Transmissões de vídeo ao vivo geradas por usuários: caracterização e análise

TRANSMISSÕES DE VÍDEO AO VIVO GERADAS

POR USUÁRIOS:

CARACTERIZAÇO E ANÁLISE

Dissertação apresentada ao Programa de

Pós-GraduaçãoemCiêniadaComputação

doInstituto de Ciênias Exatas da

Univer-sidade Federal de Minas Gerais omo

re-quisito parial para a obtenção do grau de

Mestre emCiênia daComputação.

Orientador: Jussara Marques de Almeida

Co-Orientador: Dorgival Olavo Guedes Neto

Agradeçoprimeiramenteàminhafamíliapormeofereerumaótimaformaçãopessoal.

Um agradeimento espeial aos meus pais, Apareida e Hiran, pela grande destreza

na difíil tarefa de eduar, omo também por sempre me apoiar em todas as minhas

esolhas, por mais insanas que sejam. Agradeço aos meus tios, emespeial àtia Udy,

tia Mone e tio Juliate Kbça, pela alegria, simpatia e apoio, não neessariamente

nessa ordem. Agradeço também aos meus avs, ujo meu arinho e admiração são

inexpliáveis.

Meus sineros agradeimentos a todos os verdadeiros mestres que foram meus

exemploseinentivadoresparaontinuarnavidaaadêmia. Égrandeaadmiraçãoem

espeialpordoisprofessores,JussaraeDorgival,quealémdaextremaompetênia,me

inspiram tambémde outras formas. Jussara pelasua paixão pelapesquisa, e Dorgival

pelasua simpliidadeeompanheirismo. Osdois juntos meforneeram orientaçõesde

altíssima qualidade.

Agradeçoaos ompanheirosdoVOD porfazerem desselaboratórioo mais

diver-tido da UFMG. Espeialmente o pessoal davelha guarda Alex, Daniel,Maia, Itamar

e Palloti (em ordem de idade 8) ), bem omo os abras da peste Flávio, Dudu e

de-mais soldados. Agradeçotambémaos ompanheirosdaárea,ViníiuseEverthon. Que

venham muitos outros trabalhos e ervejas juntos. A todos, obrigado pelo auxílio e

amaradagem durantetodaminha trajetórianomestrado.

Não posso deixar de agradeer também aos amaradas das antigas Mangões,

Leo, Monoh, Lilian, Laura e a todos os outros, que também se devem onsiderar

menionados. Bons ausos são supimpas e não tem preço. Agradeimento espeial

ao Pedrosa pela inestimável ajuda na reta nal da dissertação. Obrigado também

aos novos amigos de BH, em destaque Diego e Bibinha, por todo o valioso suporte e

amizade.

Porm,gostariadeagradeeratodasasoutraspessoasquenãoforamtheba e

ontribuíramde algumaformapara a minha formaçãopessoal, prossional e ultural.

eleansa.

Nos últimos anos assistimos uma grande revolução om relação às formas de riação

e distribuição de vídeo na Internet. Com a popularização das âmeras digitais e o

aumentodasveloidadesdeaessoàInternet,ageraçãoedistribuiçãodevídeosnarede

mundial de omputadores aumentaram onsideravelmente. Reentemente surgiram

váriasempresasqueofereemaosusuáriosapossibilidadedetransmitir,gratuitamente,

uxo devídeoaovivoatravésdesistemasbaseadosnaWeb2.0. Apesardourtotempo

emqueessasapliaçõesoperamnaInternet,jáépossívelobservarum grandeaumento

de popularidade desses serviços.

Nesse ontexto, essa dissertação se destina a propor e avaliar soluções que

on-tribuam para melhorar a esalabilidade desse tipo de sistema. Este trabalho pode

ser dividido em duas partes. Primeiramente, oletamos dados de um sistema real de

transmissão de vídeo ao vivo baseado na Web 2.0, o Yahoo Live, e realizamos uma

araterização de aspetos importantes dos padrões de omportamento dos usuários.

Determinamos modelospara, entre outros aspetos, a duração das sessões, oproesso

de hegada de novas sessões durante uma transmissão e a duração das transmissões

realizadas pelos anais.

Emseguida,osresultados dessaaraterizaçãoforamutilizadosnaonstruçãode

um simuladorde arquiteturasdedistribuiçãode onteúdo,inluindoastradiionais

so-luções liente/servidor e Par-a-Par(aqui refereniada omo P2P pura). Osresultados

da araterização tambémmotivaram a proposição de duas novas estratégias híbridas

que ombinambenefíios dessas duasarquiteturas. Nós então realizamosuma extensa

avaliação das quatro estratégias de transmissão, em diversos enários, onsiderando

métrias que reetem tanto o interesse dos usuários (porexemplo, índie de

ontinui-dade eatraso de iniialização) quanto do servidor (banda de rede). Nossos resultados

indiam que asestratégias híbridas levamaos melhores ompromissosentre qualidade

Inthepast fewyears,wehaveobserved ahugerevolutionintermsofthewaywereate

and distribute video onthe Internet. With the popularization of digital ameras and

with the inrease of Internet aessspeeds, videoontent reationand distribution on

theInternethas grown onsiderably. Thereareanumberofreentlyreatedompanies

whihoertheusersthe possibilityoftransmitting,freeofharge,livestreamingvideo

using Web 2.0basedsystems. In spite oftheir short operationtime onthe Internet, it

is already possible toobserve a signiantpopularity inrease of those servies.

In this ontext, this dissertation aims to propose and evaluate solutions that

ontributetoimprovethesalabilityofthistypeofsystem. Thisworkenompassestwo

major steps. First, we olleted data froma popular online live video sharingservie,

andprovidedaharaterizationofkeyaspetsofuserdynamibehavioralpatterns. We

determine statistial models for, among other aspets, session durations, new session

arrival proess during a transmission, and duration of transmissions performed by a

hannel.

Next,ourharaterizationndingswereused todrivethedesignofasimulatorof

dierent ontent distribution arhitetures, inluding the traditional lient-server and

Peer-to-Peer (here referred to as pure P2P) solutions. Our haraterization ndings

also motivated the proposalof two new hybrid strategies, whih ombine the benets

from those two arhitetures. We then performed an extensive evaluation of the four

strategies, onsidering dierent senarios as well as metristhat reet both the

inte-rests of the users (e.g., ontinuity index and startup delay) and of the server (network

bandwidth). Our results indiate that the hybrid strategies yield the best tradeos

2.1 Partiipação dos Usuários no Envio de Vídeos aoVídeo . . . 9

2.2 Rede P2PBaseada em Árvore para Transmissão de Fluxo de Vídeo . . . . 11

2.3 Rede P2PBaseada em Malha para Transmissão de Fluxo de Vídeo . . . . 13

2.4 Partiipação dos Usuários no Envio de Vídeos Pré-Armazenados . . . 17

3.1 Popularidade de Sistemas de Transmissão de Vídeo ao Vivo Baseados na Web 2.0 . . . 30

3.2 Modelo de Interação dos Usuários om oSistema YahooLive . . . 31

3.3 Telade Exeuçãodo YahooLive.. . . 32

3.4 VisãoGeral - Volume de Canais . . . 35

3.5 VisãoGeral - Usuários Simultâneos . . . 36

3.6 Análises das Transmissões . . . 37

3.7 Intervalode Entrada naTransmissão . . . 38

3.8 Canais Únios porDia . . . 39

3.9 Temposde Sessões dos Usuários . . . 40

3.10 Probabilidade do Tempo de Sessão Durar mais 60s, em Função do Tempo já Deorrido. . . 41

3.11 HistogramadoTempo de Sessão . . . 42

3.12 Representatividadedos CanaisPopulares . . . 43

3.13 Análise de Fatores que Poderiam Inueniar na Popularidade . . . 44

3.14 Probabilidadede SessãoSuperior que 1Minuto . . . 45

4.1 Diagrama de Funionamento daEstratégia Híbrida . . . 50

4.2 Índie de Continuidade para oCenário 2 . . . 58

4.3 Índie de Continuidade para oCenário 3 . . . 59

4.4 Índie de Continuidade para oCenário 4 . . . 60

4.5 Nodos SimultâneosnoCenário3 . . . 61

Variações . . . 65

4.8 Contribuição dos Nodos no Sistema, para o Cenário 3 om Todas as Suas

Variações . . . 66

4.9 Contribuição dos Nodos no Sistema, para o Cenário 4 om Todas as Suas

Variações . . . 67

4.10 Contribuição daFonte noSistema,Cenário 3. . . 69

A.1 Índie de Continuidade -Cenário 1 . . . 79

B.1 Contribuição dos Nodos no Sistema, para o Cenário 1 om Todas as Suas

3.1 Resumo dos DadosColetados . . . 34

4.1 Notação . . . 52

4.2 Cenários de Avaliação . . . 54

4.3 Porentagem doÍndie de ContinuidadeAimade 95% aoLongodaT rans-missão, Considerando Todos osCenários e Todos osValores de

θ

. . . 56

4.4 Porentagem doÍndie de ContinuidadeAimade 95% aoLongodaT rans-missão, para o Cenário 1

θ

=0%, Cenário 2

θ

=25% e

θ

=50% e Cenário 4

θ

=75% . . . 57

4.5 Atraso de IniializaçãoEnfrentado porTodos osNodos, de Todos os Cená-riose Variações, ao seUtilizara Estratégia P2PPura eHíbrida Controlada 63 4.6 Atrasos de Iniialização Enfrentados por Todos os Nodos no Cenário 1 (

θ

=0%), Cenário 2 (

θ

=25% e

θ

=50%) e Cenário 4 (

θ

=75%), ao se Utili-zar as Estratégias P2PPura e Híbrida Controlada . . . 64

4.7 Contribuição dos Nodos Clientes ao Sistema em Todos Cenários e Todas suas Variações para Todas as Estratégias de Transmissão . . . 68

4.8 Eonomiade Banda de Rede Proporionada emComparação om a Estra-tégia C/S . . . 70

4.9 Eonomiade Banda de Rede Proporionada emComparação om a Estra-tégia C/S, pelo Cenário 1

θ

=0%, Cenário 2

θ

=25% e

θ

=50% e Cenário 4

θ

=75% . . . 70

4.10 Eonomia de Banda de Rede Proporionada pela Estratégia Híbrida Con-troladaemRelação à Híbrida, EmTodos osCenários eVariações . . . 72

B.1 Contribuição dos Nodos Clientes aoSistemano Cenário1

θ

=0% . . . 82

B.2 Contribuição dos Nodos Clientes aoSistemano Cenário2

θ

=25% . . . 83

B.3 Contribuição dos Nodos Clientes aoSistemano Cenário2

θ

=50% . . . 83

Lista de Siglas

ACA Arquitetura de Componentes Autnomos

C/S Cliente/Servidor

CDF Funçãode densidade aumulada

CDN Content Distribution Network

CV Coeientede Variação

DHT Distributed Hash Table

HON Hybrid Overlay Network

ID Identiador

IPTV Internet Protool Television

MLE Maximum Likelihood Estimation

P2P Par-a-Par

PDF Funçãode densidade de probabilidade

PMF Funçãomassa de probabilidade

VOD Vídeo sob demanda

Agradeimentos ix

Resumo xiii

Abstrat xv

Lista de Figuras xvii

Lista de Tabelas xix

1 Introdução 1

1.1 Objetivos . . . 3

1.2 Contribuições . . . 3

1.3 Organização daDissertação . . . 5

2 Contextualização 7

2.1 Transmissão de Fluxo de Vídeo ao Vivo. . . 7

2.1.1 Transmissão Através de ArquiteturasCliente/Servidor . . . 7

2.1.2 Transmissão Através de ArquiteturasP2P . . . 10

2.2 Transmissão de Fluxo de Vídeo Pré-Armazenado. . . 15

2.2.1 Transmissão Através de ArquiteturasC/S . . . 15

2.2.2 Transmissão Através de ArquiteturasP2P . . . 17

2.3 Trabalhos Relaionados. . . 19

2.3.1 CaraterizaçãodeSistemasparaTransmissãodeFluxosdeVídeo

ao Vivo . . . 19

2.3.2 Caraterização do Comportamento de Usuários de Sistemas de

Transmissão de Vídeos Pré-Armazenados . . . 22

2.3.3 Novas Estratégias de Transmissão de Fluxos de Vídeo ao Vivo . 25

de Vídeo ao Vivo 29

3.1 O SistemaAnalisado . . . 29

3.2 Coleta eTratamentodos Dados . . . 32

3.3 Visão Geral . . . 33

3.4 Comportamentodos Usuários . . . 34

3.4.1 Durações e Intervalosentre Transmissões . . . 35

3.4.2 Proesso de Chegada de Sessões . . . 37

3.4.3 Análisesdas Sessões . . . 38

3.5 Caraterização da Popularidade de Canais . . . 42

3.5.1 Audiênia . . . 42

3.5.2 AsSessões são mais Longas para osCanais mais Populares? . . 44

4 Proposta e Avaliação de Estratégias de Transmissão 47

4.1 Alternativas para Transmissão . . . 47

4.1.1 Estratégia P2PPura . . . 48

4.1.2 Estratégia Cliente/Servidor . . . 49

4.1.3 Estratégia Híbrida . . . 49

4.1.4 Estratégia HíbridaControlada . . . 50

4.2 Metodologia de Avaliação. . . 51

4.2.1 Métriasde Avaliação. . . 51

4.2.2 Modelo de Simulação . . . 51

4.2.3 Cenários de Avaliação . . . 54

4.3 Resultados . . . 55

4.3.1 QualidadeMédia das Transmissões . . . 55

4.3.2 Atraso de Iniialização noSistema. . . 62

4.3.3 Contribuiçãodos Nodos Clientes no Sistema . . . 64

4.3.4 Contribuiçãodo Servidorno Sistema . . . 68

4.3.5 Sumarizaçãodos PrinipaisResultados . . . 72

5 Conlusões e Trabalhos Futuros 75

A Índie de Continuidade 79

B Contribuição dos Clientes 81

Introdução

Nos últimosanos assistimosa uma granderevolução om relaçãoàs formas de riação

e transmissão de vídeo na Internet. Com a popularização das âmeras digitais e o

aumentomédiodas veloidadesdeaessoàInternet,ageraçãoetransmissãode vídeos

na redemundial de omputadores aumentou onsideravelmente. Nãosomenteaoferta

de onteúdo aumentou omo também a proura pelos mesmos. Foi mostrado que a

visualização de onteúdo omo seriados de TV, pequenos vídeos (omo os disponíveis

noYouTube[YouTube,2009℄),animaçõeseoutrasapliaçõesquegeramtráfegoatravés

do onsumo de vídeo já representam mais de 35% de todo tráfego da Internet (sem

ontarotráfego provenientede redesPar-a-Par(P2P)),e aprevisãoéque essetráfego

resça para 90% em 2013 [Ciso, 2009℄.

Coma evoluçãodaWWW (World WideWeb)para ahamadaWeb 2.0[Oreilly,

2007℄, os usuários passam a ter um papel de destaque nos serviços Web. Apliações

da Web 2.0 têm omo uma de suas prinipais araterístias ofereerem maior

inte-gração e partiipação do usuário. Diferentemente do que aonteia em sistemas Web

tradiionais (onheidos também omo Web 1.0), onde usuários atuavam mais omo

onsumidores passivos de informação, esses novos sistemas forneem um ferramental

que possibilita que usuários failmente sejam também riadores, publiadores e

orga-nizadores de informaçõesem diferentes tipos de mídias (porexemplo: texto, imagem,

áudio e vídeo). Essa abordagem mais entrada no usuário se mostra um importante

fatornapopularizaçãode diversosserviçosomoYouTube,Orkut[Orkut,2009℄,Flikr

[Flikr, 2009℄e Deliious [Deliious, 2009℄.

Nopassado,atransmissãodevídeoaovivoeraaessívelsomenteagrandes

empre-sasdedistribuiçãodemídia,sendoneessárioparaissoumaltoinvestimentonaneiro.

Issoporqueomumenteeraneessárioutilizaralgumaredede televisão,quepossui

usuáriosapossibilidadede transmitir,gratuitamente, uxode vídeoaovivoatravésde

sistemasbaseados naWeb2.0. Apesar dourtotempoemqueessas apliaçõesoperam

na Internet, já é possível observar um grande aumento de popularidade desses

servi-ços. Um dos preursores, Justin.tv [Justin.tv, 2009℄, atraiu 11 milhões de visitantes

em Novembro de 2008 [Jones, 2008℄. Seus onorrentes Ustream [Ustream.tv, 2009℄

e Mogulus [Mogulus, 2009℄, atraíram 5,6 e 2,1 milhõesrespetivamente [Jones, 2008℄.

Alémdisso,onúmerode aessosaessasapliaçõestempratiamentedobradoaolongo

dos meses. Porexemplo, emOutubro de 2008, Justin.tv registrava 6milhõesde

usuá-rios, enquanto Ustreamregistrava 3milhões[Jones, 2008℄. Outrosrepresentantes om

serviços semelhantes são BlogTV.om [BlogTV, 2009℄, Stikam.om [Stikam, 2009℄ e

YahooLive 1

[Yahoo!, 2009℄, entre outros.

Para garantirobomfunionamentodessetipode sistemaéneessáriauma

quan-tidade onsiderável de banda de rede, prinipalmente em horários de pio em que o

númerode lientes simultâneospodeser muito grande. Issoaontee porque tais

siste-mas operam em uma arquitetura liente/servidor (C/S), sendo omumenteneessário

o estabeleimento de uma onexão exlusiva entre ada liente e o servidor, fonte da

apliação. Com isso, para se manter uma infra-estruturaapaz de ofereer um serviço

dequalidade,prinipalmenteparaatenderváriosusuáriossimultâneos, éneessárioum

altoinvestimentonaneiro.

Entretanto, existem arquiteturas de redes alternativas que possibilitam

man-ter esse serviço a um usto menor [Zhanget al., 2005b℄, [Zhang etal., 2005a℄,

[Venkataraman etal., 2006℄, [Tran etal., 2004℄. Um exemplo desse tipo de

alterna-tivaé uma arquiteturaP2P baseada emmalha dotipo mesh-pull para transmissão de

uxo de vídeoaovivo,semelhanteados sistemas CoolStreaming[Zhanget al., 2005b℄

e PPLive [PPLive, 2009℄, muito populares atualmente. Nesta dissertação,

denomina-remos esse tipo de arquitetura por P2P pura. Em uma arquitetura P2P a maioria

dos nodos 2

possuem papéis equivalentes e ostumam ser denominados pares. Neste

trabalho, nós referiremosa esses elementos simplesmente omonodos.

Apesar de uma arquitetura baseada em rede P2P possibilitaruma maior

eono-mia de banda de rede em relação a uma arquitetura liente/servidor, ela apresenta

limitações. Por exemplo, ela pode ter sua eiênia degradada frente a um

ompor-tamento dinâmio dos usuários, onforme será disutido no apítulo 4. Logo, faz-se

neessário avaliaro usto-benefíio de arquiteturas alternativaspara suportar um

ser-viçode transmissão de vídeoao vivo. Para realização dessa tarefa um passo essenial

1

Ao longo de todo este texto, faremos referênia ao sistema Yahoo! Live omo YahooLive e à

empresaYahoo! omoYahoo.

é entendero omportamentodos espetadores emapliaçõesreais desse tipo,uma vez

que talentendimento pode motivar oprojeto de alternativasquelevema uma melhor

relação usto-benefíio emenários prátios.

1.1 Objetivos

Estadissertaçãotemporobjetivosprinipaisestudaroomportamentodosusuáriosem

umsistemarealdetransmissãodevídeoaovivobaseadonaWeb2.0,bemomoavaliar,

através de simulação, a apliabilidade de estratégias alternativas para transmissão de

vídeo aovivo emsistemassemelhantes.

Osobjetivos espeíos deste trabalhosão:

•

araterizareanalisaromoosusuáriosseomportamnoproessodetransmissão

de uxos de vídeos de um sistema real;

•

araterizareanalisaromoosusuáriosseomportamnoproessodevisualização

dos anais;

•

entender o impatodapopularidadedos anais no sistema;

•

avaliar o usto-benefíio da utilização de uma arquitetura P2P pura, quando

utilizada para suportar um serviço de transmissão de vídeo ao vivo baseado na

Web 2.0;

•

apresentar e avaliar o usto-benefíio de uma nova estratégia (denominada

hí-brida), queombina aspetos das arquiteturas liente/servidor ePar-a-Par, ujo

intuitoé melhorara qualidadedo serviço ofereidoao usuário;

•

avaliaro usto-benefíiode uma variaçãodaestratégiahíbrida,ahíbrida

ontro-lada, ujo objetivo prinipaléproporionarum limitede utilizaçãode banda de

rede da fonte dosistema.

1.2 Contribuições

Nossas prinipaisontribuiçõespodem ser sumarizadas em:

•

Modelo de omportamento dos espetadores de um sistema Web 2.0

aspe-transmissão, o número e a duração das transmissões realizadas pelos anais e

o intervalo médio entre transmissões suessivas de um mesmo anal. Até onde

pudemos avaliar,este éoprimeirotrabalhode araterização de omportamento

de usuáriosde umsistemaWeb2.0de transmissãode vídeoaovivo. Emboranão

sejanosso objetivo,estemodelo pode direionaroprojetofuturo degeradores de

argas sintétias realistaspara esses sistemas.

•

Simulador: Com base nos resultados obtidos na araterização realizada foi

onstruído um simulador de arquiteturas alternativas, baseadas em redes P2P,

bemomoumaarquiteturatradiionalliente/servidor,paratransmissãodeuxo

de vídeoao vivo.

•

Novas estratégias: Proposição de duas novas estratégias para transmissão de

vídeo ao vivo, ambas baseadas em arquiteturas P2P. A primeira, denominada

estratégia híbrida, tem por objetivo melhorar a qualidade de serviço (estimada

pelo nível de ontinuidade da transmissão na perepção do usuário nal) do

sistema. Nesta estratégia, os lientes iniialmente se onetam a um servidor

(fonte)entralizado. Apósumertointervalodetempo,elessãotransferidospara

uma rede P2P. Esta estratégia foi motivada pelos resultados da araterização

realizada, que indiavamaexistêniade um grandenúmero de sessõesurtas no

sistema analisado. Já a segunda estratégia, denominada híbrida ontrolada, é

uma variação da estratégia híbrida que tem por objetivo limitara utilizaçãoda

banda de rededoservidor,garantindoum limitemáximo de usuáriosonetados

simultaneamentenoservidor entralizado.

•

Avaliação do usto-benefíio da utilização das estratégias C/S, P2P

pura, híbrida e híbrida ontrolada, para transmissão de vídeo ao vivo:

Essa avaliação foi realizada em diversos enários de interesse, onsiderando

mé-trias que reetem tanto o interesse dos usuários(porexemplo: índie de

onti-nuidadeetempoiniialde onguração) bemomo doservidor (bandade rede).

•

Publiações. Contribuímos om dois artigos referentes a duas grandes etapas

desta dissertação. O primeiro apresenta a araterização de um sistema real

de transmissão de vídeo ao vivo baseado na Web 2.0, artigo premiado om o

título de 3 o

melhor trabalho [Silva etal., 2009b℄. Já o segundo apresenta uma

1.3 Organização da Dissertação

Orestantedotrabalhoestá organizadodaseguinteforma: Oapítulo2apresentauma

ontextualizaçãodosmeanismosdetransmissãodevídeoaovivoexistentes,bemomo

os prinipaistrabalhos relaionados. Oapítulo 3apresenta os proedimentos

realiza-dos na aquisição e tratamento dos dados, bem omo a araterização da partiipação

dos usuáriosnosistema, edo impatoreferenteà popularidadedos anais nosistema.

O apítulo 4 desreve as alternativas de estratégias de transmissão, onsideradas em

uma avaliação de usto-benefíio na transmissão de vídeo ao vivo, omo também a

Contextualização

Neste apítuloapresentaremos asabordagens mais representativas para atransmissão

de uxo de vídeo, ao vivo e pré-armazenado, na Internet. Disutiremos também os

prinipais trabalhos relaionadosà nossa proposta.

Os uxos de vídeos transmitidos na Internet podem ser lassiados em duas

ategorias: aovivoepré-armazenado. Naprimeira,um onteúdoaovivoédistribuído

paratodosospartiipantesemtemporeal. Areproduçãodovídeonessaategoriaé

sin-ronizada entre todos os partiipantes. Já nas transmissões de vídeo pré-armazenado,

os usuáriospossuema exibilidadede assistir qualquer vídeo, quando e quantasvezes

desejarem. A reprodução do vídeo nessa ategoria não é sinronizada entre os

par-tiipantes. As seções 2.1 e 2.2 apresentam as prinipais arquiteturas e sistemas de

transmissão de vídeoao vivo e pré-armazenado, respetivamente. Ostrabalhos

relai-onados são disutidos na Seção 2.3.

2.1 Transmissão de Fluxo de Vídeo ao Vivo

Nesta seção, apresentaremos diversos sistemaspara transmissão de uxos de vídeo ao

vivo, baseados tantoem arquitetura liente/servidor, quantoem arquitetura P2P.

2.1.1 Transmissão Através de Arquiteturas Cliente/Servidor

O modelo liente/servidor é a solução básia para transmissão de uxos de vídeo na

Internet. A transmissãodoonteúdonesse tipode arquitetura pode aonteerde duas

formas:

1. O onteúdo é transmitido a ada liente direto do servidor poronexões

estabele-imento de um novo uxo independente de transmissão. Proedimento também

onheido omo transmissão uniast [Tanenbaum, 2003℄;

2. O onteúdo é transmitido pelo servidor omo um únio uxo que é distribuído

para todos os lientes. Assim, não é neessário o estabeleimento de um novo

uxo independente om ada liente. Esse proedimento é denominado

trans-missão multiast [Quinn &Almeroth,2001℄,e foi iniialmenteproposto para ser

implementado na amada de rede. Apesar de soluções de multiast no nível de

IP seremótimas do ponto de vista donúmero de mensagens trafegadasnarede,

na prátiaessa soluçãoé difíilde ser usada. Porpreoupação om a sobrearga

de ontrole das diversas árvores de multiast,administradores normalmentenão

onguram seus roteadores om esse reurso habilitado. Assim, ao invés dessa

funionalidade ser implementada na amada de rede, alguns sistemas

onside-ram sua implementação na amada de apliação, que onstitui uma rede P2P

normalmente, ouCDN (Content Distribution Network)[Liu etal., 2008℄.

Uma variação do modelo C/S é a denominada CDN. Numa solução baseada

em CDN o uxo de vídeo geralmente pode ser repliado de um servidor origem

X

paraoutro servidor

Y

, seguindo, porexemplo, um ritériode loalidade,estandomais

próximosiamente doliente. O liente, porsua vez, reebe ouxo de vídeoa partir

desse servidor mais próximo, obtendo, dentre outros benefíios, uma menor latênia

na obtenção do onteúdo. Essa estratégia não é omumente utilizada pelos sistemas

de transmissão de vídeo aovivobaseados emarquitetura C/S, sendo mais omum em

sistemas de transmissão de vídeos pré-armazenados. No entanto, ela é utilizada pelo

sistemamais popular paratransmissão de uxos de vídeoao vivo naWeb, oJustin.tv

[Gonzalez, 2008℄.

Umadesvantagem daabordagemC/S éademandade bandade rede doservidor

que rese, na maioria dos asos, linearmente om o número de usuários simultâneos

nosistema. Comisso, parasemanterumainfra-estruturaapazdeofereerumserviço

dequalidade,prinipalmenteparaatenderváriosusuáriossimultâneos, éneessárioum

altoinvestimentonaneiro. Jáumdosbenefíiosdeseutilizarumaarquiteturaderede

entralizadaéapossibilidadede efetuarum melhorontroledosusuários,porexemplo,

noombate à transmissão de onteúdo indevido ou ilegal[Dhungel et al., 2007℄. Esta

última araterístia é interessante prinipalmente quando existe a partiipação do

usuárionageraçãode onteúdo,quepodeser dequalquerproedênia. Emumsistema

entralizadoesse tipode onteúdopode, porexemplo, ter o aessobloqueado.

li-dessa lasse em dois grupos: sistemas que permitem a partiipação dos usuários na

geração do onteúdo (isto é, sistemas da Web 2.0) e sistemas que não permitem essa

partiipação.

2.1.1.1 Com a Partiipação dos Usuários

Sistemasdessaategoriaofereemreursos quepossibilitamaosusuáriosatransmissão

de seu vídeo ao vivo na Internet. A maioria desses sistemas também possibilita a

formaçãoderedessoiais,quesão utilizadaspara,dentreoutrasnalidades,integração

dos usuáriose divulgaçãode anais.

A Figura2.1ilustra o funionamentogeral desse tipo de sistema. Atransmissão

do uxo de vídeo parte de algum usuário para o servidor do sistema. Esse servidor

por sua vez é responsável por distribuir o onteúdo aos usuários interessados. Como

podemos observar o usuário A transmite um onteúdo ao vivo para o servidor do

sistema. ParalelamenteaessaaçãoosusuáriosBeCiniiamavisualizaçãodoonteúdo

que está sendo forneido por A. Observe que o usuário transmissor do onteúdo deve

estarpresentedurantetodaatransmissão,queéautomatiamenteenerradaassimque

ele deixao sistema.

Servidor

...

Usuário

B

fluxo ao vivo

Usuário

C

Usuário A

Transmissão

ao vivo

fluxo ao vivo

fluxo ao vivo

Figura 2.1. Partiipação dosUsuários no Envio de VídeosaoVídeo

Representantes desses sistemas são: Justin.tv [Justin.tv, 2009℄, Blogtv.om

[BlogTV, 2009℄, Mogulus.om [Mogulus, 2009℄, YahooLive [Yahoo!, 2009℄, entre

ou-tros. Como essessistemassão geralmentebaseados naWeb, nãoéexigida ainstalação

de apliativosadiionaisnamáquina dousuário para seutilizar oserviço. Na maioria

2.1.1.2 Sem a Partiipação dos Usuários

Ofunionamentode sistemasque transmitem vídeoao vivoem arquiteturas C/S sem

a partiipação dos usuários é bastante semelhante ao funionamento de sistemas que

permitem essa ação. A prinipal diferença é que em sistemas dessa ategoria todo

onteúdo distribuído pelo servidor é gerado pelo provedor de onteúdo. Assim, na

Figura2.1opapeldousuáriotransmissor(usuárioA)seriarepresentado peloprovedor

de onteúdo.

Vários anais de televisão da TV onvenional disponibilizam seu onteúdo na

Internet omo, porexemplo, MTV Brasil [MTV, 2009℄. No entanto, existem também

representantes que não ofereem seu onteúdo através da TV onvenional, operando

apenas naInternet, omo por exemplo,allTV [allTV, 2009℄.

2.1.2 Transmissão Através de Arquiteturas P2P

Embusadeumasoluçãoquenãoexijamultiast dosroteadores,usuáriospartiipantes

de uma transmissão de uxo de vídeo podem formar uma rede de multiast entre si,

ondeaorigeméoservidor(fonte). Essa rede,formada naamadade apliação,reebe

o nome de rede sobreposta (overlay). Como os elementos da rede normalmente são

as próprias apliações dos lientes, que se omportam também omo servidores que

repassamouxo, sem servidoresxosestabeleidosparaesse m, arede formadaédo

tipoP2P.

Existem atualmente vários meanismos de onstrução de redes P2P para

trans-missão de uxos de vídeoao vivo. Com base nesses meanismos, é possível lassiar

essessistemasdetransmissão emsistemasbaseados emárvores, emmalhaouhíbridos.

2.1.2.1 Sistemas Baseados em Árvores

As topologias de rede P2P baseadas emárvores, tambémhamadas topologias

estru-turadas,podemonterumaúnia árvoreoumúltiplas árvoresparatransmissãodo

uxo de vídeo.

•

Únia árvore para transmissão: Essessistemasimplementamumaárvoreem

que a raiz representa a fonte (servidor) do onteúdo a ser transmitido. Nessa

estratégia ada nodo reebe um uxo de vídeo de um nodo pai, que pode ser a

própria fonteoualgum outropareiro, eo repassapara osnodos lhos.

Normal-mente um nodolho soliita a um nodopaia transmissão de um uxo ontínuo

nessa gura indiam a transmissão de um uxo de vídeo, que, omo podemos

pereber, só oorre emuma direção, donodo paipara olho.

Servidor

Nodo A

Nodo B

Nodo C

Nodo D

Nodo E

Nodo F

Nodo G

Nodo H

Figura 2.2. Rede P2PBaseadaemÁrvorepara Transmissãode Fluxode Vídeo

Existemváriosexemplosdesistemasqueutilizamessaestratégiaparatransmissão

deuxodevídeoaovivo,omo: ESM[Chu etal.,2000℄,Overast[Jannottiet al.,

2000℄, SpreadIt [Deshpande et al., 2002℄ eZIGZAG[Tran et al.,2004℄.

É possível onstruir uma árvore de transmissão de diversas formas. No entanto,

uma das prinipais preoupações que devem ser levadas em onsideração ao se

onstruir uma árvore é a sua altura. Como os nodos reebem o vídeo de nodos

aima na árvore de transmissão, os nodos pertenentes aos últimos níveis da

árvore podem sofrer om grandes atrasos aso a altura da árvore seja muito

grande. Com o intuito de evitar essa situação, deve-se produzir ada nível da

árvore o mais abrangente possível.

Uma vez que os espetadores de uma transmissão de vídeo podem sair a

qual-quer momento e esse omportamento pode ser bastante dinâmio, a operação

de manutenção da árvore de transmissão após as saídas dos nodos é de grande

importânia. Após a saída de um nodo da transmissão, os nodos que estavam

onetados a ele são desonetados daárvore de transmissão, ando

impossibi-litados de reeberem o onteúdo até serem novamente onetados. Assim, uma

das prinipaispreoupaçõeséqueessaaçãosejarealizadaomais rápidopossível.

Para trataressa questãováriosalgoritmosdistribuídos [Tran etal., 2004℄,foram

propostos para a onstrução e manutenção da árvore de maneira distribuída,

aumentandoassim a eiênia dessas ações.

nodos folhada árvore. Nodos folhasse loalizam noúltimo nível daárvore, tais

omo os nodos C, D, F, G e H da Figura 2.2. Note que os nodos folhas não

transmitem o onteúdo reebido para nenhum outro nodo. Uma vez que eles

representam uma fração signiativa dos partiipantes da transmissão, a banda

de redetotal disponívelno sistema(onsiderando fonte etodos os partiipantes)

é subutilizada.

•

Múltiplas árvores de transmissão: Para tratar algunsproblemas da

aborda-gem queonsidera uma úniaárvore de transmissão,omo aexistêniade nodos

que não ontribuem ao sistema (nodos folha), a estratégia de múltiplas árvores

de transmissão foi proposta [Castro etal., 2003℄, [Kosti¢ etal., 2003℄. Nessa

es-tratégia, o servidor divide o uxo de vídeo em vários subuxos. Ao invés de

se transmitir um únio uxo por uma únia árvore de transmissão, ada parte

do uxo (subuxo) étransmitido em uma árvore diferente. Assim ada nodo se

oneta em uma árvore para reeber um subuxo. A transmissão do subuxo

em ada árvore de transmissão oorre da mesma maneira omo é realizada nas

estratégias queutilizamumaúnia árvore de transmissão. Comoum nodose

o-neta em várias árvores diferentes, em uma delas elepode se loalizarnos níveis

entrais da árvore, enquantoem outraele pode ser um nodo folha.

Váriostrabalhosforneeramontribuiçõesrelaionadasàestratégiaderiaçãode

múltiplasárvoresde transmissão,omoSplitStream[Castro etal.,2003℄eBullet

[Kosti¢ etal.,2003℄.

É válido ressaltar que sistemas que operam em uma arquitetura P2P,

indepen-dentedaestrutura, geralmenteneessitamde programasextras instaladosnamáquina

dousuário, diferentemente damaioria dos sistemas quesão baseados emarquiteturas

C/S.

2.1.2.2 Sistemas Baseados em Malha

Casonão aonteçam muitas troas de pareiros durante uma transmissão,os sistemas

baseados em árvores demandam pouas troas de mensagens extras, pois o uxo é

transmitidoaos pareiros já estabeleidos, não sendo neessário o envio de mensagens

para, por exemplo, reentrada na árvore de transmissão. No entanto, os sistemas

ba-seados em árvores têm sua eiênia degradada na presença de um omportamento

(entrada e saída) muito dinâmio dos nodos (high hurn). Como esses sistemas

objetivo é a transmissão de onteúdo ao vivo, essa reestruturação preisa aonteer o

mais rápidopossível,oquetornaessa tarefadesaadora. Para trataresseproblema foi

proposta uma nova abordagem, baseada nariaçãode uma rede P2Pnão estruturada

(ou baseada em malha).

Sistemas dessa lasse apresentam de forma semelhante ao do sistema P2P

Bit-Torrent [Izalet al., 2004℄, de ompartilhamento de arquivos, um rastreador (traker)

responsável pormanter uma listaom todos os nodos ativosnosistema. Sistemas

ba-seados nessaabordagemimplementamumaestratégia naqualada nodo, aoentrar no

sistema, ontata o rastreador para reeber um subonjunto aleatório de outros nodos

ativosnosistema. Estesubonjuntopodeonterdezenasouentenasdenodos. Apósa

reepção dessesubonjunto, onodoontata osrepresentantes destalistaomointuito

de formar parerias. Com as parerias estabeleidas, pode-se iniiar a soliitação de

segmentosde vídeo aos pareiros.

Um nodo pode, sempre que neessário, soliitar uma nova listade partiipantes

ao rastreador. A neessidade de soliitação de uma nova lista de partiipantes pode

oorrer, por exemplo, em resposta à perda de pareiros (ex: devido às suas saídas do

sistema), ou para aumentar a qualidade da transmissão (ex: formando novas

pare-rias om nodos que ofereçam uma qualidade de omuniação melhor). Essas e outras

açõesfazem omqueoesquemabaseado emmalhaprovoqueuma sobreargamaiorde

mensagens narede, emomparaçãoom um sistema baseado emárvore. A Figura2.3

ilustra umarede P2Pbaseadaem malha. Notequenessa guratodos osnodos podem

enviar e reeber onteúdo a todos os pareiros, om exeção do servidor que apenas

envia onteúdo e nuna reebe.

Servidor

Nodo A

Nodo F

Nodo D

Nodo B

Nodo E

Nodo C

Nodo G

Figura 2.3. Rede P2PBaseadaemMalhapara Transmissãode Fluxode Vídeo

onteúdo do vídeo é dividido em vários segmentos (hunks), ada um ontendo uma

partedo vídeo. Esses segmentossão numerados. Ossegmentosde menorvalordevem

ser reproduzidos primeiro. Porém, os segmentos podem hegar fora de ordem a um

nodo, uma vez que eles podem ser reebidos de nodos emdiferentes loalidades.

Existembasiamenteduasmaneirasderealizaratroadesegmentosnestetipode

sistema: push epull. Sistemasbaseadosemmalhaqueutilizamaabordagempushpara

troade segmentos são também onheidos na literatura omo mesh-push [Liu etal.,

2008; Braiale et al., 2008℄. Os nodos de um sistema mesh-push devem transmitir

ada segmento reebido a seus pareiros que ainda não possuemesse segmento, o que

não é uma tarefa trivial em um sistema baseado em malha. Uma rede em forma de

malhanão apresenta, porexemplo, estrutura laramentedenida dotipopaie lho,

omo oorre numa árvore de transmissão. Isso torna a tarefa de identiação dos

paresque aindanão possuemdeterminadosegmento dovídeomais difíil. Nesse aso,

para essa identiação é neessário que o agendamento de transmissão de segmentos

entre pareiros seja uidadosamente planejado [Liuet al., 2008; Zhang etal., 2005a℄.

Mesmo assim essa abordagempode levar aodesperdíio de banda de rede do sistema,

uma vez que dois nodos podem enviar o mesmo segmento para um mesmo pareiro.

Umaformade trataresseproblemaéautilizaçãodeuma abordagemdenominadapull.

Sistemas baseados em malha que utilizam essa abordagem são denominados

mesh-pull [Zhang etal.,2005b℄. Nessa estratégia, osnodos periodiamenteanuniam aseus

pareiros os segmentos que eles possuem. Com isso, ada nodo deve expliitamente

soliitar os segmentos de vídeo de seu interesse a seus pareiros. Com isso evita-se a

redundânia na transmissão de segmentos. Entretanto, aumenta-se a sobrearga na

rede devido àsmensagens de anúniose soliitaçõesde segmentos.

Existe ainda uma abordagem denominada push-pull, proposta para o sistema

GridMedia[Zhanget al.,2005a℄. Essa abordagemé uma união das abordagens

mesh-pull emesh-push. São ainda representantes da lasse de sistemas para transmissão de

uxo de vídeoao vivo baseados emmalha: Coolstreaming, Anysee [Liao etal., 2006℄,

PPLive,SOPCast[SopCast,2009℄,PPStream[PPStream,2009℄,UUSee[UUSee,2009℄,

Prime[Magharei &Rejaie,2007℄,TVAnts[TVAnts,2009℄,VVSky[VVSky,2009℄,entre

outros.

2.1.2.3 Sistemas Híbridos

Sistemasbaseados emmalhadestaam-sepelasuasimpliidadenaonstruçãoe

2006℄. Já os sistemas baseados em árvores geralmente não ausam sobrearga

signi-ativa de mensagens na rede, mas sofrem om a instabilidade da formação da rede

P2P.Com isso, alguns trabalhos apresentaram abordagens que utilizamaombinação

das estratégias baseadas em árvores e malha em suas soluções, visando aproveitar as

vantagensque ada uma oferee.

Os trabalhos apresentados em Venkataraman et al. [2006℄ e Wang etal. [2007℄

são exemplosdessa lassede sistemashíbridos.

2.2 Transmissão de Fluxo de Vídeo

Pré-Armazenado

Serviços queofereematransmissão de uxosde vídeopré-armazenados(ou vídeosob

demanda -VOD)possibilitamaos usuários assistirum vídeo(ou trehos de um vídeo)

previamente armazenado a qualquer momento. Nesse tipo de sistema, mesmo que

várias pessoas estejam assistindo o mesmo vídeo, ada usuário pode estar assistindo

uma parte diferente desse vídeo, pois não neessariamente iniiarama visualizaçãoao

mesmo tempo, ou o sistema pode permitir interatividade para se esolher uma parte

espeía dovídeo.

Assim omo na transmissão de uxo de vídeo ao vivo, a transmissão de uxo

de vídeo pré-armazenado também pode ser realizada através de arquiteturas

li-ente/servidor, ouarquiteturas P2P.

2.2.1 Transmissão Através de Arquiteturas C/S

Os sistemas que realizam transmissão de vídeo pré-armazenado através de redes do

tipo liente/servidor, geralmente também são baseados na Web. Como nos sistemas

para transmissão de uxos de vídeo ao vivo, as CDNs também podem ser utilizadas

para transmissão de uxos de vídeopré-armazenado, apresentandoum funionamento

semelhante aodesrito em2.1.1.

Nestaategoriaexistemaindaprotoolosbaseadosnooneitodemultiast,omo

Pathing e Bandwidth Skimming, para a transferênia do uxo de vídeo desejado. Os

protoolosPathing [Cai etal.,1999;Cai & Hua,2003;Hua etal.,1998℄ eBandwidth

Skimming[D. Eager,2000;Eager et al.,2001℄permitemumaredução signiativados

requisitosdebanda,omotambémofereemaessoimediatoaoserviçoparaoslientes.

Oprimeirouxo éexibidode imediatopeloprogramaliente(oplayer)paraousuário.

O segundo uxo é reebido por anteipação e armazenado em buer para exibição

futura. Esse uxo permite que esse liente alane o liente que já esteja reebendo

o segundo uxo. Quando o primeirouxo atinge o pontoem que o segundo omeçou

a ser armazenado, diz-se que oorreu a união dos uxos. O primeiro uxo pode ser

desonetado, a exibição passa a ser feita a partir do buer, e este segundo uxo é

ompartilhadopelos lientes até om daexibiçãodoonteúdo [de MeloRoha, 2007℄.

Apesar da existênia desses protoolos, sua utilização em sistemas reais para

transmissão de vídeo pré-armazenado em arquiteturas C/S não é omum. Sistemas

destaategoria omumenteutilizamtransmissões uniast.

Assim omo os sistemas para transmissão de uxos de vídeo ao vivo, podemos

lassiar os sistemas para transmissão de uxos de vídeo pré-armazenados em dois

grupos: sistemas que permitem a partiipação dos usuários nageração do onteúdo e

sistemasque não permitema partiipaçãodos usuários.

2.2.1.1 Com a Partiipação dos Usuários

A partiipação dos usuários nesse tipo de sistema é ilustrada na Figura 2.4. Como

podemos observar nessa gura, o usuário A primeiramente produz algum vídeo. Em

seguidaele transmite esse onteúdo a um servidor, que por sua vez é responsável por

mantê-lo e disponibilizarseu aesso a outros usuários, situaçãorepresentada na etapa

1 dessa gura. Como podemos pereber ainda, os usuários B e C estão reebendo o

mesmo vídeo, porém em momentos diferentes, situação representada pela etapa 2 da

Figura 2.4. Podemos ainda pereber que os usuários B e C realizaram uma onexão

úniaom o servidor (situação típia namaioria dos sistemasdeste tipo).

Representantes dessa ategoria de sistemas são: YouTube, DailyMotion

[DailyMotion, 2009℄, Veoh Networks [Veoh, 2009℄, Videolog (sediado no Brasil)

[VideoLog, 2009℄, entre outros.

Não foienontrado nenhum sistema dessa ategoria que fossebaseado em

multi-ast.

2.2.1.2 Sem a Partiipação dos Usuários

Nossistemasquenãopossibilitamapartiipaçãodosusuários,oonteúdoéproduzido

por um provedor de onteúdo. O funionamento desse sistema é bastante semelhante

aoabordado naSeção 2.2.1.1, ilustrado pelaFigura 2.4. No entantoa únia diferença

Usuário A

Etapa 1

Servidor

Envio do

vídeo "V"

Etapa 2

Servidor

...

Usuário

B

Vídeo V

Vídeo V

Vídeo V

Reprodução:

12’ 30’’

Usuário

C

Reprodução:

22’’

Figura 2.4. Partiipação dosUsuáriosno Envio de VídeosPré-Armazenados

Para essa ategoria tambémnão enontramos sistemas que realizammultiast a

níveldeapliação, paraaentregadoonteúdoaos usuários. Foramenontradosapenas

exemplos de sistemasquerealizamumaonexãoúnia entre oservidoreada usuário:

Globo Vídeos [Globo, 2009℄, CNN video[CNN,2009℄ e BBC News [BBC, 2009℄.

2.2.2 Transmissão Através de Arquiteturas P2P

Como menionamos anteriormente, mesmo que várias pessoas estejam assistindo o

mesmo vídeo, ada usuário pode estar assistindo uma parte diferente do vídeo, ou

seja, elas não estarão sinronizadas. Isso torna a riação de uma infra-estrutura P2P

para transmissãode uxode vídeopré-armazenado,ausuáriosnão sinronizados,uma

tarefa desaadora.

Assim omo para transmissão de vídeo ao vivo, existem soluções baseadas em

árvores e emmalha.

2.2.2.1 Sistemas Baseados em Árvores

Podemositarduasestratégiasde transmissãodevídeospré-armazenadosbaseadasem

árvores: uma baseada na téniapathing euma baseada nouso de ahes.

•

Estratégiabaseadaempathing: Guo et al.[2003b℄propuseramumesquema

que utiliza árvores de transmissão P2P para suportar nodos não sinronizados

em um serviço de transmissão de vídeo pré-armazenado. O esquema proposto

foi inspirado na ténia pathing, que foi originalmente proposta para suportar

serviços de transmissão de vídeopré-armazenado usando multiast.

Nesta estratégia,os nodos são agrupados emsessões de aordoom seu instante

mesma janelade tempo

∆

onstituemuma sessão. Nodos pertenentes à mesma

sessão formam uma rede P2P estruturada em formato de árvore, que reebe o

nome de árvore base. O servidor, por sua vez, transfere o uxo de vídeo para

ada árvore base, damesma formaomo foi menionado naSeção 2.1.2.1.

Quando umnodoentranosistema,eleseonetaaumaárvore baseereupera o

uxo de vídeoforneido nessa árvore. No entanto, o nodo neessitará reuperar

parte dovídeo(path),játransmitido desdeo instantequeelesejuntou a

deter-minadaárvore. Umpath podeser disponibilizadotantopeloservidor,omo por

outros nodos que já realizaramo armazenamentodopath. Preisamos ressaltar

que na árvore base de transmissãoos nodos são sinronizados.

•

Estratégia baseada em ahe: Para tratar o problema da falta de

sinroni-zação dos nodos em uma transmissão de onteúdo pré-armazenado,os

represen-tantes dessa estratégia utilizam uma ténia denominada ahes em intervalos

[Kamath etal., 1995; Dan & Sitaram, 1996℄. Os nodos nesses sistemas

arma-zenam um buer de uxo de vídeo em um intervalo próximo de seu ponto de

reprodução atual. Esse buer possui um tamanhoxo, e apresentaum

ompor-tamento de janeladeslizante. Com isso é possível onstruir uma estrutura para

servir outrosnodosquepossuamseupontode reproduçãodentrodointervalodo

buer. Os nodos formam árvores de transmissão, ompostas por nodos que são

apazes de servir ouxo de vídeoa outros nodos, sem o auxíliodoservidor.

Os trabalhos apresentadosem Sharmaet al.[2005℄,Guo et al.[2008℄,Guo et al.

[2003a℄, Cui et al.[2004℄ eJin &Bestavros [2002℄ realizaram ontribuições

rela-ionadas àestratégia baseada emahe.

2.2.2.2 Sistemas Baseados em Malha

O funionamento de sistemas de transmissão de vídeo pré-armazenado, baseado em

arquiteturaP2Pemformatode malha,ésimilaraofunionamentode sistemas

equiva-lentesparatransmissãodevídeoaovivo. Noentanto,existemalgumaspartiularidades

quepreisam ser tratadas de formadiferente. Numa transmissão de uxo de vídeo ao

vivo, todos osnodos estão interessados na mesmaparte do vídeo. Qualquer segmento

devídeoqueumnodopossuaégeralmenteútilatodososnodosqueaindanãoopossui.

Já numa transmissão de uxo de vídeo pré-armazenado, se a aquisição de segmentos

devídeoforfeitanaordemdereprodução,umnodoreémhegadoàtransmissãopode

nodosreentes podemforneeronteúdoaeles. À medidaque otempopassaum nodo

possui ada vez mais onteúdo, podendo servir mais nodos. No entanto, o número de

nodos que podem ontribuir para esse nododerese ao longo do tempo, pois muitos

deleshegaramantes natransmissãoepodemternalizadoavisualizaçãodoonteúdo.

Essa eoutrasquestõessão importantes paraessalassede sistemas,sendo tratadasem

trabalhos omoAnnapureddy etal. [2007℄e Danaet al.[2005℄.

2.3 Trabalhos Relaionados

Nesta seçãoserãodisutidosostrabalhosdemaiorrelevânia,disponíveisnaliteratura,

relaionados à proposta desta dissertação. As seções 2.3.1 e 2.3.2 disutem trabalhos

que realizaramaraterizaçõesde sistemas de transmissãode uxos de vídeoaovivo e

pré-armazenados respetivamente. A Seção 2.3.3 disute as propostas e omparações

de estratégias de transmissão de vídeo ao vivo na Internet. Por m, a Seção 2.3.4

abordaassoluçõespropostasparaoproblemade mudançade anais(quepodeoorrer

umnúmerosigniativodevezes,omoobservadopelaaraterizaçãoaserapresentada

noapítulo3,bemomoemoutrostrabalhos), tantoemsistemasdotipoIPTV,omo

sistemas dotipoP2PTV.

Valeressaltaraquiasdiferençasentre IPTV eP2PTV. Emum sistemade IPTV

existe uma infra-estrutura própria para a transmissão do onteúdo, que é projetada

para ofereeruma boaqualidade de serviço. Já um sistemaP2PTV, representante da

lasse InternetTV, utilizaaprópriainfra-estruturadaInternet e,portanto,nãooferee

garantias de qualidadede serviço. Sistemas P2PTV possuem ainda a partiularidade

de operaremem uma rede Par-a-Par.

2.3.1 Caraterização de Sistemas para Transmissão de Fluxos

de Vídeo ao Vivo

Diversos trabalhos araterizaram sistemas que ofereem aesso a uxos de vídeo ao

vivo naInternet. Nasseções 2.3.1.1e2.3.1.2 apresentaremostrabalhos queestudaram

sistemas que não permitem eos que permitema partiipaçãodos usuários nageração

de onteúdo,respetivamente.

2.3.1.1 Sem a Partiipação dos Usuários

EmVeloso et al.[2006℄,osautoresestudaramaargadetrabalhode um servidor

omerial de uxos de vídeo ao vivo loalizado no Brasil. O foo do estudo foi a

araterização do proesso de hegadas de sessões de usuários, bem omo dos tempos

destassessõesomointuitode utilizarosresultadosemumgeradordeargassintétias

realistas. Os autores onsideraram um modelo omposto por períodos de atividade

(quando o usuário reebe mídia) interalados por períodos de inatividade,disparados

por alguma ação do usuário (omo pausa). Alguns dos prinipais resultados obtidos

são: (1) o proesso de hegada dos usuários segue uma distribuição Poisson; (2) os

períodos de atividade são bem modelados por uma distribuição Lognormal; (3) os

períodos de inatividadesão bemmodelados poruma distribuição Exponenial 1

.

EmSripanidkulhaiet al.[2004℄,foi araterizadauma arga de trabalhode

u-xosde vídeoe áudioao vivode uma grandeCDN, o quepossibilitoua análisede uma

ampladiversidade de onteúdos. Maisde 90% doonteúdo analisadofoiapenas áudio.

Observou-se que a popularidade dos onteúdos segue uma distribuição Zipf de dois

modos. Foi também observado queos lientes entram no sistema de aordo om uma

distribuição Exponenial e que a duração das sessões dos usuários apresenta auda

pesada.

Em Cha etal. [2008℄, os autores apresentam o que eles lamam ser a primeira

análise do maior sistema de IPTV do mundo. O trabalho foa na análise do padrão

de visualização do onteúdo do sistema pelos usuários. Foram onsideradas 250.000

asas (ada asa pode ter mais de 1 usuário), por um período de 6 meses. Dentre

osprinipaisresultados, osautoresobservarama oorrênia de um elevado número de

sessõesdeurtaduração(até10segundosaproximadamente60%),queeles onsideram

ser provenientes de mudanças de anais (períodoemqueousuário está surfandoentre

anais om a nalidade de esolha de algum desses anais). Os autores identiaram

que a maioria das mudanças de anais não leva o usuário a efetivar a esolha da

visualizaçãodessenovoanal,proedimentoquepodesobrearregararedeomsessões

de mudanças de anais supéruas. Além disso, os autores analisaram os proessos de

hegadae partida dos usuáriosno sistema,identiando um omportamento bastante

dinâmio,queporsua vez impõesériosdesaosnaonstruçãode um sistemadeIPTV

baseado emP2P.

2.3.1.2 Com a Partiipação dos Usuários

A maioria dos trabalhos nesta ategoria enfatiza sistemas baseados em arquiteturas

P2P,omfoopartiularemaraterístiasdasredessobrepostasqueaonstituem. No

1

PDF:

λe

entanto,alguns trabalhos tambémabordamaspetos doomportamentodos usuários.

Em Heiet al.[2007℄, os autoresrealizaram uma análise de um sistema de

trans-missão de uxos de vídeoaovivo bastante popularatualmentena Internet, oPPLive.

Foramanalisadas questões espeías daarquitetura dosistema analisado,bemomo

o omportamento dos usuários nesse sistema. Os autores identiaram o tempo de

sessão dos usuáriostantoemanaismais popularesquantoemanaispouo populares

do sistema. Alémdisso, tambémobservaram que um dos prinipaisproblemas

enfren-tados pelos usuários é o longo tempo de iniialização da transmissão (startup delay),

podendo variar de segundos a alguns minutos.

Li etal. [2007℄ analisaram uma versão omerial do CoolStreaming, que foi

de-nominada CoolStreaming+. Foi analisado o impato das ténias empregadas para a

formação da rede Par-a-Par no desempenho geral do sistema. Os resultados obtidos

indiam que as altas taxas de entrada e saída de usuários, e o atraso iniial de

repro-dução do uxo de vídeo, são os prinipais problemas de desempenho do sistema. Os

autores ainda propuseram algumas possíveis soluções para a questão do longo atraso

de iniialização da transmissão, defendendo que sistemas para transmissão de uxos

de vídeoaovivo de grandeporte devemontar om servidoresde apoioemsua

arqui-tetura, formando, assim, uma espéie de CDN, não sendo reomendado utilizar uma

arquitetura de rede puramenteP2P.

Em Silerston&Fourmaux [2007℄, os autores analisaramo tráfego dos prinipais

sistemas para transmissão de uxo de vídeos baseados em arquiteturas P2P, a saber,

PPLive, SOPCast, TVAnts e PPStream. Foipossívelidentiar diferentes padrões do

tráfego gerado pelos sistemas analisados. Dentre os prinipaisresultados, observou-se

que o tempo de vida dos usuários no sistema é melhor araterizado por uma

distri-buição Weibull 2

Em Sripanidkulhai [2005℄, os autores analisaram um sistema para transmissão

de uxode vídeodenominadoESM(End SystemMultiast). Noperíodoemqueforam

realizadas as análises, os anais do ESM atraiam uma média de 100 a 1000 usuários

simultâneos, e os dados analisados apresentavam uma grandediversidade de usuários

queeramprovenientesdemaisde15países. Osautoresidentiaramqueoproessode

hegadados usuáriossegueuma distribuiçãoExponenial,e queaduração das sessões

dos usuáriossegue uma distribuição Lognormal.

OtrabalhorealizadoemAliet al.[2006℄foi um dos primeirosa estudarsistemas

omeriais baseados em redes P2P para transmissão de uxo de vídeo ao vivo. O

foo do trabalhofoi a análise do tráfego dos sistemasPPLive e SOPCast. Os autores

2 PDF:

α

β

x

β

α

−

1

e

−

(

x

β

)

α

mostraramqueessasapliaçõesnãolidambemombandasderedeheterogêneas,eque

nãohájustiçanaontribuiçãode bandade rede dosnodos, neessáriapara serepassar

osuxos reebidos.

Em Silverston &Fourmaux [2006℄, realizou-se uma omparação de quatro

siste-mas omeriais, a saber, PPlive, SOPCast, TVAnts, PPStream, durante um mesmo

evento (Copa do Mundo). Apesar dos resultados serem preliminares, os autores

ob-servaram que a duração das sessões dos usuários, para todos os sistemas, era melhor

representada por uma distribuição Weibull. Além disso, foi também notado que, não

maisque10%de todososnodospartiipantes permaneeramdurantetodaa

transmis-são analisadaem todos ossistemas onsiderados.

EmVuet al.[2007℄,osautoresanalisaramosistemaPPlive. Oestudorevelouque

onúmerode vizinhosde um nodono sistemaindepende donúmero de usuáriosde um

determinadoanal. Foimostradotambémque,paraanaisomaté500espetadores,a

formaçãodaredesobrepostaapresenta umpadrão aleatóriode interligaçãodos nodos.

Aaraterizaçãorealizadanestadissertaçãosedifereniadetodasasapresentadas

nesta seção pois levamos em onsideração um sistema que oferee onteúdo ao vivo,

geradopelos usuários,om uma arquitetura baseada naWeb 2.0.

2.3.2 Caraterização do Comportamento de Usuários de

Sistemas de Transmissão de Vídeos Pré-Armazenados

Existem diversos trabalhos naliteratura destinados aoestudo de sistemaspara

trans-missãodevídeospré-armazenadosnaInternet. Aseguir,naSeção2.3.2.1apresentamos

os trabalhos que estudam sistemas que não permitem a partiipação dos usuários na

geraçãode onteúdo. Na Seção 2.3.2.2 disutimos os trabalhos que estudam sistemas

quepermitem apartiipação dos usuários.

2.3.2.1 Sem a Partiipação dos Usuários

Vários trabalhos se enquadram nessa ategoria, no entanto iremos disutir apenas

algunsrepresentantes. Todos os sistemas disutidos nos trabalhos que serão itados a

seguiroperam em umaarquitetura liente/servidor.

Em Padhye &Kurose [1998℄ os autores estudaram o padrão de omportamento

dos usuários em um servidor de vídeos. Foi araterizado o omportamento emnível

de sessão (ex: duração das sessões de usuários), omo também o omportamento de

repro-quando ousuário está reuperandoa mídia), interalados porperíodos de inatividade

(isto é, quando nenhum onteúdo está sendo transmitido para o usuário). Os autores

onluíram que as distribuições dos períodos de atividade e períodos de inatividade

apresentavam araterístiasde distribuições de auda pesada, sendo bem modeladas

pordistribuiçõesLognormal 3

ou Gamma 4

.

Almeida etal. [2001℄realizaram suas análises emargas de trabalhode dois

ser-vidores de onteúdo eduaional, de renomadas universidades amerianas. Durante

períodosaproximadamenteestaionáriosdetaxade hegadadeusuários,oproessode

hegadade sessõesfoiobservadoser aproximadamentePoisson 5

,eotempoentre

requi-sições de interatividade seguiamuma distribuição de Pareto 6

. Foi observado também

que a popularidade dos objetos analisados era melhor modelada por uma distribuição

Zipf de dois modos.

Em Costa et al. [2004℄, os autores realizaram uma extensão do trabalho

apre-sentado em Almeidaet al.[2001℄, foando prinipalmenteno omportamentode

inte-ratividade dos usuários em sistemas para transmissão de mídia pré-armazenada. As

argas de trabalho analisadas representam três diferentes tipos de onteúdo,

eduai-onal, entretenimento baseado em áudio e entretenimento baseado em vídeo. Foram

enontrados inúmerosresultados, dentre eles o quemostra que aprobabilidade de um

liente pausar, avançar ou voltar um onteúdo depende fortemente da interação

rea-lizada imediatamente antes dentro da mesma sessão, e não no número de requisições

efetuadas desde o iníioda sessão.

Espeiamente om relação ao estudo da popularidade do onteúdo analisado,

podemositarAharya & Smith[2000℄,querealizousuasanálisesbaseadas emaessos

de usuários a vídeos transmitidos na WEB, e Chesire etal. [2001℄, que analisou uma

argadetrabalhodeumservidordeuxodemídiadeumagrandeempresa. Oprimeiro

trabalho identiou que a popularidadedo onteúdo não segue uma distribuição Zipf,

já o segundo trabalhoobservou que a popularidade doonteúdo analisadosegue uma

distribuição Zipf.

Representam tambémessa lasse de trabalhos Chervenak etal. [1999℄, Yuet al.

[2006℄ e Cherkasova &Gupta [2002℄.

3

Funçãodedensidadedeprobabilidade(PDF):

1

xσ

√

2

π

exp

−

(ln

x

−

µ

)

2

2

σ

2

4

PDF:

λ

r

Γ(

r

)

x

r

−

1

_e

−

λx

5

Funçãomassadeprobabilidade(PMF):

e

−

λ

_λ

x

x

!

6

PDF:

αβ

α

2.3.2.2 Com a Partiipação dos Usuários

A geração de onteúdo por parte dos usuários, em oposição à geração de onteúdo

prossional de algumas pouas grandes empresas, é a have para o suesso de vários

serviços daWeb 2.0atual. Devido ao signiativo resimento na produçãode vídeos

amadoreseoonsequenteaumentodotráfegogeradoporeles,váriostrabalhosbusam

entender melhor esse novo fenmeno, por exemplo, estudando o omportamento dos

usuários. Nessa lasse de trabalhos tambémexistem vários representantes, noentanto

disutiremosapenas os mais relevantes. Todos os sistemasonsiderados nos estudos a

seguirsão baseados em arquitetura C/S.

EmDuarte etal.[2007℄foramanalisadasasaraterístiasdosvídeos edos

usuá-rios de diferentes regiões geográas. Foou-se em partiular no estudo dos usuários

loalizadosnaAmériaLatina. Osautoresenfatizaramseusesforçosnaidentiaçãode

redessoiais formadasapartirde relaionamentosoorridosnoYouTube. Foram

mos-tradasevidêniasde quea loalidadedos usuáriospode ser exploradapara melhorara

infra-estruturautilizadapeloprovedor do serviço.

Os autores em Gilletal. [2007℄ analisaram o tráfego do YouTube sob duas

perspetivas: loal, naUniversidade de Calgary no Canadá, e global, a partir dalista

dos 100 vídeos mais vistos, que é disponibilizadanowebsite do YouTube. Os autores

mostram que a utilização de ahe traz benefíios para os usuários e provedores de

onteúdo.

EmCha etal.[2007℄,osautoresrealizaramextensas análisesdoYouTube,

repre-sentando, segundos os autores, o primeiro grande trabalho para um melhor

entendi-mento de sistemas que permitem apartiipação dos usuáriosna geraçãode onteúdo.

Baseadonoestudo doomportamentodos usuáriosforamidentiadoselementos

ha-ves queauxiliam emuma melhor ompreensão, porexemplo, dapopularidadedo

on-teúdo. Osautores tambémrealizaramanálises emrelaçãoaouso de estratégiasP2P e

deummelhorusodeahes,omointuitodetornaressetipodesistemamaiseiente.

EmMaiaetal.[2008℄,foramavaliadosquatro sistemasparatransmissãode uxo

de vídeo pré-armazenado, o YouTube, o DailyMotion, o Veoh Networks e o

Video-log (sediado no Brasil). Foi proposta uma estratégia de ahing que explora tanto a

popularidadequanto areênia dos vídeos.

Em Saxena etal. [2008℄ os autores apresentaram uma omparação entre o Y

ou-Tube, o Dailymotion e o Metaafe Metaafe [2009℄. O foodas análises realizadas foi

inferirsobre o sistemade transmissão de onteúdo utilizado por taisapliações, omo

Também são representantes dessa lasse de trabalhos Benevenuto et al.[2008℄ e

Cheng et al.[2007℄.

2.3.3 Novas Estratégias de Transmissão de Fluxos de Vídeo

ao Vivo

Sabendo das vantagens e desvantagens de abordagens baseadas em árvore e de

abor-dagens baseadas em malha, disutidas na Seção 2.1, alguns trabalhos desenvolveram

novas soluções, que almejam aproveitar asvantagens de ada uma dessas abordagens.

Todos esses trabalhos realizam omparações entre diferentes abordagens para

trans-missão de vídeo ao vivo, prinipalmente om o intuito de ontrastar suas estratégias

propostas om as existentes.

Em Venkataraman etal. [2006℄, os autores propuseram uma nova estratégia

a-paz de assoiar a eiênia proporionada pelos sistemas baseados em árvores, om

a esalabilidade dos sistemas baseados em malha, para transmissão de vídeo ao vivo.

Foirealizadaumaomparaçãodessa novaestratégiaomum sistemaqueonstróiuma

rede P2P baseada em árvores om apoio de uma Distributed Hash Table (DHT), o

SplitStream [Castro et al., 2003℄. Mostrando que a nova estratégia apresenta

resulta-dos equivalentes ou melhores em relação à latênia e resposta a um omportamento

dinâmiodos usuários. Noentanto,osautoresnão realizaramuma omparaçãode sua

estratégia om um sistema tradiional baseado emmalha, assim não épossíveldizer

que essa novaestratégia é superior a uma baseada puramenteemmalha.

Em Wang et al. [2007℄, os autores propuseram uma arquitetura híbrida,

om-binando omponentes da arquitetura de árvore om omponentes da arquitetura de

malha. A idéia have dessa estratégia é enontrar pareiros estáveis no sistema para

formar uma árvore de transmissão. O desempenho da nova estratégia proposta foi

omparado om soluções existentes baseadas exlusivamente em redes P2P

estrutu-radas ou não estruturadas. Através de simulações e experimentação real, exeutada

om oauxílio doPlanetLab[PlanetLab, 2009℄,os autores apresentaram melhoriasem

relação aotempoiniial de onguração, om o auxíliode sua novaestratégia.

Em Zhou &Liu [2005℄, também foi proposta uma nova estratégia, porém neste

aso os autores enfatizaram a transmissão de vídeos pré-armazenados. A estratégia

denominada HON (derivada de Hybrid Overlay Network) ombina os benefíios de

topologias baseadas em árvore, alançando menores atrasos na transmissão, omo os

de topologias baseadas em malha, usufruindo da sua robustez. Os autores, através

mesmoemsituaçõesom um altograu de dinamismonarede.

No que tange à avaliação de estratégias de transmissão de uxos de vídeo ao

vivo, nosso trabalho se diferenia dos demais pois não temos o foo espeío em

ar-quiteturasP2P. Ao ontrário, nós propomos novas estratégias híbridasque ombinam

umaarquitetura entralizadaliente/servidorom uma arquiteturadesentralizadado

tipoP2P,erealizamosumaavaliaçãoquantitativadousto-benefíiodessasestratégias

juntamente om as estratégias tradiionais liente/servidor e P2P pura. Nesta

avalia-ção,onsideramosmétriasrelativasàqualidadede serviçoprovidoaos lientes (índie

de ontinuidade e tempo iniial de onguração) e ao onsumo de banda de rede do

sistemaomo um todo (servidore nodos partiipantes).

2.3.4 Soluções para Minimizar o Impato da Mudança de

Canais

EstudosrelaionadosaatrasosnaWebmostraramqueumatrasoaimade10segundos,

em resposta a alguma requisição, enoraja os usuários a pensarem que tenha havido

algumerro [Bouhet al., 2000; Nielsen, 1994℄. Espeiamente om relação ao atraso

devido às mudanças de anais, Kooij etal. [2006℄ mostrou que os atrasos a partir de

5 segundos são onsiderados insatisfatórios em um sistema de IPTV, sendo que um

tempo ideal não deve ultrapassar 0,43 segundos. Como essas mudanças de anais são

frequentes [Cha etal., 2008℄, e o tempo gasto entre essas mudanças de anais pode

variar entre 0,9 a 70 segundos [Tehnologies, 2005℄, isso se torna um problema, pois

afetaa qualidadede serviço provida aos usuários.

Com base nisso, reentemente vários trabalhos apresentaram ontribuições

refe-rentes a esse assunto. Podemos dividi-los em duas lasses, trabalhos que tratam de

sistemasIPTV e trabalhos que abordamsistemas de InternetTV.

Com relação aos trabalhos que realizam estudos referentes ao proesso de

mu-dançade anais dos usuários, foando-se espeiamente emsistemas de IPTVs,

exis-tem várias abordagens. Osautores emKooij etal. [2006℄ propuseramum modelo que

dado otempo de mudança de anais é apaz de forneer asatisfação média dos

usuá-rios. A prinípio o modelo poderia ser apliado a qualquer sistema de TV que não

tenhaum tempo de mudança de anais instantâneo.

Outros trabalhos propuseram ontribuições espeiamente para a redução do

tempo de mudanças de anais [Cho et al., 2004; Kim et al., 2008; Lee etal., 2007℄.

Em linhas gerais, estas propostas realizam o pré-arregamento de anais favoráveis.

Dois anais C

1

e C

2

são onsiderados favoráveis aso haja uma alta probabilidade de

que o anal C