Đang tải... (xem toàn văn)
Truyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đườngTruyền Video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - VŨ DUY KHÁNH TRUYỀN VIDEO DÙNG GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN ĐA ĐƯỜNG CHUYÊN NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ THỊ LƯU PHƯƠNG TP.HỒ CHÍ MINH – 2016 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Thị Lưu Phương Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm … Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng thiết bị di động trở nên phổ biến không Việt Nam mà toàn giới Trong năm gần đây, thiết bị di động điện thoại thông minh (smartphone), máy tính bảng (tablet), máy tính xách tay (laptop) hỗ trợ kết nối băng thông rộng : ADSL, WiFi, 3G/4G, LTE Các ứng dụng ngày đòi hỏi nhiều dung lượng, nhu cầu băng thông cần tăng lên Theo nghiên cứu gần [1], lưu lượng liệu di động tăng trưởng cách mạnh mẽ từ năm 2010 đến năm 2015, gần tăng gấp đôi năm Trong đó, video chiếm 65% tổng số lưu lượng liệu di động vào năm 2015 Video trực tuyến mạng Internet trở nên phổ biến năm qua Tuy nhiên, giải pháp video trực tuyến bị hạn chế việc họ sử dụng đường mạng Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) [23] giao thức thích ứng dòng, cho phép dòng video chuyển đổi tốc độ bit dựa hiệu suất mạng, để điều tiết việc thay đổi băng thông sử dụng băng thông có hiệu Đa số thiết bị đầu cuối trang bị nhiều công cụ kết nối nhiều đường, thông tin liên lạc thường giới hạn đường cho lần kết nối Sử dụng tài nguyên hệ thống hiệu sử dụng đa đường kết nối đồng thời Giao thức Multipath TCP tổ chức IETF [2], nhằm phát triển mở rộng thêm đặc điểm từ giao thức TCP, cho phép kết nối TCP phân chia thành nhiều luồng phân bổ lưu lượng thông qua luồng riêng biệt Mục tiêu giao thức sử dụng nhiều đường đồng thời hai thiết bị đầu cuối nhằm cải thiện đáng kể hiệu suất cho nhu cầu truyền tải Chính yêu cầu cấp thiết trên, xin chọn đề tài nghiên cứu : “ Truyền video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường ” Mục tiêu nghiên cứu luận văn: - Xây dựng mô hình kiểm thử video streaming dùng giao thức MPTCP - Viết chỉnh sửa chương trình MPEG-DASH player để giám sát thông số chất lượng truyền video - Đo đạt phân tích chất lượng truyền video MPTCP - Đề xuất phương án khắc phục nhược điểm truyền video MPTCP Với mục tiêu nghiên cứu trên, đối tượng nghiên cứu luận văn sau: tìm hiểu giao thức truyền tải đa đường MPTCP, tìm hiểu video streaming dùng HTTP, MPEG-DASH, chỉnh sửa player để đánh giá cải tiến chất lượng video truyền giao thức MPTCP Phạm vi nghiên cứu : - Nghiên cứu giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường MPTCP: nguyên lý điều khiển kiến trúc MPTCP - Tìm hiểu nghiên cứu video streaming dùng HTTP, MPEG-DASH: thích ứng (adaptation set), trình diễn (representation), phân đoạn video (segment), mô tả tập tin MPD (media presentation description) - Xây dựng hệ thống kiểm thử video streaming MPEG-DASH MPTCP - Phân tích đánh giá kết đo lường truyền video MPTCP - Đề xuất phương pháp cải tiến player giao thức MPTCP Luận văn gồm chương tập trung nghiên cứu vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan giao thức MPTCP Chương : Tồng quan video streaming dùng HTTP Chương : Thực nghiệm đánh giá Chương - TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC MPTCP 1.1 Tổng quan giao thức MPTCP Multipath TCP cải thiện từ TCP cho phép tận dụng triệt để nguồn tài nguyên nhằm đảm bảo máy tính kết nối mạng nhiều đường mà không cần phải thay đổi giao diện MPTCP cải thiện băng thông, điều khiển tắc nghẽn tốt so với TCP thông thường cách cho phép nhiều luồng gửi gói tin đường truyền Về khía cạnh ứng dụng, multipath TCP cải thiện chất lượng băng thông việc sử dụng nhiều đường, kết nối multipath TCP có băng thông tốt so với kết nối TCP trạng thái tốt Ngoài ra, chế cho giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường khả phục hồi (độ sẵn sàng cao): luồng kết nối chuyển liệu sang luồng khác Thêm vào đó, multipath TCP có chức hợp tài nguyên nhằm giải vấn đề tắc nghẽn cách chuyển liệu qua đường tắc nghẽn [2] 1.2 Nền tảng kiến trúc MPTCP Phần trình bày kiến trúc tầng vận chuyển, sở để xây dựng MPTCP hiệu thành phần chức sử dụng thiết kế MPTCP Kiến trúc sử dụng Tng (Transport next-generation, “ tầng vận chuyển hệ ”) Tng kiến trúc hỗ trợ MPTCP, kết hợp từ việc nghiên cứu phát triển nhiều kiến trúc có hỗ trợ MPTCP [2] Các chức Tng thể hình 1.1 bên Hình 1.1: Mô hình phân chia chức Tng Tng chia tầng vận chuyển thành phần: hướng ứng dụng hướng mạng Hướng ứng dụng (lớp ngữ nghĩa): chức hỗ trợ bảo vệ thông tin liên lạc đầu cuối Trong tầng hướng mạng thực chức nhận dạng thiết bị đầu cuối (trên sở xác định số cổng) điều khiển tắc nghẽn Các chức chứng minh thực tế để kết nối chặt chẽ với nhà khai thác mạng thiết bị trung gian hình 1.2 bên [2] Hình 1.2: Các thiết bị trung gian mô hình mạng Internet hệ Dựa tảng mô hình Tng phân tích phần trước, chia MPTCP thành tầng để kết nối với thông qua giao diện xác định Kiến trúc MPTCP thiết kế theo mô hình phân chia Tng hình 1.3 Tầng MPTCP có vai trò lớp ngữ nghĩa hướng ứng dụng, có khả tương thích với lớp ứng dụng Thành phần luồng TCP cung cấp khả tương thích mạng đóng vai trò luồ ng TCP thông thường mạng, tầng Flow/Endpoint thành phần hướng mạng [2] Hình 1.3: Mối quan hệ Tng(bên trái) MPTCP(bên phải) MPTCP hoạt động tầng vận chuyển tồn trở nên suốt lớp cao thấp MPTCP giao thức mở rộng từ TCP Nó nằm lớp ứng dụng phần mở rộng MPTCP quản lý nhiều luồng TCP Để làm điều này, phải thực chức sau: Quản lý đường dẫn Lập lịch cho phân đoạn Giao diện luồng Điều khiển tắc nghẽn 1.3 Nguyên lý điều khiển Cân tải giao thức MPTCP Cải thiện băng thông Công truyền đơn đường 1.4 Hoạt động MPTCP Tất hoạt động MPTCP báo hiệu sử dụng tùy chọn trường header TCP Một số tùy chọn TCP công nhận IANA cho MPTCP thể bảng 1.1 Bảng 1.1: Bảng thông tin giao thức MPTCP Tên tin Ký hiệu tin Giá trị Giải thích ý nghĩa MP_CAPABLE Multipath Capable 0x0 Tuyên bố có hỗ trợ MPTCP thiết lập kết nối MP_JOIN Join Connection 0x1 Yêu cầu gia nhập kết nối MPTCP tại, yêu cầu thao tác bắt tay hợp lệ để chứng thực DSS Data Sequence 0x2 Ánh xạ thứ tự liệu truyền đa đường MPTCP, kiểm tra Signal checksum, báo nhận ACK ADD_ADDR Add Address 0x3 Thông báo host khác địa có sẵn REMOVE_ADDR Remove Address Yêu cầu điều khiển xóa bớt luồng cụ thể Thiết lập kết nối MPTCP Khởi tạo luồng Ánh xạ số thứ tự liệu Đóng kết nối MPTCP 1.5 Các vấn đề nghiên cứu liên quan đến MPTCP 1.6 Kết luận chương Chương giới thiệu tổng quan tảng kiến trúc giao thức truyền tải đa đường MPTCP, tìm hiểu nguyên lý điều khiển hoạt động giao thức MPTCP Từ đó, đưa ứng dụng truyền video giao thức truyền tải đa đường MPTCP Chương - TỔNG QUAN VIDEO STREAMING DÙNG HTTP 2.1 Giới thiệu video streaming Adaptive bitrate (ABR) kỹ thuật truyền liệu đa phương tiện thông qua mạng máy tính Kỹ thuật thực nguyên lý dựa dò tìm chất lượng đường truyền người dùng thời gian thực sử dụng CPU, sau cân chỉnh chất lượng video cho phù hợp trước truyền tải (đến) cho người dùng nhằm đảm bảo truyền tải video với chất lượng tốt Kỹ thuật ABR đòi hỏi mã hóa mã hóa chất lượng bitrate đầu vào thành nhiều bitrate chất lượng từ thấp đến cao Người dùng chuyển đổi tỉ lệ bitrate khác Năm 2010, MPEG nghiên cứu phát triển công nghệ dựa kỹ thuật truyền tải Adaptive bitrate Năm 2011 trở thành tiêu chuẩn quốc tế Công nghệ đặt tên Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) - công nghệ truyền tải đa phương tiện thông qua HTTP kỹ thuật tương thích 2.2 Tổng quan adaptive streaming dựa tảng HTTP Tổng quan Công nghệ MPEG - DASH sử dụng HTTP/1.1 (giao thức phi trạng thái) để cung cấp dịch vụ truyền tải nội dung đa phương tiện từ máy chủ đến người dùng Công nghệ tận dụng tốt lợi sở hạ tầng internet thể hình 2.2 bên [10] Triển khai sử dụng rộng rãi tiêu chuẩn HTTP servers tiêu chuẩn HTTP để phân phối nội dung đa phương tiện Truyền tải đơn giản qua tường lửa NAT Cung cấp cho người dùng chức thay đổi chất lượng nội dung truyền thông đa phương tiện cách tự động tương ứng với thay đổi băng thông hợp lệ mà ko cần thương lượng với nhà cung cấp máy chủ HTTP dựa CDNs sử dụng tảng phân phối thông dụng để cung cấp công nghệ truyền liệu đa phương tiện tốt thiết bị di động Hình 2.2: Kiến trúc phân phối nội dung dựa HTTP Streaming Mô tả hệ thống MPEG - DASH Hình 2.3 bên mô tả cách chi tiết mô hình hệ thống MPEG-DASH: Bảng mô tả trình diễn media (MPD) tập tin xml, mô tả cấu trúc thu thập chuỗi phân đoạn tiếp cận thông qua DASH client nhằm cung cấp thông tin truyền tải media đến cho người dùng MPD bao gồm phân đoạn sở HTTP - URL, thu thập phiên khác nội dung media mã hóa Định dạng phân đoạn xác định tập đính kèm HTTP yêu cầu phản hồi đến client HTTP GET Các phân đoạn bao gồm liệu media mã hóa với phiên khác định nghĩa bảng mô tả trình diễn media Giao thức phân phối HTTP/1.1 Mô tả cách thức DASH client xử lý thông tin nguồn liệu để truyền tải nội dung media Hình 2.3: Thành phần tiêu chuẩn DASH [11] Mô tả tập tin MPD Một thu thập phiên nội dung media mã hóa khác tiếp cận thông qua DASH client mô tả chi tiết định dạng trình diễn media Hình 2.4 bên mô hình liệu MPD [11]: Một chương trình trình diễn media chứa chuỗi liên tục Period theo thời gian Mỗi Period bao gồm Adaptation Mỗi Adaptation bao gồm chuỗi trình diễn nội dung media Mỗi trình diễn bao gồm chuỗi phân đoạn media đại diện cho khoảng thời gian thu phát cụ thể Mỗi HTTP-URL phân đoạn định dạng chứa đựng thông tin phân đoạn Hình 2.4: Mô hình phân cấp MPD [11] Đối với DASH, phiên có chất lượng media khác có dòng thời gian trình diễn sơ đồ theo dòng thời gian phổ biến toàn cầu Dòng thời gian 11 𝐵𝑒 (𝑖 + 1) = (1 − 𝛼) × 𝑇 𝑒 (𝑖 + 1) (2.3) Trong đó, 𝛼 hệ số an toàn 𝛼 nằm khoảng [0, 0.5] Công thức đảm bảo cho phiên bitrate yêu cầu từ server có giá trị nhỏ phân đoạn thông lượng ước lượng Nếu thời gian tải phân đoạn t mà nhỏ độ dài phân đoạn 𝜏 chất lượng video ngày tốt Nếu thời gian tải phân đoạn t mà với độ dài phân đoạn 𝜏 giữ nguyên mức bitrate Nếu thời gian tải phân đoạn t mà lớn độ dài phân đoạn 𝜏 client trở nên không an toàn lúc xảy lỗi tràn đệm ngưng không trình chiếu chờ đệm giảm xuống client tiếp tục trình chiếu tiếp Phương pháp đệm Phương pháp đệm định việc trì bitrate dựa kích thước đệm Phương pháp đệm sử dụng thông lượng phân đoạn Trong [14][15][16], đệm chia thành nhiều khoảng có hành vi khác áp dụng mức đệm nằm khoảng khác Trong 𝐵1 , 𝐵2 , 𝐵3 , 𝐵𝑚𝑎𝑥 (0 < 𝐵1 < 𝐵2 < 𝐵3 < 𝐵𝑚𝑎𝑥 ) gọi ngưỡng đệm Lưu ý giá trị cụ thể ngưỡng đệm phụ thuộc vào phương pháp thích ứng Phương pháp [14] đệm có mức ngưỡng sau : 𝐵3 𝐵𝑚𝑎𝑥 , 𝐵2 𝐵3 , 𝐵1 𝐵2 , 0𝐵1 Giả sử, mức đệm nằm khoảng 𝐵3 𝐵𝑚𝑎𝑥 bitrate chuyển lên mức cao so với phiên với điều kiện bitrate chuyển lên phải nhỏ thông lượng phân đoạn trước Tiếp theo, mức đệm nằm khoảng 𝐵2 𝐵3 mức đệm mức giữ nguyên phiên bitrate Nếu mức đệm nằm khoảng 𝐵1 𝐵2 bitrate giảm xuống mức thấp so với phiên với điều kiện bitrate phải cao thông lượng phân đoạn trước Cuối cùng, mức đệm nằm khoảng 0𝐵1 chuyển sang phiên bitrate thấp Phương pháp [14] [15] tương tự có thề trì bitrate mượt dựa yêu cầu streaming Phương pháp [14] ổn định tiêu chí để trì bitrate dựa giới hạn mức độ bitrate (được xác định ngưỡng 𝐵2 𝐵3 ), phương pháp tính toán độ mượt thông lượng [15] Với phương pháp [16] mức đệm nằm khoảng 35% ~ 50% mức cao nhất, ước tính thông lượng tương tự thông lượng trước Nếu mức đệm giảm xuống thấp, ước tính thông lượng với thông lượng trước nhân với hệ số tỉ lệ giảm (hệ số có giá trị [...]... cải thiện thông lượng, tránh tắc nghẽn đa đường và có độ sẳn sàng cao hơn so với truyền tải đơn đường TCP Các ứng dụng video ngày càng trở nên phổ biến nên cũng đòi hỏi phải có một băng thông tốt nhằm đáp ứng nhu cầu truyền tải nội dung video đến người dùng Luận văn này giúp chúng ta nhìn nhận rõ hơn về nền tảng của giao thức truyền tải đa đường MPTCP và chuẩn Dash của video Tiếp theo, chúng tôi giới... tiếp theo như : Đánh giá chất lượng video thông qua phương pháp bộ đệm Xây dựng hệ thống video streaming cho các giải pháp hội nghị truyền hình trên môi trường truyền dẫn đa đường Đề xuất tăng nhiều luồng vật lý để đánh giá việc tắc nghẽn khi truyền trên môi trường đa đường Đề xuất phương pháp adaptation thích hợp cho video streaming trên môi trường đa đường dựa trên thông lượng cũng như bộ... khi truyền trên giao thức MPTCP Chúng tôi cũng đề xuất sử dụng phân đoạn 10s cho tất cả các trường hợp đánh giá chất lượng video trong môi trường truyền dẫn đa đường Cuối cùng, chúng tôi khẳng định chất lượng video luôn tệ dần khi độ dài phân đoạn giảm 25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tốc độ mạng hiện nay ở việt nam so với các nước khác trên thế giới vẫn còn chưa thật sự ổn định Một giao thức truyền tải đa đường. .. lượng video trên môi trường truyền dẫn đa đường Chúng tôi, xây dựng hệ thống video streaming hoạt động trên cả hai môi trường truyền dẫn đa đường MPTCP và truyền dẫn đơn đường TCP Các kết quả đánh giá chất lượng video tương đối tốt khi tiến hành tăng số mẫu thì số lần switch ở các trường hợp giảm xuống và birate trung bình cũng tăng lên đáng kể, đặc biệt phân đoạn 6s và 10s cho kết quả rất tốt khi truyền. .. thiện chất lượng video ở mức tốt nhất trong điều kiện băng thông mạng khác nhau Cuối cùng, chúng tôi khẳng định rằng chất lượng video tệ dần khi độ dài phân đoạn giảm dần 3.4 Kết luận chương 3 Chương này chúng tôi tiến hành xây dựng hệ thống video streaming hoạt động trên cả MPTCP và TCP Sau đó, chúng tôi phân tích và đánh giá kết quả đo lường chất lượng video khi truyền video trên giao thức MPTCP Chúng... đánh giá chất lượng video trong quá trình truyền tải đa đường Tiếp theo, chúng tôi xây dựng hệ thống tường lửa dummynet được triển khai dựa trên hệ điều hành FreeBSD 10.0 phiên bản 64bit Dummynet là một công cụ dùng để mô phỏng chất lượng mạng nhằm điều chỉnh giới hạn băng thông, độ trễ và tỉ lệ mất gói tin Chúng tôi, đưa ra các trường hợp như trong bảng 3.2 để mô phỏng chất lượng video dựa trên tỉ... và tỉ lệ băng thông giữa hai đường khác nhau trong môi trường truyền dẫn đa đường Chúng tôi, tiến hành lấy giá trị của 3 mẫu thử trung bình để 17 kiểm thử, sau đó tăng số mẫu lên để so sánh chất lượng video Việc đánh giá chất lượng video của chúng tôi dựa trên bốn tiêu chí như sau : Thời gian video ở chất lượng tốt nhất Tổng số lần switch ảnh hưởng lớn đến chất lượng video Dựa trên số lần switch... tương đương 100%) Điều này cho thấy việc tăng số mẫu thử có hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng video Nhận xét : - Đây là tiêu chí đầu tiên được đưa ra để đánh giá khi chất lượng của DASH ở các điều kiện băng thông khác nhau trong môi trường truyền đa đường MPTCP - Tỉ lệ phần trăm trong hình biểu thị phần trăm thời gian video ở chất lượng tốt nhất so với tổng thời gian - Chất lương video được đánh... kết quả rất tốt khi truyền trên giao thức MPTCP Chúng tôi cũng đề xuất sử dụng phân đoạn 10s cho tất cả các trường hợp đánh giá chất lượng video trong môi trường truyền dẫn đa đường Cuối cùng, chúng tôi khẳng định chất lượng video luôn tệ dần khi độ dài phân đoạn giảm Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu và kinh nghiệm có hạn, nên luận văn chỉ mới đánh giá chất lượng video dựa trên phương pháp thông... Triển khai thực nghiệm Chúng tôi xây dựng mô hình kiểm thử video streaming hoạt động trên cả MPTCP và TCP Mô hình được thể hiện trong hình dưới đây: Hình 3.1: Mô hình kiểm thử video streaming trên giao thức MPTCP 16 Ban đầu chúng tôi xây dựng một hệ thống Server cài hệ điều hành Ubuntu 14.04 phiên bản 64 bit có tính năng hỗ trợ truyền đa đường MPTCP Sau đó, chúng tôi tiến hành xây dựng hệ thống Web-server ... trúc giao thức truyền tải đa đường MPTCP, tìm hiểu nguyên lý điều khiển hoạt động giao thức MPTCP Từ đó, đưa ứng dụng truyền video giao thức truyền tải đa đường MPTCP Chương - TỔNG QUAN VIDEO. .. lượng video truyền giao thức MPTCP Phạm vi nghiên cứu : - Nghiên cứu giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường MPTCP: nguyên lý điều khiển kiến trúc MPTCP - Tìm hiểu nghiên cứu video streaming dùng. .. thiện đáng kể hiệu suất cho nhu cầu truyền tải Chính yêu cầu cấp thiết trên, xin chọn đề tài nghiên cứu : “ Truyền video dùng giao thức điều khiển tắc nghẽn đa đường ” Mục tiêu nghiên cứu luận