Optimisation du protocole TCP pour le streaming adaptatif sur HTTP

HTTP adaptive streaming (HAS) is a streaming video technique widely used over the Internetfor Video on Demand (VoD) and Live streaming services. It employs Transmission Control Protocol(TCP) as transport protocol and it splits the original video inside the server into segments ofsame duration, called "chunks", that are transcoded into multiple quality levels. The HAS player,on the client side, requests for one chunk each chunk duration and it commonly selects the qualitylevel based on the estimated bandwidth of the previous chunk(s). Given that the HAS clients arelocated inside access networks, our investigation involves several HAS clients sharing the samebottleneck link and competing for bandwidth inside the same home network. Here, a degradationof both Quality of Experience (QoE) of HAS users and Quality of Service (QoS) of the accessnetwork are often recorded. The objective of this thesis is to optimize the TCP protocol in orderto solve both QoE and QoS degradations.Our first contribution consists of proposing a gateway-based shaping method, that we calledReceive Window Tuning Method (RWTM); it employs the TCP flow control and passive roundtrip time estimation on the gateway side. We compared the performances of RWTM with anothergateway-based shaping method that is based on queuing discipline, called Hierarchical TokenBucket shaping Method (HTBM). The results of evaluation indicate that RWTM outperformsHTBM not only in terms of QoE of HAS but also in terms of QoS of access network by reducingthe queuing delay and significantly reducing packet drop rate at the bottleneck.Our second contribution consists of a comparative evaluation between eight combinations thatresult from combining two shaping methods, RWTM and HTBM, and four very common TCPvariants, NewReno, Vegas, Illinois and Cubic. The results show that there is a significant discordancein performance between combinations. Furthermore, the best combination that improvesperformances in the majority of scenarios is when combining Illinois variant with RWTM. In addition,the results reveal the importance of an efficient updating of the slow start threshold value,ssthresh, to accelerate the convergence toward the best feasible quality level.Our third contribution consists of proposing a novel HAS-based TCP variant, that we called TcpHas; it is a TCP congestion control algorithm that takes into consideration the specificationsof HAS flow. Besides, it estimates the optimal quality level of its corresponding HAS flow basedon end-to-end bandwidth estimation. Then, it permanently performs HAS traffic shaping basedon the encoding rate of the estimated level. It also updates ssthresh to accelerate convergencespeed. A comparative performance evaluation of TcpHas with a recent and well-known TCPvariant that employs adaptive decrease mechanism, called Westwood+, was performed. Resultsindicated that TcpHas largely outperformsWestwood+; it offers better quality level stability on theoptimal quality level, it dramatically reduces the packet drop rate and it generates lower queuingdelay.Le streaming vidéo adaptatif sur HTTP, couramment désigné par HTTP Adaptive Streaming(HAS), est une technique de streaming vidéo largement déployée sur le réseau Internet pour lesservices de vidéo en direct (Live) et la vidéo à la demande (VoD). Cette technique utilise le protocoleTCP comme protocole de transport. Elle consiste à segmenter la vidéo originale, stockéesur un serveur HTTP (serveur HAS), en petits segments (généralement de même durée de lecture)désignés par "chunks". Chaque segment de vidéo est transcodé à plusieurs niveaux de qualité,chaque niveau de qualité étant disponible sur un chunk indépendant. Le player, du côté duclient HAS, demande périodiquement un nouveau chunk une fois par durée de lecture du chunk.Dans les cas communs, le player sélectionne le niveau de qualité en se basant sur l’estimationde la bande passante du/des chunk(s) précédent(s). Étant donné que chaque clients HAS est situéau sein d’un réseau d’accès, notre étude se concentre sur un cas particulier assez fréquent dansl’usage quotidien : lorsque plusieurs clients partagent le même lien présentant un goulet d’étrangement(bottleneck) et se trouvants en état de compétition sur la bande passante. Dans ce cas, onsignale fréquemment une dégradation de la qualité d’expérience (QoE) des utilisateurs de HASet de la qualité de service (QoS) du réseau d’accès. Ainsi, l’objective de cette présente thèse estd’optimiser le protocole TCP pour résoudre ces dégradations de QoE et QoS.Notre première contribution consiste à proposer une méthode de bridage du débit HAS au niveaude la passerelle. Cette méthode est désignée par "ReceiveWindow Tuning Method" (RWTM)et elle consiste dans l’utilisation du principe de contrôle de flux de TCP et l’estimation passive dutemps d’aller retour au niveau de la passerelle. Nous avons comparé les performances de cetteméthode avec une autre méthode récente implémentée à la passerelle et utilisant une disciplineparticulière de gestion de la file d’attente, qui est désignée par "Hierarchical Token Bucket shapingMethod" (HTBM). Les résultats d’évaluations ont révélé que RWTM a non seulement unemeilleure QoE, mais aussi une meilleure QoS de réseau d’accès que pour l’utilisation de HTBM;plus précisément une réduction du délai de mise en file d’attente et une forte réduction du taux depaquets rejetés au niveau du goulot d’étrangement.Notre deuxième contribution consiste à mener une étude comparative combinant huit combinaisonsrésultant de la combinaison de deux méthodes de bridages, RWTM et HTBM, avec quatresvariantes TCP largement déployées, NewReno, Vegas, Illinois et Cubic. Les résultats de l’évaluationmontrent une discordance importante entre les performances des différentes combinaisons.De plus, la combinaison qui améliore les performances dans la majorité des scénarios étudiés estcelle de RWTM avec Illinois. En outre, nous avons révélé qu’une mise à jour efficace de la valeurdu paramètre "Slow Start Threshold", ssthresh, peut accélérer la vitesse de convergence du clientvidéo vers la qualité de vidéo optimale.Notre troisième contribution consiste à proposer une nouvelle variante de TCP adaptée auxflux HAS, qu’on désigne par TcpHas ; c’est un algorithme de contrôle de congestion de TCP quiprend en considération les spécifications de HAS. TcpHas estime le niveau de la qualité optimaledu flux HAS en se basant sur l’estimation de la bande passante de bout en bout. Ensuite, TcpHasapplique, d’une façon permanente, un bridage au trafic HAS en se basant sur le débit d’encodagedu niveau de qualité estimé. En plus, TcpHas met à jour ssthresh pour accélérer la vitesse deconvergence. Une étude comparative a été réalisée avec une variante de TCP, connue sous le nomWestwood+, qui utilise le mécanisme de la diminution adaptative. Les résultats de l’évaluation ontindiqué que TcpHas est largement plus performant queWestwood+ ; il offre une meilleure stabilitéautour de la qualité optimale, il réduit considérablement le taux de paquets rejetés au niveau dugoulet d’étrangement, et diminue le délai de la file d’attente