[論文レビュー] Transcoder Migration For Real Time Video Streaming Systems

Paul Farrow, Martin J. Reed+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2015

Video Coding and Compression Technologies参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、OpenFlow対応ネットワークを用いたリアルタイムの4K超高精細動画ストリーミングのための動的トランスコーダ移行システムを提案する。最適なトランスコーダ配置を求めるヒューリスティックアルゴリズムとOpenFlowを活用した移行を組み合わせることで、ストリーミング中でもほぼシームレスなトランスコーダの再配置が可能となり、クライント側の中断を1秒未塔に抑え、動的なネットワーク環境下でもQoSを著しく向上する。

ABSTRACT

The increase in real time ultra-high definition video services presents a challenging issue to current network infrastructures, because of its high bandwidth usage, which saturate network links. The required bandwidth is related to strict QoS requirements for digital media. There are systems in place currently to help reduce these problems, such as transcoders and application layer multicasting. However, these approaches are limited because they are usually implemented as static resources. In contrast, by using the OpenFlow based system presented in this paper, it is possible to provide a more effective approach using dynamic resources - by both optimally placing transcoders in the network, as well as by migrating them to different locations while the streaming is taking place. This migration mechanism provides a near seamless switchover with minimal interruption to the clients.

研究の動機と目的

• 制限されたネットワークリンク上でのリアルタイム4K動画ストリーミングにおける高い帯域幅消費の課題に対処すること。
• 静的トランスコーダおよびマルチキャストシステムの制限を克服し、トランスコーダの動的でオンデマンドの配置と移行を可能にすること。
• OpenFlowを用いたトラフィックリダイレクトにより、トランスコーダ移行中のクライント側の中断を最小限に抑えること。
• クライントの分布と負荷に基づいて適応的にトランスコーダを配置することで、ネットワークリソースの効率的利用を最適化すること。
• 国境を越える4Kストリーミング環境下で、OpenFlow支援移行の性能を標準移行手法と比較して評価すること。

提案手法

• トランスコーダ配置を最適化するためのヒューリスティックアルゴリズムを用い、ネットワーク全体の負荷を最小限に抑えつつQoSを維持する。
• OpenFlow対応スイッチを用いて、フローテーブルの変更により、トランスコーダ移行中にトラフィックを動的にリダイレクトする。
• クラウドデータセンター内の仮想マシンを活用することで、柔軟でスケーラブルなトランスコーディングリソースを実現する。
• 制御ソフトウェアレイヤーがOpenFlowのFlowModメッセージを発行することで、スイッチの転送ルールを更新し、トラフィック移行を管理する。
• トランスコーダとアプリケーション層マルチキャストを統合し、不要なトラフィックを削減し、帯域幅効率を向上させる。
• 国境を越える4K動画ストリーミングを用いた移行プロセスのテストを行い、パケット遅延およびクライントの中断をリアルタイムで監視する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クライントの分布の変化に応じて、ネットワーク負荷を低減するための動的トランスコーダ配置最適化の方法は何か？
• RQ2 OpenFlow支援移行が、トランスコーダ移行中のクライント側の動画中断に与える影響は何か？
• RQ3 遅延およびストリーム継続性の観点から、OpenFlow支援移行の性能は標準移行手法と比べてどの程度優れているか？
• RQ4 動的トランスコーダ移行は、リアルタイム4Kストリーミングにおいて、QoSおよび帯域幅効率をどの程度向上できるか？
• RQ5 継続中のストリーミングセッション中にトランスコーダの場所を再構成しても、システムは高いパフォーマンスを維持できるか？

主な発見

• OpenFlow支援移行により、クライント側の中断が1秒未塔の遅延に抑えられ、動画再生への可視的影響は最小限に抑えられた。
• 標準移行手法では、ストリーム再確立に時間がかかることで、顕著な遅延と動画アーチファクト（凍結やフレーム損失）が発生した。
• ヒューリスティックアルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムと同等のトランスコーダ配置結果を得たが、時間ははるかに短く、ストリーミング中における頻繁な再最適化を可能にした。
• トランスコーダをアプリケーション層マルチキャストポイントとして利用することで、特に長距離リンクにおいて全体のネットワークトラフィックが顕著に削減された。
• 95%信頼区間を用いた分析により、OpenFlow支援移行時における遅延スパイクはほとんど認められ、ほぼシームレスな移行が実現した。
• 制御ソフトウェアは、OpenFlowスイッチ across でフローテーブルの更新を正常に管理し、移行中における正確かつ低遅延なトラフィックリダイレクトを実現した。