Nghiên cứu cải thiện phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cao Diệp Thắng NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Cao Diệp Thắng NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 62480104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN THÚC HẢI PGS.TS NGUYỄN LINH GIANG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, chưa cơng bố cơng trình khác Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực Mọi thông tin tham khảo trích dẫn đầy đủ Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cam đoan Nghiên cứu sinh Cao Diệp Thắng i LỜI CẢM ƠN Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp nơi công tác, Viện Công Nghệ Thông Tin truyền thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Thúc Hải PGS.TS Nguyễn Linh Giang, người Thầy tận tình giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình nghiên cứu Tôi xin gửi lời tri ân tới quý thầy Bộ mơn Truyền thơng mạng máy tính Viện Công nghệ thông tin Truyền thông tận tình giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân bạn bè bên cạnh, động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đề tài Kính gửi đến Cha Mẹ lòng biết ơn sâu nặng Vợ, người thân gia đình ln ln nguồn động viên to lớn cho ii MỤC LỤC i i LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH 1.1 Khái niệm hiệu chất lượng dịch vụ mạng 1.2 QoS vấn đề tắc nghẽn 1.3 Video kỹ thuật số 1.3.1 Chuẩn MPEG 10 1.3.2 Chuẩn H.26L 12 1.3.3 Cấu trúc mã hóa video 13 1.4 Chất lượng dịch vụ truyền video mạng IP 15 1.4.1 Kỹ thuật truyền dòng video mạng IP 15 1.4.2 Các tham số QoS 16 1.4.3 Các đặc tính QoS: 16 1.4.4 QoS mạng IP: 18 1.4.5 Các độ đo QoS 21 1.5 Đánh giá chất lượng video mạng IP 25 1.5.1 Đánh giá khách quan 25 1.5.2 Đánh giá chủ quan 27 1.5.3 Liên hệ thang đo chủ quan khách quan 27 1.6 Kết luận chương 28 Chương CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG 29 2.1 Mô hình quản lý hàng đợi 29 2.2 Kiến trúc phân lớp CQS Router 30 2.2.1 Phân lớp (Classification) 30 2.2.2 Quản lý hàng đợi 32 2.2.3 Lập lịch 33 iii 2.2.4 Các tham số liên quan tới hàng đợi 33 2.2.5 Bắt giữ đánh dấu gói tin 35 2.2.6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi 37 2.3 Cơ chế quản lý hàng đợi bị động 38 2.4 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực 39 2.4.1 Khái niệm 40 2.4.2 Các chế quản lý hàng đợi tích cực 40 2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực truyền phát video mạng 42 2.5 Kết luận chương 45 Chương ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED 46 3.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi RED 46 3.1.1 Giải thuật RED 46 3.1.2 Một số cải tiến RED 51 3.2 Đề xuất giải thuật cải tiến ViRED 56 3.2.1 Ý tưởng giải thuật 56 3.2.2 Định nghĩa hàm tuyến tính u 57 3.2.3 Cài đặt mô giải thuật 57 3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED 58 3.3 Kết luận chương 64 Chương ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE 65 4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE 65 4.1.1 Giải thuật BLUE 65 4.1.2 Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) 67 4.2 Nghiên cứu đề xuất giải thuật cải tiến BLUE truyền video 69 4.3 Đề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I 70 4.3.1 Đề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE 70 4.3.2 Đề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT 77 4.3.3 Đối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE BLUE-VPT 83 4.4 Đề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II 90 4.4.1 Đề xuất giải thuật VBLUE 90 4.4.2 Đề xuất giải thuật BLUE-U 96 4.4.3 Đối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE BLUE-U 100 4.5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I II, BLUE-VPT BLUE-U 105 4.5.1 Phân tích đối sánh tham số QoS mạng 105 4.5.2 Phân tích đối sánh tham số đánh giá chất lượng video 108 iv 4.6 Kết luận chương 115 KẾT LUẬN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 PHỤ LỤC a v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt ACK AQM ATM CBQ CE CIF CPU CQS CWND DS DSCP DSP ECN ECT EF ETSI EWMA FACK FIFO FF ZF GoP HTTP HD IEEE IETF ISP IP IPv6 IPTD IPDV IPER IPLR IPRR ISN Tiếng Anh Acknowledgment Active Queue Management Asynchronous Transfer Mode Class Based Queuing Congestion Experienced Common Intermediate Format Central Processing Unit Classification, Queuing, Schedulling Congestion Window Differentiated Services Differentiated Services Code Point Digital Signal Processor Explicit Congestion Notification ECN Capable Transport Expedited Forwarding European Telecommunications Standards Institute Exponentially Weighted Moving Average Forward Acknowledgment First In First Out Full-reference Non-reference/Zero-reference Group of Picture HyperText Transfer Protocol High Definition Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Internet Service Provider Internet Protocol Internet Protocol version6 Internet Protocol Packet Transfer Delay Internet Protocol Packet Delay Variation Internet Protocol Packet Error Ratio Internet Protocol Packet Loss Ratio Internet Protocol Packet Reordering Ratio Initial Sequence Number Nghĩa Tiếng Việt Báo nhận Quản lý hàng đợi tích cực Chế độ truyền bất đối xứng Phân lớp hàng đợi Dấu hiệu tắc nghẽn khn dạng trung gian chung Bộ xử lí trung tâm Phân loại, hàng đợi, lập lịch Cửa sổ tắc nghẽn Các dịch vụ phân biệt Điểm mã dịch vụ riêng biệt Bộ xử lý tín hiệu số Thơng báo tắc nghẽn rõ ràng Có thể truyền tải ECN Chuyển tiếp nhanh Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu Trung bình dịch chuyển có trọng số theo mũ Chuyển tiếp báo nhận Vào trước trước Tham chiếu đầy đủ Tham chiếu khơng đầy đủ Nhóm ảnh Giao thức truyền tải siêu văn Độ nét cao Viện công nghệ điện điện tử Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet Nhà cung cấp dịch vụ Internet Giao thức mạng Internet Giao thức IP phiên Độ trễ truyền gói giao thức Internet Biến đổi độ trễ gói giao thức IP Tỉ lệ lỗi gói giao thức IP Tỉ lệ gói giao thức IP Tỉ lệ xếp lại thứ tự gói giao thức IP Số khởi đầu vi LAN MPEG MOS MSS NAT NP NS NTP PC International Organization for Standardization International Telecommunication Union Local Area Network Moving Picture Experts Group Mean Opinion Score Maximum Segment Size Network Address Translation Network Peformance Network Simulator Network Time Protocol Personal Computer PSTN Public Switched Telephone Network PSNR QDISC QoS RED RFC RTP RTT RTTM SACK SFB TC TCP ToS Peak Signal-to-Noise Ratio Queuing Discipline Quality of Service Random Early Detection Request For Comments Real-time Transport Protocol Round Trip Time Round Trip Time Measurement Selective Acknowledgment Stochastic Fair BLUE Traffic Control Transmission Control Protocol Type of Service UDP User Datagram Protocol VoIP VTP Voice over IP Video Packet Type ISO ITU Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Liên minh viễn thông quốc tế Mạng cục Định dạng video MPEG Điểm đánh giá chất lượng trung bình Kích thước phân mảnh cực đại Dịch địa mạng Hiệu mạng Bộ mô mạng Giao thức quản lý thời gian mạng Máy tính cá nhân Mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng Tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu Nguyên lý xếp hàng Chất lượng dịch vụ Phát sớm ngẫu nhiên Khuyến nghị Giao thức truyền tải thời gian thực Thời gian trễ trọn vòng Độ đo thời gian trễ trọn vòng Lựa chọn báo nhận Hàng đợi cơng ngẫu nhiên BLUE Kiểm sốt lưu lượng Giao thức điều khiển truyền vận Kiểu dịch vụ Giao thức điều khiển truyền thông không hướng kết nối qua mạng IP Truyền thoại sử dụng giao thức IP Kiểu gói tin Video vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân lớp dịch vụ QoS theo đề xuất ETSI 20 Bảng 1.2 Phân lớp dịch vụ theo ITU-T Y.1541 20 Bảng 1.3 Lớp QoS giá trị hiệu mạng IP (ITU-T Y.1541) 20 Bảng 1.4 Độ trễ âm đầu cuối tai người 24 Bảng 1.5 G.114 Giới hạn cho thời gian truyền chiều 24 Bảng 1.6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá 24 Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng video ITU Y.1291-2004 25 Bảng 1.8 Thang đo chất lượng video theo mức độ cảm nhận người 27 Bảng 1.9 Liên hệ thang đo chủ quan khách quan 27 Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý truyền gói tin 32 Bảng 2.2 Ý nghĩa bit trường D, T, R 32 Bảng 2.3 Bảng tham số hàng đợi 33 Bảng 2.4 So sánh giải thuật AQM sở độ đo hiệu 42 Bảng 3.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin sử dụng RED ViRED router R1 59 Bảng 3.2 Tỷ lệ gói tin video RED ViRED 60 Bảng 3.3 Giá trị PSNR (dB) khung hình video nhận sử dụng RED ViRED 60 Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime d1, d2 BLUE [79] 67 Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE EBLUE 73 Bảng 4.3 Giá trị PSNR truyền video Akio.yuv sử dụng giải thuật RED, BLUE EBLUE 74 Bảng 4.4 Tổng hợp kết đối sánh EBLUE BLUE 75 Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ băng thông đường truyền R1-R2 79 Bảng 4.6 Tỷ lệ gói tin sử dụng chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT R1 80 Bảng 4.7 Liên hệ mức độ sử dụng đường truyền kích thước hàng đợi 80 Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) khung hình video nhận sử dụng hàng đợi BLUE, BLUE-VPT Router R1 81 viii ... án: ? ?Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video mạng IP? ?? MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu luận án đóng góp vào nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video. .. TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG Chương nêu tổng quan chế quản lý hàng đợi, chế quản lý hàng đợi bị động, chế quản lý hàng đợi tích cực vai trị chế quản lý hàng đợi tích cực truyền phát video mạng. .. đến lựa chọn hướng nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi tích cực cho truyền video mạng IP Phạm vi nghiên cứu + Tập trung nghiên cứu hạn chế giải thuật quản lý hàng đợi tích cực AQM