(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải pháp mạng ngang hàng cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu luận văn ths công nghệ thông tin 60 48 15

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -* - CAO LÊ MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH THEO YÊU CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -* - CAO LÊ MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH THEO U CẦU Ngành: Cơng nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Tam Hà Nội - 2009 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG – TỔNG QUAN 1.1 Khái quát truyền hình theo yêu cầu 1.2 Truyền hình theo yêu cầu dựa mơ hình tập trung 12 1.2.1 Những hạn chế mơ hình tập trung 12 1.2.1.a Cách tiếp cận dựa Unicast 12 1.2.1.b Cách tiếp cận dựa Multicast 15 1.2.2 Một số hệ thống VoD 18 1.3 Truyền hình theo yêu cầu dựa mạng ngang hàng 21 1.3.1 Khái quát mạng ngang hàng 22 1.3.2 Phân loại mạng ngang hàng 24 1.3.2.a Phân loại theo cấu trúc liên kết 24 1.3.2.b Phân loại theo phương thức tìm kiếm 25 1.3.3 Mơ hình VoD ngang hàng: tiềm thách thức 30 1.3.4 Giới thiệu số hệ thống VoD ngang hàng 30 1.3.4.a GnuStream 32 1.3.4.b P2Cast 32 1.3.4.c BiToS 34 1.4 Nhận xét - đánh giá 36 CHƢƠNG – HỆ THỐNG GIẢI PHÁP PPVoD 39 2.1 Tổng quan hệ thống 39 2.1.1 Ý tưởng xây dựng 39 2.1.2 Các thành phần hệ thống 41 2.1.3 Hoạt động hệ thống 42 2.2 Cơ chế quản lý mục 49 2.2.1 Tổ chức mục 49 2.2.2 Cập nhật mục 51 2.3 Phân phối lƣu đệm liệu 52 2.4 Tạo dòng truyền tải video streaming 53 2.4.1 Lựa chọn peer cung cấp 53 2.4.2 Giải thuật lập lịch 55 2.4.3 Đánh giá độ phức tạp giải thuật 60 2.4.4 Thiết lập phiên streaming 60 2.5 Vấn đề bảo mật hệ thống 61 CHƢƠNG - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 65 3.1 Các tham số kịch mô 65 3.2 Kết mô 67 3.2.1 Khả đáp ứng hệ thống 67 3.2.2 Lưu lượng tải truy cập server 69 3.2.3 Tác động băng thông video server 70 3.2.4 Mức độ cộng tác peer 71 3.2.5 Thời gian khởi tạo đệm 72 3.2.6 Các kích thước mạng khác 73 CHƢƠNG – MỘT MƠ HÌNH ỨNG DỤNG CHO IPTV 74 4.1 Tình hình phát triển dịch vụ IPTV Việt Nam 74 4.2 Tổ chức hệ thống cung cấp dịch vụ VoD 76 4.3 Khả triển khai ứng dụng 78 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT  ALMT (Application Level Multicast Tree): Cây multicast tầng ứng dụng  BGP (Border Gateway Protocol): Giao thức tìm đường nịng cốt Internet  C/S (Client/Server): Mơ hình Khách/Chủ  CBR (Constant bit rate): Tốc độ bit không đổi  CDN (Content Distribution Network): Mạng phân phối nội dung  DHT (Distributed Hash Table): Bảng băm phân tán  IPTV (Internet Protocol Television): Phương thức truyền hình qua mạng Internet  ISP (Internet Service Provider): Nhà cung cấp dịch vụ Internet  LRU (Least Recently Used): Chiến lược chọn thành phần sử dụng nhớ  P2P (Peer-to-Peer): Mạng đồng đẳng, mạng ngang hàng  RTT (Round Trip Time): Thời gian trễ trọn vịng (của gói tin/tín hiệu)  STB (Set-top Box): Hộp chuyển đổi tín hiệu Tivi  VoD (Video on Demand): Truyền hình/video theo yêu cầu DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1-1: Mơ hình vật lý hệ thống VoD 10 Hình 1.1-2: Mơ hình quảng bá tập trung 11 Hình 1.1-3: Mơ hình quảng bá phi tập trung 11 Hình 1.2.1.a-1: Phân phối media theo cách tiếp cận Client/Server 13 Hình 1.2.1.a-2: Phân phối media theo cách tiếp cận dựa proxy 14 Hình 1.2.1.a-3: Phân phối media sử dụng mạng CDN 15 Hình 1.2.1.b-1: Kỹ thuật Batching sử dụng kênh server, 16 bắt đầu sau đợt 20 phút 16 Hình 1.2.1.b-2: Kỹ thuật Patching (unicast) 17 Hình 1.2.1.b-3: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng mạng 18 Hình 1.2.1.b-4: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng ứng dụng 18 Hình 1.2.2-1: Ảnh chụp hình CNN Pipeline 19 Hình 1.2.2-2: Ảnh chụp hình YouTube 20 Hình 1.2.2-3: Ảnh chụp hình Uitzending Gemist 21 Hình 1.3-1: Thống kê lưu lượng mạng tồn cầu CacheLogic năm 2006 22 Hình 1.3.1-1: Kiến trúc Peer-to-Peer 23 Hình 1.3.2.a-1: Phân tán video a) theo dây truyền, 25 b) theo dạng c) theo swarm peer 25 Hình 1.3.2.b-1: Phân loại mơ hình mạng ngang hàng 26 Hình 1.3.2.b-2: Tiến trình tìm kiếm trao đổi liệu mạng Naspter 26 Hình 1.3.2.b-3: Tiến trình tìm kiếm trao đổi liệu mạng Gnutella 27 Hình 1.3.2.b-4: Tiến trình tìm kiếm trao đổi liệu mạng KaZaa 28 Hình 1.3.4.b-1: Giải thuật tiếp nhận Client P2Cast 33 Hình 1.3.4.c-1: Cơ chế hoạt động BiTos 34 Hình 1.3.4.c-2: Cơ chế chọn mảnh BiTos 35 Hình 2.1.3-1: Minh họa kiến trúc hệ thống 42 Hình 2.1.3-2: Minh họa chế trao đổi Client Web server 43 Hình 2.1.3-3: Minh họa chế trao đổi Client Tracker 43 Hình 2.1.3-4: Minh họa chế trao đổi peer gửi yêu cầu peer cung cấp 44 Hình 2.1.3-5: Một ví dụ cách thức kết hợp băng thông từ peer cung cấp 45 Hình 2.1.3-6: Giải thuật thực hệ thống 48 Hình 2.2.2-1: Ví dụ minh họa cách thức tổ chức phân cụm 50 Hình 2.4.2-1: Các giải thuật Round Robin Bandwidth Proportion 57 Hình 2.4.2-2: Giải thuật đề xuất 58 Hình 2.4.2-2: Minh họa việc gán block cho supplier sử dụng giải thuật 59 Round Robin, Bandwidth Proportion Estimate Time 59 Hình 2.5-1: Một peer bị cơng chuyển tiếp nội dung ô nhiễm 62 cho peer khác mạng 62 Hình 3.1.2-1: Các kiểu tần suất truy cập khác áp dụng 66 mô 66 Hình 3.2.1-1: Kết mơ khả đáp ứng hệ thống 69 với tần suất truy cập khác 69 Hình 3.2.2-1: Lưu lượng tải truy cập server ứng với 72 tần suất truy cập khác 70 Hình 3.2.3-1: Tác động băng thông server hiệu hệ thống 71 Hình 3.2.4-1: Số lượng peer phục vụ đồng thời hệ thống 71 ứng với mức độ cộng tác khác peer 72 Hình 3.2.4-1: Lưu lượng tải truy cập server 72 ứng với mức độ cộng tác khác peer 72 Hình 3.2.5-1: Thời gian khởi tạo đệm ứng với giải thuật RR, BP ET 73 Hình 3.2.6-1: Khả phục vụ hệ thống 73 ứng với kích thước mạng khác 73 Hình 4.1-1: Ảnh chụp hình iTV, lấy từ địa www.iTV.vn 74 Hình 4.1-2: Tốc độ truyền liệu IPTV công nghệ DSL 75 Hình 4.2-1: Cấu trúc giải pháp cung cấp dịch vụ VoD 77 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: So sánh ưu, nhược điểm mơ hình 29 Bảng 2-1: Các ký hiệu sử dụng giải thuật 46 MỞ ĐẦU Sự phổ biến Internet băng thông rộng mở giai đoạn phát triển bùng nổ ứng dụng truyền thông đa phương tiện (multimedia streaming) Sức hấp dẫn ứng dụng (đặc biệt lĩnh vực giải trí) khiến cho số lượng người dùng tăng lên nhanh chóng Tuy nhiên, theo xu phát triển khơng có số lượng người dùng ngày nhiều mà nhu cầu chất lượng ngày cao địi hỏi băng thơng phục vụ hệ thống ngày lớn Với cách tiếp cận hầu hết hệ thống dựa mơ hình Client/Server (sử dụng vài server lưu trữ liệu phục vụ cho tất client) với đặc điểm tiêu tốn băng thơng ứng dụng multimedia streaming khiến cho server ln có nguy bị q tải Đặc biệt hệ thống truyền hình theo yêu cầu (Video on demand - VoD), có số lượng người xem lớn, lượng chương trình phong phú, tiêu tốn lượng lớn băng thông mạng cần nhiều dung lượng lưu trữ Nhận thấy hạn chế này, giải pháp quảng bá video dựa IP multicast đề xuất Mặc dù xuất từ năm 90 tốn nhiều nỗ lực đầu tư - nghiên cứu đến triển khai không đồng nhà cung cấp dịch vụ khác khiến cho công nghệ multicast không phổ biến Để đạt hiệu mong muốn, nhiều công ty lớn phải chấp nhận giải pháp proxy-base mạng phân phối nội dung CDN có chi phí th bao tốn Nhưng số lượng người dùng ngày tăng dẫn đến chi phí cho hệ thống ngày nhiều lại cản trở cho mục tiêu thương mại Việc xây dựng hệ thống VoD đạt hiệu quy mô tiết kiệm mặt chi phí điều mà nhà cung cấp dịch vụ truyền hình qua mạng hướng tới Tuy lên năm gần công nghệ mạng ngang hàng Peer-to-Peer (P2P) thu hút nhiều quan tâm ý Nhờ việc cho phép peer phục vụ lẫn tận dụng hiệu tài nguyên dư thừa hệ thống nên giải pháp P2P khắc phục hạn chế kiến trúc Client/Server Công nghệ không cho phép hệ thống đáp ứng lượng lớn truy cập tăng đột biến mà cịn có khả mở rộng quy mơ (scalability) Hơn giải pháp P2P không cần đến yêu cầu đặc biệt phần cứng mạng nên dễ triển khai Những đầu tư nghiên cứu cho Peer-to-Peer ngày nhiều dẫn đến kết ứng dụng P2P ngày phổ biến, số kể ứng dụng chia sẻ file (BitTorrent, uTorrent, eMule), ứng dụng hội thoại qua mạng VoIP (Skype)… Mặc dù vậy, việc xây dựng ứng dụng quảng bá video dựa mạng ngang hàng video on-demand gặp nhiều khó khăn - thách thức Khó khăn chủ yếu xuất phát từ nhược điểm mạng ngang hàng mức độ tham gia đóng góp tài nguyên peer khơng đồng đều, peer tham gia ngắt kết nối khỏi hệ thống vào thời điểm Trong ứng dụng VoD lại loại ứng dụng yêu cầu hiệu thời gian thực băng thông lớn Điều khiến cho việc xây dựng ứng dụng VoD dựa mạng ngang hàng trở nên phức tạp hẳn so với mơ hình Client/Server Mặt khác hầu hết ứng dụng ngang hàng ứng dụng miễn phí, cịn VoD vốn loại hình dịch vụ chủ yếu cung cấp công ty truyền thông nhà cung cấp dịch vụ Việc chuyển đổi hệ thống sang kiến trúc phân tán Peer-to-Peer mà trì phương thức quản lý dịch vụ kiến trúc tập trung Client/Server điều khơng đơn giản Mục đích luận văn “Nghiên cứu giải pháp mạng ngang hàng cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu” nhằm đưa giải pháp cho vấn đề kể Ý tưởng giải pháp luận văn xây dựng hệ thống video on demand dựa kiến trúc mạng ngang hàng lai ghép, nhằm kết hợp ưu điểm kiến trúc ngang hàng túy Client/Server Trong server trì chức quản lý, cịn mạng ngang hàng sử dụng để giảm tải cho server Với đặc điểm mang tính phức tạp tốn xây dựng hệ thống có nhiều khía cạnh cần phải xét đến, khn khổ luận văn mình, tác giả tập trung vào bốn nội dung chính: - Xây dựng chế quản lý mục nhằm quản lý liệu phân tán hỗ trợ peer tìm kiếm chia sẻ tài nguyên - Nghiên cứu chế lưu đệm (caching) để giúp cho việc tìm kiếm download peer thuận tiện tối ưu - Với đặc tính biến động (dynamic) hỗn tạp (heterogeneous) mạng ngang hàng Tác giả xây dựng giải thuật lập lịch nhằm kết hợp băng thông từ nhiều peer cung cấp phục vụ cho yêu cầu streaming đảm bảo chất lượng dịch vụ (playback quality) cho client - Thông qua tìm hiểu vấn đề bảo mật, tác giả đánh giá lựa chọn giải pháp bảo mật thích hợp cho hệ thống để đối phó với hình thức cơng nhiễm (pollution attack) hình thức công đặc trưng hệ thống media streaming dựa mạng ngang hàng  Luận văn có cấu trúc sau: Luận văn bao gồm năm chương, Chương tìm hiểu đánh giá hạn chế cách tiếp cận dựa mơ hình tập trung Client/Server, sau tổng quan mạng ngang hàng giới thiệu số hệ thống VoD dựa mạng ngang hàng Nội dung Chương tập trung mô tả hệ thống giải pháp PPVoD, phần đầu tổng quan hệ thống, đề cập đến chế quản lý mục phương thức lưu đệm tìm kiếm phân đoạn video Trong chương tác giả đề xuất giải thuật lập lịch media streaming, phần cuối chương đề cập đến vấn đề bảo mật cho hệ thống Chương trình bày mơ thử nghiệm đánh giá hiệu hệ thống PPVoD Chương đề cập đến mơ hình ứng dụng cho IPTV Cuối cùng, Chương kết luận định hướng phát triển đề tài tương lai Tỉ lệ băng thông phục vụ (%) Hệ thống PPVoD Hệ thống Client/Server 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 10 20 30 40 50 60 70 Thời gian (phút) 80 90 100 110 120 (b) Lưu lượng tải truy cập server ứng với tần suất truy cập không đổi Tỉ lệ băng thông phục vụ (%) Hệ thống PPVoD Hệ thống Client/Server 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Thời gian (phút) (c) Lưu lượng tải truy cập server ứng với tần suất truy cập tăng đột biến Hình 3.2.2-1: Lưu lượng tải truy cập server ứng với tần suất truy cập khác 3.2.3 Tác động băng thông video server Trong phần tiến hành thử nghiệm đánh giá tác động băng thông video server hiệu hệ thống đề xuất Với cấu hình peer tham gia giữ nguyên cũ áp dụng tần suất truy cập không đổi (10 yêu cầu truy cập/phút), ban đầu đặt băng thông phục vụ video server 20Mbps lần chạy mô sau tăng lên thành 30Mbps 40Mbps lần chạy Kết nhận cho thấy băng thông video server lớn khả mở rộng hệ thống đạt cách nhanh chóng Trong hệ thống mà chúng tơi xây dựng, server khơng có vai trò khởi tạo dịch vụ (đưa file video ban đầu vào hệ thống) mà hỗ trợ "tăng tốc", giúp nâng cao hiệu hệ thống 70 350 Tổng số peer 300 250 20Mbps 200 30Mbps 150 40Mbps 100 50 0 20 40 60 80 100 120 Thời gian (phút) Hình 3.2.3-1: Tác động băng thông server hiệu hệ thống 3.2.4 Mức độ cộng tác peer Trong lần thử nghiệm này, thực đánh giá hiệu hệ thống mức độ cộng tác (đóng góp tài ngun) khác peer Chúng tơi đánh giá hiệu thơng qua việc tính tốn số peer trung bình phục vụ đồng thời hệ thống phút tải truy cập server ứng với mức độ đóng góp tài nguyên khác nhau: (1) Mức độ cộng tác thấp (low): peer đóng góp băng thơng từ 64Kbps đến 512Kbps nhớ lưu trữ từ segment (15MB) đến segment (37.5MB) (2) Mức độ cộng tác trung bình (medium): peer đóng góp băng thơng từ 512Kbps đến 1Mbps nhớ lưu trữ từ segment (37.5MB) đến 10 segment (75MB) (3) Mức độ cộng tác cao (high): peer đóng góp băng thơng từ 1Mbps đến 1.5Mbps nhớ lưu trữ từ 10 segment (75MB) đến 20 segment (150MB) Băng thông video server thử nghiệm 20Mbps, áp dụng tần suất yêu cầu truy cập hệ thống không đổi 10 yêu cầu truy cập/phút 350 Số lượng peer 300 250 High 200 Medium 150 Low 100 50 0 20 40 60 80 100 120 Thời gian (phút) Hình 3.2.4-1: Số lượng peer phục vụ đồng thời hệ thống 71 ứng với mức độ cộng tác khác peer Băng thông server (Mbps) 50 40 30 High Medium Low 20 10 0 20 40 60 80 Thời gian (phút) 100 120 Hình 3.2.4-1: Lưu lượng tải truy cập server ứng với mức độ cộng tác khác peer Kết mô cho thấy, peer đóng góp nhiều tài nguyên vào hệ thống lực phục vụ hệ thống tăng lên tải server giảm nhanh chóng Lý peer đóng góp nhiều tài ngun cho hệ thống có nhiều nhớ lưu đệm cho segment nhiều băng thông hỗ trợ cho yêu cầu streaming 3.2.5 Thời gian khởi tạo đệm Phần đánh giá hiệu giải thuật đề xuất Estimate Time Để khẳng định tính hiệu giải thuật, tiến hành mô so sánh giải thuật đề xuất với giải thuật Round Robin Bandwidth Proportion Chúng áp dụng giải thuật vào hệ thống cách riêng rẽ, sau ghi lại thời gian khởi tạo đệm peer hệ thống Kết thu đồ thị thời gian khởi tạo đệm trung bình peer 30 Thời gian (giây) 25 20 Round Robin 15 Bandwidth Proportion Estimate Time 10 0 10 15 20 Số block khởi tạo 72 25 30 Hình 3.2.5-1: Thời gian khởi tạo đệm ứng với giải thuật RR, BP ET Kết nhận cho thấy giải thuật đạt thời gian khởi tạo đệm thấp so với giải thuật Round Robin Bandwith Proportion 3.2.6 Các kích thước mạng khác Trong lượt mô thử nghiệm cuối cùng, tiến hành đánh giá khả mở rộng hệ thống (system scalable) Áp dụng tần suất truy cập không đổi khoảng thời gian 120 phút với băng thông hỗ trợ video server 30Mbps, thử nghiệm với kích thước mạng khác nhau: 600 peer (5 yêu cầu truy cập/phút), 1200 peer (10 yêu cầu truy cập/phút) 1800 peer (15 yêu cầu truy cập/phút) Để kết phản ánh xác, chúng tơi điều chỉnh lại kịch ban đầu Thay peer rời hệ thống vào thời điểm ngẫu nhiên khác nhau, lần peer tham gia tồn hệ thống kết thúc thời gian mô Kết mơ hình 3.2.6-1 Từ đồ thị nhận được, thấy với tần suất truy cập cao mạng 1800 peer có số peer phục vụ đồng thời hệ thống lớn mạng 1200 peer mạng 1200 peer có số peer phục vụ đồng thời lớn mạng 600 peer Đó có nhiều peer tham gia hệ thống nhận nhiều tài nguyên đóng góp có nhiều yêu cầu truy cập đáp ứng Điều có ý nghĩa cho thấy hệ thống đề xuất có khả mở rộng quy mô 600 Số lượng peer 500 400 1800 1200 300 600 200 100 0 20 40 60 Thời gian (phút) 80 100 120 Hình 3.2.6-1: Khả phục vụ hệ thống ứng với kích thước mạng khác 73 CHƢƠNG – MỘT MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO IPTV 4.1 Tình hình phát triển dịch vụ IPTV Việt Nam Quay trở lại với khái niệm Video on demand (VoD), khái niệm thường hiểu nhìn nhận góc độ truyền hình qua mạng Internet IPTV (Internet Protocol Television) Thực tế lĩnh vực ứng dụng Video on demand cịn rộng lớn hơn, riêng IPTV VoD số dịch vụ bên cạnh truyền hình quảng bá (broadcast TV) truyền hình tương tác (interactive video) Khả phát triển dịch vụ VoD (cùng với IPTV) lớn, chí dự đốn cịn nhiều hứa hẹn truyền hình cáp Ưu điểm tính tương tác phục vụ theo yêu cầu yếu tố quan trọng khiến cho IPTV nhìn nhận truyền hình hệ có khả thay truyền hình truyền thống Rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn giới triển khai thăm dò IPTV xem hội để thu lợi nhuận từ thị trường có họ Tại thị trường Việt Nam, kể từ năm 2003 IPTV bắt đầu thử nghiệm cung cấp với số dịch vụ Đây xem hội kinh doanh nhà cung cấp dịch vụ Việt Nam, mà sở hạ tầng cho mạng băng rộng phát triển mạnh mẽ với đòi hỏi nhu cầu khách hàng ngày cao Hình 4.1-1: Ảnh chụp hình iTV, lấy từ địa www.iTV.vn Trong giai đoạn ban đầu ghi nhận xuất loạt website thử nghiệm cung cấp chương trình truyền hình trực tuyến www.vtc.com.vn (VTC), www.vnntelevision.net (VDC), www.vietnamnet.tv … Riêng xem phim theo yêu 74 cầu có số trang www.tera-movie.com, www.loadphim.com, www.phimtap.com, www.ephim.com, vod.enet.vn, Vào thời điểm mắt, website có số lượng truy cập lớn, cho thấy sức hấp dẫn dịch vụ công chúng Tuy nhiên tính đến nay, sau khoảng 4-5 năm xuất hiện, phát triển loại hình dịch vụ tỏ chậm chạp Một số trang biến sau thời gian ngắn xuất Hiện có FPT Telecom doanh nghiệp viễn thơng thức bước vào khai thác cung cấp dịch vụ IPTV thông qua hệ thống iTV (www.iTV.vn) Ngoài FPT, vài doanh nghiệp khác VNPT, VTC, Viettel giai đoạn chuẩn bị Sự phát triển IPTV Việt Nam, rõ ràng không mong đợi Mặc dù có triển vọng có thực tế thấy rõ dịch vụ IPTV (đặc biệt VoD) chưa có đủ sức hấp dẫn để cạnh tranh với loại hình dịch vụ truyền hình trước Lý chất lượng dịch vụ nghèo nàn, độ phân giải video mức tiêu chuẩn TiVi, chi phí cho dịch vụ khơng rẻ khả phục vụ số lượng lớn người dùng hệ thống hạn chế Nguyên nhân nhà phân tích nhìn nhận sở hạ tầng mạng ta chưa có đủ khả đáp ứng, "băng thơng đường truyền thách thức lớn" (theo ơng Bùi Thiện Minh, phó tổng giám đốc tập đồn VNPT) [31] Hình 4.1-2: Tốc độ truyền liệu IPTV công nghệ DSL Nếu so sánh tốc độ kết nối tiêu chuẩn tốc độ kết nối có, gói dịch vụ ADSL cá nhân Việt Nam có tốc độ vài trăm Kbps Trong đó, chuẩn MPEG phổ dụng với dịch vụ VoD cấp thấp thường yêu cầu băng thông đạt tốc độ tối thiểu 1,5Mbps Phiên MPEG mang lại chất lượng cao đòi hỏi băng thông từ 3-5 Mbps, với H.264 nằm khoảng 2-2.5Mbit/s Còn MPEG cho chuẩn HD (High Definition) đòi hỏi băng thông khoảng 12-15 Mbit/s Với lực 75 đường truyền tại, phổ biến nhà cung cấp phục vụ dòng streaming với bit rate khoảng 200-500 kbps Với bit rate khó hy vọng đạt chất lượng video mức tiêu chuẩn TiVi, cho dù có áp dụng cơng nghệ nén Khơng có vấn đề băng thơng cho client, với cách tiếp cận hệ thống (chủ yếu sử dụng phương thức đơn phát unicast cho dịch vụ VoD) băng thơng server vấn đề cần phải xem xét Lấy ví dụ đơn giản, với server có băng thơng truy cập 100Mbps phát hình tốc độ 500Kbps server phục vụ khoảng 200 truy cập đồng thời Nếu phát video với chất lượng cao số truy cập mà hệ thống phục vụ thấp Và đạt tới mức giới hạn truy cập đáp ứng server từ chối tất yêu cầu truy cập khác đến Chính khả người dùng xem phim vào cao điểm phim nhiều người yêu thích điều dễ xảy Ba giải pháp mà nhà cung cấp dịch vụ thường áp dụng để tăng cường khả đáp ứng hệ thống là: sử dụng chuẩn nén video nhất, mở rộng băng thông server tổ chức hệ thống theo chế cân tải Tuy nhiên, theo nhận định tác giả, việc sử dụng chuẩn nén tiên tiến giúp giảm bit rate yêu cầu cho dịng streaming, qua tăng số lượng truy cập đáp ứng server khơng giúp giải vấn đề cách triệt để Vì theo thời gian số lượng người dùng ngày tăng lên nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày cao (mà tương lai khơng xa việc xem phim HD qua mạng nhu cầu tất yếu) server có khả bị tải Các giải pháp mở rộng băng thơng server hay thực cân tải có nhược điểm tốn nhiều chi phí Hơn nữa, chi phí cho việc server truyền lượng lớn liệu tới client thường khơng nhỏ Chính vậy, để nâng cao chất lượng dịch vụ nhà cung cấp dịch vụ nước ta cần phải vượt qua nhiều thách thức mặt cơng nghệ, mà yếu tố kiến trúc hệ thống cần phải tính đến khơng vấn đề cải thiện hạ tầng mạng 4.2 Tổ chức hệ thống cung cấp dịch vụ VoD Xét mặt lợi ích lâu dài, việc lựa chọn công nghệ P2P cho hệ thống VoD giải pháp thích hợp Vì cho phép triển khai hệ thống quy mô lớn với chi phí tối thiểu Từ mơ hình lý thuyết hệ thống PPVoD, tác giả đề nghị hệ thống giải pháp ứng dụng cho hệ thống IPTV Dưới cấu trúc hệ thống giải pháp cung cấp dịch vụ VoD IPTV: 76 Video source (CD, DVD, CAM…) Content Management PC Content Protection P2P network (Internet) Set-top-box VOD Server TV Service and User Management Hình 4.2-1: Cấu trúc giải pháp cung cấp dịch vụ VoD - Thành phần bảo vệ nội dung (Content Protection): video từ nguồn khác (CD, DVD, CAM …) đưa vào server VoD thông qua Thành phần bảo vệ nội dung Server VoD một nhóm server tổ chức theo phương thức phân tán, đảm nhiệm việc quản lý sở liệu video Thành phần bảo vệ nội dung thực mã hóa bảo vệ cho video đưa vào hệ thống Khóa giải mã gửi tới Set-top-box (STB) máy tính người dùng sau Thành phần bảo vệ nội dung biết khách hàng phép truy cập thơng qua kiểm sốt Thành phần dịch vụ quản lý người dùng - Thành phần dịch vụ quản lý người dùng (Servive and User Management SUM) có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ VoD quản lý liệu khách hàng Phần mềm cài đặt PC (hoặc STB) phải liên lạc với thành phần để lấy thông tin cụ thể khách hàng dịch vụ, để tiến hành đăng ký dịch vụ Các mô hình kinh doanh khác trả theo lần xem (pay-per-view), thuê theo thời gian (pay-per-minute) thuê bao gói dịch vụ hỗ trợ Ngồi ra, SUM thực chức theo dõi thống kê truy cập (những thông tin thời gian truy cập, lượng liệu download … khách hàng), trì danh sách địa server VoD thiết bị hoạt động hệ thống 77 truy cập video tương ứng Các máy tính STB dựa vào danh sách để tìm kiếm download liệu video tải trực tiếp từ server VoD cần thiết - Thành phần quản lý nội dung (Content Management): cung cấp thông tin nội dung phát hành thông qua website truy cập thành phần quản lý Những thông tin chi tiết bao gồm tiêu đề, ảnh bìa, tóm tắt nội dung, độ dài phim chi phí Thơng tin tải hiển thị hình thiết bị truyền hình cho phép khách hàng lựa chọn nội dung để xem - Mạng truy cập P2P: việc truyền liệu tới khách hàng thực thông qua mạng Internet băng thông rộng theo phương thức ngang hàng Bởi giao thức ngang hàng xây dựng tầng ứng dụng mô hình OSI nên phần mềm VoD cài đặt máy tính (hoặc STB) sử dụng hạ tầng IP để trao đổi liệu Các máy tính (hoặc STB) hoạt động mạng không tải liệu mà cịn lưu đệm đóng góp băng thơng truyền tải cho máy truy cập sau Down-stream nhận máy gửi yêu cầu kết hợp up-stream từ nhiều máy khác - Set-top Box (STB): thiết bị đầu cuối phía khách hàng, cho phép thu, giải mã hiển thị nội dung hình TV STB cần hỗ trợ chuẩn nén video tương thích Ngồi ra, STB hỗ trợ HDTV, có khả kết nối với thiết bị lưu trữ bên ngoài, video phone, truy nhập web v.v STB hỗ trợ kết nối thiết bị tivi mạng Internet Nó giải mã chuỗi liệu hình ảnh đến gói tin IP, đồng thời thể hình ảnh TV Phần mềm client cài đặt Middleware STB phần mềm P2P VoD có khả kết nối đồng thời với nhiều máy tính STB khác để trao đổi liệu video Mỗi STB có nhớ lưu trữ để lưu liệu tải chia sẻ cho STB khác truy cập 4.3 Khả triển khai ứng dụng Ở nước ta nay, việc triển khai dịch vụ IPTV giai đoạn khởi đầu cịn chưa phổ biến rộng rãi ứng dụng P2P cho lĩnh vực chưa ý Tuy nhiên vài năm tới, với phát triển bùng nổ thị trường Internet băng thơng rộng nhu cầu giải trí số người dân ngày cao khiến cho IPTV nhanh chóng trở nên phổ biến Hiện số lượng người sử dụng dịch vụ IPTV chưa nhiều số lượng tăng lên lớn thách thức không nhỏ hệ thống dựa server nay; chi phí cho băng thơng đầu tư nâng cấp hệ thống trở nên tốn Tại thị trường IPTV phát triển giới, ý tưởng P2P media streaming hãng truyền thông bước đầu quan tâm Trong năm 2008, Hội liên hiệp truyền thông châu Âu (European Broadcasting Union) số đối tác lớn (trong có đài truyền hình BBC) phối hợp đầu tư phát triển dự án Net TV có trị giá 22 triệu 78 đôla nhằm tạo tiêu chuẩn chung châu Âu cho hãng thơng tấn, đài truyền hình – phát thanh, với hy vọng tạo hệ thống hỗ trợ số lượng lớn người xem qua mạng Internet [9, 20] Dự án dự kiến thực bốn năm, giao cho nhóm nghiên cứu P2P-Next đảm trách SwarmPlayer (một phần mềm mã nguồn mở dựa sở BitTorrent) sản phẩm chuỗi sản phẩm họ SwarmPlayer cho phép người dùng tải chương trình TV để xem sau (download video), xem lúc tải (on-demand streaming) chí xem trực tiếp (live streaming), theo nguyên tắc người xem video chia sẻ liệu tải với người khác muốn xem chương trình Để sử dụng phần mềm người dùng phải có kết nối Internet băng rộng tốc độ tối thiểu 600Kbps Phiên thử nghiệm SwarmPlayer có 9000 người tải dùng thử, cho kết khả quan có ý kiến phản hồi tích cực Mặc dù bắc Mỹ, nhiều kiện tụng chống lại cơng nghệ P2P vấn đề quyền Tuy nhiên, dự án thành cơng bước tiến quan trọng, khẳng định ý nghĩa, vai trò P2P phát triển IPTV Các hãng truyền hình hưởng lợi trước hết họ tiết kiệm nhiều tiền thuê bao đường truyền mà đạt hiệu mong muốn Tiếp người dùng có hội sử dụng dịch vụ IPTV với chất lượng cao chi phí thấp Tại Việt Nam, kể từ 5/2006 với việc tập đồn Bưu viễn thơng VNPT thức đưa vào sử dụng mạng viễn thông hệ (Next Generation Network - NGN) cho phép đáp ứng nhu cầu băng thơng cho truyền dẫn đa phương tiện, việc áp dụng cơng nghệ P2P góp phần thúc đẩy nhanh trình phát triển phổ biến dịch vụ VoD nói riêng IPTV nói chung Việt Nam 79 KẾT LUẬN  Những kết đạt đƣợc luận văn: Tóm lại, luận văn này, tác giả tìm hiểu khái quát khái niệm liên quan đến truyền hình theo yêu cầu, phân tích hạn chế cách tiếp cận cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu dựa mơ hình tập trung Thơng qua tìm hiểu vấn đề mạng ngang hàng số hệ thống VoD dựa mạng ngang hàng, luận văn đề xuất hệ thống giải pháp dựa kiến trúc lai ghép mạng ngang hàng túy mạng Client/Server, phục vụ cho ứng dụng dịch vụ VoD Những vấn đề trọng tâm nêu lên giải trình xây dựng hệ thống bao gồm: chế quản lý mục lưu đệm phân mảnh media, tạo dòng cho phân đoạn media từ nhiều peer cung cấp, vấn đề bảo mật hệ thống Đặc biệt toán lập lịch từ nhiều peer cung cấp để tạo dịng streaming, tốn hầu hết hệ thống media streaming dựa mạng ngang hàng, tác giả đề xuất giải thuật lập lịch giúp giảm thời gian khởi tạo khởi tạo đệm Trong phần mô phỏng, kết đạt cho thấy hệ thống đề xuất PPVoD khơng có hiệu vượt trội so với hệ thống dựa mơ hình Client/Server mà cịn có khả mở rộng quy mơ, mơi trường mang tính biến động hỗn tạp Internet Những kết mô chứng minh giải thuật đề xuất hiệu giải thuật so sánh thời gian khởi tạo đệm tổng thời gian hoàn thành lịch biểu Trong phần cuối luận văn, tác giả phân tích đánh giá tình hình phát triển loại hình dịch vụ IPTV Việt Nam đưa mơ hình ứng dụng cụ thể hệ thống đề xuất cho dịch vụ VoD IPTV  Hƣớng phát triển: Tác giả dự kiến phát triển đề tài theo số định hướng sau: - Thứ hệ thống PPVoD, áp dụng giải thuật LRU để lựa chọn segment bị thay peer khơng có đủ nhớ lưu trữ để lưu lại toàn segment nhận Tuy nhiên giải thuật LRU làm giảm lực phục vụ hệ thống vài trường hợp đặc biệt Lấy ví dụ, phần lớn phiên streaming tồn khoảng thời gian dài hệ thống nhiều segment thuộc phần đầu video bị thay thế, khiến cho số lượng segment sẵn sàng để đáp ứng yêu cầu cho peer tham gia hệ thống bị suy giảm Do tương lai, tác giả dự kiến nghiên cứu chế lưu đệm khác tốt - Thứ hai để khuyến khích peer đóng góp băng thơng nhớ lưu trữ cho hệ thống cần phải có chế khuyến khích thích hợp Khi có chế khuyến khích, peer đóng góp nhiều tài nguyên cho hệ thống nhận dịch vụ tốt hơn, peer đóng góp tài ngun nhận dịch vụ chất 80 lượng Bởi hệ thống xây dựng chủ yếu dựa tài nguyên peer tham gia, có nhiều tài ngun đóng góp chất lượng dịch vụ đạt hệ thống cao Mạng BitTorrent áp dụng chế tit-for-tat để khuyến khích peer chia sẻ tài nguyên Tuy nhiên BitTorrent hệ thống chia sẻ file mà ràng buộc mặt thời gian không quan trọng, áp dụng chế vào hệ thống media streaming chất lượng dịch vụ nhận peer tham gia hệ thống thấp Tác giả dự kiến tiếp tục nghiên cứu chế khuyến khích thích hợp cho hệ thống giai đoạn - Thứ ba vấn đề bảo mật, có phân tích so sánh để lựa chọn giải pháp bảo mật cho mơ hình hạn chế mặt thời gian tác giả cịn thiếu mơ thử nghiệm để đánh giá tính hiệu giải pháp Tác giả dự kiến thực việc tương lai - Cuối tác giả dự định tiếp tục hồn thiện mơ hình hệ thống hoàn chỉnh tiến tới cài đặt thử nghiệm mơi trường mạng Internet thực, thơng qua đưa hệ thống vào ứng dụng thực tế 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh: [1] A Hu "Video-on-demand broadcasting protocols: A comprehensive study", in Proceedings of the IEEE Infocom, April 2001 [2] A Rowstron and P Druschel, "Pastry: Scalable, Distributed Object Location and Routing for Large-Scale Peer-to-Peer Systems", in Proc of 18th IFIP/ACM International Conference on Distributed Systems Platforms (Middleware 2001), Heidelberg, Germany, November 2001 [3] B.Zhao, J Kubiatowicz, Jeseph, Anthony, “Tapestry: An Infrastructure for Faulttolerant Wide-area Location and Routing”, U.C Berkeley Technical Report UCB/CDS-01-1141, April 2001 [4] Bram Cohen "Incentives build robustness in BitTorrent" Workshop on Economics of Peer-to-Peer Systems, May 2003 [5] CNN pipeline review by pc magazine Internet, Februari 2007 http://www.pcmag.com/article2/0,1895,1896416,00.asp [6] CNN pipeline Website: http://www.cnn.com/pipeline [7] D S Milojicic, V Kalogeraki, R Lukose, K Nagaraja, J Pruyne, B Richard, S.Rollins, Z Xu, "Peer-to-Peer computing", Technical Report HPL-2002-57, HP Laboratories, Palo Alto [8] Dongyan Xu, Mohamed Hefeeda, Susanne Hambrusch, and Bharat Bhargava, "On Peer-to-Peer Media Streaming", in Proc of Int Conf on Distributed Computing Systems 2002, Austria, July 2002 [9] Ernesto,"P2P-Next Introduces Live BitTorrent Streaming", http://torrentfreak.com/p2p-next-introduces-live-bittorrent-streaming-080718, July 2008 [10] Forbes Internet, December 2006 http://www.forbes.com/intelligentinfrastructure/2006/04/27/video-youtube-myspace_cx_df_0428video.html [11] Gnutella Website: http://www.gnutella.com [12] I Stoica, R Morris, D Karger, M Kaashoek, H Balakrishnan, "Chord: A Scalable Peer-to-Peer Lookup Service for Internet Applications", in Proceedings of ACM SIGCOMM ’01, 2001 [13] J Kurose Y Guo, K Suh and Don Towsley, "P2cast: Peer-to-peer patching scheme for vod service", in Proceedings of the 12th international conference on World Wide Web, pages 201–209, Budapest, Hungary, May 2002 82 [14] Jin B Kwon, Heon Y Yeom, "Distributed Multimedia Streaming over Peer-toPeer Networks", 2003 [15] K Aberer, M Hauswirth, “Peer-to-Peer Information Systems: Concepts and Models, State-of-the-Art and Future Systems”, in Proceedings of ICDE’02, 2002 [16] KaZaa Website: http://www.kazaa.com/us/index.htm [17] Michalis Faloutsos Aggelos Vlavianos, Marios Iliofotou, "BiTos: Enhancing bittorrent for supporting streaming applications", In IEEE INFOCOM, 2006 [18] Mohamed M Hefeeda, Bharat K Bhargava, and David K Y Yau, "A Hybrid Architecture for Cost-Effective On-Demand Media Streaming", Computer Networks 44 (2004) [19] Napster Website: http://www.napster.com [20] Nate Anderson, "Major EU P2P research project hopes to kill traditional TV", http://arstechnica.com/news.ars/post/20080718-major-eu-p2p-research-project-hopesto-kill-traditional-tv.html, July 2008 [21] Padhye, J Kurose, D Towsley, R Koodli, "A Model-based TCP-friendly Rate Control Protocol', in Proceedings of NOSSDAV’99, 1999 [22] Peer-to-Peer Working Group Website: http://www.P2Pwg.org [23] R Rejaie, M Handley, and D Estrin, "RAP: An End-to-End Rate-based Congestion Control Mechanism for Realtime Streams in the Internet", in proceedings of IEEE INFOCOM’99, 1999 [24] S Ratnasamy, P Francis, M Handley, R Karp, S Shenker, "A Scalable ContentAddressable Network", in Proceedings of ACM SIGCOMM ’03, 2003 [25] S Sen, J Rexford, and D Towsley, "Proxy prefix caching for multimedia streams", in IEEE INFOCOM’99, NewYork, USA, March 1999 [26] Wikipedia, "CNN Pipeline", http://en.wikipedia.org/wiki/CNN_Pipeline, Februari 2007 [27] Xinyan Zhang, Jiangchuan Liu, Bo Li, Tak-Shing Peter Yum, "CoolStreaming /DONet: A Data-Driven Overlay Network for Efficient Live Media Streaming", 2004 [28] Xu-Xian Jiang and Yu Dong, "Gnustream: A mpeg video streaming system over peer-to-peer network", project report for cs590n p2p networks and services Technical report, Fall 2002 [29] Y Dong D Xu D Jiang and B Bhargava, "Gnustream: a p2p media streaming system prototype", in Proceedings of the International Conference on Multimedia and Expo (ICME), volume 2, pages 325–328, July 2003 83 [30] Y Wang, Z Zhang, D Du, and D Su, "A network-conscious approach to end-toend video delivery over wide area networks using proxy servers", in Proc of IEEE INFOCOM’98, San Francisco, CA, USA, April 1998 Tài liệu tiếng Việt: [31] http://vietnamnet.vn/cntt/2007/09/740453 [32] Nguyễn Văn Tam, tập giảng "Mạng máy tính nâng cao", viện Cơng nghệ thơng tin, 2006 [33] Nguyễn Đại Thọ, tập giảng "Công nghệ mạng ngang hàng", trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006-2007 84 ... đơn giản Mục đích luận văn ? ?Nghiên cứu giải pháp mạng ngang hàng cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu? ?? nhằm đưa giải pháp cho vấn đề kể Ý tưởng giải pháp luận văn xây dựng hệ thống video on demand... CÔNG NGHỆ -* - CAO LÊ MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH THEO U CẦU Ngành: Cơng nghệ Thơng tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: 60. .. đầu cho hệ thống khơng lớn hệ thống C/S VoD lực phục vụ hệ thống lại lớn đáng kể Do đó, đầu tư cho hệ thống dựa mạng ngang hàng giúp tiết kiệm chi phí Hơn giải pháp VoD dựa 36 mạng ngang hàng