Tài liệu Nghiên cứu giải pháp mạng ngang hàng cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------------*--------------- CAO LÊ MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH THEO YÊU CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------------*--------------- CAO LÊ MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH THEO YÊU CẦU Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn Tam Hà Nội - 2009 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN .......................................................................... 9 1.1. Khái quát về truyền hình theo yêu cầu .......................................................... 9 1.2. Truyền hình theo yêu cầu dựa trên mô hình tập trung ............................... 12 1.2.1. Những hạn chế của mô hình tập trung ..................................................... 12 1.2.1.a. Cách tiếp cận dựa trên Unicast .......................................................... 12 1.2.1.b. Cách tiếp cận dựa trên Multicast ....................................................... 15 1.2.2. Một số hệ thống VoD hiện nay ................................................................. 18 1.3. Truyền hình theo yêu cầu dựa trên mạng ngang hàng ............................... 21 1.3.1. Khái quát về mạng ngang hàng................................................................ 22 1.3.2. Phân loại mạng ngang hàng .................................................................... 24 1.3.2.a. Phân loại theo cấu trúc liên kết ......................................................... 24 1.3.2.b. Phân loại theo phương thức tìm kiếm................................................ 25 1.3.3. Mô hình VoD ngang hàng: những tiềm năng và thách thức ..................... 30 1.3.4. Giới thiệu một số hệ thống VoD ngang hàng............................................ 30 1.3.4.a. GnuStream ........................................................................................ 32 1.3.4.b. P2Cast .............................................................................................. 32 1.3.4.c. BiToS ............................................................................................... 34 1.4. Nhận xét - đánh giá ....................................................................................... 36 CHƢƠNG 2 – HỆ THỐNG GIẢI PHÁP PPVoD ......................................... 39 2.1. Tổng quan hệ thống ...................................................................................... 39 2.1.1. Ý tưởng xây dựng ..................................................................................... 39 2.1.2. Các thành phần hệ thống ......................................................................... 41 2.1.3. Hoạt động của hệ thống ........................................................................... 42 2.2. Cơ chế quản lý chỉ mục................................................................................. 49 2.2.1. Tổ chức chỉ mục....................................................................................... 49 2.2.2. Cập nhật chỉ mục ..................................................................................... 51 2.3. Phân phối và lƣu đệm dữ liệu ...................................................................... 52 2.4. Tạo dòng truyền tải video streaming ........................................................... 53 1 2.4.1. Lựa chọn các peer cung cấp .................................................................... 53 2.4.2. Giải thuật lập lịch .................................................................................... 55 2.4.3. Đánh giá độ phức tạp giải thuật ............................................................. 60 2.4.4. Thiết lập phiên streaming ........................................................................ 60 2.5. Vấn đề bảo mật hệ thống .............................................................................. 61 CHƢƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ....................... 65 3.1. Các tham số và kịch bản mô phỏng ............................................................. 65 3.2. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 67 3.2.1. Khả năng đáp ứng của hệ thống .............................................................. 67 3.2.2. Lưu lượng tải truy cập server................................................................... 69 3.2.3. Tác động của băng thông video server ..................................................... 70 3.2.4. Mức độ cộng tác giữa các peer ................................................................ 71 3.2.5. Thời gian khởi tạo bộ đệm ....................................................................... 72 3.2.6. Các kích thước mạng khác nhau .............................................................. 73 CHƢƠNG 4 – MỘT MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO IPTV .......................... 74 4.1. Tình hình phát triển dịch vụ IPTV tại Việt Nam ........................................ 74 4.2. Tổ chức hệ thống cung cấp dịch vụ VoD ..................................................... 76 4.3. Khả năng triển khai và ứng dụng ................................................................ 78 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 82 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT  ALMT (Application Level Multicast Tree): Cây multicast tầng ứng dụng  BGP (Border Gateway Protocol): Giao thức tìm đường nòng cốt trên Internet  C/S (Client/Server): Mô hình Khách/Chủ  CBR (Constant bit rate): Tốc độ bit không đổi  CDN (Content Distribution Network): Mạng phân phối nội dung  DHT (Distributed Hash Table): Bảng băm phân tán  IPTV (Internet Protocol Television): Phương thức truyền hình qua mạng Internet  ISP (Internet Service Provider): Nhà cung cấp dịch vụ Internet  LRU (Least Recently Used): Chiến lược chọn thành phần ít được sử dụng nhất trong bộ nhớ  P2P (Peer-to-Peer): Mạng đồng đẳng, mạng ngang hàng  RTT (Round Trip Time): Thời gian trễ trọn vòng (của gói tin/tín hiệu)  STB (Set-top Box): Hộp chuyển đổi tín hiệu Tivi  VoD (Video on Demand): Truyền hình/video theo yêu cầu 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1-1: Mô hình vật lý của một hệ thống VoD ..................................................... 10 Hình 1.1-2: Mô hình quảng bá tập trung ................................................................... 11 Hình 1.1-3: Mô hình quảng bá phi tập trung.............................................................. 11 Hình 1.2.1.a-1: Phân phối media theo cách tiếp cận Client/Server ............................ 13 Hình 1.2.1.a-2: Phân phối media theo cách tiếp cận dựa trên proxy .......................... 14 Hình 1.2.1.a-3: Phân phối media sử dụng mạng CDN ............................................... 15 Hình 1.2.1.b-1: Kỹ thuật Batching sử dụng 3 kênh server, ......................................... 16 bắt đầu sau từng đợt 20 phút. .................................................................................... 16 Hình 1.2.1.b-2: Kỹ thuật Patching (unicast)............................................................... 17 Hình 1.2.1.b-3: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng mạng ................... 18 Hình 1.2.1.b-4: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng ứng dụng .............. 18 Hình 1.2.2-1: Ảnh chụp màn hình CNN Pipeline....................................................... 19 Hình 1.2.2-2: Ảnh chụp màn hình YouTube .............................................................. 20 Hình 1.2.2-3: Ảnh chụp màn hình Uitzending Gemist ................................................ 21 Hình 1.3-1: Thống kê lưu lượng mạng toàn cầu của CacheLogic năm 2006 .............. 22 Hình 1.3.1-1: Kiến trúc Peer-to-Peer ......................................................................... 23 Hình 1.3.2.a-1: Phân tán một video a) theo dây truyền, ............................................. 25 b) theo dạng cây và c) theo swarm đối với 7 peer. ..................................................... 25 Hình 1.3.2.b-1: Phân loại các mô hình mạng ngang hàng.......................................... 26 Hình 1.3.2.b-2: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng Naspter. ............. 26 Hình 1.3.2.b-3: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng Gnutella. ............ 27 Hình 1.3.2.b-4: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng KaZaa. ............... 28 Hình 1.3.4.b-1: Giải thuật tiếp nhận Client của P2Cast ............................................. 33 Hình 1.3.4.c-1: Cơ chế hoạt động của BiTos............................................................. 34 Hình 1.3.4.c-2: Cơ chế chọn mảnh của BiTos. ........................................................... 35 Hình 2.1.3-1: Minh họa kiến trúc hệ thống ................................................................ 42 Hình 2.1.3-2: Minh họa cơ chế trao đổi giữa Client và Web server. .......................... 43 Hình 2.1.3-3: Minh họa cơ chế trao đổi giữa Client và Tracker. ................................ 43 Hình 2.1.3-4: Minh họa cơ chế trao đổi giữa peer gửi yêu cầu và peer cung cấp. ...... 44 Hình 2.1.3-5: Một ví dụ về cách thức kết hợp băng thông từ các peer cung cấp ......... 45 Hình 2.1.3-6: Giải thuật thực hiện của hệ thống ........................................................ 48 4 Hình 2.2.2-1: Ví dụ minh họa cách thức tổ chức phân cụm ........................................ 50 Hình 2.4.2-1: Các giải thuật Round Robin và Bandwidth Proportion ........................ 57 Hình 2.4.2-2: Giải thuật đề xuất ................................................................................ 58 Hình 2.4.2-2: Minh họa việc gán 8 block cho 3 supplier sử dụng các giải thuật......... 59 Round Robin, Bandwidth Proportion và Estimate Time ............................................. 59 Hình 2.5-1: Một peer bị tấn công chuyển tiếp nội dung ô nhiễm ................................ 62 cho các peer khác trong mạng ................................................................................... 62 Hình 3.1.2-1: Các kiểu tần suất truy cập khác nhau đã được áp dụng ....................... 66 trong các mô phỏng ................................................................................................... 66 Hình 3.2.1-1: Kết quả mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống .............................. 69 với các tần suất truy cập khác nhau. .......................................................................... 69 Hình 3.2.2-1: Lưu lượng tải truy cập server ứng với ................................................. 72 các tần suất truy cập khác nhau. ................................................................................ 70 Hình 3.2.3-1: Tác động của băng thông server đối với hiệu năng của hệ thống. ........ 71 Hình 3.2.4-1: Số lượng peer được phục vụ đồng thời trong hệ thống ......................... 71 ứng với các mức độ cộng tác khác nhau giữa các peer. ............................................. 72 Hình 3.2.4-1: Lưu lượng tải truy cập server............................................................... 72 ứng với các mức độ cộng tác khác nhau giữa các peer. ............................................. 72 Hình 3.2.5-1: Thời gian khởi tạo bộ đệm ứng với các giải thuật RR, BP và ET .......... 73 Hình 3.2.6-1: Khả năng phục vụ của hệ thống ........................................................... 73 ứng với các kích thước mạng khác nhau. ................................................................... 73 Hình 4.1-1: Ảnh chụp màn hình iTV, lấy từ địa chỉ www.iTV.vn ................................ 74 Hình 4.1-2: Tốc độ truyền dữ liệu IPTV và các công nghệ DSL ................................. 75 Hình 4.2-1: Cấu trúc giải pháp cung cấp dịch vụ VoD............................................... 77 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: So sánh ưu, nhược điểm của các mô hình .................................................. 29 Bảng 2-1: Các ký hiệu được sử dụng trong giải thuật ................................................ 46 6 MỞ ĐẦU Sự phổ biến của Internet băng thông rộng đã mở ra giai đoạn phát triển bùng nổ của các ứng dụng truyền thông đa phương tiện (multimedia streaming). Sức hấp dẫn của các ứng dụng này (đặc biệt là trong lĩnh vực giải trí) đã khiến cho số lượng người dùng tăng lên nhanh chóng. Tuy nhiên, theo xu thế phát triển thì không chỉ có số lượng người dùng ngày càng nhiều mà nhu cầu về chất lượng cũng ngày càng cao đòi hỏi băng thông phục vụ của các hệ thống ngày càng lớn. Với cách tiếp cận của hầu hết các hệ thống hiện nay đều dựa trên mô hình Client/Server (sử dụng một vài server lưu trữ dữ liệu phục vụ cho tất cả các client) thì với đặc điểm tiêu tốn băng thông của các ứng dụng multimedia streaming đã khiến cho các server luôn có nguy cơ bị quá tải. Đặc biệt là các hệ thống truyền hình theo yêu cầu (Video on demand - VoD), có số lượng người xem rất lớn, lượng chương trình phong phú, tiêu tốn lượng lớn băng thông mạng và cần nhiều dung lượng lưu trữ. Nhận thấy hạn chế này, giải pháp quảng bá video dựa trên IP multicast đã được đề xuất. Mặc dù xuất hiện từ những năm 90 và đã tốn kém rất nhiều nỗ lực đầu tư - nghiên cứu nhưng đến nay do sự triển khai không đồng đều của các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau đã khiến cho công nghệ multicast không được phổ biến. Để đạt được hiệu năng mong muốn, nhiều công ty lớn đã phải chấp nhận các giải pháp như proxy-base hoặc mạng phân phối nội dung CDN có chi phí thuê bao rất tốn kém. Nhưng khi số lượng người dùng ngày càng tăng dẫn đến chi phí cho hệ thống ngày càng nhiều lại là một sự cản trở cho các mục tiêu thương mại. Việc xây dựng một hệ thống VoD đạt được hiệu quả trên quy mô nhưng tiết kiệm về mặt chi phí vẫn là điều mà các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình qua mạng hiện nay đang hướng tới. Tuy mới nổi lên trong những năm gần đây nhưng công nghệ mạng ngang hàng Peer-to-Peer (P2P) đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm chú ý. Nhờ việc cho phép các peer phục vụ lẫn nhau và tận dụng hiệu quả các tài nguyên dư thừa của hệ thống nên giải pháp P2P đã khắc phục được những hạn chế của kiến trúc Client/Server. Công nghệ này không chỉ cho phép hệ thống đáp ứng được lượng lớn truy cập tăng đột biến mà còn có khả năng mở rộng quy mô (scalability). Hơn nữa giải pháp P2P không cần đến bất kỳ một yêu cầu đặc biệt nào về phần cứng mạng nên rất dễ triển khai. Những đầu tư và nghiên cứu cho Peer-to-Peer ngày một nhiều đã dẫn đến kết quả là các ứng dụng P2P ngày càng phổ biến, trong số đó có thể kể ra các ứng dụng chia sẻ file (BitTorrent, uTorrent, eMule), các ứng dụng hội thoại qua mạng VoIP (Skype)…. Mặc dù vậy, cho đến nay việc xây dựng các ứng dụng quảng bá video dựa trên mạng ngang hàng như video on-demand vẫn còn đang gặp nhiều khó khăn - thách thức. Khó khăn chủ yếu xuất phát từ những nhược điểm của mạng ngang hàng như mức độ tham gia đóng góp tài nguyên của các peer không đồng đều, các peer có thể tham gia hoặc ngắt kết nối khỏi hệ thống vào thời điểm bất kỳ .... Trong khi đó ứng dụng VoD lại là loại ứng dụng yêu cầu hiệu năng thời gian thực và băng thông lớn. Điều này đã khiến cho việc xây dựng các ứng dụng VoD dựa trên mạng ngang hàng trở nên phức tạp hơn 7 hẳn so với mô hình Client/Server. Mặt khác hầu hết các ứng dụng ngang hàng hiện nay đều là các ứng dụng miễn phí, còn VoD vốn là một loại hình dịch vụ chủ yếu được cung cấp bởi các công ty truyền thông hoặc các nhà cung cấp dịch vụ. Việc chuyển đổi hệ thống sang kiến trúc phân tán Peer-to-Peer mà vẫn duy trì được phương thức quản lý dịch vụ như kiến trúc tập trung Client/Server là điều không đơn giản. Mục đích của luận văn “Nghiên cứu giải pháp mạng ngang hàng cho hệ thống truyền hình theo yêu cầu” là nhằm đưa ra một giải pháp cho vấn đề kể trên. Ý tưởng chính của giải pháp trong luận văn là xây dựng hệ thống video on demand dựa trên kiến trúc mạng ngang hàng lai ghép, nhằm kết hợp những ưu điểm của cả kiến trúc ngang hàng thuần túy và Client/Server. Trong đó server vẫn duy trì các chức năng quản lý, còn mạng ngang hàng được sử dụng để giảm tải cho server. Với đặc điểm mang tính phức tạp của bài toán xây dựng hệ thống có nhiều khía cạnh cần phải xét đến, trong khuôn khổ luận văn của mình, tác giả tập trung vào bốn nội dung chính: 1 - Xây dựng một cơ chế quản lý chỉ mục nhằm quản lý dữ liệu phân tán và hỗ trợ các peer tìm kiếm và chia sẻ tài nguyên. 2 - Nghiên cứu cơ chế lưu đệm (caching) để giúp cho việc tìm kiếm và download của các peer được thuận tiện và tối ưu. 3 - Với đặc tính biến động (dynamic) và hỗn tạp (heterogeneous) của mạng ngang hàng. Tác giả xây dựng giải thuật lập lịch nhằm kết hợp băng thông từ nhiều peer cung cấp phục vụ cho một yêu cầu streaming và đảm bảo chất lượng dịch vụ (playback quality) cho các client. 4 - Thông qua tìm hiểu về vấn đề bảo mật, tác giả đã đánh giá và lựa chọn giải pháp bảo mật thích hợp cho hệ thống để đối phó với hình thức tấn công ô nhiễm (pollution attack) là hình thức tấn công đặc trưng đối với các hệ thống media streaming dựa trên mạng ngang hàng.  Luận văn có cấu trúc như sau: Luận văn bao gồm năm chương, Chương 1 tìm hiểu và đánh giá những hạn chế của các cách tiếp cận dựa trên mô hình tập trung Client/Server, sau đó là tổng quan về mạng ngang hàng và giới thiệu một số hệ thống VoD dựa trên mạng ngang hàng. Nội dung Chương 2 tập trung mô tả hệ thống giải pháp PPVoD, phần đầu là tổng quan về hệ thống, tiếp theo đề cập đến cơ chế quản lý chỉ mục cũng như phương thức lưu đệm và tìm kiếm các phân đoạn video. Trong chương này tác giả cũng đã đề xuất một giải thuật lập lịch media streaming, phần cuối chương đề cập đến vấn đề bảo mật cho hệ thống. Chương 3 trình bày các mô phỏng thử nghiệm đánh giá hiệu năng của hệ thống PPVoD. Chương 4 đề cập đến một mô hình ứng dụng cho IPTV. Cuối cùng, Chương 5 là kết luận và các định hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 8 CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1. Khái quát về truyền hình theo yêu cầu Truyền hình theo yêu cầu (Video on demand / VoD) là hệ thống cho phép người dùng lựa chọn để xem nội dung video theo yêu cầu. Đây là một công nghệ truyền hình tương tác cho phép những người xem (các thuê bao) có thể xem trực tiếp hoặc thu lại các chương trình để xem về sau. Một hệ thống VoD truyền thống, dưới góc độ người dùng có thể bao gồm một TiVi và một hộp chuyển đổi tín hiệu STB (set-top box). Bên cạnh đó, dịch vụ này còn có thể được cung cấp qua mạng Internet cho các máy tính gia đình, máy tính xách tay, các dòng điện thoại cao cấp và các thiết bị giải trí số. Người dùng có quyền lựa chọn xem video (từ những video clip về tin tức, thể thao, giải trí trên Internet cho đến các bộ phim đầy đủ có độ nét cao) từ các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) hoặc các công ty truyền hình cáp, trong khi vẫn đang ngồi ở nhà và có toàn quyền điều khiển việc xem video giống như việc sử dụng một đầu DVD thông thường, bao gồm các chức năng phát hình (play), tạm dừng (pause), tua nhanh (fast forward), tua lại (rewind), nhảy qua khung hình trước/sau (skip) .... . Phần lớn các dịch vụ video on-demand đều có từ hàng trăm đến hàng nghìn bộ phim, từ cũ đến mới. Ngoài ra còn có thể có các chương trình TV cho phép người dùng có thể download về để xem. Thậm chí một vài nhà cung cấp dịch vụ còn lưu toàn bộ các chương trình TV trong suốt hàng tháng để người dùng có thể xem lại trong một khoảng thời gian về sau. Để cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ truyền hình qua mạng, các nhà cung cấp dịch vụ phải sử dụng các đường truyền xDSL tốc độ cao hoặc các mạng truyền hình cáp để phân phối nội dung video tới người xem. Ví dụ như công ty AT&T LightSpeed của Mỹ cũng đã sử dụng các mạng Fiber-to-the-Neighborhood (FTTN). Kiến trúc của mạng gồm một vài siêu đầu cuối (Super Head End - SHE) quốc gia và lượng lớn các tổng đài phân phối video địa phương (Video Hub Office - VHO). Các siêu đầu cuối SHE đóng vai trò là các điểm tập trung cung cấp nội dung video quảng bá và on-demand trên phạm vi quốc gia. Mỗi tổng đài tập trung VHO đảm nhận phục vụ một thư viện lớn các video theo yêu cầu và phân phối nội dung thông qua các bộ chuyển đổi truy cập địa phương (local access switch) tới các khách hàng. Có hai kiểu hệ thống video on demand bao gồm: streaming video on demand và download video on demand. Hệ thống streaming VoD cho phép xem phim gần như trực tiếp. Trong khi đó với hệ thống download VoD bộ phim phải được tải xuống toàn bộ trước khi có thể bắt đầu xem. Nội dung của luận văn sẽ tập trung chủ yếu vào vấn đề streaming video on demand. 9 Hình 1.1-1: Mô hình vật lý của một hệ thống VoD Liên quan đến khái niệm video on-demand còn có các thuật ngữ như live streaming, progressive download cũng thường gặp trong nhiều tài liệu khác nhau. Chúng ta phân biệt các thuật ngữ đó như sau: - Real-time/live streaming: xem video trực tiếp. Có nghĩa là khi những client gửi yêu cầu xem một video (sau khi đã bắt đầu phát) thì sẽ được xem video từ thời điểm hiện tại đang phát chứ không phải là từ thời điểm bắt đầu của video. - Progressive download/video on-demand: xem video từ đầu. Người xem có thể xem video lựa chọn vào thời gian lựa chọn thích hợp. Sự phân biệt giữa hình thức live streaming và on-demand streaming đôi khi bị lu mờ bởi một số phần mềm trên phía client có thể lưu lại một dòng video thời gian thực và phát lại khi cần thiết. Tuy nhiên đây vẫn được xem là streaming trực tiếp. Một số thuật ngữ liên quan đến khái niệm bit rate của video cần phải quan tâm bao gồm: - Tốc độ bit phát lại (Playback bit rate): Số bit đã được sử dụng mỗi giây cho việc trình diễn audio và video sau khi đã được mã hóa (nén dữ liệu). - Tốc độ bit không đổi (Constant bit rate): Video có tốc độ bit không đổi sử dụng cùng tổng số bit mỗi giây vào mọi thời điểm phát hình. - Tốc độ bit thay đổi (Variable bit rate): Với video có tốc độ bit thay đổi, tổng số bit trong mỗi giây có thể khác nhau. Kỹ thuật này cho phép sử dụng nhiều bit mỗi giây cho các đoạn video hoặc audio phức tạp và ít hơn cho các đoạn video hoặc audio đơn giản. Dựa trên công nghệ quảng bá được sử dụng có thể phân chia truyền hình theo yêu cầu theo hai loại: - Tập trung hóa (Centralized): Có một server đơn (hoặc một nhóm server) gửi video cho tất cả các client. 10 - Phi tập trung (Non-centralized): Không có sự phân biệt giữa client và server, các client chủ động tham gia vào việc gửi video cho các client khác. Trong cách tiếp cận dựa trên phương thức quảng bá tập trung, server chịu trách nhiệm lưu trữ, truy xuất và truyền dữ liệu. Mặt khác client chịu trách nhiệm giải mã và phát hình. Phần còn lại của ứng dụng logic có thể đặt trên client, server hoặc được chia ra cho cả hai. Hình 1.1-2: Mô hình quảng bá tập trung Cách tiếp cận dựa trên phương thức quảng bá phi tập trung sử dụng những giải pháp dựa trên các mạng ngang hàng (Peer-to-Peer). Đặc điểm của các mạng ngang hàng là cho phép các peer (đồng đẳng) cộng tác với nhau mà không cần tới một thành phần trung tâm. Cũng có cách tiếp cận khác là sự kết hợp của các hệ thống kể trên, hệ thống có server nhưng vẫn sử dụng các client để làm giảm băng thông yêu cầu đối với server. Những hệ thống này được gọi là hệ thống lai ghép. Hình 1.1-3: Mô hình quảng bá phi tập trung 11 1.2. Truyền hình theo yêu cầu dựa trên mô hình tập trung 1.2.1. Những hạn chế của mô hình tập trung Dựa theo phương thức phân phối dữ liệu, cách tiếp cận theo mô hình tập trung có thể phân thành hai loại: đơn phát (unicast-base) và đa phát (multicast-base). Những phân tích dưới đây sẽ làm rõ hơn ý tưởng chính và hạn chế của các cách tiếp cận này. 1.2.1.a. Cách tiếp cận dựa trên Unicast Trong cách tiếp cận dựa trên unicast một unicast stream được thiết lập cho mỗi client. Cụ thể là có ba cách tiếp cận sử dụng kết nối unicast cho streaming theo yêu cầu: tập trung (Centralized), ủy nhiệm (Proxy) và mạng phân phối nội dung (Content Distribution Networks - CDN). Tập trung (Centralized). Cách tiếp cận tập trung theo mô hình Client/Server sử dụng một hoặc nhiều server có cấu hình mạnh, băng thông rộng và bộ nhớ lưu trữ lớn để phục vụ cho các yêu cầu streaming. Cách tiếp cận này có ưu điểm là dễ triển khai và quản lý. Tuy nhiên với các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao như VoD thì hệ thống như vậy có thể gặp khó khăn để đạt được thông lượng truyền tải mong muốn. Do những hạn chế của phương thức phân phối dữ liệu trong hệ thống mạng, bất chấp việc có sử dụng UDP, TCP hay các giao thức truyền tải nào khác thì VoD server vẫn phải truyền thông với các client một cách độc lập. Bởi vì các client gửi những yêu cầu cho những phân đoạn khác nhau của cùng video và thậm chí ngay cả khi có nhiều client yêu cầu cùng một phân đoạn của video thì có thể lại là tại các thời điểm khác nhau của nội dung video. Điều này buộc server phải lặp đi lặp lại việc truyền tải cùng một nội dung dữ liệu giống như truyền các luồng dữ liệu độc lập cho mỗi client, khiến cho hệ thống bị hạn chế về khả năng mở rộng (scalability). Mặt khác, khi có càng nhiều người truy cập đồng thời thì chất lượng dịch vụ lại càng giảm do hạn chế về tài nguyên của server. Còn khi server bị sự cố (single point of failure) thì sẽ dẫn đến ngưng hoạt động toàn hệ thống. Không những thế, xuất phát từ những hạn chế của cách tiếp cận dựa trên mô hình tập trung còn làm nảy sinh hai vấn đề khác đó là: chi phí cao và tải nặng trên đường backbone mạng. - Chi phí cao xuất phát từ yêu cầu về băng thông và bộ nhớ lưu trữ. Để đánh giá vấn đề chi phí, hãy xem xét ví dụ: một hệ thống để đạt được khả năng phục vụ 1000 người xem đồng thời, với chất lượng hình ảnh tương đương TV thì cần phải mã hóa video theo chuẩn MPEG-4 ở bitrate là 1.5Mbps, đòi hỏi dung lượng hệ thống phải đạt cỡ 1.5Gbps. Để đạt được dung lượng như vậy thì chi phí thuê bao đường truyền cho hệ thống là khá lớn. Mặt khác, nếu trong hệ thống duy trì một thư viện bao gồm 1000 video (được mã hóa theo chuẩn MPEG-4), với độ dài chừng 2 giờ thì mỗi video cũng đã có dung lượng xấp xỉ 1.4GB. Dẫn đến dung lượng lưu trữ cần thiết để lưu toàn bộ các video là vào khoảng 1.4Terabyte. Không những thế, để đáp ứng nhu cầu của người xem thì theo thời gian số lượng video phải đưa vào hệ thống ngày càng nhiều. Cho dù 12 có sử dụng một hoặc nhiều server để giảm tải thì chi phí triển khai và duy trì hệ thống cũng rất tốn kém. - Vấn đề tải nặng trên đường backbone mạng xuất hiện khi có số lượng lớn client truy cập vào server đồng thời, do phần lớn lưu lượng truyền tải đều phải đi qua mạng diện rộng WAN. Việc dữ liệu phải truyền qua nhiều chặng (hop) trong mạng cũng dễ làm xuất hiện khả năng biến thiên độ trễ và tỉ lệ mất mát gói tin cao hơn do hiện tượng nghẽn mạng có thể xuất hiện bất kỳ lúc nào. Hình 1.2.1.a-1: Phân phối media theo cách tiếp cận Client/Server Ủy nhiệm (Proxy). Trong cách tiếp cận dựa trên proxy, các proxy server được đặt ở gần khu vực có các máy khách (client domain). Đối với những video có kích thước lớn, proxy có thể lưu đệm (cache) một vài file video nguyên vẹn. Một số kỹ thuật caching đã được đề xuất cho phép proxy lưu đệm một phần của file video và do đó có nhiều video được lưu đệm đồng thời. Trong kỹ thuật lưu đệm phần đầu (prefix caching) [25], proxy lưu một vài khung hình đầu tiên của video để làm giảm thời gian chờ (startup delay). Trong kỹ thuật lưu đoạn (staging caching) [30], proxy sẽ lưu lại những phần có tần suất truy cập lớn (bursty portions) và để lại các phần có tần suất truy cập thấp hơn (smoother) cho server trung tâm. Điều này giúp làm giảm bớt những yêu cầu ngặt nghèo về băng thông trên các đường truyền mạng WAN. Một tập các khung hình không liên tục cũng có thể được chọn ra để lưu đệm nhằm thuận tiện cho các chức năng điều khiển như tua nhanh và tua ngược. Cách tiếp cận proxy và các biến thể của nó đã giúp tiết kiệm băng thông, giảm thời gian chờ và có biến thiên độ trễ nhỏ. Mặt hạn chế của cách tiếp cận này là đòi hỏi phải triển khai và quản lý các proxy ở nhiều địa điểm khác nhau. Việc triển khai các proxy giúp làm tăng năng lực tổng thể của hệ thống nhưng cũng làm tăng chi phí lên gấp nhiều lần. Mặc dù năng lực của hệ 13 thống được tăng lên nhưng vẫn bị giới hạn bởi sự kết hợp tài nguyên giữa các proxy. Điều này chỉ giúp chuyển hiện tượng ngẽn cổ chai (bottleneck) từ một điểm trung tâm sang một vài điểm phân tán chứ không loại bỏ được hoàn toàn. Hình 1.2.1.a-2: Phân phối media theo cách tiếp cận dựa trên proxy Mạng phân phối nội dung (Content Distribution Network). Một cách tiếp cận khác dựa trên unicast là thuê các bên thứ ba (third-party) cung cấp nội dung cho các khách hàng. Bên thứ ba này là một Mạng phân phối nội dung (Content Delivery Network CDN). Các CDN của Akamai và Digital Island được triển khai hàng nghìn máy chủ ở vùng biên (edge) của Internet. Ví dụ Akamai đã triển khai hơn 10,000 server (Yahoo hiện nay cũng đang sử dụng mạng của Akamai). Những server này (còn được gọi là các bộ đệm lưu trữ) đã được cài đặt ở nhiều POP (point of presence) của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) cỡ lớn (như AT&T và Sprint). Ý tưởng ở đây là đặt nội dung gần với các client và như vậy dữ liệu sẽ phải truyền qua ít chặng hơn. Mạng CDN lưu đệm nội dung ở nhiều server và định hướng cho mỗi client truy cập vào server thích hợp nhất. Hiệu quả về chi phí là vấn đề mấu chốt trong cách tiếp cận này, đặc biệt là đối với việc phân phối các file lớn như các bộ phim: người điều hành mạng CDN có thể tính giá cho nhà cung cấp nội dung theo mỗi MB phục vụ. Chi phí phân phối có thể là chấp nhận được đối với các trang Web tương đối nhỏ như chỉ có các văn bản với một vài bức ảnh. Tuy nhiên, chi phí này là đáng kể đối với dịch vụ media streaming bởi vì các file media nhìn chung đều có kích thước lớn. 14 Hình 1.2.1.a-3: Phân phối media sử dụng mạng CDN 1.2.1.b. Cách tiếp cận dựa trên Multicast Các cách tiếp cận dựa trên multicast đạt được sự tận dụng tài nguyên tối ưu hơn nhờ việc phục vụ nhiều client trong cùng một stream. Ý tưởng cơ bản là thiết lập một phiên kết nối multicast đối với các client đã đăng ký. Việc này được thực hiện bằng cách tạo ra các cây phân phối multicast (Multicast distribution tree). Các cách tiếp cận dựa trên multicast thực tế phù hợp hơn với hình thức streaming trực tiếp (live streaming) trong đó các client đã được đồng bộ hóa, nghĩa là tất cả các client nhận được cùng những phần của stream tại cùng thời điểm. Để khắc phục đặc tính không đồng bộ của dịch vụ streaming theo yêu cầu, đã có nhiều ý tưởng được đề xuất. Những ý tưởng chính bao gồm các kỹ thuật batching và patching.  Batching (xử lý theo đợt) Đã có một vài giao thức batching nhưng giao thức phát quảng bá so le (staggered broadcasting) là dạng đơn giản nhất. Giả sử có K kênh server phát quảng bá ở tốc độ tương đương tốc độ phát hình (giả sử rằng đây là tốc độ phát không đổi CBR). Mỗi kênh phát quảng bá toàn bộ video và bắt đầu phát vào các thời điểm so le đều nhau giữa các kênh. Khi đó thời gian chờ lớn nhất của client đối với một video có độ dài S là S/K. Nếu một chương trình TV dài 60 phút được phân thành các đợt 20 phút, thì server sẽ nhóm các client lại như sau: 15 Thời điểm bắt đầu chương trình TV (kéo dài trong 60') :00 :20 :40 Client tham gia phiên trong khoảng thời gian: (:40, :00] (:00, :20] (:20, :40] Hình 1.2.1.b-1: Kỹ thuật Batching sử dụng 3 kênh server, bắt đầu sau từng đợt 20 phút. Trong ví dụ này, mỗi khi có một client gửi yêu cầu cho server thì server sẽ ghi nhận lại các yêu cầu này. Nếu có một client gửi yêu cầu vào lúc 7giờ 15 phút thì nó sẽ phải đợi đến 7 giờ 20 phút trước khi server bắt đầu streaming đến tất cả các client đã gửi yêu cầu trong suốt 20 phút vừa qua. Một client gửi yêu cầu chậm hơn thời điểm batching một chút cũng sẽ phải đợi cả 20 phút, còn nếu sớm hơn thì hầu như không phải đợi. Một số giao thức batching khác được mô tả chi tiết trong tài liệu [1]. Những giao thức batching này giảm thời gian chờ của client bằng cách phân biệt giữa các phần khác nhau của video. Các phân đoạn đầu của video được phát quảng bá thường xuyên hơn các phân đoạn sau. Thực hiện việc này bằng cách phát quảng bá các phân đoạn đầu ở tốc độ truyền cao hơn hoặc làm cho các phân đoạn đầu ngắn hơn các phân đoạn sau. Đối với các giao thức này, để xem được video thì client phải download từ nhiều kênh server đồng thời. Do đó băng thông của client và bộ nhớ lưu trữ cần thiết phải cao hơn so với giao thức phát quảng bá so le.  Patching Hạn chế của kỹ thuật batching là không thể hỗ trợ dịch vụ VoD thật sự, bắt buộc client luôn phải đợi một khoảng thời gian nào đó. Để batching cho VoD thật thì có thể áp dụng kỹ thuật patching. Giả sử sau khi đã bắt đầu chương trình TV thì có một client tham gia muộn vào broadcast stream. Tuy nhiên client vẫn cần đến phần của video từ lúc bắt đầu của broadcast stream cho đến lúc bắt đầu tham gia. Lúc này client sẽ phải thiết lập một kết nối unicast với server để "vá lại" (patching) nghĩa là lấy các phần còn thiếu của file. Có hai stream cùng truyền đến client ở tốc độ phát hình đầy đủ: patch stream và batch 16 stream. Patch stream chỉ kết thúc khi nào client nhận được đầy đủ phần còn thiếu. Kỹ thuật patching đòi hỏi client phải nhận đồng thời nhiều stream trong thời gian patching. Điều này có nghĩa là client phải có băng thông vào (inbound bandwidth) ở mức tối thiểu là gấp đôi streaming rate. Đây là một đòi hỏi khá ngặt nghèo đối với các peer có băng thông hạn chế trong môi trường mạng hiện nay. Tx Tx +1 Patch Join Các tiến trình gửi phân đoạn đầu và phân đoạn còn lại của video Hình 1.2.1.b-2: Kỹ thuật Patching (unicast) - Các cây phân phối đa phát (multicast distribution trees) được tạo ở tầng mạng (network-level) hoặc ở tầng ứng dụng (application-level). Cây multicast tầng mạng được tạo ra dựa trên các router nội tại trong đó các client được coi là các nút lá của cây. Multicast tầng mạng tuy hiệu quả nhưng không được triển khai rộng rãi. Do đó hiện nay multicast tầng mạng không phải là giải pháp khả thi cho việc phân tán nội dung đến tất cả các client. - Các kỹ thuật multicast tầng ứng dụng (có trong các mạng NICE, Narada, Zigzag …) xây dựng một cây phân tán dựa trên các hệ thống cuối. Các giải thuật sử dụng để xây dựng cây phân tán trong các hệ thống này cũng rất khác nhau. Việc xây dựng cây phân tán dựa trên các hệ thống cuối là điều hoàn toàn có thể triển khai trên Internet hiện nay. Tuy nhiên cũng có vấn đề khác nảy sinh, đó là nó có thể làm quá tải một số hệ thống cuối do năng lực hạn chế của những hệ thống này. Một hệ thống cuối trên một cây có thể trở thành cha của nhiều hệ thống cuối khác. Ví dụ, trong hình 1.2.1.b-4, client P1 là cha của các client P2 và P3. Do đó, P1 có thể cung cấp stream cho cả hai với giả sử rằng P1 có thể hỗ trợ gấp nhiều lần tốc độ streaming. Tuy nhiên trong môi trường mạng thực, các nút mạng nhìn chung đều có năng lực hạn chế, đặc biệt là băng thông tải lên (upstream bandwidth). Trong nhiều trường hợp, có những nút mạng thậm chí không thể cung cấp stream rate đầy đủ cho các nút khác. 17 Hình 1.2.1.b-3: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng mạng Hình 1.2.1.b-4: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng ứng dụng 1.2.2. Một số hệ thống VoD hiện nay Hiện tại đã có khá nhiều các hệ thống dịch vụ VoD qua mạng Internet và ngày càng có thêm nhiều hệ thống được phát triển. Phần dưới đây giới thiệu một vài hệ thống lớn hiện nay, bao gồm CNN Pipeline, YouTube và Uitzending gemist. Tất cả các hệ thống này đều là hệ thống tập trung. 18