1.3.1 Giới thiệu các phương thức cơ bản:
Cho tới nay có 3 phương thức truyền phát các nội dung video trên Internet chủ yếu là IP-Unicast và IP-Multicast, Broadcast
1.3.1.1 IP-Unicast.(Phát đơn bá)
Hình 1.5: IP-Unicast
Phát đơn bá nghĩa là gửi đi cho mỗi đầu thu một luồng. Đơn bá không thể hiện việc sử dụng hiệu quả một cách đặc biệt băng thông nhưng nó cho phép các người dùng, bằng cách sử dụng các chức năng của RTSP, xem các phần khác nhau của nội dung kênh hoặc xem nhiều bộ phim khác nhau cùng một lúc. Những người xem thường hay mở một kênh đơn bá bằng cách mở một RTSP URL.
IP-Unicast thực hiện nguyên tắc truyền 1-1, một máy phát, một máy thu. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ quản lý. Tuy nhiên nhược điểm lớn của phương pháp này là khi số người sử dụng lớn sẽ gây ra hiện tượng nghẽn tại băng thông phía server ( hiện tượng bottle-neck).Do vậy, phương pháp này chỉ thích hợp với các ứng dụng có ít người truy cập tại cùng một thời điểm. Hơn nữa, trong trường hợp tất cả các client cùng yêu cầu dữ liệu giống nhau thì việc truyền như trên gây nhiều lãng phí băng thông mạng. Các gói tin giống nhau được truyền lặp đi lặp lại nhiều lần, trong khi băng thông của server lại hạn chế.
Vì thế, người ta nghĩ đến phương pháp truyền multicast để khắc phục nhược điểm của IP-unicast.
1.3.1.2 IP- Multicast.(Phát đa bá)
Hình 1.6: IP-multicast
Phát đa bá nghĩa là gửi đi chính xác là một bản sao của luồng, không phải trên toàn bộ mạng lưới (như trong quảng bá) mà chỉ theo các nhánh của mạng lưới nơi một hoặc nhiều người xem đang có nhu cầu xem. Theo cách này, băng thông khả dụng của mạng được sử dụng một cách hiệu quả hơn. Đa ba đòi hỏi phần mềm định tuyến khá phức tạp sao cho cho phép máy chủ lặp lại các luồng theo như yêu cầu của các máy khách. Người dùng của một luồng đa bá không có quyền điều khiển đối với nội dung kênh truyền thông. Giống như trong quảng bá, lựa chọn của họ chỉ đơn giản là xem hoặc không xem. Thiết bị chủ của người dùng (tức là PC, PDA, v.v..) giao tiếp với bộ định tuyến gần nhất (chứ không phải với máy chủ phát luồng) để lấy về bản sao của luồng. các người dùng có thể tìm kiếm thông tin trên các chương trình đa bá bằng cách tải về tệp Giao thức Mô tả Phiên (SDP). Tệp SDP có thể được nhúng trong trang web của nhà cung cấp dịch vụ.
IP Multicast cho phép truyền dữ liệu từ một máy phát (sender) đến nhiều máy thu, nhưng không giống như IP Unicast, con số các bản dữ liệu giống nhau để truyền đi được giảm ở mức tối thiểu. Tất cả các máy thu của một nhóm multicast (lớp mạng D) được cài đặt cấu hình giống nhau. Giao thức được sử dụng trong truyền thông IP Multicast được thực hiện tại các Router mạng, không phải trong các máy chủ
(Server). Router hỗ trợ multicast sẽ tự động nhân bản các gói tin để truyền tới những người trong nhóm multicast.
IP-multicast mặc dù được phát triển từ những năm 80 của thế kỉ 20, nhưng cho đến nay vẫn chưa được triển khai rộng rãi, đặc biệt là giữa các miền ISP khác nhau. IP- multicast thường chỉ được triển khai trong một mạng con của một ISP nào đó, do một số hạn chế sau:
9 IP-multicast đòi hỏi router phải hỗ trợ các giao thức multicast. Với hạ tầng mạng được xây dựng từ lâu, có rất ít các router hỗ trợ cho multicast.
9 Khó khăn trong việc xử lý địa chỉ multicast.
Để có thể thu được và hiển thị các dòng truyền thông IP Multicast, các máy thu (Receiver) (khách hàng) cần đáp ứng một số yêu cầu sau:
9 Hỗ trợ truyền thông IP Multicast theo nhóm giao thức TCP/IP;
9 Cài đặt phần mềm hỗ trợ giao thức mạng Internet IGMP để gửi các yêu cầu hủy bỏ hay tham gia kết nối multicast đến các máy thu multicast trong nhóm; 9 Card giao diện mạng có thể lọc một cách hiệu quả các địa chỉ lớp kết nối dữ
liệu mạng LAN được ánh xạ từ n địa chỉ.
Về mặt chức năng, IP-multicast cho phép mở rộng số người sử dụng một cách hiệu quả. Mặc dù lớp mạng multicast là hiệu quả, nó không phải là triển khai rộng rãi vì những lý do sau đây. Đầu tiên, lớp mạng đòi hỏi các bộ định tuyến multicast để duy trì một nhóm nhà nước, trong đó giới thiệu độ phức tạp cao tại tầng IP. Các lớp mạng multicast thiết lập một cây trong nội bộ định tuyến với những người sử dụng như là lá của cây. Mặc dù lớp mạng multicast là hiệu quả, nó không phải là triển khai rộng rãi vì những lý do sau đây. Đầu tiên, lớp mạng đòi hỏi các bộ định tuyến multicast để duy trì một nhóm, trong đó giới thiệu độ phức tạp cao tại lớp IP. Thứ hai, đó là khó khăn cho tầng vận chuyển để cung cấp điều khiển luồng và điều khiển tắc nghẽn trong các lớp mạng. Nó thiếu khả năng mở rộng liên quan đến độ phức tạp. Do đó, mạng multicast không phải là một giải pháp khả thi để cung cấp các dòng video đến tất cả các users.
1.3.1.3 Broadcast(phát quảng bá)
Hình 1.6 mô tả quá trình truyền broadcast bản tin từ một nguồn tới tất cả các máy trong mạng
Hình 1.7: IP- Broadcast
Phát quảng bá (hiểu trong môi trường mạng) nghĩa là gửi đi một bản sao của luồng trên toàn bộ mạng. chỉ một luồng được gửi tới tất cả các máy chủ (host) trên mạng. Hầu hết các mạng LAN nhỏ đều hỗ trợ quảng bá nhưng Internet thì không cho phép làm điều đó. Việc phát quảng bá không cho phép người xem điều khiển các luồng (tức là không có các chức năng VCR). Không có phản hồi từ người dùng trở về máy chủ.
Kiểu truyền dẫn này cho phép truyền gói tin từ server tới tất cả các máy trên một mạng con. Kiểu truyền dẫn chỉ được thực hiện trong mạng phạm vi hẹp, vì rất tốn tài nguyên băng thông. Nếu những người sử dụng nằm trong các ISP riêng biệt, cách xa nhau thì không thể thực hiện phương pháp này, do sẽ làm nghẽn mạng bởi sự tràn ngập các bản tin broadcast. Do đó Broadcast chỉ thực hiện ở một phạm vi hẹp.
1.3.2 Công nghệ CDN ( content delivery network)
Nguyên nhân ra đời của CDN là để giải quyết tình trạng “thắt cổ chai” giữa client / server. Để giải quyết vấn đề như vậy các hệ thống CDN khác tạo ra một hệ thống
network gồm nhiều server có data giống nhau và đồng bộ, những server này đặt ở nhiều nơi khác nhau trên thế giới, chúng còn được gọi là Cache Server hoặc Replica Server. Khi 1 user request lên server thì nó ko thực hiện request này mà sẽ request cho một cache server gần user nhất để truyền dự liệu mà user cần.
Hình 1.8: Hệ thống CDN
Ngoài mục đích chính nâng cao bandwidth cao nhất của user đến server, cải thiện tuyệt vời tốc độ load dữ liệu, một ưu điểm nhỏ khác là: sẽ có nhiều server backup, các server có thể thay nhau hoạt động ngay lập tức nếu có 1 server nào đó bị mất kết nối.
Hình 1.9: Cách phân chia dữ liệu từ server trung tâm ra các server lưu trữ
Việc chịu tải của server trung tâm đã phân tán ra nhiều server khác nhau, do đó nâng cao khả năng đáp ứng cho đông người sử dụng.
Ưu điểm: chính nâng cao băng thông cao nhất của user đến server, cải thiện tuyệt vời tốc độ tải dữ liệu, có nhiều server dự phòng, các server có thể thay nhau hoạt động ngay lập tức nếu có một server nào đó bị hỏng.
Trong công nghệ CDN, các video streaming được phân phối bởi các bên thứ ba, được gọi là CDN chẳng hạn như Akamai , triển khai nhiều máy chủ tại các cạnh của Internet. Người dùng có thể yêu cầu các video từ máy chủ phù hợp nhất. CDN hiệu quả rút ngắn của người sử dụng sự chậm trễ khởi động, làm giảm lưu lượng truy cập trên mạng WAN. Tuy nhiên, chi phí cho phương pháp tiếp cận CDN là khá cao kể từ khi các nhà điều hành CDN phí nhà cung cấp video cho mỗi megabyte phục vụ
1.4. Công nghệ truyền hình IPTV.
IPTV là công nghệ truyền dẫn hình ảnh kỹ thuật số tới người sử dụng (NSD) qua Internet băng rộng. Ngoài các dịch vụ truyền hình quảng bá thông thường, Video theo yêu cầu (Video on Demand – VoD), IPTV còn hỗ trợ sự tương tác giữa người xem với chương trình và đây cũng chính điểm đặc biệt và hấp dẫn nhất của IPTV.
Không đơn thuần là truyền hình như truyền hình cáp truyền thống, IPTV là một tổng thể chuỗi các dịch vụ truyền hình có tính tương tác. Ngoài việc tự do lựa chọn chương trình truyền hình hay phim muốn xem, NSD có thể tham gia các cuộc hội thảo từ xa, chơi game, mua hàng qua TV hoặc viết blog video (vlog), nhắn tin qua TV. xin giới thiệu một số nét đáng chú ý của công nghệ này, để so sánh với công nghệ của mạng P2P.
Hình 1.10 Mô hình kiến trúc cung cấp dịch vụ IPTV
IPTV là sự kết hợp giữa IP-multicast và CDN. CDN là một phần quan trọng trong các giải pháp IPTV, hệ thống CDN giúp cải thiện tới người sử dụng (NSD) thông qua khả năng bảo mật, duy trì thông tin và đáp ứng thời gian nhỏ nhất. Hơn thế nữa, giải pháp CDN giúp tiết kiệm băng thông, việc phân phối nội dung từ điểm gần NSD nhất sẽ giúp giảm đến mức nhỏ nhất băng thông cho mạng kết nối chéo (cross- network) qua đó nâng cao các thông số của mạng. Việc phân phối dữ liệu từ một hay một số trung tâm có thể sẽ dẫn đến tắc nghẽn và khó quản lý tải, CDN giúp giảm tải và trễ cho server thông qua việc phân phối nội dung tới các nút biên. Có thể nói CDN là chìa khóa cho việc phân phối các tệp video lớn – một vấn đề lớn trong các giải pháp IPTV. Dưới đây xem xét 2 giải pháp CDN của ZTE và Cisco.
1.4.1 Giải pháp CDN của ZTE
Kiến trúc mạng CDN của ZTE
Hệ thống CDN BIV của ZTE gồm một nút trung tâm và một số nút biên, có thể chia thành hai hoặc ba mức tùy theo quy mô mạng. Bằng cách khai thác hệ thống kiến trúc phân phối có thể quản lý việc danh mục và phân phối nội dung trong các cụm. Mỗi nút gồm một bộ quản lý hoặc tác nhân CDN, một số máy chủ cung cấp Video theo yêu cầu VoD (Video of demand) và các ma trận đĩa (Hình 1.10).
Các máy chủ VoD và ma trận đĩa có thể được bổ sung vào mỗi nút mạng một cách linh động để đáp ứng các yêu cầu về dung lượng lưu trữ ngày càng tăng.
Hệ thống gồm nhiều cụm (các nút) máy chủ video. Các máy chủ VoD (Video of Demand) lưu các tệp video, xử lý các luồng video và phân phối các luồng này theo yêu cầu của các hoạt động máy ghi hình VCR trong quá trình xử lý VoD. Nó cũng có nhiệm vụ phân phối các dịch vụ truyền thông như: xem TV trực tuyến, NVoD (Near Video on Demand), TV chuyển theo thời gian và NPVR (Network Personal Video Recording). Khoảng cách của dãy đĩa cũng được chia sẻ giữa các máy chủ VoD trong cùng một cụm VoD. Máy chủ quản lý trong nút trung tâm được gọi là bộ quản lý CDN và máy chủ quản lý trong nút biên gọi là tác nhân CDN. Bộ quản lý CDN phổ biến tất cả các nội dung và kiểm soát cân bằng tải giữa các nút biên. Tác nhân CDN có nhiệm vụ chuyển giao nội dung, quản lý trong một nút biên và cân bằng tải của các máy chủ.
Hình 1.11 : Kiến trúc hệ thống CDN của ZTE
Máy chủ quản lý CDN gồm một bộ quản lý và một tác nhân nhân các yêu cầu VoD từ NSD, sau đó truyền danh mục nội dung và quản lý các máy chủ VoD theo chính sách cân bằng tải. Các chương trình được ghi lại được lưu trong các đĩa cục bộ hoặc ở xa. Trong các mạng viễn thông quy mô lớn, mối quan hệ ràng buộc đối xứng hai chiều có thể được sử dụng để lập bảng nội dung giữa các nút liên quan hoặc được cấu hình cho chế độ làm việc dự phòng/tích cực đối với lập nội dung của toàn bộ mạng.
Các công nghệ chính trong mạng phân phối video ZXBIV
Mạng phân phối video VDN (Video Distribution Network) là hệ thống phân phối và quản lý video phân tán được tích hợp trong mạng dữ liệu. Dựa trên kiến trúc biên trung tâm (central-edge), có thể đưa nội dung video đến các nút biên trong khi sử dụng các công nghệ chuyển hướng ứng dụng và cân bằng tải toàn bộ để bảo đảm NSD cuối có thể xem chương trình đã yêu cầu mà không có trễ.
Các phương pháp phân phối video
Hệ thống CDN ZXBIV tối đa hóa hiệu quả mạng trong việc chuyển giao nội dung qua ba kỹ thuật chính gồm đẩy (push), kéo (pull) và phản ánh (mirror). Push nghĩa là hệ thống có thể đẩy chương trình từ một nút tới nút khác theo các quy luật phân phối định sẵn. Quá trình này cũng có thể được thực hiện bằng tay. Pull được chấp nhận khi nút A không thể đáp ứng yêu cầu VoD của một thuê bao nào đó. Nút A sẽ kéo nội dung tương ứng từ nút trung tâm để phục vụ thuê bao.
Mirror cung cấp chức năng phản ánh nội dung và đồng bộ hóa bằng cách thiết lập mối quan hệ phản ánh giữa máy chủ VoD nguồn và máy chủ VoD đích.
Kỹ thuật lập lịch nội dung
Hệ thống CDN ZXBIV hỗ trợ hai kỹ thuật lập lịch nội dung chương trình cho các nhà khai thác và kỹ thuật lập lịch đối xứng hai chiều giữa các nút CDN. Trong hệ thống lập lịch đối xứng hai chiều, mỗi nhóm máy chủ video có thể đẩy nội dung tới các nhóm máy chủ video khác hoặc ngược lại nhận nội dung từ các nhóm máy chủ video khác. Kỹ thuật đẩy hai chiều giữa các nút CDN và các nút trung tâm đảm bảo sự lưu hành hợp lý của nội dung.
9 Chính sách phân phối theo yêu cầu: Những nội dung liên quan được phân bổ theo các nhà khai thác, các ứng dụng và hoàn cảnh mua.
9 Chính sách phân bổ theo thời gian: Các kế hoạch định sẵn theo thời gian phân bổ 9 Chính sách phân bổ tự động: Tự động thu thập các thống kê liên quan đến nội
dung và phân bổ theo tính phổ biến của nội dung.
9 Chính sách phân bổ theo phân loại: Thiết lập những tần số phân bổ khác nhau dựa vào nội dung.
9 Chính sách phân bổ phân cấp (Hierarchical): Thiết lập các tấn số phân bổ cho các đối tượng khác nhau theo các phân cấp khác nhau của nội dung.
9 Chính sách phân bổ và mua chương trình: Các nhà khai thác có thể mua các chương trình từ nhà cung cấp chương trình người mà có thể xây dựng các chính sách phân bổ theo ký kết mua hàng.
9 Chính sách ưu tiên: Các nhà khai thác khác nhau có những ưu tiên về phân bổ khác nhau về nội dung và tần số phân bổ.
Kỹ thuật cân bằng toàn bộ
Hệ thống CDN ZXBIV với mục tiêu cân bằng tải nhiều mức có thể tự động cấp phát và thực hiện cân bằng tải giữa các nút VoD được phân bổ mà không cần sử dụng chuyển mạch lớp 4, máy chủ DNS và thiết bị của đối tác thứ ba khác. Trong lớp logic, kỹ thuật cân bằng có thể chia thành cân bằng tải toàn bộ và cân bằng tải đặc biệt bên trong các nút CDN. Hai kỹ thuật này bổ sung cho nhau để cung cấp các dịch vụ chất lượng cao khi người sử dụng IPTV. Có một bộ quản lý CDN ở trung tâm CDN và một tác nhân CDN trong mỗi nút CDN biên. Bộ quản lý CDN có thể sắp xếp các dịch vụ linh hoạt theo lưu lượng trong nút và vị trí thuê bao để cân bằng tải của toàn bộ mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. Các quy tắc cấp phát gồm:
9 Cấp phát dựa trên quy mô mạng: Thiết bị có thể lựa chọn tác nhân CDN gần nhất để gửi một yêu cầu. Việc lựa chọn có thể là cấp phát tĩnh dựa trên địa chỉ