Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng ip l

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 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 Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 62480104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN THÚC HẢI 2. NGUYỄN LINH GIANG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN 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 i LỜI 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 to lớn cho tôi.

ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.

TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng .2 QoS và vấn đề tắc nghẽn.3 Video kỹ thuật số .3 Cấu trúc mã hóa video .4 Chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP .1 Kỹ thuật truyền dòng video trên mạng IP .2 Các tham số QoS .3 Các đặc tính QoS: .4 QoS trong mạng IP: .5 Đánh giá chất lượng video trên mạng IP .1 Đánh giá khách quan .2 Đánh giá chủ quan .3 Liên hệ giữa thang đo chủ quan và khách quan.6 Kết luận chương 1. CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG .1 Mô hình quản lý hàng đợi .2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router .2 Quản lý hàng đợi .4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi .5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin .6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi .3 Cơ chế quản lý hàng đợi bị động .4 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.2 Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng .5 Kết luận chương 2. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED .1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED.1 Giải thuật RED .2 Một số cải tiến của RED .2 Đề xuất giải thuật cải tiến ViRED.1 Ý tưởng giải thuật.2 Định nghĩa hàm tuyến tính u .3 Cài đặt mô phỏng giải thuật .4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED .3 Kết luận chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE .1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE.

Giải thuật BLUE. Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) .2 Nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải tiến BLUE mới trong truyền video .3 Đề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I.1 Đề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE .2 Đề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT .3 Đối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE và BLUE-VPT .4 Đề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II.1 Đề xuất giải thuật VBLUE .2 Đề xuất giải thuật BLUE-U.3 Đối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE và BLUE-U .5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I và II, BLUE-VPT và BLUE-U .1 Phân tích và đối sánh trên các tham số QoS mạng.2 Phân tích đối sánh các tham số đánh giá chất lượng video .6 Kết luận chương 4. 116 iv TÀI LIỆU THAM KHẢO. a v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ACK Acknowledgment 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 Điểm mã các dịch vụ riêng biệt DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số ECN Explicit Congestion Notification Thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECT ECN Capable Transport Có thể truyền tải ECN EF Expedited Forwarding Chuyển tiếp nhanh European Telecommunications ETSI Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu Standards Institute Exponentially Weighted Moving Trung bình dịch chuyển có trọng số EWMA Average theo mũ FACK Forward Acknowledgment Chuyển tiếp báo nhận FIFO First In First Out Vào trước ra trước FF Full-reference 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 Institute of Electrical and Electronics IEEE Viện công nghệ điện và điện tử Engineers 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 Internet Protocol Packet Transfer Delay Độ trễ truyền gói giao thức Internet Internet Protocol Packet Delay IPDV Biến đổi độ trễ gói giao thức IP Variation IPER Internet Protocol Packet Error Ratio Tỉ lệ lỗi gói giao thức IP IPLR Internet Protocol Packet Loss Ratio Tỉ lệ mất gói giao thức IP Internet Protocol Packet Reordering IPRR Tỉ lệ sắp xếp lại thứ tự gói giao thức IP Ratio ISN Initial Sequence Number Số tuần tự khởi đầu vi International Organization for ISO Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Standardization International Telecommunication ITU Liên minh viễn thông quốc tế Union LAN 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 Mạng điện thoại chuyển mạch công PSTN Public Switched Telephone Network cộng PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu QDISC Queuing Discipline Nguyên lý xếp hàng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RED Random Early Detection Phát hiện sớm ngẫu nhiên RFC Request For Comments Khuyến nghị RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực RTT Round Trip Time Thời gian trễ trọn vòng RTTM Round Trip Time Measurement Độ đo thời gian trễ trọn vòng SACK Selective Acknowledgment Lựa chọn báo nhận SFB Stochastic Fair BLUE Hàng đợi công bằng ngẫu nhiên BLUE TC Traffic Control Kiểm soát lưu lượng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận ToS Type of Service Kiểu dịch vụ Giao thức điều khiển truyền thông UDP User Datagram Protocol 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 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân lớp dịch vụ QoS theo đề xuất của ETSI .2 Phân lớp dịch vụ theo ITU-T Y.3 Lớp QoS và các giá trị hiệu năng mạng IP (ITU-T Y.4 Độ trễ âm thanh đầu cuối và tai người .114 Giới hạn cho thời gian truyền một chiều .6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá .7 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng video của ITU Y.8 Thang đo chất lượng video theo mức độ cảm nhận của con người .9 Liên hệ thang đo chủ quan và khách quan.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin .2 Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R .3 Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi .4 So sánh các giải thuật AQM trên cơ sở độ đo hiệu năng.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin khi sử dụng RED và ViRED tại router R1 .2 Tỷ lệ mất gói tin video giữa RED và ViRED.3 Giá trị PSNR (dB) của các khung hình video nhận được khi sử dụng RED và ViRED .1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] .2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE .3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và EBLUE .4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE .5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 .6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại Router R1.9 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, EBLUE và BLUE-VPT tại R1 .10 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE, EBLUE và BLUE-VPT .11 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-VPT, BLUE, EBLUE .12 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) .13 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại router R1 .14 So sánh độ trễ khi sử dụng RED, BLUE, VBLUE .15 Giá trị PSNR(dB) các khung hình khi sử dụng RED, BLUE và VBLUE .16 So sánh độ trễ trên đường truyền R1-R2 khi sử dụng BLUE, BLUE-U, RED .17 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-U và Red tại R1.18 Giá trị PSNR các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE, BLUE-U và RED tại Router R1.

Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE và VBLUE .20 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) .