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Network-aware Managed P2P System for Live Multimedia Streaming Services

Title
Network-aware Managed P2P System for Live Multimedia Streaming Services
Other Titles
라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스를 위한 네트워크-인지 기반 Managed P2P 시스템
Authors
변해선
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 컴퓨터정보통신공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
이미정
Abstract
Currently widespread peer to peer (P2P) systems are designed for the enhancement of application performance under the assumption that there is no restriction on the usage of network resources. Thus, the network service providers may have the Internet Traffic control problem is; it is hard to utilize the network resources efficiently and fairly. To cope with this problem, the proactive network provider participation for P2P (P4P) working group of distributed computing industry association (DCIA) proposed an architecture called P4P to allow for more effective cooperative traffic control between P2P systems and network (or Internet) service providers (NSP or ISP). In the P4P architecture, the distinct objectives of ISPs and P2P systems are decoupled and realized in a distributed fashion through the application costs (the other words, P4P-distance or p-distance) that reflect the network’s status and preferences regarding application traffic. However, for all of the application costs proposed in P4P architecture, there may be insufficient for the live multimedia streaming guaranteed the quality of services. There is needed the additional application costs that can directly reflect the requirements of live multimedia streaming. Also, live multimedia streaming services has more stringent playback deadline than those in file sharing or video on demand (VoD) services. Therefore, to select the peers with available upload bandwidth is very important. Meanwhile, most of P2P systems use the data-driven approach that is a swarm-like technique, somewhat similar to the technique used in BitTorrent, for content delivery. In data-driven approach, partners periodically exchanges with one another buffer map that represent the availability of the latest blocks of different substreams in the buffer. Apart from the representation of stream availability, the buffer maps are used for many purposes such as selection (or resection) of parents, determination of initial sequence number for playback synchronization among peers, and measuring of parent’s status. However, the data-driven approach experiences longer delays and higher control overhead due to the exchange of buffer map. To cope with the limitations in P4P architecture and the problems in data-driven approach, in this thesis, we propose a network-aware managed P2P system for live multimedia streaming services. Our P2P system consists of three main mechanisms. We present an intelligent peering suggestion mechanism to resolve the limitations of P4P architecture in serving live multimedia streaming. For this, the P2P application server receives the additional application costs such as delay and link congestion status as well as link utilization from servers of network provider. Also, the P2P application server receives the upload/download link capacity and the messages related to stream availability from each peer. With the above information from the servers and the peers, the P2P application server makes a peering suggestion list for the newly joining peer. Through the intelligent peering suggestion mechanism, the performance of live multimedia streaming services and the network efficiency of resource usage can be improved. In P4P architecture, newly joining peer is possible to determine parents and partners without gossip or buffer map since application server suggests the proper peer list to it. Since our P2P system is based on P4P architecture, we can exploit a network-aware managed P2P system without buffer map that cause higher control overhead. Thus, we propose a playback synchronization mechanism. In the playback synchronization mechanism, peers except source periodically estimate the playback position of source. The playback synchronization mechanism enables each peer to start the playback within the limited variation from the playback positions of source peer. Finally, we introduce a parent replacement mechanism. Instead of the monitoring of buffer maps, peer periodically monitors its’ receiving buffer before playback deadline, and then it selects a new parent according to the thresholds based on the monitoring results, if needs. We evaluate the performance of proposed scheme and compare it with CoolStreaming, one of the representative data-driven mesh systems, and the simplified P4P scheme. The simulation results demonstrate that the proposed scheme well keeps the basic objectives of P4P architecture in terms of network efficiency, and improves the performance of live multimedia streaming in terms of stability, scalability, and continuity.;DCIA(Distributed Computing Industry Association)의 P4P(Proactive network Provider Participation for P2P) 워킹그룹에서는 인터넷 (또는 네트워크) 서비스 제공자와 P2P 어플리케이션 간 협력 방안으로 P4P 프레임워크를 제안하였다. P4P에서는 네트워크의 상태 정보와 어플리케이션 트래픽에 관련한 선호도를 반영하는 어플리케이션 비용(다른 말로 P4P-distance 또는 p-distance)를 이용하여 인터넷 서비스 제공자와 P2P 시스템 간 서로 상이한 목적을 달성한다. 그러나, 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스의 경우에는 P4P에서 제안한 어플리케이션 비용을 이용하는 것만으로는 충분히 만족스러운 서비스를 제공할 수 없을지도 모른다. 이에, 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스의 요구사항을 좀 더 직접적으로 반영할 수 있는 추가적인 어플리케이션 비용이 필요하다. 또한 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스는 파일 공유나 요구 기반 비디오 서비스보다 좀 더 타이트한 재생 데드라인을 가진다. 따라서, 재생 데드라인을 만족시키기 위해서는 가용 대역폭을 가진 피어를 선택하는 것이 매우 중요하다. 한편, 현재 널리 사용되고 있는 P2P 시스템들은 멀티미디어 컨텐츠를 전달하기 위해 비트토런트(BitTorrent)에서 사용한 기술과 유사한 스왐(Swarm)기술의 데이터-드리븐 구조를 취하고 있다. 데이터-드리븐 구조에서는 파트너들간 서로 서브스트림의 최근 블록들의 가용성을 나타내는 버퍼맵을 주기적으로 교환한다. 버퍼맵은 스트림 가용성뿐만 아니라, 부모 피어의 선택, 재생 동기화를 위한 초기 요청 번호의 결정, 부모 피어의 상태 파악, 새로운 부모 피어의 선택 등 많은 목적을 위해 사용된다. 그러나 데이터-드리븐 구조는 지연이 길고 제어 오버헤드가 크다는 단점을 가진다. P4P에서의 한계와 기존 데이터-드리븐 구조에서의 문제점들을 해결하기 위해, 이 논문에서는 네트워크-인지 기반으로 관리되는 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스를 위한 피어 투 피어 시스템을 제안한다. 제안하는 P2P 시스템은 다음과 같이 세가지 주요 메커니즘을 가진다. 인텔리전트 피어링 제의 메커니즘에서, P2P 어플리케이션 서버는 네트워크 서버로부터 지연, 링크 혼잡 상태, 링크 활용율과 같은 네트워크 정보를 제공 받는다. 또한 P2P 어플리케이션 서버는 피어로부터 피어의 업로드/다운로드 링크 대역폭과 스트림 가용성 계산에 필요한 메시지들을 전달 받는다. 새로운 피어가 P2P 시스템에 조인했을 시, 네트워크 서버와 피어들로부터 받은 정보를 이용하여 그 조인한 피어를 위한 피어링 제의 리스트를 만들어 제공한다. 재생 동기화 메커니즘에서는 버퍼맵을 검사하는 대신에, 소스 피어를 제외한 모든 피어가 소스 피어의 재생 지점을 예측한다. 재생 동기화 메커니즘을 통해 각 피어들은 소스 피어의 재생 지점으로부터 제한된 범위내에 재생을 시작할 수 있다. 마지막으로 네트워크 혼잡이나 피어의 갑작스러운 탈퇴를 인지하고, 새로운 부모 피어를 선택하기 위해, 부모 피어 재선택 메커니즘을 제안한다. 부모 피어 재선택 메커니즘에서는, 부모 피어, 자식 피어, 자신의 버퍼맵을 모니터링 하는 데이터-드리븐 구조와 달리, 재생 데드라인 이전에 수신 버퍼를 주기적으로 모니터링한다. 그 모니터링 결과를 기반으로 정해진 기준에 따라서 새로운 부모를 선택한다. 시뮬레이션을 통해, 제안하는 방안이 기존의 P4P방안과 데이타-드리븐 구조의 대표 스킴인 CoolStreaming 방안 보다 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스의 지속성, 스트리밍 시작 지연과 시스템 안정성을 향상시킬 수 있음을 볼 수 있었고, 제어 오버헤드 또한 줄일 수 있음을 볼 수 있었다. 또한 소스 피어의 재생 지점을 기준으로 하는 재생 동기화 메커니즘을 통해 피어들 간 재생 지점의 편차를 줄임으로써 버퍼맵 기반으로 최초 재생 지점을 설정하는 기존의 데이터-드리븐 방안보다 라이브 멀티미디어 스트리밍 서비스의 실시간성을 향상시킴을 볼 수 있었다. 반면 P2P 시스템 사이즈가 작을 경우에는 제안하는 방안이 기존의 P4P 방안보다 인트라-AS간 트래픽 양에 있어서 더 높았으나, 시스템 사이즈가 증가함에 따라 그 차가 줄어들었으며, 제안하는 방안이 인트라-AS뿐만 아니라, 인터-AS간 트래픽을 감소시키고, 각 링크별 트래픽 부하를 균등하게 유지하는 등 P4P의 기본 목적을 잘 유지함을 알 수 있었다.
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일반대학원 > 컴퓨터정보통신공학과 > Theses_Ph.D
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