NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO STREAMING TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC Ngành : Công nghệ Thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - PHÙNG THANH XUÂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO STREAMING TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC Ngành : Công nghệ Thông tin Chuyển ngành : Truyền liệu mạng máy tính Mã số : 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ Cán hướng dẫn : TS Nguyễn Hoài Sơn HÀ NỘI - 2009 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined ii TÓM TẮT Error! Bookmark not defined MỤC LỤC i DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VIDEO STREAMING 1.1 Video streaming 1.2 Nén truyền hình 1.3 Máy chủ luồng – streaming server 12 1.4 Điều khiển chất lƣợng điểm phát nhận 1.5 Giao thức video streaming 18 1.6 Cơ chế đồng video streaming 19 1.7 Dịch vụ phân tán liệu mạng 21 1.8 Tổng kết chƣơng 24 13 Chƣơng 2: TRUYỀN THÔNG MULTICAST 25 2.1 Khái niệm truyền tin multicast 25 2.2 Multicast tầng mạng - IP Multicast Error! Bookmark not defined 2.3 Multicast tầng ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.4 Các mơ hình truyền tin multicast tầng ứng dụng Error! Bookmark not defined 2.5 Tổng kết chƣơng Error! Bookmark not defined Chƣơng 3: VIDEO STREAMING TRÊN DHT P2PError! Bookmark not defin 3.1 Mạng ngang hàng DHT Error! Bookmark not defined 3.2 Video streaming DHT P2P – CHORD Error! Bookmark not defined 3.3 Nghiên cứu liên quan Error! Bookmark not defined 3.4 Tổng kết chƣơng Error! Bookmark not defined Chƣơng 4: BỐI CẢNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁPError! Bookmark not defi 4.1 Bối cảnh vấn đề video streaming DHT P2P Error! Bookmark not defined 4.2 Tổng quan giải pháp Error! Bookmark not defined 4.3 Giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực Error! Bookmark not defined 4.4 Tổng kết chƣơng Error! Bookmark not defined Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁError! Bookmark not defined 5.1 Ứng dụng video streaming CHORD Error! Bookmark not defined 5.2 Triển khai giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực Error! Bookmark not defined 5.3 Môi trƣờng thực nghiệm Error! Bookmark not defined 5.4 Đánh giá kết Error! Bookmark not defined Chƣơng 6: KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined iii TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 iv DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU VIẾT TẮT TIẾNG ANH GIẢI THÍCH DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cosin rời rạc Đây mã hoá/giải mã phục vụ cho việc nén liệu DHT Distributed Hash Table Bảng băm phân tán Một chế quản lý node mạng ngang hàng có cấu trúc IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm mạng IP Multicast IANA Internet Assigned Numbers Authority Giao thức gán địa IP IP Multicast MTU Maximum transit unit Đơn vị truyền thơng tối đa Nó đƣợc dùng để tính tốn thông lƣợng, phục vụ điều chỉnh tỷ lệ gửi MDC Multiple Description Coding Mã hố đa mơ tả (P)FGS (Progressive) Fine Granularity Scalability Các chế mã hoá/giải mã khác phục vụ cho nén liệu P2P Peer to Peer Mạng ngang hàng QoS Quality of Services Chất lƣợng dịch vụ RTT Round trip time Thời gian vòng kết nối Nó đƣợc dùng để tính tốn thông lƣợng (S)FEC Source Forward Error Connection Cơ chế điều khiển lỗi cách thêm thông tin thừa để bên nguồn khơi phục lại gói tin VCR Video – Caset – Recorder Chức máy ghi âm – đài – video gồm dừng, tạm dừng/trình diễn tiếp, tua nhanh lùi/tiến, chạy ngẫu nhiên v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sáu thành phần video streaming liệu Hình 1.2: a) Mã hóa khơng mở rộng b) Giải mã khơng mở rộng 10 Hình 1.3: a) Mã hóa mở rộng SNR b) Giải mã mở rộng SNR 10 Hình 1.4 a) Bộ mã hoá FGS B) Bộ giải mã FGS 11 Hình 1.5:a) Phân tán truyền thông unicast B) Phân tán truyền thông multicast 14 Hình 1.6: Biểu đồ thời gian cho Điều khiển theo bên nhận 17 Hình 1.7: Giao thức stacks cho luồng truyền hình 19 Hình 1.8: Đồng hình tiếng 19 Hình 1.9: Bộ lọc đƣợc đặt lớp mạng 22 Hình 1.10:Mơ hình hệ thống lọc mức mạng 22 Hình 2.1: Cơng nghệ truyền tin Multicast 25 Hình 2.2: Phân loại truyền thơng Multicast Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Bộ định tuyến truyền tin multicast tầng mạng Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Truyền thơng multicast tầng mạng tầng ứng dụng Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Giao thức Narada Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Mạng phủ node (a) multicast xây tƣơng ứng (b) Error! Bookmark not defined Hình 3.1: Mơ hình mạng ngang hàng Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Vịng trịn Chord với node lƣu trữ khóa Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Mạng Chord với bảng finger Error! Bookmark not defined Hình 3.4: Sơ đồ mạng Chord với node tham gia Error! Bookmark not defined Hình 3.5: Truyền thơng multicast mạng Chord Error! Bookmark not defined Hình 3.6: Sơ đồ multicast tƣơng ứng với mạng Chord Error! Bookmark not defined Hình 3.7: Ví dụ node lỗi Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Phát lỗi thực Error! Bookmark not defined Hình 4.4: Định vị node lỗi Error! Bookmark not defined Hình 4.5: node lỗi đồng thời Error! Bookmark not defined Hình 4.6: Lỗi xen kẽ Error! Bookmark not defined Hình 5.1: Thiết kế ứng dụng video streaming Chord Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Trong xu hƣớng phát triển mạnh mẽ Internet, yêu cầu truyền thông đa phƣơng tiện Web ngày nhiều, video streaming internet thu hút nhiều ý Vào thập niên 80s, 90s, video streaming bắt đầu đời phát triển theo hai hƣớng chính: video streaming theo yêu cầu (tiếng Anh: videoon-demand) video streaming thời gan thực (tiếng Anh: live video streaming) Video streaming theo yêu cầu hình thức ngƣời dùng tải liệu thiết bị lƣu trữ mình, thực thao tác tua, dừng Các ứng dụng tiếng loại hình truyền thơng nhƣ YouTube, BiTorrent Khác với video streaming theo yêu cầu, video streaming thời gian thực, liệu đƣợc truyền trực tiếp từ thiết bị ghi thu liệu nguồn phát hiển thị trực tiếp bên nhận Với tính chất thời gian thực cung cấp cho nhiều ngƣời sử dụng lúc, ứng dụng truyền hình trực tuyến, hội thảo trực tuyến, dạy học trực tuyến, chat conference (Skype) ngày đƣợc nhiều ngƣời sử dụng nhƣ nhà nghiên cứu quan tâm Luận văn phát triển theo xu hƣớng Video streaming thời gian thực có ràng buộc băng thơng cao, độ trễ thấp, tỷ lệ gói tin thấp để đáp ứng yêu cầu chất lƣợng hiển thị hình ảnh âm cao Tuy nhiên, video streaming Internet có khó khăn định Thứ nhất, việc áp dụng mơ hình máy Chủ-Khách truyền thống không đáp ứng đƣợc nhu cầu tài nguyên máy chủ có hạn, liệu truyền thơng đa phƣơng tiện thƣờng lớn, máy chủ khó có khả cung cấp đƣợc cho nhiều ngƣời dùng Thứ hai, băng thông Internet chƣa đƣợc cao đồng đều, việc tập trung vào máy chủ gây tải lớn, hiệu ứng "nút cổ chai" gây tắc nhẽn, gói tin truyền đến không kịp thời gian hiển thị Chính mà video streaming Internet thay mơ hình Chủ - Khách sang truyền thông multicast tầng ứng dụng mạng ngang hàng Truyền thông video streaming mạng ngang hàng, đặc biệt mạng ngang hàng có cấu trúc, có nhiều ƣu điểm Mạng ngang hàng hay gọi mạng đồng đẳng, xoá ranh giới máy chủ-máy khách; máy có trách nhiệm nhƣ việc sử dụng tài nguyên xử lý liệu Chính giải khó khăn giảm tải cho máy chủ Thứ hai, mạng ngang hàng có cấu trúc cung cấp tính mở rộng cao Bất node mạng tham gia dễ dàng Do cung cấp dịch vụ video streaming cho nhiều ngƣời sử dụng tận dụng đƣợc nhiều tài ngun Thứ ba, khơng tốn chi phí quản lý mạng ngang hàng cung cấp phƣơng thức node quản lý lẫn Tuy nhiên, triển khai video streaming thời gian thực mạng ngang hàng khơng tránh khỏi khó khăn Khó khăn tƣợng node vào linh động, lỗi thƣờng xuyên xảy khiến cho gói tin truyền thơng đi, khơng đến đƣợc bên nhận thời gian trình diễn Mất gói tin khơng đến kịp thời ảnh hƣởng đến tỷ lệ gói tin, độ trễ việc trình diễn liệu tiếng/hình bên nhận; khiến cho thông tin hiển thị không đúng, không đẹp mắt Nhằm mục đích nâng cao chất lƣợng video streaming mạng ngang hàng có cấu trúc, luận văn sâu vào việc giải tƣợng node ra/vào lỗi mạng ngang hàng có cấu trúc Giải pháp đƣa khôi phục lỗi thời gian thực Điểm giải pháp dựa vào liệu truyền thơng video streaming, phát lỗi tức thời xác dựa vào thời gian timeout Thời gian đƣợc tính dựa vào mơ hình thơng kê hành vi q khứ node mạng nên đảm bảo xác phù hợp Giao thức đƣợc triển khai mạng ngang hàng có cấu trúc Chord Dựa cấu trúc mạng phủ Chord, có yêu cầu truyền video streaming, node liên kết thành multicast Trong q trình truyền tin, có thay đổi multicast, phƣơng pháp khôi phục lỗi thời gian thực khắc phục thay đổi đó, tránh ảnh hƣởng đến việc truyền tin Bên cạnh chế khôi phục lỗi định kỳ mạng Chord, giải pháp giúp tìm lỗi vầ khơi phục lỗi nhanh q trình truyền thơng Điều tránh đƣợc việc mát gói tin truyền, khiến cho chất lƣợng thông tin bên nhận đƣợc cải thiện Giao thức đƣợc thực ngôn ngữ C#, triển khai thí nghiệm mạng LAN Để tìm hiểu giải pháp, nội dung luận văn gồm chƣơng: TỔNG QUAN VIDEO STREAMING Giới thiệu sáu thành phần video streaming nhƣ nén; điều khiển chất lƣợng dịch vụ điểm phát/nhận; dịch vụ phân tán liệu mạng; máy chủ luồng; chế đồng giao thức video streaming Sáu thành phần điều khiển luồng video streaming từ nguồn đến đích, đồng thời, thành phần có chế nâng cao chất lƣợng Để hạn chế, luận văn phát triển theo hƣớng dịch vị phân tán liệu, cụ thể multicast tầng ứng dụng TRUYỀN THÔNG MULTICAST Nối tiếp từ chƣơng 1, chƣơng giới thiệu truyền thông mạng ngang hàng multicast Xác định ƣu điểm, nhƣợc điểm hai cách thức truyền thông multicast IP multicast tầng ứng dụng Từ ƣu nhƣợc điểm đó, multicast tầng ứng dụng triển khai vào mạng ngang hàng có cấu trúc có khó khăn Những nội dung chƣơng tiếp nối với chƣơng để dẫn dắt vào vấn đề video streaming mạng ngang hàng có cấu trúc Error! Reference source not found.Error! Reference source not found Chord đại diện tiếng mạng ngang hàng có cấu trúc băm phân tán Ở chƣơng này, ta tìm hiểu sâu cách thức quản lý node, gia nhập/ thoát khỏi mạng, chế nhận biết khắc phục lỗi Chord Sau kết hợp với chƣơng 2, giới thiệu video streaming giao thức truyền thông multicast mạng Chord Chƣơng đƣa số nghiên cứu liên quan Error! Reference source not found Error! Reference source not found Dựa vào chƣơng 3, chƣơng phân tích bối cảnh để đƣa đề xuất khôi phục lỗi thời gian thực Từ mục tiêu giải pháp trình bày chi tiếp từ thiết thành phần cho giải pháp Error! Reference source not found.Error! Reference source not found Trong chƣơng 5, ta triển khai giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực ứng dụng truyền video streaming mạng Chord Sau ta thực triển khai môi trƣờng thực nghiệm để so sánh việc áp dụng giải pháp không áp dụng giải pháp số thông số Dựa vào kết so sánh đánh giá tính khả thi giải pháp Error! Reference source not found Đƣa kết luận; đánh giá khả áp dụng thực tế giải pháp TỔNG QUAN VIDEO STREAMING Video streaming Từ phát triển Internet nhu cầu ngày phát triển ngƣời, video streaming đời phát triển theo hai xu hƣớng chính: video streaming theo yêu cầu video streaming thời gian thực Sự phát triển công nghệ thông tin, công nghệ nén, thiết bị lƣu trữ băng thông cao mạng với tốc độ nhanh làm cho dịch vụ truyền video streaming thời gian thực ngày trở lên linh động mạng Internet Video streaming thời gian thực có u cầu băng thơng, tỷ lệ gói tin, độ trể để hiển thị hình ảnh thực với chất lƣợng tốt Tuy nhiên, Internet cung cấp chất lƣợng dịch vụ đủ đảm bảo video streaming Internet Nhƣ vậy, chế thiết kế, giao thức video streaming Internet có nhiều thách thức Ta phân tích sâu video streaming để hiểu cách thách thức Video streaming bao gồm sáu thành phần then chốt quan hệ nhƣ hình dƣới Hình 0.1: Sáu thành phần video streaming liệu Dữ liệu truyền hình truyền thô đƣợc nén trƣớc giải thuật nén truyền hình truyền sau đƣợc lƣu thiết bị lƣu trữ Theo yêu cầu ngƣời dùng, máy chủ luồng nhận liệu truyền hình/truyền đƣợc nén từ thiết bị lƣu trữ sau phận điều khiển chất lượng dịch vụ điểm 10 phát/nhận điều chỉnh luồng bit truyền hình/truyền theo tình trạng mạng theo yêu cầu chất lƣợng dịch vụ Sau điều chỉnh, giao thức truyền thơng đóng gói luồng bit nén gửi gói tin truyền hình/truyền thơng tới mạng Internet Các gói tin bị trễ Internet tắc nghẽn Để cải tiến chất lƣợng việc truyền, dịch vụ phân tán liệu mạng đƣợc triển khai Internet Khi gói tin đến nơi nhận, truyền qua tầng giao vận sau đƣợc xử lý tầng ứng dụng trƣớc đƣợc giải mã giải mã truyền hình/truyền Để đáp ứng đƣợc hiển thị đồng tiếng hình, cần có chế đồng đa phương tiện Nhƣ thấy đƣợc thứ tự nhƣ liên kết sáu thành phần nêu Ở giai đoạn, liệu truyền thơng đƣợc nâng cao luận văn lựa chọn thành phân dịch vụ phân tán liệu mạng để sâu nghiên cứu Nhƣng trƣớc tiên, ta nghiên cứu tổng quan sáu thành phần Nén truyền hình Khi liệu thô tiêu thụ khối lƣợng băng thông lớn, việc nén thƣờng đƣợc thực để nhằm mục đích truyền thơng hiệu Về bản, chế nén truyền hình đƣợc phân thành hai loại: mã hóa mở rộng khơng mở rộng Để đơn giản, ta nghiên cứu mã hóa giải mã chế độ intra dùng truyền cosin rời rạc (DCT) Với việc mã hóa truyền hình mở rộng dạng sóng, ta có nghiên cứu khác 10 13 - Mất mát: gói tin khơng thể tránh đƣợc mạng Internet làm hỏng hình ảnh Do đó, video streaming cần giải đƣợc gói tin Mã hố đa mơ tả công nghệ nén để giải mát gói tin - Chức giống Máy ghi âm-castset-video (VCR): số ứng dụng yêu cầu chức giống VCR nhƣ dừng, tạm dừng/trình diễn lại, chạy tua nhanh trƣớc, chạy tua nhanh lùi chạy ngẫu nhiên - Độ phức tạp giải mã: số thiết bị nhƣ điện thoại nhỏ PDAs yêu cầu tốn lƣợng điện Do đó, ứng dụng truyền thơng truyền hình chạy thiết bị cần đơn giản Đặc biệt độ phức tạp giải mã phải chấp nhận đƣợc Trong yêu cầu chất lượng để giảm việc mát gói tin cịn có chế truyền thơng mạng Đó chế khôi phục lỗi mạng, giảm thời gian lỗi xảy Làm điểu đó, gói tin truyền thông liên tục, kịp thời Máy chủ luồng – streaming server Máy chủ luồng đóng vai trò quan trọng việc cung cấp dịch vụ video streaming Để đƣa dịch vụ chất lƣợng cao, máy chủ luồng cần phải xử lý liệu đa phƣơng tiện với ràng buộc thời gian Ngoài ra, máy chủ luồng cần hỗ trợ hoạt động điều khiển VCR Hơn nữa, cần cung cấp chức truyền thông kiểu đồng Để làm đƣợc điều đó, thơng thƣờng, máy chủ luồng gồm thành phần sau: - Bộ phiên dịch: Một phiên dịch tham gia vào tầng ứng dụng giao thức vận tải đƣợc thực máy chủ Thơng qua biên dịch, máy khách giao tiếp với máy chủ nhận nội dung đa phƣơng tiện cách liên tục đồng - Hệ điều hành: Khác với hệ điều hành thông thƣờng, hệ điều hành cho máy chủ luồng cần phải có thời gian thực an tồn cho ứng dụng luồng - Hệ lưu trữ: phải hỗ trợ lƣu trữ truyền thơng liên tục truy cập đƣợc Tiếp theo, ta mô tả chế điều khiển chất lƣợng dịch vụ, chế thích ứng luồng bit truyền thông theo trạng thái mạng yêu cầu chất lƣợng dịch vụ cho 13 14 Điều khiển chất lượng điểm phát nhận Mục đích điều khiển chất lƣợng dịch vụ tầng ứng dụng để tránh tắc nghẽn tối đa hố chất lƣợng truyền thơng trƣờng hợp mát gói tin Các cơng nghệ điều khiển chất lƣợng dịch vụ tầng ứng dụng bao gồm điều khiển tắc nghẽn điều khiển lỗi Những công nghệ đƣợc thực điểm phát nhận Điều khiển tắc nghẽn Việc lỗi nhiều độ trễ mức có hiệu ứng xấu tới chất lƣợng trình diễn truyền hình thƣờng nguyên nhân tắc nghẽn mạng Do đó, chế điều khiển tắc nghẽn điểm cuối cần thiết để giúp giảm tỷ lệ gói tin giảm độ trễ Trong video streaming, điều khiển tắc nghẽn giống nhƣ điều khiển tỷ lệ Điều khiển tỷ lệ tối thiểu hoá khả tắc nghẽn mạng việc chọn tỷ lệ video streaming phù hợp với băng thơng mạng cịn lại Điều khiển tỷ lệ Điều khiển tỷ lệ công nghệ đƣợc sử dụng để xác định tỷ lệ gửi truyền thông truyền hình dựa vào ƣớc lƣợng băng thơng cịn lại mạng Cơ chế điều khiển tỷ lệ chia theo ba loại chính: điều khiển tỷ lệ theo nguồn, theo bên nhận kết hợp Điều khiển tỷ lệ theo nguồn: Trong điều khiển tỷ lệ theo nguồn, bên gửi có trách nhiệm lựa chọn tỷ lệ truyền truyền hình thích hợp Thơng thƣờng chế điều khiển tỷ lệ dựa vào đáp trả bên nhận để điều chỉnh lại tỷ lệ truyền Điều khiển tỷ lệ bên nguồn áp dụng vào unicast multicast nhƣ Hình 0.5 14 15 Hình 0.5:a) Phân tán truyền thông unicast B) Phân tán truyền thông multicast Với truyền hình unicast, chế thực hai cách tiếp cận: tiếp cận theo điều tra tiếp cận theo mơ hình - Cách tiếp cận theo điều tra (tiếng Anh: probe) Việc điều tra nguồn với băng thơng mạng có việc điều chỉnh tỷ lệ gửi theo cách mà bảo trì tỷ lệ gói tin p dƣới ngƣỡng P th Có hai cách để điều chỉnh: 1) tăng cấp số cộng giảm cấp số nhân 2) tăng cấp số nhân giảm cấp số nhân Chi tiết không đƣợc đề cập luận văn, tham khảo mục [7] - Cách tiếp cận theo mơ hình dựa vào mơ hình trình kêt nối giao thức điều khiển truyền thông (TCP) Thông lƣợng kết nối TCP đƣợc đặt dựa vào cơng thức Với: λ: thông lượng kết nối TCP MTU: maximum transit unit kích thước gói tin dùng kết nối RTT: rount-trip time kết nối p: tỷ lệ gói tin kết nối Điều khiển tỷ lệ theo nguồn cho multicast: ngƣời gửi sử dụng kênh để truyền luồng truyền hình tới bên nhận Multicast đƣợc gọi multicast kênh đơn áp dụng chế điều khiển tỷ lệ dựa vào điều tra cho kênh đơn 15 16 Điều khiển tỷ lệ theo bên Nhận Bên nhận tính tốn tỷ lệ nhận video streaming việc thêm bỏ kênh; bên gửi không tham gia vào điều khiển tỷ lệ Thông thƣờng, điều khiển tỷ lệ theo bên nhận đƣợc sử dụng truyền hình mở rộng multicast, nơi mà có nhiều tầng truyền hình mở rộng tầng tƣơng ứng với kênh multicast Tƣơng tự với điều khiển tỷ lệ theo bên gửi, chế bên nhận có hai loại tiếp cận: tiếp cận theo điều tra tiếp cận theo mơ hình Điều khiển tỷ lệ kết hợp Bên nhận tính tỷ lệ video streaming việc thêm/bỏ kênh bên nhận điều chỉnh tỷ lệ truyền kênh thông qua đáp trả bên nhận Hình thái tỷ lệ Mục đích hình thái tỷ lệ điều chỉnh tỷ lệ luồng bít truyền hình trƣớc nén với ràng buộc tỷ lệ Bộ hình thái (hay lọc) thực hình thái hố theo u cầu điều khiển tỷ lệ bên nguồn Vì nhiều trƣờng hợp liệu đƣợc nén theo tỷ lệ khơng phù hợp với băng thơng có mạng Có nhiều lọc nhƣ lọc giải mã, lọc bỏ frame, lọc bỏ tầng, lọc tuần tự, lọc lƣợng tử hố đƣợc mơ tả cụ thể dƣới - Lọc giải mã: giải mã nén video streaming Nó thƣờng đƣợc sử dụng để thực chuyển mã từ chế nén sang chế nén khác - Lọc bỏ frame: phân biệt loại frame (I, P, B MPEG) bỏ số frame theo thứ tự ƣu tiên Ví dụ thứ tự bỏ nên frame B, sau đến P cuối I Bộ lọc bỏ frame đƣợc dùng để giảm tỷ lệ liệu luồng bit truyền thông việc loại bỏ số frame truyền frame lại với tỷ lệ thấp Bộ lọc bỏ frame đƣợc sử dụng bên nguồn nhƣ mức mạng - Bộ lọc bỏ tầng: phân biệt tầng bỏ tầng theo mức độ quan trọng Thứ tự bỏ từ tầng mở rộng cao đến tầng - Bộ lọc tuần tự: thực tầng nén Nó thực (ví dụ theo hệ số DCT) Cơ chế lọc bao gồm lọc luồng chậm, lọc giảm màu Lọc luồng chậm để bỏ hệ số DCT tuần suất cao Lọc giảm màu thực hành động tƣơng tự lọc luồng chậm với thông tin màu sắc video 16 17 streaming Trong MPEG, chế lọc màu thực thay tất khối màu khối trống Không giống chế bỏ frame, chế lọc giảm băng thông mà không ảnh hƣởng đến tỷ lệ frame - Lọc lượng tử hoá: thực tầng nén (ví dụ hệ số DCT) Bộ lọc đƣa hệ số DCT từ video streaming đa nén thông qua kỹ thuật tƣơng tự giải lƣợng tử hố sau lƣợng tử hố lại theo hệ số DCT với bƣớc nhảy lƣợng tử lớn giảm tỷ lệ Tổng kết lại, mục tiêu điều khiển tắc nghẽn giảm thiểu tắc nghẽn Nói cách khác, mát gói tin khơng thể tránh đƣợc Internet ảnh hƣởng lớn tới chất lƣợng Điều thúc đẩy việc thiết kế chế để tối đa hố chất lƣợng trình diễn truyền thơng với gói tin bị Điều khiển lỗi chế nhƣ đƣợc trình bày Điều khiển lỗi Cơ chế điều khiển lỗi bao gồm FEC, truyền lại mã hoá co giãn lỗi che giấu lỗi FEC Nguồn gốc FEC (tiếng Anh: Forward Error Connection) thêm thơng tin thừa để gói tin nguồn tái tạo lại gói tin bị Ta phân loại chế FEC có thành ba loại: FEC dựa vào mã hoá kênh, mã hoá nguồn mã hoá nguồn/kênh kết hợp Với ứng dụng internet, mã hoá kênh loại thƣờng đƣợc sử dụng để mã hoá khối Một video streaming đƣợc chặt thành nhiều đoạn, đoạn đƣợc đóng gói thành k gói tin; với đoạn, cách mã hoá khối đƣợc áp dụng cho k gói tin để tạo khối n gói tin với n>k Để khơi phục lại đoạn, ngƣời dùng cần nhận đƣợc k gói tin khối n gói FEC dựa mã hố nguồn (tiếng Anh: SFEC - Source Forward Error Connection) thƣờng đƣợc biến đổi theo FEC truyền hình Internet Giống nhƣ mã hố kênh, SFEC thêm thơng tin dƣ thừa để khơi phục lỗi Ví dụ gói tin thứ n chứa khối thứ n nhóm (tiếng Anh: GOB - Group of blocks), mà phiên nén GOB thứ (n-1) với lƣợng tử rộng Mã hoá kênh/nguồn kết nối cách tiếp cận để tối ƣu phân bổ tỷ lệ mã hoá nguồn mã hoá kênh 17 18 Truyền lại với ràng buộc trễ Truyền lại thƣờng không đƣợc ƣu chuộng để khơi phục gói tin truyền thơng thời gian thực gói tin truyền lại lỡ thời gian trình diễn Tuy nhiên, thời gian truyền lại ngắn thỏa mãn độ trễ cho phép, cách tiếp cận theo phƣơng hƣớng truyền lại với ràng bộc độ trễ lựa chọn cho điều khiển lỗi Với unicast, bên nhận thực chế truyền lại ràng buộc độ trễ Khi bên nhận phát gói tin N If (Tc+ RTT + Ds < Td(N)) gửi yêu cầu gói tin N tới bên nhận Với Tc thời gian RTT: thời gian ước lượng chu trình, Ds: cụm từ chểnh mảng, Td(N): thời gian gói tin N lập kế hoạch hiển thị Hình 0.6: Biểu đồ thời gian cho Điều khiển theo bên nhận Mã hố đàn hồi lỗi Mục đích mã hoá đàn hồi lỗi tăng cƣờng sức mạnh luồng nén việc gói tin Cơ chế mã hoá đàn hồi lỗi chuẩn gồm đánh dấu đồng lại, chia liệu khôi phục liệu Khi gói tin gây mát liệu hình/nội dung, chế đánh dấu điểm đồng lại, chia liệu khơi phục lại liệu hữu ích với ứng dụng truyền hình Internet Do đó, không giới thiệu công cụ đàn hồi lỗi chuẩn Thay vào đó, mơ tả mã hố đa mô tả (tiếng Anh: MDC – Multiple Description Coding) Với mã hố đa mơ tả thứ tự truyền hình thơ đƣợc nén thành nhiều luồng (gọi mô tả) nhƣ sau: mô tả cung cấp chất lƣợng chấp nhận đƣợc, kết nối mô tả cung cấp chất lƣợng tốt Ƣu điểm mã hố đa mơ tả là: 18 19 - Sức mạnh với lỗi: chí bên nhận nhận đƣợc mô tả (tất mô tả khác mất) tái cấu trúc lại truyền hình với chất lƣợng chấp nhận đƣợc - Mở rộng chất lượng: bên nhận có nhiều mơ tả gắn kết lại với tái cấu trúc thành truyền hình có chất lƣợng tốt Tuy nhiên, ƣu điểm có giá Để tạo mơ tả cung cấp chất lƣợng chấp nhận đƣợc, mô tả cần phải đƣa thông tin cần thiết truyền hình ban đầu Thêm vào đó, kết nối mô tả để cung cấp chât lƣợng tốt hơn, đắn việc kết hợp mơ tả làm cho chất lƣợng nén sau giảm Che giấu lỗi Che giấu lỗi đƣợc triển khai bên nhận để che giấu liệu trình diễn giảm thiểu ảnh hƣởng đến mắt ngƣời trƣớc gửi (phƣơng pháp mang tính phịng ngừa) Có hai cách việc che giấu lỗi: phép nội suy không gian phép nội suy thời gian Trong phép nội suy không gian, giá trị pixel bị đƣợc tái cấu trúc việc sử dụng thông tin không gian láng giềng Trong phép nội suy thời gian, liệu đƣợc tái cấu trúc dựa vào frame trƣớc Giao thức video streaming Nhiều giao thức đƣợc thiết kế chuẩn hoá cho giao tiếp máy chủ máy khách luồng Theo tính năng, giao thức liên quan trực tiếp đến video streaming Internet chia thành ba loại sau: - Giao thức tầng mạng: cung cấp dịch vụ mạng nhƣ đánh địa IP cung cấp giao thức tầng mạng cho video streaming Internet - Giao thức tầng giao vận: cung cấp chức giao vận mạng ngang hàng cho ứng dụng luồng Các giao thức bao giồm UDP, TCP, giao thức giao vận thời gian thực (RTP), giao thức điều khiển thời gian thực (RTCP) UDP TCP hai giao thức tầng giao vận thấp RTP RTCP giao thức tầng giao vận cao - Giao thức điều khiển phiên: xác định thông điệp chế để điều hiển liệu truyền thông phiên RTSP giao thức thiết lập phiên (SIP – session initiation protocol) giao thức tầng giao vận 19 20 Mô tả mối quan hệ ba tầng, ta mô tả giao thức stack cho video streaming Hình 0.7 Với liệu phẳng, phía gửi, liệu truyền hình/truyền lấy đƣợc đóng gói tầng RTD Luồng đƣợc đóng gói RTD cung cấp thơng tin thời gian đồng nhƣ số thứ tự Luồng đóng gói RTD đƣợc truyền qua tầng UDP/TCP tầng IP Kết gói tin IP đƣợc chuyển thơng qua Internet Ở phía nhận, video streaming đƣợc thực ngƣợc lại trƣớc trình diễn Trong khối điều khiển, gói tin RTCP RTSP đƣợc dồn tầng UDP/TCP chuyển xuống tầng IP Hình 0.7: Giao thức stacks cho luồng truyền hình Cơ chế đồng video streaming Tính quan trọng phân biệt ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện ứng dụng liệu truyền thống khác tích hợp nhiều luồng để trình diễn Ví dụ, học từ xa, trình slide cần phải đồng với luồng âm (Hình 0.8) Nếu khơng slide hiển thị hình khơng thích hợp với âm giải thích giáo viên, khó chịu Với đồng video streaming, ứng dụng bên nhận hiển thị liệu theo cách mà chúng thƣờng đƣợc hiển thị Hình 0.8: Đồng hình tiếng Đồng video streaming việc bảo trì mối quan hệ tạm thời luồng liệu với số luồng truyền thông khác Có ba mức đồng gọi đồng luồng, đồng luồng đồng đối tƣợng - Đồng luồng luồng: tầng thấp truyền thông liên tục liệu thời gian thực tầng liệu truyền thông Đơn vị tầng truyền 20 21 thông khối liệu logic nhƣ frame truyền hình/truyền Đồng mức đƣợc gọi đồng luồng dƣ; bảo trì liên tục đơn vị liệu Không có đồng luồng dƣ, trình diễn luồng bị ngắt việc dừng sai khác - Đồng luồng: tầng hai liệu thời gian thực tầng luồng Đơn vị tầng luồng luồng Đồng tầng đồng luồng, có nhiệm vụ bảo trì mối quan hệ truyền thơng liên tục Khơng có đồng luồng, khơng khớp luồng gây lỗi Ví dụ, ngƣời dùng thấy khó chịu việc di chuyển mơi ngƣời nói khơng tƣơng ứng với âm - Đồng đối tượng: tầng cao tài liệu đa phƣơng tiện tầng đối tƣợng, mà kết hợp luồng liệu thời gian thực nhƣ chữ hình ảnh Đồng tầng gọi đồng đối tƣợng Mục đích bắt đầu kết thúc trình diễn thời gian thực khoảng thời gian vừa phải, điểm định nghĩa trƣớc đối tƣợng truyền thơng độc lập thời gian đạt đƣợc Khơng có đồng này, ngƣời xem việc trình diễn slide khó chịu tiếng bình cho slide slide khác hiển thị Video streaming đồng sau di chuyển từ máy chủ sang máy khác Có nhiều giai đoạn trình truyền; liệu đƣợc chuyển từ chỗ lƣu trữ tới ngƣời dùng Máy chủ lấy liệu từ thiết bị lƣu trữ gửi liệu lên mạng; mạng truyền liệu tới máy khách; máy khách đọc liệu từ tầng mạng trình diễn tới ngƣời dùng; hệ điều hành giao thức điều khiển hệ thống chạy truyền liệu Mỗi giai đoạn trình truyền thực nhiệm vụ ảnh hƣởng đến liệu theo cách khác Nó tạo độ trễ biến thiên độ trễ theo hành vi đốn trƣớc; khơng đốn trƣớc Độ trễ biến thiên độ trễ làm phá vỡ việc đồng mức Do đó, chế đồng truyền hình đƣợc u cầu nhằm đảm bảo chất lƣợng trình diễn Phần khó chế đồng mô tả liên kết tạm thời nhiều truyền thông Quan hệ tạm thời đƣợc mơ tả tự động hố tay hoá Trong trƣờng hợp ghi lại hiển thị liệu truyền thanh/truyền hình, mối quan hệ đƣợc tự động thiết bị ghi âm Trong trƣờng hợp trình diễn độc lập với liệu 21 22 truyền thông khác, mối quan hệ tạm thời cần phải đƣợc xác định tay Mơ tả tay đƣợc thiết kế hiển thị slide: lựa chọn slide tƣơng ứng để tạo âm xác định khối âm slide đƣợc trình diễn Bên cạnh việc xác định mối quan hệ tạm thời, việc đồng cần phải đƣợc hỗ trợ giai đoạn q trình truyền Ví dụ máy chủ lƣu trữ liệu lớn; mạng cung cấp băng thông hợp lý, độ trễ jitter mạng hợp lý với ứng dụng truyền thông đa phƣơng tiện; hệ điều hành ứng dụng cung cấp quy trình liệu đa phƣơng tiện Tuy nhiên, mạng Internet không hỗ trợ nhiều cho truyền thời gian thực Chính mà hầu hết chế nâng cao chất lƣợng đƣợc thực hệ thống điểm cuối, tầng ứng dụng Từ phần trên, ta nghiên cứu giai đoạn truyền thông ảnh hƣởng chúng tới chất lƣợng dịch vụ Tuy nhiên, xu hƣớng việc cải thiện chất lƣợng dịch vụ thƣờng đƣợc tiến hành chủ yếu tầng mạng Những công nghệ đƣợc sử dụng hệ thống cuối không cần hỗ trợ từ mạng Phần tiếp theo, ta nghiên cứu chế phân tán liệu tầng mạng nhằm nâng cao chất lƣợng dịch vụ truyền video streaming Dịch vụ phân tán liệu mạng Để nhằm mục đích tăng cƣờng chất lƣợng trình diễn đa phƣơng tiện, hỗ trợ mạng thật cần thiết Sự hỗ trợ mạng giảm độ trễ truyền thông tỷ lệ mát gói tin Tuy nhiên, hỗ trợ mạng Internet hạn chế, dịch vụ phân tán liệu đƣợc thiết kế để nâng cao thêm chất lƣợng dịch vụ việc truyền liệu truyền hình/truyền mạng Internet Các dịch vụ bao gồm lọc mạng, nhân nội dung multicast tầng ứng dụng Lọc mức mạng Nhƣ kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn, lọc mức mạng cố gắng đạt đƣợc chất lƣợng truyền thông tối đa điều kiện mạng tắc nghẽn Bộ lọc máy chủ truyền thơng điều chỉnh tỷ lệ truyền video streaming theo tình trạng tắc nghẽn mạng Tuy nhiên, máy chủ bận nên không điều khiển đƣợc Do đó, nhà cung cấp dịch vụ cung cấp lọc mức mạng Hình 0.9 mơ tả ví dụ việc áp dụng lọc nhƣ Các node đƣợc đánh nhãn “R” thông báo cho định tuyến thơng tin định dạng video streaming ngẫu nhiên vứt bỏ gói tin Node lọc nhận yêu cầu từ máy khách điều chỉnh luồng gửi máy chủ tƣơng ứng Giải pháp cho phép nhà cung cấp dịch vụ thay lọc node lọc mạng Hơn nữa, cung cấp nhiều lọc đƣờng từ máy chủ đến máy khách 22 23 Hình 0.9: Bộ lọc đặt lớp mạng Hình 0.10:Mơ hình hệ thống lọc mức mạng Để mơ vận hành lọc, mơ hình hệ thống đƣợc Hình 0.10 Mơ hình bao gồm máy chủ, máy khách lọc hai kênh ảo chúng Một kênh ảo dùng để điều khiển, kênh khác dùng cho liệu Các kênh tƣơng ứng tồn thành cặp với lọc Kênh điều khiển có hai hƣớng kết nối TCP Mơ hình máy khách kết nối với host (bộ lọc cuối cùng) mà chuyển yêu cầu thực yêu cầu chúng Sự vận hành lọc liệu phẳng bao gồm: - Nhận video streaming từ máy chủ lọc trƣớc - Thực yêu cầu - Truyền tiếp yếu cầu tới lọc trƣớc Thông thƣờng, lọc loại frame đƣợc sử dụng lọc tầng mạng Bên nhận chuyển bẳng thông video streaming gửi yêu cầu tới lọc để tăng/giảm tỷ lệ loại frame Để định xem lọc nên tăng hay giảm băn thông, bên nhận liên tục đo đạc tỷ lệ gói tin p Dựa vào tỷ lệ gói tin, chế điều khiển tỷ lệ đƣợc thực Nếu tỷ lệ gói tin lớn ngƣỡng α, máy khách yêu cầu lọc tăng tỷ lệ loại frame Nếu tỷ lệ thấp ngƣỡng khác β (β < α) bên nhận yêu cầu lọc giảm tỷ lệ loại frame Ƣu điểm lọc loại gói tin sử dụng tầng mạng bao gồm: 23 24 - Nâng cao chất lƣợng truyền thông: ví dụ video streaming từ kết nối luồng với băng thơng cịn lại nhiều tới kết nối luồng dƣới với băng thơng cịn lại hơn, sử dụng lọc loại frame điểm kết nối (giữa kết nối luồng dƣới kết nối luồng trên) nâng cao chất lƣợng truyền thơng Bời lọc hiểu định dạng video streaming loại bỏ gói tin theo cách tốt đảm bảo chất lƣợng luồng thay vào ngắt luồng - Hiệu băng thơng: lọc giúp lƣu trữ tài nguyên mạng việc loại bỏ frame tới trễ Nhân nội dung Một kỹ thuật quan trọng cho nâng cao độ mở rộng hệ thống truyền thông việc nhân nội dung/truyền hình Nhân nội dung có hai loại: lƣu trữ phản chiếu Cả hai loại tìm nội dung máy khác gần có ƣu điểm: - Giảm sử dụng băng thông kết nối mạng - Giảm tải máy chủ truyền thông - Giảm tiềm tàng máy khách - Tăng độ sẵn có Nhân phản chiếu lại file liệu máy khác mạng Do đó, file ban đầu đƣợc lƣu trữ máy chủ phiên nhiều máy khác Với cách này, máy tải đƣợc liệu máy chủ gần Phản chiếu có nhƣợc điểm định Cơ chế tạo nhân tốn kém, ad hoc chậm Ngoài ra, việc tạo phản chiếu máy chủ dù có rẻ ad hoc quy trình phức tạp Lưu trữ: dựa tin cậy máy khách, tài nhiều nội dung khác nhau, tạo nên phiên nội dung máy khách Thông thƣờng, trƣờng hợp đơn giản, máy khách tải tất nội dung từ máy đƣợc gọi lƣu trữ Lƣu trữ nhận file truyền thông từ máy chủ ban đầu, lƣu trữ máy sau truyền tới máy khách yêu cầu Nếu máy khách yêu cầu file truyền thông mà lƣu trữ có sẵn, lƣu trữ trả cục tới tận máy chủ ban đầu chứa file truyền thông Thêm vào đó, việc chia sẻ lƣu trữ phân cấp lƣu trữ cho pháp lƣu trữ truy cập file mà lƣu lƣu trữ khác có việc tải từ máy chủ ban đầu giảm tắc nghẽn mạng giảm 24 25 Để tăng tỷ lệ lƣu trữ giảm độ trễ phía máy khách, Kermode đề xuất sử dụng “dấu vết” (tiếng Anh: hint) để trợ giúp việc lƣu trữ việc tải liệu có kế hoạch Các dấu vết phân thành hai loại: vết nội dung vết ứng dụng Multicast tầng ứng dụng Các thiết kế trƣớc cho video streaming Internet thích hợp với cách truyền thơng unicast (điểm-điểm) nhƣ email, trao đổi file trình duyệt Web, nhƣng khó hỗ trợ hiệu với việc truyền nội dung lớn Chính mà chế truyền multicast dần thay với ƣu điểm vƣợt trội Nó giảm tải cho máy chủ node mạng đóng vai trị nhận liệu nguồn để tiếp tục truyền liệu sang node khác Áp dụng thực multicast tầng mạng “IP multicast” IP multicast có khả cung cấp hiệu việc truyền gói tin tới nhiều điểm Nó thực gửi gói tin theo dải vật lý địa IP Tuy nhiên, IP multicast có nhƣợc điểm tính mở rộng, quản lý mạng triển khai Để giải khó khăn trên, chế truyền multicast tầng ứng dụng đời Chi tiết đƣợc tham khảo TRUYỀN THÔNG MULTICAST Tìm hiểu multicast, ta thấy phƣơng pháp tầng ứng dụng đặc biệt thích hợp với ứng dụng video streaming thời gian thực có khả mở rộng cao, đến đƣợc nhiều ngƣời dùng.Nó tận dụng đƣợc ƣu điểm chia sẻ tài nguyên để giảm tải cho máy chủ, tăng băng thông, giảm độ trễ Tổng kết chương 0TỔNG QUAN VIDEO STREAMING trình bày tổng quan video streaming, sáu thành phần để video streaming đƣợc truyền từ nguồn sang bên nhận mà đảm bảo chất lƣợng dịch vụ tốt Để tăng chất lƣợng dịch vụ, ta tăng cƣờng ba giai đoạn: bên gửi; q trình truyền thơng bên nhận Trƣờng hợp tăng cƣờng chất lƣợng dịch vụ q trình truyền thơng đóng vai trò lớn dịch vụ hỗ trợ mạng nhƣ: dịch vụ lọc, multicast tầng ứng dụng nhân nội dung Nhiều nghiên cứu đƣợc đƣa để nhằm mục đích này, đặc biệt chế multicast tầng ứng dụng ƣu điểm tính mở rộng cao Để hiểu thêm giao thức truyền thông multicast, chƣơng sau giới thiệu tổng quan Multicast, tập trung vào Multicast tầng ứng dụng 25 26 TRUYỀN THƠNG MULTICAST Truyền thơng multicast cách thức truyền từ máy tính đến nhóm máy tính đƣợc định trƣớc Tập hợp máy tính thƣờng đƣợc gọi node truyền thông muticast Cây multicast đóng vai trị định tuyến giúp node mạng liên kết cách logic với Tuỳ theo chế, node phía truyền đồng thời đến node bên dƣới Multicast có hai loại multicast IP hay multicast tầng ứng dụng – multicast tầng phủ Khái niệm truyền tin multicast Multicast: công nghệ truyền tin mạng, để truyền thông tin tới nhóm máy biết trƣớc Nó sử dụng chế hiệu để gửi thông tin qua kết nối mạng, tạo phân chia tới nhiều đích Hình 0.1: Cơng nghệ truyền tin Multicast Có thể thấy multicast phƣơng pháp hữu hiệu máy muốn gửi liệu tới nhiều máy khác mạng Trong trƣờng hợp này, rõ ràng sử dụng multicast tiết kiệm băng thông đƣờng truyền nhƣ tài nguyên máy gửi so với sử dụng hình thức unicast Khi truyền tin multicast, multicast hình thành Node gốc máy gửi tin, node máy nhận tin Nhờ vào q trình định tuyến, có gói tin đƣợc gửi cạnh cây, đƣợc nhân node dọc theo thân multicast Các node thân định tuyến (tiếng Anh: router) máy đầu cuối, phụ thuộc vào giao thức truyền multicast khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 26 27 Phạm Duy Thăng (2009); “Giải pháp khắc phục lỗi truyền thông multicast dựa mạng ngang hàng CHORD”; Luận văn tốt nghiệp, Đại học Công nghệ, Trƣờng ĐH Quốc Gia Tiếng Anh Castro Miguel, Druschel Peter, Kermarrec Anne-Marie, Rowstron Antony (2002); “Scribe: A large-scale and decentralized application-level multicast infrastructure” Castro1 Miguel, Druschel Peter, Kermarrec Anne-Marie, Rowstron Antony, Nandi Animesh, Singh Atul; “SplitStream: High-Bandwidth Multicast in Cooperative Environments” Multicast http://en.wikipedia.org/wiki/Multicast Rhea Sean, Geels Dennis, Roscoe Timothy, and Kubiatowicz John (2003); “Handling Churn in a DHT”; University of California Stoica Ion, Morris Robert, Karger David, Kaashoek M.F, Balakrishnany Hari; “Chord: A Scalable Peer-to-peer Lookup Service for Internet Applications” Wu Dapeng, Hou Yiwei Thomas, Zhu Wenwu, Zhang Ya-Qin, Peha Jon M (2001); “Streaming Video over the Internet: Approaches and Directions” Yang Mengkun, Fei Zongming (2004); “A Proactive Approach to Reconstructing Overlay Multicast Trees”; Department of Computer Science, Universtiy of Kentucky Zehnder Stefan (2008);“ Live P2P Video Streaming Framework”; Bachelor Thesis, Department of Informatics, University of Zurich 27