Nghiên cứu các cơ chế adaptive bitrate streaming (ABS) và scalable video coding (SVC) phục vụ các ứng dụng streaming trên mạng có băng thông thay đổi

BẢN CAM ĐOAN Tôi Phạm Trường Giang, học viên cao học lớp kỹ thuật điện tử 11BKTĐT khóa 2011B Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết nghiên cứu tìm hiểu trình nghiên cứu thực đề tài: “Nghiên cứu chế Adaptive Bitrate Streaming (ABS) Scalable Video Coding (SVC) phục vụ ứng dụng Streaming mạng có băng thông thay đổi ” Các kết nghiên cứu trình bày luận văn hoàn toàn trung thực rõ ràng Mọi thông tin trích dẫn tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ tài liệu tham khảo Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn với nội dung viết luận văn Hà nội, ngày 30 tháng 12 năm 2013 Học viên Phạm Trường Giang LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng, thầy giáo hướng dẫn khoa học Thầy nhiệt tình hướng dẫn, bảo, đưa hướng đi, đóng góp quý báu để hoàn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo công tác Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị cho tảng kiến thức vững thời gian học tập Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn anh chị, đồng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Phát triển Tổng công ty VTC tạo điều kiện giúp đỡ trình nghiên cứu, thu thập số liệu tài liệu tham khảo để hoàn thành luận văn Trân trọng cảm ơn! Phạm Trường Giang MỤC LỤC BẢN CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 TÓM TẮT LUẬN VĂN 12 ABSTRACT 13 Chương 1: Tổng quan 14 Chương 2: Lý thuyết sở 19 2.1 Đặc tính mạng không dây 19 2.1.1 Băng thông mạng 19 2.1.2 Độ trễ 19 2.1.3 Lỗi gói 20 2.1.4 Tắc nghẽn hàng đợi 21 2.1.5 Vấn đề thay đổi nút mạng 21 2.1.6 Mất tín hiệu kết nối 22 2.2 Video Streaming 22 2.2.1 Phương thức Video Streaming truyền thống 23 2.2.2 Phương thức Progressive Download Streaming 26 2.2.3 Phương thức Adaptive Bitrate Streaming 27 2.2.4 Các giải pháp sử dụng Adaptive Bitrate Streaming 32 2.2.5 Apple HTTP Live Streaming 32 2.2.6 Microsoft Silverlight Smooth Streaming 36 2.2.7 Adobe HTTP Dynamic Streaming 38 2.2.8 Đánh giá chất lượng giải pháp Adaptive Bitrate Streaming 40 2.3 Hệ thống Wowza 44 2.3.1 Giới thiệu 44 2.3.2 Hoạt động 45 2.4 VLC 48 2.4.1 Giới thiệu 48 2.4.2 Ưu điểm 49 2.5 Video codec 53 2.5.1 H.263 53 2.5.2 H.264/MPEG-4 AVC 53 2.5.3 Video quality level 54 2.5.4 Container 55 2.6 Wireless Network Emulator 56 2.7 Lựa chọn thông số đo 57 Chương 3: Quá trình đo đạc tính toán 58 3.1 Mục tiêu 58 3.2 Yêu cầu hệ thống 58 3.3 Mô hình đo 58 3.3.1 Server 58 3.3.2 Client 60 3.3.3 Wireless Network Emulator 60 3.3.4 Hệ thống đo 62 3.3.5 Kịch đo 62 Chương 4: Kết 64 Chương 5: Tổng kết 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh IPTV Internet Protocol Television ABS Adaptive Bitrate Streaming ASS Adaptive Streaming Server HTTP Hypertext Transfer Protocol HLS Apple HTTP Live streaming HDS Adobe HTTP Dynamic Streaming DASH MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP RTP Real-time Transport Protocol PLR Packet Loss Rate 10 MSS Microsoft Smooth Streaming 11 STB Set-Top-Box DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1: Các mẫu video file SMIL 47 Bảng 2-2: Các lệnh client gửi đến Streaming Server 48 Bảng 2-3: Khả tương thích với loại định dạng VLC Media Player 50 Bảng 2-4: Bảng giới thiệu loại Codec 54 Bảng 2-5: CODEC video âm vài định dạng hỗ trợ 56 Bảng 3-1: Bảng thông số kịch đo 63 Bảng 4-1: Kết đo độ trễ video HTTP Ở đơn vị đo độ trễ s 64 Bảng 4-2: Kết đo độ trễ video RTP Ở đơn vị đo độ trễ s 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Biểu đồ phân phối lưu lượng liệu mạng theo loại hình dịch vụ 15 Hình 1-2: Sự tăng trưởng lưu lượng liệu loại hình dịch vụ mạng 15 Hình 1-3: Mức tăng trưởng thiết bị di động năm gần 16 Hình 1-4: Một hệ thống Adaptive Bitrate Streaming đơn giản 17 Hình 2-1: RTSP client and server communication sequence 24 Hình 2-2: RTP packet format 25 Hình 2-3: HTTP Session 25 Hình 2-4: Sơ đồ khối hệ thống Adaptive Bitrate Streaming 28 Hình 2-5: Đồ thị Apdative Bitrate Streaming 29 Hình 2-6: Streaming cho nhiều Client với nhiều độ phân giải 31 Hình 2-7: Một tập tin danh sách thay đổi HLS minh họa profile đầu với tốc độ bit khác 34 Hình 2-8: Một tập tin danh sách HLS từ dòng trực tuyến mô tả ba đoạn TS có gần 34 Hình 2-9: Phát liên tục dòng liệu theo thông lượng phân mảnh, thông lượng TCP trung bình tốc độ bit yêu cầu cho phát video điều kiện băng thông không hạn chế Việc phát lại bắt đầu khoảng t = 5s, sau người dùng ấn Play khoảng 2s 41 Hình 2-10: Phát liên tục dòng liệu: Khoảng thời gian nối tiếp thời gian tải xuống video, khoảng thời gian nối tiếp thời gian tải xuống đoạn video điều kiện băng thông không hạn chế Mỗi đoạn dài giây 42 Hình 2-11: Thông lượng theo đoạn, thông lượng TCP trung bình tốc độ bit yêu cầu cho việc truyền video điều kiện băng thông thay đổi liên tục Việc phát lại bắt đầu khoảng t = 10s, sau người dùng ấn Play khoảng 3s 43 Hình 2-12: Khả tích hợp DRM hệ thống Wowza Media 45 Hình 2-13: Biểu đồ trình tự thời gian tin HTTP 46 Hình 2-14: Cấu trúc file SMIL 47 Hình 2-15: Giao diện VLC Media Player 49 Hình 2-16: Mô hình đơn giản DummyNet 57 Hình 3-1: So sánh phương thức đo 62 Hình 4-1: Đồ thị phân bố độ trễ HTTP 65 Hình 4-2: Đồ thị phân bố độ trễ RTP 67 Hình 4-3: So sánh kết hệ thống Ở Series RTP, Series HTTP 67 MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Video Streaming công nghệ sử dụng phổ biến Kết hợp với phát triển không ngừng thiết bị di động, công nghệ cung cấp cho người xem trải nghiệm tuyệt vời lúc nơi Tuy nhiên, nhu cầu xem video tăng nhanh, hạ tầng mạng không dây không đáp ứng đủ băng thông cho Video Streaming Điều dẫn đến vấn đề chất lượng video trễ hình, khung, vỡ hình mạng không dây 3G Bên cạnh việc không ngừng đầu tư nâng cao chất lượng mạng, công nghệ Video Streaming liên tục nghiên cứu triển khai nhằm tối ưu hóa hệ thống sẵn có Đề tài “Nghiên cứu chế Adaptive Bitrate Streaming (ABS) Scalable Video Coding (SVC) phục vụ ứng dụng Streaming mạng có băng thông thay đổi” hình thành điều kiện Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu tìm hiểu đánh giá chất lượng công nghệ Video Streaming ABS SVC Từ đánh giá đó, nghiên cứu đưa tập thông số tối ưu dành cho hệ thống Video Streaming Kết cấu luận văn Luận văn trình bày theo chương: Chương 1: Tổng quan - Đưa nhìn tổng quan điều kiện ảnh hưởng đến hướng nghiên cứu đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Trình bày khái niệm lý thuyết ABS SVC 10  Độ trễ  Tỉ lệ rớt gói  Tác động đường truyền DummyNet chạy đa tảng (FreeBSD, OSX, Linux, Windows), chạy tảng này, truyền gói tin qua loại mạng DummyNet tạo Pipe để truyền packet nút mạng Hình 2-16: Mô hình đơn giản DummyNet 2.7 Lựa chọn thông số đo 57 Chương 3: Quá trình đo đạc tính toán 3.1 Mục tiêu Mục tiêu trình đo đưa số kết đo để so sánh ảnh hưởng PLR độ trễ (latency) player hệ thống ABS lựa chọn giao thức truyền HTTP RTP 3.2 Yêu cầu hệ thống  Server: o Hệ điều hành: Windows 64 bit o Ram > 3G o Cài đặt JDK o Cài đặt Wowza Media Server version > 2.2.3  Client: o Hệ điều hành: Windows o Cài đặt VLC version > 2.1 o Cài đặt DummyNet 3.3 Mô hình đo 3.3.1 Server  Cấu hình server 58 o Môi trường Một số thiết bị gặp vấn đề với phương thức Windows định độ dài TCP Window.Windows tự động điều chỉnh độ dài TCP Window, lớn mạng băng thông chậm, hay rớt gói Việc dẫn tới làm chậm hệ thống, chí làm rớt gói, đặc biệt mạng 3G Đối với hệ thống mô 3G, có thiết lập latency PLR, nên cần vô hiệu hóa chức Cách làm sau:  Bật cmd, gõ lệnh: netsh interface tcp set global autotuning=disable netsh int tcp set heuristics disable  Kiểm tra việc vô hiệu hóa: netsh interface tcp show global o Wowza Media Server  Cài đặt JDK Hệ thống yêu cầu cài JDK, tốt chạy JDK Đối với hệ điều hành 64 bit, nên cài JDK 64 bit Đối với JDK phía server Wowza, nên thiết lập chế độ sau (chế độ mặc định bị vô hiệu hóa Windows): Sửa file [JDK-install-dir]/bin/setenv.bat : set JAVA_OPTS=%JAVA_OPTS% -server  Điều chỉnh Java heap size Mặc định, Java heap size thiết lập 768 MB Windows Đối với hệ thống có nhiều kết nối Java heap size không đủ dùng Đối với hệ thống Server có GB Ram, tăng heap size lên để hệ thống hoạt động tốt sau: 59 Sửa file [JDK-install-dir]/bin/setenv.bat set JAVA_OPTS=-Xmx3000M 3.3.2 Client  Cấu hình VLC o Tăng VLC caching buffer  Trong VLC, chọn “Media: Open Network Stream …”  Chọn “Show more options”  Chỉnh “Caching value” đến giá trị cao  Đối với hệ thống mô xây dựng, giá trị đặt 3000ms o Lựa chọn HTTP hay RTSP/RTP playback  Trong VLC, chọn “Tools: Preferences”  Chọn “Input & Codecs section”  Chọn “Live555 stream transport option”  Có lựa chọn “HTTP” “RTP over RTSP (TCP)”  Lưu giá trị chọn 3.3.3 Wireless Network Emulator  Cài đặt DummyNet Windows – 64 Bit Đối với HĐH Windows 64 Bit mặc định, DummyNet không chạy bị vô hiệu hóa chức Digital Signature Requirement DummyNet không chứng thực Windows 64 bit Để chạy DummyNet, cần thực số bước sau: 60 o Download DummyNet 64 bit dành cho Windows o Mở Control Panel -> Network -> Chọn loại adapter -> Properties -> Install -> Service -> Add -> Driver Disk -> Chọn file netipfw.inf folder chứa cài DummyNet o Vô hiệu hóa Digital Signature Requirement cách Windows khởi động, nhấn F8, chọn Disable Driver Signature Enforcement  Điều chỉnh mạng dùng DummyNet DummyNet điều chỉnh nhiều thông số mạng Dưới số câu lệnh để điều chỉnh: o Tạo pipe chấp nhận tất loại packet qua: ipfw add pipe ip from any to any o Thiết lập băng thông cho pipe ipfw pipe config bw 1200Kit/s o Định giá trị delay cho pipe ipfw pipe config delay 200ms o Định giá trị queue router cho pipe ipfw pipe config queue 100KByte/s o Định giá trị PLR cho pipe ipfw pipe config plr 0.2 o Định địa Port cho pipe ipfw add pipe dst-port 1935 61 3.3.4 Hệ thống đo Có thể liệt kê số phương thức dùng để đo đạc hệ thống, là: Hệ thống đo hoàn toàn dựa tính toán lý thuyết, hệ thống Simulation, hệ thống Experiment/Testbed, hệ thống Prototyping So sánh linh động điều kiện thời gian cho phép, nghiên cứu chọn phương thức đo testbed Hình 3-1: So sánh phương thức đo 3.3.5 Kịch đo Đối với testbed này, thông số mặc định ban đầu bao gồm: Tốc độ bit thiết lập 1,2Mbit/s; Độ trễ (latency) thiết lập 200ms; Hàng đợi adapter mạng thiết lập 100Kbyte/s Thông số PLR thay đổi sau: 62 Kịch Bitrate (Kb/s) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Latency (ms) Queue (KB/s) 200 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200 100 PLR (%) 0,2 0,4 0,6 0,8 Bảng 3-1: Bảng thông số kịch đo Testbed đo thời gian trễ video phía đầu cuối so với video gốc Thời gian tính sau: Thời gian trễ tổng = Thời gian trễ ban đầu (Startup Delay) + Thời gian trễ trình play Từ tính khoảng thời gian người xem phải chờ đợi trình play video Khoảng thời gian cho thấy vấn đề đứng hình video mức độ nào, ảnh hưởng đến chất lượng video Hệ thống đo thực lặp lại cho hệ thống chạy giao thức truyền khác HTTP RTP Từ kết đo vậy, dẫn đến kết chương 63 Chương 4: Kết Kết đo 20 mẫu thời gian trễ hệ thống sử dụng giao thức truyền HTTP thể bảng đây: Lần 0% 0.2 % 0.4 % 0.6 % 0.8 % 1% 44 89 246 274 390 2540 42 103 208 400 697 931 43 91 187 269 621 2649 109 68 170 445 1409 2493 74 79 172 255 964 2462 47 79 278 409 672 924 43 71 198 297 1164 1589 42 70 212 324 961 1080 43 86 210 310 740 2571 10 42 95 159 389 663 781 11 43 86 202 470 391 897 12 42 79 147 495 632 2505 13 42 146 170 430 594 782 14 42 110 206 372 509 2591 15 45 81 158 643 582 2478 16 42 77 207 223 590 997 17 42 86 284 525 391 1013 18 42 67 388 610 522 2574 19 42 72 225 501 868 2623 20 42 83 214 811 545 861 Bảng 4-1: Kết đo độ trễ video HTTP Ở đơn vị đo độ trễ s 64 Dưới đồ thị phân bố giá trị bảng trên: 3000 2500 2000 1500 1000 500 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Hình 4-1: Đồ thị phân bố độ trễ HTTP Kết đo hệ thống dùng giao thức truyền RTP là: 65 8.00 Lần 0,2 0,4 0,6 0,8 1 55 103 163 425 670 1507 56 92 171 447 417 687 55 89 187 355 650 752 55 117 192 359 632 1491 55 80 141 435 422 1611 55 72 182 286 621 1529 55 94 178 283 600 997 55 78 135 251 589 2620 55 100 182 399 659 725 10 55 71 170 346 398 2413 11 55 78 188 462 547 1078 12 55 92 163 378 606 1600 13 55 109 171 397 595 2540 14 55 97 187 283 551 1364 15 55 88 192 416 748 952 16 55 84 141 291 591 2464 17 55 92 182 266 503 764 18 55 89 178 273 445 2508 19 55 104 208 314 383 2459 20 57 80 207 362 455 2524 Bảng 4-2: Kết đo độ trễ video RTP Ở đơn vị đo độ trễ s Dưới đồ thị phân bố giá trị bảng trên: 66 3000 2500 2000 1500 1000 500 Hình 4-2: Đồ thị phân bố độ trễ RTP Từ bảng trên, đưa bảng so sánh giá trị trung bình giao thức sau: 2000 1800 1600 1400 1200 1000 Series1 800 Series2 600 400 200 Hình 4-3: So sánh kết hệ thống Ở Series RTP, Series HTTP Từ đồ thị trên, đưa số nhận xét sau: 67  Đối với PLR nhỏ (0-0,2%) hệ thống dùng HTTP cho thời gian trễ thấp RTP Đối với PLR trung bình (0,4 – 0,8%) hệ thống dùng RTP cho thời gian trễ thấp so với HTTP Đối với PLR cao > 1%, RTP cho kết tốt có thời gian lớn, lúc khác biệt không nhiều  Đối với PLR cao, hệ thống có thời gian trễ lớn Cơ chế VLC bắt đầu chơi Video Adaptive Bitrare chọn mẫu có bitrate lớn nhất, sau thời gian mẫu Streaming không đáp ứng yêu cầu băng thông (VLC đánh giá dựa số tiêu chí packet delay, packet loss), VLC yêu cầu Streaming có bitrate thấp Trễ chủ yếu tập trung thời điểm VLC play luồng video có bitrate lớn Đối với PLR nhỏ, VLC phát không phù hợp sớm yêu cầu sớm, dẫn đến đáp ứng tốt trễ trình play luồng video có bitrate cao không nhiều Đối với PLR lớn, việc chuyển đổi bitrate chậm (đối với PLR = 1%, nhiều trường hợp không chuyển đổi đc) dẫn đến trễ lớn Điều ảnh hưởng RTP lẫn HTTP tin request sử dụng giao thức HTTP Do vậy, thay đổi dùng RTP hiệu PLR mức trung bình, lúc thời gian trễ xuất chủ yếu gói tin bị rớt gói tin payload Như vậy, hệ thống mạng không dây 3G, thông số PLR không cao, nên chuyển đổi sang giao thức truyền RTP nâng cao chất lượng video lên đáng kể Đối với mạng có PLR cao, điều chỉnh không thay đổi nhiều mong muốn 68 Chương 5: Tổng kết Đề tài tập trung vào việc tìm hiểu nghiên cứu công nghệ ABS SVC giúp nâng cao chất lượng Video Streaming mạng có băng thông không ổn định 3G Từ kiến thức tảng đó, phương thức đo đạc đưa nhằm mục đích đánh giá chất lượng hệ thống ABS Kết đo cho thấy hệ thống lựa chọn gặp nhiều vấn đề, đặc biệt mạng có PLR cao Lựa chọn giao thức truyền RTP giúp tăng trải nghiệm người dùng trường hợp PLR thấp, giảm trễ trình play 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Adobe Systems Inc Real-Time Messaging Protocol (RTMP) specification 2009 Available from: http://www.adobe.com/devnet/rtmp.html Akhshabi, A C Begen, and C Dovrolis An Experimental Evaluation of RateAdaptation Algorithms in Adaptive Streaming over HTTP ACMMultimedia Systems Conference (MMSys) 2011, February 23-25 San Jose, California, USA Hung Nguyen Chan, Thang Le Nhat, “Throughput measurement of Vietnamese HSPA and ADSL access network”, Tehnical report from the national ICT key project KC.01.10/06-10, Dec, 2009 Marko Jurvansuu, Jarmo Prokkola, Mikko Hanski and Pekka Perälä, “HSDPA Performance in Live Networks”, ICC 2007 Apple Corporation Best Practices for Creating and Deploying HTTP Live Streaming Media for the iPhone and iPad iOS Reference Library Technical Note TN2224 2010, March 19 [updated 2010, April 19; cited 2011, February 17] Available from: http://developer.apple.com/library/ios/#technotes/tn2010/tn2224.html#//apple_ref/doc/uid /DTS40009745 Apple Corporation HTTP Live Streaming Overview iOS Reference Library [updated 2010, November 15; cited 2011, July 19] Available from: http://developer.apple.com/library/mac/documentation/NetworkingInternet/Conceptual/St reamingMediaGuide/StreamingMediaGuide.pdf A Barth HTTP State Management Mechanism IETF Network Working Group, Request ForComments: 6265 2011, April Available http://tools.ietf.org/html/rfc6265 F Bellard et al., FFmpeg libraries Available from: http://www.ffmpeg.org 70 from: M Carbone and L Rizzo Dummynet revisited SIGCOMM CCR, vol 40, n 2010, April.Available from http://info.iet.unipi.it/~luigi/papers/20100304-ccr.pdf 10 A F Carlacci OggVorbis and MP3 Audio Stream characterization University of Alberta.2002, September 11 L De Cicco, S Mascolo, and V Palmisano Feedback Control for Adaptive Live Streaming ACM Multimedia Systems Conference (MMSys) 2011, February 23-25 San Jose, California,USA 12 N Freed and N Borenstein Multipurpose Internet Mail Extensions (MIME) Part One:Format of Internet Message Bodies IETF Network Working Group, Request for Comments:4281 1996, November Available from: http://tools.ietf.org/html/rfc2045 13 Gartner, Inc Market Share Analysis: Mobile Devices, Worldwide, 1Q11 2011, May 18.Available from: http://www.gartner.com/it/page.jsp?id=1689814 14 R Gellens, D Singer, and P Fröjdh The Codecs Parameter for "Bucket" Media Types IETFNetwork Working Group, Request for Comments: 4281 2005, November Available from:http://tools.ietf.org/html/rfc4281 15 J Goerzen Foundations of Python Network Programming Apress 2004 16 S Hacker.MP3: The Definitive Guide O’ReallyMedia 2000,March 17 D Hassoun Dynamic streaming in FlashMedia Server 3.5: Overview of the new capabilities[updated 2010, August 16; cited 2011, February 15] Available from: http://www.adobe.com/devnet/flashmediaserver/articles/dynstream_advanced_pt1.html 18 A Fettig Twisted: Network Programming Essentials O’ReallyMedia 2006 19 R Fieldning, J Gettys, J Mogul, H Frystyk, L Masinter, P Leach, and T BernersLee Hypertext Transfer Protocol (HTTP/1.1) IETF Network Working Group, Request forComments: 2616 1999, June Available from: http://tools.ietf.org/html/rfc2616 71