Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
211
THIẾT KẾ PROFILER
TRONG MIDDLEWARE TƯƠNG THÍCH QOS THEO ỨNG DỤNG
ThS. Vũ Hoàng Hiếu*, TSKH. Hoàng Đăng Hải**
* Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông
Email: vhhieu@mpt.gov.vn
** Bộ Bưu chính Viễn thông
Email : haihd@ptit.edu.vn
Tóm tắt: Để được phân phối chất lượng dịch vụ tốt nhất (QoS), các ứng dụng cần phải tương
thích với môi trường truyền thông và tính toán biến đổi. Lớp middleware có thể hỗ trợ xử lý
tương thích. Chúng tôi đã đề xuất một kiến trúc middleware tương thích mới để tương thích
QoS cho các ứng dụng phân bố [1] và một thuật toán điều khiển tương thích QoS cho kiến
trúc này [2]. Trong bài viết này, chúng tôi trình bầy phương pháp thiết kế Profiler, một thành
phần quan trọng trong kiến trúc middleware này, nó cho phép áp dụng chung cho nhiều ứng
dụng một cách thuận tiện nhất.
1. Giới thiệu
Middleware tương thích cho phép thay đổi
chức năng hoặc điều kiện hoạt động của bộ
xử lý ứng dụng phân bố sau khi phát triển
ứng dụng. Để đáp ứng yêu cầu cung cấp chất
lượng dịch vụ cho hệ thống đa phương tiện
phân bố, chúng tôi đã đề xuất kiến trúc
middleware tương thích QoS theo ứng dụng
[1] và một thuật toán điều khiển tương thích
QoS trong middleware [2]. Kiến trúc này cho
phép tương thích chất lượng dịch vụ ở hai
mức ứng dụng chung và ứng dụng cụ thể.
Việc phân chia một cách rõ ràng các thành
phần của middleware thành hai lớp ứng dụng
chung và ứng dụng cụ thể cho phép kiến trúc
này có thể đáp ứng được yêu cầu QoS của
nhiều ứng dụng, cũng như có thể dễ dàng
triển khai các ứng dụng mới một cách ít tốn
kém. Tuy nhiên các ứng dụng cũng phải chỉ
ra cho middleware biết tham số QoS nào mà
chúng cần phải tương thích để middleware
tập trung vào việc tương thích cho tập các
tham số đặc trưng đó. Mặt khác, tập các
tham số đặc trưng này khó xác định hay đánh
giá trực tiếp. Khi đó, cần phải có giải pháp
cho việc xác định sự thay đổi của các tham
số QoS. Profiler là một giải pháp để thực
hiện điều này. Profiler là một tập hợp các
dịch vụ lưu giữ, cập nhật các tham số QoS
của ứng dụng và mạng. Nó cho phép
middleware thực hiện chức năng tương thích
một cách động. Chức năng của Profiler gồm:
Thứ nhất, cho phép ứng dụng thiết lập trong
middleware tương thích QoS theo ứng dụng
các tham số QoS đặc trưng và mối quan hệ
với các tham số QoS có thể điều khiển khác.
Thứ hai, dịch vụ lưu giữ, cập nhật giá trị của
các tham số QoS đặc trưng sẽ ghi lại tất cả
giá trị của kết quả thăm dò vào QoS Profiler.
Bộ thao tác trong middleware dựa vào các
thông tin có trong Profiler để điều khiển ứng
dụng.
Bài viết này đề xuất phương pháp thiết kế
Profiler nhằm đảm bảo cung cấp đầy đủ
thông tin cho hoạt động điều khiển tương
thích của bộ thao tác trong Middleware. Bài
viết gồm các phần sau: Phần 2 trình bầy sơ
lược kiến trúc middleware và thuật toán điều
khiển tương thích; Phần 3 trình bầy thiết kế
kiến trúc Profiler; Phần 4 mô tả giao diện
Profiler với người sử dụng; Phần 5 đưa ra kết
quả thực nghiệm, Phần 6 nêu kết luận chung.
2. Kiến trúc middleware và thuật toán
điều khiển tương thích
Kiến trúc middleware tổng quát cho phép
thực hiện tương thích QoS theo ứng dụng
trong hệ thống đa phương tiện phân bố được
đề xuất trong [1] gồm hai lớp như hình 1.
Lớp thứ nhất, còn gọi là lớp ứng dụng chung,
bộ điều khiển tương thích ứng dụng chung
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
212
và bộ đánh giá tài nguyên hỗ trợ tương thích
tài nguyên lớp thấp bằng cách phản ứng với
những thay đổi về độ sẵn sàng của tài
nguyên.
Lớp thứ hai, bộ thao tác ứng dụng cụ thể, các
profiler của ứng dụng và bộ đàm phán chịu
trách nhiệm thực hiện tương thích chức năng
ở mức cao đối với mỗi ứng dụng cụ thể, bao
gồm việc ra quyết định khi nào và chức năng
ứng dụng nào được phép tham gia vào cung
cấp dịch vụ dựa trên các yêu cầu lưu sẵn
trong profiler của ứng dụng cụ thể đang
chạy. Tương tác giữa các thành phần khác
nhau và ứng dụng được thực hiện thông qua
một platform cho phép thực hiện các dịch vụ
truyền thông như CORBA [4].
Hình 1. Kiến trúc middleware tương thích.
Với kiến trúc hai lớp như trên bao gồm bộ
điều khiển tương thích chung và bộ thao tác
ứng dụng cụ thể, các hoạt động điều khiển
do các thành phần này tạo ra sẽ thực hiện
điều khiển tương thích chất lượng dịch vụ
đối với tất cả các ứng dụng chia sẻ cùng một
nguồn tài nguyên ở hệ thống đầu cuối, đồng
thời điều khiển tương thích chất lượng dịch
vụ đối với từng dịch vụ cụ thể dựa trên tham
số cấu hình được thiết lập trong profiler.
3. Thiết kế profiler
3.1. Phân loại tham số QoS và ứng dụng
3.1.1. Phân loại tham số QoS
Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho việc phân
loại các tham số QoS trong truyền thông đa
phương tiện. Để khắc phục tình trạng này,
bài viết sử dụng phương pháp hình thức [3]
để phân loại các tham số QoS thành hai
nhóm: tham số độc lập và tham số phụ thuộc.
Hai nhóm này cùng có chung ba đặc tính là:
đặc tính thời gian, độ phân giải chất lượng và
hệ số giá.
a) Các tham số độc lập và phụ thuộc:
Nhóm tham số độc lập: gồm các tham số
được xác định trực tiếp từ công nghệ lựa
chọn cho ứng dụng mà không thông qua các
tham số khác. Ví dụ: Tỷ s
ố nén … Giá trị
của tham số này quyết định bởi từng công
nghệ cụ thể lựa chọn cho ứng dụng và có thể
được chỉ ra bởi người sử dụng hoặc có thể
được định nghĩa thông qua profile QoS hoặc
profile ứng dụng.
Nhóm tham số phụ thuộc: gồm các tham số
có thể xác định gián tiếp qua các tham số độc
lập khác. Ví dụ tốc độ bit truyền dẫn của ứng
dụng phụ thuộc vào tham số tỷ số nén, tốc độ
khung và độ phân giải. Khi tỷ số nén hay tốc
độ khung hoặc độ phân giải thay đổi theo
từng công nghệ được lựa chọn cho ứng dụng
thi tốc độ bit truyền dẫn của ứng dụng cũng
thay đổi theo. Tuy nhiên một số tham số phụ
thuộc có thể ràng buộc với các tham số bên
ngoài vượt ra ngoài phạm vi của khung phân
loại này. Bài viết này không xem xét và phân
loại các tham số đó.
b) Đặc tính chung của các nhóm tham số:
Trong phần này, bài viết mô tả cụ thể mỗi
đặc tính, các tham số QoS liên quan trực tiếp
tới mỗi đặc tính và quan hệ giữa chúng.
Đặc tính thời gian: Các tham số có đặc tính
này ảnh hưởng đến quan hệ về thời gian giữa
các đối tượng có liên quan trong khi trình
diễn đa phương tiện và các tham số xác định
độ dài thời gian chạy cho từng phiên cụ thể.
Để có một phiên trình diễn chất lượng tốt
cần phải duy trì đồng bộ chính xác luồng tín
hiệu trong và ngoài. Profile QoS cụ thể trong
profile ứng dụng xác định giá trị cho các
tham số này.
Độ phân dải chất lượng: Các tham số có
đặc tính này liên quan trực tiếp tới chất
lượng đầu ra của một phiên trình diễn đa
phương tiện. Người sử dụng có thể định
nghĩa trực tiếp các tham số trong phần này
hoặc bằng cách lựa chọn profile ứng dụng và
profile QoS tương ứng.
Hệ số giá: Các tham số có đặc tính này liên
quan đến giá truyền dẫn dịch vụ đa phương
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
213
tiện qua mạng truyền thông. Có hai kiểu giá:
1) Băng thông, 2) Tiền. Nhà cung cấp dịch
vụ, profile ứng dụng và profile QoS xác định
giá trị cho mỗi tham số này.
3.1.2. Phân loại ứng dụng
Mô hình phân loại ứng dụng [3] cho phép
phân chia các ứng dụng thành bốn nhóm dựa
trên những biến đổi theo thời gian và theo
không gian của một phiên trình diễn đa
phương tiện. Biến đổi nội dung đa phương
tiện có thể theo hai dạng trực giao nhau gồm:
dạng không gian và dạng thời gian. Mỗi
dạng biến đổi này có thể là nhanh hay chậm
và dẫn đến mô hình phân loại ứng dụng gồm
bốn nhóm. Mô hình phân loại ứng dụng
được sử dụng như một khuôn mẫu để xác
định các thành phần quan trọng trong một
phiên trình diễn đa phương tiện và ấn định
lượng tài nguyên tương ứng. Mô tả cụ thể
của bốn nhóm này như sau:
Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi
nhanh theo không gian và nhanh theo thời
gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa
phương tiện có các phiên trình diễn với nội
dung mầu chất lượng cao và biến đổi về nội
dung nhanh. Ví dụ như: phim hành động,
chương trình thể thao đua mô tô, phim hoạt
hình chất lượng cao …
Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi
nhanh theo không gian và chậm theo thời
gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa
phương tiện có các phiên trình diễn với nội
dung mầu nhưng không biến đổi nhanh về
nội dung. Ví dụ như: hội nghị truyền hình,
phim hoạt hình chất lượng trung bình hay
ảnh mầu …
Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi
chậm theo không gian và nhanh theo thời
gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa
phương tiện có phiên trình diễn với nội dung
mầu thấp nhưng biến đổi nhanh về nội dung.
Ví dụ như: phim hành động đen trắng hay
âm thanh chất lượng CD …
Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi
chậm theo không gian và chậm theo thời
gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa
phương tiện có phiên trình diễn với nội dung
mầu thấp và biến đổi chậm về nội dung. Ví
dụ như: hình ảnh có độ phân giải mầu thấp
hoặc âm thanh chất lượng thoại …
3.2. Kiến trúc profiler
3.2.1. Các profiler QoS
Profile QoS được định nghĩa để cung cấp tập
các giá trị QoS đã cấu hình trước theo profile
ứng dụng cụ thể. Các profile QoS được tổ
chức thành một tập gồm ba giá trị trong
profile, xác định ba mức QoS khác nhau là:
mức cao, mức trung bình và mức thấp. Các
tham số độc lập và tham số phụ thuộc được
cấu hình trong Profile QoS tương ứng với
một mức QoS của một ứng dụng cụ thể.
3.2.2. Các profiler ứng dụng
Tập các profile ứng dụng đã được xác định
nhằm cung cấp một cơ chế đơn giản để chỉ ra
giá trị cho mỗi tham số QoS. Bằng cách này,
người sử dụng không cần thiết phải chỉ ra
từng giá trị cụ thể cho từng tham số QoS.
Các profile ứng dụng được cấu hình sẵn và
chỉ ra giá trị chấp nhận được cho mỗi tham
số QoS từ một tập xác định trước. Ví dụ
trong hình 2 mô tả profile ứng dụng của sáu
ứng dụng đa phương tiện phân bố với cấu
hình các tham số độc lập, tham số phụ thuộc
và các giá trị của chúng trong tất cả các phân
nhóm. Mỗi ứng dụng có một tập các tham số
QoS được thiết lập cho một giá trị cụ thể để
cung cấp mức QoS mong muốn.
Hình 2. Mô hình kiến trúc Profiler.
Mô hình mô tả ứng dụng gồm các tham số
được lựa chọn cho một cấu hình kết hợp và
phân loại QoS. Ví dụ mô tả ứng dụng chat
gồm tập các tham số chỉ ra bởi dấu tích trong
hình 2. Trong trường hợp này mô tả ứng
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
214
dụng chat chỉ có thể điều khiển giá trị tham
số trễ. Ví dụ với tham số trễ của ứng dụng
chat, các giá trị sau có thể được thiết lập theo
mô tả QoS: “High = 100ms, Medium =
1000ms and Low = 2000ms”.
3.3. Ứng dụng kiến trúc profiler
Mục đích của Profile QoS và ứng dụng là
cung cấp cho người sử dụng không chuyên
phương pháp đơn giản để chỉ ra mức QoS cụ
thể cho ứng dụng nhất định. Trong phương
pháp này trước hết người sử dụng lựa chọn
một profile ứng dụng và profile QoS cụ thể.
Sau đó hệ thống thiết lập giá trị tham số QoS
theo profile QoS cho profile ứng dụng.
Người sử dụng có thể hiệu chỉnh các giá trị
của tham số để phục vụ cho nhu cầu của họ.
Ba đặc tính của tham số QoS bị ràng buộc
bởi sự phụ thuộc tam giác và có thể mô hình
hóa bằng một tam giác như chỉ ra trong hình
3. Mô hình tam giác này mô tả bản chất giới
hạn của việc phân phối QoS. Khi cung cấp
QoS cho một ứng dụng cụ thể chỉ có thể thỏa
mãn được hai trong ba đặc tính, trong khi
đặc tính còn lại là không thể thỏa mãn được.
Cao
Cao
Cao
Thấp
Thấp
Thấp
Phân giải
chất lượng
Đặc tính
thời gian
Hệ số giá
Hình 3. Quan hệ tam giác giữa ba đặc tính.
Ví dụ: Giả sử mô tả hình thức của mô hình
tam giác quan hệ trên là: Cao = C, Thấp = T,
Hệ số giá = HSG, Đặc tính thời gian =
ĐTTG, Độ phân giải chất lượng = PGCL. Để
cung cấp một ứng dụng với mong muốn có
HSG và ĐTTG thấp thì phải chấp nhận
PGCL là thấp. Ta có:
CPGCL AND TĐTTG ⇒ CHSG
CPGCL AND THSG ⇒ CĐTTG
THSG AND TĐTTG ⇒ TPGCL
Trong ví dụ, dòng đầu dự báo trạng thái nếu
chúng ta chọn độ phân giải cao và đặc tính
thời gian thấp thì hệ số giá sẽ phải tăng.
4. Giao diện profiler với người sử dụng
Profile QoS người sử dụng thu nhận các
thông tin cá nhân cho yêu cầu phân phối dịch
vụ đa phương tiện nhận biết QoS bằng cách
duy trì một profile của người sử dụng.
Profile người sử dụng bao gồm hai phần: (1)
mô hình yêu cầu của người sử dụng và (2)
mô hình tham chiếu của người sử dụng.
Bất kỳ khi nào bộ điều khiển QoS được kích
hoạt đối với các sự kiện cụ thể, profile QoS
của người sử dụng gửi một bản tin chỉ dẫn
tới người sử dụng và yêu cầu có phản hồi.
Người sử dụng có thể đưa ra phản hồi theo
dạng phần trăm mà biểu diễn mức độ thỏa
mãn của khách hàng về dịch vụ . Bảng 1 chỉ
ra ví dụ về phản hồi của người sử dụng như:
hai dòng đầu tiên thể hiện người sử dụng
muốn “Xóa bỏ các khung” và “Trèn bộ nén”
trong điều kiện tải CPU thấp và lưu lượng
mạng cao. Dòng cuối cùng thể hiện rằng
người sử dụng muốn “giảm tốc độ xử lý của
bộ vi xử lý” trong trường hợp tải CPU thấp
và lưu lượng mạng thấp.
Bảng 1. Phản hồi của người sử dụng
Tải
CPU
Lưu lượng
mạng Thao tác Độ
thỏa mãn
thấp cao xóa khung 30%
thấp cao trèn bộ nén 90%
thấp thấp giảm tốc độ
bộ vi xử lý 90%
Nội dung profile người sử dụng có thể rất
phức tạp và rất động trong thời gian chạy.
Thay vì lưu giữ tất cả các trường hợp xử lý
và tham chiếu của người sử dụng, profile
QoS duy trì chức năng dự báo [3].
5. Kết quả thực nghiệm
Mô hình mẫu của middleware như trên đã
được mô phỏng trên hệ thống thử nghiệm
[1]. Các thành phần của middleware như: bộ
điều khiển tương thích [2], bộ thao tác [1],
Profiler QoS của người sử dụng được thực
hiện như là các thành phần hợp nhất. Mô
hình mẫu được chạy trên nền hệ điều hành
WindowsNT. Các thành phần của dịch vụ đa
phương tiện cũng được thực hiện như là các
đối tượng CORBA [4] hoặc COM [5]. Dịch
vụ video theo yêu cầu (VoD) được thử
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng
215
nghiệm tại lớp trên trong mô hình mẫu
middleware.
Mô hình thử nghiệm cho phép đánh giá hiệu
quả của thành phần Profiler trong kiến trúc
middleware tương thích QoS theo ứng dụng.
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng mô hình
middleware trên có thể cung cấp một cách
liên tục dịch vụ VoD với vi phạm QoS ở
mức người sử dụng là nhỏ nhất.
Bảng 2. Các điều khiển do bộ thao tác tạo ra.
Thời
điểm
(s)
Sự kiện
QoS
Hành động điều
khiển từ bộ thao tác
10 Khởi động
dịch vụ kết
nối
Ethernet
100 Mbps
Thiết lập bộ cấu
hình: “MPEG
Video Server →
MPEG Video Player”
320 CPU chịu
tải cao
Thiết lập bộ tái cấu
hình: “Chèn bộ ngắt
khung phân biệt (chỉ
các khung B/P)”
539 Suy giảm
băng thông
Thiết lập bộ tương
thích: “MPEG Video
Server: Giảm tốc độ
khung”
Bộ Profiler QoS của người sử dụng được
thực hiện trong môi trường C++. Một số kết
quả thực nghiệm được chỉ ra trong bảng 3.
Kích thước thực tế là 1,28 MB, dung lượng
tổng cho chức năng dự báo là 5,4 KB.
Bảng 3. Kết quả thử nghiệm bộ Profiler QoS
của người sử dụng
Kích thước lưu trữ
Thực
hiện
Dung
lượng
dự báo
Profile
bộ xử
lý
Profile
tham
chiếu
Dung
lượng
dự
trữ
1,28
MB 5,4 KB 3,3 MB 0,8 MB 2,8
MB
Mô hình mẫu middleware trên được thực
hiện với profiler QoS của người sử dụng
khác nhau. Ghi lại các các trường hợp bộ xử
lý và bộ tham chiếu người sử dụng vào hai
file. Kích thước của hai file này tương ứng là
3,3MB và 0,8MB. Thời gian xử lý trung bình
là 0,1 ms với độ chính xác là 85%.
6. Kết luận
Việc tích hợp các ứng dụng đa phương tiện
phân bố đem lại những thách thức mới trong
nghiên cứu middleware. Kiến trúc
middleware tương thích QoS theo ứng dụng
nhằm giải quyết thách thức này. Bài viết đã
đề xuất thiết kế kiến trúc Profiler một thành
phần quan trọng của middleware nói trên.
Đóng góp chính của đề xuất này là:
Phân chia các tham số QoS thành hai nhóm:
nhóm tham số độc lập và nhóm tham số phụ
thuộc, đồng thời xem xét ba đặc tính của các
tham số QoS. Mối quan hệ của ba đặc tính
chỉ ra rằng chỉ có thể đạt được mức độ thỏa
mãn cho hai đặc tính, còn đặc tính thứ ba bắt
buộc phải điều khiển theo hai đặc tính kia.
Kiến trúc Profiler (gồm Profile QoS và
Profile ứng dụng) được sử dụng trong kiến
trúc middleware tương thích QoS theo ứng
dụng. Kiến trúc này cho phép dễ dàng cập
nhật và chỉ ra các tham số QoS cho các thành
phần khác của middleware, đồng thời cho
phép người sử dụng dễ dàng thay đổi thiết
lập tham số QoS.
Khả năng phát triển tiếp theo của công nghệ
này là xây dựng và thử nghiệm nhiều ứng
dụng đa phương tiện phân bố dựa trên khung
middleware tương thích QoS theo ứng dụng
đã xem xét ở trên để kiểm tra và cải tiến hệ
thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Vu Hoang Hieu and Hoang Dang Hai, ‘An
Application-aware Adaptive Middleware
Architecture for Distributed Multimedia
Systems’, Proceeding of The First
International Conference on
Communications and Electronics
(ICCE2006), pp141-pp146, Ha Noi,
VietNam, Oct-2006.
Vũ Hoàng Hiếu, Hoàng Minh và Nguyễn
Ngọc San, “Thuật toán điều khiển tương
thích chất lượng dịch vụ trong middleware
tương thích theo ứng dụng”, Tạp chí Khoa
học Công nghệ.
N.Sharda and M.Georgievski, “A Holistic
Quality of Service Model For Multimedia
Communications”, International Conference
