2 Q Prof. Roberto Jacobe

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1 INF-207 Sistemas Computacionais para Processamento Multimídia Sistemas Multimídia Aula 03 Sistemas Operacionais Mutimídia 2 Q Prof. Roberto Jacobe (roberto.jacobe@gmail.com) Prof. Marcelo Z. do Nascimento (marcelo.ufabc@gmail.com)

2 Roteiro Multimídia Aspectos de SO Escalonamento de processos Paradigmas de arquivos multimídia Estratégia de organização de arquivos Caching Escalonamento de Disco para multimídia Leituras Sugeridas

3 Entrega de mídia Dados de multimídia são armazenados no sistema de arquivos exatamento como qualquer outros dados; Arquivo precisa ser acessado em uma taxa específica diferente de um arquivo comum; Exemplo: taxa =>vídeo =>imagens->24-30 quadros/seg. Então, dados de vídeo multimídia devem entregar a uma taxa a qual garanta => quadros/segundo; Dados de mídia continuo => são dados com requisito de taxa associado.

4 Streaming Streaming é a entrega de um arquivo multimídia armazenado em um servidor remoto para um cliente por meio de uma conexão de rede: Dados multimídia continuo ao vivo =>streaming. Há 2 tipos diferentes de streaming: Download progressivo um arquivo de mídia é baixado e armazenado no sistema de arquivos local do cliente. O cliente é capaz de reproduzir sem recebê-lo por completo. Ex. Clipes de vídeo. Download de tempo real o arquivo multimídia é enviado ao cliente, mas é apenas reproduzido não é armazenado. Ex. Rádio e TV.

5 Streaming Tempo Real Sistemas permitem que o cliente passe por diferentes pontos no stream; Dois tipos de streaming de tempo real estão disponíveis: (1) streaming ao vivo usado para disponibilizar um evento ao vivo enquanto está ocorrendo. Exemplo: programa de rádio pela Internet; (2) streaming por demanda- usado para disponibilizar stream de mídia como filme, arquivos de leitura, etc. Os eventos não são direcionados em tempo real. Exemplo: (semelhante) ver um filme em um aparelho de DVD.

6 Características de um sistema Em geral, podem ter as seguintes características: multimídia Um arquivo de multimídia podem ser muito grande; Podem exigir vários terabytes de armazenamento (HDTV); A mídia contínua pode exigir taxas de dados muito alta; Exemplo: imagem de 800x bits; Exige bits de dados; Largura de banda de 345 Mbps. Aplicações são sensíveis a atraso de tempo durante a reprodução;

7 Aspectos de SO O sistema operacional deve garantir uma taxa de dados especifica e requisição de tempo de mídia continua; Tais requisições são conhecidas como requisições de qualidade de serviço (QoS); Entre os parâmetros estão: Largura de banda média; Perda de bit; Atraso máximo e mínimo; Uma das formas de garantir QoS de serviço é reservar a capacidade antecipada de recursos como CPU, buffer de memória e capacidade de tranferência de disco.

8 Existem três níveis de QoS: Requisitos dos Kernel de Multimídia (1) Serviço de melhor esforço: o sistema faz a tentativa do melhor esforço para satisfazer a requisitos porém não há garantia. (2) QoS flexível: trata diferentes tipos de tráfego de diferente maneira dando a certo tráfego streams de prioridade maior do que outros. (3) QoS rídiga: os requisitos de qualidade são garantidos.

9 Definição de parâmetros de Throughput é a quantidade total de trabalho feito durante um certo intervalo de tempo. QoS Delay o retardo refere-se ao tempo decorrido dsde que uma requisção é submetida até que o resultado desejado é produzido. Jitter esta relacionado ao retardo para reprodução de um stream. Confiabilidade como os erros são tratados durante a tranmissão e o processamento de mídia contínua.

10 Definição de parâmetros de QoS Para fornecer garantias de QoS, os SOs normalmente utilizam controle de admissão: Prática de admitir uma requisição de serviço apenas se o servidor tiver recursos suficientes para satisfazer requisição. Semáfaros podem ser usados para admitir uma política de admissão: Uma requisição é realizada por meio da operação wait( ) e libera por meio da chamada signal ( ) Se todos estiverem em uso, chamadas subsequentes serão tratadas pelo wait( ) Também pode utilizar reserva de recursos Cria-se um gerenciador de recurso para cada tipo de equipamento computacional.

11 Suporte Multimídia Os SOs que dão suporte a aplicações multimídia diferem dos tradicionais por três aspectos: Escalonador de processos; Sistema de arquivos; Escalonamento de disco.

12 Processos homogêneos Escalonamento de Processos Multimídia Num serviço de vídeo que exibe um número fixo de filmes, todos com a mesma taxa e quadros, a mesma resolução de vídeo e a mesma taxa de dados; Utiliza-se o escalonamento por alternância circular (round-robin); Apenas há o incremento do mecânismo de temporização para assegurar que cada processo execute na frequência correta; Um relógio mestre é usado para temporizar (ex. 30 vezes/segundo), onde a cada pulso => todos os processos são executados sequencialmentre na mesma ordem.

13 Tempo Real Escalonamento de Processos Multimídia O escalonamento de multiplos processos em competição alguns dos quais obrigados a cumprir prazos é chamado de escalonamento de tempo real. Processos podem ser preemptivos ou não, isto é, um processo que esteja no limiar de não cumprir seu prozo pode interromper outro processo em execução (multimídia de tempo real). Podem ser estáticos ou dinâmicos: Estático: atribui uma prioridade fixa a cada processo e faz o escalonamento preemptivo priorizado usando essas prioridades Dinâmico: sem prioridade fixa.

14 Tempo Real Escalonamento de Processos Multimídia Processo A executa a cada 30 ms. Cada quadro requer 10 ms de tempo de CPU. Na ausência de competição, executaria nos surtos A1, A2, e A3, cada um iniciando 30 ms depois do anterior. O processo B executa 25 vezes/s e processo C executa 20 vezes/s=>tempo de 15ms e 5ms para B e C Deve-se verificar => o conjunto de processos é escolonável: n= número de processos; Pi = período em ms Ci= tempo de CPU por quadro

15 Tempo Real Escalonamento de Processos Multimídia A = 10/30 B = 15/40 C = 5/50 => juntos somam 0,808 => Sistema escalável

16 Tempo Real Escalonamento de Processos Multimídia Escalonamento por taxa monotônica (rate monotonic scheduling RMS); Processos devem satisfazer as 5 condições: Cada processo periódico deve terminar dentro de seu período; Nenhum processo é dependente de qualquer outro processo; Cada processo precisa da mesma quantidade de tempo a cada surto; Quaisquer processos não periódicos não podem ter prazos; A preempção de processo ocorre instantaneamente e sem sobrecargas.

17 Tempo Real Escalonamento de Processos Escalonamento por taxa monotônica Multimídia Cada processo é fornecido uma prioridade fixa igual a frequência de ocorrência de seu evento de disparo; Exemplo: P1 -> 20 ms (33 vezes/s) ->prioridade 33 P2 -> 40 ms (25vezes/s) -> prioridade 25 Lineares em relação a frequência; Executa sempre quem estiver pronto e com prioridade mais alta; Ótimo para algoritmo de escalonamento estático;

18 Tempo Real: Escalonamento de Processos Multimídia Os processos A- 20ms (1), B 40 ms (2) e C 100 ms (3) têm prioridades estáticas e chegam no instante t=0; Por ter maior frequência => A tem mais alta prioridade. Preempção: A tem prioridade superior B -> C C somente com a CPU ociosa

19 Escalonamento de Processos Multimídia Prazo mais curto primeiro earliest deadline first -EDF Algoritmo dinâmico que não requer que os processos sejam periódicos; O escalonador tem a lista de processos executáveis, ordenados por vencimento de prazo; Processo no estado pronto e com menor prazo para execução é selecionado.; Preempção ocorre quando novo processo com prazo menor chega na fila de pronto.

20 Tempo Real Escalonamento de Processos Multimídia Prazo mais curto primeiro earliest deadline first EDF A = termina em ->t=30 B = t->40 C = t->50 A-> vencimento 30 e B também é 30 O Chaveamento é mais custoso

21 Sistema Convencional: Paradigmas de Sistema de Arquivos Multimídia Para ter acesso a um arquivo, um processo emite uma chamada ao sistema OPEN Essa requisição dará um identificador ->descritor de arquivos Pode emitir uma chamada ao sistema READ oferecendo os parâmetros, o endereço, o buffer, o número de bytes => SO retorna os dados; Se quiser finalizar uma chamada CLOSE fecha o arquivo e devolve o recurso.

22 Sistema Multimídia: Paradigmas de Sistema de Arquivos Multimídia Necessidade de um comportamento temporal; Em um servidor de vídeo remoto, o procedimento é mais complexo: Chamada READ deve ocorrer precisamente no tempo: Deve ocorrer o fornecimento de bloco de dados sem atraso -> dificil quando não há como planejar ou separar recursos; Então, aplica-se um conceito de vídeo cassete (Video Cassete Recorders VCR). Processo emite a chamada START -> especifica o arquivo e os parâmetros (trilha de áudio, legenda, etc);

23 Sistema Multimídia: Paradigmas de Sistema de Arquivos Multimídia O servidor envia os quadros na taxa requisitada: Exemplo: 30 quadros/seg A chamada STOP permite parar a solicitação Esse modelo de fluxo é denominado servidor push -> empurra dados para o usuário; Nesse tipo de comunicação também existe o modelo de servidor pull - > o usuário puxa os dados, uma de cada vez por meio da chamada READ.

24 Paradigmas de Sistema de Arquivos Multimídia Push Pull

25 Funções implementadas: Funções de controle VCR PAUSE -> o servidor apenas envia a mensagem PARAR Servidor armazena o próximo quadro; Servidor pode reservar recursos como largura de banda e buffer de memória a cada fluxo de saída. REBOBINAMENTO ->servidor precisa lembrar que o próximo quadro a ser enviado é o Zero. AVANÇO E RETROCESSO -> complexo => compressão Como a compressão do quadro depende de seu conteúdo, cada quadro tem tamanho diferente, problema saltar k quadros; Compressão de áudio é independente; Necessidade de um índice que permita localização dos quadros.

26 Exemplo: Sistema MPEG ->Problema Quadros I, P e B Funções de controle VCR Parar em um quadro P não garante que iremos encontrar o quadro I Requer uma reprodução sequencial; Solução: Na forma sequencial, o servidor poderia descomprir os quadros, calcular qual o quadro é necessário e recomprir para enviar Problema: Enorme carga computacional ao servidor

27 Exemplo: Quadros: I, P, B Funções de controle VCR I : Todas as informações para apresentar o quadro P: Codificação preditiva a partir do I ou P. B: Codificação preditiva a partir do I ou anteriores e dos próximos I ou P. I B B P B B P B B P B B I 27

28 Funções de controle VCR A única estratégia viável requer um planejamento: Arquivos especiais que contenha informações de cada quadro multiplo de dez comprimido usando o algoritmo MPEG; Limites: Onde o usuário está no arquivo de avanço Espaço extra no disco. Avanço somente na velocidade estabelecida

29 Vídeo Quase Sob Demanda Quando há K usuários assistindo o mesmo filme => mesma carga sobre um servidor; Problema: Usuários podem começar o fluxo em momentos arbitrários => não há compartilhamento de fluxo; Solução = > Regra fluxo de filme será enviado em hora cheia e depois de cada 5 minutos; Exemplo: Filme de 2 horas (5 minutos) -> terá 24 fluxos; Se o fluxo for de 2 minutos => 60 fluxos. O Vídeo quase sob demanda não tem controle VCR.

30 Vídeo Quase Sob Demanda

31 Vídeo quase sob demanda com VCR Segue o modelo padrão do vídeo quase sob demanda para cada cliente e adiciona um buffer dos N minutos anteriores e N minutos posterior: Anterior-> salvar para depois exibir Posterior->tem 2 fluxo de uma vez Exemplo: Se o usuário começa assistir as 20:15 -> exibe o fluxo as 20:15 e paralelamente lê e armazena os fluxos as 20:10 e 20:20. O quadro exibido é o ponto de exibição Se houver um retrocesso: Começa nos valores conhecidos do fluxo do filme e preenche o buffer com informações que permita retroceder ou avançar;

32 Vídeo quase sob demanda com VCR Usuário solicita Começa preencher o buffer com fluxo a 15 minutos

33 Alocação de arquivos em Alocação de um arquivo em um único disco: Disco Deve garantir que os dados (fluxos) possam fluir para dispositivo de saída na velocidade necessária e sem jitter; Problema: Presença de vídeo, áudio, e texto necessário a uma busca em cada informação; Sugestão: Arranjo->vídeo, áudio e texto intercalados Requer uma E/S adicional de disco para leitura de áudio e texto e um espaço extra de buffer.

34 Alocação de arquivos em Disco

35 Modelo de blocos pequeno: Estratégias de Organização de Arquivos Permite criar uma estrutura de dados índice de quadros por filme com uma entrada para cada qudro apontada para seu início; Cada quadro é constituído de todas as trilhas de vídeo, áudio e texto disposto num bloco contíguo; Necessário que o tamanho do quadro esteja no índice Modelo de blocos grande: Cada bloco com vários quadros Com índice de bloco semelhante ao I-node Bloco pode não conter um número inteiro de quadro deixando parte do bloco vazio -> fragmentação interna;

36 Estratégias de Organização de Arquivos

37 Estratégias de Organização de Arquivos Em relação a uso de RAM e desempenho de disco do sistema devemos considerar: Índice de quadro: uso intenso de RAM enquanto o filme é reproduzido; Índice de bloco: pequeno uso de RAM, perda de espaço de disco; Índice de bloco (divide quadro entre blocos): pequeno uso de RAM, nenhuma perda de disco, buscas extras; Há um compromisso que envolve o uso de RAM durante reprodução, perda de espaço em disco e desempenho durante a reprodução por causa de buscas adicionais.

38 Estratégias de Organização de Arquivos Alocação de arquivos para Vídeo quase sob demanda Chen e Thapar (1997) Os quadros são concatenados e escritos no disco como um único registro; Só irá mudar de trilha quando terminar o fluxo

39 Estratégias de Organização de Arquivos Alocação de Múltiplos Arquivos em um Único Disco Nessa estratégia quando há muitos filmes -> considerá a popularidade de cada: Lei de Zipf ->classifica em função de sua popularidade; A popularidade de que o próximo usuário escolha o item classificado como k-esimo lugar em uma lista Exemplo: um filme mais popular é escolhido duas vezes mais que o segundo filme mais popular, três vezes mais que o terceiro filme mais popular e assim por diante. Necessário conhecer a popularidade dos filmes

40 Estratégias de Organização de Arquivos Alocação de Múltiplos Arquivos em um Único Disco Possibilita fazer um modelo para desempenho do servidor; Algoritmo do órgão de tubos: colocar o mais popular no tubo do meio; Mantém o cabeça de leitura do disco no meio.

41 Estratégias de Organização Alocação de Arquivos em Multiplos Discos Servidores buscam alto desempenho e não há preocupação em corrigir erros transientes; Empregam a técnica denominada Disk Farm de Arquivos Os discos não giram de maneira sincronizada e nem dispõe de bit de paridade; Configuração 1: Filme A -> disco 1 Filme B -> disco 2 Se o disco falhar todo o filme fica indisponível Configuração 2: distribui cada filme em multiplos discos Cada um pode não ser equilibrada (divisão)

42 Estratégias de Organização de Arquivos Soluções: c) Distribuir por quadro ou bloco d) Padrão aleatório de distribuição no disco dos quadros

43 Caching Arquivos multimídia => o arquivo é visto de forma sequencial e dificilmente um bloco será visto mais de uma vez; Não funcionam com técnicas convencionais para arquivos (menos recentemente usado - MRU) Necessidade de um novo conceito: Cache de bloco e cache de arquivo; Cache de Bloco: Se um bloco for lido para o filme que em breve será novamente necessário e dependendo do tempo e memória disponível-> necessário manté-lo; Exemplo: um filme->2 usuário tempo N do 1 pode ser marcado até que o 2 assita os quadros.

44 Cache de Bloco: Caching Solução 1: Se 2 usuários assitem ao mesmo filme atraso 10 seg. Cache abriga os blocos por 10 segundos memória Solução 2: Sincronizar 2 filmes -> alterar taxa de quadros;

45 Cache de Arquivo: Caching Servidor mantém uma cache dos filmes mais requisitados; Manter os primeiros 5 minutos de um filme -> executa e cópia os dados do DVD;

46 Escalonamento de Disco para Multimídia Escalonamento estático de disco Cada fluxo ativo exige do sistema uma carga bem definida e bastante previsível Utiliza essa carga para escalar o disco usando um algoritmo personalizado; Exemplo: 10 usuários -> cada um vendo um filme diferente (parâmetros iguais); Trata o fluxo em alternância circular -> ciclo é o tempo de um quadro. Necessário 2 buffers no cliente; Quando termina o ciclo, o processo de saída e desbloqueado e pode transmitir o 1 quadro. Ao mesmo tempo chega a requisição para quadro 2 de cada filme (buffer 2)

47 Escalonamento estático de disco O computador pode ter 10 processo Escalonamento de Disco Depois de chegar as requisições o disco sabe o que fazer, pois não chegará mais nada naquele ciclo Requisições são ordenadas de maneira ótima para Multimídia Mas, tratar dessa forma é uma maneira ótima?

48 Escalonamento dinâmico de disco Escalonamento de Disco para Multimídia Se o sistema tiver resolução diferente => taxa de quadros; O sistema, quando chegar a primeira requisição, ela será servida; Se no momento chegar novas requisições vai criar um conjunto de requisições pendentes. Qual algoritmo usar para selecionar a próxima requisição? Considerar: Prazo e Cilindro; Otimização: Pode-se ordenar por cilindro, mas o cilindro distante nunca cumpre os prazos. Tempo real: ordenar por vencimento de requisição, aumenta tempo de busca

49 Escalonamento de Disco para Multimídia Escalonamento dinâmico de disco Algoritmo Scan-EDF: reune, em lotes, as requisições que apresentam prazos e que estejam relativamente próximos de vencer e processa na ordem do cilindro Pode tratar com primeiro lote as 5 requisições com menor prazo para vencer=> ordená-los pelo número do cilindro e servi-los: Considere a situação no tempo t=700 Ordenação por cilindro: 110, 330, 440, 676 e 680

50 Roteiro Aspectos de SO Escalonamento de processos Paradigmas de arquivos multimídia Estratégia de organização de arquivos Caching: Bloco e Arquivos Escalonamento de Disco para multimídia: Estático e Dinâmico

51 TANENBAUM, A. Sistemas Operacionais Modernos. Rio de Janeiro: Pearson, 3 ed Leituras Sugeridas

52 Mais Informações Outras informações sobre essa disciplina podem ser obtidas: