STREAMING VIDÉO SUR INTERNET - ARCHITECTURES, PROTOCOLES ET SERVICES

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STREAMING VIDÉO SUR INTERNET - ARCHITECTURES, PROTOCOLES ET SERVICES
Ecole d’hiver sur les application de l’informatique industrielle, réseaux et génie logiciel

STREAMING  VIDÉO  SUR  INTERNET  
         ARCHITECTURES,  PROTOCOLES  ET  SERVICES
Yassine  HADJADJ  AOUL
yhadjadj@irisa.fr
Maître  de  conférences  à  l’Université  de  Rennes  1
Laboratoire  IRISA,  Equipe-­‐projet  Dionysos  (INRIA)

Décembre  4,  2013
STREAMING VIDÉO SUR INTERNET - ARCHITECTURES, PROTOCOLES ET SERVICES
Streaming sur Internet   2

Plan
• Généralités
  • Contextes
  • Place  de  la  vidéo  dans  l’internet
  • Défini]ons
• Architectures  tradi]onnelles
• Difficultés  du  streaming  sur  Internet
• Améliora]on  du  streaming  sur  Internet
  • Améliora]on  structurelle  (vidéo)
  • Améliora]on  protocolaire  (DASH)
  • Architecturale  (CDN  +  Caching)
• Tendances  …
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CONTEXTES
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Contexte  économique
• Nombre  gigantesque  de  clients  IP  (marché  poten]el  très  important  et  à  
  moindre  coût)
• Déploiement  généralisé  et  con]nue  de  l’IPTV
• Dispari]on  imminente  de  la  télé  analogique  
  • «  Digital  switchover  »,  depuis  2011  en  France
• Croissance  importante  du  nombre  de  disposi]fs  HD
• Appari]on  soudaine  de  plateformes  de  partage  de  contenus  (e.g.  Youtube,  
 Dailymo]on)  et  la  croissance  du  partage  de  fichiers  en  Pair-­‐à-­‐pair  (i.e.  P2P)
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Contexte  technologique
Plusieurs  évolu]ons  technologiques  ont  rendu  possible  le  transport  de  la  
vidéo  sur  IP:
• Transi]on  vers  la  vidéo  digitale
  • La  transmission  en  numérique  possible  par  voie  terrestre,  satellitaire  et  par  câble  
• Avancées  dans  la  compression  vidéo
  • Evolu]on  du  premier  standard  (MPEG-­‐1,  1991)  au  standard  de  compression  avancé  
    H.264
  • La  vidéo  peut  être  transportée  dans  un  réseau  à  capacité  limité  
• Croissance  de  la  capacité  des  réseaux  IP
  • Démocra]sa]on  des  accès  large  bande
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CES  DÉVELOPPEMENTS  ONT  RENDU  TECHNIQUEMENT  ET  
ÉCONOMIQUEMENT  POSSIBLE  LE  TRANSPORT  DE  LA  
VIDÉO  HAUTE-­‐QUALITÉ  AUX  NOMBREUX  CLIENTS  IP
En  résumé
Streaming sur Internet   7

PLACE  DE  LA  VIDÉO  DANS  L’INTERNET
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        Etat  des  lieux  (année  2012)
        • Les  consommateurs  de  vidéos  représentent  57%  du  nombre  
           total  de  consommateurs  de  trafic  internet
            • 69%  en  2017  !
        •   La  Vidéo  internet  sur  TV  représente  9%
            • 14%  en  2017  !  …  probablement  plus  
        • Le  trafic  VoD  triplera  en  2017  !
        • La  somme  de  toutes  les  formes  de  vidéo  (TV,  VoD,  Internet  et  
           P2P)  sera  de  l'ordre  de  80  à  90%  du  trafic  mondial  d'ici  2017  !

Cisco  forcast
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Etat  des  lieux  (année  2012)  (suite)
                            60                    Prédic]ons
                                                                                 52,7
                            50
                                                                      41,9
    Trafic  en  PB  (1015)

                            40
                                                           32,9                                  Vidéo sur Internet
                                                                                                 Croissance  29%  annuel
                            30                    25,8
                                                                                     22,9        Vidéo sur réseaux
                                         19,8                           20,4
                                                               17,6                              managés
                            20   14,8               14,6                                         Croissance  21%  annuel
                                           11,6
                                   8,8
                            10

                             0
                                 2012    2013     2014     2015       2016       2017
Streaming sur Internet   10

DÉFINITIONS
Streaming sur Internet   11

L’IPTV  C’EST  LA  TV  PAR  INTERNET
Idée  reçue
Streaming sur Internet      12

IPTV
 IPTV  est  simplement  le  moyen  de  transporter  la  télé  tradi]onnelle  dans  
 un  réseau  IP

Caractéris]ques
     •   Flux  con]nus  de  contenu  produit  par  des  professionnels
     •   Contenus  uniformes    (tous  les  canaux  partagent  une  même  technique  de  
         compression,  résolu]on,  débit)
     •   Transport  sur  un  réseau  privé  (opéré  de  bout-­‐en-­‐bout)
         •   xDSL
     •   Transport  en  mode  non  connecté  RTP/UDP  (mul]cast)
     •   Visualiser  sur  une  télévision  par  le  biais  d’une  set-­‐top  box
Streaming sur Internet            13

VoD:  Vidéo  à  la  demande
 Technique  de  diffusion  de  contenus  vidéo  numérique  bidirec]onnelle  
 (interac]ve)  offerts  (catch-­‐up  TV)  ou  vendus
Caractéris]ques
     •   Contenus  discrets
     •   Contenus  uniformes
     •   Transport  sur  un  réseau  privé  (opéré  de  bout-­‐en-­‐bout)
     •   Transport  en  mode  non  connecté  RTP/UDP  ou  TCP
     •   Visualiser  sur  une  télévision  par  le  biais  d’une  set-­‐top  box
     •   Généralement  les  contenus  de  la  catch-­‐up  TV  sont  accessible  durant  une  
         période  limité  …
Streaming sur Internet              14

Vidéo  par  Internet
 La  vidéo  par  Internet  se  base  sur  une  livraison  de  contenus  en  u]lisant  
 un  réseau  public
Caractéris]ques
     •   Contenus  discrets
     •   Millions  de  contenus  vidéo
     •   Format  des  contenus  très  variable  
     •   Livraison  sur  le  réseau  Internet
     •   Transport  en  mode  connecté:  TCP
     •   Visualiser  par  des  lecteurs  sur  PCs,  Tablexes,  smart  phones,  …  et  la  TV  
         (smart  TV)
Streaming sur Internet        15

Avantages  et  inconvénients  du  streaming  sur  Internet
Avantages                                 Inconvénients
• Disponibilité  et  ubiquité             • Performance  imprédic]ble  (i.e.  
• Low  cost  par  rapport  à  une           réseau  best  effort)
 solu]on  se  basant  sur  un  réseau     • Coût  réduit  en  infrastructure  …  
 opéré                                      pas  toujours  vrai
Streaming sur Internet                 16

Part  de  la  vidéo  par  internet  en  2015  USA
                                                            UGC (e.g.
        VoD sur TV                                          Youtube)
        (e.g. Apple                                           15%
            TV)
           17%
                                                   Vidéo mobile
                                                       10%

                                                                 TV live sur
                                                                    PCs
                      VoD sur PC                                   10%
                      (e.g. Netflix)
                          39%
                                                                 Caméra de
                                                                  sécurité
                                         Vidéo                      6%
                                       conférence
                                          4%
Streaming sur Internet     17

ARCHITECTURES  TRADITIONNELLES
Evolu]on  de  la  technique  avec  l’évolu]on  de  la  capacité  du  réseau
Streaming sur Internet        18

Download
• Click  and  wait,  le  download  implique  le  téléchargement  de  tout  le  
 fichier  avant  visualisa]on
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Download  (suite)
Avantages                                             Inconvénients
• Le  moyen  le  plus  simple                         • La  lecture  n’est  possible  qu’à  la  fin  du  
  • pas  de  contraintes  en  BW  …  accès  modem  
                                                        téléchargement  du  fichier
    56K                                               • Après  téléchargement  le  fichier  peut  ne  
                                                        pas  être  lu  (codec,  player,  …)
• Pas  de  problème  de  synchronisa]on  
                                                      • Contenu  peut  ne  pas  correspondre  aux  
 intra/inter-­‐média
                                                        axentes  …
• Une  fois  téléchargé,  la  répé]]on  de              • Popularité  des  premières  secondes  (e.g.  
 visionnage  ne  consomme  pas  de  BW                     Youtube)

• Fichier  portable,  partageable,  
 conver]ble  dans  un  autre  format,  …
Streaming sur Internet    20

Progressive  download
 • Dans  le  téléchargement  progressif,  le  lecteur  mul]média  est  configuré  
  pour  pointer  à  l’URL  de  la  vidéo  à  lire  (e.g.  Youtube)

                                                 (1) HTTP request
                                                    for Meta file

                                 (2) Meta file

                                                        (3) Video file requested
                                                          and sent over HTTP
Streaming sur Internet                  21

Progressive  download  (suite)
Avantages                                              Inconvénients
• Pas  d’axente  du  téléchargement  complet           • Interrup]on  possible  de  la  lecture  (i.e.  
  avant  le  démarrage  de  la  lecture                 playout  interrup]ons)
• Supporté  par  tous  les  lecteurs  les  plus  
  populaires                                           • Le  déplacement  dans  la  vidéo  n’est  pas  
  • Pas  d’installa]on  de  logiciel  supplémentaire    possible  …
• Le  téléchargement  peut  être  interrompu  si  
  pas  d’intérêt  pour  le  contenu
• Répé]]on  possible  de  la  lecture  en  local  
  (pas  de  coût  en  Bande  passante)
• Fonc]onne  parfaitement  avec  les  CDNs  
Streaming sur Internet   22

Streaming
 • Signifie  que  le  flux  vidéo  est  reçu  par  et  présenté  à  un  u]lisateur  final,  
  tout  en  étant  délivré  par  une  diffusion  en  con]nu  du  fournisseur.

                                                    (1) HTTP request
                                                     for presentation
                                                        description

  Live  ou  VoD                  (2) Presentation
                                    description

                                                   (3) Video file
                                                requested and sent
Streaming sur Internet                  23

Streaming  (suite)
Avantages                                         Inconvénients
• Visualisa]on  quasi  instantané                 • Interrup]on  possible  de  la  lecture  (i.e.  
  • Où  presque,  buffer  de  quelques  secondes    playout  interrup]ons)
• Déplacement  possible  à  n’importe  quel       • Nécessite  d’avoir  des  serveurs  de  streaming
  endroit  de  la  vidéo
• La  bande  passante  u]lisée  est  celle  
  nécessaire  à  la  visualisa]on
• Seul  moyen  pour  faire  du  live  …  pas  
 complètement  vrai
• Fichier  non  portable  (sécurité)  
Streaming sur Internet   24

DANS  LE  STREAMING  PAR  INTERNET,  ON  A  PAS  
FORCÉMENT  UN  SERVEUR  DE  STREAMING  …
Serveur  web  pour  le  streaming  vidéo
Streaming sur Internet   25

DIFFICULTÉS  LIÉES  AU  STREAMING  SUR  
INTERNET
Streaming sur Internet   26

COMPRENDRE  LE  FONCTIONNEMENT  DE  L’INTERNET  
POUR  COMPRENDRE  LES  PROBLÈMES  DU  STREAMING  SUR  
INTERNET
Streaming sur Internet                        27

     Structure  de  l’Internet                                                         Internet eXchange
                                                                                       Point
                                                           Réseau d’accès

                                    Réseau d’accès                                     Réseau d’accès
         Lien de peering
                                                                 ISP A
                                                     POP
                                                                                               ISP B

                   Réseau d’accès
                                                           NAP    IXP                                    Réseau d’accès

                                           ISP C

POP: Point Of Presence
(ISP-ISP)                           Réseau d’accès                                           Réseau d’accès
NAP: Network Access Point
(ISP-Autres)                                                 Réseau d’accès
Streaming sur Internet                         28

Structure  de  l’Internet:  plus  en  détail
                                                Réseau d’accès

                        Réseau d’accès                                       Réseau d’accès
                                                     ISP A

                                                                                     ISP B
                            ISP
                         régionaux           Fournisseur de
       Réseau d’accès                ISP C     contenus
                                                    IXP                                        Réseau d’accès

                                                                    ISP
                                                                 régionaux

                        Réseau d’accès                                             Réseau d’accès

                                                  Réseau d’accès
Streaming sur Internet                    29

     Structure  de  l’Internet:  plus  en  détail
                                     Tier 1 -                   Tier 1 -
                                                                                               Google
                                       ISP                        ISP

                                     IXP                            IXP                              IXP

      Tier  2                                          ISP                       ISP                                         Achat  
                                                                               régional                                    par]el  de  
      -­‐  ISP                                       régional
                                                                                                                          leurs  trafic

                                                                                                                           Achat  de  
     Tier  3               Réseau          Réseau         Réseau          Réseau           Réseau          Réseau
                                                                                                                          tout  leurs  
                           d’accès         d’accès        d’accès         d’accès          d’accès         d’accès
     -­‐  ISP                                                                                                               trafic

" Les  ISPs  “]er-­‐1”  commerciaux  (e.g.,  Level  3,  Sprint,  AT&T,  NTT),  présentent  une  étendue  na]onal  et  interna]onal
" Les  fournisseurs  de  contenus  (e.g,  Google)  bypass  généralement  les  Tiers  1  et  ISPs  régionaux
Streaming sur Internet         30

TCP  et  le  streaming  sur  Internet
• Protocole  assurant  une  transmission  fiable
  • Pas  de  dégrada]on  de  la  qualité  de  l’image
     • Adapter  aux  services  de  vidéos  à  la  demande  (e.g.  User  Generated  Contents  
       «  UGC  »)
  • Retransmission  des  paquets  perdus  …  même  lorsque  la  retransmission  
    n’est  pas  u]le
• Permet  de  bypasser  les  firewall  et  NAT
  • Transport  sur  HTTP/TCP
• Serveur  assez  simple  (e.g.  download  ou  progressive  download)
Streaming sur Internet          31

TCP  et  le  streaming  sur  Internet  (suite)
• Adapta]on  du  débit  de  transmission  (ges]on  de  la  conges]on)
  • Chute  du  débit  après  une  perte  de  paquet  …  même  si  cela  peut  causer  une  
    famine  au  niveau  du  client
• Overhead
  • Three-­‐way  handshake,  entête  TCP  de  20  octets  dans  chaque  paquet  …  trop  
    pour  l’envoie  de  données  audio
  • Envoie  d’acquitement  pour  tous  les  paquets  …  bien  plus  que  nécessaire

• Non  compa]ble  avec  le  mul]cast  (e.g.  IPTV)
  • Mul]cast  applica]f  ?
Streaming sur Internet     32

Difficultés  du  streaming  sur  Internet
• Réseau  Best  effort
  • Pas  de  garan]s  en  ressources  (pire    encore:  ressources  variables)
  • Délais  variables,  pertes
• Limites  de  l’ingénierie  de  trafic  (MPLS,  …)
  • Pas  de  qualité  en  inter-­‐domaine
  • Pas  de  QoS  de  bout-­‐en-­‐bout  (i.e.  Enthrone,  …)
• Problème  de  conges]on
  • Principalement  au  niveau  des  liens  de  peering  
    • Pas  de  mul]cast  en  TCP  …  redondance  non  exploitée
Streaming sur Internet                 33

Impacte  du  streaming  sur  l’écosystème
• Les  ISP  et  les  réseaux  de  transit  sont  submergés  de  trafic  de  distribu]on  
 de  contenus
  • Déséquilibre  des  liens  de  peering  (bande  passante  entrante/sortante)
    • Le  service  de  peering  ne  peut  plus  être  gratuit  …

  • Réseaux  de  transit  :  mise  à  jour  con]nue  des  liens  de  transmission  
    • Passage  par  les  réseaux  de  transit/payement  suivant  le  débit

  • Coût  des  IXPs  reste  non  négligeable
    • Mise  à  jour  de  la  capacité  de  transport,  des  équipements  et  la  loca]on  de  l’endroit

  • Achat  du  service  de  distribu]on  d’un  ou  de  plusieurs  opérateurs  de  CDNs

• Qui  doit  payer?
Streaming sur Internet   34

AMÉLIORATION  DU  STREAMING  SUR  
INTERNET
Streaming sur Internet          35

Axes  d’améliora]ons

Structure de              Protocole de
                                                     Infrastructure            Stockage
  la vidéo                 streaming

  Base sur des              Adaptatif                     CDN                  Caching
  fragments                 • Débit suivant l’état        • Au plus près des   dynamique
  • Popularité/fragment       du réseau                     clients            • Popularité/…

  Plusieurs qualité                                                            Prefetching
  pour un même                                                                 • Popularité potentiel
  contenu
  • Qualité optimal
Streaming sur Internet   36

DASH:  UNE  STRUCTURATION  ET  UN  
PROTOCOLE
Streaming sur Internet               37

Streaming  de  vidéo  à  base  de  fragments
 La  vidéo  de  streaming  est  divisée  en  segments  (i.e.  chunks)  contenant  
 une  certaine  durée  de  vidéo  (typiquement:  2  à  10s)

Caractéris]ques
     •       Streaming  plus  efficace
         •     Moins  d’impact  en  cas  de  perte
         •     U]lisa]on  plus  efficace  de  la  bande  passante
     •       Caching  plus  efficace
         •     Un  cache  à  fragments  offre  une  meilleure  efficacité  qu’un  cache  à  contenu  
               complet  (i.e.  Caching  des  chunks  populaires)
     •       Pas  d’interdépendance  entre  chunk
38

       Structure  d’une  vidéo
                                       Une séquence vidéo = i groupes d’images
                   Groupe d’images (GoP) = k images                            Groupe d’images (GoP) = k images

   ...                                                                                                                                  ...

                                                                                                                    q pixels
                                                      1 bandes = p macroblocs

                                                                                                                                       r pixels

                                                                                                          1 bloc = q x r pixels
                                                                                                           q = r = {4, 8, 16}

1 image = m bandes (slices)                            1 macrobloc = 4 blocs
39

 Structure  d’un  GoP
• Le GOP (Group Of Picture) définit l’enchaînement des images I, P et B dans le
  flux vidéo.
• Le GOP commence toujours par une image I.

                           Un chunk et       un ensemble de
                                        GoP(3,16)
    I   Intracoded frame                  GOPs
                            P Forward/predicted frame B Bi-directional/interpolated frame
Streaming sur Internet         40

DASH:  Dynamic  Adap]ve  Streaming  over  HTTP
 Le  standard  DASH  est  une  technique  de  streaming  basée  sur  des  segments,  
 disponible  en  différentes  qualité  et  transportés  en  u]lisant  HTTP  1.1
Streaming sur Internet   41

DASH:  Dynamic  Adap]ve  Streaming  over  HTTP
Avantages
• S’adapte  automa]quement  à  la  bande  passante  disponible
   • Choix  du  débit  par  le  client,  en  fonc]on  des  capacités
  • Passage  transparent  d’une  qualité  à  une  autre
• Encapsula]on  sur  HTTP
   • Court-­‐circuite  les  NAT  et  les  firewall
• Déploiement  facile  sur  les  CDNs
• Nul  besoin  d’un  serveur  de  streaming
  • Serveur  web
• Déplace  l’intelligence  du  réseau  vers  les  clients
Streaming sur Internet                                       42

        Challenges
        • Instabilité  et  iniquité  du  streaming  en  DASH
           • Résultat  du  contrôle  distribué  

                                                                                                                                                    Lien congestionné
                                                                                                                                                    commun

J.  Jiang,  V.  Sekar,  and  H.  Zhang.  2012.  Improving  fairness,  efficiency,  and  stability  in  HTTP-­‐based  adap]ve  video  streaming  with  FESTIVE.  In  Proc.  Of  ACM  CoNEXT  '12.  
New  York,  NY,  USA,  97-­‐108.
Streaming sur Internet             43

Challenges  (suite)
Performance:
• Détermina]on  de  la  taille  des  chunks
• Détermina]on  de  la  stratégie  de  téléchargement  op]male
  • Nombre  de  chunk  pour  éviter  la  famine  tout  en  minimisant  la  bufferisa]on
• Caching  des  flux  DASH
  • Choix  de  la  qualité  dans  un  réseaux  de  distribu]on  de  contenus  (e.g.  topologie  
   diverses)
Sécurité:
• Stratégie  de  téléchargement  agressive  
Streaming sur Internet   44

RÉVOLUTION  DU  STREAMING  SUR  
INTERNET  GRÂCE  AUX  CDNs
Streaming sur Internet                     45

         Les  intermédiaires
                                                                                        Origin Server

                     Serveurs    • Mise à
                   centralisés     l’échelle

                                                                       Surrogate
                                                                       (cache)
• Efficacité   Ferme de
  (BW)         serveurs
                                                           Surrogate
                                                           (cache)              Surrogate
                                                                                (cache)
                    Serveurs     • Coût
                     miroir      • Mutualisation                            Surrogate
                                                                            (cache)

                CDNs
Streaming sur Internet      46

       CDN:  Content  delivery  Network
         Réseau  en  overlay  chargé  de  distribuer  le  contenu  de  l’endroit  le  plus  
         op]mal*

        Principe
                •     Rapproche  les  contenus  des  u]lisateurs  (économie  en  bande  passante  
                      «  coût  »  et  pe]ts  délais)
                •     Mise  à  l’échelle  et  mutualisa]on  des  ressources:  traitement,  mémoire,  
                      stockage
                •     Favorise  les  contenus  les  plus  populaires  
                •     Contenus  distribués  en  fonc]on  des  besoins  et  de  leurs  u]lisa]ons

*  Ne  signifie  pas  forcément  le  plus  proche  géographiquement
Streaming sur Internet               47

Exemple  de  CDNs

      The Akamai EdgePlatform:

       85,000+        1700+          950+                660+            72+
       Servers         POPs         Networks             Cities        Countries

      Resulting in traffic of:
      5.4 petabytes / day
      790+ billion hits / day
      436+ million unique clients IPs / day
Streaming sur Internet                48

                         Evolu]on  du  trafic  des  CDNs
                                           Prédic]ons                   47,1
                        50
                                           Croissance  34%  annuel
                                                                                      • Le  CDN  est  la  méthode  
                        45
                        40                                      35,8
                                                                                        dominante  pour  livrer  le  
Trafic  en  PB  (1015)

                        35                                                              contenu  de  streaming.  
                        30                              26,8
                                                                                            • 51%  du  trafic  Internet  va  
                        25                  19,9                                              traverser  des  CDNs  en  2017,  
                        20
                                    14,6                                                      contre  34%  en  2012.  
                        15   10,8
                        10                                                                  • 65%  du  trafic  vidéo  sur  Internet  
                         5                                                                    va  traverser  des  CDNs  en  2017,  
                         0                                                                    en  hausse  de  53%  en  2012
                             2012   2013   2014      2015      2016    2017
Streaming sur Internet                                49

                                                                                                                                                                          L’exemple:

         Architecture  type  du  streaming  sur  Internet
                                                                               Cloud  Amazon  (EC2,  S3  …)

                Réseau  Neˆlix                                                                    Serveur  Neˆlix
                                                                             Serveur  Neˆlix
                                                                                                                                   Copie  de  contenus                    CDNs
                 www.neˆlix.com                                                                                                                          Level-­‐3

                                                                                                                                                           LimeLight
                                                                                                     • Authen]fica]on
                                                   2 Redirec]ons:                                3
                                                        movies.neˆlix.com  (logged)                  • MàJ  périodique  du                                     Akamai
                                                        Signup.neˆlix.com                              Manifest

                             1 Enregistrement                                                        4 Demandes  chunks

         Problématique de la
         sélection de cache/serveur                                                                                5 chunks
                                                                                           Client  MS  
                                                                                       Silverlight  (DASH)
V.  K.  Adhikari,  Y.  Guo,  F.  Hao,  M.  Varvello,  V.  Hilt,  M.  Steiner,  and  Z.-­‐L.  Zhang.  INFOCOM,  page  1620-­‐1628.  IEEE,  (2012)
Streaming sur Internet   50

RÉVOLUTION  DU  STREAMING  SUR  
INTERNET  PAR  LE  CACHING  …
Streaming sur Internet   51

Pourquoi  le  caching?
• Changement  de  rapports  entre  opérateurs  de  CDNs  et  ISPs
 • Augmenta]on  importante  de  la  quan]té  de  trafic,  principalement  le  
   téléchargement  vidéos
   • D’équilibre  entre  le  trafic  entrant  et  sortant  (>    2.5  fois)

• Impacte  du  streaming  sur  les  performances  du  réseau
 • Satura]on  des  liens  de  peering
 • Dégrada]on  de  la  qualité  des  autres  applica]ons  (e.g.  Web)

• Le  caching  semble  être  une  bonne  solu]on  …
Streaming sur Internet                                      52

        Per]nence  du  caching  pour  la  VoD
        • Nombre  d’u]lisateurs  ac]fs  >  
           nombre  de  vidéos  ac]ves
             • Taille  limitée  de  la  vidéothèque  
             • Popularité/Loi  Zipf  (α  =  1.2)*
                 • Décroissance  rapide  de  la  popularité

        • Le  caching  des  contenus  VoD  
           populaires  est  efficace  

*  C.  Fricker,  P.  Robert,  and  J.  Roberts:  «  A  versa]le  and  accurate  approxima]on  for  LRU  cache  performance  ».  In  Journal  Corr,  Vol.  abs/1202.3974  (2012)
Streaming sur Internet                          53

Per]nence  du  caching  pour  le  contenu  UGC
                                                                       Fichiers       Nombre  de        Volume  total
• ANR  ViPeer                                                          dis]ncts       téléchargement
                                                   Jour  7
 • Partenaires:  INRIA,  TB,  Orange,  …
                                                   Fichiers            21354          29604             2278.1  GB
 • Etude:  Per]nence  du  caching                  >2                  1237           7197  (24,3%)     638,1  GB

 • Type  de  trafic:  Youtube  (vidéothèque         1                                  17825  (60,2%)    1182,0  GB

   quasi  illimité)                                1  semaine
                                                   Fichiers            93649          159486            5782,0  GB
 • Mesures:  3  zones  ADSL  (villes:  Lyon,  
                                                   >2                  9367           63379  (39,7%)    2598,9  GB
   Bordeaux,  et  Paris)                           1                                  72451  (45,4%)    2249,7  GB

 • Hypothèse:  Les  fichiers  visualisés  1  et     2  semaines

   2  fois  sont  considéré  comme  du  bruit      Fichiers            202772         453345            9442,2  GB
                                                   >2                  25981          249243  (54,9%)   4730.7  GB
   pour  le  caching
                                                   1                                  149280  (32,9%)   3315,5  GB
Streaming sur Internet                          54

Per]nence  du  caching  pour  le  contenu  UGC
                                                                            Fichiers       Nombre  de        Volume  total
• Résultats  (Bordeaux)                                                     dis]ncts       téléchargement

  • Trafic  des  fichiers  visualisés  1  fois  très      Jour  7
                                                        Fichiers            21354          29604             2278.1  GB
    important
                                                        >2                  1237           7197  (24,3%)     638,1  GB
     • L’élargissement  de  la  fenêtre  d’étude  
       permet  d’augmenter  le  nombre  de  fichiers     1                                  17825  (60,2%)    1182,0  GB

       visualisés  +  2  fois  (≈55%)                   1  semaine
                                                        Fichiers            93649          159486            5782,0  GB
  • Le  caching  des  fichiers  visualisé  +  2  
                                                        >2                  9367           63379  (39,7%)    2598,9  GB
    fois  permexrait  de  réduire  
                                                        1                                  72451  (45,4%)    2249,7  GB
    significa]vement  la  bande  passante
                                                        2  semaines
  • La  taille  du  cache  (4,7  TB)  à  besoin  
                                                        Fichiers            202772         453345            9442,2  GB
    d’être  aussi  importante                           >2                  25981          249243  (54,9%)   4730.7  GB
                                                        1                                  149280  (32,9%)   3315,5  GB
Streaming sur Internet                           55

Per]nence  du  caching  pour  le  contenu  UGC
                                                                       Fichiers       Nombre  de              Volume  total
• Résultats  (sur  les  3  zones)                                      dis]ncts       téléchargement

  • Le  poten]el  de  réduc]on  est  très          Jour  7
                                                   Fichiers            104548         223422                  6493,1  GB
    important
                                                   >2                  9420           115516  (51,7%)         2757,9  GB
  • La  taille  du  cache  (12  TB)  à  besoin  
                                                   1                                  82350  (36,8%)          2634,6  GB
    d’être  de  plus  en  plus  importante
                                                   1  semaine
• Les  contenus  visualisés  changeant             Fichiers            340702         836236                  12484,6  GB

 de  jour  en  jour  et  de  semaine  en           >2                  43480          492482  (58,9%)         6124,7  GB
                                                   1                                  250690  (29,9%)         4463,6  GB
 semaine
                                                   2  semaines
  • Renouvellement  du  caching  pour              Fichiers            865681         2838514                 22632,5  GB
    maintenir  l’efficacité  :  stratégie  de        >2                  145724         1992348  (70,2%)        11916,9  GB
    caching                                        1                                  593721  (20,9%)         7483,1  GB
Streaming sur Internet                                  56

         Stratégies  de  caching
                                 Caching  réac]f                                                                Caching  proac]f  (Prefetching)
         • Mise  en  cache  de  contenus  populaires                                                     • Mise  en  cache  de  contenus  dont  la  
            dynamiquement                                                                                   popularité  à  un  poten]el  de  croître
             • Mise  à  jour  des  caches  à  la  demande  et                                                • Mise  à  jour  des  caches  en  dehors  des  heures  
               dynamiquement                                                                                   de  pointes
             • Techniques:  LRU,  LFU,  LRFU,  Op]mal*,  …                                                   • Techniques:  basées  sur  la  prédic]on
             • Employé  par:  Google  cache  (technique  basée                                               • Employé  par:  Facebook  (u]lisa]on  des  liens  
               sur  LRU)                                                                                       sociaux),  …

*  L.  Zhe,  M.K.  Sbai,  Y.  Hadjadj-­‐Aoul,  A.  Gravey,  et  al:  «  Network  friendly  video  distribu]on  ».  NoF  2012,  Tunis,  Tunisia  (November  2012)
Streaming sur Internet                      57

Impacte  du  caching  sur  l’écosystème
• Déséquilibre  des  liens  de  peering  
• Importance  du  rôle  des  CDNs  dans  la  chaine  de  distribu]on  de  contenus
   • Développement  de  solu]ons  de  CDNs  par  les  «  Content  Provider  »
    • Google  peut  maintenant  avoir  un  lien  directe  avec  les  ISPs  ou  les  ISPs  de  transit  (e.g.  Orange)

• Les  fournisseurs  de  contenus  développent  des  solu]ons  empêchant/
 gênant  le  caching  puisque  il  entraîne  des  pertes  de  revenus  (i.e.  publicité)
  • Youtube  privilégie  le  streaming  en  HTTPs  et  un  streaming  dans  un  ordre  non  
   conven]onnelle  
• Améliora]on  de  la  QoE  …  consomma]on  d’un  contenus  d’une  meilleure  
  qualité  (e.g.  HD)  …  problème  de  conges]on  …  
• Développement  de  nouvelles  solu]ons  …
Streaming sur Internet   58

TENDANCES  …
Streaming sur Internet                                  59

         Vers  une  coopéra]on  entre  CPs  et  ISPs
         • Une  coopéra]on  entre  CP  et  ISP  est  une  solu]on  gagnant-­‐
            gagnant
             • Les  ISPs  économisent  de  la  bande  passante
             • Les  CPs  ne  perdent  pas  de  revenus  et  décharge  leurs  serveurs/CDNs
         • Objec]f  du  projet  ANR  ViPeer
             • De  nouvelles  évolu]ons  confirme  l’intui]on  …  

*  L.  Zhe,  M.K.  Sbai,  Y.  Hadjadj-­‐Aoul,  A.  Gravey,  et  al:  «  Network  friendly  video  distribu]on  ».  NoF  2012,  Tunis,  Tunisia  (November  2012)
Streaming sur Internet                                                              60

Vers  une  coopéra]on  entre  CPs  et  ISPs  (suite)
                                Portal   Regional CDN Server                     dTracker              Caching (Peers)            Customer

                                                                   1
                                                      Upload Manifes
                                                                    t
     La  solu]on  Vipeer                                       OK
                                                                   2

      recommande  le  
                                                               3           Request « Matrix »

 déploiement  d’un  système                                            4     URL Manifest

    de  caching  opéré  par                                                       5    Get URL Manifest

                                                                                  6    Redirect dTracker
  l’opérateur  réseau  dans                                                                     7     Get URL Manifest

     son  propre  réseau                                                                    8       Send modified Manifest

                                                                                                                             (Ch ,Peery)
                                                                                                                 ChunkRequest x
                                                                                                                                    9
                                                                                                                             (Ch ,Peerr)
                                                                                                                 ChunkRequest z
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       Vers  une  coopéra]on  entre  CPs  et  ISPs  (suite)
       • Neˆlix:  Neˆlix  Open  Connect  Network
           • Permet  aux  ISPs  d’avoir,  en  intra-­‐domaine,  un  serveur  de  caching  local  (i.e.  open  
             connect)
           • Con]nuer  le  travaille  avec  les  CDNs  commerciaux  …  à  terme  ça  ne  sera  
             probablement  plus  le  cas  …
           • Serveur  gratuit  pour  les  ISPs
               • Neˆlix  CDN  (Storage:  100  TB,  If:  2x10  Gb/s)
           • Coopera]on  between  Neˆlix  and  ISPs  
           • Permet  aux  opérateurs  d’avoir  du  contrôle  sur  l’acheminement  de  la  vidéo
           • Pre-­‐remplissage  des  caches  pendant  les  heures  creuses
              • Caching  proac]f  et  réac]f

hxp://blog.neˆlix.com/2012/06/announcing-­‐neˆlix-­‐open-­‐connect-­‐network.html  (June  2012)
Streaming sur Internet             62

        Streaming  en  P2P
        • Le  P2P  est  scalable,  pas  cher  et  axrac]f  mais  …  pas  de  garan]s  
          en  ressources  …  non  viable  comme  solu]on  commerciale
        • P4P  permet  aux  ISPs  d’op]miser  leurs  ges]on  de  ressources
             • Réduire  la  charge  des  liens  de  peering  en  favorisant  des  communica]ons  intra-­‐
                domaine  (iTracker)
        • Architecture  hybride  CDN/P2P
          • Certains  CDNs  commenceraient  déjà  à  avoir  des  composantes  P2P
        • Créa]on  d’un  nouveau  WG  à  l’IETF:  PPSP  (P2P  streaming  
           protocol)
             • Tout  reste  encore  à  faire  …
*  RFC  6972  (July  2013)
Streaming sur Internet               63

     CCN:  Content  centric  networking
       Chercher  le  contenus  ou  il  se  trouve  …  plus  de  lien  avec  un  terminal/@IP  par]culière
                                           Portal
     Routage  sur  les  noms                                                         Meilleures  stratégies?

Stratégies  de  réplica]on  
                                                                                               Quelle  qualité  pour  
et  de  caching
                                                                                               le  caching?

Plus  de  transport              CDN
                               surrogate
end2end
                                                                                             En  overlay  ou  from  
                                                                                             the  scratch?
De  la  centralisa]on  à  la  
distribu]on  et  de  la  distribu]on  
       à  la  centralisa]on  …
SDN:  So•ware  Defined  Networking?

               Streaming	
  sur	
  Internet	
     64	
  
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