Đang tải... (xem toàn văn)
Điện Toán Đám Mây Cho Các Dịch Vụ Đa Phương TiệnĐiện toán đám mây là một công nghệ nổi lên nhằm mục đích cung cấp khả năng tính toán và các dịch vụ lưu trữ khác nhau trên mạng Internet.Một trong các thành tựu của CNTT là multimedia điện toán đám mây cung cấp các ứng dụng và dịch vụ đang phương tiện thông qua Internet và Internet di động với các điều khoản về QoS.
Điện Toán Đám Mây Cho Các Dịch Vụ Đa Phương Tiện I. Khái niệm chung 1. Giới thiệu Điện toán đám mây là một công nghệ nổi lên nhằm mục đích cung cấp khả năng tính toán và các dịch vụ lưu trữ khác nhau trên mạng Internet. Đó là sự kết hợp giữa cơ sở hạ tầng, nền tảng và phần mềm cũng như dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ đám mây cho thuê trung tâm dữ liệu và các phần mềm để lưu trữ và các dịch vụ điện toán thông qua Internet. Thông qua điện toán đám mây, người dùng Internet có thể nhận được các dịch vụ từ đám mây giống như việc họ đang dùng một siêu máy tính. Họ có thể lưu trữ dữ liệu của họ trên đám mây thay vì lưu trữ trên các thiết bị của họ, có thể truy cập dữ liệu ở mọi nơi. Họ có thể chạy những ứng dụng trên những nền tảng đám mây với phần mềm được triển khai trên đó, làm giảm đi gánh nặng cho người sử dụng trong việc phải cài đặt hết các ứng dụng và liên tục phải nâng cấp trên các thiết bị của họ. Cùng với việc phát triển của Web 2.0. Internet đa phương tiện đang nổi lên như một dịch vụ. Cung cấp nhiều dịch vụ giải trí, điện toán đa phương tiện đã trở thành một công nghệ đáng chú ý trong việc tạo ra, sửa chữa, xử lý và tìm kiếm những nội dung đa phương tiện, như hình ảnh, video, âm nhạc, đồ họa v.v Các ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện trên mạng Internet và mạng không dây di động là nơi đòi hỏi sức mạnh của điện toán đám mây,bởi theo ước tính thì khối lượng yêu cầu dịch vụ của người sử dụng trên Internet hoặc di động vào đám mây đa phương tiện ở cùng một thời điểm nên tới hàng triệu lượt. Trong mô hình mới của điện toán đa phương tiện, người sử dụng lưu trữ và xử lý các dữ liệu ứng dụng đa phương tiện trên đám mây từ đó thoát khỏi việc phải cài đặt tất cả các ứng dụng trên máy tính hoặc các thiết bị của mình, như vậy sẽ làm giảm bớt gánh nặng trong việc duy trì và cập nhật các ứng dụng đa phương tiện, như vậy sẽ giảm bớt việc tính toán trên thiết bị người dùng và sẽ tiết kiệm pin cho các thiết bị di động. 2. Multimedia là gì? Một trong các thành tựu của CNTT là multimedia và multimedia được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội. Vậy multimedia là gì? Có nhiều cách tiếp cận khác nhau về multimedia nhưng chung nhất, có thể hiểu đây là dạng “truyền thông đa phương tiện”. Theo Fenrich (1997): “Multimedia là sự tích hợp lý thú giữa phần cứng và phần mềm máy tính, cho phép tích hợp các tài nguyên video, audio, hoạt hình, đồ họa và trắc nghiệm để xây dựng và thực hiện một trình diễn kết quả nhờ một máy tính có cấu hình thích hợp”. Còn theo Philip (1997): “Multimedia đặc trưng bởi sự hiện diện của văn bản, hình ảnh, âm thanh, mô phỏng và video, được tổ chức chặt chẽ trong một chương trình máy tính”. 3. Điện toán đám mây truyền đa phương tiện Để đáp ứng được yêu cầu về QoS trong điện toán đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện thông qua Internet và mạng không dây, chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm chính của điện toán đám mây cho cho điện toán đa phương tiện và truyền thông (xem hình 2.1). Cụ thể là sẽ đưa ra một khung làm việc của điện toán đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện và là đòn bẩy để điện toán đám mây cung cấp các ứng dụng và dịch vụ đang phương tiện thông qua Internet và Internet di động với các điều khoản về QoS. Chúng ta nghiên cứu điện toán đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện từ đám mây nhận thức đa phương tiện – multimedia - aware cloud (media cloud) và đa phương tiện nhận thức đám mây – cloud - aware multimedia (cloud media). Multimedia - aware cloud tập trung vào việc đám mây có thể cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện như thế nào. Cloud - aware multimedia tập trung vào việc đa phương tiện thực hiện các công việc lưu trữ, xử lý, thích nghi, trình diễn.v.v… trên đám mây như thế nào để sử dựng tốt nhất nguồn tài nguyên của điện toán đám mây, để đạt được QoE cao nhất cho các dịch vụ đa phương tiện. Hình 2.2 mô tả quan hệ chặt chẽ giữa cloud media và media cloud. Cụ thể hơn, media cloud cung cấp một bức tranh về tài nguyên ví dụ như là đĩa cứng, CPU, GPU và được cho thuê bởi các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông để phục vụ người sử dụng. MSPs sử dụng tài nguyên của media cloud để phát triển ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện của họ.Ví dụ như lưu trữ, chỉnh sửa v.v Hình 2.2: Mối quan hệ giữ media cloud và cloud media Trên media cloud, kiến trúc đám mây truyền thông biên MEC (Media - Edge Cloud) đưa ra để giảm độ trễ, trong đó nội dung và xử lý truyền thông sẽ được thực hiện ở biên của đám mây dựa vào thông tin của người dùng. Trong kiến trúc này, MEC là một đám mây nhỏ với trung tâm dữ liệu đặt ở ngoài biên. Đám mây MEC lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu truyền thông ở biên, chính vì vậy mà sẽ đạt được độ trễ thấp nhất,tăng hiệu quả sử dụng. Các đám mây phương tiện bao gồm các đám mây MECs, có thể quản lý một cách tập trung hoặc theo kiểu mạng ngang hàng P2P. Kiến trúc của MEC phải đạt các yêu cầu sau: - Thứ nhất, để xử lý tốt các kiểu khác nhau của các dịch vụ truyền thông trong MEC, ta sẽ đặt các loại dịch vụ truyền thông có kiểu giống nhau vào một nhóm máy chủ dựa theo tính chất của dịch vụ truyền thông đó. Cụ thể là sẽ sử dụng bảng băm phân tán (DHT) cho việc lưu trữ dữ liệu trong khi sử dụng nhóm CPU hoặc GPU cho điện toán đa phương tiện. - Thứ hai, đối với hiệu quả tính toán trong kiến trúc MEC, người ta đưa ra mô hình phân tán song song với việc xử lý các dịch vụ và ứng dụng đa phương tiện trong nhóm CPU và GPU. - Thứ ba, tại các máy chủ proxy biên của MEC,sẽ lắp đặt các bộ chuyển mã thích ứng cho các dịch vụ truyền thông để các thiết bị không đồng nhất đạt được QoE cao. Trên cloud media, các dịch vụ và ứng dụng truyền thông trên đám mây có thể thực hiện hoàn toàn hoặc một phần trên đám mây đó. Trước đây, đám mây sẽ thực hiện tất cả các điện toán đa phương tiện. Về sau, vấn đề quan trọng là làm thế nào để phân phối được khả năng tính toán(CPU, GPU…) nguồn tài nguyên điện toán đa phương tiện giữa máy khách và đám mây, bởi vì nó sẽ liên quan đến phân chia nguồn tài nguyên đa phương tiện để tính toán giữa máy khách và đám mây. II. Đám mây truyền thông-media cloud Đám mây truyền thông cần có các chức năng sau: - Các điều khoản QoS hỗ trợ nhiều kiểu khác nhau của các dịch vụ với các yêu cầu về QoS khác nhau. - Phân tán song song với việc xử lý đa phương tiện - QoS của truyền thông đa phương tiện phải thích ứng với các kiểu khác nhau của các thiết bị và băng thông của mạng. 1. Kiến trúc đám mây truyền thông đa phương tiện Trong phần này, sẽ trình bày về kiến trúc điện toán-MEC nhằm mục đích giải quyết các vấn đề về QoS cho các dịch vụ đa phương tiện. MEC là đám mây nhỏ với các máy chủ đặt ở biên đám mây, cung cấp các dịch vụ truyền thông với QoS cao (ví dụ như độ trễ thấp) cho người sử dụng. Kiến trúc MEC giống với kiến trúc máy chủ CDN biên, chỉ khác ở chỗ là CDN dành cho việc phân phối truyền thông đa phương tiện trong khi MEC cung cấp điện toán đa phương tiện. Việc sử dụng máy chủ biên CDN để phân phối đa phương tiện tới người dùng có thể cho kết quả với độ trể thấp hơn nhiều so với phân phối trực tiếp từ các máy chủ trung tâm. Như vậy có thể thấy được rằng điện toán đa phương tiện trong MEC có thể cung cấp ít luồng đa phương tiện và giảm độ trễ khi so sánh với việc tất cả nội dụng đa phương tiện được đặt tại đám mây trung tâm. Như mô tả ở hình 2.3(a) và 2.3(b), lần lượt là 2 kiểu kiến trúc của MEC: - Hình 2.3(a) là nơi mà tất dữ liệu của người sử dụng sẽ được lưu trữ trên MEC dựa trên hồ sơ hoặc nội dung người dùng trong khi tất cả thông tin liên quan đến người dùng và nội dung địa điểm sẽ được trao đổi trong mào đầu thông qua P2P. - Hình 2.3(b) là người quản lý trung tâm sẽ quản lý tất cả các thông tin giữa người sử dụng và nơi chứa nội dung, trong khi MEC nắm giữ vai trò phân phối tất cả các nội dung dữ liệu. Trong MEC, chúng ta áp dụng công nghệ mạng ngang hàng P2P để phân phối dữ liệu truyền thông cho việc lưu trữ và tính toán. Với kiến trúc của mạng ngang hàng P2P, mỗi nút có sự quan trọng bằng nhau vì thế MEC có khả năng mở rộng, độ sẵn sàng và bền vững cao cho việc lưu trữ và điện toán phương tiện. Để hỗ trợ những người dùng di động chúng ta sử dụng một cloud proxy đặt ở biên của MEC hoặc ở gateway, như trong hình 2.3 để thực hiện việc xử lý đa phương tiện (ví dụ như thích ứng và chuyển mã) và bộ nhớ đệm để bù đắp những hạn chế của các thiết bị di động bởi sự giới hạn về sức mạnh tính toán và tuổi thọ của pin. Hình 2.3: (a) Điện toán đám mây MEC dựa trên P2P (b) Điện toán MEC điều khiển tập trung 2. Phân tán song song xử lý truyền thông đa phương tiện Trước đây, việc xử lý đa phương tiện được thực hiện trên máy khách hoặc các máy chủ độc quyền. Với điện toán đám mây đa phương tiện, việc xử lý đa phương tiện thường được thực hiện tại bên thứ 3 là trung tâm dữ liệu đám mây (trừ khi ai đó muốn xây dựng một đám mây riêng, đây là một việc tốn kém). Với việc xử lý đa phương tiện được đưa lên đám mây, một trong những thách thức lớn nhất của điện toán đám mây đa phương tiện là làm thế nào đám mây có thể cung cấp song song các dữ liệu đa phương tiện cho hàng triệu người sử dụng bao gồm cả những người dùng di động. Để giải quyết vấn đền này, việc tính toán và lưu trữ đa phương tiện cần phải được xây dựng phân tán và xử lý song song. Trong MEC, chúng ta sử dụng DHT để phân loại các dữ liệu đa phương tiện vào các nhóm lưu trữ và sử dụng các chương trình xử lý song song các ứng dụng đa phương tiện nhằm thực hiện cân bằng tải cho điện toán truyền thông trong khối CPU và GPU. Hình 2.4 (a) Theo dõi dữ liệu và chương trình cho dịch vụ đa phương tiện (b) Phân tán song song với xử lý đa phương tiện Như minh họa trong hình 2.4(a), cho phương tiện lưu trữ, mỗi thiết bị sẽ được liên kết với dữ liệu của “data tracker”, đây là nơi quản lý dữ liệu truyền thông sẽ được phân phối tới nhóm lưu trữ (storage cluster). Đối với tính toán truyền thông, chúng ta sử dụng “program tracker” để phân phối nhiệm vụ phương tiện truyền thông, và sau đó các nhiệm vụ sẽ được thực hiện trong các nhóm CPU và GPU trong MEC. Hơn nữa, chúng ta sử dụng việc xử lý phân tán song song các dịch vụ đa phương tiện cho việc thực hiện các chương trình đa phương tiện quy mô lớn trong MEC, như trong hình 2.4(b): - Chúng có thể thực hiện cân bằng tải truyền thông trên mỗi cấp độ của người sử dụng. - Chúng có thể thực hiện xử lý truyền thông song song ở cấp độ tác vụ đa phương tiện. Nói cách khác, cách tiếp cận này không những mang tới cân bằng tải trên mỗi cấp độ người dùng mà còn thực hiện đồng thời các tác vụ đa phương tiện ở mỗi mức độ tác vụ đa phương tiện. 3. QoS đám mây truyền thông Một trong những thách thức quan trọng trong đám mây truyền thông-MEC là chất lượng dịch vụ QoS. Có 2 cách để cung cấp QoS cho đa phương tiện: - Thêm QoS vào bên trong cơ sở hạ tầng của điện toán đám mây hiện tại. - Thêm QoS vào Middleware ở giữa cơ sở hạ tầng đám mây và các ứng dụng đa phương tiện. Trước đây, QoS tập trung vào cơ sở hạ tầng của đám mây để hỗ trợ các dịch vụ và các ứng dụng đa phương tiện với những yêu cầu về QoS khác nhau. Về sau, người ta tập trung nâng cao QoS trong lớp giữa, như là QoS ở lớp truyền dẫn và QoS giữa cơ sở hạ tầng đám mây và các ứng dụng truyền thông. QoS cho cơ sở hạ tầng đám mây là lĩnh vực mới và cần nhiều nghiên cứu để cung cấp QoS cho các ứng và dịch vụ đa phương tiện trên đám mây. Trong phần này, sẽ tập trung vào việc là làm thế nào một đám mây có thể cung cấp QoS để hỗ trợ cho các dịch vụ và ứng dụng đa phương tiện. Cụ thể là trong MEC, theo các thuộc tính của các dịch vụ truyền thông, tổ chức các kiểu của các dịch vụ truyền thông tương tự nhau vào một nhóm máy chủ có hiệu năng cao nhất để xử lý chúng. Một MEC bao gồm 3 nhóm: - Nhóm lưu trữ. - Nhóm CPU. - Nhóm GPU. Ví dụ, các ứng dụng liên quan đến đồ họa có thể đi tới nhóm GPU, Các xử lý truyền thông bình thường có thể đi tới nhóm CPU, và các kiểu lưu trữ của các dịch vụ truyền thông có thể tới các nhóm lưu trữ. Kết quả là, MEC có thể cung cấp QoS hỗ trợ cho các kiểu khác nhau của truyền thông với các yêu cầu QoS khác nhau. Để cải thiện hiệu năng QoS của truyền thông đa phương tiện trong đám mây truyền thông, ngoài việc di chuyển nội dung và tính toán truyền thông để MEC giảm độ trễ và thực hiên các nội dung sao cho tương thích với các thiết bị khác nhau, một “media cloud proxy” được đưa ra để làm giảm độ trễ hơn nữa và phục vụ tốt hơn với các kiểu thiết bị khác nhau đặc biệt là tương thích với các thiết bị di động. Các media cloud proxy được thiết kế để giải quyết tính toán truyền thông di động và bộ nhớ đệm cho điện thoại di động. Điện thoại di động có sự giới hạn về thời lượng pin và sức mạnh xử lý, media cloud proxy được sử dụng để thực hiện điện tính toán truyền thông toàn bộ hoặc một phần đề bù đắp cho những giới hạn của điện thoại di động đã đề cập ở trên,bao gồm cả các thích ứng của QoS cho các loại đầu cuối khác nhau. Ngoài ra, media cloud proxy cũng có thể cung cấp bộ nhớ đệm cho các điện thoại di động. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm QoS cơ sở hạ tầng đám mây và lớp phủ QoS đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện.v.v… 4. Truyền thông đám mây-cloud media a, Ứng dụng (Applications) Sự xuất hiện của điện toán đám mây sẽ tác động sâu sắc trên toàn bộ chu kì của nội dụng đa phương tiện. Như trong hình 2.5-chu kì truyền thông bao gồm việc mua lại, lưu trữ, xử lý, phổ biến và trình diễn. Hình 2.5: Chu kì của truyền thông Trong một thời gian dài, các nội dung truyền thông chất lượng cao chỉ có thể được mua lại bởi các tổ chức chuyên nghiệp với các thiết bị tốt và những nội dụng được phân phối dựa trên các bản sao cứng, như phim ảnh, VCD và DVD. Trong các thập niên gần đây, sự sẵn có của máy ảnh, máy quay giá rẻ đã gây nên sự bùng nổ về nội dung truyền thông do người sử dụng tạo ra. Gần đây nhất, các hệ thống mạng vật lý cung cấp một phương pháp mới để thu thập dữ liệu thông qua các mạng cảm biến, làm tăng đáng kể khối lượng và đa dạng về dữ liệu truyền thông. Lướt Web 2.0, các nội dung truyền thông kĩ thuật số có thể dễ dàng phân phối hoặc chia sẻ thông qua mạng internet. Sự thành công lớn của Youtube là minh chứng rõ ràng của truyền thông internet. Trước thời đại điện toán đám mây, phương tiện lưu trữ, xử lý và các dịch vụ phổ biến được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau với các trung tâm máy chủ của họ. Hiện tại, các nhà cung cấp dịch vụ chọn việc cung cấp đám mây [...]... trợ điện thoại di động về khả năng tính toán trình diễn, vì điện thoại di động bị giới hạn về thời gian sử dụng pin, bộ nhớ v.v… Hình 2.8: Trình diễn đa phương tiện trên đám mây f, Thách thức lớn của điện toán đám mây truyền thông đa phương tiện Việc xử lý đa phương tiện trong đám mây là một thử thách lớn Dưới đây là một số khó khăn: - Sự không đồng nhất giữa các dịch vụ và truyền thông đa phương tiện: ... các ứng dụng và dịch vụ di động Cụ thể hơn là trong dịch vụ và ứng dụng không dây bởi vì yêu cầu về sức mạnh và đặc tính thay đổi thời gian của đường truyền không dây, yêu cầu về QoS trong điện toán đám mây cho ứng dụng và dịch vụ đa phương tiện di động càng nghiêm ngặt hơn so với internet thông thường Tổng kết lại cho điện toán đa phương tiện trên đám mây ở điểm mấu chốt là cung cấp các điều khoản... dùng để phát triển và nhắm đến các dịch vụ qua các kênh phân phối thích hợp Yếu tố còn lại chính là chi phí Hai yêu cầu này có thể được đáp ứng ngay trong đám mây 1 Lý do để các công ty cung cấp dịch vụ đa phương tiện đột phá với công nghệ điện toán đám mây Nhu cầu tự do trong thế giới số: -Nhu cầu của người dùng là yếu tố dẫn đường cho việc ứng dụng điện toán đám mây Các phương thức phân phối liên tục... và điện thoại di động Khả năng xử lý truyền thông đa phương tiện khác nhau nên nhiệm vụ của đám mây là phải đáp ứng được năng lực của các thiết bị, bao gồm CPU, GPU, hiển thị, bộ nhớ, lưu trữ và nguồn điện Các máy tính đa phương tiện trong đám mây xử lý cùng lúc việc truy cập dữ liệu đa phương tiện và truyền dẫn trong đám mây có thể sẽ tạo ra một nút thắt cổ chai trong mục đích chung của những đám mây. .. cho nên việc sử dụng chung một đám mây trên internet để xử lý với các dịch vụ đa phương tiện có thể giảm chất lượng truyền dẫn QoS và QoE Các thiết bị di động giới hạn về bộ nhớ và khả năng tính toán và thời gian sử dụng nguồn điện, chính vì vậy chúng càng cần sử dụng một đám mây để tạo ra sự cần bằng giữa tính toán và truyền thông Dự đoán rằng điện toán đám mây sẽ trở thành công nghệ đột phá cho các. .. phần của dịch vụ đám mây Các yêu cầu chia sẻ dễ dàng là lý do chính khiến nội dung đa phương tiện chiếm một phần lớn không gian lưu trữ của đám mây Thông thường, truyền thông đa phương tiện chỉ xảy ra chia sẻ khi có người chia sẻ nội dung và người được chia sẻ phải trực tuyến và có một kết nối dữ liệu tốc độ cao Điện toán đám mây đang chuyển quá trình xử lý đồng bộ thành không đồng bộ và làm cho việc... tồn tại những loại dịch vụ khác nhau, như là VoIP, Video conferencing (truyền hình hội nghị), chia sẻ và chỉnh sửa hình ảnh, luồng đa phương tiện, tìm kiếm ảnh….Vì vậy mà đám mây phải đáp ứng được nhiều loại dịch vụ và khác nhau cho hàng triệu người sử dụng ở cùng một thời điểm - Chất lượng dịch vụ không đồng nhất: Mỗi dịch vụ đa phương tiện khác nhau có yêu cầu về Qos khác nhau, đám mây phải đáp ứng... mới đa phương tiện là quá trình tạo ra các chương trình và cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng đa phương tiện của máy tính, trong khi đó chỉnh sửa làm nhiệm vụ tái hợp và sửa đổi các thông tin đa phương tiện từ nhiều nguồn để tạo ra một sản phẩm mới Ngày nay công cụ phục vụ cho tạo mới và chỉnh sửa chia làm hai loại: - Một là công cụ offline, như Adobe Premiere và Windows Movie Maker - Hai là các dịch vụ. .. những đám mây bởi vì những yêu cầu về QoS trong đa phương tiện rất nghiêm ngặt và do số lượng lớn người dùng cùng lúc truy cập vào hệ thống đám mây trên internet Ngày nay điện toán đám mây sử dụng nhiều tiện ích để xác định rõ khối lượng tính toán và tài nguyên lưu trữ, điều này rất hiệu quả cho các dịch vụ dữ liệu nói chung Tuy nhiên những ứng dụng đa phương tiện cũng cần CPU và bộ nhớ, một nhân tố vô... kết lại cho điện toán đa phương tiện trên đám mây ở điểm mấu chốt là cung cấp các điều khoản về QoS và hỗ trợ các dịch vụ, ứng dụng đa phương tiện thông qua Internet (có dây) và Internet di động (không dây) III.Tác động của điện toán đám mây đối với các dịch vụ đa phương tiện Trong một thế giới đa thiết bị, doanh thu phụ thuộc vào việc phân phối nội dung và chất lượng phù hợp, đến đúng đối tượng người . chính của điện toán đám mây cho cho điện toán đa phương tiện và truyền thông (xem hình 2.1). Cụ thể là sẽ đưa ra một khung làm việc của điện toán đám mây cho các dịch vụ đa phương tiện và là. để điện toán đám mây cung cấp các ứng dụng và dịch vụ đang phương tiện thông qua Internet và Internet di động với các điều khoản về QoS. Chúng ta nghiên cứu điện toán đám mây cho các dịch vụ đa. Điện Toán Đám Mây Cho Các Dịch Vụ Đa Phương Tiện I. Khái niệm chung 1. Giới thiệu Điện toán đám mây là một công nghệ nổi lên nhằm mục đích cung cấp khả năng tính toán và các dịch vụ lưu