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

PHẠM HỒNG THỊNH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO THÍCH NGHI HTTP
TRÊN MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM (SDN)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2021


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

PHẠM HỒNG THỊNH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN VIDEO THÍCH NGHI HTTP
TRÊN MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM (SDN)

Ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TRƯƠNG THU HƯƠNG
2. PGS.TS. PHẠM NGỌC NAM

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa
từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các tài liệu tham khảo đều được trích
dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung thực.

Hà Nội, ngày
TM. Tập thể hướng dẫn

PGS.TS. Trương Thu Hương

tháng

năm 2021

Tác giả luận án

Phạm Hồng Thịnh


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trương Thu Hương và
PGS.TS. Phạm Ngọc Nam đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều
thời gian và tâm huyết giúp đỡ tôi về mọi mặt để hồn thành luận án này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên nhóm HTTP/SDN của Lab ESRC
và Lab Future Network của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và cùng tơi
thực hiện một số thí nghiệm trong luận án này.
Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử Viễn thơng, Phịng Đào Tạo, Trường

Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong
suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan
tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử
Viễn thông đã dành cho tôi.
Chân thành cảm ơn Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến với gia đình, vợ và con. Sự
động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều của họ trong thời gian vừa qua là động lực to
lớn để tôi vượt qua khó khăn và hồn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng

năm 2021


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN VIDEO QUA GIAO
THỨC HTTP VÀ MẠNG ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN MỀM SDN ......................8
1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................8
1.1.1. Vấn đề về HTTP streaming hiện nay .............................................................. 8
1.1.2. Kỹ thuật streaming video và các chuẩn hiện tại ...........................................10
1.1.3. Vấn đề thích ứng tốc độ trong HTTP streaming ..........................................12

1.1.4. HTTP streaming theo cảm nhận người dùng QoE .......................................13
1.2. Truyền video qua giao thức HTTP .....................................................................14
1.2.1. Mơ hình truyền video thích ứng động trên giao thức HTTP (DASH) .........14
1.2.1.1. Khái quát chung .....................................................................................14
1.2.1.2. Tệp Media Presentation Description (MPD) .........................................16
1.2.2. Kỹ thuật mã hóa video ..................................................................................17
1.2.3. Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm QoE ............................ 19
1.2.4. Giới thiệu mơ hình QoE................................................................................22
1.3. Mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN ..............................................................23
1.3.1. Khái niệm chung ...........................................................................................23
1.3.2. Kiến trúc SDN .............................................................................................. 24
1.3.3. Một số ưu điểm chính của SDN ...................................................................25
1.3.4. So sánh SDN và mạng truyền thống ............................................................. 26
1.3.5. Giao thức OpenFlow.....................................................................................27
1.3.5.1. Khái niệm ...............................................................................................27
1.3.5.2. Các thành phần của OpenFlow/ SDN ....................................................28
1.3.6. Triển khai mạng SDN ...................................................................................34
1.3.6.1. Triển khai đồ hình mạng ........................................................................35
1.3.6.1. Triển khai bộ điều khiển - Controller.....................................................36
1.4. Kết luận chương 1 ...............................................................................................39
CHƯƠNG 2. TRUYỀN VIDEO CBR THÍCH NGHI GIAO THỨC HTTP DỰA
TRÊN KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CỦA SDN.........................................................40


ii
2.1. Giới thiệu chương ...............................................................................................40
2.2. Các cơng trình nghiên cứu liên quan ..................................................................40
2.3. Vấn đề thích nghi tốc độ bit ................................................................................42
2.3.1. Lựa chọn thời khoảng cho phân đoạn video .................................................42
2.3.2. Các phương pháp thích ứng tốc độ bit ..........................................................43

2.3.2.1. Phương pháp dựa vào thông lượng........................................................44
2.3.2.2. Phương pháp dựa vào bộ đệm ...............................................................45
2.4. Kỹ thuật định tuyến cho luồng video trong mạng SDN......................................46
2.4.1. Xây dựng kiến trúc bộ điều khiển đề xuất ....................................................47
2.4.2. Tính tốn băng thơng trong mạng SDN ........................................................50
2.4.3. Lưu đồ thuật toán trên bộ điều khiển SDN ...................................................51
2.5. Thuật tốn thích ứng tốc độ bit với cơ chế định tuyến đề xuất ...........................52
2.6. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản đánh giá ....................................................55
2.6.1. Thiết lập thí nghiệm ......................................................................................55
2.6.2. Các kịch bản thí nghiệm ...............................................................................56
2.6.2.1. Kịch bản băng thông hai mức ................................................................56
2.6.2.2. Kịch bản băng thông thực tế ..................................................................57
2.7. Đánh giá kết quả và thảo luận .............................................................................58
2.8. Kết luận chương 2 ...............................................................................................61
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO VBR
QUA GIAO THỨC HTTP DỰA TRÊN SDN ...........................................................62
3.1. Giới thiệu chương ...............................................................................................62
3.2. Các cơng trình liên quan đến giải pháp đề xuất ..................................................62
3.3. Kiến trúc đề xuất cho streaming video VBR qua HAS và SDN .........................65
3.4. Truyền video VBR qua giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và
thích nghi của SDN ....................................................................................................66
3.4.1. Vấn đề biến đổi thông lượng và lựa chọn tốc độ bit tối ưu cho video VBR 66
3.4.2. Đề xuất thuật tốn thích nghi VBR kết hợp với định tuyến dựa trên SDN
(VASR) ...................................................................................................................68
3.4.3. Kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi dựa trên SDN đề xuất
................................................................................................................................ 71
3.4.3.1. Định tuyến định kỳ dựa trên SDN (SPR) ................................................71
3.4.3.2. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN khơng có giám sát (SAR) .............73
3.4.3.3. Định tuyến thích nghi dựa trên SDN có giám sát (SARM) ....................74



iii
3.4.4. Thực nghiệm và đánh giá kết quả .................................................................75
3.4.4.1. Thiết lập thực nghiệm .............................................................................75
3.4.4.2. Các kịch bản thí nghiệm .........................................................................78
3.4.4.3. Đánh giá kết quả ....................................................................................79
3.5. Giải pháp cải thiện QoE cho video VBR qua giao thức HTTP dựa trên SDN ...87
3.5.1. Ước tính thơng lượng và mức đệm cho giải pháp đề xuất............................ 87
3.5.2. Thuật tốn thích nghi đề xuất MUNTH ........................................................89
3.5.3. Đánh giá hiệu năng .......................................................................................92
3.5.3.1. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản......................................................92
3.5.3.2. Lựa chọn ngưỡng đệm tốt nhất ..............................................................93
3.5.3.3. So sánh, đánh giá các phương pháp ......................................................96
3.6. Kết luận chương 3 .............................................................................................100
CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP PHÂN BỔ BĂNG THÔNG VÀ CẢI THIỆN QoE
TRONG STREAMING VIDEO CHO ĐỒNG THỜI NHIỀU NGƯỜI DÙNG ..102
4.1. Giới thiệu chương .............................................................................................102
4.2. Các vấn đề liên quan và ý tưởng xây dựng giải pháp .......................................102
4.3. Kiến trúc phân bổ băng thông đề xuất dựa trên SDN cho nhiều người dùng
đồng thời truy cập ....................................................................................................105
4.4. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thông công bằng trên SDN (MSMA-0) ........107
4.5. Đề xuất giải pháp phân bổ băng thơng thích ứng trên SDN (MSMA-1) ..........110
4.6. Thiết lập thí nghiệm và các kịch bản ................................................................113
4.6.1. Thiết lập thí nghiệm ....................................................................................113
4.6.2. Các kịch bản thí nghiệm .............................................................................114
4.7. Đánh giá kết quả và thảo luận ...........................................................................115
4.7.1. Tham số công bằng (fairness), hiệu quả (efficiency) và ổn định (stability)
..............................................................................................................................115
4.7.2. Đánh giá hiệu năng .....................................................................................116
4.8. Kết luận chương 4 .............................................................................................122

KẾT LUẬN.........................................................................................................124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................127


iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Ý nghĩa tiếng Anh

AGG_DF

Aggressive Default

AGG_RR

Aggressive Rerouting

API

Application Programing Interface

ARP

Address Resolution Protocol

BBA

CBR
CDF

Buffer-based Algorithms
Constant Bit Rate
Cumulative Distribution Function

CDN

Content Delivery Networks

DASH
FIFO
GPS
HAS
HDS

Dynamic Adaptive Streaming
over HTTP
First-In First-Out
Global Positioning System
HTTP-based Adaptive Streaming
HTTP Dynamic Streaming (HDS)

LLDP

developed by Adobe Systems
HTTP Live Streaming
Hypertext Transfer Protocol
Internet Protocol

International Organization of
Standardization
International Telecommunication
Union
Link Layer Discovery Protocol

MAC

Media Access Control

MOS

Mean Opinion Score

MPD

Media Presentation Description

MPEG

Moving Picture Expert Group

MSMA

Media Streaming Multiple Access

HLS
HTTP
IP
ISO

ITU

MUNTH
OFS
ONF

iMpede sUspend and attaiN
poTential patH
OpenFlow Switch
Open Networking Foundation

Ý nghĩa tiếng Việt
Phương pháp Aggressive mặc
định
Phương pháp Aggressive có định
tuyến lại dựa trên SDN
Giao diện lập trình ứng dụng
Giao thức để tìm địa chỉ phần
cứng (địa chỉ MAC)
Thuật toán dựa vào bộ đệm
Tốc độ bit cố định
Hàm phân phối tích lũy
Mạng phân phối nội dung
Streaming thích ứng động qua
HTTP
Vào trước ra trước
Hệ thống định vị tồn cầu
Streaming thích ứng qua HTTP
Streaming động qua HTTP được
phát triển bởi hệ thống Adobe

Streaming trực tiếp qua HTTP
Giao thức truyền siêu văn bản
Giao thức Internet
Hiệp hội Tiêu chuẩn quốc tế
Liên hiệp viễn thông quốc tế
Giao thức khám phá lớp liên kết
Điều khiển truy cập môi trường
(gọi là địa chỉ MAC)
Điểm số ý kiến trung bình
Mơ tả trình diễn đa phương tiện
Nhóm chun gia hình ảnh động
Streaming đa phương tiện đa
truy cập
Phịng tránh đóng băng và lựa
chọn tuyến đi tốt
Bộ chuyển mạch OpenFlow
Tổ chức chuẩn hóa mạng mở


v

QP

Open vSwitch Database
management Protocol
Probe AND Adapt
Quality of Experience
Quality of Service
Quantization Parameter


RTCP

Real-Time Control Protocol

RTMP

Real-Time Messaging Protocol

RTP

Real-time Transport Protocol

RTSP

Real-Time Streaming Protocol

RTT

Round-Trip Time
SDN-Assisted Novel QoE control
method for DASH (HTTP/3)
SDN-based Adaptive Routing
without monitoring

OVSDB
PANDA
QoE
QoS

SAND/3

SAR
SARA

Segment-aware Rate Adaptation

SARM

SDN-based Adaptive Routing
with Monitoring

SDN

Software-Defined Network

SPR

SDN-based Periodical Routing

SSL

Secure Sockets Layer

SVC
TBF
TC
TCP
TLS
URL

Scalable Video Coding

Token Bucket Filter
Traffic Control
Transmission Control Protocol
Transport Layer Security
Uniform Resource Locator
VBR Adaptation algorithm crosslayered with SDN-based Routing
Variable Bit Rate
Video on Demand
Extensible Markup Language

VASR
VBR
VoD
XML

Giao thức cấu hình OpenFlow
Thăm dị và thích ứng
Chất lượng trải nghiệm
Chất lượng dịch vụ
Tham số lượng tử
Giao thức điều khiển thời gian
thực
Giao thức bản tin thời gian thực
Giao thức truyền tải thời gian
thực
Giao thức streaming thời gian
thực
Thời gian trọn vịng
Phương pháp kiểm sốt QoE cho
DASH (HTTP/3) có hỗ trợ SDN

Định tuyến thích ứng dựa trên
SDN khơng giám sát
Thích ứng tốc độ cảm nhận phân
đoạn
Định tuyến thích ứng dựa trên
SDN có giám sát
Mạng định nghĩa bằng phần
mềm
Định tuyến định kỳ dựa trên
SDN
Tiêu chuẩn bảo mật an toàn lớp
ứng dụng
Mã hóa video có thể mở rộng
Bộ lọc nhóm mã thơng báo
Điều khiển lưu lượng
Giao thức điều khiển truyền vận
Bảo mật tầng truyền tải
Địa chỉ web
Định tuyến thích nghi cho video
VBR dựa trên SDN
Tốc độ bit biến đổi
Video theo yêu cầu
Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các loại thiết bị khác nhau kết nối với một máy chủ streaming. ....................8
Hình 1.2. Hệ thống HTTP streaming...............................................................................9

Hình 1.3. Các hướng tiếp cận liên quan đến HTTP Streaming .......................................9
Hình 1.4. Mơ hình truyền video DASH ........................................................................16
Hình 1.5. Cấu trúc của tệp MPD [49] ............................................................................17
Hình 1.6. Tốc độ bit và chất lượng tức thời của video (a) CBR và (b) VBR. ...............18
Hình 1.7. Kiến trúc 3 lớp của SDN ...............................................................................25
Hình 1.8. Cấu trúc của một mơi trường OpenFlow [73] ...............................................29
Hình 1.9. So sánh cấu trúc chuyển mạch truyền thống (a) và cấu trúc OFS (b) ...........29
Hình 1.10. Các thành phần của một OpenFlow switch [74] .........................................29
Hình 1.11. Luồng xử lý một gói tin trong OpenFlow Switch [74]................................31
Hình 1.12. Cơng cụ triển khai đồ hình mạng SDN .......................................................35
Hình 1.13. Kiến trúc của Floodlight Controller [83] .....................................................37
Hình 2.1. Kiến trúc bộ điều khiển đề xuất .....................................................................47
Hình 2.2. Quá trình thiết lập đường dẫn mới ................................................................49
Hình 2.3. Lưu đồ thuật tốn trên bộ điều khiển SDN ...................................................51
Hình 2.4. Lưu đồ thuật tốn streaming video thích ứng qua HTTP và SDN ................53
Hình 2.5. Sơ đồ mạng sử dụng trong thí nghiệm ..........................................................55
Hình 2.6. Băng thơng thực tế trên hai đường dẫn triển khai trong thí nghiệm .............57
Hình 2.7. Kết quả so sánh với trường hợp băng thơng hai mức....................................59
Hình 2.8. Kết quả so sánh với trường hợp băng thông thực tế ......................................60
Hình 3.1. Kiến trúc đề xuất cho streaming video thích ứng HTTP qua SDN ...............65
Hình 3.2. Sự biến động tốc độ bit của các mức chất lượng video VBR .......................67
Hình 3.3. Lưu đồ thuật tốn định tuyến định kỳ ...........................................................72
Hình 3.4. Lưu đồ thuật tốn định tuyến thích nghi .......................................................73
Hình 3.5. Lưu đồ thuật tốn định tuyến thích nghi có giám sát ....................................74
Hình 3.6. Sơ đồ mạng thí nghiệm ..................................................................................76
Hình 3.7. Các kịch bản băng thơng trên các đường dẫn sử dụng trong thí nghiệm ......78
Hình 3.8. Kết quả thích nghi cho phương pháp non-SDN ............................................80
Hình 3.9. Kết quả thích nghi cho phương pháp “SARA” .............................................80
Hình 3.10. Kết quả thích nghi cho phương pháp “SDN-based SARA” ........................80
Hình 3.11. Kết quả thích nghi cho giải pháp định tuyến định kỳ với SDN (SPR)........81

Hình 3.12. Kết quả định tuyến thích nghi khơng có q trình giám sát (SAR) ............81
Hình 3.13. Kết quả định tuyến thích nghi có q trình giám sát (SARM) ....................81
Hình 3.14. Kết quả tốc độ bit thực tế của tất cả các phương pháp ................................83


vii
Hình 3.15. Kết quả mức chất lượng của tất cả các phương pháp ..................................83
Hình 3.16. Kết quả mức đệm của tất cả các phương pháp ............................................84
Hình 3.17. Hàm phân phối tích lũy (CDF) tốc độ bit của các phương pháp .................85
Hình 3.18. Hàm phân phối tích lũy (CDF) tốc độ tải của các phương pháp .................85
Hình 3.19. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 10𝑠) ...................93
Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 15𝑠) ...................94
Hình 3.21. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 20𝑠) ...................94
Hình 3.22. Kết quả thí nghiệm cho phương pháp MUNTH (𝐵𝑇ℎ = 25𝑠) ...................94
Hình 3.23. Lựa chọn điểm tốt nhất cho ngưỡng đệm ....................................................96
Hình 3.24. Mức đệm của tất cả các phương pháp .........................................................97
Hình 3.25. Tốc độ bit và tốc độ tải của các phương pháp .............................................97
Hình 3.26. Hàm phân phối tích lũy tốc độ bít (a) và tốc độ tải (b) các phương pháp ...98
Hình 3.27. Chỉ số QoE dự đoán của tất cả các phương pháp ......................................100
Hình 4.1. Kiến trúc đề xuất cho vấn đề bottleneck và các bước hoạt động ................105
Hình 4.2. Định dạng bản tin Packet-in [8]...................................................................107
Hình 4.3. Lưu đồ thuật tốn của MSMA-0 đề xuất .....................................................109
Hình 4.4. Sơ đồ mạng sử dụng trong thí nghiệm ........................................................113
Hình 4.5. Tốc độ tải, mức đệm và tốc độ bit trung bình của tất cả các phương pháp tại
một liên kết thắt cổ chai với 4Mbps trong trường hợp video VBR. ............................117
Hình 4.6. Tốc độ tải, mức đệm và tốc độ bit trung bình của tất cả các phương pháp tại
một liên kết thắt cổ chai với 4Mbps trong trường hợp video CBR. ............................118
Hình 4.7. So sánh tính cơng bằng (a), hiệu quả (b) và ổn định (c) của tất cả các phương
pháp. ............................................................................................................................119



viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 0.1. Tóm lượt đặc điểm giải pháp đề xuất với một số nghiên cứu hiện tại ............4
Bảng 1.1. Tính năng của các chuẩn truyền video dựa trên nền HTTP ..........................12
Bảng 1.2. Chỉ số QoE thông thường .............................................................................22
Bảng 1.3. Tóm tắt một số tính chất giữa mạng SDN và mạng truyền thống ................27
Bảng 1.4. Các thành phần chính của một Flow entry....................................................30
Bảng 1.5. Các loại bản tin Asynchronous .....................................................................32
Bảng 1.6. Các bản tin Controller-to-Switch ..................................................................32
Bảng 1.7. Các loại bản tin Symmectric .........................................................................33
Bảng 1.8. Các mô đun cơ bản trong Floodlight Controller ...........................................38
Bảng 2.1. Các ký hiệu sử dụng trong các giải pháp và ý nghĩa ....................................43
Bảng 2.2. So sánh các phương pháp thích ứng khác nhau dựa trên cơ sở đệm ............46
Bảng 2.3. Bảng tin StatsResponse .................................................................................50
Bảng 2.4. So sánh các tham số chất lượng trong trường hợp băng thông hai mức .......61
Bảng 2.5. So sánh các tham số chất lượng trong trường hợp băng thông thực tế .........61
Bảng 3.1. Thông tin mức chất lượng của video trong các thí nghiệm ..........................76
Bảng 3.2. Các tham số đánh giá chất lượng video của các phương pháp .....................86
Bảng 3.3. So sánh các giá trị BTh khác nhau cho giải pháp MUNTH ...........................95
Bảng 3.4. Các tham số đánh giá chất lượng của các giải pháp .....................................99
Bảng 4.1. So sánh hiệu năng của các phương pháp với video VBR ...........................120
Bảng 4.2. So sánh hiệu năng của các phương pháp với video CBR ...........................120
Bảng 4.3. Thống kê các tham số chất lượng và QoE của các phương pháp ...............121


1

MỞ ĐẦU


1. Tính cấp thiết của luận án
Với xu hướng phát triển của điện tốn đám mây và cơng nghệ kết nối vạn vật IoT,
thập kỷ vừa qua đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của việc tiêu thụ nội dung đa
phương tiện, đặc biệt là các video có độ phân giải cao. Theo dự báo của Cisco, truyền
phát video sẽ chiếm khoảng 82% tổng lưu lượng truy cập Internet trên tồn cầu [1]. Các
cơng nghệ mạng 4G, 5G hay đường truyền cáp quang làm cho các nhà cung cấp dịch vụ
Internet đã phần nào đáp ứng được nhu cầu của hơn 4.3 tỉ người dùng trên toàn cầu [2].
Tuy nhiên đi liền với sự phát triển về công nghệ truyền tải, các nhà cung cấp nội dung
cũng cho ra nhiều nội dung đa phương tiện ngày càng đa dạng và chất lượng hơn. Điển
hình đó là video thực tế ảo, để người dùng có thể trải nghiệm xem tốt nhất cần truyền
video 360 độ, độ phân giải 12K (12.288×6.480) thì tốc độ bit tương đương sẽ là 5.2
Gbps [3]. Điều này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm những phương pháp truyền mới
nhằm cải thiện, nâng cao chất lượng nội dung truuyền tải video đến người dùng. Trong
những năm qua, kỹ thuật phổ biến cho việc truyền phát video qua mạng Internet đó là
chính là kỹ thuật streaming thích ứng qua giao thức truyền siêu văn bản HTTP, viết tắt
là HAS [4], [5]. Bên cạnh đó, sự ra đời của nền tảng truyền video thích ứng động trên
HTTP (DASH) [6] đã phần nào làm được điều đó, đồng thời xóa tan được sự độc quyền
trong các phương thức truyền video tồn tại từ lâu của các công ty đã gây khó khăn cho
các nhà cung cấp dịch vụ khi phải mã hóa, đóng gói video theo nhiều định dạng khác
nhau để có thể phục vụ cho nhiều thiết bị, nhiều người dùng. Về cơ bản DASH vẫn
giống các công nghệ cũ ở điểm chia video thành nhiều đoạn nhỏ hơn và mỗi đoạn được
mã hóa theo các mức chất lượng khác nhau để máy khách yêu cầu. Tuy nhiên vì được
chuẩn hóa bởi một tổ chức quốc tế và hỗ trợ hầu hết các phương pháp mã hóa video,
audio cũng như thiết bị của nhiều hãng khác nhau nên DASH hiện tại là phương pháp
được sử dụng nhiều nhất trên Internet. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có chuẩn cụ thể
trong việc streaming video thích ứng trong HAS nên được thực hiện như thế nào để nâng
cao chất lượng trải nghiệm của người dùng (QoE).Vì vậy, vấn đề này vẫn còn đang thu
hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học.
Từ một khía cạnh khác, mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN [7] là một kiến trúc

mạng mới, trong đó thành phần điều khiển mạng có thể lập trình được và tách rời khỏi
thành phần chuyển tiếp. Giống như công nghệ DASH, sự ra đời của SDN cũng đã giải
quyết được xung đột từ các nhà sản xuất thiết bị cho đến giao diện thiết bị, đó là những
điều vốn gây khó khăn trong việc cấu hình mỗi khi có thiết bị mới tham gia vào mạng.


2
Trong SDN, với sự thống nhất trong mặt phẳng điều khiển xuyên suốt mọi thiết bị thông
qua giao thức OpenFlow [8] cho phép cấu hình các thiết bị mạng một cách tự động từ
một điểm thông qua phần mềm điều khiển. Thêm vào đó, giao thức OpenFlow đảm bảo
tính liên kết giữa bộ điều khiển và các thiết bị tầng vật lí, giúp thu thập thơng tin mạng
một cách dễ dàng. Bộ điều khiển SDN có thể truy vấn, quản lý trạng thái hoạt động của
các thiết bị mạng, thực hiện việc điều khiển cấu hình mạng. Đặc biệt, trên bộ điều khiển
có thể phát triển các ứng dụng định tuyến hoặc phân bổ băng thơng cụ thể và có nhiều
ưu điểm hơn so với các phương pháp định tuyến “best-effort” hay phân bổ băng thông
trong mạng truyền thống. Với cơ chế quản lý tập trung và tính linh hoạt định tuyến mà
SDN cung cấp có thể giúp tăng hiệu suất của các ứng dụng streaming video.
Từ nhu cầu thực tiễn về streaming video trên Internet và những tiềm năng chưa khai
thác hết của hai công nghệ HAS và SDN, luận án đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao
chất lượng truyền video thích ứng qua giao thức HTTP dựa trên mạng được cấu hình
bởi phần mềm SDN.
2. Những vấn đề cịn tồn tại
Để tăng thêm nhiều tính năng của những kỹ thuật truyền tải trước, tiêu chuẩn DASH
ra đời là để đối phó với sự biến động lớn trong việc phân phối nội dung đa phương tiện
rất khác nhau. Trong vài năm qua, nhiều thuật tốn thích ứng tốc độ bit đã được giới
thiệu để cải thiện chất lượng trải nghiệm của người dùng (QoE). Sự khác biệt của các
phương pháp này chủ yếu là dựa vào các thông tin đầu vào, từ đặc điểm mạng đến các
tham số của lớp ứng dụng như bộ đệm hoặc tốc độ tải xuống. Trong nguyên lý HAS, tất
cả các thuật toán quyết định tốc độ bit của phân đoạn video được tải xuống đều dựa trên
sự biến đổi của thông lượng hoặc mức đệm đo được ở phía máy khách. Cho đến hiện

nay, các loại thuật tốn này có thể được chia thành ba nhóm chính, bao gồm: nhóm dựa
trên thơng lượng [5], [9-12]; nhóm dựa trên bộ đệm [13-16] và nhóm dựa vào sự kết hợp
cả hai thơng số trên [17-20].
Trong tất cả các cơng trình nghiên cứu trên, cho dù phương pháp nào thuộc bất kỳ
nhóm nào cũng đều có một mục tiêu duy nhất là làm sao tải được video có tốc độ bit cao
nhất hay mức chất lượng tốt nhất có thể nhằm nâng cao các tham số chất lượng video,
cải thiện trải nghiệm QoE người dùng. Tuy nhiên, hầu hết các thuật toán chỉ tập trung
vào việc cải thiện cơ chế thích ứng ở phía máy khách mà khơng xem xét các tài ngun
sẵn có trong mạng để khai thác tối ưu. Tại thời điểm bắt đầu nghiên cứu của luận án, về
phía mạng, tác giả đã khảo sát một số cơng trình về định tuyến đường dẫn tối ưu dựa
trên cơ sở mạng SDN như [21-28]. Bằng việc sử dụng các thông tin trạng thái ứng dụng
và quản lý tài nguyên mạng để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng, một số phương pháp


3
đã phân loại các luồng video vào các lớp ưu tiên khác nhau để thực hiện chính sách định
tuyến [21-23], [28]. Với các luồng có mức ưu tiên cao nhất sẽ được streaming vào đường
dẫn khả thi nhất và lưu lượng cao nhất trên một liên kết xác định số lượng luồng được
phép streming. Trong [24], [27] đưa ra kỹ thuật định hình lưu lượng truy cập động dựa
trên SDN cho việc truyền phát video qua giao thức HTTP. Các tác giả đã sử dụng một
mơ hình tối ưu hóa nhằm đạt được thông lượng tối đa các dịch vụ DASH bằng cách
chọn các đường dẫn tối ưu cho các gói video truyền qua mạng SDN. Với giải pháp trong
[25], các tác giả đã đề xuất một kiến trúc SDN để giám sát điều kiện mạng của các luồng
streaming trong thời gian thực và thay đổi động các đường dẫn định tuyến bằng kỹ thuật
chuyển mạch nhãn đa giao thức để cung cấp trải nghiệm xem video một cách tin cậy.
Việc thực hiện định tuyến dựa trên SDN/OpenFlow cho video được mã hóa dưới dạng
SVC thích ứng cũng được đề xuất trong [26]. Trong đó, các mơ đun chức năng cho bộ
điều khiển SDN được thiết kế để hỗ trợ các hoạt động định tuyến mạng một cách có
hiệu quả. Nhìn chung, các nghiên cứu này đã mang lại QoE hiệu năng hơn các phương
pháp đinh tuyến truyền thống, tuy nhiên cũng chủ yếu tập trung ở khía cạnh định tuyến

tại phía mạng mà khơng quan tâm đến vấn đề thích ứng chất lượng tại phía máy khách
như thế nào để phân bổ tài nguyên cho phù hợp.
Cũng trong bối cảnh streaming video, đã có một vài nghiên cứu về vấn đề nhiều
người dùng cùng truy cập trên mạng chia sẻ như các cơng trình khoa học trong [29-34].
Các phương pháp này chủ yếu tập trung vấn đề chia sẻ băng thông cho nhiều máy khách
đồng thời truy cập vào một liên kết tắc nghẽn thắt cổ chai. Với mục tiêu chính xoay
quanh vào ba tham số cơng bằng (Fairness), hiệu quả (Efficiency) và ổn định (Stability)
cho tất cả các người dùng mà các phương pháp khác nhau là khác nhau. Có một số cơng
trình chỉ tập trung vào tính cơng bằng mà khơng quan tâm đến tính hiệu quả và ổn định
[33]. Một số chỉ cải thiện tính cơng bằng và hiệu quả mà khơng xem xét tính ổn định
[32], đó là một thơng số quan trọng ảnh hưởng mạnh đến QoE. Các tác giả trong [29],
[31] nghiên cứu các giải thuật thích ứng tại phía máy khách để cải thiện cả ba tham số
trên và đưa ra một tập hợp các phương pháp có hệ thống nhằm cố gắng đảm bảo sự đánh
đổi tối ưu giữa các mục tiêu đã đề cập. Tuy nhiên các giải pháp này không đề cập đến
vấn đề phân chia băng thông ở phía mạng. Các cơng trình khác như [32-34] cũng đã
thành công trong công việc phân bổ băng thông cho nhiều người dùng trong mạng cạnh
tranh nhưng khơng hề biết tình trạng của các máy khách hoạt động như thế nào.
Từ những ưu điểm và hạn chế của các cơng trình trên, vấn đề streming video qua
Internet vẫn đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của các nhà nghiên cứu. Và trên cơ sở
đó, để nâng cao chất lượng streaming video, luận án tập trung đề xuất các giải pháp dựa


4
vào một số đặc điểm chính so với các cơng trình nghiên cứu đang tồn tại như được phát
họa trong Bảng 0.1 sau đây:
Bảng 0.1. Tóm lượt đặc điểm giải pháp đề xuất với một số nghiên cứu hiện tại
Giải pháp Cơng nghệ

Thích ứng tốc độ bit


Định tuyến

Phân bổ băng
thơng

[9] - [20]

HAS

Thơng lượng/Mức đệm

Truyền thống

-

[21] - [23]

SDN

-

QoS

-

[24], [27]

Lai

DASH


Định kỳ

-

[34]

SDN

DASH

-

Thích nghi

[29], [31]

HAS

Thông lượng/Mức đệm

-

Công bằng

Đề xuất 1

Lai

Thông lượng/Mức đệm


Linh hoạt

-

Đề xuất 2

Lai

Thơng lượng/Mức đệm

-

Cơng bằng/Thích
nghi

3. Mục tiêu nghiên cứu
Xuất phát từ tình hình thực tế và những vấn đề cịn tồn tại trong lĩnh vực video
streaming, luận án đề ra các mục tiêu chính sau đây:
- Đề xuất và thực hiện thuật tốn thích ứng chất lượng video CBR trên nền giao thức
HTTP và SDN nhằm cải thiện một vài tham số ảnh hưởng đến QoE người dùng.
- Đề xuất và thực hiện các thuật tốn thích ứng chất lượng khi streaming video VBR
qua giao thức HTTP và định tuyến động dựa trên SDN.
- Đề xuất và thực hiện phương pháp phân bổ băng thông tại một liên kết thắt cổ chai
dựa trên kỹ thuật SDN/OpenFlow cùng với thuật tốn thích nghi tốc độ trên cơ sở DASH
nhằm cải thiện QoE người dùng.
4. Đối tượng nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các đối tượng sau đây:
- Công nghệ HAS và SDN/OpenFlow.
- Hệ thống streaming video thích ứng qua giao thức HTTP.

- Hệ thống streaming video thích ứng qua mạng cấu hình bởi phần mềm SDN.
- Kết hợp cơng nghệ HAS và SDN trong streaming video.
5. Phạm vi nghiên cứu
Các nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phạm vi dưới đây:


5
- Streaming video chia thành hai nhóm chính là streaming tương tác và streaming
không tương tác. Luận án chỉ tập trung vào streaming khơng tương tác trong đó máy
khách một chiều nhận video từ máy chủ.
- Không giải quyết bài toán streaming trực tiếp (Live Streaming) mà chỉ tập trung
vào streaming video theo yêu cầu (VoD).
- Thực hiện các giải pháp tại lớp ứng dụng, không can thiệp vào các lớp dưới của
lớp ứng dụng.
- Thực hiện các thuật toán thích ứng chất lượng trong streaming video, khơng quan
tâm đến q trình mã hóa và giải mã dữ liệu video.
- Tập trung vào giai đoạn streaming thực sự (máy khách nhận và hiển thị dữ liệu
một cách đồng thời), không tập trung vào giai đoạn nạp bộ đệm ban đầu.
- Tỉ lệ mất gói được thiết lập là 0% và giả sử rằng băng thông được dùng trong thực
nghiệm đã bao gồm sự biến động gây ra bởi sự mất gói, trễ gói dữ liệu.
6. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết, xây dựng giải pháp
rồi đi đến thực nghiệm. Trước hết, tác giả tìm kiếm tài liệu và xem xét tất cả các vấn đề
lý thuyết trên thế giới có liên quan đến luận án, xây dựng mơ hình giải thuật rồi sau đó
thiết lập thí nghiệm, tiến hành đo đạc kết quả, so sánh và đánh giá.
7. Những đóng góp của luận án
Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu nhất định với những đóng góp chính
như sau:
- Đóng góp thứ nhất, luận án đề xuất một kiến trúc SDN/OpenFlow mở rộng kết
hợp với công nghệ DASH trong việc streaming video dạng CBR. Tại phía máy khách,

phương pháp thực hiện thuật tốn thích nghi tốc độ bit dựa trên sự ước lượng thông
lượng và bộ đệm để quyết định mức chất lượng video tốt nhất có thể. Tại phía mạng,
nhờ vào cơ chế quản lý tập trung và có một cái nhìn tổng thể về mạng của SDN nên giải
pháp xây dựng một số mô đun trong bộ điều khiển SDN để thực hiện chức năng định
tuyến đường dẫn tối ưu. Kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp đề xuất đã cải thiện
một cách đáng kể các tham số chất lượng video so với các giải pháp không sử dụng
mạng SDN.
Kết quả được công bố trên các cơng trình [C1], [J1].
- Đóng góp thứ hai, luận án đã đề xuất một hệ thống streaming video dạng VBR qua
giao thức HTTP và SDN. Thuật tốn thích nghi tốc độ bit tại phía máy khách của giải


6
pháp đề xuất có thể thích nghi tốt với sự dao động mạnh của thông lượng mạng cũng
như sự biến đổi liên tục của tốc độ video dạng VBR. Bên cạnh đó, trên bộ điều khiển
SDN, luận án xây dựng hai cơ chế định tuyến, đó là định tuyến định kỳ và định tuyến
thích nghi để tìm thấy một đường dẫn tốt nhất cho luồng video streaming. Các kết quả
đánh giá bằng thực nghiệm chỉ ra rằng giải pháp đề xuất nâng cao đáng kể chất lượng
trải nghiệm QoE của người dùng so với các giải pháp đang tồn tại.
Kết quả được cơng bố trên các cơng trình [C2], [J2], [J3].
- Đóng góp thứ ba là đề xuất giải pháp phân bổ băng thơng cơng bằng và thích ứng
cho nhiều người dùng đồng thời truy cập trong mạng chia sẻ. Chính sách phân bổ băng
thơng dựa trên kiến trúc SDN/OpenFlow đề xuất với mục tiêu công bằng, hiệu quả và
ổn định cho tất cả người dùng cùng chia sẻ tài nguyên tại nút thắt cổ chai, đồng thời
cũng tối đa hóa số máy khách truy cập và tối thiểu hóa số máy khách giảm QoE. Đề xuất
giải pháp phân chia băng thơng kết hợp với thuật tốn thích ứng tốc độ, kết quả mơ
phỏng cho thấy đóng góp của giải pháp này là đạt được tốc độ bit trung bình của video
cao hơn, tránh được hiện tượng đóng băng video và cải thiện đáng kể QoE người dùng.
Kết quả được cơng bố trên các cơng trình [C3], [J3].
8. Cấu trúc nội dung của luận án

Nội dung của luận án trình bày trong 4 chương và được tóm tắt như sau:
Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật truyền video qua giao thức HTTP và mạng
định nghĩa bằng phần mềm SDN: Khái quát kỹ thuật HTTP streaming và trình bày
tổng quan về kỹ thuật streming video thích ứng qua giao thức HTTP mà đặc trưng chính
là cơng nghệ DASH. Phân tích ý nghĩa các tham số ảnh hưởng đến QoE trong lĩnh vực
stream video để làm cơ sở đánh giá các giải pháp đề xuất với các phương pháp đối sánh
khác. Trong chương cũng đã nêu khái niệm và phân tích kiến trúc của mạng định nghĩa
bằng phần mềm SDN, những ưu điểm của mạng SDN so với mạng truyền thống. Giao
thức OpenFlow là một tiêu chuẩn duy nhất cho việc xây dựng các giải pháp SDN. Triển
khai mạng SDN thông qua cơng cụ thí nghiệm cho các đề xuất trong luận án cũng được
đề cập đến. Từ những đặc điểm của mạng SDN và công nghệ HAS, luận án đề xuất các
giải pháp định tuyến và phân bổ băng thông kết hợp với thuật tốn thích ứng tốc độ trong
các chương tiếp theo.
Chương 2. Truyền video CBR thích nghi giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật
định tuyến của SDN: Trong chương này đề xuất một kiến trúc mới cho bộ điều khiển
SDN nhằm thực hiện chính sách định tuyến đường dẫn kết hợp với thuật tốn thích ứng
tốc độ bit tại phía máy khách để lựa chọn một mức chất lượng video phù hợp. Thiết lập


7
thực nghiệm để đánh giá giải pháp đề xuất với các tham số ảnh hưởng đến QoE như tốc
độ bit trung bình hay biên độ giảm mức chất lượng của video.
Chương 3. Giải pháp cải thiện QoE trong streaming video VBR qua giao thức
HTTP dựa trên SDN: Đề xuất hai giải pháp truyền thích ứng video có tốc độ bit biến
đổi VBR qua giao thức HTTP dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích
nghi của SDN.
- Trong giải pháp thứ nhất sử dụng thuật tốn thích ứng tốc độ dựa trên thông lượng
và các ngưỡng đệm linh hoạt để ứng phó với sự biến động mạnh của tốc độ bit video
VBR. Đồng thời dựa trên kỹ thuật định tuyến định kỳ và định tuyến thích nghi được cấu
hình trên bộ điều khiển SDN để lựa chọn ra một đường dẫn tốt nhất cho luồng video

streaming.
- Trong giải pháp thứ hai cải tiến thuật tốn thích ứng tốc độ bit bằng việc ước lượng
trước mức đệm để tránh trường hợp video bị đóng băng. Về phía mạng giải pháp định
tuyến đường dẫn dựa vào các tham số ràng buộc về độ ổn định và biên độ khả dụng của
băng thông nhằm lựa chọn ra một tuyến đi tối ưu từ máy chủ đến máy khách.
Thiết lập thực nghiệm đánh giá kết quả cho hai giải pháp đề xuất với các phương
pháp đang tồn tại.
Chương 4. Giải pháp phân bổ băng thông và cải thiện QoE trong streaming
video cho đồng thời nhiều người dùng: Chương này cũng đề xuất hai giải pháp, đó là
phân bổ băng thơng cơng bằng và phân bổ băng thơng thích ứng dựa trên cấu trúc SDN
cho nhiều người dùng đồng thời truy cập tại một liên kết tắc nghẽn. Đề xuất thuật tốn
thích ứng tốc độ bít áp dụng cho cả video CBR và VBR. Cuối cùng là thiết lập thí nghiệm
và đánh giá kết quả.
Kết luận chung của luận án sẽ tóm tắt lại những đóng góp và một số kết quả đạt
được cũng như hướng phát triển của đề tài trong tương lai.


8

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

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

Máy chủ
streaming

Hình 1.1. Các loại thiết bị khác nhau kết nối với một máy chủ streaming.
Hình 1.2 thể hiện cấu trúc cơ bản HTTP streaming. Hoạt động của hệ thống như
một tập hợp các yêu cầu và phản hồi HTTP nội dung đa phương tiện một cách tuần tự.
Máy chủ có thể là một web server tiêu chuẩn có chức năng tạo ra các trình phương
tiện khác nhau trong HTTP streaming thích ứng. Việc tạo ra các trình phương tiện này
có thể được thực hiện ngoại tuyến (chế độ tĩnh) hoặc theo yêu cầu (chế độ động). Trong
chế độ tĩnh, tệp mô tả (MPD) và trình nội dung phương tiện được tạo ra trước khi bắt


9
đầu bất kỳ một phiên HTTP streaming thích ứng nào. Trong chế độ động, máy chủ tạo
ra các phân đoạn đa phương tiện dựa trên các yêu cầu HTTP GET nhận được.
Máy chủ
HTTP

Yêu cầu HTTP
phân đoạn 1

Yêu cầu HTTP
phân đoạn 1


Đáp ứng HTTP
phân đoạn 1

…

Đáp ứng HTTP
phân đoạn 1

Internet

…

Yêu cầu HTTP
phân đoạn n

Yêu cầu HTTP
phân đoạn n

Đáp ứng HTTP
phân đoạn n

Đáp ứng HTTP
phân đoạn n

Tường lửa

Máy khách
HTTP
Khối thích
ứng tốc độ


Hình 1.2. Hệ thống HTTP streaming
Tại phía máy khách có thể gửi một loạt các yêu cầu GET đến máy chủ, mỗi yêu cầu
là một phân đoạn đa phương tiện của một đại diện. Trong HTTP streaming thích ứng,
máy khách thực hiện điều chỉnh tốc độ bằng cách xác định trình phương tiện phù hợp
nhất có thể với dung lượng mạng cho phép. Trong luận án này, việc thích ứng diễn ra
mỗi lần trước khi yêu cầu một phân đoạn phương tiện mới.
Từ hệ thống HTTP streaming trên, các hướng tiếp cận chính liên quan đến vấn đề
này tập trung vào ba yếu tố như Hình 1.3. Tại phía máy chủ HTTP sẽ lưu các mức chất
lượng của nội dung đa phương tiện cùng với tệp MPD của nó để phân phối đến các máy
khách. Tại phía máy khách HTTP, phát triển các thuật tốn thích ứng tốc độ để quyết
định những phân đoạn đa phương tiện nào sẽ được tải về. Tại phía mạng tập trung nghiên
cứu các giải pháp quản lý, giám sát, phân phối nguồn tài nguyên và định tuyến đường
đi cho các luồng lưu lượng.

Mạng

HTTP
Streaming
Máy
khách
HTTP

Máy chủ
HTTP

Hình 1.3. Các hướng tiếp cận liên quan đến HTTP Streaming
Vậy để nâng cao chất lượng streaming video, trong phạm vi luận án này chỉ tiếp cận
theo hướng tại phía máy khách và phía mạng. Tại phía máy khách, xem xét đề xuất các
thuật tốn thích ứng tốc độ để lựa chọn một mức chất lượng video phù hợp nhất. Tại



10
phía mạng, tập trung vào các vấn đề định tuyến đường đi tối ưu và phân bổ băng thông
hợp lý cho tất cả các người dùng.
1.1.2. Kỹ thuật streaming video và các chuẩn hiện tại
Video là một loại dữ liệu đa phương tiện quan trọng trong các lĩnh vực truyền thơng
và giải trí. Lưu lượng truy cập dữ liệu video tăng trưởng rất nhanh chóng trong những
năm gần đây. Vào thời kỳ đầu của kỷ nguyên Internet, những năm 1990, video được
truyền bằng cơng nghệ chuyển mạch gói. Dù vậy, khi truyền qua mạng Internet, người
ta vẫn thường xuyên gặp những yếu tố bất lợi về băng thông, độ trễ và mất gói tin. Thơng
thường, người dùng chỉ có thể đọc video sau khi đã tải toàn bộ video về đĩa cứng trên
máy mình. Thế nhưng, trong bối cảnh các video đang được cung cấp dưới dạng chất
lượng cao thông qua Internet cũng như yêu cầu nhanh chóng, tiện dụng đang được người
dùng Internet đặt lên hàng đầu thì phương pháp ấy đã khơng cịn hiệu quả.
Từ đây, một bài toán được đặt ra nhằm truyền tải video đến người dùng một cách
nhanh chóng, thuận tiện mà vẫn đảm bảo được chất lượng cần thiết. Ta có khái niệm
“Streaming Video”, tức là truyền dữ liệu video một cách liên tục từ một nguồn đến một
hay nhiều đích nào đó thơng qua mạng Internet, nó cho phép dữ liệu video được xử lý
trước khi nhận được hoàn toàn. Streaming video sử dụng cách thức phát lại các đoạn
video được lưu trữ trên mạng tới người dùng đầu cuối mà không cần tải tồn bộ đoạn
video đó về trên máy tính. Về bản chất, streaming video là quá trình chia nhỏ tệp video
sau khi đã mã hóa thành các phân đoạn (segment), rồi lần lượt gửi từng phân đoạn tới
một bộ đệm trên máy tính của người xem để giải mã và hiển thị nội dung phân đoạn đó.
Kỹ thuật streaming video được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mạng như: các phần
mềm (các ứng dụng nghe nhạc, xem phim như VLC, KMPlayer; hay các trình duyệt
web như: Internet Explorer, Google Chrome…) trên các máy khách truy cập và xem
video từ các máy chủ theo mơ hình máy chủ/máy khách; các ứng dụng họp trực tuyến,
đào tạo từ xa. Các bước thực hiện kỹ thuật streaming video như sau:
• Các dữ liệu video sau khi mã hóa (encode) sẽ được chia nhỏ thành các phân đoạn

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


11
• Khi các phân đoạn video về máy khách, sẽ được lưu trữ trong bộ đệm và nội dung
các phân đoạn sẽ được giải mã (decode) và hiển thị thông qua các chương trình chơi
video (Ví dụ: VLC, KMPlayer). Khi các phân đoạn video về máy khách, sẽ được
lưu trữ trong bộ đệm và nội dung các phân đoạn sẽ được giải mã (decode) và hiển
thị thông qua các chương trình chơi video (Ví dụ: VLC, KMPlayer).
Về cơ bản, streaming video được chia thành hai dạng, đó là:
- Video theo yêu cầu (Video on Demand – VoD): Là một hệ thống cho phép người
dùng lựa chọn và xem nội dung video theo ý thích của mình trên truyền hình hoặc máy
tính. Video theo yêu cầu là một trong những tính năng động được cung cấp bởi giao
thức Internet. VoD cung cấp cho người dùng một tập các video có sẵn để có thể lựa
chọn.
- Video thời gian thực hay cịn gọi là truyền hình trực tiếp (Live Streaming): Là
các video được truyền trực tiếp về các máy tính của người dùng thông qua mạng Internet
từ nơi diễn ra sự kiện bằng các thiết bị truyền thông đa phương tiện.
Luận án chỉ tập trung video theo yêu cầu VoD mà không quan tâm đến video theo
thời gian thực Live Streaming.
Vì streaming video đóng vai trị ngày một quan trọng trong truyền thơng Internet
nên đã có nhiều giao thức streaming video được giới thiệu hiện nay, bao gồm:
•


Real Time Transport Protocol (RTP) [36] – Giao thức truyền tải thời gian thực:
được phát triển bởi Audio-Video Transport Working Group của Internet
Engineering Task Force, chạy trên giao thức UDP (User Datagram Protocol).

•

Real Time Messaging Protocol (RTMP) [37]: Được phát triển bởi Macromedia, là
một giao thức độc quyền của Adobe. Có chức năng giám sát thông tin về truyền dẫn,
chất lượng dịch vụ và cho phép đồng bộ hóa nhiều luồng đồng thời.

•

HTTP Live Streaming (HLS) [38]: Được phát triển bởi Apple, hoạt động trên nền
giao thức HTTP. Đây cũng là một giao thức độc quyền của Apple, được sử dụng
rộng rãi và hỗ trợ trên nhiều nền tảng bao gồm SmartTV, các trình duyệt Web, các
thiết bị di động Android và iOS.

•

Adobe HTTP Dynamic Streaming (HDS) [39]: Được phát triển bởi Adobe. Giống
như HLS, giao thức này cũng hoạt động trên nền HTTP.

•

IIS Smooth Streaming [40] : Giao thức độc quyền, phát triển bởi Microsoft.

•

MPEG-DASH [6]: Đây là tiêu chuẩn quốc tế được phê chuẩn bởi MPEG và ISO
vào năm 2012 và đã được sửa đổi vào năm 2019 với tên gọi là MPEG-DASH

ISO/IEC 23009-1, là giải pháp thay thế cho các kỹ thuật streaming video độc quyền
công nghiệp trên.


12
Trong các giao thức trên, RTP và RTMP hoạt động tốt trong các mạng IP được quản
lý. Tuy nhiên, trong Internet ngày nay, các mạng được quản lý đã được thay thế, nhiều
mạng khơng hỗ trợ truyền phát RTP. Ngồi ra, các gói RTP và RTMP thường khơng
được phép thơng qua tường lửa. Các giao thức còn lại đều dựa trên nền tảng HTTP. Với
sự gia tăng của băng thông Internet và sự phát triển vượt bậc của World Wide Web, nội
dung đa phương tiện có thể được phân phối rất hiệu quả trong các gói tin lớn hơn sử
dụng HTTP. Truyền phát HTTP có một số lợi ích là cơ sở hạ tầng Internet đã phát triển
để hỗ trợ HTTP một cách hiệu quả. Ngoài ra, hầu hết tất cả các tường lửa đều được cấu
hình để hỗ trợ các kết nối đi của HTTP. Thêm vào đó, với HTTP Streaming, máy khách
sẽ quản lý việc truyền phát mà khơng cần duy trì trạng thái phiên trên máy chủ. Do đó,
việc triển khai dịch vụ với số lượng lớn máy khách không gây tốn kém nên hiện nay chủ
yếu sử dụng các giao thức hoạt động trên nền tảng HTTP để cung cấp các dịch vụ
streaming video. Bảng 1.1 dưới đây so sánh các đặc điểm nổi bật giữa các chuẩn truyền
video dựa trên nền HTTP.
Bảng 1.1. Tính năng của các chuẩn truyền video dựa trên nền HTTP
Tính năng

Adobe HDS
[39]

Apple HLS
[38]

IIS Smooth
Streaming

[40]

DASH
[6]

Triển khai trên máy chủ

-

✓

-

✓

Chuẩn quốc tế

-

-

-

✓

Nhiều kênh audio (ngơn
ngữ, chú thích, …)

-


✓

✓

✓

Bảo mật nội dung linh
hoạt

✓

✓

✓

✓

Chuyển kênh nhanh

✓

-

-

✓

HTTP thơng thường

Như có thể thấy từ Bảng 1.1, tiêu chuẩn MPEG-DASH được hỗ trợ nhiều tính năng

hơn hết so với các chuẩn khác cùng hoạt động trên nền tảng HTTP.
1.1.3. Vấn đề thích ứng tốc độ trong HTTP streaming
Nhìn chung các vấn đề nghiên cứu hiện nay trong HTTP streaming đa phương tiện
chủ yếu xoay quanh vào việc thích ứng tốc độ trong streaming đa phương tiện bao gồm
các khía cạnh như sau:


13
- Thứ nhất, phương pháp thích ứng tốc độ phải triển khai với tiêu chí là xác định
xem tốc độ bit của một mức chất lượng đa phương tiện cụ thể có phù hợp với băng thơng
mạng sẵn có hay khơng. Tiêu chí này được dự đốn sẽ nhận định sự biến đổi thông
lượng do điều kiện mạng luôn dao động và cơ chế kiểm soát tắc nghẽn nhằm tránh tắc
nghẽn trong HTTP streaming. Để đạt được tốc độ thích ứng hiệu quả, cần phải phản ứng
kịp thời và nhanh chóng với bất kỳ sự khơng phù hợp nào giữa tốc độ bit của mức chất
lượng đa phương tiện và băng thông mạng để đạt đến mức chất lượng tối ưu.
- Thứ hai, thuật tốn thích ứng tốc độ phải kiểm soát bộ đệm của máy khách để
ngăn chặn bộ đệm trống hoặc tràn, vì nếu bộ đệm bị cạn kiệt sẽ gây gián đoạn quá trình
streaming và hiện tượng tràn thì dẫn đến lãng phí băng thơng.
- Thứ ba, thuật tốn thích ứng tốc độ phải tính đến thuộc tính hội tụ tốt và ngăn
ngừa sự biến động giữa các mức chất lượng đa phương tiện, đặc biệt khi băng thông khả
dụng nằm trong phạm vi tốc độ bit của hai mức chất lượng liền kề.
- Thứ tư, thời lượng của phân đoạn đa phương tiện phải lựa chọn một cách thích
hợp để giảm thiểu overhead HTTP, do đó sẽ giảm thiểu được độ trễ do quá trình xử lý
và truyền tải yêu cầu HTTP dẫn đến tối đa hóa tốc độ thích ứng.
Nhìn chung, các giải thuật thích ứng tốc độ bit đều có những ưu nhược khác nhau.
Tùy từng vào các giải pháp, luận án sẽ trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo. Bên
cạnh đó, việc thích ứng tốc độ bit ở phía máy khách khơng nằm trong chuẩn MPEGDASH. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các thuật tốn thích nghi tốc độ bit nhằm
đưa đến hiệu quả cho quá trình streaming video đã và đang được tập trung nghiên cứu
cho các nhà khoa học.
1.1.4. HTTP streaming theo cảm nhận người dùng QoE

Khái niệm chất lượng trải nghiệm (QoE) được định nghĩa là mức độ dễ chịu hoặc
khó chịu của người dùng đối với một ứng dụng hay dịch vụ nào đó. Nó là kết quả của
việc đáp ứng mong đợi của người dùng đó đối với tiện ích và sự thích thú của ứng dụng
hoặc dịch vụ đó phụ thuộc vào tính cách và trạng thái hiện tại của người dùng [41]. Việc
đánh giá QoE có thể dựa vào rất nhiều thơng số của hệ thống, ngữ cảnh hay con người
[42]. Ta biết rằng, QoE chỉ có thể được ước tính bằng cách kiểm tra một cách chủ quan
hoặc sử dụng mô hình khách quan về nhận thức của người dùng. Theo liên minh viễn
thông quốc tế ITU, QoE được định nghĩa là sự chấp nhận tổng thể của một ứng dụng
hoặc dịch vụ được người dùng cuối cảm nhận, QoE có thể bị ảnh hưởng bởi kỳ vọng và
ngữ cảnh của người dùng. Đối với dịch vụ streaming OTT (Over-the-Top), kỹ thuật
streaming phải thích ứng động nội dung đa phương tiện với điều kiện mạng để cải thiện
QoE.