Điện Toán Đám Mây Cho Các Dịch Vụ Đa Phương TiệnĐiện toán đám mây là một công nghệ nổi lên nhằm mục đích cung cấp khả năng tính toán và các dịch vụ lưu trữ khác nhau trên mạng Internet.Một trong các thành tựu của CNTT là multimedia điện toán đám mây cung cấp các ứng dụng và dịch vụ đang phương tiện thông qua Internet và Internet di động với các điều khoản về QoS.
Trang 1Điện Toán Đám Mây Cho Các Dịch Vụ Đa Phương Tiện
I Khái niệm chung
1 Giới thiệu
Điện toán đám mây là một công nghệ nổi lên nhằm mục đích cung cấp khảnăng tính toán và các dịch vụ lưu trữ khác nhau trên mạng Internet Đó là sự kếthợp giữa cơ sở hạ tầng, nền tảng và phần mềm cũng như dịch vụ Các nhà cungcấp dịch vụ đám mây cho thuê trung tâm dữ liệu và các phần mềm để lưu trữ vàcác dịch vụ điện toán thông qua Internet Thông qua điện toán đám mây, ngườidùng Internet có thể nhận được các dịch vụ từ đám mây giống như việc họ đangdùng một siêu máy tính Họ có thể lưu trữ dữ liệu của họ trên đám mây thay vì lưutrữ trên các thiết bị của họ, có thể truy cập dữ liệu ở mọi nơi Họ có thể chạynhững ứng dụng trên những nền tảng đám mây với phần mềm được triển khai trên
đó, làm giảm đi gánh nặng cho người sử dụng trong việc phải cài đặt hết các ứngdụng và liên tục phải nâng cấp trên các thiết bị của họ
Cùng với việc phát triển của Web 2.0 Internet đa phương tiện đang nổi lênnhư một dịch vụ Cung cấp nhiều dịch vụ giải trí, điện toán đa phương tiện đã trởthành một công nghệ đáng chú ý trong việc tạo ra, sửa chữa, xử lý và tìm kiếmnhững nội dung đa phương tiện, như hình ảnh, video, âm nhạc, đồ họa v.v Cácứng dụng và dịch vụ đa phương tiện trên mạng Internet và mạng không dây diđộng là nơi đòi hỏi sức mạnh của điện toán đám mây,bởi theo ước tính thì khốilượng yêu cầu dịch vụ của người sử dụng trên Internet hoặc di động vào đám mây
đa phương tiện ở cùng một thời điểm nên tới hàng triệu lượt Trong mô hình mớicủa điện toán đa phương tiện, người sử dụng lưu trữ và xử lý các dữ liệu ứng dụng
đa phương tiện trên đám mây từ đó thoát khỏi việc phải cài đặt tất cả các ứng dụngtrên máy tính hoặc các thiết bị của mình, như vậy sẽ làm giảm bớt gánh nặngtrong việc duy trì và cập nhật các ứng dụng đa phương tiện, như vậy sẽ giảm bớtviệc tính toán trên thiết bị người dùng và sẽ tiết kiệm pin cho các thiết bị di động
Trang 22 Multimedia là gì?
Một trong các thành tựu của CNTT là multimedia và multimedia được ứngdụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội Vậy multimedia là gì?
Có nhiều cách tiếp cận khác nhau về multimedia nhưng chung nhất, có thể hiểu
đây là dạng “truyền thông đa phương tiện”.
Theo Fenrich (1997): “Multimedia là sự tích hợp lý thú giữa phần cứng vàphần mềm máy tính, cho phép tích hợp các tài nguyên video, audio, hoạt hình, đồhọa và trắc nghiệm để xây dựng và thực hiện một trình diễn kết quả nhờ một máytính có cấu hình thích hợp”
Còn theo Philip (1997): “Multimedia đặc trưng bởi sự hiện diện của văn bản,hình ảnh, âm thanh, mô phỏng và video, được tổ chức chặt chẽ trong một chươngtrình máy tính”
3 Điện toán đám mây truyền đa phương tiện
Để đáp ứng được yêu cầu về QoS trong điện toán đám mây cho các dịch vụ đaphương tiện thông qua Internet và mạng không dây, chúng ta sẽ tìm hiểu các kháiniệm chính của điện toán đám mây cho cho điện toán đa phương tiện và truyềnthông (xem hình 2.1) Cụ thể là sẽ đưa ra một khung làm việc của điện toán đámmây cho các dịch vụ đa phương tiện và là đòn bẩy để điện toán đám mây cung cấpcác ứng dụng và dịch vụ đang phương tiện thông qua Internet và Internet di độngvới các điều khoản về QoS
Trang 3Chúng ta nghiên cứu điện toán đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện từđám mây nhận thức đa phương tiện – multimedia - aware cloud (media cloud) và
đa phương tiện nhận thức đám mây – cloud - aware multimedia (cloud media).Multimedia - aware cloud tập trung vào việc đám mây có thể cung cấp chất lượngdịch vụ (QoS) cho các ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện như thế nào
Cloud - aware multimedia tập trung vào việc đa phương tiện thực hiện các côngviệc lưu trữ, xử lý, thích nghi, trình diễn.v.v… trên đám mây như thế nào để sửdựng tốt nhất nguồn tài nguyên của điện toán đám mây, để đạt được QoE cao nhấtcho các dịch vụ đa phương tiện Hình 2.2 mô tả quan hệ chặt chẽ giữa cloud media
và media cloud Cụ thể hơn, media cloud cung cấp một bức tranh về tài nguyên ví
dụ như là đĩa cứng, CPU, GPU và được cho thuê bởi các nhà cung cấp dịch vụtruyền thông để phục vụ người sử dụng MSPs sử dụng tài nguyên của mediacloud để phát triển ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện của họ.Ví dụ như lưu trữ,chỉnh sửa v.v
Hình 2.2: Mối quan hệ giữ media cloud và cloud media
Trang 4Trên media cloud, kiến trúc đám mây truyền thông biên MEC (Media - EdgeCloud) đưa ra để giảm độ trễ, trong đó nội dung và xử lý truyền thông sẽ đượcthực hiện ở biên của đám mây dựa vào thông tin của người dùng Trong kiến trúcnày, MEC là một đám mây nhỏ với trung tâm dữ liệu đặt ở ngoài biên Đám mâyMEC lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu truyền thông ở biên, chính vì vậy mà sẽ đạtđược độ trễ thấp nhất,tăng hiệu quả sử dụng Các đám mây phương tiện bao gồmcác đám mây MECs, có thể quản lý một cách tập trung hoặc theo kiểu mạng nganghàng P2P Kiến trúc của MEC phải đạt các yêu cầu sau:
- Thứ nhất, để xử lý tốt các kiểu khác nhau của các dịch vụ truyền thôngtrong MEC, ta sẽ đặt các loại dịch vụ truyền thông có kiểu giống nhau vàomột nhóm máy chủ dựa theo tính chất của dịch vụ truyền thông đó Cụ thể
là sẽ sử dụng bảng băm phân tán (DHT) cho việc lưu trữ dữ liệu trong khi
sử dụng nhóm CPU hoặc GPU cho điện toán đa phương tiện
- Thứ hai, đối với hiệu quả tính toán trong kiến trúc MEC, người ta đưa ra
mô hình phân tán song song với việc xử lý các dịch vụ và ứng dụng đaphương tiện trong nhóm CPU và GPU
- Thứ ba, tại các máy chủ proxy biên của MEC,sẽ lắp đặt các bộ chuyển mãthích ứng cho các dịch vụ truyền thông để các thiết bị không đồng nhất đạtđược QoE cao
Trên cloud media, các dịch vụ và ứng dụng truyền thông trên đám mây có thểthực hiện hoàn toàn hoặc một phần trên đám mây đó Trước đây, đám mây sẽ thựchiện tất cả các điện toán đa phương tiện Về sau, vấn đề quan trọng là làm thế nào
để phân phối được khả năng tính toán(CPU, GPU…) nguồn tài nguyên điện toán
đa phương tiện giữa máy khách và đám mây, bởi vì nó sẽ liên quan đến phân chianguồn tài nguyên đa phương tiện để tính toán giữa máy khách và đám mây
II Đám mây truyền thông-media cloud
Đám mây truyền thông cần có các chức năng sau:
Trang 5- Các điều khoản QoS hỗ trợ nhiều kiểu khác nhau của các dịch vụ với cácyêu cầu về QoS khác nhau.
- Phân tán song song với việc xử lý đa phương tiện
- QoS của truyền thông đa phương tiện phải thích ứng với các kiểu khácnhau của các thiết bị và băng thông của mạng
1 Kiến trúc đám mây truyền thông đa phương tiện
Trong phần này, sẽ trình bày về kiến trúc điện toán-MEC nhằm mục đích giảiquyết các vấn đề về QoS cho các dịch vụ đa phương tiện MEC là đám mây nhỏvới các máy chủ đặt ở biên đám mây, cung cấp các dịch vụ truyền thông với QoScao (ví dụ như độ trễ thấp) cho người sử dụng Kiến trúc MEC giống với kiến trúcmáy chủ CDN biên, chỉ khác ở chỗ là CDN dành cho việc phân phối truyền thông
đa phương tiện trong khi MEC cung cấp điện toán đa phương tiện Việc sử dụngmáy chủ biên CDN để phân phối đa phương tiện tới người dùng có thể cho kết quảvới độ trể thấp hơn nhiều so với phân phối trực tiếp từ các máy chủ trung tâm.Như vậy có thể thấy được rằng điện toán đa phương tiện trong MEC có thể cungcấp ít luồng đa phương tiện và giảm độ trễ khi so sánh với việc tất cả nội dụng đaphương tiện được đặt tại đám mây trung tâm Như mô tả ở hình 2.3(a) và 2.3(b),lần lượt là 2 kiểu kiến trúc của MEC:
- Hình 2.3(a) là nơi mà tất dữ liệu của người sử dụng sẽ được lưu trữ trênMEC dựa trên hồ sơ hoặc nội dung người dùng trong khi tất cả thông tinliên quan đến người dùng và nội dung địa điểm sẽ được trao đổi trong màođầu thông qua P2P
- Hình 2.3(b) là người quản lý trung tâm sẽ quản lý tất cả các thông tin giữangười sử dụng và nơi chứa nội dung, trong khi MEC nắm giữ vai trò phânphối tất cả các nội dung dữ liệu
Trong MEC, chúng ta áp dụng công nghệ mạng ngang hàng P2P để phân phối
dữ liệu truyền thông cho việc lưu trữ và tính toán Với kiến trúc của mạng ngang
Trang 6hàng P2P, mỗi nút có sự quan trọng bằng nhau vì thế MEC có khả năng mở rộng,
độ sẵn sàng và bền vững cao cho việc lưu trữ và điện toán phương tiện Để hỗ trợnhững người dùng di động chúng ta sử dụng một cloud proxy đặt ở biên của MEChoặc ở gateway, như trong hình 2.3 để thực hiện việc xử lý đa phương tiện (ví dụnhư thích ứng và chuyển mã) và bộ nhớ đệm để bù đắp những hạn chế của cácthiết bị di động bởi sự giới hạn về sức mạnh tính toán và tuổi thọ của pin
Hình 2.3: (a) Điện toán đám mây MEC dựa trên P2P (b) Điện toán MEC điều khiển tập trung
2 Phân tán song song xử lý truyền thông đa phương tiện
Trước đây, việc xử lý đa phương tiện được thực hiện trên máy khách hoặc cácmáy chủ độc quyền Với điện toán đám mây đa phương tiện, việc xử lý đa phươngtiện thường được thực hiện tại bên thứ 3 là trung tâm dữ liệu đám mây (trừ khi ai
đó muốn xây dựng một đám mây riêng, đây là một việc tốn kém) Với việc xử lý
đa phương tiện được đưa lên đám mây, một trong những thách thức lớn nhất củađiện toán đám mây đa phương tiện là làm thế nào đám mây có thể cung cấp songsong các dữ liệu đa phương tiện cho hàng triệu người sử dụng bao gồm cả những
Trang 7người dùng di động Để giải quyết vấn đền này, việc tính toán và lưu trữ đaphương tiện cần phải được xây dựng phân tán và xử lý song song
Trong MEC, chúng ta sử dụng DHT để phân loại các dữ liệu đa phương tiệnvào các nhóm lưu trữ và sử dụng các chương trình xử lý song song các ứng dụng
đa phương tiện nhằm thực hiện cân bằng tải cho điện toán truyền thông trong khốiCPU và GPU
Hình 2.4 (a) Theo dõi dữ liệu và chương trình cho dịch vụ đa phương tiện (b) Phân tán song song với xử lý đa phương tiện
Như minh họa trong hình 2.4(a), cho phương tiện lưu trữ, mỗi thiết bị sẽ được liên kết với dữ liệu của “data tracker”, đây là nơi quản lý dữ liệu truyền thông sẽ được phân phối tới nhóm lưu trữ (storage cluster) Đối với tính toán truyền thông, chúng
Trang 8ta sử dụng “program tracker” để phân phối nhiệm vụ phương tiện truyền thông, và sau đó các nhiệm vụ sẽ được thực hiện trong các nhóm CPU và GPU trong MEC Hơn nữa, chúng ta sử dụng việc xử lý phân tán song song các dịch vụ đaphương tiện cho việc thực hiện các chương trình đa phương tiện quy mô lớn trongMEC, như trong hình 2.4(b):
- Chúng có thể thực hiện cân bằng tải truyền thông trên mỗi cấp độ của người
sử dụng
- Chúng có thể thực hiện xử lý truyền thông song song ở cấp độ tác vụ đaphương tiện Nói cách khác, cách tiếp cận này không những mang tới cânbằng tải trên mỗi cấp độ người dùng mà còn thực hiện đồng thời các tác vụ
đa phương tiện ở mỗi mức độ tác vụ đa phương tiện
3 QoS đám mây truyền thông
Một trong những thách thức quan trọng trong đám mây truyền thông-MEC làchất lượng dịch vụ QoS Có 2 cách để cung cấp QoS cho đa phương tiện:
- Thêm QoS vào bên trong cơ sở hạ tầng của điện toán đám mây hiện tại
- Thêm QoS vào Middleware ở giữa cơ sở hạ tầng đám mây và các ứng dụng
đa phương tiện
Trước đây, QoS tập trung vào cơ sở hạ tầng của đám mây để hỗ trợ các dịch
vụ và các ứng dụng đa phương tiện với những yêu cầu về QoS khác nhau Về sau,người ta tập trung nâng cao QoS trong lớp giữa, như là QoS ở lớp truyền dẫn vàQoS giữa cơ sở hạ tầng đám mây và các ứng dụng truyền thông
QoS cho cơ sở hạ tầng đám mây là lĩnh vực mới và cần nhiều nghiên cứu đểcung cấp QoS cho các ứng và dịch vụ đa phương tiện trên đám mây Trong phầnnày, sẽ tập trung vào việc là làm thế nào một đám mây có thể cung cấp QoS để hỗtrợ cho các dịch vụ và ứng dụng đa phương tiện Cụ thể là trong MEC, theo cácthuộc tính của các dịch vụ truyền thông, tổ chức các kiểu của các dịch vụ truyền
Trang 9thông tương tự nhau vào một nhóm máy chủ có hiệu năng cao nhất để xử lýchúng Một MEC bao gồm 3 nhóm:
vụ truyền thông có thể tới các nhóm lưu trữ Kết quả là, MEC có thể cung cấp QoS
hỗ trợ cho các kiểu khác nhau của truyền thông với các yêu cầu QoS khác nhau
Để cải thiện hiệu năng QoS của truyền thông đa phương tiện trong đám mâytruyền thông, ngoài việc di chuyển nội dung và tính toán truyền thông để MECgiảm độ trễ và thực hiên các nội dung sao cho tương thích với các thiết bị khácnhau, một “media cloud proxy” được đưa ra để làm giảm độ trễ hơn nữa và phục
vụ tốt hơn với các kiểu thiết bị khác nhau đặc biệt là tương thích với các thiết bị diđộng Các media cloud proxy được thiết kế để giải quyết tính toán truyền thông diđộng và bộ nhớ đệm cho điện thoại di động Điện thoại di động có sự giới hạn vềthời lượng pin và sức mạnh xử lý, media cloud proxy được sử dụng để thực hiệnđiện tính toán truyền thông toàn bộ hoặc một phần đề bù đắp cho những giới hạncủa điện thoại di động đã đề cập ở trên,bao gồm cả các thích ứng của QoS cho cácloại đầu cuối khác nhau Ngoài ra, media cloud proxy cũng có thể cung cấp bộ nhớđệm cho các điện thoại di động Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồmQoS cơ sở hạ tầng đám mây và lớp phủ QoS đám mây cho các dịch vụ đa phươngtiện.v.v…
Trang 104 Truyền thông đám mây-cloud media
a, Ứng dụng (Applications)
Sự xuất hiện của điện toán đám mây sẽ tác động sâu sắc trên toàn bộ chu kìcủa nội dụng đa phương tiện Như trong hình 2.5-chu kì truyền thông bao gồmviệc mua lại, lưu trữ, xử lý, phổ biến và trình diễn
Hình 2.5: Chu kì của truyền thông
Trong một thời gian dài, các nội dung truyền thông chất lượng cao chỉ có thểđược mua lại bởi các tổ chức chuyên nghiệp với các thiết bị tốt và những nội dụngđược phân phối dựa trên các bản sao cứng, như phim ảnh, VCD và DVD Trongcác thập niên gần đây, sự sẵn có của máy ảnh, máy quay giá rẻ đã gây nên sự bùng
nổ về nội dung truyền thông do người sử dụng tạo ra Gần đây nhất, các hệ thốngmạng vật lý cung cấp một phương pháp mới để thu thập dữ liệu thông qua cácmạng cảm biến, làm tăng đáng kể khối lượng và đa dạng về dữ liệu truyền thông.Lướt Web 2.0, các nội dung truyền thông kĩ thuật số có thể dễ dàng phân phốihoặc chia sẻ thông qua mạng internet Sự thành công lớn của Youtube là minhchứng rõ ràng của truyền thông internet
Trước thời đại điện toán đám mây, phương tiện lưu trữ, xử lý và các dịch vụphổ biến được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau với các trung tâmmáy chủ của họ Hiện tại, các nhà cung cấp dịch vụ chọn việc cung cấp đám mây
Trang 11công cộng cho nhiều người dùng Mô hình “Pay-as-you-go”của đám mây côngcộng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các doanh nghiệp nhỏ Đối với các doanhnghiệp nhỏ, họ chỉ trả tiền cho những tính toán và lưu trữ mà họ đã sử dụng, ngoài
ra họ không phải mất thêm khoản chi phí nào cho việc duy trì hoạt động của cácthiết bị Đối với cá nhân, tiện ích đám mây có thể cung cấp không gian lưu trữkhông giới hạn và thuận tiện hơn rất nhiều so với việc mua ổ đĩa ứng
b, Lưu trữ và chia sẻ (Storage and Sharing)
Lưu trữ đám mây có lợi thế là luôn luôn hoạt động vì thế mà người dùng cóthể truy cập file dữ liệu của họ ở mọi thiết bị, có thể chia sẻ nhưng file đó với bạn
bè, và những người này có thể truy cập nội dung này vào bất kì thời gian nào Đâycũng là tính năng quan trọng,việc lưu trữ trên đám mây cung cấp mức độ tin cậycao hơn nhiều so với lưu trữ trên những thiết bị cá nhân Dịch vụ lưu trữ có thểphân loại thành dịch vụ người dùng và dịch vụ theo hướng phát triển Trong danhmục đám mây lưu trữ theo hướng người dùng , nhiều nhà cung cấp dịch vụ sửdụng chính những server của họ, trong khi một số nhà cung cấp khác dựa trên sựđóng góp lưu trữ vật lý của người sử dụng Iomega (www.iomega.com) là mộtdịch vụ lưu trữ đám mây theo hướng người sử dụng, đây là nơi nắm giữ dịch vụlưu trữ trên máy chủ của chính mình và do đó cung cấp các dịch vụ trả phí.Allmydata (www.amdwebhost.com) trao đổi 1 GB không gian lưu trữ của mìnhlấy 10GB không gian lưu trữ được tập hợp từ những người sử dụng Đó là sự đầu
tư lớn về các dịch vụ và phần mềm, chẳng hạn như mã hóa dữ liệu, phân mảnh,phân phối và sao lưu Amazon S3 (http://s3.amazon.com) và openomy(http://openomy.com) là các dịch vụ lưu trữ đám mây theo hướng để kinh doanh.Amazon S3 cung cấp đám mây điển hình cho việc (chỉ trả cho những gì bạn sửdụng) Không có lệ phí tối thiểu và chi phí khởi động Họ tính phí dựa trên dunglượng lưu trữ và băng thông cho mỗi GB Mục đích chung của các nhà cung cấpđám mây, chẳng hạn như Microsoft Azure, cũng lấy những dịch vụ lưu trữ làm