Nghiên ứu so sánh á phương pháp ướ lượng băng thông đường truyền trong hệ thống http streaming

Trang 7 5 3D 3-Dimension 3GPP Third Generation Partnership Project AAC Advanced Audio Coding ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ARP Address R

1



 1

 4

 5

 7

 8

PHN  10

 14

1.1 T ng quan v HTTP 14  

1.1.1 Khái ni m 14

1.1.2 Mô hình HTTP 15

1.2 T ng quan v Streaming 17  

1.2 Streaming 17

1.2.2 Tính ph bi n c a Streaming 18

1.2.3 B t Streaming

1.2.4 Các v v giao th c 20

1.2.5 Các ng d n hình và khái ni m ti p th m i 22

 22

1.3 .

1.3.2 HTTP Streaming 24

1.4 K t lu   29

 30

2  30

2.1.1 B 30

2 30

2.1.3 Bitrate 31

c 34

2.1.6 B m 35

2.1.7 M ng máy tính và mô hình phân t ng 35

2.2 Thích ng Streaming và DASH 42 

2.3 Thi hành thích ng 47

2

2.4 Các b mã hóa và gi i mã Video (Video CODECs) 48  

2.4.1 Các khung hình video 48

2.4.2 Gi i mã và d u th i gian trình di n 49

2.4.3 H.263 49

-4 AVC 50

nh d .

2.5 Audio CODECs 52

2.5.1 MP3 52

2.5.2 K thu t mã hóa âm thanh tiên ti n (Advanced Audio Coding-AAC) 53

2.5.3 Vorbis 54

 nh d ng b ch a (Container format) 54   

2.7 Các m c ch   ng video 55

2.8 D ch v truy n hình theo yêu c u và truy     n hình tr c ti p 56  

2.9 K t lu   57

           II  58

 58

3.1.1 Các yêu c u c 58

3.1.2 Thu  60

3.2.1 Thu .

 thông 64

thông 65

3.4 K t lu   68

 IV: MÔ PH NG VÀ SO SÁNH        G 69

 69

4.1.1 S n i dung 70

4.1.2 Máy ch HTTP 72

4.1.3 Client 74

3

4.1.4 B mô ph ng truy n m ng (network emulator) 79

4.2 Mô ph  81

ng mô ph ng 81

4.2.2 K t qu th c nghi m 82

4.3 Mô ph  84

4.3.1 Mô ph 84

4.4 Mô ph   86

4.4.1 Mô ph 86

92

 m c  92

4.5 K t lu   95

 96

 100

5



3D 3-Dimension

3GPP Third Generation Partnership Project

AAC Advanced Audio Coding

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

ARP Address Resolution Protocol

CBR Constant Bitrate

CDN Content Delivery Network

CODEC Compessor-DECompessor

CSS Cascading Style Sheets

DASH Dynamic Adaptive Streaming Over HTTP

DNS Domain Name System

FEC Forward Error Correction

FTP File Tranfer Protocol

GIF Graphics Interchange Format

HTML HyperText Markup Language

HTTP HyperText Transfer Protocol

HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure

IGRP Interior Gateway Routing Protocol

IP Internet Protocol

JPG Joint Photographic Group

LAN Local Area Network

MAN Metropolitan Area Network

MAC Media Access Control

MDP Media Presentation Description

MPEG Moving Picture Experts Group

MP3 MPEG-1 audio Player 3

MP4 MPEG-1 audio Player 4

6

NAT Network Address Translation NAT

NIC Network Interface Card

NNTP Network News Transfer Protocol

OSI Open Systems Interconnection

P2P Peer- -Pto eer

PC Personal Computer

PSNR Peak Signal- -№ise Rto atio

RAP Random Access Point

RIP Routing Information Protocol

RTCP Real-time Transport Control Protocol

RTP Real-time Transport Protocol

RTSP Real-time Streaming Protocol

RTT Round-Trip Time

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SSL Secure Socket Layer

TCP Transmission Control Protocol

TLS Transport Layer Security

UDP User Datagram Protocol

URL Uniform Resource Locator

URI Uniform Resource Identifier

URN Uniform Resource Name

VBR Variable Bitrate adaptation

VLC Video Lan Player

WAN Wide Area Network

7



) 10

n gi a ba c u hình CBP, BP và MP c H.264 51

tr trên các d ng container

c s d ng cho thu 6

c s d ng cho thu 62

u khi n b ng n i dung t c t o b i Mp4box

c hi n chuy n tr ch y 76

a play state

a buffering state

n mã c u hình cho DummyNet 80

n mã cho DummyNet 80

8

DANH  ,

Quy trình Streaming Video 18

ti n hóa c a s t c ngh n c a TCP (Tahoe và Reno) 23

m tr ng video trên HTTP / TCP

n trúc truy n HTTP 42

p c a s phân chia n i dung và m tín hi u siêu d li ng song hành

phân b các khung hình trong m t lu ng video stream 49

n, chính và m r ng c a H.264

i quan h gi a gi

n trúc chung c a h th ng 69

n kh i dung

c tính tr v p ph n h i c a máy ch HTTP

ng c a ng d ng

chuy n tr ng thái c a kh i player 75

i dung các thông s

10



Công ngh truy n video trên giao th c HTTP là công ngh       

 c ng d ng r ng rãi trong các ng d ng xem video tr c tuy n trên các thi t b       

 Tuy nhiên, m t trong nh ng yêu c u trong các ng d    m b o chng d ch v QoS t t nh t có th      i dùng b ng vi u ch nh các thông s c a video k p th i theo s bi      i c ng truyn Vì v y, bài      ng truy n là bài toán quan tr   c nghiên c u nhi u trên th gi   i

 5173 6336 7781 9542 11.828 14.494 Chia s  6201 7119 7816 8266 8478 8667

i lên b thông công nghi p H a trên HTTP và

d a vào n i dung giao th c mà ch   ng ci cha các

      i quy t b ng Färber et al 6] d  [2     

Feng [43] làm vi c d a trên kh      r ng mã hóa video Li ích c a vi c s d ng các giao th c HTTP trong nh ng gi i pháp       thông streaming là kh   t qua các b nh tuy  ng l a li n  

m ch G ng n l c c a h     liên

 tài th c hi n nh m d a trên nh ng m c tiêu chính sau:      

- Xây d ng m t h    thng hong d a trên nguyên lý ho ng c a k  thu       

d ng h   thng trên làm mô hình chung trong vi c nghiên c  u t ràng buc, ng t i ch ng ca dch v 

-  xu t s thu  c s d ng trong k thu



  c s d ng           c thu t toán ho t  

ng phù hp chng d ch v t  

vic s  d i dùng

-  thng trên các k ch b n m ng khác nhau v i các t     bit,

  tr gói, t l m t gói, ch   ng hình nh, th i gian t  n hình 

m ng c   i s d ng cuc nghiên c u cho nhi  i s

d ng cùng truy nh p t i m t máy ch ho c s d ng nhi u máy ch tham gia vào          quá trình truyn nh n d li     c p t i trong nghiên c u này 

Các giao ti p truy n nh n s d     tài nghiên cu d trên giao thc truyn (HTTP) và s d ng giao th c truy n nh n tin c y (TCP)      

    c giao ti  c h tr s     c truy n lung tin c tránh t c ngh n  

14



1

1 

HTTP (Ting Anh: HyperText Transfer Protocol - Giao th c truy n t i siêu   

n) là mc chu n v m ng Internet    liên

h thông tin gi a máy cung c p d ch v (Web server) và máy s d ng d ch v       (Web client) là giao thc Client/Server dùng cho World Wide Web-WWW, HTTP là m t giao th  c ng d ng c a b giao th c TCP/IP (các giao th    c

n n t ng cho Internet) [42]  

Tim Berners-

           phát minh

ra HTTP         H™L (HyperText Markup Langu   liên quan   web     

 ] [8

HTTP cho phép m       (  - -

              

           - URI),  - URL) hay

15

máy khách  )

              Protocol           Protocol           FTP), giao

                

     theo mô hình khách       

              nguyên  [8]

 

khô

22

               multicast

 m ng d ng khách hàng, gi i nén các khung hình, và hi n th chúng trên màn    hình ca ni dùng.

Khi chuyn m t t p tin qua giao th c TCP t các máy ch t i khách hàng,      

Chúng tôi bi t  c,  m b bên phía khách hàng có th  c s d 

gi m thi u    ng c a vi   i chm tr  end to      thông có s n [14] Trong ví d t H  i ình 1.7, các máy ch truy n video t   mà

-n video 

Tuy nhiên, cho các tuy video, các khách hàng có th ph c g ng  i  

   t i v video t   c tiêu thn khung

  c s d ng  Video tìm nc này là t nhiên  

25

tr trong b m   ng d ng khách hàng Tìm n    y ra m t cách t  nhiên v i TCP streaming, k t     tránh ùn t c TCP s c g ng s d ng      

t t c   các a máy ch và máy khách   c m t s cái nhìn  sâu sc vào tìm nc, chúng ta hãy xem xét mt ví d n sau

Gi   s t l tiêu th    ng kh có  p các video t máy ch t i khách hàng v i m t t      i là 1,5 Mbps Sau

  s không ch   các video v i s phát sóng ch m tr r t nh ,      

 s có th  ng d li m b ng 500 Kbits hàng th  hai Theo cách này, nc d u v i t li  

nh     t kho ng th i gian ng n, khách hàng s có th p t     ti c cung c p liên t c vi  c phát l i do  có ng d  tr trong b m c a nó, ] cho    [4th y r ng khi các thông  ng TCP trung bình g n g   bit truy n thông, 

kt qu truy n qua TCP  thì  chn m tr c a b  m là th p t i thiu

1.3.2.2 B m ng d ng máy khách và b m TCP

Hình 1.8 minh h a s     a khách hàng và máy ch HTTP streaming phía máy ch , các ph n c a file video tr    c g i vào  socket

c a máy ch , trong khi ph n t i là nh ng gì còn l     c gn sau "kc  c truy n vào m ng Internet  

Trong Hình 1.8, vì b m g i TCP    y, các máy ch trong giây lát 

  n t vi c g i thêm byte t file video vào   socket V phía khách hàng, ng 

d ng khách hàng  c byte t b m nh n     TCP (thông quasocket khách hàng ct các byte vào b  m ng d ng khách hàng T i cùng  

26

m t  thi gian, các ng d   nh k l y khung  ng t  các b

m ng d ng khách hàng, gi i nén các khung hình, và hi n th chúng trên màn     hình cu ý r ng n u b    m ng d ng khách hàng là l 

v i các t  quá trình di chuy  c a máy ch 

n b m ng d ng c          cho m t t p tin t i v    Thông ng qua h  thng HTTP-khách hàng ch  c n kéo   , các máy ch TCP s cho phép!  

Hãy xem xét nh ng gì s x  i dùng t m d ng video trong quá  trình streaming Trong th i gian t m d  c g b t b     m

y M t khi b m TCP g i tr      y, máy ch không th g byte vào socket   i

ni dùng t m d ng video, máy ch có th b bu c ph i ng ng        truyng h p này máy ch s b     ch  i s d ng tip

tc li các video

Trong th c t , ngay c khi phát l   ng

l i), n u b    m ng d ng khách hàng nên y, áp l c tr l i s gây ra các b  tr      

1.3.2.3 Phân tích Video Streaming

M t s   n s cung c p cái nhìn sâu s   trì hoãn

  c n ki t b m ng d     hi n 

27

trong Hình 1.9, cho phép bi u th B    c (theo bit) c a b   m ng d ng 

ccho Q  bi u th s bit mà ph  c khi ng d ng  khách hàng bu phát sóng (T t nhiên,  Q <B ) r bi u th m c tiêu th t   video mà khách hàng rút bit ra kh i b   m ng d ng khách hàng trong quá trình phát l i Vì v y, ví d , n u t     khung hình là 30 khung hình/giây, và m i (nén) 

r = 3 Mbps Chúng tôi s b qua b m g i và b      

m nh n TCP 

9 Phân tích b m y khách cho video streaming

Hãy gi nh r ng các máy ch s g i bit v i t        i x   b t c khi nào b m khách hàng   ây là m t vi n hóa, vì t l g  i TCP khác nhau do ki m soát t c ngh n; chúng tôi s ki m tra th c t t        ph thuc th i gian  x(t) Gi s t i th)     m t = 0, các b  m ng d ng r ng và  video bn v i b   m ng d ng khách hàng Bây gi chúng ta h i khi nào   

thi gian phát sóng t = t p b i gian

28

hàng s không bao gi   tr y! Th t v y, th i gian b   u t p, b m s b    

c n ki t  c r m và s ch c th c hi n t i t l      x <r Cu i cùng, b m khách  hàng s hoàn toàn tr ng r ng, lúc này video s ra      trên màn hình trong khi b m khách hàng ch    i tp thêm ít  xây d ng bit c a video  Q  Vì

v y, khi t  có s n trong m i các t video, phát sóng s luân phiên gi a các th i k   phát sóng liên t c và th t

v khác, b n s tìm hi u thêm      dài c a m i n phát sóng liên

t c và th t hàm ca Q, r và x Bây gi chúng ta xác 

nh tf khi x> r ng h p này, t   thi gian bu t p, s gia   c a b 

m t tQ i B k t t    bit x- r n c n ki t t     r

có t x  hi n trong Hình 1.9 V i nh ng g i ý, b n s tìm hi u thêm      

 nh t f, th i gian b m c   a khách hàng tr   y ng khi có

s n t  trong m ng là  cao  t video, sau khi trì hoãn b  u,

i dùng s  ng th c phát sóng liên t  n khi video k t thúc    

H  thng   ng s d     HTTP byte-rangetrong yêu c u tin nh n nh c th ph m vi c a byte    khách hàng hi  n l y t video mong muc bi t h u ích  

i dùng mu  i v à nhn mlai trong th i gian  có trong video Khi s d ng l i v     n m t v trí m i, khách   hàng s g i m t yêu c u HTTP m i, ch v       byte-range   t file c n các máy ch g i d u Khi máy ch nh   li  c yêu c u HTTP m i, nó  

có th  t k yêu c  i byte bu v i các byte 

c ch ra trong byte-range yêu c u  

Trong khi chúng tôi c p v v    nh v , chúng tôi dành  thi gian

ng   c p khi m   i s d ng l i v    n m   video ho c ch m d t video s m, m      t s n xem d li u  truy n qua các máy ch s d n n không xem, gây      ng và tài nguyên máy ch Ví d , gi s r ng các b       m khách hàng y v i các bit   B

t i m t s    thm t 0 vào các video, và t i th m này t    l i v i s

d ng m t s t c     thi t > t 0 + B / r vào các  hoàn

29

thành t  th    ng h p này, t t c các bit trong b m s    B   

m, tài nguyên máy ch  c s d  truy n t i các  bit B   trên m ng Internet do chm d t s m, mà có th khá t   c bi t cho các liên k t không dây [31]  

 i v u này, nhi u h th ng truy n ch s d ng m t b m ng d ng            khách hàng vi  c v a ph i, ho c s gi i h n s        ng video tìm n p 

c b ng cách s d   byte-range trong HTTP yêu cu [3 ]

h thng này  

B n có th bi    d ng b ng cách truy c p vào  

  K t qu nhc có th   so sánh v i 

ng truy n khác m    gi i, t bitrate có th  n

32

1Gbps (1000 Mbps) Tuy nhiên, h u h  i dùng trên toàn c u hi  

d ng các m ng Internet v  i t  kt ni ch vài Mbps 

2.1.4 RTT

Round-trip time (RTT) là kho ng th i gian tính t lúc client b    u gi

request ti lúc nó nh n gói d li  u tiên tr v , không bao g m th i gian nh n     

Trong vi n thông, thu t ng   thi gian tr n vòng hay th i gian tr n vòng tr  

(ting Anh: round-trip delay time hay round-trip time, vi t t 



Th     truyn m t tín hi u qua m t m     closed

circuit), hay th truyn m p t i m xa và quay

tr  l i

Trong các h   th n p ho c th c p, th i gian c n thi       m t tín

hi u ( pulsec truy n t u ph n h i (  echo) ho c tín hi u tr l   i

(transponder reply) quay li ti thit b nhn

33

Thi gian tr tr ng trong các h th ng   i

giao p ti u, ch ng h n tho i ti ng nói, hay các h   thng d 

li  u s d ng tin báo nh n (ACK/NAK data system)   i gian tr n vòng tr c  

ti p n t truy n d   li u (throughput rate), chng h n giao th c  

TCP Thi gian tr tr n vòng có th tr i t      i v i m t h th ng    

radio t m ng n (short line-of-  sight), ti nhi u giây ng h i v i m t m      

liên k t v i m t ho c nhi u liên k t v tinh Nó bao g       m thi gian tr t i nút m ng   

ng truyn d i v i truy n thông TCP, th i gian tr tr n    

vòng c tính t quy trình b t tay ba   c bi gian t khi truy n

n (segment transmission) t i khi nh c tin báo nh n (ACK) 

Thi gian RTTc minh h a qua hai  m gi nhao n sau:

2 RTT chính là tr ng truy n

tr ng truy n = Th i gian ACK g i thông báo t Host g i t i Host nh n

Th i gian g i gói t tin i Host g i = ng gói tin tính b

ng truy n tính b ng bits trên giây

Th i gian g i xong gói = tin Th i gian g i gói t tin i Host g i +S l n g i xong gói tin*RTT+3* tr ng truy n + Th i gian kh i ng truy n nh n d li u

34

3 2.1.5  c

có th  i thông th p ho u chc phân bi t v i d  i

    u ch , t n s trung gian, ho c t n s vô tuy n       (RF) Trong các m ng c c b   pháp truy

hi u m    c ti p vào cáp trong d ng s    u biên Các tín hi u máy tính có th   c truy n qua cáp b ng hai cách: tín hi  (t  bi n) và tín hi u s M ng truy    c g i là m ng (broadband network) Các m ng truy n thông s    c g i là m  Vì các tín hi u c a máy tính là tín hi u s , cho nên s      ng m ch c n thi t cho m   t

m   truy n d n tín hi u này ra vào máy tính là r    a, nhi u m  có th s d ng dây cáp hai s i xo    n tho i bình 

ng), cho nên lt chúng giá r  i mi ph i có cáp 

ng tr c Tuy nhiên, h       b h n ch v c ly truy n d n và ch cho      

           (Routing Information Protocol) và IGRP 