Speaker: Shao-Ci Jheng Advisor: Dr. Ho-Ting Wu 2015/06/03

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1 Speaker: Shao-Ci Jheng Advisor: Dr. Ho-Ting Wu 2015/06/03
支援可適性視訊編碼之 混合式網路的設計與分析 Design and Analysis of CDN+P2P Hybrid Networks for Scalable Video Coding Speaker: Shao-Ci Jheng Advisor: Dr. Ho-Ting Wu 2015/06/03

2 Outline 相關背景介紹 系統架構 網路運作模式 系統機制 參考文獻 SVC CDN P2P CDN+P2P hybrid
CDN only Akamai LiveSky Landmark-based 自訂義 系統機制 內容更新機制 內容新增 內容移除 動態頻寬調整機制 新增連線 頻寬調降 頻寬提升 參考文獻 秘訣：在這裡新增演講者備忘稿。

3 相關背景介紹 – SVC 可適性視訊編碼(Scalable Video Coding，簡稱SVC)
傳統H.264/MPEG-4 AVC編碼的延伸 以階層為概念，將影片編碼為一個基礎層與(Base layer)與單或多個增強層(enhancement layer) Enhancement Layer 2 可適性視訊編碼，簡稱為svc 是傳統H.264/MPEG-4 AVC編碼的延伸 如下圖所示，將影片切割成基礎層與單或多個增強層，藉由影片切割後的分層 來提供使用者不同的影片品質 要注意的是，使用者在觀看影片時，必須要取得基礎處層，福澤影片就無法順利播放 而要觀看增強2的品質的影片時，必須要取得基礎層與兩個增強層的內容 而若是僅拿到基礎層與增強層2的話，使用者仍只能觀看基礎層的影片 Base Layer Enhancement Layer 1 Base Layer

4 相關背景介紹 – SVC(Cont.) 時間可適性 Temporal Scalability (Frame Rate) 空間可適性
Spatial Scalability (Resolution) 影片切割分層的方式可以分為以下三種可適性。 首先是時間可適性，以frame rate最低的影片當成基礎層，增強層則更高的frame rate 再來是空間可是性，由解析度來切割分層 最後是品質可適性，又可以稱為SNR可適性，主要是將影片使用量化係數做量化，重建可得基礎層，而重建後影像與原始影像比對後的差值為增強層 品質可適性 Quality Scalability (SNR)

5 相關背景介紹 – CDN 內容傳遞網路 Content Delivery Network，簡稱CDN
分散式的主從式(Client-Server)架構 伺服器分類： 原始伺服器(Origin Server) 管理伺服器(Manager Server) 代理伺服器(Surrogate Server) 使用者向系統發出要求，系統中的管理伺服器會 將要求導向離使用者最近的代理伺服器，由此伺 服器回應並服務使用者 伺服器分類： 原始伺服器(Origin Server) – 擁有所有內容(Content)正本，是其他代理伺服器中內容的來源 管理伺服器(Manager Server) – 則管理系統與監控連線，並不參與內容的傳送 代理伺服器(Surrogate Server) – 擁有系統所提供的內容的副本，是實際服務使用者的節點 運作的方式為 使用者向系統發出要求，系統中的管理伺服器會將要求導向離使用者最近的代理伺服器，由此伺服器回應並服務使用者

6 相關背景介紹 – CDN(Cont.) 優點 下載時間較低 易於監控與管理 來源可信度高 缺點 建置成本高 維護成本高 擴充成本高
架構如圖所示，代理伺服器分散在各地，由距離使用者最近的代理伺服器服務使用者 CDN的架構有它的優點與缺點，像是表格中所述 優點 下載時間較低 易於監控與管理 來源可信度高 缺點 建置成本高 維護成本高 擴充成本高

7 相關背景介紹 – P2P 同儕式網路 Peer-to-Peer，簡稱P2P 節點稱為Peer 動態網路系統
可分為推式(Push-based)與拉式(Pull-based) 在最常見的Bit Torrent的P2P sharing結構中，另有 特化的Peer Leech Seeder Tracker 節點稱為Peer，身兼Client與Server雙重身分 組成的系統為動態的，會隨著Peer的加入與離開而變動 可分為推式(Push-based)與拉式(Pull-based) 推式 – 客戶端為被動接收，由來源端主動發送訊息，通常為樹狀結構，需求資料由父節點推向其子節點 拉式 – 客戶端主動向來源端要求，來源端回應並發送訊息，通常為網狀結構，客戶端直接與來源端連線下載需求資料 Leech(只下載內容而不上傳的Peer) Seeder(進行分享內容的Peer) Tracker(資源索引伺服器，提供資源清單)

8 相關背景介紹 – P2P(Cont.) 推式，常見為樹狀結構 拉式，常見為網狀結構 優點 建置成本低 易於維護 規模彈性 缺點
推式，當有節點新增與離開時，所建立的tree就會發生變動，故建置成本較高，但是當tree建立好之後，在不變動的情況下，傳輸所花費的成本很低，通常是來源端Peer發送資料給底下的子節點，接著這些節點再將資料往下廣播傳遞給底層，也就是這個P2P群組中所有人都可以收到來源端所發送的資料 拉式則是網狀架構，比起推式來說，建置的成本較低，網路變動的情況頻繁，而傳輸的成本較高，是目前主流的P2P網路架構，在一般情況之下，節點可在探索完所在的P2P群組後，直接搜尋到擁有所需要資源的Peer，直接發送要求至來源端，下載所需要的資料 推式，常見為樹狀結構 拉式，常見為網狀結構 優點 建置成本低 易於維護 規模彈性 缺點 資料來源不固定 不易管理 來源可信度低

9 相關背景介紹 – CDN+P2P hybrid PAC Peer-aided CDN的縮寫，以CDN為主，P2P為輔
首先介紹的是PAC，為P2P輔助CDN的模式，使用者下載內容主要仍是連線到代理伺服器，由P2P輔助，達到效能提升的目的

10 相關背景介紹 – CDN+P2P hybrid CAP，CDN-aided Peer 以P2P為主，CDN為輔
另一種為CAP，為CDN輔助P2P的模式，BT嚴格上來說就是這種模式，主要的資料傳遞在Peer之間進行，由CDN的server作為輔助，可能作為索引或是P2P群組的資料備援，提供有機率發生的資料不完整狀況，也可能是加速Peer探索群組找到來源目標，或是提供索引

11 系統架構 – 影片內容 使用支援SVC編碼技術之內容 固定解析度大小，使用時間可適性、品質可適性 切割影片，將影片切分為基礎層與增強層
固定解析度大小，使用時間可適性、品質可適性 切割影片，將影片切分為基礎層與增強層 Low Fps High Fps 04 14 24 34 44 03 13 23 33 43 02 12 22 32 42 01 11 21 31 41 00 10 20 30 40 High Quality 接著要介紹模擬系統的架構，首先是影片資料的格式，以此為背景，設計我們的傳輸影片資料 系統中，將影片切割成一個基礎層與其他24個增強層 首先是將影片以時間可適性切割成五個部分 再將五個部分依照品質可適性再切割成五個部分 每個內容的編號如圖，其中00為基礎層 另外由於模擬機制的需要，我們定義一個品質層為 00為基礎層 其餘為增強層 Low Quality

12 系統架構 – 內容擺放 系統初始化時，內容會被預先擺放至代理伺服器 內容擺放可以大致上分為兩種主要模式： Full-site
Partial-site Partial-site模式，細分： 管理者指定放置 指定內容副本數量放置 時間可適性基礎放置 品質可適性基礎放置 Full-site 原始伺服器中的所有內容全部複製到代理伺服器中 不考慮代理伺服器的容量大小 使用者需求的內容可以在最近的非忙碌中代理伺服器取得 Partial-site 原始伺服器中的內容僅部分被複製到代理伺服器中，並且代理伺服器中的資料內容不盡相同 代理伺服器有容量限制 使用者所需求的內容需要計算尋找擁有內容的最近非忙碌中代理伺服器 管理者指定放置，由管理人員指定每一台代理伺服器存放的副本內容 指定內容副本數量放置，管理者指定內容的副本數量 例如：內容副本數量設為5，則表示每個內容會被複製5次，平均放置至代理伺服器之 中 時間可適性基礎放置 所有的代理伺服器中皆有時間可適性基礎內容( )，其餘增強層擺放同 2. 品質可適性基礎放置 所有的代理伺服器中皆有品質可適性基礎內容( )，其餘增強層擺 放同 2.

13 系統架構 – 節點 原始伺服器－1台 管理伺服器－1台 代理伺服器－15台 使用者－可變動，最多250台 原始伺服器 擁有所有內容的正本
所有代理伺服器中的內容皆由此伺服器提供 管理伺服器 處理使用者要求，配對負責服務使用者的代理伺服器 部分的混合模式中，兼任管理P2P部分的來源配對 代理伺服器 擁有從原始伺服器複製的全部或部分內容 實際提供使用者影片來源的節點 部分的混合模式中，兼任管理P2P群組 使用者 發出影片需求的節點 混合模式中，可能為影片的來源

14 網路運作模式 – CDN only 3. 確認可取得的內容 1. 發出請求 2. 請求轉送 4. 配對伺服器 5. 發送連線要求
6. 傳送影片內容

15 網路運作模式 – CDN only 使用者發送請求 原始伺服器轉送請求至管理伺服器 管理伺服器查看網路狀態，選擇可提供給使用 者影片品質內容
管理伺服器查看網路狀態，選擇可提供給使用 者影片品質內容 將每個內容個別做配對 選擇擁有內容、頻寬足夠的伺服器清單 選擇RTT最小的為連線目標 平行傳送連線要求給每個代理伺服器 代理伺服器平行傳送影片內容給使用者

16 網路運作模式 – Akamai (CDN+P2P)
3. 確認可取得的內容 4. 配對伺服器或正在連線中的可當成Seeder的使用者 1. 發出請求 2. 請求轉送 5. 發送連線要求 6. 傳送影片內容

17 網路運作模式 – Akamai (CDN+P2P)
使用者發送請求 原始伺服器轉送請求至管理伺服器 管理伺服器查看網路狀態，選擇可提供給使用 者影片品質內容 將每個內容個別做配對 選擇擁有內容、頻寬足夠的伺服器與連線中使 用者清單 從清單中選取RTT最小的作為連線目標 平行傳送請求給代理伺服器或是Seeder 平行傳送影片內容給使用者

18 網路運作模式 – LiveSky (CDN+P2P)
3. 確認可取得的內容 4. 配對伺服器 1. 發出請求 2. 請求轉送 5-1. 發送連線要求 5-2. 伺服器頻寬不足 選擇與此伺服器連線的Seeder 6. 傳送影片內容

19 網路運作模式 – LiveSky (CDN+P2P)
步驟 同前面敘述 將每個內容個別做配對 選擇擁有內容的RTT代理伺服器 確認代理伺服器頻寬 頻寬足夠則選為連線目標 頻寬不足則選取與此代理伺服器連線中、擁 有內容並且頻寬足夠的RTT使用者做為連線 目標 平行傳送請求給代理伺服器或是Seeder 平行傳送影片內容給使用者

20 網路運作模式–Landmark-based (CDN+P2P)
3. 確認可取得的內容 2. 請求轉送 4. 尋找RTT伺服器 1. 發出請求 5. 尋找擁有所有所需內容的群組 7. 傳送影片內容 6. 加入群組並配對連線

21 網路運作模式–Landmark-based (CDN+P2P)
步驟 同前面敘述 選擇RTT代理伺服器 每個伺服器可能加入許多群組，故 選擇擁有全部所需內容群組，並將使用者加 入 找不到群組則依照CDN only的步驟選取伺服 器，並將連線伺服器與使用者加入新群組 從群組中選擇擁有內容且頻寬足夠的RTT節點 為連線目標，節點可能為代理伺服器或Seeder 平行傳送請求給代理伺服器或是Seeder 平行傳送影片內容給使用者 ※群組中沒有任何使用者時會自動解散

22 網路運作模式 – 自訂義(CDN+P2P) 3. 確認可取得的內容 2. 請求轉送 1. 發出請求
6. 找不到則重複 步驟4.直到找完所有內容 4. 尋找有指定內容的RTT伺服器 7.傳送影片內容 5. 從群組中找下一個內容的配對

23 ※使用者可能加入許多群組，但是每個群組只會有一個代理伺服器
網路運作模式 – 自訂義(CDN+P2P) 步驟 同前面敘述 為每個內容個別做配對 選擁有指定內容的RTT代理伺服器群組，第一 輪為基礎內容00 選取有內容且頻寬足夠的RTT節點，當成連線 目標，使用者加入群組 從群組中尋找下一個指定內容的連線目標 若找不到則重複步驟 ①，直到所有內容配對 完畢 平行傳送請求給代理伺服器或是Seeder 平行傳送影片內容給使用者 ※使用者可能加入許多群組，但是每個群組只會有一個代理伺服器

24 系統機制 – 內容更新機制 內容新增

25 系統機制 – 內容更新機制(Cont.) 內容刪除

26 動態頻寬調整機制 – 新增連線

27 動態頻寬調整機制 – 釋放頻寬 N Y Y

28 動態頻寬調整機制 – 提升品質

29 參考資料 Lu, Zhihui, Ye Wang, and Yang Richard Yang. "An analysis and comparison of CDN-P2P- hybrid content delivery system and model.“,  journal of communications 7.3 ,pp 周韶芬著，「支援可適性視訊編碼之內容 傳遞網路的設計」，碩士論文，國立台北 科技大學資訊工程系碩士班，台北，2013

30 Thanks for listening.