xây dựng ứng dụng video streamming dựa trên mạng ngang hàng chord

 TRƯỜNG…………………. KHOA……………………….  ‐‐‐‐‐[\[\‐‐‐‐‐  Báocáotốtnghiệp Đềtài: Xây dựng ứng dụng video streamming dựa trên mạng ngang hàng Chord            Tóm tắt Khóa luận này đưa ra một phương thức truyền tin multicast trên nền tảng mạng ngang hàng mới nhằm khắc phục những nhược điểm của một số phương thức truyền tin multicast đã tồn tại từ trước. Những nhược điểm đó gồm có việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng của router đối với IP multicast hay vấn đề quản lý cây multicast khó khăn đối v ới một số giao thức truyền tin multicast trên tầng ứng dụng khác. Khóa luận mô tả chi tiết giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc Chord và cách thức truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng Chord. Trong khóa luận, vấn đề truyền video streaming cũng được đề cập đến. Từ đó khóa luận đã xây dựng nên ứng dụng truyền video streaming multicast trên nền Chord. Việc đánh giá kết quả thu được qua quá trình xây dựng ứng dụng cho ta thấy được những ư u điểm của việc triển khai multicast trên mạng ngang hàng, cũng như những nhược điểm cần khắc phục. MỤC LỤC Mở đầu 5 Chương I: Tổng quan về video streaming multicast 7 1.1. Giới thiệu về video streaming 7 1.2. Giới thiệu multicast 9 1.3. IP multicast 10 1.4. Multicast tầng ứng dụng ( ALM – Application-layer Multicast) 12 1.4.1. Giới thiệu 12 1.4.2. Một số giải pháp truyền tin multicast trên tầng ứng dụng 13 Chương II: Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 16 2.1. Giới thiệu mạng ngang hàng 16  2.2.1. Khái niệm 16 2.2.2. Ưu thế của mạng ngang hàng 16 2.2.3. Phân loại mạng ngang hàng 16 2.2. Mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 18 2.2.1. Giới thiệu chung 18 2.2.2. Finger table 20 2.2.3. Node tham gia/ rời mạng và quá trình đồng bộ ( stabilization) 21 2.3. Thuật toán truyền tin multicast dựa trên nền mạng Chord 22 Chương III: Xây dựng ứng dụng truyền tin video streaming multicast thời gian thực trên nền mạng ngang hàng có cấ u trúc Chord 26 3.1. Mục tiêu và yêu cầu của việc xây dựng ứng dụng 26 3.2. Ý tưởng 26 3.3. Thiết kế hệ thống 27 3.3.1. Tạo cây multicast 27 3.3.1. Tạo dữ liệu thời gian thực 28 3.3.2. Truyền hình ảnh 28 3.3.3. Xử lý và hiển hình ảnh 29 3.4. Thiết kế giao thức 29 3.4.1. Giao thức máy chủ 29 3.4.2. Giao thức máy khách 31 3.5. Thiết kế chương trình 33 3.5.1. Lớp WebcamServer 34 3.5.2. Lớp WebcamClient 36 Chương IV: Kết quả đánh giá hệ thống 39 4.1. Kết quả thử nghiệm 39 4.1.1. Môi trường chạy thử 39 4.1.2. Kết quả đạt được 39 4.2. Kết quả đánh giá hiệu n ăng 39 Chương V: Kết luận 41 Tài liệu tham khảo 42  Mở đầu Trong những ngày đầu phát triển của ứng dụng đa phương tiện, khoảng nửa cuối thập niên 90, việc xem một video trên mạng gần như là điều không thể. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của Internet, các ứng dụng đa phương tiện trong đó có video streaming đã trở thành nhu cầu không thể thiếu của nhiều cư dân mạng.Theo thống kê, riêng tại Mỹ đã có khoảng 13,5 tỉ video được xem trong tháng 10 – 2008 (nguồn comScore). Con s ố trên đủ cho ta thấy được sự lớn mạnh không ngừng của các ứng dụng video streaming. Tuy nhiên, để phát triển một ứng dụng video streaming tốt gặp phải nhiều vấn đề. Ứng dụng video streaming đòi hỏi nhiều băng thông và yêu cầu độ trễ thấp. Chính vì vậy cần phải có một phương thức phân phát video trên đường truyền hợp lý. IP multicast với khả năng tối ưu hóa đường truyền là một gi ải pháp cho vấn đề này. Tuy nhiên, việc triển khai IP multicast lại rất tốn kém bởi nó đòi hỏi toàn mạng phải có những Router đắt tiền, chuyên dụng. Điều này hoàn toàn không khả thi trong một mạng diện rộng như Internet. Triển khai multicast trên tầng ứng dụng với việc không làm thay đổi hạ tầng mạng phía dưới là một giải pháp thay thế hữu hiệu cho IP multicast. Hiện nay, trên thế giới đã và đang phát triển rất nhi ều phương pháp truyền tin multiast trên tầng ứng dụng khác nhau. Trong đó truyền tin multicast dựa mạng ngang hàng hứa hẹn có nhiều ưu điểm. Đặc thù của truyền tin multicast là phải tạo được một cây multicast tối ưu, có sự liên kết chặt chẽ giữa các node với nhau, có khả năng phục hồi lỗi nhanh. Mạng ngang hàng có cấu trúc hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu đó với việc các node được liên kết v ới nhau bằng một thuật toán cụ thể. Để làm rõ hơn những lợi thế của mạng ngang hàng có cấu trúc trong việc truyền tin multicast, khóa luận này đã nghiên cứu xây dựng một ứng dụng truyền video streaming multicast dựa trên nền tảng mạng ngang hàng có cấu trúc Chord. Sau đây là tóm tắt nội dung khóa luận gồm 5 chương. Chương 1: Tổng quan về video streaming và multicast Giới thiệu về video streaming và trình bày những khái cơ bản về multicast, so sánh với các phương thứ c truyền tin khác. IP multicast và multicast tầng ứng dụng được trình bày một cách ngắn gọn để từ đó có thể thấy được ưu điểm của multicast tầng ứng dụng so với IP multicast. Chương 2: Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord Phần này đưa ra cái nhìn tổng quan về mạng ngang hàng bao gồm: khái niệm, phân loại và ưu điểm chung của mạng ngang hàng. Tiếp đó, sẽ giới thiệu hoạt động của giao thức Chord. Đặc biệt, việc truyền tin multicast dựa trên nền mạng Chord được đề cập một cách chi tiết. Chương 3: Xây dựng ứng dụng truyền multicast video streaming thời gian thực trên nền Chord Chương 3 đề cập đến những yêu c ầu, mục tiêu của ứng dụng và cách thức xây dựng ứng dụng sao cho phù hợp với những mục tiêu đó. Trong đó, trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống, thiết kế giao thức và thiết kế chương trình của ứng dụng. Chương 4: Kết quả đánh giá hệ thống Sau các nghiên cứu ở các phần trên, chương 4 trình bày về môi trường chạy thử chương trình, các kết quả và đánh giá thu đượ c sau quá trình thử nghiêm. Chương 5: Kết luận Chương I: Tổng quan về video streaming multicast 1.1. Giới thiệu về video streaming Video là một loại dữ liệu đa phương tiện quan trọng phục vụ cho truyền thông hoặc cho nhu cầu giải trí của con người trong nhiều thập niên. Trong thời kỳ đầu video được xử lý và truyền dưới dạng tín hiệu tương tự (analog). Với sự phát triển không ngừng của mạch điện tử và máy tính dẫn đến việ c số hóa video và mở ra một cuộc cách mạng về nén và truyền thông video. Sự phát triển và phổ biến của Internet giữa những năm 90 đã định hướng truyền thông video qua mạng chuyển mạch gói best-effort. Video qua mạng qua mạng Internet gặp phải rất nhiều yếu tố bất lợi về băng thông, độ trễ và mất gói tin, cùng với một số vấn đề như làm thế nào để chia sẽ tài nguyên mạng giữa các luông hay làm th ế nào có thể triển khai hiệu quả phương thức truyền thông một- nhiều ( truyền dữ liệu từ một nguồn đến nhiều đích cùng một lúc). Từ đó đã có rất nhiều giải pháp được nghiên cứu và phát triển nhằm khác phục những vấn đề này. Video streaming được định nghĩa là một “dòng chảy” video , nghĩa là dữ liệu video được truyền liên tục từ một nguồn đến m ột đích nào đó. Ý tưởng cơ bản của video streaming đó là chia video thành từng frame, sau đó liên tục truyền những phần được chia ra và bên nhận có thể hiện thị những phần video đã nhận được mà không phải đợi cho đến khi toàn bộ video được truyền xong. Tuy nhiên có một vài vấn đề ảnh hưởng trực tiếp đến video streaming. Video streaming qua mạng Internet gặp rất nhiều khó khăn bởi Internet chỉ cung cấp dịch vụ truy ền best-effort (cố gắng tối đa). Do đó, nó không đảm bảo về băng thông, độ trễ, jitter hay sự mất gói tin. Những nhân tố này thường không đoán trước được và động. Chính vì vậy, mục tiêu chính của việc xây dựng một ứng dụng video streaming là phải thiết kết một hệ thống phân phát video chất lượng cao đáng tin cây qua mạng Internet. Các ứng dụng video streaming thường được nhiều người dùng cùng một lúc, tức là video phải được truyền cùng lúc tới nhiều người như video conference hay truyền hình trực tuyến. Truyền tin multicast là một giải pháp thích hợp cho những ứng dụng đó. Phần dưới đây sẽ trình bày chi tiết về multicast. Cấu thành nên một hệ thống video streaming gồm có 6 yếu tố cơ bản: cơ chế nén video, cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng, dịch vụ phân phát video, máy chủ streaming, cơ chế đồng bộ dữ liệu và giao thức dành cho video streaming [10]. Hình 1 cho ta thấy được mối liên hệ giữa các yếu tố này với nhau. Hình 1: Cấu trúc ứng dụng video streaming  Cơ chế nén video. Dữ liệu video nguyên gốc cần phải được nén trước khi được truyền nhằm tiết kiệm băng thông.  Cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng. Để đối phó với sự biến thiên của tài nguyền mạng hoặc để cung cấp chất lượng hình ảnh thay đổi theo t ừng người dùng, nhiều kỹ thuật điều kiển chất lượng dịch vụ tầng ứng dụng đã được đưa ra. Kỹ thuật đó bao gồm điều khiển tắc nghẽn và điều khiển lỗi. Điều khiển tắc nghẽn được triển khai để ngăn ngừa việc mất gói tin và giảm độ trễ. Trong khi đó, điều khiể n lỗi cải thiện chất lượng hình ảnh khi có gói tin bị mất.  Dịch vụ phân phát video trên đường truyền. Được xây dựng trên nền của Internet ( giao thức IP), dịch vụ phân phát video trên đường truyền cho phép đạt được QoS ( chất lượng dịch vụ) và hiệu quả cho việc phân phát video qua mạng Internet.  Máy chủ streaming. Máy chủ streaming đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ streaming. Máy chủ streaming được yêu cầu phải x ử lý các dữ liệu video với sự rằng buộc về thời gian, đồng thời hỗ trợ các hành động tương tác như dừng (pause), tua (fast forward). Một server streaming gồm 3 hệ thống con: bộ truyền tin (communicator) ví dụ như giao thức tầng giao vận, hệ điều hành và hệ thống lưu trữ.  Cơ chế đồng bộ dữ liệu. Với cơ chế đồng bộ, ứng dụng tại bên nhận có thể hiển thị video gần giống như khi nó được khởi tạo tại bên gửi. Một ví dụ của cơ ch ế đồng bộ là cử động môi của người nói phải phù hợp với tiếng nói họ phát ra.  Giao thức dành cho video streaming. Giao thức được thiết kế và chuẩn hóa cho truyền thông giữa máy khách và máy chủ streaming. Giao thức có thể được chia làm 3 loại: giao thức tầng mạng như Internet Protocol (IP), giao thức tầng giao vận như User Datagram Protocol (UDP) và giao thức điều khiển phiên như Real-time Streaming Protocol (RTSP). 1.2. Giới thiệu multicast Trong hệ thống mạ ng của chúng ta hiện nay có 3 cách truyền tin cơ bản đó là unicast, multicast và broadcast (Hình 2). Unicast là phương thức truyền tin cơ sở của IP network. Với unicast một máy truyền và chỉ có một máy nhận theo kiểu point to point. Hiện nay hầu hết các ứng dụng mạng được phát triển và sử dụng trên nền phương thức unicast như HTTP, Telnet, FTP … Nhưng với những ứng dụng đòi hỏi phải truyền tin từ một nguồn cho một nhóm người dùng như video streaming thì việc triên khai trên unicast là không hiệu quả và truyền tin multicast là giải pháp thay thế. Multicast là cách truyền dữ liệu từ một – nhiều (one-to-many) tức là dữ liệu được gửi từ một node nguồn và một nhóm node đích sẽ nhận được cùng dữ liệu đó. Cách truyền này khác với unicast– gửi thông tin trên mạng theo cách truyền gói tin một- một (one – to – one). Nếu multicast có thể so sánh với cuộc gọi chung cho nhiều người (conference call) thì unicast có thể so sánh với cuộc gọ i riêng giữa hai người. Broadcast được mô tả như truyền thông tin cho toàn mạng, tất cả các điểm trong mạng đều nhận được thông báo này. Trong trường hợp này chỉ một người gửi nhưng tất cả người trong mạng đều nhận được. Broadcast được hỗ trợ trong mạng LAN (ví dụ Ethernet) và được sử dụng để gửi những gói tin giống nhau đến các máy trong mạng LAN (ví dụ ARP được sử dụng g ửi địa chỉ đến toàn bộ máy trong mạng LAN). Network protocol (như IP) hỗ trợ khuôn dạng gói tin để gửi đến bất kỳ hệ thống nào trong logical network. Có thể nói, multicast là cách thức hiệu quả nhất để truyền dữ liệu đến một nhóm người trên Internet. Chúng ta cũng có thể sử dụng unicast để truyền tin lần lượt từ nguồn đến từng node trong nhóm. Tuy nhiên, với cách này thì node nguồn sẽ phải lặp đi lặp lại việc truyền 1 gói tin cho rất nhiều node khác, dẫn đến việc tiêu tốn tài nguyên của node nguồn ( CPU, memory …). Đồng thời, sẽ có rất nhiều gói tin không cần thi ết được lưu thông trên mạng, dẫn đến lãng phí tài nguyên mạng. Với multicast, một cây multicast sẽ được hình thành với nguồn là gốc của cây và các thành phần còn lại của cây có thể là node đầu cuối ( end – host ) hoặc có thể là router tùy vào từng công nghệ multicast khác nhau. Thay vì việc node nguồn nhân bản gói tin và gửi đến từng node trong nhóm thì nó chỉ truyền cho 1 hoặc vài node nhất định và các node này có nhiệm vụ sao chép và truyền gói tin theo cây multicast. Hình 2: Các phương thức truyền tin trên mạng 1.3. IP multicast IP multicast (Hình 3) là chuẩn mở của IETF (Internet Engineering Task Force)[3], dùng để truyền dữ liệu tới nhiều người nhận.Trong IP multicast, các router sẽ đóng vai trò là node trung gian trong cây multicast và có trách nhiệm sao chép gói tin rồi truyền cho các node ứng dụng - ở đây, các node này sẽ đóng vai trò là ngọn của cây. [...]... Chord Napster Hinh 8: Phân loại mạng ngang hàng Mạng ngang hàng thuần túy được chia làm 2 loại: mạng ngang hàng có cấu trúc và mạng ngang hàng không cấu trúc Mạng ngang hàng không cấu trúc là khi các liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo qui luật nào) Những mạng như thế này dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy các liên kết... phân tán của mạng ngang hàng cũng giúp cho mạng hoạt động tốt khi một số máy gặp sự cố Đối với cấu trúc tập trung, chỉ cần máy chủ gặp sự cố thì cả hệ thống sẽ ngưng trệ 2.2.3 Phân loại mạng ngang hàng Mạng ngang hàng P2P được chia làm hai loại chính: mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép (Hình 8) Peer-to-Peer Lai ghép Thuần túy Không cấu trúc Gnutella Có cấu trúc CAN Chord Napster... khi một node bị lỗi hoặc rời mạng thì việc khôi phục lại cây multicast sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với mô hình mesh-first Hình 7: (a) Mạng phủ 7 node (b) Cây multicast tạo từ mạng phủ Chương II: Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 2.1 Giới thiệu mạng ngang hàng 2.2.1 Khái niệm Một mạng máy tính ngang hàng (Peer-to-peer hoặc P2P) chủ yếu dựa trên sức mạnh tính toán và băng... cầu của ứng dụng Có 2 cách phản hồi đó là: (i) Gói tin phản hồi sẽ được gửi ngược lại theo cây broadcast đã được hình thành từ trước (ii) Gói tin phản hồi được gửi trực tiếp đến node nguồn của broadcast                       Chương III: Xây dựng ứng dụng truyền tin video streaming multicast thời gian thực trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 3.1 Mục tiêu và yêu cầu của việc xây dựng ứng dụng Hiện... nay trên thế giới có rất nhiều ứng dụng truyền video streaming, hầu hết trong số chúng sử dụng mô hình khách – chủ (client – server) dựa trên unicast, tức là máy khách gửi yêu cầu đến máy chủ, máy chủ gửi dữ liệu cho từng máy khách sử dụng truyền tin unicast; hoặc có số ít ứng dụng video streaming sử dụng truyền tin IP multicast cho việc phân phát video cho người dùng ví dụ như Cisco IPTV Các ứng dụng. .. yêu cầu trên, mục tiêu của khóa luận đặt ra là: Đưa ra giải pháp và thiết kế giao thức truyền video streaming Xây dựng chương trình thử nghiệm dựa trên giải pháp và thiết kế được đưa ra Cuối cùng, đánh giá chương trình đã xây dựng để kiểm tra xem ứng dụng có đạt được những yêu cầu đặt ra ban đầu hay không 3.2 Ý tưởng Như đã trình bày ở những phần trên, giao thức Chord là một giao thức mạng ngang hàng. .. multicast sẽ hình thành một mạng phủ ( overlay network) Trong trường hợp này mạng phủ chính là mạng Chord Node nguồn khởi tạo mạng Chord Các node trong nhóm multicast tham gia vào nhóm bằng cách kết nối vào mạng Chord mà node nguồn vừa tạo Từ đó việc truyền multicast trở thành việc truyền broadcast trên toàn mạng Chord Phần dưới đây mô tả chi tiết thuật toán truyền broadcast trong mạng Chord [8] Thuật toán... Chính vì vậy với những ứng dụng cần có sự liên kết chặt chẽ giữa các node với nhau như multicast thì mạng ngang hàng không cấu trúc không phải là sự lựa chọn tối ưu Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống DHT (Bảng Băm Phân Tán, tiếng anh: Distributed Hash Table) Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ theo một thuật... được diễn ra trực tiếp giữa 2 node Việc triển khai truyền tin multicast trên mạng ngang hàng lai ghép gần giống như mô hình proxy-base ALM Nhược điểm chính của nó vẫn là chi phí cao cho các server trung gian Ứng dụng điển hình cho mô hình mạng này là Napster 2.2 Mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 2.2.1 Giới thiệu chung Giao thức Chord là một giao thức định tuyến DHT bởi một nhóm sinh viên từ trường Đại... trúc đơn giản và mạnh mẽ, lượng thông tin được truyền để duy trì mạng là thấp; Chord có cơ chế phục hồi khi một node hoặc nhiều node bị lỗi Thuật toán truyền multicast trên nền Chord cũng rất đơn giản và hiệu quả Chính vì vậy, truyền video streaming multicast được xây dựng trên nền mạng Chord Giao thức UDP được sử dụng để truyền dữ liệu video UDP có ưu điểm là truyền dữ liệu nhanh nhất có thể Tuy nhiên . loại mạng ngang hàng  Mạng ngang hàng thuần túy được chia làm 2 loại: mạng ngang hàng có cấu trúc và mạng ngang hàng không cấu trúc.  Mạng ngang hàng. multicast dựa trên nền mạng Chord 22 Chương III: Xây dựng ứng dụng truyền tin video streaming multicast thời gian thực trên nền mạng ngang hàng có cấ u trúc Chord