Un architettura per lo streaming multimediale in ambiente distribuito

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1 tesi di laurea Anno Accademico 2012/2013 relatore Ch.mo prof. Simon Pietro Romano correlatori Ing. Tobia Castaldi candidato Alessandro Arrichiello Matr. M63/43

2 Contesto: o Content Distribution Networks (CDN) o Streaming live real-time Contributo: o Realizzazione di una architettura scalabile per la trasmissione di eventi live in streaming SOLEIL: Streaming of Large-scale Events over Internet clouds

3 Caratteristiche Numero elevato (milioni) di spettatori necessità dell impiego di tecniche di: bilanciamento del carico codifica scalabile Streaming live (in tempo reale e in differita) 3 milioni (CBS, NFL) 8 milioni (Youtube Live) 7 milioni (Youtube Live) 25 milioni (CNN in P2P)

4 Akamai Oltre server Presente in più di 80 paesi nel mondo Ottimizzato per la gestione del traffico Impiego di tecnologie proprietarie Servizi personalizzati per grandi aziende Justin.Tv 30 milioni di visitatori al mese 4 datacenter, 200 server Servizi dedicati al singolo utente

5 Requisiti Accesso da browser (no plugin) HTML5 Javascript WebRTC Bassa latenza Possibilità di impiego in infrastrutture cloud Raccolta e condivisione di statistiche sulla qualità dei flussi audio/video trasmessi Topologia ad albero Client sorgente: mittente Master node: gestore sessioni Relay node: nodi interni Leaf node: nodi terminali Utenti finali: spettatori F C E MASTERNODE A D G WEBSERVER CLIENT SORGENTE B CLIENT DESTINAZIONE

6 Implementazione Basato su Apache Tomcat Esteso per comunicare con i nodi Multipiattaforma Funzionalità Amministrazione della piattaforma MASTERNODE Interfaccia web Manager dei nodi Instradamento messaggi A B LIVELLO 1 o Lavoro di tesi parallelo Distribuzione dinamica Raccolta delle statistiche C D E F G H LIVELLO 2 Esportazione delle statistiche Geolocalizzazione dei nodi Gestione dei client web I L M N O P LIVELLO 3

7 Applicazione Java Libreria Gstreamer Framework per la manipolazione di flussi multimediali Sequenza di trasformazioni (pipeline) Multipiattaforma Funzionalità Inoltro flussi multimediali Real-time Transport Protocol (RTP) Possibilità di ricodifica in tempo reale Instradamento messaggi di controllo Protocollo Ad-Hoc (SOLEIL) basato su XML Raccolta statistiche Real-time Transport Control Protocol (RTCP) Intercettazione pacchetti ReceiverReport nella pipeline Creazione di statistiche aggregate Media pesata sul numero di discendenti per nodo Invio tramite protocollo SOLEIL Avvio Flussi Sorgente e destinazione via messaggi di controllo Scambio statistiche RTCP Statistiche Aggregate Propagate fino al masternode

8 Ricezione Intercettazione messaggi ReceiverReport Estrazione info e indici statistici Tempo di arrivo Nodo mittente ID flusso Jitter medio rilevato dal destinatario Indice cumulativo dei pacchetti persi Memorizzazione Database specifico Nome nodo ID flusso Tipologia statistiche

9 Calcolo Specifico per ID flusso Indipendente da tipo indice statistico Media pesata Numero discendenti Valori medi RTCP ricevuti Valori medi calcoli precedenti Elaborazione statistiche Ricezione messaggi Stats protocollo SOLEIL Estrazione info e indici statistici Media interarrival jitter Media pacchetti persi Memorizzazione Database specifico Ricezione Gestore Messaggi Gestore Statistiche Invio Calcolo Statistiche Memorizzazione Statistiche DATABASE

10 Caratteristiche Round Robin Nuovi elementi sovrascrivono i meno recenti Numero finito di elementi Memorizzazione valori ad intervalli prefissati Differenti tipologie di datastore definibili Gauge, Counter.. Funzioni matematiche integrate Average, Max, Min.. Implementazione Libreria Java open source: rrd4j Database differenti per tipo statistiche Valori acquisiti ogni 5-10 sec Finestra temporale di circa 10 minuti

11 MASTERNODE WEBSERVER Propagazione statistiche aggregate 1. Ricezione statistiche RTCP / XML 2. Memorizzazione locale 3. Calcolo statistiche aggregate 4. Invio al nodo padre della gerarchia C STATS STATS A STATS D STATS CLIENT SORGENTE B MASTERNODE WEBSERVER Richiesta statistiche complete 1. Richiesta dal Masternode 2. Propagazione attraverso l albero 3. Esportazione DB in formato XML 4. Invio al Masternode attraverso il ramo FULLSTATS FULLSTATS REQ-FULLSTATS REQ-FULLSTATS A CLIENT SORGENTE C D B

12 Test in locale Validazione delle funzionalità Interfaccia web di controllo Visualizzazione statistiche Test del source/leaf node Trasmissione flussi Acquisizione periferiche Simulazione perdita pacchetti Interarrival Jitter Perdita di pacchetti cumulativi

13 Test in ambiente distribuito PlanetLab Rete globale di server Infrastruttura best-effort Ambiente virtualizzato Canali non affidabili Test sul codec VP8 Recupero dei nodi Monitoraggio statistiche Interarrival Jitter Perdita di pacchetti cumulativi

14 Conclusioni Implementazione funzionalità o o o o o Controllo sessione Distribuzione dei nodi Trasmissione e distribuzione dei flussi multimediali Gestione delle statistiche aggregate Geolocalizzazione dei nodi Sviluppi futuri Trasformare il protocollo SOLEIL in estensione di un protocollo standard Implementare la scalabilità a livello codec Distribuire e collegare i client in base alla località geografica Ricercare un pattern di collegamento tra statistiche locali e aggregate