Un Modello Ibrido del Sistema di Controllo dello Streaming Adattativo di Akamai

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1 Un Modello Ibrido del Sistema di Controllo dello Streaming Adattativo di Luca De Cicco, Giuseppe Cofano, Saverio Mascolo Politecnico di Bari, Via Orabona, 715 Bari, Italy Sommario Oggi il video streaming genera la maggior parte del volume di traffico su Internet. Il video streaming adattativo permette di adattare dinamicamente il bitrate del video per effettuare il tracking della banda disponibile, che su Internet non è garantita ed è tempo variante. L obiettivo del controllo è massimizzare il bitrate del video evitando le interruzioni di riproduzione causate dello svuotamento del playout buffer. In questo articolo consideriamo il sistema di controllo progettato da per controllare la qualità del video. A differenza dell approccio architetturale classico, che posiziona il controllore al lato client, impiega una architettura di controllo ibrida con componenti distiribuite al client e al server. In questo articolo proponiamo un automa ibrido del sistema di controllo in anello chiuso del video streaming di. Basandoci su tale lo, deriviamo le proprietà fondamentali del sistema che possono essere usate per tarare opportunamente i parametri del controllore. 1 Introduzione Il video streaming genera una frazione sempre crescente del traffico Internet [1]. Esempi di successo come YouTube, che distribuisce video generati dagli utenti, o NetFlix, che distribuisce film e serie TV, mostrano il livello di diffusione che il video streaming ha raggiunto oggi. Un importante innovazione in tale ambito è costituita dalla possibilità di adattare in tempo reale e dinamicamente il bitrate del video per effettuare il tracking della banda end-to-end disponibile. Se tale funzionalità è presente, il servizio si dice di video streaming adattativo. Gli algoritmi di controllo impiegati per implementare tale funzionalità hanno l obiettivo di massimizzare il bitrate del video evitando al contempo le interruzioni nella riproduzione del video che in tali sistemi sono causate dallo svuotamento del buffer nel player video. In questo articolo consideriamo il sistema di controllo proprietario impiegato da, che oggi è utilizzato in diverse piattaforme di distribuzione di video, come ad esempio Livestream. In [3] abbiamo mostrato che il sistema di controllo di impiega un interessante e originale architettura ibrida distribuita al client e al server. In questo articolo consideriamo il sistema di controllo di e deriviamo un lo matematico, in forma di un automa ibrido, del sistema in anello chiuso. Infine, analizzando il lo matematico proposto, siamo in grado di fornire alcune proprietà fondamentali del sistema che possono essere impiegate per la taratura dei parametri del controllore.

2 Luca De Cicco, Giuseppe Cofano, Saverio Mascolo Lo stream-switching Un generico sistema di video streaming permette ad un utente di riprodurre un video inviato da un server remoto attraverso una connessione Internet. Il player utilizza una coda, detta playout-buffer, al fine di assorbire la differenza tra il bitrate di encoding del video l (t) e la banda disponibile end-to-end b(t), che su Internet non è predicibile ed è tempo variante. Tuttavia, nel caso in cui la banda disponibile risulti minore del bitrate del video per un tempo sufficientemente lungo, il livello del buffer del player potrebbe diminuire fino al suo completo svuotamento. Quando ciò accade il player è posto in pausa per un intervallo temporale (tempo di buffering) che permette al buffer di raggiungere un livello sufficiente a far riprendere la riproduzione del video. Con i sistemi di video streaming adattativo il bitrate del video l (t) può essere impiegato come segnale di controllo per implementare un sistema di controllo in anello chiuso il cui scopo è massimizzare la qualità del video assicurando che il playout buffer non sia mai vuoto. Tra gli approcci proposti in letteratura per implementare il video streaming adattativo, lo stream-switching è certamente il più diffuso grazie alla sua semplicità di implementazione []. Dal video non compresso sono generate N versioni, i livelli video, a bitrate crescente l < l 1 < < l N 1 e dunque il segnale di controllo l (t) può assumere valori solo nell insieme dei livelli video = {l,..., l N 1 }. Inoltre è importante menzionare che ogni livello l i viene a sua volta suddiviso temporalmente in n segmenti di durata fissa. E possibile dimostrare che il livello l (t) del buffer del player può essere lato, impiegando un approccio fluid-flow, dalla seguente equazione differenziale: q(t) = r (t) d(t) (1) l (t) dove r (t) è il rate di invio del server, l (t) è il livello video calcolato dal controllore e d(t) è lo stato del player (1 se il player è attivo, se è in pausa). 3 Il lo ibrido del sistema di controllo di Il video è inviato al client da un server HTTP su una connessione TCP. Il comportamento tipico di una sessione di video streaming può essere sintetizzato come segue. All inizio, il client si trova nella fase di Buffering che è impiegata per riempire velocemente la coda finché una determinata soglia non è raggiunta. Subito dopo, viene attivato un comportamento di switching periodico tra due fasi: durante la fase Normal il sistema di controllo regola il rate inviato dal server per pilotare il playout buffer verso la lunghezza target q; durante la fase di Greedy il server invia ad un rate più alto per verificare e stimare la presenza di ulteriore banda disponibile. Durante lo switching periodico gli eventi seguenti possono verificarsi: 1) il sistema di controllo decide di aumentare (switch-up) o di diminuire il livello (switch-down); ) il playout buffer si svuota completamente. Il sistema di controllo è

3 Un Modello Ibrido del Sistema di Controllo dello Streaming Adattativo di 3 basato su due controllori, eseguiti entrambi al client: 1) lo stream-switching controller, che seleziona dinamicamente il livello video appropriato e ) il playout buffer level controller, il cui fine è evitare che il playout buffer si svuoti completamente. 3.1 Il controllore stream-switching Il controllore di stream-switching è event-based, nel senso che le sue azioni sono attivate quando particolari eventi si verificano. Il livello video selezionato l o pt (t) è dato da: l o pt (t) = argmax l l s. t. ˆb(t) > (1 + S f )l () dove S f > è un margine di sicurezza. q l 1 i d l + T ˆr b r i + f ( ) 1 Controllore Attuatore b Plant s q Figura 1: Il sistema di controllo del playout buffer 3. Il sistema di controllo del playout buffer La Figura 1 mostra il sistema di controllo che è composto da tre elementi: 1) il controllore, che calcola il segnale di controllo T (t) per pilotare il rate di invio del server ˆr (t); ) l attuatore, posto al server, che calcola ˆr (t) a seconda del segnale T (t) e del livello video corrente l i(t) ; 3) il plant, formato da un blocco di saturazione, che la la banda b(t) del link collo di bottiglia, e dal playout buffer la cui lunghezza è q(t). Il controllore calcola il segnale T (t) a seconda della fase corrente del sistema. Durante la fase di Buffering, al fine di riempire velocemente il playout buffer, il video è posto in pausa e T (t) è impostato ad un valore costante pari a T B > 1. Questa fase viene lasciata quando q(t) supera la soglia q h > q d. Quando il sistema esce dallo stato di Buffering, si instaura uno switching periodico tra gli stati Normal e Greedy. A tale scopo è impiegato un timer. Durante la fase Normal T (t) è calcolato per implementare un sistema di controllo ad anello chiuso che mira a pilotare q(t) al set-point q. A tale scopo T (t) è calcolato in funzione al valore dell errore e(t) = q q(t) come segue: T (t) = max q(t) q, T m. (3) Il valore minimo T m del segnale di controllo T (t) è necessario per evitare che il rate di invio sia nullo. La fase di Greedy è usata per fare in modo che il video saturi il link

4 Luca De Cicco, Giuseppe Cofano, Saverio Mascolo collo di bottiglia e sia possibile misurare la banda disponibile. Durante tale fase T (t) è fissato a T M >. Infine, il segnale di controllo T (t) è utilizzato dall attuatore per generare un rate pari a ˆr (t) = T (t)l (t). In realtà, poiché utilizza TCP come protocollo di trasporto per inviare il contenuto video, il rate di invio è controllato dall algoritmo di controllo di congestione del TCP, che genera traffico il cui rate insegue velocemente il valore della banda disponibile b(t). Poiché la dinamica del controllo di congestione del TCP è molto più veloce di quella del sistema di controllo di streaming, il rate ricevuto r (t) può essere lato come segue: ˆr (t) r (t) = b(t) ˆr (t) < b(t) altrimenti () che corrisponde al blocco di saturazione mostrato in Figura 1. La Figura mostra il lo ibrido ottenuto considerando i due sistemi di controllo e il lo del link. Switch-up Greedy ẋ = f 3 Full Channel Closed Loop Large Queue ẋ = f 1 ẋ = f ẋ = f Normal Switch-down Refilling Empty Queue ẋ = f 7 ẋ = f Figura : Il lo completo del sistema Buffering Proprietà e validazione del lo Proposition 1. Condizione sufficiente affinché la lunghezza del playout buffer q(t) sia limitata è che: τ τ 1 < 1 T m T M 1. (5) dove τ 1 è la durata della fase di Normal, τ è la durata della fase di Greedy, T m è il minimo segnale di controllo possibile durante la fase di Normal, T M è il valore del segnale di controllo durante la fase di Greedy. Remark 1. Dal punto di vista della rete di distribuzione video è importante evitare fenomeni di accumulo eccessivo al buffer che possono causare uno spreco delle

5 Un Modello Ibrido del Sistema di Controllo dello Streaming Adattativo di 5 risorse di rete, dovuto al fatto che in molti casi gli utenti arrestano il video molto prima della fine. Proposition. Si assuma che un ritardo di attuazione τ a si verifichi quando un evento di switch-down è triggerato e che B l, con B banda disponibile e l livello minimo a disposizione. Condizione sufficiente per evitare un evento di buffering quando un evento di switch-down da l i verso ogni altro livello avviene è che q d > (1 l /l i )τ a, dove q d è la soglia di attivazione dello switch-down. Remark. Il sistema reale è affetto da un ritardo di attuazione che si verifica quando gli eventi di switch-up/down sono attivati: il ritardo può causare fenomeni di buffering in alcuni casi [3]. Questa proprietà può essere utilizzata per tarare appropriatamente la soglia q d. 1 q(t) q(t) q T q T q d q d r(t) [Mbps] r(t) [Mbps] [Mbps] [Mbps] ˆb(t) l(t) ˆb(t) l(t) Figura 3: Lunghezza della coda (sinistra), rate di download (centro), livello video e banda stimata (destra) nel caso di un link la cui banda aumenta da kbps a kbps al tempo t = s Per concludere questa sezione validiamo il lo del sistema di streaming adattivo di, che è stato implementato attraverso il toolbox Matlab Hybrid Equations (HyEq) Toolbox []. La validazione è stata effettuata confrontando le dinamiche delle variabili fondamentali del lo proposto con le stesse ottenute dal sistema reale tramite esperimenti su Internet. Nell esperimento la banda in downlink è aumentata da kbps a kbps a t = s con lo scopo di provocare uno switch-up di livello video da l = 3kbps a l 3 = 5kbps. La Figura 3 mostra che il sistema simulato la accuratamente il sistema reale dopo il transitorio: a regime la coda oscilla nel range [7.8,9.6]s. Riferimenti bibliografici 1. Cisco. Cisco visual networking index:forecast and methodology L. De Cicco et al. Feedback control for adaptive live video streaming. In Proc. of ACM MMSys 11, pages , L. De Cicco and S. Mascolo. An adaptive video streaming control system: Modeling, validation, and performance evaluation. IEEE/ACM Transactions on Networking, ():56 539, April 1.. R. Sanfelice et al. A toolbox for simulation of hybrid systems in matlab/simulink: hybrid equations (hyeq) toolbox. In Proc. of HSCC 13, pages 11 16, 13.