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

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.br
Orientador: Eduardo Ribeiro Telefone: e-mail: edu@eletrica.ufpr.br

CURITIBA
NOVEMBRO/2012

PAULO CEZAR DIAS SILVEIRA

1

“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

SUMÁRIO

“Uma avaliação do impacto da utilização do MPEG-DASH na rede, em função da adaptabilidade
desta técnica” ....................................................................................................................................................... 2
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................ 4
2 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................................................................... 6
3 OBJETIVOS ............................................................................................................................................................ 9
4 MÉTODOLOGIA DA PESQUISA ..................................................................................................................... 10
5 CRONOGRAMA .................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
REFERÊNCIAS .............................................................................................................................................................. 10

3

1 INTRODUÇÃO

Na maior parte da década passada, foi muito difícil transmitir ―live vídeo‖ (vídeo ao vivo)
para um dispositivo. Variabilidade de banda larga, configurações de firewall desfavoráveis
e 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 para
os formatos de pacotes pequenos e redes de distribuição gerenciadas, não foram nada
amigáveis com os sistemas de ―firewall‖. Embora o HTTP ―download‖ progressivo fosse
desenvolvido 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) sobre
HTTP tudo mudou, transformando a entrega de vídeo para PCs, laptops, consoles de
jogos, tablets, smartphones e outros dispositivos móveis, bem como para os dispositivos
domésticos como TVs conectadas e set-top boxes (STBs) com IP hibrido, acarretando um
aumento 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 consumidores
rapidamente se movimentaram para a fase de adoção inicial do serviço de ―TV
Everywhere‖, chegando ao ponto em que devido ao numero crescente de usuários mudou
a exigência, onde a requisição passou a ser a de se obter qualquer mídia que esteja
disponível, em qualquer dispositivo, através de qualquer conexão de rede, a qualquer
momento. Cada vez mais, os consumidores também esperam a entrega de conteúdo para
atender os mesmos elevados níveis de qualidade que eles têm vindo a conhecer e gostar
como 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) se
tornasse uma realidade, apesar de significantes problemas ainda existirem. Cada uma
das três plataformas proprietárias é um sistema fechado, com o seu próprio formato no
uso de diferentes extensões de arquivo de texto, formatos de conteúdo e protocolos de
―streaming‖. Assim, os produtores de conteúdo e fornecedores de equipamentos tiveram
que criar várias versões diferentes de seus produtos para atender a totalidade do
mercado de ―streaming‖ de vídeo, muitos elevando os custos e restringindo o
desenvolvimento global do mercado.

4

Em uma tentativa ambiciosa para resolver estes problemas importunos, MPEG adotou
recentemente um novo padrão de streaming multimídia através da Internet. Conhecido
como ―MPEG Dinâmico Adaptativo Streaming‖ via HTTP (MPEG DASH), um novo padrão
para a indústria com o intuito de criar um formato de distribuição universal para
―streaming‖ de mídia, incorporando os melhores elementos das três principais soluções
proprietárias de ―streaming‖. Ao fazer isso, MPEG DASH visa proporcionar uma busca de
interoperabilidade entre diferentes servidores da rede e diferentes dispositivos de
consumo eletrônico, impulsionando assim um ecossistema comum de conteúdos e
serviços.
O dinâmico adaptativo streaming sobre HTTP (MPEG DASH) é um novo conceito para o
―streaming‖ de vídeo, usando transferências consecutivas de segmentos de vídeo de
curta duração. 3GPP desenvolveu o padrão MPEG DASH o qual alem disto é estendido
pelo ―Open IPTV Forum (OIPF) e MPEG‖. Em todas as versões disponíveis até a presente
data, 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). Essas
tecnologias têm sido amplamente aceitas e muito usadas por várias indústrias e
aplicações, como as ―Emissoras de Televisão Digital‖, ―Provedores de Serviço‖ através do
transporte 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 extensivamente
para a entrega de conteúdo de multimídia. No entanto, não há um padrão para HTTP
baseado no streaming de mídia MPEG. O ―Forum do MPEG‖ pretende padronizar uma
solução que atenda essas necessidades.
Esta avaliação vai procurar explicar a forma como a especificação MPEG DASH pode ser
utilizada para oferecer uma tecnologia que, em combinação com o padrão HbbTV, pode
se conectar para qualquer serviço e para qualquer dispositivo conectado no futuro. Ela irá
analisar os aspectos técnicos do novo padrão MPEG DASH, como o MPEG DASH
oferece suporte ao ―streaming‖ de vídeo ao vivo, sobre demanda através da gravação de
vídeos pessoais na rede (NDVR), assim como os dois principais formatos de vídeo - ISO
que 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 objetivo
mostrar à adaptação dinâmica a taxa de bits do ―streaming‖ nas diferentes condições da
5

rede. Uma das características para a transmissão adaptável é quando do acesso
orientado 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 do
receptor é selecionar a apropriada taxa de bits para cada um dos segmentos. O DASH
como um componente de serviço ponto a ponto é o capacitador para a mais alta
experiência do usuário (baixo inicio de reprodução e nenhum ―re-buffer‖), para reutilizar as
tecnologias existentes (containers, DRM, codecs, etc.), para a implantação sobre o HTTP-
CDNs e como um habilitador que fornece simples interoperabilidade nos pontos (perfis).

2 JUSTIFICATIVA

O rápido aumento na conexão e nas taxas de banda larga nos domicílios, a crescente
popularidade dos aparelhos de TV conectados, e a propagação de terminais móveis
habilitados (WiFi/3G/LTE) estão entre os principais fatores para a crescente popularidade
do vídeo na internet. Além de conexões mais rápidas, a entrega de melhorias
tecnológicas na codificação e entrega de vídeo, esta tornando possível que mais
consumidores assistam conteúdo de vídeo ―online‖. A fim de garantir uma melhor
experiência do usuário, a taxa de transferência de diferentes tecnologias de acesso à rede
com variações dinâmicas nas condições da rede, é fundamental que se adote tecnologias
que permitam uma entrega adequada do conteúdo de mídia. Uma dessas tecnologias é a
transmissão adaptativa de vídeo ou (ABR – Adaptive Bit Rate) com o DASH, um
capacitador o qual providencia formatos que permitem a entrega eficiente e de alta
qualidade de serviços de ―streaming‖ através da rede.
O conceito de fluxo de vídeo adaptativo é baseado na ideia de se adaptar a largura de
banda requerida pelo fluxo de vídeo, para a taxa de transferência disponível sobre o
caminho da rede a partir do fluxo de dados de origem para o cliente. A adaptação é
executada variando a qualidade do fluxo de dados de vídeo transmitido e, deste modo a
sua taxa de bits, que é o número de bits necessários para codificar um segundo de
reprodução. Uma das abordagens é a de dividir o ―streaming‖ de vídeo em segmentos e
codificar cada um dos segmentos em vários níveis de qualidade, chamados
representações. Com base em sua estimativa do rendimento disponível, um cliente pode
solicitar segmentos subsequentes em diferentes níveis de qualidade, a fim de lidar com
diferentes condições da rede. O processo algorítmico de decidir a representação ideal
para cada um dos segmentos, a fim de otimizar a experiência de visualização é um
elemento chave e um dos grandes desafios na adaptação de sistemas de ―streaming‖. Em

6

particular, os desafios para o cliente são (I) estimar adequadamente a dinâmica da taxa
de transferência disponível, (II) controlar o nível de preenchimento do ―buffer‖ local para
evitar 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 ao
mesmo tempo as flutuações de qualidade desnecessárias e, por último, (IV) minimizar o
atraso 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 forma
rentável streaming o conteúdo em adaptativas quantidades, para qualquer dispositivo
conectado que pode ser implementado em todos os meios de entrega de conteúdo - de
radiodifusão, cabo, celular e internet - enquanto fornece a interoperabilidade entre todos
os perfis DASH e dispositivos conectados.
A distribuição de conteúdo de vídeo pela Internet começou em 1990 com a entrega de
multimídia no apropriado tempo e o consumo de grandes quantidades de dados sendo o
principal desafio. A organização que desenvolve padrões para a transferência de
informação pela Internet (IETF) identificou que o ―Protocolo em Tempo Real‖ ou o
Protocolo de Streaming em Tempo Real (RTP/UDP ou RTSP) foi projetado para definir
formatos 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 muito
baixa. RTP/UDP ou RTSP funciona bem em gestão de redes IP. No entanto, na Internet
de 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, os
pacotes 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 gerenciar
uma sessão separada do ―streaming‖ para cada cliente, fazendo com que ocorram
implantações em grande escala de recursos intensivos.
Com o aumento da largura de banda da Internet e do enorme crescimento da ―WWW‖, o
valor da entrega de dados de áudio ou vídeo em pacotes muito pequenos diminuiu.
Conteúdos multimídia podem agora ser entregues de forma muito mais eficiente em
segmentos maiores (em contraste com os pequenos pacotes) usando HTTP. HTTP
streaming tem vários benefícios. Primeiro, a infraestrutura de Internet evoluiu para apoiar
eficazmente o HTTP. Por exemplo, CDN fornece localizado agrupamento de dados –
―Cache‖ - que reduzem o tráfego de longa distância. Além disso, o HTTP é um protocolo
com "firewall amigável", já que quase todos os firewalls são configurados para suportar
suas conexões de saída. HTTP tecnologia de servidor é um produto de consumo e,
7

portanto suporta o ―streaming‖ em HTTP para milhares de usuários com um custo mais
efetivo. Em segundo lugar, com o fluxo de HTTP o cliente gerencia o ―streaming‖, sem a
necessidade de manter um estado de sessão no servidor. Portanto, o provisionamento de
um grande número de clientes de streaming não impõe qualquer custo adicional sobre os
recursos do servidor além do uso da web padrão de HTTP e pode ser gerenciado por uma
CDN utilizando técnicas de otimização de HTTP padrão.
Pelas razões acima, HTTP streaming tornou-se uma abordagem popular em
implementações comerciais comparativamente ao protocolo RTP/UDP ou RTSP. Por
exemplo, plataformas de ―streaming‖, como o HTTP ―Live Streaming‖ da Apple (HLS) [3],
―Smooth Streaming‖ da Microsoft [4], e ―HTTP Dynamic Sreaming‖ da Adobe [5] todos
usam HTTP ―streaming‖ como o seu método subjacente de entrega. No entanto, cada
implementação usa diferente extensão de arquivo de texto (inventario de carga) e
formatos de segmento, portanto, para receber o conteúdo de cada servidor, um
dispositivo tem de suportar seu correspondente protocolo proprietário do cliente. Um
padrão para o ―streaming‖ HTTP de conteúdo para multimídia permitiria um padrão
baseado no cliente para fazer ―streaming‖ de conteúdo de qualquer servidor baseado em
padrões, o que permite a interoperabilidade entre servidores e clientes de diferentes
fornecedores.
A entrega de conteúdo de vídeo dentro da Web tornou-se hoje onipresente, o qual se
baseia principalmente em ―Hypertext Transfer Protocol‖ (HTTP) e, consequentemente o
protocolo de controle de transmissão (TCP). Portais de vídeo online como o YouTube
Netflix ou Hulu contam com milhares de usuários assistindo seu conteúdo a cada dia. A
maioria destas plataformas adota soluções proprietárias baseadas em download
progressivo 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 permitindo
dinâmicas de transmissão adaptáveis sobre HTTP (MPEG DASH) [4].
Todos estes sistemas podem alavancar as mesmas vantagens sobre ―streaming‖ de vídeo
tradicional, 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 banda
variável, o que é especialmente importante quando se trata de cenários móveis usando
―smartphones‖ ou ―tablets‖ em redes de celulares 3G/4G. Usando esta adaptação é
possível entregar o vídeo continuamente, sem atraso ou longos períodos de ―buffer‖ para
o 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

HTTP e no qual os custos são significativamente menores do que as infraestruturas
dedicadas de ―streaming‖.
Todas as soluções da indústria, bem como o MPEG DASH, seguem a mesma abordagem
de blocos, ―streaming‖ baseado em HTTP. A ideia básica é que o conteúdo de mídia será
codificado em diferentes versões, que diferem em bitrates, resoluções, etc., e, então será
cortado em segmentos que podem ser acessados individualmente pelo cliente através de
solicitações HTTP GET. No MPEG DASH uma versão do conteúdo de mídia com uma
característica específica (por exemplo, bitrate, resolução) é referenciado como uma
representação. Uma representação pode ser constituída por vários segmentos de um
determinado comprimento, que correspondem ao conteúdo de mídia cortado em
pequenos pedaços. Assim, o cliente tem a possibilidade de alternar entre essas
representações nos segmentos limites para ajustar o bitrate de mídia para a sua atual
capacidade de taxa de transferência da sua conexão pela Internet. Estes segmentos são
transferidos ―Over The Top‖ (OTT) da infraestrutura atual da Internet, seguindo um
modelo de ―puxar‖ orientado para o cliente. Além disso, todos os sistemas adaptativos de
HTTP ―streaming‖ mantém como já foi comentado algum tipo de arquivo que usa
diferentes extensões de arquivos de texto (inventario de carga), como a descrição de
apresentação de mídia (MPD) do MPEG DASH, a qual é baixado pelo cliente no início da
sessão 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 sites
da Web, aproveitando incorporadas capacidades dos browsers. Por exemplo, o YouTube
[8] já está experimentando o elemento de vídeo em grande escala, alavancando seu
formato 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 a
implementação do MPEG DASH com ―Java Script‖ com o uso do elemento de vídeo
HTML 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

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 PESQUISA

Para execução da avaliação será efetuada uma pesquisa bibliográfica através de estudo
de casos e de um levantamento bibliográfico para a fundamentação teórica do projeto que
será realizado utilizando artigos publicados na Internet e documentos da EBU, SMPTE e
IEEE 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#~forec
ast, 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 6
Dynamic 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 streaming
over HTTP (DASH) — Part 1: Media presentation description and segment formats‖
[11] T. Stockhammer, ―Dynamic Adaptive Streaming over HTTP – Standards and Design
Principles‖ , ACM Multimedia Systems, San Jose, California, USA, Feb. 2011, pp. 133-
143.
[12] I. Sodagar, ―The MPEG-DASH Standard for Multimedia Streaming Over the
Internet‖ , 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
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