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Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Um Serviço de Alocação Dinâmica de Banda Passante em Redes ATM para Suporte a Aplicações Multimídia Dissertação apresentada ao Departamento de Ciência da Computação do Instituto de Ciências Exatas da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção do grau de mestre em Ciência da Computação Belo Horizonte 26 de Março de 1998

Banda passante no pw

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  • 1. Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizUm Servio de Alocao Dinmica de Banda Passante em Redes ATM para Suporte a Aplicaes MultimdiaDissertao apresentada ao Departamento deCincia da Computao do Instituto de CinciasExatas da Universidade Federal de Minas Gerais,como requisito parcial para obteno do grau demestre em Cincia da Computao Belo Horizonte26 de Maro de 1998

2. i AoMarcio, meu marido, Barros e Laura, meus pais,Barros Neto e Ana Carolina, meus irmos. 3. iiAgradecimentos Agradeo a Deus, em Quem sempre tive f, e onde sempre busquei fora eperseverana. Agradeo, principalmente, por Sua presena constante. Agradeo esta vitria aos meus pais, que sempre foram exemplo de coragem ededicao. Nunca teria conseguido chegar aqui, se no fosse o apoio, carinho e amor amim dispensados. Com certeza, esta alegria que vivencio agora deles tambm. Agradeo ao Marcio, meu marido e amigo, pelos momentos em que mecompreendeu e incentivou. Sua presena, sua fora, seu apoio e seu amor, foramfundamentais para que eu conseguisse alcanar este objetivo. Sua participao, nosmomentos mais difceis, e sua alegria, nos momentos mais felizes, foram muitoimportantes. Agradeo ao meu irmo, Barros Neto, e a minha irm, Carol, pelo pensamentopositivo e torcida, em todos os momentos. Agradeo tambm a Andrea, pela fora. Agradeo ao professor, amigo e orientador, Jos Marcos, pelo apoio, orientao,incentivo e conhecimentos transmitidos. Agradeo ao professor Mauro Oliveira pelo apoio, motivao e incentivo, mesmoantes do incio deste trabalho e do curso de mestrado. Sua ajuda foi de extremaimportncia. Agradeo ao Carlos, pela pacincia e disponibilidade para explicar e tirar dvidas. Agradeo ao professores e funcionrios do DCC/UFMG. Agradeo ao Flvio, por sua grande ajuda e pelas timas discusses a cerca dotrabalho, que foram muito importantes. Agradeo ao Brulio, pela amizade e ajuda fundamental na discusso deproblemas estatsticos. Agradeo aos amigos do laboratrio, Patrcia, Patty, Fernando e Daniel, pelostimos momentos que vivemos, em um ambiente alegre e descontrado. Agradeo pelocompanheirismo sempre presente entre ns. Agradeo aos amigos do mestrado, pelos dias de estudo e desespero que passamosjuntos e tambm pela nossa unio. Sem esse apoio tudo teria sido muito mais difcil. Agradeo aos amigos da Quinta Feliz, por tantos bons momentos. Agradeo a Marisa, pelo apoio, incentivo e amizade. Agradeo a CAPES, agncia financiadora deste trabalho. 4. iiiResumo Com o surgimento das aplicaes multimdia, apareceram novos conceitos decritrios de qualidade e requisitos de comunicao. Estas aplicaes possuem mais de umtipo de mdia integradas, como voz, dados, imagem e vdeo. Cada tipo de mdia possuicaractersticas e requisitos diferentes. Para que informaes de uma aplicao multimdiadistribuda possam ser transmitidas atravs de uma rede, esta ltima deve prover garantiasque atendam aos requisitos de todas as mdias. Uma outra caracterstica das aplicaesmultimdia que, algumas destas aplicaes, como vdeo, por exemplo, possuem muitasinformaes a serem transmitidas na rede e requerem uma grande capacidade de bandapassante. Para que uma rede suporte aplicaes multimdia, ela deve oferecer garantias deQualidade de Servio (QoS) e alta velocidade. A tecnologia de rede ATM (Asynchronous Transfer Mode) mostra-se uma fortecandidata para dar suporte a este tipo de aplicao. Esta tecnologia fornece garantias dequalidade de servio, atravs da implementao de classes de servio e de um algoritmode controle de admisso de conexo (CAC). Com ATM, tambm possvel conseguirvelocidades de acesso da ordem de megabits por segundo. Para transmitir informaes atravs de uma rede, com garantias de qualidade deservio, necessrio que, na fase de estabelecimento da conexo, a aplicao faa umanegociao, com a rede, da qualidade de servio desejada. Esta negociao pode seresttica ou dinmica. Na negociao esttica, os valores dos parmetros de qualidade sodefinidos no incio da transmisso e no podem ser alterados. Na negociao dinmica,estes parmetros podem ser alterados durante a fase ativa da conexo. Este trabalho apresenta um servio de negociao dinmica de qualidade deservio para redes ATM. O servio foi desenvolvido para dar suporte a transmisso dedados de aplicaes multimdia. O objetivo prover um nvel de qualidade de servio aousurio, ao mesmo tempo que atingido um bom desempenho da rede. Neste trabalhoesto envolvidos os conceitos bsicos de aplicaes multimdia, qualidade de servio eredes ATM. Estes conceitos so discutidos inicialmente. Depois definido o servio dacamada de negociao de QoS e mostrado tambm o protocolo de negociao. Aestrutura do servio de negociaodinmica e alguns aspectos de implementaotambm so abordados. Por fim, so apresentados a execuo dos testes e os resultadosobtidos. 5. iv Abstract With the emergence of multimedia applications, new concepts of quality standardsand communications requirements appeared. These applications have more than one typeof media integrated, like voice, data, image and video. Each type of media has differentfeatures and requirements. In order to transmit information of a distributed multimediaapplication through a network, the last one must provide warranties to support therequirements of all medias. Another feature of multimedia applications is that, some ofmedia, like video for example, has too much information to be transmitted through anetwork and require a high bandwidth capacity. To support multimedia applications, anetwork must offer quality of service (QoS) warranties and high speed. ATM (Asynchronous Transfer Mode) network technology is one of the strongestcandidates to provide support for this kind of application. This technology providesquality of service guarantees through the implementation of service classes and of aConnection Admission Control (CAC) algorithm. Its also possible to achieve high-speedaccess (megabits per second) using ATM. In order to transmit information in the network with quality of service guarantees,its necessary that, in the connection establishment phase, the application negotiate thequality of service desired with the network. This negotiation can be either static ordynamic. In the static negotiation, the values of the parameters of quality are defined inthe beginning of the transmission and can not be modified. In the dynamic negotiation,these parameters can be modified during the active phase of the connection. This work presents a dynamic negotiation service of Quality of Service (QoS),based on ATM networks. The service was developed to support data transmission ofmultimedia applications. The goal is to guarantee a quality of service level to the user andat the same time a better network performance. This work envolves the basic concepts ofmultimedia applications, quality of service and ATM networks, which are discussed first.After that, the QoS negotiation layer service is defined and the negotiation protocol isalso showed. The dynamic negotiation service structure and some implementation aspectsare discussed. Finally, the performance of the tests are shown and the results obtained arepresented. 6. vSumrioCAPTULO 1INTRODUO .............................................................................................................................................11.1 MOTIVAO ..........................................................................................................................................2CAPTULO 2APLICAES MULTIMDIA E REQUISITOS DE COMUNICAO................................................62.1 INTRODUO.........................................................................................................................................62.2 CARACTERSTICAS DAS MDIAS..............................................................................................................72.3 APLICAES MULTIMDIA ...................................................................................................................10 2.3.1 Exemplos de Aplicaes Multimdia ...........................................................................................112.4 REQUISITOS DE COMUNICAO ...........................................................................................................142.5 SISTEMAS MULTIMDIA........................................................................................................................172.6 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................19CAPTULO 3QUALIDADE DE SERVIO .....................................................................................................................203.1 INTRODUO.......................................................................................................................................213.2 FUNES DE GERENCIAMENTO DE QOS ..............................................................................................243.3 NEGOCIAO DE QOS .........................................................................................................................27 3.3.1 Passos da negociao .................................................................................................................28 3.3.2 Componentes do sistema envolvidos na negociao de QoS ......................................................293.4 RENEGOCIAO...................................................................................................................................303.5 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................32CAPTULO 4REDES ATM PARA TRANSMISSO DE APLICAES MULTIMDIA COM GARANTIAS DEQOS ..............................................................................................................................................................334.1 INTRODUO.......................................................................................................................................334.2 T ECNOLOGIA ATM..............................................................................................................................364.3 QUALIDADE DE SERVIO EM REDES ATM...........................................................................................41 4.3.1 Reserva, Alocao e Dedicao de Recursos .............................................................................41 4.3.2 Classes de Servio ATM..............................................................................................................424.4 CONTROLE DE ADMISSO DE CONEXES EM REDES ATM ..................................................................434.5 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................46CAPTULO 5UM ESQUEMA DE NEGOCIAO DINMICA DE QOS ..................................................................485.1 INTRODUO.......................................................................................................................................485.2 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................50CAPTULO 6UM SERVIO DE NEGOCIAO DE QOS PARA UMA REDE ATM .............................................516.1 INTRODUO.......................................................................................................................................51 7. vi6.2 SERVIO ..............................................................................................................................................52 6.2.1 Diagramas de Tempo das Primitivas de Servio ........................................................................546.3 O SERVIO DA CAMADA ATM ............................................................................................................576.4 O P ROTOCOLO DE NEGOCIAO..........................................................................................................59 6.4.1 Descrio do Protocolo ..............................................................................................................596.5 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................67CAPTULO 7PROJETO E IMPLEMENTAO DO SERVIO DE NEGOCIAO DINMICA EM UMAREDE ATM..................................................................................................................................................697.1 PROJETO ..............................................................................................................................................69 7.1.1 Mdulos ......................................................................................................................................69 7.1.2 Estruturas de Dados ...................................................................................................................707.2 IMPLEMENTAO ................................................................................................................................72 7.2.1 Estrutura de Execuo Real do Esquema de Negociao ..........................................................72 7.2.2 Estrutura de Execuo do Prottipo do Esquema de Negociao .............................................72 7.2.3 Dificuldades Encontradas na Implementao ............................................................................73 7.2.4 Algoritmos...................................................................................................................................747.3 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................78CAPTULO 8TESTES E ANLISE DOS RESULTADOS.............................................................................................798.1 INTRODUO.......................................................................................................................................798.2 ELABORAO DOS TESTES ..................................................................................................................828.3 ANLISE DOS RESULTADOS .................................................................................................................83 8.3.1 Anlise de Varincia ...................................................................................................................83 8.3.2 Anlise de Regresso ..................................................................................................................928.4 ANLISE DE VIABILIDADE DO ESQUEMA..............................................................................................948.5 RESUMO DO CAPTULO ........................................................................................................................96CAPTULO 9CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS ..........................................................................................979.1 INTRODUO.......................................................................................................................................979.2 T RABALHOS FUTUROS .........................................................................................................................99 8. vii ndice de FigurasFIGURA 1.1 - VARIAO NA CODIFICAO DE BANDA PASSANTE PARA VDEO ...............................................4FIGURA 3.1 - NEGOCIAO TRIANGULAR.......................................................................................................28FIGURA 4.1 - CLASSES DE SERVIO ATM, SUAS CARACTERSTICAS E RESPECTIVAS APLICAES...................43FIGURA 4.2 - ESTABELECIMENTO DE UMA CONEXO ATRAVS DE UMA REDEATM ......................................46FIGURA 5.1 - ARQUITETURA DA NEGOCIAO DE QOS...................................................................................49FIGURA 5.2: BANDA ALOCADA X BANDA REAL .............................................................................................49FIGURA 6.1 - ARQUITETURA DE NEGOCIAO DE QOS PARA UMA REDE ATM ..............................................52FIGURA 6.2 - POSIO DA CAMADA DE NEGOCIAO DE QOS DENTRO DE UM ESQUEMA DE CAMADAS .......53FIGURA 6.3 - ESTRUTURA INTERNA DA CAMADA DE NEGOCIAO DE QOS...................................................53FIGURA 6.4 - DIAGRAMA DE TEMPO PARA A PRIMITIVA ESTABELECER_CONEXAO ........................................55FIGURA 6.5 - DIAGRAMA DE TEMPO PARA A PRIMITIVA TERMINAR_CONEXAO .............................................55FIGURA 6.6 - DIAGRAMA DE TEMPO PARA A PRIMITIVA MENOS_RECURSOS..................................................56FIGURA 6.7 - DIAGRAMA DE TEMPO PARA A PRIMITIVA MAIS_RECURSOS .....................................................56FIGURA 6.8 - DIAGRAMA DE TEMPO MOSTRANDO A ORDEM DE EXECUO DAS PRIMITIVAS E PDUS ...........57FIGURA 6.9 - ORDEM DE EXECUO PARA TRANSMISSO .............................................................................59FIGURA 6.10 - ORDEM DE EXECUO PARA RECEPO .................................................................................59FIGURA 6.11 - ESQUEMA DOS CANAIS DE COMUNICAO ENTRE AS MQUINAS- 1 CANAL DE CONTROLE E VRIOS DE DADOS.................................................................................................................................61FIGURA 6.12 - ESTRUTURA DO BUFFER DE DADOS DA FUNO PUTMSG ONDE SO TRANSMITIDAS AS PRIMITIVAS DE NEGOCIAO.................................................................................................................63FIGURA 6.13 - MQUINA DE ESTADOS FINITOS DO N CLIENTE ....................................................................66FIGURA 6.14 - MQUINA DE ESTADOS FINITOS DO N SERVIDOR..................................................................66FIGURA 6.15 - MQUINA DE ESTADOS FINITOS DO N INTERMEDIRIO.........................................................67FIGURA 7.1 - ESTRUTURA DE EXECUO DO ESQUEMA DE NEGOCIAO......................................................72FIGURA 7.2 - ESTRUTURA DE EXECUO DO PROTTIPO ...............................................................................73FIGURA 7.3 - ALGORITMOS DE APOIO.............................................................................................................75FIGURA 7.4 - ALGORITMO DO MDULO CLIENTE ...........................................................................................76FIGURA 7.5 - ALGORITMO DO MDULO INTERMEDIRIO ...............................................................................77FIGURA 7.6 - ALGORITMO DO MDULO SERVIDOR.........................................................................................78FIGURA 8.1 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X QUANTIDADE DE NS ..................................84FIGURA 8.2 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X CAPACIDADE DOS NS .................................85FIGURA 8.3 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X QUANTIDADE DE PEDIDOS DE CONEXO......87FIGURA 8.4 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X TEMPO DE SIMULAO ................................88FIGURA 8.5 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X RESERVA MNIMA ........................................90FIGURA 8.6 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO X RESERVA MXIMA ......................................91FIGURA 8.7 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO EM RELAO A RESERVA MNIMA ..................92FIGURA 8.8 - PERCENTUAL DE REJEIO DE RENEGOCIAO EM RELAO A RESERVA MNIMA E MXIMA.92 9. viiindice de TabelasTABELA 2.1 - TAXAS DE BITS DE APLICAES DE UDIO E VDEO ................................................................16TABELA 3.1 - FASES DE UMA APLICAO E SUAS RESPECTIVAS FUNES DE GERENCIAMENTO DEQOS ........26TABELA 4.1 - PARMETROS MULTIMDIA PARA TECNOLOGIAS DE REDES DE PACOTE DE LONGA DISTNCIA...40TABELA 8.1 - MATRIZ COM VALORES UTILIZADOS NOS TESTES (QUADRADO LATINO)..................................82TABELA 8.2 - ANLISE DE VARINCIA DA QUANTIDADE DE NS EM RELAO AO PERCENTUAL DE REJEIODE PEDIDOS DE RENEGOCIAO ...............................................................................................84TABELA 8.3 - ANLISE DE VARINCIA DA CAPACIDADE DO NS EM RELAO AO PERCENTUAL DE REJEIODE PEDIDOS DE RENEGOCIAO ...............................................................................................85TABELA 8.4 - ANLISE DE VARINCIA DA QUANTIDADE DE PEDIDOS DE CONEXO EM RELAO AOPERCENTUAL DE REJEIO DE PEDIDOS DE RENEGOCIAO ....................................................86TABELA 8.5 - ANLISE DE VARINCIA DO TEMPO DE SIMULAO EM RELAO AO PERCENTUAL DEREJEIO DE PEDIDOS DE RENEGOCIAO ...............................................................................88TABELA 8.6 - ANLISE DE VARINCIA DA RESERVA MNIMA EM RELAO AO PERCENTUAL DE REJEIO DEPEDIDOS DE RENEGOCIAO ....................................................................................................89TABELA 8.7 - ANLISE DE VARINCIA DA RESERVA MXIMA EM RELAO AO PERCENTUAL DE REJEIO DEPEDIDOS DE RENEGOCIAO ....................................................................................................90TABELA 8.8 - EQUAO DE REGRESSO DO PERCENTUAL DE REJEIO EM RELAO AOS PARMETROS:QUANTIDADE DE PEDIDOS DE CONEXO, TEMPO DE SIMULAO, RESERVA MXIMA, RESERVAMNIMA E CAPACIDADE DOS NS .............................................................................................94 10. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 1Captulo 1IntroduoO desenvolvimento das tecnologias de transmisso de dados possibilitou o surgimentodas redes de alta velocidade com capacidade de transportar informaes na ordem demilhes de bits por segundo. A existncia dessas redes tornou possvel a implementaode aplicaes que requisitassem grande capacidade de transmisso. Dentre estasaplicaes, podem ser citadas, como das mais importantes, as aplicaes multimdia.A maioria das aplicaes utilizadas nas redes de dados atuais so pouco sensveisa variaes de banda e retardo. Os servios de rede como correio eletrnico etransferncia de arquivo podem executar com a quantidade de banda que fornecida aeles. Servios interativos, tais como login remoto, beneficiam-se pouco de valores debanda maiores. Esta aplicao envia apenas pequenos pacotes de dados e o maiorbenefcio de ter muita banda disponvel reduzir a interferncia de grandes pacotes sobrepequenos pacotes de dados, pois os pequenos levam menos tempo para seremtransmitidos. A aplicao de sistema de arquivos distribudo (NFS - Network File System)se beneficia de um maior valor de banda. Ter uma rede com muita banda passante reduz otempo para transmisso de dados do servidor para o cliente. No entanto, o aumento debanda passante para as aplicaes citadas, faz apenas com que elas sejam executas maisrapidamente, mas no influencia no resultado ou na correo de suas execues [Partr94].As aplicaes multimdia geram vrios tipos de informao, como texto, dados,voz, vdeo e imagem. Em uma transmisso multimdia, todas essas informaes devemser enviadas em um mesmo meio de comunicao. Por esse motivo, e pelo fato de algunstipos de informao, como vdeo, por exemplo, possurem muitos dados, a transmissodestas aplicaes, requer uma grande capacidade de banda passante.Cada um desses tipos de informao possui requisitos diferentes, no que dizrespeito a retardo de transmisso, taxa de erros, perda de dados e largura de banda.Assim, uma rede para transmitir uma aplicao multimdia deve oferecer garantias de 11. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 2 qualidade de servio (QoS - Quality of Service), para que todas as informaes transmitidas tenham seus requisitos atendidos. A negociao da qualidade de servio consiste em fazer, no incio de cada conexo, uma negociao dos parmetros de transmisso necessrios a cada tipo de aplicao e, a partir da, tanto as aplicaes como a rede devem obedecer aos requisitos de qualidade estabelecidos. Esse tipo de negociao, feito apenas no incio da transmisso, pode ser chamado de negociao esttica, pois os parmetros acordados no estabelecimento da conexo continuam at que ela finalize. A negociao dinmica da qualidade de servio permite que os parmetros de qualidade sejam alterados durante a fase ativa da conexo. Essa negociao pode ser feita para requisitar mais ou menos recursos. Dessa maneira, se uma aplicao estiver subutilizando recursos, ela pode liber-los. Estes recursos podem ser reaproveitados por conexes que, em um determinado momento, exijam mais recursos ou at mesmo por aplicaes que desejem iniciar uma transmisso. A utilizao da negociao dinmica possibilita uma melhor utilizao do meio de transmisso. Uma rede, para transportar dados de aplicaes multimdia, deve oferecer, portanto, alta velocidade de transmisso e garantias de qualidade de servio. Nesse sentido, a tecnologia de rede ATM (Asynchronous Transfer Mode) tem-se mostrado como uma das mais promissoras. 1.1 Motivao As redes ATM oferecem garantias de qualidade de servio. Isto possibilita a transmisso de informaes de aplicaes multimdia, de forma que sejam atendidos todos os requisitos de qualidade de cada mdia (texto, voz, dados, imagem). A definio desses parmetros possvel devido a existncia do conceito de classes de servio nas redes ATM. Para atender s classes de servios, foi definida, no modelo de referncia ATM, uma camada de adaptao (AAL - ATM Adaptation Layer), cuja funo justamente adaptar as caractersticas de cada aplicao ao funcionamento de outra camada, chamada ATM. As redes ATM atendem a um compromisso entre dois objetivos conflitantes. Garantir o desempenho para cada classe de servio enquanto permite que a rede seja usada eficientemente, atravs da utilizao de multiplexao estatstica. Para tanto, necessrio desenvolver uma arquitetura de gerenciamento de banda passante sob a qual a 12. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira 3rede possa ser eficientemente utilizada e, enquanto isso, possa ser obtida uma QoSaceitvel para todas as classes de servio [LPF+97].Atualmente j existem esquemas de negociao de QoS em redes ATM, baseadosna utilizao das classes de servios e da AAL. Nesses esquemas, antes de se iniciar atransmisso, informa-se rede a qual classe de servio pertencer a aplicao sendotransmitida.O processo de negociao, no entanto, esttico, e muitas vezes no possibilitauma boa utilizao da rede. Para tanto, foi idealizado o esquema de negociao dinmica,no qual os parmetros de QoS podem ser alterados no decorrer da sesso estabelecida.A alocao dinmica de recursos, que possibilita a execuo da renegociaodinmica de QoS, foi proposta para superar dificuldades da alocao esttica. A alocaodinmica de banda passante, adapta-se situao real e modifica dinamicamente a bandapassante alocada. Este tipo de alocao necessita de funes avanadas para monitorar asituao da rede, alocar a banda passante e modificar seu valor [Saito97].De acordo com [Saito97], a alocao dinmica de banda passante (controle detaxa de clulas da fonte), para taxas de pico de 150Mbps e 6Mbps, tem 60% e 35%,respectivamente, melhor utilizao da banda passante que a alocao esttica.A transmisso de informaes de aplicaes multimdia, como vdeo, requermuita banda passante. Geralmente so utilizados algoritmos de compresso nos arquivosde vdeo para que seus dados sejam transmitidos pela rede. Devido a compactao, aquantidade de dados que deve ser enviada para cada quadro de vdeo pode variar bastante.Essa variao apresenta um problema [Partr94], conforme mostrado a seguir.Este problema exemplificado na figura 1.1 para uma sequncia de cincoquadros. A linha mais forte mostra a quantidade de banda que um quadro necessita emum determinado momento e a linha pontilhada mostra a quantidade de banda que cadaquadro tem disponvel. Os quadros 2 e 4 necessitam de mais banda do que a alocada e osquadros 1, 3 e 5 no precisam de toda a banda que est alocada. 13. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 4Banda Passante Tempo Figura 1.1 - Variao na Codificao de Banda Passante para Vdeo Os codificadores de vdeo solucionam este problema da seguinte maneira: eles selecionam um valor de banda na qual as informaes devem ser transmitidas (tendo como base a banda passante disponvel dos circuitos virtuais e a qualidade desejada do sinal de vdeo). O vdeo ento, codificado tal que, quando a quantidade de dados de um quadro excede o valor de banda selecionada, so transmitidas informaes o suficiente, para que se tenha uma imagem com qualidade razovel. Depois, quando existir um quadro que no necessite de toda a banda passante, so enviados, utilizando-se a banda restante destes quadros, dados para retocar a imagem e torn-la o mais prximo possvel da imagem correta. Este problema ocorre quando as informaes de um vdeo so transmitidas atravs de um canal que possui uma quantidade de banda alocada fixa. Uma soluo para este problema transmitir dados em um canal que permita a alocao dinmica de banda passante. Isto proporciona uma melhor utilizao do canal e uma melhor garantia de qualidade aplicao de vdeo. O principal objetivo da negociao dinmica (ou renegociao) explorar o comportamento dinmico de conexes multimdia para maximizar a utilizao dos recursos e, como consequncia, acomodar um maior nmero de conexes [GNN97]. No existem modelos de negociao dinmica para redes ATM, padronizados pelo ATM Forum. A motivao deste trabalho foi o esquema desenvolvido como parte de um trabalho de pesquisa de tese de doutorado, conforme apresentado em [Goula98] e [GNN97]. Nestas referncias, proposto um esquema de negociao dinmica de 14. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 5qualidade de servio para aplicaes multimdia. A partir da ento, surgiu a idia deadapt-lo para redes ATM e fazer uma implementao do esquema.Com um modelo de negociao dinmica desenvolvido para redes ATM, possvel utilizar estas redes com uma melhor eficincia, possibilitando que as aplicaestransmitidas atravs delas utilizem os recursos de acordo com suas necessidades e sejamatendidas o maior nmero possvel de aplicaes.Neste trabalho mostrado, alm do esquema de negociao dinmica, umapequena descrio sobre aplicaes multimdia, qualidade de servio e redes ATM. Isto feito porque o esquema de negociao desenvolvido destinado a aplicaes multimdia.Estas aplicaes, necessitam de uma determinada qualidade de servio. Para transmitirdados destas aplicaes, a rede deve oferecer garantias de qualidade de servio e uma altacapacidade de banda passante, caractersticas encontradas na tecnologia ATM.O objetivo deste trabalho implementar um esquema de negociao dinmica emredes ATM para aplicaes multimdia distribudas. Para tanto, definida umaarquitetura de negociao de QoS para uma rede ATM, que possui uma camada denegociao de QoS. A partir da, especificado, projetado e implementado o servioprestado por esta camada s camadas superiores, que no caso, so as aplicaesmultimdia distribudas. Por enquanto, o nico parmetro de QoS tratado pelo esquema o de banda passante. A negociao de banda passante em uma rede ATM se d atravs dareserva e alocao de recursos - no caso, a prpria banda passante. Para executar oesquema em cada n da rede ATM, desenvolvido um conjunto de programas quefuncionam como um CAC (Connection Admission Control).Nos captulos 2, 3 e 4 feita uma breve reviso sobre aplicaes multimdia,qualidade de servio e redes ATM, respectivamente. No captulo 5 mostrado o esquemade negociao que motivou a execuo deste trabalho. No captulo 6 mostrada aarquitetura de negociao de QoS para uma rede ATM e a especificao do servio e doprotocolo da camada de negociao dinmica de QoS. O captulo 7 apresenta o projeto easpectos de implementao do trabalho. No captulo 8 feita uma anlise sobre o projetoe so mostrados os resultados obtidos. Neste captulo, apresentada tambm uma anlisede viabilidade do sistema. No captulo 9 encontram-se as concluses e os possveistrabalhos futuros. 15. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/986 Captulo 2 AplicaesMultimdia eRequisitos de Comunicao Neste captulo feita uma reviso sobre aplicaes multimdia e suas caractersticas e sobre as diversas mdias que esto presentes nestas aplicaes. So analisados os recursos computacionais requeridos pelas aplicaes multimdia e os requisitos de comunicao necessrios de uma rede para que possa transmitir informaes de aplicaes deste tipo. 2.1 Introduo As aplicaes multimdia atuais integram vrios tipos de mdia: texto, grficos, imagens, vdeo e udio [Fluck95]. Cada tipo de mdia possui caractersticas e requisitos de comunicao diferentes. Algumas das caractersticas de uma aplicao multimdia so [SLC95]: natureza do trfego gerado, retardo mximo de transferncia, variao estatstica do retardo, vazo mdia e taxas aceitveis de erro em bits ou em pacotes de dados. Uma das principais caractersticas a natureza do trfego gerado. Podem existir trs tipos de classes de trfego: trfego com taxa de bits constante, onde a taxa mdia igual a taxa de pico; trfego em rajadas, que possui perodos onde as informaes so geradas prximas taxa de pico, intercalados com perodos nos quais a fonte no produz trfego algum; trfego contnuo com taxa varivel, no qual existem variaes na taxa de bits, durante todo o perodo de transmisso [SLC95]. De acordo com o tipo de informao presente em uma mdia, esta pode ser definida como discreta ou contnua. Texto, grfico e imagem so exemplos de mdias discretas, enquanto que udio e vdeo so exemplos de mdias contnuas. O termo multimdia geralmente implica que pelo menos um tipo de mdia discreta esteja associado com informao de mdias contnuas [Fluck95]. Este captulo diz respeito no apenas s aplicaes multimdia, propriamente ditas. Ele refere-se a estas aplicaes, tendo como base os requisitos de comunicao que elas necessitam, ao terem suas informaes transmitidas atravs de uma rede. Grande 16. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira7parte da literatura, que fala sobre multimdia, no aborda o aspecto da rede detransmisso, nem o ambiente distribudo. Devido a isso, este captulo est baseado,basicamente, em trs referncias. Estas referncias abordam o assunto multimdia,principalmente em relao ao aspecto dos requisitos de comunicao. Estas refernciasso: [Fluck95], [Lu96] e [SLC95]2.2 Caractersticas das mdiasCada mdia possui caractersticas e necessidades de desempenho distintas. Nesta seoso mostrados os principais tipos de mdia, suas caractersticas e seus requisitos.TextoO texto tem sido, historicamente, a principal forma de interao entrecomputadores e seres humanos. tambm, juntamente com difuses armazenadas efilmes, a principal forma de comunicao assncrona (comunicao adiada no tempo)entre humanos, atravs de livros, jornais, cartas e mais recentemente correio eletrnico.A mdia de texto pode ser representada de duas maneiras. Uma como texto noformatado, onde o nmero de caracteres disponveis limitado e em geral, o tamanho doscaracteres fixo e esto disponveis apenas uma forma e um estilo. A outra forma derepresentao como texto formatado, onde o conjunto de caracteres mais rico, commltiplas fontes, tamanhos e capacidades de formatao [Fluck95].Na maior parte das aplicaes, a mdia de texto caracteriza-se por trfego emrajada. No tolerante a erros e o retardo mximo de transferncia e a variao estatsticado retardo no so caractersticas muito relevantes [SLC95].GrficosO formato dos documentos de grficos possui informaes estruturais. Os objetospodem ser apagados, redesenhados, movidos ou terem seu tamanho alterado. Soformados por objetos tais como linhas, curvas ou crculos. Estes objetos podem serremovidos, adicionados, movidos, diminudos ou aumentados. Eles possuem atributos dotipo espessura, escala de cinza, cor ou padres de preenchimento [Fluck95].A mdia grfica caracterizada pelo trfego em rajadas com vazes mdiaschegando a algumas dezenas de megabits por segundo. Como em texto, o retardo mximo 17. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 8 e a variao estatstica do retardo no so muito importantes. A taxa de erros de bits e de pacote depende do tipo de grfico e tambm se foram utilizadas ou no tcnicas de compresso ou compactao. Para grficos no formato matricial e sem compresso, a taxa de erros de bits pode ser bem maior que a taxa de erros de pacotes. Para grficos no formato vetorial, onde forem utilizadas tcnicas de compresso, o erro em um nico bit intolervel. Um fato importante a ser considerado, em relao a taxa de erros, saber se o grfico ser processado apenas pelo olho humano ou tambm pelo computador [SLC95]. Imagens So conhecidas tambm como figuras e no contm informao estrutural. As imagens de computador so representadas por mapas de bit (bitmaps). Um mapa de bit simples uma matriz espacial de duas dimenses feita de elementos individuais chamados pixels. Grficos ou textos podem ser representados ou armazenados como imagens, sendo convertidos para formato bitmap [Fluck95]. Os requisitos de comunicao da mdia imagem so bem semelhantes daqueles para mdia grfica. A mdia imagem tambm caracterizada pelo trfego em rajadas com vazes mdias chegando a algumas dezenas de megabits por segundo. O retardo mximo e a variao estatstica do retardo no so muito importantes. A taxa de erros de bits e de pacotes depende do tipo de imagem, se foram utilizadas ou no tcnicas de compresso ou compactao, e se a imagem ser processada apenas pelo olho humano ou tambm pelo computador [SLC95]. Vdeo Tanto as imagens quanto os grficos podem ser mostrados em uma tela de computador como uma sucesso de vises que criam uma impresso de movimento. Assim, podem ser chamados de imagens em movimento ou tambm figuras em movimento e grficos em movimento ou tambm animao de computador [Fluck95]. A caracterstica de imagens ou grficos em movimento que todas as vises no so independentes. Elas so correlatas e em geral cada quadro uma variante do quadro anterior. Pode-se entender por quadro como sendo uma viso completa e individual da tela do computador em um determinado instante, parte de uma sucesso de vises apresentadas. O retardo entre a apario de dois quadros sucessivos geralmente constante e o nmero de quadros mostrados por segundo chamado de taxa de quadro. 18. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira9Para que se tenha uma real impresso de movimento, a taxa de quadros deve seracima de 16 quadros por segundo (qps). Filmes so mostrados a uma taxa de 24qps.Padres da TV americana e japonesa atuais utilizam 30qps, enquanto o padro europeuutiliza 25qps. Um dos muitos padres de TV de alta definio (High-DefinitionTelevision - HDTV), opera a 60qps [Fluck95].A mdia de vdeo caracteriza-se por gerar um trfego contnuo com taxa constante.Mesmo quando for executada alguma tcnica de compactao ou compresso e o trfegogerado ficar caracterizado como um trfego com taxas variveis, o sinal deve serreproduzido no destino em uma taxa constante. O retardo de transferncia mximo temgrande importncia e a variao estatstica do retardo deve ser compensada.A taxa de erros de bits pode ser maior que a taxa de erros de pacotes. Mesmo ataxa de erros de pacotes no to crtica, pois como a imagem no esttica, devem sergerados vrios quadros por segundo. A tolerncia a taxa de erros dependente dautilizao de tcnicas de compresso ou no, pois quando estas tcnicas so utilizadas,um erro pode se propagar. Em quadros que contenham uma propagao de erro, o erro emum nico bit pode ser intolervel enquanto quadros que no possuam propagao de erropodem tolerar erros de bits e de pacotes [SLC95].Existem cinco classes de qualidade para vdeo, so elas: televiso de altadefinio (HDTV), televiso digital com qualidade de estdio, televiso com qualidadede difuso, televiso com qualidade VCR (Videocassette Recorder) e qualidade devideoconferncia de baixa velocidade.udioA mdia de udio, assim como a mdia de vdeo, caracteriza-se por gerar umtrfego contnuo com taxa de bit constante. O trfego gerado, caso no seja utilizadanenhuma tcnica de compactao ou compresso, do tipo CBR (Constant Bit Rate).Caso contrrio, o trfego pode ser caracterizado como VBR (Variable Bit Rate) ou atmesmo como em rajadas, no caso da voz com deteco de silncio. Mesmo no caso dotrfego em rajadas, o sinal deve ser reproduzido no destino a uma taxa constante.A variao estatstica do retardo deve ser compensada. A estratgia utilizada pelosalgoritmos de compensao baseia-se fundamentalmente em assegurar uma reserva depacotes antes de dar incio ao processo de reproduo, introduzindo um retardo inicial acada surto de voz [SLC95]. O retardo de transferncia mximo crtico, principalmente 19. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 10 no caso de conversaes. Os problemas de retardo tornam-se crticos apenas para aplicaes que exigem comunicao interativa em tempo real. A mdia de udio tolera uma taxa de erros de bits ou de pacotes relativamente alta, pois os sinais de udio possuem um alto grau de redundncia. importante, no entanto, que os pacotes no sejam muito grandes para no se perder muito tempo no empacotamento e consequentemente aumentar o retardo de transferncia [SLC95]. 2.3 Aplicaes Multimdia As aplicaes multimdia possuem muitas caractersticas em comum com outros tipos de aplicaes, mas tambm possuem caractersticas particulares. Dentre as principais caractersticas especficas podem ser citadas as seguintes [Fluck95]: podem necessitar de transmisso em tempo real de informao de mdia contnua (udio e vdeo); o volume de dados trocados substancial e muitas vezes considervel, devido a codificao de informao de mdia contnua; muitas aplicaes so inerentemente distribudas. As aplicaes multimdia podem ser executadas em um sistema multimdia individual, no modo stand-alone, ou atravs de uma rede de computadores. Uma aplicao multimdia local utiliza apenas os recursos presentes no sistema local para oferecer os servios multimdia e no faz uso da capacidade de armazenamento remoto. Exemplos desse tipo de sistema multimdia so: Treinamento individual baseado em computador (Individual computer-based training - CBT) e Educao individual baseada em computador (Individual computer-based education - CBE) [Fluck95]. Aplicaes executadas atravs de uma rede de comunicao so ditas distribudas. Duas razes principais para se ter aplicaes multimdia distribudas so: Suporte a aplicaes naturalmente distribudas. Aplicaes que oferecem servios de comunicao distncia, como videoconferncia, correio eletrnico multimdia e transmisso de pacotes de udio e vdeo para vrios ns de uma rede. Implementao do modelo cliente-servidor. Para alguns sistemas multimdia, pode ser mais vantajoso utilizar recursos dos vrios sistemas espalhados pela rede. Como exemplo destes recursos, pode ser citada a capacidade de armazenamento oferecida por um servidor para que os vrios sistemas possam acess-lo remotamente. 20. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira11As aplicaesmultimdiadistribudas podem serapresentacionais ouconversacionais. As aplicaes apresentacionais fornecem acesso remoto a documentosmultimdia. Estes documentos podem estar armazenados digitalmente em um ou maisdispositivos de armazenamento de alta capacidade (computadores servidores) e osusurios podem recuperar a informao multimdia em tempo real de servidoresmultimdia atravs de uma rede de banda larga para os seus dispositivos de apresentao[HBD96]. As aplicaes conversacionais envolvem tipicamente comunicao multimdiaem tempo real. Podem ainda ser classificadas em servios sob demanda ou de difuso[VKBG94]. Muitas aplicaes possuem aspectos apresentacionais e conversacionais.2.3.1 Exemplos de Aplicaes MultimdiaAlguns exemplos de aplicaes multimdia so videoconferncia, correio eletrnicomultimdia, vdeo-sob-demanda e filme-sob-demanda. Estas aplicaes so mostradas aseguir.VideoconfernciaA videoconferncia tem como principal objetivo proporcionar uma comunicaode alta velocidade entre parceiros remotos, atravs da transmisso de udio e vdeo, paramelhorar o trabalho colaborativo [Lu96]. A videoconferncia pode se dar entre duaspartes, como na videofonia, ou entre muitas partes, como na distribuio de vdeo, masnas duas formas implica em comunicao bidirecional. As principais caractersticas davideoconferncia so as seguintes [Fluck95]: Grupos. Envolve pelo menos um grupo de pessoas em uma das localizaes. Osparticipantes podem tanto estar em um escritrio utilizando sistemas desktopquanto em salas de reunies, mas em ambos os casos existiro muitas pessoas quedevem aparecer. Documentos. Geralmente necessrio que ocorra troca de documentos entre osparticipantes. Documentos podem estar na forma de papel, visvel em um lugartipo quadro-negro ou no formato eletrnico. 21. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 12 Comunicao de grupo. A quantidade de sistemas que podem participar depende se a conferncia simtrica ou assimtrica. Em uma conferncia simtrica, as contribuies so balanceadas entre todos os participantes. Em conferncias assimtricas, alguns participantes so menos ativos que outros, e pode ser suportada uma dzia de participantes. Compromisso entre resoluo e movimento. Exceto no caso de existirem documentos, a resoluo pode ser de mdia qualidade. Qualidade de som. Este requisito muito importante em videoconferncia, pois a identificao de quem est falando em um dado momento ajuda os participantes a identificarem a parte ativa. Uma outra razo desta importncia que o som deve ter qualidade suficiente para ser amplificado por alto-falantes. Correio eletrnico multimdia O correio eletrnico uma aplicao que permite aos usurios fazer a composio, troca, leitura, armazenamento, recuperao e manipulao de mensagens de computador. Estas mensagens so representadas em uma forma digital e manipuladas por computadores. Uma mensagem multimdia possui uma parte de udio ou vdeo misturada com qualquer outro tipo de informao. O correio multimdia apareceu em 1992 com a adoo do padro correio multimdia da Internet, chamado MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions). Em relao ao armazenamento, cada minuto de udio, com o mais comum e menos eficiente esquema de codificao, requer 500Kbytes. Sequncias de vdeo para correio multimdia so geralmente de qualidade VCR e, no melhor caso de compresso, um minuto de vdeo requer 10Mbytes [Fluck95]. Portanto, o tamanho do correio multimdia deve ser limitado. Sequncias de vdeo devem ser extremamente pequenas e as sequncias de udio devem ser limitadas a poucas dzias de segundos. Telemedicina Aplicao multimdia importante, especialmente em casos de emergncia e localizaes remotas. Em telemedicina, todos os dados de pacientes so registrados e 22. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira 13armazenados eletronicamente. Instituies e equipamentos mdicos so conectadosatravs de uma rede multimdia. A telemedicina prov as seguintes funes [Lu96]: Consulta instantnea com mdicos experientes atravs do uso de udio e vdeo dealta qualidade. Acesso a registros de pacientes em qualquer lugar e a qualquer momento porpessoal mdico em caso de emergncia. Acesso a informaes em todo o mundo tal como disponibilidade e necessidadede um tipo especial de sangue ou rgos.Vdeo-sob-demandaO termo vdeo-sob-demanda, abreviado como VOD (Video-on-demand), englobauma grande quantidade de aplicaes onde os usurios podem requisitar o acesso aservidores de vdeo de imagens estticas ou em movimento. Algumas caractersticas destetipo de aplicao so citadas a seguir [Fluck95]. Vdeo-sob-demanda no diz respeito apenas a vdeo em movimento, tambmengloba a demanda a imagens estticas. A definio no especifica onde o servidor est localizado nem quem o opera.VOD pode ser um servio corporativo provido em um site dentro de umaorganizao, bem como pode ser um servio pblico. A definio no especifica o nvel de interao que o usurio pode se beneficiar,uma vez que a sesso esteja estabelecida. VOD no implica em qualquer tipo especfico de vdeo em movimento. Apesar doprincipal campo de aplicao ser a distribuio de filmes, aplicaes de VODcobrem todo tipo de sequncias de vdeo. 23. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/9814 A definio diz que o usurio pode requisitar uma imagem ou figura em movimento a qualquer tempo, mas ela no diz que o usurio pode v-la a qualquer tempo. Filme-sob-demanda Filme-sob-demanda, abreviado como MOD (Movie-on-demand), um servio pblico de vdeo-sob-demanda oferecido a usurios residenciais ou clientes de hotis, onde o objeto acessado um filme armazenado [Fluck95]. O objetivo do MOD substituir dois servios convencionais com um produto melhorado. O servio pay-per-view (PPV). A melhoria seria o fato de se oferecer uma maior quantidade de filmes que possam ser escolhidos e que o usurio possa requisitar e assistir a qualquer momento. O servio de aluguel de fita de vdeo. A idia eliminar a busca e retorno da fita a locadora, eliminando a manipulao fsica da fita. Para filme-sob-demanda, uma qualidade equivalente a de videocassete VHS, requer uma taxa de transmisso de apenas 1,5Mbps, o que compatvel com a velocidade T1. Implementaes existentes do padro de compresso de vdeo MPEG-2 (Motion Picture Expert Group) operam a 6Mbps com uma qualidade ligeiramente superior a qualidade de TV de difuso. esperado que se consiga uma taxa na ordem de 4Mbps para este tipo de qualidade. Muitos operadores esto planejando canais de 6 ou 7Mbps para suas infra-estruturas. Vrias tcnicas de compresso podem ser usadas para TV digital com qualidade de difuso, mas o padro MPEG-2 tem surgido como uma tecnologia geral, multi-vendedor [Fluck95]. As aplicaes multimdia distribudas constituem o enfoque deste trabalho. Dentro deste tipo de aplicao, o sistema desenvolvido no trabalho tem como objetivo atender aplicaes do tipo vdeo-sob-demanda. 2.4 Requisitos de Comunicao 24. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira 15Aplicaes multimdia so caracterizadas por manipular mdia contnua e suportar umavariedade de mdias e seus relacionamentos temporais. Isto impe novos requisitos aossistemas de comunicao e sistemas-fim [HBD96].As informaes das aplicaes distribudas devem ser transmitidas atravs de umarede. Para cada tipo de mdia existem requisitos de comunicao especficos. Para queuma sub-rede de comunicao possa transmitir dados de aplicaes multimdia em temporeal e mdia contnua, ela deve disponibilizar alguns caractersticas de desempenho. Asprincipais destes caractersticas so [Fluck95] [Lu96]: Vazo. Quantidade de bits que a rede capaz de transmitir em um determinadoperodo de tempo. Algumas aplicaes necessitam de uma capacidade dearmazenamento e de banda passante muito grande, como mostra a tabela 2.1. Retardo. Tempo gasto para a emisso do primeiro bit de um bloco de dados pelotransmissor e sua recepo pelo receptor. Um valor aceitvel de retardo dependente da aplicao. udio e vdeo digital so mdias contnuas dependentesdo tempo, conhecidas como dinmicas ou iscronas. Para que a apresentaodestas mdias tenha uma qualidade razovel, as amostras de udio e vdeo devemser recebidas e apresentadas em intervalos regulares. Variao do retardo. Variao no tempo do retardo de transmisso da rede. umdos principais parmetros para suportar mdias dependentes do tempo. Para umaboa apresentao de mdias contnuas, a variao do retardo deve ser muitopequena. Os requisitos de retardo e variao do retardo devem ser garantidosdurante toda a sesso de comunicao. Grande parte das redes, protocolos detransporte, sistemas operacionais e escalonamento de discos atuais no fornecemtal garantia. Portanto, os hospedeiros e organizao das redes atuais no soapropriados para aplicaes multimdia. Taxa de erros. Parmetro que mede a capacidade da rede em termos de alterao,perda, duplicao ou entrega fora de ordem, dos dados. Em dados de udio evdeo pode-se tolerar algum erro ou perda, pois estes podem passar despercebidospelo usurio. Quando so utilizadas tcnicas de compresso, a taxa de errospermitida menor, pois um erro em um bit pode causar erro de descompresso demuitos bits. Um outro parmetro de medida de erro a taxa de perda de pacote. O 25. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 16 requisito para taxa de erros de pacote mais rigoroso que para taxa de erros de bit, pois a perda de pacotes pode afetar a decodificao de uma imagem.Aplicaes Taxa de Dados (kbits/s)Telefone digital 64Rdio digital1.024udio-CD 1.411,2DAT1.536Vdeo qualidade VHS54.000Vdeo qualidade TV 216.000HDTV 864.000Tabela 2.1 - Taxas de Bits de Aplicaes de udio e Vdeo Para suporte a aplicaes de recuperao e de distribuio, os principais critrios exigidos de uma rede so: capacidade para comunicao de grupo e capacidade para fazer cache de documentos [Fluck95]. Capacidade de comunicao de grupo. Capacidade da rede para replicar, em certos pontos internos, os dados emitidos por uma fonte. Dados replicados devem ser passados a frente para os receptores-fim, que so parte do grupo. Esta capacidade desenvolvida para evitar ou minimizar que segmentos das redes sejam atravessados por mltiplas cpias dos mesmos dados. Capacidade para fazer cache de documentos. Consiste, para o sistema local envolvido, em aguardar solicitaes do usurio, atend-las e manter uma cpia de parte especfica da informao solicitada. Algoritmos apropriados mantm apenas o sub-conjunto das partes que possuem a maior probabilidade de serem solicitadas pelos sistemas locais. Em relao s redes de comunicao, existem ainda duas caractersticas importantes no transporte de dados de aplicaes multimdia. Estas caractersticas so: isocronismo e qualidade de servio (QoS). Para o suporte a aplicaes multimdia utilizando transmisso em tempo real, uma caracterstica particularmente importante a de isocronismo. O termo isocronismo refere- 26. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira 17se ao processo onde os dados devem ser entregues dentro de certos limites de tempo. Porexemplo, streams multimdia requerem um mecanismo de transporte iscrono paraassegurar que os dados sejam entregues to rpido quanto eles so apresentados eassegurar que o udio seja sincronizado com o vdeo.Aplicaes iscronas, ou sensveis ao tempo, tais como vdeo, requerem muitabanda passante e baixo retardo fim-a-fim [Miller94]. Uma conexo de rede fim-a-fim dita iscrona se a taxa de bits da conexo garantida e se o valor da variao do retardo tambm garantido e pequeno. Aplicaes multimdia distribudas so iscronas pornatureza e portanto, possuem limitaes de tempo.A outra caracterstica de rede importante, a de Qualidade de Servio (QoS).Dados multimdia requerem diversos requisitos de qualidade dos sistemas multimdia.Estes requisitos, dependendo da aplicao, muitas vezes so ditos rigorosos. O conceitode QoS baseado no fato de que, nem todas as aplicaes, necessitam do mesmodesempenho da rede pela qual esto trafegando. As aplicaes podem indicar os seusrequisitos especficos para a rede, antes de realmente ser iniciada a transmisso dosdados. QoS uma medida de quo bom um servio, como apresentado para o usurio. expressa em uma linguagem compreensvel pelo usurio e manifesta, atravs de umaquantidade de parmetros, valores subjetivos e objetivos.Portanto, para que informaes de aplicaes multimdia possam ser transmitidasatravs de uma rede, com uma qualidade aceitvel para o usurio, a rede deve atender, demaneira satisfatria, e de acordo com cada mdia, os seguintes requisitos: vazo, retardo,variao do retardo, taxa de erros, capacidade de comunicao de grupo, capacidade parafazer cache de documentos, isocronismo e garantias de QoS.2.5 Sistemas MultimdiaUm sistema multimdia oferece uma funo ou um conjunto de funes particulares auma aplicao multimdia. Uma aplicao multimdia o uso especfico, por um usurioou grupo de usurios, de um dado sistema multimdia. Um exemplo de sistemamultimdia uma estao de trabalho equipada com dispositivos de udio e vdeo. Umexemplo de funo, ou aplicao multimdia, uma videoconferncia [Fluck95].Os sistemas multimdia distribudos podem ser classificados em um nmero declasses. O ITU (International Telecommunications Union) identifica quatro classesbsicas de servios ou aplicaes distribudas. Estas quatro classes so [Lu96]: 27. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 18 Servios coversacionais. Implicam a interao entre um usurio humano e outro usurio humano ou sistema. Esta classe inclui servios interpessoais, como videoconferncia e videofonia. Inclui tambm servios como televigilncia e telecompras. Servios de mensagens. Cobrem a troca de dados multimdia que no so de tempo real ou assncronos, atravs de caixas de correio eletrnico. Servios de recuperao. Cobre todos os tipo de acesso a servidores de informao multimdia. Tipicamente, o usurio envia um pedido para o servidor e a informao solicitada entregue ao usurio em tempo real. Vdeo-sob-demanda um exemplo deste servio. Servios de distribuio. Cobrem servios onde a informao distribuda por iniciativa de um servidor. Um exemplo deste servio uma difuso de programa de TV. Existem alguns objetivos que um sistema multimdia deve atender. Estes objetivos so [Lu96]: O sistema deve ter recursos suficientes para suportar aplicaes multimdia. Cada subsistema deve ter tipos e quantidade de recursos para suportar mltiplas aplicaes simultaneamente. Um sistema-fim deve estar apto a processar mltiplas aplicaes. Redes, servidores e dispositivos de armazenamento devem estar aptos a suportar um nmero de sesses ou fluxos simultaneamente. O sistema deve estar apto a utilizar os recursos disponveis de maneira eficiente. Os recursos de uma sistema so compartilhados por vrias aplicaes. Estes recursos devem ser compartilhados de uma maneira eficiente, tal que um nmero mximo de aplicaes possa ser suportado com uma determinada quantidade de recursos. 28. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 19 O sistema deve estar apto a garantir os requisitos de QoS das aplicaes. Osrecursos devem ser compartilhados eficientemente pelas diversas aplicaes, eestas aplicaes devem conseguir a qualidade de servio requisitada. Portanto, umimportante desafio para os sistemas multimdia usar os recursos de uma maneiraeficiente e ao mesmo tempo garantir a QoS para cada aplicao. O sistema deve ser escalvel. Uma arquitetura de comunicao deve ser escalvele extensvel para conseguir fornecer aumento nos requisitos dos usurios e atendernovas demandas. A escalabilidade refere-se a habilidade do sistema em adaptar-sea mudanas no nmero de usurios a serem suportados e a quantidade deinformao a ser armazenada e processada.A partir desta anlise, pode-se concluir portanto que, os sistemas de computao ecomunicao multimdia devem suportar e prover o seguinte: compresso de dados parareduzir a demanda por espao de armazenamento e banda de transmisso; um sistemaoperacional, protocolo de transporte e escalonador de disco direcionados para multimdia,que forneam as garantias de retardo e variao de retardo apropriadas; estaes detrabalho de alto desempenho e redes de alta velocidade para manipular altas taxas de bitssob limitaes de tempo; e mecanismos globais de especificao e garantia de QoS[Lu96].2.6 Resumo do CaptuloNeste captulo foram analisados os diversos tipos de mdia existentes em um sistemamultimdia. Dentre as mdias apresentadas podemos citar texto, grficos, imagens, vdeoe udio. Para cada tipo de mdia foram mostradas suas caractersticas principais e osrequisitos de comunicao exigidos por cada uma.Foram apresentados tambm os sistemas multimdia e as aplicaes multimdia,descrevendo o que so e mostrando suas principais caractersticas. As aplicaesmultimdia podem ser executadas de forma individual ou atravs de uma rede decomputadores, as quais so chamadas aplicaes distribudas. Como exemplos deaplicaes multimdia foram mostrados videoconferncia, correio eletrnico multimdia,vdeo-sob-demanda e filme-sob-demanda. O enfoque deste trabalho so as aplicaesmultimdia distribudas, dentre as quais a aplicao tomada como base foi a de vdeo-sob-demanda. 29. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 20 Depois foram discutidos os requisitos de comunicao, necessrios a uma rede, para transmitir informaes de aplicaes multimdia. Os principais destes requisitos so vazo, retardo, variao do retardo e taxa de erros. Para suporte a aplicaes de recuperao e de distribuio, necessrio que uma rede possua capacidade de comunicao de grupo e de fazer cache de documentos. Outras duas funes de rede importantes so isocronismo, principalmente para transmisso de tempo real, e garantia de qualidade de servio. Captulo 3 Qualidade de Servio 30. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 21Neste captulo so mostrados alguns conceitos que esto envolvidos na definio dequalidade de servio (QoS). So descritas as funes de gerenciamento de QoS e, dentreestas funes, so destacadas as de negociao e renegociao de QoS.3.1 IntroduoO conceito de qualidade de servio, no que tange as redes de comunicao, deriva do fatode que, nem todas as aplicaes transmitidas em uma rede, possuem os mesmosrequisitos de desempenho. Assim, cada aplicao, antes de iniciar uma transmisso, podeindicar quais os parmetros de qualidade que atendem s suas necessidades.A qualidade de servio (QoS) pode ser descrita sob vrios pontos de vista. Parapesquisadores trabalhando com codificao de vdeo, QoS uma medida subjetiva daqualidade do canal. Outros podem ver QoS como uma necessidade das redes forneceremlimites de desempenho e ainda outros podem ver QoS em termos de disponibilidade darede na presena de falha [Jung96].Para o usurio da aplicao, QoS vista como um conjunto de caractersticas,como por exemplo, a qualidade da imagem em termos de nitidez ou a qualidade do udio.Para a rede, essas caractersticas so traduzidas para um conjunto de parmetros, comobanda passante necessria para transmisso das informaes, retardo mximo permitido etaxa de erros aceitvel pelo tipo de informao sendo transmitida.De acordo com [VKBG94], qualidade de servio, para um sistema distribudo,pode ser definida como: O conjunto das caractersticas qualitativas e quantitativas de umsistema multimdia distribudo, necessrias para alcanar a funcionalidade necessria deuma aplicao.Uma definio que considera o ponto de vista tanto da aplicao quanto dosistema dada em [Lu96], na qual QoS uma especificao qualitativa e quantitativa deuma necessidade da aplicao, que um sistema multimdia deve satisfazer para obter aqualidade desejada para a aplicao. Tendo como base esta definio, existem doisaspectos de QoS: as aplicaes especificam os requisitos de QoS e os sistemas fornecemgarantias de QoS.A noo de QoS foi utilizada inicialmente em comunicaes de dados paracaracterizar o desempenho de transmisso de dados em relao a confiabilidade, retardo evazo [Lu96]. Os parmetros de QoS dos sistemas atuais, como OSI (Open SystemsInterconnection) e ITU (International Telecommunication Union), permitem a 31. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/9822 especificao de alguns requisitos de usurio. Estes requisitos, no entanto, quase nunca so suportados pelas redes. No modelo de referncia OSI os parmetros de QoS so classificados em dois grupos principais: o grupo de parmetros orientados a desempenho e o grupo de parmetros no orientados a desempenho [CCG+93]. Este modelo tem um nmero de parmetros que descrevem a velocidade e confiabilidade de uma transmisso. Alguns destes parmetros so vazo, retardo de transmisso, taxa de erros e probabilidade de falha no estabelecimento de conexo. Estes parmetros no atendem a todas os requisitos de qualidade de uma comunicao multimdia e so utilizados apenas no nvel de transporte. Para comunicaes multimdia, a QoS deve ser especificada e garantida fim-a- fim, em todos os nveis. Portanto, as aplicaes multimdia necessitam de um novo modelo de QoS [Lu96]. O ITU-T define QoS como O efeito coletivo do desempenho de um servio, o qual determina o grau de satisfao de um usurio do servio [ISO92]. O prprio ITU reconheceu a necessidade de permitir a configurao de QoS em redes ATM (Asynchronous Transfer Mode) e, para tanto, definiu um conjunto de parmetros. O conceito de QoS em redes ATM aplicado a trs nveis de controle: nvel de controle de camada, nvel de conexo e nvel de controle de clula. Para que uma arquitetura fornea garantias de QoS necessrio que ela possua os seguintes elementos [Lu96]: Um mecanismo de especificao de QoS para que as aplicaes definam seus requisitos; Controle de admisso para determinar se uma nova aplicao deve ser admitida sem afetar a QoS de outras aplicaes j existentes; Um processo de negociao de QoS tal que possa ser atendido o maior nmero possvel de aplicaes; Alocao e escalonamento de recursos para alcanar o requisito de QoS das aplicaes aceitas; Policiamento de trfego para garantir que as aplicaes gerem dados de acordo com a quantidade especificada na negociao. 32. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 23Os elementos citados acima so fundamentais para que seja oferecida umagarantia de QoS. Juntamente com estes elementos, podem ser citados outros trselementos necessrios para alcanar requisitos de qualidade de aplicaes multimdia.Estes outros elementos so: um mecanismo de renegociao de QoS, para que asaplicaes possam mudar os valores acordados na especificao inicial; a QoS fornecidas conexes existentes deve ser monitorada para que seja tomada alguma atitude no casode violao da QoS garantida; e finalmente, devem ser utilizadas tcnicas deescalabilidade e de degradao graciosa da QoS para prover servios satisfatrios saplicaes multimdia.A qualidade de servio conseguida por um usurio depende de todos oscomponentes envolvidos em um sistema: o sistema operacional, o sistema de transporte(por exemplo, uma ligao lenta diminui a vazo) ou a aplicao (por exemplo, o bancode dados possui apenas imagens de baixa qualidade) [VKBG94].Para a transmisso de informaes de aplicaes multimdia, em particular mdiacontnua, essencial que a qualidade de servio seja garantida em todo o sistema,incluindo a plataforma de sistema distribudo, o sistema operacional, os dispositivos dossistemas-fim, o sub-sistema de comunicao, o protocolo de transporte e a rede. necessrio tambm que o protocolo tenha suporte a negociao de QoS fim-a-fim,renegociao, indicao de degradaes de QoS e coordenao sobre as mltiplasconexes relacionadas [CCG+93] [ACH98].As garantias de QoS fim-a-fim s podem ser alcanadas quando todos ossubsistemas do sistema de comunicao fornecerem garantias de QoS em seus nveislocais. Estes subsistemas incluem redes, protocolos de transporte, arquitetura do sistema-fim e um servidor multimdia [Lu96].As diversas aplicaes multimdia possuem diferentes caractersticas e cadaaplicao necessita de qualidades de servio diferentes. Como exemplo, podem sercitadas algumas aplicaes em conjunto com suas necessidades [DG94]: Vdeo Compactado. Aplicao com taxa de bits varivel, que requer um baixoretardo para um servio interativo. Existe um requisito para sincronizao defluxos de udio e vdeo relacionados ou objetos de texto. A tolerncia de erro eperda depende da aplicao. 33. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 24 udio no compactado de alta fidelidade. Aplicao com taxa de bits constante, sensvel a perda de dados. Transmisso de voz digital. Servio interativo que requer baixo retardo. Se no houver compresso da voz digital, a transmisso ter uma taxa de bits constante com a presena de pausas (o servio pra em alguns instantes e depois continua). Erro ou perda de dados so aceitveis, mas podem causar problemas. 3.2 Funes de Gerenciamento de QoS Existem trs nveis de garantia de qualidade de servio. Estes nveis so: garantia determinstica, estatstica e best-effort [HBD96] [Lu96]. Algumas caractersticas destes tipos de garantia so discutidas a seguir. Garantia determinstica. Tambm conhecida como garantia forte. Neste tipo de garantia, a qualidade especificada pelo usurio deve ser atendida sempre. fornecido um limite para cada parmetro e este limite deve ser atendido em 100% dos casos. Os recursos normalmente so reservados para a aplicao com base no pior caso e mesmo que os recursos no estejam sendo usados em um determinado momento, eles no podem ser alocados para outras conexes. Por esta razo, este tipo de garantia mais cara em termos de recursos dos sistemas. Garantia estatstica. Tambm conhecida como garantia fraca. Neste tipo de garantia, a qualidade especificada pelo usurio deve ser atendida apenas para uma certa percentagem especificada. dado um valor para cada parmetro e ento garantido que apenas uma parte das conexes ser atendida tendo como limite o valor determinado. Este tipo de garantia utiliza os recursos dos sistemas de uma maneira mais eficiente, pois a utilizao dos recursos baseada em multiplexao estatstica, onde os recursos no utilizados por uma aplicao podem ser utilizados por outras aplicaes. difcil de implementar devido natureza dinmica do trfego e da utilizao de recursos das aplicaes. Best Effort. baseada na no garantia ou em garantia parcial. No prov nenhuma garantia e a aplicao executada com a quantidade de recursos que estiver 34. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros DinizOrientador: Jos Marcos Silva Nogueira 25disponvel. A maioria dos sistemas de computao atuais operam desta maneira,sobretudo os que utilizam a Internet.So utilizados diferentes tipos de garantia para diferentes tipos de trfego. Emalguns casos, uma conexo pode usar diferentes nveis de garantia para diferentesparmetros de QoS [Lu96].Quando uma conexo solicitada, o provedor do servio deve estabelecer umasesso com a QoS desejada, controlar essa sesso durante sua fase ativa e terminar asesso quando for solicitado por um dos usurios ou devido a problemas no provedor doservio, como por exemplo, congestionamento da rede. Para que os requisitos de QoS dasaplicaes multimdia sejam atendidos, as fases de estabelecimento, manuteno efinalizao de uma sesso devem possuir funes de gerenciamento [HBK+95].As funes de gerenciamento de QoS normalmente so distribudas atravs dosdiversos componentes do sistema e envolvem a reserva de recursos nesses componentes[HBK+95]. As funes de gerenciamento mostradas na tabela 3.1 so descritas emseguida.Fases Funes de gerenciamento de QoSEspecificao da QoSMapeamento da QoSEstabelecimento Negociao da QoSReserva de RecursoContabilizao da QoSMonitorao da QoSRenegociao da QoSAlocao Dinmica de RecursoManutenoPoliciamento da FonteAdaptao da QoS 35. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/9826Contabilizao da QoSMapeamento da QoS FinalizaoFinalizao da QoSTabela 3.1 - Fases de uma aplicao e suas respectivas funes de gerenciamento deQoS 1. Especificao e mapeamento de QoS. Funes de mapeamento so necessrias para fazer a traduo entre os parmetros de QoS externos, vistos pelo usurio, e os parmetros internos, vistos pelo sistema (vazo, retardo, variao do retardo). 2. Negociao de QoS e reserva de recurso. Permite encontrar uma configurao de sistema que atenda aos requisitos de QoS do usurio. No caso da negociao ser aceita, e os componentes suportarem um nvel de QoS especfico, cada componente deve dedicar recursos para suportar a QoS desejada. 3. Monitorao de QoS e policiamento da fonte. Permite fazer uma anlise constante da QoS fornecida por todo o sistema e/ou por cada componente do sistema. Essa atividade envolve as funes de detectar e notificar qualquer violao da QoS e armazenar informao. 4. Adaptao da QoS. Oferece alternativas de configurao para os casos em que os parmetros de usurio no so aceitos no processo de negociao. No caso de haver mudanas no ambiente, o processo de adaptao deve fornecer uma degradao suave ao servio. Em muitas situaes pode ser prefervel degradar um pouco a qualidade do servio, violando os parmetros de QoS negociados, a finaliz-lo. 5. Renegociao da QoS. O processo de renegociao pode ser iniciado pelo usurio ou pelo sistema de comunicao. A renegociao iniciada pelo usurio, permite que este solicite uma melhor qualidade para o seu servio, ou a degradao do mesmo com o objetivo de baixar o custo. Por outro lado, a renegociao iniciada pelo sistema de comunicao, ocorre geralmente devido a falta de recursos (como, por exemplo, congestionamento na rede) e tem o objetivo de reduzir a qualidade oferecida, para que os servios no sejam interrompidos. Esse processo ser iniciado quando o processo de adaptao automtica no tiver sucesso. 36. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira276. Contabilizao da QoS. A contabilizao determina o custo efetivo de um servio requisitado por um usurio. A contabilizao de QoS uma atividade complexa, devido a grande variedade de QoS requisitada pelas aplicaes multimdia distribudas. A contabilizao de QoS deve ser baseada pelo menos no valor de QoS requisitado pelo usurio, seno todos os usurios exigiro a melhor QoS para todas as aplicaes.7. Finalizao da QoS. Quando uma aplicao finaliza, todos os componentes que lhe fornecem QoS, devem liberar seus recursos reservados e, para tanto, estes componentes devem receber notificaes quando as aplicaes so finalizadas.Dentre as funes de gerenciamento de qualidade de servio descritas acima, as demaior importncia para este trabalho so as funes de negociao e renegociao.3.3 Negociao de QoSEm um sistema de computao, a qualidade de servio pode ser negociada entre osdiversos participantes de uma comunicao. Em um servio orientado a conexo comligao ponto-a-ponto, os participantes da negociao so o usurio que inicia a conexo,o usurio destino daquela conexo e o servio provedor da comunicao. Todas asnegociaes so baseadas nas primitivas request, indication, response e confirm [DG94].Quando um servio multimdia oferecido em um sistema distribudo, anegociao com o usurio feita atravs da execuo de um protocolo de negociaoenvolvendo os diferentes componentes do sistema. De acordo com o nmero de usuriosparticipantes, existem trs tipos de negociao: unilateral, bilateral e triangular [DG94].Na negociao triangular (figura 3.1) o usurio solicitante do servio sugere umvalor para o parmetro de QoS na primitiva request (valor sugerido). O valor sugeridopode ser diminudo pelo provedor do servio antes de ser passado ao usurio destino naprimitiva indication. O usurio destino pode tambm diminuir o valor do parmetro eretorn-lo na primitiva response. O provedor do servio passa ento esse valor, semalter-lo, para o usurio de origem na primitiva confirm. Esse valor considerado o valordo parmetro de QoS selecionado [DG94]. 37. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 28Request IndicationResponseConfirmValor do parmetrode QoSQoS_reqQoS_ind QoS_resp QoS_conf Usurio ChamadorUsurio ChamadoFigura 3.1 - Negociao Triangular A negociao bilateral executada apenas entre os dois usurios do servio e o provedor do servio no pode modificar os valores dos parmetros propostos. Na negociao unilateral nem o provedor do servio nem o usurio destino podem modificar o valor do parmetro de QoS requisitado pelo usurio solicitante. 3.3.1 Passos da negociao Em um processo de negociao de qualidade de servio podem ser destacados trs passos principais [HBK+95]: 1. Definio dos requisitos do usurio. O usurio o principal agente no processo de negociao da qualidade de servio, que acontece no estabelecimento de uma conexo ou no processo de renegociao. Os requisitos de QoS so primeiramente definidos em parmetros a nvel de usurio, os quais devem posteriormente ser traduzidos para parmetros internos correspondentes. 2. Seleo de uma configurao funcional. Nesse passo deve ser feita a escolha de uma configurao funcional apropriada, dentre as possveis configuraes que podem ser consideradas, com base no servio requisitado e nos parmetros QoS especificados. 3. Seleo de uma configurao fsica. As principais fases desse processo de seleo so: alocao funcional para componentes do sistema fsico, refinamento da configurao funcional, otimizao das alocaes de recursos e comprometimento de recursos. 38. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira 293.3.2 Componentes do sistema envolvidos na negociao deQoSPara que um sistema de computao oferea o servio de negociao de QoS, necessrio que vrios componentes do sistema estejam envolvidos no processo. Algunsdestes componentes so a rede de alta velocidade, o protocolo de transporte, o dispositivode apresentao e o servidor multimdia. Estes componentes so descritos a seguir.1. Rede de alta velocidade. Para suportar a transferncia de aplicaes multimdia, as redes de comunicao devem ser capazes de transferir vrios tipos de mdias com diferentes QoS. Essa rede deve ser capaz de suportar taxas de transferncia constantes e variveis, transportar informaes com diferentes taxas de transmisso (variando de dezenas de bits por segundo a milhes de bits por segundo), suportar servios de comunicao de grupo e de difuso, transmitir informaes de mdias diferentes da mesma maneira (sem fazer distino em relao a natureza da informao) e suportar mecanismos de gerenciamento de banda passante.Alguns parmetros de QoS, bsicos para a transmisso de aplicaes multimdia, devem ser oferecidos na interface de rede. Esses parmetros so: Retardo. Retardo introduzido pelo componente de rede para transportar umaunidade de dados da informao a ser transmitida. contabilizado a partir dainterface fonte de transmisso at a interface destino. Confiabilidade. Indica se o servio confivel ou no. Em caso de um servio noconfivel, deve ser indicado um valor para a taxa de perda. Variao do retardo. Diferena entre o retardo mnimo e o retardo mximo. Vazo. Quantidade de unidades de dados transferidas em um determinado perodode tempo. Tipo de garantia. Permite especificar se parmetros como vazo, retardo evariao do retardo so suportados com alguma garantia ou pelo melhor esforo. Custo. Custo que a rede cobra de seus clientes. Pode ser expresso em termos detempo de utilizao ou unidades de dados transferidas, ou ainda uma combinaodos dois.2. Protocolo de transporte. A execuo dos protocolos de comunicao podem introduzir retardo e variao do retardo na transmisso. Para suportar a QoS requerida por uma 39. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/9830 aplicao, necessria uma garantia da velocidade de execuo do protocolo de transporte. Portanto, os parmetros de vazo, retardo e variao do retardo devem ser limitados no nvel de transporte. Os parmetros de QoS para a interface do protocolo de transporte so os mesmos para a interface de rede. 3. Dispositivo de apresentao. A atividade de passar os dados de uma aplicao multimdia para o dispositivo de apresentao pode introduzir diferentes valores de retardo e variao do retardo. Dessa maneira, o dispositivo utilizado deve fornecer garantias para suportar o retardo e a variao do retardo solicitados. 4. Servidor multimdia. Fornece armazenamento confivel e coerente de documentos multimdia, bem como acesso concorrente a esses documentos e seus componentes. O servidor de banco de dados est presente no processo de negociao de QoS para fornecer informao sobre sua condio de satisfazer o nvel de QoS requisitado. 3.4 Renegociao As comunicaes multimdia normalmente no possuem um comportamento esttico e, durante uma sesso ativa, necessitam alterar os parmetros de QoS que foram negociados no incio da transmisso, no processo de admisso da conexo. A mudana nos parmetros de QoS pode se dar por vrias razes. Algumas destas razes so [Lu96]: o usurio inicialmente requisitou uma sesso com uma alta qualidade e durante esta sesso ele deseja diminuir a qualidade devido ao custo; o usurio requisitou inicialmente uma baixa qualidade para um canal de vdeo e, durante a transmisso, decide aumentar a qualidade; o usurio solicitou no incio da transmisso uma sesso com um canal de vdeo e um canal de udio e durante o processo de comunicao necessrio um canal extra para acessar um banco de dados multimdia. Portanto, necessrio prover mecanismos de renegociao de QoS para atender a mudanas nos parmetros de qualidade acordados no incio da transmisso. Algumas vezes pode no ser possvel aumentar a qualidade atual, pois em um determinado momento o sistema pode no possuir recursos disponveis. A funo de renegociao permite alterar os parmetros de QoS estabelecidos na fase de negociao. Essa alterao possibilita que aplicaes que no possuam uma QoS constante durante seu tempo de execuo possam alterar seus requisitos, liberando 40. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira31recursos no momento em que estejam excedentes ou alocando mais recursos quandonecessrio.A alocao de recursos na fase de estabelecimento de conexo pode resultar emum uso ineficiente da rede e/ou degradar a QoS das conexes. Para trfego CBR, aalocao esttica apropriada, mas para trfego com taxa de bits varivel, a alocaoesttica de banda pode causar desperdcio da banda passante. Em um esquema dealocao dinmica de recursos, a aplicao pode informar a rede quando necessitar demais recursos ou quando puder liberar recursos. A rede pode ento aceitar ou rejeitar (nocaso de mais recursos) o pedido de renegociao. Com um esquema de renegociaopode-se previnir congestionamento na rede e tambm permitir que a rede otimize autilizao de recursos e alcance os requisitos de QoS necessrios [Kidam96].A maior motivao para negociao dinmica de QoS explorar ocomportamento dinmico de conexes multimdia, para melhorar a utilizao de recursose consequentemente, aumentar o nmero de conexes suportadas por um n [GNN97].Uma desvantagem do esquema de renegociao a complexidade deimplementao. Este esquema requer a utilizao de primitivas extras para sinalizao. Ainsero de um retardo de renegociao por rajada (alterao nos requisitos de bandapassante) aumenta o retardo fim-a-fim [Kidam96].O objetivo deste trabalho fornecer um servio de negociao dinmica de QoS aaplicaes multimdia. Este servio est baseado no esquema apresentado em [GNN97] e direcionado para transmisso de informaes atravs de uma rede ATM (AsynchronousTransfer Mode). A princpio, o esquema foi desenvolvido para a negociao de apenasum parmetro de qualidade de servio, o de banda passante.O servio de alocao dinmica de banda passante permite que aplicaesmultimdia possam requisitar e liberar banda dinamicamente. Para oferecer este servio,foi especificada e implementada uma camada de negociao de QoS. Se uma aplicaoprecisar de mais banda para transmitir suas informaes atravs da rede, esta aplicaosolicita a camada de negociao dinmica o valor de banda necessrio. A camada, atravsdo seu protocolo, verifica se o pedido pode ser aceito ou no. Se a aplicao tiverrecursos a mais e puder liber-los em um dado momento, ela solicita a camada que libereseus recursos excedentes. Esses recursos liberados podem ser utilizados para aceitarnovos pedidos de renegociao de outras aplicaes ou at novos pedidos de conexo.O protocolo de negociao garante a alocao de um valor mnimo de bandapassante para cada conexo. Este valor especificado no estabelecimento da conexo. Ospedidos de renegociao tm prioridade sobre os pedidos de estabelecimento de novas 41. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/9832 conexes, o que garante qualidade s conexes aceitas. A camada de negociao de QoS, juntamente com seu servio e protocolo, detalhada no captulo 5. 3.5 Resumo do Captulo Neste captulo foram mostrados alguns conceitos de Qualidade de Servio (QoS), sob o ponto de vista do usurio e da rede de comunicao de dados. Foram mostrados tambm os elementos que uma arquitetura deve possuir para fornecer garantias de QoS. Foram descritos os trs nveis de garantias de QoS (determinstico, estatstico e best effort) e as funes de gerenciamento de QoS. Dentre estas funes foram destacadas as funes de negociao e renegociao. No contexto da definio de negociao de QoS foram mostrados os passos da negociao e os componentes do sistema envolvidos nesta negociao. O objetivo do trabalho fornecer um esquema de negociao dinmica de banda passante, para aplicaes multimdia, em uma rede ATM. Este esquema foi desenvolvido atravs da implementao de uma camada de negociao de QoS, que oferece um servio de alocao dinmica de banda passante. A especificao da camada de QoS mostrada no captulo 6. 42. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira33Captulo 4Redes ATM para Transmisso de AplicaesMultimdia com Garantias de QoSNeste captulo so analisadas algumas tecnologias de redes existentes atualmente. Aanlise feita em relao a adequao destas tecnologias para transmisso de dados deaplicaes multimdia. Aps esta anlise, mostrada a tecnologia de rede ATM(Asynchronous Transfer Mode) e so discutidas suas principais caractersticas e suacapacidade de oferecer garantias de qualidade de servio (QoS) para transmisso dedados.4.1 Introduo 43. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 34 Existem atualmente vrias tecnologias de rede de longa distncia disponveis para transmisso de informaes. Muitas delas so adequadas para transmisso de apenas um tipo de mdia, como por exemplo, texto ou voz. Muitas possuem baixa velocidade de transmisso e no fornecem suporte a transmisso em tempo real, nem garantias de qualidade de servio. A tecnologia ATM possui todas estas caractersticas e aparece como forte candidata para dar suporte a transmisso de dados de aplicaes multimdia com garantias de qualidade de servio. Redes multimdia devem ter uma grande capacidade de banda, prover garantias de QoS, usar eficientemente seus recursos, ser escalvel e ter capacidade de fazer comunicao de grupo [Lu96]. Alguns destes requisitos foram discutidos na seo 2.4. Nesta seo so analisados alguns tipos de rede de longa distncia em relao a adequao para transmisso de informao multimdia. Os tipo de rede analisados so: X.25, Frame Relay e SMDS (Switched Multimegabit Data Service). X.25. O protocolo X.25 foi desenvolvido para trabalhar com sistemas de transmisso lentos e de baixa qualidade. Ela implementa mecanismos pesados de deteco e recuperao de erro. Comutadores de uma rede X.25 implementam controle de fluxo e deteco de erro, bem como preservam o sequenciamento e a integridade dos pacotes de dados [HF98]. X.25 orientado a conexo e como tal, possui um alto potencial para suportar, ou abordar, isocronismo, pois pode reservar ou alocar recursos no estabelecimento da conexo. Na prtica, muitos comutadores X.25 existentes realmente reservam recursos, mas no os alocam para circuitos virtuais e geralmente fazem reserva em excesso. Assim, grande parte da tecnologia X.25 implementada no pode prover garantia determinstica nem estatstica da taxa de bits. Em relao a taxa de bits, os comutadores atuais usualmente esto limitados a 2Mbps por linha de acesso. No que diz respeito a reserva de banda passante, algumas redes X.25 fazem a previso da declarao de uma classe de vazo no momento do estabelecimento da conexo. Muitos comutadores reservam banda passante logicamente, atravs do decrscimo de um contador, o que pode levar a um excesso na reserva. As redes X.25 no suportam a facilidade de comunicao de grupo. Pode-se concluir que X.25 uma tecnologia respeitvel, apesar de antiga, que pode suportar aplicaes multimdia de baixa velocidade ou assncronas. A tecnologia X.25 sofre devido a seus princpios e objetivos de projeto. Ela no escala facilmente e no adaptada para aplicaes que demandam isocronismo [Fluck95]. 44. Autor: Ana Luiza Bessa de Paula Barros Diniz Orientador: Jos Marcos Silva Nogueira35 Frame Relay. O protocolo Frame Relay foi definido como um servio detransporte de pacote para RDSI (Rede Digital de Servios Integrados). Quando asredes Frame Relay foram introduzidas, o nico servio de longa distncia similarexistente era o X.25. Portanto, estes dois servios so muito comparados[Miller94]. O formato dos blocos de Frame Relay um dos formatos usados porX.25 e assim, Frame Relay transporta quadros X.25. No protocolo Frame Relay,foram excludos o controle de fluxo, a checagem de sequncia, e a deteco ecorreo de erro, presentes no X.25 [HF98]. Frame Relay foi desenvolvido comoum servio para substituir a multiplexao sncrona por multiplexao estatsticaem comunicaes de dados convencionais. No foi definido para suportartransmisses iscronas em tempo real. No foi desenvolvido para suportaraplicaes multimdia de tempo real ou que demandem banda passante. Noentanto, por ser orientado a conexo h uma facilidade de fazer alocao derecursos. Possui um servio de comunicao de grupo definido, mas queraramente implementado [Fluck95]. SMDS. Foi desenvolvido para suportar interconexo, em alta velocidade, deLANs (Local Area Networks) no orientadas a conexo. No prov suporteexplcito para transmisso em tempo real de udio ou vdeo. A velocidade deacesso - atualmente 45Mbps e possivelmente 155Mbps - apropriada para amaioria das aplicaes multimdia, exceto para canais HDTV (High-DefinitionTelevision) simultneos. Mais de seis canais de TV com qualidade de difusopodem ser suportados em uma interface de 45Mbps. Uma caractersticaimportante da tecnologia SMDS ter um baixo retardo de transmisso, em tornode 10 ms. A variao deste retardo depende da escolha de implementao feitapara a rede. SMDS possui a facilidade para fazer comunicao de grupo, o quefornece uma soluo para fazer difuso de vdeo ou suportar servios perto devdeo-sob-demanda [Fluck95].De acordo com o que foi mostrado, X.25, Frame Relay e SMDS no soadaptados para transmisso de informaes de aplicaes que requerem isocronismo.X.25 e Frame Relay tambm no so adaptados para transmisso de informaes quedemandem uma grande capacidade de banda passante. 45. Dissertao de Mestrado em Cincia da Computao - DCC/UFMG - 26/03/98 36