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

QoE management of multimedia streaming services in future networks : a tutorial and survey

No embargo require

Video Caching, Analytics and Delivery at the Wireless Edge: A Survey and Future Directions

Future wireless networks will provide high bandwidth, low-latency, and ultra-reliable Internet connectivity to meet the requirements of different applications, ranging from mobile broadband to the Internet of Things. To this aim, mobile edge caching, computing, and communication (edge-C3) have emerged to bring network resources (i.e., bandwidth, storage, and computing) closer to end users. Edge-C3 allows improving the network resource utilization as well as the quality of experience (QoE) of end users. Recently, several video-oriented mobile applications (e.g., live content sharing, gaming, and augmented reality) have leveraged edge-C3 in diverse scenarios involving video streaming in both the downlink and the uplink. Hence, a large number of recent works have studied the implications of video analysis and streaming through edge-C3. This article presents an in-depth survey on video edge-C3 challenges and state-of-the-art solutions in next-generation wireless and mobile networks. Specifically, it includes: a tutorial on video streaming in mobile networks (e.g., video encoding and adaptive bitrate streaming); an overview of mobile network architectures, enabling technologies, and applications for video edge-C3; video edge computing and analytics in uplink scenarios (e.g., architectures, analytics, and applications); and video edge caching, computing and communication methods in downlink scenarios (e.g., collaborative, popularity-based, and context-aware). A new taxonomy for video edge-C3 is proposed and the major contributions of recent studies are first highlighted and then systematically compared. Finally, several open problems and key challenges for future research are outlined

Cache-22: A Highly Deployable End-To-End Encrypted Cache System with Post-Quantum Security

Cache systems are crucial for reducing communication overhead on the Internet. The importance of communication privacy is being increasingly and widely recognized; therefore, we anticipate that nearly all end-to-end communication will be encrypted via secure sockets layer/transport layer security (SSL/TLS) in the near future. Herein we consider a catch-22 situation, wherein the cache server checks whether content has been cached or not, i.e., the cache server needs to observe it, thereby violating end-to-end encryption. We avoid this catch-22 situation by proposing an encrypted cache system which we call Cache-22. To maximize its deployability, we avoid heavy, advanced cryptographic tools, and instead base our Cache-22 system purely on traditional SSL/TLS communication. It employs tags for searching, and its design concept enables the service provider to decide, e.g., via an authentication process, whether or not a particular user should be allowed to access particular content. We provide a prototype implementation of the proposed system using the color-based cooperative cache proposed by Nakajima et al. (IEICE Trans. 2017) under several ciphersuites containing post-quantum key exchanges in addition to ECDHE (Elliptic Curve-based). We consider NIST Post-Quantum Cryptography round 3 finalists and alternate candidates: lattice-based (Kyber, SABER, NTRU), code-based (BIKE), and isogeny-based (SIKE). Compared to direct HTTPS communication between a service provider and a user, employing our Cache-22 system has a merit to drastically reduce communications between a cache server and the service provider (approximately 95%) which is effective in a hierarchical network with a cost disparity

QoE on media deliveriy in 5G environments

231 p.5G expandirá las redes móviles con un mayor ancho de banda, menor latencia y la capacidad de proveer conectividad de forma masiva y sin fallos. Los usuarios de servicios multimedia esperan una experiencia de reproducción multimedia fluida que se adapte de forma dinámica a los intereses del usuario y a su contexto de movilidad. Sin embargo, la red, adoptando una posición neutral, no ayuda a fortalecer los parámetros que inciden en la calidad de experiencia. En consecuencia, las soluciones diseñadas para realizar un envío de tráfico multimedia de forma dinámica y eficiente cobran un especial interés. Para mejorar la calidad de la experiencia de servicios multimedia en entornos 5G la investigación llevada a cabo en esta tesis ha diseñado un sistema múltiple, basado en cuatro contribuciones.El primer mecanismo, SaW, crea una granja elástica de recursos de computación que ejecutan tareas de análisis multimedia. Los resultados confirman la competitividad de este enfoque respecto a granjas de servidores. El segundo mecanismo, LAMB-DASH, elige la calidad en el reproductor multimedia con un diseño que requiere una baja complejidad de procesamiento. Las pruebas concluyen su habilidad para mejorar la estabilidad, consistencia y uniformidad de la calidad de experiencia entre los clientes que comparten una celda de red. El tercer mecanismo, MEC4FAIR, explota las capacidades 5G de analizar métricas del envío de los diferentes flujos. Los resultados muestran cómo habilita al servicio a coordinar a los diferentes clientes en la celda para mejorar la calidad del servicio. El cuarto mecanismo, CogNet, sirve para provisionar recursos de red y configurar una topología capaz de conmutar una demanda estimada y garantizar unas cotas de calidad del servicio. En este caso, los resultados arrojan una mayor precisión cuando la demanda de un servicio es mayor

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

分散協調色キャッシュを用いた動画ライブ配信の効率化

インターネット上に流通する通信量は5 年で3 倍の速度で増加しており，2022 年には動画の通信量が全体の8割を占めると見込まれている．先行研究では，オンデマンド動画配信サービスの通信量削減を目的とした色タグ情報に基づく分散協調キャッシュを提案し，高い通信量削減効果を示した．一方で，ライブ配信に利用することを検討していない．本論文では，先行研究の手法を拡張し，オンデマンド配信におけるさらなる通信量の削減と，ライブ配信の通信効率化を図る．まず，動画の再生位置によって人気の差があることに着目し，動画を部分データに分割して人気の箇所を優先的にキャッシュすることで，限られたキャッシュ領域を効率的に扱う．オンデマンド配信では，部分データに対するアクセス傾向をもとに先行研究の分散協調キャッシュ手法でコンテンツを制御する．国内バックボーンネットワークを模したネットワークトポロジを対象に，アクセス確率と通信ホップ数から通信量を算出するシミュレーション実験を行った．シミュレーション結果では先行研究と比較して，単一階層のバックボーンネットワーク上で最大約79％，複数階層ネットワーク上で最大70％の通信量削減効果を示した．ライブ配信では，リアルタイムに生成されるデータが新しいほど重要であるという想定のもと，時間経過とコンテンツ制御を関連づける．最新のデータは常にユーザの近くに配置し，その他の時間経過したデータは通信量を効率的に削減できるようキャッシュ制御する．3 階層構造のリングネットワークを対象に，時間経過とともにユーザが追加され，リクエストを発生させるシミュレーション実験を行った．シミュレーション結果では一般的なキャッシュ制御手法のLRU アルゴリズムと比較して，リクエストが最新データに集中するリクエスト傾向のとき最大39%，リクエストが古いデータにも分散するリクエスト傾向のとき最大約60%の通信量削減効果を示した．電気通信大学201

QoE on media deliveriy in 5G environments

231 p.5G expandirá las redes móviles con un mayor ancho de banda, menor latencia y la capacidad de proveer conectividad de forma masiva y sin fallos. Los usuarios de servicios multimedia esperan una experiencia de reproducción multimedia fluida que se adapte de forma dinámica a los intereses del usuario y a su contexto de movilidad. Sin embargo, la red, adoptando una posición neutral, no ayuda a fortalecer los parámetros que inciden en la calidad de experiencia. En consecuencia, las soluciones diseñadas para realizar un envío de tráfico multimedia de forma dinámica y eficiente cobran un especial interés. Para mejorar la calidad de la experiencia de servicios multimedia en entornos 5G la investigación llevada a cabo en esta tesis ha diseñado un sistema múltiple, basado en cuatro contribuciones.El primer mecanismo, SaW, crea una granja elástica de recursos de computación que ejecutan tareas de análisis multimedia. Los resultados confirman la competitividad de este enfoque respecto a granjas de servidores. El segundo mecanismo, LAMB-DASH, elige la calidad en el reproductor multimedia con un diseño que requiere una baja complejidad de procesamiento. Las pruebas concluyen su habilidad para mejorar la estabilidad, consistencia y uniformidad de la calidad de experiencia entre los clientes que comparten una celda de red. El tercer mecanismo, MEC4FAIR, explota las capacidades 5G de analizar métricas del envío de los diferentes flujos. Los resultados muestran cómo habilita al servicio a coordinar a los diferentes clientes en la celda para mejorar la calidad del servicio. El cuarto mecanismo, CogNet, sirve para provisionar recursos de red y configurar una topología capaz de conmutar una demanda estimada y garantizar unas cotas de calidad del servicio. En este caso, los resultados arrojan una mayor precisión cuando la demanda de un servicio es mayor