TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG
Giới thiệu chương
Chương 1 trình bày khái niệm về mạng ngang hàng, tìm hiểu các đặc điểm và ưu thế của mạng để trả lời câu hỏi tại sao mạng ngang hàng đã và đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu từ cộng đồng như vậy Chương 1 cũng so sánh mạng ngang hàng với mô hình client – server và đề cập chi tiết các ứng dụng cơ bản của mạng ngang hàng
1.1.1 Giới thiệu về mạng ngang hàng
Hiện nay, trong nhiều lĩnh vực, giới hạn tài nguyên phần cứng không đáp ứng đủ nhu cầu của người dùng, khiến mô hình máy chủ - máy khách truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm Giải pháp đang được nghiên cứu và phát triển là thay thế mô hình này bằng việc áp dụng mạng ngang hàng.
Mạng ngang hàng (P2P) xuất hiện từ năm 1999 và ngày càng thu hút sự chú ý toàn cầu, đặc biệt trong những năm gần đây Việc áp dụng mô hình P2P trong xây dựng ứng dụng truyền hình, xem video và điện thoại qua Internet đã mang lại nhiều thành công nổi bật.
Hiện nay các ứng dụng P2P chiếm khoảng 50% (thậm chí 75%) băng thông trên Internet Các ứng dụng của kiểu mạng này như là: Napster, Skype, BitTorrent, FlashGet, Sopcast, ICQ vv
Mạng ngang hàng là một hệ thống bao gồm các node liên kết với nhau, cho phép tự tổ chức thành các topo mạng nhằm mục đích chia sẻ tài nguyên như nội dung, chu trình xử lý, bộ nhớ lưu trữ và băng thông Hệ thống này có khả năng thích ứng với các sự cố và có thể chứa nhiều máy mà không cần sự hỗ trợ của một máy chủ trung tâm hoặc cơ quan nào đó.
Trong mạng P2P, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng, mỗi máy được
Trong mô hình peer-to-peer, mỗi peer đồng thời đóng vai trò là máy chủ và khách, cho phép chúng gửi và nhận yêu cầu từ các peer khác trong mạng Điều này khác biệt so với mô hình client-server truyền thống, nơi khách hàng chỉ có thể gửi yêu cầu đến một máy chủ và chờ phản hồi Các peer trong mạng có thể khác nhau về cấu hình, tốc độ xử lý, khả năng lưu trữ và băng thông mạng.
Trong các hệ thống P2P, các peer tự tổ chức thành mạng lớp phủ để lưu trữ và chuyển tiếp dữ liệu So với mô hình client-server truyền thống, mạng P2P đã chứng minh là một cách tiếp cận hiệu quả và linh hoạt hơn trong việc chia sẻ nguồn tài nguyên trong hai thập kỷ qua.
Hình 1.1 Mô hình peer to peer Mạng P2P còn là một mạng chồng phủ logic được xây dựng trên một hoặc nhiều mạng vật lý hiện có [1]
1.1.3 Những đặc điểm và ưu thế của mạng ngang hàng
Trong mạng phân tán, tất cả các máy tham gia đều đóng góp tài nguyên như băng thông, lưu trữ và khả năng tính toán, dẫn đến khả năng tổng thể của hệ thống mạng tăng lên khi có nhiều máy tham gia Ngược lại, trong cấu trúc máy chủ-máy khách, khi số lượng máy chủ cố định và số lượng máy khách tăng lên, khả năng chuyển dữ liệu cho mỗi máy khách sẽ giảm.
Mạng đồng đẳng có tính chất phân tán, giúp duy trì hoạt động hiệu quả ngay cả khi một số máy gặp sự cố Ngược lại, trong cấu trúc tập trung, sự cố của máy chủ có thể làm ngưng trệ toàn bộ hệ thống.
1.1.4 So sánh mạng ngang hàng với mô hình client – server
Hình 1.2 là mô hình client-server gồm một máy chủ và 4 máy khách trao đổi dữ liệu qua mạng internet
Mô hình mạng máy tính client-server là một kiến trúc mạnh mẽ và tin cậy, trong đó máy chủ (server) đóng vai trò là nguồn dữ liệu phục vụ nhiều máy khách (client) Máy chủ có khả năng tính toán cao và tốc độ xử lý nhanh, trong khi máy khách chỉ đưa ra yêu cầu và sử dụng tài nguyên mà không thể chia sẻ tài nguyên của chính nó Kết nối giữa máy khách và máy chủ diễn ra qua một giao thức nhất định, giúp máy khách tránh được các tính toán nặng nề Việc tập trung dữ liệu tại một vị trí giúp quản lý hệ thống dễ dàng và bảo mật hơn Tuy nhiên, mô hình này cũng gặp phải một số vấn đề, như sự hạn chế về băng thông mạng, chu trình xử lý, tốc độ vào ra I/O và không gian lưu trữ, có thể dẫn đến tình trạng quá tải cho máy chủ khi nhận quá nhiều yêu cầu.
Hình 1.2.Mô hình client-server
Bảng 1.1 Đưa ra những so sánh cơ bản giữa mô hình P2P với mô hình
P2P Client-server Đặc điểm Một mạng ngang hàng cho phép các node đóng góp chia sẻ nguồn tài nguyên với nhau Tài nguyên riêng rẽ của các node (ổ cứng,
CD ROM, máy in….) Các nguồn tài nguyên có thể được truy cập từ bất cứ node nào trong mạng
Dữ liệu được lưu trữ trên một server trung tâm với tốc độ cao, giúp tăng tốc độ truy cập so với mạng P2P Khi máy client cần thông tin, nó sẽ gửi yêu cầu theo tiêu chuẩn do server quy định Nếu yêu cầu được chấp nhận, server sẽ trả về thông tin mà client yêu cầu Ưu điểm của hệ thống này là không cần server riêng, và khi có nhiều client chia sẻ tài nguyên, khả năng hoạt động của hệ thống sẽ được cải thiện, đồng thời chi phí cũng sẽ giảm.
Tốc độ truy cập nhanh,khả năng mở rộng cao, hoạt động với bất kì loại ứng dụng nào
Nhƣợc điểm Chậm,không tốt cho các ứng dụng CDSL, kém tin cậy
Cần server riêng,đắt, phức tạp trong việc bảo trì và duy trì hoạt động của mạng
1.1.5 Phân loại mạng ngang hàng
Mạng ngang hàng có thể được phân loại theo mục đích sử dụng, ví dụ:
- Chia sẻ file (file sharing)
- Đa phương tiện media streaming (audio, video)
- Diễn đàn thảo luận (Discussion forums)
Mạng ngang hàng có thể được phân loại dựa trên mức độ tập trung của mạng, đặc biệt là trong các mạng overlay P2P Theo phân loại này, mạng được chia thành hai loại chính: mạng có cấu trúc và mạng không có cấu trúc, như thể hiện trong hình 1.3.
Mạng ngang hàng không cấu trúc (unstructured) là loại mạng có nơi lưu trữ nội dung không liên quan đến cấu trúc hình học của mạng overlay topology Mạng này được chia thành hai thế hệ khác nhau.
+ Hệ thống mạng ngang hàng tập trung (Centralized):
+ Hệ thống mạng ngang hàng thuần túy (Pure)
+ Thế hệ thứ 2 chỉ có mạng ngang hàng lai (Hybrid)
Còn mạng ngang hàng có cấu trúc chỉ có bảng băm phân tán(DTH: Distributed Hash Table)
Hình 1.3 Phân loại mạng ngang hàng theo mức độ tập trung
Các ứng dụng cơ bản của mạng ngang hàng
1.2.1.Dịch vụ video theo yêu cầu P2P VoD
Dịch vụ video theo yêu cầu (VoD) cho phép người dùng xem video bất cứ lúc nào và ở đâu, mang lại tính linh động và tiện lợi VoD tương tác với người dùng với mục tiêu "xem bất cứ gì bạn muốn bất cứ khi nào bạn cần" Để đảm bảo chất lượng trải nghiệm (QoE) tốt, hệ thống streaming video cần có băng thông trung bình cao hơn tốc độ phát video Tỉ lệ mất gói, tái yêu cầu gói và biến động trễ lớn trong mạng có thể dẫn đến suy giảm nghiêm trọng về QoE.
Khác với các ứng dụng chia sẻ file, P2P VoD đòi hỏi nguồn tài nguyên trung gian và cơ chế trao đổi phức tạp để đáp ứng lưu lượng lớn Trong hệ thống P2P VoD, mỗi peer phải lựa chọn peer cung cấp từ những peer có nội dung cần thiết Tương tự như chia sẻ file, các peer trong hệ thống sẽ tải xuống các phần của video đồng thời từ nhiều peer và máy chủ khác nhau.
6 chứa nội dung video, đồng thời nó cũng thực hiện việc upload cho các người sử dụng khác đang yêu cầu
Có rất nhiều ứng dụng VoD trên nền P2P sẵn có trên mạng internet như joost, vuze, sopcast …[2]
Các ứng dụng P2P live TV và P2P VoD được so sánh về sự phổ biến, lưu lượng Internet, mã nguồn và đặc điểm lưu lượng Hệ thống P2P live TV có yêu cầu khắt khe hơn về thông lượng và độ trễ, chỉ cho phép một mức độ trễ nhất định để đảm bảo chất lượng video Do đó, chúng yêu cầu bộ lưu trữ thấp hơn, chỉ lưu trữ các nội dung video có độ trễ chấp nhận được Các cơ chế điều khiển truy cập tài nguyên và trung gian cũng khác biệt so với hệ thống chia sẻ file và P2P VoD Đặc điểm lưu lượng của P2P live TV được phân tích qua băng thông download và upload, cùng số lượng kết nối tại một peer, mặc dù một peer không thể tận dụng hết băng thông download nhưng vẫn cần đảm bảo video chạy “trơn tru” Tuy nhiên, lưu lượng P2P live TV có thể bị quá tải vào giờ cao điểm, điều này khác biệt so với P2P VoD.
1.2.3 Dịch vụ thoại qua IP
Trong những năm gần đây, dịch vụ thoại qua IP (VoIP) đã trở nên phổ biến, với Skype là ứng dụng VoIP nổi bật nhất Được phát triển vào năm 2002 bởi Niklas Zennstrom và Janus Friis, Skype sử dụng hạ tầng P2P để trao đổi thông tin một cách phân tán Phần mềm này cho phép người dùng gọi điện qua Internet với chất lượng âm thanh tương đương điện thoại thông thường, đặc biệt là khả năng thực hiện các cuộc gọi miễn phí giữa những người sử dụng Skype.
Skype hiện đang là phần mềm chat giọng nói và cung cấp dịch vụ điện thoại Internet phổ biến nhất thế giới, với hơn 600 triệu người dùng và con số này đang gia tăng nhanh chóng mỗi ngày.
Cuộc gọi voice thường được kết nối trực tiếp giữa người gọi và người nhận, nhưng trong trường hợp NAT hoặc tường lửa, cuộc gọi có thể bị trễ thông qua một peer thứ ba, gọi là super peer Việc chọn super peer cần chú trọng đến vị trí của người dùng để giảm chi phí ISP và đảm bảo chất lượng thoại tốt Tuy nhiên, khả năng tối ưu cho các ứng dụng này thấp hơn so với dịch vụ chia sẻ file, VoD hoặc live TV Do yêu cầu QoS và tỉ lệ mất gói trong cuộc gọi voice, QoS hiện tại là hợp lý cho người dùng Để tìm kiếm người dùng và super peer, các cơ chế trung gian nguồn tài nguyên sử dụng bảng băm phân tán (DHT), trong đó topo được xem xét để hình thành cấu trúc bảng băm hiệu quả.
Băng thông cần thiết cho cuộc gọi VoIP thấp hơn so với video streaming thời gian thực Lưu lượng báo hiệu cho các peer có sự biến động, với chỉ các super peer đạt được thông lượng cao hơn một chút Cần lưu ý rằng yêu cầu và đặc điểm lưu lượng sẽ thay đổi tùy thuộc vào cuộc gọi thoại hoặc hội nghị video.
P2PTV là một trong những dịch vụ P2P phổ biến trên Internet, thu hút đông đảo người xem cùng lúc Dịch vụ này nổi bật với khả năng phân phối nhiều luồng video thông qua các ứng dụng P2P, sử dụng cấu trúc liên kết lớp phủ và hỗ trợ chức năng video theo yêu cầu.
P2PTV là công nghệ cho phép người dùng nhận và tải lên các luồng nội dung đồng thời, góp phần vào băng thông chung Khi tham gia một kênh, người xem không chỉ tiêu thụ nội dung mà còn chia sẻ dung lượng băng thông với những người dùng khác.
Các phần mềm P2PTV hoặc plug-in kết nối với máy chủ theo dõi để ghi nhận địa chỉ của các peer và phân phối kênh Chúng liên lạc với các peer khác nhằm nhận các phần của nguồn cấp dữ liệu từ nhiều người dùng Máy chủ theo dõi lưu trữ địa chỉ người dùng để thông báo cho những ai muốn xem cùng kênh Mỗi hệ (swarm) được hình thành từ những người dùng gần nhau nhằm tối ưu hóa tốc độ phân phối Qua đó, một mạng lưới được tạo ra trên Internet để phân phối nội dung video thời gian thực Điều này có nghĩa là nhà cung cấp nội dung chỉ cần tải lên cho một số ít người dùng, sau đó họ sẽ chia sẻ thông tin này cho những người khác, tạo thành một cây phân phối Trong thực tế, người dùng sẽ nhận và gửi các phần nhỏ của luồng dữ liệu từ nhiều peer khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu về chất lượng và kích thước.
Chất lượng video của các kênh P2PTV phụ thuộc vào số lượng người xem; càng nhiều người tham gia, chất lượng video càng tốt Việc tận dụng băng thông của người dùng Internet để phân phối video không chỉ giảm chi phí cho các nhà cung cấp nội dung mà còn làm cho công nghệ này trở nên hấp dẫn đối với ngành truyền hình Điều này cho phép cung cấp vùng phủ sóng toàn cầu và phát trực tiếp các sự kiện cho các kênh truyền hình thời gian thực qua Internet.
- Các vấn đề chính không thuận lợi của P2PTV là:
+Chất lượng dịch vụ :Ở đây người cung cấp cũng không có quyền điều khiển
+Không có độ tin cậy trên luồng video
+Chi phí cho mào đầu bị tăng
+Mạng không ổn định (Thời gian sống của các peer không đồng nhất).
Kết luận chương
Chương 1 đã giới thiệu khái niệm và đặc điểm của mạng ngang hàng P2P, trong đó các peer tự tổ chức thành mạng lớp phủ để lưu trữ và chuyển tiếp dữ liệu Các dịch vụ chính của P2P bao gồm truyền hình theo yêu cầu và truyền hình tương tác Hệ thống P2PTV sử dụng công nghệ P2P để truyền tải dữ liệu từ một máy đến nhiều máy, cho phép người dùng nhận dòng truyền tải từ các thành viên trong mạng Sự phát triển của P2PTV cùng với băng thông người tiêu dùng có thể biến P2PTV thành công nghệ đột phá, nâng cao chất lượng phân phối video trực tiếp trên Internet Các tham số về chất lượng dịch vụ và trải nghiệm trong P2PTV sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chương 3.
KIẾN TRÚC MẠNG NGANG HÀNG
Giới thiệu chương
Trong những năm gần đây, mạng ngang hàng (P2P) đã trở nên phổ biến trong nghiên cứu Internet nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng mở rộng, không có điểm chết và khả năng của hệ thống tỷ lệ với số lượng máy tham gia Những đặc điểm này đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ P2P và các ứng dụng liên quan như FreeNet, Napster, Gnutella, BitTorrent và eMule Kiến trúc mạng ngang hàng hiện nay được sử dụng rộng rãi nhờ vào những lợi ích mà nó mang lại Chương 2 của bài viết sẽ trình bày chi tiết về kiến trúc mạng ngang hàng, phân tích mô hình có cấu trúc và không có cấu trúc, cùng với các thuật toán xây dựng mạng.
Các mạng ngang hàng không có cấu trúc
2.2.1 Hệ thống mạng ngang hàng tập trung Đây là mạng ngang hàng thế hệ thứ nhất, đặc điểm là vẫn còn dựa trên một máy chủ tìm kiếm trung tâm, chính vì vậy nó còn được gọi là mang ngang hàng tập trung (Centralized Peer-to-Peer Networks)
- Nguyên tắc hoạt động của mạng này như sau:
Mỗi client trong mạng lưu trữ các tệp tin cần chia sẻ với các node khác Đồng thời, một bảng thông tin sẽ lưu trữ dữ liệu kết nối của người dùng đăng ký, bao gồm địa chỉ IP và băng thông kết nối.
+ Một bảng liệt kê danh sách các files mà mỗi người dùng định chia sẻ (tên file, dung lượng, thời gian tạo file …….)
Tất cả máy tính trong mạng đều kết nối với máy chủ tìm kiếm trung tâm Khi có yêu cầu tìm kiếm, các yêu cầu này sẽ được gửi đến máy chủ để phân tích Nếu yêu cầu được xử lý thành công, máy chủ sẽ trả về địa chỉ IP của máy chứa tài nguyên cần tìm.
Quá trình truyền file trong mạng ngang hàng diễn ra trực tiếp giữa các host mà không cần thông qua máy chủ trung tâm.
+Tìm kiếm file nhanh và hiệu quả
+Vấn đề luật pháp, bản quyền
+ Cần quản trị mạng (Central Server)
Napster là một mạng ngang hàng tiêu biểu của thế hệ thứ nhất, cho phép người dùng Internet chia sẻ file một cách rộng rãi Tuy nhiên, nó nhanh chóng mất thị trường do các vấn đề pháp lý Khái niệm và kiến trúc của Napster vẫn được áp dụng trong nhiều ứng dụng khác như Audiogalaxy và WinMX.
Napster, được phát triển bởi lập trình viên 20 tuổi Shawn Fanning, đã trở thành biểu tượng cho mạng ngang hàng peer-to-peer (P2P) trong những năm qua Chương trình chia sẻ tệp nổi tiếng này cho phép người dùng truyền tải file âm nhạc, vi phạm luật bản quyền và tạo ra một mạng thư viện âm nhạc rộng lớn trên Internet Napster, tương tự như Gnutella, đã trở thành tâm điểm của nhiều cuộc kiện tụng liên quan đến quyền sở hữu trí tuệ.
12 thông minh trên một kiến trúc không phải là mới từ những ngày đầu của
Nhiều hãng mới thành lập đang triển khai công nghệ P2P cho các công ty, giúp nhân viên phát huy tính sáng tạo và giải quyết vấn đề truyền tin Trong khi Napster nỗ lực trở thành doanh nghiệp mẫu mực, các công ty như Groove Networks, NextPage và Xdegrees đang áp dụng P2P cho các ứng dụng làm việc nhóm và chia sẻ tài nguyên mạng Đồng thời, Entropia và United Devices phát triển ứng dụng siêu tính toán tận dụng sức mạnh thừa của máy tính kết nối Internet Sự thay đổi trong lĩnh vực tính toán đang diễn ra mạnh mẽ.
Vào những năm 2000, công nghệ P2P sẽ tương tự như sự phát triển của PC trong những năm 80, nhưng vẫn còn nhiều hoài nghi về tính bảo mật và độ tin cậy của kiến trúc này Những thất bại gần đây của các công ty P2P đã dấy lên nhiều câu hỏi chưa có lời giải Dịch vụ âm nhạc Napster đã chứng minh rằng công nghệ P2P có thể đáng tin cậy, cho phép thiết lập mạng P2P quy mô lớn với khả năng mạnh mẽ từ các máy PC thông thường Khái niệm P2P không phải là mới, vì các máy tính đã được kết nối theo kiểu ngang hàng từ những ngày đầu của Internet Nhiều dịch vụ trên Internet, như DNS và các nhóm tin, cũng dựa trên kiến trúc ngang hàng Tuy nhiên, vào thời điểm đó, các máy tính kết nối chủ yếu là những hệ thống lớn và nặng nề, ít kết nối hơn so với hiện nay P2P đang trở lại với các chương trình truyền thông điệp.
Năm 1996, hãng Mirabilis của Israel đã ra mắt dịch vụ nhắn tin ICQ, nhanh chóng trở thành phổ biến với ý nghĩa "Tôi tìm bạn" và sử dụng kiến trúc ngang hàng để kết nối các PC qua Internet Napster đã tiến xa hơn trong việc chia sẻ file, nhờ vào sự phát triển của bộ vi xử lý nhanh hơn, dung lượng bộ nhớ lớn hơn và tốc độ kết nối Internet cao hơn, cho phép người dùng dễ dàng chia sẻ tài liệu từ máy tính của mình.
Napster đã tạo ra một mạng lưới máy tính lớn từ hàng triệu PC cá nhân, mỗi máy hoạt động như máy chủ và máy khách, với chi phí quản lý tối thiểu Chương trình này, mặc dù đơn giản và không hoàn toàn là hệ thống P2P, đã kết nối 40 triệu máy chủ thông qua một máy chủ trung tâm, giúp tránh những vấn đề mà các chương trình chia sẻ file khác như Gnutella gặp phải Khái niệm P2P bao gồm bốn hoạt động chính: sự hợp tác giữa người sử dụng, tương tác giữa ứng dụng phần mềm, tối ưu hóa tài nguyên mạng và siêu tính toán Hiện nay, các công ty mới như Groove Networks và Endeavors Technology đang phát triển các hệ thống hợp tác, kết hợp khả năng chia sẻ tài nguyên với tính năng truyền tin tức thời trong một môi trường an toàn.
Sự hấp dẫn của Groove nằm ở khả năng khuyến khích chia sẻ file và giao tiếp giữa các nhóm làm việc Người dùng có thể kết nối với đồng nghiệp trong môi trường ảo để hợp tác, giải quyết vấn đề phức tạp và lập kế hoạch chia sẻ tài liệu Hệ thống của Groove cung cấp thông tin về sự hiện diện của đồng nghiệp trực tuyến, cho phép người dùng kết nối từ bất cứ đâu Đặc biệt, dịch vụ này tạo ra không gian an toàn cho người dùng, bất kể họ đang ở trên Internet hay trong Intranet sau tường lửa, mà không cần đến kỹ sư công ty hay thiết lập tổ chức trung tâm, đồng thời bảo vệ mạng công ty khỏi sự truy cập của khách lạ Một số công ty khác tập trung vào việc xây dựng hạ tầng P2P, cho phép các nhà phát triển tạo ra các ứng dụng mới.
Giao thức XML mang lại sức mạnh cho các nhà phát triển trong việc xác định cách bố trí và hiển thị nội dung trang web Hệ thống P2P cho phép các ứng dụng phần mềm tương tác, hứa hẹn ứng dụng trong thương mại điện tử, thiết kế sản phẩm và quản lý tri thức Các chương trình sử dụng P2P để truyền dữ liệu giữa các ứng dụng, tạo ra một cơ sở dữ liệu khổng lồ từ nhiều máy tính Công nghệ tương tác phần mềm giúp các công ty quản lý các vấn đề phức tạp hiệu quả hơn, đảm bảo dữ liệu được kiểm soát bởi những người tạo ra chúng, lý tưởng cho ứng dụng trực tuyến và kinh doanh chứng khoán Nhiều công ty đang phát triển máy tìm kiếm dựa trên công nghệ P2P để cung cấp thông tin kịp thời cho các công ty truyền thông lớn Các công ty khởi nghiệp cũng đang khai thác P2P để lưu trữ file, phân phối nội dung và chia sẻ sức mạnh xử lý, nhằm giảm chi phí phần cứng và cải thiện quản lý lưu lượng mạng Tuy nhiên, P2P vẫn đối mặt với nhiều thách thức về an ninh và độ phức tạp, làm cho dịch vụ trở nên khó khả thi Cuối cùng, công nghệ P2P có thể hỗ trợ tính toán phân tán, giúp các công ty đạt được khả năng xử lý lớn mà không cần đầu tư hàng triệu đô la Công nghệ này chia nhỏ quy trình xử lý lớn thành các tác vụ nhỏ, cho phép nhiều máy tính cùng xử lý và trả kết quả về cho máy tính trung tâm.
Quá trình chia nhỏ hình ảnh để tạo hình ảnh động cho các máy PC có thể thực hiện đồng thời, kết hợp các hình đã xử lý thành chuỗi liên tục, cho phép tính toán siêu xử lý với tốc độ hàng triệu phép tính mỗi giây Khi hàng ngàn máy tính được kết nối, chi phí sẽ thấp hơn nhiều so với các siêu máy tính như Deep Blue hay Blue Gene của IBM Các ứng dụng siêu xử lý này có thể cung cấp dịch vụ cho các công ty công nghệ, y dược và tài chính, nhưng liệu các công ty có sẵn sàng tin tưởng vào người dùng máy tính ẩn danh truy cập dữ liệu của họ? Để giải quyết vấn đề này, nhiều hãng P2P đang phát triển ứng dụng cho các công ty lớn với khả năng xử lý phân tán nội bộ Mặc dù nhiều công ty nhỏ thất bại, nhưng các gã khổng lồ như Microsoft và Sun Microsystems đã bắt đầu áp dụng công nghệ P2P Intel là công ty tiên phong trong việc sử dụng P2P và đang đầu tư để phát triển công nghệ này Microsoft đã công bố dự án Hailstorm với các dịch vụ P2P, trong khi Sun Microsystems phát triển chuẩn P2P mã nguồn mở JXTA và đầu tư vào công nghệ này Thập kỷ qua đã chứng kiến sự thay đổi lớn trong cách làm việc, với biên giới công ty mở rộng và mối quan hệ giữa khách hàng và nhà cung cấp trở nên gần gũi hơn.
Mạng P2P đang trở thành một phương thức hợp tác hiệu quả trong môi trường làm việc hiện đại, nhờ vào sự phát triển của các hệ thống nhắn tin và công cụ giao tiếp trực tuyến Những ứng dụng P2P không chỉ giúp kết nối các nhóm làm việc tự phát mà còn tối ưu hóa quy trình thiết kế và phát triển, tiết kiệm hàng triệu đô la cho các công ty như Ford trong chu kỳ thiết kế Mặc dù P2P có tiềm năng lớn, các chuyên gia tin rằng server vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc quản lý nhân sự và các ứng dụng kinh doanh khác, đồng thời sẽ chuyển hướng sang cung cấp các dịch vụ cao cấp hơn Để phát triển các ứng dụng P2P đáng tin cậy, cần đầu tư thời gian và công sức đáng kể.
Máy chủ tìm kiếm trong hệ thống Napster lưu trữ danh sách các điểm nút tham gia mạng và các file mà chúng đang chia sẻ Khi khởi tạo kết nối, điểm nút gửi cho máy chủ tìm kiếm thông tin như tên đăng nhập, mật khẩu, tốc độ kết nối Internet và địa chỉ.
Mạng ngang hàng có cấu trúc Structured
Bảng băm phân tán (DHT) là một hệ thống phân tán cho phép tìm kiếm tương tự như bảng băm thông thường, nơi mỗi cặp khóa và giá trị được lưu trữ và có thể truy cập bởi bất kỳ nút nào trong hệ thống DHT duy trì bảng ánh xạ giữa khóa và giá trị trên các nút, đảm bảo rằng sự thay đổi của một số nút chỉ ảnh hưởng đến một lượng nhỏ khóa liên quan Điều này giúp DHT dễ dàng mở rộng với nhiều nút tham gia và duy trì tính ổn định của hệ thống khi có nút gia nhập, rời khỏi mạng hoặc gặp lỗi.
Hình 2.4 Bảng băm phân tán – DHT
Các đặc điểm của DHT có thể tóm tắt như sau:
+ Phân tán: DHT là tập hợp các nút mà không cần bất kì một máy trung tâm nào
+Chống lỗi: hệ thống hoạt động được trong trường hợp các nút liên tục ra, vào, hoặc bị lỗi
Hệ thống có khả năng mở rộng hiệu quả, duy trì hoạt động ổn định ngay cả khi có nhiều nút tham gia Để đạt được điều này, mỗi nút cần kết nối và trao đổi thông tin với một số nút khác trong mạng, từ đó chỉ cần thực hiện một vài điều chỉnh khi có sự thay đổi về số lượng nút tham gia.
Hệ thống DHT, giống như các hệ thống phân tán khác, cần chú trọng đến việc bảo vệ chống lại các cuộc tấn công từ cả bên trong lẫn bên ngoài, đồng thời cần thực hiện cân bằng tải, xác thực dữ liệu và tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống.
Hệ thống DHT bao gồm nhiều thành phần chính, trong đó không gian khóa ảo là phần quan trọng nhất, thường có độ dài 160 bit Không gian khóa được phân vùng cho từng nút trong hệ thống, cho phép các nút kết nối với nhau và tìm kiếm thông tin về một khóa cụ thể trong không gian khóa.
DHT sử dụng một phương thức để lưu trữ và lấy dữ liệu thông qua không gian khóa 160 bit Để lưu một file, thuật toán SHA-1 được áp dụng để tạo mã băm cho tên file, tạo ra khóa k dài 160 bit Sau đó, thông điệp put(k,data) được gửi đến các nút trong mạng DHT, và được chuyển tiếp cho đến khi đến nút lưu giữ khóa k theo cách phân bổ không gian khóa Nút này sẽ lưu trữ khóa và dữ liệu, trong khi các nút khác có thể lấy thông tin file bằng cách băm tên file để tìm khóa k, rồi truy vấn bất kỳ nút nào trong mạng DHT để lấy dữ liệu tương ứng.
Thông điệp get(k) được phát đi trên mạng lưới thông qua các nút cho đến khi đến được nút lưu trữ thông tin về khóa k Nút này sẽ trả lại dữ liệu tương ứng với khóa đã được yêu cầu.
Cách thức phân bổ không gian khóa và các thành phần của mạng phủ của một hệ thống DHT cơ bản sẽ được mô tả như ở dưới
- Phân bổ không gian khóa
Phần lớn các hệ thống DHT áp dụng phương pháp consistent hashing để ánh xạ khóa vào các nút, sử dụng hàm δ(k1,k2) để tính khoảng cách giữa hai khóa mà không liên quan đến khoảng cách vật lý hay độ trễ mạng Mỗi nút được gán một ID, và một nút với ID là ix sẽ lưu trữ tất cả các khóa km nếu ix là nút gần nhất với các khóa đó Một ưu điểm quan trọng của consistent hashing là khi có sự thay đổi về số lượng nút trong mạng, chỉ những khóa thuộc về nút đó mới cần được chuyển sang các nút lân cận, mà không ảnh hưởng đến các nút khác Điều này khác biệt hoàn toàn với phương pháp bảng băm thông thường, nơi mà bất kỳ thay đổi nào cũng yêu cầu tính toán lại toàn bộ không gian khóa Do việc chuyển đổi khóa giữa các nút cần băng thông để di chuyển dữ liệu, việc giảm thiểu thay đổi cấu trúc khi có biến động trong mạng là rất cần thiết, đặc biệt trong môi trường có nhiều nút ra vào thường xuyên.
Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến chứa các đường dẫn đến các nút láng giềng, tạo thành mạng phủ Các nút láng giềng được chọn dựa trên cấu trúc nhất định, được gọi là topology của mạng.
Tất cả các topology của DHT đều có những đặc điểm chung, trong đó mỗi nút sẽ là nút lưu trữ khóa k hoặc có đường dẫn tới nút có định danh gần với khóa k hơn Điều này cho phép dễ dàng chuyển tiếp truy vấn tới nút chịu trách nhiệm.
Thuật toán tham lam trong định tuyến dựa trên khóa cho phép nút chuyển tiếp truy vấn đến nút khác có định danh gần nhất với khóa cần tìm Khi không còn nút nào gần hơn với khóa tìm kiếm, truy vấn sẽ dừng lại tại nút chịu trách nhiệm về khóa đó Phương thức này giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm trong mạng phân tán.
Một topology không chỉ cần đảm bảo định tuyến chính xác mà còn phải chú trọng đến hai yếu tố quan trọng: giảm thiểu số lượng nút cần đi qua để trả lời một truy vấn nhằm đảm bảo tốc độ phản hồi nhanh, và duy trì số lượng láng giềng của mỗi nút ở mức thấp để dễ dàng quản lý hệ thống Tuy nhiên, để giảm số lượng nút phải đi qua, cần phải tăng số lượng láng giềng trên mỗi nút.
Mô hình cấu trúc Chord là phần mềm mô hình đặc trưng của mạng, được thiết kế như một giao thức định tuyến DHT nhằm phát triển dữ liệu phân tán hiệu quả Các node trong mạng được phân phối IDs và Keys với các đặc điểm nổi bật như khả năng mở rộng (Scalability), phân quyền hoàn toàn (Complete Decentralization), cân bằng tải hiệu quả (Efficient Load Balancing), và tính đơn giản (Simplicity) Trong mô hình Chord, các khóa Key được coi như các điểm trên một vòng tròn, với không gian khóa được chia thành các cung liên tiếp, trong đó điểm cuối của mỗi cung tương ứng với các định danh ID của các node Mỗi node lưu trữ thông tin định tuyến tới các node khác trong một bảng định tuyến gọi là Finger Table.
Giao thức Chord chỉ hỗ trợ một hoạt động duy nhất là ánh xạ một key vào một node cụ thể Tùy thuộc vào ứng dụng sử dụng Chord, node đó sẽ lưu trữ giá trị liên quan đến key Chord áp dụng kỹ thuật consistent hashing để phân phối key cho các node, nhằm cân bằng tải và đảm bảo mỗi node nhận được số lượng key tương đương Kỹ thuật này cũng giúp điều chỉnh số lượng key khi có node mới tham gia hoặc rời khỏi hệ thống Để hoạt động hiệu quả, mỗi node trong Chord cần có khả năng "routing" để nhận biết thông tin về các node khác, và bảng định tuyến phân tán cho phép một node giao tiếp với các node khác thông qua hàm băm.
Hệ thống Chord bao gồm N-node, mỗi node lưu trữ thông tin về O(log N) node lân cận và thực hiện tìm kiếm các node khác thông qua O(log N) thông điệp Chord duy trì thông tin định tuyến khi có node tham gia hoặc rời khỏi hệ thống Đối với một hệ thống có tần suất cao, mỗi node chỉ cần gửi tối đa O(log2 N) thông điệp để thực hiện định tuyến hiệu quả.
Chord ánh xạ các khóa vào các nút thông qua cặp key và value, trong đó value có thể là địa chỉ, văn bản hoặc mục dữ liệu Chord thực hiện việc lưu trữ các cặp key/value tại các nút mà key được ánh xạ, với một nút giữ trách nhiệm lưu giữ khóa k nếu nó có định danh id nhỏ nhất và lớn hơn k Nút này được gọi là Successor(k).
Hình 2.5 Bảng Finger table và cấp key cho từng node 0,1,3 và keys 1,2,6
Hình 2.6 Lưu giữ key trong mạng Chord
- Đặc điểm hệ thống Chord
Chord được thiết kế dựa trên các vấn đề sau :
Chord sử dụng bảng băm phân tán, phân tải trên các node, một node sẽ không chứa quá nhiều kay
Chord là phân tán hoàn toàn, không node nào quan trọng hơn node nào, việc này cải thiện được sự vững chắc của hệ thống
Giá của việc tìm kiếm tăng lên theo Log của số node : Log(n)
Kết luận chương
Mạng P2P, theo chương 2, có cấu trúc sử dụng mô hình định tuyến dựa trên bảng băm phân tán DHT, mang lại nhiều ưu điểm như tính phân tán, khả năng mở rộng, tính sẵn sàng, khoảng cách định tuyến ngắn và sức chịu đựng lỗi Đây là mạng thế hệ mới, được thiết kế để thay thế cho mạng ngang hàng không cấu trúc.
KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH QUA MẠNG NGANG HÀNG
Giới thiệu chương
Chương 3 nêu rõ sự khác nhau giữa P2PTV với truyền hình qua Internet (hay còn gọi là Internet TV) và IPTV về các vấn đề điều khiển, phân phối, an ninh.Từ đó đem ra phương pháp nâng cao hiệu năng của P2PT Chương 3 cũng trình bày về vấn đề chất lượng dịch vụ (QoS) và chất lượng trải nghiệm (QoE).QoS cho thấy các đặc điểm định tính và định lượng của một hệ thống đa phương tiện phân phối, cần để đạt được các tính năng yêu cầu của một ứng dụng.
Các công nghệ truyền hình qua mạng máy tính
Khi phân loại các phương pháp truyền tin trên mạng máy tính dựa vào số lượng máynhận, ta có ba cách truyền tin như sau:
Unicast : là hình thức truyền tin cơ bản của các giao thức mạng máy tính
Trong hình thức truyền tin này, một máy gửi tin đến một máy nhận xác định trước, được áp dụng cho hầu hết các giao thức mạng máy tính từ tầng thấp đến tầng ứng dụng như IP, TCP, UDP, HTTP, FTP Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tốn băng thông khi một nguồn gửi nhiều gói tin giống nhau tới nhiều máy nhận khác nhau.
Broadcast là phương thức truyền tin từ một điểm đến toàn bộ mạng, trong đó máy gửi gói tin và tất cả các máy khác trong mạng đều nhận được Hình thức này thường được sử dụng khi một máy cần thông tin về các máy khác trong mạng Các ví dụ điển hình của phương thức truyền tin broadcast bao gồm giao thức ARP (Address Resolution Protocol) và giao thức DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).
Multicast là hình thức truyền tin nằm giữa unicast và broadcast Trong multicast, máy gửi phát gói tin đến một nhóm máy đã đăng ký nhận thông tin đó So với unicast, giống như cuộc trò chuyện giữa hai người qua tin nhắn, multicast tương tự như một cuộc hội nghị (conference) giữa nhiều người tham gia.
Multicast là phương pháp hiệu quả để gửi dữ liệu từ một máy đến nhiều máy khác trong mạng Việc sử dụng multicast giúp tiết kiệm băng thông và tài nguyên của máy gửi, so với hình thức unicast.
Khi sử dụng multicast, một cây multicast được hình thành với node gốc là máy gửi tin và các node lá là máy nhận tin Qua quá trình định tuyến, chỉ một gói tin được gửi trên mỗi cạnh của cây và được nhân bản tại các node dọc theo thân cây multicast Các node trên thân cây có thể là bộ định tuyến hoặc các máy đầu cuối, tùy thuộc vào các giao thức truyền multicast khác nhau.
Truyền hình Internet cho phép người dùng kết nối trực tiếp với thế giới thông qua Internet, tương tự như việc truy cập một website cụ thể Các tổ chức, từ lớn đến nhỏ, có thể tạo ra các điểm quảng bá riêng (như web server) để người xem tiếp cận video Sự phát triển nhanh chóng của các nền tảng như Youtube và Google Video đã làm cho việc xem video trực tuyến trở nên phổ biến hơn bao giờ hết, cung cấp cho người dùng nhiều lựa chọn video chất lượng cao.
“thấp” được lưu trữ ở nhiều máy chủ
Hình 3.1 Mô hình internetTV Một số thách thức cho Internet TV làm nhiều người sử dụng tỏ ra ngần ngại xem truyền hình Internet là:
+ Băng thông hạn chế: Các luồng đang sử dụng băng thông thấp, do đó
+ Nhà cung cấp Internet TV không có sự điều khiển phân phối cuối cùng, do đó không đảm bảo chất lượng dịch vụ
+ Nhà cung cấp không đưa ra trải nghiệm người dùng tiên tiến như các hướng dẫn chương trình tốt hơn, các dịch vụ tương tác,…
+ Khó cung cấp video theo yêu cầu, các dịch vụ ghi hình,…
IPTV là dịch vụ truyền hình sử dụng mạng riêng, cho phép quản lý tốt hơn so với Internet thông thường Video được phát qua một mạng độc quyền, với IP là giao thức kết nối các thiết bị Các nhà cung cấp viễn thông lớn như Microsoft và AT&T cung cấp dịch vụ IPTV, bao gồm cả truyền hình trực tiếp và video theo yêu cầu Truyền hình trực tiếp sử dụng mô hình multicast và IGMP để kết nối đến các kênh TV, trong khi video theo yêu cầu sử dụng unicast và RTSP để phát.
Hình 3.2.Mô hình IPTV Một số trở ngại của IPTV :
+ Giới hạn về băng thông: Băng thông thấp sẽ dẫn đến chất lượng kém + IPTV nhạy cảm với mất gói
+ Hình ảnh có thể bị vỡ vụn do dữ liệu luồng không tin cậy
+ Hạn chế về mặt chi phí thực hiện: Để thực hiện xây dựng một cấu trúc
30 mạng riêng để cung cấp dịch vụ chất lượng cao thì sẽ mất rất nhiều tiền, nguồn nhân lực và tính chuyên nghiệp.[7]
3.2.3 Truyền hình qua mạng ngang hàng
Truyền hình qua mạng ngang hàng (P2PTV) sử dụng công nghệ P2P để cung cấp nội dung truyền hình, cho phép người dùng kết nối trực tiếp và chia sẻ video mà không cần lưu trữ trên server Thay vào đó, các luồng video được phân phối từ những người dùng gần nhất, tương tự như cách chia sẻ nhạc và tệp tin Công nghệ này giúp người xem tiếp cận các trạm truyền hình trên toàn cầu một cách hiệu quả hơn.
Chất lượng video của các kênh phụ thuộc vào số lượng người xem; càng nhiều người sử dụng, chất lượng video càng tốt Công nghệ P2PTV tận dụng băng thông tải lên của người dùng, cho phép cung cấp video có độ phân giải cao và chất lượng tốt hơn Việc sử dụng khả năng tải lên của người dùng giúp giảm chi phí cho nhà cung cấp nội dung, làm cho P2PTV trở nên hấp dẫn trong ngành truyền hình, đặc biệt cho việc phát sóng toàn cầu và các sự kiện trực tiếp Công nghệ này cũng giải quyết vấn đề băng thông mà Internet TV gặp phải, đồng thời hiệu quả hơn so với IPTV P2PTV có khả năng phổ biến toàn cầu mà không tốn kém, rất phù hợp cho việc phân phối các sự kiện trực tiếp mà truyền hình truyền thống không thể đáp ứng Đối với ngành truyền hình, P2PTV là hướng đi mới để các đài và ISP phát triển, trong đó chất lượng dịch vụ và trải nghiệm người dùng là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự hài lòng của khách hàng, đặc biệt là vấn đề trễ chuyển kênh.
Chất lượng dịch vụ của truyền hình qua mạng ngang hàng
Bảng 3.1 So sánh Internet TV, IPTV và P2PTV
Các yếu tố Internet TV IPTV P2PTV
Chất lượng dịch vụ Không đảm bảo Cơ chế đảm bảo Không đảm bảo
Header Vừa Thấp Rất cao
Vấn đề streaming Rất cao Ít hơn Vừa
Băng thông Rất cao Thấp Vừa
An ninh Không Có Không
Chi phí ban đầu Vừa Rất cao Vừa
Tổng chi phí Vừa Rất cao Vừa Điều khiển Không Có Không
Khả năng tài chính tổ chức trung bình Các tổ chức lớn Trung bình
Thích hợp cho Thương mại Thương mại Thương mại vàcá nhân
Nỗ lực thị trường Cao Cao Cao
Thân thiện với người dùng Dễ Dễ Phức tạp
Sao chép bất hợp pháp Có thể Khó hơn Có thể
Sự tương thích thiết bị PC PC, TV, thiết bị di động được PC
Các dịch vụ vàứng dụng TV và lướt mạng TV TV, chia sẻ tệp tin
3.3 Chất lƣợng dịch vụ của truyền hình qua mạng ngang hàng
Chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) là thuật ngữ quan trọng thường được sử dụng để đánh giá khả năng thực hiện và đặc tính của dịch vụ trong nhiều ngữ cảnh khác nhau Theo quan điểm của cộng đồng mạng và các tổ chức quốc tế uy tín như Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), QoS đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng dịch vụ mạng.
32 mạng viễn thông được xác định qua các tham số kỹ thuật cụ thể và được lượng hóa rõ ràng Theo ITU-T Rec E.800, chất lượng dịch vụ (QoS) là tổng thể các hiệu suất dịch vụ, và mức độ hài lòng của khách hàng đối với dịch vụ sẽ được xác định bởi chất lượng dịch vụ đó.
Chất lượng dịch vụ (QoS) là một khái niệm đa chiều, có thể được hiểu từ hai góc độ chính: người sử dụng dịch vụ và mạng Từ góc độ người dùng, QoS phản ánh mức độ chấp nhận và hài lòng thông qua thang điểm đánh giá trung bình (MoS) Điều này cho thấy chất lượng dịch vụ gắn liền với từng ứng dụng và được đánh giá bởi người sử dụng Trong khi đó, từ góc độ mạng, QoS bao gồm các yêu cầu dịch vụ mà mạng đáp ứng khi truyền tải thông tin, được đo bằng các chỉ số như băng thông, độ trễ, biến thiên độ trễ (Jitter) và tỷ lệ mất gói Các yêu cầu lưu lượng cần được thể hiện qua các số liệu tương ứng để đảm bảo chất lượng dịch vụ tối ưu.
- Tầm quan trọng của việc kiểm tra chất lượng dịch vụ trong P2PTV
QoS (Chất lượng dịch vụ) đánh giá các đặc tính của hệ thống hoặc dịch vụ dựa trên các nhiệm vụ chức năng thực hiện Việc giám sát QoS giúp phát hiện lỗi và duy trì trạng thái hoạt động, góp phần vào sự hài lòng của người sử dụng Nếu người dùng không hài lòng, điều này có thể dẫn đến việc họ chuyển sang nhà cung cấp dịch vụ khác tốt hơn, gây ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế.
Trong mạng P2P, chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào nhiều chỉ số khác nhau của hệ thống Các chỉ số này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Chẳng hạn, khi các peer tải dữ liệu từ một node có băng thông cao mà không có sự cân bằng tải, chất lượng dịch vụ sẽ bị suy giảm đáng kể.
QoS là chỉ số quan trọng phản ánh hiệu năng mạng, và việc nâng cao hiệu năng này là mục tiêu hàng đầu của các nhà cung cấp dịch vụ Họ hướng tới việc cung cấp dịch vụ chất lượng tốt nhất để làm hài lòng khách hàng và tăng cường uy tín thương hiệu Ngoài ra, QoS cũng đóng vai trò là động lực chính thúc đẩy các nhà đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này.
Khai thác dịch vụ viễn thông đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng nghiên cứu mạng, nhằm tìm kiếm các giải pháp ổn định và hiệu quả để nâng cao chất lượng dịch vụ trực tuyến Do đó, QoS (Chất lượng dịch vụ) luôn là ưu tiên hàng đầu của các nhà cung cấp dịch vụ.
Trong thực tế, chất lượng dịch vụ (QoS) thường được đánh giá thông qua các thông số kỹ thuật Đối với các ứng dụng đa phương tiện đầu-cuối, các yếu tố quan trọng bao gồm độ trễ, biến thiên độ trễ (jitter) và tốc độ bít.
Các cơ chế QoS được chia thành hai lớp chính: lớp ứng dụng và lớp mạng Lớp ứng dụng bao gồm các thông số như độ phân giải, tốc độ khung, màu sắc và codec video/audio, có thể được điều chỉnh để đạt được chất lượng trải nghiệm người dùng (QoE) mong muốn Trong khi đó, lớp mạng liên quan đến các thông số như jitter, độ trễ và mất gói, cần được quản lý để đảm bảo việc vận chuyển dữ liệu hiệu quả Để đáp ứng các yêu cầu về QoS, lớp ứng dụng cung cấp nhiều dịch vụ, trong khi lớp mạng thực hiện các chức năng thông qua các thiết bị như bộ chuyển mạch và bộ định tuyến Ngoài ra, ở tầng cao nhất có thể có một giả lớp tri giác, liên quan đến trải nghiệm người dùng và được xem như một phần mở rộng của lớp ứng dụng trong mô hình OSI.
Khi một gói tin được truyền đi, nó phải vượt qua nhiều thiết bị định tuyến để đến đích, dẫn đến việc gói tin phải chịu nhiều loại trễ khác nhau Trễ được định nghĩa là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai thời điểm của cùng một bít khi vào mạng, từ thời điểm bít đầu tiên vào cho đến khi bít đầu tiên ra.
Trễ đầu cuối dùng để chỉ thời gian cần thiết để một gói tin được truyền qua mạng từ nguồn tới đích
Có một giới hạn nhất định cho trễ đầu cuối, nên cần phải tính toán trước và kiểm tra trễ đầu cuối khi phân phối dữ liệu
Trễ đầu cuối trung bình là khoảng thời gian giữa việc truyền dẫn và sự xuất hiện của các gói dữ liệu, bao gồm tất cả trễ do các nút trung gian gây ra trong quá trình xử lý và truy vấn dữ liệu Trễ đầu cuối ảnh hưởng tiêu cực đến trải nghiệm thời gian thực trong P2PTV, tuy nhiên, có thể giảm thiểu tác động này bằng cách tăng cường bộ đệm.
Trễ Start-up là khoảng thời gian từ khi người dùng chọn một kênh cho đến khi kênh đó bắt đầu phát lại trên màn hình, được xác định bởi thời gian thiết lập kênh và trễ bộ đệm Trong các ứng dụng trực tuyến trên mạng nỗ lực tốt nhất, đệm Start-up giúp xử lý sự biến đổi tỷ lệ phiên streaming Các ứng dụng P2P streaming cũng phải đối mặt với biến động peer, dẫn đến nhu cầu bộ đệm và trễ Start-up gia tăng Có hai loại trễ Start-up: từ khi chọn kênh đến khi người dùng bật lên và từ khi bật lên đến khi phát lại bắt đầu Đối với các kênh phổ biến, tổng trễ Start-up thường từ 15-30 giây, trong khi các kênh ít phổ biến có thể có trễ lên đến vài phút.
Playback lags là một trải nghiệm khó chịu khi xem trên hệ thống P2PTV, do cơ chế đệm gây ra Một số peer có thể xem chương trình trễ hơn vài phút so với các peer khác, dẫn đến việc trong một trận bóng, một số người sẽ thấy bàn thắng trước những người khác từ vài giây đến vài phút Hơn nữa, các peer có playback lags lớn sẽ không thể tải lên những đoạn video hữu ích cho các peer có playback lags nhỏ hơn, làm giảm khả năng tải lên của toàn bộ hệ thống.
Playback continuity là một chỉ số quan trọng trong QoS, giúp đánh giá độ "trơn tru" của video streaming Chỉ số này được xác định bằng tỷ lệ số lượng phân đoạn video nhận được trước hoặc đúng thời điểm phát lại so với tổng số phân đoạn Giá trị bằng 1 cho thấy tất cả các phân đoạn đã được nhận đúng thời gian, trong khi giá trị thấp hơn chỉ ra rằng có phân đoạn bị trễ.
Khả năng mở rộng là một thách thức quan trọng hiện nay, đòi hỏi việc phát triển hệ thống phải đảm bảo hiệu suất tối ưu Để giải quyết vấn đề này, cần xây dựng một hệ thống đủ mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng mà không gặp phải các vấn đề về hiệu suất.
35 để chịu được một lượng lớn người sử dụng là điều cần thiết đối với hệ thống P2PTV
Chất lượng trải nghiệm của truyền hình qua mạng ngang hàng
3.4 Chất lƣợng trải nghiệm của truyền hình qua mạng ngang hàng
3.4.1 Chất lượng trải nghiệm Để đảm bảo phân phối các gói tin hợp lý, chất lượng trải nghiệm (QoE) là một yếu tố quan trọng cần xem xét Hiệu năng và các tính năng có thể thu hút khách hàng, nhưng chất lượng video là bắt buộc để giữ được uy tín cho nhà cung cấp dịch vụ P2PTV Trong bối cảnh hiện nay, khi các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng hơn, QoS không còn là yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh chiếm lĩnh thị trường giữa các nhà cung cấp dịch vụ Theo xu hướng chung, yếu tố dần trở nên quan trọng hơn để phân biệt mức độ và đánh giá các nhà cung cấp dịch vụ là những gói dịch vụ được thiết lập tốt đến mức nào theo nhu cầu của người sử dụng, có thể được tùy chỉnh theo cá nhân khách hàng đến đâu để thỏa mãn tối đa yêu cầu của họ Đây chính là tiền đề dẫn đến khái niệm chất lượng trải nghiệm QoE, một khái niệm được đưa vào bức tranh cung cấp dịch vụ trong ngành công nghệ viễn thông
Tiêu chuẩn ITU P.10/G100 định nghĩa QoE (Quality of Experience) là toàn bộ các đặc tính mà người dùng cuối cảm nhận được từ một ứng dụng hoặc dịch vụ, với mức độ chấp nhận nhất định.
Chất lượng trải nghiệm (QoE) là thước đo mức độ hài lòng tổng thể của khách hàng với nhà cung cấp dịch vụ, phản ánh khả năng đáp ứng nhu cầu của người dùng QoE đóng vai trò quan trọng trong việc giữ chân khách hàng, khi người sử dụng cuối xác định chất lượng dịch vụ video Mặc dù khó khăn trong việc đo lường trực tiếp các thành phần của QoE, mô hình này có thể áp dụng cho bất kỳ doanh nghiệp nào liên quan đến dịch vụ tiêu dùng, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ thông tin và điện tử.
QoE (Quality of Experience) phụ thuộc vào từng người sử dụng, vì một số người có thể dễ dàng hài lòng hơn những người khác Ngoài ra, QoE còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như chi phí, độ tin cậy, hiệu quả, bảo mật, an ninh, giao diện và tính thân thiện với người sử dụng Hình 3.3 minh họa các yếu tố này góp phần vào QoE.
QoE.Các yếu tố này được tổ chức thành hai phần, một phần liên quan đến QoS và một phần liên quan đến các yếu tố con người
Mặc dù chất lượng trải nghiệm (QoE) đã được công nhận là công cụ quan trọng trong việc hiểu nhận thức của người dùng đối với hệ thống phân phối nội dung, nhưng thông tin về QoE trong hệ thống truyền hình P2P vẫn còn hạn chế Khó khăn trong việc đánh giá chủ quan QoE của hệ thống P2P xuất phát từ việc hệ thống này thường hoạt động trên một khu vực địa lý rộng lớn, liên quan đến nhiều peer khác nhau.
3.4.2 Các yếu tố kỹ thuật của P2PTV QoE
Chất lượng trải nghiệm (QoE) được hiểu là nhận thức của người dùng về chất lượng dịch vụ hoặc mạng, phụ thuộc vào kỳ vọng của họ đối với dịch vụ Các yếu tố ảnh hưởng đến QoE trong dịch vụ P2PTV bao gồm độ trễ khởi động, độ trễ chuyển kênh, tần suất gián đoạn dịch vụ và chất lượng phương tiện.
Độ trễ Start-up là khoảng thời gian từ khi người dùng chọn kênh đến khi video bắt đầu phát lại trên màn hình Một yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống là trải nghiệm của khách hàng, trong đó yêu cầu cơ bản là đảm bảo sự liên tục trong quá trình phát video Để duy trì tính liên tục này, hệ thống cần phải
QoS Các yếu tố con người
Các yếu tố dịch vụ
Các yếu tố vận chuyển
Các yếu tố ứng dụng Cảmxúc Tính cước dịch vụ
Hệ thống tải video sử dụng bộ đệm để lưu trữ các đoạn nội dung, với thời gian truyền tải phụ thuộc vào tính khả dụng của các peer và nội dung video Độ trễ phát lại từ 5 đến 20 giây thường được chấp nhận trong các ứng dụng video streaming, tuy nhiên, độ trễ Start-up là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm người dùng Nếu độ trễ này quá cao, trải nghiệm sẽ giảm sút Trong truyền hình P2P trực tuyến, độ trễ Start-up là điều khó tránh khỏi do các yếu tố kỹ thuật liên quan.
+ Các cơ chế phát hiện peer
+ Thời gian vào bộ nhớ đệm, cần thiết để đối phó với jitter mạng, mất gói tin, và tắc nghẽn tạm thời
Thời gian chuyển kênh là khoảng thời gian cần thiết để hệ thống phản hồi yêu cầu thay đổi kênh từ người dùng, ảnh hưởng đến chất lượng trải nghiệm (QoE) của P2PTV Thời gian chuyển đổi kênh cho các dịch vụ truyền hình cáp và vệ tinh thường dao động từ 1 đến 1,5 giây Để cải thiện QoE và đáp ứng nhu cầu của người dùng, hệ thống truyền hình P2P cần đảm bảo khả năng phát video "mượt mà" trong quá trình chuyển kênh, đồng thời thực hiện các tìm kiếm để xác định tính khả dụng của các peer máy chủ cho video được yêu cầu.
Tần số gián đoạn dịch vụ có thể xảy ra do quảng cáo thường xuyên giữa các video hoặc do sự thay đổi ngẫu nhiên trong các thông số mạng như trễ, jitter, băng thông và mất gói Khi không có sự đảm bảo chất lượng dịch vụ với các cấp độ QoS, người dùng có thể trải nghiệm sự chậm trễ kéo dài và hình ảnh bị đóng băng do tình trạng buffering liên tục.
Chất lượng phương tiện, bao gồm video và audio, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trải nghiệm chất lượng (QoE) Nó liên quan đến độ sắc nét, rõ ràng và sự ổn định của nội dung phát lại Các vấn đề video như hiện tượng blocking, mờ nhạt, nhiễu viền, rung lắc hoặc nhiễu sẽ làm giảm QoE Bên cạnh đó, chất lượng âm thanh cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao trải nghiệm người dùng.
Âm thanh không đồng bộ hoặc nhiễu trong các hệ thống truyền hình P2P là điều không thể chấp nhận Sự không đồng nhất giữa các peer ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của các luồng video.
QoE (Quality of Experience) được nâng cao khi các kỹ thuật và dịch vụ hoạt động hiệu quả, do đó việc lựa chọn công nghệ và dịch vụ phù hợp là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu người dùng QoE không chỉ dựa vào các tham số kỹ thuật (QoS) mà còn liên quan đến các yếu tố phi kỹ thuật như đặc tính thị giác và thính giác của con người, quy trình đăng ký dịch vụ, giá cả, nội dung dịch vụ và khả năng hỗ trợ từ nhà cung cấp Đánh giá QoE thường mang tính chủ quan, với các mức độ như “xuất sắc”, “tốt”, “trung bình”, “tạm chấp nhận” và “kém” Sự hài lòng của người dùng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tin cậy, độ khả dụng và tính dễ hiểu Ngoài ra, yếu tố truyền thông, bao gồm sự gián đoạn và thất vọng, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện QoE Cuối cùng, sự hợp tác thời gian thực yêu cầu một kết nối ổn định để đạt được trải nghiệm tốt nhất.
3.4.3 Mối quan hệ giữa QoS và QoE
Chất lượng trải nghiệm (QoE) và chất lượng dịch vụ (QoS) thường bị nhầm lẫn, nhưng thực tế chúng là hai khái niệm khác nhau QoE phụ thuộc vào cảm nhận của người dùng, trong khi QoS lại dựa trên các yếu tố kỹ thuật của mạng.
QoS chỉ mang đến cho người dùng những khái niệm kỹ thuật khô khan về chất lượng dịch vụ, trong khi QoE đo lường hiệu năng từ đầu đến cuối dựa trên trải nghiệm của khách hàng QoE phản ánh mức độ đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, và có thể xem như là một phần mở rộng của QoS truyền thống, cung cấp thông tin về dịch vụ từ góc độ người dùng cuối Cơ chế QoS đảm bảo tài nguyên mạng theo yêu cầu của các ứng dụng, nhằm đạt được mức độ hài lòng của người sử dụng theo tiêu chí QoE.
Phương pháp cải thiện hiệu năng trong hệ thống P2PTV
3.5.1 Mã hóa đã mô tả MDC (Multiple Description Coding)
Phương pháp để cải thiện hiệu năng trong hệ thống P2PTV là sử dụng Mã hóa đa mô tả MDC (Multiple Description Coding) kết hợp với cơ chế streaming
QoS (ví dụ, độ trễ)
Phương pháp truyền thống để khắc phục lỗi kênh bao gồm Yêu cầu tự động phát lại (ARQ) và Sửa lỗi hướng đi (FEC), cả hai đều yêu cầu truyền lại các gói tin bị mất hoặc bổ sung các bít dự phòng để phát hiện và sửa lỗi Tuy nhiên, ARQ không phù hợp cho các ứng dụng khi kênh không khả dụng hoặc khi thời gian truyền lại không thể chấp nhận được Trong khi đó, FEC gặp khó khăn trong việc điều chỉnh số lượng bít dự phòng do điều kiện mạng đa dạng, dẫn đến hiệu quả không ổn định.
MDC là phương pháp hiệu quả nhằm khắc phục tình trạng mất mát lưu lượng trên các kênh truyền dẫn, với mục tiêu cung cấp khả năng phục hồi lỗi cho các luồng media.
Mã hóa đa mô tả (MDC) là một kỹ thuật mã hóa nguồn, chuyển đổi phương tiện truyền thông (audio/video) thành N bitstreams khác nhau (với N≥2), mỗi bitstream được gọi là "mô tả" Các mô tả này được giải mã độc lập và có thể được gửi qua các đường truyền dẫn khác nhau đến cùng một đích, giúp tối ưu hóa chất lượng truyền tải MDC đặc biệt hiệu quả cho các ứng dụng thời gian thực như video trực tuyến, nơi mà tổn thất gói có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng Kỹ thuật này giải quyết vấn đề mất gói và cho phép người dùng với các băng thông khác nhau vẫn có thể xem video, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS).
MDC mã hóa luồng media thành nhiều mô tả, mỗi mô tả chứa một phần của luồng gốc Để khôi phục hình ảnh ban đầu, cần tất cả các mô tả, nhưng trong MDC, chỉ cần một hoặc nhiều mô tả đến người nhận để hiển thị video với chất lượng nhất định Số lượng mô tả mà peer nhận được phụ thuộc vào băng thông và số lượng yêu cầu Nếu một gói tin bị mất, các gói dữ liệu từ các mô tả khác có thể giúp video được giải mã thành công, mặc dù với độ chính xác thấp hơn Chất lượng video sẽ cao hơn khi peer nhận được nhiều mô tả, và ngược lại.
MDC hoạt động bằng cách truyền các mô tả tới máy thu qua các đường truyền dẫn tách biệt, giúp cải thiện khả năng phục hồi khi mất gói tin.
+ Media địa phương dựa trên đệm
Media địa phương dựa trên đệm được chia thành hai loại: đoạn mở đầu và đoạn không mở đầu Khi người dùng xem media từ đầu đến cuối, phân đoạn đầu tiên được xem là phân đoạn đầu Bộ đệm được chia thành hai lớp, với lớp đầu tiên lưu trữ đoạn mở đầu và lớp thứ hai lưu trữ các đoạn không mở đầu Khi bộ đệm đầy, lớp đầu tiên sử dụng cơ chế URL (ít sử dụng gần đây nhất) để phát hành đoạn video không phổ biến Lớp thứ hai được chia thành hai phần: phần đầu tiên áp dụng quy tắc FIFO và không được vượt quá một nửa không gian bộ đệm, trong khi phần thứ hai thực hiện cơ chế URL cho toàn bộ nội dung.
Hệ thống media gồm 43 bộ nhằm tối đa hóa số lượng đoạn media được tìm thấy tại địa phương Cơ chế này giúp giảm độ trễ bằng cách sử dụng bộ đệm có kích thước hợp lý kết hợp với cơ chế đệm nhanh.
Cơ chế streaming lý tưởng cho hệ thống P2P video streaming kết hợp mã hóa MDC, trong đó media được chia thành hai chiều: tiền xử lý các đoạn media và kết hợp với mã hóa MDC để truyền tải và phân phối Trước khi minh họa cơ chế streaming, cần đảm bảo hai yếu tố quan trọng.
+ Media phổ biến, và các peer tham gia vào hệ thống theo trình tự mà không bị gián đoạn
+Người dùng xem hết media từ đầu đến cuối sau đó mới rời mạng
Bảng 3.3 cho biết ý nghĩa của các tham số trong phần này
Bảng 3.3 Kí hiệu cơ bản
Ký hiệu Ý nghĩa i Thứ tự mô tả i * Thứ tự mô tả mở đầu
G i* Nhóm thứ tự mô tả mở đầu
L Media được chia thành L đoạn j Thứ tự đoạn
Sj,i Mô tả i của đoạn j n Chất lượng media, là số mô tả nhận được
N Số mô tả được chia từ một phân đoạn r Tốc độ phát của một Sj,i
DB Băng thông tải về của người dùng
BS Kích thước không gian bộ đệm của người dùng (đơn vị: mô tả đoạn Sj,i)
T Khoảng thời gian (đơn vị: phút/ giây)
ST Thời gian cung cấp S j,i cho các peer khác
- Quá trình tiền xử lý media trong phân chia hai chiều
Media được xử lý trước bởi máy chủ, như thể hiện trong Hình 3.7 Quá trình này bao gồm hai chiều: đầu tiên, media được chia thành L phân đoạn, với L ≥ 1, ví dụ như các khoảng thời gian 10 phút, 1 phút hoặc 30 giây Ký hiệu j đại diện cho thứ tự của phân đoạn, với 1 ≤ j ≤ L Chiều thứ hai là mã hóa MDC cho mỗi phân đoạn.
Trong mô tả này, i là chỉ số thứ tự với 1 ≤ i ≤ N Trước khi bắt đầu quá trình truyền tải media, media sẽ được chia thành các đoạn mô tả [S]_(j,i), và các đoạn này sẽ được phân phối với tốc độ không đổi (CBR) trên hệ thống.
Hình 3.7 Phân chia video hai chiều + Thiết kế và cơ chế
Trước khi các peer tham gia vào hệ thống, máy chủ thực hiện tiền xử lý media và tạo danh sách N nhóm (G_1, G_2,…, G_N) với N là số mô tả đoạn sau mã hóa MDC Danh sách này chứa ba thông tin quan trọng: số dữ liệu, địa chỉ IP và thời điểm tham gia Số mô tả mở đầu i^* của một peer sẽ nằm trong cùng một nhóm [G]_(i^*).
Trong hệ thống, các peer sẽ được phân loại thành N nhóm nhằm mục đích phân phối mô tả đoạn hiệu quả hơn Việc chia nhóm giúp các peer dễ dàng tiếp cận các dịch vụ mà họ yêu cầu Số mô tả mở đầu i^* được tính theo công thức cụ thể.
[ i]^*= byte cuối cùng của địa chỉ IP % N (1)
Peer tham gia vào G_(i^*) với i^* được xác định theo công thức (1) Các peer được phân loại thành nhóm nhằm giảm thời gian tìm kiếm các mô tả đoạn Phân phối mở đầu mô tả đoạn phức tạp hơn so với các mô tả đoạn trong cơ chế đệm.
.- Xác định chất lượng media
Peer cần chọn chất lượng yêu cầu của media và nhận được dịch vụ sau khi phân nhóm
Khi peer tự chọn chất lượng của media, có thể xảy ra vấn đề về băng thông và kích thước bộ đệm hạn chế Băng thông thấp có thể dẫn đến việc điểm phát vượt quá tốc độ tải về, khiến peer không nhận đủ mô tả phân đoạn mong muốn Đồng thời, kích thước bộ đệm nhỏ cũng làm cho bộ đệm nhanh chóng đầy, gây cản trở trong việc phân phối mô tả phân đoạn và peer không nhận được thông tin cần thiết từ các peer khác.
Chất lượng media phải đáp ứng hai điều kiện để đảm bảo phát liên tục Đầu tiên, khi một peer đang xem một đoạn media, số lượng mô tả đoạn n phải đồng thời hiển thị, với r (bit/s) là tốc độ phát của mỗi mô tả Tốc độ phát của đoạn media đang xem sẽ là n x r (bit/s) Thứ hai, băng thông tải về của các peer (DB) cần phải lớn hơn tốc độ phát này để đảm bảo media được phát mà không bị gián đoạn.
Kết luận chương
Chương 3 cung cấp cái nhìn sâu sắc về các khái niệm QOS, QOE và các loại truyền hình hiện nay, đồng thời nêu bật những thách thức mà truyền hình qua mạng ngang hàng P2PTV phải đối mặt, bao gồm khả năng mất dữ liệu cao và sự chậm trễ trong việc truyền tín hiệu Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu phương pháp cải thiện hiệu năng dịch vụ P2PTV thông qua việc sử dụng mã hóa đa mô tả kết hợp với cơ chế streaming Mã hóa MDC cho phép luồng media được chia thành nhiều mô tả, mỗi mô tả chứa một phần của luồng ban đầu, giúp nâng cao chất lượng video khi peer nhận được nhiều mô tả hơn.