Distributed bandwidth and energy resources’ management in dynamic peer-to-peer video-on-demand systems

Abstract

The rapid development of communications during past decades has made Internet connection available to a vast amount of users which use it for a wide variety of services. Video is one of the most popular services, currently generating the majority of the global Internet traffic and shows growing tendencies for the foreseeable future. As a result, major video-on-demand service providers (i.e. YouTube) have seen their bandwidth costs increase and will inevitably continue to do so. This demand for excessive bandwidth is caused by the simultaneous video watching of large numbers of users.Adopting some peer-to-peer architecture can be a solution to this problem, as users can contribute their resources towards offloading the providers. Indeed, a number of research efforts the past decade have focused on providing live streaming and video-on-demand (VoD) services using peer-to-peer (P2P) architectures. However in these proposed architectures, the dynamic behavior of users has not been sufficiently studied. In a real life scenario, where users can arbitrarily decide to perform a VCR function (stop, fast forward, seeking), ignoring this behavior can significantly deteriorate the system’s efficiency and the perceived Quality-of-Experience (QoE). Additionally the proposed architectures are designed without taking into account the users’ heterogeneous resources (bandwidth and battery), thus leading to heavily unbalanced systems that fail to utilize these resources. This can severely harm system’s efficiency especially in cases where a significant number of users are mobile nodes with scarce battery resources.In this dissertation, the research area of P2P VoD systems was studied and a distributed system that handles peers’ dynamic behavior and utilizes their resources was developed. Specifically our system is a set of algorithms that optimize the P2P overlay network dynamically and in a distributed fashion, making it adaptive to users’ dynamic behavior and resource changes. The available resources of the participating users are optimally exploited, keeping both the contribution from the media server(s) and the energy consumption to minimal levels. To illustrate the performance of the proposed algorithms, we have developed an extensive P2P VoD simulator that shows the efficiency, scalability and stability of our system under variant and dynamic conditions.

Η ραγδαία ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιών τις τελευταίες δεκαετίες έχει ως αποτέλεσμα την σύνδεση ολοένα και περισσότερων χρηστών στο διαδίκτυο, είτε από σταθερές συσκευές είτε από κινητές, οι οποίοι ενδιαφέρονται για διάφορες διαδικτυακές υπηρεσίες. Μια από τις πιο δημοφιλείς υπηρεσίες είναι η μετάδοση συνεχους ροής βίντεο (ζωντανό ή κατ΄ απαίτηση), η οποία δημιουργεί ένα μεγάλο ποσοστό της παγκόσμιας κίνησης του διαδικτύου, ιδίως μεταξύ των χρηστών κινητής τηλεφωνίας. Οι πάροχοι αυτών των υπηρεσιών συνεπώς χρειάζεται να δαπανήσουν συνεχώς μεγαλύτερα ποσά για να μπορούν να παρέχουν μια αξιόπιστη υπηρεσία στους αυξανόμενους χρήστες. Ως πιθανή λύση αυτού του προβλήματος αποτελούν τα διομότιμα συστήματα, όπου οι χρήστες προσφέρουν τους πόρους τους (αποθηκευτικό χώρο, υπολογιστικό χρόνο) και περιεχόμενο (αρχεία) προκειμένου να αποφορτιστούν οι πάροχοι των υπηρεσιών. Οι χρήστες των διομότιμων συστημάτων συμμετέχουν στην υπηρεσία τόσο ως καταναλωτές, όσο και ως εξυπηρετητές. Πράγματι, μια σειρά από πρόσφατες έρευνες έχουν επικεντρωθεί σε διομότιμα συστήματα για την παροχή υπηρεσιών βίντεο κατ απαίτηση, ωστόσο δεν έχει μελετηθεί επαρκώς η επίδραση της δυναμικής συμπεριφοράς των χρηστών στην αποτελεσματικότητα αυτών των συστημάτων. Σε πραγματικά συστήματα όπου οι χρήστες εισέρχονται σε αυθαίρετες χρονικές στιγμές και παρακολουθούν ασυνεχή τμήματα της υπηρεσίας, αγνοώντας τη συμπεριφορά αυτή μπορεί να επιδεινώσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα του συστήματος και την ποιότητα της υπηρεσίας για όλους τους χρήστες. Επιπροσθέτως τα υπάρχοντα συστήματα δε λαμβάνουν υπόψιν τους ετερογένεις πόρους (εύρους ζώνης και μπαταρίας) που έχουν οι χρήστες των υπηρεσιών αυτών. Αγνοώντας τους ενεργειακούς περιορισμούς μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες στην απόδοση του συστήματος, ιδιαίτερα όταν συμμετέχουν χρήστες από κινητές συσκευές με περιορισμένους ενεργειακούς πόρους.Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε η ερευνητική περιοχή των διομότιμων συστημάτων παροχής υπηρεσιών βίντεο κατ απαίτηση και αναπτύχθηκε ένα κατανεμημένο σύστημα που αντιμετωπίζει τη δυναμική συμπεριφορά των χρηστών και χρησιμοποιεί αποδοτικά το εύρος ζώνης τους διατηρώντας παράλληλα την κατανάλωση ενέργειας σε χαμηλά επίπεδα. Το σύστημά μας υλοποιήθηκε σε ένα περιβάλλον εξομοίωσης και δοκιμάστηκε σε εκτεταμένα σενάρια που δείχνουν ελπιδοφόρα αποτελέσματα.