VÍDEO EM REDES PAR-A-PAR

VÍDEO EM REDES PAR-A-PAR

Rafael Kikuchi

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLAPOLITÉCNICA

DISCIPLINA: Redes de Computadores II (EEL879)

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Vídeo e Internet



_{Popularização da difusão de fluxo contínuo}

(streaming) de vídeo na Internet

 _{YouTube, Justin.tv, SopCast}



_{Vídeos com melhor definição}

 _{Maior demanda de banda passante}



_{Qualidade de experiência}

 Menos tempo de armazenamento em buffer

Motivação



_{Modelo Cliente-Servidor}

 _{Crescente número de usuários}

 Custo elevado com banda passante

Motivação



_{Redes par-a-par (P2P)}

 _{Compartilhamento de recursos entre os pares}

 Altamente escalável

 Sistemas de compartilhamento de arquivos já bem estabelecidos (BitTorrent)

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Desafios



_{Vídeo em sistemas par-a-par}

 _{Sistemas P2P tradicionais (compartilhamento de}

arquivos) dividem arquivos em blocos pequenos para distribuir entre os nós.

 _{Como dividir o vídeo em blocos para distribuir}

entre os pares?

 _{Como transmitir o conteúdo de forma eficiente e,}

ao mesmo tempo, priorizar os blocos em reprodução?

Solução



_{Codificação do vídeo}

 _{Múltiplos Descritores (MDC)}

Múltiplos Descritores (MDC)



_{Divisão do vídeo em descritores}

independentes



_{Divisão dos descritores em blocos de tempo}

(description chunks)



_{Cada bloco de tempo pode ser reproduzido}

com apenas um descritor, embora a

qualidade máxima seja obtida somente

quando se possui todos.

Múltiplos Descritores (MDC)

.

.

.

.

.

.

Múltiplos Descritores (MDC)



_{Nós podem trocar informações referentes ao}

mesmo período de tempo (descritores

diferentes).

 _{Prioridade para o conteúdo de blocos ainda sem}

Múltiplos Descritores (MDC)

Codificação em Camadas



_{Ao invés de descritores independentes, o}

vídeo é divido em camadas (layers)

hierarquicamente dependentes.

 _{Sistema de prioridades – camadas inferiores}

devem estar disponíveis a todos os nós

 _{Pares com capacidades semelhantes devem estar}

conectados



_{Mais eficiente em termos de compactação}

Camadas Dependência

.

.

.

.

.

.

Codificação em Camadas

Fonte

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Difusão



_{Difusão (live streaming)}

 _{Fonte transmite o mesmo conteúdo todos os nós}

(como um canal de TV)

 _{Sensibilidade a latência}

 Só é necessário o conteúdo sendo reproduzido no momento (descarta-se conteúdo antigo)

 Codificação veloz

Vídeo sob Demanda



_{Vídeo sob Demanda (Video on Demand / VoD)}

 _{Usuário escolhe o conteúdo que deseja ver}

 Pode-se voltar ou avançar no vídeo como quiser

 Como garantir compartilhamento de recursos

eficiente?

 Se é garantido um período mínimo de reprodução sem interrupções, transferir dados de tempos

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Arquiteturas de Distribuição



_{Sistemas par-a-par são baseados em redes}

sobrepostas na camada de aplicação.



_{Em geral, os próprios nós definem a estrutura}

da rede e o modo de distribuição do conteúdo

(que devem ser eficientes).

Distribuição em Árvore



_{Estrutura hierárquica em árvore, em que os}

pais transmitem o conteúdo recebido aos

filhos.



_{A raiz é a fonte do vídeo.}



_{Nós com pouca capacidade não devem ser}

pais de nós com muita capacidade.



_{Cada nó não deve ter muitos filhos, evitando}

Distribuição em Árvore



_Vantagens

 _{Baixo overhead de controle}  Baixa latência



_Desvantagens

 _{A cada saída de nó, pode ser necessário}

re-estruturação da árvore (intensivo em sobrecarga de controle).

 Pouco robusto a flutuações freqüentes no número de usuários.

Distribuição em Árvore



_Problema:

 _{Folhas não retransmitem conteúdo (não}

compartilham recursos).



_Solução:

 _{Múltiplas árvores (uma para cada sub-fluxo)}

Distribuição em Malha



_{Estrutura dinâmica.}



_{Interação entre pares vizinhos para descobrir}

o que cada um possui.



_{Cada par pede explicitamente o bloco}

Distribuição em Malha



_Vantagens:

 _{Robusto a entradas e saídas freqüentes dos pares.}

 Recebimento de dados por mais de um nó.



_{Desvantagens:}

 _{Alta sobrecarga de controle.}

 _{Mais tempo necessário para iniciar a reprodução}

Distribuição Híbrida



_Objetivos:

 _{Robustez a oscilações no número de usuários}  Eficiência na distribuição de conteúdo

 Baixo overhead de controle



_{Arquitetura em árvore e em malha possuem}

características complementares – bom ponto

de partida.

Distribuição Híbrida



_Solução:

 _{Alternar entre as arquiteturas conforme o}

adequado.

 _{Inicialmente, cada nó consulta os vizinhos para}

descobrir o conteúdo disponível.

 _{Após certo tempo, um ou mais nós são escolhidos}

para transmitir um sub-fluxo diretamente, sem precisar de requisição por bloco.

 Escolha feita de acordo com reputação e recursos disponíveis de cada vizinho.

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Poluição



_{Ataque comum nos sistemas convencionais}

(troca de arquivos) P2P:

 _{Poluição – nó malicioso envia conteúdo inválido}

para os demais nós, que retransmitem como conteúdo normal.

 _{Conceito pode ser estendido para sistemas de}

vídeo: blocos poluídos degeneram o áudio e a imagem.

Poluição



_{Listagem Negra}

 _{Identificação de nós maliciosos e bloqueio deles}

pelo sistema.

 _{Como identificar?}

 Em geral, atacantes disponibilizam os blocos poluídos em ordem aleatória.

 Recursos anunciados muito acima da média.

 Não garante detecção de ataques menos

Poluição



_{Encriptação de Tráfego}

 Vídeos transmitidos em texto puro, com padrões públicos conhecidos.

 Encriptação adiciona grau de dificuldade ao atacante.

 Criptografia simétrica não viável

 Como trocar as chaves secretas?

 Criptografia assimétrica: cada par divulga sua chave pública.

 Muito custoso computacionalmente: necessário

Poluição



_{Assinatura de blocos}

 _{Vídeo assina cada bloco de vídeo.}

 Inviável computacionalmente.



_{Amortização de assinatura}

 Vídeo divido em grupos de blocos.

 _{Cada grupo é associado a um conjunto de dados}

de autenticação, assinado pela fonte.

 _{Verifica-se a autenticidade de cada bloco a partir}

Tempo Blocos de Vídeo Conjunto de Blocos Fonte Dados de Autenticação (referente ao conjunto) Rede par-a-par +

Amortização de Assinatura

Amortização de Assinatura



_{Dados de Autenticação}

 _{Concatena-se os hashes referentes a cada bloco}

de vídeo do grupo, e se calcula o hash desta concatenação, que é assinado pela fonte.

 _{A posição do primeiro bloco transmitido do grupo}

e os hashes dos demais blocos também são informados.

 Para o receptor autenticar, basta calcular o hash do bloco recebido, concatená-lo com os demais

Dados de Autenticação

Hashes

Assinatura a partir dos

hashes concatenados

Posição relativa do bloco que irá ser transmitido. Conjunto

de Blocos

Amortização de Assinatura

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Conclusão



_{Sistemas P2P devem ser específicos para}

transmissão de vídeo.



_{A codificação do vídeo e a arquitetura de}

distribuição adotadas devem ser escolhidas

de acordo com o tipo de serviço desejado.



_{Popularização de streaming na Internet torna}

a questão da escalabilidade um fator

essencial para o sucesso: Redes P2P são

potenciais candidatas.

Programa



_Motivação



_{Codificações}



_{Tipos de streaming}



_{Arquiteturas de distribuição}



_Poluição



_Conclusão



_Perguntas

Perguntas



_{(1) Quais são os tipos de difusão de fluxo}

contínuo de vídeo (streaming)? Quais as

diferenças entre eles?

Perguntas



_{(1) – Resposta:}

 _{Os dois tipos de streaming são: difusão (ou live} streaming) e vídeo sob demanda. A difusão é

baseada na propagação de um mesmo vídeo para um grupo de usuários, como um canal de

televisão. Já o vídeo sob demanda consiste em um sistema que permite que o usuário solicite o

conteúdo desejado, dando a ele o poder de avançar ou retornar na reprodução do vídeo.

Perguntas



_{(2) Tanto a codificação por múltiplos}

descritores (MDC) quanto a codificação em

camadas dividem o vídeo em sub-fluxos e,

em seguida, os dividem em blocos na

dimensão do tempo. Quais as diferenças

entre estas codificações? Cite uma vantagem

da codificação em camadas.

Perguntas



_{(2) – Resposta:}

 _{A diferença principal está na dependência entre os}

sub-fluxos. No MDC, os sub-fluxos são

independentes entre si, enquanto na codificação por camadas eles seguem uma relação de

dependência hierárquica – camadas superiores só podem ser decodificadas se as camadas inferiores estiverem disponíveis. A principal vantagem da codificação por camadas é sua eficiência de

compactação, que é comparável com codificações convencionais.

Perguntas



_{(3) Uma vantagem da arquitetura de}

distribuição em árvore é sua baixa sobrecarga

de controle. No entanto, sabe-se que o

processo da definição da estrutura (alocação

dos nós na árvore) requer um overhead de

controle considerável. Aparentemente, estas

duas afirmações se contradizem, mas ambas

são verdadeiras. Explique.

Perguntas



_{(3) – Resposta:}

 _{De fato, a estruturação da rede em árvore requer}

muitos pacotes de controle. Entretanto, uma vez estabelecida esta estrutura, cada nó só tem a

tarefa de encaminhar os pacotes de vídeo

recebidos para os seus filhos. Assim, o custo em mensagens de controle é muito baixo a longo termo.

Perguntas



_{(4) A arquitetura de distribuição em malha é}

adotada no sistema de compartilhamento de

arquivos BitTorrent, que vem sendo usado

com sucesso há anos. No contexto de

distribuição de vídeos, cite uma vantagem e

uma desvantagem deste tipo de arquitetura.

Perguntas



_{(4) – Resposta:}

 _{Este tipo de arquitetura de distribuição requer}

grande quantidade de mensagens de controle, fazendo com que a banda passante seja usada de modo ineficiente. Uma segunda desvantagem, em parte conseqüência do item exposto

anteriormente, é o tempo necessário até iniciar a reprodução do vídeo. A grande vantagem deste tipo de arquitetura é a robustez a entradas e

saídas freqüentes de pares do sistema, garantindo suporte a um número elevado de usuários.

Perguntas



_{(5) Um método para evitar ataques de}

poluição é a amortização de assinatura –

envio de dados de autenticação a cada

número definido de blocos de vídeo. Após

confirmar o primeiro bloco de vídeo de um

grupo (através da verificação de assinatura da

concatenação de hashes), não é preciso fazer

o mesmo processo para verificar os outros

Perguntas



_{(5) – Resposta:}

 _{Como os demais hashes já são conhecidos e}

comprovadamente autênticos (devido à

assinatura da fonte), basta calcular o hash de cada novo bloco recebido e compará-lo com o obtido nos dados de autenticação.