Congestion and error control for multi-party content distribution

Abstract

We have recently experienced a considerable research drive targeting new architectures for the next generation of the Internet, which drop the current design in order to improve the efficiency of large-scale content delivery, as well as other emerging applications, such as machine to machine communications. These efforts have brought to the forefront alternative communication paradigms: some future Internet architectures are based on native one-to-many (multicast) communication to make content distribution more efficient, most sensor network architectures focus on many-to-one communication from the sensors to the sink, while file exchange applications like BitTorrent make use of many-to-many communication. The design and implementation of the omnipresent Internet architecture however leans on the traditional telephone network idea, where there are only two parties wishing to communicate. Extending the Internet model to multiparty communication requires considerable engineering effort and costs, as such a radical redesign brings to the forefront the need to design new protocols at all layers of the networking stack. This dissertation focuses on the design of transport and application layer protocols that can support different types of multi-party content distribution applications. The first part of this dissertation deals with the issue of error control for multicast communication, as applied to the Information Centric Networking (ICN) context. Despite the fact there is a lot of work on reliable transport for IP Multicast, none has achieved to fully solve the problem of feedback implosion towards the sender as group size grows, while existing solutions are not amenable to the special characteristics of ICN and its native multicast mechanisms. We have proposed a suitable solution for ICN (RMTPSI) and we compared it against one of the most well-known mechanisms for IP Multicast (PGM). Our simulations show that RMTPSI is more efficient than PGM, while requiring the same time to complete a reliable transfer as PGM; specifically, RMTPSI requires 2.9% to 10.2% fewer downstream transmissions and 4.6% to 12.1% fewer total transmissions than PGM. In the second part of this dissertation we move from one-to-many communication to the reverse problem, reliable many-to-one communication, a very common problem in the sensor networks area, where large numbers of sensors transmit data to a single sink node. As sensors become cheaper and more powerful, sensor networks face the challenge of controlling all these devices in a efficient manner, which naturally leads to a sink-driven transport scheme. We have proposed a sink-driven reliable transport protocol for sensor networks which places the responsibility for transmission rate allocation, congestion avoidance and error control to the sink. The protocol is implemented at the application level, which allows it to be used without supervisor privileges, as well as enabling the application at hand to fine tune its operational parameters. Our protocol was implemented and tested over a real network with emulated losses and compared against a well-known sink driven approach (RCRT). The results show that our approach exploits available bandwidth in all cases, while RCRT succeeds to use 60% to 90% of it. Finally, the overhead of protocol operation, in terms of required computation resources and control messages, is much lower for our approach. Finally, in the third part we investigate the many-to-many communication model for use in streaming multimedia services. We approach the problem by evaluating extensions to the well-known BitTorrent application, in order to meet the requirements of on-demand and live video streaming. We implemented a number of proposed solutions to this problem to our own comprehensive packet level BitTorrent Simulator and evaluated their behavior with streaming video from both the network and the user experience points of view, considering players that either skip over missing pieces or stall until they arrive. We concluded that the simplest proposed solution is no worse than the others under a very wide range of parameters, and that its user-level performance is actually quite acceptable for real use, when properly configured.

Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί πολλές νέες αρχιτεκτονικές για την εξέλιξη του Διαδικτύου, με στόχο τη βελτίωση της διανομής περιεχομένου σε μεγάλη κλίμακα και της επικοινωνίας μεταξύ μηχανών. Κάποιες αρχιτεκτονικές βασίζονται σε επικοινωνία ένας-προς-πολλούς για διανομή περιεχομένου, οι αρχιτεκτονικές δικτύων αισθητήρων επικεντρώνονται σε επικοινωνία πολλοί-προς-έναν ανάμεσα στους αισθητήρες και το σημείο συγκέντρωσης, ενώ οι εφαρμογές ανταλλαγής αρχείων όπως το BitTorrent κάνουν χρήση επικοινωνίας πολλοί-προς-πολλούς. Όλες αυτές οι εξελίξεις ανατρέπουν το σχεδιασμό του υπάρχοντος Διαδικτύου που στηρίζεται στο τηλεφωνικό δίκτυο με δύο μόνο μέρη να επικοινωνούν. Η επέκταση του μοντέλου του Διαδικτύου σε μορφές επικοινωνίας με πολλούς συμμετέχοντες απαιτεί μεγάλη προσπάθεια, καθώς μια τέτοια ριζική επανασχεδίαση δημιουργεί την ανάγκη σχεδιασμού νέων πρωτοκόλλων σε όλα τα στρώματα της στοίβας δικτύωσης. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό πρωτοκόλλων μεταφοράς και εφαρμογής που μπορούν να υποστηρίξουν διαφορετικούς τύπους εφαρμογών διανομής περιεχομένου με πολλούς συμμετέχοντες. Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το θέμα του ελέγχου σε επικοινωνία ένας-προς-πολλούς, όπως εφαρμόζεται στα Πληροφοριοκεντρικά Δίκτυα (ICN). Παρά το γεγονός ότι υπάρχει πολλή δουλειά στην αξιόπιστη μεταφορά πάνω από πολυεκπομπή IP, κανένας δεν έχει καταφέρει να λύσει πλήρως το πρόβλημα της ενδόρρηξης λόγω της ανάδρασης προς τον αποστολέα όσο μεγαλώνει το μέγεθος της ομάδας πολυεκπομπής, ενώ οι υπάρχουσες λύσεις δεν εφαρμόζονται στα ειδικά χαρακτηριστικά των δικτύων. Η διατριβή πρότεινε μια κατάλληλη λύση για ICN (το πρωτόκολλο RMTPSI), την σύγκρινε με έναν από τους πιο γνωστούς μηχανισμούς για πολυεκπομπή IP, το πρωτόκολλο PGM. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το RMTPSI είναι πιο αποτελεσματικό από το PGM, ενώ απαιτεί τον ίδιο χρόνο με το PGM για να ολοκληρώσει μια μεταφορά. Συγκεκριμένα, το RMTPSI απαιτεί 2,9%-10,2% λιγότερες κατερχόμενες μεταδόσεις και 4,6%-12,1% λιγότερες συνολικές μεταδόσεις από το PGM. Το δεύτερο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το αντίστροφο πρόβλημα, την αξιόπιστη επικοινωνία πολλών-προς-έναν, ένα πολύ κοινό πρόβλημα στον τομέα των δικτύων αισθητήρων, όπου μεγάλος αριθμός αισθητήρων μεταδίδουν δεδομένα σε ένα μόνο κόμβο. Καθώς οι αισθητήρες γίνονται φθηνότεροι και ισχυρότεροι, τα δίκτυα αισθητήρων αντιμετωπίζουν την πρόκληση του ελέγχου όλων αυτών των συσκευών με αποτελεσματικό τρόπο, πράγμα που οδηγεί σε μια προσέγγιση που ελέγχεται από τον κόμβο προορισμού. Η διατριβή πρότεινε ένα αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς ελεγχόμενο από τον κόμβο προορισμού (RT-SENMOS), στο οποίο η ευθύνη για την κατανομή του ρυθμού μετάδοσης, του ελέγχουν συμφόρησης και του ελέγχου σφαλμάτων είναι αποκλειστικά στον κόμβο προορισμού. Το πρωτόκολλο υλοποιήθηκε σε επίπεδο εφαρμογής, έτσι ώστε να μην απαιτεί προνόμια εκτέλεσης επόπτη και να επιτρέπει στην εφαρμογή να ρυθμίζει τις λειτουργικές παραμέτρους του. Το πρωτόκολλο δοκιμάστηκε σε ένα πραγματικό δίκτυο με εξομοίωση απωλειών και συγκρίθηκε με ένα γνωστό πρωτόκολλο αντίστοιχης σχεδίασης (το RCRT). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το RT-SENMOS εκμεταλλεύεται πλήρως το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε όλες τις περιπτώσεις, ενώ το RCRT καταφέρνει να χρησιμοποιήσει μόνο το 60%-90%. Τέλος, η επιβάρυνση της λειτουργίας του RT-SENMOS από πλευράς απαιτούμενων πόρων εκτέλεσης και μηνυμάτων ελέγχουν, είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή του RCRT. Το τρίτο μέρος της διατριβής ασχολήθηκε με το μοντέλο επικοινωνίας πολλοί-προς-πολλούς για χρήση σε υπηρεσίες ροής πολυμέσων. Αξιολογήθηκαν μια σειρά επεκτάσεις στο σύστημα BitTorrent οι οποίες επιτρέπουν να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της ροής πολυμέσων, με χρήση ενός ολοκληρωμένου προσομοιωτή που συν-δημιούργησε ο υποψήφιος, και αξιολογήθηκε η συμπεριφορά τους σε ροή βίντεο με βάση μετρικές επιπέδου δικτύου και επιπέδου χρήστη, θεωρώντας εφαρμογές αναπαραγωγής που είτε παραλείπουν είτε περιμένουν τα τμήματα που δεν έχουν φτάσει εγκαίρως. Το συμπέρασμα είναι η απλούστερη δυνατή λύση δεν υπολείπεται των άλλων κάτω από ένα ευρώ φάσμα παραμέτρων, και ότι η απόδοση επιπέδου χρήστη της λύσης αυτής είναι αρκετά αποδεκτή για κανονική χρήση, όταν ρυθμιστεί σωστά.