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1 UNIVERSIDAD DE OVIEDO DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA MEMORIA DEL PROYECTO DE TESIS DOCTORAL XICU XABIEL GARCÍA PAÑEDA GIJÓN, 9 DE ABRIL DE 2002

2 Análisis, modelado y configuración de servicios de vídeo bajo demanda sobre redes de cable Resumen En esta memoria se presenta el proyecto de tesis doctoral de Xicu Xabiel García Pañeda. Se comienza con una introducción en la que se refleja el marco en el que se encuadra la tesis y las motivaciones para el desarrollo de la misma. Una vez enmarcado el campo de trabajo, se definen los objetivos de la tesis que persiguen proporcionar a los operadores de redes de cable los conocimientos y una herramienta capaz de analizar el impacto de este tipo de servicios en sus redes y conseguir con ello un mejor servicio para sus abonados. Por último se presentan los medios de los que se dispone para llevar a cabo la tesis, el trabajo ya realizado y el currículum del doctorando. Introducción Desde hace dos décadas, primero en EEUU y luego por toda Europa, las redes de cable han ido extendiéndose de forma imparable. A lo largo de este periodo la tecnología sobre la que estaban implementadas ha ido mejorando, pasando así de la utilización de cables coaxiales que obligaban al uso de repetidores y proporcionaban un ancho de banda escaso, a la utilización de tecnología de transmisión óptica que ofrecen grandes posibilidades en fiabilidad y capacidad de transmisión. A principios de los noventa, y con objeto de rentabilizar las grandes inversiones en infraestructura, los operadores de cable consideraron la posibilidad de ofertar servicios que los operadores telefónicos no podrían ofrecer por su gran consumo de ancho de banda. Esto les permitiría atraer clientes y mejorar sus cuentas de resultados hasta entonces bastante negativas. Entre este tipo de servicios, a los que se denomina servicios de alto valor añadido, están los servicios multimedia interactivos (SMI). Los SMIs son servicios que transmiten información en formatos de audio, vídeo y secuencias animadas de imágenes. Permiten que el usuario acceda a información en estos formatos sin tener que descargarla previamente, y por tanto disminuyen la utilización de recursos en el cliente. Hoy por hoy, los SMI todavía representan una parte pequeña del tráfico, aunque se espera que en los próximos años lleguen a ser una parte muy importante con servicios como por ejemplo, la televisión interactiva, la WEB TV, etc. Departamento de Informática 2

3 La aparición de estos servicios que realizan un uso exhaustivo de los recursos, tanto hardware como de red, hace que los proveedores se planteen dudas como: qué condiciones deben tener de las redes para soportarlos?, a cuántos usuarios se puede ofertar el servicio garantizando a la vez su calidad?, qué características deben tener los servicios?, qué estructura lógica debe tener el servicio para optimizar el consumo de recursos?. Aparece entonces la necesidad de disponer de conocimientos y herramientas que permitan resolver estas y otras muchas cuestiones. En este entorno surge la investigación que trata de afrontar esta tesis. Llegar a conseguir el conocimiento y la herramienta que permita a los operadores de redes de cable predecir el impacto de estos novedosos servicios en sus redes y configurarlos de forma efectiva. Marco de aplicación Esta tesis se enmarca de forma general dentro del campo del análisis de prestaciones y calidad de servicio. Para medir estos parámetros se utilizarán métricas clásicas como utilización de recursos y otras más novedosas que ya fueron ligeramente presentadas en el trabajo de investigación para la obtención de la suficiencia investigadora del doctorando. Entre las diferentes técnicas existentes para realizar este tipo de estudios, se ha elegido la técnica de modelado, debido a la complejidad de la red subyacente y a las facilidades de manejo para los técnicos de los operadores de red a los que se pretende hacer llegar la herramienta final. A pesar de esto, no se descarta apoyar la investigación en análisis por medición ya realizados, y que probablemente se vayan ampliando en un futuro. Dentro del amplio marco de los sistemas de comunicaciones el trabajo de tesis se centrará en dos puntos clave: Redes de cable. Servicios multimedia interactivos. Ambos campos son de gran interés por el avance en la implantación de operadores de cable que tratan de incorporar servicios del alto valor añadido. El análisis de servicios de este tipo y su impacto sobre las redes de banda ancha es, hoy por hoy, un campo emergente y de gran proyección. En la actualidad apenas existen una decena de estudios sobre todo orientados a servicios de tele-educación, donde tanto los usuarios, como los contenidos y las redes se enmarcan en un entorno muy especifico. Objetivos de la tesis En esta tesis se pretende llevar a cabo el análisis y modelado y simulación del funcionamiento de servicios multimedia sobre una red de cable. Para ello se trabajará en los siguientes aspectos: 1. Análisis y modelado de una red de cable real con tráfico convencional. Se pretende realizar un análisis del comportamiento de una red de cable que incorpore Departamento de Informática 3

4 sobre análisis ya realizados los nuevos elementos que continuamente aparecen en un entorno cambiante como son las telecomunicaciones. El análisis de la red se centrará en las típicas redes HFC que están implantando los operadores de cable por toda la Unión Europea. Basándose en los estudios anteriores realizados en el Departamento de Informática y en los resultados derivados del propio análisis se creará un modelo basado en aplicaciones y perfiles que permita obtener diferentes métricas de funcionamiento y calidad de servicio. En esta primera etapa el modelo reflejará los servicios básicos que pueden encontrarse en las redes actuales como: servicios de páginas web, servicios de ftp, servicios de correo electrónico, etc. Con la creación de un modelo basado en aplicaciones y perfiles se pretende que este sea fácilmente escalable en cuanto a la incorporación de nuevos servicios y la adaptación a las nuevas tendencias en el comportamiento de los usuarios. 2. Análisis de servicios multimedia interactivos. El segundo paso a realizar será el análisis de diferentes servicios multimedia interactivos, entendiendo por servicio: la aplicación que soporta, el comportamiento del usuario, los diferentes elementos activos (servidores, proxys, splitters, etc), la red de interconexión, y las diferentes arquitecturas de servicio derivadas de la disposición de los elementos activos en la red. Para ello, se utilizarán datos obtenidos a partir de servicios reales y experiencias de laboratorio. Se estudiará el funcionamiento del servicio, la calidad percibida por el usuario, patrones de comportamiento del usuario, consumo de recursos en los dispositivos hardware, consumo de ancho de banda en la red, etc. 3. Modelado de servicios multimedia interactivos. Creación de modelos para los servicios que puedan ser integrados en el modelo de red desarrollado como primer objetivo de la tesis. Deberán crease modelos para el representar el comportamiento de la aplicación y para representar los diferentes elementos activos necesarios para llevar a cabo el procesamiento requerido por el servicio. Además deberán modificarse los perfiles de comportamiento de los usuarios para que accedan a los nuevos servicios. 4. Validación del modelo. Se contrastarán los datos obtenidos por el modelo con datos reales proporcionados por la compañía Telecable de Asturias S.A.. 5. Realización de simulaciones. Se realizarán simulaciones que permitan analizar diferentes parámetros como el consumo de recursos, el escalado y la calidad de servicio. 6. Obtención de conclusiones. Con los resultados de las simulaciones se tratará de obtener conclusiones sobre la configuración más efectiva y las posibilidades reales de implantación de servicios multimedia interactivos sobre redes de cable. Trabajo desarrollado La tesis propuesta sigue la línea de investigación iniciada a partir del proyecto INSEMIN (Integración de servicios multimedia interactivos de tiempo real en sistemas de televisión por cable, FEDER) para el estudio del impacto de nuevos servicios en la red de cable. A la finalización de este proyecto la investigación continúa en el marco de los proyectos NUEVA-MEDIA (Contrato Directo con Telecable de Asturias S.A y Departamento de Informática 4

5 Editorial Prensa Asturiana), TELE-MEDIA (Contrato Directo con Telecable de Asturias S.A y Editorial Prensa Asturiana) MODEL-MEDIA (Contrato Directo con Telecable de Asturias S.A). En el campo de trabajo de la tesis, se presentó el proyecto de investigación para la obtención de la suficiencia investigadora titulado: Estudio de la Tecnología de Streaming como base para la Evaluación de Servicios de A/V Bajo Demanda Interactivos. Dirigido por el Dr. Francisco José Suárez Alonso. Además, se han presentado en congresos internacionales las siguientes ponencias: Modelling and Performance Evaluation of an HFC Network Operator. Autores: Manuel García, X. G. Pañeda, Daniel García, José Ramón Arias y Víctor García. En Protocols for Multimedia Systems (PROMS 2000). Octubre de A Tool for Performance Prediction of an HFC Operator Based, on Queuing Network Model. Autores: Manuel García, X. G. Pañeda, Daniel García, José Ramón Arias y Víctor García. En 2001 International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems. Julio de Modelado y Análisis de Prestaciones de la Red HFC de un Operador de Cable. Autores: Manuel García, X. G. Pañeda, Francisco J. Suárez, José Ramón Arias y Víctor García. En Congreso Iberoamericano de Telemática (CITA 2001). Agosto de Integración de Servicios Multimedia Interactivos en Redes de Televisión por Cable. Autores: Daniel García, Manuel García, José Ramón Arias, Francisco J. Suárez, X. G. Pañeda, José L. López. Victor García, En International WorkShop on Mutimedia Applications (INTEMEDIA 2001). Mayo de Medios disponibles Hardware Los medios hardware de los que se dispone para realizar el proyecto de tesis son los siguientes: Multiprocesadores de diferentes características (áreas de ATC y Telemática). Comunicaciones Los medios disponibles en cuanto a comunicaciones: Maqueta de red de cable (proporcionada por Telecable) Posibilidad de utilización de la red Real de la empresa Telecable para diferentes tipos de pruebas y obtención de valores reales de funcionamiento. Departamento de Informática 5

6 Software Los medios software de los que se dispone son los siguientes: Herramientas de simulación: o Modline. Simulador de propósito generar basado en lenguaje QNAP2. o Opnet. Simulador para sistemas telemáticos. Software para la generación, distribución y reproducción de contenidos multimedia basados en la tecnología de Streaming: o Helix Producer o Helix Internet Server o RealServer o RealProxy o RealProducer o RealPlayer o RealOnePlayer o Darwin Streaming Server o Darwin Streaming Proxy o QuickTime PRO o Sorenson Streaming Generator Sistema de Tele-reunión ISABEL. Bibliográficos A continuación se enumeran los artículos y libros de los que se dispone para afrontar el inicio del trabajo de Tesis: [Acharya2000] [Agarwal98] [Alesso2000] [Almeida2001] [Alvear98] S. Acharya, B. Smith and P. Parnes, Characterizing User Access To Videos On The World Wide Web, in Proc. SPIE/ACM Conf. on Multimedia Computing and Networking, San José, CA, Jan, Raúl Agarwal, Jeff Ayars, Brad Hefta-gaub, Dale Stammen, RealMedia File Format, The Internet Society, marzo de H. Peter Alesso, e-video Producing Internet Video as BroadBand Technologies Convergence, Addison Wesley, Jussara M. Almeida, Jeffrey Krueger, Derek L. Eager, Mary Vermon, Análisis of Educational Media Server Workloads, NOSSAV José Alvear, Web developer.com, guide to streaming multimedia, John Wiley & Sons, Departamento de Informática 6

7 [Apple2000] Apple Computer, Inside QuickTime: QuickTime File Format, Apple Computer, [Apple2000b] Apple Computer, QuickTime Streaming, Apple Computer, [Apple2000c] [Ayars99] [Beamud2000] [Borges1999] Apple Computer, QuickTime Streaming Server Modules, Apple Computer, Jeff Ayars, Aaron Cohen, Ken Day, Erik Hodge, and others, Synchronized Multimedia Integration Language (SMIL) Boston Specification, W3C, A. Beamud Montero, Integración de Streams Multimedia con CORBA, Universidad de Murcia, septiembre de I. Borges, F. Fontes, J. Bastos, J. Loureiro, "Interactive services over HFC networks", Proceeding of International Conference on ATM, ICATM99, Jun 1999, Colmar, France [Chesire2001] Maureen Chesire, Alec Wolman, Geoffrey M. Voelker, Henry M. Levy, Measurement and Analysis of a Streaming-Media Workload, USENIX [Cohen1998] [Cohen1998] [Elloumi1998] R. Cohen and S. Ramanathan, "TCP for high performance in hybrid fiber coaxial broad-band access networks'', IEEE/ACM Transactions on networking. Vol. 6, no 4, pp , Feb R. Cohen and S. Ramanathan, "Using proxies to enhance TCP performance over hybrid fiber coaxial networks'', Computer Communications. Vol. 20 No. 16, January O. Elloumi et al., "A study of TCP dynamics over HFC networks'', Proceedings of Globecom'98, pp , November, 1998, Sydney, Australia. [Fleischman98] Eric Fleischman, Advanced Streaming Format (ASF) Specification, The Internet Society, febrero de [Fliending99] R. Fielding, UC Irvine, J. Gettys, J. C. Mogul, H. Frystyk, L. Mesinter, P. Leach, T. Berners-Lee, Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.1, The Internet Society, junio de [García2000] M. Garcia, J. G. Pañeda, D. F. Garcia, V. G. Garcia, and J. R. Arias, Modeling and performance evaluation of an HFC network operator, Proceedings of the Protocols for Multimedia Systems (PROMS2000), pp octubre de 2000, Crakow, Polonia. [Golmie1998] N. Golmie, F. Mouveaux, L. Hester, "The NIST ATM/HFC Network Simulator Operation and Programming Guide", National Institute of Standard and Technology, December Available Departamento de Informática 7

8 at: [Handley98] [Hégaret2000] [Jimmy98] M. Handley, V. Jacobson, SDP: Session Description Protocol, The Internet Society, Abril Philippe Le Hégaret, Patrick Schmitz, Synchronized Multimedia Integration Language Document Object Model, W3C, 2000 T.P. Jimmy To, Babak Hamidzadeh, Interactive video-on-deand systems, resource management and scheduling strategies, Kluwer Academic Publishers, 1998 [Jones99] Frederic H. Jones, VídeoDigital, Anaya Multimedia, [Koenen2000] Rob Koenen, Overview of the MPEG-4 Standard, ISO, [Microsoft2000] [Miguel94] [Mungee2000] [OMG2000] [OMG97] [Padhye1998] [Paulsen2001] Microsoft Corporation, Inside Windows Media, Windows Media, T. P. de Miguel, S. Pavón, J. Quemada, P. L. Chas, J. Fernández- Amigo, C. Acuña, L. Rodríguez, V. Lagarto, J. Bastos, ISABEL Experimental Distributed Cooperative Work Application over broandband Network, In Multimedia: Advanced Teleservices and High-Speed Communication Architectures, Ed. Ralf Steinmetz, Springer-Verlag, Sumedh Mungee, Nagarajan Surendran, Yamura Krishnamurthy, Douglas C. Schmidt, The Design and Performance of a CORBA Audio/Video Streaming Service, Idea Group Publishing, Audio/Video Stream Specification, OMG RFP Submission, enero de Control and Manegement of Audio/Video Streams, OMG RFP Submission, octubre de J. Padhye and J. Kurose, An Empirical Study of Client Interactions with a Continuous-Media Courseware Server, NOSSDAV 98. July Karl Paulsen, Video & media servers, technology and applications, Focal Press, [Quemada96] J. Quemada, T. P. de Miguel, S. Pavón, J. Salvachua, M Petit, D. Larrabeiti T. Robles, G. Huecas, ISABEL: A CSCW application for the distribution of events. Multimedia Telecomunications and Application, Ed: G. Ventre, J. Domingo, A. Danthine. Springer- Verlag, [Raghavan98] S.V. Raghavan, Satish K. Tripathi, Networked multimedia Departamento de Informática 8

9 systems, concepts, architecture, and design, Prentice may, [RealNetworks99] RealServer administration guide, RealNetworks, [Schulzrinne2000] [Schulzrinne94] [Schulzrinne96] [Schulzrinne98] [Shuldong2001] [Sitaram2000] [Wu2001] [Yee1998] H. Schulzrinne, Casner, Frederick, Jacobson, RTP: a Transport Protocol for Real-Time Applications, The Internet Society, julio de H. Schulzrinne, Issues in desingning a transport for audio and video conferences and other multiparticipant real-time applications, The Internet Society, mayo de H. Schulzrinne, RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control, The Internet Society, enero de H. Schulzrinne, A. Rao, R. Lanphier, Real Time Streaming Protocol (RTSP), The Internet Society, febrero de Shuldong Jin, Azer Bestabros, Gismo: A Generator of Internet Streaming Media Objects and Workloads. October 2001 Dinkar Sitaram, Asit Dan, Multimedia servers, applications, environments, and design, MKI, Dapeng Wu, Yiwei Thomas Hou, Wenwu Zhu, Ya-Qin Zhang, Jon M. Peha, Streaming Video over the Internet: Approaches and Directions, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, February J.C. Yee, "Simulation study of backbone provisioning for a HFC network'', Com21 Technical report, Departamento de Informática 9

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