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
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa từng được công
bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong
luận văn là trung thực. Mọi thông tin tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ. Tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm về cam đoan này.
Nghiên cứu sinh Cao Diệp Thắng
ii
LI CẢM ƠN
Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp nơi tôi
công tác, Viện Công Nghệ Thông Tin và truyền thông Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận án
này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Thúc Hải và PGS.TS
Nguyễn Linh Giang, những người Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi rất nhiều trong
suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi cũng xin được gửi lời tri ân tới quý thầy cô Bộ môn Truyền thông và
mạng máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tận tình giảng
dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã luôn
bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề
tài.
Kính gửi đến Cha Mẹ tấm lòng biết ơn sâu nặng.
Vợ, các con và những người thân trong gia đình luôn luôn là nguồn động viên
Chương 2. CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT
VIDEO TRÊN MẠNG 29
2.1 Mô hình quản lý hàng đợi 29
2.2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router 30
2.2.1 Phân lớp (Classification). 30
2.2.2 Quản lý hàng đợi 32
2.2.3 Lập lịch 33
2.2.4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi 33
2.2.5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin 35
iv
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 cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. 40
2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng 42
2.5 Kết luận chương 2 45
Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED 46
3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED 46
3.1.1 Giải thuật RED 46
3.1.2 Một số cải tiến của 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 phỏng giải thuật 57
3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED 58
3.3 Kết luận chương 3 64
Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE 65
4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE 65
Báo nhận
AQM
Active Queue Management
Quản lý hàng đợi tích cực
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Chế độ truyền bất đối xứng
CBQ
Class Based Queuing
Phân lớp hàng đợi
CE
Congestion Experienced
Dấu hiệu tắc nghẽn
CIF
Common Intermediate Format
khuôn dạng trung gian chung
CPU
Central Processing Unit
Bộ xử lí trung tâm
CQS
Classification, Queuing, Schedulling
Phân loại, hàng đợi, lập lịch
CWND
Congestion Window
Cửa sổ tắc nghẽn
DS
Differentiated Services
Các dịch vụ phân biệt
DSCP
Differentiated Services Code Point
Tham chiếu đầy đủ
ZF
Non-reference/Zero-reference
Tham chiếu không đầy đủ
GoP
Group of Picture
Nhóm ảnh
HTTP
HyperText Transfer Protocol
Giao thức truyền tải siêu văn bản
HD
High Definition
Độ nét cao
IEEE
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Viện công nghệ điện và điện tử
IETF
Internet Engineering Task Force
Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet
ISP
Internet Service Provider
Nhà cung cấp các dịch vụ Internet
IP
Internet Protocol
Giao thức mạng Internet
IPv6
Internet Protocol version6
Giao thức IP phiên bản 6
IPTD
Local Area Network
Mạng cục bộ
MPEG
Moving Picture Experts Group
Định dạng video MPEG
MOS
Mean Opinion Score
Điểm đánh giá chất lượng trung bình
MSS
Maximum Segment Size
Kích thước phân mảnh cực đại
NAT
Network Address Translation
Dịch địa chỉ mạng
NP
Network Peformance
Hiệu năng mạng
NS
Network Simulator
Bộ mô phỏng mạng
NTP
Network Time Protocol
Giao thức quản lý thời gian mạng
PC
Personal Computer
Máy tính cá nhân
PSTN
Public Switched Telephone Network
Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng
TC
Traffic Control
Kiểm soát lưu lượng
TCP
Transmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền vận
ToS
Type of Service
Kiểu dịch vụ
UDP
User Datagram Protocol
Giao thức điều khiển truyền thông
không hướng kết nối qua mạng IP
VoIP
Voice over IP
Truyền thoại sử dụng giao thức IP
VTP
Video Packet Type
Kiểu gói tin Video
ViRED 60
Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] 67
Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE 73
Bảng 4.3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
EBLUE 74
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE 75
Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 79
Bảng 4.6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1. 80
Bảng 4.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi 80
Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE,
BLUE-VPT tại Router R1. 81
ix
Bảng 4.9 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, EBLUE và BLUE-VPT tại R1 83
Bảng 4.10 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE, EBLUE và
BLUE-VPT 84
Bảng 4.11 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-VPT, BLUE, EBLUE
86
Bảng 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) 87
Bảng 4.13 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại
router R1 88
Bảng 4.14 So sánh độ trễ khi sử dụng RED, BLUE, VBLUE 92
Bảng 4.15 Giá trị PSNR(dB) các khung hình khi sử dụng RED, BLUE và VBLUE 93
Bảng 4.16 So sánh độ trễ trên đường truyền R1-R2 khi sử dụng BLUE, BLUE-U, RED 97
Bảng 4.17 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-U và Red tại
R1. 98
Bảng 4.18 Giá trị PSNR các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE,
BLUE-U và RED tại Router R1. 99
Bảng 4.19. Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE và VBLUE 103
Bảng 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) 103
Hình 1.10 Biểu diễn độ trễ gói tin 21
Hình 1.11 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu đầy đủ. 26
Hình 1.12 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình không tham chiếu. 26
Hình 1.13 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu rút gọn 26
Hình 2.1 Mô hình hàng đợi đơn giản trong mạng 29
Hình 2.3 Trường TOS của IPv4 31
Hình 2.4 IPv6 Header 48 byte 31
Hình 2.5 Tiến trình xử lý hàng đợi trong router 34
Hình 2.6 Chức năng đo đơn giản của token packet 36
Hình 2.7 Lược đồ xác suất loại bỏ các gói trong DropTail 38
Hình 2.8 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. 41
Hình 2.9 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng trình diễn video 43
Hình 2.10 Mô hình truyền video qua mạng 43
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa xác suất loại bỏ gói và kích thước hàng đợi trung bình 47
Hình 3.2 Giải thuật chung cho router RED 47
Hình 3.3 Mô tả mối quan hệ giữa max
p
và độ chiếm giữ hàng đợi 48
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán RED 50
xi
Hình 3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi thích ứng với max
p
thay đổi 52
Hình 3.6. Mô hình của GRED 55
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật cải tiến ViRED 57
Hình 3.8 Cấu hình mạng sử dụng trong mô phỏng. 58
Hình 3.9 So sánh độ trễ trung bình trên R1-R2 khi sử dụng RED, ViRED. 59
Hình 3.10 Tỷ lệ mất gói tin video khi sử dụng RED và ViRED 60
Hình 3.11 So sánh giá trị PSNR(dB) khi sử dụng RED và ViRED 61
Hình 4.23 So sánh độ trễ truyền tin (ms), khi sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
VBLUE 92
Hình 4.24 Giá trị PSNR của các khung hình video khi sử dụng các cơ chế quản lý hàng đợi
RED, BLUE và VBLUE 93
Hình 4.25.a, 4.25.b Khung hình 150 sử dụng cơ chế BLUE và VBLUE 94
Hình 4.26 So sánh giữa độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED 97
Hình 4.27 Thông lượng mạng khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED. 98
Hình 4.28 Đối sánh tỉ lệ mất gói tin giữa BLUE, BLUE-U và RED 98
Hình 4.29 Khung hình nhận được giữa BLUE và BLUE-U 99
Hình 4.30 Độ trễ trung bình khi sử dụng VBLUE và BLUE-U 101
Hình 4.31 Độ mất gói tin khi sử dụng BLUE-U và VBLUE 101
Hình 4.32 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng BLUE-U và VBLUE 101
Hình 4.33 Biến thiên trễ (Jitter) trên các giải thuật BLUE-U và VBLUE 102
Hình 4.34 Độ mất gói tin video 102
Hình 4.35 Mức độ sử dụng đường truyền 103
Hình 4.36 Giá trị PSNR(dB)khi sử dụng BLUE-U và VBLUE 104
Hình 4.37 Độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE-U và BLUE-VPT 106
Hình 4.38 Tỷ lệ mất gói tin 107
Hình 4.39 Thông lượng khi sử dụng giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT 107
Hình 4.40 Biến thiên trễ (jitter) 107
Hình 4.41 Tỷ lệ mất gói tin video 108
Hình 4.42 Mức độ sử dụng đường truyền 109
Hình 4.43 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE-U và BLUE-VPT 109
Hình 4.44 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của 04 giải thuật cải tiến so với BLUE 111
Hình 4.45 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được theo cảm nhận chủ quan
của người dùng. 111
Hình 4.46 Đối sánh giá trịPSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video
foremanc.yuv 112
xiii
quả nghiêm trọng. Các gói tin không được xử lý nên không được chuyển đến đầu cuối của
người nhận, chúng bị ùn tắc trong mạng và thậm chí bị loại bỏ, điều này làm cho các ứng dụng
sử dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã như ứng dụng truyền video càng bị ảnh hưởng.
Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụng đa phương
tiện. Hiện tại có hai hệ thống tiêu chuẩn chính trong việc thiết lập các tiêu chuẩn nén video. Đó
chính là ITU (International Telecommunications Union)[9, 71] và MPEG (Motion Picture
Experts Group) [9, 47].
Được thiết lập từ năm 1988, MPEG là một nhóm chuyên gia các hình ảnh chuyển động thuộc
ISO/IEC, có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh và âm thanh kỹ thuật số.
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm
thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tương ứng có
tốc độ bit khác nhau.[9, 11, 19, 34, 35, 44, 47, 59].
Các ứng dụng Video như chúng ta thấy hàng ngày qua việc xem ti-vi chỉ đơn thuần là một
chuỗi các hình ảnh tĩnh (các khung) xuất hiện liên tục tại một tốc độ nhất định để diễn tả lại
chuyển động của một vật nào đó trong một khung cảnh. Nó cũng có thể bao gồm thêm một
kênh âm thanh. So với tín hiệu thoại, tín hiệu video có nhiều thay đổi hơn về băng tần, sự thay
đổi này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tốc độ khung hình, kích cỡ và độ phân giải hình ảnh,
hiệu quả màu sắc và tốc độ bit của tín hiệu video. Chất lượng của hình ảnh từ các máy quay
video không quá tồi cho việc quan sát những cảnh ít thay đổi hoặc thay đổi chậm, nhưng đối
với những mục tiêu di chuyển nhanh hơn, chẳng hạn một chiếc xe đang chạy trên đường cao
tốc, thì sẽ bị biến dạng hoặc chuyển động chậm vì tốc độ khung hình là không đủ nhanh để
chụp toàn bộ chuyển động. Do đó tốc độ xấp xỉ 30khung hình/1s sẽ cho ta chất lượng video
tương tự như khi xem ti-vi trong hệ NTSC và chúng ta có thể xem được các mục tiêu đang di
chuyển nhanh. Trong thực tế, mắt người không thể phát hiện sự khác nhau ở tốc độ cao hơn 30
khung hình/1s.
2
Một luồng video gốc ban đầu, hay thậm chí một luồng video đã được xử lí, khi truyền trên
mạng đều yêu cầu băng thông rất lớn từ vài Mbps đến vài chục Mbps. Vì hầu hết các hệ thống,
nhất là các hệ thống multimedia đều có dung lượng giới hạn cho nên việc sử dụng thiết bị nén
Đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi để nâng cao hiệu năng và chất
lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP. Để thực hiện mục tiêu chính của luận án, chúng tôi
đã nghiên cứu một số vấn đề có liên quan trực tiếp, hỗ trợ cho mục tiêu của luận án, đó là:
Nghiên cứu về hiệu năng mạng và chất lượng dịch vụ mạng máy tính,
Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng, vấn đề tắc nghẽn và một số giải
pháp tránh tắc nghẽn.
Nghiên cứu các đặc tính của kỹ thuật truyền video trên mạng máy tính.
Ảnh hưởng của việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video.
Nghiên cứu cải tiến một số hạn chế của giải thuật quản lý hàng đợi tích cực AQM trong
truyền dữ liệu dạng video để nâng cao hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video trên
mạng IP.
Nghiên cứu đề xuất xây dựng hàm tuyến tính điều chỉnh xác suất đánh dấu (loại bỏ) gói
tin dựa trên các đặc tính của hàng đợi tại bộ định tuyến và mức độ sử dụng đường truyền
của mạng.
3
Nghiên cứu phát triển một giải thuật AQM mới là BLUE-VPT có hiệu năng và chất lượng
dịch vụ truyền video trên mạng IP tốt hơn các giải thuật đã có.
Phương pháp đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP bằng
mô hình thực nghiệm mô phỏng trên bộ công cụ NS-2 sử dụng file vết video.
Tình hình nghiên cứu liên quan
Nhiều nghiên cứu, đề xuất giải quyết vấn đề ứng dụng truyền video thời gian thực qua mạng
IP, có thể kể đến như: video phone, video-conferencing, tele-medical hay video theo yêu cầu
(VoD),v.v khi đó chất lượng video là vấn đề rất quan trọng. Trong quá trình truyền tải video
từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng video: mã hóa/giải
mã và các tham số hiệu năng mạng như: tỷ lệ mất gói (Packet Loss Rate), trễ (delay), biến động
trễ (jitter), thông lượng (throughput), băng thông (bandwidth),…
+ Một phương pháp khác là cung cấp các mô hình dịch vụ và cơ chế mới để cung cấp QoS cho
lưu lượng/ứng dụng thời gian thực. Đã có một số mô hình dịch vụ được IETF (Internet
Năm 2011 Bor-Jiunn Hwang và cộng sự đã đề xuất một giải pháp cải tiến hàng đợi tích cực
AQM gọi là (TSAQM-Traffic Sensitive Active Queue Management) quản lý hàng đợi tích cực
nhạy cảm lưu lượng cho các ứng dụng multimedia tại các router. Các TSAQM bao gồm chương
trình phân bổ trọng số động (DWAS) và chương trình đảm bảo dịch vụ (SGS). Mục đích của
DWAS là cách phân bổ tài nguyên công bằng với các tiện ích người dùng cuối cao và SGS để
xác định ngưỡng thích hợp (TH) và khoảng/miền ngưỡng (TR). Bên cạnh đó, một thiết kế
4
multiqueue với lưu lượng ưu tiên khác nhau và ngưỡng TH và miền ngưỡng TR được đề xuất
để đạt được các yêu cầu QoS khác nhau [18].
Bor-Jiunn Hwang và cộng sự đã chỉ ra các thuật toán AQM hiện đang gặp những những vấn
đề sau:
(1) Hầu hết các thuật toán không thể đạt được các yêu cầu độ trễ và thông lượng cùng một lúc.
(2) Các thuật toán AQM hầu như không xem xét đến các đặc điểm luồng video mà chỉ có
chính sách phân bổ băng thông công bằng đồng nhất.
(3) Không xem xét các thuộc tính dịch vụ multicast, dẫn đến hiệu quả băng thông thấp và hệ
thống kém chất lượng video trung bình.
(4) Các thuật toán AQM hiện tại chỉ sử dụng điều chỉnh tốc độ loại bỏ gói tin để khắc phục vấn
đề tắc nghẽn. Tuy nhiên, bên cạnh việc điều chỉnh tốc độ loại bỏ gói tin còn cần xem xét mức
độ tắc nghẽn,thuật toán AQM sẽ hiệu quả hơn khi đáp ứng với lưu lượng dữ liệu khác nhau.
(5) Hầu hết các thuật toán AQM không có khả năng thích ứng, những thuật toán phải được đào
tạo hoặc điều chỉnh một tập hợp các thông số để đáp ứng lưu lượng tải đa dạng.
(6) Một thách thức để vượt qua những vấn đề tắc nghẽn khi truyền luồng video là xem xét các
kỹ thuật mã hóa video, băng thông hiệu quả và các yêu cầu QoS khác nhau để đạt hiệu năng
vượt trội hơn.
Từ việc tham khảo các công trình nghiên cứu liên quan đến hướng đề tài như đã trình bày ở
trên tác giả đã đi đến lựa chọn hướng nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi tích
cực cho truyền video trên mạng IP.
Phạm vi nghiên cứu
+ Tập trung nghiên cứu những hạn chế của các giải thuật quản lý hàng đợi tích cực AQM là
có đề xuất cải tiến của chúng tôi được so sánh với các cơ chế RED, BLUE chưa cải tiến. Chúng
tôi đánh giá hiệu năng mạng và chất lượng dịch vụ truyền video bằng phương pháp mô phỏng,
sử dụng công cụ mô phỏng mạng NS-2, khung làm việc EVALVID và một số tệp tin video là:
akio.yuv, foremance.yuv từ thư viện các tập tin .YUV [7, 8, 20, 46], tệp tin video bachkhoa.yuv
do tác giả quay trực tiếp.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
Ý nghĩa khoa học của luận án:
(1).Đề tài đã đưa ra một số thuật toán quản lý hàng đợi áp dụng cho video để nâng cao chất
lượng truyền trên mạng IP.
(2). Đề xuất mới giải pháp tính các xác suất loại bỏ gói tin khác nhau trong hàng đợi tích cực
đối với các gói tin video và các gói tin không phải video.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
(3). Luận án xây dựng được mô hình đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng và chất
lượng dịch vụ truyền video trên mạng máy tính bằng phương pháp mô phỏng trên khung làm
việc EVALVID và bộ công cụ NS-2. Đã thử nghiệm mô phỏng với luồng video thực.
(4). Đề xuất một số phương pháp điều chỉnh xác suất đánh dấu/loại bỏ gói tin trong các giải
thuật RED, BLUE.
(5). Đề xuất được một giải thuật cải tiến hàng đợi tích cực áp dụng cho RED là ViRED. Và
một giải thuật cải tiến hàng đợi BLUE theo kiểu tiền xử lý là BLUE-VPT, chứng minh được
sự cải thiện chất lượng dịch vụ truyền video của các giải thuật cải tiến này trong các điều kiện
mạng đa luồng.
5. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN
Nội dung luận án được kết cấu bao gồm: phần mở đầu, 4 chương chính, kết luận, danh mục tài
liệu tham khảo. Trong đó:
Lời mở đầu: Nêu lý do, sự cần thiết, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO
TRÊN MẠNG MÁY TÍNH.
Chương này đi sâu vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng và chất lượng dịch vụ,
nghiên cứu tổng quan hoạt động của video kỹ thuật số trên mạng. Nghiên cứu các chuẩn mã
Các kết quả nghiên cứu chính của Luận án đã được trình bày trong danh mục các công trình đã
công bố;
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với Bộ môn Truyền thông và mạng máy tính,
Viện Công nghệ thông tin và truyền thông, Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Kinh
tế Kỹ thuật Công Nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành
được luận án. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở khoa CNTT trường Đại học kinh tế
kỹ thuật Công nghiệp đã động viên giúp đỡ tác giả trong thời gian qua.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TS Nguyễn Thúc Hải và PGS.TS Nguyễn
Linh Giang đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cho nhiều lời khuyên quí báu trong suốt quá trình
tác giả thực hiện luận án.
7
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH.
1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng
Hiệu năng mạng: Hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống thực hiện được. Hiệu
năng chủ yếu được xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability),
thông lượng (throughput) và thời gian đáp ứng (response time). Đối với mạng máy tính, hiệu
năng cũng còn được xác định dựa trên các nhân tố khác như thời gian trễ (delay), độ tin cậy
(reliability), tỉ suất lỗi (error rate), hiệu năng của ứng dụng v.v. [2, 65]
Tuỳ theo mục đích nghiên cứu cụ thể, hiệu năng có thể chỉ bao gồm một nhân tố nào đó hoặc
là sự kết hợp một số trong các nhân tố nêu trên.
Chất lượng dịch vụ (Quality of Service-QoS): QoS là một lĩnh vực phức tạp, đã có nhiều
định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên, thực tế không có định nghĩa nào được xem là chung và
chính thức.
Theo khuyến nghị E.800 [62] của tiêu chuẩn ngành viễn thông thuộc Tổ chức viễn thông
quốc tế ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization
Sector) “QoS là tập hợp các yếu tố tác động đến sự hài lòng của khách hàng đối với một dịch
vụ viễn thông nào đó”.
Nguyên nhân thứ nhất là thời gian chờ xử lý và xếp hàng trong hàng đợi quá lớn vượt quá
thời gian sống của gói tin làm gói tin bị rơi tất cả, ví dụ như trường hợp có nhiều luồng các gói
tin đột ngột bắt đầu đến từ nhiều đường vào cùng một nút mạng và tất cả đều cần ra cùng một
đường nên hàng đợi sẽ bị đầy. Nếu khả năng xử lý của các nút yếu hay nói cách khác các CPU
tại các bộ định tuyến xử lý chậm các yêu cầu, sẽ dẫn đến tắc nghẽn. Hình 1.1 trình bày nguyên
nhân tắc nghẽn trên mạng.
TCP
Video/UDP
UDPHình 1.1 Nguyên nhân tắc nghẽn
Nguyên nhân thứ hai là kích thước hàng đợi tại bộ định tuyến quá nhỏ: nếu bộ nhớ không
đủ dung lượng để lưu các gói đến thì một số gói tin sẽ bị mất [12, 26, 50, 65, 66, 81]
Nguyên nhân thứ ba là tần suất lỗi mạng cao và độ trễ lớn: đối với các mạng cố định, việc
mất gói tin do đường truyền hiếm khi xảy ra. Mất gói tin đồng nghĩa với việc xảy ra tắc nghẽn
ở các nút trong mạng. Cơ chế điều khiển chống tắc nghẽn của TCP sẽ căn cứ vào sự kiện mất
gói và kiểm tra độ trễ quá time-out để xác định tắc nghẽn trong mạng. TCP không có khả năng
phân biệt giữa mất gói do lỗi đường truyền hay mất gói do tắc nghẽn, mỗi khi xảy ra các hiện
tượng tắc nghẽn thì TCP giảm tốc độ truyền. Điều đó không còn phù hợp với truyền tải video
vì hiệu suất đường truyền sẽ bị hạ thấp ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh [14, 50, 67, 74, 80,
81, 84].
Nguyên nhân thứ tư là do tính không đồng nhất giữa mạng LAN và mạng Internet, cụ thể là
tốc độ truyền trên Internet thấp hơn nhiều so với mạng LAN.
Ngoài ra, hiệu ứng băng thông không đối xứng cũng có tác động lớn đến truy nhập Internet.
Băng thông theo hướng từ máy cố định tới mạng Internet thường thấp hơn nhiều băng thông
theo chiều ngược lại. Hiệu ứng này làm cho trễ theo hai chiều truyền khác nhau.
Hình 1.2 cho thấy ảnh hưởng tắc nghẽn đến chất lượng dịch vụ mạng, khi lưu lượng dữ liệu
tăng gây ra tắc nghẽn làm QoS mạng suy giảm mạnh, do vậy lưu lượng truyền các gói tin trong
mạng tụt hẳn, được biểu thị bằng đường cong đi xuống [12].
triển các ứng dụng đa người dùng (phim, video, ). Dòng MPEG bao gồm các chuẩn MPEG-
1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG7, MPEG21[9, 11, 34, 41, 48, 52],…
Hai tổ chức này cùng nhau lập nên nhóm JVT – Joint Video Team để đưa ra chuẩn H.264
(tổ chức ISO gọi chuẩn này là MPEG-4 Part 10). H.264 là chuẩn nén video tiên tiến hiện nay
và được xem là dòng nén video thế hệ thứ 3.
Video như chúng ta vẫn tiếp xúc và sử dụng trên các ứng dụng hàng ngày như xem ti-vi,
truyền hình cáp và các ứng dụng truyền tải trên mạng đơn thuần là một chuỗi các hình ảnh tĩnh
(các khung) xuất hiện liên tục với một tốc độ nhất định để diễn tả lại chuyển động của một vật
nào đó trong một khung cảnh. Nó cũng có thể bao gồm thêm một kênh âm thanh.
H.261
H.263 H.263+ H.263++
ITU-T
Standards
Joint
ITU-T/MPEG
Standards
H.262/
MPEG-2
H.264/MPEG-4
AVC
ITU-T
Standards
MPEG-4MPEG1
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
MPEG
-A/B/
C/D/E
MPEG-V/M/U/H
H.265
nhằm mã hóa ảnh động và âm thanh thành dòng bit có tốc độ của audio Compact Disc. Kết quả
tạo ra Video- CD và các ứng dụng video trên Internet (các file có phần mở rộng *.mpg) nhưng
hiện nay đã được thay thế bởi DVD. Được thiết kế tốc độ tối đa đến 1.5Mbps. Ở tốc độ này
MPEG-1 chỉ sử dụng tốc độ hình ảnh từ 24-30Hz cho kết quả chất lượng chỉ ở mức trung
bình.MPEG-1 giảm tốc độ lấy mẫu bằng một nửa TV chuẩn. Cụ thể là với hệ thống 25Hz hình
ảnh có kích thước là 352 × 288 điểm ảnh, còn với hệ 30Hz là 352 × 240 điểm ảnh. Định dạng
như vậy được gọi là CIF (Common Intermediate Format). Chuẩn nén MPEG-1 có vẻ rất đơn
giản. Chúng bao gồm dòng cơ sở, bù chuyển động, điều khiển tốc độ bit …. Nhiều nguyên lí
mã hóa của MPEG-1 được lấy ra từ JPEG.Một phần mở rộng của tiêu chuẩn áp dụng cho mã
hóa và nén âm thanh.
- MPEG-2: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit từ 1.5Mbps đến 15Mbps. Tiêu chuẩn
MPEG-2 áp dụng cho Truyền hình kỹ thuật số (SDTV), HDTV, Video theo yêu cầu (VoD) và
các ứng dụng DVD. MPEG-2 được thiết kế dựa trên MPEG-1, nhưng có những yêu cầu đặc
biệt cho việc nén và truyền tải truyền hình kỹ thuật số. Một trong những khác biệt so với
MPEG-1 đó là việc nén hiệu quả cho video tích hợp. MPEG-2 được xem là một chuẩn có ứng
dụng rất rộng lớn. Ví dụ MPEG-2 hỗ trợ độ phân giải cao (HD) mà MPEG-1 không có. Chuẩn
này càng trở nên quan trọng khi nó được chọn làm chuẩn nén cho DVB và DVD. Chuẩn MPEG-
3 dự định thiết kế cho HDTV nhưng người ta nhận thấy MPEG-2 (cùng với các mở rộng của
chuẩn này) có thể đáp ứng các yêu cầu này do vậy mà ko có chuẩn MPEG-3.
MPEG-2 được xây dựng trên cơ sở MPEG-1 với sự mở rộng về phạm vi kích thước hình
ảnh và tốc độ bit. Việc ghép các dòng bit với nhau cũng được giải quyết trong chuẩn MPEG-
2. Chuẩn MPEG-2 là sự mở rộng của chuẩn MPEG-1 vì vậy một điều dễ hiểu là bộ giải mã
MPEG-2 có thể làm việc được với dòng bit của MPEG-1.
Copyright: Tài liệu đại học ©