Cơ chế multicast lớp ứng dụng đảm bảo chất lượng luồng video

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CƠ CHẾ MULTICAST LỚP ỨNG DỤNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG LUỒNG VIDEO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: NGUYỄN THỊ THU HÀ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hữu Thanh HÀ NỘI 2006 -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực khách quan Nguyễn Thị Thu Hà Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà -3- MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 26T 26 T DANH MUC BẢNG BIỂU 26T 26T 26T 26 T LỜI GIỚI THIỆU 26 T LỜI CẢM ƠN 10 26 T CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 11 26T 26 T 1.1 Internet: khứ, tại, tương lai 11 26T 26 T 1.2 Multicasting lớp mạng (IP) 14 26T 26 T 1.3 Multicasting lớp ứng dụng (AL) 17 26T 26 T 1.4 Cơ sở mục đích nghiên cứu luận văn 18 26T 26 T 1.5 Tổ chức luận văn 19 26T 26T CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC GIAO THỨC MULTICAST LỚP ỨNG DỤNG 20 26T 26T 2.1 Multicast theo lưới (mesh-based) 21 26T 26 T 2.1.1 Narada 21 26T 26T 2.1.2 ScatterCast 24 26T 26T 2.2 Multicast theo (tree-based) 25 26T 26 T 2.2.1 Giao thức chuối – BTP (Banana Tree Protocol) 25 26T 26 T 2.2.2 Giao thức HMTP (Host Multicast Tree Protocol) 27 26T 26 T 2.2.3 YOID 29 26T 26T 2.2.4 ALMI 30 26T 26T 2.2.5 Overcast 31 26T 26T 2.2.6 Giao thức điều khiển xây dựng overlay – TBCP (Tree Building Control Protocol) 32 26T 26T 2.2.7 So sánh giao thức dựa theo lưới (mesh based) dựa theo (tree based) 33 26T 26T 2.3 Multicast lớp đỉnh mạng overlay có cấu trúc P2P 34 26T 26 T 2.3.1 Multicast theo CAN – MCAN 37 26T 26 T 2.3.2 SCRIBE 40 26T 26T 2.3.3 Pastry 41 26T 26 T 2.3.4 Bayeux 42 26T 26T Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà -4- 2.3.5 Giao thức tam điểm Delauny 43 26T 26T 2.3.6 HyperCast 46 26T 26 T 2.4 Multicast phân cấp 48 26T 26T 2.4.1 Kudos 48 26T 26 T 2.4.2 NICE 50 26T 26T 2.5 Kết luận 52 26T 26 T 2.5.1 Hiệu 52 26T 26T 2.5.2 Tính mềm dẻo 52 26T 26T CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ PHÂN PHỐI BĂNG THÔNG TRONG CÁC MẠNG OVERLAY 54 26T 6T 3.1 Cơ sở 54 26T 26T 3.2 Mục đích thiết kế xác định toán 58 26T 26 T 3.3 Các thuật toán định tuyến multicast 61 26T 26T 3.3.1 Thuật toán rút gọn (Copact Tree Algorithm) 61 26T 26 T 3.3.2 Thuật toán rút gọn cân (Balanced Compact Tree Algorithm) 64 26T 26 T 3.3.3 Cấp phát bậc cân – BDA (Balanced Degree Allocation) 64 26T 26 T 3.4 Định cỡ băng thông 68 26T 26 T 3.4.1 Định cỡ ranh giới (baseline) 68 26T 26 T 3.4.2 Định cỡ lặp 70 26T 26 T 3.5 Đánh giá thuật toán định tuyến 71 26T 26 T 3.5.1 Thiết lập mô 71 26T 26 T 3.5.2 So sánh kỹ thuật xây dựng 72 26T 26 T 3.5.3 Đánh giá hiệu suất – Tỉ lệ loại bỏ phiên 76 26T 26 T 3.5.4 Đánh giá hiệu suất – Đường kính 78 26T 26 T 3.5.5 Độ phức tạp thuật toán ICT 79 26T 26 T 3.6 Nguyên lý kết hợp thuật toán CP CT 80 26T 26T 3.7 KẾT LUẬN 81 26T 26T CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MULTICAST LỚP ỨNG DỤNG ĐỂ TRUYỀN VoD 82 26T 26T 4.1 Cơ sở nghiên cứu 82 26T 26 T 4.2 Phát biểu toán 84 26T 26 T Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà -5- 4.3 Giải toán 85 26T 26 T 4.3.1 Sắp xếp client 86 26T 26T 4.3.2 Các hoạt động giao thức 87 26T 26 T 4.3.2.1 Giai đoạn nhập mạng 87 26T 26T 4.3.2.2 Giai đoạn làm việc 89 26T 26T 4.3.2.3 Giai đoạn rời mạng 89 26T 26 T 4.3.2.4 Các nút mồ côi khôi phục 90 26T 26 T 4.3.2.5 Khả xác định lỗi client 91 26T 26 T 4.3.3 Phân tích – Các kết thực nghiệm 92 26T 26T 26 T KẾT LUẬN 96 26T 26T 26T Kết đạt ứng dụng luận văn 96 26T Hướng phát triển nghiên cứu 96 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 26T Nguyễn Thị Thu Hà -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 26TU 26TU 26TU 26TU Hình 1.1: Mạng ARPAnet năm 1969 .11 U26 T Hình 1.2: Unicasting film đến 10000 người dùng 14 U26T Hình 1.3: Multicasting film tới 10000 người dùng 14 U26 T Hình 1.4: Mạng overlay hạ tầng lớp mạng với người dùng cuối (end- user) 18 U26T 26TU 26TU 26TU Hình 2.1: Giao thức Narada 22 U26T Hình 2.2: Tối ưu hố BTP: chuyển sang nút cha khác 25 U26T Hình 2.3: (a) Vịng lặp BTP: chuyển đồng thời, (b) Vịng lặp BTP: thơng tin lỗi thời 27 U26 T 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU Hình 2.4: Thủ tục gia nhập HMTP 28 U26T Hình 2.5: Cơ chế gia nhập TBCP: đánh giá cấu hình nội hạt 33 U26T Hình 2.6: Minh hoạ mạng overlay CAN hai chiều 37 U26 T Hình 2.7: Thuật tốn chuyển tiếp multicast từ nút gốc CAN 40 U26T Hình 2.8: Tập nút bảng định tuyến mạng Pastry cho NodeID = 12030321 42 U26 T 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU Hình 2.9: Định tuyến mạng Pastry 43 U26T Hình 2.10: Tam điểm Delaunay (DelaunayTriangulation) 45 U26T Hình 2.11: Thuộc tính đẳng giác cục 45 U26 T Hình 2.12: Định tuyến compass 45 U26T Hình 2.13: Cấu trúc siêu lập thể - hypercube 47 U26T Hình 2.14: Cây với nút gốc 000 nhúng siêu lập thể chưa hoàn chỉnh .48 U26T 26TU 26TU 26TU 26TU Hình 2.15: Phân cấp hai lớp Kudos .49 U26 T Hình 2.16: Cấu trúc phân cấp NICE tạo cụm (clustering) 50 U26 T Hình 3.1 Kiến trúc dịch vụ multicast sử dụng mạng Overlay 55 U26 T Hình 3.2 Minh hoạ thuật tốn rút gọn .62 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 U26T Nguyễn Thị Thu Hà -7- 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU 26TU Hình 3.3: Thuật tốn thu gọn cho MDDL 63 U26T Hình 3.4: Cấp phát bậc cân 65 U26T Hình 3.5: Minh hoạ thuật toán ICT điều chỉnh bậc .68 U26T Hình 3.6: Định cỡ băng thông truy nhập Server [24] 70 U26T Hình 3.7: Ba cấu hình mạng Overlay [24] 72 U26T Hình 3.8: Độ nhậy giới hạn đường kính [24] 73 U26 T Hình 3.9: Độ nhậy vòng điều chỉnh bậc [24] 74 U26T Hình 3.10: So sánh tỉ lệ loại bỏ phiên [24] 75 U2 6T Hình 3.11: Hiệu suất trễ end-to-end 78 U26 T Hình 3.12: Độ phức tạp thuật toán ICT [24] .79 U26T Hình 3.13: Hiệu suất thuật toán kết hợp CP CT 81 U26 T Hình 4.1: Cấu trúc phân cấp ALM 86 U26 T Hình 4.2: Các nút mơ cơi khơi phục 91 U26 T Hình 4.3: Xác suất bị lỗi hàng loạt [26] 94 U26 T DANH MUC BẢNG BIỂU 26TU 26TU Bảng 1.1: Số liệu thống kê sử dụng Internet 03/02/2005 12 U 26T Bảng 2.1: So sánh mã nhị phân mã Gray 46 Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 U26 T Nguyễn Thị Thu Hà -8- THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AL ALMI ASM BGMP BGP BTP CAN DHT DIS DT Application Layer Application Level Multicast Infrastructure Any Source Multicast Border Gateway Multicast Protocol Border Gateway Protocol Banana Tree Protocol Cooperative Association for Internet Data Analysis Content Addressable Network Distributed Hash Table Distributed Interactive Simulations Delaunay Triangulation DVMRP Distance Vector Multicast Routing Protocol HMTP HTML ICMP IGMP IP ISP Host Multicast Tree Protocol Hyper-Text Markup Language Internet Control Message Protocol Internet Group Membership Protocol Internet Protocol Internet Service Provider MBGP Multiprotocol Border Gateway Protocol MBone MCAN MSDP MST NCP NICE p2p pdf Multicast Backbone CAN-based multicast Multicast Source Discovery Protocol Minimum Spanning Tree Network Communication Protocol NICE is the Internet Cooperative Environment Peer to Peer Probability density function PIM-DM Protocol Independent Multicast-Dense Mode PIM-SM Protocol Independent Multicast-Sparse Mode RFC Request for Comments Random Graph with uniformly distributed link weights Rendezvous Point Reverse Path Forwarding round trip time Source Active Scattercast Proxies Steiner Minimum Tree Shortest Path Tree Source Specific Multicast Tree Building Control Protocol Transmission Control Protocol Time to Live Uniform Recursive Tree Virtual Local Area Network CAIDA RGU RP RPF rtt SA SCX SMT SPT SSM TBCP TCP TTL URT VLAN Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Lớp ứng dụng Kiến trúc Multicast tầng ứng dụng Multicast với nút nguồn Giao thức Multicast cho Gateway đường biên Giao thức Gateway đường biên Giao thức chuối Hiệp hội hợp tác phân tích liệu Internet Mạng đánh đánh địa nội dung Bảng Hash phân tập Mô tương tác phân tập Tam điểm Delaunay Giao thức định tuyến Multicast vector khoảng cách Giao thức Multicast cho host Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn Giao thức tin điều khiển Internet Giao thức thành viên nhóm Internet Giao thức Internet Nhà cung cấp dịch vụ Internet Giao thức cho Gateway đường biên sử dụng nhiều loại giao thức Xương sống Multicast Multicast dựa CAN Giao thức phát nút nguồn multicast Cây bao trùm Giao thức truyền thông mạng Môi trường hợp tác Internet Mạng ngang hàng (điểm – tới – điểm) Hàm phân bố xác suất Multicast độc lập giáo thức – chế độ đông đúc Multicast độc lập giao thức – chế độ thưa thớt Cơng bố thức mạng Internet Đồ thị ngẫu nhiên với trọng số đường liên kết phân bố Điểm “gặp gỡ” Chuyển tiếp đường lùi Thời gian đường vịng Nguồn tích cực Các proxy giao thức Scattercast Cây tối thiểu Steiner Cây đường ngắn Multicast có nút nguồn nút gốc Giao thức xây dựng Giao thức điều khiển đường truyền Thời gian tồn Cây đệ quy đồng Mạng nội hạt ảo Nguyễn Thị Thu Hà -9- LỜI GIỚI THIỆU Trong trình triển khai multicast tầng mạng (IP), hướng tiếp cận đề xuất để thực dịch vụ multicast diện rộng multicast tầng ứng dụng Trong cách tiếp cận này, chức multicast thực host kết cuối thay định tuyến Khơng multicast lớp mạng, multicast lớp ứng dụng không cần hỗ trợ sở hạ tầng mà dễ dàng triển khai mạng Internet Trong luận văn, tác giả trình bầy số giao thức multicast tầng ứng dụng đề xuất gần đây, phân loại chúng đánh giá hiệu suất khả áp dụng giao thức Luận văn trình bầy tốn định tuyến mạng overlay toán liên quan đến ấn định băng thông cho việc hoạch định mạng Cuối luận văn trình bầy giao thức tầng mạng ứng dụng cho ứng dụng luồng liệu băng thông thấp với số lượng lớn người thu Kỹ thuật dựa phân cấp điều khiển cấu hình siêu lập thể cho nút mạng ngang hàng Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà - 10 - LỜI CẢM ƠN Đề tài Cơ chế multicast lớp ứng dụng đảm bảo chất lượng luồng video lựa chọn làm luận văn tốt nghiệp cao học Trong trình tìm hiểu nghiên cứu, tơi thấy đề tài cịn khó Tuy nhiên hướng dẫn, bảo thầy cô; động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện gia đình, bạn bè đồng nghiệp, tơi hồn thành luận văn Nhân đây, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Hữu Thanh, người hướng dẫn, giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy cô Khoa Điện Tử Viễn Thông, thầy cô Trung tâm đào tạo sau đại học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy kiến thức giúp đỡ tơi suốt q trình học tập trường Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, gia đình; bạn bè đồng nghiệp Trung tâm CNTT – Ngân hàng Công Thương giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà - 86 - Phần mô tả chi tiết cấu trúc phân cấp cho ALM cách thiết lập điều khiển liệu cách mềm mại Hình 4.1: Cấu trúc phân cấp ALM 4.3.1 Sắp xếp client Bằng cách ấn định thành viên vào mức khác nhau, kiến trúc phân cấp điều khiển tạo thành Từ thời điểm t i đến t i +t w, server nhận yêu R R R R R R cầu client cho nội dung video, nhóm client thành nhóm mức L i xếp chúng thành cấu trúc liệu phân R R cấp Việc xếp thực ngẫu nhiên mà sử dụng độ trễ đường truyền end-to-end từ client đến server để lựa chọn Đại diện cục (LR i – Local R R Representative) cho mức tất client khác đặt gần với theo cấu trúc siêu lập thể (hypercube) Client gần thứ lựa chọn Đại diện cục dự phòng – BLR i (Backup Local Representative) R R Cơ sở xếp LR i client mức L i trao đổi với R R R R server điều kiện thông thường; cần lựa chọn nút mà gần Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà - 87 - với server theo tiêu chí trễ đường truyền end-to-end BLR lựa chọn dự phòng LR bị lỗi nhanh chóng đảm nhận vị trí lỗi xảy Các LR server tạo thành cấu trúc hình mà trung tâm server Tổng tải truyền thông server cho tập client tương quan với số mức tối đa D / t w  Phương pháp có ưu điểm server phát cố LR cách nhanh chóng Hơn nữa, xếp ổn định nguyên lý khác server muốn chuyển tin từ LR đến LR khác LR client mà rút khỏi nhóm lúc mà khơng thơng báo trước Hình 4.1 minh hoạ cấu trúc phân cấp mà client thuộc hai mức nhóm thành siêu lập thể H H R R R R Giả sử client n i-1 , n i n i+1 mức L i-1 , L i L i+1 , R R R R R R R R R R R R máy chủ chia client mức L i thành n i-1 nhóm kích thước R R R R ấn định nhóm client mức L i-1 Điều tạo thành kiến R R trúc mà sử dụng cho đường truyền liệu (chẳng hạn luồng video) Cuối cùng, client v mức L i trao đổi thông tin điều khiển với nút mẹ R R mức L i-1 với nút mức L i+1 Do vậy, đường R R R R trao đổi thông tin điều khiển cần cho nút v điều kiện thông thường là: Control_Paths(v) = logn i + min(b, n i+1 ) + R R R R (4.1) 4.3.2 Các hoạt động giao thức Cả server client hoạt động giống server quản lý liệu điều khiển, có server tin cậy Dưới giao thức ALM, có giai đoạn cho client nào: Join (nhập mạng), Work (hoạt động), Leave (rời mạng) 4.3.2.1 Giai đoạn nhập mạng Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 Nguyễn Thị Thu Hà - 88 - Trong giai đoạn nhập mạng, client v yêu cầu video-clip từ video server vào thời điểm t ∈ (t i −1 , t i −1 + t w ) Server tập hợp tất yêu cầu R j R R cho nội dung video tính trễ end-to-end client để tạo danh sách client xếp theo thứ tự tăng dần Danh sách sử dụng để tạo siêu lập thể ảo H i cho nhóm R j client R R R R Tiếp theo, server xác định có broadcast đến it client, mà nhận phận nội dung video Nếu không tồn tại, broadcast tạo lịch từ server; trái lại mức L i nhận dạng R R LR i xác định R R Chính thơng tin này, với siêu lập thể H i tính gửi cho R R LR i BLR i lớp L i Các client lại nhận danh sách nút lân cận R R R R R R H i Do kích thước tin O(logn i ) R R R R Cuối cùng, giải thích phần trước, server chia client mức L i n i-1 nhóm gửi thơng tin đến client mức L i-1 , R R R R R R client mức L i Theo cách rừng tạo thành mà R R client mức L i-1 client cha mẹ client mức L i Rừng R R R R phù hợp với đường liệu phần đường liệu điều khiển Nếu có thể, LR i BLR i lân cận chúng không ấn định nút R R R R theo tải tổng chúng nhu cầu trì lượng client phịng cho client bị lỗi Có nhiều khả xếp, phải đảm bảo cách xếp đơn giản tính tốn nhanh Các client mức L i gần với server ấn R R định client gần mức L i-1 Đây ước đốn mơi R R trường mạng không ngừng thay đổi theo thời gian Bước kết thúc giai đoạn nhập mạng Từ trở đi, client mức L i có thơng tin sau: R R • Mã nhận dạng H i R • Trạng thái khởi tạo H i (chỉ LR i BLR i ) R Luận văn cao học ĐTVT 2004 – 2006 R R R R R Nguyễn Thị Thu Hà - 89 - • Các nút lân cận trực tiếp H i R • Các nút mẹ (parent) đường liệu lân cận nút mẹ H i-1 R • Nó biết LR i BLR i cho mức L i R R R R R • Nó biết LR i-1 BLR i-1 mức (mức mẹ) R R R R Ngoài ra, client mức L i-1 biết nút H i R R R R 4.3.2.2 Giai đoạn làm việc Trong giai đoạn làm việc, client mức L i-1 broadcast nội dung video R R đệm chúng đến nút tương ứng mức L i R R Tách rời liệu, thông tin điều khiển trao đổi để phát cố Trước tiên, tất client gửi tin Alive (còn sống) định kỳ đến tất lân cận siêu lập thể Nếu khơng có tin đến từ lân cận w tin Alive truyền thành cơng client v, w nhanh chóng coi lân cận v Mỗi tin gồm nhận dạng nút mẹ lân cận tải tương ứng Do vậy, danh sách nút mẹ tạo thành xếp theo tải chúng Chỉ nút lân cận nút mẹ chúng với tải