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

I Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chƣa từng đƣợc 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 đƣợc trích dẫn đầy đủ. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về cam đoan này. Cao Diệp Thắng i L I CẢ Ơ 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 L I M O N ................................................................................................................... i L I CẢM ƠN........................................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, Ồ THỊ ............................................................................ x MỞ ẦU ............................................................................................................................... 1 hƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, HẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH. .................................................................................... 7 1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ mạng ..................................................... 7 1.2 QoS và vấn đề tắc nghẽn............................................................................................. 7 1.3 Video kỹ thuật số ........................................................................................................ 9 1.3.1 Chuẩn MPEG .................................................................................................... 10 1.3.2 Chuẩn H.26L ..................................................................................................... 12 1.3.3 Cấu trúc mã hóa video ....................................................................................... 13 1.4 Chất lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng IP ......................................................... 16 1.4.1 Kỹ thuật truyền dòng video trên mạng IP ......................................................... 16 1.4.2 Các tham số QoS ............................................................................................... 17 1.4.3 ác đặc tính QoS: .............................................................................................. 17 1.4.4 QoS trong mạng IP: ........................................................................................... 19 1.4.5 ác độ đo QoS................................................................................................... 22 1.5 ánh giá chất lƣợng video trên mạng IP .................................................................. 26 1.5.1 ánh giá khách quan ......................................................................................... 26 1.5.2 ánh giá chủ quan ............................................................................................. 28 1.5.3 Liên hệ giữa thang đo chủ quan và khách quan. ............................................... 28 1.6 Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................................... 29 hƣơng 2. Ơ HẾ QUẢN LÝ HÀNG ỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG ........................................................................................................ 30 2.1 Mô hình quản lý hàng đợi ......................................................................................... 30 2.2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router ...................................................................... 31 2.2.1 Phân lớp (Classification). .................................................................................. 31 2.2.2 Quản lý hàng đợi ............................................................................................... 33 2.2.3 Lập lịch.............................................................................................................. 34 2.2.4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi ....................................................... 34 2.2.5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin ............................................................................... 36 iii 2.2.6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi ................................................................... 38 2.3 ơ chế quản lý hàng đợi bị động .............................................................................. 39 2.4 ơ chế quản lý hàng đợi tích cực.............................................................................. 40 2.4.1 Khái niệm .......................................................................................................... 41 2.4.2 ác cơ chế quản lý hàng đợi tích cực................................................................ 41 2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng .......................... 43 2.5 Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................... 46 hƣơng 3. Ề XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ỢI RED ............... 47 3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED........................................................ 47 3.1.1 Giải thuật RED .................................................................................................. 47 3.1.2 Một số cải tiến của RED ................................................................................... 52 3.2 ề xuất giải thuật cải tiến ViRED. ........................................................................... 57 3.2.1 Ý tƣởng giải thuật.............................................................................................. 57 3.2.2 ịnh nghĩa hàm tuyến tính u ............................................................................. 58 3.2.3 ài đặt mô phỏng giải thuật .............................................................................. 58 3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED ................................................................ 59 3.3 Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................................... 65 hƣơng 4. Ề XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ỢI BLUE ............. 67 4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE .......................................................... 67 4.1.1. Giải thuật BLUE............................................................................................... 67 4.1.2. Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) .............................................................. 69 4.2 Nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải tiến BLUE mới trong truyền video ............... 71 4.3 ề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I............................................................. 73 4.3.1 ề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE ................................................................ 73 4.3.2 ề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT .......................................................... 80 4.3.3 ối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE và BLUE-VPT ........... 85 4.4 ề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II. .......................................................... 93 4.4.1 ề xuất giải thuật VBLUE ................................................................................ 93 4.4.2 ề xuất giải thuật BLUE-U............................................................................... 99 4.4.3 ối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE và BLUE-U .................................. 103 4.5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I và II, BLUE-VPT và BLUE-U ........ 109 4.5.1 Phân tích và đối sánh trên các tham số QoS mạng.......................................... 109 4.5.2 Phân tích đối sánh các tham số đánh giá chất lƣợng video ............................. 111 4.6 Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................... 119 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 120 iv TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. a v D Từ viết tắt ACK AQM ATM CBQ CE CIF CPU CQS CWND DS DSCP DSP ECN ECT EF ETSI EWMA FACK FIFO FF ZF GoP HTTP HD IEEE IETF ISP IP IPv6 IPTD IPDV IPER IPLR IPRR ISN ISO H Ụ Á KÝ HIỆU VÀ Tiếng Anh Acknowledgment Active Queue Management Asynchronous Transfer Mode Class Based Queuing Congestion Experienced Common Intermediate Format Central Processing Unit Classification, Queuing, Schedulling Congestion Window Differentiated Services Differentiated Services Code Point Digital Signal Processor Explicit Congestion Notification ECN Capable Transport Expedited Forwarding European Telecommunications Standards Institute Exponentially Weighted Moving Average Forward Acknowledgment First In First Out Full-reference Non-reference/Zero-reference Group of Picture HyperText Transfer Protocol High Definition Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Internet Service Provider Internet Protocol Internet Protocol version6 Internet Protocol Packet Transfer Delay Internet Protocol Packet Delay Variation Internet Protocol Packet Error Ratio Internet Protocol Packet Loss Ratio Internet Protocol Packet Reordering Ratio Initial Sequence Number International Organization for Standardization HỮ VIẾT TẮT Nghĩa Tiếng Việt Báo nhận Quản lý hàng đợi tích cực Chế độ truyền bất đối xứng Phân lớp hàng đợi Dấu hiệu tắc nghẽn khuôn dạng trung gian chung Bộ xử lí trung tâm Phân loại, hàng đợi, lập lịch Cửa sổ tắc nghẽn Các dịch vụ phân biệt iểm mã các dịch vụ riêng biệt Bộ xử lý tín hiệu số Thông báo tắc nghẽn rõ ràng Có thể truyền tải ECN Chuyển tiếp nhanh Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu Trung bình dịch chuyển có trọng số theo mũ Chuyển tiếp báo nhận Vào trƣớc ra trƣớc Tham chiếu đầy đủ Tham chiếu không đầy đủ Nhóm ảnh Giao thức truyền tải siêu văn bản ộ nét cao Viện công nghệ điện và điện tử Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet Nhà cung cấp các dịch vụ Internet Giao thức mạng Internet Giao thức IP phiên bản 6 ộ trễ truyền gói giao thức Internet Biến đổi độ trễ gói giao thức IP Tỉ lệ lỗi gói giao thức IP Tỉ lệ mất gói giao thức IP Tỉ lệ sắp xếp lại thứ tự gói giao thức IP Số tuần tự khởi đầu Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế vi ITU LAN MPEG MOS MSS NAT NP NS NTP PC PSTN PSNR QDISC QoS RED RFC RTP RTT RTTM SACK SFB TC TCP ToS International Telecommunication Union Local Area Network Moving Picture Experts Group Mean Opinion Score Maximum Segment Size Network Address Translation Network Peformance Network Simulator Network Time Protocol Personal Computer Public Switched Telephone Network Peak Signal-to-Noise Ratio Queuing Discipline Quality of Service Random Early Detection Request For Comments Real-time Transport Protocol Round Trip Time Round Trip Time Measurement Selective Acknowledgment Stochastic Fair BLUE Traffic Control Transmission Control Protocol Type of Service UDP User Datagram Protocol VoIP VTP Voice over IP Video Packet Type D H Ụ Á Liên minh viễn thông quốc tế Mạng cục bộ ịnh dạng video MPEG iểm đánh giá chất lƣợng trung bình Kích thƣớc phân mảnh cực đại Dịch địa chỉ mạng Hiệu năng mạng Bộ mô phỏng mạng Giao thức quản lý thời gian mạng Máy tính cá nhân Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu Nguyên lý xếp hàng hất lƣợng dịch vụ Phát hiện sớm ngẫu nhiên Khuyến nghị Giao thức truyền tải thời gian thực Thời gian trễ trọn vòng ộ đo thời gian trễ trọn vòng Lựa chọn báo nhận Hàng đợi công bằng ngẫu nhiên BLUE Kiểm soát lƣu lƣợng Giao thức điều khiển truyền vận Kiểu dịch vụ Giao thức điều khiển truyền thông không hƣớng kết nối qua mạng IP Truyền thoại sử dụng giao thức IP Kiểu gói tin Video BẢ G Bảng 1.1 Phân lớp dịch vụ QoS theo đề xuất của ETSI ...................................................... 20 Bảng 1.2 Phân lớp dịch vụ theo ITU-T Y.1541 .................................................................. 21 vii Bảng 1.3 Lớp QoS và các giá trị hiệu năng mạng IP (ITU-T Y.1541) ................................ 21 Bảng 1.4 Độ trễ âm thanh đầu cuối và tai người ................................................................ 24 Bảng 1.5 G.114 Giới hạn cho thời gian truyền một chiều .................................................. 25 Bảng 1.6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá .......................................................... 25 Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng video của ITU Y.1291-2004....................... 25 Bảng 1.8 Thang đo chất lượng video theo mức độ cảm nhận của con người ..................... 28 Bảng 1.9 Liên hệ thang đo chủ quan và khách quan........................................................... 28 Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin ............................................................................................................................................. 33 Bảng 2.2 Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R ................................................................... 33 Bảng 2.3 Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi ............................................................... 34 Bảng 2.4 So sánh các giải thuật AQM trên cơ sở độ đo hiệu năng..................................... 43 Bảng 3.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin khi sử dụng RED và ViRED tại router R1 ...... 60 Bảng 3.2 Tỷ lệ mất gói tin video giữa RED và ViRED........................................................ 61 Bảng 3.3 Giá trị PSNR (dB) của các khung hình video nhận được khi sử dụng RED và ViRED .................................................................................................................................. 61 Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] ...................................... 69 Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE .............................................................. 75 Bảng 4.3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và EBLUE ................................................................................................................................. 76 Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE ...................................................... 78 Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 ...................................... 81 Bảng 4.6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1. .. 82 Bảng 4.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi................... 83 Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại Router R1. ................................................................................................... 84 Bảng 4.9 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, EBLUE và BLUE-VPT tại R1 ..... 86 Bảng 4.10 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE, EBLUE và BLUE-VPT ........................................................................................................................... 87 Bảng 4.11 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-VPT, BLUE, EBLUE ............................................................................................................................................. 89 Bảng 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................... 90 viii Bảng 4.13 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại router R1 .............................................................................................................................. 91 Bảng 4.14 So sánh độ trễ khi sử dụng RED, BLUE, VBLUE .............................................. 95 Bảng 4.15 Giá trị PSNR(dB) các khung hình khi sử dụng RED, BLUE và VBLUE ........... 96 Bảng 4.16 So sánh độ trễ trên đường truyền R1-R2 khi sử dụng BLUE, BLUE-U, RED 100 Bảng 4.17 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-U và Red tại R1. ...................................................................................................................................... 101 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. ........................................................................................ 102 Bảng 4.19. Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE và VBLUE ......... 106 Bảng 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................. 106 Bảng 4.21 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1 ........................................................................................................................................... 107 Bảng 4.22 Đối sánh các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ video khi sử dụng các giải thuật cải tiến hậu xử lý VBLUE, BLUE-U......................................................................... 108 Bảng 4.23 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, BLUE-VPT, BLUE, VBLUE và EBLUE ............................................................................................................................... 109 Bảng 4.24 Tổng hợp tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE-U, BLUE-VPT, BLUE, EBLUE và BLUE-VPT ...................................................................... 110 Bảng 4.25 Tổng hợp tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT, BLUE, EBLUE và VBLUE ................................................................................................ 111 Bảng 4.26 Giá trị PSNR(dB) khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1 ............ 113 Bảng 4.27 Tổng hợp kết quả đối sánh các giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT................ 113 Bảng 4.28 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏngtruyền video Akio.yuv ................... 115 Bảng 4.29 Đánh giá tổng kết các giải thuật cải tiến ......................................................... 115 Bảng 4.30 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏng truyền video foremance.yuv ......... 117 Bảng 4.31 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏng truyền video bachkhoa.yuv ......... 118 ix D H Ụ Á HÌ H Ả H, Ồ THỊ Hình 1.1 Nguyên nhân tắc nghẽn .......................................................................................... 8 Hình 1.2 Ảnh hưởng tắc nghẽn đến QoS mạng ..................................................................... 9 Hình 1.3 Quá trình phát triển các dòng video H.26x và MPEG ......................................... 10 Hình 1.4 (a) Nén trong khung hình chỉ làm việc trên 1 khung hình đơn duy nhất. ............. 14 (b) Nén liên khung hình làm việc với một chuỗi các khung hình. ....................................... 14 Hình 1.5 Cấu trúc GoP ........................................................................................................ 15 Hình 1.6 Sự phụ thuộc khung hình trong mã hóa video ...................................................... 16 Hình 1.7 Các quan điểm QoS .............................................................................................. 18 Hình 1.8 Mô hình các nhóm dịch vụ QoS ............................................................................ 19 Hình 1.9 Mô hình tham chiếu QoS NI – NI (ITU-T Y.1541) ............................................... 19 Hình 1.10 Biểu diễn độ trễ gói tin ....................................................................................... 22 Hình 1.11 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu đầy đủ. ..................... 27 Hình 1.12 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình không tham chiếu. ...................... 27 Hình 1.13 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu rút gọn ..................... 27 Hình 2.1 Mô hình hàng đợi đơn giản trong mạng ............................................................... 30 Hình 2.3 Trường TOS của IPv4 ........................................................................................... 32 Hình 2.4 IPv6 Header 48 byte ............................................................................................. 32 Hình 2.5 Tiến trình xử lý hàng đợi trong router.................................................................. 35 Hình 2.6 Chức năng đo đơn giản của token packet ............................................................ 37 Hình 2.7 Lược đồ xác suất loại bỏ các gói trong DropTail ................................................ 39 Hình 2.8 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. .................................................. 42 Hình 2.9 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng trình diễn video ..................................... 44 Hình 2.10 Mô hình truyền video qua mạng ......................................................................... 44 Hình 3.1 Mối quan hệ giữa xác suất loại bỏ gói và kích thước hàng đợi trung bình ........ 48 Hình 3.2 Giải thuật chung cho router RED ........................................................................ 48 Hình 3.3 Mô tả mối quan hệ giữa maxp và độ chiếm giữ hàng đợi ..................................... 49 Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán RED......................................................................................... 51 x Hình 3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi thích ứng với maxp thay đổi ......................... 53 Hình 3.6. Mô hình của GRED ............................................................................................. 56 Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật cải tiến ViRED ......................................................................... 58 Hình 3.8 Cấu hình mạng sử dụng trong mô phỏng. ............................................................ 59 Hình 3.9 So sánh độ trễ trung bình trên R1-R2 khi sử dụng RED, ViRED. ........................ 60 Hình 3.10 Tỷ lệ mất gói tin video khi sử dụng RED và ViRED ........................................... 61 Hình 3.11 So sánh giá trị PSNR(dB) khi sử dụng RED và ViRED...................................... 62 Hình 3.12 Các khung hình tương ứng nhận được : (a) RED và (b) ViRED tại router R1 .. 62 Hình 3.13 So sánh giá trị PSNR(dB), sử dụng RED và ViRED khi thực hiện mô phỏng với tập tin video formance.yuv................................................................................................... 63 Hình 4.1 Mã giả giải thuật BLUE. ...................................................................................... 67 Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật BLUE ....................................................................................... 68 Hình 4.3 Đề xuất cải tiến BLUE theo hai nhóm giải thuật tiền xử lý và hậu xử lý. ............ 72 Hình 4.4 Giải thuật EBLUE cải tiến.................................................................................... 74 Hình 4.5 So sánh độ trễ trung bình gói tincủa các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 76 Hình 4.6 So sánh thông lượng trung bình của các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 76 Hình 4.7 Đối sánh giá trị PSNR EBLUE, BLUE và RED. .................................................. 77 Hình 4.8 Khung hình 170 khi sử dụng BLUE và EBLUE.................................................... 78 Hình 4.9 Sơ đồ giải thuật cải tiến BLUE-VPT .................................................................... 81 Hình 4.10 So sánh độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng các giải thuật BLUE, BLUE-VPT và RED ..................................................................................................................................... 82 Hình 4.11 So sánh tỉ lệ mất gói tin video giữa BLUE, BLUE-VPT. .................................... 83 Hình 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi ...................................... 84 Hình 4.13 PSNR(dB) khi sử dụng cơ chế BLUE, BLUE-VPT và RED ............................... 84 Hình 4.14.a, b Khung hình nhận được khi sử dụng cơ chế BLUE và BLUE-VPT tại R1.... 85 Hình 4.15 Băng thông R1-R2 và độ trễ trung bình khi sử dụng giải thuật BLUE-VPT ...... 86 và EBLUE. ........................................................................................................................... 86 Hình 4.16 Tỷ lệ mất gói tin của giải thuật BLUE-VPT và EBLUE .................................... 87 Hình 4.17 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng các giải thuậtEBLUE, BLUE-VPT ............................................................................................................................................. 88 Hình 4.18 Biến thiên trễ khi sử dụng EBLUE, BLUE-VPT ................................................. 88 Hình 4.19 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video giữa BLUE-VPT và EBLUE ............................ 89 xi Hình 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền BLUE-VPT và EBLUE ...................................... 90 Hình 4.21 So sánh giá trị PSNR(dB) của EBLUE và BLUE-VPT. ...................................... 91 Hình 4.22 Lưu đồ giải thuật VBLUE ................................................................................... 94 Hình 4.23 So sánh độ trễ truyền tin (ms), khi sử dụng các giải thuật RED, BLUE và VBLUE ................................................................................................................................. 95 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 ....................................................................................................... 96 Hình 4.25.a, 4.25.b Khung hình 150 sử dụng cơ chế BLUE và VBLUE ............................. 97 Hình 4.26 So sánh giữa độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED ........... 100 Hình 4.27 Thông lượng mạng khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED. .............................. 101 Hình 4.28 Đối sánh tỉ lệ mất gói tin giữa BLUE, BLUE-U và RED ................................. 101 Hình 4.29 Khung hình nhận được giữa BLUE và BLUE-U .............................................. 102 Hình 4.30 Độ trễ trung bình khi sử dụng VBLUE và BLUE-U ......................................... 104 Hình 4.31 Độ mất gói tin khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .............................................. 104 Hình 4.32 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng BLUE-U và VBLUE ............... 105 Hình 4.33 Biến thiên trễ (Jitter) trên các giải thuật BLUE-U và VBLUE ........................ 105 Hình 4.34 Độ mất gói tin video ......................................................................................... 106 Hình 4.35 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 107 Hình 4.36 Giá trị PSNR(dB)khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .......................................... 108 Hình 4.37 Độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE-U và BLUE-VPT ................................... 110 Hình 4.38 Tỷ lệ mất gói tin ............................................................................................... 110 Hình 4.39 Thông lượng khi sử dụng giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT .......................... 111 Hình 4.40 Biến thiên trễ (jitter) ......................................................................................... 111 Hình 4.41 Tỷ lệ mất gói tin video ...................................................................................... 112 Hình 4.42 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 112 Hình 4.43 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE-U và BLUE-VPT .............................. 113 Hình 4.44 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của 04 giải thuật cải tiến so với BLUE ........... 115 Hình 4.45 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được theo cảm nhận chủ quan của người dùng. ................................................................................................................ 115 Hình 4.46 Đối sánh giá trịPSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video foremanc.yuv...................................................................................................................... 116 xii Hình 4.47 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE ........................................................................................................................................... 117 Hình 4.48 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 117 Hình 4.49 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE ........................................................................................................................................... 118 Hình 4.50 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được khi truyền file bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 118 xiii Ở ẦU 1.TÍNH CẤP THIẾT CỦ Ề TÀI Sự phát triển nhanh chóng các ứng dụng truyền video trên Internet đặt ra những thách thức ngày càng lớn. ể đáp ứng cho ngƣời dùng cuối, nhiều ứng dụng video đòi hỏi chất lƣợng dịch vụ mạng (Quality Of Service - QoS). Tuy nhiên, do mạng Internet là mạng mặc dù đƣợc xây dựng với đặc điểm truyền là nỗ lực tối đa (best-effort network) nhƣng chƣa thể đảm bảo về QoS và không có sự phân biệt giữa các gói tin truyền trên mạng dẫn đến tỷ lệ đáng kể các gói dữ liệu video bị loại bỏ bởi các bộ định tuyến mạng khi xảy ra tình trạng thiếu băng thông trên các đƣờng truyền do bị tắc nghẽn. Ảnh hƣởng của việc mất gói tin video làm suy giảm chất lƣợng xem ở phía máy nhận có thể thay đổi từ không đáng kể đến mức không thể chấp nhận đƣợc[15, 19, 55]. Một trong các cơ chế quản lý hàng đợi thƣờng đƣợc sử dụng để tăng hiệu năng mạng và ngăn cản sự suy giảm chất lƣợng truyền dữ liệu là cơ chế quản lý hàng đợi tích cực (AQM-Active Queue Management [21, 23, 24, 69, 78, 80, 88]). Khi truyền tải trên mạng, chất lƣợng dữ liệu multiumedia phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có chiến lƣợc cấp phát tài nguyên của mạng. Nếu khả năng tài nguyên có hạn và chiến lƣợc cấp phát không thích nghi với trạng thái luôn thay đổi của mạng thì dễ dẫn đến tình trạng dữ liệu dồn về một trạm nào đó của mạng và gây nên tắc nghẽn [45, 53, 74]. ặc biệt, với nhu cầu truyền thông ngày càng tăng của các ứng dụng truyền video thì khả năng xảy ra tắc nghẽn trên mạng lại càng lớn. Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không đƣợc xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu quả nghiêm trọng. ác gói tin không đƣợc xử lý nên không đƣợc chuyển đến đầu cuối của ngƣời 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 nhƣ ứng dụng truyền video càng bị ảnh hƣởng. Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụng đa phƣơng tiện. Hiện tại có hai hệ thống tiêu chuẩn chính trong việc thiết lập các tiêu chuẩn nén video. ó chính là ITU (International Telecommunications Union)[9, 71] và MPEG (Motion Picture Experts Group) [9, 47]. ƣợc 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. ho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển đƣợc một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn đƣợc áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tƣơng ứng có tốc độ bit khác nhau.[9, 11, 19, 34, 35, 44, 47, 59]. Các ứng dụng Video nhƣ 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, nhƣ 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 lƣợng của hình ảnh từ các máy quay video không quá tồi cho việc quan sát những cảnh ít thay đổi hoặc thay đổi chậm, nhƣng đối với những mục tiêu di chuyển nhanh hơn, chẳng hạn một chiếc xe đang chạy trên đƣờng 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 lƣợng video tƣơng tự nhƣ khi xem ti-vi trong hệ NTSC và chúng ta có thể xem đƣợc các mục 1 tiêu đang di chuyển nhanh. Trong thực tế, mắt ngƣời không thể phát hiện sự khác nhau ở tốc độ cao hơn 30 khung hình/1s. Một luồng video gốc ban đầu, hay thậm chí một luồng video đã đƣợc 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 lƣợng giới hạn cho nên việc sử dụng thiết bị n n video có ý nghĩa quan trọng. Nó giúp giảm bớt băng thông yêu cầu cần thiết để hỗ trợ luồng video. Thông thƣờng, ngƣời ta sử dụng một bộ codec trong máy quay video để nén hình ảnh video số trƣớc khi gửi đi. Các thuật toán n n thông thƣờng cho video thƣờng nằm trong chuẩn MPEG (Moving Picture Experts Group). MPEG-4 là thuật toán nén có tổn thất, điều đó có nghĩa là trong quá trình nén sẽ làm mất một vài thông tin trong video. Tuy nhiên, trong hầu hết các trƣờng hợp, tổn thất nhỏ này không quan trọng. Trong thực tế, hầu hết mọi ngƣời không thể nhận ra sự mất mát này. Do đó MP G-4 là một chuẩn mã hóa tốt cho video. ã có nhiều nghiên cứu, bài báo đề xuất giải pháp sử dụng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực AQM để giải quyết vấn đề tránh tắc nghẽn, [12, 23, 28, 31, 44, 51, 69, 74, 80, 83, 85, 86, 88, 89],... Tuy nhiên hầu hết các giải pháp này mới tập trung vào giải quyết vấn đề xử lý dữ liệu thông thƣờng mà không hề đề cập đến việc ƣu tiên phân loại luồng dữ liệu cho video. Hoặc chƣa xử lý nó ngay trong bản thân các giải thuật quản lý hàng đợi cụ thể. Từ các yêu cầu cấp thiết và thực trạng nhu cầu về các ứng dụng truyền luồng dữ liệu video trên mạng tác giả đã đi đến lựa chọn nghiên cứu đề tài luận án: “Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP” 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu chính của luận án này là đóng góp vào các nghiên cứu cải tiến phƣơng pháp quản lý hàng đợi cho truyền video dạng chuẩn mpeg-4 trên mạng IP. húng tôi đã nghiên cứu kỹ các thuật toán quản lý hàng đợi tích cực RED, đặc biệt là BLUE; đã nghiên cứu kỹ các đặc điểm lỗi của quá trình truyền video trên mạng IP và ảnh hƣởng của việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đó, chúng tôi đã nêu các đề xuất có tính phƣơng pháp luận để cải thiện hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video trên các môi trƣờng mạng phức tạp (đa luồng). ác đề xuất cụ thể của chúng tôi gồm có: 1./ Tích hợp cơ chế ƣu tiên gói tin video trong cơ chế điều khiển hàng đợi tích cực RED; 2/. Xây dựng các hàm tuyến tính đơn biến và đa biến để cải thiện chất lƣợng truyền video; 3/. ề xuất xây dựng giải thuật cải tiến hàng đợi tích cực BLUE-VPT cải thiện chất lƣợng truyền video trên mạng. 3. ỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ối tƣợng nghiên cứu Luận án nghiên cứu cải tiến phƣơng pháp quản lý hàng đợi để nâng cao hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng IP. ể 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 lƣợng dịch vụ mạng máy tính,  Nghiên cứu các nhân tố ảnh hƣởng 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 hƣởng của việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lƣợng 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 lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng IP. 2  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 đƣờng truyền của mạng.  Nghiên cứu phát triển một giải thuật AQM mới là BLUE-VPT có hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng IP tốt hơn các giải thuật đã có.  Phƣơng pháp đánh giá hiệu năng và chất lƣợng 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 nhƣ: video phone, video-conferencing, tele-medical hay video theo yêu cầu (VoD),v.v.. khi đó chất lƣợng video là vấn đề rất quan trọng. Trong quá trình truyền tải video từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm suy giảm chất lƣợng video: mã hóa/giải mã và các tham số hiệu năng mạng nhƣ: tỷ lệ mất gói (Packet Loss Rate), trễ (delay), biến động trễ (jitter), thông lƣợng (throughput), băng thông (bandwidth),… + Một phƣơng pháp khác là cung cấp các mô hình dịch vụ và cơ chế mới để cung cấp QoS cho lƣu lƣợng/ứng dụng thời gian thực. ã có một số mô hình dịch vụ đƣợc IETF (Internet ngineering Task) đề xuất. Trong số các mô hình này, phổ biến nhất và rộng rãi chấp nhận là dịch vụ tích hợp (IntServ) [RFC1633] và Dịch vụ phân biệt (DiffServ) [RFC2474] [RFC 2475]. Tuy nhiên theo [39], cho đến bây giờ IntServ cũng không ý nghĩa thực tiễn và chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tế vì lý do kinh tế và kế thừa chứ không phải là lý do kỹ thuật. Việc đƣa ra mô hình IntServ đã giải quyết đƣợc nhiều vấn đề liên quan đến QoS hơn mô hình Best-Effort trong mạng IP. Tuy nhiên trong thực tế mô hình này đã không đảm bảo đƣợc QoS xuyên suốt (end to end). ã có nhiều cố gắng nhằm thay đổi điều này nhằm đạt một mức QoS cao hơn cho mạng IP và một trong những cố gắng đó là mô hình DiffServ. Kiến trúc dịch vụ khác biệt (DiffServ) cung cấp khả năng xử lý các lớp khác nhau của luồng dữ liệu theo nhiều cách khác nhau trong mạng IP. Nó làm thay đổi tƣơng đối nhỏ ở lớp mạng và lớp vận chuyển, đƣa ra một số kế hoạch lập chính sách đơn giản ở rìa của mạng, tức là tại bộ định tuyến biên. DiffServ tập hợp các luồng riêng biệt thành các lớp giao thông khác nhau tại bộ định tuyến biên và sau đó là bộ định tuyến trung tâm trong hệ thống chuyển tiếp mỗi gói tin đến bƣớc kế tiếp của nó theo hoạt động của mỗi hop kết hợp với lớp lƣu lƣợng của gói tin. Ngày nay xu thế hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực trong mạng IP là phân loại ƣu tiên các dịch vụ và ngƣời dùng, trong đó cơ chế DiffServ là tiêu biểu. Các nhu cầu về QoS đƣợc chuyển sang một khái niệm mới gọi là cấp dịch vụ QoS. Ý tƣởng ở đây là cung cấp các loại dịch vụ khác nhau cho từng loại lƣu lƣợng khác nhau, đó là cung cấp một dịch vụ tốt hơn cho các ứng dụng nhạy cảm với trễ và thông lƣợng mạng. Hơn nữa, các cơ chế khác nhau để tƣơng tác với các phiên TCP bằng quản lý bộ đệm hay lập lịch đƣợc tạo ra để giảm khả năng tắc nghẽn và chia sẻ tài nguyên công bằng hơn. Tuy nhiên, phƣơng thức cho các ứng dụng phía đầu cuối yêu cầu một QoS nào đó vẫn chƣa rõ ràng vì DiffServ không có điều khiển chấp nhận kết nối. DiffServ không đủ khả năng giải quyết bài toán chia sẻ tài nguyên giữa các luồng T P đang hoạt động. Tài nguyên vẫn bị chia sẻ không công bằng bên trong mỗi tập hợp lƣu lƣợng khác nhau. DiffServ đang rất cần một hệ thống điều khiển tắc nghẽn hoàn hảo hơn với các cơ chế lập lịch, quản lý bộ đệm, phản hồi nghẽn và cả điều chỉnh đầu cuối. Năm 2006 – Trong luận án Tiến sĩ của mình Xiaoyan Wang đã đề xuất giải pháp cải tiến trên một trong các hàng đợi tích cực nổi tiếng là R D để làm tăng QoS thời gian thực đối với dữ liệu âm thanh/video trên cơ sở hạ tầng mạng IP chi phí dịch vụ thấp và không có thay đổi với mạng hiện tại. [82] 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 3 cực nhạy cảm lƣu lƣợng cho các ứng dụng multimedia tại các router. Các TSAQM bao gồm chƣơng trình phân bổ trọng số động (DW S) và chƣơng trình đảm bảo dịch vụ (SGS). Mục đích của DWAS là cách phân bổ tài nguyên công bằng với các tiện ích ngƣời dùng cuối cao và SGS để xác định ngƣỡng thích hợp (TH) và khoảng/miền ngƣỡng (TR). Bên cạnh đó, một thiết kế multiqueue với lƣu lƣợng ƣu tiên khác nhau và ngƣỡng TH và miền ngƣỡng TR đƣợc đề xuất để đạt đƣợc 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 đƣợc các yêu cầu độ trễ và thông lƣợng cùng một lúc. (2) Các thuật toán AQM hầu nhƣ không xem x t 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 lƣợng 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 lƣu lƣợng dữ liệu khác nhau. (5) Hầu hết các thuật toán AQM không có khả năng thích ứng, những thuật toán phải đƣợc đào tạo hoặc điều chỉnh một tập hợp các thông số để đáp ứng lƣu lƣợng tải đa dạng. (6) Một thách thức để vƣợt 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 vƣợt trội hơn. Từ việc tham khảo các công trình nghiên cứu liên quan đến hƣớng đề tài nhƣ đã trình bày ở trên tác giả đã đi đến lựa chọn hƣớng nghiên cứu cải tiến phƣơng 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 RED và đặc biệt là BLUE trong truyền video từ đó phân tích, đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng và chất lƣợng truyền video qua mạng sử dụng các tham số hiệu năng và thang đo khách quan PSNR(dB)[22, 46, 48, 60, 74, 79, 84] và độ đo chủ quan MOS[20, 46, 79] để đánh giá. + Nghiên cứu đề xuất xây dựng hàm tuyến tính điều chỉnh xác suất đánh dấu (loại bỏ) gói tin dựa trên kích thƣớc hàng đợi tại bộ định tuyến và mức độ sử dụng đƣờng truyền, nghiên cứu phân tích cấu trúc mã hóa liên khung của video từ đó tích hợp cơ chế ƣu tiên phân loại gói tin trong các giải thuật QM để cải thiện chất lƣợng truyền video qua mạng IP. + Nghiên cứu đánh giá và cải tiến giải thuật quản lý hàng đợi tích cực RED, BLUE nâng cao hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video với các giải thuật cải tiến. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Nghiên cứu lý thuyết: - Tắc nghẽn và một số giải pháp tránh tắc nghẽn. - ác cơ chế quản lý hàng đợi (queue), cơ chế quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management) - Các kỹ thuật mã hóa video MPEG, H.26x. 4 - ác phƣơng pháp đánh giá hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ mạng. - ác phƣơng pháp đo lƣờng đánh giá chất lƣợng truyền video khách quan và chủ quan (PSNR, MOS). Nghiên cứu thực nghiệm: thông qua cài đặt và mô phỏng việc truyền video trên mạng IP bằng bộ công cụ mô phỏng NS-2 (Network Simulator)[57]và khung làm việc EVALVID[20, 46], sử dụng file vết video (video trace). Phân tích đánh giá: Dựa trên kết quả quan sát trực quan và các dữ liệu thống kê. Phân tích tổng hợp, kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để chỉ ra các hạn chế, nguyên nhân và giải pháp khắc phục. Tổng hợp, kế thừa: các ƣu điểm và các kết quả nghiên cứu chi tiết để tổng hợp đƣa ra những giải pháp mới có nhiều ƣu điểm hơn so với các giải pháp đã có trƣớc đó. Hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video khi áp dụng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực có đề xuất cải tiến của chúng tôi đƣợc so sánh với các cơ chế RED, BLUE chƣa cải tiến. húng tôi đánh giá hiệu năng mạng và chất lƣợng dịch vụ truyền video bằng phƣơng 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 thƣ viện các tập tin .YUV [7, 8, 20, 46], tệp tin video bachkhoa.yuv do tác giả quay trực tiếp. 4. Ý NGHĨ KHO HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Ý nghĩa khoa học của luận án: (1). ề tài đã đƣa ra một số thuật toán quản lý hàng đợi áp dụng cho video để nâng cao chất lƣợng truyền trên mạng IP. (2). ề 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 đƣợc mô hình đánh giá các nhân tố ảnh hƣởng đến hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng máy tính bằng phƣơng pháp mô phỏng trên khung làm việc EVALVID và bộ công cụ NS-2. ã thử nghiệm mô phỏng với luồng video thực. (4). ề xuất một số phƣơng pháp điều chỉnh xác suất đánh dấu/loại bỏ gói tin trong các giải thuật RED, BLUE. (5). ề xuất đƣợc 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 đƣợc sự cải thiện chất lƣợng 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 đƣợc kết cấu bao gồm: phần mở đầu, 4 chƣơng chính, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo. Trong đó: Lời mở đầu: Nêu lý do, sự cần thiết, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, HẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH. hƣơng này đi sâu vào phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ, nghiên cứu tổng quan hoạt động của video kỹ thuật số trên mạng. Nghiên cứu các chuẩn mã hóa video tiên tiến là MPEG và H.26L, nghiên cứu đánh giá chất lƣợng video theo các thang đo khách quan và chủ quan trên mạng IP. Chương 2: Ơ HẾ QUẢN LÝ HÀNG ỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO TRÊN MẠNG hƣơng 2 đã nêu tổng quan về các cơ chế quản lý hàng đợi, cơ chế quản lý hàng đợi bị động, cơ chế quản lý hàng đợi tích cực và vai trò của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng. ũng trong chƣơng này đã trình bày kiến trúc CQS, phân loại các phƣơng pháp quản lý hàng đợi 5 Chương 3: Ề XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ỢI RED Trong chƣơng 3 chúng tôi đã trình bày về giải thuật quản lý hàng đợi tích cực RED. Phân tích các ƣu điểm và hạn chế của RED trong ứng dụng truyền video, từ đó chúng tôi đã đề xây xuất giải pháp sử dụng hàm tuyến tính để tác động đến xác suất đánh dấu (loại bỏ) gói tin ngay trong giải thuật R D. ể xuất xây dựng hàm tuyến tính đơn biến u để điều chỉnh xác suất đánh dấu (loại bỏ) gói tin trong hàng đợi tại bộ định tuyến dựa trên hàng đợi R D. ồng thời đề xuất tích hợp cơ chế ƣu tiên phân loại gói tin video vào cơ chế quản lý của R D, đƣa ra giải thuật cải tiến ViRED. Chương 4: Ề XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ỢI BLUE. Trong chƣơng này chúng tôi đã đề xuất hai giải pháp cải tiến giải thuật BLU để nâng cao chất lƣợng dịch vụ mạng và chất lƣợng dịch vụ truyền video trên mạng. Với mỗi giải pháp chúng tôi đề xuất 1 nhóm giải thuật cải tiến và đối sánh từng cặp giải thuật trên các tham số chất lƣợng dịch vụ mạng và chất lƣợng dịch vụ truyền video. Từ đó chúng tôi đã đề xuất đƣợc một giải thuật cải tiến BLUE-VPT nâng cao chất lƣợng dich vụ truyền video trên mạng . Kết luận: Tổng kết các kết quả đã thực hiện đƣợc của luận án. Luận án đã đƣợc trình bày tại Hội đồng cấp ơ sở và đƣợc Hội đồng thông qua ngày 20/02/2014. Một số kết quả nghiên cứu của Luận án đã đƣợc báo cáo tại Hội thảo Quốc tế I UFN‟2013 tháng 7/2013 tại à Nẵng (bài báo số 2), công bố trên các tạp chí chuyên ngành Công nghệ thông tin trong nƣớc và Quốc tế (các bài báo số 1, 3, 4, 5). Các kết quả nghiên cứu chính của Luận án đã đƣợc 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, ại học Bách khoa Hà Nội, Trƣờng ại học Kinh tế Kỹ thuật Công Nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành đƣợc luận án. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở khoa NTT trƣờng ại 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 hƣớng dẫn, chỉ bảo và cho nhiều lời khuyên quí báu trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận án. 6 hƣơng 1. TỔ G QU VỀ HIỆU DỊ H VỤ TRUYỀ VIDE TRÊ Ă G, HẤT ƢỢ G Ạ G ÁY TÍ H. 1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lƣợng dịch vụ mạng Hiệu năng mạng: Hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống thực hiện đƣợc. Hiệu năng chủ yếu đƣợc xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability), thông lƣợng (throughput) và thời gian đáp ứng (response time). ối với mạng máy tính, hiệu năng cũng còn đƣợc xác định dựa trên các nhân tố khác nhƣ 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 lƣợng dịch vụ (Quality of Service-QoS): QoS là một lĩnh vực phức tạp, đã có nhiều định nghĩa đƣợc đƣa ra, tuy nhiên, thực tế không có định nghĩa nào đƣợc 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”. I (Institute of lectrical and lectronic ngineers) định nghĩa QoS là: “tập hợp các đặc trƣng về định tính và định lƣợng của một hệ thống truyền dẫn đa phƣơng tiện nhằm đạt đƣợc các chức năng yêu cầu của một dịch vụ cụ thể” Nhà sản xuất thiết bị mạng hàng đầu isco thì đƣa ra khái niệm: “QoS là thuật ngữ đƣợc dùng để xác định khả năng đảm cung cấp các cấp độ dịch vụ khác nhau với những hình thức lƣu lƣợng khác nhau của mạng”. QoS cho ph p chỉ định mức độ ƣu tiên đối với các lƣu lƣợng khác nhau và cho ph p xác định cấp độ chất lƣợng dựa vào độ rộng băng thông hoặc thời gian trễ… QoS đƣợc định nghĩa “là một tập hợp các công cụ cho ph p ngƣời quản trị mạng có thể đảm bảo chắc rằng cấp độ tối thiểu của các dịch vụ đƣợc cung cấp một lƣu lƣợng xác định ”. Nhƣ vậy chúng ta có thể thấy khái niệm hiệu năng và QoS có nhiều điểm tƣơng đồng, tuy nhiên hiệu năng mang hàm ý rộng hơn với nhiều hệ thống khác nhau, còn QoS ra đời sau và mang ý nghĩa cụ thể hơn cho một loại hình dịch vụ cụ thể. ặc biệt trong lĩnh vực đánh giá các ứng dụng trên mạng máy tính thì QoS ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi hơn, vì vậy để thống nhất về trình bày, trong phần sau của luận án này chúng tôi xin sử dụng thuật ngữ : chất lƣợng dịch vụ mạng hay QoS mạng, bao hàm gồm cả hiệu năng và QoS. 1.2 QoS và vấn đề tắc nghẽn Chất lƣợng truyền dữ liệu trong mạng phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có chiến lƣợc cấp phát tài nguyên của mạng. Nếu khả năng tài nguyên có hạn và chiến lƣợc cấp phát không thích nghi với trạng thái luôn thay đổi của mạng thì dễ dẫn đến tình trạng dữ liệu dồn về một trạm nào đó của mạng và gây nên tắc nghẽn. Với nhu cầu truyền thông ngày càng tăng nhất là đối với các ứng dụng truyền 7