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Peer-assisted Video-on-Demand: Cost Reduction and Performance Enhancement for Users, Overlay Providers, and Network Operators

Pussep, Konstantin :
Peer-assisted Video-on-Demand: Cost Reduction and Performance Enhancement for Users, Overlay Providers, and Network Operators.
Technische Universität Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Peer-assisted Video-on-Demand: Cost Reduction and Performance Enhancement for Users, Overlay Providers, and Network Operators
Language: English
Abstract:

Peer-assisted content delivery is an attractive way to distribute video content through the Internet at low costs. This approach combines the scalability of the peer-to-peer paradigm, in which users contribute their resources, and the service level guarantees of server-based systems. Thus, peer-assistance enables a content provider to reduce its server hosting costs, which is crucial in a commercial scenario. However, to be successful, such systems must take into account the interests of all three stakeholders involved: (1) users that demand high streaming quality with low fees and limited resource contribution, (2) content providers that aim to decrease server hosting costs, and (3) network operators that aim to avoid inefficient use of their infrastructure due to the network-oblivious behavior of peer-assisted overlays. In this thesis, we address these requirements and develop adaptive mechanisms to achieve a benefit for all three stakeholders, resulting in the so-called triple-win situation. Our main scenario is video-on-demand streaming, in which users can request pre-stored video content at any time and watch the video while downloading it. Thereby, video-on-demand streaming imposes stricter requirements compared to other systems that utilize peer resources, such as BitTorrent-like file sharing. Ideally, the video playback should start within few seconds and there should be no playback stalling. First, we focus on dedicated servers or caches that are essential resources in peerassisted streaming systems. Their provision is necessary to guarantee a satisfying quality of experience to consumers, yet they cause significant and largely avoidable costs for the content provider, which can be minimized. The high dynamics of uncontrolled peers, however, result in unpredictable changes of the resource demand. Since peers additionally offer services to other peers, the supply of resources is also dynamic. This behavior makes the management of peer-assisted systems and the proper allocation of resources challenging. This thesis proposes adaptive allocation policies, a new approach to address this issue. The policies estimate the capacity situation and service demand of the system to adaptively optimize allocated resources. Extensive simulations, verified by testbed measurements, prove the efficiency of our approach, which achieves a more competitive performance than well-dimensioned static systems. In the next step, we examine content delivery overlays from the network operators’ perspective, since such overlays are responsible for a large amount of consumer traffic, including the costly inter-domain traffic. The existing approaches often fail to satisfy the requirements of all involved stakeholders.We propose a novel incentive-based traffic management mechanism where a network operator offers additional free resources to selected users. The mechanism assigns resources to users that behave compliant with the network and overlay policies. Our evaluation shows that this approach satisfies the requirements of network operators and overlay participants (provider and users). To this end, the proposed mechanism is able to reduce the inter-domain traffic while improving the overlay performance.We also show that even a single network operator can successfully apply the proposed mechanism. Finally, we consider the availability of peer resources in peer-assisted content distribution. Besides contributing upload bandwidth, it is important that peers stay online after finishing their downloads to serve new download requests. The longer a peer stays online the more it can help to offload the servers. However, too extensive online time often results in high energy consumption paid by users without an adequate benefit to the system. In upcoming decentralized architectures based on set-top boxes that act as tiny servers, their energy consumption can even dominate distribution costs. Therefore, we propose advanced standby policies that reduce the energy consumption of set-top boxes while still offloading servers significantly. We evaluate the standby polices in a lifelike scenario. The results show that a near-optimal behavior can be realized by utilizing common features of set-top boxes such as the wake-up timer. We further extend a standby policy with network awareness to address the needs of network operators. In this regard, the resulting policy takes into account the interests of all three stakeholders: users, content providers, and network operators.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Peer-unterstützte Inhaltsverteilsysteme sind eine vielversprechende Alternative, um Videoinhalte über das Internet auszuliefern. Dieser Ansatz kombiniert die Skalierbarkeit und Kosteneffizienz des Peer-to-Peer (P2P)-Paradigmas, wobei Nutzer ihre Ressourcen dem System zur Verfügung stellen, mit den Dienstgütegarantien der Client-Server-Systeme. Insbesondere in kommerziellen Szenarien führt dies zu entscheidenden Vorteilen. Zum einen können durch die Server die Qualitätsanforderungen der Nutzer befriedigt werden. Zum anderen können durch die Verwendung der Nutzerressourcen die Serverkosten für den Inhaltsanbieter reduziert werden. Für den Erfolg eines Peer-unterstützten Systems müssen allerdings die Interessen von allen drei involvierten Parteien beachtet werden: (1) Nutzer erwarten hohe Wiedergabequalität bei geringen Kosten (Downloadgebühren und beigetragene Ressourcen); (2) Inhaltsanbieter wollen ihre Distributionskosten gering halten und gleichzeitig viele Nutzer unterstützen; (3) Netzbetreiber befürchten übermäßige Belastung ihrer Netzwerkinfrastruktur wegen der hohen Bandbreitenanforderungen und der häufigen Missachtung der Netzwerktopologie bei Videoverteilung. Diese Dissertation adressiert diese Anforderungen und entwickelt adaptive Mechanismen mit dem Ziel, eine zufriedenstellende Situation für die beteiligten Parteien zu erreichen. Das Hauptszenario ist dabei das sogenannte Video-on-Demand-Streaming, bei dem Nutzer jederzeit digitale Videoinhalte über das Internet herunterladen und währenddessen wiedergeben können. Dabei werden die speziellen Anforderungen des Video-on-Demand berücksichtigt, denn Videowiedergabe sollte nach nur nach wenigen Sekunden starten und möglichst ohne Unterbrechungen wiedergegeben werden. Als erstes untersucht diese Dissertation wie dedizierte Server (oder Caches im Allgemeinen) effizient eingesetzt werden können, um die Streaming-spezifische Dienstgüte zu garantieren. Wegen der damit verbundenen Kosten für Bereitstellung und Datenauslieferung muss der Ressourcenverbrauch der Inhaltsanbieter und Nutzer minimiert werden. Dies wird insbesondere durch das dynamische und oft unvorhersehbare Verhalten der Nutzer zur Herausforderung, da die Nutzer nicht nur als Abnehmer sondern auch als Anbieter von Daten agieren. Die daraus resultierenden Nachfrageund Angebotsschwankungen für einzelne Videos (und Videoteile) erschweren eine effiziente Bereitstellung der Ressourcen verglichen mit einem reinen Client-Server- System. Als Lösung werden in dieser Arbeit adaptive Bereitstellungsmechanismen vorgestellt, welche die verfügbaren Server (oder Caches) effizient einsetzen, um Nachfrage und Angebot im System im Gleichgewicht zu halten. Die Qualität der entwickelten Mechanismen wird mittels ausführlicher Simulationen bewertet und durch Messungen in einem Testbed verifiziert. Dabei zeigt es sich, dass die vorgeschlagenen Mechanismen, im Vergleich zu gut-dimensionierten statischen Systemen, die erforderliche Dienstgüte bei niedrigeren Kosten erreichen. Im nächsten Schritt werden die Auswirkungen der Inhaltsverteilsysteme auf die Netzbetreiber betrachtet. Der Grund dafür ist, dass Videoinhalte den immer größeren Anteil des Datenverkehrs im Internet ausmachen und eine entsprechend hohe Last auf der Netzwerkinfrastruktur verursachen. Dabei sorgt insbesondere der Datenverkehr zwischen den Domänen der einzelnen Netzbetreiber für hohe Kosten. Ansätze zur Reduzierung dieses Inter-Domain-Verkehrs sind deswegen ein aktueller Gegenstand der Forschung. Dabei erweist es sich als schwierig, gleichzeitig den Interessen der Nutzer und Netzbetreiber gerecht zu werden, da viele Lösungen zwar den Datenverkehr reduzieren, aber auch zu einer Verschlechterung der Dienstgüte für Nutzer führen können. Im Gegensatz dazu wird in dieser Arbeit ein neuartiger anreizbasierter Mechanismus entwickelt, um beide Seiten zufrieden zu stellen. Dabei bietet ein Netz betreiber den Nutzern Anreize in Form von freier zusätzlicher Bandbreite an, um ein kooperatives Verhalten zu belohnen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Systems zu erhöhen. Mittels Simulationen wird gezeigt wie ein intelligenter Einsatz von begrenzter zusätzlicher Bandbreite den Anforderungen der Inhaltsanbieter, Nutzer und Netzbetreiber gerecht werden kann. Der teure domänenübergreifende Datenverkehr kann erheblich reduziert und die Server der Inhaltsanbieter zusätzlich entlastet werden. Dieser Effekt tritt sogar ein, wenn der Mechanismus nur von einzelnen Netzbetreibern eingesetzt wird. Zuletzt werden die Peer-unterstützten Inhaltsverteilsysteme aus der Sicht der Nutzer betrachtet, wobei neben der Internetverbindung (und der dadurch übertragenen Daten an andere Nutzer) insbesondere die Onlinezeiten von Bedeutung sind. Längere Onlinezeiten der Nutzer können für eine bessere Verfügbarkeit der Inhalte im System sorgen, wodurch die Server stärker entlastet werden. Allerdings führt dies auch zu niedriger Auslastung der Endgeräte der Nutzer und kann erhebliche (aber vermeidbare) Kosten für die Nutzer verursachen. Dieses Problem wird besonders deutlich beim Einsatz der sogenannten Set-Top-Boxen, wie zum Beispiel Digitalreceivern, Videorekordern und Spielkonsolen. Internetfähige Set-Top-Boxen werden bereits eingesetzt, um Videoinhalte von Servern zu beziehen, sollen aber zunehmend auch Inhalte bereitstellen können. Dabei wird oft von ständiger Verfügbarkeit solcher Geräte ausgegangen, was durch geringe Auslastung zu unnötig hohen Energiekosten führen kann. Um Energiekosten einzusparen ohne systemweite Leistungseinbrüche zu erleiden, werden in dieser Arbeit geeignete Standby-Strategien für Set-Top-Boxen vorgeschlagen. Die Leistungsfähigkeit dieser Strategien wird evaluiert und es wird gezeigt, dass hierdurch erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können. Es werden auch die Auswirkungen auf die Netzbetreiber berücksichtigt und eine Erweiterung entwickelt, um die Verfügbarkeit der Inhalte innerhalb einzelner Netzwerkdomänen zu gewährleisten. Dadurch werden die Anforderungen aller drei Parteien berücksichtigt.German
Uncontrolled Keywords: peer-to-peer, peer-assistance, content distribution, Internet, video-on-demand streaming, energy efficiency, network operators, locality awareness
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
peer-to-peer, peer-assistance, content distribution, Internet, video-on-demand streaming, energy efficiency, network operators, locality awarenessEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik > Multimedia Kommunikation
Fachbereich Informatik > Peer-to-Peer Netzwerke
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Multimedia Kommunikation
Date Deposited: 08 Apr 2011 07:39
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24981
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Tran-Gia, Prof. Dr.- Phuoc
Refereed: 11 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2498
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