Managed video services over software defined networks
Yazılım tanımlı ağlar üzerinden yönetimli video servisleri
Yazar: KADİR TOLGA BAĞCI
Danışman: PROF. DR. AHMET MURAT TEKALP
Koç Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dinamik optimizasyon = Dynamic optimization ; Ekonomik katma değer = Economic value added ; GSM operatörleri = GSM operators ; Sayısal video iletimi = Digital video transmission

Özet:
Mevcut İnternet'in en iyi çabalı hizmeti doğası, bir video hizmetinde yer alan tüm taraflar, yani ağ hizmeti sağlayıcıları (NSP), üst düzey (OTT) video servis sağlayıcıları (VSP) ve kullanıcılar (istemciler), için verimsizliklere yol açmaktadır. NSP tarafından bakılırsa, NSP'ler genellikle en iyi çabalı İnternet hizmeti için aylık bir abonelik ücreti aldığından, video hizmetlerinin artan hacmi gelirlerine katkıda bulunmaz. OTT VSP'nin perspektifinden bakılırsa, özel bir IP ağı üzerinden yönetilen IPTV hizmetlerinden farklı olarak, kullanıcılarına belirli bir deneyim kalitesi (QoE) vaat edemezler çünkü NSP'ler tarafından sunulan en iyi çabalı İnternet üzerinden servis vermektedirler. Son kullanıcılar tarafından bakılır ise, ekstra bir ücret karşılığında bir miktar QoE ile video hizmetleri alma seçeneği mevcut sistemlerde mümkün değildir. Bu tezde, bu eksikliklerin farkında olarak, farklı hizmet düzeyleri ve hizmet seviyesinde kullanıcı farkındalığı da dahil olmak üzere, açık çoklu-hizmet arası ağ oluşturma vizyonunu uygulayarak, 5G ağları için anahtar bir teknoloji olan yazılım tanımlı ağlar (SDN) üzerinde yönetilebilen video hizmeti mimarileri önerilmektedir.

Öncelikle, NSP, VSP ve kullanıcılar arasında, hizmet kalitesi (QoS) ayrılmış ağ dilimleriyle SDN üzerinden NSP tarafından yönetilen veya VSP tarafından yönetilen akış hizmetleri sağlamak için merkezi ve dağıtılmış mimariler öneriyoruz. QoS rezervasyonunun, kullanıcı başına QoE dalgalanmalarını ve heterojen video istemcileri arasındaki adaletsizliği gidermek için tek başına yeterli olmadığını ve son kullanıcıların adil paylaşım bit hızlarını bilerek TCP gelen veri penceresi uyarlamalarını kullanmaları gerektiğini gösteriyoruz. Bunun için NSP tarafından yönetilen (merkezi) ve VSP tarafından yönetilen (merkezi veya dağıtılmış) hizmet modellerini öneriyoruz.

İkinci olarak, NSP'lerin birden fazla hizmet seviyesi ve ilgili iş modelleri de dahil olmak üzere tek operatörlü SDN üzerinde katma değerli video hizmetleri (VAVS) sunabilmelerini sağlamak için bir video hizmeti mimarisi ve yeni bir kaynak ayırma optimizasyonu çerçevesi öneriyoruz. Bu amaçla, küçük bir grup akış için (yeni servis talepleri ve bazı mevcut olanlardan oluşan) kaynakların (yol, bit hızı ve kabul kontrolü) tahsislerinin aynı anda gerçekleştirildiği yeni bir parti optimizasyon çerçevesini sunuyoruz. Dinamik kaynak tahsislerini çevrimiçi olarak hesaplamak için, toplam NSP gelirini en üst düzeye çıkarırken, aynı hizmet düzeyine sahip bir grup talepler arasında kaynakların adil bir şekilde tahsis edilmesini amaçlayan, sezgisel grup kısıtlamalı en kısa yol prosedürünü öneriyoruz.

Üçüncü olarak, her bir NSP'nin kendi ağ kaynaklarını yönetirken bireysel olarak e2e QoS garantileriyle birlikte operatörler arası hizmetler sunmasını sağlayan, çoklu operatör ağları üzerinden uçtan uca (e2e) QoS yollarının dinamik optimizasyonu için SDN üzerinde dağıtımlı bir açık değişim çerçevesi öneriyoruz. Önerilen sistemde, tüm NSP'lerin SDN denetleyicileri, birbirleriyle iletişim kurarak, kendi ağları üzerinden bir dizi QoS yolunun satış fiyatlarının bildirilmesi için iletişim kurarlar. Her bir NSP, duyurusu yapılan QoS yollarının bir alt kümesine teklif vererek müşterileri için en iyi e2e fiyat performans yolunu dinamik olarak belirleyerek, NSP ağları üzerindeki bu yollar birleştirilir ve uçtan uca yollar oluşturulur.

Abstract:
The best effort nature of the current Internet leads to inefficiencies for all parties involved in a video service; namely, network service providers (NSP), over-the-top (OTT) video service providers (VSP), and users (clients). From the perspective of the NSP, increasing volume of video services does not contribute to their revenues since NSPs commonly charge a flat monthly subscription fee for the best-effort Internet access. From the perspective of OTT VSP, unlike IPTV services that are offered over a managed private IP network, they cannot promise specific quality of experience (QoE) to their users as they rely on the best-effort service offered by some NSP. From the perspective of end-users, they do not have a choice to receive video services with some level of QoE for an extra-cost. In this thesis, recognizing these shortcomings, we investigate the vision of open multi-service inter-networking, including different service-levels and service-level awareness of users, and propose managed video service architectures using software defined networking (SDN) that is a programmable networking paradigm and a key technology for 5G networks.

First, we propose centralized and distributed architectures for collaboration between NSP, VSP and users to provide NSP-managed or VSP-managed streaming services over SDN with quality-of-service (QoS) reserved network slices. We show that QoS reservation alone is not sufficient to overcome QoE fluctuations per user and unfairness between heterogeneous video clients, and clients also need to employ TCP receive-window adaptation knowing their fair-share bitrate through collaborative streaming service models that are NSP-managed (centralized) and VSP-managed (centralized or distributed).

Second, we propose a video service architecture and a novel resource allocation optimization framework to enable NSPs to offer value-added video services (VAVS) over single operator SDN including multiple service-levels and associated business models. To this effect, we introduce a new batch-optimization framework, where resource (path, bitrate and admission control) allocations for a small group of flows (consisting of new service requests and some existing ones) are performed simultaneously. In order to compute dynamic resource allocations online, we propose a heuristic group-constrained-shortest-path procedure that aims for a fair allocation of resources among a group of requests with the same service level, while maximizing the total NSP revenue.

Third, we propose an SDN-enabled distributed open exchange framework for dynamic optimization of end-to-end (e2e) QoS paths over multi-operator networks, which enables individual NSPs to offer inter-operator services with e2e QoS guarantees while allowing each NSP to manage their own network resources. The SDN controllers of all NSPs communicate with each other to advertise a set of QoS-enabled paths across their own network with ask prices, and each NSP dynamically selects the best e2e price-performance path for its customers by bidding on a subset of these advertised paths, and form e2e paths by concatenating them.