Nâng cao chất lượng truyền video streaming trên mạng ngang hàng có cấu trúc

Video streaming theo yêu cầu là hình thức người dùng tải dữ liệu về các thiết bị lưu trữ của mình, do đó có thể thực hiện các thao tác tua, dừng.... Khác với video streaming theo yêu cầu

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

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 5

Chương 1: TỔNG QUAN VIDEO STREAMING 8

1.1 Video streaming 8 1.2 Nén truyền hình 9 1.3 Máy chủ luồng – streaming server 12 1.4 Điều khiển chất lượng tại điểm phát và nhận 13 1.5 Giao thức video streaming 18 1.6 Cơ chế đồng bộ video streaming 19 1.7 Dịch vụ phân tán dữ liệu trên mạng 21 1.8 Tổng kết chương 24 Chương 2: TRUYỀN THÔNG MULTICAST 25

2.1 Khái niệm về 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 mô hình truyền tin multicast tầng ứng dụng Error! Bookmark

not defined.

2.5 Tổng kết chương Error! Bookmark not defined.

Chương 3: VIDEO STREAMING TRÊN DHT P2PError! Bookmark not defined.

3.1 Mạng ngang hàng DHT Error! Bookmark not defined.

3.2 Video streaming trên DHT P2P – CHORD Error! Bookmark not

defined.

3.3 Nghiên cứu liên quan Error! Bookmark not defined.

3.4 Tổng kết chương Error! Bookmark not defined.

Chương 4: BỐI CẢNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁPError! Bookmark not defined.

4.1 Bối cảnh và vấn đề video streaming trên 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 chương Error! Bookmark not defined.

Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁError! Bookmark not defined.

5.1 Ứng dụng video streaming trên CHORD Error! Bookmark not

defined.

5.2 Triển khai giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực Error! Bookmark

not defined.

5.3 Môi trường thực nghiệm Error! Bookmark not defined.

5.4 Đánh giá kết quả Error! Bookmark not defined.

Chương 6: KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Chuyển đổi cosin rời rạc Đây là mã hoá/giải

mã phục vụ cho việc nén dữ liệu

DHT Distributed Hash Table Bảng băm phân tán Một trong các cơ chế

quản lý node trong mạng ngang hàng có cấu trúc

IGMP Internet Group

Giao thức gán địa chỉ IP trong IP Multicast

MTU Maximum transit unit Đơn vị truyền thông tối đa Nó đƣợc dùng để

tính toán thông lƣợng, phục vụ điều chỉnh tỷ

P2P Peer to Peer Mạng ngang hàng

QoS Quality of Services Chất lƣợng dịch vụ

RTT Round trip time Thời gian đi một vòng của một kết nối Nó

VCR Video – Caset –

Recorder

Chức năng của máy ghi âm – đài – video gồm dừng, tạm dừng/trình diễn tiếp, tua nhanh lùi/tiến, chạy ngẫu nhiên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sáu thành phần của video streaming dữ liệu 8

Hình 1.2: a) Mã hóa không mở rộng b) Giải mã không 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 bộ giữa hình và tiếng 19

Hình 1.9: Bộ lọc được đặt trong lớp mạng 22

Hình 1.10:Mô hình hệ thống của bộ lọc mức mạng 22

Hình 2.1: Công nghệ truyền tin Multicast 25

Hình 2.2: Phân loại truyền thông Multicast Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Bộ định tuyến trong truyền tin multicast tầng mạng Error! Bookmark not defined.

Hình 2.4: Truyền thông multicast tầng mạng và tầng ứng dụng Error! Bookmark not defined.

Hình 2.5: Giao thức Narada Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Mạng phủ 7 node (a) và cây multicast xây tương ứng (b) Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1: Mô hình mạng ngang hàng thuần Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Vòng tròn Chord với 3 node và lưu trữ 4 khóa Error! Bookmark not defined.

Hình 3.3: Mạng Chord với các bảng finger Error! Bookmark not defined Hình 3.4: Sơ đồ một mạng Chord với 9 node tham gia Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5: Truyền thông multicast trên mạng Chord Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6: Sơ đồ cây multicast tương ứng với mạng Chord Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7: Ví dụ một 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 hiện lỗi thực Error! Bookmark not defined Hình 4.4: Định vị node lỗi Error! Bookmark not defined Hình 4.5: 3 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 trên Chord Error! Bookmark not defined.

6

MỞ ĐẦU

Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ của Internet, do yêu cầu truyền thông đa phương tiện trên Web ngày càng nhiều, video streaming trên internet đã thu hút nhiều sự chú ý Vào những thập niên 80s, 90s, video streaming bắt đầu ra đời và phát triển theo hai hướng chính: video streaming theo yêu cầu (tiếng Anh: video-on-demand) và video streaming thời gan thực (tiếng Anh: live video streaming) Video streaming theo yêu cầu là hình thức người dùng tải dữ liệu về các thiết bị lưu trữ của mình, do đó có thể thực hiện các thao tác tua, dừng Các ứng dụng nổi tiếng của loại hình truyền thông này như YouTube, BiTorrent Khác với video streaming theo yêu cầu, trong video streaming thời gian thực, dữ liệu được truyền trực tiếp từ các thiết bị ghi thu dữ liệu tại nguồn phát và hiển thị trực tiếp tại bên nhận Với tính chất thời gian thực và cung cấp cho nhiều người sử dụng cùng một lúc, các ứng dụng truyền hình trực tuyến, hội thảo trực tuyến, dạy học trực tuyến, chat conference (Skype) ngày càng được nhiều người sử dụng cũng như các nhà nghiên cứu quan tâm Luận văn cũng phát triển theo xu hướng này

Video streaming thời gian thực có những ràng buộc về băng thông cao, độ trễ thấp, tỷ lệ mất gói tin thấp để đáp ứng những yêu cầu về chất lượng hiển thị hình ảnh âm thanh cao Tuy nhiên, video streaming trên Internet đang có những khó khăn nhất định Thứ nhất, việc áp dụng trên mô hình máy Chủ-Khách truyền thống không đáp ứng được nhu cầu do tài nguyên của máy chủ có hạn, dữ liệu truyền thông đa phương tiện thường lớn, máy chủ rất khó có khả năng cung cấp được cho nhiều người dùng Thứ hai, băng thông của Internet chưa được cao và đồng đều, việc tập trung vào máy chủ sẽ gây ra tải lớn, hiệu ứng "nút cổ chai" gây tắc nhẽn, gói tin không thể truyền đến hoặc không kịp thời gian hiển thị Chính vì vậy mà video streaming trên Internet dần dần thay thế mô hình Chủ - Khách sang truyền thông multicast tầng ứng dụng trên mạng ngang hàng

Truyền thông video streaming trên mạng ngang hàng, đặc biệt là mạng ngang hàng

có cấu trúc, có rất nhiều ưu điểm Mạng ngang hàng hay còn gọi là mạng đồng

7

đẳng, xoá đi ranh giới giữa máy chủ-máy khách; các máy có trách nhiệm như nhau trong việc sử dụng tài nguyên và xử lý dữ liệu Chính vì vậy sẽ giải quyết khó khăn giảm tải cho máy chủ Thứ hai, mạng ngang hàng có cấu trúc cung cấp tính năng mở rộng cao Bất cứ node mạng nào cũng có thể tham gia dễ dàng Do đó có thể cung cấp dịch vụ video streaming cho nhiều người sử dụng hơn và cũng tận dụng được nhiều tài nguyên hơn Thứ ba, nó không tốn chi phí quản lý bởi mạng ngang hàng cung cấp những phương thức các node quản lý lẫn nhau Tuy nhiên, triển khai video streaming thời gian thực trên mạng ngang hàng cũng không tránh khỏi những khó khăn

Khó khăn chính là hiện tượng các node ra vào rất linh động, lỗi có thể thường xuyên xảy ra khiến cho các gói tin truyền thông có thể mất đi, hoặc không đến được bên nhận đúng thời gian trình diễn Mất gói tin hoặc không đến kịp thời sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ mất gói tin, độ trễ của việc trình diễn dữ liệu tiếng/hình ở bên nhận; khiến cho thông tin hiển thị không đúng, không đẹp mắt Nhằm mục đích nâng cao chất lượng video streaming trên mạng ngang hàng có cấu trúc, luận văn

đi sâu vào việc giải quyết hiện tượng node ra/vào và lỗi trong mạng ngang hàng có cấu trúc

Giải pháp đưa ra là khôi phục lỗi thời gian thực Điểm mới của giải pháp là dựa vào dữ liệu truyền thông video streaming, phát hiện lỗi tức thời và chính xác dựa vào thời gian timeout Thời gian này được tính dựa vào mô hình thông kê hành vi quá khứ của mỗi node mạng nên đảm bảo sự chính xác và phù hợp

Giao thức được triển khai trên mạng ngang hàng có cấu trúc Chord Dựa trên cấu trúc mạng phủ Chord, khi có yêu cầu truyền video streaming, các node sẽ liên kết thành cây multicast Trong quá trình truyền tin, nếu có sự thay đổi trên cây

multicast, phương pháp khôi phục lỗi thời gian thực sẽ khắc phục sự thay đổi đó, tránh ảnh hưởng đến việc truyền tin

Bên cạnh cơ chế khôi phục lỗi định kỳ của mạng Chord, giải pháp sẽ giúp tìm lỗi

vầ khôi phục lỗi nhanh hơn trong quá trình truyền thông Điều đó sẽ tránh được việc mất mát gói tin trong khi truyền, khiến cho chất lượng thông tin bên nhận

8

được cải thiện Giao thức được thực hiện bằng ngôn ngữ C#, triển khai thí nghiệm trên mạng LAN

Để tìm hiểu về giải pháp, nội dung luận văn gồm 6 chương:

0 TỔNG QUAN VIDEO STREAMING

Giới thiệu sáu thành phần trong video streaming như nén; điều khiển chất lượng dịch vụ tại điểm phát/nhận; dịch vụ phân tán dữ liệu trên mạng; máy chủ luồng; các cơ chế đồng bộ và giao thức video streaming Sáu thành phần trên sẽ điều khiển luồng video streaming từ nguồn đến đích, đồng thời, tại mỗi thành phần cũng

có các cơ chế nâng cao chất lượng Để hạn chế, luận văn phát triển theo hướng dịch vị phân tán dữ liệu, cụ thể là multicast tầng ứng dụng

0 TRUYỀN THÔNG MULTICAST

Nối tiếp từ chương 1, chương 2 giới thiệu truyền thông mạng ngang hàng

multicast Xác định những ưu điểm, nhược điểm của hai cách thức truyền thông multicast IP và multicast tầng ứng dụng Từ những ưu nhược điểm đó, multicast tầng ứng dụng triển khai vào mạng ngang hàng có cấu trúc có những khó khăn gì Những nội dung của chương 2 sẽ tiếp nối với chương 3 để dẫn dắt vào vấn đề video streaming trên mạng ngang hàng có cấu trúc

Error! Reference source not found.Error! Reference source not found

Chord là đại diện nổi tiếng của mạng ngang hàng có cấu trúc băm phân tán Ở chương này, ta sẽ tìm hiểu sâu cách thức quản lý node, gia nhập/ thoát khỏi mạng,

cơ chế nhận biết và khắc phục lỗi trong Chord Sau đó kết hợp với chương 2, giới thiệu video streaming bằng giao thức truyền thông multicast trên mạng Chord Chương cũng đưa ra một số nghiên cứu liên quan

Error! Reference source not found Error! Reference source not found

Dựa vào chương 3, chương 4 phân tích bối cảnh để đưa ra đề xuất khôi phục lỗi thời gian thực Từ mục tiêu giải pháp sẽ trình bày chi tiếp từ thiết kế đến các thành phần cho giải pháp

Error! Reference source not found.Error! Reference source not found

Trong chương 5, ta sẽ triển khai giải pháp khôi phục lỗi thời gian thực trên một ứng dụng truyền video streaming của mạng Chord Sau đó ta sẽ thực hiện triển khai trên môi trường thực nghiệm để so sánh việc áp dụng giải pháp và không áp dụng giải pháp trên một số thông số Dựa vào kết quả so sánh sẽ đánh giá tính khả thi của giải pháp

Error! Reference source not found

Đưa ra kết luận; đánh giá khả năng áp dụng thực tế của giải pháp

Sự phát triển về công nghệ thông tin, công nghệ nén, các thiết bị lưu trữ băng thông cao và mạng với tốc độ nhanh đã làm cho các dịch vụ truyền video

streaming thời gian thực ngày càng trở lên linh động trên mạng Internet Video streaming thời gian thực có các yêu cầu về băng thông, tỷ lệ mất gói tin, độ trể để

có thể hiển thị hình ảnh thực với chất lượng tốt

Tuy nhiên, Internet hiện nay không thể cung cấp một chất lượng dịch vụ đủ đảm bảo có thể video streaming trên Internet Như vậy, cơ chế thiết kế, các giao thức về video streaming trên Internet có rất nhiều thách thức

Ta sẽ phân tích sâu về video streaming để hiểu cách thách thức đó Video

streaming bao gồm sáu thành phần then chốt quan hệ như hình dưới

Hình 0.1: Sáu thành phần của video streaming dữ liệu

Dữ liệu truyền hình và truyền thanh thô được nén trước bằng các giải thuật nén truyền hình và truyền thanh sau đó được lưu ở thiết bị lưu trữ Theo yêu cầu của người dùng, một máy chủ luồng nhận dữ liệu truyền hình/truyền thanh đã được nén từ các thiết bị lưu trữ và sau đó bộ phận điều khiển chất lượng dịch vụ điểm

10

phát/nhận sẽ điều chỉnh luồng bit truyền hình/truyền thanh theo tình trạng của mạng và theo yêu cầu chất lượng dịch vụ Sau khi điều chỉnh, các giao thức

truyền thông sẽ đóng gói luồng bit nén và gửi các gói tin truyền hình/truyền thông

tới mạng Internet Các gói tin có thể bị mất và trễ trong Internet do sự tắc nghẽn

Để cải tiến chất lượng của việc truyền, các dịch vụ phân tán dữ liệu trên mạng

được triển khai trên Internet Khi các gói tin đến nơi nhận, đầu tiên nó sẽ truyền qua tầng giao vận và sau đó được xử lý bởi tầng ứng dụng trước khi được giải mã

bởi bộ giải mã truyền hình/truyền thanh Để đáp ứng được hiển thị đồng bộ giữa tiếng và hình, cần có cơ chế đồng bộ đa phương tiện

Như vậy có thể thấy được thứ tự cũng như sự liên kết của sáu thành phần nêu trên

Ở mỗi giai đoạn, dữ liệu truyền thông có thể được nâng cao và luận văn sẽ lựa

chọn ra một thành phân dịch vụ phân tán dữ liệu trên mạng để đi sâu nghiên

cứu Nhưng trước tiên, ta sẽ nghiên cứu tổng quan về sáu thành phần đó

mở rộng dạng sóng, ta sẽ có các nghiên cứu khác

12

với giải mã toàn phần, giải mã luồng cơ bản và các luồng khác tạo ra các hình ảnh khác nhau: hoặc kích thước ảnh nhỏ hơn, hoặc tỷ lệ hình nhỏ hơn

Hình 0.4 a) Bộ mã hoá FGS B) Bộ giải mã FGS

Ngoài ra còn có các cơ chế nén khác như mã hoá FGS hay PFGS (PFGS -

Progressive Fine Granularity Scalability)

Tiếp theo, mô tả các yêu cầu chất lượng cho các ứng dụng video streaming trong việc mã hoá và giải mã truyền thông:

- Băng thông: để đạt được cảm giác chấp nhận được, một ứng dụng luồng

thông thường có một yêu cầu băng thông tối thiểu Các ứng dụng video streaming cần điều khiển tắc nghẽn để tránh tắc nghẽn, hay xảy ra trên mạng

có tải lớn Với video streaming, điều khiển tắc nghẽn là hình thái khác của điều khiển tỷ lệ; tức là điều chỉnh tỷ lệ gửi để thích hợp với băng thông còn lại trên mạng So sánh với truyền thông không mở rộng, truyền thông mở rộng dễ thích ứng hơn với sự thay đổi băng thông trên mạng

- Độ trễ: video streaming yêu cầu độ trễ giới hạn cho các gói tin có thể tới

được bên nhận đúng thời gian để giải mã và trình diễn Nếu như gói tin truyền không đến đúng thời hạn, việc trình diễn sẽ dừng và điều đó sẽ rất khó chịu với mắt người Một gói tin đến đúng ngưỡng trễ (còn gọi là thời gian trình diễn) thì cũng vô nghĩa và có thể coi như là đã mất vì nó không kịp xử lý để hiển thị

13

- Mất mát: mất gói tin là không thể tránh được trên mạng Internet và có thể

làm hỏng hình ảnh Do đó, video streaming cần giải quyết được sự mất gói tin Mã hoá đa mô tả là một công nghệ nén để giải quyết sự mất mát gói tin

- Chức năng giống Máy ghi âm-castset-video (VCR): một số ứng dụng yêu

cầu chức năng giống VCR như có thể dừng, tạm dừng/trình diễn lại, chạy tua nhanh trước, chạy tua nhanh lùi và chạy ngẫu nhiên

- Độ phức tạp giải mã: một số thiết bị như điện thoại nhỏ hoặc PDAs yêu cầu

tốn ít năng lượng điện Do đó, các ứng dụng truyền thông truyền hình chạy trên thiết bị đó cần đơn giản Đặc biệt độ phức tạp giải mã là phải chấp nhận được

Trong các yêu cầu chất lượng trên thì để giảm việc mất mát gói tin còn có các cơ chế về truyền thông mạng Đó có thể là cơ chế khôi phục lỗi trên mạng, giảm thời gian lỗi xảy ra Làm được điểu đó, gói tin sẽ được truyền thông liên tục, kịp thời

Máy chủ luồng – streaming server

Máy chủ luồng đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ video streaming Để đưa ra những dịch vụ chất lượng cao, máy chủ luồng cần phải xử lý

dữ liệu đa phương tiện với sự ràng buộc về thời gian Ngoài ra, máy chủ luồng cũng cần hỗ trợ các hoạt động điều khiển VCR Hơn nữa, nó cũng cần cung cấp chức năng truyền thông kiểu đồng bộ

Để làm được điều đó, thông thường, máy chủ luồng gồm các thành phần sau:

- Bộ phiên dịch: Một bộ phiên dịch tham gia vào tầng ứng dụng và các giao

thức vận tải được thực hiện trong máy chủ Thông qua bộ biên dịch, các máy khách có thể giao tiếp với một máy chủ và nhận nội dung đa phương tiện một cách liên tục và đồng bộ

- Hệ điều hành: Khác với hệ điều hành thông thường, hệ điều hành cho máy

chủ luồng cần phải có thời gian thực an toàn cho các ứng dụng luồng

- Hệ lưu trữ: phải hỗ trợ lưu trữ truyền thông liên tục và có thể truy cập được

Tiếp theo, ta sẽ mô tả về các cơ chế điều khiển chất lượng dịch vụ, là cơ chế thích ứng luồng bit truyền thông theo trạng thái của mạng và yêu cầu chất lượng dịch vụ cho nó