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An assessment of the impact of the use of the MPEG DASH in network, as a function of fitness this technique.

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This review will seek to explain how the MPEG DASH specification can be used to provide a technology that, in combination with the HbbTV standard, can connect to any service and for any connected device in the future. It will analyze the technical aspects of the new standard MPEG DASH, such as MPEG DASH supports "streaming" live video on demand through the recording of personal videos on the net (NDVR), as well as the two major video formats - ISO is that the base media file format (IBMFF) and MPEG-2 TS.

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An assessment of the impact of the use of the MPEG DASH in network, as a function of fitness this technique.

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA “UMA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DA UTILIZAÇÃO DO MPEG DASH NA REDE, EM FUNÇÃO DA ADAPTABILIDADE DESTA TÉCNICA”Nome: Paulo Silveira Telefone: (41)9972-3927 e-mail: pauloc_silveira@ig.com.brOrientador: Eduardo Ribeiro Telefone: e-mail: edu@eletrica.ufpr.br CURITIBA NOVEMBRO/2012 PAULO CEZAR DIAS SILVEIRA 1
  2. 2. “Uma avaliação do impacto da utilização do MPEG DASH na rede, em função da adaptabilidade desta técnica” Proposta de Pesquisa para o Mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Paraná em 2013. Orientador: Eduardo Parente Ribeiro 2
  3. 3. SUMÁRIO “Uma avaliação do impacto da utilização do MPEG-DASH na rede, em função da adaptabilidade desta técnica” ....................................................................................................................................................... 21 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................ 42 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................................................................... 63 OBJETIVOS ............................................................................................................................................................ 94 MÉTODOLOGIA DA PESQUISA ..................................................................................................................... 105 CRONOGRAMA .................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.REFERÊNCIAS .............................................................................................................................................................. 10 3
  4. 4. 1 INTRODUÇÃONa maior parte da década passada, foi muito difícil transmitir ―live vídeo‖ (vídeo ao vivo)para um dispositivo. Variabilidade de banda larga, configurações de firewall desfavoráveise a falta de suporte na infraestrutura da rede, todas criaram obstáculos importantes para o―live streaming‖. Os primeiros e mais tradicionais protocolos de streaming, projetados paraos formatos de pacotes pequenos e redes de distribuição gerenciadas, não foram nadaamigáveis com os sistemas de ―firewall‖. Embora o HTTP ―download‖ progressivo fossedesenvolvido parcialmente para se obter ―stream‖ de áudio e vídeo depois de passar pelo―firewalls‖, ele ainda não oferece a verdadeira capacidade de ―streaming‖.Agora, com o advento da tecnologia de adaptativo ―streaming‖ (fluxo de dados) sobreHTTP tudo mudou, transformando a entrega de vídeo para PCs, laptops, consoles dejogos, tablets, smartphones e outros dispositivos móveis, bem como para os dispositivosdomésticos como TVs conectadas e set-top boxes (STBs) com IP hibrido, acarretando umaumento significativo no QoE (Qualidade de Experiência do Usuário). Como resultado,assistir vídeos ―online‖ ou em movimento não é mais uma grande novidade, nem fazer―streaming‖ pela Internet para entregar conteúdo nas telas de TV domiciliares.Impulsionada pela explosão em dispositivos de vídeo habilitados, os consumidoresrapidamente se movimentaram para a fase de adoção inicial do serviço de ―TVEverywhere‖, chegando ao ponto em que devido ao numero crescente de usuários mudoua exigência, onde a requisição passou a ser a de se obter qualquer mídia que estejadisponível, em qualquer dispositivo, através de qualquer conexão de rede, a qualquermomento. Cada vez mais, os consumidores também esperam a entrega de conteúdo paraatender os mesmos elevados níveis de qualidade que eles têm vindo a conhecer e gostarcomo os serviços das TVs tradicionais.Com o surgimento dos três principais protocolos de ―streaming‖ adaptativo da Adobe,Apple e Microsoft nos últimos anos, fez com que o vídeo em multi telas (multiscreen) setornasse uma realidade, apesar de significantes problemas ainda existirem. Cada umadas três plataformas proprietárias é um sistema fechado, com o seu próprio formato nouso de diferentes extensões de arquivo de texto, formatos de conteúdo e protocolos de―streaming‖. Assim, os produtores de conteúdo e fornecedores de equipamentos tiveramque criar várias versões diferentes de seus produtos para atender a totalidade domercado de ―streaming‖ de vídeo, muitos elevando os custos e restringindo odesenvolvimento global do mercado. 4
  5. 5. Em uma tentativa ambiciosa para resolver estes problemas importunos, MPEG adotourecentemente um novo padrão de streaming multimídia através da Internet. Conhecidocomo ―MPEG Dinâmico Adaptativo Streaming‖ via HTTP (MPEG DASH), um novo padrãopara a indústria com o intuito de criar um formato de distribuição universal para―streaming‖ de mídia, incorporando os melhores elementos das três principais soluçõesproprietárias de ―streaming‖. Ao fazer isso, MPEG DASH visa proporcionar uma busca deinteroperabilidade entre diferentes servidores da rede e diferentes dispositivos deconsumo eletrônico, impulsionando assim um ecossistema comum de conteúdos eserviços.O dinâmico adaptativo streaming sobre HTTP (MPEG DASH) é um novo conceito para o―streaming‖ de vídeo, usando transferências consecutivas de segmentos de vídeo decurta duração. 3GPP desenvolveu o padrão MPEG DASH o qual alem disto é estendidopelo ―Open IPTV Forum (OIPF) e MPEG‖. Em todas as versões disponíveis até a presentedata, apenas os simples conteúdos de casos de uso de proteção são habilitados.Extensões são necessárias para permitir importantes casos de uso avançado como o pay-per-view e mudança de licença de um canal de vídeo em curso.O ―Forum do MPEG‖ desenvolveu várias tecnologias para o transporte de multimídia,como o MPEG-2 Transport Stream (TS) e o ISO (Media Base File Format). Essastecnologias têm sido amplamente aceitas e muito usadas por várias indústrias eaplicações, como as ―Emissoras de Televisão Digital‖, ―Provedores de Serviço‖ através dotransporte de áudio e vídeo pela Internet, telefones celulares, tablets, etc.Nos últimos anos, a Internet tornou-se um importante canal para a entrega de multimídia.Como o HTTP é amplamente utilizado na Internet, ele tem sido usado extensivamentepara a entrega de conteúdo de multimídia. No entanto, não há um padrão para HTTPbaseado no streaming de mídia MPEG. O ―Forum do MPEG‖ pretende padronizar umasolução que atenda essas necessidades.Esta avaliação vai procurar explicar a forma como a especificação MPEG DASH pode serutilizada para oferecer uma tecnologia que, em combinação com o padrão HbbTV, podese conectar para qualquer serviço e para qualquer dispositivo conectado no futuro. Ela iráanalisar os aspectos técnicos do novo padrão MPEG DASH, como o MPEG DASHoferece suporte ao ―streaming‖ de vídeo ao vivo, sobre demanda através da gravação devídeos pessoais na rede (NDVR), assim como os dois principais formatos de vídeo - ISOque é à base de formato do arquivo de mídia (IBMFF) e MPEG-2 TS.A tecnologia do adaptativo ―streaming‖ vinculado ao MPEG DASH tem como objetivomostrar à adaptação dinâmica a taxa de bits do ―streaming‖ nas diferentes condições da 5
  6. 6. rede. Uma das características para a transmissão adaptável é quando do acessoorientado ao receptor (cliente) onde o arquivo de mídia é subdividido em segmentos,sendo que cada um dos segmentos é fornecido em várias taxas de bits, e a tarefa doreceptor é selecionar a apropriada taxa de bits para cada um dos segmentos. O DASHcomo um componente de serviço ponto a ponto é o capacitador para a mais altaexperiência do usuário (baixo inicio de reprodução e nenhum ―re-buffer‖), para reutilizar astecnologias existentes (containers, DRM, codecs, etc.), para a implantação sobre o HTTP-CDNs e como um habilitador que fornece simples interoperabilidade nos pontos (perfis).2 JUSTIFICATIVAO rápido aumento na conexão e nas taxas de banda larga nos domicílios, a crescentepopularidade dos aparelhos de TV conectados, e a propagação de terminais móveishabilitados (WiFi/3G/LTE) estão entre os principais fatores para a crescente popularidadedo vídeo na internet. Além de conexões mais rápidas, a entrega de melhoriastecnológicas na codificação e entrega de vídeo, esta tornando possível que maisconsumidores assistam conteúdo de vídeo ―online‖. A fim de garantir uma melhorexperiência do usuário, a taxa de transferência de diferentes tecnologias de acesso à redecom variações dinâmicas nas condições da rede, é fundamental que se adote tecnologiasque permitam uma entrega adequada do conteúdo de mídia. Uma dessas tecnologias é atransmissão adaptativa de vídeo ou (ABR – Adaptive Bit Rate) com o DASH, umcapacitador o qual providencia formatos que permitem a entrega eficiente e de altaqualidade de serviços de ―streaming‖ através da rede.O conceito de fluxo de vídeo adaptativo é baseado na ideia de se adaptar a largura debanda requerida pelo fluxo de vídeo, para a taxa de transferência disponível sobre ocaminho da rede a partir do fluxo de dados de origem para o cliente. A adaptação éexecutada variando a qualidade do fluxo de dados de vídeo transmitido e, deste modo asua taxa de bits, que é o número de bits necessários para codificar um segundo dereprodução. Uma das abordagens é a de dividir o ―streaming‖ de vídeo em segmentos ecodificar cada um dos segmentos em vários níveis de qualidade, chamadosrepresentações. Com base em sua estimativa do rendimento disponível, um cliente podesolicitar segmentos subsequentes em diferentes níveis de qualidade, a fim de lidar comdiferentes condições da rede. O processo algorítmico de decidir a representação idealpara cada um dos segmentos, a fim de otimizar a experiência de visualização é umelemento chave e um dos grandes desafios na adaptação de sistemas de ―streaming‖. Em 6
  7. 7. particular, os desafios para o cliente são (I) estimar adequadamente a dinâmica da taxade transferência disponível, (II) controlar o nível de preenchimento do ―buffer‖ local paraevitar que se atinja a máxima capacidade que uma maquina é capaz de armazenar,resultando em interrupções de leitura, (III) maximizar a qualidade do fluxo, evitando aomesmo tempo as flutuações de qualidade desnecessárias e, por último, (IV) minimizar oatraso entre o pedido do utilizador (cliente) e o início da reprodução.O DASH conduz ao aumento de consumo de vídeo pela rede (Internet, Cabo TV, Mobile),por fornecer um formato de distribuição universal, permitindo que as operadoras de formarentável streaming o conteúdo em adaptativas quantidades, para qualquer dispositivoconectado que pode ser implementado em todos os meios de entrega de conteúdo - deradiodifusão, cabo, celular e internet - enquanto fornece a interoperabilidade entre todosos perfis DASH e dispositivos conectados.A distribuição de conteúdo de vídeo pela Internet começou em 1990 com a entrega demultimídia no apropriado tempo e o consumo de grandes quantidades de dados sendo oprincipal desafio. A organização que desenvolve padrões para a transferência deinformação pela Internet (IETF) identificou que o ―Protocolo em Tempo Real‖ ou oProtocolo de Streaming em Tempo Real (RTP/UDP ou RTSP) foi projetado para definirformatos de pacotes para conteúdo de áudio e vídeo, juntamente com a gestão do―streaming‖ da sessão o qual permite a entrega desses pacotes com sobrecarga muitobaixa. RTP/UDP ou RTSP funciona bem em gestão de redes IP. No entanto, na Internetde hoje, as redes gerenciadas foram substituídas por redes de distribuição de conteúdo(CDN), muitas das quais não suportam ―streaming‖ de RTP/UDP ou RTSP. Além disso, ospacotes RTP/UDP ou RTSP muitas vezes não são permitidos através de firewalls.Finalmente, a transmissão em RTP/UDP ou RTSP exige que o servidor possa gerenciaruma sessão separada do ―streaming‖ para cada cliente, fazendo com que ocorramimplantações em grande escala de recursos intensivos.Com o aumento da largura de banda da Internet e do enorme crescimento da ―WWW‖, ovalor da entrega de dados de áudio ou vídeo em pacotes muito pequenos diminuiu.Conteúdos multimídia podem agora ser entregues de forma muito mais eficiente emsegmentos maiores (em contraste com os pequenos pacotes) usando HTTP. HTTPstreaming tem vários benefícios. Primeiro, a infraestrutura de Internet evoluiu para apoiareficazmente o HTTP. Por exemplo, CDN fornece localizado agrupamento de dados –―Cache‖ - que reduzem o tráfego de longa distância. Além disso, o HTTP é um protocolocom "firewall amigável", já que quase todos os firewalls são configurados para suportarsuas conexões de saída. HTTP tecnologia de servidor é um produto de consumo e, 7
  8. 8. portanto suporta o ―streaming‖ em HTTP para milhares de usuários com um custo maisefetivo. Em segundo lugar, com o fluxo de HTTP o cliente gerencia o ―streaming‖, sem anecessidade de manter um estado de sessão no servidor. Portanto, o provisionamento deum grande número de clientes de streaming não impõe qualquer custo adicional sobre osrecursos do servidor além do uso da web padrão de HTTP e pode ser gerenciado por umaCDN utilizando técnicas de otimização de HTTP padrão.Pelas razões acima, HTTP streaming tornou-se uma abordagem popular emimplementações comerciais comparativamente ao protocolo RTP/UDP ou RTSP. Porexemplo, plataformas de ―streaming‖, como o HTTP ―Live Streaming‖ da Apple (HLS) [3],―Smooth Streaming‖ da Microsoft [4], e ―HTTP Dynamic Sreaming‖ da Adobe [5] todosusam HTTP ―streaming‖ como o seu método subjacente de entrega. No entanto, cadaimplementação usa diferente extensão de arquivo de texto (inventario de carga) eformatos de segmento, portanto, para receber o conteúdo de cada servidor, umdispositivo tem de suportar seu correspondente protocolo proprietário do cliente. Umpadrão para o ―streaming‖ HTTP de conteúdo para multimídia permitiria um padrãobaseado no cliente para fazer ―streaming‖ de conteúdo de qualquer servidor baseado empadrões, o que permite a interoperabilidade entre servidores e clientes de diferentesfornecedores.A entrega de conteúdo de vídeo dentro da Web tornou-se hoje onipresente, o qual sebaseia principalmente em ―Hypertext Transfer Protocol‖ (HTTP) e, consequentemente oprotocolo de controle de transmissão (TCP). Portais de vídeo online como o YouTubeNetflix ou Hulu contam com milhares de usuários assistindo seu conteúdo a cada dia. Amaioria destas plataformas adota soluções proprietárias baseadas em downloadprogressivo via HTTP. Recentemente, o HTTP adaptativo streaming foi introduzido,incluindo implementações baseadas nas três principais soluções proprietárias de―streaming‖. Neste contexto, a norma ISO/IEC desenvolveu o MPEG DASH permitindodinâmicas de transmissão adaptáveis sobre HTTP (MPEG DASH) [4].Todos estes sistemas podem alavancar as mesmas vantagens sobre ―streaming‖ de vídeotradicional, ou seja, usando RTP/UDP ou RTSP. Em primeiro lugar, HTTP adaptativo―streaming‖ é capaz de adaptar o fluxo de vídeo para as condições de largura de bandavariável, o que é especialmente importante quando se trata de cenários móveis usando―smartphones‖ ou ―tablets‖ em redes de celulares 3G/4G. Usando esta adaptação épossível entregar o vídeo continuamente, sem atraso ou longos períodos de ―buffer‖ parao usuário. Além disso, é possível alavancar redes de conteúdo existentes para a entrega(CDN) e infraestruturas de ―Cache‖ e de ―Proxy‖, que são otimizados para a entrega pelo 8
  9. 9. HTTP e no qual os custos são significativamente menores do que as infraestruturasdedicadas de ―streaming‖.Todas as soluções da indústria, bem como o MPEG DASH, seguem a mesma abordagemde blocos, ―streaming‖ baseado em HTTP. A ideia básica é que o conteúdo de mídia serácodificado em diferentes versões, que diferem em bitrates, resoluções, etc., e, então serácortado em segmentos que podem ser acessados individualmente pelo cliente através desolicitações HTTP GET. No MPEG DASH uma versão do conteúdo de mídia com umacaracterística específica (por exemplo, bitrate, resolução) é referenciado como umarepresentação. Uma representação pode ser constituída por vários segmentos de umdeterminado comprimento, que correspondem ao conteúdo de mídia cortado empequenos pedaços. Assim, o cliente tem a possibilidade de alternar entre essasrepresentações nos segmentos limites para ajustar o bitrate de mídia para a sua atualcapacidade de taxa de transferência da sua conexão pela Internet. Estes segmentos sãotransferidos ―Over The Top‖ (OTT) da infraestrutura atual da Internet, seguindo ummodelo de ―puxar‖ orientado para o cliente. Além disso, todos os sistemas adaptativos deHTTP ―streaming‖ mantém como já foi comentado algum tipo de arquivo que usadiferentes extensões de arquivos de texto (inventario de carga), como a descrição deapresentação de mídia (MPD) do MPEG DASH, a qual é baixado pelo cliente no início dasessão de ―streaming‖ para obter as informações sobre a taxa de bits de mídia, resolução,etc., de cada representação, bem como as URLs dos segmentos [5] [6].O próximo padrão HTML 5 [7] oferecera novas formas de integrar áudio e vídeo em sitesda Web, aproveitando incorporadas capacidades dos browsers. Por exemplo, o YouTube[8] já está experimentando o elemento de vídeo em grande escala, alavancando seuformato WebM recipiente [9], em combinação com o vídeo VP8 e ―codecs‖ de áudio―Vorbis‖. Com a ―Fonte de Mídia‖ API [1] é agora também possível usar o adaptativo―streaming‖ HTTP em combinação com o elemento de vídeo possibilitando aimplementação do MPEG DASH com ―Java Script‖ com o uso do elemento de vídeoHTML 5.3 OBJETIVOS Avaliar a tecnologia do adaptativo ―streaming‖ vinculado ao MPEG DASH com o objetivo de mostrar à adaptação dinâmica a taxa de bits do ―streaming‖ nas diferentes condições da rede. 9
  10. 10. Comparar o ―streaming‖ de vídeo tradicional, que é baseado na utilização do protocolo de ―streaming‖ de transporte em tempo real (RTP/ UDP ou RTSP) com o dinâmico adaptativo ―streaming‖ sobre HTTP ( MPEG DASH).4 MÉTODOLOGIA DA PESQUISAPara execução da avaliação será efetuada uma pesquisa bibliográfica através de estudode casos e de um levantamento bibliográfico para a fundamentação teórica do projeto queserá realizado utilizando artigos publicados na Internet e documentos da EBU, SMPTE eIEEE pertinentes ao tema MPEG DASH, OTT e HbbTV. REFERÊNCIAS[1] Miller, P., SVP/GM Digital Media at NBC Sports, keynote,http://blogs.msdn.com/b/tims/archive/2009/03/18/mix09-day-1-keynote-pt-2-scott-guthrie-on-advancing-user-experiences.aspx, March 2009.[2] Cisco Networks, ―Cisco’s Visual Networking Index Global IP Traffic Forecast 2010-2015,‖http://www.cisco.com/en/US/netsol/ns827/networking_solutions_sub_solution.html#~forecast, June 2011.[3] Pantos, R. and May, E. W., ―HTTP Live Streaming‖, Informational Internet Draft,http://tools.ietf.org/html/draft-pantos-http-live-streaming-06, March 2011.[4] Microsoft, ―IIS Smooth Streaming Transport Protocol,‖http://www.iis.net/community/files/media/smoothspecs/[MS-SMTH].pdf, September 2009.[5] Adobe, ―Adobe HTTP Dynamic Streaming,‖http://www.adobe.com/products/httpdynamicstreaming/.[6] 3GPP TS 26.247: "Transparent end-to-end Packet-switched Streaming Service (PSS);Progressive Download and Dynamic Adaptive Streaming over HTTP".[7] ―MPEG systems technologies — Part 6: Dynamic adaptive streaming over HTTP(DASH), ISO/IEC FCD 23001-6,‖ http://mpeg.chiariglione.org/working_documents/mpeg-b/dash/dash-dis.zip, January 2011.[8] : ISO/IEC 23001-6 Information technology – MPEG systems technologies – Part 6Dynamic adaptive streaming over HTPP (DASH)[9] Adobe HTTP Dynamic Streaming,http://www.adobe.com/products/httpdynamicstreaming/ (last access: Mar., 2012).[10] ISO/IEC DIS 23009-1.2, ―Information technology — Dynamic adaptive streamingover HTTP (DASH) — Part 1: Media presentation description and segment formats‖[11] T. Stockhammer, ―Dynamic Adaptive Streaming over HTTP – Standards and DesignPrinciples‖ , ACM Multimedia Systems, San Jose, California, USA, Feb. 2011, pp. 133-143.[12] I. Sodagar, ―The MPEG-DASH Standard for Multimedia Streaming Over theInternet‖ , IEEE Multimedia, vol. 18, no. 4, Oct.-Dec. 2011, pp. 62-67[13] I. Hickson, HTML5 - W3C Working Draft 25 May 2011, http://www.w3.org/TR/html5/(last access: Mar. 2012)[14] YouTube HTML5 Video Player, http://www.youtube.com/html5 (last access: Mar.2012).[15] WebM Project, http://www.webmproject.org 10
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