Aspects réseaux et systèmes de la migration d'applications hautes-performances de matériels dédiés vers des serveurs génériques : l'exemple de la production de média pour la diffusion audiovisuelle.

System and Networking Aspects of the Transition of High-Performance Applications from Dedicated to Commodity Hardware : the Example of Media Production for Professional Broadcast

• Auteur / Autrice : Mohammed Hawari
• Direction : Thomas Clausen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (Palaiseau ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadia Boukhatem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Clausen, Laurent Toutain, Lars Eggert, Colin Perkins
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Toutain, Lars Eggert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gigue (électronique)

Médias -- Informatique

Génie logiciel

Systèmes d'exploitation (ordinateurs)

Télécommunications

Mots clés libres

Traitement média

Lissage de trafic

Gigue

Instrumentation

Serveurs standards

Architecture logicielle

Media processing

Packet pacing

Jitter

Instrumentation

Commodity servers

Software architecture

Résumé

La production de média pour la diffusion audiovisuelle (i.e., le processus par lequel plusieurs sources audiovisuelles sont mélangées et traitées en temps réel pour élaborer le flux consommé par le téléspectateur) est généralement implémentée par du matériel dédié, basé sur la Serial Digital Interface (SDI), une technologie d'interconnection dérivé de la télévision analogique. Malgré l'effort industriel présent pour remplacer le SDI par de l'IP (ainsi que spécifié par les standards SMPTE 2022-6 et 2110) la sensibilité au délai de la production de média rend difficile une transition totale vers un traitement logiciel sur des serveurs générique. Cette thèse résout different aspects de ce problème.Premièrement, il a été conduit une étude quantitative et qualitative de la gigue subie par ces flux lors d'un traitement logiciel. Au delà de résultats obtenus pour des serveurs Linux x86_64, il a été dérivé une méthodologie générale, applicable à tout système d'exploitation et architecture matérielle, permettant d'étudier la gigue introduite.Deuxièmement, une plateforme générique a été proposé afin de permettre la réalisation de système d'instrumentation personnalisé, pour l'horodatage précis de packet réseaux. Bien qu'étant basée sur la technologie des FPGA, cette plateforme permet à tout opérateur réseau ou de diffusion audiovisuelle de spécifier une logique d'horodatage personnalisée en utilisant le langage P4. Cela permet en particulier la conception d'une instrumentation pour la qualification de flux média.Troisièmement, un système de lissage de traffic (packet-pacing) a été proposé, afin de permettre l'envoi de flux de paquets avec une gigue négligeable. Malgré un emploi exclusif de matériel générique, il a été prouvé formellement et expérimentalement que la gigue ainsi obtenue était suffisamment faible pour des flux média.Finalement, un cadre logiciel facilitant l'écriture d'applications de traitement média a été proposé. Ce cadre repose sur la séparation entre le traitement et le transport des flux média, la couche de transport s'occupant du traitement haute performance des paquets réseaux par l'emploi de techniques comme le zero-copy, ou le kernel-bypass.

Media production for professional broadcast (i.e., the process by which multiple audiovisual sources are mixed and processed, in real-time, to elaborate the audiovisual stream as it will be consumed by the final viewer) has currently been implemented with dedicated hardware equipment, based on the Serial Digital Interface (SDI), an interconnection technology carrying the legacy of analog video. Despite an ongoing industrial effort to replace SDI with IP-based interconnection --- as specified by the SMPTE 2022-6 and 2110 standards --- the delay-sensitive nature of media production still challenges its total transition to software running on commodity servers. This thesis solves different aspects of that problem.First a quantitative and qualitative study of the sources of jitter undergone by those streams upon software processing has been conducted. In addition to results specific to Linux x86_64 servers, that work has yielded a general jitter exploration methodology, applicable to any operating system and hardware commodity servers.Second, a generic platform enabling the implementation of custom high-accuracy instrumentation for hardware-based packet timestamping has been developed. Despite being FPGA-based, that platform allows network and broadcast operators with little hardware design skills to specify custom logic for line-rate packet processing and timestamping, by using the P4 language. In particular, such instrumentation can be used to qualify the jitter properties of media production streams.Third, a system to perform packet-pacing --- i.e., the transmission of a constant-rate packet stream with negligible jitter --- has been proposed. Despite exclusively relying on commodity hardware, the proposed system has been formally and experimentally proven to yield a jitter, conforming to the tight requirements of media production streams.Finally, a software framework easing the implementation of media-production applications has been developed. That framework relies on a separation between media processing and media transport. The transport layer handles high-performance packet processing with techniques such as zero-copy and kernel bypass networking.