Sistemas Paralelos e Distribuídos
Sistemas de Multimídias
1
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.
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Introdução

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.
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Introdução




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.
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Introdução

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.
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QoS

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.
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Aplicações
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QoS

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.
Video camer a
and mike
Local networ k
Local networ k
Wide area g ateway
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Video
server
Dig ital
TV/radio
server
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QoS

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.
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QoS

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.
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QoS

Aplicações interativas
–
As aplicações interativas são consideradas muito problemáticas. Ex: uma simples
videoconferência exige um aumento de largura de banda para cada usuário
adicional.
interacti ve
vi deo
high-q uali ty
audio
insuffi cient
resources
scarce
resources
abundant
resources
network
fi le access
remote
logi n
1980
11
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1990
2000
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QoS

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.
1997 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).
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QoS

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 1980.
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QoS

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.
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QoS

Características dos dados multimídia
Data rate
(approximate)
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Sample or frame
size
frequency
Telephone speech
64 kbps
8 bits
8000/sec
CD-quality sound
1.4 Mbps
16 bits 44,000/sec
Standard TV video
120 Mbps
up to 640 x 480
24/sec
(uncompressed)
pixels x 16 bits
Standard TV video
1.5 Mbps
variable
24/sec
(MPEG-1 compressed)
HDTV video
1000–3000 Mbps up to 1920 x 1080 24–60/sec
(uncompressed)
pixels x 24 bits
HDTV video
10–30 Mbps
variable 24–60/sec
MPEG-2 compressed)
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QoS

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.
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QoS

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.
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QoS

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.
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QoS

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.
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QoS

Estes esquemas garantem o compartilhamento de recursos, porém a
medida que aumenta a demanda por recursos este mesmo esquema tornase 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.
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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.
PC/workstati on
PC/workstati on
Window system
Camera
K
A
Codec
Microphones
Scr een
B
G
Codec
H
L
Mixer
Network
connecti ons
C
Video fi le system
D
Codec
M
Video
stor e
Window system
: mul timedia stream
Whi te boxes represent media processing components,
many of which are implemented in software, i ncluding : codec: coding /decoding fi lter
mixer: sound-mixing component
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QoS
Esta tabela apresenta os recursos necessários para cada componente proposta na
figura anterior.

Component
Latency
A
Interactive Low
B
H
K
L
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Bandwidth
Out:
10 frames/sec, raw video
Camera
640x480x16 bits
Codec
In:
10 frames/sec, raw video
Out:
MPEG-1 stream
Mixer
In:
2 44 kbps audio
Out:
1 44 kbps audio
Window
In:
various
system
Out:
50 frame/sec framebuffer
Network
In/Out: MPEG-1 stream, approx.
connection
1.5 Mbps
Network
In/Out: Audio 44 kbps
connection
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Loss rate
Zero
Interactive Very low
Interactive Low
Interactive Low
Interactive Very low
Resources required
10 ms CPU each 100 ms;
10 Mbytes RAM
1 ms CPU each 100 ms;
1 Mbytes RAM
5 ms CPU each 100 ms;
5 Mbytes RAM
1.5 Mbps, low-loss
stream protocol
44 kbps, very low-loss
stream protocol
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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.
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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.
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QoS

Largura de Banda
–

Latência
–

É taxa de quantidade na qual os dados multimídias fluem numa transmissão;
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.
25
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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 1000000.
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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.
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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.
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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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