Un sistema de vídeo bajo demanda a gran escala tolerante a fallos de red

Abstract

Un sistema de vídeo bajo demanda a gran escala (LVoD, Large-Scale Video-on-Demand) brinda un servicio de visualización de vídeos a una gran cantidad de usuarios dispersos geográficamente. El tipo de servicio de vídeo bajo demanda (VoD, Video-on-Demand) más completo permite al usuario solicitar su vídeo preferido y reproducirlo casi instantáneamente, con la posibilidad de utilizar comandos interactivos (congelado de imagen, retroceso y avance lento/rápido, etc.) tal como si estuviese visualizando el vídeo con un reproductor de VHS o DVD. A este tipo de servicio se lo conoce como vídeo bajo demanda verdadero (T-VoD, True Video-on-Demand), e implica un diseño y desarrollo de elevada complejidad.<br/>La mayoría de los sistemas de VoD fueron diseñados para trabajar en redes dedicadas o que permiten hacer reserva de recursos. Sin embargo, las arquitecturas de estos sistemas no son aplicables a entornos LVoD, fundamentalmente debido a los nuevos requerimientos de escalabilidad, costo del sistema y tolerancia a fallos. Cuando el entorno de red pasa de ser de una red local a una red de área amplia (como Internet), aumenta la probabilidad de fallos, disminuye el ancho de banda, y la calidad y clasificación de servicios es suplantada por un modelo de servicio de "mejor esfuerzo".<br/>En el presente trabajo se propone una arquitectura de un sistema de LVoD distribuido, que permite ofrecer un servicio de T-VoD, con comunicaciones unicast sobre una red sin calidad de servicio como Internet. La nueva arquitectura, denominada VoD-NFR (Video-on-Demand with Network Fault Recovery) tiene como fin garantizar, ante fallos de la red y caídas de servidores, la entrega del contenido multimedia a los clientes sin disminuir la calidad de los mismos y sin sufrir interrupciones durante su visualización. Para alcanzar estos objetivos se ha diseñado y desarrollado una arquitectura que integra tres componentes claves:<br/>- Un planificador del tráfico de red, capaz de: 1) adaptarse a los estados de congestión de la red de una manera TCP-Friendly, 2) generar información del estado de las comunicaciones con los clientes, y 3) extremar el ahorro de recursos para soportar una elevada carga de trabajo.<br/>- Un planificador de canales lógicos, capaz de: 1) utilizar vídeos VBR, 2) adaptarse dinámicamente al ancho de banda disponible de las comunicaciones, 3) no degradar la calidad del vídeo para adaptarse a un ancho de banda menor al requerido por el vídeo, y 4) distribuir equitativamente el vídeo a los clientes priorizando a aquellos con mayor necesidad de media.<br/>- Un módulo de garantía de la calidad de servicio, capaz de: 1) detectar inconvenientes en la comunicación entre servidores y clientes utilizando dos mecanismos que colaboran en la detección de fallos por degradación de las comunicaciones, y 2) continuar prestando un servicio sin interrupciones a través de la migración de servicios.<br/>El sistema VoD-NFR ha sido implementado en entorno real y de simulación; en particular, la simulación ha permitido evaluar el sistema más extensivamente y a un bajo coste. Los resultados alcanzados muestran la aptitud del sistema para cumplir con sus objetivos, motivando la continuidad de la presente línea de investigación.

A Large Video-on-Demand system (LVoD) offers a large number of geographically distributed users access to video files. The most complete Video-on-Demand (VoD) service allows users to request their chosen video and reproduce it almost instantaneously, as well as the possibility of using interactive controls (pause, fast/ slow forward and rewind etc.) just as if you were watching a video using a VHS or DVD. This service is known as True Video-on-Demand (T-VoD) and implies a design and development of high complexity.<br/>Most VoD systems were designed for dedicated networks or networks which enable resource usage. However, the architecture of these systems is not applied to LVoD environments, mainly due to new scalability requirements, the cost of the system and fault tolerance. When the network environment changes from a Local Area Network (LAN) to Wide Area Network (WAN), the probability of faults increases, the bandwidth decreases and the quality and classification of services is replaced by a "best effort" service model.<br/>This thesis proposes a distributed LVoD system architecture which permits a T-VoD service with unicast communications on a network without quality of service (QoS) such as Internet. The new architecture, Video-on-Demand with Network Fault Recovery (VoD-NFR) aims to prevent network faults and server down, and guarantee delivery of multimedia content to clients without lowering its quality and without interruptions during viewing. To achieve these objectives, the model designed includes three key components:<br/>- A traffic scheduler with the ability to: 1) adapt the output traffic to the network congestion in a TCP-Friendly manner, 2) generate communication state information of the server with each client, and 3) maximise resources saving to resist a high workload.<br/>- A logical channel scheduler with the ability to: 1) use VBR videos, 2) continuously adapt to the bandwidth available of the communications, 3) not degrade the quality of the video in order to adapt to a lower bandwidth than that required by the video, and 4) fairly distribute the video to clients, prioritising those with a greater media need.<br/>- A module to guarantee quality of service with the ability to: 1) detect problems in the communication between servers and clients using two mechanisms which work together in detecting faults resulting from deterioration of communications, and 2) to continue offering a service without interruptions by service migration.<br/>The VoD-NFR system has been implemented in a real environment and a simulation; the system was evaluated more extensively and at a lower cost using the simulation. The results obtained show the system's ability to fulfil its objectives and they support continued investigation of the system.