Architectures for Video-on-Demand content distribution in managed networks

La demanda de contenidos de video ha aumentado rapidamente en los ultimos anos como resultado del gran despliegue de la TV sobre IP (IPTV) y la variedad de servicios ofrecidos por los operadores de red. Uno de los servicios que se ha vuelto especialmente atractivo para los clientes es el video bajo demanda (VoD) en tiempo real, ya que ofrece una transmision (streaming) inmediata de gran variedad de contenidos de video. El precio que los operadores tienen que pagar por este servicio es el aumento del trafico en las redes, que estan cada vez mas congestionadas debido a la mayor demanda de contenidos de VoD y al aumento de la calidad de los propios contenidos de video. Asi, uno de los principales objetivos de esta tesis es encontrar soluciones que reduzcan el trafico en el nucleo de la red, manteniendo la calidad del servicio en el nivel adecuado y reduciendo el coste del trafico. La tesis propone un sistema jerarquico de servidores de streaming en el que se ejecuta un algoritmo para la ubicacion optima de los contenidos de acuerdo con el comportamiento de los usuarios y el estado de la red. Debido a que cualquier algoritmo optimo de distribucion de contenidos alcanza un limite en el que no se puede llegar a nuevas mejoras, la inclusion de los propios clientes del servicio (los peers) en el proceso de streaming puede reducir aun mas el trafico de red. Este proceso se logra aprovechando el control que el operador tiene en las redes de gestion privada sobre los equipos receptores (Set-Top Box) ubicados en las instalaciones de los clientes. El operador se reserva cierta capacidad de almacenamiento y streaming de los peers para almacenar los contenidos de video y para transmitirlos a otros clientes con el fin de aliviar a los servidores de streaming. Debido a la incapacidad de los peers para sustituir completamente a los servidores de streaming, la tesis propone un sistema de streaming asistido por peers. Algunas de las cuestiones importantes que se abordan en la tesis son saber como los parametros del sistema y las distintas distribuciones de los contenidos de video en los peers afectan al rendimiento general del sistema. Para dar respuesta a estas preguntas, la tesis propone un modelo estocastico preciso y flexible que tiene en cuenta parametros como las capacidades de enlace de subida y de almacenamiento de los peers, el numero de peers, el tamano de la biblioteca de contenidos de video, el tamano de los contenidos y el esquema de distribucion de contenidos para estimar los beneficios del streaming asistido por los peers. El trabajo tambien propone una version extendida del modelo matematico mediante la inclusion de la probabilidad de fallo de los peers y su tiempo de recuperacion en el conjunto de parametros del modelo. Estos modelos se utilizan como una herramienta para la realizacion de exhaustivos analisis del sistema de streaming de VoD asistido por los peers para la amplia gama de parametros definidos en los modelos. Abstract The demand of video contents has rapidly increased in the past years as a result of the wide deployment of IPTV and the variety of services offered by the network operators. One of the services that has especially become attractive to the customers is real-time Video on Demand (VoD) because it offers an immediate streaming of a large variety of video contents. The price that the operators have to pay for this convenience is the increased traffic in the networks, which are becoming more congested due to the higher demand for VoD contents and the increased quality of the videos. Therefore, one of the main objectives of this thesis is finding solutions that would reduce the traffic in the core of the network, keeping the quality of service on satisfactory level and reducing the traffic cost. The thesis proposes a system of hierarchical structure of streaming servers that runs an algorithm for optimal placement of the contents according to the users’ behavior and the state of the network. Since any algorithm for optimal content distribution reaches a limit upon which no further improvements can be made, including service customers themselves (the peers) in the streaming process can further reduce the network traffic. This process is achieved by taking advantage of the control that the operator has in the privately managed networks over the Set-Top Boxes placed at the clients’ premises. The operator reserves certain storage and streaming capacity on the peers to store the video contents and to stream them to the other clients in order to alleviate the streaming servers. Because of the inability of the peers to completely substitute the streaming servers, the thesis proposes a system for peer-assisted streaming. Some of the important questions addressed in the thesis are how the system parameters and the various distributions of the video contents on the peers would impact the overall system performance. In order to give answers to these questions, the thesis proposes a precise and flexible stochastic model that takes into consideration parameters like uplink and storage capacity of the peers, number of peers, size of the video content library, size of contents and content distribution scheme to estimate the benefits of the peer-assisted streaming. The work also proposes an extended version of the mathematical model by including the failure probability of the peers and their recovery time in the set of parameters. These models are used as tools for conducting thorough analyses of the peer-assisted system for VoD streaming for the wide range of defined parameters.