Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computac~ao Universidade Estadual de Campinas
Uma Arquitetura Baseada em Sistemas de Agentes para Suporte de Qualidade de Servico em
Aplicac~oes Multimdia Distribudas
Luiz Aonso Henderson Guedes de Oliveira Prof. Eleri Cardozo, Ph.D.
Orientador
Campinas, SP - Brasil
Marco de 1999
Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computac~ao Universidade Estadual de Campinas
Uma Arquitetura Baseada em Sistemas de Agentes para Suporte de Qualidade de Servico em
Aplicac~oes Multimdia Distribudas
Luiz Aonso Henderson Guedes de Oliveira
Orientador: Prof. Eleri Cardozo, Ph.D.
Tese de doutorado apresentada a Faculdade de Enge- nharia Eletrica e de Computac~ao como parte dos requisitos para obtenc~ao do ttulo de Doutor em Engenharia Eletrica.
Area de concentrac~ao: Automac~ao Industrial
Campinas, SP - Brasil
Marco de 1999
Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computac~ao Universidade Estadual de Campinas
Banca Examinadora
Prof. Eleri Cardozo, PhD - Orientador
Prof. Lus Carlos Trevelin, Dr - Membro Externo
Prof. Marcelo K. Zuo, Dr - Membro Externo
Prof. Ivan L. M. Ricarte, PhD - Membro Interno
Prof. Maurcio F. Magalh~aes, Dr - Membro Interno
Prof. Fernando Gomide, PhD - Membro Suplente
Prof. Ricardo R. Gudwin, Dr - Membro Suplente
Para minha esposa Inez Sigma e minha lha Beatriz
Agradecimentos
Ao meu orientador, Prof. Eleri Cardozo, pela forma atenciosa e competente como conduziu este trabalho.
Aos amigos Lus Fernando Faina, Paulo Cesar Oliveira e Rodrigo Prado pelas discuss~oes, sugest~oes e contribuic~oes a este trabalho. Tambem agradeco a eles por me provarem que trabalhar em equipe alem de mais produtivo e bem mais agradavel.
Aos amigos e colegas do Laboratorio de Computac~ao e Automac~ao (LCA), que tornaram o ambiente de trabalho bastante agradavel. Dentre eles: Alexandre Pinto, Andre Coelho, Be- nito Giordani, Claudio Rodrigues, Douglas Araujo, Eduardo Oliveira, Eurpedes dos Santos, Jussara Fardin, Luiz Gonzaga Jr. e Naur Janzantti Jr.
Ao Departamento de Engenharia de Computac~ao e Automac~ao Industrial (DCA) da Facul- dade de Engenharia Eletrica e de Computac~ao (FEEC) da Unicamp por ter proporcionado a infra-estrutura necessaria a realizac~ao deste trabalho.
Ao Departamento de Engenharia Eletrica da Universidade Federal do Para, por permitir meu afastamento para realizac~ao do doutorado, e a CAPES pela concess~ao da bolsa de estudo.
\A sabedoria de um povo n~ao consiste no
grau de conhecimento que ele detem, mas
sim na forma como esses conhecimentos s~ao
utilizados."
Lista de Trabalhos Publicados
L. A. Guedes and P.C. Oliveira and L.F. Faina and E. Cardozo, \An Agent-based Approach for Supporting Quality of Service in Distributed Multimedia Systems", Computer Commu- nications Journal , Vol. 21 No. 14, pg. 1269-1278, September 1998.
R. C. M. Prado and L. A. Guedes and L.F. Faina and E. Cardozo, \ODP Channel: an Open Mechanism for Supporting Media Flows in Distributed Environments", XXIV Conferencia Latinoamericana de Informatica (CLEI'98), Quito, Equador, pg. 111-122, October 21-23, 1998.
P. Oliveira, L. A. Guedes e E. Cardozo, \Monitoramento de Qualidade de Servico em Sistemas Multimdia Distribudos: um Estudo de Caso para Sistemas Baseados em Agentes Moveis", Anais do XVI Simposio Brasileiro de Redes de Computadores, SBRC 98, pages 481-500, Rio de Janeiro, Brasil, Maio 1998.
L. A. Guedes and P.C. Oliveira and L.F. Faina and E. Cardozo \QoS Agency: An Agent-based Architecture for Supporting Quality of Service in Distributed Multimedia Systems" , IEEE Conference on Protocols for Multimedia Systems - Multimedia Networking (PROMSMmNet'97), Santiago, Chile, pg. 204-212, November, 1997.
R. C. M. Prado and L. A. Guedes and L.F. Faina and E. Cardozo, \Implementac~ao de Servicos Multimdia em CORBA", XXIII Conferencia Latinoamericana de Informatica (CLEI'97), Val Paraiso, Chile, Novembro, 1997.
L. A. Guedes e E. Cardozo, \Especicac~ao de um Protocolo para Negociac~ao de Qualidade de Servico em Sistemas Multumdia", Anais do XV Simposio Brasileiro de Redes de Compu- tadores, SBRC 97, pages 101-117, S~ao Carlos, Brasil, Maio 1997.
L. A. Guedes, P. Oliveira, and E. Cardozo, \An Agent-Based Approach for Quality of Servi- ce Negotiation and Management in Distributed Multimedia Systems", Proceedings of First International Workshop in Mobile Agents, MA97, Lecture Notes in Computer Science, vol.
1219, pages 1-12, Berlin, Germany, April 1997.
Sumario
Lista de Trabalhos Publicados vii
Lista de Figuras xiii
Lista de Tabelas xiv
Lista de Acr^onimos xv
Resumo xviii
Abstract xix
1 Introduc~ao 1
1.1 Tipos de Mdias . . . 2
1.2 Areas de Aplicac~ao de Sistemas Multimdia . . . 3
1.2.1 Aplicac~oes em Escritorios . . . 3
1.2.2 Aplicac~oes em Educac~ao . . . 3
1.2.3 Aplicac~oes em Saude . . . 3
1.2.4 Trabalho Cooperativo Suportado por Computador (CSCW) . . . 3
1.3 Demandas das Mdias Digitais . . . 3
1.4 Requisitos de Sistemas Multimdia . . . 4
1.5 Objetivos e Contribuic~oes do Trabalho . . . 5
1.6 Divis~ao do Trabalho . . . 6
2 Qualidade de Servico em Sistemas Multimdia 7
2.1 Introduc~ao . . . 72.2 Par^ametros de Qualidade de Servico . . . 8
2.2.1 Par^ametros de QoS no Nvel de Sistema . . . 9
2.2.2 Par^ametros de QoS no Nvel de Usuario . . . 10
2.2.3 Relac~ao Entre Par^ametros de Qualidade de Servico nos Nveis de Usuario e de Sistema . . . 12
2.3 Qualidade em Servicos Multimdia . . . 12
2.4 Servicos da Aplicac~ao . . . 15
2.4.1 Servicos de Dispositivos . . . 16
2.4.2 Servicos de Base de Dados . . . 16
2.4.3 Servicos de Tratamento de Sinal . . . 17
SUMARIO ix
2.4.4 Servicos de Sincronismo . . . 19
2.4.5 Servicos de Ger^encia de Buers . . . 21
2.4.6 Servicos de Escalonamento de Tarefas . . . 21
2.5 Servicos de Comunicac~ao . . . 22
2.5.1 Servico de Transporte . . . 23
2.5.2 Servico de Rede . . . 24
2.5.3 Tecnologias de Rede . . . 25
2.6 Comentarios Finais . . . 29
3 Suporte a Qualidade de Servico em Aplicac~oes Multimdia Distribudas 31
3.1 Ciclo de Vida de Aplicac~oes Multimdia . . . 313.1.1 Fase de Estabelecimento de Sess~ao . . . 31
3.1.2 Fase de Atividade de Sess~ao . . . 33
3.1.3 Fase de Encerramento de Sess~ao . . . 35
3.1.4 Relac~oes Entre as Atividades do Ciclo de Vida . . . 35
3.2 Conitos no Processo de Negociac~ao de Qualidade de Servico . . . 36
3.3 Arquiteturas de Suporte de Qualidade de Servico . . . 38
3.3.1 A Arquitetura Tenet . . . 39
3.3.2 A Arquitetura QoS-A . . . 40
3.3.3 A Arquitetura OMEGA . . . 41
3.3.4 Outras Propostas . . . 42
4 Um Modelo Baseado em Agentes Para Suporte a Qualidade de Servico 44
4.1 Sistemas Baseados em Agentes (SBA) . . . 444.2 Arquitetura Baseada em Agentes Para Suporte a Qualidade de Servico . . . 47
4.3 Estabelecimento de Sess~ao . . . 50
4.3.1 Especicac~ao de Contrato . . . 51
4.3.2 Negociac~ao de Contrato . . . 55
4.4 Execuc~ao de Sess~ao . . . 59
4.5 Encerramento de Sess~ao . . . 61
5 Especicac~ao Formal do Protocolo de Negociac~ao e Ger^encia de Qualidade de Servico 63
5.1 Especicac~ao do Protocolo para Estabelecimento de Sess~ao . . . 635.1.1 Cenarios de Sucesso na Negociac~ao . . . 64
5.1.2 Cenarios de Falha na Negociac~ao . . . 66
5.2 Especicac~ao do Protocolo para Execuc~ao de Sess~ao . . . 67
5.3 Especicac~ao do Protocolo para Encerramento de Sess~ao . . . 68
6 Arquitetura de Implementac~ao 78
6.1 Suporte para Processamento Distribudo . . . 786.2 Modulo Servidor de Contrato . . . 80
6.3 Modulo de Trading . . . 83
6.4 Modulo de Servico Multimdia . . . 83
6.5 Modulo de Servico de Agentes . . . 85
6.6 Infra-estrutura da Arquitetura de Implementac~ao . . . 87
SUMARIO x 7 Aspectos de Implementac~ao e Resultados Obtidos 89
7.1 Monitoramento de QoS . . . 92 7.2 Adaptac~ao de QoS . . . 95 7.3 Analise dos Resultados . . . 97
8 Conclus~oes e Trabalhos Futuros 104
8.1 Contribuic~oes da Tese . . . 105 8.2 Trabalhos Futuros . . . 106
Refer^encias Bibliogracas 108
Lista de Figuras
2.1 Interrelac~oes entre os nveis de abstrac~oes dos par^ametros de QoS. . . 9
2.2 Relac~oes entre os par^ametros de QoS do nvel de sistema e do nvel de usuario para um uxo de vdeo. . . 12
2.3 Diagrama simplicado de um uxo de informac~ao distribuda. . . 13
2.4 Exemplo dos nveis de servicos utilizados por um uxo de informac~ao. . . 15
3.1 Diagrama de uxo das atividades de especicac~ao de sess~ao multimdia. . . . 36
3.2 Maquina de estados da Fase de Atividade de uma sess~ao multimdia. . . 37
3.3 Modelo da arquitetura QoS-A. . . 40
3.4 Modelo de comunicac~ao da arquitetura OMEGA. . . 41
3.5 Modelo de recursos da arquitetura OMEGA. . . 42
4.1 Modelo de agente. . . 46
4.2 Comunicac~ao entre agentes remotos no paradigma de agentes xos. . . 46
4.3 Comunicac~ao entre agentes remotos no paradigma de agentes moveis. . . 47
4.4 Arquitetura baseada em agentes para suporte de QoS. . . 48
4.5 Atividades da ag^encia de QoS na etapa de estabelecimento de contrato. . . . 54
4.6 Atividades de uma ag^encia QoS durante o processo de negociac~ao de contrato. 57 4.7 Representac~ao de uma situac~ao de adaptac~ao de QoS durante a fase de exe- cuc~ao de uma sess~ao multimdia. . . 61
4.8 Representac~ao de uma situac~ao de renegociac~ao de contrato durante a fase de execuc~ao de uma sess~ao multimdia. . . 61
5.1 Vis~ao hierarquica em SDL do modelo da ag^encia de QoS. . . 64
5.2 Vis~ao de interconex~ao em SDL do bloco Agencia de QoS, para a fase de esta- belecimento de sess~ao. . . 69
5.3 Diagrama MSC da etapa de negociac~ao local bem sucedida. . . 70
5.4 Diagrama MSC do aceite de contraproposta de contrato. . . 70
5.5 Diagrama MSC da vericac~ao de viabilidade de infra-estrutura global da pro- posta de contrato. . . 70
5.6 Emulac~ao do procedimento de migrac~ao do agente negociador de contrato. 71 5.7 Diagrama MSC de uma etapa de negociac~ao de contrato bem sucedida em uma ag^encia remota. . . 71
5.8 Diagrama MSC do processo de conrmac~ao de reserva de recursos da fase de negociac~ao de contrato. . . 72
5.9 Diagrama MSC de um cenario de falha local de negociac~ao devido a falta de infra-estrutura. . . 72
LISTA DE FIGURAS xii
5.10 Diagrama MSC do cenario de falha de negociac~ao na etapa de consulta ao
trader. . . 72
5.11 Cenario de falha de negociac~ao de contrato em uma ag^encia remota. . . 73
5.12 Vis~ao hieraquica em SDL da ag^encia de QoS para a fase de atividade. . . 73
5.13 Pre^ambulo na ag^encia proponente do contrato. . . 74
5.14 Pre^ambulo numa ag^encia remota. . . 75
5.15 Cenario de monitoramento de contrato numa ag^encia receptora de uxo. . . 75
5.16 Cenario de violac~ao moderada de contrato numa ag^encia receptora de uxo. 76 5.17 Cenario de violac~ao moderada de contrato numa ag^encia produtora de uxo. 76 5.18 Cenario de renegociac~ao de contrato, numa ag^encia produtora de uxo, devido a violac~ao severa de contrato. . . 77
6.1 Arquitetura de suporte a aplicac~ao multimdia distribuda. . . 78
6.2 Especicac~ao da Object Management Architecture. . . 79
6.3 Interac~ao de objetos Cliente/Servidor via CORBA. . . 80
6.4 Interac~oes entre um trader e seus clientes. . . 83
6.5 Interac~ao dos componentes do modulo de servico multimdia. . . 84
6.6 Arquitetura Aglets. . . 86
6.7 Infra-estrutura de implementac~ao. . . 87
7.1 Estrutura de um contrato de QoS. . . 90
7.2 Modelo cliente-servidor da aplicac~ao de cadastro de contrato. . . 90
7.3 Interface principal da aplicac~ao de cadastro de contratos. . . 91
7.4 Interface de manipulac~ao de uxos presentes na aplicac~ao de cadastro de con- tratos. . . 92
7.5 Esquema de congurac~ao de uma ag^encia de QoS. . . 92
7.6 Esquema de congurac~ao da rede local. . . 93
7.7 Resultados de monitoramento da estac~ao aracati no primeiro cenario de transmiss~ao de audio. . . 94
7.8 Resultados de monitoramento da estac~ao botafogo no primeiro cenario de transmiss~ao de audio. . . 95
7.9 Resultados de monitoramento da estac~ao aracati no segundo cenario de transmiss~ao de audio. . . 96
7.10 Resultados de monitoramento da estac~ao botafogo no segundo cenario de transmiss~ao de audio. . . 97
7.11 Resultados de monitoramento da estac~aoitapuano segundo cenario de trans- miss~ao de audio. . . 98
7.12 Resultados de monitoramento da estac~ao aracati no cenario de transmiss~ao de vdeo. . . 99
7.13 Resultados de monitoramento da estac~ao enseada no cenario de transmiss~ao de vdeo. . . 100
7.14 Resultados de monitoramento de QoS das estac~oes enseada ebotafogo para o primeiro cenario de adaptac~ao de QoS de vdeo. . . 102
7.15 Resultados dos mecanismos de violac~ao e adaptac~ao de QoS para o primeiro cenario de adaptac~ao de QoS de vdeo. . . 102
LISTA DE FIGURAS xiii
7.16 Resultados de monitoramento de QoS da estac~oes enseada e botafogo para o segundo cenario de adaptac~ao de QoS de vdeo. . . 103 7.17 Resultados dos mecanismos de violac~ao e adaptac~ao de QoS para o segundo
cenario de adaptac~ao de QoS de vdeo . . . 103
Lista de Tabelas
2.1 Alguns formatos tpicos para audio . . . 16
2.2 Alguns formatos usuais para vdeo. . . 16
2.3 Resumo das caractersticas de diversas tecnologias de rede. . . 29
4.1 Alguns formatos tpicos para Vdeo. . . 52
4.2 Alguns formatos tpicos para Audio. . . 53
6.1 Implementac~oes disponveis de infra-estruturas para suporte a agentes moveis. 86 7.1 Caractersticas das estac~oes de trabalho utilizadas nos experimentos. . . 91
7.2 Caracterstica do uxo de audio. . . 93
7.3 Caracterstica do uxo de vdeo. . . 94
7.4 Estatsticas dos tempos de migrac~ao e de resposta para o primeiro cenario de monitoramento de audio. . . 100
7.5 Estatsticas dos tempos de migrac~ao e de resposta para o segundo cenario de monitoramento de audio. . . 101
7.6 Estatsticas dos tempos de migrac~ao e de resposta para o cenario de monito- ramento de vdeo. . . 101
Lista de Acr^onimos
AAL: ATM Adaptation Layer ABR: Available Bit Rate
ADPCM: Adaptive Delta Pulse Code Modulation ATM: Asynchronous Transfer Mode
ATP: Agent Transfer Protocol BER: Bit Error Rate
B-ISDN: Broadband-Integrated Services Digital Network CBO: Continuous Bit Oriented
CBR: Constant Bit Rate
CCITT: Consultative Committee for International Telegraph and Telephony CMTP: Continuos Media Transport Protocol
CORBA: Common Object Request Broker Architecture CSCW: Computer Supported Cooperative Working DCT: Discrete Cosine Transform
DMS: Distributed Multimedia Systems FDDI: Fiber Distributed Data Interface HDTV: High Denition Television HeiTS: Heidelberg Transport System IDL: Interface Denition Language IP: Internet Protocol
IPv6: Internet Protocol, vers~ao 6
ISDN: Integrated Services Digital Network
ISO: International Organization for Standardization ITU: International Telecommunication Union JPEG: Joint Photographic Expert Group LAN: Local Area Network
LANE: LAN Emulation
xvi
MAC: Medium Acess Control MAF: Mobile Agents Facilities
METS: Multimedia Enhanced Transport System MPEG: Moving Pictures Expert Group
MSC: Message Sequence Chart
nrt-VBR: non real-time Variable Bit Rate
ODP: Reference Model for Open Distributed Processing OMA: Object Management Architecture
OMG: Object Manegement Group ORB: Object Request Broker PCM: Pulse Code Modulation PER: Packet Error Rate QoS: Quality of Service
RCAP: Real-time Channel Administration Protocol RMTP: Real-time Message Transport Protocol RSVP: Resource Reservation Protocol
RTAP: Real-Time Application Protocol RTCP: Real Time Control Protocol RTIP: Real Time Internet Protocol RTNP: Real-Time Network Protocol RTP: Real Time Protocol
rt-VBR: real-time Variable Bit Rate SBA: Sistemas Baseados em Agentes
SCMA-CD: Carrier Sense Multiple Access - Collision Detection SDL: Specication Description Language
SMA: Sistemas Multi-Agentes
SMD: Sistemas Multimdia Distribudos ST-II: Stream Protocol, vers~ao 2
TCP: Transmission Control Protocol
TINA-C: Telecommunication Information Networking Architecture- Consortium TPX: Transport Protocol with eXtension
UBR: Unspecied Bit Rate UDP: User Data Protocol VBR: Variable Bit Rate
xvii
WAN: Wide Area Network
XRM: Extended Integrated Reference Model XTP: Xpress Transport Protocol
Resumo
Oliveira, Luiz Aonso Henderson Guedes de - Uma Arquitetura Baseada em Sistemas de Agentes para Suporte de Qualidade de Servico em Aplicac~oes Multimdia Distribudas.
Campinas: DCA/FEEC/UNICAMP, 1999. (Tese de Doutorado)
Sistemas multimdia t^em emergido como uma grande area de pesquisa e desenvolvimento, devido a ampla possibilidade de aplicac~oes. Em decorr^encia da natureza din^amica de tais aplicac~oes, a noc~ao de qualidade de servico (QoS) se tornou uma caracterstica chave em tais sistemas. QoS intuitivamente tenta expressar qu~ao satisfatorios s~ao os servicos fornecidos por uma determinada aplicac~ao. Apesar de seu carater fortemente subjetivo, QoS pode ser expressa a partir de par^ametros bem denidos, tais como: atraso, jitter e perda de pacotes de dados.
Via de regra, QoS e estabelecida atraves de negociac~ao entre usuarios e provedores de servicos. O processo de suporte de QoS, que envolve negociac~ao e ger^encia, e relativamente simples caso os recursos sejam gerenciados por uma entidade centralizada (sistema opera- cional, por exemplo) ou por um conjunto de entidades que empregam protocolos simples de negociac~ao e ger^encia. Infelizmente, em sistemas multimdia distribudos a negociac~ao e ger^encia de recursos e uma atividade n~ao trivial, uma vez que os recursos existentes s~ao bastante diversicados, dispersos e mantidos por diferentes entidades.
Para minimizar essas diculdades, nesta tese se objetivou basicamente a proposic~ao de uma arquitetura para o suporte de QoS em sistemas multimdia distribudos de modo a pri- vilegiar na sua concepc~ao caractersticas como encapsulac~ao, exibilidade e extensibilidade.
Diante da relev^ancia desse problema, inicialmente neste trabalho procurou-se caracteri- zar os requisitos de QoS para os sistemas multimdia distribudos. Foi proposto um modelo baseado em sistema de agentes xos e moveis para o suporte de QoS e sua respectiva especi- cac~ao nas linguagem formais MSC e SDL. E proposta tambem uma arquitetura modular para desenvolvimento de aplicac~oes multimdia, onde o suporte de QoS e um de seus modulos.
Para se avaliar a viabilidade do modelo proposto foi implementado um prototipo, o qual se utilizou em monitoramento e adaptac~ao de QoS em aplicac~oes do tipo teleconfer^encia.
Finalmente s~ao tecidos comentarios sobre a vialibilidade de tal proposta e sugeridos alguns desenvolvimentos futuros.
Palavras-chave: Sistemas Multimdia, Qualidade de Servico, Sistemas Baseados em Agen- tes e CORBA.
Abstract
Oliveira, Luiz Aonso Henderson Guedes de - An Agent-based System Architecture for Sup- porting Distributed Multimedia Applications.
Campinas: DCA/FEEC/UNICAMP, 1999. (Doctorate Thesis)
Distributed multimedia systems (DMS) have emerged as an important area of research and development due to the wide range of applications that can benet from this area. In this eld, the notion of quality of service (QoS) is a key concept. Intuitively, QoS states how satisfactory the services oered by an application are. Although strongly subjective, QoS can be stated in terms of well dened parameters such as delay, jitter and package error rate.
Usually, QoS is negotiated between users and service providers. The negotiation process can be simple if the environment is homogeneous, or complex if the environment is hetero- geneous. Since DMS runs frequently on heterogeneous environments, the negotiation and management of QoS-related parameters are non trivial. The complexity of this problem mo- tivated us in proposing a new approach for incorporating quality of service into distributed systems.
In order to contribute to this research area, this thesis proposes an open architecture for QoS negotiation and management for DMS. This architecture is based on the Agent paradigm in order to favor encapsulation, extensibility and exibility. In the rst step this work tries to characterize the requirements necessary to incorporated QoS into distributed applications. Next, an Agent-based architecture is presented based on the requirements pre- viously investigated. In the sequence a protocol for QoS negotiation and management among the architecture components (agents) is detailed, including its formal specication. Finally, an application in the domain of QoS monitoring and adaptation is developed following the proposed architecture.
With the results of the implementation, comments, recommendations and future work directions are also presented in the thesis report.
Keywords: Multimedia Systems, Quality of Service, Agent-based Systems and CORBA.
Captulo 1 Introduc~ao
Tradicionalmente, sistemas computacionais t^em se dedicado exclusivamente a informac~oes textuais e numericas. Assim, as tecnologias de processamento de informac~ao t^em desenvol- vido basicamente suporte para transmiss~ao e manipulac~ao para tais tipos de dados. Mais recentemente, porem, temos presenciado um enorme interesse por novos tipos de dados, tais como animac~ao graca, audio e vdeo. A estes sistemas computacionais que suportam varios tipos de dados (mdias), convencionou-se denominar sistemas multimdia.
Assim, sistemas multimdia se caracterizam pela capacidade de suportar varios tipos de mdias, desde as mais simples como textos e gracos, ate as mais ricas, como animac~ao, audio e vdeo. Entretanto, mdias operando isoladamente n~ao s~ao sucientes para caracterizar um ambiente multimdia. Para tanto, e necessario que varias formas de mdias diferentes estejam integradas em um unico ambiente. Portanto, podemos denir um sistema multimdia como sendo o que permite ao usuario nal criar, armazenar e comunicar uma variedade de formas de informac~ao de uma maneira integrada.
Na ess^encia, os problemas em sistemas multimdia est~ao relacionados a ger^encia de infor- mac~ao demandada pela integrac~ao de varias formas de mdias em uma infra-estrutura unica de computac~ao e comunicac~ao. Portanto, ha dois aspectos relevantes em sistemas multimdia, que s~ao: a variedade de tipos de mdias disponveis e a capacidade de integra-los.
Quanto a classicac~ao, sistemas multimdia podem ser divididos em duas classes basicas.
Uma diz respeito aos sistemas que operam em uma unica maquina (sistemas multimdia centralizados) e a outra concerne aos sistemas que operam em um ambiente distribudo (sis- temas multimdia distribudos) [72]. A grande maioria dos desenvolvimentos em multimdia tem sido orientada para sistemas centralizados.
O termo sistema multimdia distribudo e introduzido para descrever o caso geral onde varios ambientes multimdia centralizados est~ao interconectados via uma ou mais redes de comunicac~ao. Alem disso, uma aplicac~ao multimdia distribuda e denida como sendo a que executa sobre um sistema multimdia distribudo.
A combinac~ao de computac~ao multimdia e sistemas distribudos oferece grandes pers- pectivas de novas aplicac~oes, dentre elas podemos citar [70]: colaborac~ao cientca, sistema de confer^encia e aprendizagem a dist^ancia.
As diculdades acarretadas pela necessidade de ger^encia de diversas mdias em um siste- ma multimdia distribudo, introduziram varios problemas de pesquisa ainda n~ao resolvidos completamente [67]. Por outro lado, as soluc~oes relacionadas aos problemas de sistemas
1.1 Tipos de Mdias 2
multimdia centralizados s~ao bem estabelecidas.
Nesse trabalho, estamos interessados essencialmente em enfocar os sistemas multimdia distribudos.
1.1 Tipos de Mdias
As mdias podem ser classicadas em estaticas e contnuas. O termo \mdia estatica" e utilizado para referenciar as mdias que n~ao possuem dimens~ao temporal. Por outro lado, as mdias contnuas, tambem denominadas uxo, possuem relac~oes temporais, implicando que dever~ao ser apresentadas com taxas apropriadas em instantes de tempo bem denidos. A seguir s~ao listados alguns componentes das duas classes de mdias.
Mdias Estaticas:
arquivos textuais;
arquivos numericos;
gracos;
fotos digitalizadas.
Mdias Contnuas:
audio;
vdeo;
animac~ao.
A integrac~ao de mdias contnuas, devido as suas caractersticas temporais, representa o maior desao para a computac~ao multimdia [67].
A partir do ponto de vista de modelagem, a integrac~ao de tais tipos de mdias requer o desenvolvimento de novas formas de abstrac~oes de comunicac~ao e armazenamento, de modo a capturarem adequadamente o conceito de informac~ao uindo no tempo [72] [57]. Alem disso, essas mdias tambem v^em requerendo o desenvolvimento de novas interfaces de apresentac~ao ao usuario [22].
Mdias contnuas, tais como audio e vdeo, podem ser representadas tanto na forma digital como analogica. Os primeiros sistemas multimdia manipulavam mdias contnuas de forma analogica. Nesses sistemas, audio e vdeo eram armazenados em dispositivos analogicos os quais eram controlados por computador, sendo ent~ao transmitidos em forma analogica para apresentac~ao. Com o avanco tecnologico, tornou-se consenso a representac~ao digital de todos os tipos de mdias.
A partir da perspectiva computacional e mais razoavel a utilizac~ao em forma digital de todas as formas de mdias, uma vez que isto permite uma integrac~ao completa dos tipos de mdias existentes, alem de permitir inserc~ao de novos tipos de mdias de forma relativamente mais facil.
1.2 Areas de Aplicac~ao de Sistemas Multimdia 3
1.2 Areas de Aplicac~ao de Sistemas Multimdia
Ha muitas areas que podem ser enriquecidas com a introduc~ao de sistemas multimdia, alem de outras onde novas aplicac~oes podem se tornar viaveis. A seguir s~ao analisadas brevemente algumas dessas areas promissoras.
1.2.1 Aplicac~oes em Escritorios
Esta e seguramente uma das areas que podem obter enormes benefcios com a introduc~ao de servicos multimdia. Podemos citar alguns como servico de correio eletr^onico multimdia, de documentos multimdia e sistemas para apoio a tomada de decis~oes.
1.2.2 Aplicac~oes em Educac~ao
A utilizac~ao de recursos multimdia, tais como sons e imagens em movimento, est~ao provocando o desenvolvimento de novas metodologias de aprendizagem, centrada agora na forte caracterstica de interatividade fornecida por esta nova tecnologia. Outro aspecto importante diz respeito aos sistemas de aprendizagem a dist^ancia, nos quais usuarios remotos acessam bases de dados multimdia de forma interativa.
1.2.3 Aplicac~oes em Saude
Servicos na area de saude consistem basicamente de varios equipamentos que produzem grande volume de informac~oes em diversas formas, tais como graca e sonora. Atualmente, estas informac~oes n~ao est~ao disponveis aos prossionais da area de saude de forma integrada.
Sistemas multimdia distribudos poder~ao num futuro proximo fornecer o suporte ne- cessario para construc~ao de sistemas medicos com capacidade de reter informac~oes em varias formas, permitindo o acesso a estas de maneira rapida e facil a partir de varios pontos.
1.2.4 Trabalho Cooperativo Suportado por Computador (CSCW)
Um dos aspectos que atrai bastante atenc~ao em relac~ao a area CSCW e a grande varie- dade de aplicac~oes propostas, que v~ao desde editorac~ao cooperativa ate sistemas de telecon- fer^encias interativas.
Trabalho Cooperativo Suportado por Computador e sem duvida uma das areas mais propcias para incorporar tecnicas multimdia. Um bom exemplo s~ao os ambientes interativos para comunicac~ao audiovisual entre usuarios remotos, os quais causaram grandes impactos em areas com automac~ao de escritorio, negocio, saude e educac~ao.
1.3 Demandas das Mdias Digitais
Com o objetivo de se avaliar as demandas de recursos de transmiss~ao de informac~ao reque- ridas pelos diversos tipos de mdias digitais, s~ao apresentadas a seguir algumas estimativas tpicas para armazenar diferentes tipos de mdias [19] [9].
1.4 Requisitos de Sistemas Multimdia 4
Texto: 2 KBytes por pagina.
Imagens simples n~ao comprimidas, como gracos mapeados em bits, fotos e faxes: 64 KBytes por imagem.
Imagem colorida ou detalhada n~ao comprimida: 7,5 MByte por imagem.
Uma hora de audio mono n~ao compactado, amostrado a 8 KHz, e codicado com 8 bits: 2,88 MBytes.
Uma hora de musica mono, amostrada a 44,1 KHz, com 16 bits de codicac~ao: 317,52 MBytes.
Um minuto de animac~ao n~ao compactada, com denic~ao de 320 por 240 pixels, 256 cores por pixel e 16 quadros por segundo: 147,45 MBytes.
Um minuto de vdeo digitalizado n~ao compactado, com denic~ao de 640 por 480 pixels, 256 cores por pixel e 30 quadros por segundo: 1,1 GBytes.
Nota-se, a partir desses valores, que a medida que se incorpora mdias mais sosticadas, o volume de dados manipulados aumenta rapidamente, demandando sistemas com maior capacidade de armazenamento e comunicac~ao. Para minorar estes problemas e usual se utilizar algoritmos de compress~ao de dados, tanto na armazenagem quanto na transmiss~ao via rede. Dependendo do caso, estes algoritmos podem obter uma taxa de compress~ao de ate 200 vezes [72] [57] para vdeo, viabilizando aplicac~oes multimdia no atual estagio da industria de informatica.
O conceito de qualidade de servico e fundamental em computac~ao multimdia. Exem- plicando, se um vdeo for exibido com um baixo numero de quadros por segundo, pode-se perder a persepc~ao de movimento contnuo, o que acarreta na perda de qualidade do sis- tema. No exemplo, valores tpicos para exibic~ao de vdeo est~ao entre 24 e 30 quadros por segundo, embora em algumas aplicac~oes e possvel se utilizar menos quadros por segundos sem deteriorar a qualidade da exibic~ao. Ja para animac~ao, 15 a 19 quadros por segundo e satisfatorio [19].
A introduc~ao da ideia de qualidade de servico e muito importante para se caracterizar o nvel dos servicos oferecidos pelos sistemas multimdia. Entretanto, sua caracterizac~ao n~ao e simples, uma vez que, apesar de poder ser avaliada por par^ametros quantitativos, qualidade de servico tem uma natureza essencialmente subjetiva.
1.4 Requisitos de Sistemas Multimdia
Uma caracterstica fundamental de sistemas multimdia e que eles incorporam mdias contnuas, tais como: audio, vdeo e animac~ao graca. O uso de tais mdias em sistemas computacionais distribudos implica em capturar, processar, transmitir e exibir dados conti- nuamente por longos perodos de tempo. Alem disso, devido as suas caractersticas, requer-se a garantia de que os dados possam ser entregues e exibidos de forma cadenciada no tempo.
Para suportar esta caracterstica isocrona das mdias contnuas, sistemas multimdia reque- rem desenvolvimento de novos modelos de sistemas de processamento e de comunicac~ao.
1.5 Objetivos e Contribuic~oes do Trabalho 5
A partir de uma perspectiva temporal, aplicac~oes multimdia podem ser consideradas como uma subclasse de uma grande classe de aplicac~oes de tempo real, a qual inclui tambem computac~ao distribuda de tempo real, sistemas de controle remoto e aplicac~oes interativas.
Porem, apesar de possurem caractersticas temporais, sistemas multimdia n~ao podem ser caracterizados propriamente como sistemas de tempo real crtico (hard real time), uma vez que toleram ocasionais atrasos provocados por lat^encias de armazenamento, comunicac~ao e transmiss~ao, sem que ocorra resultados catastrocos ao sistema.
No outro extremo, em determinadas situac~oes, sistemas multimdia s~ao descritos apro- priadamente pela sem^antica melhor-nunca-do-que-tarde (um exemplo seria o caso em que um quadro de vdeo se encontra t~ao atrasado que e melhor n~ao exibi-lo). Assim, sistemas mul- timdia n~ao podem ser caracterizados completamente como sistemas de tempo real exvel (soft real time).
Em vista disso, assumimos aqui que sistemas multimdia sejam caracterizados mais ade- quadamente como sistemas de tempo real orientados a qualidade de servico, sendo os seus requisitos temporais de desempenho descritos a partir de ndices de qualidade de servico, os quais o sistema procura atender. Desse modo, a noc~ao de qualidade de servico (QoS) se torna fundamental, o que torna indispensavel caracteriza-la da forma mais adequada possvel.
QoS n~ao e uma concepc~ao nova, uma vez que vem sendo empregada no domnio de redes de computadores para especicar um conjunto de par^ametros tipicamente relacionados as conex~oes de transporte. Via de regra, QoS e estabelecida atraves de negociac~ao entre usuarios e provedores de servicos.
O processo de negociac~ao e ger^encia de QoS e relativamente simples se os recursos s~ao gerenciados por uma entidade centralizada (sistema operacional, por exemplo). Porem, em sistemas multimdia distribudos a negociac~ao e ger^encia de QoS e uma tarefa n~ao trivial, uma vez que os recursos existentes s~ao bastante diversicados, dispersos e mantidos por diferentes entidades. Tudo isto leva a necessidade de implementac~ao de polticas de ger^encia de recursos orientadas a reserva, congurac~ao de servicos, monitoramento da qualidade de servico, otimizac~ao de recursos e padronizac~ao, sendo exibilidade e capacidade de adaptac~ao caractersticas desejaveis.
1.5 Objetivos e Contribuic~oes do Trabalho
O principal objetivo desta tese e estudar os sistemas multimdia distribudos quanto ao aspecto de qualidade de servico e propor e validar um modelo para negociac~ao e ger^encia de qualidade de servico nestes sistemas.
A nossa proposta e um modelo para negociac~ao e ger^encia de QoS baseado em sistemas de agentes, que incorpora tanto agentes xos quanto agentes moveis [24]. Esse modelo visa privilegiar caractersticas como autonomia e exibilidade no processo de negociac~ao e ger^encia da qualidade de servico em aplicac~oes multimdia distribudas, alem de princpios de modelagem como: encapsulac~ao, distribuic~ao e simplicidade.
Como principais contribic~oes deste trabalho podemos citar os seguintes pontos:
Caracterizac~ao dos sistemas multimdia quanto aos seus requisitos de qualidade de servico.
1.6 Divis~ao do Trabalho 6
Proposic~ao de um modelo baseado em sistemas de agentes para o suporte a qualidade de servico em aplicac~oes multimdia.
A especicac~ao via as linguagens formais MSC e SDL do protocolo de negociac~ao e ger^encia de QoS de uma sess~ao multimdia.
A proposicic~ao de uma arquitetura modular para implementac~ao de aplicac~oes mul- timdia distribudas, onde o servico de suporte a qualidadede de servico baseados em sistemas de agentes e um de seus modulos.
O desenvolvimento de um prototipo do modelo proposto com o objetivo de avaliar sua adequac~ao em cenarios de monitoramento e adaptac~ao de QoS de aplicac~oes de teleconfer^encia.
1.6 Divis~ao do Trabalho
O trabalho esta dividido da seguinte maneira:
No Captulo 2 e apresentada uma discuss~ao sobre qualidade de servico em sistemas multimdia distribudos.
No Captulo 3 s~ao caracterizados os principais requisitos para suporte de qualidade de servico. Tambem e realizada uma analise sobre os principais trabalhos desenvolvidos na area.
No Captulo 4 e apresentada a nossa proposta de modelo, baseado em sistemas de agentes, para a realizac~ao da negociac~ao e ger^encia da qualidade de servico em sistemas multimdia distribudos.
No Captulo 5 e especicado um protocolo de negociac~ao e ger^encia de qualidade de servico para o nosso modelo, atraves das linguagens formais SDL e MSC.
No Captulo 6 e apresentada a arquitetura de implementac~ao do nosso modelo pa- ra negociac~ao e ger^encia de qualidade de servico, contextualizando-a dentro de uma plataforma de suporte de aplicac~oes multimdia distribudas.
No Captulo 7 e apresentada a implementac~ao de um prototipo da arquitetura proposta, com o proposito de validar alguns dos conceitos expostos nos captulos 4, 5 e 6.
No Captulo 8 s~ao apresentadas as principais conclus~oes e contribuic~oes do trabalho, alem da indicac~ao de possveis futuros trabalhos.
Captulo 2
Qualidade de Servico em Sistemas Multimdia
Este captulo e destinado a caracterizac~ao dos principais requisitos das aplicac~oes mul- timdia. Neste sentido, introduz-se o termo qualidade de servico (QoS) para sistemas em geral e sistemas multimdia distribudos (SMD) em particular. A qualidade de servico da aplicac~ao esta associada a diversos par^ametros que denotam o desempenho do sistema, de- nominados de par^ametros de qualidade de servico. Tambem s~ao apresentados os principais tipos de servicos suportados por sistemas multimdia distribudos, como servicos de disposi- tivo, sincronismo e comunicac~ao, por exemplo. Por m, qualidade de servico e associada ao problema de congurac~ao de servico, com respectiva reserva de recursos.
2.1 Introduc~ao
Uma caracterstica fundamental de sistemas multimdia e incorporar mdias contnuas tais como: audio, vdeo e animac~ao graca. O uso de tais mdias em sistemas computacio- nais distribudos implica em capturar, processar, transmitir e exibir dados continuamente e por longos perodos de tempo. Alem disso, requer-se, devido as suas caractersticas tem- porais, a garantia de que os dados possam ser entregues e exibidos de forma cadenciada no tempo. Para suportar completamente esta caracterstica isocrona das mdias contnuas, sistemas multimdia distribudos requerem a utilizac~ao de sistemas operacionais de tempo real, mecanismos de transporte com garantia de qualidade de servico m-a-m e polticas de reserva e compartilhamento de recursos ecientes. Porem, estes requisitos usualmente s~ao satisfeitos apenas parcialmente, com impacto direto na qualidade do servico oferecido pelo sistema.
Sob esta otica, podemos vislumbrar tr^es classes de servicos multimdia: servico garantido (ou determinstico), servico com garantia estatstica e servico por melhor-esforco [22]. O primeiro tipo de servico corresponde aos sistemas que satisfazem todos os requisitos de hardware, software e sistema de comunicac~ao, de tal modo que as caractersticas de seus servicos podem ser previstas deterministicamente. Um exemplo seria um sistema que garante que nenhum quadro de um determinado uxo de vdeo ira sofrer atraso de transmiss~ao maior que 200ms [19]. O segundo tipo de servico corresponde aos sistemas que satisfacam parcialmente aqueles requisitos, uma vez que o servico e garantido em termos de um valor
2.2 Par^ametros de Qualidade de Servico 8
estatstico, como por exemplo: o sistema garante que pelo menos 60% dos quadros de um determinado uxo de vdeo n~ao ir~ao sofrer atrasos de transmiss~ao maiores que 200ms. Ja o terceiro tipo de servico esta associado aos sistemas que n~ao garantem previamente os nveis de qualidade dos seus servicos, e por isso atuam de forma a prover de melhor maneira possvel as demandas de qualidade requeridas pela aplicac~ao.
Analisando-se esses tipos de servicos, observa-se que aplicac~oes multimdia apresentam fortes caractersticas de tempo real. Por isso, assumimos no captulo anterior que sistemas multimdia sejam caracterizados mais adequadamente como sistemas de tempo real orientado a qualidade de servico, onde os seus requisitos temporais de desempenho s~ao descritos a partir de ndices de qualidade de servico, os quais o sistema ira procurar atender. Deste modo, a noc~ao de qualidade de servico torna-se fundamental, sendo indispensavel caracteriza-la de forma mais adequada possvel.
O termo QoS e bastante intuitivo para o usuario de aplicac~oes multimdia, expressando basicamente uma noc~ao subjetiva de qu~ao bons est~ao os servicos fornecidos pelo sistema. O ent~ao CCITT, e atual ITU, deniu QoS de uma forma geral como sendo \o efeito coletivo do desempenho do sistema o qual determina o grau de satisfac~ao do usuario do sistema" [32].
Ja o modelo de refer^encia ODP (Open Distributed Processing) da ISO [71] dene qualidade de servico como sendo \um conjunto de qualidades requerido para o comportamento de um ou mais objetos". Uma denic~ao de QoS mais especca para aplicac~oes multimdia foi fornecida por Vogel e outros em [67] como: \Qualidade de servico representa o conjunto das caractersticas qualitativas e quantitativas de um sistema multimdia necessario para obter as funcionalidades requeridas pela aplicac~ao".
Porem, para avaliarmos objetivamente o desempenho do sistema e necessario que se disponha de padr~oes mensuraveis. Visando isto, descreveremos qualidade de servico em sistemas multimdia a partir de um conjunto de par^ametros bem denidos, os quais buscam caracterizar satisfatoriamente a noc~ao subjetiva de qualidade de servico fornecida por um dado sistema multimdia. Estes par^ametros s~ao conhecidos na literatura como par^ametros de qualidade de servico.
2.2 Par^ametros de Qualidade de Servico
Ha varios par^ametros que podem ser utilizados na caracterizac~ao de qualidade de ser- vico das diversas mdias suportadas por um ambiente de computac~ao multimdia. Estes par^ametros podem ser agrupados em diversos nveis, desde os mais baixos, como os rela- cionados aos sistemas operacionais, ate os mais altos, como os destinados aos usuarios da aplicac~ao. Optamos aqui por agrupa-los em dois nveis, a saber: nvel de sistema e nvel de usuario.
Os par^ametros do nvel de sistema est~ao mais relacionados com as caractersticas reque- ridas pelo sistema de informac~ao, caracterizando-se assim, como um nvel mais baixo de abstrac~ao. Ja os par^ametros do nvel de usuario dizem respeito aos requisitos relacionados com a parte externa do sistema, expressando assim as caractersticas mais perceptveis do sistema. Porem, e importante ressaltar que os par^ametros do nvel de sistema est~ao relacio- nados aos do nvel de usuario, e vice- versa, como e ilustrado na Fig. 2.1.
2.2 Par^ametros de Qualidade de Servico 9
Parâmetros de QoS do Nível de Usuário
Parâmetros de QoS do Nível de Sistema Sistema Multimídia
parâmetros de QoS Usuário
interrelações entre os
Fig. 2.1: Interrelac~oes entre os nveis de abstrac~oes dos par^ametros de QoS.
2.2.1 Par^ametros de QoS no Nvel de Sistema
No nvel de sistema, os par^ametros de QoS s~ao bem estabelecidos na literatura [57] [19].
Eles s~ao listados a seguir:
atraso m-a-m (end-to-end delay);
jitter m-a-m (end-to-end jitter);
raz~ao de pacotes perdidos (PER, Packet Error Rate);
raz~ao de bits errados (BER, Bit Error Rate).
O atraso m-a-m e o tempo gasto desde a gerac~ao de um dado ate sua exibic~ao. Por gerac~ao entendemos a captura do dado por um periferico (c^amera e microfone, por exemplo) ou sua ativac~ao numa base de dados. Este atraso e devido as lat^encias na captura, ativac~ao, processamento e transmiss~ao dos dados. Em aplicac~oes multimdia, os requisitos de atrasos m-a-m maximos, via de regra, est~ao entre 100 e 250ms [19].
O jitter m-a-m e a variac~ao media do atraso m-a-m entre duas exibic~oes sucessivas de uma dada mdia. Para uma boa qualidade na apresentac~ao, mdias contnuas requerem baixos nveis de jitter m-a-m. Idealmente, o jitter m-a-m deveria ser nulo, ou seja, a raz~ao de apresentac~ao dos dados das mdias contnuas deveria ser constante. Porem, devido a compartilhamento de recursos de processamento e comunicac~ao, temos que o atraso m- a-m n~ao e constante. Em aplicac~oes multimdia tpicas, o jitter m-a-m maximo tolerado se encontra na faixa entre 5 a 10ms [19].
A raz~ao de pacotes perdidos e a raz~ao de bits errados s~ao par^ametros de QoS que visam caracterizar o grau de conabilidade do sistema de comunicac~ao. Estes par^ametros s~ao bastantes importantes, uma vez que para a maioria das aplicac~oes multimdia distribudas mecanismos de retransmiss~ao de dados n~ao s~ao factveis. Estes par^ametros s~ao obtidos de forma estatstica, o que confere ao conjunto de par^ametros de QoS uma caracterstica estocastica. Valores tpicos de PER maximos requeridos por aplicac~oes multimdia est~ao entre 0,001% e 0,01%. Ja valores maximos de BER maximo est~ao entre 0,01 e 0,1% [19].
2.2 Par^ametros de Qualidade de Servico 10
Devido a alta conabilidade das redes de computadores na atualidade o par^ametro BER n~ao e muito utilizado na caracterizac~ao de qualidade de servico. Por isto, utilizaremos apenas o par^ametro PER para caracterizar o conabilidade do sistema de comunicac~ao.
2.2.2 Par^ametros de QoS no Nvel de Usuario
Nesta sec~ao s~ao apresentados os par^ametros de qualidade de servico no nvel de usuario.
Estes par^ametros destinam-se a caracterizar a qualidade dos servicos fornecidos por um sistema multimdia de forma mais abstrata que os enfocados na sec~ao anterior, ou seja, numa otica mais proxima do usuario nal. Deste modo, para expressar QoS no nvel de usuario, propomos os seguintes par^ametros:
qualidade de mdia de vdeo;
qualidade de mdia de audio;
qualidade de mdia estatica;
qualidade de sincronismo.
Na realidade, estes par^ametros s~ao estruturas compostas de outros par^ametros. No ca- so, mdias de vdeo e de audio possuem as mesmas estruturas, porem seus par^ametros t^em natureza distintas. A mesma estrutura deve-se ao fato que ambos pertencem a classe das mdias contnuas. Ja as mdias estaticas possuem uma estrutura de par^ametros mais sim- ples, decorr^encia de sua maior simplicidade em relac~ao as mdias contnuas. A seguir estas estruturas ser~ao descritas em detalhe.
Qualidade de Mdia de Vdeo
A qualidade de servico das mdias de vdeo e caracterizada pela seguinte estrutura:
denic~ao (pixel/quadro, cores/pixel);
delidade (distorc~ao, conabilidade);
din^amica (quadros/segundo, variac~ao de quadros/segundo);
interatividade.
O item denic~ao diz respeito ao grau de detalhe da imagem exibida, para tanto e expresso por dois par^ametros: numero de pixels por quadros e numero de cores por pixels. Esse par^ametro tem impacto direto na largura de banda requerida para transmiss~ao de tal uxo.
O item delidade visa capturar o nvel de delidade dos dados de vdeo, sendo descrita por dois par^ametros: distorc~ao e conabilidade. O primeiro diz respeito ao nvel de distorc~ao ocorrido na imagem, desde a sua gerac~ao ate a sua exibic~ao. A distorc~ao pode ter sido pro- vocada pelo algoritmo de compactac~ao de dados, por exemplo. O segundo par^ametro denota qu~ao conavel e o sistema de comunicac~ao, estando portanto relacionado aos par^ametros PER e BER do nvel de sistema.
2.2 Par^ametros de Qualidade de Servico 11
O item din^amica se destina a caracterizar o grau de precis~ao com que o movimento dos segmentos de vdeo s~ao exibidos. Seus par^ametros s~ao numeros de quadros por segundo e variac~ao de quadros por segundo. Em termos estatsticos, eles podem ser descritos respecti- vamente como media e vari^ancia de uma distribuic~ao. A variac~ao da frequ^encia de exibic~ao tem relac~ao direta com o jitter m-a-m.
O item interatividade e uma medida da utilidade do uxo em aplicac~oes interativas, como por exemplo teleconfer^encia e trabalho cooperativo por computador. Este par^ametro tem relac~ao direta com o atraso m-a-m.
Qualidade de Mdia de Audio
A qualidade de audio possui a mesma estrutura da qualidade de vdeo, porem, seus par^ametros n~ao t^em as mesmas dimens~oes, como pode ser visto a seguir:
denic~ao (bits/amostra, padr~ao de audio);
delidade (distorc~ao, conabilidade);
din^amica (amostra/segundo, variac~ao de amostra/segundo);
interatividade.
O par^ametro padr~ao de audio, em denic~ao, denota se o audio e mono ou estereo. Ja os outros par^ametros seguem, em linhas gerais, as mesmas interpretac~oes da qualidade de vdeo.
Qualidade de Mdia Estatica
A qualidade das mdias estaticas possui uma estrutura mais simples do que as das mdias contnuas. Seus itens s~ao:
tipo (tipo de mdia estatica);
delidade (distorc~ao, conabilidade).
O item tipo tem um unico par^ametro que caracteriza o tipo de mdia, que pode ser texto, graco ou imagem. O item delidade e similar aos denidos anteriormente, porem, o par^ametro distorc~ao n~ao possui signicado quando o tipo de mdia estatica for texto.
Qualidade de Sincronismo
Esta estrutura visa capturar o grau de sincronismo entre os diversos uxos de dados das diversas mdias. Aqui, so ha sentido em expressar sincronismo entre uxos que realmente t^em alguma relac~ao temporal entre si, as quais podem ser de preced^encia, consequ^encia ou simultaneidade. Assim, qualidade de sincronismo e composta de par^ametros que caracteri- zam o grau de sincronismo pertinente aos diversos uxos em uma aplicac~ao. E importante ressaltar que os uxos que possuem relac~oes de sincronismo devem ser especicados no ato da congurac~ao da aplicac~ao. Outro aspecto importante a ressaltar e que o item qualidade de sincronismo tem por nalidade apenas expressar o nvel de sincronismo entre os diversos uxos, e n~ao propor algoritmos de sincronizac~ao intra e inter-uxos.
2.3 Qualidade em Servicos Multimdia 12
2.2.3 Relac~ao Entre Par^ametros de Qualidade de Servico nos Nveis de Usuario e de Sistema
A Fig. 2.2 ilustra em termos de diagrama de blocos as relac~oes entre os par^ametros de QoS nos nveis de sistema e usuario para um uxo de vdeo. Alguns par^ametros de QoS no nvel de usuario n~ao t^em relac~ao direta com os do nvel de sistema, pois, com sera visto mais a frente, estes par^ametros est~ao associados diretamente aos recursos do sistema.
interface ponto de medição
Dinâmica
Jitter Atraso
Perda de Pacote Definição
Variação por Segundo de Quadros Fidelidade
distorção confiabi- lidade
Quadros por Segundo Bits por
Pixel Quadro
Pixel por
Interatividade
Nível de Sistema Nível de Usuário
Fig. 2.2: Relac~oes entre os par^ametros de QoS do nvel de sistema e do nvel de usuario para um uxo de vdeo.
Um aspecto importante a ser observado e que essas estruturas de qualidade de servico aqui denidas podem ser bastante uteis, tanto para especicac~ao quanto para vericac~ao da qualidade de servico em sistemas multimdia distribudos. Deste modo, na proxima sec~ao abordaremos os tipos de servicos multimdia, com seus respectivos requisitos de qualidade de servico e recursos de software e hardware.
2.3 Qualidade em Servicos Multimdia
Para que se entenda os tipos de servicos e recursos requeridos por aplicac~oes multimdia distribudas e necessario primeiro analisar as diversas etapas por que passa um uxo, desde sua captura ate a consequente exibic~ao. Desse modo, a Fig. 2.3 ilustra de forma simplicada o caminho percorrido por um uxo em uma sess~ao multimdia distribuda
A partir da Fig. 2.3 podemos notar que ao longo das varias etapas das quais percorre, o uxo de informac~ao vai incrementando seu atraso e jitter m-a-m. O atraso m-a-m se deve a necessidade de um tempo nito para que as etapas constituintes de uma sess~ao multimdia se completem, que no caso s~ao tempo de processamento, tempo de espera em buers e tempo de transmiss~ao atraves da rede. Tempo de CPU, banda de transmiss~ao e buers s~ao recursos disponveis no sistema. Assim, para diminuir o atraso m-a-m deve-se aumentar o tempo de CPU e a largura de banda de transmiss~ao do uxo em quest~ao, alem de
2.3 Qualidade em Servicos Multimdia 13
Buffer de Transmissão Captura de Dados
Dispositivo
Codificação
Dispositivo Consumidor
Exibição
Descodificação Produtor
Transporte
Transporte Buffer de Recepção
Rede
Fig. 2.3: Diagrama simplicado de um uxo de informac~ao distribuda.
diminuir os o-set1 dos buers de transmiss~ao e recepc~ao (estes par^ametros s~ao responsaveis por atrasos de espera nos buers, uma vez que somente s~ao transmitidos ou recebidos dados quando se atinge nos buers os valores estabelecidos pelos o-sets).
Como visto no captulo anterior, o suporte de dados de vdeo e audio requer uma grande largura de banda de transmiss~ao, de modo a garantir vaz~ao para o alto volume de dados produzidos. Para diminuir a excessiva largura de banda de transmiss~ao requerida por tais mdias, tornou-se usual a utilizac~ao de tecnicas de compress~ao de dados. Em geral, quanto maior a taxa de compress~ao obtida por um algoritmo, maior o grau de supress~ao de infor- mac~ao (este e o conito chave nos algoritmos de compress~ao de dados). Os algoritmos da classe MPEG [20] s~ao padr~oes de compress~ao de dados bem estabelecidos em multimdia.
Para vdeo com movimento intenso, e usual obter-se taxas de compress~ao de 50 a 200 vezes, enquanto para audio, as taxas de compress~ao tpicas alcancadas est~ao entre 5 e 10 vezes [19].
Como varias aplicac~oes de sistemas multimdia distribudos s~ao de natureza ponto-multi- ponto, como e o caso de teleconfer^encia, mecanismos de transmiss~ao em multicast se apre- sentam como servicos bastante relevantes para otimizar recursos de rede.
Porem, a diculdade no suporte de mdias contnuas n~ao se limita somente as grandes demandas de larguras de banda de transmiss~ao, mas tambem pela necessidade de se ter uma raz~ao de apresentac~ao constante, ou seja, jitter m-a-m nulo. O jitter m-a-m surge devido ao compartilhamento de recursos do sistema, como tempo de CPU e banda de transmiss~ao,
1Valor necessario que se atinja nobuerpara que se comece a transmiss~ao e ou recepc~ao de dados.
2.3 Qualidade em Servicos Multimdia 14
o que leva a uma variac~ao no atraso m-a-m (jitter m-a-m) do uxo. Para se obter exibic~ao isocrona e necessario que se tenha: processamento e transmiss~ao isocronos. O primeiro requer capacidade de processamento adequada aliada a um sistema operacional de tempo real, por exemplo, enquanto o segundo requer, no atual estagio da tecnologia de redes de computadores, a utilizac~ao de protocolo de reserva de largura de banda associado com buersde transmiss~ao e recepc~ao dimensionados adequadamente. Deste modo, os fatores que dicultam a obtenc~ao do requisito de \isocronismo" s~ao: i) as vaz~oes das mdias contnuas n~ao s~ao constantes ao longo de seu ciclo de vida e ii) os protocolos de transporte convencionais n~ao suportam adequadamente transmiss~ao contnua por longos perodos de tempo. O fato das mdias contnuas n~ao apresentarem vaz~oes constantes e devido ao uso de tecnicas de otimizac~ao de recursos, como por exemplo as tecnicas de compress~ao de dados. Ja o segundo fator e devido ao fato dos protocolos de transporte e servicos de rede convencionais terem sido projetados visando transmiss~ao de mdias estaticas, como texto, onde o mais importante e a aus^encia de erros.
Uma maneira de garantir que sempre sera possvel atender a demanda de vaz~ao de trans- miss~ao de um dado uxo de mdia contnua e via reserva da largura de banda de transmiss~ao maxima requerida pelo uxo. Aqui a opc~ao e pelo superdimensionamento de reserva de recursos. Porem, isto n~ao e suciente para obter uma raz~ao de apresentac~ao constante dos dados (jitter m-a-m nulo). Para tal, tambem faz-se necessario a utilizac~ao de buers de dimens~oes adequadas na transmiss~ao e recepc~ao, alem de mecanismos de sincronizac~ao de relogios.
Entretanto, muitas vezes, por limitac~ao de recursos, n~ao e possvel reservar previamente a largura de banda de transmiss~ao maxima requerida por uma dada aplicac~ao. Ent~ao, torna-se necessario optar por uma soluc~ao de compromisso, qual seja: reservar um tamanho de banda de transmiss~ao intermediario com o risco de perda de qualidade de servico. Aqui ha o conito entre a utilizac~ao de buers de tamanhos elevados (ou ate mesmo de tamanhos variaveis), de modo a diminuir o jitter devido a etapa de transmiss~ao em rede, mas aumentando o atraso m-a-m; ou a utilizac~ao de buers menores, com menores atrasos m-a-m e maiores jitter e PER, devido respectivamente a provaveis situac~oes de esvaziamento e transbordamento de dados nos buers (sinalizac~ao de buer-cheio e buer-vazio).
Ha duas possibilidades de descarte de informac~ao devido a falta de espaco de armaze- namento nos buers de transmiss~ao e recepc~ao (buer-cheio). No primeiro caso o descarte e decorrente do desbalanceamento entre as velocidades de gerac~ao e transmiss~ao dos dados (possivelmente devido a sobrecarga no sistema de comunicac~ao), enquanto no segundo o descarte e devido ao desbalanceamento entre as velocidades de transmiss~ao e exibic~ao dos dados (possivelmente devido a sobrecarga no sistema de processamento do no consumidor de informac~ao). A perda total e a composic~ao das perdas ocorridas ao longo do processo de gerac~ao e consumo de informac~ao. Uma soluc~ao imediata para a diminuic~ao de perda de informac~ao por buer-cheio seria o aumento dos tamanhos dos buers, acarretando um maior consumo de recursos do sistema.
Em suma, a utilizac~ao de buers melhora a qualidade do servico em relac~ao aos par^ametros jitter m-a-m e PER, mas piora em relac~ao ao atraso m-a-m. A forma de se administrar esses conitos vai depender de cada caso, por exemplo, a toler^ancia a erros de bits e perdas de pacotes em vdeo depende da tecnica de compress~ao de dados adotada. Alem disto, cada tipo de mdia possui caractersticas proprias. Por exemplo, vdeo requer maior vaz~ao que
2.4 Servicos da Aplicac~ao 15
audio, porem o audio e mais sensvel a jitter, erros de bits e perdas de pacotes que vdeo [64].
Deste modo, podemos caracterizar o caminho percorrido por um uxo de informac~ao em uma sess~ao multimdia ponto-ponto como dois problemas de produtor-consumidor em serie, onde o produtor primario seria o capturador de dados (ou o ativador na base de dados), a transmiss~ao em rede funcionaria como consumidor para a captura e produtor para a exibic~ao, sendo esta o consumidor nal. Caracteriza-se, assim, denitivamente a necessidade de cad^encia entre todas as etapas pelas quais um determinado uxo de informac~ao atravessa.
A partir dessas considerac~oes, podemos visualizar dois nveis de servicos multimdia. Um relacionado ao processamento e armazenamento de informac~oes local a cada maquina e outro relacionado a comunicac~ao destas informac~oes entre os diversos nos envolvidos na aplicac~ao multimdia distribuda, denominados aqui respectivamente de servicos da aplicac~ao e servicos de comunicac~ao. A Fig. 2.4 refaz a ilustrac~ao da Fig. 2.3 a partir dessa otica.
Dispositivo
Produtor Consumidor
Dispositivo
Serviço de Trata- Dispositivo Serviço de
mento de Sinal
Serviço de Ge- rência de Buffer
Serviço de Rede Transporte Serviço de
Tecnologia de Rede Serviço de Aplicação
Serviço de Comunicação Serviço de Trata-
Dispositivo Serviço de
mento de Sinal
Serviço de Ge- rência de Buffer
Serviço de Rede Transporte Serviço de
Fig. 2.4: Exemplo dos nveis de servicos utilizados por um uxo de informac~ao.
2.4 Servicos da Aplicac~ao
Os servicos considerados como da aplicac~ao s~ao basicamente servicos de dispositivos (captura e exibic~ao), de base de dados (armazenamento e ativac~ao), de tratamento de si-
2.4 Servicos da Aplicac~ao 16 Frequ^encia de Precis~ao por Tipo de Tipo de Tipo de Amost. (KHz) Amostra (Bits) Codicac~ao Congurac~ao Qualidade
44,1 16 PCM CD Muito Boa
32 16 PCM FM Boa
8 8 PCM Telefone Media
4 4 PCM Metalica Baixa
Tab. 2.1: Alguns formatos tpicos para audio
Formato Quadro/segundo Pixel/quadro Bits/Pixel
NTSC 30 391.680 8
PAL 25 576.384 7
HDTV 60 1.440.000 24
Tab. 2.2: Alguns formatos usuais para vdeo.
nal (compactac~ao, descompactac~ao, codicac~ao e ltragem), de sincronismo, de ger^encia de buer e de escalonamento de tarefas. Estes servicos s~ao detalhados a seguir.
2.4.1 Servicos de Dispositivos
Consideramos servicos de dispositivos como aqueles relacionados com a captura e exibic~ao de audio e vdeo. Para audio, os servicos de dispositivos est~ao relacionados respectivamente aos dispositivos fsicos microfone e alto falante, enquanto que para vdeo est~ao relacionados a c^amera e ao monitor de vdeo.
Estes servicos caracterizam os formatos de captura e consequente exibic~ao dessas mdias.
Os formatos caracterizam aspectos temporais (frequ^encia de amostragem), precis~ao (bits por amostra) e tipo de codicac~ao.
Para audio, a faixa da frequ^encia de amostragem e de 4kHz a 44,1 Khz, a precis~ao de 4 a 16 bits por amostra, e o metodo de codicac~ao mais usual e o PCM (Pulse Code Modulation). A Tab. 2.1 mostra algumas congurac~oes tpicas. Por tal tabela, temos que audio com qualidade de CD gera uma quantidade de dados (sem compactac~ao) de 705,6 Kbps (Kilobits por segundo), enquanto que com qualidade de telefone cai para 64 Kbps.
Para vdeo, a precis~ao e caracterizada pela quantidade de pixeis por quadro (numero de pixeis por linha multiplicado pelo numero de pixeis por coluna) e numero de bits por pixel. A Tab. 2.2 mostra alguns formatos padr~oes para vdeo com qualidade de TV [22]. A partir da Tab. 2.2, verica-se que o volume de dados gerados pelos dispositivos de vdeo s~ao extremamente elevados.
2.4.2 Servicos de Base de Dados
Servicos de base de dados s~ao um componente importante em aplicac~oes multimdia.
Estes servicos fornecem armazenamento persistente e coerente aos dados multimdia. O pro- blema fundamental no desenvolvimento destes sistemas de armazenamento, conhecidos como
2.4 Servicos da Aplicac~ao 17
servidores multimdia, e que as mdias contnuas t^em caractersticas bastante diferentes dos convencionais, como texto, requerendo tecnicas especializadas para a organizac~ao e ger^encia da informac~ao [21]. Alem dos grandes volumes de memoria demandados para o armazena- mento das mdias contnuas, tem-se, devido as suas caractersticas temporais, a necessidade de recupera-las de forma cadenciada no tempo de modo a manter a integridade da infor- mac~ao [58]. Deste modo, um servidor multimdia deve assegurar que a escrita e a leitura de uxos contnuos sejam realizadas em conformidade n~ao somente com suas caractersticas espaciais, mas tambem com suas caractersticas temporais.
2.4.3 Servicos de Tratamento de Sinal
Servicos de tratamento de sinal s~ao basicamente atividades de ltragem, criptograa, compactac~ao e descompactac~ao de dados. A ltragem se destina a retirar frequ^encias espurias do sinal de uxo, melhorando sua apresentac~ao, enquanto a criptograa visa a seguranca da transmiss~ao do sinal.
Ja as atividades de compactac~ao e descompactac~ao se justicam principalmente pelos altos volumes de dados gerados pelas mdias contnuas, que demandam altas larguras de banda de transmiss~ao de rede e enormes espacos de memoria para o seu armazenamento.
Isto e especialmente valido para uxos de vdeo.
Algoritmos de compactac~ao de dados digitais necessitam ser ecientes n~ao somente no nvel de compactac~ao, mas tambem no seu desempenho computacional, pois as aplicac~oes multimdia possuem caractersticas de tempo real. E justamente para atender a esses re- quisitos temporais e que em geral o par compactac~ao/descompactac~ao possui caracterstica assimetrica, sendo mais custoso computacionalmente o processo de compactac~ao (geralmente realizado por um hardware especial) que o processo de descompactac~ao (geralmente efetuado por software).
As tecnicas de compactac~ao/descompactac~ao podem ser classicadas como sem perdas e com perdas [19]. As tecnicas sem perdas recuperam completamente a informac~ao original.
Ja as tecnicas com perdas recuperam a informac~ao original com algum nvel de distorc~ao, porem, apresentam altas taxas de compress~ao, sendo de uso mais frequente em compactac~ao de vdeo que as tecnicas sem perdas. De forma geral, quanto maior o fator de compress~ao de uma tecnica, maior e o seu nvel de perda.
Para uxos de audio e usual se utilizar o ADPCM (Adaptive Delta Pulse Code Modula- tion), ou variac~oes suas, como metodo de compactac~ao de dado. Nele se transmite apenas a variac~ao do sinal codicado em PCM. Alem disto, consegue-se bom nvel de economia de recursos de transmiss~ao quando se utiliza tecnicas de detecc~ao de sil^encio. Essas tecnicas consistem basicamente em monitorar o nvel de intensidade do sinal de audio de modo a caracterizar perodos de sil^encio na transmiss~ao de audio. Estes perodos de sil^encio n~ao s~ao transmitidos, economizando-se, assim, recursos de transmiss~ao. A diculdade aqui e justa- mente detectar de forma eciente esses perodos de sil^encio, pois um procedimento ineciente de detecc~ao leva a uma degradac~ao na qualidade do audio.
Para vdeo, os metodos de compactac~ao e descompactac~ao mais usuais s~ao: JPEG, MPEG, H.261 e o CellB.
2.4 Servicos da Aplicac~ao 18 JPEG
O padr~ao JPEG (Joint Photographic Expert Group) foi desenvolvido pela ISO original- mente para imagem estatica, obtendo nestes casos taxas de compactac~ao usualmente na faixa de 15 vezes [68]. E uma tecnica com perdas que realiza somente compress~ao espacial da ima- gem (intra-quadro), sendo tambem utilizado para compactac~ao de uxo de vdeo (neste caso e conhecido como MJPEG). Um uxo de vdeo MJPEG e uma sequ^encia de quadros JPEG.
Para sequ^encias de vdeo, cada quadro e dividido em blocos de 8x8 ou 16x16 pixeis, e ent~ao e aplicada a cada bloco uma transformac~ao DCT (Discrete Cosine Transform) para o domnio da frequ^encia, de modo a produzir coecientes que retem a informac~ao espacial da imagem. Muitos destes coecientes n~ao necessitam ser codicados, pois possuem valores nulos ou muito pequenos. Este procedimento introduz perda de informac~ao, pois apenas os aspectos mais relevantes da imagem s~ao preservados. A codicac~ao de Human [68] tambem e usada para aumentar o grau de compactac~ao do metodo. Para descompactar a imagem e realizado o procedimento inverso.
JPEG apresenta um caracterstica quase simetrica, uma vez que o esforco computacional de compactac~ao e descompactac~ao s~ao equivalentes, sendo a compactac~ao um pouco mais custosa computacionalmente que a descompactac~ao.
MPEG
MPEG (Moving Pictures Expert Group) e um padr~ao da ISO para compactac~ao e des- compactac~ao de uxo de vdeo [20] [40], tanto compactac~ao espacial (intra-quadro) quanto temporal (inter-quadro). Na realidade ha um serie de padr~oes MPEG (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4 e MPEG-7).
MPEG-1, que e essencialmente um exibidor de vdeo digital, trabalha com quadros de vdeo de ate 320 x 240 pixeis, se destina a aplicac~oes como multimdia interativa e seu requisito mnimo de gerac~ao de dados e de 1,5 Mbps. MPEG-2 prev^e quadros de ate 720 x 480 pixeis, destina-se a compactac~ao e transmiss~ao de vdeo digital com qualidade de TV e produz dados na faixa de 4 a 10Mbps. MPEG-3 foi concebido para suporte a uxo de vdeo com qualidade de HDTV (High Denition Television) e gerar dados na faixa de 5 a 20 Mbps, porem por sua siminaridade com o MPEG-2, o padr~ao MPEG-3 foi abandonado e o suporte para HDTV foi incorporado no MPEG-2. MPEG-4 se destina a aplicac~oes como videofone e aplicac~oes interativas, que utilizam quadros de tamanhos pequenos a baixa taxa de amostragem com produc~ao de dados na faixa de 9 a 40 Kbps. MPEG-7 se destinara a padronizac~ao de descric~ao de material multimdia, como imagem em movimento. MPEG tambem possui uma especicac~ao de compactac~ao de audio, que n~ao se tornou muito popular.
No MPEG-1, a compactac~ao espacial e realizada de forma similar ao JPEG, enquanto a compactac~ao temporal e advinda da utilizac~ao de quadros intermediarios gerados por intepolac~oes. No caso, o metodo gera sequ^encias compostas por tr^es tipos de quadros: I, P e B.Os quadros do tipo I s~ao similares aos do JPEG, e exploram a compactac~ao espacial da imagem. Os dos tipos P e B s~ao gerados por interpolac~oes preditivas e bidirecionais, respectivamente, gerando um alto grau de compactac~ao temporal do uxo. Quanto mais quadros B e P forem inseridos entre dois quadros I sucessivos, maior sera a compactac~ao temporal do uxo de vdeo, mas por outro lado, maior sera a distorc~ao durante o processo
