Otimizando o cascateamento de MCU s em Videoconferências H.323

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1 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 259 Otimizando o cacateamento de MCU em Videoconferência H.323 Thiago Curvelo do Anjo, Lucídio do Anjo Formiga Cabral 2, Guido Lemo de Souza Filho Laboratório de Aplicaçõe de Vídeo Digital Univeridade Federal da Paraíba (UFPB) 2 Departamento de Etatítica Univeridade Federal da Paraíba (UFPB) {curvelo,guido}@lavid.ufpb.br, lucidio@de.ufpb.br Abtract. In thi work we propoe an approach to build and maintain a minimum latency topology, for a multipoint videoconference ervice overlay network, which ue multipoint control unit (MCU ) cacading. However, etting MCU and client on the network bring a combinatorial intractable problem. In order to olve it, we developed a heuritic, baed on the Simulated Annealing algorithm, which allow implementing a coordinator entity capable of maintain multiple converation room, intanced in minimum latency tree of MCU and client. We alo how an integer linear programming model for the problem. Reumo. Nete trabalho é propota uma abordagem para contrução e manutenção da topologia de latência mínima, em uma rede overlay de um erviço de videoconferência multiponto, que utiliza o cacateamento da unidade de controle multiponto (MCU ). Todavia, a configuração de MCU e cliente na rede gera um problema combinatório intratável. A fim de olucionar ee problema, deenvolveu-e uma heurítica, baeada no algoritmo Simulated Annealing, a qual torna poível o deenvolvimento de uma entidade coordenadora capaz de manter múltipla ala de converação, intanciada em árvore de MCU e cliente, de mínima latência. Em tempo, é motrada uma modelagem uando programação inteira para o problema.. Introdução Aplicaçõe de videoconferência, devido ao tipo de mídia empregada áudio e vídeo demandam um alto cuto de largura de banda. Ete fato, aociado à enibilidade que a aplicaçõe interativa em tempo real têm ao deempenho da rede comutada por pacote (obretudo a latência), contituem na principai barreira para a popularização da videoconferência, obretudo da conferência multiponto (MP) [Civanlar 2005]. Nete tipo de aplicação (videoconferência MP), onde há comunicação de grupo, o conumo de banda paante pode er realmente impactante cao não haja um planejamento da infra-etrutura de comunicação para o uo racional dete recuro. Sitema de videoconferência que uportem comunicação multiponto ditinguem-e, quanto a ua infra-etrutura de comunicação, em decentralizado, centralizado e híbrido [Leopoldino 200].

2 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído No modelo decentralizado, a comunicação ocorre normalmente de dua forma: () utilizando-e multicat IP ou (2) atravé de conexõe unicat entre o participante. Apear do inegávei ganho do uo do multicat IP (como robutez e ecalabilidade), abe-e que a implantação do multicat em ecala global não é uma realidade hoje em dia, o que impede eta opção de er coniderada uma olução viável [Yeo 2004]. Por outro lado, utilizando-e conexõe unicat para interligar todo o terminai, obtém-e um cenário onde cada participante tem de enviar, receber e tratar (n-)² fluxo. Io gera uma limitação na ecalabilidade tanto devido ao conumo de banda, quanto em proceamento. Exitem eforço no entido de melhorar a eficiência no conumo de banda por parte da videoconferência decentralizada. Em [Civanlar 2005] é propota uma arquitetura para implantação de videoconferência P2P, onde o pacote de dado ão tranmitido atravé de cadeia. Neta cadeia, uma eqüência de hot é pré-definida. O hot na cabeça da cadeia, gerador do fluxo atual, envia eu dado para o eguinte, que retranmitirá o dado adiante, até o final da cadeia. Diferente cadeia ão definida com cada um do hot na cabeça da etrutura. Dete modo todo nó etá, a cada intante, enviando um fluxo e recebendo outro. Eta abordagem trata bem o problema de conumo de banda, por outro lado o atrao fim a fim crítico à videoconferência é negligenciado. Nete equema de cadeia, o último nó de uma corrente receberá o dado oriundo hot da cabeça apó um período igual ao omatório do atrao de tranmião individual de cada nó para o eu eguinte da cadeia. Em itema de videoconferência que implementem o modelo centralizado, o participante e comunicam atravé de conexõe unicat com uma unidade de controle multiponto (MCU), reponável por realizar um controle centralizado da conferência, como também por meclar a informação audioviual do cliente e enviar a cada um dele um único fluxo com o dado mixado. Com ete modelo não há a neceidade de uporte a multicat IP, ma ainda aim há um uo eficiente da rede, poi cada terminal envia apena um fluxo único. Além dio, devido ao fato de terem de receber e tratar um fluxo único, é poível que hot com menor poder computacional (ex. dipoitivo móvei) utilizem-e do erviço, já que não erá neceário que o terminai meclem o fluxo. MCU podem implementar adicionalmente outra funcionalidade, que agregam vantagen ao modelo, como negociação de capacidade com o terminai (hot com neceidade diferente recebem fluxo de qualidade diferente) e compartilhamento de documento. Contudo, ete modelo apreenta a devantagen de pouir um ponto único de falha (a MCU), e uma baixa ecalabilidade, devido à capacidade de a MCU er fator limitante do número de uuário. Há também o modelo híbrido que é uma mecla do modelo centralizado e do decentralizado. Normalmente é utilizado quando e tem aceo a uma infra-etrutura de comunicação multicat, ma ainda faz uo de uma MCU, por exemplo, para o controle da conferência e compartilhamento de documento. Em [Vaconcelo 2004] e [Souza Filho 2006] é propoto um itema de videoconferência chamado Dynavideo Conference Sytem (DCS), que apreenta uma arquitetura variante do modelo cláico videoconferência centralizada, que faz proveito do cacateamento de MCU (previto no padrão H.323 [ITU-T 2003]), no intuito de

3 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 26 prover uma maior ecalabilidade para o modelo e minimizar o problema de ponto único de falha. O padrão H.323 é parte da família de recomendaçõe do ITU-T (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector) da érie H que trata de itema audioviuai e multimídia, epecificando comunicaçõe multimídia em rede baeada em pacote em garantia de qualidade de erviço. Muito embora o mercado eteja em contínuo crecimento, o H.323 ainda é o padrão predominante para aplicaçõe de videoconferência obre IP [Apokiti 2005]. Nele ão definido algun componente, dentre ele o terminai e a MCU. O terminai ão o hot participante da videoconferência, com capacidade para comunicação audioviual bidirecional; enquanto a MCU um tipo epecial de terminal como já citada anteriormente, tem a função de controle da conferência, como também é reponável por mixar a informação audioviual do participante em um fluxo único. Adicionalmente, o H.323 prevê uma caracterítica opcional para a MCU (embora não determine exatamente como): a poibilidade de cacateamento. Com ea função, dua ou mai MCU trocam menagen com o objetivo de e unirem e dividirem entre i o eforço de proceamento de uma videoconferência. A propota do DCS é, atravé do cacateamento de MCU, etender o modelo centralizado cláico de videoconferência multiponto de modo que, ao invé de uma MCU intermediando a comunicação entre o terminai, tenha-e uma nuvem de MCU, cacateado ob demanda, como ilutra a Figura. Além dio, o DCS implementa a funcionalidade de redirecionamento de chamada de cliente, que permite mover cliente entre MCU, durante a conferência. Figura. (a) modelo centralizado cláico; (b) modelo centralizado com cacateamento de MCU Com eta abordagem é poível aumir que, tendo-e múltipla MCU geograficamente epalhada, etenda-e um cenário de um erviço de comunicação cliente-ervidor, para um egundo cenário onde é utilizada uma infra-etrutura de multicat em nível de aplicação (Application-Level Multicat ALM [Yeo 2004]). A utilização de infra-etrutura de ALM contitui em uma da forma mai adotada atualmente para uprir neceidade de comunicação de grupo na Internet, tanto para aplicaçõe de fonte única (ex. IPTV) quanto de múltipla fonte (ex. videoconferência). De modo geral, a abordagem para e contruir uma arquitetura baeada em ALM envolve ondar a caracterítica da rede (latência, perda de pacote etc.) e contruir topologia apropriada, organizando o hot em rede overlay de modo a obter uma ditribuição eficiente do dado. Eta topologia de ditribuição, normalmente uma árvore, também é referenciada na literatura como Application-Level

4 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído Multicat Tree (ALMT) [Liu 2005] e, apear da muita variante (fonte única, múltipla fonte, limite de grau, mínimo atrao máximo etc.), quae empre implicam em problema complexo de natureza combinatória. A contrução e manutenção deta árvore contituem un do principai objeto de etudo em comunicação em grupo overlay. O objetivo dete trabalho ão (i) deenvolver uma formulação matemática uando programação linear inteira, e (ii) uma abordagem heurítica, para o problema de contruir e manter (atravé do redirecionamento de cliente) múltipla árvore de ditribuição de fluxo, com mínima latência, em um backbone overlay para um erviço de videoconferência. A topologia utilizada como guia é uma árvore-etrela, deenvolvida para o DCS (em detalhe na eção 3). Apear da ênfae em conferência H.323, a abordagen propota nete trabalho podem er adequada a outra tecnologia de comunicação, dede que o conceito de MCU eja empregado e que e permita o redirecionamento de cliente participante. O artigo etá organizado da eguinte forma: na eção 2 ão motrado algun trabalho correlato encontrado na literatura. Na eção 3 ão dado mai detalhe obre a arquitetura e implementação do DCS; na eção 4 o problema poicionamento de MCU e cliente é melhor elucidado; na eção 5 é apreentado o modelo matemático deenvolvido para o problema; a eção 6 trata da olução heurítica; na eção 7 ão motrado o reultado computacionai obtido; finalmente, na eção 8, ão tecido algun último comentário obre o trabalho realizado e obre trabalho futuro. 2. Trabalho Relacionado Divero trabalho tratam do problema de contrução de árvore de multicat em nível de aplicação. Em [Yeo 2004] é apreentada uma análie da principai oluçõe de ALM propota, com ua repectiva técnica de manutenção da ALMT. Na maioria do trabalho, o nó pouem um conhecimento local da rede, o que lhe permite melhorar a topologia apena de uma forma guloa, o que dificulta alcançar uma olução global de boa qualidade. Uma exceção é o ALMI [Pendaraki 200], que utiliza uma entidade central, para contruir uma árvore geradora de atrao mínimo entre o hot participante, e recalculá-la periodicamente. Outra caracterítica comum a grande parte do trabalho correlato é o fato de exitirem apena nó cliente na rede. Uma exceção é o OMNI [Banerjee 2003], que apreenta doi tipo diferente de nó: o cliente e o MSN ete eriam equivalente à MCU aqui tratada. O MSN também e arranjam em árvore, bucando minimizar o atrao. A otimização da topologia também ocorre de forma dinâmica, havendo direcionamento de cliente para MSN de menor atrao, aim como nete trabalho. Todavia, não exite uma entidade que conheça toda a rede, retringindo a poibilidade de otimização da mema. Também é apreentada uma formulação uando programação inteira para o OMNI No Kudo [Jain 2002], apear haver apena cliente, ete e agrupam em cluter e um dete aume um papel de cabeça do grupo. Ete nó cabeça é reponável por alguma funçõe de controle, e por repaar ao eu filho o fluxo de dado. Há

5 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 263 também movimento como migração de um cliente para outro cluter que apreente uma menor latência. Eta abordagem é focada em aplicaçõe de fonte única. Em [Liu 2005] é tratado o problema de contrução de uma árvore multicat, que poui a retrição de o nó terem um grau limitado, de modo análogo ao MCU, que poui uma capacidade limitada de uportar cliente. Entretanto, devido à natureza da aplicação er diferente (fonte única), a buca-e minimizar atrao-máximo, ao invé do atrao total. Em [Civanlar 2005] propõe-e uma arquitetura para implantação de videoconferência P2P, por meio da retranmião do dado pelo próprio cliente, formando uma cadeia ou corrente. Apear da eficiência no conumo da banda paante, a latência é penalizada, vito que o último hot de uma cadeia receberá o pacote com um atrao igual ao omatório de todo o atrao entre o integrante da cadeia. Apear de alguma emelhança, não e identificou em trabalho correlato, nenhuma propota de contruir e manter mai de uma intância de árvore de ditribuição para comunicação em grupo. 3. Arquitetura do DCS A olução empregada no Dynavideo Conference Sytem [Vaconcelo 2004] [Souza Filho 2006] utiliza uma verão modificada do projeto OpenMCU [H.323plu 2007] implementação em oftware e aberta de uma MCU H.323. O OpenMCU ua o modo de preença contínua para exibir até 4 participante imultaneamente. O primeiro participante é poto no quadrante uperior equerdo da tela, a partir daí o eguinte ão dipoto conforme ilutra a Figura 2. Cao na conferência haja mai que 4 participante, o retante erão oculto, endo comutado para exibição apena quando a MCU detectar que um do oculto etá falando. Figura 2. Dipoição do participante na tela, pelo OpenMCU A arquitetura deenvolvida para o DCS ua o cacateamento de até cinco MCU imultaneamente. Uma dela, a MCU central, tem comunicação apena com outra MCU, nunca com o terminai. Nete modelo, cada MCU de periferia repaa ao terminai o vídeo gerado pela MCU central, que é uma combinação do vídeo da 4 MCU periférica. Aim, é poível a exibição da imagem de até 6 participante imultaneamente. A Figura 3 ilutra a arquitetura do DCS e como a imagem é gerada. Outra caracterítica do DCS é a utilização de tranferência de chamada entre MCU para reditribuir o participante. Deta forma, torna-e poível mover o cliente, de modo que ete eja atribuído a um ervidor mai próximo de i, diminuindo a latência do itema. A tranferência de chamada é uma caracterítica previta pelo padrão H.323 e, e for realizada entre a MCU, é abolutamente tranparente ao cliente.

6 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído Figura 3. Arquitetura e geração da imagem no DCS Além dio, é poível não apena ditribuir cliente entre a MCU, como também alocar MCU ob demanda. Deta forma, à medida que novo cliente entram ou aem da ala de videoconferência, MCU diferente podem er alocada ou liberada. Aim, com a exitência de uma entidade coordenadora, ciente do etado da rede, é poível reconfigurar o poicionamento do nó de modo a diminuir a latência total do itema. 4. Alocação e Poicionamento de MCU e Cliente Para o problema tratado nete trabalho, modelamo a rede de MCU como um grafo G(V, E), completo e não-direcionado, onde V é o conjunto de MCU e E o conjunto de areta, que a conectam. A cada areta (i, j) é aociado um cuto, que repreenta o atrao entre a MCU i e j. A forma como ete cuto ão obtido foge do ecopo dete trabalho. Apear de o método mai comum entre a aplicaçõe de ALM er atravé de mediçõe de round-trip time (RTT) [Yeo 2004], exitem propota de outra forma mai eficiente de e etimar o atrao entre doi nó na Internet [Ziviani 2005]. Além da MCU, temo também um conjunto de cliente, capaze de e conectar a todo o MCU. Para cada par cliente-mcu tem-e também uma areta com um cuto aociado, repreentando o atrao entre ele. O cliente etão agrupado em ala, onde o integrante ão participante que deejam e comunicar entre i. Cada ala é compota por no máximo 6 cliente e 5 MCU (limitaçõe da verão atual do DCS). O que e deeja obter é uma árvore de MCU, para cada ala, de modo que e poa atribuir cada cliente da ala a uma MCU de periferia. Contudo, a impoiçõe topológica devem er repeitada, bem como a capacidade máxima uportada por cada MCU (devido à capacidade de proceamento, largura de banda, etc.). Não obtante, o cuto da latência total do itema deve er mínimo. O cuto total (ou função objetivo) que e deeja minimizar, é obtido pelo omatório, para cada ala, do cuto individual de cada areta utilizada, eja entre a MCU, ou entre MCU e cliente.

7 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 265 Além de contruir árvore de latência mínima para a ala, deeja-e também dar manutenção a eta árvore. Em um cenário real, cliente podem a qualquer momento, entrar ou air da ala exitente, ou ainda nova ala podem er criada, de modo que a configuração atual poa er melhorada. Deta forma, memo no percuro de uma conferência, a configuração pode er modificada, de modo tranparente ao participante, no intuito de minimizar a latência. Apear de a latência mínima er deejada, obter o eu menor valor é uma tarefa inviável. Ito ocorre porque a complexidade do problema torna-o impoível de er reolvido em tempo polinomial. Para ilutrar a complexidade, conidere o problema de encontrar um ubgrafo de latência mínima, contendo 5 MCU de um backbone de tamanho n, endo uma dele o nó central. Note que é um ubproblema do que é propoto nete trabalho, e ainda aim tem-e um problema intratável, para intância grande, n vito que eria neceário tetar 5 combinaçõe. 5. Modelo matemático C 5 Neta eção apreentaremo uma formulação uando programação linear inteira para o problema. Com ete modelo é poível encontrar a olução ótima, executando-o em ferramenta como o LINGO [Lingo 200]. No entanto, a complexidade é combinatorial, como já fora dicutida. Seja x = e a conexão entre a MCU i e j etá endo utilizada na ala k e ijk x = 0 cao contrário; t = e o cliente i etá conectado à conferência atravé da ijk ij MCU j e t = 0 cao contrário; y = e a MCU i foi elecionada na ala k, y = 0 ij cao contrário; z = e a MCU i for nó central na ala k, z = 0 cao contrário. Além dio, dado que m o número de MCU, o número de ala, c o número de cliente, λ o limite de cliente por MCU em cada ala, µ o número máximo de MCU por ala, Wij o cuto da areta que conecta a MCU i e j, V ij o cuto da areta que conecta o cliente i à MCU j, S a matriz que aocia cliente e ala ( S = e cliente i pertencer à ala k, S = 0 cao contrário) e C i a capacidade máxima uportada pela MCU i. Tem-e: m m c m Minimize ( xijk Wij ) + ( tij Vij S ) Sujeito a (i) 0 k= i= j= i= j= (função objetivo) x = i =,2,..., m; =,2,..., i ijk + x j (ii) x i =,2,..., m; j =,2,..., m; =,2,..., m y i= (iii) µ m (iv) = k =,2,..., z k =,2,..., i= y z i =,2,..., m; =,2,..., (v) 0

8 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído (vi) (vii) m m xijk + j= j= m m xijk + j= j= m x x j j m y y (viii) j ( ) j= m x (ix) = (x) (xi) ij j= i =,2,..., m; =,2,..., i =,2,..., m; =,2,..., µ z i =,2,..., m; =,2,..., t i =,2,..., c c m t ji + j= j= k = c j= c t ji S jk x j λ y C (xii) t S ( z ) j= ji jk i i =,2,..., m; i =,2,..., m; =,2,..., λ i =,2,..., m; =,2,..., A retriçõe (i) e (ii) apena evitam que uma MCU ligue-e a i mema e que uma mema areta eja elecionada dua veze na mema ala. A retrição (iii) limita o número de MCU elecionada para cada ala. Em (iv) e (v) é aegurado que toda ala terá uma e apena uma MCU central e que eta eteja dentre a MCU elecionada para a ala. A retriçõe (vi) e (vii) limitam o grau máximo de cada MCU, ao memo tempo em que garantem que ejam utilizada apena areta entre MCU elecionada para a ala. A retrição (viii) garante a topologia em etrela. Em (ix) é aegurado que todo cliente eteja conectado a uma e apena uma MCU. Em (x) é definido que a capacidade máxima de uma MCU é diminuída tanto devido à atribuição de cliente quanto de outra MCU (quando aquela for nó central de alguma ala). Finalmente (xi) e (xii) aeguram que o cliente etejam conectado apena a MCU elecionada, com exceção do nó central. 6. Abordagem Heurítica Em virtude da funcionalidade de redirecionamento de cliente, implementada pelo DCS, e pela poibilidade de adicionar e remover MCU a uma ala de converação, tem-e então o ubídio neceário à implementação de um algoritmo coordenador, capaz de reconfigurar a rede dinamicamente, de modo a obter uma melhor topologia para a múltipla ala, minimizando a latência global do itema de videoconferência. Todavia, devido à complexidade do problema, optou-e por fazer uo de uma abordagem aproximada, baeada na metaheurítica Simulated Annealing [Kirkpatrick 983], que erá tratada em detalhe na eção 6.. O Simulated Annealing e enquadra na família de heurítica de refinamento, ou técnica de buca local, que percorrem o epaço de oluçõe, baeando-e na noção de vizinhança [Souza 2006]. O epaço de oluçõe S conite no conjunto de oluçõe poívei de um problema de otimização. A vizinhança de uma olução S conite no conjunto N() S, onde a partir de modificaçõe obre, uma olução pertencente a

9 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 267 N() é alcançada. Ao conjunto de modificaçõe (ou operaçõe) poívei obre a oluçõe, dá-e o nome de movimento. Nete problema, uma olução é repreentada por uma lita de ala, onde cada uma contém um conjunto de cliente e um conjunto de MCU. O conjunto cliente de uma ala repreenta o participante da videoconferência que deejam converar entre i. A MCU da ala etão arranjada entre i na topologia etrela já citada anteriormente. Uma da MCU é indicada como MCU central. Além dio, cada cliente da ala etá aociado a uma e apena uma MCU, com exceção da MCU central, que e aocia apena a outra MCU. Note que cada cliente pertence a apena uma ala, em contrapartida uma MCU pode etar atendendo vária ala imultaneamente. Como olução inicial, foi utilizada uma abordagem guloa, de modo que foem elecionada MCU uficiente para atender a demanda de cliente de cada ala, em uma grande preocupação com a função objetivo, focando em obter uma olução válida. Na eção 6.. é apreentado o Simulated Annealing e em 6.2. ão enumerado o movimento que definem etrutura de vizinhança utilizada. 6.. Simulated Annealing A metaheurítica Simulated Annealing conite em uma técnica de buca local probabilítica, propota originalmente por [Kirkpatrick 983], que e fundamenta em uma analogia com a termodinâmica, ao imular o refriamento de um conjunto de átomo aquecido, operação conhecida como recozimento. Eta técnica começa ua buca a partir de uma olução inicial qualquer. O procedimento principal conite em um laço que gera aleatoriamente, em cada iteração, um único vizinho da olução corrente. Coniderando um problema de minimização, eja a variação de valor da função objetivo ao mover-e para uma olução vizinha candidata, ito é, =f( ) f(). O método aceita o movimento e a olução vizinha paa a er a nova olução corrente e <0. Cao 0 a olução vizinha candidata também poderá er aceita, ma nete cao, T com uma probabilidade e, onde T é um parâmetro do método, chamado de temperatura e que regula a probabilidade de e aceitar oluçõe de pior cuto. A temperatura T aume, inicialmente, um valor elevado T 0. Apó um número fixo de iteraçõe, a temperatura é gradativamente diminuída por uma razão de refriamento α, tal que T k α T k, endo 0 < α <. Com ee procedimento, dá-e, no início uma chance maior para ecapar de mínimo locai e, à medida que T aproxima-e de zero, o algoritmo comporta-e como o método de decida, uma vez que diminui a probabilidade de e aceitar movimento de piora. O procedimento para quando a temperatura chega a um valor próximo de zero e nenhuma olução de piora da olução corrente é mai aceita, ito é, quando o itema etá etável. A olução obtida quando o itema encontra-e neta ituação evidencia o encontro de um mínimo local. A Figura 4 motra o peudocódigo do procedimento Simulated Annealing. O parâmetro ão: a função objetivo (f(.)); a função que determina a vizinhança de uma

10 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído olução (N(.)), baeada no movimento poívei a partir dela; a razão de refriamento (α); o número máximo de iteraçõe para cada temperatura (SAmax); a temperatura inicial (T 0 ); e a olução inicial a er refinada (). procedimento SA( f(), N(), α, SAmax, T 0, ) * ; {melhor olução obtida até então} 2 IterT 0; {núm. de iteraçõe na temperatura T} 3 T T 0 ; {temperatura corrente} 4 enquanto (T > 0) faça 5 enquanto (IterT < SAmax) faça 6 IterT IterT + ; 7 Gere um vizinho qualquer N(); 8 = f( ) f(); 9 e ( < 0) 0 então ; 2 e ( f( ) < f(*) ) então * ; 3 enão 4 Tome x [0,]; 5 e (x < e 6 fim-e; 7 fim-enquanto; 8 T α T; 9 IterT 0; 20 fim-enquanto; 2 *; 22 retorne ; Fim SA; T ) então ; Figura 4. Procedimento Simulated Annealing 6.2. Movimento e Vizinhança Um movimento conite em uma modificação obre uma olução viável do epaço de oluçõe, reultando em outra olução válida. O movimento definem a etrutura de vizinhança, neceária para o emprego do Simulated Annealing. Foram definido doi conjunto de movimento para o domínio do problema. Um conjunto de movimento realizado obre o terminai cliente (ubeçõe 6.2. e 6.2.2) e outro com movimento realizado obre a MCU (ubeçõe 6.2.3, e 6.2.5) Mover participante Ete movimento conite em mover um participante que eteja alocado a uma MCU para outra. Para tanto, a MCU detino precia pouir diponibilidade para acomodar o participante. A Figura 5 (a) ilutra o movimento de mover participante. A B A B A B A B C C C C D D D a D a E (a) E b E (b) b E MCU da Sala MCU Central da Sala Cliente da Sala Figura 5. Movimento obre cliente. (a) Mover participante. (b) Permutar participante

11 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído Permutar participante Ete movimento conite em permutar doi participante que etejam alocado em MCU diferente. É imilar a doi movimento de mover participante (6.2.), com a diferença que não é neceário que a MCU pouam diponibilidade obrando. A Figura 5 (b) ilutra o movimento de permutar participante Adicionar MCU Ete movimento conite em adicionar à ala uma MCU que não eteja participando da mema. Para que eta operação eja realizada, a MCU central deve pouir diponibilidade para acomodar a nova MCU (no cao da arquitetura do DCS, não deve haver mai que 3 MCU além do nó central) e a nova MCU não pode etar com toda ua capacidade comprometida. A Figura 6 (a) ilutra o movimento de adicionar MCU Remover MCU Ete movimento conite em remover da ala uma MCU que eteja participando. Para que eta operação eja realizada, a MCU não deve pouir cliente participante alocado a i. A Figura 6 (b) ilutra o movimento de remover MCU Permutar MCU Para ete movimento, temo 2 ituaçõe. A primeira conite em permutar uma MCU (não-central) que eteja alocada à ala com outra que não eteja. Para que io ocorra, a MCU de fora deve ter capacidade livre uficiente para comportar o cliente atualmente atribuído a MCU que e deeja permutar. A Figura 6 (c) ilutra ete movimento. Figura 6. Movimento obre MCU. (a) Adicionar MCU (b) Remover MCU (c)_permutar MCU I (d) Permutar MCU II (central com periferia) A egunda ituação conite em permutar a MCU central da ala com uma de periferia. Nete cao, a demai MCU paarão a referenciar o novo nó central, e o cliente anteriormente atribuído à MCU periférica paarão a e ligar à antiga MCU central. A Figura 6 (d) ilutra ete movimento.

12 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 7. Reultado O reultado deta eção foram obtido a partir da execução da implementação heurítica e do modelo matemático no otimizador LINGO [Lingo 200]. A máquina utilizada foi um Pentium D 2.8GHz, 52MB de memória, Window XP para o tete com o LINGO e Linux kernel para a heurítica. Para o experimento foram gerada 0 intância, variando-e o número de MCU, cliente e ala em cada uma. O método de geração da intância baeou-e no poicionamento aleatório de MCU e cliente em um plano, e o cuto da areta obtido pela ditância euclidiana entre o ponto. A Tabela motra a intância utilizada. Tabela. Intância utilizada Intância i0 i i2 i3 i4 i5 i6 i7 i8 i9 #MCU #Cliente #Sala Para obter a oluçõe de referência, foram executada a cinco primeira intância (i0 i4) no LINGO, até que a olução ótima foe encontrada. A demai (i5 i9) foram executada por um período de trê hora (0800), e a melhor olução encontrada nea janela de tempo foi então regitrada para ervir de referência. Para a parametrização do Simulated Annealing, a temperatura inicial foi obtida pelo procedimento decrito em [Souza 2006], e fixada em O SAmax, que determina o número de iteraçõe em cada nível de temperatura, teve eu valor fixado em 000. Para a razão de refriamento (α) foram adotado doi valore 0,9 e 0,95. Cada intância foi executada 50 veze, para ambo o valore de α. O reultado relatado correpondem à média da funçõe objetivo reultante. A Tabela 2 motra o quadro comparativo entre o reultado obtido como referência e a heurítica. A primeira coluna identifica a intância. A egunda e terceira coluna motram, repectivamente, a função objetivo de referência e o tempo neceário para obtê-la. A quarta coluna motra o valor obtido pela heurítica para α (0,9), a quinta coluna motra tempo para obtê-lo e a exta coluna motra o eu gap, que indica percentualmente, quão longe etá da olução de referência. Analogamente a trê última coluna indicam o valor, o tempo gato e o gap da heurítica para α 2 (0,95). Tabela 2. Reultado do experimento Intância Sol Ref. T Ref. Sol α T α Gap α Sol α 2 T α 2 Gap α 2 i ,46 0% ,98 0% i ,52 0% , 0% i ,04 2,56,46% 5582,46 5,7 0,58% i ,48 2,78 2,47% 6959,70 6,06,4% i ,02 2,84 4,9% 7837,98 0,89 3,06% i ,0 7,07-0,07% 896,68 4,48 -,48% i ,32 6,92-7% 2575,88 34,47-7,7% i ,92 20,48-2,8% 28952,32 4,70-3,89% i ,54 22, ,38 46,59 - i ,74 26, ,32 53,5 - No experimento realizado, não foi poível encontrar oluçõe viávei para a intância i8 e i9 no tempo etabelecido. Portanto, não e obteve valore de referência, tampouco gap para ela. Para a intância i0 e i, a heurítica alcançou a olução ótima

13 26 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 27 em toda a execuçõe, tanto para α quanto para α 2. Na intância i2, i3 e i4, há uma pequena perda de qualidade em relação à olução ótima, entretanto é evidente a diparidade no tempo repota, obretudo em i4, que requer mai de 8 hora para alcançar o ótimo. Para a intância i5, i6 e i7, onde não e tem a olução ótima como valor de referência, houve ganho obre o valor de referência em toda ela. Analiando o reultado obtido para α e α 2, é fácil perceber a influência que razão de refriamento exerce obre o tete. Quanto maior o α, mai lentamente ocorre o refriamento, conequentemente maiore ão o tempo. Por outro lado, a buca é mai refinada, levando a oluçõe de melhor qualidade. Dete modo, cao e queira pagar o preço de piorar o tempo de repota, pode-e obter oluçõe de melhor qualidade. Memo para o fator de refriamento mai lento e para a maiore intância, o tempo de repota obtido pela heurítica é baixo e o gap é pequeno, não chegando a 5% em noo tete, onde o ótimo era conhecido. Io no leva concluir que a etratégia deenvolvida é ecalável, e viável para olucionar o problema propoto. 8. Concluõe e Trabalho Futuro Nete trabalho foi abordado o problema de minimizar a latência total em um erviço de videoconferência, atravé do deenvolvimento de um algoritmo capaz de coordenar a contrução e manutenção dinâmica de múltipla topologia, para ditribuição do fluxo audioviuai. O algoritmo foi planejado para atuar como coordenador obre a arquitetura deenvolvida pelo Dynavideo Conference Sytem, aproveitando-e do cacateamento de MCU e redirecionamento de cliente implementado pelo memo. Apear da particularidade do problema, foi feita uma análie na literatura em buca de trabalho emelhante, ma apear do aprendizado proporcionado, não fora encontrado nenhum trabalho com a mema caracterítica apreentada nete artigo. Deenvolveu-e um algoritmo aproximativo, baeado na metaheurítica Simulated Annealing, em virtude da intratabilidade do problema, como também uma modelagem matemática uando programação linear inteira, capaz de encontrar a olução ótima de intância menore, para fin de validação e comparação com a heurítica. O reultado obtido motram que a heurítica apreenta um tempo de repota baixo, memo para a intância maiore, motrando que a abordagem é uma opção viável, apear da perda da qualidade caracterítica do algoritmo aproximativo. Também pôde e obervar que é poível diminuir o gap em detrimento do tempo, pela parametrização da razão de refriamento do Simulated Annealing. Embora a heurítica tenha e motrado ecalável, eta caracterítica pode er melhorada atravé da paralelização e ditribuição da mema em um grid de coordenadore metre-ecravo, onde o metre comunicaria a olução a er implantada na rede overlay. Similarmente, o problema de ponto único de falha pode er uprimido atravé um mecanimo de heartbeat que detectaria falha no coordenador metre e ativaria uma eleição de líder. Sugerem-e etudo nete entido para trabalho futuro. Sugere-e ainda, etender a topologia para uma árvore generalizada, de modo que a árvore-etrela utilizada aqui eja um cao particular dea generalização. Outro ponto a er abordado em trabalho futuro é uma comparação da implementação do Simulated Annealing com outra metaheurítica.

14 Simpóio Braileiro de Rede de Computadore e Sitema Ditribuído 9. Referência Apokiti, C. et al. (2005) Videoconferencing Cookbook. Verão Novembro, Banerjee, S., Kommareddy, C., Kar, K., Bhattacharjee, B., Khuller, S. (2003) Contruction of an Efficient Overlay Multicat Infratructure for Real-time Application. In: Proceeding of INFOCOM, Abril, Civanlar, M. R., Özkaap, Ö., Çelebi, T. (2005) Peer-to-peer multipoint videoconferencing on the Internet. In: Signal Proceing: Image Communication 20, , Elevier. H.323plu (2007). Open Source H Dezembro, ITU-T (2003), ITU-T Recommendation H.323 V5. Souza, M. J. F. (2006) Nota de Aula. Univeridade Federal de Ouro Preto, Setembro, Jain, S., Mahajan, R., Wetherall, D., Borriello, G., Gribble, S.D. (2002) A comparion of large-cale overlay management technique, Technical Report UV-CSE , Univerity of Wahington, Fevereiro, Kirkpatrick, S., Gellat, D.C., Vecchi, M.P. (983) Optimization by Simulated Annealing. In Science 220, p Leopoldino, G. M., Moreira, E. S. (200) Modelo de Comunicação para Videoconferência, In: RNP NewGeneration, volume 5, número 3, Maio de Novembro, Lingo, Extended rel7 (200) LINDO Sytem Inc., Liu, F., Lu, X., Peng, Y. (2005) An Efficient Heuritic Algorithm for Contructing Delay- and Degree-Bounded Application-Level Multicat Tree. In: Lecture Note in Computer Science. ISBN: p SpringerLink. Pendaraki, D., Shi, S., Verma, D., Waldvogel, M., (200) ALMI: an Application Level Multicat Infratructure. In: Proceeding of the Third Uenix Sympoium on Internet Technologie and Sytem (USITS), Março, 200. Souza Filho, G. L. ; Vaconcelo, M. M. ; Anjo, T. C. ; Cabral, L. A. F (2006) Aplicação da Metaheurítica Simulated Annealing para Otimização do Poicionamento de MCU' em uma Rede de Videoconferência Multiponto Centralizada, In: Anai do VI ERMAC R3, João Peoa, Vaconcelo, M. A. V. M.; Souza Filho, G. L. (2004) Dynavideo Conference Sytem, Um Sitema de Videoconferência H.323. In: Webmedia & LA-Web 2004 Joint Conference, Ribeirão Preto, SP. Anai. ISBN p Yeo, C.K., Lee, B.S., Er, M.H. (2004) A urvey of application level multicat technique. In: Computer Communication 27, p Ed. Elevier. Ziviani, A, Duarte, O. C. M. B. (2005) Metrologia na Internet. In: Minicuro do XXIII Simpóio Braileiro de Rede de Computadore, SBRC'2005, p Sociedade Braileira de Computação (SBC).