Thiết kế profiler trong middleware tương thích qos theo ứng dụng

Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 211 THIẾT KẾ PROFILER TRONG MIDDLEWARE TƯƠNG THÍCH QOS THEO ỨNG DỤNG ThS. Vũ Hoàng Hiếu*, TSKH. Hoàng Đăng Hải** * Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông Email: vhhieu@mpt.gov.vn ** Bộ Bưu chính Viễn thông Email : haihd@ptit.edu.vn Tóm tắt: Để được phân phối chất lượng dịch vụ tốt nhất (QoS), các ứng dụng cần phải tương thích với môi trường truyền thông và tính toán biến đổi. Lớp middleware có thể hỗ trợ xử lý tương thích. Chúng tôi đã đề xuất một kiến trúc middleware tương thích mới để tương thích QoS cho các ứng dụng phân bố [1] và một thuật toán điều khiển tương thích QoS cho kiến trúc này [2]. Trong bài viết này, chúng tôi trình bầy phương pháp thiết kế Profiler, một thành phần quan trọng trong kiến trúc middleware này, nó cho phép áp dụng chung cho nhiều ứng dụng một cách thuận tiện nhất. 1. Giới thiệu Middleware tương thích cho phép thay đổi chức năng hoặc điều kiện hoạt động của bộ xử lý ứng dụng phân bố sau khi phát triển ứng dụng. Để đáp ứng yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ cho hệ thống đa phương tiện phân bố, chúng tôi đã đề xuất kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng [1] và một thuật toán điều khiển tương thích QoS trong middleware [2]. Kiến trúc này cho phép tương thích chất lượng dịch vụ ở hai mức ứng dụng chung và ứng dụng cụ thể. Việc phân chia một cách rõ ràng các thành phần của middleware thành hai lớp ứng dụng chung và ứng dụng cụ thể cho phép kiến trúc này có thể đáp ứng được yêu cầu QoS của nhiều ứng dụng, cũng như có thể dễ dàng triển khai các ứng dụng mới một cách ít tốn kém. Tuy nhiên các ứng dụng cũng phải chỉ ra cho middleware biết tham số QoS nào mà chúng cần phải tương thích để middleware tập trung vào việc tương thích cho tập các tham số đặc trưng đó. Mặt khác, tập các tham số đặc trưng này khó xác định hay đánh giá trực tiếp. Khi đó, cần phải có giải pháp cho việc xác định sự thay đổi của các tham số QoS. Profiler là một giải pháp để thực hiện điều này. Profiler là một tập hợp các dịch vụ lưu giữ, cập nhật các tham số QoS của ứng dụng và mạng. Nó cho phép middleware thực hiện chức năng tương thích một cách động. Chức năng của Profiler gồm: Thứ nhất, cho phép ứng dụng thiết lập trong middleware tương thích QoS theo ứng dụng các tham số QoS đặc trưng và mối quan hệ với các tham số QoS có thể điều khiển khác. Thứ hai, dịch vụ lưu giữ, cập nhật giá trị của các tham số QoS đặc trưng sẽ ghi lại tất cả giá trị của kết quả thăm dò vào QoS Profiler. Bộ thao tác trong middleware dựa vào các thông tin có trong Profiler để điều khiển ứng dụng. Bài viết này đề xuất phương pháp thiết kế Profiler nhằm đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin cho hoạt động điều khiển tương thích của bộ thao tác trong Middleware. Bài viết gồm các phần sau: Phần 2 trình bầy sơ lược kiến trúc middleware và thuật toán điều khiển tương thích; Phần 3 trình bầy thiết kế kiến trúc Profiler; Phần 4 mô tả giao diện Profiler với người sử dụng; Phần 5 đưa ra kết quả thực nghiệm, Phần 6 nêu kết luận chung. 2. Kiến trúc middleware và thuật toán điều khiển tương thích Kiến trúc middleware tổng quát cho phép thực hiện tương thích QoS theo ứng dụng trong hệ thống đa phương tiện phân bố được đề xuất trong [1] gồm hai lớp như hình 1. Lớp thứ nhất, còn gọi là lớp ứng dụng chung, bộ điều khiển tương thích ứng dụng chung Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 212 và bộ đánh giá tài nguyên hỗ trợ tương thích tài nguyên lớp thấp bằng cách phản ứng với những thay đổi về độ sẵn sàng của tài nguyên. Lớp thứ hai, bộ thao tác ứng dụng cụ thể, các profiler của ứng dụng và bộ đàm phán chịu trách nhiệm thực hiện tương thích chức năng ở mức cao đối với mỗi ứng dụng cụ thể, bao gồm việc ra quyết định khi nào và chức năng ứng dụng nào được phép tham gia vào cung cấp dịch vụ dựa trên các yêu cầu lưu sẵn trong profiler của ứng dụng cụ thể đang chạy. Tương tác giữa các thành phần khác nhau và ứng dụng được thực hiện thông qua một platform cho phép thực hiện các dịch vụ truyền thông như CORBA [4]. Hình 1. Kiến trúc middleware tương thích. Với kiến trúc hai lớp như trên bao gồm bộ điều khiển tương thích chung và bộ thao tác ứng dụng cụ thể, các hoạt động điều khiển do các thành phần này tạo ra sẽ thực hiện điều khiển tương thích chất lượng dịch vụ đối với tất cả các ứng dụng chia sẻ cùng một nguồn tài nguyên ở hệ thống đầu cuối, đồng thời điều khiển tương thích chất lượng dịch vụ đối với từng dịch vụ cụ thể dựa trên tham số cấu hình được thiết lập trong profiler. 3. Thiết kế profiler 3.1. Phân loại tham số QoS và ứng dụng 3.1.1. Phân loại tham số QoS Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho việc phân loại các tham số QoS trong truyền thông đa phương tiện. Để khắc phục tình trạng này, bài viết sử dụng phương pháp hình thức [3] để phân loại các tham số QoS thành hai nhóm: tham số độc lập và tham số phụ thuộc. Hai nhóm này cùng có chung ba đặc tính là: đặc tính thời gian, độ phân giải chất lượng và hệ số giá. a) Các tham số độc lập và phụ thuộc: Nhóm tham số độc lập: gồm các tham số được xác định trực tiếp từ công nghệ lựa chọn cho ứng dụng mà không thông qua các tham số khác. Ví dụ: Tỷ số nén … Giá trị của tham số này quyết định bởi từng công nghệ cụ thể lựa chọn cho ứng dụng và có thể được chỉ ra bởi người sử dụng hoặc có thể được định nghĩa thông qua profile QoS hoặc profile ứng dụng. Nhóm tham số phụ thuộc: gồm các tham số có thể xác định gián tiếp qua các tham số độc lập khác. Ví dụ tốc độ bit truyền dẫn của ứng dụng phụ thuộc vào tham số tỷ số nén, tốc độ khung và độ phân giải. Khi tỷ số nén hay tốc độ khung hoặc độ phân giải thay đổi theo từng công nghệ được lựa chọn cho ứng dụng thi tốc độ bit truyền dẫn của ứng dụng cũng thay đổi theo. Tuy nhiên một số tham số phụ thuộc có thể ràng buộc với các tham số bên ngoài vượt ra ngoài phạm vi của khung phân loại này. Bài viết này không xem xét và phân loại các tham số đó. b) Đặc tính chung của các nhóm tham số: Trong phần này, bài viết mô tả cụ thể mỗi đặc tính, các tham số QoS liên quan trực tiếp tới mỗi đặc tính và quan hệ giữa chúng. Đặc tính thời gian: Các tham số có đặc tính này ảnh hưởng đến quan hệ về thời gian giữa các đối tượng có liên quan trong khi trình diễn đa phương tiện và các tham số xác định độ dài thời gian chạy cho từng phiên cụ thể. Để có một phiên trình diễn chất lượng tốt cần phải duy trì đồng bộ chính xác luồng tín hiệu trong và ngoài. Profile QoS cụ thể trong profile ứng dụng xác định giá trị cho các tham số này. Độ phân dải chất lượng: Các tham số có đặc tính này liên quan trực tiếp tới chất lượng đầu ra của một phiên trình diễn đa phương tiện. Người sử dụng có thể định nghĩa trực tiếp các tham số trong phần này hoặc bằng cách lựa chọn profile ứng dụng và profile QoS tương ứng. Hệ số giá: Các tham số có đặc tính này liên quan đến giá truyền dẫn dịch vụ đa phương Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 213 tiện qua mạng truyền thông. Có hai kiểu giá: 1) Băng thông, 2) Tiền. Nhà cung cấp dịch vụ, profile ứng dụng và profile QoS xác định giá trị cho mỗi tham số này. 3.1.2. Phân loại ứng dụng Mô hình phân loại ứng dụng [3] cho phép phân chia các ứng dụng thành bốn nhóm dựa trên những biến đổi theo thời gian và theo không gian của một phiên trình diễn đa phương tiện. Biến đổi nội dung đa phương tiện có thể theo hai dạng trực giao nhau gồm: dạng không gian và dạng thời gian. Mỗi dạng biến đổi này có thể là nhanh hay chậm và dẫn đến mô hình phân loại ứng dụng gồm bốn nhóm. Mô hình phân loại ứng dụng được sử dụng như một khuôn mẫu để xác định các thành phần quan trọng trong một phiên trình diễn đa phương tiện và ấn định lượng tài nguyên tương ứng. Mô tả cụ thể của bốn nhóm này như sau: Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi nhanh theo không gian và nhanh theo thời gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa phương tiện có các phiên trình diễn với nội dung mầu chất lượng cao và biến đổi về nội dung nhanh. Ví dụ như: phim hành động, chương trình thể thao đua mô tô, phim hoạt hình chất lượng cao … Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi nhanh theo không gian và chậm theo thời gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa phương tiện có các phiên trình diễn với nội dung mầu nhưng không biến đổi nhanh về nội dung. Ví dụ như: hội nghị truyền hình, phim hoạt hình chất lượng trung bình hay ảnh mầu … Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi chậm theo không gian và nhanh theo thời gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa phương tiện có phiên trình diễn với nội dung mầu thấp nhưng biến đổi nhanh về nội dung. Ví dụ như: phim hành động đen trắng hay âm thanh chất lượng CD … Nhóm ứng dụng có trình diễn biến đổi chậm theo không gian và chậm theo thời gian. Nhóm này gồm các ứng dụng đa phương tiện có phiên trình diễn với nội dung mầu thấp và biến đổi chậm về nội dung. Ví dụ như: hình ảnh có độ phân giải mầu thấp hoặc âm thanh chất lượng thoại … 3.2. Kiến trúc profiler 3.2.1. Các profiler QoS Profile QoS được định nghĩa để cung cấp tập các giá trị QoS đã cấu hình trước theo profile ứng dụng cụ thể. Các profile QoS được tổ chức thành một tập gồm ba giá trị trong profile, xác định ba mức QoS khác nhau là: mức cao, mức trung bình và mức thấp. Các tham số độc lập và tham số phụ thuộc được cấu hình trong Profile QoS tương ứng với một mức QoS của một ứng dụng cụ thể. 3.2.2. Các profiler ứng dụng Tập các profile ứng dụng đã được xác định nhằm cung cấp một cơ chế đơn giản để chỉ ra giá trị cho mỗi tham số QoS. Bằng cách này, người sử dụng không cần thiết phải chỉ ra từng giá trị cụ thể cho từng tham số QoS. Các profile ứng dụng được cấu hình sẵn và chỉ ra giá trị chấp nhận được cho mỗi tham số QoS từ một tập xác định trước. Ví dụ trong hình 2 mô tả profile ứng dụng của sáu ứng dụng đa phương tiện phân bố với cấu hình các tham số độc lập, tham số phụ thuộc và các giá trị của chúng trong tất cả các phân nhóm. Mỗi ứng dụng có một tập các tham số QoS được thiết lập cho một giá trị cụ thể để cung cấp mức QoS mong muốn. Hình 2. Mô hình kiến trúc Profiler. Mô hình mô tả ứng dụng gồm các tham số được lựa chọn cho một cấu hình kết hợp và phân loại QoS. Ví dụ mô tả ứng dụng chat gồm tập các tham số chỉ ra bởi dấu tích trong hình 2. Trong trường hợp này mô tả ứng Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 214 dụng chat chỉ có thể điều khiển giá trị tham số trễ. Ví dụ với tham số trễ của ứng dụng chat, các giá trị sau có thể được thiết lập theo mô tả QoS: “High = 100ms, Medium = 1000ms and Low = 2000ms”. 3.3. Ứng dụng kiến trúc profiler Mục đích của Profile QoS và ứng dụng là cung cấp cho người sử dụng không chuyên phương pháp đơn giản để chỉ ra mức QoS cụ thể cho ứng dụng nhất định. Trong phương pháp này trước hết người sử dụng lựa chọn một profile ứng dụng và profile QoS cụ thể. Sau đó hệ thống thiết lập giá trị tham số QoS theo profile QoS cho profile ứng dụng. Người sử dụng có thể hiệu chỉnh các giá trị của tham số để phục vụ cho nhu cầu của họ. Ba đặc tính của tham số QoS bị ràng buộc bởi sự phụ thuộc tam giác và có thể mô hình hóa bằng một tam giác như chỉ ra trong hình 3. Mô hình tam giác này mô tả bản chất giới hạn của việc phân phối QoS. Khi cung cấp QoS cho một ứng dụng cụ thể chỉ có thể thỏa mãn được hai trong ba đặc tính, trong khi đặc tính còn lại là không thể thỏa mãn được. Ca o Cao Cao Thấp Thấp Th ấp Phân giải chất lượng Đặc tính thời gian Hệ số giá Hình 3. Quan hệ tam giác giữa ba đặc tính. Ví dụ: Giả sử mô tả hình thức của mô hình tam giác quan hệ trên là: Cao = C, Thấp = T, Hệ số giá = HSG, Đặc tính thời gian = ĐTTG, Độ phân giải chất lượng = PGCL. Để cung cấp một ứng dụng với mong muốn có HSG và ĐTTG thấp thì phải chấp nhận PGCL là thấp. Ta có: CPGCL AND TĐTTG ⇒ CHSG CPGCL AND THSG ⇒ CĐTTG THSG AND TĐTTG ⇒ TPGCL Trong ví dụ, dòng đầu dự báo trạng thái nếu chúng ta chọn độ phân giải cao và đặc tính thời gian thấp thì hệ số giá sẽ phải tăng. 4. Giao diện profiler với người sử dụng Profile QoS người sử dụng thu nhận các thông tin cá nhân cho yêu cầu phân phối dịch vụ đa phương tiện nhận biết QoS bằng cách duy trì một profile của người sử dụng. Profile người sử dụng bao gồm hai phần: (1) mô hình yêu cầu của người sử dụng và (2) mô hình tham chiếu của người sử dụng. Bất kỳ khi nào bộ điều khiển QoS được kích hoạt đối với các sự kiện cụ thể, profile QoS của người sử dụng gửi một bản tin chỉ dẫn tới người sử dụng và yêu cầu có phản hồi. Người sử dụng có thể đưa ra phản hồi theo dạng phần trăm mà biểu diễn mức độ thỏa mãn của khách hàng về dịch vụ . Bảng 1 chỉ ra ví dụ về phản hồi của người sử dụng như: hai dòng đầu tiên thể hiện người sử dụng muốn “Xóa bỏ các khung” và “Trèn bộ nén” trong điều kiện tải CPU thấp và lưu lượng mạng cao. Dòng cuối cùng thể hiện rằng người sử dụng muốn “giảm tốc độ xử lý của bộ vi xử lý” trong trường hợp tải CPU thấp và lưu lượng mạng thấp. Bảng 1. Phản hồi của người sử dụng Tải CPU Lưu lượng mạng Thao tác Độ thỏa mãn thấp cao xóa khung 30% thấp cao trèn bộ nén 90% thấp thấp giảm tốc độ bộ vi xử lý 90% Nội dung profile người sử dụng có thể rất phức tạp và rất động trong thời gian chạy. Thay vì lưu giữ tất cả các trường hợp xử lý và tham chiếu của người sử dụng, profile QoS duy trì chức năng dự báo [3]. 5. Kết quả thực nghiệm Mô hình mẫu của middleware như trên đã được mô phỏng trên hệ thống thử nghiệm [1]. Các thành phần của middleware như: bộ điều khiển tương thích [2], bộ thao tác [1], Profiler QoS của người sử dụng được thực hiện như là các thành phần hợp nhất. Mô hình mẫu được chạy trên nền hệ điều hành WindowsNT. Các thành phần của dịch vụ đa phương tiện cũng được thực hiện như là các đối tượng CORBA [4] hoặc COM [5]. Dịch vụ video theo yêu cầu (VoD) được thử Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 215 nghiệm tại lớp trên trong mô hình mẫu middleware. Mô hình thử nghiệm cho phép đánh giá hiệu quả của thành phần Profiler trong kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng mô hình middleware trên có thể cung cấp một cách liên tục dịch vụ VoD với vi phạm QoS ở mức người sử dụng là nhỏ nhất. Bảng 2. Các điều khiển do bộ thao tác tạo ra. Thời điểm (s) Sự kiện QoS Hành động điều khiển từ bộ thao tác 10 Khởi động dịch vụ kết nối Ethernet 100 Mbps Thiết lập bộ cấu hình: “MPEG Video Server → MPEG Video Player” 320 CPU chịu tải cao Thiết lập bộ tái cấu hình: “Chèn bộ ngắt khung phân biệt (chỉ các khung B/P)” 539 Suy giảm băng thông Thiết lập bộ tương thích: “MPEG Video Server: Giảm tốc độ khung” Bộ Profiler QoS của người sử dụng được thực hiện trong môi trường C++. Một số kết quả thực nghiệm được chỉ ra trong bảng 3. Kích thước thực tế là 1,28 MB, dung lượng tổng cho chức năng dự báo là 5,4 KB. Bảng 3. Kết quả thử nghiệm bộ Profiler QoS của người sử dụng Kích thước lưu trữ Thực hiện Dung lượng dự báo Profile bộ xử lý Profile tham chiếu Dung lượng dự trữ 1,28 MB 5,4 KB 3,3 MB 0,8 MB 2,8 MB Mô hình mẫu middleware trên được thực hiện với profiler QoS của người sử dụng khác nhau. Ghi lại các các trường hợp bộ xử lý và bộ tham chiếu người sử dụng vào hai file. Kích thước của hai file này tương ứng là 3,3MB và 0,8MB. Thời gian xử lý trung bình là 0,1 ms với độ chính xác là 85%. 6. Kết luận Việc tích hợp các ứng dụng đa phương tiện phân bố đem lại những thách thức mới trong nghiên cứu middleware. Kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng nhằm giải quyết thách thức này. Bài viết đã đề xuất thiết kế kiến trúc Profiler một thành phần quan trọng của middleware nói trên. Đóng góp chính của đề xuất này là: Phân chia các tham số QoS thành hai nhóm: nhóm tham số độc lập và nhóm tham số phụ thuộc, đồng thời xem xét ba đặc tính của các tham số QoS. Mối quan hệ của ba đặc tính chỉ ra rằng chỉ có thể đạt được mức độ thỏa mãn cho hai đặc tính, còn đặc tính thứ ba bắt buộc phải điều khiển theo hai đặc tính kia. Kiến trúc Profiler (gồm Profile QoS và Profile ứng dụng) được sử dụng trong kiến trúc middleware tương thích QoS theo ứng dụng. Kiến trúc này cho phép dễ dàng cập nhật và chỉ ra các tham số QoS cho các thành phần khác của middleware, đồng thời cho phép người sử dụng dễ dàng thay đổi thiết lập tham số QoS. Khả năng phát triển tiếp theo của công nghệ này là xây dựng và thử nghiệm nhiều ứng dụng đa phương tiện phân bố dựa trên khung middleware tương thích QoS theo ứng dụng đã xem xét ở trên để kiểm tra và cải tiến hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO Vu Hoang Hieu and Hoang Dang Hai, ‘An Application-aware Adaptive Middleware Architecture for Distributed Multimedia Systems’, Proceeding of The First International Conference on Communications and Electronics (ICCE2006), pp141-pp146, Ha Noi, VietNam, Oct-2006. Vũ Hoàng Hiếu, Hoàng Minh và Nguyễn Ngọc San, “Thuật toán điều khiển tương thích chất lượng dịch vụ trong middleware tương thích theo ứng dụng”, Tạp chí Khoa học Công nghệ. N.Sharda and M.Georgievski, “A Holistic Quality of Service Model For Multimedia Communications”, International Conference Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ b−u chÝnh viÔn th«ng 216 on Internet and Multimedia Systems and Applications, IMSA2002, Aug 12-14, 2002, Kaua’i, Hawaii, USA. Object Management Group, 492 Old Connecticut Path, Framingharm, MA 01701, USA, “The Common Object Request Broker: Architecture and Specification Revision 2.2”, Feb 1998. D.Box, “Essential COM”, Addison-Wesley, Reading, MA, 1997. Sơ lược về các tác giả VŨ HOÀNG HIẾU Sinh năm 1971. Tốt nghiệp Đại học năm 1993, nhận bằng Thạc sỹ kỹ thuật năm 2001 tại Đại học Bách khoa Hà Nội ngành Điện tử - Viễn thông, là NCS khóa 2003 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Công tác tại Cục Quản lý Chất lượng Bưu chính, Viễn thông và Công nghệ thông tin - Bộ Bưu chính, Viễn thông. Lĩnh vực nghiên cứu: Chất lượng dịch vụ, Tương thích chất lượng dịch vụ, Truyền thông đa phương tiện. E-mail: vhhieu@mpt.gov.vn HOÀNG ĐĂNG HẢI Sinh năm 1960. Bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1999, bảo vệ luận án Tiến sĩ khoa học năm 2002 tại Đại học kỹ thuật Ilmenau, Đức. Tác giả có nhiều bài viết trên các tạp chí và hội nghị quốc tế trong và ngoài nước, được nhận giải thưởng Siemens – Mobile – Price 2003. Công tác tại Bộ Bưu chính Viễn thông. Lĩnh vực nghiên cứu: Chất lượng dịch vụ, Truyền thông đa phương tiện, Lý thuyết hàng đợi, Quản lý lưu lượng và Mạng NGN. E-mail: hoangdanghai@hn.vnn.vn.