los otros super-peers.
Un peer debe recibir una lista con algunos super-peers y
muchos peers.

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

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

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Política de selección de pares: P4PWG
Cooperación entre aplicaciones P2P e ISPs
Propuestas del grupo de trabajo P4PWG
Aumentar las coincidencias entre la red del ISP y la red
P2P
Reduce el consumo de ancho de banda en el ISPs
Mejora en el servicio percibido por los usuarios

Pruebas preliminares
Prueba real entre Telefónica Group, Verizon, Pando
Networks 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 se
reduce en un 71%.
Mejora en la velocidad de descarga de aproximadamente
23%.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Comunicación entre Peers
El peer elige a los (5) mejores peers del swarm para
intercambiar piezas.
Cada 30 segundos cada peer descarta aquel del cual
descargó menos y lo sustituye por un peer aleatorio del
swarm (optimistic unchocking)
Cada peer le solicita a los (5) peers elegidos las piezas
que considere más importante poseer
La política de solicitud de piezas debería:
Priorizar las piezas más próximas a la linea de
reproducción
Intentar distribuir todas las piezas por igual en la red

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

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Comunicación entre Peers (2)
La comunicación entre peers es un protocolo complejo y
sigue el siguiente ﬂujo:

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

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 interesado
en descargar un chunk de él.
Unchoke: un peer le indica al otro que esta dispuesto a
recibir pedidos de este.
Request: pedido de una parte de un chunk de un peer a
otro.
Piece: envió de un parte de un chunk a un peer.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Política de selección de piezas
Implementación actual
Dado un momento t, se deﬁnen 3 intervalos de chunks a
futuro:
Urgente: chunks cercanos a la linea de ejecución.
Próximo: chunks medianamente cercanos a la linea de
ejecución.
Futuro: chunks lejanos a la linea de ejecución.

37 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

Política de selección de piezas (2)

Si falta algún chunk del período urgente este debería ser
pedido de inmediato (en lo posible a peers de tipo
super-peer o broadcaster-peer).
Los chunks pertenecientes al período próximo y futuro son
pedidos en base a una distribución exponencial (de esta
manera nos aseguramos cubrir el próximo período urgente
y tener alguna pieza futura para negociar nuevas
descargas).

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

La red híbrida CDN+P2P: arquitectura

39 / 45

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

GoalBit / Protocolo

La red híbrida CDN+P2P: uso óptimo de los
recursos
Asignación óptima de recursos de super-peers según
demanda
Adaptar la capacidad de streaming super-peer (en vivo y
bajo demanda) a las solicitudes de los usuarios
Adaptar la capacidad de storage de videos de los
super-peers a las solicitudes de los usuarios
la política de asignación de recursos en la CDN tiene un
impacto en la calidad de experiencia y en la escalabilidad del
servicio ⇒ Análisis y modelo matemático (modelo de
estocástico). Tesis de maestría de Claudia Rostagnol.

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones

Conclusiones / Resultados

Nuestros Resultados
Respecto al producto GoalBit
dispone de versión de software libre (de uso gratuito y
protocolo abierto)
más de 60k descargas
proyecto catalogado en el lugar 150 de SourceForge
(mejor ranking)
Respecto a los recursos humanos
Formación de investigadores y profesionales (30 personas
involucradas 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 exterior
En ejecución: 3 tesis de maestría (2), 2 proyectos de
grado (5)

Introducción


Protocolo GoalBit

Conclusiones / Resultados

Nuestros Resultados (2)
Resumen de los resultados académicos
Los principales resultados en los siguientes puntos:
1

Calidad de Experiencia (QoE)

2

Streaming P2P desde múltiples fuentes

3

Búsqueda eﬁciente en repositorios de video

4

Selección óptima de pares basado en geografía

5

Selección óptima de piezas en redes P2P malladas

6

Asignación óptima de recursos en redes híbridas
CDN+P2P

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

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

¿Preguntas?

¿Preguntas?

Gracias!
Por su atención.

Conclusiones

Introducción


Protocolo GoalBit

¿Preguntas?

Bibliography

[Cis10]

Cisco Systems, Inc.
Hyperconnectivity and the Approaching Zettabyte
Era., June 2010.

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

Conclusiones

Television sobre Internet Arquitectura P2PTV - Pablo Rodriguez Bocca

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Andere mochten auch

Andere mochten auch (18)

Ähnlich wie Television sobre Internet Arquitectura P2PTV - Pablo Rodriguez Bocca

Ähnlich wie Television sobre Internet Arquitectura P2PTV - Pablo Rodriguez Bocca (20)

Mehr von Red Auti

Mehr von Red Auti (20)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (10)

Television sobre Internet Arquitectura P2PTV - Pablo Rodriguez Bocca