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STREAMING VIDÉO SUR INTERNET ARCHITECTURES, PROTOCOLES ET SERVICES

Yassine HADJADJ AOUL [email protected]

Maître de conférences à l’Université de Rennes 1

Laboratoire IRISA, Equipe-‐projet Dionysos (INRIA)

Décembre 4, 2013

Ecole d’hiver sur les application de l’informatique industrielle, réseaux et génie logiciel

Plan • Généralités

•  Contextes •  Place de la vidéo dans l’internet •  Défini]ons

• Architectures tradi]onnelles • Difficultés du streaming sur Internet • Améliora]on du streaming sur Internet

•  Améliora]on structurelle (vidéo) •  Améliora]on protocolaire (DASH)

•  Architecturale (CDN + Caching)

• Tendances …

Streaming sur Internet 2

CONTEXTES


Contexte économique

• Nombre gigantesque de clients IP (marché poten]el très important et à moindre coût)

• Déploiement généralisé et con]nue de l’IPTV • Dispari]on imminente de la télé analogique

•  « Digital switchover », depuis 2011 en France

• Croissance importante du nombre de disposi]fs HD • Appari]on soudaine de plateformes de partage de contenus (e.g. Youtube, Dailymo]on) et la croissance du partage de fichiers en Pair-‐à-‐pair (i.e. P2P)


Contexte technologique

Plusieurs évolu]ons technologiques ont rendu possible le transport de la vidéo sur IP:

• Transi]on vers la vidéo digitale •  La transmission en numérique possible par voie terrestre, satellitaire et par câble

• Avancées dans la compression vidéo •  Evolu]on du premier standard (MPEG-‐1, 1991) au standard de compression avancé H.264

•  La vidéo peut être transportée dans un réseau à capacité limité

• Croissance de la capacité des réseaux IP •  Démocra]sa]on des accès large bande


CES DÉVELOPPEMENTS ONT RENDU TECHNIQUEMENT ET ÉCONOMIQUEMENT POSSIBLE LE TRANSPORT DE LA VIDÉO HAUTE-‐QUALITÉ AUX NOMBREUX CLIENTS IP En résumé


PLACE DE LA VIDÉO DANS L’INTERNET


Etat des lieux (année 2012)


Cisco forcast

• Les consommateurs de vidéos représentent 57% du nombre total de consommateurs de trafic internet • 69% en 2017 !

•  La Vidéo internet sur TV représente 9% • 14% en 2017 ! … probablement plus

• Le trafic VoD triplera en 2017 !

• La somme de toutes les formes de vidéo (TV, VoD, Internet et P2P) sera de l'ordre de 80 à 90% du trafic mondial d'ici 2017 !

Etat des lieux (année 2012) (suite)


0

10

20

30

40

50

60

2012 2013 2014 2015 2016 2017

14,8 19,8

25,8

32,9

41,9

52,7

8,8 11,6

14,6 17,6

20,4 22,9

Vidéo sur Internet

Vidéo sur réseaux managés

Prédic]ons

Trafic en

PB (101

5 )

Croissance 29% annuel

Croissance 21% annuel

DÉFINITIONS


L’IPTV C’EST LA TV PAR INTERNET Idée reçue


IPTV

Caractéris]ques •  Flux con]nus de contenu produit par des professionnels

•  Contenus uniformes (tous les canaux partagent une même technique de compression, résolu]on, débit)

•  Transport sur un réseau privé (opéré de bout-‐en-‐bout) •  xDSL

•  Transport en mode non connecté RTP/UDP (mul]cast)

•  Visualiser sur une télévision par le biais d’une set-‐top box

IPTV est simplement le moyen de transporter la télé tradi]onnelle dans un réseau IP


VoD: Vidéo à la demande

Caractéris]ques •  Contenus discrets •  Contenus uniformes •  Transport sur un réseau privé (opéré de bout-‐en-‐bout) •  Transport en mode non connecté RTP/UDP ou TCP •  Visualiser sur une télévision par le biais d’une set-‐top box •  Généralement les contenus de la catch-‐up TV sont accessible durant une

période limité …

Technique de diffusion de contenus vidéo numérique bidirec]onnelle (interac]ve) offerts (catch-‐up TV) ou vendus


Vidéo par Internet

Caractéris]ques •  Contenus discrets •  Millions de contenus vidéo •  Format des contenus très variable •  Livraison sur le réseau Internet •  Transport en mode connecté: TCP •  Visualiser par des lecteurs sur PCs, Tablexes, smart phones, … et la TV

(smart TV)

La vidéo par Internet se base sur une livraison de contenus en u]lisant un réseau public


Avantages et inconvénients du streaming sur Internet

Avantages

• Disponibilité et ubiquité • Low cost par rapport à une solu]on se basant sur un réseau opéré

Inconvénients

• Performance imprédic]ble (i.e. réseau best effort)

• Coût réduit en infrastructure … pas toujours vrai


Part de la vidéo par internet en 2015 USA


UGC (e.g. Youtube)

15%

Vidéo mobile 10%

TV live sur PCs 10%

Caméra de sécurité

6% Vidéo conférence

4%

VoD sur PC (e.g. Netflix)

39%

VoD sur TV (e.g. Apple

TV) 17%

ARCHITECTURES TRADITIONNELLES Evolu]on de la technique avec l’évolu]on de la capacité du réseau


Download

• Click and wait, le download implique le téléchargement de tout le fichier avant visualisa]on


Download (suite)

Avantages

•  Le moyen le plus simple •  pas de contraintes en BW … accès modem

56K

•  Pas de problème de synchronisa]on

intra/inter-‐média

• Une fois téléchargé, la répé]]on de visionnage ne consomme pas de BW

•  Fichier portable, partageable, conver]ble dans un autre format, …

Inconvénients

•  La lecture n’est possible qu’à la fin du téléchargement du fichier

•  Après téléchargement le fichier peut ne pas être lu (codec, player, …)

•  Contenu peut ne pas correspondre aux axentes … •  Popularité des premières secondes (e.g. Youtube)


Progressive download

• Dans le téléchargement progressif, le lecteur mul]média est configuré pour pointer à l’URL de la vidéo à lire (e.g. Youtube)

(1) HTTP request for Meta file

(2) Meta file

(3) Video file requested and sent over HTTP


Progressive download (suite)

Avantages •  Pas d’axente du téléchargement complet avant le démarrage de la lecture

•  Supporté par tous les lecteurs les plus populaires •  Pas d’installa]on de logiciel supplémentaire

•  Le téléchargement peut être interrompu si pas d’intérêt pour le contenu

•  Répé]]on possible de la lecture en local (pas de coût en Bande passante)

•  Fonc]onne parfaitement avec les CDNs

Inconvénients

•  Interrup]on possible de la lecture (i.e. playout interrup]ons)

•  Le déplacement dans la vidéo n’est pas possible …


Streaming

• Signifie que le flux vidéo est reçu par et présenté à un u]lisateur final, tout en étant délivré par une diffusion en con]nu du fournisseur.

(1) HTTP request for presentation

description

(2) Presentation description

(3) Video file requested and sent

Live ou VoD


Streaming (suite)

Avantages

•  Visualisa]on quasi instantané •  Où presque, buffer de quelques secondes

•  Déplacement possible à n’importe quel endroit de la vidéo

•  La bande passante u]lisée est celle nécessaire à la visualisa]on

•  Seul moyen pour faire du live … pas complètement vrai

•  Fichier non portable (sécurité)

Inconvénients

•  Interrup]on possible de la lecture (i.e. playout interrup]ons)

•  Nécessite d’avoir des serveurs de streaming


DANS LE STREAMING PAR INTERNET, ON A PAS FORCÉMENT UN SERVEUR DE STREAMING … Serveur web pour le streaming vidéo


DIFFICULTÉS LIÉES AU STREAMING SUR INTERNET


COMPRENDRE LE FONCTIONNEMENT DE L’INTERNET POUR COMPRENDRE LES PROBLÈMES DU STREAMING SUR INTERNET


Structure de l’Internet

POP: Point Of Presence (ISP-ISP) NAP: Network Access Point (ISP-Autres)

Réseau d’accès

Réseau d’accès Réseau d’accès


Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

ISP A

ISP B

ISP C

IXP

Internet eXchange Point

Lien de peering

POP

NAP


Structure de l’Internet: plus en détail

Réseau d’accès



Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

ISP A

ISP B

ISP C IXP

ISP régionaux

ISP régionaux Fournisseur de

contenus


Structure de l’Internet: plus en détail

"  Les ISPs “]er-‐1” commerciaux (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), présentent une étendue na]onal et interna]onal

"  Les fournisseurs de contenus (e.g, Google) bypass généralement les Tiers 1 et ISPs régionaux

Tier 1 - ISP

Tier 1 - ISP Google

ISP régional

ISP régional

Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

Réseau d’accès

IXP IXP IXP

Tier 2 -‐ ISP

Tier 3 -‐ ISP

Achat par]el de leurs trafic

Achat de tout leurs trafic


TCP et le streaming sur Internet

• Protocole assurant une transmission fiable • Pas de dégrada]on de la qualité de l’image

• Adapter aux services de vidéos à la demande (e.g. User Generated Contents « UGC »)

• Retransmission des paquets perdus … même lorsque la retransmission n’est pas u]le

• Permet de bypasser les firewall et NAT • Transport sur HTTP/TCP

• Serveur assez simple (e.g. download ou progressive download)


TCP et le streaming sur Internet (suite)

• Adapta]on du débit de transmission (ges]on de la conges]on) • Chute du débit après une perte de paquet … même si cela peut causer une famine au niveau du client

• Overhead • Three-‐way handshake, entête TCP de 20 octets dans chaque paquet … trop pour l’envoie de données audio

• Envoie d’acquitement pour tous les paquets … bien plus que nécessaire

• Non compa]ble avec le mul]cast (e.g. IPTV) • Mul]cast applica]f ?


Difficultés du streaming sur Internet

• Réseau Best effort • Pas de garan]s en ressources (pire encore: ressources variables) • Délais variables, pertes

• Limites de l’ingénierie de trafic (MPLS, …) • Pas de qualité en inter-‐domaine • Pas de QoS de bout-‐en-‐bout (i.e. Enthrone, …)

• Problème de conges]on • Principalement au niveau des liens de peering

• Pas de mul]cast en TCP … redondance non exploitée


Impacte du streaming sur l’écosystème

• Les ISP et les réseaux de transit sont submergés de trafic de distribu]on de contenus

•  Déséquilibre des liens de peering (bande passante entrante/sortante) •  Le service de peering ne peut plus être gratuit …

•  Réseaux de transit : mise à jour con]nue des liens de transmission •  Passage par les réseaux de transit/payement suivant le débit

•  Coût des IXPs reste non négligeable •  Mise à jour de la capacité de transport, des équipements et la loca]on de l’endroit

•  Achat du service de distribu]on d’un ou de plusieurs opérateurs de CDNs

• Qui doit payer?


AMÉLIORATION DU STREAMING SUR INTERNET


Axes d’améliora]ons

Structure de la vidéo

Base sur des fragments • Popularité/fragment

Plusieurs qualité pour un même contenu • Qualité optimal

Protocole de streaming

Adaptatif • Débit suivant l’état

du réseau

Infrastructure

CDN • Au plus près des

clients

Stockage

Caching dynamique • Popularité/…

Prefetching • Popularité potentiel


DASH: UNE STRUCTURATION ET UN PROTOCOLE


Streaming de vidéo à base de fragments

Caractéris]ques •  Streaming plus efficace

•  Moins d’impact en cas de perte •  U]lisa]on plus efficace de la bande passante

•  Caching plus efficace •  Un cache à fragments offre une meilleure efficacité qu’un cache à contenu

complet (i.e. Caching des chunks populaires)

•  Pas d’interdépendance entre chunk

La vidéo de streaming est divisée en segments (i.e. chunks) contenant une certaine durée de vidéo (typiquement: 2 à 10s)


Structure d’une vidéo

38

Une séquence vidéo = i groupes d’images Groupe d’images (GoP) = k images Groupe d’images (GoP) = k images

... ...

1 image = m bandes (slices)

1 bandes = p macroblocs

1 macrobloc = 4 blocs

q pixels

r pixels

1 bloc = q x r pixels q = r = {4, 8, 16}

•  Le GOP (Group Of Picture) définit l’enchaînement des images I, P et B dans le flux vidéo.

•  Le GOP commence toujours par une image I.

Structure d’un GoP

39

GoP(3,16) I Intracoded frame P Forward/predicted frame B Bi-directional/interpolated frame

Un chunk et un ensemble de GOPs

DASH: Dynamic Adap]ve Streaming over HTTP

Le standard DASH est une technique de streaming basée sur des segments, disponible en différentes qualité et transportés en u]lisant HTTP 1.1


DASH: Dynamic Adap]ve Streaming over HTTP

Avantages •  S’adapte automa]quement à la bande passante disponible

•  Choix du débit par le client, en fonc]on des capacités

•  Passage transparent d’une qualité à une autre

• Encapsula]on sur HTTP •  Court-‐circuite les NAT et les firewall

• Déploiement facile sur les CDNs • Nul besoin d’un serveur de streaming

•  Serveur web

• Déplace l’intelligence du réseau vers les clients


Challenges

•  Instabilité et iniquité du streaming en DASH •  Résultat du contrôle distribué


J. Jiang, V. Sekar, and H. Zhang. 2012. Improving fairness, efficiency, and stability in HTTP-‐based adap]ve video streaming with FESTIVE. In Proc. Of ACM CoNEXT '12. New York, NY, USA, 97-‐108.

Lien congestionné commun

Challenges (suite)

Performance: • Détermina]on de la taille des chunks • Détermina]on de la stratégie de téléchargement op]male

• Nombre de chunk pour éviter la famine tout en minimisant la bufferisa]on

• Caching des flux DASH •  Choix de la qualité dans un réseaux de distribu]on de contenus (e.g. topologie diverses)

Sécurité: • Stratégie de téléchargement agressive


RÉVOLUTION DU STREAMING SUR INTERNET GRÂCE AUX CDNs


Les intermédiaires Origin Server

Surrogate (cache)

Surrogate (cache)

Surrogate (cache) Surrogate

(cache)

• Mise à l’échelle

Serveurs centralisés

• Efficacité (BW)

Ferme de serveurs

• Coût • Mutualisation

Serveurs miroir

CDNs


CDN: Content delivery Network

Principe •  Rapproche les contenus des u]lisateurs (économie en bande passante

« coût » et pe]ts délais) •  Mise à l’échelle et mutualisa]on des ressources: traitement, mémoire,

stockage

•  Favorise les contenus les plus populaires •  Contenus distribués en fonc]on des besoins et de leurs u]lisa]ons

Réseau en overlay chargé de distribuer le contenu de l’endroit le plus op]mal*

* Ne signifie pas forcément le plus proche géographiquement


Exemple de CDNs

Resulting in traffic of: 5.4 petabytes / day 790+ billion hits / day 436+ million unique clients IPs / day

The Akamai EdgePlatform:

85,000+ Servers

1700+ POPs

72+ Countries

950+ Networks

660+ Cities


Evolu]on du trafic des CDNs


0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50

2012 2013 2014 2015 2016 2017

10,8 14,6

19,9

26,8

35,8

47,1 Prédic]ons

Trafic en

PB (101

5 )

Croissance 34% annuel •  Le CDN est la méthode dominante pour livrer le contenu de streaming.

•  51% du trafic Internet va traverser des CDNs en 2017,

contre 34% en 2012. •  65% du trafic vidéo sur Internet va traverser des CDNs en 2017, en hausse de 53% en 2012

Architecture type du streaming sur Internet


V. K. Adhikari, Y. Guo, F. Hao, M. Varvello, V. Hilt, M. Steiner, and Z.-‐L. Zhang. INFOCOM, page 1620-‐1628. IEEE, (2012)

L’exemple:

Réseau Ne�lix

www.ne�lix.com

Cloud Amazon (EC2, S3 …)

Serveur Ne�lix Serveur Ne�lix

1 Enregistrement

Redirec]ons: movies.ne�lix.com (logged) Signup.ne�lix.com

2 • Authen]fica]on • MàJ périodique du Manifest

3

Copie de contenus

Level-‐3

LimeLight

Akamai

CDNs

4 Demandes chunks

5 chunks

Client MS Silverlight (DASH)

Problématique de la sélection de cache/serveur

RÉVOLUTION DU STREAMING SUR INTERNET PAR LE CACHING …


Pourquoi le caching?

• Changement de rapports entre opérateurs de CDNs et ISPs • Augmenta]on importante de la quan]té de trafic, principalement le téléchargement vidéos

• D’équilibre entre le trafic entrant et sortant (> 2.5 fois)

• Impacte du streaming sur les performances du réseau • Satura]on des liens de peering

• Dégrada]on de la qualité des autres applica]ons (e.g. Web)

• Le caching semble être une bonne solu]on …


Per]nence du caching pour la VoD


• Nombre d’u]lisateurs ac]fs > nombre de vidéos ac]ves

•  Taille limitée de la vidéothèque

•  Popularité/Loi Zipf (α = 1.2)* •  Décroissance rapide de la popularité

• Le caching des contenus VoD populaires est efficace

* C. Fricker, P. Robert, and J. Roberts: « A versa]le and accurate approxima]on for LRU cache performance ». In Journal Corr, Vol. abs/1202.3974 (2012)

Per]nence du caching pour le contenu UGC

• ANR ViPeer •  Partenaires: INRIA, TB, Orange, …

•  Etude: Per]nence du caching

•  Type de trafic: Youtube (vidéothèque quasi illimité)

• Mesures: 3 zones ADSL (villes: Lyon, Bordeaux, et Paris)

• Hypothèse: Les fichiers visualisés 1 et 2 fois sont considéré comme du bruit pour le caching

Fichiers dis]ncts

Nombre de téléchargement

Volume total

Jour 7

Fichiers 21354 29604 2278.1 GB

>2 1237 7197 (24,3%) 638,1 GB

1 17825 (60,2%) 1182,0 GB

1 semaine

Fichiers 93649 159486 5782,0 GB

>2 9367 63379 (39,7%) 2598,9 GB

1 72451 (45,4%) 2249,7 GB

2 semaines

Fichiers 202772 453345 9442,2 GB

>2 25981 249243 (54,9%) 4730.7 GB

1 149280 (32,9%) 3315,5 GB



• Résultats (Bordeaux) •  Trafic des fichiers visualisés 1 fois très important •  L’élargissement de la fenêtre d’étude permet d’augmenter le nombre de fichiers visualisés + 2 fois (≈55%)

•  Le caching des fichiers visualisé + 2 fois permexrait de réduire significa]vement la bande passante

•  La taille du cache (4,7 TB) à besoin d’être aussi importante

Fichiers dis]ncts


Volume total

Jour 7

Fichiers 21354 29604 2278.1 GB

>2 1237 7197 (24,3%) 638,1 GB

1 17825 (60,2%) 1182,0 GB

1 semaine

Fichiers 93649 159486 5782,0 GB

>2 9367 63379 (39,7%) 2598,9 GB

1 72451 (45,4%) 2249,7 GB

2 semaines

Fichiers 202772 453345 9442,2 GB

>2 25981 249243 (54,9%) 4730.7 GB

1 149280 (32,9%) 3315,5 GB



• Résultats (sur les 3 zones) •  Le poten]el de réduc]on est très important

•  La taille du cache (12 TB) à besoin d’être de plus en plus importante

• Les contenus visualisés changeant de jour en jour et de semaine en semaine •  Renouvellement du caching pour maintenir l’efficacité : stratégie de caching

Fichiers dis]ncts


Volume total

Jour 7

Fichiers 104548 223422 6493,1 GB

>2 9420 115516 (51,7%) 2757,9 GB

1 82350 (36,8%) 2634,6 GB

1 semaine

Fichiers 340702 836236 12484,6 GB

>2 43480 492482 (58,9%) 6124,7 GB

1 250690 (29,9%) 4463,6 GB

2 semaines

Fichiers 865681 2838514 22632,5 GB

>2 145724 1992348 (70,2%) 11916,9 GB

1 593721 (20,9%) 7483,1 GB


Stratégies de caching

Caching réac]f

• Mise en cache de contenus populaires dynamiquement •  Mise à jour des caches à la demande et dynamiquement

•  Techniques: LRU, LFU, LRFU, Op]mal*, …

•  Employé par: Google cache (technique basée sur LRU)

Caching proac]f (Prefetching)

• Mise en cache de contenus dont la popularité à un poten]el de croître •  Mise à jour des caches en dehors des heures de pointes

•  Techniques: basées sur la prédic]on •  Employé par: Facebook (u]lisa]on des liens sociaux), …


* L. Zhe, M.K. Sbai, Y. Hadjadj-‐Aoul, A. Gravey, et al: « Network friendly video distribu]on ». NoF 2012, Tunis, Tunisia (November 2012)

Impacte du caching sur l’écosystème

• Déséquilibre des liens de peering •  Importance du rôle des CDNs dans la chaine de distribu]on de contenus

•  Développement de solu]ons de CDNs par les « Content Provider » •  Google peut maintenant avoir un lien directe avec les ISPs ou les ISPs de transit (e.g. Orange)

• Les fournisseurs de contenus développent des solu]ons empêchant/gênant le caching puisque il entraîne des pertes de revenus (i.e. publicité) •  Youtube privilégie le streaming en HTTPs et un streaming dans un ordre non conven]onnelle

• Améliora]on de la QoE … consomma]on d’un contenus d’une meilleure qualité (e.g. HD) … problème de conges]on …

• Développement de nouvelles solu]ons …


TENDANCES …


Vers une coopéra]on entre CPs et ISPs

• Une coopéra]on entre CP et ISP est une solu]on gagnant-‐gagnant •  Les ISPs économisent de la bande passante

•  Les CPs ne perdent pas de revenus et décharge leurs serveurs/CDNs

• Objec]f du projet ANR ViPeer •  De nouvelles évolu]ons confirme l’intui]on …


* L. Zhe, M.K. Sbai, Y. Hadjadj-‐Aoul, A. Gravey, et al: « Network friendly video distribu]on ». NoF 2012, Tunis, Tunisia (November 2012)

Vers une coopéra]on entre CPs et ISPs (suite) Regional CDN ServerPortal dTracker Caching (Peers) Customer

Request « Matrix »3

URL Manifest4

Get URL Manifest5

Redirect dTracker6

Get URL Manifest7

Send modified Manifest8

Upload Manifest

OK

1

2

ChunkRequest(Chz,Peerr)

ChunkRequest(Chx,Peery)

9


La solu]on Vipeer recommande le

déploiement d’un système de caching opéré par

l’opérateur réseau dans son propre réseau

Vers une coopéra]on entre CPs et ISPs (suite)

• Ne�lix: Ne�lix Open Connect Network •  Permet aux ISPs d’avoir, en intra-‐domaine, un serveur de caching local (i.e. open connect)

•  Con]nuer le travaille avec les CDNs commerciaux … à terme ça ne sera probablement plus le cas …

•  Serveur gratuit pour les ISPs •  Ne�lix CDN (Storage: 100 TB, If: 2x10 Gb/s)

•  Coopera]on between Ne�lix and ISPs •  Permet aux opérateurs d’avoir du contrôle sur l’acheminement de la vidéo •  Pre-‐remplissage des caches pendant les heures creuses

•  Caching proac]f et réac]f


hxp://blog.ne�lix.com/2012/06/announcing-‐ne�lix-‐open-‐connect-‐network.html (June 2012)

Streaming en P2P

• Le P2P est scalable, pas cher et axrac]f mais … pas de garan]s en ressources … non viable comme solu]on commerciale

• P4P permet aux ISPs d’op]miser leurs ges]on de ressources •  Réduire la charge des liens de peering en favorisant des communica]ons intra-‐domaine (iTracker)

• Architecture hybride CDN/P2P • Certains CDNs commenceraient déjà à avoir des composantes P2P

• Créa]on d’un nouveau WG à l’IETF: PPSP (P2P streaming protocol) • Tout reste encore à faire …


* RFC 6972 (July 2013)

CCN: Content centric networking

CDN surrogate

Portal

Device with caching support (e.g. Router,

DSLAM, …)

STB with possible caching support

dTracker


Routage sur les noms

Stratégies de réplica]on et de caching

Plus de transport end2end

Chercher le contenus ou il se trouve … plus de lien avec un terminal/@IP par]culière

Meilleures stratégies?

Quelle qualité pour le caching?

En overlay ou from the scratch?

De la centralisa]on à la distribu]on et de la distribu]on

à la centralisa]on …

SDN: So�ware Defined Networking?


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