Nâng cao chất lượng truyền video thích nghi HTTP trên mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỒNG THỊNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO THÍCH NGHI HTTP TRÊN MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM (SDN) Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG THU HƯƠNG PGS.TS PHẠM NGỌC NAM Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi … … , ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Theo dự báo Cisco, truyền phát video chiếm khoảng 82% tổng lưu lượng truy cập Internet toàn cầu Trong năm qua, kỹ thuật phổ biến cho việc truyền phát video qua mạng Internet là kỹ thuật streaming thích ứng qua giao thức truyền siêu văn HTTP, viết tắt HAS Bên cạnh đó, đời tảng truyền video thích ứng động HTTP (DASH) phần làm điều Tuy nhiên, chưa có chuẩn cụ thể việc streaming video thích ứng HAS nên thực để nâng cao chất lượng trải nghiệm người dùng (QoE) Vì vậy, vấn đề thu hút quan tâm nghiên cứu nhà khoa học Từ khía cạnh khác, mạng định nghĩa phần mềm SDN kiến trúc mạng mới, thành phần điều khiển mạng lập trình tách rời khỏi thành phần chuyển tiếp Đặc biệt, điều khiển SDN phát triển ứng dụng định tuyến phân bổ băng thơng cụ thể có nhiều ưu điểm so với phương pháp định tuyến “best-effort” hay phân bổ băng thông mạng truyền thống Từ nhu cầu thực tiễn streaming video Internet tiềm chưa khai thác hết hai công nghệ HAS SDN, luận án đề xuất giải pháp nhằm nâng cao chất lượng truyền video thích ứng qua giao thức HTTP dựa mạng cấu hình phần mềm SDN Những vấn đề tồn Hiện nay, nguyên lý HAS, tất thuật toán định tốc độ bit phân đoạn video dựa biến đổi thông lượng mức đệm đo phía máy khách Cho đến nay, loại thuật tốn chia thành ba nhóm chính, bao gồm: nhóm dựa thơng lượng; nhóm dựa đệm nhóm dựa vào kết hợp hai thông số Tuy nhiên, hầu hết thuật toán tập trung vào việc cải thiện chế thích ứng phía máy khách mà khơng xem xét tài ngun sẵn có mạng để khai thác tối ưu Về phía mạng, số cơng trình định tuyến đường dẫn tối ưu dựa sở mạng SDN Bằng việc sử dụng thông tin trạng thái ứng dụng quản lý tài nguyên mạng để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng, số phương pháp phân loại luồng video vào lớp ưu tiên khác để thực sách định tuyến Nhìn chung, nghiên cứu mang lại QoE hiệu phương pháp đinh tuyến truyền thống, nhiên chủ yếu tập trung khía cạnh định tuyến phía mạng mà khơng quan tâm đến vấn đề thích ứng chất lượng phía máy khách để phân bổ tài nguyên cho phù hợp Cũng bối cảnh streaming video, có vài nghiên cứu vấn đề nhiều người dùng truy cập mạng chia sẻ cơng trình khoa học Các phương pháp chủ yếu tập trung vấn đề chia sẻ băng thông cho nhiều máy khách đồng thời truy cập vào liên kết tắt nghẽn thắt cổ chai thành công công việc phân bổ băng thông cho nhiều người dùng mạng cạnh tranh khơng biết tình trạng máy khách hoạt động Từ ưu điểm hạn chế cơng trình trên, vấn đề streming video qua Internet thu hút quan tâm đầu tư nhà nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất thuật tốn thích ứng chất lượng phía máy khách streaming video CBR/VBR qua giao thức HTTP định tuyến động dựa mạng SDN Đề xuất thực phương pháp phân bổ băng thông liên kết thắt cổ chai dựa kỹ thuật SDN/OpenFlow với thuật tốn thích nghi tốc độ sở DASH nhằm cải thiện QoE người dùng Những đóng góp luận án • Đề xuất kiến trúc SDN/OpenFlow mở rộng kết hợp với công nghệ DASH việc streaming video dạng CBR Kết thực nghiệm cho thấy giải pháp đề xuất cải thiện cách đáng kể chất lượng video so với giải pháp khơng sử dụng mạng SDN • Đề xuất thực hệ thống streaming video dạng VBR qua giao thức HTTP SDN Thuật tốn thích nghi phải ứng phó với biến đổi tốc độ bit video dạng VBR Trên điều khiển SDN, luận án xây dựng chế định tuyến định kỳ định tuyến thích nghi để tìm thấy đường dẫn tốt cho luồng video streaming Các kết đánh giá thực nghiệm giải pháp đề xuất nâng cao đáng kể chất lượng trải nghiệm QoE người dùng • Đề xuất thực giải pháp phân bổ băng thơng cơng thích ứng cho nhiều người dùng đồng thời truy cập mạng chia sẻ Kiến trúc SDN/OpenFlow đề xuất với mục tiêu công bằng, hiệu ổn định cho tất người dùng chia sẻ tài nguyên nút thắt cổ chai, đồng thời tối đa hóa số máy khách truy cập tối thiểu hóa số máy khách giảm QoE CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN VIDEO QUA GIAO THỨC HTTP VÀ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM SDN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Vấn đề HTTP streaming Ngày HTTP streaming công nghệ phổ biến mà nội dung đa phương tiện phân phối liên tục từ máy chủ đến thiết bị cuối Các hướng tiếp cận liên quan đến HTTP streaming từ phía mạng, phía máy khách hay từ phía máy chủ Trong phạm vi luận án tiếp cận theo hướng phía máy khách phía mạng Tại phía máy khách, xem xét đề xuất thuật tốn thích ứng tốc độ để lựa chọn mức chất lượng video phù hợp Tại phía mạng, tập trung vào vấn đề định tuyến đường tối ưu phân bổ băng thông hợp lý cho tất người dùng 1.1.2 Kỹ thuật streaming video chuẩn Khái niệm “Streaming Video”, tức truyền liệu video cách liên tục từ nguồn đến hay nhiều đích thơng qua mạng Internet, cho phép liệu video xử lý trước nhận hoàn toàn Streaming video sử dụng cách thức phát lại đoạn video lưu trữ mạng tới người dùng đầu cuối mà khơng cần tải tồn đoạn video máy tính Về chất, streaming video trình chia nhỏ tệp video sau mã hóa thành phân đoạn (segment), gửi phân đoạn tới đệm máy tính người xem để giải mã hiển thị nội dung phân đoạn Vì streaming video đóng vai trị ngày quan trọng truyền thơng Internet nên có nhiều giao thức streaming video giới thiệu nay, bao gồm: RTP, RTMP, HLS, HDS, IIS Smooth Streaming MPEG-DASH Trong đó, MPEG-DASH hỗ trợ nhiều tính so với chuẩn khác hoạt động tảng HTTP 1.2 Truyền video qua giao thức HTTP 1.2.1 Mơ hình truyền video thích ứng động giao thức HTTP (DASH) Nguyên tắc hoạt động mơ hình truyền video thích ứng động DASH chia video thành phân đoạn nhỏ mã hóa nhiều mức chất lượng khác (khác tốc độ bit, độ phân giải) Như mô tả Hình 1.4, giả định máy chủ streaming cung cấp ba mức chất lượng khác video Tốt, Trung Bình, Thấp với phân đoạn có độ dài Phía máy khách thực thuật tốn thích ứng với tốc độ bit độ phân giải cho phân đoạn, gửi yêu cầu đến máy chủ Ví dụ, băng thơng mức cao, máy khách yêu cầu mức chất lượng Tốt phân đoạn Thuật tốn thích ứng tốc độ bit phía máy khách có nhiệm vụ xác định mức chất lượng tốt phân đoạn cho thời gian truyền phân đoạn đến đích khơng q lâu Như vậy, tùy thuộc vào tình trạng mạng mà phía máy khách liên tục tính tốn để u cầu mức chất lượng phù hợp phân đoạn, nhằm đem đến trải nghiệm tốt cho người dùng Nội dung video Phân đoạn video Biến động mạnh mạng Hiển thị Thích ứng tốc độ bit Mã hóa Video Bộ đệm Yêu cầu HTTP Chất lượng Giải mã Internet Chất lượng Chất lượng Máy chủ Đáp ứng HTTP Máy khách Hình 1.4 Mơ hình truyền video DASH 1.2.3 Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm QoE Theo cơng trình nghiên cứu QoE, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến QoE bao gồm: trễ khởi động (trễ đầu), tượng đóng băng video, chất lượng video biến động • Trễ đầu (𝐷𝑡 - Initial Delay): Là khoảng thời gian từ lúc yêu cầu phân đoạn video phát video Đó lượng liệu định phải nạp vào đệm trước trình giải mã bắt đầu streaming Theo cơng trình nghiên cứu trước, trễ đầu phải nhỏ 6s video theo yêu cầu VoD tham số không ảnh hưởng nhiều so với yếu tố khác 𝐷𝑡 ≪ 𝐵𝑚𝑎𝑥 (1.1) • Chất lượng video: Trong hệ thống DASH, nội dung video chia làm nhiều mức chất lượng khác nên tham số định nghĩa tổng chất lượng video trung bình tất phân đoạn video tải (tức mức chất lượng trung bình video) Chất lượng video trung bình (AVQ - Average Video Quality) xác định sau: 𝑙=1 𝐿 ∑ 𝑞𝑖,𝑙 𝐴𝑉𝑄 = 𝑓(𝑖, 𝑙 ) = 𝐾 (1.2) 𝑖=1 𝐾 với 𝑞𝑖,𝑙 giá trị chất lượng phân đoạn thứ i mức chất lượng thứ l, chẳng hạn 𝑞𝑖,𝐿𝑚𝑎𝑥 giá trị chất lượng phân đoạn thứ i với mức chất lượng cao • Hiện tượng đóng băng video: Là tượng video dừng phát đệm bị cạn kiệt mà chưa tải nội dung yêu cầu Tổng số lần video bị đóng băng hay dừng (𝑆𝑡 - number of video stalling) tính sau: 𝐾 𝑆𝑡 = ∑ 𝑆𝑖 𝑖=1 𝑛ế𝑢 ≤ 𝐵𝑖 ≤ 𝐵𝑚𝑖𝑛 (1.3) với 𝐵𝑖 mức đệm tại, 𝐵𝑚𝑖𝑛 mức đệm nhỏ 𝑆𝑖 • Sự biến động chất lượng video (NVS - Number of Version Switch): Là thay đổi chất lượng video phiên streaming xác định cách đo số lần thay đổi biên độ tần suất video Tổng khác biệt trung bình chất lượng phân đoạn video tải xuống liên tiếp định nghĩa sau: 𝐾−1 ∑ |𝑞𝑖+1,𝑙𝑖+1 − 𝑞𝑖,𝑙𝑖 | 𝑁𝑉𝑆 = 𝐾−1 (1.4) 𝑖=1 Từ nghiên cứu trước, để tối đa hóa QoE cần: tránh kiện đóng băng video đồng nghĩa với việc giữ cho đệm mức ổn định không bị cạn kiệt, tăng tốc độ bit trung bình video, giảm số lần chuyển mức chất lượng xuống với việc giảm biên độ Cuối mơ hình QoE cho việc streaming video HAS tính tốn Phương trình (1.7) sau: 𝑄𝑜𝐸 = 4.85 × 𝐴𝑉𝑄 − 1.57 × 𝛽 − 4.95 × 𝜆 + 0.5 𝑄𝑚𝑎𝑥 (1.7) với 𝑄𝑚𝑎𝑥 mức chất lượng cao nhất, 𝛽 tham số chuyển mức chất lượng 𝜆 tham số đóng băng video 1.3 Mạng định nghĩa phần mềm SDN 1.3.1 Khái niệm chung Mạng định nghĩa phần mềm SDN kiến trúc mới, có tính linh hoạt, dễ quản lý, hiệu chi phí thích ứng SDN tách rời thành phần điều khiển mạng khỏi phần chuyển tiếp liệu cho phép lập trình điều khiển Ngồi ra, SDN cịn cho phép ảo hóa sở hạ tầng bên cho ứng dụng dịch vụ mạng Kiến trúc SDN gồm lớp riêng biệt như: Lớp ứng dụng, Lớp điều khiển Lớp sở hạ tầng Hình 1.7 Lớp ứng dụng Ứng dụng điều hành mạng Giao diện Điều khiển - Ứng dụng Lớp điều khiển Phần mềm điều khiển SDN Dịch vụ mạng Giao diện Điều khiển - Dữ liệu (Ví dụ: OpenFlow) Lớp hạ tầng mạng Các thiết bị chuyển mạch Hình 1.7 Kiến trúc lớp SDN 1.3.2 Một số ưu điểm SDN So sánh với mạng truyền thống, mạng định nghĩa phần mềm có số ưu điểm sau: • Lập trình trực tiếp: Cho phép mạng lập trình cấu hình theo chương trình cơng cụ mã nguồn mở độc quyền, bao gồm OpenStack, Puppet, Salt, Ansible Chef • Linh hoạt: Tách phần điều khiển khỏi phận chuyển tiếp cho phép người quản trị tự động điều chỉnh lưu lượng băng thông mạng lưới rộng khắp để đáp ứng nhu cầu thay đổi cách nhanh chóng • Quản lý tập trung: “Bộ não” mạng tập trung điều khiển SDN giúp trì nhìn tổng thể mạng, diễn ứng dụng thiết bị mạng • Thúc đẩy sáng tạo: SDN cho phép tổ chức tạo loại ứng dụng, dịch vụ mơ hình kinh doanh cung cấp nhiều giá trị từ mạng 1.3.3 Giao thức OpenFlow OpenFlow thực thể kiến trúc SDN, phát triển tổ chức chuẩn hóa mạng mở ONF Cốt lõi OpenFlow chuyển mạch ảo, chuyển mạch xử lý gói tin thơng qua nội dung gói trạng thái cấu hình OFS Giao thức OpenFlow dùng để chuyển kiện từ OFS lên điều khiển gửi thơng tin cấu hình OFS từ điều khiển Cấu trúc chung hệ thống OpenFlow/SDN gồm có thành phần quan trọng là: Chuyển mạch OpenFlow, Giao thức OpenFlow Bộ điều khiển SDN (Hình 1.8) Hình 1.8 Cấu trúc môi trường OpenFlow Bộ điều khiển OFS giao tiếp với thông qua kênh truyền bảo mật SSL sử dụng giao thức OpenFlow Kênh bảo mật kết nối SSL cho phép lệnh gói tin truyền qua lại Bộ điều khiển OFS Mỗi OFS chứa Flow-table gồm Flow-entry, Flow-entry có nhiều action tương ứng, OFS nhận flow có đặc điểm giống mơ tả Flow-entry, OFS xử lý gói tin flow theo action tương ứng 1.3.4 Triển khai mạng SDN Bộ điều khiển SDN sử dụng Floodlight kết hợp với công cụ Mininet để mô đồ hình mạng cho tất thí nghiệm Floodlight hỗ trợ giao thức OpenFlow cho phép trao đổi thông tin điều khiển thành phần chuyển tiếp gói tin routers hay switches 1.4 Kết luận chương Chương đưa trạng HTTP streaming hướng đề xuất luận án Tiếp đến giới thiệu kỹ thuật streaming video giao thức truyền video thường sử dụng Trong tất giao thức, luận án tập trung vào phương pháp truyền video thích ứng động tảng HTTP (DASH) số ưu điểm Trong chương cung cấp khái niệm kiến trúc mạng định nghĩa phần mềm SDN, ưu điểm mạng SDN so với mạng truyền thống Giao thức OpenFlow yếu tố tảng cho việc xây dựng giải pháp SDN Cuối công cụ mô Mininet Floodlight giới thiệu để triển khai mạng SDN cho việc thí nghiệm tất đề xuất luận án CHƯƠNG TRUYỀN VIDEO CBR THÍCH NGHI GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CỦA SDN 2.1 Giới thiệu chương Với xu hướng phát triển công nghệ video streaming qua HTTP dựa vào chuẩn MPEG-DASH Công nghệ cho phép máy khách thay máy chủ đưa định mức chất lượng nên lựa chọn cho phân đoạn video Trong chương này, luận án đề xuất thuật toán thích ứng tốc độ bit phía máy khách thời gian thực kết hợp với lựa chọn đường dẫn tối ưu sở SDN cho việc truyền tải video CBR qua giao thức HTTP 2.2 Vấn đề thích nghi tốc độ bit Trong giải pháp đề xuất này, để ước tính thơng lượng cho phân đoạn tiếp theo, cách thức đơn giản ta lấy giá trị thơng lượng phân đoạn trước 𝑇𝑖 sử dụng thơng lượng ước 𝑒 tính 𝑇𝑖+1 cho phân đoạn sau: 𝑒 𝑇𝑖+1 = 𝑇𝑖 (2.1) Đã có số nghiên cứu [6], [9] áp dụng phương pháp làm thuật tốn thích ứng tốc độ bit phía máy khách có tên gọi phương pháp Aggressive, Các phương pháp thích ứng tốc độ bit dựa đệm xuất nhiều năm gần Các giải pháp thường chia đệm thành nhiều giới hạn 𝐵1 , 𝐵2 , 𝐵3 , 𝐵𝑚𝑎𝑥 (0 < 𝐵1 < 𝐵2 < 𝐵3 < 𝐵𝑚𝑎𝑥 ) gọi ngưỡng đệm Các hoạt động thích ứng tốc độ bit khác áp dụng mức đệm phạm vi khác 2.3 Kỹ thuật định tuyến cho luồng video mạng SDN 2.3.1 Xây dựng kiến trúc điều khiển đề xuất Kiến trúc điều khiển đề xuất miêu tả Hình 2.1 Dựa kiến trúc tổng thể SDN, chức điều khiển đề xuất xây dựng giao diện mơ đun sau: + Giao diện Điều khiển – Chuyển tiếp: Trao đổi thơng tin cách an tồn điều khiển chuyển tiếp để gửi bảng luồng liên quan đến luồng liệu + Giao diện Điều khiển - Ứng dụng: Giúp cho nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng để đặt trước cách an tồn phân vùng liệu • Topology Manager: Kiểm sốt thơng tin đồ hình mạng cho điều khiển tìm kiếm tuyến mạng • Devices Manager: Mơ đun giám sát tất host có mạng • Traffic Manager: Mơ đun thu thập liệu thống kê từ chuyển tiếp để định tính tốn tuyến • Route Manager: Mô đun kết hợp với mô đun Topology Manager Traffic Manager để thực thuật toán định tuyến host tuyến thỏa mãn điều kiện ràng buộc • Messages Observer: Mơ-đun xử lý tin từ dịch vụ ứng dụng Ứng dụng c Dịch vụ video Giao diện Điều khiển - Ứng dụng Điều khiển Topology Manager Devices Manager Traffic Manager Route Manager Messages Observer Giao thức OpenFlow Giao diện Điều khiển - Chuyển tiếp Chuyển tiếp (Các liên kết, chuyển mạch) Hình 2.1 Kiến trúc điều khiển đề xuất Khi stream thiết lập, dịch vụ video thông báo cho điều khiển cách gửi tin khởi tạo xử lý mô đun Messages Observer Tại thời điểm đó, mơ đun Route Manager xác định đường dẫn tốt để truyền gói tin máy chủ máy khách, sau cập nhật quy tắc bảng luồng Flow-Table cho chuyển tiếp OFS Bộ quản lý lưu lượng Traffic Manager kích hoạt để giám sát luồng liệu mạng Dựa vào chế định tuyến mà mơ đun Route Manager gọi để thực nhiệm vụ định tuyến trình truyền liệu video 2.3.2 Tính tốn băng thơng mạng SDN Bộ điều khiển SDN sử dụng mô đun Topology Manager để xây dựng đồ hình có hướng 𝐺 = (𝑉, 𝐸), với 𝑉 tập hợp node – tương ứng với OFS node 𝑣 ∈ 𝑉 để lưu quy tắc chuyển tiếp khác Và 𝐸 tập liên kết node, liên kết 𝑒𝑖 ∈ 𝐸 liên kết thứ 𝑖 đồ hình mạng 𝑃 tập đường dẫn để luồng video qua, 𝑒𝑖 đường dẫn 𝑝 ∈ 𝑃 bao gồm chuỗi node 𝑣 ∈ 𝑉 Gọi 𝐵𝑊𝑚𝑎𝑥 băng thông tối đa liên 𝑒 𝑒𝑖 kết 𝑒𝑖 , 𝐵𝑊𝑡 băng thông tải vào thời điểm 𝑒𝑖 𝐵𝑊𝑎 𝑖 băng thông khả dụng liên kết 𝑒𝑖 Băng thông tải sử dụng liên kết 𝑒𝑖 công thức (2.3) 𝑒 𝐵𝑊𝑡 𝑖 (𝑡) = 𝑛𝑖 (𝑡) − 𝑛𝑖 (𝑡 − 𝑇) 𝑇 (2.3) Với 𝑛𝑖 số byte liệu mà OFS gửi cổng tương ứng với liên kết 𝑒𝑖 Sau bước này, băng thông khả dụng liên kết tính cơng thức (2.4): 𝑒 𝑒 𝑒𝑖 𝑖 𝐵𝑊𝑎 𝑖 = 𝐵𝑊𝑚𝑎𝑥 − 𝐵𝑊𝑡 𝑒 (2.4) Dựa vào giá trị băng thông khả dụng 𝐵𝑊𝑎 𝑖 liên kết 𝑒𝑖 ta xác định băng thông khả dụng đường dẫn 𝑝 ∈ 𝑃 với băng thông khả dụng điểm thắt cổ chai đường đó: 11 tiêu chí tốc độ bit trung bình cao hơn, số lần giảm biên độ chất lượng video thấp so với phương pháp chạy mạng truyền thống CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO VBR QUA GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN SDN 3.1 Giới thiệu chương Chương đề xuất thuật tốn nhằm cải thiện QoE cho q trình streaming video có tốc bit biến đổi VBR Phương pháp đề xuất khơng ứng phó với biến đổi liên tục tốc độ bit video VBR dao động mạnh thơng lượng mạng mà cịn phải tối ưu hóa đường dẫn cho việc streaming video từ máy chủ đến máy khách Tại phía mạng, giải pháp đề xuất cấu trúc điều khiển SDN nhằm thực chế định tuyến định kỳ định tuyến thích nghi để tìm thấy đường dẫn tối ưu cho việc streaming video 3.2 Truyền video VBR qua giao thức HTTP dựa kỹ thuật định tuyến định kỳ thích nghi SDN 3.2.1 Vấn đề biến đổi thông lượng lựa chọn tốc độ bit tối ưu cho video VBR Phương pháp để dự đoán thông lượng sử dụng thông lượng trung bình 𝑇𝑖𝑎 số phân đoạn video tải làm thơng lượng dự đốn cho phân đoạn trình bày [3], [48] 𝑎 (1 − 𝛾 )𝑇𝑖−1 + 𝛾𝑇𝑖, 𝑖 > 1, 𝑒 𝑇𝑖+1 = 𝑇𝑖𝑎 = { 𝑇𝑖 , 𝑖 = 1, (3.2) với 𝛾 trọng số nằm khoảng [0, 1] Tốc độ bit tối ưu cho phân đoạn thứ i+1 định nghĩa sau: 𝑜𝑝𝑡 𝑎𝑣𝑔 𝑅𝑖+1 = 𝑀𝑎𝑥{𝑅𝑖 𝑎𝑣𝑔 |𝑅𝑖 < (1 − 𝜇) 𝑇𝑖𝑎 } (3.3) 𝜇 dung sai an toàn nằm giới hạn [0, 1] 3.2.2 Đề xuất thuật tốn thích nghi VBR kết hợp với định tuyến dựa SDN (VASR) Trong phần này, xây dựng thuật tốn thích ứng cho video VBR kết hợp với kỹ thuật định tuyến dựa SDN viết tắt thuật tốn VASR Nhìn chung, VASR với việc sử dụng ngưỡng đệm linh hoạt vfa chia đệm thành bốn phạm vi (0 < Blow < Bth < Bhigh < Bmax) Các phạm vi mức đệm tương ứng với bốn trường hợp: chuyển mạch lên, ổn định, chuyển mạch xuống chuyển mạch xuống có hỗ trợ SDN VASR trình bày chi tiết Thuật toán 3.1 + Trường hợp tăng mức chất lượng, xác định điều kiện 𝐵𝑖 ≥ 𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ Đây trường hợp thơng báo cho khối thích ứng máy khách chuẩn bị tăng chất lượng video Tuy nhiên, máy khách tăng mức chất lượng video theo yêu cầu nhận giá trị độ lệch an 12 toàn 𝛿 > 𝛿0 (với 𝛿0 giá trị thực nghiệm) tốc độ bit trung bình mức chất lượng 𝑎𝑣𝑔 không vượt tốc độ bit tối ưu (𝑅𝑖 𝑜𝑝𝑡 < 𝑅𝑖+1 ) Thuật toán 3.1 Thuật toán VASR 𝑎𝑣𝑔 𝑜𝑝𝑡 Input: 𝑅𝑖 , 𝑇𝑖 , 𝑅𝑖 , Bi, 𝛿, 𝑅𝑖 Output: 𝐼𝒊+1 , Pi+1 // Trường hợp tăng mức chất lượng 1: if 𝐵𝑖 ≥ 𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ then 𝑎𝑣𝑔 𝑜𝑝𝑡 2: if 𝛿 > 𝛿0 ˄ 𝑅𝑖 < 𝑅𝑖+1 then 3: 𝐼𝑖+1 = 𝐼𝑖 + 1; 4: else 5: 𝐼𝑖+1 = 𝐼𝑖 ; 6: end if 7: // Trường hợp ổn định 8: else if 𝐵𝑖 ∊ [𝐵𝑡ℎ , 𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ ) then 9: 𝐼𝑖+1 = 𝐼𝑖 ; 10: end if 11: //Trường hợp giảm mức chất lượng 12: else if 𝐵𝑖 ∊ [𝐵𝑙𝑜𝑤 , 𝐵𝑡ℎ ) then 𝑎𝑣𝑔 𝑎𝑣𝑔 𝑜𝑝𝑡 13: if 𝛿 < −𝛿0 ˄ (𝑅𝑖 > 𝑅𝒊+1 ˅ 𝑅𝑖 > 𝑅𝑖 ) then 14: 𝐼𝑖+1 = 𝐼𝑖 – 1; 15: else 16: 𝐼𝑖+1 = 𝐼𝑖 ; 17: end if 18: end if 19: // Trường hợp “nguy kịch có hỗ trợ SDN” 20: else if 𝐵𝑖 < 𝐵𝑙𝑜𝑤 then 21: Yêu cầu định tuyến lại 22: for (𝑣 = Ii; 𝑣 ≥ 1; 𝑣 ) 𝑎𝑣𝑔 𝑜𝑝𝑡 23: if 𝑅𝑖 < 𝑅𝑖+1 then 24: 𝐼𝑖+1 = 𝑣 25: end if 26: end for; 27: end if 28: end if + Trường hợp giảm mức chất lượng mức đệm thuộc [𝐵𝑙𝑜𝑤 ≤ 𝐵𝑖 < 𝐵𝑡ℎ ) Dựa vào [15], giá trị ngưỡng đệm động xác định sau 𝐵𝑡ℎ = 𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ − 1+𝑒 −𝛿 (𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ − 𝐵𝑙𝑜𝑤 ) (3.4) Tương tự trường hợp đầu (tăng mức chất lượng), máy khách phát giá trị độ lệch âm cách nghiêm trọng (𝛿 < −𝛿0 ) mức chất lượng video 𝑎𝑣𝑔 có chất lượng với tốc độ bit trung bình cao so với tốc độ bit tối ưu (𝑅𝑖 𝑎𝑣𝑔 bối cảnh nguồn tài nguyên mạng giảm sút (𝑅𝑖 > 𝑅𝑖 lượng mức theo yêu cầu 𝑜𝑝𝑡 > 𝑅𝑖+1 ) ), máy khách giảm chất 13 + Trường hợp ổn định mức đệm thuộc [𝐵𝑡ℎ , 𝐵ℎ𝑖𝑔ℎ ) Giới hạn xem an tồn, máy khách giữ ngun mức chất lượng cho yêu cầu + Trường hợp cuối nguy kịch có hỗ trợ SDN “SDN – Assisted switch-down” trường hợp chuyển mạch xuống với hỗ trợ mạng SDN, trường hợp chuyển mạch xuống đặc biệt mức đệm nhỏ mức thấp 𝐵𝑖 < 𝐵𝑙𝑜𝑤 , tức mức đệm nằm vùng bị nguy kịch, đệm bị cạn kiệt 3.3 Kỹ thuật định tuyến định kỳ định tuyến thích nghi dựa SDN đề xuất Cơ chế thực định tuyến đường dẫn dựa SDN hiển thị lưu đồ thuật tốn Hình 3.3 Bộ điều khiển khơng thể xác định tình trạng liên kết khơng có gói tin qua liên kết Do gói tin video sử dụng để xác định băng thông tuyến 3.3.1 Định tuyến định kỳ dựa SDN (SPR) Chính sách định tuyến định kỳ chia làm hai giai đoạn Hình 3.3a Trong giai đoạn chuyển mạch, đường dẫn chọn luân phiên t giây (s) Khi băng thông tất liên kết ước tính, điều khiển chọn đường dẫn có băng thơng khả dụng cao thời điểm để phục vụ Do đó, giai đoạn ổn định băng thông tối ưu tất đường dẫn xác định sau: 𝑝 (3.5) 𝐵𝑊 𝑜𝑝𝑡 = 𝑚𝑎𝑥 {𝐵𝑊𝑎 } 𝑝∈[1,𝑛] Đường dẫn có băng thơng cao trì khoảng thời gian (𝛼 × 𝑡) giây trước tồn quy trình lặp lại Tổng thời gian T cho thủ tục tính theo cơng thức: (3.6) 𝑇 = (𝑛 + 𝛼)𝑡 n tổng số đường dẫn có mạng, tham số ổn định 𝛼 thời gian trì đường dẫn cụ thể t thời gian chuyển mạch định kỳ 3.3.2 Định tuyến thích nghi dựa SDN khơng có giám sát (SAR) Trong phần điều khiển thực chế định tuyến thích ứng, tức khơng thay đổi đường dẫn host theo chu kỳ mà hoạt động theo chế thích nghi Quy trình định tuyến lại thực điều khiển SDN phát có tượng tắt nghẽn đường dẫn Điều có nghĩa điều khiển SDN chủ động tính tốn lại đường dẫn tối ưu đường dẫn yêu cầu Lưu đồ thuật tốn định tuyến thích nghi Hình 3.3b 3.3.3 Định tuyến thích nghi dựa SDN có giám sát (SARM) Đề xuất SARM thực hai nhiệm vụ: - Thứ nhất, trường hợp chuyển mạch xuống có hỗ trợ SDN (từ dịng 19 Thuật tốn VASR), phía máy khách mức đệm nhỏ ngưỡng đệm mức thấp (𝐵𝑖 < 𝐵𝑙𝑜𝑤 ), hệ thống phải tìm tuyến đường đáp ứng yêu cầu băng thông máy khách tương ứng 14 - Thứ hai, trình giám sát, điều khiển SDN liên tục đo thông lượng đường dẫn phân phối liệu video Và thông lượng đường dẫn không đáp ứng (nhỏ hơn) thông lượng ngưỡng theo yêu cầu BWth, tức liên kết coi bị tắc nghẽn điều khiển thực tìm kiếm đường dẫn tối ưu để phục vụ mà không cần chờ đợi yêu cầu máy khách F Bắt Bắt đầu đầu Bắt Bắt đầu đầu streaming? streaming? T Đường dẫn yêu cầu Giai đoạn chuyển mạch i=1 Bắt đầu i=1 Thêm Thêm luồng luồng cho cho đường đường dẫn dẫn thứ thứ ii i=i+1 Thêm luồng cho đường dẫn thứ i F Đo Đo Hết Hết tt giây? giây? F T Giai đoạn ổn định )) )) I = IndexOf(max( giây? giây? F Dừng Dừng streaming? streaming? T )) Thiết lập luồng cho đường dẫn I T (a) F i = n? T Cài Cài đặt đặt luồng luồng cho cho đường đường dẫn dẫn II F Đo T T Hết Hết Hết t giây? F i = n? II == IndexOf(max( IndexOf(max( i=i+1 Kết Kết thúc thúc Đường dẫn cài đặt Kết thúc (b) Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán định tuyến định kỳ (a) thích nghi (b) 3.3.4 Đánh giá kết Bảng 3.2 tóm tắt kết số thơng số chất lượng đáng ý phương pháp đưa thí nghiệm Qua số liệu thống kê bảng khẳng định phương pháp đề xuất mà đặc biệt phương pháp định tuyến thích nghi có giám sát SARM cho chất lượng video tốt hết so với phương pháp khác Như hiển thị Bảng 3.2, phương pháp đề xuất cải thiện cách đáng kể số thông số chất lượng video ảnh hưởng đến QoE cho người xem video 15 Bảng 3.2 Các tham số đánh giá chất lượng video phương pháp VASR đề xuất Non-SDN SARA SDN-based SARA SPR SAR SARM 4435 3782 6864 8296 9404 10238 Chỉ số mức chất lượng trung bình 5.7 5.9 8.3 8.7 9.1 9.5 Mức đệm trung bình (s) 30 23 29 32 36 35 Tỷ lệ đệm < 15s (%) 7.6 23.2 2.4 4.5 3.3 2.7 Số lần giảm mức chất lượng 10 32 22 13 Biên độ giảm chất lượng Thông số chất lượng Tốc độ bít trung bình (kbps) 3.5 Giải pháp cải thiện QoE cho video VBR qua giao thức HTTP dựa SDN 3.5.1 Ước tính thơng lượng mức đệm cho giải pháp đề xuất 𝑒 Thơng lượng ước tính cho phân đoạn 𝑇𝑖+1 thơng lượng phân đoạn trước vừa tải xong 𝑇𝑖 thơng lượng trung bình phân đoạn khứ 𝑇𝑖𝑎 sau: 𝑒 (3.7) = (1 − 𝛾 ) × {𝑇𝑖𝑎 , 𝑇𝑖 } 𝑇𝑖+1 với 𝛾 trọng số nằm khoảng [0;1] Gọi tốc độ bit 𝑅𝑖 , thời gian để tải xuống phân đoạn thứ i với thông lượng ước tính 𝑇𝑖𝑒 𝑆𝐷×𝑅𝑖 𝑇𝑖𝑒 , với SD thời khoảng phân đoạn Sau nhận đầy đủ phân đoạn đó, đệm nạp thêm phân đoạn Do đó, thay đổi mức đệm sau: (3.8) 𝑅𝑖 𝑆𝐷 × 𝑅𝑖 ∆𝐵 = 𝐵𝑖𝑒 − 𝐵𝑖 = 𝑆𝐷 × (1 − 𝑒 ) = 𝑆𝐷 − 𝑒 𝑇𝑖 𝑇𝑖 Vậy tương ứng với giá trị tốc độ bit 𝑅𝑖 , từ công thức (3.8) ta suy mức đệm ước lượng tính theo biểu thức (3.9) Cần lưu ý mức đệm ước lượng lớn ngưỡng đệm tối ưu 𝐵𝑜𝑝𝑡 𝑆𝐷 × 𝑅𝑖 (3.9) 𝑒 𝐵𝑖+1 = 𝐵𝑖 + 𝑆𝐷 − 𝑅𝑇𝑇 − 𝑒 𝑇𝑖+1 𝑒 𝑜𝑝𝑡 (3.10) Điều kiện: 𝐵𝑖+1 ≥ 𝐵 3.5.2 Thuật tốn thích nghi đề xuất MUNTH Đề xuất đưa chế thích ứng tốc độ bit mơ tả Thuật tốn 3.2 Thuật tốn đặt tên MUNTH Đề xuất tập trung hạn chế việc xem video bị đóng băng lựa chọn tuyến linh động theo yêu cầu máy khách 16 Trong giải pháp đề xuất này, luận án dựa theo hai tiêu chí để đưa định tuyến 𝑝 mới, băng thơng khả dụng tức thời 𝐵𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡 độ ổn định băng thông ɷ𝑝 tất đường dẫn có mạng 𝑒 𝑝 (3.11) 𝐵𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡 = 𝑚𝑖𝑛(𝐵𝑊𝑎 𝑖 ) 𝑣ớ𝑖 𝑒𝑖 ∈ 𝑝, 𝑝 = … 𝑛 𝜔𝑝 = 𝑝 𝑚 𝑝 √∑𝑖=1(𝐵𝑊𝑖 − 𝐵𝑊 ) 𝑚 𝑝 ∑𝑚 𝑖=1(𝐵𝑊𝑖 − 𝑛−1 √ ∑𝑝=0 𝑚 (3.12) 𝐵𝑊 𝑝 )2 Từ hai thông số trên, băng thông đại diện 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒 𝑝 cho tuyến từ máy khách đến máy chủ phụ thuộc độ lớn lẫn độ ổn định xác định sau: 𝑝 (3.13) 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒 𝑝 = (1 − 𝜔 𝑝 ) × 𝐵𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡 Tuyến lựa chọn tuyến có giá trị băng thông đại diện lớn I số tuyến tối ưu chọn 𝐼 = 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥𝑂𝑓(𝑚𝑎𝑥 {𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒 𝑝 } (3.14) 𝑝=0 𝑛−1 Thuật toán MUNTH thực chế định tuyến lại băng thông mức tắt nghẽn, không đáp ứng nhu cầu dịch vụ streaming video Tại dòng Thuật tốn 3.2, máy khách gửi thơng báo định tuyến lại tới điều khiển tốc độ tải 𝐷𝑖 xuống thấp (𝐷𝑖 ≤ 𝐷𝑇ℎ ), với 𝐷𝑇ℎ tốc độ ngưỡng gây tắt nghẽn Sau điều khiển chọn đường 𝑝 dẫn tối ưu có 𝐵𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡 cao để phục vụ luồng Phương trình (3.16) 𝑝 𝐼 = 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑥𝑂𝑓(𝑚𝑎𝑥 { 𝐵𝑊𝑖𝑛𝑠𝑡 } 𝑝=0 𝑛−1 Thuật tốn 3.2 Thuật tốn thích ứng tốc độ bit đề xuất - MUNTH Input: 𝑇𝑖 , 𝑅𝑛 , 𝐵𝑖 , 𝐵𝑇ℎ , 𝐷𝑖 , 𝐷𝑇ℎ , 𝑅𝑇𝑇, 𝑆𝐷 Output: 𝐼𝑖+1 𝑒 𝑇𝑖+1 = (1 − 𝛾 ) × {𝑇𝑖𝑎 , 𝑇𝑖 } 𝐼𝑖+1 ← If 𝐷𝑖 ≤ 𝐷𝑇ℎ Yêu cầu định tuyến lại Else 𝐅𝐨𝐫 𝑗 ← 𝑄 − to 𝐝𝐨: 𝑆𝐷×𝑅𝑗 𝑒 ← 𝐵𝑖 + 𝑆𝐷 − 𝑅𝑇𝑇 − 𝑒 𝐵𝑖+1 𝑎𝑣𝑔 𝑒 If 𝑅𝑖 < (1 − 𝜇) × 𝑇𝑖+1 𝐼𝑖+1 = 𝑗 10 End 11 End 12 End 𝑇𝑖+1 ∧ 𝑒 𝐵𝑖+1 ≥ 𝐵𝑇ℎ then (3.16) 17 3.5.3 Đánh giá hiệu Hình 3.26 hiển thị Hàm phân phối tích lũy (CDF) tốc độ tải xuống (Hình 3.26a) tốc độ bit (Hình 3.26b) suốt thời gian truyền video Với hình CDF tốc độ bit, ta thấy tỷ lệ phần trăm phân đoạn tải xuống tốc độ bit cao MUNTH lớn hết so với giải pháp lại Cụ thể, khoảng 40% phân đoạn có tốc độ bit lớn 10000kbps Giá trị CDF cho AGG_DF, AGG_RR SARA cho kết thấp khoảng 20-25% số cho BBA cho kết thấp 10% Chúng ta thấy từ Hình 3.26b MUNTH AGG_RR cung cấp tốc độ tải xuống cao so với thuật toán đường dẫn cố định Tỷ lệ phân đoạn tải xuống với tốc độ tải xuống ≤ 5000kbps MUNTH AGG_RR vào khoảng 25% 40% Trong số AGG_DF, SARA BBA với đường dẫn cố định cao nhiều khoảng 60% Chính sách định tuyến thích ứng MUNTH cho phép khoảng 60% phân đoạn tải xuống với tốc độ tải xuống ≥ 10000kbps Trong khi, giá trị CDF cho thuật toán khác từ 20-35% Tốc độ bit (kbps) Tốc độ tải (kbps) Hình 3.26 Hàm phân phối tích lũy tốc độ bít (a) tốc độ tải (b) phương pháp Bảng 3.4 Các tham số đánh giá chất lượng giải pháp Các tham số chất lượng AGG_DF SARA BBA AGG_RR MUNTH Thời gian dừng (s) 125.11 75.32 81.3 Số lần đóng băng 26 13 Mức đệm trung bình (s) 29.27 17.61 32.55 35.24 31.50 Mức đệm ≤ 10s (%) 20.43 42.07 1.83 13.72 1.83 Tốc độ bit trung bình (kbps) 6331.33 5953.73 3754.68 8800.26 10734.18 Tốc độ bit ≥ 8000kbps (%) 25.91 25.91 9.76 31.71 46.34 Số lần giảm mức chất lượng 79 21 25 105 39 Số lần định tuyến lại 23 N-QoE 0.84 1.32 3.19 1.98 4.32 Bảng 3.4 liệt kê số liệu cụ thể liên quan đến chất lượng video chất lượng trải QoE trình thí nghiệm Từ bảng, ta thấy giải pháp đề xuất MUNTH kết vượt trội so với phương pháp khác Thứ nhất, thống kê mức đệm cho thấy MUNTH tránh kiện bị dừng chiếm giữ tỷ lệ đệm cao (Mức đệm trung bình = 31.50s) Thứ hai, sách định tuyến thích ứng, MUNTH đạt mức tốc độ bit trung bình cao (10734.18kbps) so với phương khác Mức tăng khoảng 69.5%, 80.3%, 18 185.9%, 21.79% so với AGG_DF, SARA, BBA AGG_RR tương ứng Một tham số chất lượng khác số lần giảm mức chất lượng video, người dùng nhạy cảm với tham số này, đặc biệt với mức chất lượng có tốc độ bit giảm đột ngột Như thấy, MUNTH có số lần giảm mức chất lượng xấp xỉ với BBA SARA đạt hiệu cao MUNTH có độ phức tạp tính tốn nhiều điều khiển so với phương pháp AGG_RR Trong Bảng MUNTH đạt điểm QoE cao (tức MOS) số phương pháp khác 3.6 Kết luận chương - Đề xuất thứ trình bày phương pháp cho việc streaming video VBR thích ứng tốc độ qua giao thức HTTP dựa mức đệm linh hoạt thông lượng ước tính kết hợp với việc định tuyến đường dẫn định kỳ thích nghi dựa SDN - Đề xuất thứ hai dựa cấu trúc này, đề xuất thuật tốn thích ứng tốc độ đặt tên MUNTH, sử dụng chế ước lượng thông lượng chế ước lượng mức đệm để lựa chọn mức chất lượng video phù hợp giúp máy khách tránh kiện cạn kiệt đệm để phải dẫn đến đóng băng video Kết thí nghiệm cho thấy rằng, đề xuất giải pháp cải thiện 21% đến 185% tốc độ bit trung bình so với số phương pháp có CHƯƠNG GIẢI PHÁP PHÂN BỔ BĂNG THÔNG VÀ CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO CHO ĐỒNG THỜI NHIỀU NGƯỜI DÙNG 4.1 Giới thiệu chương Trong chương luận án triển khai kiến trúc streaming video kết hợp kỹ thuật MPEGDASH công nghệ SDN để giải vấn đề tắc nghẽn nâng cao chất lượng chung cho tất người dùng chia sẻ nguồn tài nguyên mạng liên kết thắt cổ chai (bottleneck) Trên điều khiển SDN đề xuất tích hợp với cấu trúc gọi mô đun Truyền phát đa phương tiện (MSMA - Media Streaming Multiple Access) nhằm giám sát mạng truyền tải, phát số lượng máy khách streaming cách liên tục đưa định chia sẻ băng thông hợp lý cho tất máy khách đồng thời truy cập 4.2 Kiến trúc phân bổ băng thông đề xuất dựa SDN cho nhiều người dùng đồng thời truy cập Hình 4.1 minh họa kiến trúc đề xuất, mơ đun MSMA triển khai điều khiển SDN cho việc phân bổ băng thơng cơng thích nghi Trong kiến trúc đề xuất, chuyển mạch OpenFlow gần với máy khách (Edge Switch) giao tiếp với điều khiển SDN thông qua hai giao diện: chuẩn giao diện theo hướng Bắc (Northbound) Openflow kết nối OFS với điều khiển SDN qua giao thức SSL; giao diện hướng Tây (Westbound) Nguyên lý hoạt động kiến trúc đề xuất theo bước sau: 19 ➢ Bước (1): Mỗi máy khách tính tốn tốc độ bit mong muốn theo thuật tốn thích ứng tốc độ bit triển khai máy khách Tiếp đến máy khách gửi yêu cầu truyền phát (tức tốc độ bit mong muốn) đến chuyển mạch OFS gần ➢ Bước (2): Yêu cầu streaming sau chuyển tiếp đến điều khiển SDN thơng qua OFS OFS đóng gói tin yêu cầu vào tin Packet-in gửi lên điều khiển ➢ Bước (3): Bộ điều khiển thông qua giao diện Hướng Bắc (Northbound) kết nối với chuyển mạch OFS gần nhất, nắm thông tin khả liên kết card mạng chuyển mạch tính tốn giá trị băng thơng mới, sau gửi thơng tin đến máy khách thông qua giao diện Hướng Tây (Westbound) ➢ Bước (4): Giả định có N máy khách hoạt động liên tục gửi yêu cầu 𝐵𝑊𝑖 (i=1 đến N) đến máy chủ ứng dụng thông qua kết nối mở Máy khách thứ (N+1) gửi yêu cầu định điều khiển SDN đến máy chủ ứng dụng ➢ Bước (5): Khi nhận yêu cầu tốc độ bit (tương ứng với 𝐵𝑊𝑁+1 ), máy chủ ứng dụng đẩy phân đoạn mức chất lượng video phù hợp đến tất máy khách streaming Bộ điều khiển SDN MSMA W ace e No rth bo un d Thuật tốn thích ứng c r fa nte dI n u bo est Int e rf (3) (2) Thuật tốn thích ứng SSL - Máy khách HTTP (1) Bottleneck (4) Máy khách HTTP (5) Máy chủ HTTP Yêu cầu-Đáp ứng HTTP Hình 4.1 Kiến trúc đề xuất cho vấn đề bottleneck bước hoạt động 4.3 Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông công SDN (MSMA-0) Giả sử có N máy khách chia sẻ băng thông nút thắt cổ chai có dung lượng C Ký hiệu 𝐵𝑊𝑖,𝑡 lượng băng thông cung cấp cho máy khách thứ i thời điểm t Chính sách phân phối băng thơng hàm ánh xạ tốc độ bit yêu cầu máy khách đến băng thông thực tế cấp cho máy khách 𝐵𝑊𝑖,𝑡 = 𝑓(𝑟𝑖,𝑡 ) (4.1) 𝑟𝑖,𝑡 tốc độ bit mà máy khách thứ i yêu cầu thời điểm t Và 𝑟𝑖 tốc độ bit mà máy khách mong muốn có từ đầu Nhưng 𝐵𝑊𝑖 băng thơng tương ứng với tốc độ bit thực tế mà máy khách thích nghi sau điều khiển SDN xem xét lại Nếu 20 mạng hoạt động điều kiện giao thức HTTP lý tưởng, máy khách phân bổ băng thông tương tự nhau, tức là: 𝐵𝑊𝑖,𝑡 = 𝐶 , 𝑁 ∀𝑖 ∈ 𝑁, ∀𝑡 (4.2) Nguyên tắc làm việc thuật toán mơ tả sau: 1) Giả định có N máy khách streaming thời điểm có yêu cầu luồng thứ (N+1) đến, mô đun MSMA-0 triển khai điều khiển SDN tính tốn lại băng thơng trung bình 𝐵𝑊𝑖 (i = ÷ N+1) phân phối cho (N+1) luồng theo Phương trình (4.7) đây: 𝐵𝑊𝑖 = 𝐶 𝑁+1 (4.7) 2) Sau đó, điều khiển so sánh 𝐵𝑊𝑖 với tốc độ bit tối thiểu chấp nhận 𝑅0 định hành động cần thực Bộ điều khiển thực hai hành động sau tùy thuộc vào kết so sánh 3) Thứ nhất, điều khiển thêm luồng cho luồng đến gửi 𝐵𝑊𝑖 cho tất luồng phát 𝐵𝑊𝑖 ≥ 𝑅0 , tức băng thông mà máy khách nhận phải cao tốc độ bit mức chất lượng thấp 𝑅0 đủ để truyền phát mức chất lượng video Theo đó, máy chủ cung cấp lại chất lượng video với mức chất lượng tương ứng cho tất máy khách 4) Thứ hai, điều khiển từ chối phục vụ yêu cầu đến 𝐵𝑊𝑖 < 𝑅0 , tức băng thông mà máy khách nhận không đủ để streaming mức chất lượng thấp video 5) Tất máy khách streaming thích ứng với 𝐵𝑊𝑖 nhận từ điều khiển SDN yêu cầu máy chủ gửi đến tốc độ bit mong muốn Cuối máy chủ đẩy mức chất lượng cho tất máy khách streaming 4.4 Đề xuất giải pháp phân bổ băng thơng thích ứng SDN (MSMA-1) Giả sử hệ thống có N máy khách streaming qua giao thức HTTP nút thắt cổ chai có tổng dung lượng đường truyền C (Mbps) Khi có người dùng thứ (N+1) truy nhập vào hệ thống, máy khách tính tốn u cầu mức chất lượng video theo thuật toán tương ứng với tốc độ bit rN+1 Trong trường hợp tổng tốc độ bit yêu cầu (N+1) máy khách tương ứng với băng thông cấp cho máy khách mà nhỏ C điều khiển chưa kích hoạt Dĩ nhiên tốc độ bit cho máy khách thứ (N+1) phải lớn tốc độ bit thấp bảng mức chất lượng (rN+1 ≥ R0) Nếu tổng tốc độ bit ∑𝑁+1 𝑖=1 𝑟𝑖 ≥ 𝐶 tính tốn lại yêu cầu băng thông cấp cho máy khách Chi tiết đề xuất miêu tả Thuật tốn 4.1 giải thích sau: Giả sử r tập tốc độ bit ri N máy khách hoạt động r = {r1, r2, …, rN} (4.8) Trước hết, xếp tốc độ bit ri yêu cầu máy khách hoạt động theo thứ tự giảm dần, sau lấy tốc độ bit yêu cầu máy khách mức băng 21 thông cao chia sẻ tài ngun (dịng Thuật tốn 4.1) Khi việc phân chia lại băng thơng cho thỏa mãn tốc độ bit máy khách mang để chia sẻ tài nguyên máy khách thứ (N+1) công thức (4.9) (4.10) 𝑟𝑗 𝑟 ′𝑗 = × ∆𝐶 (4.9) 𝑟𝑗 + 𝑟𝑁+1 𝑟 ′ 𝑁+1 = 𝑟𝑁+1 × ∆𝐶 𝑟𝑗 + 𝑟𝑁+1 (4.10) 𝑟𝑗 tốc độ bit yêu cầu máy khách với băng thông cao 𝑟 ′𝑗 tốc độ bit 𝑟𝑗 sau điều khiển SDN tính tốn lại Và ∆𝐶 phần băng thơng cịn lại sau trừ tổng băng thông cần dành riêng cho máy khách không bị đem hy sinh mà giữ nguyên tốc độ bit 𝑁 ∆𝐶 = 𝐶 − ∑ 𝑟𝑖 (4.11) 𝑖=𝑛+1 với n số máy khách mang để chia sẻ băng thông cho dịch vụ Trong trường hợp tốc độ bit máy khách thứ (N+1) chưa đạt giá trị nhỏ (rN+1 < R0) tiếp tục lấy tốc độ bit cao thứ hai mang phân chia lại theo tỷ lệ cho ba máy khách Quá trình tiếp diễn tất (N+1) máy khách thỏa mãn tốc độ bit ri ≥ R0 (i = ÷ N+1) Thuật toán 4.1 Thuật toán phân bổ băng thơng thích nghi (MSMA-1) Input: r, 𝑟𝑗 , C, ∆𝐶 Output: 𝑟𝑗′ For 𝑖 ← 𝑡𝑜 𝑁 𝑟 ′ 𝑟𝑁+1 = ∑𝑖 𝑁+1 𝑘=1 𝑟𝑘 +𝑟𝑁+1 𝐅𝐨𝐫 𝑗 ← 𝑡𝑜 𝑖 𝑟𝑗 𝑟𝑗′ = ∑𝑖 × ∆𝐶 𝑘=1 𝑟𝑘 +𝑟𝑁+1 × ∆𝐶 End for If min(𝑟 ′ ) ≥ 𝑅0 then 𝑟 = 𝑟′ Break 𝐄𝐥𝐬𝐞 𝐢𝐟 𝑖 = 𝑁 𝑎𝑛𝑑 min(𝑟 ′ ) < 𝑅0 then 10 Reject client (N+1)th 11 End if 12 End if 13 End for 4.5 Đánh giá kết thảo luận Trong phần so sánh hai phương đề xuất MSMA-0 MSMA-1 với phương pháp có PANDA, BBA, SARA AGG 22 Hình 4.7 so sánh hiệu suất giải pháp đề xuất (MSMA-0 MSMA-1) với PANDA, BBA, SARA AGG ba tham số đánh tính công bằng, hiệu ổn định Từ kết thí nghiệm ta thấy rằng, giá trị tính cơng bằng, hiệu tính ổn định thu phương pháp có thấp nhiều so với giá trị thu sử dụng giải pháp đề xuất (a) Fairness (b) Efficiency (c) Stability Hình 4.7 So sánh tính cơng (a), hiệu (b) ổn định (c) tất phương pháp Bảng 4.1 Bảng 4.2 cho kết ba tham số công bằng, hiệu ổn định phương pháp đề xuất với phương pháp đối sánh Đối với video VBR Bảng 4.1, kết liệt kê tóm tắt theo tỷ lệ phần trăm MSMA-1 so sánh với phương pháp MSMA-0, PANDA, BBA, SARA AGG cách tương ứng sau: 1) MSMA-1 vượt trội so với giải pháp liệt kê mức độ công tăng 3.9%, 16.7%, 12.9%, 5.3% 18.8% 2) MSMA-1 cải thiện việc sử dụng băng thông hiệu 3.3%, 26.9%, 26.7%, 37.8% 37.4% 3) MSMA-1 tăng độ ổn định video lên -1.5%, 5.6%, 4.6%, 33.1% 42.5% Đối với video CBR, ta so sánh cách tương tự Bảng 4.2, ta thấy hai giải pháp đề xuất MSMA-1 MSMA-0 cho kết vượt trội so với phương pháp cịn lại Mặc khác, so với tải video VBR tải video CBR có tham số Stability ổn định 23 Bảng 4.1 So sánh hiệu phương pháp với video VBR Thông số MSMA-1 MSMA-0 PANDA BBA SARA AGG Fairness 0.816 0.785 0.699 0.723 0.775 0.687 Efficiency 0.830 0.781 0.654 0.655 0.602 0.604 Stability 0.962 0.977 0.911 0.920 0.723 0.675 Bảng 4.2 So sánh hiệu phương pháp với video CBR Thông số MSMA-1 MSMA-0 PANDA BBA SARA AGG Fairness 0.971 0.965 0.764 0.713 0.716 0.873 Efficiency 0.879 0.796 0.904 0.665 0.726 0.708 Stability 0.975 0.957 0.931 0.949 0.826 0.703 Bảng 4.3 Thống kê tham số chất lượng QoE phương pháp Các tham số chất lượng Tốc độ bit trung bình (kbps) MSMA-1 MSMA-0 PANDA BBA SARA AGG 2445.6 1199.6 1389.5 44.6 35.8 34.2 27.7 11.6 36.4 Số lần video dừng 12 17 11 Chỉ số mức chất lượng trung bình 4.5 5.1 5.2 Số lần giảm mức chất lượng 21 17 20 40 4.1 3.6 3.5 3.6 2.9 2.7 Mức đệm trung bình (s) N-QoE 1788.7 1717.4 1461.0 Bảng 4.3 số liệu thống kê tham số chất lượng từ thí nghiệm Như hiển thị bảng, giải pháp đề xuất MSMA-1 nhận kết vượt trội so với phương pháp khác Đầu tiên, với chế ước lượng thông lượng dựa đệm hợp lý, MSMA-1 tránh kiện dừng video giữ tỷ lệ chiếm dụng đệm trung bình cao (44.6s) Thứ hai, thuật tốn phân bổ băng thơng động, MSMA-1 đạt tốc độ bit trung bình cao mức 2445.6kbps - nâng cao lên khoảng 103.8%, 76%, 36.7%, 42.4% 67.3% so với MSMA-0, PANDA, BBA, SARA AGG cách tương ứng Bên cạnh đó, giải pháp đề xuất MSMA-0 MSMA-1 cải thiện cách đáng kể chất lượng video trung bình, đảm bảo QoE trung bình cao so với phương pháp có Đặc biệt, MSMA1 tăng điểm số QoE 14%, 17%, 14%, 41% 52% so với MSMA-0, PANDA, BBA, SARA AGG cách tương ứng 24 4.6 Kết luận chương Trong chương này, tác giả đề xuất giải pháp streaming thích ứng cho nhiều máy khách đồng thời truy cập liên kết thắt cổ chai Đó kết hợp thuật tốn thích ứng tốc độ bit phía máy khách phân bổ tài nguyên dựa điều khiển SDN tập trung để giải vấn đề Kết thí nghiệm cho thấy, giải pháp đề xuất cung cấp chất lượng trải nghiệm QoE vượt trội so với phương pháp tồn KẾT LUẬN Nội dung luận án tập trung nghiên cứu kỹ thuật streaming video thông qua hai cơng nghệ HAS SDN Phân tích chi tiết yếu tố tác động đến QoE xây dựng mơ hình đánh giá dựa cơng trình khoa học trước Luận án đề xuất giải pháp thích ứng chất lượng video ngữ cảnh quan trọng đầy thách thức streaming video qua giao thức HTTP dựa mạng cấu hình phần mềm SDN Luận án đạt số kết nghiên cứu định đề xuất số hướng nghiên cứu tương lai, tóm tắt sau: ❖ Một số kết đạt luận án - Luận án xây dựng hệ thống việc streaming video kết hợp hai kỹ thuật HAS SDN - Đề xuất thực giải pháp thích ứng chất lượng để cải thiện QoE streaming video dạng CBR/VBR qua giao thức HTTP với kỹ thuật định tuyến theo yêu cầu, định tuyến định kỳ định tuyến thích nghi dựa SDN - Đề xuất thực giải pháp phân bổ băng thông công thích nghi nhằm cải thiện QoE cho nhiều người dùng đồng thời truy cập qua đường truyền có băng thơng hạn chế ❖ Hướng phát triển luận án - Mở rộng kiến trúc hệ thống, tích hợp giải thuật định tốc độ bit, phân bổ băng thơng mơ hình ước lượng QoE tối ưu sử dụng kỹ thuật Reinforcement Learning cho điều khiển SDN - Xây dựng mơ hình thích ứng chất lượng cho nhiều máy khách có nhiều đặc tính khác - Tiếp tục đề xuất giải pháp cải thiện QoE việc triển khai công nghệ thực tế ảo VR, video 360 độ video Live Streaming qua giao thức HTTP SDN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN A Các cơng trình cơng bố kết trực tiếp luận án [C1] Hong Thinh Pham, Duc An Nguyen, Nguyen Thoa, Huong Truong Thu, & Ngoc Nam Pham (2017), “Adaptation method for streaming of CBR video over HTTP based on software defined networking”, International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), IEEE, pp 16-20 [J1] Pham Hong Thinh, Nguyen Duc An, Tran Duc Tan, Truong Thu Huong, Pham Ngoc Nam (2018), “SDN-based Adaptive Routing for Video Streaming over HTTP”, Journal of Science & Technology, No 131, pp 69-75 [J2] Pham Hong Thinh, Pham Ngoc Nam, Nguyen Huu Thanh, Alan Marshall, Truong Thu Huong (2019), “A Hybrid of Adaptation and Dynamic Routing based on SDN for Improving QoE in HTTP Adaptive VBR Video Streaming”, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security (ESCI), Vol 19, Issue 7, pp 51-64 [C2].Thinh Pham Hong, Dat Nguyen Thanh, Nam Pham Ngoc, Thanh Nguyen Huu, & Huong Truong Thu (2019), “QoE-Aware Video Streaming over HTTP and Software Defined Networking”, In International Conference on Industrial Networks and Intelligent Systems Springer, Cham pp 40-52 [C3] Pham Hong Thinh, Pham Ngoc Nam, Nguyen Huu Thanh, Truong Thu Huong (2019), “SDN–based Dynamic Bandwidth Allocation for Multiple Video-on-Demand Players over HTTP”, International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC), IEEE, pp 163-168 [J3] Pham Hong Thinh, Nguyen Thanh Dat, Pham Ngoc Nam, Nguyen Huu Thanh, Nguyen Minh Hien & Truong Thu Huong (2020), “An Efficient QoE-Aware HTTP Adaptive Streaming over Software Defined Networking”, Journal of Mobile Networks and Applications, Springer (SCIE), pp 1-13 B Các cơng trình cơng bố có liên quan đến luận án [J4] Nguyen Thi Kim Thoa, Nguyen Minh, Nguyen Hai Dang, Pham Hong Thinh, Pham Ngoc Nam (2017), “Adaptation method for streaming of VBR video over HTTP/2”, Journal of Science & Technology, No 120, pp 128-133 [J5] Nguyen Thi Kim Thoa, Pham Hong Thinh, Pham Ngoc Nam (2018), “QoE Optimization Based on Quality-delay Trade-off Model for Adaptive Streaming with Multiple VBR Videos”, Journal of Science & Technology, No 131, pp 55-61 ... động tảng HTTP 1.2 Truyền video qua giao thức HTTP 1.2.1 Mơ hình truyền video thích ứng động giao thức HTTP (DASH) Ngun tắc hoạt động mơ hình truyền video thích ứng động DASH chia video thành... dụng, Lớp điều khiển Lớp sở hạ tầng Hình 1.7 Lớp ứng dụng Ứng dụng điều hành mạng Giao diện Điều khiển - Ứng dụng Lớp điều khiển Phần mềm điều khiển SDN Dịch vụ mạng Giao diện Điều khiển - Dữ... trải nghi? ??m tốt cho người dùng Nội dung video Phân đoạn video Biến động mạnh mạng Hiển thị Thích ứng tốc độ bit Mã hóa Video Bộ đệm Yêu cầu HTTP Chất lượng Giải mã Internet Chất lượng Chất lượng