Optimisation d'un réseau de distribution de contenus géré par un opérateur réseau

Optimization of vido Delivery in Telco-CDN

• Auteur / Autrice : Zhe Li
• Direction : Antoine Beugnard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Télécom Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications

Résumé

L'explosion du trafic lié aux flux de données vidéos (principalement en haute-définition) amène les opérateurs de réseaux à installer des serveurs au plus près des utilisateurs finaux. Les Telco-CDNs ont émergé comme une nouvelle approche pour diffuser du contenu. Un Telco-CDN consiste en un ensemble de serveurs qui sont gérés par l'opérateur réseau, qui contrôle donc à la fois l'infrastructure physique sous-jacente et les serveurs qui diffusent du contenu. Dans cette thèse, nous nous efforcons d'utiliser ce contrôle complet du réseau pour optimiser les ressources dans les Telco-CDNs. Nous avons tout d'abord étudié le problème du « placement de k-composants sur une architecture multi-site », qui consiste à placer les k différents éléments d'un catalogue de vidéo de telle manière que les accès d'un site à un autre soient minimisés. Nous avons abordé ce problème d'un point de vue optimisation. Nous avons développé des modèles de programmation linéaire, conçus des algorithmes approximations ainsi que des heuristiques afin de minimiser le coût global de diffusion du service. Dans la continuité de ces recherches, nous avons étendu nos premiers résultats dans le cadre d'un cas pratique de Telco-CDN. Nous avons conçu un algorithme génétique afin d'obtenir des performances quasi-optimales, puis nous avons implémenté cet algorithme sur une architecture parallèle de type MapReduce afin de traiter le ceas des catalogues de vidéos très volumineux. Notre évaluation a démontré l'intérêt de notre approche. Nous avons exploré également une approche totalement différente pour la gestion des serveurs : les réseaux orientés contenus (ICN). Il s'agit ici d'une approche révolutionnaire dans lesquels le fonctionnement sous-jacent des réseaux est transformé radicalement. Les premiers travaux autour de l'ICN proposent d'utiliser les routeurs comme des mémoires tampons (cache) avec une gestion extrêmement simplifiées du contenu dans les mémoires. Nous avons proposé une nouvelle méthode de gestion du contenu, qui demeure simple, mais qui permette néanmoins de tirer profit des caractéristiques des flux vidéos, en particulier le fait que les vidéos sont constitués de suite d'images. Nous avons ensuite proposé des outils théoriques d'analyse des mémoires-tampons dans le cadre général des réseaux. Ces études ont été soigneusement évalués grâce à une plate-forme d'expérimentations spécialement conçues pour les réseaux de type ICN.

The exploding HD video streaming traffic calls for deploying content servers deeper inside network operators infrastructures. Telco-CDN are new content distribution services that are managed by Internet Service Providers (ISP). Since the network operator controls both the infrastructure and the content delivery overlay, it is in position to engineer Telco-CDN so that networking resources are optimally utilized. In this thesis, we focus on the optimal resource placement in Telco-CDN. We first investigated the placement of application components in Telco-CDN. Popular services like Facebook or Twitter, with a size in the order of hundreds of Terabytes, cannot be fully replicated on a single data-center. Instead, the idea is to partition the service into smaller components and to locate the components on distinct sites. It is the same and unique method for Telco-CDN operators. We addressed this k-Component Multi-Site Placement Problem from an optimization standpoint. We developed linear programming models, designed approximation and heuristic algorithms to minimize the overall service delivery cost. Thereafter, we extend our works to address the problem of optimal video place- ment for Telco-CDN. We modeled this problem as a k-Product Capacitated Facility Location Problem, which takes into account network conditions and users¿ prefer- ences. We designed a genetic algorithm in order to obtain near-optimal performances of such ¿push¿ approach, then we implemented it on the MapReduce framework in order to deal with very large data sets. The evaluation signifies that our optimal placement keeps align with cooperative LRU caching in term of storage efficiency although its impact on network infrastructure is less severe. We then explore the caching decision problem in the context of Information Cen- tric Network (ICN), which could be a revolutionary design of Telco-CDN. In ICN, routers are endowed with caching capabilities. So far, only a basic Least Recently Used (LRU) policy implemented on every router has been proposed. Our first contri- bution is the proposition of a cooperative caching protocol, which has been designed for the treatment of large video streams with on-demand access. We integrated our new protocol into the main router software (CCNx) and developed a platform that automatically deploys our augmented CCNx implementation on real machines. Ex- periments show that our cooperative caching significantly reduces the inter-domain traffic for an ISP with acceptable overhead. Finally, we aim at better understanding the behavior of caching policies other than LRU. We built an analytical model that approximates the performance of a set of policies ranging from LRU to Least Frequently Used (LFU) in any type of network topologies. We also designed a multi-policy in-network caching, where every router implements its own caching policy according to its location in the network. Compared to the single LRU policy, the multi-caching strategy considerably increases the hit- ratio of the in-network caching system in the context of Video-on-Demand application. All in one, this thesis explores different aspects related to the resource placement in Telco-CDN. The aim is to explore optimal and near-optimal performances of various approaches.