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Peer-assisted video-on-demand [Elektronische Ressource] : cost reduction and performance enhancement for users, overlay providers, and network operators / von Konstantin Pussep

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PEER-ASSISTEDVIDEO-ON-DEMAND:COSTREDUCTIONANDPERFORMANCEENHANCEMENTFORUSERS,OVERLAYPROVIDERS,ANDNETWORKOPERATORSVom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnikder Technischen Universität Darmstadtzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)in englischer Sprache genehmigte Dissertationvondipl.-inform. konstantin pussepGeboren in Nowosibirsk, RusslandVorsitz: Prof. Dr.-Ing. Gerd BalzerReferent: Prof. Dr.-Ing. Ralf SteinmetzKorreferent: Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-GiaTag der Einreichung: 29. November 2010Tag der Disputation: 11. Februar 2011Hochschulkennziffer D17Darmstadt 2011Dieses Dokument wird bereitgestellt von This document is provided bytuprints, E-Publishing-Service, Technischen Universität Darmstadt.http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.detuprints@ulb.tu-darBitte zitieren Sie dieses Dokument als: Please cite this document as:URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24981URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2498Die Veröffentlichung steht unter folgender Creative Commons Lizenz:Namensnennung – Keine kommerzielle Nutzung – Keine Bearbeitung 3.0 DeutschlandThis publication is licensed under the following Creative Commons License:Attribution – Noncommercial – No Derivs 3.0http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/eativ3.0/ABSTRACTPeer-assisted content delivery is an attractive way to distribute video content throughthe Internet at low costs.

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Published 01 January 2011
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Language English
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PEER-ASSISTEDVIDEO-ON-DEMAND:
COSTREDUCTIONANDPERFORMANCEENHANCEMENT
FORUSERS,OVERLAYPROVIDERS,ANDNETWORKOPERATORS
Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Darmstadt
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
in englischer Sprache genehmigte Dissertation
von
dipl.-inform. konstantin pussep
Geboren in Nowosibirsk, Russland
Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. Gerd Balzer
Referent: Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Phuoc Tran-Gia
Tag der Einreichung: 29. November 2010
Tag der Disputation: 11. Februar 2011
Hochschulkennziffer D17
Darmstadt 2011Dieses Dokument wird bereitgestellt von This document is provided by
tuprints, E-Publishing-Service, Technischen Universität Darmstadt.
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de
tuprints@ulb.tu-dar
Bitte zitieren Sie dieses Dokument als: Please cite this document as:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24981
URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2498
Die Veröffentlichung steht unter folgender Creative Commons Lizenz:
Namensnennung – Keine kommerzielle Nutzung – Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland
This publication is licensed under the following Creative Commons License:
Attribution – Noncommercial – No Derivs 3.0
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/eativ3.0/ABSTRACT
Peer-assisted content delivery is an attractive way to distribute video content through
the Internet at low costs. This approach combines the scalability of the peer-to-peer
paradigm, in which users contribute their resources, and the service level guarantees
of server-based systems. Thus, peer-assistance enables a content provider to reduce
its server hosting costs, which is crucial in a commercial scenario. However, to be
successful, such systems must take into account the interests of all three stakeholders
involved: (1) users that demand high streaming quality with low fees and limited
resource contribution, (2) content providers that aim to decrease server hosting costs,
and (3) network operators that aim to avoid inefficient use of their infrastructure due to
the network-oblivious behavior of peer-assisted overlays.
In this thesis, we address these requirements and develop adaptive mechanisms
to achieve a benefit for all three stakeholders, resulting in the so-called triple-win
situation. Our main scenario is video-on-demand streaming, in which users can re-
quest pre-stored video content at any time and watch the video while downloading
it. Thereby, video-on-demand streaming imposes stricter requirements compared to
other systems that utilize peer resources, such as BitTorrent-like file sharing. Ideally,
the video playback should start within few seconds and there should be no playback
stalling.
First, we focus on dedicated servers or caches that are essential resources in peer-
assistedstreamingsystems.Theirprovisionisnecessarytoguaranteeasatisfyingqual-
ity of experience to consumers, yet they cause significant and largely avoidable costs
forthecontentprovider,whichcanbeminimized.Thehighdynamicsofuncontrolled
peers, however, result in unpredictable changes of the resource demand. Since peers
additionallyofferservicestootherpeers,thesupplyofresourcesisalsodynamic.This
behaviormakesthemanagementofpeer-assistedsystemsandtheproperallocationof
resources challenging. This thesis proposes adaptive allocation policies, a new approach
to address this issue. The policies estimate the capacity situation and service demand
of the system to adaptively optimize allocated resources. Extensive simulations, veri-
fied by testbed measurements, prove the efficiency of our approach, which achieves a
more competitive performance than well-dimensioned static systems.
In the next step, we examine content delivery overlays from the network operators’
perspective,sincesuchoverlaysareresponsibleforalargeamountofconsumertraffic,
including the costly inter-domain traffic. The existing approaches often fail to satisfy
therequirementsofallinvolvedstakeholders.Weproposeanovelincentive-basedtraffic
management mechanism where a network operator offers additional free resources to
selected users. The mechanism assigns resources to users that behave compliant with
the network and overlay policies. Our evaluation shows that this approach satisfies
the requirements of network operators and overlay participants (provider and users).
To this end, the proposed mechanism is able to reduce the inter-domain traffic while
improvingtheoverlayperformance.Wealsoshowthatevenasinglenetworkoperator
can successfully apply the proposed mechanism.
Finally, we consider the availability of peer resources in peer-assisted content distri-
bution. Besides contributing upload bandwidth, it is important that peers stay online
after finishing their downloads to serve new download requests. The longer a peer
stays online the more it can help to offload the servers. However, too extensive online
timeoftenresultsinhighenergyconsumptionpaidbyuserswithoutanadequateben-
efit to the system. In upcoming decentralized architectures based on set-top boxes that
act as tiny servers, their energy can even dominate distribution costs.
Therefore, we propose advanced standby policies that reduce the energy consumptionof set-top boxes while still offloading servers significantly. We evaluate the standby
polices in a lifelike scenario. The results show that a near-optimal behavior can be
realized by utilizing common features of set-top boxes such as the wake-up timer. We
further extend a standby policy with network awareness to address the needs of net-
work operators. In this regard, the resulting policy takes into account the interests of
all three stakeholders: users, content providers, and network operators.KURZFASSUNG
Peer-unterstützte Inhaltsverteilsysteme sind eine vielversprechende Alternative, um
Videoinhalte über das Internet auszuliefern. Dieser Ansatz kombiniert die Skalierbar-
keit und Kosteneffizienz des Peer-to-Peer (P2P)-Paradigmas, wobei Nutzer ihre Res-
sourcen dem System zur Verfügung stellen, mit den Dienstgütegarantien der Client-
Server-Systeme. Insbesondere in kommerziellen Szenarien führt dies zu entscheiden-
den Vorteilen. Zum einen können durch die Server die Qualitätsanforderungen der
Nutzer befriedigt werden. Zum anderen können durch die Verwendung der Nut-
zerressourcen die Serverkosten für den Inhaltsanbieter reduziert werden.
Für den Erfolg eines Peer-unterstützten Systems müssen allerdings die Interessen
vonallendreiinvolviertenParteienbeachtetwerden:(1)NutzererwartenhoheWieder-
gabequalität bei geringen Kosten (Downloadgebühren und beigetragene Ressourcen);
(2) Inhaltsanbieter wollen ihre Distributionskosten gering halten und gleichzeitig viele
Nutzerunterstützen;(3)NetzbetreiberbefürchtenübermäßigeBelastungihrerNetzwer-
kinfrastruktur wegen der hohen Bandbreitenanforderungen und der häufigen Miss-
achtung der Netzwerktopologie bei Videoverteilung.
Diese Dissertation adressiert diese Anforderungen und entwickelt adaptive Mecha-
nismen mit dem Ziel, eine zufriedenstellende Situation für die beteiligten Parteien zu
erreichen.DasHauptszenarioistdabeidassogenannteVideo-on-Demand-Streaming,bei
dem Nutzer jederzeit digitale Videoinhalte über das Internet herunterladen und wäh-
renddessen wiedergeben können. Dabei werden die speziellen Anforderungen des
Video-on-Demand berücksichtigt, denn Videowiedergabe sollte nach nur nach weni-
gen Sekunden starten und möglichst ohne Unterbrechungen wiedergegeben werden.
Als erstes untersucht diese Dissertation wie dedizierte Server (oder Caches im All-
gemeinen) effizient eingesetzt werden können, um die Streaming-spezifische Dienst-
gütezugarantieren.WegenderdamitverbundenenKostenfürBereitstellungundDa-
tenauslieferung muss der Ressourcenverbrauch der Inhaltsanbieter und Nutzer mini-
miert werden. Dies wird insbesondere durch das dynamische und oft unvorhersehba-
re Verhalten der Nutzer zur Herausforderung, da die Nutzer nicht nur als Abnehmer
sondern auch als Anbieter von Daten agieren. Die daraus resultierenden Nachfrage-
und Angebotsschwankungen für einzelne Videos (und Videoteile) erschweren eine
effiziente Bereitstellung der Ressourcen verglichen mit einem reinen Client-Server-
System. Als Lösung werden in dieser Arbeit adaptive Bereitstellungsmechanismen vorge-
stellt, welche die verfügbaren Server (oder Caches) effizient einsetzen, um Nachfrage
und Angebot im System im Gleichgewicht zu halten. Die Qualität der entwickelten
Mechanismen wird mittels ausführlicher Simulationen bewertet und durch Messun-
gen in einem Testbed verifiziert. Dabei zeigt es sich, dass die vorgeschlagenen Mecha-
nismen, im Vergleich zu gut-dimensionierten statischen Systemen, die erforderliche
Dienstgüte bei niedrigeren Kosten erreichen.
Im nächsten Schritt werden die Auswirkungen der Inhaltsverteilsysteme auf die
Netzbetreiberbetrachtet.DerGrunddafürist,dassVideoinhaltedenimmergrößeren
Anteil des Datenverkehrs im Internet ausmachen und eine entsprechend hohe Last
auf der Netzwerkinfrastruktur verursachen. Dabei sorgt insbesondere der Datenver-
kehr zwischen den Domänen der einzelnen Netzbetreiber für hohe Kosten. Ansätze
zur Reduzierung dieses Inter-Domain-Verkehrs sind deswegen ein aktueller Gegen-
stand der Forschung. Dabei erweist es sich als schwierig, gleichzeitig den Interessen
derNutzerundNetzbetreibergerechtzuwerden,davieleLösungenzwardenDaten-
verkehr reduzieren, aber auch zu einer Verschlechterung der Dienstgüte für Nutzer
führenkönnen.ImGegensatzdazuwirdindieserArbeiteinneuartiger anreizbasierter
Mechanismus entwickelt, um beide Seiten zufrieden zu stellen. Dabei bietet ein Netz-betreiber den Nutzern Anreize in Form von freier zusätzlicher Bandbreite an, um ein
kooperatives Verhalten zu belohnen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Sys-
tems zu erhöhen. Mittels Simulationen wird gezeigt wie ein intelligenter Einsatz von
begrenzter zusätzlicher Bandbreite den Anforderungen der Inhaltsanbieter, Nutzer
und Netzbetreiber gerecht werden kann. Der teure domänenübergreifende Datenver-
kehr kann erheblich reduziert und die Server der Inhaltsanbieter zusätzlich entlastet
werden. Dieser Effekt tritt sogar ein, wenn der Mechanismus nur von einzelnen Netz-
betreibern eingesetzt wird.
Zuletzt werden die Peer-unterstützten Inhaltsverteilsysteme aus der Sicht der Nut-
zer betrachtet, wobei neben der Internetverbindung (und der dadurch übertragenen
DatenanandereNutzer)insbesonderedieOnlinezeitenvonBedeutungsind.Längere
OnlinezeitenderNutzerkönnenfüreinebessereVerfügbarkeitderInhalteimSystem
sorgen, wodurch die Server stärker entlastet werden. Allerdings führt dies auch zu
niedriger Auslastung der Endgeräte der Nutzer und kann erhebliche (aber vermeid-
bare) Kosten für die Nutzer verursachen. Dieses Problem wird besonders deutlich
beim Einsatz der sogenannten Set-Top-Boxen, wie zum Beispiel Digitalreceivern, Vi-
deorekordern und Spielkonsolen. Internetfähige Set-Top-Boxen werden bereits einge-
setzt, um Videoinhalte von Servern zu beziehen, sollen aber zunehmend auch Inhalte
bereitstellen können. Dabei wird oft von ständiger Verfügbarkeit solcher Geräte aus-
gegangen, was durch geringe Auslastung zu unnötig hohen Energiekosten führen
kann. Um Energiekosten einzusparen ohne systemweite Leistungseinbrüche zu erlei-
den, werden in dieser Arbeit geeignete Standby-Strategien für Set-Top-Boxen vorge-
schlagen. Die Leistungsfähigkeit dieser Strategien wird evaluiert und es wird gezeigt,
dass hierdurch erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können. Es werden
auch die Auswirkungen auf die Netzbetreiber berücksichtigt und eine Erweiterung
entwickelt, um die Verfügbarkeit der Inhalte innerhalb einzelner Netzwerkdomänen
zu gewährleisten. Dadurch werden die Anforderungen aller drei Parteien berücksich-
tigt.Quality means doing it right when no one is looking.
— Henry Ford
ACKNOWLEDGMENTS
Writing a thesis is a complex and challenging task that requires a considerable effort
from the author but also, at least as important, invaluable support from many other
people.
Firstofall,IwouldliketothankProf.RalfSteinmetzforofferingmeanopportunity
towritethisthesisunderhissupervision.Iwouldalsoliketothankmyco-supervisor
Prof. Phuoc Tran-Gia for his feedback, especially while finishing my work.
My special thanks go to my colleagues from the Peer-to-Peer Group with whom I
have had many interesting and fruitful discussions and who have provided valuable
feedbackonthisthesis.Inparticular,IamverygratefultoSebastianKauneandOsama
Abboud for the collaboration on research projects and publications.
Furthermore, my thanks go to my colleagues from the Multimedia Communica-
tions Lab at the Technische Universität Darmstadt and to the many partners from the
SmoothIT project for the successful collaboration and support in various tasks.
Iwouldalsoliketothankmystudents,especiallySebastian,Christian,Florian,and
Markus. Your excellent work, valuable feedback, and critical questions helped me a
lot in my projects.
Finally, I would like to express a large gratitude to my parents, Frieda and Alexan-
der, my wife Ina, and my son Henry for their support and thoughtfulness.
Darmstadt 2011
viiCONTENTS
1introduction 1
1.1 Challenges 3
1.2 Goals 4
1.3 Outline 4
2background 7
2.1 Delivery Architectures 7
2.2 Peer-to-Peer Streaming 8
2.2.1 Methods 9
2.2.2 Topologies 10
2.2.3 Give-to-Get Protocol 11
2.3 Network Operators 12
2.3.1 Domains and Interconnections 12
2.3.2 Coexistence with Overlay Networks 14
2.4 Set-top Boxes 14
2.4.1 Deployment Alternatives 15
2.4.2 Open Issues 16
2.5 Summary 16
3scenario 17
3.1 Architecture 17
3.2 Assumptions 18
3.2.1 Costly Server Traffic 18
3.2.2 Streaming Quality 19
3.2.3 Incentives for User Contribution 19
3.2.4 Bandwidth Bottleneck 19
3.2.5 Costly Inter-Domain Traffic 20
3.3 Problem Statement 20
3.4 Selected Components 21
3.4.1 Streaming Protocol 21
3.4.2 Server Utilization 21
3.4.3 Content and Peer Search 22
3.4.4 Peer Selection 22
3.4.5 Caching Strategy 23
3.5 Summary 24
4adaptivealocationofper- and server resources 25
4.1 Motivation 25
4.2 Related Work 25
4.2.1 Allocation of Servers and Peers 26
4.2.2 Other Approaches 27
4.3 Analytical Model 28
4.3.1 Homogeneous Upload Resources 29
4.3.2 Heterogeneousces 29
4.4 Cache Allocation Policies 31
4.4.1 Global Speed Policy 32
4.4.2 Supporter Policy 35
4.4.3 Support for Heterogeneous Caches 38
4.5 Evaluation Methodology 39
4.5.1 Workload 39
ixx contents
4.5.2 Metrics 41
4.6 Evaluation Results 41
4.6.1 Comparison of Static and Adaptive Policies 42
4.6.2 Scalability of the Supporter Policy 43
4.6.3 Diurnal Effects 45
4.6.4 Impact of Heterogeneous Caches 47
4.7 Verification in a Testbed 49
4.7.1 Implementation in a Prototype 49
4.7.2 Comparison with Simulation Results 51
4.8 Summary 52
5incentive-based management of overlay traffic 55
5.1 Motivation 55
5.2 Related Work 55
5.2.1 Traffic Shaping 56
5.2.2 Network Caches 56
5.2.3 Locality-aware Overlays 57
5.3 Requirement Analysis 57
5.4 Approach Overview 60
5.4.1 Incentives 60
5.5 Details 62
5.5.1 Monitoring Peers’ Behavior 63
5.5.2 Selection Strategy 64
5.5.3 Changing User Access Profiles 67
5.5.4 Bandwidth Dimensioning 68
5.6 Evaluation Methodology 70
5.6.1 Workload 70
5.6.2 Metrics 74
5.7 Evaluation Results 74
5.7.1 Basic Impact and Selection Metrics 75
5.7.2 Incentives for Locality Awareness 77
5.7.3 Early Adopter 79
5.8 Summary 81
6energy-aware utilization of set-top boxes 83
6.1 Motivation 83
6.2 Related Work 83
6.3 System Model 85
6.4 Online Time Management 86
6.5 Adaptive Standby Policies 88
6.5.1 Wake-on-Demand Policy 89
6.5.2 Supply-aware Recently Used Policy 91
6.5.3 Reporting Overhead 94
6.5.4 Locality-aware Extension 95
6.6 Evaluation Methodology 95
6.6.1 Workload 96
6.6.2 Power Consumption Model 98
6.6.3 Metrics 98
6.7 Evaluation Results 99
6.7.1 Comparison of Standby Policies 100
6.7.2 Energy Consumption vs. Device Profile 101
6.7.3 Analysis of the Supply-aware Recently Used Policy 101
6.7.4 Locality Awareness and Standby Policy 103
6.8 Summary 105