Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông nâng cao chất lượng truyền video thích nghi http trên mạng điều khiển bằng phần mềm sdn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông tập trung nâng cao chất lượng truyền video thích nghi HTTP trên mạng điều khiển bằng phần mềm SDN.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2021

145
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Vấn đề về HTTP streaming hiện nay

1.2. Kỹ thuật streaming video và các chuẩn hiện tại

1.3. Vấn đề thích ứng tốc độ trong HTTP streaming

1.4. HTTP streaming theo cảm nhận người dùng QoE

1.5. Truyền video qua giao thức HTTP

1.6. Mô hình truyền video thích ứng động trên giao thức HTTP (DASH)

1.7. Khái quát chung

1.8. Tệp Media Presentation Description (MPD)

1.9. Kỹ thuật mã hóa video

1.10. Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm QoE

1.11. Giới thiệu mô hình QoE

1.12. Mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN

1.13. Khái niệm chung

1.14. Kiến trúc SDN

1.15. Một số ưu điểm chính của SDN

1.16. So sánh SDN và mạng truyền thống

1.17. Giao thức OpenFlow. Các thành phần của OpenFlow/ SDN

1.18. Triển khai mạng SDN

1.19. Triển khai đồ hình mạng

1.20. Triển khai bộ điều khiển - Controller

1.21. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: TRUYỀN VIDEO CBR THÍCH NGHI GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CỦA SDN

2.1. Giới thiệu chương

2.2. Các công trình nghiên cứu liên quan

2.3. Vấn đề thích nghi tốc độ bit

2.4. Lựa chọn thời khoảng cho phân đoạn video

2.5. Các phương pháp thích ứng tốc độ bit

2.6. Phương pháp dựa vào thông lượng. Phương pháp dựa vào bộ đệm

2.7. Kỹ thuật định tuyến cho luồng video trong mạng SDN. Xây dựng kiến trúc bộ điều khiển đề xuất

2.8. Tính toán băng thông trong mạng SDN

2.9. Lưu đồ thuật toán trên bộ điều khiển SDN

2.10. Thuật toán thích ứng tốc độ bit với cơ chế định tuyến đề xuất

2.11. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản đánh giá

2.12. Thiết lập thí nghiệm

2.13. Các kịch bản thí nghiệm

2.14. Kịch bản băng thông hai mức

2.15. Kịch bản băng thông thực tế

2.16. Đánh giá kết quả và thảo luận

2.17. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO VBR QUA GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN SDN

3.1. Giới thiệu chương

3.2. Các công trình liên quan đến giải pháp đề xuất

3.3. Kiến trúc đề xuất cho streaming video VBR qua HAS và SDN

3.4. Truyền video VBR qua giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và thích nghi của SDN

3.5. Vấn đề biến đổi thông lượng và lựa chọn tốc độ bit tối ưu cho video VBR

3.6. Đề xuất thuật toán thích nghi VBR kết hợp với định tuyến dựa trên SDN (VASR)

3.7. Kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi dựa trên SDN đề xuất

3.8. Định tuyến định kỳ dựa trên SDN (SPR)

3.9. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN không có giám sát (SAR)

3.10. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN có giám sát (SARM)

3.11. Thực nghiệm và đánh giá kết quả

3.12. Thiết lập thực nghiệm

3.13. Các kịch bản thí nghiệm

3.14. Đánh giá kết quả

3.15. Giải pháp cải thiện QoE cho video VBR qua giao thức HTTP dựa trên SDN

3.16. Ước tính thông lượng và mức đệm cho giải pháp đề xuất. Thuật toán thích nghi đề xuất MUNTH

3.17. Đánh giá hiệu năng

3.18. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản. Lựa chọn ngưỡng đệm tốt nhất

3.19. So sánh, đánh giá các phương pháp

3.20. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHÂN BỔ BĂNG THÔNG VÀ CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO CHO ĐỒNG THỜI NHIỀU NGƯỜI DÙNG

4.1. Giới thiệu chương

4.2. Các vấn đề liên quan và ý tưởng xây dựng giải pháp

4.3. Kiến trúc phân bổ băng thông đề xuất dựa trên SDN cho nhiều người dùng đồng thời truy cập

4.4. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông công bằng trên SDN (MSMA-0)

4.5. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông thích ứng trên SDN (MSMA-1)

4.6. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản

4.7. Thiết lập thí nghiệm

4.8. Các kịch bản thí nghiệm

4.9. Đánh giá kết quả và thảo luận

4.10. Tham số công bằng (fairness), hiệu quả (efficiency) và ổn định (stability)

4.11. Đánh giá hiệu năng

4.12. Kết luận chương 4

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của luận án

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông, việc tiêu thụ nội dung đa phương tiện, đặc biệt là video, đang gia tăng nhanh chóng. Theo dự báo của Cisco, truyền phát video sẽ chiếm khoảng 82% tổng lưu lượng truy cập Internet toàn cầu. Điều này đặt ra thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc đảm bảo chất lượng truyền video. Kỹ thuật streaming thích ứng qua giao thức HTTP (HAS) đã trở thành một giải pháp phổ biến. Tuy nhiên, việc nâng cao chất lượng truyền video vẫn là một vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn. Mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) với khả năng quản lý linh hoạt và hiệu quả có thể giúp cải thiện đáng kể trải nghiệm người dùng. Luận án này nhằm mục tiêu phát triển các giải pháp nâng cao chất lượng truyền video thích nghi thông qua việc kết hợp giữa HAS và SDN.

II. Tổng quan về kỹ thuật truyền video qua giao thức HTTP và mạng SDN

Kỹ thuật truyền video qua giao thức HTTP đã phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của DASH, cho phép video được chia thành các đoạn nhỏ và mã hóa ở nhiều mức chất lượng khác nhau. Điều này giúp người dùng có thể lựa chọn chất lượng video phù hợp với băng thông hiện có. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa chất lượng truyền video trong môi trường mạng SDN vẫn còn nhiều thách thức. SDN cho phép tách biệt giữa mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu, giúp việc quản lý và điều phối lưu lượng trở nên hiệu quả hơn. Các giao thức như OpenFlow hỗ trợ việc thu thập thông tin mạng và điều chỉnh băng thông một cách linh hoạt. Việc áp dụng SDN trong truyền video có thể cải thiện đáng kể chất lượng trải nghiệm (QoE) của người dùng.

III. Giải pháp cải thiện QoE trong streaming video VBR qua giao thức HTTP dựa trên SDN

Giải pháp đề xuất cho streaming video VBR (Variable Bit Rate) thông qua SDN tập trung vào việc tối ưu hóa tốc độ bit và băng thông. Các thuật toán thích ứng tốc độ bit được phát triển nhằm cải thiện QoE bằng cách sử dụng thông tin trạng thái mạng và bộ đệm. Việc áp dụng các phương pháp định tuyến thích nghi dựa trên SDN giúp tối ưu hóa lưu lượng video, đảm bảo rằng các luồng video có mức ưu tiên cao nhất được truyền tải qua các đường dẫn có băng thông lớn nhất. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng SDN không chỉ cải thiện chất lượng truyền video mà còn nâng cao sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.

IV. Đánh giá và thảo luận

Các kết quả từ nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp giữa HAS và SDN mang lại nhiều lợi ích cho chất lượng truyền video. Các phương pháp định tuyến và phân bổ băng thông dựa trên SDN đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện QoE. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết, như việc tối ưu hóa các thuật toán thích ứng tốc độ bit và cải thiện khả năng quản lý tài nguyên mạng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các giải pháp truyền video trong tương lai, đặc biệt là trong bối cảnh mạng 5G và IoT đang phát triển mạnh mẽ.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông nâng cao chất lượng truyền video thích nghi http trên mạng điều khiển bằng phần mềm sdn

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN VIDEO QUA GIAO THỨC HTTP VÀ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM SDN 1. Vấn đề về HTTP streaming hiện nay Ngày nay HTTP streaming là một công nghệ rất phổ biến mà nội dung đa phương tiện được phân phối liên tục từ máy chủ đến các thiết bị cuối [4], [5], [35]. Các phương thức streaming ngày càng được cải thiện một cách đáng kể do các khả năng của mạng và nhiều nhu cầu ứng dụng khác nhau của HTTP streaming trong đời sống. Kết nối băng thông rộng cùng với sự phát triển của các thiết bị di động hiệu suất cao tạo ra một suy nghĩ rằng, người dùng xem những gì mong muốn, bất cứ lúc nào và tại bất kỳ địa điểm nào.

Như được minh họa trong Hình 1.1, người dùng có thể sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để truy cập vào một số lượng lớn nội dung đa phương tiện thông qua các kết nối khác nhau với tốc độ truy cập Internet khác nhau. Vì vậy, việc tạo ra các kỹ thuật tự động cung cấp chất lượng tốt nhất cho người tiêu dùng đã trở nên một thách thức hết sức quan trọng cho các nhà nghiên cứu. Máy chủ streaming Hình 1. Các loại thiết bị khác nhau kết nối với một máy chủ streaming.2 thể hiện cấu trúc cơ bản HTTP streaming.

Hoạt động của hệ thống như một tập hợp các yêu cầu và phản hồi HTTP nội dung đa phương tiện một cách tuần tự. Máy chủ có thể là một web server tiêu chuẩn có chức năng tạo ra các trình phương tiện khác nhau trong HTTP streaming thích ứng. Việc tạo ra các trình phương tiện này có thể được thực hiện ngoại tuyến (chế độ tĩnh) hoặc theo yêu cầu (chế độ động). Trong chế độ tĩnh, tệp mô tả (MPD) và trình nội dung phương tiện được tạo ra trước khi bắt 9 đầu bất kỳ một phiên HTTP streaming thích ứng nào.

Trong chế độ động, máy chủ tạo ra các phân đoạn đa phương tiện dựa trên các yêu cầu HTTP GET nhận được. Máy chủ Yêu cầu HTTP Yêu cầu HTTP Máy khách HTTP phân đoạn 1 phân đoạn 1 HTTP Đáp ứng HTTP Đáp ứng HTTP phân đoạn 1 phân đoạn 1 Khối thích Internet … … ứng tốc độ Yêu cầu HTTP Yêu cầu HTTP phân đoạn n phân đoạn n Đáp ứng HTTP Đáp ứng HTTP phân đoạn n phân đoạn n Tường lửa Hình 1. Hệ thống HTTP streaming Tại phía máy khách có thể gửi một loạt các yêu cầu GET đến máy chủ, mỗi yêu cầu là một phân đoạn đa phương tiện của một đại diện. Trong HTTP streaming thích ứng, máy khách thực hiện điều chỉnh tốc độ bằng cách xác định trình phương tiện phù hợp nhất có thể với dung lượng mạng cho phép.

Trong luận án này, việc thích ứng diễn ra mỗi lần trước khi yêu cầu một phân đoạn phương tiện mới. Từ hệ thống HTTP streaming trên, các hướng tiếp cận chính liên quan đến vấn đề này tập trung vào ba yếu tố như Hình 1. Tại phía máy chủ HTTP sẽ lưu các mức chất lượng của nội dung đa phương tiện cùng với tệp MPD của nó để phân phối đến các máy khách. Tại phía máy khách HTTP, phát triển các thuật toán thích ứng tốc độ để quyết định những phân đoạn đa phương tiện nào sẽ được tải về.

Tại phía mạng tập trung nghiên cứu các giải pháp quản lý, giám sát, phân phối nguồn tài nguyên và định tuyến đường đi cho các luồng lưu lượng. Mạng HTTP Streaming Máy Máy chủ khách HTTP HTTP Hình 1. Các hướng tiếp cận liên quan đến HTTP Streaming Vậy để nâng cao chất lượng streaming video, trong phạm vi luận án này chỉ tiếp cận theo hướng tại phía máy khách và phía mạng. Tại phía máy khách, xem xét đề xuất các thuật toán thích ứng tốc độ để lựa chọn một mức chất lượng video phù hợp nhất.

Tại 10 phía mạng, tập trung vào các vấn đề định tuyến đường đi tối ưu và phân bổ băng thông hợp lý cho tất cả các người dùng. Kỹ thuật streaming video và các chuẩn hiện tại Video là một loại dữ liệu đa phương tiện quan trọng trong các lĩnh vực truyền thông và giải trí. Lưu lượng truy cập dữ liệu video tăng trưởng rất nhanh chóng trong những năm gần đây. Vào thời kỳ đầu của kỷ nguyên Internet, những năm 1990, video được truyền bằng công nghệ chuyển mạch gói.

Dù vậy, khi truyền qua mạng Internet, người ta vẫn thường xuyên gặp những yếu tố bất lợi về băng thông, độ trễ và mất gói tin. Thông thường, người dùng chỉ có thể đọc video sau khi đã tải toàn bộ video về đĩa cứng trên máy mình. Thế nhưng, trong bối cảnh các video đang được cung cấp dưới dạng chất lượng cao thông qua Internet cũng như yêu cầu nhanh chóng, tiện dụng đang được người dùng Internet đặt lên hàng đầu thì phương pháp ấy đã không còn hiệu quả. Từ đây, một bài toán được đặt ra nhằm truyền tải video đến người dùng một cách nhanh chóng, thuận tiện mà vẫn đảm bảo được chất lượng cần thiết.

Ta có khái niệm “Streaming Video”, tức là truyền dữ liệu video một cách liên tục từ một nguồn đến một hay nhiều đích nào đó thông qua mạng Internet, nó cho phép dữ liệu video được xử lý trước khi nhận được hoàn toàn. Streaming video sử dụng cách thức phát lại các đoạn video được lưu trữ trên mạng tới người dùng đầu cuối mà không cần tải toàn bộ đoạn video đó về trên máy tính. Về bản chất, streaming video là quá trình chia nhỏ tệp video sau khi đã mã hóa thành các phân đoạn (segment), rồi lần lượt gửi từng phân đoạn tới một bộ đệm trên máy tính của người xem để giải mã và hiển thị nội dung phân đoạn đó. Kỹ thuật streaming video được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mạng như: các phần mềm (các ứng dụng nghe nhạc, xem phim như VLC, KMPlayer; hay các trình duyệt web như: Internet Explorer, Google Chrome…) trên các máy khách truy cập và xem video từ các máy chủ theo mô hình máy chủ/máy khách; các ứng dụng họp trực tuyến, đào tạo từ xa.

Các bước thực hiện kỹ thuật streaming video như sau: • Các dữ liệu video sau khi mã hóa (encode) sẽ được chia nhỏ thành các phân đoạn và lưu trữ tại máy chủ (streaming server). • Phần mềm tại máy khách (media player, web browser, .) cần kết nối được và xác định tệp video trên máy streaming server muốn xem. • Yêu cầu streaming của video đó sẽ được gửi tới máy chủ để tìm tệp video đó. • Chương trình thực hiện streaming chạy trên máy streaming server sẽ chia tệp video thành các phân đoạn rồi gửi các phân đoạn đó tới các máy khách yêu cầu sử dụng các giao thức ràng buộc về thời gian (RTSP, RTP, RTCP).

11 • Khi các phân đoạn video về máy khách, sẽ được lưu trữ trong bộ đệm và nội dung các phân đoạn sẽ được giải mã (decode) và hiển thị thông qua các chương trình chơi video (Ví dụ: VLC, KMPlayer). Khi các phân đoạn video về máy khách, sẽ được lưu trữ trong bộ đệm và nội dung các phân đoạn sẽ được giải mã (decode) và hiển thị thông qua các chương trình chơi video (Ví dụ: VLC, KMPlayer). Về cơ bản, streaming video được chia thành hai dạng, đó là: - Video theo yêu cầu (Video on Demand – VoD): Là một hệ thống cho phép người dùng lựa chọn và xem nội dung video theo ý thích của mình trên truyền hình hoặc máy tính. Video theo yêu cầu là một trong những tính năng động được cung cấp bởi giao thức Internet.

VoD cung cấp cho người dùng một tập các video có sẵn để có thể lựa chọn. - Video thời gian thực hay còn gọi là truyền hình trực tiếp (Live Streaming): Là các video được truyền trực tiếp về các máy tính của người dùng thông qua mạng Internet từ nơi diễn ra sự kiện bằng các thiết bị truyền thông đa phương tiện. Luận án chỉ tập trung video theo yêu cầu VoD mà không quan tâm đến video theo thời gian thực Live Streaming. Vì streaming video đóng vai trò ngày một quan trọng trong truyền thông Internet nên đã có nhiều giao thức streaming video được giới thiệu hiện nay, bao gồm: • Real Time Transport Protocol (RTP) [36] – Giao thức truyền tải thời gian thực: được phát triển bởi Audio-Video Transport Working Group của Internet Engineering Task Force, chạy trên giao thức UDP (User Datagram Protocol).

• Real Time Messaging Protocol (RTMP) [37]: Được phát triển bởi Macromedia, là một giao thức độc quyền của Adobe. Có chức năng giám sát thông tin về truyền dẫn, chất lượng dịch vụ và cho phép đồng bộ hóa nhiều luồng đồng thời. • HTTP Live Streaming (HLS) [38]: Được phát triển bởi Apple, hoạt động trên nền giao thức HTTP. Đây cũng là một giao thức độc quyền của Apple, được sử dụng rộng rãi và hỗ trợ trên nhiều nền tảng bao gồm SmartTV, các trình duyệt Web, các thiết bị di động Android và iOS.

• Adobe HTTP Dynamic Streaming (HDS) [39]: Được phát triển bởi Adobe. Giống như HLS, giao thức này cũng hoạt động trên nền HTTP. • IIS Smooth Streaming [40] : Giao thức độc quyền, phát triển bởi Microsoft. • MPEG-DASH [6]: Đây là tiêu chuẩn quốc tế được phê chuẩn bởi MPEG và ISO vào năm 2012 và đã được sửa đổi vào năm 2019 với tên gọi là MPEG-DASH ISO/IEC 23009-1, là giải pháp thay thế cho các kỹ thuật streaming video độc quyền công nghiệp trên.

12 Trong các giao thức trên, RTP và RTMP hoạt động tốt trong các mạng IP được quản lý. Tuy nhiên, trong Internet ngày nay, các mạng được quản lý đã được thay thế, nhiều mạng không hỗ trợ truyền phát RTP. Ngoài ra, các gói RTP và RTMP thường không được phép thông qua tường lửa. Các giao thức còn lại đều dựa trên nền tảng HTTP.

Với sự gia tăng của băng thông Internet và sự phát triển vượt bậc của World Wide Web, nội dung đa phương tiện có thể được phân phối rất hiệu quả trong các gói tin lớn hơn sử dụng HTTP. Truyền phát HTTP có một số lợi ích là cơ sở hạ tầng Internet đã phát triển để hỗ trợ HTTP một cách hiệu quả. Ngoài ra, hầu hết tất cả các tường lửa đều được cấu hình để hỗ trợ các kết nối đi của HTTP. Thêm vào đó, với HTTP Streaming, máy khách sẽ quản lý việc truyền phát mà không cần duy trì trạng thái phiên trên máy chủ.

Do đó, việc triển khai dịch vụ với số lượng lớn máy khách không gây tốn kém nên hiện nay chủ yếu sử dụng các giao thức hoạt động trên nền tảng HTTP để cung cấp các dịch vụ streaming video.1 dưới đây so sánh các đặc điểm nổi bật giữa các chuẩn truyền video dựa trên nền HTTP.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ: Nâng cao chất lượng truyền video thích nghi HTTP trên mạng SDN tập trung vào việc cải thiện hiệu suất truyền video thông qua giao thức HTTP trên mạng SDN (Software-Defined Networking). Nghiên cứu này đề xuất các giải pháp tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng video ổn định, giảm độ trễ và tăng khả năng thích ứng với các điều kiện mạng khác nhau. Đây là tài liệu hữu ích cho các chuyên gia trong lĩnh vực mạng và truyền thông đa phương tiện, giúp họ hiểu rõ hơn về cách thức nâng cao trải nghiệm người dùng trong bối cảnh mạng ngày càng phức tạp.

Để mở rộng kiến thức về các kỹ thuật truyền dẫn và tối ưu hóa mạng, bạn có thể tham khảo thêm Luận văn nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn ROF kết nối cho phân hệ fronthaul của mạng di động tốc độ cao, hoặc Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông nghiên cứu kỹ thuật lập lịch cho mạng thông tin di động thế hệ mới. Ngoài ra, nếu quan tâm đến các giải pháp cải thiện hiệu suất hệ thống, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật viễn thông đánh giá hiệu quả kỹ thuật sắp xếp can nhiễu trong hệ thống thông tin di động cũng là một tài liệu đáng đọc.