コンテンツ名を基調とした モバイルリアルタイムストリーミング

コンテンツ名を基調とした
モバイルリアルタイムストリーミング
松園 和久,朝枝 仁(NICT)
ICN研究会2016/12/16
背景・動機
n 
n 
n 
n 
高品質ビデオ(e.g. 4K/8K)ストリーミングの一般化 [1]
Ø  更なるモバイルビデオトラッフィクの増加が予想される
p  重複データを抑えた効率的なデータ転送が重要
Ø  帯域利用効率の観点から高圧縮映像符号は必要不可欠
p  データロスを防ぐ効果的なデータ転送が必要
Content-Centric Networking (CCN)
Ø  コネクションレス型通信
Ø  マルチソース/マルチパス転送が容易、マルチキャスト通信を内包
Ø  ネットワークキャッシュ
Question: CCNは高品質・低遅延なビデオストリーミングをどのうように
効果的にサポート可能か？
Ø  e.g.) video conference, security surveillance camera
Motivation: CCNを活用した高信頼かつスケーラブルなリアルタイムストリー
ミングを実現できないか？
[1] P. Seeling et al. “I want pixels. (Entering the age of 4K), IEEE Potentials, vol. 33, no. 6, 2014, pp. 27-30 2
CCNの問題定義
n 
n 
n 
n 
ビデオストリーミングにもたらすCCNの利点に関しては、　多くの研究成果で既に示されている
Ø  しかし、VoDサービス (e.g. MPEG-DASH)を対象とし
たものが多い。
低遅延向けストリーミングサービスを対象
Ø  NDN-RTC [1]
Ø  Redundant Packet Transmission (RPT) [2]
高品質・低遅延向けビデオストリーミングに適用する場合、
“Interestをどのように送信すべきか？”が課題となる
解決策である“Symbolic Interest”のConsumer Mobilityへの
適用を検討する
[1] P.Gusev,etal.“NDN-RTC:real->mevideoconferencingovernameddatanetworking,”
Proc.ACMICN’15,2015.
[2]D.Han,etal.“RPT:re-architec>nglossprotec>onforcontent-awarenetworks,”
Proc.USENIXNSDI,2012.
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問題点 (1/2)
n 
ConsumerはInterestをどのように送信すべきか？
/video.com/video1/seq=1
Ø  CCNの受信者駆動型通信
p 
n 
１Interest ßà 1 Data (Segment/Chunk)
Interest
Data
Consumer /video.com/video1/seq=1
(Receiver)
Bursty Interestの発生
Ø  e.g.) 10Mbps, データサイズ1000byteの場合,
1秒間に1250個のInterestを送信する必要がある
Ø  ネットワーク輻輳を誘発し、データ損失発生
consumer/publisher
Interest
consumer/publisher
ICN/CCNNetwork
consumer
Data
Publisher
4
問題点(2/2)
n 
n 
ConsumerはInterestをどのように送信すべきか？
Consumerは複雑なInterest発行処理が要求される
Ø  マルチキャスト通信が出来ない
Ø  通信遅延の最小化が困難[1]
Non-multicasting
Interestの到着タイミング問題
①Interest:/video.com/video1/seq=1
②Data:/video.com/video1/seq=1
③Interest:/video.com/video1/seq=1
④Data:/video.com/video1/seq=1
Interest
seq=1
seq=2
seq=3
ICN/CCNNetwork
seq=1
seq=2
seq=3
seq=1
seq=2
seq=3
Data
DuplicateData
[1] P. Gusev, et al. “NDN-RTC: real-time video conferencing over named data networking,” Proc. ACM ICN, 2015.
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解決策： Symbolic Interest (SMI) n 
n 
n 
Symbolic Interest (SMI)の特徴
Ø  従来のInterest (RGI)は、 “コンテンツのデータ”を指定
Ø  SMIは、 “コンテンツ名そのもの”を指定
Consumerの動作:
Ø  SMIの “InterestLifetime”を数秒(e.g. 10秒)に設定
Ø  定期的にSMIを送信(e.g. 4.5秒毎)
Routerの動作:
Ø  新たなSMIを受信した場合、タイマーをアップデート
Ø  タイマーが有効な場合、継続的に受信したコンテンツデータを送信
Ø  InterestLifetimeのタイマーが切れた場合のみ該当 PITエントリーを削除
1) Low interest traffic
volume J
2) Universal MulticastJ
3) Lower latency J
1
2
PendingInterestTable(PIT)
3
1
Requested
/ABC.com/contnt-A/
++seqnum
Face0
Face1
InterestLifetimeで指定されたタイマー
/ABC.com/content-A
Face0
Symbolic
Interest (SMI)
2
Prefix
3
Face1
4
5
6
/ABC.com/content-A/seq=6
6
Symbolic Interestの効果
n 
SMI VS. VoCCNアプローチ[1]
n 
n 
Publisherの各データ転送レート(1Mbps – 30Mbps)に対する
Consumer側(8台)の平均スループットを比較
CCNx0.8.2を使用
SMIを用いた場合,
全てのconsumerが
最高スループットを達成
1)従来方式では、ストリーミング消費帯域の
増加に伴うバーストトラフィック発生に
起因してスループットの低下が発生
2)受信すべきストリーミング転送レートに応じて
Pipelinesizeの設定が厳密に要求される
[1] V. Jacobson, et al. “VoCCN: Voice-over content centric networks,” Proc. ACM ReArch Workshop, 2009.
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Consumer MobilityへのSymbolic Interest適用
n 
n 
課題： ハンドオーバ時の対応
Ø  新APからリアルタイムデータを迅速に取得できない
Ø  旧APにて不必要なデータ送信が発生
Ø  バースティロスによるQoE低下が発生
アプローチ：
Ø  Consumerは、SMIのInterestLifetime及び送信頻度をネットワーク状
態に応じて動的に変更させる
Ø  RGIを併用し、損失データ発生時にIn-network Cacheから迅速に補完
Timer specified by InterestLifetime
Symbolic
Interest
(SMI)
Regular
Interest
(RGI)
AP1
cache
AP2
InterestLife>me
(dura>on>mefordatatransmission)
Max
cache
Min
>me
AP1
AP2
8
どのようにSMIのパラメータを変更するか？
n 
n 
現状では簡易性を重視し、トランスポートレイヤーのみで対応
Ø  ネットワーク状態把握にはパケットロスのみを使用
SMIのInterestLifetime(SMI_LT)と送信頻度(SMI_Freq)　の変更アルゴリズム
Ø  AIMD(Additive Increase Multiplicative Decrease)にて
SMI_LTを変更
SMI _ LT (t) + a, if noPktloss
SMI _ LT (t +1) = {
Ø 
b × SMI _ LT (t), if Pktloss
SMI_Freqは決定されたSMI_LTを元に調整
SMI _ Freq Setting :
SMI _ Freq(t) = SMI _ LT (t) − 0.1 / c
Ø 
Initialization:
SMI _ LT ← 5s, SIM _ Freq ← 4.9 / 2
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シミュレーション検証
n 
3つのアプローチ
Ø  Adaptive SMI
p  Max/Min SMI_LT; 5.0/0.5(sec)
Ø  Static SMI
Publisher
p  SMI_LTとSMI_Freqは、Adaptive SMIの初期値で固定
Bit-rate3Mbps
Ø  CCN
p  Interestの送信レートはビデオデータ転送レートに対応
システムパラメータ
Ø  Interest/Data size: 120/1024(bytes)
20Mbps/10msec
Ø  Cache Capacity: 1GB
Ø  ハンドーオーバ時間：50(msec)
AP1
AP2
AP3
Ø  移動スピード: 15m/s
Ø  AP間の距離: 215m
802.11a
Mobile
consumer
n 
Fixed consumer
(100pkts/sec)
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結果
32000
30000
35000
# sent interest packets
# data packets sent by each AP
30000
28000
25000
26000
20000
24000
15000
22000
10000
20000
18000
1
2
1 2
1
Mobile consumer-id
2
5000
AP1AP2AP3AP1AP2AP3 AP1AP2AP3
1
0.9
0.8
Adaptive SMI
0.7
Static SMI
0.6
CCN using RGI
0.5
0.4
CDF of
data reception delay (sec)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
11
まとめ
n 
Symbolic Interest (SMI)を活用した高品質・低遅延向けモバ
イルビデオストリーミングの提案:
Ø  SMIのメリット
p 
p 
Ø 
Bursty Interestの回避
Consumerに複雑なInterest発行処理を要求せず、低遅延なマル
チキャスト通信を実現
SMIのConsumer Mobilityへの適用を検討
p 
動的にSMIのInterestLifetife及び送信頻度をネットワーク状態に
応じて変更
従来のSMIを用いたアプローチ、及びパイプライン アプローチと比較して、Trafficを抑えると共にデータ
取得遅延を低減
今後の課題:
Ø  アルゴリズムの改良検討と実ネットワークでの検証
Ø 
n 
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13
関連研究
n 
n 
n 
NDN-RTC[Gusev+, NDNTR’15]
Ø  低遅延ビデオストリーミングを対象としたInterest制御を提案 (latency
200ms—700ms)
p  1) mediaのbit-rate, segmentのフレームタイプを参照, 2)データ受信タイ
ミングを計測し、interest送信タイミングを逐次調整することにより
Publisherがデータを生成する直前に対応インタレストを到着させる
Redundant Packet Transmission (RPT)[Han+, NSDI’12]
Ø  各ルータはキャッシュデータを利用して、帯域オーバーヘッドを抑えた冗長
データを転送し、低遅延かつロバストな通信を実現。
Ø  直近の数十秒間の全てのトラッフィクをキャッシュすることを前提としてい
るため、キャッシュ容量を考慮した場合、現実的ではない。
Consumerに複雑なInterest発行方式を要求せず、高信頼かつ
スケーラブルな低遅延高品質ストリーミングを実現するには？
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