Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Cao Diệp Thắng

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ
HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------

Cao Diệp Thắng

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI
CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP

Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số: 62480104
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS. NGUYỄN THÚC HẢI
2. PGS.TS. NGUYỄN LINH GIANG

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa từng được công
bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong
luận văn là trung thực. Mọi thơng tin tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ. Tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm về cam đoan này.
Nghiên cứu sinh

Cao Diệp Thắng

i


LỜI CẢM ƠN

Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp nơi tôi
công tác, Viện Công Nghệ Thông Tin và truyền thông Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành bản luận án
này.
Tơi 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 tơi rất nhiều trong
suốt q trình nghiên cứu.
Tơi cũng xin được gửi lời tri ân tới quý thầy cơ Bộ mơn Truyền thơng và
mạng máy tính Viện Cơng nghệ thơng tin và Truyền thơng đã tận tình giảng
dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và
nghiên cứu.

Tơi 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 ln ln là nguồn động viên
to lớn cho tôi.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN
VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH. .................................................................................... 7
1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng 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 lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP ......................................................... 15
1.4.1 Kỹ thuật truyền dòng video trên mạng IP ......................................................... 15
1.4.2 Các tham số QoS ............................................................................................... 16
1.4.3 Các đặc tính QoS: .............................................................................................. 16
1.4.4 QoS trong mạng IP: ........................................................................................... 18

1.4.5 Các độ đo QoS................................................................................................... 21
1.5 Đánh giá chất lượng video trên mạng IP .................................................................. 25
1.5.1 Đánh giá khách quan ......................................................................................... 25
1.5.2 Đánh giá chủ quan ............................................................................................. 27
1.5.3 Liên hệ giữa thang đo chủ quan và khách quan. ............................................... 27
1.6 Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 28
Chương 2. CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT
VIDEO TRÊN MẠNG ........................................................................................................ 29
2.1 Mơ hình quản lý hàng đợi ......................................................................................... 29
2.2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router ...................................................................... 30
2.2.1 Phân lớp (Classification). .................................................................................. 30
2.2.2 Quản lý hàng đợi ............................................................................................... 32
2.2.3 Lập lịch.............................................................................................................. 33
2.2.4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi ....................................................... 33
2.2.5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin ............................................................................... 35
iii


2.2.6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi ................................................................... 37
2.3 Cơ chế quản lý hàng đợi bị động .............................................................................. 38
2.4 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.............................................................................. 39
2.4.1 Khái niệm .......................................................................................................... 40
2.4.2 Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực................................................................ 40
2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng .......................... 42
2.5 Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 45
Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED ............... 46
3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED........................................................ 46
3.1.1 Giải thuật RED .................................................................................................. 46
3.1.2 Một số cải tiến của RED ................................................................................... 51
3.2 Đề xuất giải thuật cải tiến ViRED. ........................................................................... 56

3.2.1 Ý tưởng giải thuật.............................................................................................. 56
3.2.2 Định nghĩa hàm tuyến tính u ............................................................................. 57
3.2.3 Cài đặt mô phỏng giải thuật .............................................................................. 57
3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED ................................................................ 58
3.3 Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 64
Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE ............. 65
4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE .......................................................... 65
4.1.1. Giải thuật BLUE............................................................................................... 65
4.1.2. Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) .............................................................. 67
4.2 Nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải tiến BLUE mới trong truyền video ............... 69
4.3 Đề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I............................................................. 70
4.3.1 Đề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE ................................................................ 70
4.3.2 Đề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT .......................................................... 77
4.3.3 Đối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE và BLUE-VPT ........... 83
4.4 Đề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II. .......................................................... 90
4.4.1 Đề xuất giải thuật VBLUE ................................................................................ 90
4.4.2 Đề xuất giải thuật BLUE-U............................................................................... 96
4.4.3 Đối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE và BLUE-U .................................. 100
4.5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I và II, BLUE-VPT và BLUE-U ........ 105
4.5.1 Phân tích và đối sánh trên các tham số QoS mạng.......................................... 105
4.5.2 Phân tích đối sánh các tham số đánh giá chất lượng video ............................. 108
4.6 Kết luận chương 4 ................................................................................................... 115
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 116
iv


TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 118
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. a

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

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

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

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
khn dạng trung gian chung

Bộ xử lí trung tâm
Phân loại, hàng đợi, lập lịch
Cửa sổ tắc nghẽn
Các dịch vụ phân biệt
Điểm mã các dịch vụ riêng biệt
Bộ xử lý tín hiệu số
Thơng báo tắc nghẽn rõ ràng
Có thể truyền tải ECN
Chuyển tiếp nhanh
Viện Tiêu chuẩn Viễn thơng Châu Âu
Trung bình dịch chuyển có trọng số
theo mũ
Chuyển tiếp báo nhận
Vào trước ra trước
Tham chiếu đầy đủ
Tham chiếu khơng đầy đủ
Nhóm ảnh
Giao thức truyền tải siêu văn bản
Độ 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
Độ 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

vi


LAN
MPEG
MOS
MSS
NAT
NP
NS
NTP
PC

International Organization for
Standardization
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

PSTN

Public Switched Telephone Network

PSNR
QDISC
QoS
RED
RFC
RTP
RTT
RTTM
SACK
SFB
TC
TCP
ToS

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

ISO
ITU

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
Liên minh viễn thông quốc tế
Mạng cục bộ
Định dạng video MPEG
Điểm đánh giá chất lượng trung bình
Kích thước 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 cơng
cộng
Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu
Ngun lý xếp hàng
Chất lượng dịch vụ
Phát hiện sớm ngẫu nhiên

Khuyến nghị
Giao thức truyền tải thời gian thực
Thời gian trễ trọn vòng
Độ đo thời gian trễ trọn vịng
Lựa chọn báo nhận
Hàng đợi cơng bằng ngẫu nhiên BLUE
Kiểm soát lưu lượng
Giao thức điều khiển truyền vận
Kiểu dịch vụ
Giao thức điều khiển truyền thông
không hướng kết nối qua mạng IP
Truyền thoại sử dụng giao thức IP
Kiểu gói tin Video

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

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 .................................................................. 20
Bảng 1.3 Lớp QoS và các giá trị hiệu năng mạng IP (ITU-T Y.1541) ................................ 20
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 .................................................. 24
Bảng 1.6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá .......................................................... 24
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 ..................... 27
Bảng 1.9 Liên hệ thang đo chủ quan và khách quan........................................................... 27
Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin
............................................................................................................................................. 32

Bảng 2.2 Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R ................................................................... 32
Bảng 2.3 Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi ............................................................... 33
Bảng 2.4 So sánh các giải thuật AQM trên cơ sở độ đo hiệu năng..................................... 42
Bảng 3.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin khi sử dụng RED và ViRED tại router R1 ...... 59
Bảng 3.2 Tỷ lệ mất gói tin video giữa RED và ViRED........................................................ 60
Bảng 3.3 Giá trị PSNR (dB) của các khung hình video nhận được khi sử dụng RED và
ViRED .................................................................................................................................. 60
Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] ...................................... 67
Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE .............................................................. 73
Bảng 4.3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
EBLUE ................................................................................................................................. 74
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE ...................................................... 75
Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 ...................................... 79
Bảng 4.6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1. .. 80
Bảng 4.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi................... 80
Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE,
BLUE-VPT tại Router R1. ................................................................................................... 81
viii


Bảng 4.9 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, EBLUE và BLUE-VPT tại R1 ..... 83
Bảng 4.10 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE, EBLUE và
BLUE-VPT ........................................................................................................................... 84
Bảng 4.11 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-VPT, BLUE, EBLUE
............................................................................................................................................. 86
Bảng 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................... 87
Bảng 4.13 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại
router R1 .............................................................................................................................. 88
Bảng 4.14 So sánh độ trễ khi sử dụng RED, BLUE, VBLUE .............................................. 92
Bảng 4.15 Giá trị PSNR(dB) các khung hình khi sử dụng RED, BLUE và VBLUE ........... 93

Bảng 4.16 So sánh độ trễ trên đường truyền R1-R2 khi sử dụng BLUE, BLUE-U, RED .. 97
Bảng 4.17 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-U và Red tại
R1. ........................................................................................................................................ 98
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. .......................................................................................... 99
Bảng 4.19. Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE và VBLUE ......... 103
Bảng 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................. 103
Bảng 4.21 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1
........................................................................................................................................... 104
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......................................................................... 105
Bảng 4.23 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, BLUE-VPT, BLUE, VBLUE và
EBLUE ............................................................................................................................... 106
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 ...................................................................... 106
Bảng 4.25 Tổng hợp tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT,
BLUE, EBLUE và VBLUE ................................................................................................ 108
Bảng 4.26 Giá trị PSNR(dB) khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1 ............ 109
Bảng 4.27 Tổng hợp kết quả đối sánh các giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT................ 110
Bảng 4.28 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏngtruyền video Akio.yuv ................... 111
Bảng 4.29 Đánh giá tổng kết các giải thuật cải tiến ......................................................... 112
Bảng 4.30 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏng truyền video foremance.yuv ......... 113
Bảng 4.31 Thống kê khung hình I, P, B khi mơ phỏng truyền video bachkhoa.yuv ......... 114

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ngun nhân tắc nghẽn .......................................................................................... 8

Hình 1.2 Ảnh hưởng tắc nghẽn đến QoS mạng ..................................................................... 8
Hình 1.3 Quá trình phát triển các dịng video H.26x và MPEG ........................................... 9
Hình 1.4 (a) Nén trong khung hình chỉ làm việc trên 1 khung hình đơn duy nhất. ............. 13
(b) Nén liên khung hình làm việc với một chuỗi các khung hình. ....................................... 13
Hình 1.5 Cấu trúc GoP ........................................................................................................ 14
Hình 1.6 Sự phụ thuộc khung hình trong mã hóa video ...................................................... 15
Hình 1.7 Các quan điểm QoS .............................................................................................. 17
Hình 1.8 Mơ hình các nhóm dịch vụ QoS ............................................................................ 18
Hình 1.9 Mơ hình tham chiếu QoS NI – NI (ITU-T Y.1541) ............................................... 18
Hình 1.10 Biểu diễn độ trễ gói tin ....................................................................................... 21
Hình 1.11 Đánh giá chất lượng video dựa trên mơ hình tham chiếu đầy đủ. ..................... 26
Hình 1.12 Đánh giá chất lượng video dựa trên mơ hình khơng tham chiếu. ...................... 26
Hình 1.13 Đánh giá chất lượng video dựa trên mơ hình tham chiếu rút gọn ..................... 26
Hình 2.1 Mơ hình hàng đợi đơn giản trong mạng ............................................................... 29
Hình 2.3 Trường TOS của IPv4 ........................................................................................... 31
Hình 2.4 IPv6 Header 48 byte ............................................................................................. 31
Hình 2.5 Tiến trình xử lý hàng đợi trong router.................................................................. 34
Hình 2.6 Chức năng đo đơn giản của token packet ............................................................ 36
Hình 2.7 Lược đồ xác suất loại bỏ các gói trong DropTail ................................................ 38
Hình 2.8 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. .................................................. 41
Hình 2.9 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng trình diễn video ..................................... 43
Hình 2.10 Mơ hình truyền video qua mạng ......................................................................... 43
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa xác suất loại bỏ gói và kích thước hàng đợi trung bình ........ 47
Hình 3.2 Giải thuật chung cho router RED ........................................................................ 47
Hình 3.3 Mơ tả mối quan hệ giữa maxp và độ chiếm giữ hàng đợi ..................................... 48
Hình 3.4 Lưu đồ thuật tốn RED......................................................................................... 50
x


Hình 3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi thích ứng với maxp thay đổi ......................... 52

Hình 3.6. Mơ hình của GRED ............................................................................................. 55
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật cải tiến ViRED ......................................................................... 57
Hình 3.8 Cấu hình mạng sử dụng trong mơ phỏng. ............................................................ 58
Hình 3.9 So sánh độ trễ trung bình trên R1-R2 khi sử dụng RED, ViRED. ........................ 59
Hình 3.10 Tỷ lệ mất gói tin video khi sử dụng RED và ViRED ........................................... 60
Hình 3.11 So sánh giá trị PSNR(dB) khi sử dụng RED và ViRED...................................... 61
Hình 3.12 Các khung hình tương ứng nhận được : (a) RED và (b) ViRED tại router R1 .. 61
Hình 3.13 So sánh giá trị PSNR(dB), sử dụng RED và ViRED khi thực hiện mơ phỏng với
tập tin video formance.yuv................................................................................................... 62
Hình 4.1 Mã giả giải thuật BLUE. ...................................................................................... 65
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật BLUE ....................................................................................... 66
Hình 4.3 Đề xuất cải tiến BLUE theo hai nhóm giải thuật tiền xử lý và hậu xử lý. ............ 69
Hình 4.4 Giải thuật EBLUE cải tiến.................................................................................... 71
Hình 4.5 So sánh độ trễ trung bình gói tincủa các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 73
Hình 4.6 So sánh thơng lượng trung bình của các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 73
Hình 4.7 Đối sánh giá trị PSNR EBLUE, BLUE và RED. .................................................. 74
Hình 4.8 Khung hình 170 khi sử dụng BLUE và EBLUE.................................................... 75
Hình 4.9 Sơ đồ giải thuật cải tiến BLUE-VPT .................................................................... 78
Hình 4.10 So sánh độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng các giải thuật BLUE, BLUE-VPT và
RED ..................................................................................................................................... 79
Hình 4.11 So sánh tỉ lệ mất gói tin video giữa BLUE, BLUE-VPT. .................................... 80
Hình 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi ...................................... 81
Hình 4.13 PSNR(dB) khi sử dụng cơ chế BLUE, BLUE-VPT và RED ............................... 81
Hình 4.14.a, b Khung hình nhận được khi sử dụng cơ chế BLUE và BLUE-VPT tại R1.... 82
Hình 4.15 Băng thơng R1-R2 và độ trễ trung bình khi sử dụng giải thuật BLUE-VPT ...... 83
và EBLUE. ........................................................................................................................... 83
Hình 4.16 Tỷ lệ mất gói tin của giải thuật BLUE-VPT và EBLUE .................................... 84
Hình 4.17 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng các giải thuậtEBLUE, BLUE-VPT
............................................................................................................................................. 85
Hình 4.18 Biến thiên trễ khi sử dụng EBLUE, BLUE-VPT ................................................. 85

Hình 4.19 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video giữa BLUE-VPT và EBLUE ............................ 86
xi


Hình 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền BLUE-VPT và EBLUE ...................................... 87
Hình 4.21 So sánh giá trị PSNR(dB) của EBLUE và BLUE-VPT. ...................................... 88
Hình 4.22 Lưu đồ giải thuật VBLUE ................................................................................... 91
Hình 4.23 So sánh độ trễ truyền tin (ms), khi sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
VBLUE ................................................................................................................................. 92
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 ....................................................................................................... 93
Hình 4.25.a, 4.25.b Khung hình 150 sử dụng cơ chế BLUE và VBLUE ............................. 94
Hình 4.26 So sánh giữa độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED ............. 97
Hình 4.27 Thơng lượng mạng khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED. ................................ 98
Hình 4.28 Đối sánh tỉ lệ mất gói tin giữa BLUE, BLUE-U và RED ................................... 98
Hình 4.29 Khung hình nhận được giữa BLUE và BLUE-U ................................................ 99
Hình 4.30 Độ trễ trung bình khi sử dụng VBLUE và BLUE-U ......................................... 101
Hình 4.31 Độ mất gói tin khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .............................................. 101
Hình 4.32 Thơng lượng mạng theo thời gian khi sử dụng BLUE-U và VBLUE ............... 101
Hình 4.33 Biến thiên trễ (Jitter) trên các giải thuật BLUE-U và VBLUE ........................ 102
Hình 4.34 Độ mất gói tin video ......................................................................................... 102
Hình 4.35 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 103
Hình 4.36 Giá trị PSNR(dB)khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .......................................... 104
Hình 4.37 Độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE-U và BLUE-VPT ................................... 106
Hình 4.38 Tỷ lệ mất gói tin ............................................................................................... 107
Hình 4.39 Thông lượng khi sử dụng giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT .......................... 107
Hình 4.40 Biến thiên trễ (jitter) ......................................................................................... 107
Hình 4.41 Tỷ lệ mất gói tin video ...................................................................................... 108
Hình 4.42 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 109
Hình 4.43 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE-U và BLUE-VPT .............................. 109

Hình 4.44 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của 04 giải thuật cải tiến so với BLUE ........... 111
Hình 4.45 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được theo cảm nhận chủ quan
của người dùng. ................................................................................................................ 111
Hình 4.46 Đối sánh giá trịPSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video
foremanc.yuv...................................................................................................................... 112

xii


Hình 4.47 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE
........................................................................................................................................... 113
Hình 4.48 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video
bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 113
Hình 4.49 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE
........................................................................................................................................... 114
Hình 4.50 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được khi truyền file
bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 114

xiii


MỞ ĐẦU

1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sự phát triển nhanh chóng các ứng dụng truyền video trên Internet đặt ra những thách thức
ngày càng lớn. Để đáp ứng cho người dùng cuối, nhiều ứng dụng video đòi hỏi chất lượng dịch
vụ mạng (Quality Of Service - QoS). Tuy nhiên, do mạng Internet là mạng mặc dù được xây
dựng với đặc điểm truyền là nỗ lực tối đa (best-effort network) nhưng chưa thể đảm bảo về
QoS và khơng 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 thơng trên

các đường truyền do bị tắc nghẽn. Ảnh hưởng của việc mất gói tin video làm suy giảm chất
lượng xem ở phía máy nhận có thể thay đổi từ không đáng kể đến mức không thể chấp nhận
được[15, 19, 55].
Một trong các cơ chế quản lý hàng đợi thường được sử dụng để tăng hiệu năng mạng và ngăn
cản sự suy giảm chất lượng 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 lượng dữ liệu multiumedia phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có
chiến lược cấp phát tài nguyên của mạng. Nếu khả năng tài nguyên có hạn và chiến lược cấp
phát khơng thích nghi với trạng thái ln 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]. Đặc 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 được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu
quả nghiêm trọng. Các gói tin khơng được xử lý nên không được chuyển đến đầu cuối của
người 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 như ứng dụng truyền video càng bị ảnh hưởng.
Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụng đa phương
tiện. Hiện tại có hai hệ thống tiêu chuẩn chính trong việc thiết lập các tiêu chuẩn nén video. Đó
chính là ITU (International Telecommunications Union)[9, 71] và MPEG (Motion Picture
Experts Group) [9, 47].
Được 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.
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm
thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tương ứng có
tốc độ bit khác nhau.[9, 11, 19, 34, 35, 44, 47, 59].
Các ứng dụng Video như 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, như 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 lượng của hình ảnh từ các máy quay

video khơng quá tồi cho việc quan sát những cảnh ít thay đổi hoặc thay đổi chậm, nhưng đối
với những mục tiêu di chuyển nhanh hơn, chẳng hạn một chiếc xe đang chạy trên đường cao
tốc, thì sẽ bị biến dạng hoặc chuyển động chậm vì tốc độ khung hình là khơng đủ nhanh để
chụp tồn bộ chuyển động. Do đó tốc độ xấp xỉ 30khung hình/1s sẽ cho ta chất lượng video
tương tự như khi xem ti-vi trong hệ NTSC và chúng ta có thể xem được các mục tiêu đang di
chuyển nhanh. Trong thực tế, mắt người không thể phát hiện sự khác nhau ở tốc độ cao hơn 30
khung hình/1s.
1


Một luồng video gốc ban đầu, hay thậm chí một luồng video đã được 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 lượng giới hạn cho nên việc sử dụng thiết bị nén
video có ý nghĩa quan trọng. Nó giúp giảm bớt băng thơng u cầu cần thiết để hỗ trợ luồng
video. Thông thường, người ta sử dụng một bộ codec trong máy quay video để nén hình ảnh
video số trước khi gửi đi.
Các thuật tốn nén thơng thường cho video thường nằm trong chuẩn MPEG (Moving Picture
Experts Group). MPEG-4 là thuật tốn nén có tổn thất, điều đó có nghĩa là trong q trình nén
sẽ làm mất một vài thông tin trong video. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, tổn thất nhỏ
này không quan trọng. Trong thực tế, hầu hết mọi người khơng thể nhận ra sự mất mát này. Do
đó MPEG-4 là một chuẩn mã hóa tốt cho video.
Đã 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 thường mà không hề đề cập đến việc ưu tiên phân loại luồng dữ liệu cho video. Hoặc
chưa 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 phương pháp quản
lý hàng đợi cho truyền video dạng chuẩn mpeg-4 trên mạng IP.
Chúng tôi đã nghiên cứu kỹ các thuật tốn 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 hưởng của
việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video. Dựa trên các kết quả nghiên
cứu đó, chúng tơi đã nêu các đề xuất có tính phương pháp luận để cải thiện hiệu năng và chất
lượng dịch vụ truyền video trên các môi trường mạng phức tạp (đa luồng). Các đề xuất cụ thể
của chúng tơi gồm có: 1./ Tích hợp cơ chế ưu 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 lượng
truyền video; 3/. Đề xuất xây dựng giải thuật cải tiến hàng đợi tích cực BLUE-VPT cải thiện
chất lượng truyền video trên mạng.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi để nâng cao hiệu năng và chất
lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP. Để thực hiện mục tiêu chính của luận án, chúng tơi
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 lượng dịch vụ mạng máy tính,
 Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng 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 hưởng của việc mất gói tin đến hiệu năng và chất lượng 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 lượng dịch vụ truyền video trên
mạng IP.
 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 đường truyền
của mạng.
2

 Nghiên cứu phát triển một giải thuật AQM mới là BLUE-VPT có hiệu năng và chất lượng
dịch vụ truyền video trên mạng IP tốt hơn các giải thuật đã có.
 Phương pháp đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP bằng
mơ 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 như: video phone, video-conferencing, tele-medical hay video theo yêu cầu
(VoD),v.v.. khi đó chất lượng video là vấn đề rất quan trọng. Trong q trình truyền tải video
từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng video: mã hóa/giải
mã và các tham số hiệu năng mạng như: tỷ lệ mất gói (Packet Loss Rate), trễ (delay), biến động
trễ (jitter), thông lượng (throughput), băng thông (bandwidth),…
+ Một phương pháp khác là cung cấp các mơ hình dịch vụ và cơ chế mới để cung cấp QoS cho
lưu lượng/ứng dụng thời gian thực. Đã có một số mơ hình dịch vụ được IETF (Internet
Engineering Task) đề xuất. Trong số các mơ 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 chưa được áp
dụng rộng rãi trong thực tế vì lý do kinh tế và kế thừa chứ không phải là lý do kỹ thuật. Việc
đưa ra mơ hình IntServ đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến QoS hơn mơ hình BestEffort trong mạng IP. Tuy nhiên trong thực tế mơ hình này đã không đảm bảo được QoS xuyên
suốt (end to end). Đã 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 mơ 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 tương đối nhỏ ở lớp mạng
và lớp vận chuyển, đưa 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 bước kế tiếp của nó theo hoạt động của mỗi hop kết hợp với lớp lưu lượng của gói tin.
Ngày nay xu thế hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực trong mạng IP là phân loại ưu tiên các dịch
vụ và người dùng, trong đó cơ chế DiffServ là tiêu biểu. Các nhu cầu về QoS được chuyển
sang một khái niệm mới gọi là cấp dịch vụ QoS. Ý tưởng ở đây là cung cấp các loại dịch vụ
khác nhau cho từng loại lưu lượng khác nhau, đó là cung cấp một dịch vụ tốt hơn cho các ứng

dụng nhạy cảm với trễ và thông lượng mạng. Hơn nữa, các cơ chế khác nhau để tương tác với
các phiên TCP bằng quản lý bộ đệm hay lập lịch được tạo ra để giảm khả năng tắc nghẽn và
chia sẻ tài nguyên công bằng hơn. Tuy nhiên, phương thức cho các ứng dụng phía đầu cuối yêu
cầu một QoS nào đó vẫn chưa rõ ràng vì DiffServ khơng có điều khiển chấp nhận kết nối.
DiffServ khơng đủ khả năng giải quyết bài tốn chia sẻ tài nguyên giữa các luồng TCP đang
hoạt động. Tài nguyên vẫn bị chia sẻ không công bằng bên trong mỗi tập hợp lưu lượng 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 RED 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 khơng 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 cực
nhạy cảm lưu lượng cho các ứng dụng multimedia tại các router. Các TSAQM bao gồm chương
trình phân bổ trọng số động (DWAS) và chương trình đảm bảo dịch vụ (SGS). Mục đích của
DWAS là cách phân bổ tài ngun cơng bằng với các tiện ích người dùng cuối cao và SGS để
xác định ngưỡng thích hợp (TH) và khoảng/miền ngưỡng (TR). Bên cạnh đó, một thiết kế

3


multiqueue với lưu lượng ưu tiên khác nhau và ngưỡng TH và miền ngưỡng TR được đề xuất
để đạt được 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 được các yêu cầu độ trễ và thơng lượng cùng một lúc.
(2) Các thuật tốn AQM hầu như không xem xét đến các đặc điểm luồng video mà chỉ có
chính sách phân bổ băng thơng cơng bằng đồng nhất.
(3) Khơng xem xét các thuộc tính dịch vụ multicast, dẫn đến hiệu quả băng thông thấp và hệ

thống kém chất lượng video trung bình.
(4) Các thuật tốn 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 cịn cần xem xét mức
độ tắc nghẽn,thuật tốn AQM sẽ hiệu quả hơn khi đáp ứng với lưu lượng dữ liệu khác nhau.
(5) Hầu hết các thuật toán AQM khơng có khả năng thích ứng, những thuật tốn phải được đào
tạo hoặc điều chỉnh một tập hợp các thông số để đáp ứng lưu lượng tải đa dạng.
(6) Một thách thức để vượt qua những vấn đề tắc nghẽn khi truyền luồng video là xem xét các
kỹ thuật mã hóa video, băng thơng hiệu quả và các u cầu QoS khác nhau để đạt hiệu năng
vượt trội hơn.
Từ việc tham khảo các cơng trình nghiên cứu liên quan đến hướng đề tài như đã trình bày ở
trên tác giả đã đi đến lựa chọn hướng nghiên cứu cải tiến phương 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 lượng 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 thước hàng đợi tại bộ định tuyến và mức độ sử dụng đường truyền, nghiên cứu
phân tích cấu trúc mã hóa liên khung của video từ đó tích hợp cơ chế ưu tiên phân loại gói tin
trong các giải thuật AQM để cải thiện chất lượng 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 lượng dịch vụ truyền video với các giải thuật cải tiến.
Phương pháp nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu lý thuyết:
- Tắc nghẽn và một số giải pháp tránh tắc nghẽn.
- Các 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.
- Các phương pháp đánh giá hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng.

- Các phương pháp đo lường đánh giá chất lượng 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).
4


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 ưu điểm và các kết quả nghiên cứu chi tiết để tổng hợp đưa ra những
giải pháp mới có nhiều ưu điểm hơn so với các giải pháp đã có trước đó.
Hiệu năng và chất lượng dịch vụ truyền video khi áp dụng các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực
có đề xuất cải tiến của chúng tôi được so sánh với các cơ chế RED, BLUE chưa cải tiến. Chúng
tôi đánh giá hiệu năng mạng và chất lượng dịch vụ truyền video bằng phương 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 thư viện các tập tin .YUV [7, 8, 20, 46], tệp tin video bachkhoa.yuv
do tác giả quay trực tiếp.
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
Ý nghĩa khoa học của luận án:
(1).Đề tài đã đưa ra một số thuật toán quản lý hàng đợi áp dụng cho video để nâng cao chất
lượng truyền trên mạng IP.
(2). Đề 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 khơng phải video.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
(3). Luận án xây dựng được mơ hình đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng và chất
lượng dịch vụ truyền video trên mạng máy tính bằng phương pháp mô phỏng trên khung làm
việc EVALVID và bộ công cụ NS-2. Đã thử nghiệm mô phỏng với luồng video thực.
(4). Đề xuất một số phương pháp điều chỉnh xác suất đánh dấu/loại bỏ gói tin trong các giải

thuật RED, BLUE.
(5). Đề xuất được 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 được
sự cải thiện chất lượng 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 được kết cấu bao gồm: phần mở đầu, 4 chương chính, kết luận, danh mục tài
liệu tham khảo. Trong đó:
Lời mở đầu: Nêu lý do, sự cần thiết, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO
TRÊN MẠNG MÁY TÍNH.
Chương này đi sâu vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng và chất lượng 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 lượng video theo các thang
đo khách quan và chủ quan trên mạng IP.
Chương 2: CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT VIDEO
TRÊN MẠNG
Chương 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 trị của cơ chế quản lý hàng đợi tích cực trong truyền
phát video trên mạng. Cũng trong chương này đã trình bày kiến trúc CQS, phân loại các phương
pháp quản lý hàng đợi
Chương 3: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED
Trong chương 3 chúng tơi đã trình bày về giải thuật quản lý hàng đợi tích cực RED. Phân tích
các ưu điểm và hạn chế của RED trong ứng dụng truyền video, từ đó chúng tơi 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 RED. Để 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 RED. Đồng thời đề xuất
5

tích hợp cơ chế ưu tiên phân loại gói tin video vào cơ chế quản lý của RED, đưa ra giải thuật
cải tiến ViRED.
Chương 4: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE.
Trong chương này chúng tôi đã đề xuất hai giải pháp cải tiến giải thuật BLUE để nâng cao chất
lượng dịch vụ mạng và chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng. Với mỗi giải pháp chúng
tơi đề xuất 1 nhóm giải thuật cải tiến và đối sánh từng cặp giải thuật trên các tham số chất lượng
dịch vụ mạng và chất lượng dịch vụ truyền video. Từ đó chúng tơi đã đề xuất được một giải
thuật cải tiến BLUE-VPT nâng cao chất lượng dich vụ truyền video trên mạng .
Kết luận: Tổng kết các kết quả đã thực hiện được của luận án.
Luận án đã được trình bày tại Hội đồng cấp Cơ sở và được Hội đồng thông qua ngày
20/02/2014.
Một số kết quả nghiên cứu của Luận án đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc tế ICUFN’2013
tháng 7/2013 tại Đà Nẵng (bài báo số 2), cơng bố trên các tạp chí chun ngành Công nghệ
thông tin trong nước và Quốc tế (các bài báo số 1, 3, 4, 5).
Các kết quả nghiên cứu chính của Luận án đã được trình bày trong danh mục các cơng trình đã
cơng bố;
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đối với Bộ mơn Truyền thơng và mạng máy tính,
Viện Cơng nghệ thơng tin và truyền thông, Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Kinh
tế Kỹ thuật Công Nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiều mặt để tác giả hoàn thành
được luận án. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở khoa CNTT trường Đại 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 hướng dẫn, chỉ bảo và cho nhiều lời khuyên quí báu trong suốt quá trình
tác giả thực hiện luận án.

6


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH.

1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng
Hiệu năng mạng: Hiệu năng là một độ đo công việc mà một hệ thống thực hiện được. Hiệu
năng chủ yếu được xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn sàng để dùng (availability),
thông lượng (throughput) và thời gian đáp ứng (response time). Đối với mạng máy tính, hiệu
năng cũng cịn được xác định dựa trên các nhân tố khác như 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 lượng dịch vụ (Quality of Service-QoS): QoS là một lĩnh vực phức tạp, đã có nhiều
định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên, thực tế khơng có định nghĩa nào được 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 thơng nào đó”.
IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) định nghĩa QoS là: “tập hợp các đặc
trưng về định tính và định lượng của một hệ thống truyền dẫn đa phương tiện nhằm đạt được
các chức năng yêu cầu của một dịch vụ cụ thể”
Nhà sản xuất thiết bị mạng hàng đầu Cisco thì đưa ra khái niệm: “QoS là thuật ngữ được
dùng để xác định khả năng đảm cung cấp các cấp độ dịch vụ khác nhau với những hình thức
lưu lượng khác nhau của mạng”. QoS cho phép chỉ định mức độ ưu tiên đối với các lưu lượng
khác nhau và cho phép xác định cấp độ chất lượng dựa vào độ rộng băng thông hoặc thời gian
trễ… QoS được định nghĩa “là một tập hợp các công cụ cho phép người quản trị mạng có thể
đảm bảo chắc rằng cấp độ tối thiểu của các dịch vụ được cung cấp một lưu lượng xác định ”.
Như vậy chúng ta có thể thấy khái niệm hiệu năng và QoS có nhiều điểm tương 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. Đặc biệt trong lĩnh vực đánh giá các
ứng dụng trên mạng máy tính thì QoS ngày càng được 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 lượng

dịch vụ mạng hay QoS mạng, bao hàm gồm cả hiệu năng và QoS.

1.2 QoS và vấn đề tắc nghẽn
Chất lượng truyền dữ liệu trong mạng phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có chiến lược cấp
phát tài nguyên của mạng.
Nếu khả năng tài nguyên có hạn và chiến lược cấp phát khơng thích nghi với trạng thái ln
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
phát video địi hỏi băng thơng cao thì khả năng xảy ra tắc nghẽn trên mạng lại càng lớn [12,
50, 65, 66, 81].
7


Nguyên nhân tắc nghẽn mạng
Nguyên nhân chung nhất là: tốc độ đến của các luồng tại một nút mạng cùng hướng tới một
đường truyền ra, vượt quá khả năng truyền của đường ra đó. Tắc nghẽn liên quan đến tốc độ
đến trung bình tổng cộng của các luồng, kích thước bộ đệm, tốc độ xử lý của nút mạng ....
Chúng ta có thể xem xét một số ngun nhân chính gây ra sự tắc nghẽn trên mạng như sau:
Nguyên nhân thứ nhất là thời gian chờ xử lý và xếp hàng trong hàng đợi quá lớn vượt quá
thời gian sống của gói tin làm gói tin bị rơi tất cả, ví dụ như trường hợp có nhiều luồng các gói
tin đột ngột bắt đầu đến từ nhiều đường vào cùng một nút mạng và tất cả đều cần ra cùng một
đường nên hàng đợi sẽ bị đầy. Nếu khả năng xử lý của các nút yếu hay nói cách khác các CPU
tại các bộ định tuyến xử lý chậm các yêu cầu, sẽ dẫn đến tắc nghẽn. Hình 1.1 trình bày nguyên
nhân tắc nghẽn trên mạng.
TCP

Video/UDP

...

UDP

Hình 1.1 Nguyên nhân tắc nghẽn

Goodput(các gói tin/giây)

Ngun nhân thứ hai là kích thước hàng đợi tại bộ định tuyến quá nhỏ: nếu bộ nhớ khơng
đủ dung lượng để lưu các gói đến thì một số gói tin sẽ bị mất [12, 26, 50, 65, 66, 81]
Nguyên nhân thứ ba là tần suất lỗi mạng cao và độ trễ lớn: đối với các mạng cố định, việc
mất gói tin do đường truyền hiếm khi xảy ra. Mất gói tin đồng nghĩa với việc xảy ra tắc nghẽn
ở các nút trong mạng. Cơ chế điều khiển chống tắc nghẽn của TCP sẽ căn cứ vào sự kiện mất
gói và kiểm tra độ trễ quá time-out để xác định tắc nghẽn trong mạng. TCP khơng có khả năng
phân biệt giữa mất gói do lỗi đường truyền hay mất gói do tắc nghẽn, mỗi khi xảy ra các hiện
tượng tắc nghẽn thì TCP giảm tốc độ truyền. Điều đó khơng cịn phù hợp với truyền tải video
vì hiệu suất đường truyền sẽ bị hạ thấp ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh [14, 50, 67, 74, 80,
81, 84].
Nguyên nhân thứ tư là do tính khơng đồng nhất giữa mạng LAN và mạng Internet, cụ thể là
tốc độ truyền trên Internet thấp hơn nhiều so với mạng LAN.
Ngoài ra, hiệu ứng băng thơng khơng đối xứng cũng có tác động lớn đến truy nhập Internet.
Băng thông theo hướng từ máy cố định tới mạng Internet thường thấp hơn nhiều băng thông
theo chiều ngược lại. Hiệu ứng này làm cho trễ theo hai chiều truyền khác nhau.
Hình 1.2 cho thấy ảnh hưởng tắc nghẽn đến chất lượng dịch vụ mạng, khi lưu lượng dữ liệu
tăng gây ra tắc nghẽn làm QoS mạng suy giảm mạnh, do vậy lưu lượng truyền các gói tin trong
mạng tụt hẳn, được biểu thị bằng đường cong đi xuống [12].
Lý tưởng (số gói tin gửi = số gói tin nhận)
Băng thơng mạng

Mong muốn

Bắt đầu

tắc nghẽn

Thực tế (xảy ra
tắc nghẽn)

Tải được cung cấp (gói tin/giây)

Hình 1.2 Ảnh hưởng tắc nghẽn đến QoS mạng
8


Trong đó: Goodput là thơng lượng mức ứng dụng, tức là số lượng bit thơng tin hữu ích,
được truyền qua mạng tới một địa điểm nhất định, trên một đơn vị thời gian [12].
Hiện nay có nhiều giải pháp nghiên cứu được đề xuất để tránh tắc nghẽn trong mạng [23, 25,
65, 70], trong đó các giải thuật AQM là một hướng nghiên cứu được quan tâm và tiếp tục phát
triển để cải thiện chất lượng dịch vụ mạng IP [56], [61], [68], [89]. Vấn đề này sẽ được đề cập
và thảo luận kỹ trong chương 3 và 4 của luận án. Dưới đây chúng tơi xin trình bày tổng quan
về video kỹ thuật số, đặc điểm và các độ đo đánh giá chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng
IP.

1.3 Video kỹ thuật số
Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụng đa phương
tiện. Hiện nay trên thế giới có hai tổ chức chịu trách nhiệm chính trong việc đưa ra các chuẩn
về nén và giải nén video đó là ITU và ISO.
Tổ chức ITU – International Telecommunications Union chuyên tập trung vào các ứng
dụng truyền thơng với dịng video chuẩn H.26Lvới dung lượng lưu trữ nhỏ và hiệu quả cao
trong việc truyền tải trên mạng. Dòng H.26L bao gồm các chuẩn H.261, H.262, H.263, H.264
[9, 72, 75] và chuẩn mới nhất là H.265 mới ra đời tháng 4/2013, (ITU-T Rec H.265 (04/2013)).
Tổ chức ISO (International Standards Organization) đưa ra dòng MPEG chủ yếu tập trung phát
triển các ứng dụng đa người dùng (phim, video,...). Dòng MPEG bao gồm các chuẩn MPEG1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG7, MPEG21[9, 11, 34, 41, 48, 52],…

Hai tổ chức này cùng nhau lập nên nhóm JVT – Joint Video Team để đưa ra chuẩn H.264
(tổ chức ISO gọi chuẩn này là MPEG-4 Part 10). H.264 là chuẩn nén video tiên tiến hiện nay
và được xem là dòng nén video thế hệ thứ 3.
Video như chúng ta vẫn tiếp xúc và sử dụng trên các ứng dụng hàng ngày như xem ti-vi,
truyền hình cáp và các ứng dụng truyền tải trên mạng đơn thuần là một chuỗi các hình ảnh tĩnh
(các khung) xuất hiện liên tục với 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.
ITU-T
Standards

Joint
ITU-T/MPEG
Standards
ITU-T
Standards

H.261

H.263 H.263+ H.263++

H.262/
MPEG-2

MPEG1

H.264/MPEG-4
AVC

MPEG-4

H.265

MPEG
-A/B/
C/D/E

MPEG-V/M/U/H

1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Hình 1.3 Quá trình phát triển các dịng video H.26x và MPEG

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, như tốc độ khung hình video, kích cỡ và độ phân giải hình ảnh, hiệu
9


quả màu sắc là tốc độ bit của tín hiệu video. Chất lượng của hình ảnh từ các máy quay video là
phù hợp trong việc quan sát những cảnh ít biến đổi hoặc thay đổi chậm, nhưng đối với những
mục tiêu di chuyển nhanh hơn, chẳng hạn một chiếc xe đang chạy trên đường cao tốc, thì hình
ảnh sẽ bị biến dạng hoặc chuyển động chậm vì tốc độ khung hình là tương đối chậm. Nó khơng
đủ nhanh để chụp bao qt tồn bộ chuyển động. Do đó với tốc độ 30 khung hình/1s sẽ đem
đến cho người xem cảm nhận chất lượng video tương tự như khi xem trên ti-vi và chúng ta có
thể xem được các mục tiêu đang di chuyển nhanh. Trong thực tế, đặc điểm sinh học mắt người
không thể phát hiện sự khác nhau ở tốc độ khung hình lớn hơn 30 khung hình /1s.[22, 59]
Một luồng video gốc ban đầu, hay thậm chí một luồng video đã được xử lí, khi truyền trên
mạng đều yêu cầu băng thông rất lớn từ vài Mbps đến vài chục Mbps. Do hạn chế của mạng
truyền tải, hầu hết các hệ thống multimedia đều có dung lượng giới hạn cho nên việc sử dụng
các giải thuật nén video có ý nghĩa quan trọng. Chúng giúp giảm bớt các yêu cầu băng thông
cần thiết để hỗ trợ luồng video. Thông thường, người ta sử dụng một bộ codec trong máy quay

video để nén hình ảnh video số trước khi gửi đi. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét 2 chuẩn nén
video nổi tiếng là MPEG và H.26x.
1.3.1 Chuẩn MPEG
Được thiết lập từ năm 1988, MPEG [9, 36, 60, 67, 72] là một nhóm chun gia các hình ảnh
chuyển động thuộc ISO/IEC, chuẩn MPEG lần đầu tiên được ra mắt vào tháng 5 năm 1988 tại
Ottawa, Canada có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh và âm thanh kỹ
thuật số. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển hơn 350 thành viên từ các hội nghị
trên tất cả các lĩnh vực công nghiệp, các khu nghiên cứu, đến các trường đại học. Tiêu chuẩn
chính thức của MPEG là ISO/IEC JTC1/SC29 WG11 được tiêu chuẩn hóa theo định dạng nén
âm thanh, hình ảnh.
- MPEG-1: Tiêu chuẩn nén cho âm thanh và hình ảnh động. Ban đầu MPEG-1 được thiết kế
nhằm mã hóa ảnh động và âm thanh thành dịng bit có tốc độ của audio Compact Disc. Kết quả
tạo ra Video- CD và các ứng dụng video trên Internet (các file có phần mở rộng *.mpg) nhưng
hiện nay đã được thay thế bởi DVD. Được thiết kế tốc độ tối đa đến 1.5Mbps. Ở tốc độ này
MPEG-1 chỉ sử dụng tốc độ hình ảnh từ 24-30Hz cho kết quả chất lượng chỉ ở mức trung
bình.MPEG-1 giảm tốc độ lấy mẫu bằng một nửa TV chuẩn. Cụ thể là với hệ thống 25Hz hình
ảnh có kích thước là 352 × 288 điểm ảnh, cịn với hệ 30Hz là 352 × 240 điểm ảnh. Định dạng
như vậy được gọi là CIF (Common Intermediate Format). Chuẩn nén MPEG-1 có vẻ rất đơn
giản. Chúng bao gồm dịng cơ sở, bù chuyển động, điều khiển tốc độ bit …. Nhiều ngun lí
mã hóa của MPEG-1 được lấy ra từ JPEG.Một phần mở rộng của tiêu chuẩn áp dụng cho mã
hóa và nén âm thanh.
- MPEG-2: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit từ 1.5Mbps đến 15Mbps. Tiêu chuẩn
MPEG-2 áp dụng cho Truyền hình kỹ thuật số (SDTV), HDTV, Video theo yêu cầu (VoD) và
các ứng dụng DVD. MPEG-2 được thiết kế dựa trên MPEG-1, nhưng có những yêu cầu đặc
biệt cho việc nén và truyền tải truyền hình kỹ thuật số. Một trong những khác biệt so với
MPEG-1 đó là việc nén hiệu quả cho video tích hợp. MPEG-2 được xem là một chuẩn có ứng
dụng rất rộng lớn. Ví dụ MPEG-2 hỗ trợ độ phân giải cao (HD) mà MPEG-1 khơng có. Chuẩn
này càng trở nên quan trọng khi nó được chọn làm chuẩn nén cho DVB và DVD. Chuẩn MPEG3 dự định thiết kế cho HDTV nhưng người ta nhận thấy MPEG-2 (cùng với các mở rộng của
chuẩn này) có thể đáp ứng các yêu cầu này do vậy mà ko có chuẩn MPEG-3.
MPEG-2 được xây dựng trên cơ sở MPEG-1 với sự mở rộng về phạm vi kích thước hình

ảnh và tốc độ bit. Việc ghép các dòng bit với nhau cũng được giải quyết trong chuẩn MPEG2. Chuẩn MPEG-2 là sự mở rộng của chuẩn MPEG-1 vì vậy một điều dễ hiểu là bộ giải mã
MPEG-2 có thể làm việc được với dòng bit của MPEG-1.
10