Περιληπτικά, στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι θεωρίες της βελτιστοποίησης και των κατανεμημένων αλγορίθμων με σκοπό την χρήση τους σε ένα διομότιμο σύστημα σύγχρονου διαμοιρασμού αντικειμένων. Επιπλέον μελετήθηκε το περιβάλλον και οι συνθήκες λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος. καθώς και τα χαρακτηριστικά του. Αποτέλεσμα της μελέτης αυτής είναι η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις απαιτήσεις που πρέπει να πληρούνται κατά τη δημιουργία ενός διομότιμου συστήματος σύγχρονου διαμοιρασμού αντικειμένων και οι τεχνικοί στόχοι που πρέπει αυτό να ικανοποιεί. Με αυτά τα κριτήρια σχεδιάστηκε η αρχιτεκτονική του συστήματος και ορίστηκαν τα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν.
Για την λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος ορίστηκαν οι ακόλουθες απαιτήσεις:
• Μεγιστοποίηση της χρήσης από το σύστημα του διαθέσιμου εύρους ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων. Φυσικά, οι κόμβοι έχουν ετερογενείς τιμές του διαθέσιμου εύρους ζώνης και, μάλιστα, με μεγάλη διασπορά.
• Ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης από τη στιγμή δημιουργίας ενός αντικειμένου μέχρι τον διαμοιρασμό του σε κάθε συμμετέχοντα κόμβο.
• Ομοιόμορφη διαρκής κατανομή του συνολικού εύρους ζώνης του συστήματος στους συμμετέχοντες κόμβους.
• Ανεκτικότητα του συστήματος στη δυναμική συμπεριφορά των χρηστών που προκαλείται από εισόδους και εξόδους των χρηστών στο σύστημα σε μη προκαθορισμένες χρονικές στιγμές.
• Ικανότητα κλιμάκωσης του συστήματος σε αριθμό συμμετεχόντων χρηστών κάτι που επάγει την κατανεμημένη διαχείριση του συστήματος.
• Προσαρμογή του σχεδιαζόμενου συστήματος στην κίνηση του δικτύου στο οποίο αυτό επικάθεται και ανεκτικότητά του στις μεταβολές του εύρους ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων.
• Ελαχιστοποίηση του φορτίου το οποίο εισάγει η λειτουργία του συστήματος στο δίκτυο.
Για τη λειτουργία του προτεινόμενου συστήματος απαιτείται η δημιουργία ενός γράφου διασύνδεσης. Ως γράφος διασύνδεσης ορίζεται ο γράφος που προκύπτει αν κάθε κόμβος συνδεθεί με ένα μικρό υποσύνολο των συμμετεχόντων κόμβων που ονομάζονται και γείτονες του κόμβου. Για την ικανοποίηση των προαναφερθεισών απαιτήσεων. μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του γράφου διασύνδεσης και προέκυψε ότι κάθε κόμβος: α) πρέπει να έχει γείτονες με όσο το δυνατόν μικρότερη δικτυακή καθυστέρηση μεταξύ τους, β) πρέπει να έχει αριθμό εξερχόμενων συνδέσεων ανάλογο με το εύρος ζώνης του, γ) οι συνδέσεις αυτές πρέπει να κατανέμονται ομοιόμορφα στους συμμετέχοντες κόμβους για την ικανοποίηση των αναγκών όλων των κόμβων, δ) οι κόμβοι με σχετικά μεγάλο εύρος ζώνης πρέπει να ομαδοποιούνται στο γράφο με σκοπό την γρήγορη αρχικά διάχυση του αντικειμένου και ε) ο γράφος διασύνδεσης πρέπει να αναδιατάσσεται δυναμικά έτσι ώστε να διατηρεί τις ιδιότητες αυτές στο δυναμικό δικτυακό περιβάλλον που επικάθεται και για δυναμική συμπεριφορά των συμμετεχόντων κόμβων.
Για την ικανοποίηση αυτών των τεχνικών στόχων αναπτύχθηκε μία δομή του γράφου που ικανοποιεί αυτά τα χαρακτηριστικά. Η βελτιστοποίηση του γράφου γίνεται μέσω αλγορίθμων κατά την λειτουργία των οποίων κάθε κόμβος επιλέγει περιοδικά ένα τυχαίο κόμβο ο οποίος είναι γείτονάς του στον γράφο διασύνδεσης. Μεταξύ των δύο αυτών κόμβων εκτελείται ανακατανομή των γειτόνων τους με σκοπό την εξισορρόπηση του αριθμού των γειτόνων που κάθε ένας από αυτούς διαθέτει. αλλά και την ελαχιστοποίηση της μέσης καθυστέρησης που έχουν αθροιστικά οι κόμβοι από τους γείτονές τους. Οι αλλαγές στον γράφο διασύνδεσης που προκύπτουν από κάθε εκτέλεση του αλγορίθμου αυτού μεταβάλλουν και τους γείτονες ενός υποσυνόλου κόμβων εκτός των δύο συμμετεχόντων στον αλγόριθμο εναλλαγής. Οι αλλαγές αυτές επιφέρουν άλλες αλλαγές με την σειρά τους και έτσι προκύπτει τελικά ένας γράφος διασύνδεσης όπου κάθε κόμβος έχει τον προκαθορισμένο αριθμό γειτόνων και. παράλληλα. ελαχιστοποιείται το άθροισμα των μέσων δικτυακών καθυστερήσεων που έχουν οι συμμετέχοντες κόμβοι με τους γείτονές τους.
Για τον διαμοιρασμό του αντικειμένου ο δημιουργός του το τεμαχίζει σε τεμάχια (μπλοκ). Τα τεμάχια προωθούνται σε ένα πολύ μικρό σύνολο κόμβων και αποτελούν τις λογικές μονάδες δεδομένων που ανταλλάσσονται μεταξύ των κόμβων. Σκοπός είναι ο διαμοιρασμός του κάθε τεμαχίου σε κάθε κόμβο μέσα σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Για την ανταλλαγή τεμαχίων μεταξύ των γειτόνων του γράφου διασύνδεσης του προς διαμοιρασμού αντικειμένου μεταξύ των συμμετεχόντων κόμβων αναπτύχθηκε ένας Κατανεμημένος Χρονοπρογραμματιστής Ανταλλαγής Τεμαχίων (ΚΧΑΤ).
Τεχνικοί στόχοι της ανάπτυξης του ΚΧΑΜ αποτέλεσαν α) ο χρονισμός διαπραγμάτευσης αποστολής τεμαχίων μεταξύ κάθε αποστολέα και παραλήπτη, β) η γρήγορη διάδοση πρόσφατα παραγόμενων τεμαχίων και σπάνιων σε μία γειτονία του γράφου διασύνδεσης (τεμάχια που δημιουργήθηκαν μεταγενέστερα από άλλα ευνοούνται από το χρονοπρογραμματιστή αρχικά για την επιτυχή και γρήγορη διάδοσή τους σε μία κρίσιμη μάζα από κόμβους), γ) η τροφοδότηση όλων των κόμβων με ομοιόμορφο και σταθερό ρυθμό, δ) η προτεραιότητα σε κόμβους με μεγάλο εύρος ζώνης, ε) η αποφυγή μετάδοσης του ίδιου τεμαχίου από δύο αποστολείς προς τον ίδιο παραλήπτη και στ) η αποφυγή μιας κατάστασης όπου αποστολέας και παραλήπτης δεν έχουν τεμάχια προς ανταλλαγή.
Ο χρονισμός του ΚΧΑΜ που αναπτύχθηκε αποτελείται από τρείς φάσεις. Στην πρώτη φάση που εκτελείται περιοδικά από κάθε αποστολέα εκδίδεται και αποστέλλεται στους πιθανούς παραλήπτες ένα σύνολο από «κουπόνια» μεγέθους ανάλογου με το εύρος ζώνης του αποστολέα. Στη δεύτερη φάση ο εκάστοτε παραλήπτης ζητά προκαταβολικά ένα τεμάχιο στην περίπτωση που επιλεγεί από τον αποστολέα για μετάδοση τεμαχίου. Στην τρίτη φάση ο αποστολέας επιλέγει τον παραλήπτη ακριβώς πριν την μετάδοση κάθε τεμαχίου και αποστέλλει το τεμάχιο που έχει ζητηθεί.
Ο αλγόριθμος ο οποίος προτείνεται για τη δημιουργία κουπονιών έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της χρήσης του εύρους ζώνης όλων των κόμβων και την ικανοποίηση των αναγκών κάθε συμμετέχοντα κόμβου. Είναι αυτός που, στην ουσία, καθορίζει τις ροές δεδομένων μεταξύ των γειτόνων του γράφου διασύνδεσης. Η χρησιμότητά του αναδεικνύεται σε περιπτώσεις όπου ο ρυθμός αναπαραγωγής του προς διαμοιρασμό αντικειμένου είναι παρόμοιος με το μέσο εύρος ζώνης του συστήματος. Οι απαιτήσεις του αλγορίθμου ζήτησης τεμαχίων μοντελοποιούνται μέσω της γραμμικής βελτιστοποίησης και διασφαλίζεται η γρήγορη και αποτελεσματική διάχυση των τεμαχίων ελαχιστοποιώντας την ύπαρξη ανενεργών πόρων. Τέλος, ο αλγόριθμος επιλογής γείτονα είναι αυτός που ρυθμίζει την ομοιόμορφη κατανομή του εύρους ζώνης στους συμμετέχοντες κόμβους, αλλά και δίνει προτεραιότητα στους κόμβους με μεγάλο εύρος ζώνης έτσι ώστε να επιτευχθεί ο γρήγορος διαμοιρασμός κάθε τεμαχίου και η ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης του συστήματος.
Η αξιολόγηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, της τοπολογίας του γράφου διασύνδεσης και του ΚΧΑΜ, έγινε μέσω προσομοίωσης σε προσομοιωτή δικτυακών συστημάτων. Μοντελοποιήθηκε το εύρος ζώνης των συμμετεχόντων κόμβων και δικτυακές καθυστερήσεις χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα από διομότιμα συστήματα.. Το σύστημα που αναπτύχθηκε μοντελοποιήθηκε πλήρως σε επίπεδο πακέτου. Εξετάστηκαν αρκετά σενάρια αξιολόγησης του συστήματος τα οποία, μεταξύ άλλων, περιλαμβάνουν, ευαισθησία του συστήματος σε παραμέτρους των προτεινόμενων αλγορίθμων, δυναμικά σενάρια όσον αφορά τη συμπεριφορά των χρηστών και του δικτύου και σενάρια εύρεσης των ορίων του προτεινόμενου συστήματος. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τέθηκαν για τη δημιουργία του συστήματος, καθώς και βελτίωση της συμπεριφοράς του συστήματος σε σχέση με αντίστοιχα συστήματα της διεθνούς βιβλιογραφίας με τα οποία συγκρίθηκε. / Peer-to-peer live streaming is a network application, where peers (users) contribute their upload bandwidth for the real time distribution of a video stream. The objective of this work is the optimization of this data diffusion with a distributed and self-organized architecture. Peers have heterogeneous and dynamic uploading bandwidth. This fact combined with the characteristics of the topology of the underlying network and the dynamic traffic conditions e.g. latency create a volatile and complex environment for P2P live streaming delivery, which strongly affect the success of a P2P system measured by a number of performance metrics.
The first important factor is the uploading bandwidth utilization that corresponds to the ability of the system to exploit as much as possible of the overall uploading bandwidth of the participating peers. The maximization of the upload bandwidth utilization increases the video playback delivery rate and ensures the stability of the distribution. Equally important parameter is the setup time defined as the time interval between the generation of a block from an origin server and its delivery to every peer in the system.
Furthermore, a P2P live streaming system has to remain stable and its delivery rate must remain high in a dynamic environment, where peers arrive and depart randomly. .Finally, fairness among nodes indicates the ability of the system to distribute continuously and uniformly the aggregate uploading bandwidth to the participating peers. This ensures that every peer will acquire a percentage of blocks above a critical threshold for an “affordable” video playback regardless the aggregate uploading bandwidth is not sufficient for the complete delivery of the video stream.
For the development of the proposed system is required the creation of a content diffusion overlay (CDO). For every peer, CDO defines the graph which includes the subset of adjacent participating peers (neighbors) that are connected with it. For the fulfillment of the aforementioned requirements CDO must ensure the following features:
• Each peer must have neighbors close to it in the underlying network.
• The number of the neighbors has to be proportional to its upload bandwidth.
• The number of the neighbors from which each peer receives data has to be balanced among participating peers.
• In the CDO, peers with high upload bandwidth must be clustered for the fast diffusion of each video block to a critical mass of peers.
• The CDO has to be adapted dynamically according to the underlying network conditions and the behavior of the participating peers.
The optimization of the CDO and the fulfillment of these technical objectives is done with the use of a distributed optimization and maintenance algorithm (DOMA) that reorganizes the “neighborhoods” of CDO and so it keeps almost stable the attributes of the graph during peer arrivals and departures. It also ensures the high levels of bandwidth utilization. The algorithm based on a cost function, denoted as energy function between two nodes and can represent for example the network latency between two nodes. DOMA is executed between two neighbors that we note as initiators and their neighbors that we called satellites. Its purpose is to minimize the sum of the energy functions between initiators and satellites under the constraints on the number of neighbors that the graph structure implies.
In p2p live streaming every user and/or content provider that generates a multimedia block stream is indicated as source. A P2P block exchange scheduling algorithm (P2P-BESA) ensures the distribution of each block to every user and with low latency. P2P-BESA focuses on the following properties:
• The consistent message sequence between two peers for the negotiation of the transmission of a video block.
• The fast diffusion of blocks that are recently produced.
• The transmission of blocks to every peer with a stable and equal rate among the peers.
• The prioritization of transmission to peers with relatively high upload bandwidth.
• The avoidance of block retransmission.
• The avoidance of content bottleneck between two peers.
The decision for the transmission of a block is done in three phases. In the first phase, every peer acting as block sender issues tokens periodically proportional with its upload bandwidth. This ensures the maximization of the upload bandwidth of the participating peers and determines the data flows between participating peers. In the second phase, each peer periodically is acting as receiver and requests a different block from each one of its potential senders. As potential senders we define the set of peers that have recently sent a token to it. This algorithm ensures the fast and complete diffusion of every block by also minimizing the idle bandwidth resources in the systems. Finally in the third phase, before the transmission of each block each sender selects the destination peer according to the blocks that it misses and its upload bandwidth capabilities.
The evaluation of the proposed system is done with a network simulator. A detailed packet level P2P live streaming simulator models the bandwidth of the participating peers, the network latency between them, peer arrivals and departures and finally dynamic changes in the underlying network. The evaluation of the system shows that:
• It achieves very high levels of bandwidth utilization (around 95%)
• low latency in the diffusion of its video block (2-4 seconds)
• system is almost immune to peer arrivals and departures
• very tolerant to underlying network changes
Finally the proposed system outperforms when it is compared with other recently proposed systems in the international bibliography.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/4007 |
| Date | 05 January 2011 |
| Creators | Ευθυμιόπουλος, Νικόλαος |
| Contributors | Δενάζης, Σπυρίδων, Efthymiopoulos, Nikolaos, Δενάζης, Σπυρίδων |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0047 seconds