Diseño centrado en calidad para la difusión Peer-to-Peer de video en vivo

El uso de redes Peer-to-Peer (P2P) es una forma escalable para ofrecer servicios de video sobre Internet. Este documento hace foco en la definición, desarrollo y evaluación de una arquitectura P2P para distribuir video en vivo. El diseño global de la red es guiado por la calidad de experiencia (Quality of Experience - QoE), cuyo principal componente en este caso es la calidad del video percibida por los usuarios finales, en lugar del tradicional diseño basado en la calidad de servicio (Quality of Service - QoE) de la mayoría de los sistemas. Para medir la calidad percibida del video, en tiempo real y automáticamente, extendimos la recientemente propuesta metodología Pseudo-Subjective Quality Assessment (PSQA). Dos grandes líneas de investigación son desarrolladas. Primero, proponemos una técnica de distribución de video desde múltiples fuentes con las características de poder ser optimizada para maximizar la calidad percibida en contextos de muchas fallas y de poseer muy baja señalización (a diferencia de los sistemas existentes). Desarrollamos una metodología, basada en PSQA, que nos permite un control fino sobre la forma en que la señal de video es dividida en partes y la cantidad de redundancia agregada, como una función de la dinámica de los usuarios de la red. De esta forma es posible mejorar la robustez del sistema tanto como sea deseado, contemplando el límite de capacidad en la comunicación. En segundo lugar, presentamos un mecanismo estructurado para controlar la topología de la red. La selección de que usuarios servirán a que otros es importante para la robustez de la red, especialmente cuando los usuarios son heterogéneos en sus capacidades y en sus tiempos de conexión.Nuestro diseño maximiza la calidad global esperada (evaluada usando PSQA), seleccionado una topología que mejora la robustez del sistema. Además estudiamos como extender la red con dos servicios complementarios: el video bajo demanda (Video on Demand - VoD) y el servicio MyTV. El desafío en estos servicios es como realizar búsquedas eficientes sobre la librería de videos, dado al alto dinamismo del contenido. Presentamos una estrategia de "caching" para las búsquedas en estos servicios, que maximiza el número total de respuestas correctas a las consultas, considerando una dinámica particular en los contenidos y restricciones de ancho de banda. Nuestro diseño global considera escenarios reales, donde los casos de prueba y los parámetros de configuración surgen de datos reales de un servicio de referencia en producción. Nuestro prototipo es completamente funcional, de uso gratuito, y basado en tecnologías bien probadas de código abierto

Detection of encrypted traffic generated by peer-to-peer live streaming applications using deep packet inspection

The number of applications using the peer-to-peer (P2P) networking paradigm and their popularity has substantially grown over the last decade. They evolved from the le-sharing applications to media streaming ones. Nowadays these applications commonly encrypt the communication contents or employ protocol obfuscation techniques. In this dissertation, it was conducted an investigation to identify encrypted traf c ows generated by three of the most popular P2P live streaming applications: TVUPlayer, Livestation and GoalBit. For this work, a test-bed that could simulate a near real scenario was created, and traf c was captured from a great variety of applications. The method proposed resort to Deep Packet Inspection (DPI), so we needed to analyse the payload of the packets in order to nd repeated patterns, that later were used to create a set of SNORT rules that can be used to detect key network packets generated by these applications. The method was evaluated experimentally on the test-bed created for that purpose, being shown that its accuracy is of 97% for GoalBit.A popularidade e o número de aplicações que usam o paradigma de redes par-a-par (P2P) têm crescido substancialmente na última década. Estas aplicações deixaram de serem usadas simplesmente para partilha de ficheiros e são agora usadas também para distribuir conteúdo multimédia. Hoje em dia, estas aplicações têm meios de cifrar o conteúdo da comunicação ou empregar técnicas de ofuscação directamente no protocolo. Nesta dissertação, foi realizada uma investigação para identificar fluxos de tráfego encriptados, que foram gerados por três aplicações populares de distribuição de conteúdo multimédia em redes P2P: TVUPlayer, Livestation e GoalBit. Para este trabalho, foi criada uma plataforma de testes que pretendia simular um cenário quase real, e o tráfego que foi capturado, continha uma grande variedade de aplicações. O método proposto nesta dissertação recorre à técnica de Inspecção Profunda de Pacotes (DPI), e por isso, foi necessário 21nalisar o conteúdo dos pacotes a fim de encontrar padrões que se repetissem, e que iriam mais tarde ser usados para criar um conjunto de regras SNORT para detecção de pacotes chave· na rede, gerados por estas aplicações, afim de se poder correctamente classificar os fluxos de tráfego. Após descobrir que a aplicação Livestation deixou de funcionar com P2P, apenas as duas regras criadas até esse momento foram usadas. Quanto à aplicação TVUPlayer, foram criadas várias regras a partir do tráfego gerado por ela mesma e que tiveram uma boa taxa de precisão. Várias regras foram também criadas para a aplicação GoalBit em que foram usados quatro cenários: com e sem encriptação usando a opção de transmissão tracker, e com e sem encriptação usando a opção de transmissão sem necessidade de tracker (aqui foi usado o protocolo Kademlia). O método foi avaliado experimentalmente na plataforma de testes criada para o efeito, sendo demonstrado que a precisão do conjunto de regras para a aplicação GoallBit é de 97%.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Peer-to-peer television for the IP multimedia subsystem

Peer-to-peer (P2P) video streaming has generated a significant amount of interest in both the research community and the industry, which find it a cost-effective solution to the user scalability problem. However, despite the success of Internet-based applications, the adoption has been limited for commercial services, such as Internet Protocol Television (IPTV). With the advent of the next-generation-networks (NGN) based on the IP Multimedia Subsystem (IMS), advocating for an open and inter-operable architecture, P2P emerges as a possible alternative in situations where the traditional mechanisms are not possible or economically feasible. This work proposes a P2P IPTV architecture for an IMS-based NGN, called P2PTV, which allows one or more service providers to use a common P2P infrastructure for streaming the TV channels to their subscribers. Instead of using servers, we rely on the uploading capabilities of the user equipments, like set-top boxes, located at the customers’ premise. We comply with the existing IMS and IPTV standards from the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and the Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN) bodies, where a centralized P2PTV application server (AS) manages the customer access to the service and the peer participation. Because watching TV is a complex and demanding user activity, we face two significant challenges. The first is to accommodate the mandatory IMS signaling, which reserves in the network the necessary QoS resources during every channel change, establishing a multimedia session between communicating peers. The second is represented by the streaming interruptions, or churn, when the uploading peer turns off or changes its current TV channel. To tackle these problems, we propose two enhancements. A fast signaling method, which uses inactive uploading sessions with reserved but unused QoS, to improve the tuning delay for new channel users. At every moment, the AS uses a feedback based algorithm to compute the number of necessary sessions that accommodates well the demand, while preventing the over-reservation of resources. We approach with special care mobility situations, where a proactive transfer of the multimedia session context using the IEEE 802.21 standard offers the best alternative to current methods. The second enhancement addresses the peer churn during channel changes. With every TV channel divided into a number of streams, we enable peers to download and upload streams different from their current channel, increasing the stability of their participation. Unlike similar work, we benefit from our estimation of the user demand and propose a decentralized method for a balanced assignment of peer bandwidth. We evaluate the performance of the P2PTV through modeling and large-scale computer simulations. A simpler experimental setting, with pure P2P streaming, indicates the improvements over the delay and peer churn. In more complex scenarios, especially with resource-poor peers having a limited upload capacity, we envision P2P as a complementary solution to traditional approaches like IP multicast. Reserving P2P for unpopular TV channels exploits the peer capacity and prevents the necessity of a large number of sparsely used multicast trees. Future work may refine the AS algorithms, address different experimental scenarios, and extend the lessons learned to non-IMS networks. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La transmisión de vídeo con tecnologías peer-to-peer (P2P) ha generado un gran interés, tanto en la industria como en la comunidad científica, quienes han encontrado en dicha unión la solución para afrontar los problemas de escalabilidad de la transmisión de vídeo, reduciendo al mismo tiempo sus costes. A pesar del éxito de estos mecanismos en Internet, la transmisión de vídeo mediante técnicas P2P no se ha utilizado en servicios comerciales como puede ser el de televisión por IP (IPTV). Con la aparición de propuestas de redes de próxima generación basadas en el IP Multimedia Subsystem (IMS), que permite una arquitectura abierta e interoperable, los mecanismos basados en P2P emergen como posibles alternativas en situaciones donde los mecanismos tradicionales de transmisión de vídeo no se pueden desplegar o no son económicamente viables. Esta tesis propone una arquitectura de servicio de televisión peer-to-peer para una red de siguiente generación basada en IMS, que abreviaremos como P2PTV, que permite a uno o más proveedores de servicio utilizar una infraestructura P2P común para la transmisión de canales de TV a sus suscriptores. En vez de utilizar varios servidores, proponemos utilizar la capacidad de envío de los equipos de usuario, como los set-top boxes, localizados en el lado del cliente. En esta tesis extendemos los trabajos de estandarización sobre IMS IPTV de los organismos 3rd Generation Partnership Project (3GPP) y del Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN), donde un servidor de aplicación (AS) central de P2PTV administra el acceso de los clientes al servicio y permite compartir los recursos de los equipos. Debido a que el acceso a los canales de TV por parte de los usuarios es una actividad compleja, nos enfrentamos a dos retos importantes. El primero es administrar la señalización de IMS, con la cual se reservan los recursos de QoS necesarios durante cada cambio de canal, estableciendo una sesión multimedia entre los diferentes elementos de la comunicación. El segundo está representado por las interrupciones de la reproducción de video, causado por los equipos que sirven dicho vídeo cuando estos se desconectan del sistema o cuando cambian de canal. Para afrontar estos retos, proponemos dos mejoras al sistema. La primera mejora introduce el método de señalización rápida, en la cual se utilizan sesiones multimedia inactivas pero con recursos reservados para acelerar las conexiones entre usuarios. En cada momento, el AS utiliza la información extraída del algoritmo propuesto, que calcula el número de sesiones necesarias para administrar la demanda de conexiones, pero sin realizar una sobre-estimación, manteniendo bajo el uso de los recursos. Hemos abordado con especial cuidado la movilidad de los usuarios, donde se ha propuesto una transferencia de sesión pro-activa utilizando el estándar IEEE 802.21, el cual brinda una mejor alternativa que los métodos propuestos hasta la fecha. La segunda mejora se enfoca en las desconexiones de usuarios durante cambios de canal. Dividiendo los canales de TV en varios segmentos, permitimos a los equipos descargar o enviar diferentes partes de cualquier canal, aumentando la estabilidad de su participación. A diferencia de otros trabajos, nuestra propuesta se beneficia de la estimación de la demanda futura de los usuarios, proponiendo un método descentralizado para una asignación balanceada del ancho de banda de los equipos. Hemos evaluado el rendimiento del sistema P2PTV a través de modelado y de simulaciones de ordenador en sistemas IPTV de gran escala. Una configuración simple, con envío P2P puro, indica mejoras en el retardo y número de desconexiones de usuarios. En escenarios más complejos, especialmente con equipos con pocos recursos en la subida, sugerimos el uso de P2P como una solución complementaria a las soluciones tradicionales de multicast IP. Reservando el uso de P2P para los canales de TV poco populares, se permite explotar los recursos de los equipos y se previene la necesidad de un alto número de árboles multicast dispersos. Como trabajo futuro, se propone refinar los algoritmos del AS, abordar diferentes escenarios experimentales y también extender las lecciones aprendidas en esta tesis a otros sistemas no basados en IMS

Empirical studies of Quality of Experience (QoE) : A Systematic Literature Survey

Quality of Experience (QoE) is a relatively new phenomenon. The main focus of this thesis has been to conduct a systematic literature survey of research done in the field of QoE over a ten year period. The method, developed by A. Fink, has been used to survey empirical studies. A framework of QoE has been developed, which created the possibility of grouping together and analysing all the studies in a common framework. In total, 44 studies were analysed. 66 per cent of them were studies with human participants and 34 per cent of them were studies without human participants. The majority of the selected empirical studies have analysed the sub-aspect ‘satisfaction’. Among other vital sub-aspects, which were of interest to researches, were ‘usefulness’, ‘ease of use’, ‘communication’, ‘loss/packet loss’, ‘delay’, ‘bandwidth’, and ‘jitter’. The results of this survey show that different sub-aspects depend on different services. It is not enough that one sub-aspect functions very well, because most of sub-aspects are closely related to each other. Therefore, it is very important that sub-aspects, which are dependent on each other, are functioning as one group to achieve higher QoE on user experience. This thesis may contribute to deeper understanding of the phenomenon QoE. Knowledge of QoE can bring in new ideas and new possibilities for developing a new system or products for achieving satisfaction of user experience

Publicacions 2010. Campus del Baix Llobregat UPC

En aquest document s'han recopilat totes les publicacions realitzades pel professorat del Campus del Baix Llobregat de la UPC durant el període comprés entre l'1 de Gener i el 31 d'Octubre de 2010.Preprin

Bandwidth Allocation Methods Based onQuality of Experience Considering Users\u27Characteristics for Web-based Services

芝浦工業大学2016年

Measuring And Improving Internet Video Quality Of Experience

Streaming multimedia content over the IP-network is poised to be the dominant Internet traffic for the coming decade, predicted to account for more than 91% of all consumer traffic in the coming years. Streaming multimedia content ranges from Internet television (IPTV), video on demand (VoD), peer-to-peer streaming, and 3D television over IP to name a few. Widespread acceptance, growth, and subscriber retention are contingent upon network providers assuring superior Quality of Experience (QoE) on top of todays Internet. This work presents the first empirical understanding of Internet’s video-QoE capabilities, and tools and protocols to efficiently infer and improve them. To infer video-QoE at arbitrary nodes in the Internet, we design and implement MintMOS: a lightweight, real-time, noreference framework for capturing perceptual quality. We demonstrate that MintMOS’s projections closely match with subjective surveys in accessing perceptual quality. We use MintMOS to characterize Internet video-QoE both at the link level and end-to-end path level. As an input to our study, we use extensive measurements from a large number of Internet paths obtained from various measurement overlays deployed using PlanetLab. Link level degradations of intra– and inter–ISP Internet links are studied to create an empirical understanding of their shortcomings and ways to overcome them. Our studies show that intra–ISP links are often poorly engineered compared to peering links, and that iii degradations are induced due to transient network load imbalance within an ISP. Initial results also indicate that overlay networks could be a promising way to avoid such ISPs in times of degradations. A large number of end-to-end Internet paths are probed and we measure delay, jitter, and loss rates. The measurement data is analyzed offline to identify ways to enable a source to select alternate paths in an overlay network to improve video-QoE, without the need for background monitoring or apriori knowledge of path characteristics. We establish that for any unstructured overlay of N nodes, it is sufficient to reroute key frames using a random subset of k nodes in the overlay, where k is bounded by O(lnN). We analyze various properties of such random subsets to derive simple, scalable, and an efficient path selection strategy that results in a k-fold increase in path options for any source-destination pair; options that consistently outperform Internet path selection. Finally, we design a prototype called source initiated frame restoration (SIFR) that employs random subsets to derive alternate paths and demonstrate its effectiveness in improving Internet video-QoE

Evaluación de calidad de video en una aplicación P2P :Goalbit

El presente trabajo consiste en la aplicación de la metodología PSQA a una aplicación de streaming de video concreta como GoalBit y en redes de acceso frecuentes como ADSL y UMTS, para determinar la calidad de video percibida por el usuario. El trabajo consiste en tres instancias: 1) Interiorización en video streaming, la plataforma GoalBit, la metodología PSQA y determinación de potenciales parámetros de calidad que afecten al flujo de video. 2) Generar una maqueta de pruebas para emular la red P2P; para ello se contará con un cliente , un servidor y una emulación de red ADSL o 3G. Para la emulación de red se utiliza Netem(Network Emulator)y Netem2. Sobre éstas se analizará el impacto de la red de transporte en los parámetros de calidad definidos, a la vez que se validarán los mismos. 3) Aplicar la metodología PSQA: generando secuencias de prueba, presentándolas a un conjunto de observadores para obtener una medida tipo Mean Opinion Score(MOS), filtrando las mismas y entrenando una Red Neuronal(RN) con ellas para obtener una fórmula de calidad. Como producto se tendrá una fórmula de evaluación dinámica de la calidad basada en un conjunto reducido de parámetros, la cual podrá ser integrada a GoalBit. Esta herramienta es la base de mecanismos de estadística y monitoreo de calidad de la red P2P. Adicionalmente, en base a ella el servidor podría tomar acciones correctivas sobre la codificación, el fraccionamiento y/o la redundancia en esquemas multi-camino o multi-fuente, como se comentará en el Cap.II, sección II.

GoalBit: la primer red P2P de distribución de video en vivo de código abierto y gratuita

Actualmente el tráfico sobre Internet se encuentra creciendo día a día, siendo la distribución de video el principal impulsor de dicho aumento. Tal como se presenta en [32], hoy en día el 40% del tráfico total de Internet se corresponde con la distribución de contenidos audiovisuales, mientras que se espera que para el 2014 este alcance el 57%. A su vez, dentro de las diferentes formas de distribución de video, la distribución de video en vivo se encuentra creciendo en importancia. Debido a este contexto, en los últimos años se han desarrollado múltiples aplicaciones de streaming entre pares, o también llamados P2PTV (Peer-to-Peer TV). Algunos ejemplos de estas aplicaciones son PPlive [103], TVUnetwork [127], PPstream [104], SopCast [121], etc. Todas aplicaciones con protocolo e implementaciones cerradas.Dada esta realidad, este trabajo se centra en el diseño e implementación de GoalBit,la primer red P2P para la distribución de video en vivo, gratuita y de código abierto. Siguiendo el exitoso enfoque de BitTorrent [19], se diseña el GoalBit Transport Protocol,mediante el cual es posible distribuir un streaming de video en vivo sobre una red de pares. Se define el GoalBit Packetized Stream con el fin de especificar la forma de paquetizar un streaming de audio y video, encapsulándolo dentro del protocolo de transporte. En base a estas especificaciones, se apoya a la comunidad open-source en la implementación de un cliente de referencia llamado GoalBit.Tanto a nivel de pruebas empíricas, como en emulaciones realizadas, se observó que la estrategia de selección de piezas, la cual define que piezas un par debe solicitar a otro, es un factor de gran relevancia en la continuidad y latencia del streaming. En este tesis se extiende el trabajo [109], introduciendo una nueva estrategia de selección de piezas y comparándola con las presentadas en dicho trabajo. Por otro lado, se continua con el trabajo realizado en [110] sobre la medición de la calidad de experiencia mediante la tecnología PSQA, integrando dicha medición al cliente GoalBit,obteniendo de esta manera una visión global y completa del estado de la distribución del streaming en la red. Finalmente, a modo de validar nuestras ideas, se desarrollan un conjunto de extensiones al protocolo GoalBit, entre los que se encuentran el prototipo de una red de distribución de contenidos y un prototipo de un monitor de contenidos genérico. Tanto el cliente GoalBit, como sus extensiones fueron probados en escenarios reales, obteniendo resultados muy prometedores

Scenarios and system dynamics of mobile peer-to-peer content distribution

Vertaisverkkoteknologian menestys kiinteissä verkoissa on johtanut vertaisverkkototeutuksiin myös mobiileissa verkoissa. Mobiilin vertaisverkkoteknologian tulevaisuuden suhteen on tosin vielä paljon epävarmuutta, koska operaattorit ja muut sidosryhmän jäsenet, jotka kärsivät laittoman tiedostonvaihdon seurauksista kiinteän verkon puolella, pelkäävät saman tapahtuvan myös mobiileissa verkoissa. Täten he saattavat yrittää estää mobiilin vertaisverkkoteknologian kehittymistä. On myös epävarmaa onko mobiilille vertaisverkkoteknologialle tarvetta loppukäyttäjän näkökulmasta, eritoten kun mobiililaitteiden suorituskyvyt ovat huomattavasti alhaisempia kuin kiinteiden. Tämä diplomityö keskittyy mobiilin vertaisverkon sisällönjakeluun. Sisällönjakelu on jaettu tiedostonvaihtoon, sisällön suoratoistoon ja kaupallisiin sisältöjärjestelmiin. Työ antaa näkemystä mobiilin vertaisverkon sisällönjakelun olennaisimpiin skenaarioihin, sidosryhmän jäseniin ja heidän kannustimiin. Mobiilin vertaisverkon sisällönjakelun epävarmuutta rajataan käyttämällä skenaarioanalyysiä ja mallinnetaan systeemidynamiikalla. Olennaisimmat skenaariot rakennetaan Schoemakerin metodilla ja niiden mallinnusta yritetään systeemidynamiikan keinoin. Tuloksena saadaan neljä eri skenaariota, jotka on kehitetty brainstorming -tilaisuuksissa ja kirjallisuuskatsauksessa löydettyjen avaintrendien ja -epävarmuustekijöiden perusteella. Skenaarioiden kvantitatiivisen mallinnuksen sijaan mallinnetaan skenaarioihin perustuvan mobiilin vertaisverkon sisällönjakelujärjestelmän dynaamista käyttäytymistä. Vaikka joitakin mobiilia vertaisverkkoteknologiaa hyödyntäviä sovelluksia on jo kehitetty ja käytössä, sekä aihetta tutkittu laajasti, vieläkin on epävarmaa mikä teknologian vaikutus tulee olemaan. Tämä diplomityö esittää mahdollisia vaikutuksia teknologialle ja antaa lähtökohdan tulevalle mobiilien vertaisverkon sisällönjakelujärjestelmien kvantitatiiviselle mallinnukselle. Systeemidynamiikka on toteuttamiskelpoinen vaihtoehto tavallisemmille mallinnustekniikoille, kuten taulukkolaskentamallinnukselle, jonka etuna on järjestelmän takaisinkytkentäsilmukkojen mallintaminen. Kun mobiili vertaisverkkoteknologia kehittyy, enemmän dataa tulee saataville ja vaihtoehtoisten systeemidynamiikkamallien rakentaminen on suositeltavaa.The success of peer-to-peer technology in the fixed networks has led to peer-to-peer implementations in the mobile networks as well. There is, however, a lot of uncertainty regarding the future of mobile peer-to-peer technology as the operators and other stakeholders that were affected negatively by illegal peer-to-peer file sharing in the fixed networks are afraid that it might happen in the mobile domain as well. Thus they might try to prevent mobile peer-to-peer technology from emerging. There is also the question whether there really is a need for peer-to-peer technology in the mobile domain from the end users' perspective, especially as the mobile device capabilities are considerably lower compared to the fixed ones. This thesis concentrates on mobile peer-to-peer content distribution. Content distribution is divided to file exchange, content streaming and commercial content systems. The thesis provides insight to the most relevant scenarios, stakeholders and their incentives related to mobile peer-to-peer content distribution. The uncertainty regarding mobile peer-to-peer content distribution will be bounded using scenario analysis and modeled using system dynamics. The most relevant scenarios regarding mobile peer-to-peer content distribution are constructed using Schoemaker's method and modeling of these scenarios is attempted with system dynamics. As a result four different scenarios are developed based on the key trends and uncertainties discovered during the literature review and brainstorming sessions. Instead of modeling the scenarios quantitatively, the dynamic behavior of a mobile peer-to-peer content distribution system based on the scenarios is modeled with system dynamics. Although there are some mobile peer-to-peer content distribution applications already developed and used, and the topic is considerably researched, it is still uncertain what the outcome of the technology will be. This thesis presents possible outcomes for the technology and provides a starting point for further quantitative modeling of mobile peer-to-peer content distribution systems. System dynamics provides a viable alternative to more common modeling techniques such as spreadsheet modeling, with a distinctive benefit of modeling the feedback loops in a system when used proficiently. As the mobile peer-to-peer technology evolves, more data becomes available and the construction of alternative system dynamics models is encouraged