Đề tài : Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng ip

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cao Diệp Thắng NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cao Diệp Thắng NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 62480104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. NGUYỄN THÚC HẢI 2. PGS.TS. NGUYỄN LINH GIANG Hà Nội - 2014 i LI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực. Mọi thông tin tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về cam đoan này. Nghiên cứu sinh Cao Diệp Thắng ii LI CẢM ƠN Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp nơi tôi công tác, Viện Công Nghệ Thông Tin và truyền thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Thúc Hải và PGS.TS Nguyễn Linh Giang, những người Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin được gửi lời tri ân tới quý thầy cô Bộ môn Truyền thông và mạng máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. Kính gửi đến Cha Mẹ tấm lòng biết ơn sâu nặng. Vợ, các con và những người thân trong gia đình luôn luôn là nguồn động viên to lớn cho tôi. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH. 7 1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng 7 1.2 QoS và vấn đề tắc nghẽn 7 1.3 Video kỹ thuật số 9 1.3.1 Chuẩn MPEG 10 1.3.2 Chuẩn H.26L 12 1.3.3 Cấu trúc mã hóa video 13 1.4 Chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP 15 1.4.1 Kỹ thuật truyền dòng video trên mạng IP 15 1.4.2 Các tham số QoS 16 1.4.3 Các đặc tính QoS: 16 1.4.4 QoS trong mạng IP: 18 1.4.5 Các độ đo QoS 21 1.5 Đánh giá chất lượng video trên mạng IP 25 1.5.1 Đánh giá khách quan 25 1.5.2 Đánh giá chủ quan 27 1.5.3 Liên hệ giữa thang đo chủ quan và khách quan. 27 1.6 Kết luận chương 1 28 Chương 2. CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG 29 2.1 Mô hình quản lý hàng đợi 29 2.2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router 30 2.2.1 Phân lớp (Classification). 30 2.2.2 Quản lý hàng đợi 32 2.2.3 Lập lịch 33 2.2.4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi 33 2.2.5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin 35 iv 2.2.6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi 37 2.3 Cơ chế quản lý hàng đợi bị động 38 2.4 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực 39 2.4.1 Khái niệm 40 2.4.2 Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. 40 2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng 42 2.5 Kết luận chương 2 45 Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED 46 3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED 46 3.1.1 Giải thuật RED 46 3.1.2 Một số cải tiến của RED 51 3.2 Đề xuất giải thuật cải tiến ViRED. 56 3.2.1 Ý tưởng giải thuật 56 3.2.2 Định nghĩa hàm tuyến tính u 57 3.2.3 Cài đặt mô phỏng giải thuật 57 3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED 58 3.3 Kết luận chương 3 64 Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE 65 4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE 65 4.1.1. Giải thuật BLUE 65 4.1.2. Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) 67 4.2 Nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải tiến BLUE mới trong truyền video 69 4.3 Đề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I 70 4.3.1 Đề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE 70 4.3.2 Đề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT 77 4.3.3 Đối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE và BLUE-VPT 83 4.4 Đề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II. 90 4.4.1 Đề xuất giải thuật VBLUE 90 4.4.2 Đề xuất giải thuật BLUE-U 96 4.4.3 Đối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE và BLUE-U 100 4.5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I và II, BLUE-VPT và BLUE-U 105 4.5.1 Phân tích và đối sánh trên các tham số QoS mạng 105 4.5.2 Phân tích đối sánh các tham số đánh giá chất lượng video 108 4.6 Kết luận chương 4 115 KẾT LUẬN 116 v TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 PHỤ LỤC a vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ACK Acknowledgment Báo nhận AQM Active Queue Management Quản lý hàng đợi tích cực ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền bất đối xứng CBQ Class Based Queuing Phân lớp hàng đợi CE Congestion Experienced Dấu hiệu tắc nghẽn CIF Common Intermediate Format khuôn dạng trung gian chung CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm CQS Classification, Queuing, Schedulling Phân loại, hàng đợi, lập lịch CWND Congestion Window Cửa sổ tắc nghẽn DS Differentiated Services Các dịch vụ phân biệt DSCP Differentiated Services Code Point Điểm mã các dịch vụ riêng biệt DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECT ECN Capable Transport Có thể truyền tải ECN EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp nhanh ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu EWMA Exponentially Weighted Moving Average Trung bình dịch chuyển có trọng số theo mũ FACK Forward Acknowledgment Chuyển tiếp báo nhận FIFO First In First Out Vào trước ra trước FF Full-reference Tham chiếu đầy đủ ZF Non-reference/Zero-reference Tham chiếu không đầy đủ GoP Group of Picture Nhóm ảnh HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản HD High Definition Độ nét cao IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện công nghệ điện và điện tử IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp các dịch vụ Internet IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet IPv6 Internet Protocol version6 Giao thức IP phiên bản 6 IPTD Internet Protocol Packet Transfer Delay Độ trễ truyền gói giao thức Internet IPDV Internet Protocol Packet Delay Variation Biến đổi độ trễ gói giao thức IP IPER Internet Protocol Packet Error Ratio Tỉ lệ lỗi gói giao thức IP IPLR Internet Protocol Packet Loss Ratio Tỉ lệ mất gói giao thức IP IPRR Internet Protocol Packet Reordering Ratio Tỉ lệ sắp xếp lại thứ tự gói giao thức IP ISN Initial Sequence Number Số tuần tự khởi đầu vii ISO International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế LAN Local Area Network Mạng cục bộ MPEG Moving Picture Experts Group Định dạng video MPEG MOS Mean Opinion Score Điểm đánh giá chất lượng trung bình MSS Maximum Segment Size Kích thước phân mảnh cực đại NAT Network Address Translation Dịch địa chỉ mạng NP Network Peformance Hiệu năng mạng NS Network Simulator Bộ mô phỏng mạng NTP Network Time Protocol Giao thức quản lý thời gian mạng PC Personal Computer Máy tính cá nhân PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu QDISC Queuing Discipline Nguyên lý xếp hàng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RFC Request For Comments Khuyến nghị RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực RTT Round Trip Time Thời gian trễ trọn vòng RTTM Round Trip Time Measurement Độ đo thời gian trễ trọn vòng SACK Selective Acknowledgment Lựa chọn báo nhận SFB Stochastic Fair BLUE Hàng đợi công bằng ngẫu nhiên BLUE TC Traffic Control Kiểm soát lưu lượng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận ToS Type of Service Kiểu dịch vụ UDP User Datagram Protocol Giao thức điều khiển truyền thông không hướng kết nối qua mạng IP VoIP Voice over IP Truyền thoại sử dụng giao thức IP VTP Video Packet Type Kiểu gói tin Video viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân lớp dịch vụ QoS theo đề xuất của ETSI 20 Bảng 1.2 Phân lớp dịch vụ theo ITU-T Y.1541 20 Bảng 1.3 Lớp QoS và các giá trị hiệu năng mạng IP (ITU-T Y.1541) 20 Bảng 1.4 Độ trễ âm thanh đầu cuối và tai người 24 Bảng 1.5 G.114 Giới hạn cho thời gian truyền một chiều 24 Bảng 1.6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá 24 Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng video của ITU Y.1291-2004. 25 Bảng 1.8 Thang đo chất lượng video theo mức độ cảm nhận của con người 27 Bảng 1.9 Liên hệ thang đo chủ quan và khách quan. 27 Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin 32 Bảng 2.2 Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R 32 Bảng 2.3 Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi 33 Bảng 2.4 So sánh các giải thuật AQM trên cơ sở độ đo hiệu năng 42 Bảng 3.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin khi sử dụng RED và ViRED tại router R1 59 Bảng 3.2 Tỷ lệ mất gói tin video giữa RED và ViRED 60 Bảng 3.3 Giá trị PSNR (dB) của các khung hình video nhận được khi sử dụng RED và ViRED 60 Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] 67 Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE 73 Bảng 4.3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và EBLUE 74 Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE 75 Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 79 Bảng 4.6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1. 80 Bảng 4.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi 80 Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại Router R1. 81 [...]... tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP 2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu chính của luận án này là đóng góp vào các nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video dạng chuẩn mpeg-4 trên mạng IP Chúng tôi đã nghiên cứu kỹ các thuật toán quản lý hàng đợi tích cực RED, đặc biệt là BLUE; đã nghiên cứu kỹ các đặc điểm lỗi của quá trình truyền video trên mạng IP và ảnh... chất lượng truyền video; 3/ Đề xuất xây dựng giải thuật cải tiến hàng đợi tích cực BLUE-VPT cải thiện chất lượng truyền video trên mạng 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi để nâng cao hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP Để thực hiện mục tiêu chính của luận án, chúng tôi đã nghiên cứu một số vấn đề có liên... mạng Nghiên cứu các chuẩn mã hóa video tiên tiến là MPEG và H.26L, nghiên cứu đánh giá chất lượng video theo các thang đo khách quan và chủ quan trên mạng IP Chương 2: CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG Chương 2 đã nêu tổng quan về các cơ chế quản lý hàng đợi, cơ chế quản lý hàng đợi bị động, cơ chế quản lý hàng đợi tích cực và vai trò của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực... trong hàng đợi tại bộ định tuyến dựa trên hàng đợi RED Đồng thời đề xuất 5 tích hợp cơ chế ưu tiên phân loại gói tin video vào cơ chế quản lý của RED, đưa ra giải thuật cải tiến ViRED Chương 4: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE Trong chương này chúng tôi đã đề xuất hai giải pháp cải tiến giải thuật BLUE để nâng cao chất lượng dịch vụ mạng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng. .. các giải thuật cải tiến Phương pháp nghiên cứu của luận án Nghiên cứu lý thuyết: - Tắc nghẽn và một số giải pháp tránh tắc nghẽn - Các cơ chế quản lý hàng đợi (queue), cơ chế quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) - Các kỹ thuật mã hóa video MPEG, H.26x - Các phương pháp đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng - Các phương pháp đo lường đánh giá chất lượng truyền video khách quan... chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP tốt hơn các giải thuật đã có  Phương pháp đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP bằng mô hình thực nghiệm mô phỏng trên bộ công cụ NS-2 sử dụng file vết video Tình hình nghiên cứu liên quan Nhiều nghiên cứu, đề xuất giải quyết vấn đề ứng dụng truyền video thời gian thực qua mạng IP, có thể kể đến nh : video phone, video- conferencing,... những vấn đề tắc nghẽn khi truyền luồng video là xem xét các kỹ thuật mã hóa video, băng thông hiệu quả và các yêu cầu QoS khác nhau để đạt hiệu năng vượt trội hơn Từ việc tham khảo các công trình nghiên cứu liên quan đến hướng đề tài như đã trình bày ở trên tác giả đã đi đến lựa chọn hướng nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi tích cực cho truyền video trên mạng IP Phạm vi nghiên cứu + Tập... đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng Cũng trong chương này đã trình bày kiến trúc CQS, phân loại các phương pháp quản lý hàng đợi Chương 3: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED Trong chương 3 chúng tôi đã trình bày về giải thuật quản lý hàng đợi tích cực RED Phân tích các ưu điểm và hạn chế của RED trong ứng dụng truyền video, từ đó chúng tôi đã đề xây xuất giải pháp sử dụng hàm... giải pháp này mới tập trung vào giải quyết vấn đề xử lý dữ liệu thông thường mà không hề đề cập đến việc ưu tiên phân loại luồng dữ liệu cho video Hoặc chưa xử lý nó ngay trong bản thân các giải thuật quản lý hàng đợi cụ thể Từ các yêu cầu cấp thiết và thực trạng nhu cầu về các ứng dụng truyền luồng dữ liệu video trên mạng tác giả đã đi đến lựa chọn nghiên cứu đề tài luận án: Nghiên cứu cải tiến phương. .. tiếp, hỗ trợ cho mục tiêu của luận án, đó l :  Nghiên cứu về hiệu năng mạng và chất lượng dịch vụ mạng máy tính,  Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng, vấn đề tắc nghẽn và một số giải pháp tránh tắc nghẽn  Nghiên cứu các đặc tính của kỹ thuật truyền video trên mạng máy tính  Ảnh hưởng của việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video  Nghiên cứu cải tiến một số . cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu chính của luận án này là đóng góp vào các nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng. trình bày ở trên tác giả đã đi đến lựa chọn hướng nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi tích cực cho truyền video trên mạng IP. Phạm vi nghiên cứu + Tập trung nghiên cứu những hạn. hàng đợi tích cực BLUE-VPT cải thiện chất lượng truyền video trên mạng. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi