Nghiên cứu video streaming trên multipath TCP trong môi trường không dây

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Bá Lộc ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình học tập trình thực đề tài, dẫn học hỏi nhiều kiến thức quý báu kinh nghiệm nghiên cứu khoa học từ thầy cô, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Tuấn Anh, giảng viên trường đại học Công Nghệ TP HCM-HUTECH, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trường đại học Công Nghệ TP.HCM tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức đáng giá năm học vừa qua Sau cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên suốt trình học tập thực luận văn TPHCM, ngày 11 tháng 01 năm 2016 Nguyễn Bá Lộc iii TÓM TẮT Trong đề tài trình bày cách thức đánh giá video streaming multipath TCP môi trường mạng không dây Đưa thống số đường truyền sử dụng giao thức Multipath TCP, Single path TCP so sánh tốc độ chúng với Và đưa cách thức đánh giá tốc độ truyền video streaming, số lượng gói tin bị truyền video streaming sử dụng giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP môi trường mạng không dây iv ABSTRACT In this dissertation I will show how to assess multipath TCP video streaming over wireless environments Given the information on the transmission system using Multipath TCP protocol, single path TCP protocol and compare speed of them together And show how to assess streaming video transmission rate, the number of lost packets when transmitting video streaming using Multipath TCP protocol and Single path TCP protocol in the wireless network environment v MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Một số đề tài liên quan: Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn đơn đường 2.1.1 Tổng quan TCP/IP 2.1.2 Điều khiển tắc nghẽn giao thức TCP 15 2.2 Điều khiển tắc nghẽn đa đường 16 2.2.1 Tổng quan giao thức Multipath TCP 16 2.2.2 Thiết lập kết nối giao thức Multipath TCP 18 2.2.3 Điều khiển lưu lượng 19 2.2.4 Điều khiển luồng 19 2.2.5 Quản lý tín hiệu hồi đáp 19 2.2.6 Phục hồi gói tin bị 19 2.2.7 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn Muiltipath TCP 20 2.2.8 Đóng kết nối 21 2.2.9 Kiến trúc hệ thống truyền video 21 2.3 Dịch vụ video streaming 22 2.3.1 Video streaming gì? 22 2.3.2 Giao thức RTSP 25 2.3.3 Giao thức RTP 28 2.3.4 Giao thức HTTP live streaming 29 2.4 Một số công trình liên quan 30 Chương 3: VIDEO STREAMING TRÊN MULTIPATH TCP TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 31 3.1 Khái niệm mạng không dây 31 3.1.1 Wifi 31 3.1.2 3G 33 3.2 Ưu nhược điểm mạng không dây 35 vi 3.3 Khả hỗ trợ Multipath TCP thiết bị di động 35 3.4 Khả hỗ trợ video streaming thiết bị di động 35 Chương 4: TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 36 4.1 Cài đặt giao thức Mutipath TCP cho server linux client linux 37 4.2 Thực nghiệm video streaming Multipath TCP máy tính laptop 38 4.3 Kịch thực nghiệm 39 4.3.1 Kich thực nghiệm 40 4.3.2 Kịch thực nghiệm 42 4.3.3 Kịch thực nghiệm 44 4.3.4 Kịch thực nghiệm 47 4.3.5 Kịch thực nghiệm 48 4.4 Đánh giá 49 KẾT LUẬN 52 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Client Máy trạm Codec thuật ngữ ám chung cho thuật toán mã hóa đường truyền trình streaming audio hay video congestion avoidance Tránh ùng tắt Demand streaming (stream theo yêu cầu) trình streaming file video có sẵn ( lưu ổ cứng ) tới người nhận DMP scheme Một dạng giao thức điều khiển tắc nghẽn duplicate ACKs Sự báo nhận trùng fast recovery Hồi phục nhanh fast retransmit Truyền lại nhanh file Tập tin Frame Khung liệu live streaming (stream từ nguồn tạo video) trình streaming trực tiếp từ frame video tạo từ thiết bị thu nhận viii video (như camera ) tới người nhận media player Chương trình chơi file video audio multimedia Đa phương tiện MultiTCP Một dạng giao thức điều khiển tắc nghẽn package size Kích cỡ gói packet Gói liệu retransmission Truyền lại Round Trip Time Thời gian vòng router Bộ định tuyến segment Phân khúc segsize kích thước segment Server Máy chủ slow start Khởi đầu chậm chạp streaming Luồng Streaming video (luồng video) thực chất trình truyền frame file video tới người nhận subflow Luồng nhỏ timeout Hết topology Cấu trúc mạng video web browser Trình duyệt web ix 3G 3GPP third-generation Công nghệ truyền thông technology hệ thứ ba 3rd Generation tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS EDGE Partnership Project 4G fourth-generation Công nghệ truyền thông technology hệ thứ tư ACK Acknowledgement Sự báo nhận ADSL Asymmetric CCK Digital đường dây thuê bao số bất Subscriber Line đối xứng Complimentary code kỹ thuật mã bù sử dụng chuẩn 802.11b keying CWND congestion window Cửa sổ tắt nghẽn DHCP Dynamic Host giao thức mà máy sử configuration Protocol dụng để lấy dược tất thông tin cấu hình cần thiết DNS Domain Name System Hệ thống tên miền FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin HTTP HyperText Transfer Giao thức truyền tải siêu Protocol văn IEEE IETF Institute of Electrical and Viện Kỹ thuật Điện Electronics Engineers Điện The Internet Engineering Cộng đồng quốc tế mở Task Force rộng lớn nhà thiết kế mạng, nhà khai thác, nhà cung cấp thiết bị nhà nghiên x cứu quan tâm tới phát triển kiến trúc Internet hoạt động ổn định Internet MPTCP Multipath transmission Giao Control Protocol MulTFRC OFDM truyền đa đường Multi TCP-Friendly Rate Một dạng giao thức điều Control khiển tắc nghẽn Orthogonal frequency- truy cập phân chia theo tần số trực giao division multiplexing RTP thức Real-time Transport giao thức chuẩn định Protocol dạng cho gói tin video hay audio truyền mạng RTSP Real Time Streaming giao thức mạng điều Protocol khiển trình streaming video hay streaming audio RTT round-trip-time rwnd advertised Thời gian trọn vòng receiver Cửa sổ nhận quảng cáo window SMTP ssthresh Simple Mail Transfer giao thức truyền tải thư tín Protocol đơn giản slow start threshold size Chậm kích thướt ngưỡng khởi đầu TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Bộ giao thức liên mạng 41 Ở mô hình tín hiệu kết nối sóng wifi card mạng không dây laptop đến thiết bị access point mức tốt nhất, khoảng cách từ laptop đến thiết bị access point có khoảng cách gần Tín hiệu sóng Wi-fi tương đương ta đo biểu đồ hình 4-10 60 50 Mbits 40 30 20 10 0 10 Time (sec) Single Path TCP Multipath TCP Hình 4-10: So sánh tốc độ truyền Multipath TCP Single path TCP 42 4.3.2 Kịch thực nghiệm Hình 4-11: Kịch thực nghiệm Ở mô hình laptop kết nối tới thiết bị access point có mức băng thông thấp kết nối đến access point xa tầm phủ sóng thiết bị, bị chướng ngại vật tường, cửa nhà, Hình 4-12 4-13 bên cho ta thấy thông số tín hiệu sóng điểm phát sóng 43 Hình 4-12: Tín hiệu sóng Hình 4-13: Tín hiệu sóng Hình 4-14 4-15 bên cho ta thấy băng thông truyền tải đến server giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP Hình 4-14: Tốc độ truyền Multipath TCP 44 Hình 4-15: Tốc độ truyền single path TCP 4.3.3 Kịch thực nghiệm Client có card mạng kết nói đến thiết bị access point số điều kiện kết nối tốt gần thiết bị (ít bị nhiễu) card mạng kết nối đến thiết bị access point điều kiện xa thiết bị chất lượng kết nối Hình 4-16: Kịch thực nghiệm 45 Ở kịch thực nghiệm thiết bị access point cách xa laptop thiết bị access point 1, khoảng cách kết nối sóng khác có tốc độ truyền liệu khác Hình 4-17 4-18 bên cho ta thấy thông số tín hiệu sóng điểm phát sóng Hình 4-17: Hình tín hiệu sóng Hình 4-18: Hình tín hiệu sóng 46 Hình 4-19 4-20 bên cho ta thấy băng thông truyền tải đến server giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP Tốc độ truyền Multipath TCP: Hình 4-19: tốc độ truyền Multipath TCP Tốc độ truyền Single path TCP: Hình 4-20: Tốc độ truyền Single path TCP 47 4.3.4 Kịch thực nghiệm Client kết kết nối đến server thông qua access point số khoảng thời gian đột ngột bị nối đến access point số Hình 4-21: Kịch thực nghiệm Khi vừa kết nối đến thiết bị access point giao thức Single path TCP kết nối đến server giao thức Multipath TCP kết nối đến server bình thường Bên hình so sánh băng thông thời gian lúc chưa kết nối lúc kết nối đến server thông qua giao thức Multipaht TCP giao thức Single path TCP 48 70 60 Mbits 50 40 30 20 10 0 10 Time (sec) Multipath TCP Single path TCP Hình 4-22: Thời gian truyền tín hiệu Multipath TCP Single path TCP Khi vừa kết nối đến thiết bị access point giao thức Single path TCP kết nối đến server giao thức Multipath TCP kết nối đến server bình thường 4.3.5 Kịch thực nghiệm Client client kết nối với đến server lúc Hình 4-23: Kịch thực nghiệm 49 Sau đo băng thông băng thông kết nối từ máy Client đến server máy Client đến server lúc ta biểu đồ băng thông hình 4-24 bên 40 35 30 25 20 15 10 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Multipath TCP may Single path TCP may Multipath TCP may Single path TCP máy Hình 4-24: Băng thông Client Client kết nối server lúc  Băng thông kết nối đến server Client thấp so với Client giao thức Multipath TCP Single path TCP  Giao thức Multipath TCP có băng thông cao Single path TCP máy Client1 Client  Do client client đặt hai vị trí khác nên hướng phát sóng từ thiết bị access point đến máy Client khác nhau, độ nhiễu đường truyền khác thông lượng máy Client kết nối đến server khác 4.4 Đánh giá Tín hiệu kết nối sóng Wi-fi card mạng không dây laptop tương đương sử dụng giao thức Multipath TCP nhanh giao thức single path TCP, hình 4-25 so sánh tốc độ lúc card mạng không dây laptop kết nối tín hiệu 50 tốt đến thiết bị phát sóng Wi-fi hình 4-26 so sánh tốc độ giao thức Multipath TCP single path TCP lúc tín hiệu kết nối sống card mạng không dây đến thiết bị phát sóng Wi-fi gần tương đương Multipath TCP Single path TCP 25 MBits 20 15 10 5 10 10 Giây Hình 4-25: So sánh tốc độ Mbits Series1 Series2 20 18 16 14 12 10 2 Giây Hình 4-26: So sánh tốc độ Khi đường kết nối không dây laptop có đường kết nói tốt đường tín hiệu kết nối không tốt đến thiết bị phát sóng không dây việc sử dụng giao thức Multipath TCP Single path TCP sử dụng đường kết nối không 51 tốt đến thiết bị phát sóng không dây hình 4-27 cho kết giao thức Multipath TCP có băng thông kết nối cao Multipath TCP Single path TCP 60 50 Mbiits 40 30 20 10 10 Giây Hình 4-27: So sánh tốc độ Khi tín hiệu không dây không ổn định sử dụng giao thức Multipath TCP cho thông lượng kết tốt Giao thức Multipath TCP thật cần thiết cho thiết bị di động vừa có kết nối 3G vừa có kết nối sóng Wi-fi tất thiết bị có nhiều đường truyền mạng Vì giúp cho việc xem video mượt so với ta sử dụng túy đường kết nối đường kết nối hay bị nghẽn mạng, chậm kết nối giống dịch vụ 3G mà nhà mạng nước cung cấp Tất nhiên không dừng việc sử dụng dịch vụ video streaming mà giúp cho việc truyền tải hệ thống mạng nhanh 52 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành công việc sau: - Xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng giao thức Multipath TCP - Đã thực nghiệm server video streaming sử dụng giao thức Multipath TCP - Đã thực nghiệm giao thức Multipath TCP môi trường không dây - Đưa cách thức lấy thống số, vẽ biểu đồ thông số đường truyền theo thời gian đơn vị tính giây - Đưa tốc độ đường truyền, số liệu gói tin bị đường truyền sử dụng giao thức : Multipath TCP, Single path TCP để streaming video Đề tài chưa hoàn thành công việc sau: - Do thời gian có hạn nên chưa đánh giá chất lượng video streaming môi trường không dây sử dụng giao thức Multipath TCP Ưu điểm : - Giao thức Multipath TCP tương thích với phần cứng hệ thống Single path TCP switch, router, access point, để chuyển sang hệ thống sử dụng giao thức Multipath TCP ta đầu tư khoảng chi phí thấp lại mang lại hiệu cao - Giao thức Multipath TCP Hỗ trợ nhiều hệ điều hành như: IOS, android, Linux, - Truyền tải nhiều đường kết nối nên đường kết nối bị đứt kết nối trình truyền tải diễn bình thường - Sử dụng giao thức Multipath TCP tốc độ truyền tải file cải thiện đáng kể so với sử dụng giao thức Single path TCP Nhược điểm : - Không hỗ trợ hệ điều hành Windows - Độ biến thiên liệu cao 53 Hướng phát triển: - Xây dựng hệ thống sử dụng giao thức Multipath TCP để cung cấp dịch vụ video streaming thông qua internet - Xây dựng server Multipath TCP cung cấp hosting ineternet - Xây dựng ứng dụng điện toán đám mây sử dụng giao thức Multipath TCP 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Ford, C Raiciu, M Handley, S Barre, J Iyengar (2011), Architecture guidelines for Multipath TCP Development, IETF RFC 6182 [2] L P Dũ, L T Anh , ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG CHO CÁC ỨNG DỤNG MULTIMEDIA,Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Số chuyên đề: Công nghệThông tin (2013): 180-189 [3] C Raiciu, M Handly, D Wischik, 2011, Coupled Congestion Control for Multipath Transport Protocols, Internet Engineering Task Force, RFC 6356, ISSN: 2070-1721 [4] Y Chen, Y Lim, E M Nahum, R J Gibbens, and D Towsley Characterizing 4G and 3G networks: Supporting mobility with multi-path tcp Technical report, CS Department, UMass Amherst (UM-CS-2012-022), 2012 [5] A Ford, C Raiciu, M Handley, and O Bonaventure TCP extensions for multipath operation with multiple addresses, Jan 2012 IETF draft (work in progress) [6] C Huitema Multi-homed TCP Internet draft, IETF, 1995 [7] V Bychkovsky, B Hull, A Miu, H Balakrishnan, and S Madden.A measurement study of vehicular internet access using in situ wi-fi networks In Proceedings of the 12th annual international conference on Mobile computing and networking, MobiCom ’06, pages 50–61 ACM,2006 [8] A Balasubramanian, R Mahajan, and A Venkataramani Augmenting mobile 3g using wifi In Proceedings of the 8th international conference on Mobile systems, applications, and services, MobiSys ’10, pages 209–222 ACM, 2010 [9] Website https://vi.wikipedia.org/wiki/TCP/IP, truy cập 14/09/2015 [10] M Allman, V Paxson, and W Stevens TCP Congestion Control,April 1999, RFC 2581 [11] S Tullimas, T Nguyen, R Edgecomb, and S.-c Cheung, 2008, “Multimedia streaming using multiple TCP connections," ACM Trans Multimedia Comput 55 Commun Appl., vol 4, no 2, pages 120-121 [12] B Wang, W Wei, Z Guo, and D Towsley,2009, “Multipath live streaming via TCP: Scheme, performance and benefits”, ACM Trans, NY, USA,vol 5, no [13] J.-W Park, R Karrer, and J Kim, 2011 “TCP-ROME: A transport-layer parallel streaming protocol for real-time online multimedia environments", Communications and Networks Journal, vol 13, no 3, pages 277 – 285 [14] S Floyd, M Handley, 2008 “TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification”, Network Working Group, Obsoletes: 3448, Updates: 4342, RFC 5348 [15] D Damjanovic and M Welzl, (2011), “An Extension of the TCP Steady-State Through-put Equation for Parallel Flows and Its Application in MulTFRC” IEEE/ACM Trans, vol 19, no 6, pp 1676 - 1689 [16] https://vi.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi, truy cập 14/09/2015 [17] S Mao, S Lin, S Panwar, Y Wang, “Video Transport Over Ad-Hoc Networks: Multistream Coding With Multipath Transport”, IEEE journal on seleted areas in communications, VOL 21,NO 10, December 2003 [18] Damon Wischik, Costin Raiciu, Adam Greenhalgh, Mark Handley, (2011), “Design, implementation and evaluation of congestion control for multipath TCP”, in Proc of the 8th USENIX NSDI Conf [...]... công việc đã được thực hiện cho đến nay về việc nghiên cứu các mạng di động hoặc sự phù hợp của nó Đề tài này tôi thực hiện đo lường và đánh giá tốc độ vận chuyển video streaming sử dụng đơn đường TCP và cả đo lường và đánh giá tốc độ vận chuyển video streaming sử dụng đa đường TCP trong môi trường mạng không dây 1.2 Lý do chọn đề tài - Bộ giao thức TCP/ IP [9], là một bộ các giao thức truyền thông... bằng tốc độ của luồng Multipath TCP với tốc độ của TCP chạy trên đường tốt nhất dựa vào , trong đó trên đường , là kích thước cửa sổ là round-trip-time trên đường 2.2.8 Đóng kết nối Qui tắc bắt tay bốn bước được sử dụng để kết thúc một kết nối trong Multipath TCP bằng việc sử dụng cờ FIN trong trường hợp kết thúc thông thường và cờ RST được sử dụng để kết thúc kết nối trong trường hợp bị lỗi Cờ RST... Trần Thị Bảo Yến, Lê Tuấn Anh, MULTIPATH FAST TCP CHO MẠNG - Các đề tài trên nghiên cứu về thuật toán của giao thức Multipath TCP 5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các kỹ thuật trong điều khiển tắc nghẽn trong đơn đường 2.1.1 Tổng quan về TCP/ IP TCP/ IP là một bộ giao thức hỗ trợ việc truyền thông giữa các máy tính hoặc các thiết bị tương tự trên mạng Trước hết để hiểu TCP/ IP là gì, ta phải hiểu mạng... nối trong giao thức Multipath TCP Multipath TCP cho phép một cặp thiết bị đầu cuối sử dụng nhiều đường để trao đổi thông tin từ một luồng kết nối Khởi tạo kết nối bắt đầu với các thông tin SYN, SYN/ACK, ACK được trao đổi trên một đường đơn tương tự như TCP Tuy nhiên, trong Multipath TCP sử dụng thêm một tùy chọn, trong đó tùy chọn MP_CAPABLE [1][5] được khai báo phía bên gửi dữ liệu để thực thi Multipath. .. IETF phê duyệt hoạt động trên kiến trúc Multipath TCP [1] MultipathTCP thực hiện điều khiển tốc độ gửi dữ liệu phối hợp giữa các đường đảm bảo ba tiêu chí: nâng cao thông lượng truyền, đảm bảo tính công bằng đối với các luồng TCP hiện có và có khả năng cân bằng tắc nghẽn: chuyển dữ liệu từ đường có tắc nghẽn nhiều sang đường có tắc nghẽn ít hơn [2] - Video Streaming trên Multipath TCP sẽ cung cấp thông... tham số trên đường đó được cập nhật như RTT, băng thông, tỉ lệ mất gói tin, kích thước cửa sổ [12] Nếu dữ liệu cần phải gửi lại, Multipath TCP có thể gửi trên cùng đường đã gửi dữ liệu trước đó hoặc trên một đường khác 2.2.6 Phục hồi gói tin bị mất Trong TCP chuẩn, phục hồi gói tin bị mất được thực hiện sau khi hết thời gian truyền lại hoặc nhận dupACK Đối với Multipath TCP cũng sử dụng như trong TCP nhưng... kết nối trong giao thức đa đường thì dịch chuyển dữ liệu từ đường có tắc nghẽn nhiều sang đường có tắc nghẽn ít hơn trong khi vẫn đảm bảo hai tiêu chí 1 và 2 Trong giao thức Multipath TCP, nó sử dụng nhiều Subflow cho một kết nối, nhưng không sử dụng thuật toán điều khiển tắc nghẽn của TCP trên mỗi đường Multipath TCP sử dụng thuật toán Couple [3] để điều khiển tắc nghẽn Mỗi ACK nhận được trên đường... nghẽn trong đa đường 2.2.1 Tổng quan giao thức Multipath TCP Là phiên bản mở rộng của giao thức TCP, cho phép truyền dữ liệu song song trên các đường con giữa nguồn và đích nhằm tăng khả năng phục hồi của các kết nối và tăng hiệu quả của việc sử dụng tài nguyên hệ thống Hình 2-4 minh họa trường hợp sử dụng MPTCP trong môi trường Internet để khai thác hiệu quả tài nguyên sẵn có 17 Hình 2-4: MPTCP CLIENT... sản xuất Ví dụ Microsoft TCP/ IP là một phần mềm cho phép Window NT xử lý các dữ liệu được định dạng theo TCP/ IP và vì thế có thể hoà mạng TCP/ IP Tuy nhiên có sự khac biệt giữa chuẩn TCP/ IP như sau:  Một chuẩn TCP/ IP là hệ thống quy định quản lý việc trao đổi trên các mạng TCP/ IP  Bộ lọc TCP/ IP là phần mềm có chức năng cho phép một máy tính hoà mạng TCP/ IP  Mục đích của chuẩn TCP/ IP là nhằm đảm bảo... Measurement-based Study of MultiPath TCP Performance over Wireless Networks”, ISBN: 978-1-4503-1953-9 - Các đề tài trên đánh giá hiệu suất Multipath TCP trên 3G,4G và Wifi theo tiêu chuẩn ở US - Việt Nam chưa tìm thấy đề tài tương tự như đề tài trên Trong nước:  Lê Phong Dũ, Lê Tuấn Anh, “ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG CHO CÁC ỨNG DỤNG MULTIMEDIA”, tạp chí khoa học Trường Đại Học Cần