Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao chất lượng truyền video thích nghi HTTP trên mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm đề xuất và thực hiện phương pháp phân bổ băng thông tại một liên kết thắt cổ chai dựa trên kỹ thuật SDN/OpenFlow cùng với thuật toán thích nghi tốc độ trên cơ sở DASH nhằm cải thiện QoE người dùng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao chất lượng truyền video thích nghi HTTP trên mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỒNG THỊNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO THÍCH NGHI HTTP TRÊN MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM (SDN) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM HỒNG THỊNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO THÍCH NGHI HTTP TRÊN MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM (SDN) Ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. TRƯƠNG THU HƯƠNG 2. PGS.TS. PHẠM NGỌC NAM Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TM. Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS.TS. Trương Thu Hương Phạm Hồng Thịnh
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trương Thu Hương và PGS.TS. Phạm Ngọc Nam đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian và tâm huyết giúp đỡ tôi về mọi mặt để hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên nhóm HTTP/SDN của Lab ESRC và Lab Future Network của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và cùng tôi thực hiện một số thí nghiệm trong luận án này. Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Đào Tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông đã dành cho tôi. Chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến với gia đình, vợ và con. Sự động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều của họ trong thời gian vừa qua là động lực to lớn để tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2021
i MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................. i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... iv DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN VIDEO QUA GIAO THỨC HTTP VÀ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM SDN ......................8 1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................8 1.1.1. Vấn đề về HTTP streaming hiện nay .............................................................. 8 1.1.2. Kỹ thuật streaming video và các chuẩn hiện tại ...........................................10 1.1.3. Vấn đề thích ứng tốc độ trong HTTP streaming ..........................................12 1.1.4. HTTP streaming theo cảm nhận người dùng QoE .......................................13 1.2. Truyền video qua giao thức HTTP .....................................................................14 1.2.1. Mô hình truyền video thích ứng động trên giao thức HTTP (DASH) .........14 1.2.1.1. Khái quát chung .....................................................................................14 1.2.1.2. Tệp Media Presentation Description (MPD) .........................................16 1.2.2. Kỹ thuật mã hóa video ..................................................................................17 1.2.3. Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm QoE ............................ 19 1.2.4. Giới thiệu mô hình QoE................................................................................22 1.3. Mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN ..............................................................23 1.3.1. Khái niệm chung ...........................................................................................23 1.3.2. Kiến trúc SDN .............................................................................................. 24 1.3.3. Một số ưu điểm chính của SDN ...................................................................25 1.3.4. So sánh SDN và mạng truyền thống ............................................................. 26 1.3.5. Giao thức OpenFlow.....................................................................................27 1.3.5.1. Khái niệm ...............................................................................................27 1.3.5.2. Các thành phần của OpenFlow/ SDN ....................................................28 1.3.6. Triển khai mạng SDN ...................................................................................34 1.3.6.1. Triển khai đồ hình mạng ........................................................................35 1.3.6.1. Triển khai bộ điều khiển - Controller.....................................................36 1.4. Kết luận chương 1 ...............................................................................................39 CHƯƠNG 2. TRUYỀN VIDEO CBR THÍCH NGHI GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CỦA SDN.........................................................40
ii 2.1. Giới thiệu chương ...............................................................................................40 2.2. Các công trình nghiên cứu liên quan ..................................................................40 2.3. Vấn đề thích nghi tốc độ bit ................................................................................42 2.3.1. Lựa chọn thời khoảng cho phân đoạn video .................................................42 2.3.2. Các phương pháp thích ứng tốc độ bit ..........................................................43 2.3.2.1. Phương pháp dựa vào thông lượng........................................................44 2.3.2.2. Phương pháp dựa vào bộ đệm ...............................................................45 2.4. Kỹ thuật định tuyến cho luồng video trong mạng SDN......................................46 2.4.1. Xây dựng kiến trúc bộ điều khiển đề xuất ....................................................47 2.4.2. Tính toán băng thông trong mạng SDN ........................................................50 2.4.3. Lưu đồ thuật toán trên bộ điều khiển SDN ...................................................51 2.5. Thuật toán thích ứng tốc độ bit với cơ chế định tuyến đề xuất ...........................52 2.6. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản đánh giá ....................................................55 2.6.1. Thiết lập thí nghiệm ......................................................................................55 2.6.2. Các kịch bản thí nghiệm ...............................................................................56 2.6.2.1. Kịch bản băng thông hai mức ................................................................56 2.6.2.2. Kịch bản băng thông thực tế ..................................................................57 2.7. Đánh giá kết quả và thảo luận .............................................................................58 2.8. Kết luận chương 2 ...............................................................................................61 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO VBR QUA GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN SDN ...........................................................62 3.1. Giới thiệu chương ...............................................................................................62 3.2. Các công trình liên quan đến giải pháp đề xuất ..................................................62 3.3. Kiến trúc đề xuất cho streaming video VBR qua HAS và SDN .........................65 3.4. Truyền video VBR qua giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và thích nghi của SDN ....................................................................................................66 3.4.1. Vấn đề biến đổi thông lượng và lựa chọn tốc độ bit tối ưu cho video VBR 66 3.4.2. Đề xuất thuật toán thích nghi VBR kết hợp với định tuyến dựa trên SDN (VASR) ...................................................................................................................68 3.4.3. Kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi dựa trên SDN đề xuất ................................................................................................................................ 71 3.4.3.1. Định tuyến định kỳ dựa trên SDN (SPR) ................................................71 3.4.3.2. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN không có giám sát (SAR) .............73 3.4.3.3. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN có giám sát (SARM) ....................74
iii 3.4.4. Thực nghiệm và đánh giá kết quả .................................................................75 3.4.4.1. Thiết lập thực nghiệm .............................................................................75 3.4.4.2. Các kịch bản thí nghiệm .........................................................................78 3.4.4.3. Đánh giá kết quả ....................................................................................79 3.5. Giải pháp cải thiện QoE cho video VBR qua giao thức HTTP dựa trên SDN ...87 3.5.1. Ước tính thông lượng và mức đệm cho giải pháp đề xuất............................ 87 3.5.2. Thuật toán thích nghi đề xuất MUNTH ........................................................89 3.5.3. Đánh giá hiệu năng .......................................................................................92 3.5.3.1. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản......................................................92 3.5.3.2. Lựa chọn ngưỡng đệm tốt nhất ..............................................................93 3.5.3.3. So sánh, đánh giá các phương pháp ......................................................96 3.6. Kết luận chương 3 .............................................................................................100 CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP PHÂN BỔ BĂNG THÔNG VÀ CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO CHO ĐỒNG THỜI NHIỀU NGƯỜI DÙNG ..102 4.1. Giới thiệu chương .............................................................................................102 4.2. Các vấn đề liên quan và ý tưởng xây dựng giải pháp .......................................102 4.3. Kiến trúc phân bổ băng thông đề xuất dựa trên SDN cho nhiều người dùng đồng thời truy cập ....................................................................................................105 4.4. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông công bằng trên SDN (MSMA-0) ........107 4.5. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông thích ứng trên SDN (MSMA-1) ..........110 4.6. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản ................................................................113 4.6.1. Thiết lập thí nghiệm ....................................................................................113 4.6.2. Các kịch bản thí nghiệm .............................................................................114 4.7. Đánh giá kết quả và thảo luận ...........................................................................115 4.7.1. Tham số công bằng (fairness), hiệu quả (efficiency) và ổn định (stability) ..............................................................................................................................115 4.7.2. Đánh giá hiệu năng .....................................................................................116 4.8. Kết luận chương 4 .............................................................................................122 KẾT LUẬN.........................................................................................................124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................127
iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt Phương pháp Aggressive mặc AGG_DF Aggressive Default định Phương pháp Aggressive có định AGG_RR Aggressive Rerouting tuyến lại dựa trên SDN API Application Programing Interface Giao diện lập trình ứng dụng Giao thức để tìm địa chỉ phần ARP Address Resolution Protocol cứng (địa chỉ MAC) BBA Buffer-based Algorithms Thuật toán dựa vào bộ đệm CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CDN Content Delivery Networks Mạng phân phối nội dung Dynamic Adaptive Streaming Streaming thích ứng động qua DASH over HTTP HTTP FIFO First-In First-Out Vào trước ra trước GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HAS HTTP-based Adaptive Streaming Streaming thích ứng qua HTTP HTTP Dynamic Streaming (HDS) Streaming động qua HTTP được HDS developed by Adobe Systems phát triển bởi hệ thống Adobe HLS HTTP Live Streaming Streaming trực tiếp qua HTTP HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản IP Internet Protocol Giao thức Internet International Organization of ISO Hiệp hội Tiêu chuẩn quốc tế Standardization International Telecommunication ITU Liên hiệp viễn thông quốc tế Union LLDP Link Layer Discovery Protocol Giao thức khám phá lớp liên kết Điều khiển truy cập môi trường MAC Media Access Control (gọi là địa chỉ MAC) MOS Mean Opinion Score Điểm số ý kiến trung bình MPD Media Presentation Description Mô tả trình diễn đa phương tiện MPEG Moving Picture Expert Group Nhóm chuyên gia hình ảnh động Streaming đa phương tiện đa MSMA Media Streaming Multiple Access truy cập iMpede sUspend and attaiN Phòng tránh đóng băng và lựa MUNTH poTential patH chọn tuyến đi tốt OFS OpenFlow Switch Bộ chuyển mạch OpenFlow ONF Open Networking Foundation Tổ chức chuẩn hóa mạng mở
v Open vSwitch Database OVSDB Giao thức cấu hình OpenFlow management Protocol PANDA Probe AND Adapt Thăm dò và thích ứng QoE Quality of Experience Chất lượng trải nghiệm QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QP Quantization Parameter Tham số lượng tử Giao thức điều khiển thời gian RTCP Real-Time Control Protocol thực RTMP Real-Time Messaging Protocol Giao thức bản tin thời gian thực Giao thức truyền tải thời gian RTP Real-time Transport Protocol thực Giao thức streaming thời gian RTSP Real-Time Streaming Protocol thực RTT Round-Trip Time Thời gian trọn vòng SDN-Assisted Novel QoE control Phương pháp kiểm soát QoE cho SAND/3 method for DASH (HTTP/3) DASH (HTTP/3) có hỗ trợ SDN SDN-based Adaptive Routing Định tuyến thích ứng dựa trên SAR without monitoring SDN không giám sát Thích ứng tốc độ cảm nhận phân SARA Segment-aware Rate Adaptation đoạn SDN-based Adaptive Routing Định tuyến thích ứng dựa trên SARM with Monitoring SDN có giám sát Mạng định nghĩa bằng phần SDN Software-Defined Network mềm Định tuyến định kỳ dựa trên SPR SDN-based Periodical Routing SDN Tiêu chuẩn bảo mật an toàn lớp SSL Secure Sockets Layer ứng dụng SVC Scalable Video Coding Mã hóa video có thể mở rộng TBF Token Bucket Filter Bộ lọc nhóm mã thông báo TC Traffic Control Điều khiển lưu lượng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận TLS Transport Layer Security Bảo mật tầng truyền tải URL Uniform Resource Locator Địa chỉ web VBR Adaptation algorithm cross- Định tuyến thích nghi cho video VASR layered with SDN-based Routing VBR dựa trên SDN VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit biến đổi VoD Video on Demand Video theo yêu cầu XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các loại thiết bị khác nhau kết nối với một máy chủ streaming. ....................8 Hình 1.2. Hệ thống HTTP streaming...............................................................................9 Hình 1.3. Các hướng tiếp cận liên quan đến HTTP Streaming .......................................9 Hình 1.4. Mô hình truyền video DASH ........................................................................16 Hình 1.5. Cấu trúc của tệp MPD [49] ............................................................................17 Hình 1.6. Tốc độ bit và chất lượng tức thời của video (a) CBR và (b) VBR. ...............18 Hình 1.7. Kiến trúc 3 lớp của SDN ...............................................................................25 Hình 1.8. Cấu trúc của một môi trường OpenFlow [73] ...............................................29 Hình 1.9. So sánh cấu trúc chuyển mạch truyền thống (a) và cấu trúc OFS (b) ...........29 Hình 1.10. Các thành phần của một OpenFlow switch [74] .........................................29 Hình 1.11. Luồng xử lý một gói tin trong OpenFlow Switch [74]................................31 Hình 1.12. Công cụ triển khai đồ hình mạng SDN .......................................................35 Hình 1.13. Kiến trúc của Floodlight Controller [83] .....................................................37 Hình 2.1. Kiến trúc bộ điều khiển đề xuất .....................................................................47 Hình 2.2. Quá trình thiết lập đường dẫn mới ................................................................49 Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán trên bộ điều khiển SDN ...................................................51 Hình 2.4. Lưu đồ thuật toán streaming video thích ứng qua HTTP và SDN ................53 Hình 2.5. Sơ đồ mạng sử dụng trong thí nghiệm ..........................................................55 Hình 2.6. Băng thông thực tế trên hai đường dẫn triển khai trong thí nghiệm .............57 Hình 2.7. Kết quả so sánh với trường hợp băng thông hai mức....................................59 Hình 2.8. Kết quả so sánh với trường hợp băng thông thực tế ......................................60 Hình 3.1. Kiến trúc đề xuất cho streaming video thích ứng HTTP qua SDN ...............65 Hình 3.2. Sự biến động tốc độ bit của các mức chất lượng video VBR .......................67 Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán định tuyến định kỳ ...........................................................72 Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán định tuyến thích nghi .......................................................73 Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán định tuyến thích nghi có giám sát ....................................74 Hình 3.6. Sơ đồ mạng thí nghiệm ..................................................................................76 Hình 3.7. Các kịch bản băng thông trên các đường dẫn sử dụng trong thí nghiệm ......78 Hình 3.8. Kết quả thích nghi cho phương pháp non-SDN ............................................80 Hình 3.9. Kết quả thích nghi cho phương pháp “SARA” .............................................80 Hình 3.10. Kết quả thích nghi cho phương pháp “SDN-based SARA” ........................80 Hình 3.11. Kết quả thích nghi cho giải pháp định tuyến định kỳ với SDN (SPR)........81 Hình 3.12. Kết quả định tuyến thích nghi không có quá trình giám sát (SAR) ............81 Hình 3.13. Kết quả định tuyến thích nghi có quá trình giám sát (SARM) ....................81 Hình 3.14. Kết quả tốc độ bit thực tế của tất cả các phương pháp ................................83
vii Hình 3.15. Kết quả mức chất lượng của tất cả các phương pháp ..................................83 Hình 3.16. Kết quả mức đệm của tất cả các phương pháp ............................................84 Hình 3.17. Hàm phân phối tích lũy (CDF) tốc độ bit của các phương pháp .................85 Hình 3.18. Hàm phân phối tích lũy (CDF) tốc độ tải của các phương pháp .................85 Hình 3.19. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 10𝑠) ...................93 Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 15𝑠) ...................94 Hình 3.21. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 20𝑠) ...................94 Hình 3.22. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 25𝑠) ...................94 Hình 3.23. Lựa chọn điểm tốt nhất cho ngưỡng đệm ....................................................96 Hình 3.24. Mức đệm của tất cả các phương pháp .........................................................97 Hình 3.25. Tốc độ bit và tốc độ tải của các phương pháp .............................................97 Hình 3.26. Hàm phân phối tích lũy tốc độ bít (a) và tốc độ tải (b) các phương pháp ...98 Hình 3.27. Chỉ số QoE dự đoán của tất cả các phương pháp ......................................100 Hình 4.1. Kiến trúc đề xuất cho vấn đề bottleneck và các bước hoạt động ................105 Hình 4.2. Định dạng bản tin Packet-in [8]...................................................................107 Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán của MSMA-0 đề xuất .....................................................109 Hình 4.4. Sơ đồ mạng sử dụng trong thí nghiệm ........................................................113 Hình 4.5. Tốc độ tải, mức đệm và tốc độ bit trung bình của tất cả các phương pháp tại một liên kết thắt cổ chai với 4Mbps trong trường hợp video VBR. ............................117 Hình 4.6. Tốc độ tải, mức đệm và tốc độ bit trung bình của tất cả các phương pháp tại một liên kết thắt cổ chai với 4Mbps trong trường hợp video CBR. ............................118 Hình 4.7. So sánh tính công bằng (a), hiệu quả (b) và ổn định (c) của tất cả các phương pháp. ............................................................................................................................119
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 0.1. Tóm lượt đặc điểm giải pháp đề xuất với một số nghiên cứu hiện tại ............4 Bảng 1.1. Tính năng của các chuẩn truyền video dựa trên nền HTTP ..........................12 Bảng 1.2. Chỉ số QoE thông thường .............................................................................22 Bảng 1.3. Tóm tắt một số tính chất giữa mạng SDN và mạng truyền thống ................27 Bảng 1.4. Các thành phần chính của một Flow entry....................................................30 Bảng 1.5. Các loại bản tin Asynchronous .....................................................................32 Bảng 1.6. Các bản tin Controller-to-Switch ..................................................................32 Bảng 1.7. Các loại bản tin Symmectric .........................................................................33 Bảng 1.8. Các mô đun cơ bản trong Floodlight Controller ...........................................38 Bảng 2.1. Các ký hiệu sử dụng trong các giải pháp và ý nghĩa ....................................43 Bảng 2.2. So sánh các phương pháp thích ứng khác nhau dựa trên cơ sở đệm ............46 Bảng 2.3. Bảng tin StatsResponse .................................................................................50 Bảng 2.4. So sánh các tham số chất lượng trong trường hợp băng thông hai mức .......61 Bảng 2.5. So sánh các tham số chất lượng trong trường hợp băng thông thực tế .........61 Bảng 3.1. Thông tin mức chất lượng của video trong các thí nghiệm ..........................76 Bảng 3.2. Các tham số đánh giá chất lượng video của các phương pháp .....................86 Bảng 3.3. So sánh các giá trị BTh khác nhau cho giải pháp MUNTH ...........................95 Bảng 3.4. Các tham số đánh giá chất lượng của các giải pháp .....................................99 Bảng 4.1. So sánh hiệu năng của các phương pháp với video VBR ...........................120 Bảng 4.2. So sánh hiệu năng của các phương pháp với video CBR ...........................120 Bảng 4.3. Thống kê các tham số chất lượng và QoE của các phương pháp ...............121
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Với xu hướng phát triển của điện toán đám mây và công nghệ kết nối vạn vật IoT, thập kỷ vừa qua đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của việc tiêu thụ nội dung đa phương tiện, đặc biệt là các video có độ phân giải cao. Theo dự báo của Cisco, truyền phát video sẽ chiếm khoảng 82% tổng lưu lượng truy cập Internet trên toàn cầu [1]. Các công nghệ mạng 4G, 5G hay đường truyền cáp quang làm cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet đã phần nào đáp ứng được nhu cầu của hơn 4.3 tỉ người dùng trên toàn cầu [2]. Tuy nhiên đi liền với sự phát triển về công nghệ truyền tải, các nhà cung cấp nội dung cũng cho ra nhiều nội dung đa phương tiện ngày càng đa dạng và chất lượng hơn. Điển hình đó là video thực tế ảo, để người dùng có thể trải nghiệm xem tốt nhất cần truyền video 360 độ, độ phân giải 12K (12.288×6.480) thì tốc độ bit tương đương sẽ là 5.2 Gbps [3]. Điều này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm những phương pháp truyền mới nhằm cải thiện, nâng cao chất lượng nội dung truuyền tải video đến người dùng. Trong những năm qua, kỹ thuật phổ biến cho việc truyền phát video qua mạng Internet đó là chính là kỹ thuật streaming thích ứng qua giao thức truyền siêu văn bản HTTP, viết tắt là HAS [4], [5]. Bên cạnh đó, sự ra đời của nền tảng truyền video thích ứng động trên HTTP (DASH) [6] đã phần nào làm được điều đó, đồng thời xóa tan được sự độc quyền trong các phương thức truyền video tồn tại từ lâu của các công ty đã gây khó khăn cho các nhà cung cấp dịch vụ khi phải mã hóa, đóng gói video theo nhiều định dạng khác nhau để có thể phục vụ cho nhiều thiết bị, nhiều người dùng. Về cơ bản DASH vẫn giống các công nghệ cũ ở điểm chia video thành nhiều đoạn nhỏ hơn và mỗi đoạn được mã hóa theo các mức chất lượng khác nhau để máy khách yêu cầu. Tuy nhiên vì được chuẩn hóa bởi một tổ chức quốc tế và hỗ trợ hầu hết các phương pháp mã hóa video, audio cũng như thiết bị của nhiều hãng khác nhau nên DASH hiện tại là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trên Internet. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có chuẩn cụ thể trong việc streaming video thích ứng trong HAS nên được thực hiện như thế nào để nâng cao chất lượng trải nghiệm của người dùng (QoE).Vì vậy, vấn đề này vẫn còn đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Từ một khía cạnh khác, mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN [7] là một kiến trúc mạng mới, trong đó thành phần điều khiển mạng có thể lập trình được và tách rời khỏi thành phần chuyển tiếp. Giống như công nghệ DASH, sự ra đời của SDN cũng đã giải quyết được xung đột từ các nhà sản xuất thiết bị cho đến giao diện thiết bị, đó là những điều vốn gây khó khăn trong việc cấu hình mỗi khi có thiết bị mới tham gia vào mạng.
2 Trong SDN, với sự thống nhất trong mặt phẳng điều khiển xuyên suốt mọi thiết bị thông qua giao thức OpenFlow [8] cho phép cấu hình các thiết bị mạng một cách tự động từ một điểm thông qua phần mềm điều khiển. Thêm vào đó, giao thức OpenFlow đảm bảo tính liên kết giữa bộ điều khiển và các thiết bị tầng vật lí, giúp thu thập thông tin mạng một cách dễ dàng. Bộ điều khiển SDN có thể truy vấn, quản lý trạng thái hoạt động của các thiết bị mạng, thực hiện việc điều khiển cấu hình mạng. Đặc biệt, trên bộ điều khiển có thể phát triển các ứng dụng định tuyến hoặc phân bổ băng thông cụ thể và có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp định tuyến “best-effort” hay phân bổ băng thông trong mạng truyền thống. Với cơ chế quản lý tập trung và tính linh hoạt định tuyến mà SDN cung cấp có thể giúp tăng hiệu suất của các ứng dụng streaming video. Từ nhu cầu thực tiễn về streaming video trên Internet và những tiềm năng chưa khai thác hết của hai công nghệ HAS và SDN, luận án đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng truyền video thích ứng qua giao thức HTTP dựa trên mạng được cấu hình bởi phần mềm SDN. 2. Những vấn đề còn tồn tại Để tăng thêm nhiều tính năng của những kỹ thuật truyền tải trước, tiêu chuẩn DASH ra đời là để đối phó với sự biến động lớn trong việc phân phối nội dung đa phương tiện rất khác nhau. Trong vài năm qua, nhiều thuật toán thích ứng tốc độ bit đã được giới thiệu để cải thiện chất lượng trải nghiệm của người dùng (QoE). Sự khác biệt của các phương pháp này chủ yếu là dựa vào các thông tin đầu vào, từ đặc điểm mạng đến các tham số của lớp ứng dụng như bộ đệm hoặc tốc độ tải xuống. Trong nguyên lý HAS, tất cả các thuật toán quyết định tốc độ bit của phân đoạn video được tải xuống đều dựa trên sự biến đổi của thông lượng hoặc mức đệm đo được ở phía máy khách. Cho đến hiện nay, các loại thuật toán này có thể được chia thành ba nhóm chính, bao gồm: nhóm dựa trên thông lượng [5], [9-12]; nhóm dựa trên bộ đệm [13-16] và nhóm dựa vào sự kết hợp cả hai thông số trên [17-20]. Trong tất cả các công trình nghiên cứu trên, cho dù phương pháp nào thuộc bất kỳ nhóm nào cũng đều có một mục tiêu duy nhất là làm sao tải được video có tốc độ bit cao nhất hay mức chất lượng tốt nhất có thể nhằm nâng cao các tham số chất lượng video, cải thiện trải nghiệm QoE người dùng. Tuy nhiên, hầu hết các thuật toán chỉ tập trung vào việc cải thiện cơ chế thích ứng ở phía máy khách mà không xem xét các tài nguyên sẵn có trong mạng để khai thác tối ưu. Tại thời điểm bắt đầu nghiên cứu của luận án, về phía mạng, tác giả đã khảo sát một số công trình về định tuyến đường dẫn tối ưu dựa trên cơ sở mạng SDN như [21-28]. Bằng việc sử dụng các thông tin trạng thái ứng dụng và quản lý tài nguyên mạng để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng, một số phương pháp
3 đã phân loại các luồng video vào các lớp ưu tiên khác nhau để thực hiện chính sách định tuyến [21-23], [28]. Với các luồng có mức ưu tiên cao nhất sẽ được streaming vào đường dẫn khả thi nhất và lưu lượng cao nhất trên một liên kết xác định số lượng luồng được phép streming. Trong [24], [27] đưa ra kỹ thuật định hình lưu lượng truy cập động dựa trên SDN cho việc truyền phát video qua giao thức HTTP. Các tác giả đã sử dụng một mô hình tối ưu hóa nhằm đạt được thông lượng tối đa các dịch vụ DASH bằng cách chọn các đường dẫn tối ưu cho các gói video truyền qua mạng SDN. Với giải pháp trong [25], các tác giả đã đề xuất một kiến trúc SDN để giám sát điều kiện mạng của các luồng streaming trong thời gian thực và thay đổi động các đường dẫn định tuyến bằng kỹ thuật chuyển mạch nhãn đa giao thức để cung cấp trải nghiệm xem video một cách tin cậy. Việc thực hiện định tuyến dựa trên SDN/OpenFlow cho video được mã hóa dưới dạng SVC thích ứng cũng được đề xuất trong [26]. Trong đó, các mô đun chức năng cho bộ điều khiển SDN được thiết kế để hỗ trợ các hoạt động định tuyến mạng một cách có hiệu quả. Nhìn chung, các nghiên cứu này đã mang lại QoE hiệu năng hơn các phương pháp đinh tuyến truyền thống, tuy nhiên cũng chủ yếu tập trung ở khía cạnh định tuyến tại phía mạng mà không quan tâm đến vấn đề thích ứng chất lượng tại phía máy khách như thế nào để phân bổ tài nguyên cho phù hợp. Cũng trong bối cảnh streaming video, đã có một vài nghiên cứu về vấn đề nhiều người dùng cùng truy cập trên mạng chia sẻ như các công trình khoa học trong [29-34]. Các phương pháp này chủ yếu tập trung vấn đề chia sẻ băng thông cho nhiều máy khách đồng thời truy cập vào một liên kết tắc nghẽn thắt cổ chai. Với mục tiêu chính xoay quanh vào ba tham số công bằng (Fairness), hiệu quả (Efficiency) và ổn định (Stability) cho tất cả các người dùng mà các phương pháp khác nhau là khác nhau. Có một số công trình chỉ tập trung vào tính công bằng mà không quan tâm đến tính hiệu quả và ổn định [33]. Một số chỉ cải thiện tính công bằng và hiệu quả mà không xem xét tính ổn định [32], đó là một thông số quan trọng ảnh hưởng mạnh đến QoE. Các tác giả trong [29], [31] nghiên cứu các giải thuật thích ứng tại phía máy khách để cải thiện cả ba tham số trên và đưa ra một tập hợp các phương pháp có hệ thống nhằm cố gắng đảm bảo sự đánh đổi tối ưu giữa các mục tiêu đã đề cập. Tuy nhiên các giải pháp này không đề cập đến vấn đề phân chia băng thông ở phía mạng. Các công trình khác như [32-34] cũng đã thành công trong công việc phân bổ băng thông cho nhiều người dùng trong mạng cạnh tranh nhưng không hề biết tình trạng của các máy khách hoạt động như thế nào. Từ những ưu điểm và hạn chế của các công trình trên, vấn đề streming video qua Internet vẫn đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của các nhà nghiên cứu. Và trên cơ sở đó, để nâng cao chất lượng streaming video, luận án tập trung đề xuất các giải pháp dựa
4 vào một số đặc điểm chính so với các công trình nghiên cứu đang tồn tại như được phát họa trong Bảng 0.1 sau đây: Bảng 0.1. Tóm lượt đặc điểm giải pháp đề xuất với một số nghiên cứu hiện tại Giải pháp Công nghệ Thích ứng tốc độ bit Định tuyến Phân bổ băng thông [9] - [20] HAS Thông lượng/Mức đệm Truyền thống - [21] - [23] SDN - QoS - [24], [27] Lai DASH Định kỳ - [34] SDN DASH - Thích nghi [29], [31] HAS Thông lượng/Mức đệm - Công bằng Đề xuất 1 Lai Thông lượng/Mức đệm Linh hoạt - Công bằng/Thích Đề xuất 2 Lai Thông lượng/Mức đệm - nghi 3. Mục tiêu nghiên cứu Xuất phát từ tình hình thực tế và những vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực video streaming, luận án đề ra các mục tiêu chính sau đây: - Đề xuất và thực hiện thuật toán thích ứng chất lượng video CBR trên nền giao thức HTTP và SDN nhằm cải thiện một vài tham số ảnh hưởng đến QoE người dùng. - Đề xuất và thực hiện các thuật toán thích ứng chất lượng khi streaming video VBR qua giao thức HTTP và định tuyến động dựa trên SDN. - Đề xuất và thực hiện phương pháp phân bổ băng thông tại một liên kết thắt cổ chai dựa trên kỹ thuật SDN/OpenFlow cùng với thuật toán thích nghi tốc độ trên cơ sở DASH nhằm cải thiện QoE người dùng. 4. Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các đối tượng sau đây: - Công nghệ HAS và SDN/OpenFlow. - Hệ thống streaming video thích ứng qua giao thức HTTP. - Hệ thống streaming video thích ứng qua mạng cấu hình bởi phần mềm SDN. - Kết hợp công nghệ HAS và SDN trong streaming video. 5. Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phạm vi dưới đây:
5 - Streaming video chia thành hai nhóm chính là streaming tương tác và streaming không tương tác. Luận án chỉ tập trung vào streaming không tương tác trong đó máy khách một chiều nhận video từ máy chủ. - Không giải quyết bài toán streaming trực tiếp (Live Streaming) mà chỉ tập trung vào streaming video theo yêu cầu (VoD). - Thực hiện các giải pháp tại lớp ứng dụng, không can thiệp vào các lớp dưới của lớp ứng dụng. - Thực hiện các thuật toán thích ứng chất lượng trong streaming video, không quan tâm đến quá trình mã hóa và giải mã dữ liệu video. - Tập trung vào giai đoạn streaming thực sự (máy khách nhận và hiển thị dữ liệu một cách đồng thời), không tập trung vào giai đoạn nạp bộ đệm ban đầu. - Tỉ lệ mất gói được thiết lập là 0% và giả sử rằng băng thông được dùng trong thực nghiệm đã bao gồm sự biến động gây ra bởi sự mất gói, trễ gói dữ liệu. 6. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết, xây dựng giải pháp rồi đi đến thực nghiệm. Trước hết, tác giả tìm kiếm tài liệu và xem xét tất cả các vấn đề lý thuyết trên thế giới có liên quan đến luận án, xây dựng mô hình giải thuật rồi sau đó thiết lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh và đánh giá. 7. Những đóng góp của luận án Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu nhất định với những đóng góp chính như sau: - Đóng góp thứ nhất, luận án đề xuất một kiến trúc SDN/OpenFlow mở rộng kết hợp với công nghệ DASH trong việc streaming video dạng CBR. Tại phía máy khách, phương pháp thực hiện thuật toán thích nghi tốc độ bit dựa trên sự ước lượng thông lượng và bộ đệm để quyết định mức chất lượng video tốt nhất có thể. Tại phía mạng, nhờ vào cơ chế quản lý tập trung và có một cái nhìn tổng thể về mạng của SDN nên giải pháp xây dựng một số mô đun trong bộ điều khiển SDN để thực hiện chức năng định tuyến đường dẫn tối ưu. Kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp đề xuất đã cải thiện một cách đáng kể các tham số chất lượng video so với các giải pháp không sử dụng mạng SDN. Kết quả được công bố trên các công trình [C1], [J1]. - Đóng góp thứ hai, luận án đã đề xuất một hệ thống streaming video dạng VBR qua giao thức HTTP và SDN. Thuật toán thích nghi tốc độ bit tại phía máy khách của giải
6 pháp đề xuất có thể thích nghi tốt với sự dao động mạnh của thông lượng mạng cũng như sự biến đổi liên tục của tốc độ video dạng VBR. Bên cạnh đó, trên bộ điều khiển SDN, luận án xây dựng hai cơ chế định tuyến, đó là định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi để tìm thấy một đường dẫn tốt nhất cho luồng video streaming. Các kết quả đánh giá bằng thực nghiệm chỉ ra rằng giải pháp đề xuất nâng cao đáng kể chất lượng trải nghiệm QoE của người dùng so với các giải pháp đang tồn tại. Kết quả được công bố trên các công trình [C2], [J2], [J3]. - Đóng góp thứ ba là đề xuất giải pháp phân bổ băng thông công bằng và thích ứng cho nhiều người dùng đồng thời truy cập trong mạng chia sẻ. Chính sách phân bổ băng thông dựa trên kiến trúc SDN/OpenFlow đề xuất với mục tiêu công bằng, hiệu quả và ổn định cho tất cả người dùng cùng chia sẻ tài nguyên tại nút thắt cổ chai, đồng thời cũng tối đa hóa số máy khách truy cập và tối thiểu hóa số máy khách giảm QoE. Đề xuất giải pháp phân chia băng thông kết hợp với thuật toán thích ứng tốc độ, kết quả mô phỏng cho thấy đóng góp của giải pháp này là đạt được tốc độ bit trung bình của video cao hơn, tránh được hiện tượng đóng băng video và cải thiện đáng kể QoE người dùng. Kết quả được công bố trên các công trình [C3], [J3]. 8. Cấu trúc nội dung của luận án Nội dung của luận án trình bày trong 4 chương và được tóm tắt như sau: Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật truyền video qua giao thức HTTP và mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN: Khái quát kỹ thuật HTTP streaming và trình bày tổng quan về kỹ thuật streming video thích ứng qua giao thức HTTP mà đặc trưng chính là công nghệ DASH. Phân tích ý nghĩa các tham số ảnh hưởng đến QoE trong lĩnh vực stream video để làm cơ sở đánh giá các giải pháp đề xuất với các phương pháp đối sánh khác. Trong chương cũng đã nêu khái niệm và phân tích kiến trúc của mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN, những ưu điểm của mạng SDN so với mạng truyền thống. Giao thức OpenFlow là một tiêu chuẩn duy nhất cho việc xây dựng các giải pháp SDN. Triển khai mạng SDN thông qua công cụ thí nghiệm cho các đề xuất trong luận án cũng được đề cập đến. Từ những đặc điểm của mạng SDN và công nghệ HAS, luận án đề xuất các giải pháp định tuyến và phân bổ băng thông kết hợp với thuật toán thích ứng tốc độ trong các chương tiếp theo. Chương 2. Truyền video CBR thích nghi giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến của SDN: Trong chương này đề xuất một kiến trúc mới cho bộ điều khiển SDN nhằm thực hiện chính sách định tuyến đường dẫn kết hợp với thuật toán thích ứng tốc độ bit tại phía máy khách để lựa chọn một mức chất lượng video phù hợp. Thiết lập
7 thực nghiệm để đánh giá giải pháp đề xuất với các tham số ảnh hưởng đến QoE như tốc độ bit trung bình hay biên độ giảm mức chất lượng của video. Chương 3. Giải pháp cải thiện QoE trong streaming video VBR qua giao thức HTTP dựa trên SDN: Đề xuất hai giải pháp truyền thích ứng video có tốc độ bit biến đổi VBR qua giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi của SDN. - Trong giải pháp thứ nhất sử dụng thuật toán thích ứng tốc độ dựa trên thông lượng và các ngưỡng đệm linh hoạt để ứng phó với sự biến động mạnh của tốc độ bit video VBR. Đồng thời dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi được cấu hình trên bộ điều khiển SDN để lựa chọn ra một đường dẫn tốt nhất cho luồng video streaming. - Trong giải pháp thứ hai cải tiến thuật toán thích ứng tốc độ bit bằng việc ước lượng trước mức đệm để tránh trường hợp video bị đóng băng. Về phía mạng giải pháp định tuyến đường dẫn dựa vào các tham số ràng buộc về độ ổn định và biên độ khả dụng của băng thông nhằm lựa chọn ra một tuyến đi tối ưu từ máy chủ đến máy khách. Thiết lập thực nghiệm đánh giá kết quả cho hai giải pháp đề xuất với các phương pháp đang tồn tại. Chương 4. Giải pháp phân bổ băng thông và cải thiện QoE trong streaming video cho đồng thời nhiều người dùng: Chương này cũng đề xuất hai giải pháp, đó là phân bổ băng thông công bằng và phân bổ băng thông thích ứng dựa trên cấu trúc SDN cho nhiều người dùng đồng thời truy cập tại một liên kết tắc nghẽn. Đề xuất thuật toán thích ứng tốc độ bít áp dụng cho cả video CBR và VBR. Cuối cùng là thiết lập thí nghiệm và đánh giá kết quả. Kết luận chung của luận án sẽ tóm tắt lại những đóng góp và một số kết quả đạt được cũng như hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN VIDEO QUA GIAO THỨC HTTP VÀ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM SDN 1.1. Đặt vấn đề 1.1.1. Vấn đề về HTTP streaming hiện nay Ngày nay HTTP streaming là một công nghệ rất phổ biến mà nội dung đa phương tiện được phân phối liên tục từ máy chủ đến các thiết bị cuối [4], [5], [35]. Các phương thức streaming ngày càng được cải thiện một cách đáng kể do các khả năng của mạng và nhiều nhu cầu ứng dụng khác nhau của HTTP streaming trong đời sống. Kết nối băng thông rộng cùng với sự phát triển của các thiết bị di động hiệu suất cao tạo ra một suy nghĩ rằng, người dùng xem những gì mong muốn, bất cứ lúc nào và tại bất kỳ địa điểm nào. Như được minh họa trong Hình 1.1, người dùng có thể sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để truy cập vào một số lượng lớn nội dung đa phương tiện thông qua các kết nối khác nhau với tốc độ truy cập Internet khác nhau. Vì vậy, việc tạo ra các kỹ thuật tự động cung cấp chất lượng tốt nhất cho người tiêu dùng đã trở nên một thách thức hết sức quan trọng cho các nhà nghiên cứu. Máy chủ streaming Hình 1.1. Các loại thiết bị khác nhau kết nối với một máy chủ streaming. Hình 1.2 thể hiện cấu trúc cơ bản HTTP streaming. Hoạt động của hệ thống như một tập hợp các yêu cầu và phản hồi HTTP nội dung đa phương tiện một cách tuần tự. Máy chủ có thể là một web server tiêu chuẩn có chức năng tạo ra các trình phương tiện khác nhau trong HTTP streaming thích ứng. Việc tạo ra các trình phương tiện này có thể được thực hiện ngoại tuyến (chế độ tĩnh) hoặc theo yêu cầu (chế độ động). Trong chế độ tĩnh, tệp mô tả (MPD) và trình nội dung phương tiện được tạo ra trước khi bắt