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End-to-End Mechanisms for Rate-Adaptive Multicast Streaming over the Internet

Rimac, Ivica :
End-to-End Mechanisms for Rate-Adaptive Multicast Streaming over the Internet.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: End-to-End Mechanisms for Rate-Adaptive Multicast Streaming over the Internet
Language: English
Abstract:

Continuous media applications over packet-switched networks are becoming more and more popular. Radio stations, for example, already use streaming technology to disseminate their content to users on the Internet, and video streaming services are expected to experience similar popularity. In contrast to traditional television and radio broadcast systems, however, prevalent Internet streaming solutions are based on unicast communication and raise scalability and efficiency issues. Multicast communication provides a promising and viable alternative since it can vastly improve scalability and network efficiency for the aforementioned class of applications. Nevertheless, suitable multicast streaming solutions ready for wide-area deployment are yet to emerge. In this thesis on Rate-Adaptive Multicast Streaming we provide mechanisms for improving multicast video streaming over the Internet. Our solutions address major issues that originate from the requirements for multicast solutions to scale to a large number of receivers and to accommodate the latter's heterogeneity of bandwidth capabilities. Therefore, our work exploits scalable-encoded video and utilizes layered multicast transmission on top of the IP multicast architecture. Choosing a modular design yields flexible techniques that can be integrated as building blocks in different transport and application frameworks. The proposed hybrid set of solutions includes mechanisms for server-side as well as receiver-driven rate adjustment. For the former purpose, we devise an algorithm that optimally stripes the scalable-encoded data into several media quality enhancing layers considering the distribution of receiver bandwidth capabilities. The underlying optimization metric is novel and incorporates transport as well as user aspects. It provides a mapping from each receiver's bandwidth capability onto a utility-based fairness measure. In order to provide means to the server for discovering the bandwidth capability distribution of the active receivers, we design a feedback scheme based on probabilistic polling. It allows to control the feedback traffic within statistical bounds, thus, making the scheme flexible and scaling to very large receiver populations. A key aspect in the design of scalable multicast solutions is the distribution of computational tasks and the reduction of control messages. Consequently, each receiver is responsible for inferring its bandwidth capability without involving the server. Therefore, we adopt and improve the state-of-the-art approach for estimating the fair bandwidth share based on TCP throughput modeling. Extensive simulation results prove the applicability of the modified scheme for estimating the TCP-fair rate of a multicast receiver. Thus, this information can be communicated to the source for rate optimization purposes utilizing our feedback scheme. In addition, it serves also for receiver-driven rate adaptation using a timer-based multicast group subscription strategy. Our novel approach yields a reasonable trade-off between the user demand for smooth video transmission and the network requirement of cooperativeness and responsiveness to congestion indication.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Anwendung kontinuierlicher Medienströme über paketvermittelte Datennetze gewinnt zunehmend an Popularität. Eine Vielzahl von Radiostationen bietet beispielsweise aktuell ihr Programm mittels Streaming-Technologie über das Internet an. Es ist zu erwarten, dass Video-Streaming in Kürze eine vergleichbare Verbreitung erlangt. Im Gegensatz zu tradionellen Fernseh- und Rundfunksystemen basieren Internet Streaming Lösungen vorwiegend auf Unicast-Kommunikation. Dabei werden die Medienströme auf dem Server repliziert und über dedizierte Punkt-zu-Punkt Verbindungen ausgestrahlt. Somit steigt mit jedem gleichzeitig bedienten Teilnehmer sowohl die Server- als auch die Netzlast. Dies kann sehr leicht zu Skalierungsproblemen führen, insbesondere unter Berücksichtigung der hohen Datenmengen von Video-Strömen. Die Multicast-Kommunikation bietet hier eine praktikable und vielversprechende Alternative zum Unicast an. Da die Daten dabei über einen Punkt-zu-Mehrpunkt Kommunikationskontext ausgestrahlt werden, führt dieses Verfahren zu einer erheblich höheren Skalierbarkeit und Steigerung der Netzeffizienz. Dies gilt insbesondere für das Ausstrahlen von Live-Ereignissen an größere Teilnehmergruppen. Während die Multicast-Technologie auf Netzebene sehr weit vorangeschritten ist, gilt dies nicht für die Transport- und Anwendungsebene. In der vorliegenden Dissertation zum Thema "`End-to-End Mechanisms for Rate-Adaptive Multicast Streaming over the Internet"' werden Verfahren zur Verbesserung des Internet-Streamings basierend auf dem Multicast-Paradigma vorgeschlagen. Die entworfenen Lösungsansätze adressieren Problemstellungen, die sich aus der hohen Skalierbarkeitsanforderung und der Heterogenität der Bandbreitenbedingungen der Empfänger ergeben. Dazu werden die Möglichkeiten von skalierbarem Video ausgenutzt und eine geschichtete übertragung vorgenommen. Somit wird das Video in mehrere Schichten aufgeteilt und jede dieser Schichten über einen eigenen Multicast-Kanal übertragen. Der modulare Entwurf der entstandenen Lösungen erlaubt deren Integration als Funktionseinheiten auf Transport- bzw. Anwendungsebene. Die vorgeschlagenen Lösungen in dieser Arbeit stellen sich sowohl aus sender- als auch empfängerseitigen Mechanismen für die Ratenanpassung zusammen. Für die senderseitige Anpassung ist ein Algorithmus entwickelt worden, der unter Berücksichtung der Bandbreitenbeschränkungen der Empfänger das Video in mehrere Schichten optimaler Rate einteilt. Die zu Grunde liegende Optimierungsmetrik ist dahingehend neuartig, als dass sie sowohl Aspekte des Datentransports als auch des Benutzers umfasst. Dazu werden die Bandbreitenbedingungen der Empfänger auf ein nutzenbasiertes Fairness-Maß abgebildet. Um die dazu benötigten Bandbreiteninformationen der Empfänger am Sender zu sammeln, ist ein wahrscheinlichkeitstheoretisches Feedback-Abfrageschema entworfen worden. Diese Lösung ermöglicht die Kontrolle des Feedback-Verkehrs innerhalb statistischer Schranken, was sie flexibel und in hohem Maße skalierbar macht. Ein Schlüsselaspekt beim Entwurf hochskalierbarer Multicast-Lösungen ist die Verteilung von Rechenlast und die Vermeidung von unnötigen Kontrollnachrichten. Es steht in der Verantwortung jeden Empfängers, Rückschlüsse über seine momentanen Bandbreitenbedingungen zu ziehen, ohne dabei den Sender zu involvieren. Dazu ist in der vorliegenden Arbeit ein dem Stand der Technik entsprechendes Verfahren aufgegriffen und erweitert worden, das auf dem Ermitteln des fairen Bandbreitenanteils mittels mathematischer Modellierung des TCP-Durchsatzes aufbaut. Die Ergebnisse einer umfangreichen Simulationsstudie bestätigen die Anwendbarkeit des erweiterten Verfahrens zur Bestimmung der TCP-fairen Rate eines Mutlicast-Empfängers. Somit kann diese Information unter der Verwendung des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Feedback-Schemas an den Sender übermittelt und von diesem zur Ratenoptimierung verwendet werden. Ferner dient der ermittelte Wert auch zur empfängerseitigen Anpassung der Rate. Hierzu wurde eine Timer-basierte Strategie für das Beitreten und Verlassen von Multicast-Gruppen entwickelt, die zu einem sinvollen Kompromiss zwischen benutzergeforderter Laufruhe der Videoübertragung und den Anforderungen des Netzes nach kooperativem Verhalten und Ansprechverhalten bezüglich Stauindikation führt.German
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000520
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5204
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Nahrstedt, Ph.D. Klara
Refereed: 21 December 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/520
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