Design and performance of large scale video servers

Les applications multimédia, qui commencent à apparaître, vont devenir omniprésentes dans quelques années. Un exemple de ces applications est la vidéo à la demande. La mise en oeuvre de celle-ci nécessite la conception de nouveaux systèmes de stockage et de livraison appelés serveurs vidéo. La conception de ces derniers doit tenir compte de la nature de l'information vidéo qui est très volumineuse, gourmande en bande passante et impose des contraintes en matière de délais de livraison. La conception d'un serveur vidéo représente plusieurs défis: celui-ci doit servir une grande population de clients simultanément. En outre, il doit être robuste au facteur d'échelle (scalable) et doit être aussi économiquement rentable. Finalement, son architecture doit tolérer les pannes de ses composantes afin de garantir un service ininterrompu. L'objectif de cette thèse est de concevoir et étudier la performance d'un serveur vidéo qui réalise ces défis.
Cette thèse identifie, propose et compare plusieurs algorithmes qui interviennent dans les différentes phases de conception d'un serveur vidéo. Elle étudie en particulier l'architecture du serveur vidéo, le placement et la distribution des données vidéo et la fiabilité du serveur vidéo. Nous proposons un algorithme de répartition des données sur plusieurs disques et noeuds du serveur vidéo, appelé Mean Grained Striping, et nous le comparons avec les algorithmes de répartition des données que nous avons identifiés en matière du débit du serveur (nombre maximum des clients admis simultanément), du besoin en buffer et du temps de latence initial pour un nouveau client. Nous avons considéré le cas d'un serveur vidéo non-tolérant aux pannes et celui d'un serveur vidéo tolérant aux pannes. Nos résultats montrent surtout que l'algorithme de répartition des données et celui qui assure la fiabilité du serveur vidéo sont interdépendants et le choix de l'un doit être pris en combinaison avec le choix de l'autre. En outre, nous comparons plusieurs algorithmes de fiabilité du serveur vidéo en fait de la performance et du coût du serveur. Les résultats prouvent que pour un serveur vidéo, la technique de fiabilité fondée sur la simple réplication des données est moins coûteuse que celle qui est fondée sur la technique de parité. Afin d'évaluer quantitativement la fiabilité du serveur vidéo pour les différentes méthodes de fiabilité, nous modélisons la fiabilité à l'aide des chaînes Markoviennes. L'évaluation de ces modèles montre que l'algorithme de fiabilité Grouped One-to-One, que nous avons proposée, assure la fiabilité la plus importante en dépit d'un coût par flux relativement élevé. Nos résultats indiquent aussi que diviser le serveur vidéo en petits groupes indépendants aboutit au meilleur compromis entre une fiabilité élevée et un coût par flux bas. Dans le cas d'un serveur vidéo qui utilise la technique de réplication des données, nous proposons une nouvelle méthode de placement de la réplication, appelée ARPS (Adjacent Replica Placement Scheme). Celle-ci place les données originales directement à c— oté des données répliquées de façon à éliminer les temps de recherche supplémentaire quand le serveur vidéo opère dans le mode de défaillance. Nous montrons que ARPS améliore le débit du serveur vidéo de 60 à 90% par rapport aux méthodes classiques de placement de la réplication. Finalement, nous implémentons un prototype de serveur video qui refl` ete les d´ ecisions que nous avons prises durant la phase de conception. Le prototype implemente un nouvel algorithme distribué d'ordonnancement et d'extraction des
données. En outre, nos résultats expérimentaux montrent que le prototype du serveur video est robuste au facteur d'échelle en matière du nombre de noeuds contenus dans le serveur vidéo.