An adaptive architecture for live streaming of scalable video over p2p network

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2012.A distribuição de fluxo contínuo de vídeo (video streaming) é, atualmente, uma das aplicações de maior sucesso na Internet, sendo as redes par-a-par (P2P, Peer-to-Peer), baseadas em princípios como a escalabilidade e o compartilhamento de recursos, uma das opções importantes para contribuir para a solução de diversos gargalos decorrentes do emprego da tradicional arquitetura cliente-servidor, comumente presente na Internet. Por outro lado, esquemas de codificação de vídeo têm sido recentemente propostos, que permitem o ajuste entre a disponibilidade de recursos (banda) de rede e a quantidade de informação (camadas) sendo enviada para transmissão. Dentre tais esquemas, destaca-se o H.264 SVC (Scalable Video Coding), normatizado pela ITU-T (International Telecommunication Union). Dessa forma, o trabalho inicia-se com a apresentação de conceitos relativos à codificação escalável de vídeo bem como sobre alternativas relativas à distribuição de vídeo sobre redes P2P. Adicionalmente, o trabalho discute alternativas de protocolos de controle de congestionamento multidestinatário, considerando-se a importância desse controle para a distribuição de sequencias de vídeo e o tratamento de tráfego de tempo real na Internet. Uma arquitetura adaptativa para transmissão multidestinatária e ao vivo de vídeo escalável em rede P2P é então proposta, que se baseia, inicialmente, na definição de um paradigma de compressão de vídeo em blocos independentes, de curto intervalo de tempo, contendo uma ou algumas unidades completas de GOP (Group of Pictures). Para esse fim, os blocos são codificados no padrão H.264 SVC, e dotados das três dimensões de escalabilidade – temporal, espacial e de qualidade, sendo tal padrão adotado como forma de prover adaptabilidade. É apresentado, em seguida, um formato para encapsulamento dos blocos de vídeo em pacotes que serão transmitidos com emprego do protocolo RTP (Real-Time Protocol). A transmissão dar-se-á via rede lógica de sobreposição (overlay) organizada em árvore (Tree-based) valendo-se da estratégia de comunicação Push. O Scribe – protocolo descentralizado e escalável construído sobre uma rede em malha Pastry – é utilizado para criação de grupos multidestinatários (Multicast) na topologia árvore. O RTP é estendido para embarcar informações do protocolo de controle de congestionamento TFMCC (TCP-Friendly Multicast Congestion Control), o qual auxiliará o processo de ajuste dinâmico da qualidade de vídeo dos blocos SVC, compondo então, esse esquema, uma estratégia de CAT (Content Adaptation Technique). O TFMCC alimenta-se de parâmetros de QoS (Quality of Service), que serão mensurados pelos nós participantes da rede de transmissão do vídeo; além disso, este protocolo requer sinalização de retorno (feedback), que ocorrerá por canal de comunicação inverso, adicionado na rede Scribe. A literatura mostra que o TFMCC, especialmente em função de seu comportamento justo e moderadamente agressivo, se adequa bem no contexto de transmissão contínua de vídeo considerado nesta obra. A proposta inclui também o emprego de técnica de retransmissão da camada base de forma a poder compensar perdas de bloco buscando assegurar uma quantidade mínima de informação para reprodução de vídeo. A arquitetura proposta visa oferecer ao usuário melhor qualidade de experiência em transmissões ao vivo e de grande escala, sendo avaliada, a título preliminar, pela realização de testes em diferentes cenários e com base em diferentes sequências de vídeo. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTVideo streaming is currently one of the most successful applications on the Internet and P2P (Peer-to-Peer) network, based on scalability and resource sharing principles, is one of the important options to contribute to solve many bottlenecks that result from the use of traditional client-server architecture, commonly present on the Internet. Furthermore, video encoding schemes have been recently proposed to allow adjustment between the availability of resources (bandwidth) of the network and the amount of information (layers) being sent. Among these schemes, we highlight the H.264 SVC (Scalable Video Coding), standardized by ITU-T (International Telecommunication Union). In this way, the work begins with the presentation of concepts of scalable video coding as well as alternatives for distribution of video over P2P networks. Additionally, this work discusses alternatives of multicast congestion control protocols, considering the importance of this control for the distribution of video sequences and processing of real-time traffic on the Internet. An adaptive architecture for live streaming of scalable video over P2P network is then proposed, which is based initially on the definition of a paradigm of video compression based on independent compressed blocks of short time interval, containing one or more GOP (Group of Pictures). To this end, the blocks are encoded in H.264 SVC (Scalable Video Coding) endowed with the three dimensions of scalability - temporal, spatial and quality. Such standard was adopted in order to provide adaptability. It is presented a format for encapsulation of video blocks for transmission over RTP (Real-Time Protocol). A tree-based overlay network is used for content distribution according to the Push strategy. The Scribe - a scalable application-level multicast infrastructure – which is built on top of Pastry – a decentralized and large-scale mesh peer-to-peer system - is used to create the multicast groups in a tree topology. The RTP is extended to support piggybacking of TFMCC (TCP-Friendly Multicast Congestion Control) protocol, which will assist the process of dynamic adjustment of video quality of the SVC blocks. This overall scheme composes a CAT (Content Adaptation Technique). The TFMCC takes as input a set of QoS (Quality of Service) parameters, which will be measured by the nodes of the tree overlay network. In addition, this protocol requires feedback of reports. To meet this need, a return channel is added to the Scribe. Related works show that the TFMCC, especially in light of his fair and moderately aggressive behavior, fits well in the context of video streaming addressed in this work. The proposal also includes a technique of retransmission of the base layer in order to compensate block losses, aiming to ensure a minimal amount of information for video playback. The architecture outlined aims to provide the highest quality user experience in live broadcasts and large scale, being evaluated, at first glance, by testing in different scenarios and based on different video sequences