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

Nghiên cứu cải thiện phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP Nghiên cứu cải thiện phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP Nghiên cứu cải thiện phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, chưa công 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 Tơi xin gửi lời tri ân tới quý thầy Bộ mơn Truyền thơng mạng máy tính Viện Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng 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 Mơ 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 khuôn 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 thơng 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO A TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] [2] [3] [4] [5] [6] Cao Diệp Thắng, Nguyễn Hoàng Chiến, Đỗ Tuấn Hạnh (2013) Đánh giá chất lượng truyền video môi trường wireless LAN Tạp chí khoa học & cơng nghệ trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp, No.1-2013, tr.19-24 Đặng Trung Thành, Trần Phan Huy Hiển, Tạ Hải Tùng, Đặng Văn Chuyết, (2007) Đánh giá chất lượng dịch vụ đa phương tiện elearning công cụ BKME Chun san cơng trình nghiên cứu triển khai Viễn thơng CNTT, Kỳ 3, 2-2007, tr.66-75 Nguyễn Đình Việt (2003) Đánh giá hiệu suất mạng thông tin máy tính, Luận án tiến sĩ tốn học (2004) Tích hợp chế điều khiển gói báo nhận quản lý hàng đợi điều khiển lưu thông mạng Chuyên san "Các cơng trình nghiên triển khai Viễn thơng Cơng nghệ thơng tin", Tạp chí Bưu Viễn thông, số 11, tr.41-48 Võ Thanh Tú (2005) Nghiên cứu phát triển kỹ thuật đánh giá nâng cao hiệu mạng Internet, Luận án tiến sĩ toán học Võ Thanh Tú (2012) Mạng truyền liệu nâng cao Giáo trình sau đại học, Nhà xuất Đại học Huế B TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] (2012), YUV video sequences (CIF), [Online] Available: http://trac-e.eas.asu.edu/yuv/ A video sequences (CIF), [Online] http://www.tkn.tuberlin.de/research/evalvid/cif.html A Tamhankar, K.R Rao (2003) Overview of H.264 / M PEG-4 Part 10 Video/Image Processing and Multimedia Communications, 2003 4th EURASIP Conference focused on (Volume:1 ), 2003, pp 1-51 Abdeljaber H., Thabtah F., Woodward M., Hadi W., (2007) Linear analysis for a BLUE congestion control algorithm using a discrete-time queue, Proceedings of the 3rd International Conference on Information Technology ICIT, Amman, Jordan, 2007 http://www.zuj.edu.jo/conferences/ICIT07/ Alex MacAulay, Boris Felts, Yuval Fisher (2005) Whitepaper – IP Streaming of MPEG-4: Native RTP vs MPEG-2 Transport Stream, October 2005 Andrew S Tanenbaum (2011) Computer Networks, Fifth edition Prentice-Hall, 2011 Anshul Kantawala , Efficient Queue Management for TCP Flows , August 3, 2001, pp 1-17 B SUTER ET AL., (1998) Efficient Active Queue Management for Internet Routers Proc Eng Conf at Interop 98, Las Vegas, NV, May 1998, pp 10-21 B Braden, J Crowcroft, B Davie, S Deering, D Estrin, S Floyd, V Jacobson, G Minshall, C Partridge, L Peterson, K Ramakrishnan, S Shenker, J Wroclawski and L Zhang (1998) Recommendations on queue management and congestion avoidance in the Internet, IETF RFC 2309 (April 1998) 118 [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] B Zheng, M Atiquzzaman (2006) DSRED: A New Queue Management Scheme for the Next Generation Networks IEICE Trans on Communications, Vol E89-B, No 3, 2006, pp 764-774 Bahri Okuro g lu and Sema Oktu g , Active Queue Management Algorithms: BLUE vs RED, http://www.oocities.org/bahrio/thesis/446-3888209348.pdf.gz Bor-Jiunn Hwang,1 I-Shyan Hwang,2 and Pen-MingChang2 (2011) QoS-Aware Active Queue Management for Multimedia Services over the Internet EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, pp.1-12 Boyce, J.M and R D Gaglianello (1998) Packet Loss Effects on MPEG Video Sent Over the Public Internet InChi: Proc of the ACM Multimedia 98 1998, pp 181-190 C.-H.Ke (2011) An advanced simulation tool-set for video transmiss-ion performance evaluation http://hpds.ee.nc-ku.edu.tw/smallko/ns2/ Chengyu Zhu, Oliver W.W.Yang, James Aweya, Michel Ouellette, Delfin Y Montuno (2002) A Comparison of Active Queue Management Algorithms Using OPNET Modeler Communications Magazine, IEEE (Volume:40, Issue: ), 2002, pp 158167 Chikkerur, S., Sundaram (2011) V.: Objective Video Quality Assessment Methods: A Classification, Review, and Performance Comparison IEEE transactions on broadcasting, Vol 57, No (2011), pp 165-182 Chitra K., Padamavathi Dr G (2010) Classification and Performance of AQM-Based Schemes for Congestion Avoidance International Journal of Computer Science and Information Security (IJCSIS), Vol.8, No.1.2010, pp 331-340 Chung Jae and Claypool Mark (2003) Analysis of Active Queue Management Network Computing and Applications – NCA, 2003, pp 359-366 Comer, D.E.: Internetworking with TCP/IP Vol I: Priziples, Protocols, and Architecture, Third Edition, Prentice Hall (1995) Donald Gross, Carl M Harris (1998) Fundamentals of Queueing Theory WileyInterscience, 1998 Dr T.Karthikey and B Subramani (2014), A New Congestion Control Algorithm Based on Novel AQM, International Journal of Computer Science and Information Technologies, Vol (3) , 2014, pp 4440-4443 Feng Wu-chang, Shin Kang G., Kandlur Dilip D and Saha Debanjan (2002) The Blue Active Queue Management Algorithms IEEE/ACM Transactions on Networking., Vol 10, No 4, 2002, pp 513-528 Floyd S., Ramakrishna G., Shenker S., (2001) Adaptive RED: An algorithm for increasing the robustness of RED’s active queue management, Technical report, ICSI, August 1, 2001 http://www.icir.org/floyd/papers/adaptiveRed.pdf G.F.Ali Ahammed, Reshma Banu (2010) Analyzing the Performance of Active Queue Management Algorithms IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.2, No.2, (2010) pp 1-19 Gamal Attiya and Heba El-Khobby, (2012) Improving Internet Quality of Service through Active Queue Management in Routers, IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol 9, Issue 1, No 2, January 2012, pp 279- 286 Giuliano Casale, et all (2005) Performance Issues in Video Streaming Environments, Workshop on Techniques, Methodologies and Tools for Performance Evaluation of Complex Systems 2005, pp 3-14 H Abdel-jaber, M Woodward, F Thabtah and M Al-diabat (2007) Modelling BLUE Active Queue Management using Discrete-time Queue Vol I WCE 2007, London, U.K, July 2-4, 2007, pp 568-573 119 [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] Hantro Products Oy, Oulu, Finland (2001) MPEG4 Codec Overview.1 ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N4030 March 2001- http://www.hantro.com Islam, S., Morshed, N., Islam, S., Azam (2011) M.: An Experimental Analysis of Random Early Discard (RED) Queue for Congestion Control International Journal of Computer Applications, Vol 15, No.2 (2011), pp 18-21 ISO/IEC 14496: Information technology – Coding of audio-visual objects, 2001 ISO-IEC/JTC1/SC29/WG11 Coding of Moving Pictures and Audio Ivo Adan and Jacques Resing, (2001) Queueing Theory, Department of Mathematics and Computing Science Eindhoven University of Technology, The Netherlands February 14, 2001 J F Kurose, K W Ross (2005) Computer networking: a top-down approach featuring the Internet, third edition, Pearson Education, 2005 Jorgen Larsen (2006) Probability Theory Statistics, Roskilde University, 2006 José M Martínez (UAM-GTI, ES) (2003) MPEG-7 Overview ISO/IEC JTC1/SC29/WG11N5525 Pattaya, March 2003 - http://www.mp7c.org/ Julio Orozco, David Ros, (2003) An Adaptive RIO (A-RIO) Queue Management Algorithm, IRISA Institutde Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires, France 2003 Springer, 2003, pp 11-20 Jyoti Pandey, Aashish Hiradhar, (2014) A Survey on AQM Control Mechanism for TCP/IP Flow, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, Volume 4, Issue 4, April 2014 , pp 548-550 K Zhou, K Yeung, V Li (2006) Nonlinear RED: a simple yet efficient active queue management scheme Computer Networks: The Int Journal of Computer and Telecommunications Networking, Vol 50, No 18, 2006, pp 3784-3794 Kevin Fall, Kannan Varadhan (2010) The ns Manual The VINT Project Klaue, B Rathke, and A Wolisz (2003) EvalVid, A Framework for Video Transmission and Quality Evaluation 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana, IllinoiChis, USA, September 2003, pp 255-272 Krunz, M and Tripathi (1997) S.K.: On the Characterization of VBR MPEG Streams In: Proc of the ACM Sigmetrics 97 (1997), pp 192-202 Ligang Lu, Zhou Wang, Alan C Bovik, and Jack Kouloheris (2002) Full-reference video quality assessment considering structural distortion and no-reference quality evaluation of mpeg video Multimedia and Expo, 2002 ICME '02 Proceedings IEEE International Conference on (Volume:1 ), 2002, pp 61-64 Lin Dong, Morris Robert (1997) Dynamics of Random Early Detection Proceedings of ACM SIGCOMM, Vol.27 1997, pp 127-137 M Allman, V Paxson and W Stevens (1995) TCP Congestion Control April 1999, RFC 2581 M Natarajan and V Santhi (2011) Active Queue Management Algorithm for TCP Networks Congestion Control European Journal of Scientific Research ISSN 1450216X Vol.54 No.2 2011, pp 245-257 M R P Seeling and B Kulapala (2004) Network Performance Evaluation using frame size and quality traces of single-layer and two-layer video: A Tutorial IEEE Communications Surveys and Tutorials., vol 6, no 2, 2004, pp 58-78 Mark A Masry and Sheila S Hemami (2003) CVQE: A Metric for Continuous Video Quality Evaluation at Low Bit Rates Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 5007, 2003, pp 116 – 127 120 [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] Minjuan Cheng, Xiaoming Ma, (2012) Performance Evaluation of Queue Management Methods for Congestion Control, Journal of Information & Computational Science 2012 pp 1599–1608 Mofleh Al-diabat et al, (2011), Analytical models based discrete-time queueing for the congested network, International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing, Vol 3, No (2012) 1150004 (22pages) Nabhan Hamadneh, A thesis for the degree of doctor of Philosophy, Analysis and Design of Active Queue Management for TCP-RED Congestion Control Strategies 2012 NS, The network simulator – NS-2, http://www.isi.edu/nsnam/ns [accessed 17 Jun 2007] Omid Seifaddini, Azizol Abdullah and Hamid Vosough, (2013), Red, Gred, Agred congestion control algorithms in heterogeneous traffic types, Proceedings of the 4th International Conference on Computing and Informatics, ICOCI 2013, pp 139-143 P Seeling (2007) Video traces for network performance evaluation: a comprehensive overview and guide on video traces and their utilization in networking research Springer, 2007, pp.59-66 P.Le Callet (2006) No reference and reduced reference video quality metric for ent to end QoS monitoring IEICE Trans Commun., Vol E85-A/B/C/D, No february 2006, pp 289-296 Patel, S, (2013) Performance analysis and modeling of congestion control algorithms based on active queue management, 2013, Signal Processing and Communication (ÍICSC, 2013 Internqational Conference on Dec 2013, pp 449-454 Recommendation E.800 S Floyd and v Jacobson (1993) Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance IEEE/ACM Trans Net., vol 1, no 4, Aug 1993, pp 397–413 S Floyd, Notes on testing RED implementation, http://www.icir.org/floyd/papers/redtesting, (October 1996) S Ryu, C Rump and C Qiao (2003) Advances in Internet congestion control IEEE Communications Surveys and Tutorials 5(1) 2003, pp 28–39 Sally Floyd (2001) A Report on Some Recent Developments in TCP Congestion Control IEEE Magazine, April 2001, pp 84-90 Sam Liang, David Cheriton (2002) Using TCP for Real Time Multimedia Applications Distributed Systems Group, Stanford University, 2002, pp 1-20 Saurabh Sarkar, Mrs Geeta Sikka, Ashish Kumar Department of CSE, Classification of Active Queue Management Algorithms for Application Specific Traffics, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, Vol 2, May 2012, pp 115-124 Seungwan ryu*, Christopher Rump, Chunming Qiao (2004) Advances in Active Queue Management (AQM) Based TCP Congestion Control Telecommunication Systems 25:3,4, pp 317–351 Shakeel Ahmad, Adli Mustafa, Bashir Ahmad, Arjamand Bano and Al-Sammarraie Hosam (2009) Comparative study of congestion control techniques in high speed networks, IJCSIS Vol.6, No 2, 2009, pp 222-231 Shih.Fu Chang and A Vetro (2005) Video adaptation: concepts, technologies, and open issues In Proceedings of the IEEE, Vol 93, 2005, pp 148-158 Simpson, Wes (2008) Video Over IP IPTV, Internet Video, H.264, P2P, Web TV, and Streaming: A Complete Guide to Understanding the Technology Published by Elsevier Inc 2008 121 [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] Stefan Winkler (2005) Digital video quality: vision models and metric Wiley, 2005 Stefan Winkler and Ruth Campos (2003) Video Quality Evaluation for Internet Streaming Applications Proc SPIE 5007, Human Vision and Electronic Imaging VIII, 104 (June 12, 2003), pp 104-115 Stephan Wenger (2003) H.264/AVC Over IP IEEE transactions on circuits and systems for video technology, vol 13, no 7, july 2003, pp 645-656 T Bhaskar Reddy, Ali Ahammed and Reshma banu (2009), Performance Comparison of Active Queue Management Techniques Journal of Computer Science (12): 10201023, 2008, pp 1020-1023 The code, scripts and documentation are available at http://home.lanl.gov/sunil-/ns/nsblue.tar.gz Thiruchelvi G, Raja J (2008) A Survey On Active Queue Management Mechanisms International Journal of Computer Science and Network Security (IJCSNS), Vol.8 No.12, 2008, pp 130-145 Toru Yamada, Yoshihiro Miyamoto, and Masahiro Serizawa (2009) Video-quality estimation based on reduced-reference model employing activity-difference IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences; ISSN:0916-8508; Vol.2009; NO.12, 2009, pp.3284-3290 V Firoiu and M Borden (2000) A study of active queue management for congestion control Proceeding of IEEE INFORCOM 2000, vol 3, Tel-Aviv, Israel, Mar 2000, pp 1435-1444 V Jacobson (1988) Congestion Avoidance and Control Proc ACM Sigcomm’88, Aug 1988, pp 314 – 329 V Paxson and S Floyd, Wide-area traffic: The failure of Poisson modeling, inProc ACM SIGCOMM, Aug 1994, pp 257–268 Visvasuresh Victor Govindaswamy, Gergely Záruba, G Balasekaran (2005), Complementing Current Active Queue Management Schemes with Receiver-Window Modification (RWM), Technical Report CSE-2005-6 Wolfinger, B.E and M.Zaddach (2001) Techniques to Improve Quality-of Service in Video Communiations via Best-Effort Networks In:Proc of ICN’2001 2001, pp 754765 Wu-chang Feng et al, (1999), BLUE: A New Class of Active Queue Management Algorithms Technical Report, University of Michigan April 1999 CSE-TR-387-99, Wu-chang Feng et al, (2001) BLUE: An Alternative Approach to Active Queue Management Proceedings of the 11th international workshop on Network and operating systems support for digital audio and video, 2001, pp 41-50 X Xiao, L M Ni (1999) Internet QoS: A Big Picture IEEE Network, vol 13, no 2, March/April 1999, pp 8-18 Xiaoyan Wang, (2006) A thesis for the degree of doctor of Philosophy Active Queue Management for Real-time IP Traffic, Department of Electronic Engineering, Queen Mary University of London ZHAO Min-cheng et al, (2012) Context-aware adaptive active queue management mechanism for improving video transmission over IEEE 802.11E WLAN, The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications Vol 19, Oct 2012, pp 65-72 122 PHỤ LỤC Phụ lục 1.1 Phần mềm NS-2 NS2 phần mềm mã mở mô mạng điều khiển kiện riêng rẽ hướng đối tượng, phát triển UC Berkely, viết ngôn ngữ C++ OTcl NS2 hữu ích cho việc mơ mạng diện rộng (WAN) mạng local (LAN) Các lợi ích lớn NS-2 đem lại cho thực nghiệm mô mạng là: - Khả kiểm tra tính ổn định giao thức mạng tồn - Khả đánh giá giao thức mạng trước đưa vào sử dụng - Khả thực thi mơ hình mạng lớn mà gần ta thực thi thực tế - Khả mô nhiều loại mạng khác Kết sinh ra: Các tập tin mô tập tin ghi vết mạng phân tích đánh giá phần mềm khác Trong luận án tác giả sử dụng NS-2 phiên 2.29.3 1.2 Khung làm việc EVALVID Tập tin video YUV gốc Tập tin vết lưu lượng Bộ mã hóa Video Mơi trường mô NS2 Mô đun phát video Tập tin vết máy nhận vết lưu lượng phát Tập tin vết máy gửi Giao thức mô phát UDP Mô đun đánh giá chất lượng video đầu cuối theo PSNR Giao thức mô nhận UDP Thực thể phát Mô mạng Thực thể nhận Độ trễ, mát gói tin mô mạng Mô đun đánh giá tập tin vết Bộ giải mã Video Mô đun phục hồi lỗi Tập tin video YUV tái tạo lại Các gói tin video lỗi tập tin video lỗi sau giải mã Hình a.1 Khung làm việc EVLVID đánh giá chất lượng truyền video Evalvid khung làm việc để đánh giá chất lượng truyền video Klaue cộng cơng bố năm 2003 EvalVid có mục tiêu khung làm việc nhà nghiên cứu muốn đánh giá thiết kế mạng thiết lập họ mặt người dùng cảm nhận chất lượng video Bộ công cụ công bố công khai mạng.[43] a Bảng a Các cơng cụ khung làm việc EVALVID [43] Công cụ mpeg4encoder.exe Mô tả Mã hóa file video sang dạng MPEG-4 video mp4.exe Tạo kích thước khung hình dấu vết tập tin tập tin mã hóa từ bước trước Các Agent mở rộng Mở rộng NS-2 để mơ q trình truyền video mạng IP et.exe Từ Evalvid để tái tạo lại video sau truyền fixyuv.exe Chèn khung bị thiếu bị hay đến muộn để video gửi nhận có số lượng khung psnr.exe Tính tốn giá trị PSNR b Phụ lục Cấu hình mạng sử dụng đối sánh tổng hợp kiểm định giả thuyết thống kê Hình b.1 Cấu hình mạng mơ tổng hợp + 01 luồng video phát file video Akio.yuv, từ nút n0 đến n1 +Có 60 luồng UDP : từ nút su1 ru60 + 40 Luồng TCP : từ nút st1 rt40 + Băng thông R1 - R2 thay đổi từ: 545 Mbps Bảng b1 Trích thơng số tập tin vết mơ video Akio.yuv có 300 khung hình Thứ tự khung hình Kiểu khung hình Kích thước khung hình Số gói tin UDP Thời gian gửi (ms) 10 11 … I P B B P B B P B B I … 15940 1671 211 221 1939 301 226 2195 279 291 16116 … 16 1 1 1 16 … 0.038 0.255 0.257 0.258 0.259 0.260 0.261 0.360 0.362 0.363 0.441 … c Từ bảng b.2 đến bảng b.6 trình bày kết thu tiến hành mô truyền file video akio.yuv cấu hình mạng hình b.1 phục lục với giải thuật BLUE, BLUE-U, VBLUE, EBLUE BLUE-VPT Bảng b.2 So sánh độ trễ trung bình băng thơng R1 – R2 Độ trễ (ms) Bandwidth (Mbps) BLUE-U BLUE-VPT BLUE VBLUE EBLUE 0.0360042 0.0361042 0.0352042 0.0353042 0.0359042 10 0.0370553 0.0373553 0.0361553 0.0369553 0.0369553 15 0.0282622 0.0286622 0.0275622 0.0279622 0.0281622 20 0.0260956 0.0264956 0.0258456 0.0250956 0.0259956 25 0.0248924 0.0249924 0.0241724 0.0241924 0.0247924 30 0.0243964 0.0245964 0.0239764 0.0239964 0.0241964 35 0.0223327 0.0225327 0.0218327 0.0219327 0.0221327 40 0.021969 0.021169 0.019869 0.019969 0.020969 45 0.018991 0.019091 0.016891 0.017891 0.018891 Bảng b.3 Tỷ lệ gói tin sử dụng giải thuật quản lý hàng đợi BLUE-U, BLUE-VPT, BLUE, EBLUE BLUE-VPT Tỷ lệ gói tin Bandwidth (Mbps) BLUE-U 10 15 20 25 30 35 40 45 BLUE EBLUE VBLUE 0,240121 0,245313 BLUEVPT 0,210121 0,215313 0,310121 0,298313 0,290121 0,285313 0,300121 0,288313 0,221421 0,203484 0,171141 0,13121 0,091324 0,081734 0,081612 0,211421 0,193484 0,17111 0,12121 0,090324 0,080734 0,079612 0,283121 0,263121 0,191219 0,15031 0,112124 0,093112 0,092112 0,271421 0,253484 0,181141 0,14121 0,095124 0,082734 0,082612 0,274421 0,259984 0,183848 0,14891 0,101124 0,088734 0,086612 d Bảng b.4 Tỷ lệ gói tin video giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT, BLUE, EBLUE VBLUE Tỉ lệ gói tin video Bandwidth (Mbps) BLUE-U BLUE-VPT BLUE EBLUE VBLUE 10 15 0,230121 0,225919 0,211498 0,2001208 0,1953133 0,1814521 0,3001 0,2973 0,2811 0,288121 0,284313 0,267430 0,298121 0,283312 0,271420 20 25 30 35 40 45 0,197486 0,160641 0,121811 0,088324 0,071734 0,071612 0,1734864 0,1511100 0,1002602 0,0800043 0,0700391 0,0655191 0,2611 0,1902 0,1500 0,1111 0,0930 0,0920 0,251484 0,178142 0,138210 0,091124 0,080734 0,080612 0,256984 0,181848 0,145910 0,100125 0,086735 0,083612 Bảng b.5 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) Kích thước hàng đợi router R1 (số gói tin) 100 BLUE-U BLUE-VPT BLUE EBLUE VBLUE 0.91883 0.91963 0.91421 0.91663 0.91563 200 0.92539 0.92639 0.92221 0.92439 0.92339 300 0.92757 0.92757 0.92362 0.92657 0.92557 400 0.93876 0.93976 0.93221 0.93776 0.93476 500 0.94882 0.94982 0.94121 0.94782 0.94482 600 0.94988 0.95065 0.94411 0.94965 0.94665 700 0.95116 0.95216 0.94744 0.95016 0.94916 800 0.95341 0.95441 0.95233 0.95141 0.94541 900 0.95722 0.95922 0.95232 0.95622 0.95522 Mức độ sử dụng đường truyền Bảng b.6 Giá trị PSNR(dB) nhận sử dụng giải thuật quản lý hàng đợi R1 Khung hình (n) BLUE-U BLUE-VPT BLUE EBLUE VBLUE 23,4 22,7 23,5 23,7 21,3 21,7 23,4 22,7 23,1 21,7 PSNR(dB) e Khung hình (n) 96 97 98 99 100 199 200 201 202 297 298 299 … PSNR(dB) BLUE-U BLUE-VPT BLUE EBLUE VBLUE 22,9 22,9 33,37 34,99 34,99 34,42 34,67 41,63 41,99 40,84 41,11 35,9 35,9 35,9 … 23,9 23,9 … 33,37 34,99 34,99 35,42 35,67 … 43,63 43,99 43,84 43,11 … 39,9 39,9 39,9 … 21,5 20,1 … 33,37 34,69 34,59 34,32 34,07 … 41,13 41,8 40,84 41,01 … 34,3 34,1 34,6 … 22,4 22,4 … 33,37 34,99 34,99 34,42 34,67 … 41,63 41,89 40,84 41,01 … 35,3 35,1 35,5 … 22,4 21,4 … 33,37 34,99 34,99 34,42 34,67 … 41,63 41,8 40,84 41,01 … 34,3 34,1 34,6 … Trong bảng b.7, b.8 trình bày trích file vết video forman.yuv, 400 khung hình lấy từ thư viện mẫu file video bachkhoa.yuv, 1126 khung hình, file tác giả tự quay chuyển định dạng mpeg4, yuv công cụ Evalvid phần mềm ffmpeg Bảng b7 Trích thơng số tập tin vết mơ video formeance.yuv Thứ tự khung hình … 107 108 109 110 111 112 113 … 117 118 119 120 121 122 123 124 125 … Kiểu khung hình … I B B P B B P … B B P B B P B B I … Kích thước … 2987 412 347 777 383 408 1037 … 537 470 641 314 320 669 436 366 3218 … Số gói tin UDP … segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at … segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at … Thời gian gửi (ms) … 3571 ms 3604 ms 3637 ms 3670 ms 3703 ms 3736 ms 3769 ms … 3901 ms 3934 ms 3967 ms 4000 ms 4033 ms 4066 ms 4099 ms 4132 ms 4165 ms … f Bảng b8 Trích thơng số tập tin vết mơ video bachkhoa.yuv Thứ tự khung hình Kiểu khung hình Kích thước khung hình Số gói tin UDP … … … … Thời gian gửi (ms) … 998 999 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 … I B B P B B P B B I B B P B B P B B … 12021 2014 2033 3446 2176 2356 3698 2489 2620 11859 1943 2172 2770 1593 2383 2788 1409 1471 … 13 segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at 12 segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at segm at … 33096 ms 33129 ms 33162 ms 33195 ms 33228 ms 33261 ms 33294 ms 33327 ms 33360 ms 33393 ms 33426 ms 33459 ms 33492 ms 33525 ms 33558 ms 33591 ms 33624 ms 33657 ms … Bảng b.9 trích kết giá trị PSNR(dB) tính tốn mơ truyền file foreman.yuv cấu hình mạng hình b.1, phụ lục 2, sử dụng giải thuật cải tiến Vi-RED để đối sánh với giải thuật RED gốc Bảng b.9 Giá trị PSNR(dB) nhận mơ video foremance.yuv Khung hình (n) … 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 PSNR(dB) RED … 17,35 16,41 16,37 20,05 20,5 31,34 31,88 32,79 32,36 31,61 ViRED … 18,35 18,41 18,37 20,65 20,7 31,64 31,98 32,99 32,76 31,81 g Khung hình (n) 150 151 152 153 154 155 156 … PSNR(dB) RED 32,35 31,13 31,99 31,1 31,27 31,59 31,33 … ViRED 32,65 31,73 32,19 31,5 31,64 31,79 31,83 … Bảng b.10 trích kết giá trị PSNR(dB) tính tốn mơ truyền file foreman.yuv cấu hình mạng hình b.1, phụ lục 2, sử dụng giải thuật cải tiến BLUEVPT để đối sánh với giải thuật BLUE gốc Bảng b.10 Giá trị PSNR(dB) nhận mô video foremance.yuv Khung hình (n) … 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 … PSNR(dB) BLUE … 16,12 16,14 16,15 16,33 16,34 16,3 21,94 22,43 33,6 33,19 33,17 33,68 33,04 33,91 33,43 33,28 33,3 33,56 33,05 … BLUE-VPT … 20,12 20,14 20,15 20,33 20,34 20,3 21,94 23,43 34,6 34,19 34,17 34,68 34,04 33,91 34,43 34,68 34,38 34,59 34,05 … Bảng b.11 trích kết giá trị PSNR(dB) tính tốn mơ truyền file bachkhoa.yuv cấu hình mạng hình b.1, phụ lục 2, sử dụng giải thuật cải tiến BLUEVPT để đối sánh với giải thuật BLUE gốc h Bảng b.11 Giá trị PSNR(dB) nhận mơ video foremance.yuv Khung hình (n) … 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 … PSNR(dB) BLUE-U … 16,12 16,14 16,15 16,33 16,34 16,3 21,94 22,43 33,6 33,19 33,17 33,68 33,04 33,91 33,43 33,28 33,3 33,56 33,05 … BLUE-VPT … 20,12 20,14 20,15 20,33 20,34 20,3 21,94 23,43 34,6 34,19 34,17 34,68 34,04 33,91 34,43 34,68 34,38 34,59 34,05 … i Phụ lục Thử nghiệm mô xác định giá trị  hàm u Khi định nghĩa hàm tuyến tính u để điều chỉnh xác suất đánh dấu hay loại bỏ gói tin q trình thử nghiệm, chúng tơi phát lấy giá trị α lớn nhỏ 0.02 giá trị ảnh hưởng đến chất lượng truyền video thể qua độ đo PSNR(dB) số gói tin video bị q trình truyền video qua thử nghiệm mơ với cấu hình mạng trình bày luận án, phụ lục file vết video akio.yuv kết thử nghiệm thu với giá trị khác α lấy lân cận 0.02 thể bảng c.1 đây: Thử nghiệm giải thuật cải tiến ViRED 90 lần với giá trị α lấy lân cận 0.02 có kết thử nghiệm bảng Bảng c.1 Tỷ lệ gói tin thử nghiệm với giá trị α lấy lân cận 0.02 Packet loss rate Bandwidth (Mbps) α=0.01 α=0.015 α=0.02 α=0.025 α=0.03 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0.280241 0.268021 0.247162 0.231271 0.213468 0.199456 0.159326 0.151231 0.133342 0.278243 0.254118 0.231534 0.221223 0.203442 0.193564 0.152463 0.149262 0.128393 0.266243 0.244008 0.212154 0.201234 0.193421 0.173454 0.132323 0.123232 0.113323 0.277441 0.255114 0.232513 0.229113 0.202941 0.195569 0.153411 0.149661 0.128682 0.281245 0.269120 0.246961 0.232273 0.214467 0.199100 0.159412 0.152155 0.134141 Trên bảng c.1, ta thấy tỷ lệ gói tin α = 0.02 thấp nhất, thử nghiệm với giá trị α > 0.02 α < 0.02, tỷ lệ gói tăng lên, hay nói khác giá trị α = 0.02 tối ưu hàm u, tỷ lệ gói tin đạt kết thấp NCS thử nghiệm giá trị lân cận α = 0.02 đinh hàm u tác động đến độ đo chất lượng video khách quan mô phỏng, kết thể bảng Bảng c.2 Giá trị PSNR(dB) trung bình ứng với giá trị lân cận α = 0.02 PSRN(dB) trung bình Bandwidth (Mbps) α=0.01 α=0.015 α=0.02 α=0.025 α=0.03 40 29.91979 30.02871 31.12979 30.03968 29.87561 Khi thử nghiệm 50 lần với giá trị lân cận α = 0.02, băng thông R1-R2 40 Mbps, thấy kết thể bảng cho thấy α = 0.02, ViRED đem lại kết giá trị trung bình PSNR(dB) cao Từ đưa khuyến nghị chọn giá trị α = 0.02 a ... 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