Content-Aware Multimedia Communications

Eichhorn, Alexander

The demands for fast, economic and reliable dissemination of multimedia information are steadily growing within our society. While people and economy increasingly rely on communication technologies, engineers still struggle with their growing complexity. Complexity in multimedia communication originates from several sources. The most prominent is the unreliability of packet networks like the Internet. Recent advances in scheduling and error control mechanisms for streaming protocols have shown that the quality and robustness of multimedia delivery can be improved significantly when protocols are aware of the content they deliver. However, the proposed mechanisms require close cooperation between transport systems and application layers which increases the overall system complexity. Current approaches also require expensive metrics and focus on special encoding formats only. A general and efficient model is missing so far. This thesis presents efficient and format-independent solutions to support cross-layer coordination in system architectures. In particular, the first contribution of this work is a generic dependency model that enables transport layers to access content-specific properties of media streams, such as dependencies between data units and their importance. The second contribution is the design of a programming model for streaming communication and its implementation as a middleware architecture. The programming model hides the complexity of protocol stacks behind simple programming abstractions, but exposes cross-layer control and monitoring options to application programmers. For example, our interfaces allow programmers to choose appropriate failure semantics at design time while they can refine error protection and visibility of low-level errors at run-time. Based on some examples we show how our middleware simplifies the integration of stream-based communication into large-scale application architectures. An important result of this work is that despite cross-layer cooperation, neither application nor transport protocol designers experience an increase in complexity. Application programmers can even reuse existing streaming protocols which effectively increases system robustness.

Der Bedarf unsere Gesellschaft nach kostengünstiger und zuverlässiger Kommunikation wächst stetig. Während wir uns selbst immer mehr von modernen Kommunikationstechnologien abhängig machen, müssen die Ingenieure dieser Technologien sowohl den Bedarf nach schneller Einführung neuer Produkte befriedigen als auch die wachsende Komplexität der Systeme beherrschen. Gerade die Übertragung multimedialer Inhalte wie Video und Audiodaten ist nicht trivial. Einer der prominentesten Gründe dafür ist die Unzuverlässigkeit heutiger Netzwerke, wie z.B.~dem Internet. Paketverluste und schwankende Laufzeiten können die Darstellungsqualität massiv beeinträchtigen. Wie jüngste Entwicklungen im Bereich der Streaming-Protokolle zeigen, sind jedoch Qualität und Robustheit der Übertragung effizient kontrollierbar, wenn Streamingprotokolle Informationen über den Inhalt der transportierten Daten ausnutzen. Existierende Ansätze, die den Inhalt von Multimediadatenströmen beschreiben, sind allerdings meist auf einzelne Kompressionsverfahren spezialisiert und verwenden berechnungsintensive Metriken. Das reduziert ihren praktischen Nutzen deutlich. Außerdem erfordert der Informationsaustausch eine enge Kooperation zwischen Applikationen und Transportschichten. Da allerdings die Schnittstellen aktueller Systemarchitekturen nicht darauf vorbereitet sind, müssen entweder die Schnittstellen erweitert oder alternative Architekturkonzepte geschaffen werden. Die Gefahr beider Varianten ist jedoch, dass sich die Komplexität eines Systems dadurch weiter erhöhen kann. Das zentrale Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, schichtenübergreifende Koordination bei gleichzeitiger Reduzierung der Komplexität zu erreichen. Hier leistet die Arbeit zwei Beträge zum aktuellen Stand der Forschung. Erstens definiert sie ein universelles Modell zur Beschreibung von Inhaltsattributen, wie Wichtigkeiten und Abhängigkeitsbeziehungen innerhalb eines Datenstroms. Transportschichten können dieses Wissen zur effizienten Fehlerkontrolle verwenden. Zweitens beschreibt die Arbeit das Noja Programmiermodell für multimediale Middleware. Noja definiert Abstraktionen zur Übertragung und Kontrolle multimedialer Ströme, die die Koordination von Streamingprotokollen mit Applikationen ermöglichen. Zum Beispiel können Programmierer geeignete Fehlersemantiken und Kommunikationstopologien auswählen und den konkreten Fehlerschutz dann zur Laufzeit verfeinern und kontrollieren

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Eichhorn, Alexander: Content-Aware Multimedia Communications. 2008.

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