Nghiên cứu video streaming trên multipath TCP trong môi trường không dây

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Bá Lộc ii LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình học tập trình thực đề tài, dẫn học hỏi nhiều kiến thức quý báu kinh nghiệm nghiên cứu khoa học từ thầy cô, anh chị, bạn bè đồng nghiệp Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Lê Tuấn Anh, giảng viên trường đại học Công Nghệ TP HCM-HUTECH, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin cảm ơn quý thầy cô trường đại học Cơng Nghệ TP.HCM tận tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức đáng giá năm học vừa qua Sau cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ, giúp đỡ động viên suốt trình học tập thực luận văn TPHCM, ngày 11 tháng 01 năm 2016 Nguyễn Bá Lộc iii TĨM TẮT Trong đề tài tơi trình bày cách thức đánh giá video streaming multipath TCP môi trường mạng không dây Đưa thống số đường truyền sử dụng giao thức Multipath TCP, Single path TCP so sánh tốc độ chúng với Và đưa cách thức đánh giá tốc độ truyền video streaming, số lượng gói tin bị truyền video streaming sử dụng giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP môi trường mạng không dây iv ABSTRACT In this dissertation I will show how to assess multipath TCP video streaming over wireless environments Given the information on the transmission system using Multipath TCP protocol, single path TCP protocol and compare speed of them together And show how to assess streaming video transmission rate, the number of lost packets when transmitting video streaming using Multipath TCP protocol and Single path TCP protocol in the wireless network environment v MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Một số đề tài liên quan: Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn đơn đường 2.1.1 Tổng quan TCP/IP 2.1.2 Điều khiển tắc nghẽn giao thức TCP 15 2.2 Điều khiển tắc nghẽn đa đường 16 2.2.1 Tổng quan giao thức Multipath TCP 16 2.2.2 Thiết lập kết nối giao thức Multipath TCP 18 2.2.3 Điều khiển lưu lượng 19 2.2.4 Điều khiển luồng 19 2.2.5 Quản lý tín hiệu hồi đáp 19 2.2.6 Phục hồi gói tin bị 19 2.2.7 Kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn Muiltipath TCP 20 2.2.8 Đóng kết nối 21 2.2.9 Kiến trúc hệ thống truyền video 21 2.3 Dịch vụ video streaming 22 2.3.1 Video streaming gì? 22 2.3.2 Giao thức RTSP 25 2.3.3 Giao thức RTP 28 2.3.4 Giao thức HTTP live streaming 29 2.4 Một số cơng trình liên quan 30 Chương 3: VIDEO STREAMING TRÊN MULTIPATH TCP TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 31 3.1 Khái niệm mạng không dây 31 3.1.1 Wifi 31 3.1.2 3G 33 3.2 Ưu nhược điểm mạng không dây 35 vi 3.3 Khả hỗ trợ Multipath TCP thiết bị di động 35 3.4 Khả hỗ trợ video streaming thiết bị di động 35 Chương 4: TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 36 4.1 Cài đặt giao thức Mutipath TCP cho server linux client linux 37 4.2 Thực nghiệm video streaming Multipath TCP máy tính laptop 38 4.3 Kịch thực nghiệm 39 4.3.1 Kich thực nghiệm 40 4.3.2 Kịch thực nghiệm 42 4.3.3 Kịch thực nghiệm 44 4.3.4 Kịch thực nghiệm 47 4.3.5 Kịch thực nghiệm 48 4.4 Đánh giá 49 KẾT LUẬN 52 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Client Máy trạm Codec thuật ngữ ám chung cho thuật tốn mã hóa đường truyền q trình streaming audio hay video congestion avoidance Tránh ùng tắt Demand streaming (stream theo yêu cầu) trình streaming file video có sẵn ( lưu ổ cứng ) tới người nhận DMP scheme Một dạng giao thức điều khiển tắc nghẽn duplicate ACKs Sự báo nhận trùng fast recovery Hồi phục nhanh fast retransmit Truyền lại nhanh file Tập tin Frame Khung liệu live streaming (stream từ nguồn tạo video) trình streaming trực tiếp từ frame video tạo từ thiết bị thu nhận viii video (như camera ) tới người nhận media player Chương trình chơi file video audio multimedia Đa phương tiện MultiTCP Một dạng giao thức điều khiển tắc nghẽn package size Kích cỡ gói packet Gói liệu retransmission Truyền lại Round Trip Time Thời gian vòng router Bộ định tuyến segment Phân khúc segsize kích thước segment Server Máy chủ slow start Khởi đầu chậm chạp streaming Luồng Streaming video (luồng video) thực chất trình truyền frame file video tới người nhận subflow Luồng nhỏ timeout Hết topology Cấu trúc mạng video web browser Trình duyệt web ix 3G 3GPP third-generation Công nghệ truyền thông technology hệ thứ ba 3rd Generation tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS EDGE Partnership Project 4G fourth-generation Công nghệ truyền thông technology hệ thứ tư ACK Acknowledgement Sự báo nhận ADSL Asymmetric CCK Digital đường dây thuê bao số bất Subscriber Line đối xứng Complimentary code kỹ thuật mã bù sử dụng chuẩn 802.11b keying CWND congestion window Cửa sổ tắt nghẽn DHCP Dynamic Host giao thức mà máy sử configuration Protocol dụng để lấy dược tất thơng tin cấu hình cần thiết DNS Domain Name System Hệ thống tên miền FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin HTTP HyperText Transfer Giao thức truyền tải siêu Protocol văn IEEE IETF Institute of Electrical and Viện Kỹ thuật Điện Electronics Engineers Điện The Internet Engineering Cộng đồng quốc tế mở Task Force rộng lớn nhà thiết kế mạng, nhà khai thác, nhà cung cấp thiết bị nhà nghiên x cứu quan tâm tới phát triển kiến trúc Internet hoạt động ổn định Internet MPTCP Multipath transmission Giao Control Protocol MulTFRC OFDM truyền đa đường Multi TCP-Friendly Rate Một dạng giao thức điều Control khiển tắc nghẽn Orthogonal frequency- truy cập phân chia theo tần số trực giao division multiplexing RTP thức Real-time Transport giao thức chuẩn định Protocol dạng cho gói tin video hay audio truyền mạng RTSP Real Time Streaming giao thức mạng điều Protocol khiển trình streaming video hay streaming audio RTT round-trip-time rwnd advertised Thời gian trọn vòng receiver Cửa sổ nhận quảng cáo window SMTP ssthresh Simple Mail Transfer giao thức truyền tải thư tín Protocol đơn giản slow start threshold size Chậm kích thướt ngưỡng khởi đầu TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Bộ giao thức liên mạng 41 Ở mơ hình tín hiệu kết nối sóng wifi card mạng không dây laptop đến thiết bị access point mức tốt nhất, khoảng cách từ laptop đến thiết bị access point có khoảng cách gần Tín hiệu sóng Wi-fi tương đương ta đo biểu đồ hình 4-10 60 50 Mbits 40 30 20 10 0 10 Time (sec) Single Path TCP Multipath TCP Hình 4-10: So sánh tốc độ truyền Multipath TCP Single path TCP 42 4.3.2 Kịch thực nghiệm Hình 4-11: Kịch thực nghiệm Ở mơ hình laptop kết nối tới thiết bị access point có mức băng thông thấp kết nối đến access point xa tầm phủ sóng thiết bị, bị chướng ngại vật tường, cửa nhà, Hình 4-12 4-13 bên cho ta thấy thơng số tín hiệu sóng điểm phát sóng 43 Hình 4-12: Tín hiệu sóng Hình 4-13: Tín hiệu sóng Hình 4-14 4-15 bên cho ta thấy băng thông truyền tải đến server giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP Hình 4-14: Tốc độ truyền Multipath TCP 44 Hình 4-15: Tốc độ truyền single path TCP 4.3.3 Kịch thực nghiệm Client có card mạng kết nói đến thiết bị access point số điều kiện kết nối tốt gần thiết bị (ít bị nhiễu) card mạng kết nối đến thiết bị access point điều kiện xa thiết bị chất lượng kết nối Hình 4-16: Kịch thực nghiệm 45 Ở kịch thực nghiệm thiết bị access point cách xa laptop thiết bị access point 1, khoảng cách kết nối sóng khác có tốc độ truyền liệu khác Hình 4-17 4-18 bên cho ta thấy thơng số tín hiệu sóng điểm phát sóng Hình 4-17: Hình tín hiệu sóng Hình 4-18: Hình tín hiệu sóng 46 Hình 4-19 4-20 bên cho ta thấy băng thông truyền tải đến server giao thức Multipath TCP giao thức Single path TCP Tốc độ truyền Multipath TCP: Hình 4-19: tốc độ truyền Multipath TCP Tốc độ truyền Single path TCP: Hình 4-20: Tốc độ truyền Single path TCP 47 4.3.4 Kịch thực nghiệm Client kết kết nối đến server thông qua access point số khoảng thời gian đột ngột bị nối đến access point số Hình 4-21: Kịch thực nghiệm Khi vừa kết nối đến thiết bị access point giao thức Single path TCP khơng thể kết nối đến server giao thức Multipath TCP kết nối đến server bình thường Bên hình so sánh băng thông thời gian lúc chưa kết nối lúc kết nối đến server thông qua giao thức Multipaht TCP giao thức Single path TCP 48 70 60 Mbits 50 40 30 20 10 0 10 Time (sec) Multipath TCP Single path TCP Hình 4-22: Thời gian truyền tín hiệu Multipath TCP Single path TCP Khi vừa kết nối đến thiết bị access point giao thức Single path TCP kết nối đến server giao thức Multipath TCP kết nối đến server bình thường 4.3.5 Kịch thực nghiệm Client client kết nối với đến server lúc Hình 4-23: Kịch thực nghiệm 49 Sau đo băng thông băng thông kết nối từ máy Client đến server máy Client đến server lúc ta biểu đồ băng thơng hình 4-24 bên 40 35 30 25 20 15 10 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Multipath TCP may Single path TCP may Multipath TCP may Single path TCP máy Hình 4-24: Băng thơng Client Client kết nối server lúc  Băng thông kết nối đến server Client thấp so với Client giao thức Multipath TCP Single path TCP  Giao thức Multipath TCP ln có băng thông cao Single path TCP máy Client1 Client  Do client client đặt hai vị trí khác nên hướng phát sóng từ thiết bị access point đến máy Client khác nhau, độ nhiễu đường truyền khác thơng lượng máy Client kết nối đến server khác 4.4 Đánh giá Tín hiệu kết nối sóng Wi-fi card mạng khơng dây laptop tương đương sử dụng giao thức Multipath TCP nhanh giao thức single path TCP, hình 4-25 so sánh tốc độ lúc card mạng khơng dây laptop kết nối tín hiệu 50 tốt đến thiết bị phát sóng Wi-fi hình 4-26 so sánh tốc độ giao thức Multipath TCP single path TCP lúc tín hiệu kết nối sống card mạng không dây đến thiết bị phát sóng Wi-fi gần tương đương Multipath TCP Single path TCP 25 MBits 20 15 10 5 10 10 Giây Hình 4-25: So sánh tốc độ Mbits Series1 Series2 20 18 16 14 12 10 2 Giây Hình 4-26: So sánh tốc độ Khi đường kết nối không dây laptop có đường kết nói tốt đường tín hiệu kết nối khơng tốt đến thiết bị phát sóng khơng dây việc sử dụng giao thức Multipath TCP Single path TCP sử dụng đường kết nối không 51 tốt đến thiết bị phát sóng khơng dây hình 4-27 cho kết giao thức Multipath TCP có băng thơng kết nối cao Multipath TCP Single path TCP 60 50 Mbiits 40 30 20 10 10 Giây Hình 4-27: So sánh tốc độ Khi tín hiệu khơng dây khơng ổn định sử dụng giao thức Multipath TCP cho thông lượng kết tốt Giao thức Multipath TCP thật cần thiết cho thiết bị di động vừa có kết nối 3G vừa có kết nối sóng Wi-fi tất thiết bị có nhiều đường truyền mạng Vì giúp cho việc xem video mượt so với ta sử dụng túy đường kết nối đường kết nối hay bị nghẽn mạng, chậm kết nối giống dịch vụ 3G mà nhà mạng nước cung cấp Tất nhiên không dừng việc sử dụng dịch vụ video streaming mà giúp cho việc truyền tải hệ thống mạng nhanh 52 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành công việc sau: - Xây dựng hệ thống mạng không dây sử dụng giao thức Multipath TCP - Đã thực nghiệm server video streaming sử dụng giao thức Multipath TCP - Đã thực nghiệm giao thức Multipath TCP môi trường không dây - Đưa cách thức lấy thống số, vẽ biểu đồ thông số đường truyền theo thời gian đơn vị tính giây - Đưa tốc độ đường truyền, số liệu gói tin bị đường truyền sử dụng giao thức : Multipath TCP, Single path TCP để streaming video Đề tài chưa hồn thành cơng việc sau: - Do thời gian có hạn nên chưa đánh giá chất lượng video streaming môi trường không dây sử dụng giao thức Multipath TCP Ưu điểm : - Giao thức Multipath TCP tương thích với phần cứng hệ thống Single path TCP switch, router, access point, để chuyển sang hệ thống sử dụng giao thức Multipath TCP ta đầu tư khoảng chi phí thấp lại mang lại hiệu cao - Giao thức Multipath TCP Hỗ trợ nhiều hệ điều hành như: IOS, android, Linux, - Truyền tải nhiều đường kết nối nên đường kết nối bị đứt kết nối trình truyền tải diễn bình thường - Sử dụng giao thức Multipath TCP tốc độ truyền tải file cải thiện đáng kể so với sử dụng giao thức Single path TCP Nhược điểm : - Không hỗ trợ hệ điều hành Windows - Độ biến thiên liệu cao 53 Hướng phát triển: - Xây dựng hệ thống sử dụng giao thức Multipath TCP để cung cấp dịch vụ video streaming thông qua internet - Xây dựng server Multipath TCP cung cấp hosting ineternet - Xây dựng ứng dụng điện toán đám mây sử dụng giao thức Multipath TCP 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Ford, C Raiciu, M Handley, S Barre, J Iyengar (2011), Architecture guidelines for Multipath TCP Development, IETF RFC 6182 [2] L P Dũ, L T Anh , ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG GIAO THỨC TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG CHO CÁC ỨNG DỤNG MULTIMEDIA,Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, Số chuyên đề: Công nghệThông tin (2013): 180-189 [3] C Raiciu, M Handly, D Wischik, 2011, Coupled Congestion Control for Multipath Transport Protocols, Internet Engineering Task Force, RFC 6356, ISSN: 2070-1721 [4] Y Chen, Y Lim, E M Nahum, R J Gibbens, and D Towsley Characterizing 4G and 3G networks: Supporting mobility with multi-path tcp Technical report, CS Department, UMass Amherst (UM-CS-2012-022), 2012 [5] A Ford, C Raiciu, M Handley, and O Bonaventure TCP extensions for multipath operation with multiple addresses, Jan 2012 IETF draft (work in progress) [6] C Huitema Multi-homed TCP Internet draft, IETF, 1995 [7] V Bychkovsky, B Hull, A Miu, H Balakrishnan, and S Madden.A measurement study of vehicular internet access using in situ wi-fi networks In Proceedings of the 12th annual international conference on Mobile computing and networking, MobiCom ’06, pages 50–61 ACM,2006 [8] A Balasubramanian, R Mahajan, and A Venkataramani Augmenting mobile 3g using wifi In Proceedings of the 8th international conference on Mobile systems, applications, and services, MobiSys ’10, pages 209–222 ACM, 2010 [9] Website https://vi.wikipedia.org/wiki/TCP/IP, truy cập 14/09/2015 [10] M Allman, V Paxson, and W Stevens TCP Congestion Control,April 1999, RFC 2581 [11] S Tullimas, T Nguyen, R Edgecomb, and S.-c Cheung, 2008, “Multimedia streaming using multiple TCP connections," ACM Trans Multimedia Comput 55 Commun Appl., vol 4, no 2, pages 120-121 [12] B Wang, W Wei, Z Guo, and D Towsley,2009, “Multipath live streaming via TCP: Scheme, performance and benefits”, ACM Trans, NY, USA,vol 5, no [13] J.-W Park, R Karrer, and J Kim, 2011 “TCP-ROME: A transport-layer parallel streaming protocol for real-time online multimedia environments", Communications and Networks Journal, vol 13, no 3, pages 277 – 285 [14] S Floyd, M Handley, 2008 “TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification”, Network Working Group, Obsoletes: 3448, Updates: 4342, RFC 5348 [15] D Damjanovic and M Welzl, (2011), “An Extension of the TCP Steady-State Through-put Equation for Parallel Flows and Its Application in MulTFRC” IEEE/ACM Trans, vol 19, no 6, pp 1676 - 1689 [16] https://vi.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi, truy cập 14/09/2015 [17] S Mao, S Lin, S Panwar, Y Wang, “Video Transport Over Ad-Hoc Networks: Multistream Coding With Multipath Transport”, IEEE journal on seleted areas in communications, VOL 21,NO 10, December 2003 [18] Damon Wischik, Costin Raiciu, Adam Greenhalgh, Mark Handley, (2011), “Design, implementation and evaluation of congestion control for multipath TCP”, in Proc of the 8th USENIX NSDI Conf ... độ video yêu cầu tỉ lệ thông lượng luồng, không quan tâm có đường truyền cổ chai 31 Chương 3: VIDEO STREAMING TRÊN MULTIPATH TCP TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 3.1 Khái niệm mạng không dây Mạng không. .. HTTP live streaming 29 2.4 Một số cơng trình liên quan 30 Chương 3: VIDEO STREAMING TRÊN MULTIPATH TCP TRONG MÔI TRƯỜNG KHÔNG DÂY 31 3.1 Khái niệm mạng không dây ... iii TÓM TẮT Trong đề tài tơi trình bày cách thức đánh giá video streaming multipath TCP môi trường mạng không dây Đưa thống số đường truyền sử dụng giao thức Multipath TCP, Single path TCP so sánh