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

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
LỜI CAM ĐOAN ...............................................Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN.....................................................Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU .............................................................................................................10
CHƢƠNG 1 – TỔNG QUAN............................................................................13
1.1. Khái quát về truyền hình theo yêu cầu .......................................................... 13
1.2. Truyền hình theo yêu cầu dựa trên mô hình tập trung ............................... 16
1.2.1. Những hạn chế của mô hình tập trung ....................................................... 16
1.2.1.a. Cách tiếp cận dựa trên Unicast ............................................................ 16

1.2.1.b. Cách tiếp cận dựa trên Multicast......................................................... 20
1.2.2. Một số hệ thống VoD hiện nay ................... Error! Bookmark not defined.
1.3. Truyền hình theo yêu cầu dựa trên mạng ngang hàngError! Bookmark not defined.
1.3.1. Khái quát về mạng ngang hàng .................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Phân loại mạng ngang hàng ...................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.a. Phân loại theo cấu trúc liên kết ........... Error! Bookmark not defined.
1.3.2.b. Phân loại theo phương thức tìm kiếm . Error! Bookmark not defined.

1.3.3. Mô hình VoD ngang hàng: những tiềm năng và thách thứcError! Bookmark not define
1.3.4. Giới thiệu một số hệ thống VoD ngang hàngError! Bookmark not defined.
1.3.4.a. GnuStream ........................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.4.b. P2Cast ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.4.c. BiToS .................................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Nhận xét - đánh giá .......................................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2 – HỆ THỐNG GIẢI PHÁP PPVoDError! Bookmark not defined.
2.1. Tổng quan hệ thống ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Ý tưởng xây dựng.......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Các thành phần hệ thống............................ Error! Bookmark not defined.


2.1.3. Hoạt động của hệ thống ............................. Error! Bookmark not defined.
2.2. Cơ chế quản lý chỉ mục ................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Tổ chức chỉ mục ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Cập nhật chỉ mục ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.3. Phân phối và lƣu đệm dữ liệu ........................ Error! Bookmark not defined.
2.4. Tạo dòng truyền tải video streaming ............. Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Lựa chọn các peer cung cấp....................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Giải thuật lập lịch....................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.3. Đánh giá độ phức tạp giải thuật ............... Error! Bookmark not defined.

2.4.4. Thiết lập phiên streaming ........................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Vấn đề bảo mật hệ thống ................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNGError! Bookmark not defined
3.1. Các tham số và kịch bản mô phỏng ............... Error! Bookmark not defined.
3.2. Kết quả mô phỏng............................................ Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Khả năng đáp ứng của hệ thống ................ Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Lưu lượng tải truy cập server ..................... Error! Bookmark not defined.
3.2.3. Tác động của băng thông video server ...... Error! Bookmark not defined.
3.2.4. Mức độ cộng tác giữa các peer .................. Error! Bookmark not defined.
3.2.5. Thời gian khởi tạo bộ đệm.......................... Error! Bookmark not defined.
3.2.6. Các kích thước mạng khác nhau ................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 4 – MỘT MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO IPTVError! Bookmark not defined.
4.1. Tình hình phát triển dịch vụ IPTV tại Việt NamError! Bookmark not defined.
4.2. Tổ chức hệ thống cung cấp dịch vụ VoD ....... Error! Bookmark not defined.
4.3. Khả năng triển khai và ứng dụng .................. Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN .........................................................Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................22



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


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1-1: Mô hình vật lý của một hệ thống VoD .............................................14
Hình 1.1-2: Mô hình quảng bá tập trung .............................................................15
Hình 1.1-3: Mô hình quảng bá phi tập trung .......................................................16
Hình 1.2.1.a-1: Phân phối media theo cách tiếp cận Client/Server .....................18
Hình 1.2.1.a-2: Phân phối media theo cách tiếp cận dựa trên proxy ...................19
Hình 1.2.1.a-3: Phân phối media sử dụng mạng CDN ........................................20
Hình 1.2.1.b-1: Kỹ thuật Batching sử dụng 3 kênh server, .................................21
bắt đầu sau từng đợt 20 phút. ...............................................................................21
Hình 1.2.1.b-2: Kỹ thuật Patching (unicast) ........Error! Bookmark not defined.

Hình 1.2.1.b-3: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng mạngError! Bookmark no

Hình 1.2.1.b-4: Phân phối media sử dụng kỹ thuật multicast tầng ứng dụngError! Bookmark
Hình 1.2.2-1: Ảnh chụp màn hình CNN PipelineError! Bookmark not defined.
Hình 1.2.2-2: Ảnh chụp màn hình YouTube ......Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2.2-3: Ảnh chụp màn hình Uitzending GemistError! Bookmark not defined.

Hình 1.3-1: Thống kê lưu lượng mạng toàn cầu của CacheLogic năm 2006Error! Bookmark
Hình 1.3.1-1: Kiến trúc Peer-to-Peer ...................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3.2.a-1: Phân tán một video a) theo dây truyền,Error! Bookmark not defined.
b) theo dạng cây và c) theo swarm đối với 7 peer.Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3.2.b-1: Phân loại các mô hình mạng ngang hàng.Error! Bookmark not defined.

Hình 1.3.2.b-2: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng Naspter.Error! Bookmark

Hình 1.3.2.b-3: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng Gnutella.Error! Bookmar

Hình 1.3.2.b-4: Tiến trình tìm kiếm và trao đổi dữ liệu trong mạng KaZaa.Error! Bookmark
Hình 1.3.4.b-1: Giải thuật tiếp nhận Client của P2CastError! Bookmark not defined.
Hình 1.3.4.c-1: Cơ chế hoạt động của BiTos. ....Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3.4.c-2: Cơ chế chọn mảnh của BiTos. ....Error! Bookmark not defined.


Hình 2.1.3-1: Minh họa kiến trúc hệ thống .........Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1.3-2: Minh họa cơ chế trao đổi giữa Client và Web server.Error! Bookmark not def

Hình 2.1.3-3: Minh họa cơ chế trao đổi giữa Client và Tracker.Error! Bookmark not define
Hình 2.1.3-4: Minh họa cơ chế trao đổi giữa peer gửi yêu cầu và peer cung
cấp. .......................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1.3-5: Một ví dụ về cách thức kết hợp băng thông từ các peer cung
cấp ........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1.3-6: Giải thuật thực hiện của hệ thống..Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2.2-1: Ví dụ minh họa cách thức tổ chức phân cụmError! Bookmark not defined.

Hình 2.4.2-1: Các giải thuật Round Robin và Bandwidth ProportionError! Bookmark not de

Hình 2.4.2-2: Giải thuật đề xuất ..........................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4.2-2: Minh họa việc gán 8 block cho 3 supplier sử dụng các giải
thuật......................................................................Error! Bookmark not defined.
Round Robin, Bandwidth Proportion và Estimate TimeError! Bookmark not defined.

Hình 2.5-1: Một peer bị tấn công chuyển tiếp nội dung ô nhiễmError! Bookmark not define
cho các peer khác trong mạng..............................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1.2-1: Các kiểu tần suất truy cập khác nhau đã được áp dụngError! Bookmark not d
trong các mô phỏng..............................................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.1-1: Kết quả mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thốngError! Bookmark not defin
với các tần suất truy cập khác nhau. ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.2-1: Lưu lượng tải truy cập server ứng với ..........................................72
các tần suất truy cập khác nhau. ..........................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.3-1: Tác động của băng thông server đối với hiệu năng của hệ
thống. ...................................................................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2.4-1: Số lượng peer được phục vụ đồng thời trong hệ thốngError! Bookmark not de
ứng với các mức độ cộng tác khác nhau giữa các peer.Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.4-1: Lưu lượng tải truy cập server ........Error! Bookmark not defined.


ứng với các mức độ cộng tác khác nhau giữa các peer.Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.5-1: Thời gian khởi tạo bộ đệm ứng với các giải thuật RR, BP và
ET .........................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2.6-1: Khả năng phục vụ của hệ thống ....Error! Bookmark not defined.
ứng với các kích thước mạng khác nhau. ............Error! Bookmark not defined.

Hình 4.1-1: Ảnh chụp màn hình iTV, lấy từ địa chỉ www.iTV.vnError! Bookmark not defin

Hình 4.1-2: Tốc độ truyền dữ liệu IPTV và các công nghệ DSLError! Bookmark not define
Hình 4.2-1: Cấu trúc giải pháp cung cấp dịch vụ VoDError! Bookmark not defined.


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: So sánh ưu, nhược điểm của các mô hìnhError! Bookmark not defined.
Bảng 2-1: Các ký hiệu được sử dụng trong giải thuậtError! Bookmark not defined.


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 ondemand 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 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.


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.

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.
- 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

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 (multicastbase). 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 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 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.


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:

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 chƣơng 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 TÀI LIỆU THAM

KHẢO
Tài liệu tiếng Anh:
[1] A. Hu. "Video-on-demand broadcasting protocols: A comprehensive study", in
Proceedings of the IEEE Infocom, April 2001.

[2] A. Rowstron and P. Druschel, "Pastry: Scalable, Distributed Object Location
and Routing for Large-Scale Peer-to-Peer Systems", in Proc. of 18th IFIP/ACM
International Conference on Distributed Systems Platforms (Middleware 2001),
Heidelberg, Germany, November 2001.
[3] B.Zhao, J. Kubiatowicz, Jeseph, Anthony, “Tapestry: An Infrastructure for
Fault-tolerant Wide-area Location and Routing”, U.C. Berkeley Technical
Report UCB/CDS-01-1141, April 2001.
[4] Bram Cohen. "Incentives build robustness in BitTorrent". Workshop on
Economics of Peer-to-Peer Systems, May 2003.
[5] CNN pipeline review by pc magazine. Internet,
/>
Februari

2007.

[6] CNN pipeline. Website: />[7] D. S. Milojicic, V. Kalogeraki, R. Lukose, K. Nagaraja, J. Pruyne, B. Richard,
S.Rollins, Z. Xu, "Peer-to-Peer computing", Technical Report HPL-2002-57, HP
Laboratories, Palo Alto.


[8] Dongyan Xu, Mohamed Hefeeda, Susanne Hambrusch, and Bharat Bhargava,
"On Peer-to-Peer Media Streaming", in Proc. of Int. Conf. on Distributed
Computing Systems 2002, Austria, July 2002.
[9] Ernesto,"P2P-Next Introduces Live BitTorrent Streaming",
-m/p2p-next-introduces-live-bittorrent-streaming-080718,
July 2008.

[10]
Forbes.
Internet,

December
2006.
/>[11] Gnutella. Website:
[12] I. Stoica, R. Morris, D. Karger, M. Kaashoek, H. Balakrishnan, "Chord: A
Scalable Peer-to-Peer Lookup Service for Internet Applications", in Proceedings.
of ACM SIGCOMM ’01, 2001.
[13] J. Kurose Y. Guo, K. Suh and Don Towsley, "P2cast: Peer-to-peer patching
scheme for vod service", in Proceedings of the 12th international conference on
World Wide Web, pages 201–209, Budapest, Hungary, May 2002.
[14] Jin B. Kwon, Heon Y. Yeom, "Distributed Multimedia Streaming over Peerto-Peer Networks", 2003.
[15] K. Aberer, M. Hauswirth, “Peer-to-Peer Information Systems: Concepts and
Models, State-of-the-Art and Future Systems”, in Proceedings of ICDE’02, 2002.
[16] KaZaa. Website: />[17] Michalis Faloutsos Aggelos Vlavianos, Marios Iliofotou, "BiTos: Enhancing
bittorrent for supporting streaming applications", In IEEE INFOCOM, 2006.
[18] Mohamed M. Hefeeda, Bharat K. Bhargava, and David K. Y. Yau, "A Hybrid
Architecture for Cost-Effective On-Demand Media Streaming", Computer
Networks 44 (2004).
[19] Napster. Website:
[20] Nate Anderson, "Major EU P2P research project hopes to kill traditional
TV", July 2008.
[21] Padhye, J. Kurose, D. Towsley, R. Koodli, "A Model-based TCP-friendly
Rate Control Protocol', in Proceedings of NOSSDAV’99, 1999.


[22] Peer-to-Peer Working Group. Website:
[23] R. Rejaie, M. Handley, and D. Estrin, "RAP: An End-to-End Rate-based
Congestion Control Mechanism for Realtime Streams in the Internet", in
proceedings of IEEE INFOCOM’99, 1999.
[24] S. Ratnasamy, P. Francis, M. Handley, R. Karp, S. Shenker, "A Scalable
Content-Addressable Network", in Proceedings. of ACM SIGCOMM ’03, 2003.

[25] S. Sen, J. Rexford, and D. Towsley, "Proxy prefix caching for multimedia
streams", in IEEE INFOCOM’99, NewYork, USA, March 1999.
[26] Wikipedia, "CNN Pipeline", />Februari 2007.
[27] Xinyan Zhang, Jiangchuan Liu, Bo Li, Tak-Shing Peter Yum,
"CoolStreaming /DONet: A Data-Driven Overlay Network for Efficient Live
Media Streaming", 2004.
[28] Xu-Xian Jiang and Yu Dong, "Gnustream: A mpeg video streaming system
over peer-to-peer network", project report for cs590n p2p networks and services.
Technical report, Fall 2002.
[29] Y. Dong D. Xu D. Jiang and B. Bhargava, "Gnustream: a p2p media
streaming system prototype", in Proceedings of the International Conference on
Multimedia and Expo (ICME), volume 2, pages 325–328, July 2003.
[30] Y. Wang, Z. Zhang, D. Du, and D. Su, "A network-conscious approach to
end-to-end video delivery over wide area networks using proxy servers", in Proc.
of IEEE INFOCOM’98, San Francisco, CA, USA, April 1998.

Tài liệu tiếng Việt:
[31] />[32] Nguyễn Văn Tam, tập bài giảng "Mạng máy tính nâng cao", viện Công nghệ
thông tin, 2006.
[33] Nguyễn Đại Thọ, tập bài giảng "Công nghệ mạng ngang hàng", trường Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006-2007.