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1 Sistemas Paralelos e Distribuídos Sistemas de Multimídias.

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1 1 Sistemas Paralelos e Distribuídos Sistemas de Multimídias

2 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 2 Introdução Sistemas Distribuídos de Multimídia – Uma aplicação Multimídia gera e consome stream de dados contínuos em tempo real. Dados entregue com muito atraso podem perdem a importância e serem descartados – A perda de pequenos trechos de dados em uma transmissão podem afetar muito pouco a exibição da mídia, uma vez que podem ser compensados. – Em SD Multimídia os principais fatores que podem afetar são: Largura de Banda; Jitter; Latência.

3 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 3 Transmissão em multimídia requerem, geralmente, muito poder de processamento e memória e trabalham intimamente com os aspectos de QoS. Muitos computadores atuais, possuem poder suficientes para desempenhar exibição de dados multimídias: – Vídeo conferência; – telefone de Internet; – Video-Chats; – etc. Introdução

4 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 4 O resultado é que a satisfação no uso desses sistemas para tais fins está abaixo da satisfação. A qualidade ainda depende dos fatores técnicos de se usar uma rede digital como a Internet. Muitos serviços, como Video-conferência em larga escala, TV-Digital e sistemas de segurança de TV necessitam de capacidades muito além do que é oferecido pela rede atual. Muito desses problemas estão ligadas a incapacidade da rede Internet, por exemplo, de não conseguir garantir a manutenção de uma taxa contínua de dados durante uma transmissão; Em menor escala, mesmo conseguindo uma manutenção de uma taxa de dados constante, os dados poderão sofrer atrasos na sincronização e podem tornar-se inadequado para o uso de alguns serviços como a telefonia de voz e vídeo em tempo real. Introdução

5 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 5 Dependendo das necessidades, esses fatores podem variar suas exigências conforme as aplicações de multimídia. Cada grau de exigência define um nível de qualidade de serviço ou QoS. Estes problemas não são tão recentes, antes mesmo dos serviços multimídia em rede, outros serviços em tempo real dependiam do desempenho da rede para funcionar adequadamente. Os serviços de controle de tráfego aéreo, controle de manufatura de produção e sistemas comutadoras telefônicas também precisavam responder em tempo real e qualquer atraso ou lentidão na transação dos dados podia ser fatal. Introdução

6 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 6 QoS ou qualidade de Serviço é chamado assim para qualquer plano ou agendamento de recursos para atender uma necessidade de multimídia ou de outra aplicação qualquer. Outro fator que dificulta o uso de multimídia na rede é sua própria natureza de utilização, portanto alguns características de utilização são importantes em projetos de SD multimídia: – Aplicações de multimídia são frequentemente distribuídos; – Os recursos de multimídia são dinâmicos. as aplicações como tele-confêrencias exigem um aumento de largura de banda e maior capacidade de processamento das máquinas para processar os dados a medida que um maior número de usuários participam da comunicação; – Controle de custo para balancear o uso de recursos multimídia para permitir o processamento de outras atividades na máquina. Ex: reduzir a qualidade do Vídeo para Ouvir melhor o Som. QoS

7 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 7 Aplicações

8 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 8 Um Sistema de Gerenciamento de QoS deve capaz de atender todas essas necessidades, gerenciando a disponibilidade de recursos dinamicamente e variando a demanda de acordo as prioridades dos usuários. QoS

9 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 9 Um Sistema de Gerenciamento de QoS deve capaz de atender todas essas necessidades, gerenciando a disponibilidade de recursos dinamicamente e variando a demanda de acordo as prioridades dos usuários. Os recursos que o QoS normalmente gerencia são: – Largura de banda da rede; – Processador; – Memória; – Largura de banda de Disco. QoS

10 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 10 O gerenciamento de QoS está preocupado em garantir que as aplicações tenham os seus recursos mínimos necessários, mesmo competindo ou compartilhando com outras aplicações os mesmos recursos como, largura de banda, memória e CPU. Muitos serviços de hoje são baseados na lei do melhor esforço: – Serviços Web de Multimídia. Ex: stream de dados de vídeo e audio. Necessitam muitas vezes um esquema bufferização para permitir sem perda de sincronismo na apresentação; – Conferência de audio ou network telefone. São aplicações que requerem pouca largura de banda e utilizam algoritmos de compressão de dados muito eficientes. Mesmo assim atraso muito grandes podem afetar sua usabilidade; – Serviços de vídeo sob demanda, requerem grandes larguras de banda, servidores, clientes e redes dedicadas para este fim. QoS

11 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 11 Aplicações interativas – As aplicações interativas são consideradas muito problemáticas. Ex: uma simples videoconferência exige um aumento de largura de banda para cada usuário adicional. QoS

12 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 12 Aplicações interativas normalmente requerem: – Baixa latência de comunicação. Em torno de valores < 100ms e as interações com os usuários deve ser no modo sincronos; – Estado de distribuição síncrona, se um dos usuários parar o video em dado frame, os outros usuário poderão ver essa parada no mesmo frame; – Sincronização da Mídia, todos os usuário deverão por exemplo serem capazes de ouvir a mesma música ao mesmo tempo. De acordo com Konstantas et al dentro de uma faixa tolerável de 50ms. Deverão ter faixas separadas de som e imagem para permitir inserção de comentários ou para exibição em karaoke; – Sincronização externa, muitos sistemas distribuídos trabalham de modo cooperativo, e podem ter dados em outros formatos. Deve se preocupar então de que forma os dados podem ser atualizados entre os processos e os tempos necessários para fazer isso acontecer (sincronização). QoS

13 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 13 A Janela de scarcity – A janela de scarcity é o termo utilizado para descrever a falta constante de recursos para as aplicações, trazendo restrições quanto a quantidade e qualidade de dados que podem ser suportados pelo sistema. – No início muitas aplicações multimídias pertenciam a janela de scarcity, pois tinha dificuldades em executar os serviços de forma desejados. Isso era verdade até o meado de QoS

14 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 14 Características dos dados multimídia – Stream de multimídia são ditos baseados no tempo ou isossincronos, devido a importância que o elemento tempo tem na apresentação dos dados. O tempo também faz parte da informação. O atrasos na apresentação dos dados pode fazer perder a validade na mesma. – É fundamental que um sistema distribuído se preocupe com o tempo em que os dados são apresentados para o usuário. Os dados devem ser apresentados de forma contínua, sem atrasos significativos de preferência. – A figura mostra as exigências para algumas aplicações mais comuns. QoS

15 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 15 Características dos dados multimídia QoS Data rate (approximate) Sample or frame size frequency Telephone speech64 kbps8 bits8000/sec CD-quality sound1.4 Mbps16 bits44,000/sec Standard TV video (uncompressed) 120 Mbpsup to 640x 480 pixelsx 16 bits 24/sec Standard TV video (MPEG-1 compressed) 1.5 Mbpsvariable24/sec HDTV video (uncompressed) 1000–3000 Mbpsup to 1920x 1080 pixelsx 24 bits 24–60/sec HDTV video MPEG-2 compressed) 10–30 Mbpsvariable24–60/sec

16 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 16 Dados de multimídia são frequentemente muito grandes e pesados, necessitam de grande throughput em relação aos sistemas normais. – Alguns padrões, como o padrão de TV comum demandam mais de 120Mbs, o que é maior do que o padrão Ethernet pode suportar; – As Cpus também podem apresentar restrições, dependendo do poder de processamento da máquina, o consumo poderá alcançar até 10% ou mais da máquina; – O uso de compressão de dados reduz as restrições de throughput apresentados normalmente pelas redes, mas não resolve ainda os problemas de sincronização de tempo na apresentação dos dados. Alguns esforços são realizados para a definição de padrões mundiais para a apresentação de imagens de vídeos como são vistos em MPEG1, MPEG2 e MPEG4. – Em contrapartida, o uso de compressão de dados aumenta a necessidade de processamento tanto nos processos servidores como nos clientes. QoS

17 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 17 No sentido de contornar esse problema de sobrecarga das CPUs, hardwares especiais eram usados para cuidarem especialmente da parte da descompressão e apresentação na tela do computador. Com o melhoramento do poder de processamento dos computadores, tornou-se mais interessante o uso de software para realizar a descompressão de dados, devido a flexibilidade de usar codec/decoders de áudio e vídeo. Tem a vantagens de apresentar um suporte melhor na atualização e aquisição de novos formatos para um sistema multimídia. QoS

18 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 18 MPEG – O padrão mpeg define formatos amplamente usados para a transmissão de dados multimídia. Usa um complexo método de compressão de dados baseados em um método assimétrico. Normalmente requer alto poder de processamento para efetuar uma compressão de vídeo. São usados equipamentos de hardware para isso. Sua descompressão, no entanto é realizados por softwares com a ajuda de decoders que devem ser instalados adequadamente no SO. QoS

19 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 19 Gerenciamento de Qualidade de Serviço – Quando uma aplicação multimídia de rede está trabalhando em uma máquina de desktop pessoal, ocorre uma competição por recursos tanto pela máquina (processador, memória, capacidade de buffer) como pelos recursos da rede (link de físico de transmissão, switches e Gateways). – A competição pode ser entre os aplicativos multimídia e outros aplicativos. A competição pode ocorrer entre outros aplicativos multimídia. Atualmente os recursos de hardwares e de redes são baseados em serviços que oferecem a lei do melhor esforço. Os computadores atuais são munidos de SO capazes de compartilhar o processamento para várias tarefas na mesma máquina (Best efforts). As redes também usam um esquema que permitem o compartilhamento do canal para que várias comunicações possam ocorrer simultaneamente. Tudo isso ajuda na degradação dos recursos disponíveis a medida que a demanda aumenta. QoS

20 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 20 Estes esquemas garantem o compartilhamento de recursos, porém a medida que aumenta a demanda por recursos este mesmo esquema torna- se inadequada para atender as necessidades de aplicações multimídia. A lei do melhor esforço utilizada pelos esquemas atuais não garante manter por exemplo o nível de processamento dedicado para rodar um vídeo ou manter a taxa de throughput necessária para apresentação do vídeo sem perdas de quadros. O Gerenciamento de Qualidade de Serviço - É o gerenciamento realizado para garantir a alocação de recursos necessários para as aplicações. QoS

21 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 21 QoS A figura apresenta uma infra estrutura com os componentes para uma videoconferência. Podemos notar os componentes de software que podem afetar a qualidade da apresentação.

22 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 22 QoS Esta tabela apresenta os recursos necessários para cada componente proposta na figura anterior. ComponentBandwidthLatencyLoss rateResources required Camera Out:10 frames/sec, raw video 640x480x16 bits Zero ACodecIn: Out: 10 frames/sec, raw video MPEG-1 stream InteractiveLow10 ms CPU each 100 ms; 10 Mbytes RAM BMixerIn: Out: 2 44 kbps audio 1 44 kbps audio InteractiveVery low1 ms CPU each 100 ms; 1 Mbytes RAM HWindow system In: Out: various 50 frame/sec framebuffer InteractiveLow5 ms CPU each 100 ms; 5 Mbytes RAM KNetwork connection In/Out:MPEG-1 stream, approx. 1.5 Mbps InteractiveLow1.5 Mbps, low-loss stream protocol LNetwork connection In/Out:Audio 44 kbpsInteractiveVery low44 kbps, very low-loss stream protocol

23 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 23 QoS Tarefas do Gerenciamento de QoS: – Negociação da qualidade de serviço – A aplicação informa suas necessidades ao Gerenciador. O gerenciador consulta seus BD para verificar se existe a disponibilidade de recursos solicitados. Caso não exista, o gerenciador informa o aplicativo para que ele possa reduzir suas exigências; – Controle de admissão – Se o resultado da solicitação for positiva, haverá uma espécie de contrato com validade de tempo, onde ambas as partes, servidor de recursos e aplicação devem garantir o uso de recursos de forma acordados. Caso um deles precise mudar suas necessidades, uma outra rodada de negociação é realizada novamente.

24 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 24 QoS Negociação da Qualidade de Serviço – para iniciar uma negociação de qualidade de serviços entre uma aplicação e um dado sistema, uma aplicação deve especificar suas necessidades junto as gerenciador de QoS. Isto é feito através do envio de um conjunto de parâmetros. – Desses conjunto de parâmetros existem três particularmente importantes: largura de banda; latência; Perda de taxa.

25 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 25 QoS Largura de Banda – É taxa de quantidade na qual os dados multimídias fluem numa transmissão; Latência – latência é o tempo requerido para um dado individual se mover da origem para o destino. Pode depender das características da rede ou da carga de volume da dados. A variação da latência origina o chamado Jitter; Perda de taxa – É taxa ou o nível de perda de dados provocado pelo descarte provocado pelo atraso excessivo na entrega dos dados ao destino. Dados que não forem entregues no data prevista perdem seu valor e ocorre então o loss rate. Este valor não pode mais do que 1% dos dados para termos uma qualidade razoável para dados com áudio ou vídeo.

26 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 26 QoS Os três parâmetros podem ser usados: – Para descrever as características dos dados stream de multimídia de uma dada aplicação. Ex: Largura de banda de 1,5 Mbs para uma teleconferência e tb com necessidade de delay não maior de 150ms para manter uma conversação razoável. A perda de taxa de dados pode ser importante para especificar a perda de 1 quadro em cada 100 para não exibição de vídeo. – Para descrever a capacidade de recursos para transporte de stream. Por exemplo, para providenciar uma rede à 64Kbs de largura de Banda, com atraso menor do que 10ms com taxa de perda de dados em torno de 1 para

27 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 27 QoS Os parâmetros são interdependentes, por exemplo: – Perda de dados em sistemas modernos raramente dependem de erros ocasionados por erros da integridade dos dados ou mal funcionamento do sistema e sim, pelo estouro de do buffer e atrasos de dados dependentes do tempo. Isto ocorre devido a largura de banda e atrasos na rede. – Devido a variações na largura de banda, buffer são utilizados na entrada do destino para evitar perda de dados dependentes do tempo, porém o uso de buffer maiores para melhorar a continuidade de um vídeo por exemplo, irá trazer maiores atrasos na apresentação dos dados. Ex: delay no vídeo.

28 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 28 QoS Especificando parâmetros de QoS para stream de dados – Largura de Banda Normalmente, o que é feito é a especificação de faixas de valores requeridos. Ex: Para exibição de um vídeo MPEG1 é necessário uma largura de banda > 50Mbps; Outro problema é que os padrões utilizados para compactação podem ser variantes, por exemplo, um vídeo mpeg1 pode necessitar em média uma largura de banda de 50mbps. Porém, os algorítmos utilizados podem comprimir mais ou menos dependendo das cenas pertencentes ao vídeo; – Latência Afetam os vídeos e áudios para a conversação entre os humanos. É tido como atraso máximo permitido cerca de 150ms. Valores maiores que isso podem afetar a percepção humana no entendimento da comunicação. Mesmo para vídeos armazenados para simples reprodução necessitam de tempo máximo de 500ms entre pause e play. Outro problema é o Jitter. A bufferização tenta resolver os problemas ocasionados pelo Jitter. Porém, jitter muito grandes podem requerer tamanho de buffer maiores e portanto criando outros problemas que é o atrasos na apresentação da mídia.

29 Professor: Arlindo Tadayuki Noji Instituto de Ensino Superior Fucapi - CESF 29 QoS – Taxa de Perda de Dados É um dos parâmetros mais difíceis de serem especificados. Estes parâmetros são calculados em função do tamanho do buffer e dos atrasos. O cálculo é baseado sempre nos piores casos ou na distribuição padrão dos casos ocorridos. Este parâmetro é dependente da qualidade das outros fatores: largura de banda e atraso.


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