Technische Universität Braunschweig Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund Collaborative Media Streaming Von der Carl-Friedrich Gauß-Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades einer Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Verena Kahmann geboren am 8.4.1972 in Stuttgart Referent: Prof. Dr.-Ing. L. Wolf Korreferent: Prof. Dr.-Ing. J. Ott Eingereicht am 15. April 2008 Mündliche Prüfung am 22. Juli 2008 Dank Zum Gelingen dieser Arbeit haben einige Menschen wesentlich beigetragen. Bei ihnen allen möchte ich mich herzlich bedanken. An herausragender erster Stelle sei hier Herr Prof. Dr. Lars Wolf genannt, der meine Arbeit in jeglicher Hinsicht hervorragend betreut und mit zahlreichen wertvollen Hinweisen und fach- lichen Ratschlägen das Zustandekommen dieser Arbeit erst ermöglicht hat. Er hat mich als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Telematik an der Universität Karlsruhe (TH) eingestellt und mich auch nach dem Wechsel an das Institut für Betriebssysteme und Rechnerver- bund der Technischen Universität Braunschweig stets gefördert. Besonders dankbar bin ich ihm für die Freiräume, die er mir gewährt hat, um Beruf und Familie vereinbaren zu können. Herrn Prof. Dr. Jörg Ott von der Universität Helsinki danke ich für die freundliche Übernahme des Korreferates sowie für die hilfreichen Anmerkungen zur Arbeit. Die Zusammenarbeit mit den Kollegen, zunächst am Institut für Telematik, dann am Institut für Betriebssysteme und Rechnerverbund, war ebenfalls von großer Bedeutung für das Gelingen meiner Arbeit. An beiden Instituten herrschte ein angenehmes und offenes Arbeitsklima, zu dem viele Kollegen ihren Teil beigetragen haben. Für das Institut für Telematik seien stellvertretend Herr Dr. Elmar Dorner, der mich als Betreuer meiner studentischen Arbeiten für das Gebiet der Rechnerkommunikation begeistert hat, und die Herren Kollegen der Engesserstraße, Dr. Marc Bechler, Dr. Daniel Kraft, Dr. Frank Pählke und Dr. Bernhard Thurm, genannt. Auch während meiner Zeit in Braunschweig fand ich vielfältige fachliche und persönliche Unterstützung. Die konstruktiven Gespräche mit den Herren Jens Brandt und Oliver Wellnitz waren für die Qualität der Arbeit sehr wichtig. Herrn Dr. Bechler möchte ich auch für die Mitfahrgelegenheit nach Braunschweig danken, die immer für Spaß und Abwechslung sorgte. Dank gebührt außerdem den Administratoren des Instituts für Betriebssysteme und Rechnerverbund, welche – nicht nur während meiner Arbeit – mit großem persönlichen Engagement dafür sorgen, dass eine hochleistungsfähige Rechnerumgebung für Betrieb und Versuche vorhanden ist. Herr Brandt und Herr Dr. Kraft waren freundlicherweise auch bereit, große Teile der Arbeit Korrektur zu lesen. Hierfür sowie für ihre hilfreichen Hinweise zum Erstellen der Arbeit mit dem Textsatzsystem LATEX und Zeichen- und Grafikprogrammen wie inkscape und gnuplot möchte ich mich an dieser Stelle herzlich bedanken. Zuletzt gilt mein besonderer Dank meiner Familie. Meine Eltern haben mich bereits während des Studiums stets unterstützt und ermutigt. Auch für die Hilfe bei der Kinderbetreuung bin ich sowohl ihnen als auch meinen Schwiegereltern dankbar. Frau Wacha und Frau Förster danke ich herzlich für die freundliche Aufnahme in Wolfenbüttel und die netten Einladungen zum ii Essen. Schließlich möchte ich besonders das Engagement meines Mannes Julian und meiner Kinder hervorheben, die mir auch in schwierigen Zeiten immer ein großer Rückhalt waren und die während der Erstellung dieser Arbeit auf vieles verzichten mussten. Karlsruhe, im September 2008 Verena Kahmann Kurzfassung Multimedia-Dienste, die mit Hilfe von Internet-Technologie erbracht werden können, sind zur Zeit ein gefragtes Thema in Forschung und Wirtschaft. Internetanbieter setzen auf Dienste wie IPTV, also die Übertragung des Fernsehprogrammes über die Internet-Protokollsuite, oder das bereits in den 1990er-Jahren entwickelte Video-on-Demand, bei dem man Filme über den Internetzugang abrufen und auf einem Fernsehgerät oder Rechner ansehen kann. Technisch können solche Dienste unter dem Begriff Streaming eingeordnet werden. Ein Server sendet Mediendaten kontinuierlich an einen oder mehrere Empfänger, die die Daten sofort weiterverarbeiten und meist auch anzeigen. Über einen Rückkanal hat der Kunde auch die Möglichkeit der Einflussnahme auf die Wiedergabe: Fernsehsendungen lassen sich zeitversetzt ansehen oder die Datenübertragung kann angehalten werden. Eine Weiterentwicklung dieser Streaming-Dienste ist die Möglichkeit, gemeinsam mit anderen denselben Film auf mehreren Geräten parallel anzusehen, egal ob sich diese Benutzer in anderen Räumen in demselben Haus befinden oder an ganz anderen Orten. Ähnliche Ansätze gibt es im Internet bereits: Beispielsweise können mehrere Zuschauer gleichzeitig einem Vortrag folgen, wenn dieser über das so genannte Multicast an ihre Geräte verteilt wird. Allerdings können sie in den meisten Architekturen keinen Einfluss auf die Übertragung nehmen - ein Anhalten der Übertragung oder gar das Überspringen unwichtigerer Teile ist nicht möglich. Des Weiteren können andere Benutzer nicht direkt über die Anwendung zu der Streaming-Sitzung eingeladen werden. Einen Collaborative-Streaming-Dienst ohne die genannten Einschränkungen bietet die in dieser Arbeit entwickelte costream-Architektur: Sie erlaubt es, einen Film abzurufen, andere zum ge- meinsamen Betrachten dieses Filmes einzuladen oder sich selbst in eine solche Benutzergruppe einzuklinken. Benutzer können die Sendung so steuern, wie sie es von einem DVD-Spieler gewohnt sind. Abhängig davon, welchen Ablauf die Benutzergruppe wünscht, wird die Steuerung für alle Teilnehmer durchgeführt oder die Gruppe aufgeteilt, sodass Benutzer den Film auch an unterschiedlichen Positionen abspielen können. Hierzu wird eine Gruppenverwaltung eingesetzt, welche den Zugriff auf Steuerungsbefehle mit Hilfe von Rollenzuweisungen regelt. Getrennt von der Gruppenverwaltung sorgt eine weitere Komponente für die Steuerung der Streaming- Sitzungen und die Synchronisation zwischen den Teilnehmern. Eine solche Aufteilung hat den Vorteil, dass Standardprotokolle, die von der IETF für die Signalisierung von Multimedia-Diensten entwickelt wurden, eingesetzt werden können. Für die Gruppenverwaltung haben sich hierzu SIP-Konferenzsysteme als optimal erwiesen, die Sitzungs- steuerung lässt sich mit der Erweiterung eines RTSP-Zwischensystems, wie man es beispielsweise auch für das Caching von Mediendaten benutzt, bewerkstelligen. iv Die Evaluierung dieser Architektur zeigt schließlich, dass ein solcher Dienst nicht nur mit sehr geringen Wartezeiten erbracht werden kann, sondern eine durchaus akzeptable Synchronisation der Datenströme auf die verschiedenen Ausgabegeräte der Benutzer erreicht werden kann. Zudem ist der nötige Zusatzaufwand verglichen mit üblichen Konferenz- oder Streaming-Systemen sehr gering. Abstract At the time being, multimedia services using IP technology are a hot topic for network and service providers. Examples are IPTV, which stands for television broadcast over a (mostly closed) network infrastructure by means of the IP suite, or video on-demand, which allows for watching selected movies via Internet on TV devices or computers in the home. Technically, these services can be classified under the notion of streaming. A server sends media data in a continuous fashion to one or several clients, which consume data portions as soon as they arrive, mostly displaying them also. By using a feedback channel customers may influence the play-back, since they may watch programs time-shifted or pause the program. An enhancement of such streaming services is to watch those movies together with a group of people on several devices in parallel, independent from the location of the other group members. Similar approaches have been developed using IP multicast, for example for distributing lectures or conference talks to a group of listeners. However, users cannot control the presentation: pausing or skipping of more unimportant parts is impossible. Moreover, the streaming presentation is announced by means outside the application instead of adding others to the session directly within the application. The costream architecture developed in this works offers a collaborative streaming service without these limitations: People may retrieve movies, join others watching a movie or invite others to such a collaborative streaming session. Participants of a collaborative streaming session can control the movie presentation like they do on a DVD player. Dependent on the desired course of the session the control operation is executed for all users, or the group is split into subgroups to let watchers follow their own time-lines. For this, a group management controls access to session control operations by means of user roles. Separate from the group management, the so-called association service provides for streaming session control and synchronization among participants. This separation of duties is advantageous in the sense that standard components can be used: For group management, SIP conferencing servers are suitable, whereas session control can best be handled using RTSP proxies as already used for caching of media data. Eventually, the evaluation of this architecture shows that such a service offers both low latency for clients and an acceptable synchronization of media streams to different client devices. Moreover, the communication overhead compared to