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VÍDEO EM REDES PAR-A-PAR
Rafael Kikuchi
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA POLITÉCNICA
DISCIPLINA: Redes de Computadores II (EEL879)PROFESSORES: Otto Duarte e Luís Henrique Costa
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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
Reprodução sem interrupções
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Motivação
Modelo Cliente-Servidor
Crescente número de usuários
Custo elevado com banda passante
Pouco escalável
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Motivação
Redes par-a-par (P2P)
Compartilhamento de recursos entre os pares
Altamente escalável
Sistemas de compartilhamento de arquivos já bem estabelecidos (BitTorrent)
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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?
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Solução
Codificação do vídeo
Múltiplos Descritores (MDC)
Codificação em Camadas (LayeredCoding)
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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.
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Múltiplos Descritores (MDC)
DescriptionChunk
Descritores
.
.
.
.
.
.Tempo
Vídeo Codificado
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Múltiplos Descritores (MDC)
Nós podem trocar informações referentes ao mesmo período de tempo (descritores diferentes).
Prioridade para o conteúdo de blocos ainda sem descritores – evita-se interrupções de reprodução.
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Múltiplos Descritores (MDC)
Fonte
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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
Menos uso de banda passante
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Camadas
Dependência
.
.
.
.
.
.
Vídeo Codificado
Tempo
Codificação em Camadas
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Fonte
Codificação em Camadas
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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
Codificadores convencionais podem demorar
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Difusão
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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 aleatórios.
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Vídeo sob Demanda
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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).
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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 sobrecarga.
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Distribuição em Árvore
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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.
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Distribuição em Árvore
Problema:
Folhas não retransmitem conteúdo (não compartilham recursos).
Solução:
Múltiplas árvores (uma para cada sub-fluxo)
Folhas em uma árvore podem ser pais em outras
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Distribuição em Malha
Estrutura dinâmica.
Interação entre pares vizinhos para descobrir o que cada um possui.
Cada par pede explicitamente o bloco desejado para cada vizinho.
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Distribuição em Malha
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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 do vídeo.
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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.
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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.
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Distribuição Híbrida
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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.
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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 agressivos.
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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 encriptar conteúdo a cada bloco de vídeo, para cada nó.
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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 do conjunto de dados.
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Tempo
Blocos deVídeo
Conjuntode Blocos
Fonte
Dados de Autenticação(referente ao conjunto)
Redepar-a-par
+
Amortização de Assinatura
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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 hashdo bloco recebido, concatená-lo com os demais hashes e comparar contra a assinatura recebida.
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Dados de Autenticação
Hashes
Assinatura a partir doshashes concatenados
Posição relativa do blocoque irá ser transmitido.
Conjuntode Blocos
Amortização de Assinatura
Fonte
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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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.
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Programa
Motivação
Codificações
Tipos de streaming
Arquiteturas de distribuição
Poluição
Conclusão
Perguntas
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Perguntas
(1) Quais são os tipos de difusão de fluxo contínuo de vídeo (streaming)? Quais as diferenças entre eles?
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Perguntas
(1) – Resposta:
Os dois tipos de streaming são: difusão (ou livestreaming) 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.
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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.
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(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.
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(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.
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(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.
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(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.
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(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.
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(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 blocos do mesmo grupo. Por quê?
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(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.
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OBRIGADO!