Multicast Routing for High-quality Interactive Multimedia

RNDr. Pavel Troubil, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Pro interaktivní vzdálenou spolupráci prostřednictvím počítačových sítí je zásadní kvalita přenášených multimédií. Interaktivní prostředí pro spolupráci současně vyžadují vícebodovou distribuci dat z více zdrojů. Jsou-li přenášena natolik kvalitní multimédia, jejichž datový tok je řádově srovnatelný s kapacitou sítě, standardní mechanismy směrování nedostačují. Potom je nutno řešit problém kombinatorické optimalizace, v této oblasti zvaný směrování multicastu. Tato dizertační práce se zabývá právě problémy směrování multicastu, a to se zaměřením na realistické aspekty typické pro distribuci dat v prostředích pro interaktivní vzdálenou spolupráci. Směrování pro tato prostředí má řadu charakteristických rysů. Zaprvé, obvykle jsou spouštěna a řízena koncovými uživateli bez administrátorských práv a přímé kontroly nad výpočetní a přenosovou infrastrukturou. Toho je důsledkem nepřesnost či přímo absence znalosti sítě na jejich nižších úrovních, obzvláště topologie a kapacit linek podkladové sítě. Druhou vlastností je požadavek na současné přenosy dat z několika zdrojů, přičemž tyto multicastové skupiny sdílejí zdroje dostupné v počítačové síti a na připojených uzlech. Zatřetí, přenosové kapacity linek, kterými jsou připojeni koncoví uživatelé, se mohou významně lišit. Aby každý z nich přijímal data v pokud možno nejvyšší možné kvalitě, musejí jim být doručována v různých formátech. Distribuce dat v překryvových sítích, které emulují multicast na aplikační vrstvě sítě, umožňuje jejich překódování během přenosu. Výsledkem je možnost přizpůsobovat kvalitu a šířku pásma doručovaných dat jak individuálním uživatelům, tak celkové kapacitě sítě. Konečně, uživatelé při práci s interaktivními prostředími očekávají okamžitou odezvu, a problém směrování tedy musí být vyřešen nejlépe během jedné sekundy. Přísná omezení na dobu běhu částečně kompenzují nižší požadavky na škálovatelnost, jelikož praktická velikost řešených problémů je zároveň omezena počtem uživatelů, kteří jsou schopni se do interaktivní komunikace plnohodnotně zapojit. Práce se věnuje postupnému vývoji a rozšiřování problému směrování víceskupinového multicastu, a v každém kroku navrhuje řešení. Počáteční varianta pracuje s přenosy pevné šířky pásma, znalostí pouze překryvové sítě, a omezenou kapacitou linek, přičemž se snaží o minimalizaci zpoždění přenosů. V dalším kroku rozšiřujeme popis síťové topologie o znalost struktury a kapacit podkladové sítě, a to úplnou či částečnou. Dále přinášíme podporu překódování multimédií mezi jednotlivými formáty v síti, přičemž k optimalizaci přenosového zpoždění přidáváme druhé kritérium, maximalizaci kvality obsahu doručovaného příjemcům. Následuje rozšíření o neurčitou znalost kapacit síťových linek. Tu přináší experimentální a nepřesné nástroje pro detekci přenosových kapacit a síťové topologie, kterými mohou koncoví uživatelé zjišťovat informace o síti jinak dostupné pouze jejich správcům. Posledním krokem je podpora dynamické rekonfigurace již nasazených řešení problému. Ta je potřebná za běhu komunikace, pokud se nějakým způsobem změní požadavky nebo vstupní data, např. výpadkem na síti nebo připojením nového uživatele. V takových situacích je nutno stávající řešení změnit v minimální možné míře, aby nedocházelo k nadbytečnému přerušování komunikace. Pokud je to možné, hledáme globálně optimální řešení problému metodami celočíselného lineárního programování. Zavedení nejistoty v kapacitě linek a reprezentace kapacity kumulativní distribuční funkcí ale činí problém natolik slo

Abstract:

žitým, že tyto metody pozbývají schopnosti jej pokrýt svými vyjadřovacími prostředky a efektivitou. Pro statické řešení i dynamickou rekonfiguraci proto navrhujeme metaheuristické metody založené na principech ant colony optimization. Dizertační práce tak přináší řešení problému směrování multicastu s vlastnostmi, které dříve nebyly dostatečně zkoumány obzvláště ve víceskupinovém uspořádání. Praktická využitelnost byla ověřena dvěma způsoby: experimentálním vyhodnocením se vstupy založenými na praktických problémech z nedávné minulosti, které zahrnovaly mezikontinentální demonstrace. Ve všech krocích je výkon implementovaných řešičů dostatečný pro obvyklá nasazení v praxi. Vyšší škálovatelnost poskytují metaheuristické algoritmy, přičemž zhoršení kvality řešení je přijatelné oproti optimu, je-li toto známo. Výsledky jsou současně konzistentní a nevykazují vysoké výkyvy kvality. Závěr práce nabízí popis praktických nasazení řešičů ve dvou prostředích pro spolupráci: pro univerzitní výuku neslyšících studentů pomocí vzdáleného tlumočení znakového jazyka a přímé přenosy sportovních či kulturních událostí z několika míst současně.

Abstract:

High quality of multimedia is crucial for interactive remote collaboration over computer networks. Communication schemes of interactive collaborative environments need multipoint distribution of data from multiple sources. When high-quality multimedia are transmitted with bitrates comparable to network capacities, planning of the distribution requires solution of a combinatorial optimization problem called multicast routing. This PhD thesis solves the multicast routing problems with emphasis on realistic aspects, which are typical for data distribution in environments for interactive remote collaboration. The multicast routing has to embrace several aspects typical for collaborative environments. First, they are often user-empowered, i. e., controlled by users without any administration privileges or control over underlying infrastructure. The absence of the administration privileges also brings in uncertainty and insufficiency of network knowledge. Particularly, structure of underlying network and link capacities are not known to the users. Second, interactive collaboration naturally requires concurrent transmissions from multiple data sources. Multiple multicasting groups share resources of the infrastructure and compete for them. Third, network connection capacities of users are very diverse. In order to provide all users with maximum available quality of multimedia, various encoding formats are required. Data distribution by application-layer multicast in overlay networks is needed to transcode multimedia content between various formats on-the-fly, and individually adapt data to respect available bandwidth and maximize subjective quality of received content. Finally, users expect interactive response and almost immediate establishment of communication. We have to solve the problem in an instant, preferably within a second. Tight runtime limits are partially compensated by lower demands on scalability. Practical size of the problems is bounded by number of users, which can efficiently use the collaborative environment at the same time. The thesis describes iterative evolution and extension of the multigroup multicast routing problem and solution for each step. We start with a basic variant, where only overlay network topology is considered and link latency serves as a weight function. Next, we extend the input topology definition to capture knowledge of application-layer network topology with possible awareness of underlying physical network structure, either complete or partial. Further, an option to transcode multimedia on network nodes allows to adapt quality and bandwidth of content for each destination independently on the others. Diverse data recipients are supported, while reception quality can be maximized together with latency minimization. As a next step, we capture inaccurate or missing knowledge of capacities of network links, as they may be output by experimental user-empowered methods for detection of network capacities and topology. Finally, the problem is solved for dynamic reconfiguration in cases when a solution is deployed. A change can be required, either due to changed state of the network, or modified transmission requirements. In such case, the deployed solution has to be affected with as little changes as possible due to undesirability of related short-term outages. Where possible, we solve the preceding problems to optimality by methods of integer programming. Once uncertainty is introduced, we express the link capacities as cumulative distributive functions instead of single scalars. Complexity of the problem increases significantly, and previously used methods are excluded for their complexity. Metaheuristic methods are introduced, as we develop a concept of ant colony optimization metaheuristic for both static input and dynamic reconfigurations. The thesis offers solutions of the multicast routing problem with new features, which were not well considered before especially in multigroup settings.

Abstract:

Practical applicability of the proposed solutions is verified by experimental evaluations on real world based inputs and deployment in several intercontinental demonstrations. At all stages, the performance is sufficient for most of realistic problem sizes. The metaheuristic algorithms can solve larger problems, and where comparison to optimal solutions are available, they show acceptable level of suboptimality. They also provide consistent results with low deviance of objective function values. The demonstrations included planning in presence of bandwidth-on-demand, remote media production for live broadcasting of sporting events, or remote interpretation of university lectures into sign language.

Keywords

multigroup multicast, routing, mixed integer programming, ant colony optimization, metaheuristics, víceskupinový multicast, směrování, celočíselné programování, metaheuristiky

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 20. 10. 2015
• Supervisor: doc. Mgr. Hana Rudová, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Miroslav Švéda, CSc., Assoc. Prof. Rong Qu

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Computer Systems and Technologies