Utfordringer til distribuerte systmer: Multimedia IN-ODP høst 2001 Foreleser: Frank Eliassen Forskningssenter & Ifi/UiO 1 Hva er multimedia? ÿdigital multimedia ÿdatamaskin-kontrollert integrasjon av tekst, grafikk, still bilder, bevegelige bilder, animasjon,lyd, og etthvert annet medium ÿalle datatypene over representeres, lagres, overføres, og prosesseres digitalt. ÿkontinuerlig vs diskret media ÿen kontinuerlig media type har en implisitt tidsmessig dimensjon, mens en diskret type har det ikke. Forskningssenter & Ifi/UiO 2 IN-ODP høst 2001 1
Motivasjon ÿ Distribuerte (multimedia) applikasjoner har svært varierende krav til den underliggende implementasjonsplattform ÿ video telefoni ÿ fjernundervisning ÿ medisinske applikasjoner ÿ kommando og kontroll systemer (forsvaret) ÿ Dagens plattformer for åpen distribuert prosessering kommer dårlig ut Forskningssenter & Ifi/UiO 3 Nøkkelkrav fra multimedia ÿbehov for å representere multimedia i DS ÿbehov for en rekke mekanismer for synkronisering i sann tid for å understøtte multimedia applikasjoner ÿmå kunne spesifisere og dynamisk endre tjenestekvaliteten (Quality of Service - QoS) til overføring av kontinuerlige media ÿaktiviteter startes og termineres ÿbalansere kostnader og kvalitet Forskningssenter & Ifi/UiO 4 IN-ODP høst 2001 2
Støtte for multimedia: Programmeringsmodeller RMI O 1 O 2 (diskret interaksjon) strøm O 1 O 2 (kontinuerlig interaksjon) Forskningssenter & Ifi/UiO 5 Støtte for multimedia: Systemstøtte ÿkrav ÿkontinuerlige media krever en forpliktelse til å yte et gitt nivå av tjeneste f.eks. 25 rammer per sekund for video ÿdenne forpliktelsen må vare i hele interaksjonens levetid Forskningssenter & Ifi/UiO 6 IN-ODP høst 2001 3
Sanntids synkronisering ÿforskjellige former for synkronisering ÿintra media (f.eks. vedlikeholde QoS til en enkel kontinuerlig media strøm) ÿinter media (leppe synkronisering eller film tekster) ÿkonsekvenser ved distribusjon ÿmå understøtte vilkårlige konfigurasjoner av mediakilder og destinasjoner ÿkrav fra en dynamisk tilnærming ÿsynkronisering ved kjøre tid Forskningssenter & Ifi/UiO 7 Interaktive multimedia applikasjoner ÿ Video konferanse, distribuert orkesterøvelse,... ÿ QoS krav ÿ lav latenstid for kommunikasjon round-trip delay < 100ms ÿ synkronisering av distribuert tilstand stopp video operasjon bør observeres av alle innen 500 ms ÿ mediasynkronisering distribuert orkesterøvelser => synkronisering innenfor 50 ms leppe-synkronisering ÿ ekstern synkronsiering synkronisere tidsbaserte multimedia strømmer med data i andre format (animeringer, white-boards, delte dokumenter) Forskningssenter & Ifi/UiO 8 IN-ODP høst 2001 4
En nærmere titt på QoS ÿidl forteller oss hva som kan eller burde gjøres ÿtjenestekvalitet er det ikke-funksjonelle hvordan til det. funksjonelle hva ovenfor. ÿquality of Service (QoS) ÿ En abstrakt spesifikasjon av de ikke-funksjonelle krav til en tjeneste ÿ QoS forvaltning (engelsk: management) ÿ Overvåking og kontroll av et system for å sikre seg at det oppfyller den ønskede QoS Forskningssenter & Ifi/UiO 9 QoS: spørsmål om ressursforvaltning ÿkrever at ressurser allokeres og scheduleres til multimedia applikasjoner under sanntidskrav. ÿ=> QoS forvaltning (management) ÿbehov for QoS forvaltning når ressurser deles mellom flere applikasjoner og noen av disse har sanntidsfrister Forskningssenter & Ifi/UiO 10 IN-ODP høst 2001 5
QoS: spørsmål om ressursforvaltning ÿoversetting av applikasjonens høynivå QoS krav til lavnivå ressursforvaltere ÿressursforvaltere:. ÿutfører adgangskontroll og schedulering ÿschedulerer multimedia presentasjon slik at ressurser er tilgjengelige når det er behov for dem. ÿressurser: ÿdelte: CPU, nett adapter, buffer, komm. båndbredde, disk, ÿeksklusive: kamera, høytaler, spesielle maskinvareenheter, Forskningssenter & Ifi/UiO 11 Operativsystem ÿ De fleste operativsystem inkluderer ikke QoS forvaltning og oppfyller ikke kravene til støtte for multimedia ÿ Et vanlig problem er uforutsigbar sanntidsadferd til programmene Menneske-maskin grensesnitt Audio Video CPU Nettverksgrensesnitt Forskningssenter & Ifi/UiO 12 IN-ODP høst 2001 6
Operativsystem (forts) ÿ Typisk programmeringseksempel (periodisk aktivitet) while (1) { get_cm_object(...); draw_cm_object(... ); } Problem: Brukeren har ingen kontroll over tegne hastighet. start_time = get_current_time(); while (1) { get_cm_object(... ); draw_cm_object(... ); start_time = start_time + period; duration = start_time - get_current_time(); sleep(duration); } Problem: Programmet kan suspenderes på vilkårlige (og svært uheldige ) tidspunkt. Forskningssenter & Ifi/UiO 13 Ressurser i nettverk A B Bufferplass CPU tid 1 2 3 4 5 D Båndbredde C 6 E Forskningssenter & Ifi/UiO 14 IN-ODP høst 2001 7
Internet ÿkarakteristika til Internet ÿinternet er basert på TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) ÿtcp/ip er robust er implementert på de fleste nettverkstyper muliggjør et vidt spekter av applikasjoner (fil- overføring, e-post, distributerte beregninger, etc.) bevarer innhold (retransmisjon) har ført til at UDP foretrekkes for streaming Forskningssenter & Ifi/UiO 15 Uheldigvis... multimedia og Internet som vi kjenner det, passer ikke godt sammen: ÿinternet er basert på prinsippet om best effort gir ingen garantier mhp båndbredde og forsinkelse!! ÿdet gjøres ingen antagelser om den underliggende maskinvare ÿmultimedia kommunikasjon avhenger av kunnskap om tilgjengelige ressurser ÿinternet som basis for distribuert multimedia er ikke enkelt! Forskningssenter & Ifi/UiO 16 IN-ODP høst 2001 8
Kvalitetsforringelse over nettverk Videorammer 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Multimedia server (eller live kilde) Nettverk Dataflyt 1 2 5 6 7 9 Multimedia klient rammetap variasjon i forsinkelse Nettverksruter Forskningssenter & Ifi/UiO 17 Kompensere for variasjon i forsinkelse Avspillingsbuffer: Pakkeankomst Sekvensnummer Nettforsinkelse Pakke generering Buffer Avspilling Tid Forskningssenter & Ifi/UiO 18 IN-ODP høst 2001 9
Best effort båndbredde ÿ Mengden tilgjengelig båndbredde ( data pr tidsenhet ) er økende, men... ÿ konsumeringen av båndbredde er ikke kontrollert Pakketap/økt forsinkelse Forskningssenter & Ifi/UiO 19 Nye krav til Internet ÿdet fremtidige Internet vil fortsatt være dominert av dagens elastiske applikasjoner, men... ÿ sanntidsapplikasjoner som ÿ telefon over Internet ÿmpeg-2 video strømmer har mer strenge krav til båndbredde og begrenset forsinkelse Forskningssenter & Ifi/UiO 20 IN-ODP høst 2001 10
Alternative løsninger ÿvi kan kutte ut IP og bruke en annen, mer multimedia vennlig teknologi, f.eks. ATM ÿeller vi kan modifisere og oppgradere IP protokollene ÿeller vi kan stole på at det snart blir overkapasitet i nettet ÿuninett har startet utbygging av gigabit-nett ÿom få år: terrabit svitsjekapasitet i nettet Forskningssenter & Ifi/UiO 21 Knapphetsvinduet ÿ Det vil være tilstrekkelige ressurser for fremtidige multimedia applikasjoner kun hvis ressursene forvaltes på en korrekt måte. ÿ fremskritt innen systemytelse brukes til kvalitetsforbedringer (videooppløsning, videorate, flere videostrømmer samtidig, sanntids spesialeffekter ) ÿ dingser, PDAer, miniatyriserte datamaskiner vil ha små ressurser Interaktiv video Høykvalitets audio Utilstrekkelige ressurser Tilstrekkelige men knappe ressurser Overflod med ressurser Remote login 1980 1990 2000 Forskningssenter & Ifi/UiO 22 IN-ODP høst 2001 11
Redusere ressursbehov: Komprimering ÿ Tre grunner for komprimering: ÿ multimedia-datas krav til lagerkapasitet ÿ relativt langsomme eksterne lagringsenheter ÿ overføringskapasitet i nettet ÿ Regne eksempel: ÿ 620 x 560 pixels pr. ramme, 24 bits per pixel => ca. 1 MB per ramme ÿ Sanntidsrate: 30 rammer per sek => 30 MB/s (eller 240 Mbit/s) ÿ Til sammenligning: CD-ROM: 0.15-4.8 MB/s RAID: typisk 10-100 MB/s ISDN: typisk 64-128 Kbit/s ADSL: typisk 2Mbit/s nedstrøms, 256 Kbit/s oppstrøms UMTS: opptil 2Mbit/s ATM: typisk 19-77 MB/s Forskningssenter & Ifi/UiO 23 Komprimering ÿ Løsning: ÿ komprimer (før lagring/overføring) ÿ dekomprimer (før presentasjon) ÿ Typiske komprimeringsforhold for moderne bilde og video komprimering: ÿ JPEG: < 70 : 1 (studio kvalitet: 8-10 Mbps) ÿ MPEG-1: < 200 : 1 (VCR kvalitet: 1.5 Mbps) ÿ MPEG-2: < 200 : 1 (studio kvalitet: 4-8 Mbps) ÿ MPEG-4: 300:1-3500:1 (videokonferanse 5-64 Kbps) ÿ H.261 px64: 100:1-2000 : 1 (video telefoni ISDN 64Kbits - 2Mbps) ÿ H.263: (video-konferanse < 64 Kbps) ÿ Komprimeringsalgoritmer kan være lossless eller lossy og er typisk asymmetriske Forskningssenter & Ifi/UiO 24 IN-ODP høst 2001 12
Grunnleggende om QoS ÿflyt (flow) (kalles noen ganger en strøm (stream)) ÿqos er fundamentalt et ende-til-ende spørsmål ÿen flyt er produksjonen, overføringen, og den endelige konsumering av en eneste kontinuerlig mediatype og som er underlagt et eneste ende-til-ende QoS utsagn Forskningssenter & Ifi/UiO 25 Grunnleggende om QoS ÿqos kategorier og dimensjoner QoS kategorier Betimelighet Volum Pålitelighet Eks. QoS-dimensjoner for strøm interaksjon Ende-til-ende forsinkelse, tillatt variasjon i forsinkelse Opplevd gjennomstrømning som rammer per sekund % tap av rammer bitfeil rate i hver ramme Eks. QoS-dimensjoner for diskret interaksjon Ende-til-ende forsinkelse på interaksjon Opplevd gjennomstrømning som bytes per sekund bitfeil rate i individuelle interaksjoner Varierende forpliktelsesnivå : best effort vs garantert Forskningssenter & Ifi/UiO 26 IN-ODP høst 2001 13
Tjenestekvalitet og multimedia QoS Max forsinkelse (s) Max jitter (ms) Gj.snittlig gjennomstrømning (Mbit/s) Akseptabel bitfeil rate Akseptabel pakke feil rate Audio 0.25 10 0.064 <10-2 <10-1 Video (TV kvalitet) 0.25 100 100 10-3 10-3 Komprimert video 0.25 100 2-10 10-9 -10-5 10-9 Data (filoverføing) 1-2-100 0 0 Sann-tids data 0.001-1 - <10 0 0 Bilde 1-2-10 10-4 10-9 Forskningssenter & Ifi/UiO 27 Eksempel: ressursbehov MM applikasjon Kamera. ÿþýüûúûùøü PC C A Codec B Mixer D Codec K L M PC vindussystem G Codec H :MMstrøm vindussystem Nettverksforbindelser Lagret video : SW prosess Forskningssenter & Ifi/UiO 28 IN-ODP høst 2001 14
Eksempel (forts): Ressursbehov Komponent Kamera A Codec BMixer L Nettverk forbind. Båndbredde Ut: 10 rammer sek/rå video 640x480x16bits Inn: 10 rammer sek/rå video Ut: MPEG-1 strøm Inn: 2x44 Kbits/sek audio Ut: 1x44 Kbits/sek audio Inn: variabelt Ut: 50 rammer/sek framebuf. Inn/ut: MPEG-1 strøm ca. 1.5 Mbits/sek Inn/ut: Audio 44Kbits/sek Latenstid Interaktiv Interaktiv Interaktiv Interaktiv Interaktiv HVindussystem K Nettverk forbind. Tapsrate Null Lav Veldig lav Lav Lav Veldig lav Ressursbehov 10 ms CPU hver 100 ms 10 Mbyte RAM 1 ms CPU hver 100 ms 1 Mbyte RAM 5 ms CPU hver 20 ms 5 Mbyte RAM 1.5 Mbits/sek, strøm protokoll m/lav tapsrate 44 Kbits/sek, strøm protokoll m/ veldig lav tapsrate Forskningssenter & Ifi/UiO 29 Oppgaver i QoS forvaltning ÿqos spesifikasjon ÿqos parameter oversetting og distribusjon ÿqos forhandling ÿadgangskontroll/reservering ÿqos monitorering ÿqos reforhandling/ressurs adaptering ÿressurs deallokering Forskningssenter & Ifi/UiO 30 IN-ODP høst 2001 15
Lag/komponent spesifikk QoS User. user QoS Application application QoS device QoS Device System system QoS OS Comm. CPU QoS network QoS CPU Network Forskningssenter & Ifi/UiO 31 QoS forhandling Adgangskontroll Ja Reserver nødv. ressurser Ressurs kontrakt La applikasjon fortsette Applikasjonen kjører med tildelte ressurser Applikasjonen spesifiserer sine QoS krav til QoS forvalter QoS spec QoS forvalter evaluerer nye krav mot tilgjengelige ressurser. Tilstrekkelig? QoS forhandling Nei Forhandle om redusert ressurstilgang med applikasjonen. Enighet? Ja Nei Applikasjonen kan ikke fortsette Applikasjonen opplyser QoS forvalter om økt ressursbehov Forskningssenter & Ifi/UiO 32 IN-ODP høst 2001 16
QoS parametre ÿ Bruker QoS parametre ÿ subjektive ÿ Applikasjons. QOS parametre ÿ mediakarakteristika oppløsning, dybde, ramme-rate, ÿ transmisjonskarakteristika ende-til-ende forsinkelse, ÿ media relasjoner skew, konvertering (PAL NTSC) Forskningssenter & Ifi/UiO 33 QoS parametre II ÿ System QoS parametre (avledes fra applikasjons QoS m.m.) ÿ båndbredde ÿ burstiness (utbruddskarakteristika). ÿ pakkestørrelse ÿ pakkerate ÿ forsinkelse (ende-til-ende, lokal) ÿ jitter (variasjon i forsinkelse) ÿ tapsrate ÿ ordnet pakkelevering ÿ kostnader ÿ... Forskningssenter & Ifi/UiO 34 IN-ODP høst 2001 17
QoS parametre IV ÿtre sentral QoS-parametre mhp prosessering og transport av multimedia ÿbåndbredde ÿforsinkelse ÿtap ÿkan benyttes til å beskrive ÿkarakteristika til en strøm ÿevnen til en ressurs (nettverk) til å transportere en strøm Forskningssenter & Ifi/UiO 35 QoS parameter: båndbredde ÿ bits/sek ÿ variabel vs konstant ÿ variabel max, min, gjennomsnitt, burst-parameter ÿ LBAP (Linear bounded arrival process): ofte brukt modell for å definere QoS parametre og karakteristika til datastrømmer (se Coulouris side 618) datastrøm: i utgangspunktet strengt periodisk, irregulær, maks meldingsstørrelse burst: meldinger som ankommer tidligere enn schedulert LBAP: meldingsankomstprosess definert ved tre paramter: M = maks meldingsstørrelse (byte/melding) R = maks meldingsrate (meldinger/sek) B = max burststørrelse (meldinger) Forskningssenter & Ifi/UiO 36 IN-ODP høst 2001 18
QoS parameter: forsinkelse ÿ ende-til-ende forsinkelse ÿ krav til maks. forsinkelse avhenger av applikasjon konferanse applikasjon: 150 ms avspilling lagret video: 500 ms ÿ karakteristika til transmisjonsmediet bestemmer denne størrelsen ÿ noen tidsmessige krav kan (ofte) avledes fra mediastrømmen selv f.eks. rammerate R => en ramme må i gj.snitt ikke forbli i et buffer lenger enn en periode på 1/R lengere tid i buffer => bygger seg opp en backlogg. backlogg => økt ende-til-ende forsinkelse ÿ jitter variasjon i forsinkelse primære løsningsmetode: utgjevningsbuffer jitter-fjerning har begrensninger (jfr. over) Forskningssenter & Ifi/UiO 37 QoS parameter: tap ÿ vanskelig å spesifisere presist ÿ basert på sannsynlighetsregning ÿ må spesifisere karakteristika til tap fordelt over tid ÿ årsak. til tap av data ÿ buffer overflow, ÿ for seint ankommet data ÿ Tiltak mot tap ÿ feilkorrigering øker båndbredde behovet ÿ retransmisjon passer normalt dårlig for sanntidsstrømmer ÿ forover feilkorrigering bedre men inroduserer redundans i konflikt med kravet om komprimering for å redusere behov for båndbredde Forskningssenter & Ifi/UiO 38 IN-ODP høst 2001 19
Trafikk-forming ÿregulere graden av variasjon i båndbredde for en strøm ÿregulering ved utjevningsbuffer på sendersiden. (a) Leaky bucket (b) Token bucket Token generator Forskningssenter & Ifi/UiO 39 RFC 1363 flow spec ÿ Protocol version ÿ Max transmission unit ÿ Token bucket rate ÿ Token. bucket size ÿ Max transmission rate ÿ Min delay noticed ÿ Max delay variation ÿ Loss sensitivity ÿ Burst loss sensitivity ÿ Loss intervall ÿ Quality of guarantee Båndbredde inklusive grad av burstiness Minimum forsinkelse og maks akseptabel jitter Totalt antall akseptable tap over gitt intervall, pluss maks antall etterfølgende tap Forskningssenter & Ifi/UiO 40 IN-ODP høst 2001 20
QoS klasser ÿ Diskret QoS klasser i stedet for et kontinuerlig spektrum av QoS verdier ÿ telefon-kvalitet. ÿ CD-kvalitet ÿ lav kvalitetsvideo ÿ standard TV video ÿ HDTV video ÿ ÿ Implisitt kjent av alle systemkomponenter ÿ standardisere navn og deres betydning ÿ Forenkler QoS forvaltning Forskningssenter & Ifi/UiO 41 QoS parametre III ÿ Nettverks QoS parametre (avledes fra system QoS m.m.). nettverkslast (gj.snitt/min ankomstidsintervall) pakke/celle størrelse latenstid forbindelsesetablering nettverksforsinkelse ÿ Avhenger generelt av type nettverksteknologi og tjenestemodell (kompliserer QoS forvaltning) ÿ Device QoS parametre (avledes fra system QoS m.m.) ÿ tidsmessige krav ÿ krav til gjennomstrømning ÿ CPU QoS parametre (avledes fra system QoS m.m.) ÿ periode, deadline, prioritet, prosesseringstid per periode,... Forskningssenter & Ifi/UiO 42 IN-ODP høst 2001 21
QoS forhandling ÿ Mål ÿ etablere felles (kompatible) QoS parameter verdier mellom komponentene ÿ. med ressurs adgangstest, allokering og reservering ÿ Modell: caller callee connect conform connect request connect indicate connect response service provider Forskningssenter & Ifi/UiO 43 Eksempel QoS forhandling ÿfor hver parameter, spesifiserer ÿønsket verdi og dårligste akseptable verdi ÿeks.: Båndbredde : {1.5Mbit/s,1.0Mbit/s}. caller callee 1.5Mbit/s 1.0Mbit/s foreslått verdi endelig verdi grense service provider Forskningssenter & Ifi/UiO 44 IN-ODP høst 2001 22
Adgangskontroll ÿ QoS parametre må avbildes til ressurskrav ÿ Adgangstest for ÿ schedulerbarhet kan CPUen fordeles slik at alle oppgaver får nok? EDF og RM CPU-schedulering vs round-robin ÿ buffer plass f.eks. for encoding/decoding, utligne jitter,... ÿ Båndbredde f.eks. MPEG1 strøm med VCR kvalitet genererer ca. 1.5 Mbps ÿ tilgjengelighet/kapabilitet til device ÿ Forskningssenter & Ifi/UiO 45 Ressursallokering/reservering ÿgjøres i hht til tjenestetype ÿ ulike tjenster kan ha forskjellige policies ÿ Pessimistisk. ÿ vurderer værste tilfelle ÿ garantert deterministisk tjenestekvalitet ÿ underutnyttelse av ressurser ÿ Optimistisk ÿ vurderer gjennomsnittlige tilfelle ÿ statistisk garantert tjenestekvalitet ÿ ingen reservasjon ÿ best effort Forskningssenter & Ifi/UiO 46 IN-ODP høst 2001 23
Ressursallokering i Internet? ÿintserv: ny tjenestemodell for Internet ÿ3 klasser av tjenester, ulik pris ÿ Best effort service (som dagens Internet) ÿ Controlled-load service nettverket vil virke lite belastet hele tiden ÿ Guaranteed service gir garantert båndbredde og maks forsinkelse ÿbasert på nye protokoller (RSVP og IPv6) mange åpne spørsmål, inklusive skalerbarhets-spørsmål og betalingsmodeller ÿalternativ modell: DiffServ ÿalle pakker aggregeres i tre ulike QoS klasser Forskningssenter & Ifi/UiO 47 Reservasjonsprotokoll i Internet (RSVP) ÿtilsvarer signalering i ATM ÿforeslått Internet standard: RSVP ÿkonsistent med robustheten til dagens forbindelsesløse modell ÿbruker soft state (oppfriskes periodisk) ÿkonstruert for å understøtte multicast ÿreservasjon er mottakerorientert ÿkan spesifisere et antall sendere mottaker sender ruter Forskningssenter & Ifi/UiO 48 IN-ODP høst 2001 24
Mottaker-orientert reservasjon ÿmotivasjon ÿsendere kan alltid sende data ÿmottakere kjenner sine egne kapasitetsbegrensninger ÿmottakeren erfarer QoS ÿnår betaling kommer: høy sannsynlighet at mottaker må betale ÿmottakere velger ressursnivå som reserveres ÿreservasjon: del av soft state ÿmottakere er ansvarlig for å etablere og holde reservasjonene aktive så lenge de ønsker å motta data Forskningssenter & Ifi/UiO 49 Skille mellom reservasjon og pakkefiltre ÿressurser reserveres i ruterne pr assosiasjon ÿpakkefiltre velger hvilke senderes pakker som kan bruke ressursene ÿpakkefiltre er dynamiske, dvs mottaker kan endre filtrene i løpet av reservasjonstiden. ÿpakkefiltre kan endres uten å endre mengden reserverte ressurser Forskningssenter & Ifi/UiO 50 IN-ODP høst 2001 25
Reservasjonsmåter ÿ Reservasjonsmåter indikerer hvordan mellomliggende rutere aggrerer reservasjoner fra mottakere i samme multicastgruppe ÿ Applikasjonskrav bestemmer om ressurser kan aggregeres eller ikke Hvor mye må reserveres på delt link? Aggregering: => 1 Mbit/s Ikke aggregrering => 2 Mbit/s ÿ Hvis begge mottakere alltid vil motta samme videostrøm, kan aggregering benyttes. ÿ Hvis begge mottakere ønsker å bytte mellom senderne, må separat reservering vedlikeholdes. Forskningssenter & Ifi/UiO 51 Reservasjonsmåter ÿ No-filter ÿ reservert båndbredde kan benyttes av alle innkommende pakker ÿ intet skille mellom sendere ÿ kan aggregere ÿ Fixed filter ÿ mottakere mottar kun data fra kilder som er nevnt i opprinnelige reservasjonsmelding ÿ reservasjon kan aggregeres hvis mottakerne spesifiserer felles kilder Begge mottakere spesifiserer blå kilde Forskningssenter & Ifi/UiO 52 IN-ODP høst 2001 26
Reservasjonsmåter ÿ Dynamisk filter ÿ mottakere kan endre deres filtre til forskjellige kilder over tid ÿ kan ikke aggregere reservasjoner ÿ hver mottaker forespør nok båndbredde for et maks antall innkommende strømmer den kan handtere på en gang ÿ nettverket må reservere nok ressurser til å handtere verste tilfelle, dvs alle mottakere tar input fra forskjellige kilder Forskningssenter & Ifi/UiO 53 Vedlikeholde soft state ÿ Motivasjon ÿ medlemmer i en multipunkt-til-multipunkt applikasjon kommer og går ÿ rutene gjennom nettet kan endre seg ÿ RSVP lagrer soft state i mellomliggende rutere ÿ brukernes ansvar å vedlikeholde den ÿ To typer tilstandinformasjon ÿ path state ÿ reservation state ÿ to meldinger: PATH og RESV ÿ kilder sender PATH meldinger hvert 30. sekund (kan justeres) ÿ destinasjonen svarer med RESV meldinger Forskningssenter & Ifi/UiO 54 IN-ODP høst 2001 27
PATH og RESV meldinger PATH msg PATH msg PATH msg T-spec T-spec T-spec RESV msg R-spec RESV msg R-spec RESV msg R-spec Forskningssenter & Ifi/UiO 55 PATH og RESV parametre ÿrspec: beskriver QoS som kreves fra nettet for en flow kontrollert forsinkelse: nivå av forsinkelse som kreves garantert/prediktiv: delay target båndbredde ÿtspec: beskriver trafikk karakteristika til flyten gj.snittlig båndbredde + utbrudd: token bucket filter token rate r bucket dybde B må ha et token for å sende et byte må ha n token for å sende n byte starter med ingen token akkumulerer token i en rate på r per sekund kan ikke akkumulere mer enn B token Forskningssenter & Ifi/UiO 56 IN-ODP høst 2001 28
IPv6 QoS kapabiliteter ÿpakker kan merkes med en flow-label slik at det er mulig å identifisere hvilke pakker tilhører hvilken flow i ruterne ÿen flow-label kan assosieres med en bestemt sti gjennom nettverket ÿruterne bruker verdien på flow-label til å videresende pakkene langs en på forhånd oppsatt sti ÿi kombinasjon med RSVP kan dette benyttes til ressursreservering per flow gjennom nettet Forskningssenter & Ifi/UiO 57 Strøm tilpassing (adaptering) ÿnår QoS ikke kan garanteres ÿ=> applikasjonen må tilpasse seg endringer i QoS nivå ÿfor. kontinuerlig media strømmer: justere presentasjonskvalitet ÿenkleste form for tilpassing ÿkaste deler av dataene ÿvideo-strøm: kaste rammer ÿutilstrekkelig båndbredde og ingen data kastes ÿ=> økt forsinkelse ÿikke akseptabelt for interaktive applikasjoner Forskningssenter & Ifi/UiO 58 IN-ODP høst 2001 29
Skalering ÿ Tilpasse en strøm til den tilgjengelige båndbredde ÿ enklest for live strømmer kan dynamisk velge koding. ÿ for lagrede strømmer avhenger av kodingsmetode hvilke former for skalering som er mulig ÿ tilnærming subsamling av gitt signal Forskningssenter & Ifi/UiO 59 Video - skalering ÿ Temporal skalering ÿ redusere rammerate ÿ passer best for strømmer basert på intrarammekoding (f.eks. Motion JPEG). ÿ passer mindre bra for strømmer basert på interrammekoding (deltakomprimering) (f.eks. H.261, H.263, MPEG-1, MPEG-2) ÿ Romlig skalering ÿ redusere antall pixler i hver ramme i video-strømmen ÿ (ofte) basert på hierarkisk koding (f.eks. JPEG og MPEG-2) ÿ Frekvensskalering ÿ modifisere komprimeringsalgoritmen ÿ medfører tap av kvalitet (d.e. tap av detaljer) Forskningssenter & Ifi/UiO 60 IN-ODP høst 2001 30
Video - skalering II ÿ Amplityde skalering ÿ redusere fargedybde for hvert pixel ÿ benyttes i H.261 for å oppnå konstant båndbredde ÿ Fargeromskalering. ÿ redusere oppløsningen i fargerommet (redusere pixmap) ÿ f.eks. bytte fra farge til gråskala ScaleDown() monitor øü úûü þùýø ø Skalerbar kilde mediastrøm ø øü ø û ù ý øüøü û þ øù ø øü øù þ Forskningssenter & Ifi/UiO 61 Støtte for gruppekommunikasjon ÿ Behov for programmeringsmodell og systemstøtte for flerdeltaker kommunikasjon. Eksempel: ÿ multicast tre med filtrering tilpasset QoS til hver mottaker ÿ anvender skalering i hver relevant node i stien fra sender til mottaker Høy båndbredde (rate:25, farge:full) Middels båndbredde (rate: 10, farge: full) Lav båndbredde (rate:10, farge:gråskala) Forskningssenter & Ifi/UiO 62 IN-ODP høst 2001 31
Ressursforvaltning i endesystemer ÿ Gjøre CPUen tilgjengelige for multimedia applikasjoner når det er behov for den ÿ Oppfylle tidskrav ÿ OS må benytte sanntidsschedulering ÿ fair schedulering ÿ best effort ÿ Tidskritiske operasjoner i multimedia er ofte periodiske ÿ Vanlig antagelse ÿ Prosessering av kontinuerlige media data må opptre i nøyaktige forutbestemte, periodiske intervall. Operasjoner på disse data går igjen om og om igjen, og må være avsluttet med visse tidsfrister ÿ Problem for schedulering ÿ Finne et mulig gjennomførbart schedul som tillater alle tidskritiske kontinuerlige media oppgaver å oppfylle sine tidsfrister Forskningssenter & Ifi/UiO 63 EDF og RM ÿ To algoritmer for schedulering av periodiske oppgaver ÿ Earliest Deadline First (EDF) ÿ Oppgaven med den først utløpende tidsfristen har høyest prioritet ÿ Dynamisk og optimal algoritme; ved ankomst av ny oppgave, beregnes en ny prioritetsordning ÿ Mindre god ved overbelastning ÿ Rate Monotonic (RM) ÿ Oppgaven med korteste periode har høyest prioritet ÿ Optimal for periodiske oppgaver ÿ Mindre god ved flere typer belastning ÿ Deadline overskridelser ÿ aborterer oppgaven som ikke kan oppfylle sin tidsfrist ÿ applikasjonsspesifikk handtering ved passe språkmekanismer Forskningssenter & Ifi/UiO 64 IN-ODP høst 2001 32
EDF vs RM Høy rate. da db dc d1 d2 d3 d4 d5 d6 1 2 3 4 5 6 7 Lav rate A B C D EDF 1 2 3 4 5 6 7 A B C D Rate monoton 1 A 2 A 3 B 4 B 5 C 6 C 7 D tid Forskningssenter & Ifi/UiO 65 Schedulerbarhetstesting En task mengde med m periodiske, preemptive tasker med prosesseringstid e i,ogperiodep i for i = 1,...,m, er schedulerbar: - med fast prioritetstilordning (som i RM) hvis: Σ(e i /p i ) ln 2 - for deadline drevet skedulering (som i EDF) hvis: Σ(e i /p i ) 1 (Liu og Layland, 1973) Forskningssenter & Ifi/UiO 66 IN-ODP høst 2001 33
Krav til operativsystem ÿ Må kunne oppfylle krav både fra sanntidsapplikasjoner og elastiske applikasjoner ÿ operativssystemet må kunne benytte flere ulike scheduleringsalgoritmer samtidig ÿ Eksempel: To-nivå schedulering ÿ Ulike scheduleringsalgoritmer gis en viss andel av CPU-tiden ÿ Hver scheduleringsalgoritme har ansvar for en gruppe av oppgaver ÿ Laveste nivå schedulering bestemmer hvilken scheduleringsalgoritme som får kjøre (i hht dens CPU andel) ÿ Mulig i eksperimentelle OS i dag ÿ Eks: QLinux - standard Linux med QoS støtte ÿ http://www.c.umass.edu/~lass/software/qlinux Forskningssenter & Ifi/UiO 67 Oppsummering ÿmultimedia applikasjoner krever mekanismer som gjør de i stand til å handtere store mengder tidsavhengige data ÿviktigste mekanisme: QoS forvaltning ÿqos er et spørsmål om ressursforvaltning ÿressursforvaltning innebærer ÿadgangskontroll ÿscheduleringsfunksjon Forskningssenter & Ifi/UiO 68 IN-ODP høst 2001 34