2.4.3.2 Ảnh hưởng của hàng đợi tớch cực đối với chất lượng truyền video trờn mạng
Theo [19], một trong cỏc thước đo truyền thống để đỏnh giỏ chất lượng truyền dũng video (video streaming) trong mạng là xỏc suất mất gúi tin. Tuy nhiờn, đỏnh giỏ chất lượng truyền video chỉ dựa trờn xỏc suất mất gúi tin về mặt nào đú là chưa đầy đủ, đụi khi, việc truyền video
44
mặc dự cú xỏc suất mất gúi dữ liệu gần tương đương nhau nhưng vẫn cú thể cú cỏc cảm nhận về mặt chất lượng hoàn toàn khỏc nhau [84, 87]. Mặt khỏc, cơ chế quản lý hàng đợi sử được sử dụng rộng rói nhất trong Internet là Drop Tail do tớnh đơn giản của nú. Drop Tail cú thể gõy ra độ trễ, jitter lớn, và tổn thất gúi tin liờn tục cho cỏc dịch vụ streaming video do đú cú thể dẫn đến sự suy giảm chất lượng nghiờm trọng. Vỡ như chỳng ta đó trỡnh bày trong phần 1.3.3 do cấu trỳc mó húa liờn khung của cỏc tập tin video việc sử dụng hàng đợi Tai Drop cú thể gõy ra những tổn thất gúi tin dẫn đến sự suy giảm chất lượng hiển thị của video. Vỡ vậy sử dụng một số cơ chế quản lý hàng đợi tớch cực mới AQM để quản lý hàng đợi tại bộ định tuyến chẳng hạn như RED cú thể cải thiện chất lượng video tốt hơn. Việc RED bắt đầu loại bỏ gúi tin sớm ngẫu nhiờn từ khi kớch thước hàng đợi chưa đầy ngăn chặn việc tắc nghẽn nặng hơn so với DropTail.
Cho đến nay đó cú nhiều nghiờn cứu sử dụng cỏc cơ chế quản lý hàng đợi tớch cực để nõng cao chất lượng truyền video, chẳng hạn Jae Chung and Mark Claypool và cộng sự đó cú ý tưởng bổ sung thờm trọng số nhẹ, tớch hợp trong giải thuật AQM quản lý hàng đợi ưu tiờn dựa trờn bộ định tuyến Internet để cải thiện đỏng kể hiệu suất của video. Đề xuất này mở rộng RED bằng cỏch điều chỉnh tốc độ RED dựa trờn sự hỗ trợ ba lớp ưu tiờn và ỏp dụng nú để MPEG điều chỉnh tốc độ dựa trờn cỏc cơ chế AQM để phõn lớp ưu tiờn gúi tin video[24].
Năm 2011 Bor-Jiunn Hwang và cộng sự đó đề xuất một giải phỏp cải tiến hàng đợi tớch cực AQM gọi là (TSAQM-Traffic Sensitive Active Queue Management) quản lý hàng đợi tớch cực nhạy cảm lưu lượng cho cỏc ứng dụng multimedia tại cỏc router [18]. Cỏc TSAQM bao gồm chương trỡnh phõn bổ trọng số động (DWAS) và chương trỡnh đảm bảo dịch vụ (SGS). Mục đớch của DWAS là cỏch phõn bổ tài nguyờn cụng bằng với cỏc tiện ớch người dựng cuối cao và SGS để xỏc định ngưỡng thớch hợp (TH) và khoảng/miền ngưỡng (TR). Bờn cạnh đú, một thiết kế multiqueue với lưu lượng ưu tiờn khỏc nhau, ngưỡng TH và miền ngưỡng TR được đề xuất để đạt được cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau [18].
Bor-Jiunn Hwang và cộng sự đó chỉ ra cỏc thuật toỏn AQM hiện đang gặp những những vấn đề sau:
(1) Hầu hết cỏc thuật toỏn khụng thể đạt được cỏc yờu cầu độ trễ và thụng lượng cựng một lỳc. (2) Cỏc thuật toỏn AQM hầu như khụng xem xột đến cỏc đặc điểm luồng video mà chỉ cú chớnh sỏch phõn bổ băng thụng cụng bằng đồng nhất.
(3) Khụng xem xột cỏc thuộc tớnh dịch vụ multicast, dẫn đến hiệu quả băng thụng thấp và hệ thống kộm chất lượng video trung bỡnh.
(4) Cỏc thuật toỏn AQM hiện tại chỉ sử dụng điều chỉnh tốc độ loại bỏ gúi tin để khắc phục vấn đề tắc nghẽn. Tuy nhiờn, bờn cạnh việc điều chỉnh tốc độ loại bỏ gúi tin cũn cần xem xột mức độ tắc nghẽn, cỏc thuật toỏn AQM sẽ hiệu quả hơn khi đỏp ứng với lưu lượng dữ liệu khỏc nhau.
(5) Hầu hết cỏc thuật toỏn AQM khụng cú khả năng thớch ứng, những thuật toỏn phải được chỉnh sửa hay điều chỉnh một tập hợp cỏc thụng số để đỏp ứng tải trọng giao thụng đa dạng và khả năng liờn kết router.
(6) Một thỏch thức để vượt qua những vấn đề tắc nghẽn khi truyền luồng video là xem xột cỏc kỹ thuật mó húa video, hiệu quả băng thụng và cỏc yờu cầu QoS đối với cỏc luồng lưu lượng khỏc nhau để cho hiệu năng vượt trội hơn.
45
2.5 Kết luận chương 2
Hiện tượng tắc nghẽn xảy ra trong mạng đặc biệt với cỏc mạng đa luồng cú sự tham gia của cỏc luồng õm thanh, hỡnh ảnh và video là vấn đề khú trỏnh khỏi, do đú điều khiển tắc nghẽn trong cỏc ứng dụng multimedia ngày càng trở nờn cấp thiết. Trong khi giải phỏp về phần cứng (tăng tài nguyờn cho mạng) cũn hạn chế thỡ giải phỏp điều khiển trỏnh tắc nghẽn bằng cỏch sử dụng cỏc thuật toỏn, cỏc giao thức lại cú tớnh khả thi.
Một thập kỷ gần đõy một xu thế nổi bật trong việc trỏnh tắc nghẽn, nõng cao hiệu năng và chất lượng dịch vụ của cỏc ứng dụng trờn mạng Internet là cỏc giải thuật quản lý hàng đợi tớch cực AQM – Active Queue Managenment. Cỏc giải thuật này cho phộp đỏp ứng nhanh chúng với cỏc thay đổi của mạng tại cỏc nỳt mạng làm cho nỳt mạng thớch ứng với mụi trường mạng đa luồng.
Chương này đó nờu tổng quan về cỏc cơ chế quản lý hàng đợi, cơ chế quản lý hàng đợi bị động, cơ chế quản lý hàng đợi tớch cực và vai trũ của cơ chế quản lý hàng đợi tớch cực trong truyền phỏt video trờn mạng. Cũng trong chương này đó trỡnh bày kiến trỳc CQS, phõn loại cỏc phương phỏp quản lý hàng đợi.
Trong chương tiếp theo chỳng tụi sẽ đi sõu vào nghiờn cứu phõn tớch giải thuật quản lý hàng đợi tớch cực RED đề xuất cải tiến RED để nõng cao chất lượng dịch vụ truyền video trờn mạng mỏy tớnh.
46
Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN Lí HÀNG ĐỢI RED
3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED
3.1.1 Giải thuật RED
Giải thuật RED lần đầu tiờn được Sally Floyd và Van Jacobson [63] đề xuất cho chức năng quản lý hàng đợi tớch cực (AQM), sau đú nú được chuẩn hoỏ lại theo yờu cầu của IETF[15]. RED cú khả năng chống hiện tượng đồng bộ toàn cục trờn toàn thể cỏc luồng TCP, duy trỡ khả năng thụng qua cao cũng như độ trễ thấp cựng với cỏch đối xử cụng bằng qua đa kết nối TCP. Một trong những lý do làm cho tỷ lệ mất gúi tin cao là do thiếu cơ chế kiểm soỏt và điều khiển luồng. Để sớm phỏt hiện tắc nghẽn và hỗ trợ bỏo tắc nghẽn cho trạm nguồn, tổ chức chuẩn IETF khuyến cỏo sử dụng cơ chế quản lý hàng đợi tớch cực RED tại cỏc bộ định tuyến trờn mạng Internet.
Khi cú dấu hiệu của tắc nghẽn xảy ra trong mạng, cỏc hàng đợi của router được điền đầy và router bắt đầu loại bỏ cỏc gúi. Đối với cỏc luồng lưu lượng TCP thỡ đõy là tớn hiệu để bắt đầu pha khởi đầu chậm để làm giảm tải trong mạng và làm dịu tắc nghẽn. Cú hai vấn đề nan giải trong mạng: thứ nhất, cỏc gúi bị mất sẽ phải được truyền lại, việc này làm tăng tải trong mạng đồng thời phỏt sinh ra trễ cỏc luồng lưu lượng. Vấn đề thứ hai là hiện tượng đồng bộ toàn cục trờn toàn thể cỏc luồng TCP. Với lưu lượng dạng bú, cỏc hàng đợi được điền đầy và cỏc gúi đến sau bị loại bỏ. Kết quả là nhiều kết nối TCP bị ảnh hưởng và chyển sang chế độ khởi đầu chậm. Việc cú nhiều kết nối TCP cựng chuyển sang chế độ khởi đầu chậm tại một thời điểm và cựng thoỏt khỏi chế độ này do đú sẽ gõy ra thờm cỏc bú lưu lượng lớn.
Một giải phỏp xử lý việc cú nhiều lưu lượng dạng bú đến router là xõy dựng cỏc bộ đệm đủ lớn để cú thể giữ được cỏc bú lưu lượng này, do đú trỏnh việc phải loại bỏ cỏc gúi. Nhưng giải phỏp này khụng khả thi vỡ bộ đệm càng lớn thỡ độ trễ hàng đợi càng lớn, làm giảm chất lượng dịch vụ và nếu cú quỏ nhiều bú lưu lượng lớn đến liờn tiếp thỡ kớch thước hàng đợi sẽ khụng đủ lớn để giữ được tất cả cỏc lưu lượng này, do vậy dễ gõy ra tắc nghẽn. Một giải phỏp tối ưu để giải quyết tắc nghẽn là thụng bỏo cho cỏc thực thể gửi của cỏc luồng TCP tại thời điểm bắt đầu xảy ra tắc nghẽn bằng cỏch loại bỏ sớm gúi tin, như vậy trạm nguồn nhận biết thụng qua sự kiện bị “time out”, hoặc nhận được “duplicate ACK” và trạm nguồn giảm tốc độ gửi gúi tin vào mạng. Xỏc suất loại bỏ gúi tin sớm phụ thuộc vào kớch thước trung bỡnh hàng đợi và hai ngưỡng minth, maxth. Do đú trong trường hợp tắc nghẽn thỡ giảm tải lưu lượng TCP trong mạng mà khụng được đồng bộ toàn luồng. Đõy chớnh là giải phỏp của thuật toỏn RED.
Bộ định tuyến cài đặt RED (Random Early Detection- Phỏt hiện sớm ngẫu nhiờn) tớnh toỏn kớch thước hàng đợi trung bỡnh dựa trờn dựa trờn bộ lọc thụng thấp và trung bỡnh dịch chuyển cú trọng số tăng theo hàm mũ (EWMA- Exponential Weighted Moving Average). Kớch thước hàng đợi trung bỡnh được so sỏnh với hai giỏ trị ngưỡng: mức ngưỡng nhỏ nhất và mức ngưỡng lớn nhất: minth, maxth .
47