Congestion-aware quality-adaptive streaming of scalable video

Robert Kuschnig
2012 ACM SIGMultimedia Records  
viii Kurzfassung Während das Internet anfangs hauptsächlich für die Verbreitung von Informationen genutzt wurde, konnten mit der flächendeckenden Einführung von Breitband-Internet-Anschlüssen auch neue Geschäftsfelder erschlossen werden. Eine dieser neuen Anwendungen ist Internet-Video-Streaming. Doch dieÜbertragung großer Datenmengenüber das Internet ist nicht unproblematisch, da es im Internet keine Möglichkeiten zur Sicherstellung von Dienstgüte gibt. Die daraus resultierenden Probleme sind
more » ... roße Schwankungen in der verfügbaren Bandbreite und der Paketlatenz, Paketverlust undÜberlastung des Netzwerkes. Diese Rahmenbedingungen erschweren einen reibungslosen Videokonsum und machen Internet-Video-Streaming zu einem sehr interessanten Forschungsgebiet. Das Transmission Control Protocol (TCP) ist das Standardprotokoll im Internet für zuverlässige Datenübertragung mitÜberlaststeuerung. Im Besonderen wurde das Design von TCP auf die Bedürfnisse der zuverlässigen Datenübertragung im Internet abgestimmt. Dieser Umstand verlieh TCP-basiertem Internet-Video-Streaming Auftrieb. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf TCP-basiertes Video-Streaming für das Internet. Das Ziel ist es, Video-Streaming inüberlasteten und fehlerbehafteten Netzwerken zu verbessern. Die Arbeit umfasst sechs wissenschaftliche Beiträge, welche im Folgenden näher erläutert werden. (1) Drei adaptive Streaming-Verfahren basierend auf TCP wurden evaluiert, um die Leistungsfähigkeit von TCP-basiertem Streaming unter diversen Netzwerkbedingungen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Evaluierung dienen als Referenz für weitere Untersuchungen. (2) Untersuchungüber den Einfluss von Paketverlust auf die Leistungsfähigkeit von TCP-basiertem Video-Streaming. (3) Ein neues Video-Streaming-Verfahren basierend auf dem Anfrage-Antwort-Prinzip wurde entworfen, um die Einschränkungen von TCP-Streaming zu umgehen (die Leistungsfähigkeit von TCP-Streaming verschlechtert sich rapide mit steigendem Paketverlust). Die Neuerung dieses HTTP-basierten Verfahrens ist, dass die Fairness gegenüber TCP akzeptabel bleibt, obwohl gleichzeitig mehrere Datenströme für dieÜbertragung verwendet werden. (4) Ein Modell des HTTPbasierten Anfrage-Antwort Streaming-Verfahrens wurde entwickelt, welches die Leistungsfähigkeit des Verfahrens für unterschiedliche Systemparameter und Netzwerkbedingungen beschreibt. (5) Um die Gültigkeit des Modells zu bestätigen, wurde die Leistungsfähigkeit des Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahrens unter diversen Netzwerkbedingungen evaluiert. Zusätzlich wurde die Fairness gegenüber TCP gemessen. Die Systemparameter des Streaming-Verfahrens können so konfiguriert werden, dass Fairness gegenüber TCP gewährleistet werden kann. (6) Ein mobiles Video-Streaming Szenario mit großen Bandbreitenschwankungen und RTTs wurde genutzt, um die Leistungsfähigkeit des HTTP-basierten Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahrens unter schwierigen Netzwerkbedingungen zu ermitteln. Das Verfahren nutzt die verfügbare Bandbreite effizient und kann die Anzahl der Qualitätsänderungen gering halten. Das HTTP-basierte Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahren vereint die gesamte Streaming-Logik im Streaming-Client und schafft es dadurch, die Komplexität des Streaming-Verfahrens zu minimieren. Zusätzlich kann aufÄnderungen der Netzwerkbedingungen schneller reagiert werden, da der Regelkreis nicht das Netzwerk involviert. Ein weiterer Vorteil von HTTP-basierten Ansätzen ist die Möglichkeit, auf vorhandene Infrastruktur (wie z.B. HTTP-Server oder -Proxies) zurückzugreifen, um damit die Einsatzkosten zu verringern oder die Skalierbarkeit zu verbessern. ix x Abstract Internet video streaming is a hot topic in multimedia systems. A large variety of devices (computers, mobile phones, TVs, etc.) are connected to the Internet via wired or wireless networks and are capable of receiving and decoding HD video content. To enable new services like HD video streaming (e.g., online video rental), the Internet's infrastructure was enhanced. But the Internet is still a best-effort network, which does not implement quality-of-service or admission control, resulting in time-varying bandwidth and packet delay, packet loss and network congestion. Because video streaming accounts for a considerable amount of the Internet's traffic, video streaming needs additionally to be congestion-aware, to avoid a congestion collapse of the Internet. The Transmission Control Protocol (TCP) can adapt to changing network conditions and is currently the de facto standard protocol for congestion-aware and reliable data transmission in the Internet. This fact gave TCP-based video streaming a huge momentum. Consequently, this thesis investigates TCP-based adaptive video streaming for the Internet. The main goal is to provide a solution for congestion-aware video streaming, while still being able to achieve a reasonable performance in error-prone networks. To complement existing work on congestion-aware adaptive streaming, this thesis makes six contributions. (1) The baseline performance of TCP-based adaptive streaming is identified by means of an evaluation of different adaptive streaming approaches. The results represent a reference for further investigations. (2) An investigation on the influence of TCP's behavior in presence of packet loss on the video streaming performance. (3) To overcome the shortcomings of TCP-based video streaming (single TCP connections fail to deliver a good performance in case of packet loss), a new ap- proach to video streaming based on multiple request-response streams was introduced. The novelty of this system is that it is able to make use of multiple HTTP-based request-response streams while still providing TCP-friendliness. (4) A performance model of the HTTP-based request-response streams was developed, to estimate the influence of the system parameters and the network characteristics on the throughput performance. (5) A comprehensive evaluation of the HTTP-based request-response streams under diverse network conditions was conducted, to validate the model's estimations. Additionally, the TCP-friendliness was evaluated, showing that request-response streaming systems can be configured to achieve TCP-friendliness. (6) A cellular network with high bandwidth fluctuations and RTTs was used to investigate the performance of the request-response streaming system in a mobile video streaming scenario. The results indicate that the streaming system can make good use of the available bandwidth, while the number of quality switches is kept low. While aggregating multiple TCP connections to improve the TCP streaming performance is quite common, usually the improvement comes at the cost of high deployment effort. By placing the streaming logic at the client, request-response streams can avoid this complexity. Additionally, this client-driven approach responds faster to changing network conditions and enables easy recovery from connection stalls or aborts, because the control loop is at the client. To improve the network efficiency and the scalability in terms of number of clients served, HTTP-based request-response streams can utilize HTTP proxies and caches.
doi:10.1145/2452556.2452566 fatcat:cukoumigdnf75a5o4ptkowyvya