動画配信サービスのための軽量分散協調キャッシュ基盤の研究

　時刻に関係なく動画を視聴できるオンデマンド動画配信(Video-on-Demand; VoD) サービスの普及に伴い，インターネット通信量は急激に増大している．インターネット通信量は5年で3倍の速度で増加すると見込まれており，2020年にはインターネット通信量の80%以上を動画通信が占めると予測されている．増大する通信量はルータやスイッチなどの通信機材の増設や刷新で対応できるが，通信量の増加に伴い継続的な増設が求められるため，経済的ではない． 　VoDサービス事業者は一般に，コンテンツ配信ネットワーク(Content Delivery Network;CDN) 事業者に大容量コンテンツの配信を委託している．CDN事業者は，世界中のユーザから近い位置にキャッシュサーバを設置し，大規模なキャッシュネットワークを構築している．各キャッシュサーバはコンテンツがネットワークを通過する際にデータをコピーしておき，再利用することで，通信量を削減している．動画コンテンツは一度アップロードされると滅多に更新されることがないため，キャッシュサーバは重複する通信を削減できる．このようにすることで，キャッシュサーバは遠くの配信サーバとの通信回数を削減し，効率よくインターネット通信量を削減する．しかしながら，キャッシュ容量には上限があり，動画コンテンツは継続的に追加されるため，1台のキャッシュサーバにすべての動画コンテンツを保持させることは現実的ではない．また，CDN事業者のキャッシュサーバは設置拠点が限られているため，キャッシュサーバの通信量や，キャッシュサーバまでの経路を提供するインターネットサービスプロバイダ(Internet Service Provider; ISP) 内の通信量を削減できない．その結果，通信路の混雑や通信量の増大を招いてしまう．　CDN事業者は，複数のキャッシュサーバでキャッシュされたコンテンツを共有することで実効キャッシュ容量を拡大し，通信量削減と負荷分散を図ろうとしている．このような手段はデータ転送路を制御するトラフィックエンジニアリングをもとに実現されるが，CDN事業者はISPの物理ネットワーク形状やリンク帯域等に関する知識をもたないため，効率よくキャッシュサーバを協調させることが難しい．そのため，近年はISP事業者が自社のネットワーク中にキャッシュサーバを配置し，トラフィックエンジニアリングを駆使して協調動作させることで，分散協調キャッシュネットワークの構築を検討している．このような方法をとることで，ネットワークとキャッシュサーバの両方を同一の事業者が管理するため，効率の良い通信量削減が実現できる．ISPが管理するISP内のキャッシュネットワークはTelco-CDNと呼ばれる．　最近の研究では，Telco-CDNのキャッシュサーバを効率よく管理する方法が提案されている．典型的には，複数のキャッシュサーバで保持するコンテンツの規則を設定しておき，各キャッシュサーバで異なるコンテンツを保持させることで，実効キャッシュ容量を拡大し，通信量の削減が実現されている．しかしながら，このような方法は各コンテンツのアクセス頻度情報を考慮しないため，人気上位のコンテンツを保持する数台のキャッシュサーバに負荷が集中してしまう．また，効率の良いコンテンツ配置を求める最適化問題を設定して計算することで，通信量削減効果の高い分散協調キャッシュを実現する研究も行われている．しかしながら，最適化問題の計算には長時間の計算を要する一方で，VoDサービスの動画アクセスパターンは1時間で20-40%程度変化してしまうため，計算が終了した時点で最適なコンテンツ配置との乖離が生まれ，通信量削減効果が低減してしまう．　本論文では，VoDサービスのアクセス傾向を効率よくキャッシュする2種類のキャッシュ制御アルゴリズムを提案し，組み合わせて利用することで，通信量の削減を図る．まず第1に，2種類の異なるキャッシュアルゴリズムを組み合わせたハイブリッドキャッシュアルゴリズムを提案する．このアルゴリズムは，異なるキャッシュアルゴリズムをネットワーク中に混在させたり，1台のキャッシュサーバのストレージ領域を分割してアルゴリズムを混合して利用することで，急激に変動する動画アクセスを効率よくキャッシュして，高い通信量削減効果を維持する．アクセス頻度の高いコンテンツを保持するLeast Frequently Used (LFU)ベースのアルゴリズムで高い通信量削減効果を実現し，最近アクセスされたコンテンツを優先的に保持するLeast Recently Used (LRU)ベースのアルゴリズムで急激なアクセス傾向の変化に追従する．　第2に，色タグ情報を用いた分散協調キャッシュ制御手法を提案し，キャッシュネットワーク中のコンテンツ配置を効率よく制御する．この方法は，コンテンツとキャッシュサーバの両方に色タグを設定し，色がマッチする場合にキャッシュするよう制御することで，コンテンツを分散配置し，実効キャッシュ容量を拡大する．具体的には，先に述べたハイブリッドキャッシュのLFU領域に色タグを設定し，大容量な分散協調領域として利用するとともに，小容量なLRU領域ではタグ情報にかかわらずコンテンツをキャッシュさせることで，動画アクセス傾向の変化に追従する．アクセス頻度の高いコンテンツほど多数の色を割り当てることでユーザからのホップ数を短縮し，コンテンツ配信サーバだけでなくISPネットワーク内部の通信量も効率よく削減する．色タグ情報の軽量管理手法と，色タグ情報を活用する経路制御アルゴルズムも合わせて提案し，軽量な計算オーバヘッドで高い通信量削減効果を実現する．　ハイブリッドキャッシュアルゴリズムの評価では，新規にアクセス頻度の高いコンテンツを追加しても，LFUベースのキャッシュ領域で高い通信量削減効果を達成しつつ，LRUベースのキャッシュ領域で通信量を維持できることが示された．また，色タグ情報に基づく分散協調キャッシュアルゴリズムは，遺伝的アルゴリズムで計算した準最適制御に近い通信量削減効果を実現し，その計算オーバヘッドも小さく抑えられることを確認した．また，色タグ情報を活用した経路制御アルゴリズムは，最短経路制御と比較して31．9%の通信量削減効果を得られることを確認した．電気通信大学201

On the design of efficient caching systems

Content distribution is currently the prevalent Internet use case, accounting for the majority of global Internet traffic and growing exponentially. There is general consensus that the most effective method to deal with the large amount of content demand is through the deployment of massively distributed caching infrastructures as the means to localise content delivery traffic. Solutions based on caching have been already widely deployed through Content Delivery Networks. Ubiquitous caching is also a fundamental aspect of the emerging Information-Centric Networking paradigm which aims to rethink the current Internet architecture for long term evolution. Distributed content caching systems are expected to grow substantially in the future, in terms of both footprint and traffic carried and, as such, will become substantially more complex and costly. This thesis addresses the problem of designing scalable and cost-effective distributed caching systems that will be able to efficiently support the expected massive growth of content traffic and makes three distinct contributions. First, it produces an extensive theoretical characterisation of sharding, which is a widely used technique to allocate data items to resources of a distributed system according to a hash function. Based on the findings unveiled by this analysis, two systems are designed contributing to the abovementioned objective. The first is a framework and related algorithms for enabling efficient load-balanced content caching. This solution provides qualitative advantages over previously proposed solutions, such as ease of modelling and availability of knobs to fine-tune performance, as well as quantitative advantages, such as 2x increase in cache hit ratio and 19-33% reduction in load imbalance while maintaining comparable latency to other approaches. The second is the design and implementation of a caching node enabling 20 Gbps speeds based on inexpensive commodity hardware. We believe these contributions advance significantly the state of the art in distributed caching systems

A REVIEW STUDY OF EUROPEAN R&D PROJECTS FOR SATELLITE COMMUNICATIONS IN 5G/6G ERA

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες τα δορυφορικά συστήματα τηλεπικοινωνιών έχουν προσφέρει μια γκάμα από πολυμεσικές υπηρεσίες όπως δορυφορική τηλεόραση, δορυφορική τηλεφωνία και ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο. Οι μακροπρόθεσμες τεχνολογικές αναβαθμίσεις σε συνδυασμό με την προσθήκη νέων δορυφορικών συστημάτων γεωστατικής και ελλειπτικής τροχιάς και με την ενσωμάτωση τεχνολογιών πληροφορικής έχουν ωθήσει την αύξηση του μέγιστου εύρους των δορυφόρων στο 1Gbps σε μεμονωμένους δορυφόρους ενώ σε διάταξη αστερισμού μπορούν να ξεπεράσουν το 1 Tbps. Σε συνδυασμό με την μείωση του χρόνου απόκρισης σε ρυθμούς ανταγωνιστικούς με τις χερσαίες υποδομές ανοίγουν νέες ευκαιρίες και νέους ρόλους εντός ενός οικοσυστήματος ετερογενούς δικτύων 5ης γενιάς. Σε αυτήν την διατριβή, αξιολογούμε επιδοτούμενα επιστημονικά προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Διαστήματος (ESA) και του προγράμματος επιδότησης Horizon 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, προκειμένου να εξηγήσουμε τις δυνατότητες των δορυφόρων εντός ενός ετερογενούς δικτύου 5ης γενιάς, αναφέρουμε συγκεκριμένα αυτά που αφορούν την εξέλιξη των δορυφορικών ψηφιακών συστημάτων και την ικανότητα ενσωμάτωσης τους σε τωρινές αλλά και μελλοντικές υποδομές χερσαίων τηλεπικοινωνιακών δικτύων μέσω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών στις ηλεκτρονικές και οπτικές επικοινωνίες αέρος μαζί με την εμφάνιση τεχνολογιών πληροφορικής όπως της δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και της εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου. Αναφερόμαστε στους στόχους του κάθε project ξεχωριστά και κατηγοριοποιημένα στους ακόλουθους τομείς έρευνας: -Συσσωμάτωση των δορυφόρων με τα επίγεια δίκτυα 5ης γενιάς με οργανωμένες μελέτες και στρατηγικές -Ενσωμάτωση των τεχνολογιών δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου στο δορυφορικών τμήμα των δικτύων 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων σε εφαρμογές του διαδικτύου των πραγμάτων σε συνάφεια με τα χερσαία δίκτυα 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων στην δίκτυα διανομής πολυμεσικού περιεχομένου & η επιρροή των πρωτοκόλλων διαδικτύου στην ποιότητα υπηρεσίας χρήστη κατά την διάρκεια μιας δορυφορικής σύνδεσης. -Μελλοντικές βελτιώσεις και εφαρμογές στα δορυφορικά συστήματα με έμφαση στα μελλοντικά πρότυπα του φυσικό επιπέδου Στο τέλος διαθέτουμε ένα παράρτημα που αφορά τεχνικές αναλύσεις στην εξέλιξη του φυσικού επιπέδου των δορυφορικών συστημάτων, συνοδευόμενο με την συσχετιζόμενη βιβλιογραφία για περαιτέρω μελέτη.Over the last decades satellite telecommunication systems offer many types of multimedia services like Satellite TV, telephony and broadband internet access. The long-term technological evolutions occurred into state-of-the-art satellite systems altogether with the addition of new high throughput geostatic and non-geostatic systems, individual satellites can now achieve a peak bandwidth of up to Gbps, and with possible extension into satellite constellation systems the total capacity can reach up to Tbps. Supplementary, with systems latency being comparable to terrestrial infrastructures and with integration of several computer science technologies, satellite systems can achieve new & more advanced roles inside a heterogeneous 5G network’s ecosystem. In this thesis, we have studied European Space Agency (ESA’s) and European Union’s (EU) Horizon 2020 Research and Development (R&D) funded projects in order to describe the satellite capabilities within a 5G heterogeneous network, mentioning the impact of the evolution of digital satellite communications and furthermore the integration with the state-of the art & future terrain telecommunication systems by new technologies occurred through the evolution of electronic & free space optical communications alongside with the integration of computer science’s technologies like Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). In order to describe this evolution we have studied the concepts of each individual project, categorized chronically and individual by its scientific field of research. Our main scientific trends for this thesis are: -Satellite Integration studies & strategies into the 5G terrestrial networks -Integration of SDN and NFV technologies on 5G satellite component -Satellite’s role in the Internet of Things applications over 5G terrestrial networks -Satellite’s role in Content Distribution Networks & internet protocols impact over user’s Quality of Experience (QoE) over a satellite link -The future proposals upon the evolution of Satellite systems by upcoming improvements and corresponding standards Finally, we have created an Annex for technical details upon the evolution of physical layer of the satellite systems with the corresponding bibliography of this thesis for future study

Entrega de conteúdos multimédia em over-the-top: caso de estudo das gravações automáticas

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaOver-The-Top (OTT) multimedia delivery is a very appealing approach for providing ubiquitous, exible, and globally accessible services capable of low-cost and unrestrained device targeting. In spite of its appeal, the underlying delivery architecture must be carefully planned and optimized to maintain a high Qualityof- Experience (QoE) and rational resource usage, especially when migrating from services running on managed networks with established quality guarantees. To address the lack of holistic research works on OTT multimedia delivery systems, this Thesis focuses on an end-to-end optimization challenge, considering a migration use-case of a popular Catch-up TV service from managed IP Television (IPTV) networks to OTT. A global study is conducted on the importance of Catch-up TV and its impact in today's society, demonstrating the growing popularity of this time-shift service, its relevance in the multimedia landscape, and tness as an OTT migration use-case. Catch-up TV consumption logs are obtained from a Pay-TV operator's live production IPTV service containing over 1 million subscribers to characterize demand and extract insights from service utilization at a scale and scope not yet addressed in the literature. This characterization is used to build demand forecasting models relying on machine learning techniques to enable static and dynamic optimization of OTT multimedia delivery solutions, which are able to produce accurate bandwidth and storage requirements' forecasts, and may be used to achieve considerable power and cost savings whilst maintaining a high QoE. A novel caching algorithm, Most Popularly Used (MPU), is proposed, implemented, and shown to outperform established caching algorithms in both simulation and experimental scenarios. The need for accurate QoE measurements in OTT scenarios supporting HTTP Adaptive Streaming (HAS) motivates the creation of a new QoE model capable of taking into account the impact of key HAS aspects. By addressing the complete content delivery pipeline in the envisioned content-aware OTT Content Delivery Network (CDN), this Thesis demonstrates that signi cant improvements are possible in next-generation multimedia delivery solutions.A entrega de conteúdos multimédia em Over-The-Top (OTT) e uma proposta atractiva para fornecer um serviço flexível e globalmente acessível, capaz de alcançar qualquer dispositivo, com uma promessa de baixos custos. Apesar das suas vantagens, e necessario um planeamento arquitectural detalhado e optimizado para manter níveis elevados de Qualidade de Experiência (QoE), em particular aquando da migração dos serviços suportados em redes geridas com garantias de qualidade pré-estabelecidas. Para colmatar a falta de trabalhos de investigação na área de sistemas de entrega de conteúdos multimédia em OTT, esta Tese foca-se na optimização destas soluções como um todo, partindo do caso de uso de migração de um serviço popular de Gravações Automáticas suportado em redes de Televisão sobre IP (IPTV) geridas, para um cenário de entrega em OTT. Um estudo global para aferir a importância das Gravações Automáticas revela a sua relevância no panorama de serviços multimédia e a sua adequação enquanto caso de uso de migração para cenários OTT. São obtidos registos de consumos de um serviço de produção de Gravações Automáticas, representando mais de 1 milhão de assinantes, para caracterizar e extrair informação de consumos numa escala e âmbito não contemplados ate a data na literatura. Esta caracterização e utilizada para construir modelos de previsão de carga, tirando partido de sistemas de machine learning, que permitem optimizações estáticas e dinâmicas dos sistemas de entrega de conteúdos em OTT através de previsões das necessidades de largura de banda e armazenamento, potenciando ganhos significativos em consumo energético e custos. Um novo mecanismo de caching, Most Popularly Used (MPU), demonstra um desempenho superior as soluções de referencia, quer em cenários de simulação quer experimentais. A necessidade de medição exacta da QoE em streaming adaptativo HTTP motiva a criaçao de um modelo capaz de endereçar aspectos específicos destas tecnologias adaptativas. Ao endereçar a cadeia completa de entrega através de uma arquitectura consciente dos seus conteúdos, esta Tese demonstra que são possíveis melhorias de desempenho muito significativas nas redes de entregas de conteúdos em OTT de próxima geração