Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia

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1 Douglas Vidal Teixeira Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia MONOGRAFIA COMUNICAÇÕES MÓVEIS DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA Programa de Pós-Graduação em Informática Rio de Janeiro, dezembro de 2007

2 PUC-RIO Comunicações Móveis 2/2007 Prof. Markus Endler ÍNDICE 1 Introdução 5 2 Técnicas entre aplicação e camadas inferiores Compressão temporal de vídeo MPEG utilizando protocolo de transporte baseado em taxa, com prioridades e estimação pró-ativa do atraso dos pacotes Controle de admissão de fluxos divididos em sub-camadas e esquema para modulação dinâmica da interface rádio em redes sem fio colaborativas 14 3 Middlewares para adaptação do fluxo em função do canal Framework com suporte a QoS através de reconfiguração de fluxos multimídia baseado em relatórios RSTP Middleware para adaptação dinâmica através de relatórios SNMP 28 4 Conclusões 35 5 Referências 37

3 PUC-RIO Comunicações Móveis 2/2007 Prof. Markus Endler ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Mecanismo baseado em taxa controle de congestionamento do MMTP...11 Figura 2: Formato de um GOP do padrão MPEG...12 Figura 3: Arquitetura da aplicação de streaming sobre MMTP...13 Figura 4: Rede ad-hoc de teste com os possíveis enlaces entre os nós e os respectivos valores de RSI em db...18 Figura 5: Estrutura do Middleware e do proxy para adaptação dinâmica...22 Figura 6: Código exemplo do APSL...23 Figura 7: Funcionamento do middleware de QoS diante de mudanças dinâmicas na apresentação...24 Figura 8: Cenário para avaliação do Middleware de QoS...25 Figura 9: Validação do middleware multiplexação dos fluxos em uma vídeo conferência de acordo com as restrições de exibição do usuário Figura 10: Taxa de perda de pacotes diante de modificação dinâmica do codificador...27 Figura 11: Taxa de quadros por segundo na aplicação cliente...28 Figura 12: Estrutura do middleware que utiliza o SNMP para a adaptação dinâmica dos fluxos...29 Figura 13: Formato da tabela no servidor de controle com as informações dos usuários...30 Figura 14: Procedimento de comunicação entre as entidades do middleware...32 Figura 15: Comprovação do funcionamento do middleware através de implementação e recepção de um fluxo em um PocketPC...33

4 PUC-RIO Comunicações Móveis 2/2007 Prof. Markus Endler ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1: Avaliação da aplicação em comparação com streaming sobre RAW UDP...13 Tabela 2: Fluxos da simulação definidos por nó de origem e destino, subcamadas hierarquizadas, qualidades e taxa de bits...18 Tabela 3: Número de fluxos admitidos...19 Tabela 4: Valores médios de RSI (db) para dois tipos de fluxos e os dois esquemas de funcionamento de modulação da interface sem fio...19 Tabela 5: Relação da taxa da interface com a qualidade da apresentação e suas configurações para áudio e vídeo...31 Tabela 6: Relação do percentual de nível de sinal percebido com taxa da interface...33

5 1 Introdução Transmissão de fluxos multimídia trata-se de um serviço amplamente difundido atualmente na Internet. Diversos provedores já disponibilizam de ferramentas e mecanismos que possibilitam aos usuários o acesso a este tipo de conteúdo. As ferramentas mais conhecidas são o Windows Media Player (WINDOWS MEDIA PLAYER, 2007) e o Real Player (REALNETWORKS, 2007). Entretanto, as novas tecnologias de acesso das chamadas 3ª e 4ª geração irão permitir também o acesso à rede de dados em altas taxas para os dispositivos móveis celulares. Outra vertente para a difusão do acesso com altas taxas para usuários móveis é a popularização das redes locais sem fio (WLAN s), que utilizam o padrão IEEE Devido ao baixo custo da tecnologia e à facilidade de implementação, as WLAN s estão se tornando cada vez mais numerosas, proporcionando a cobertura de áreas cada vez maiores devido a novas técnicas de acesso (que ampliam a cobertura do sinal) e de modelos de configuração (como o padrão r que possibilita roaming entre múltiplos pontos de acesso ou as redes mesh que possibilitam a incorporação de múltiplos roteadores sem fio a uma mesma WLAN). Percebe-se, portanto, que o acesso com altas taxas está cada vez mais próximo do usuário móvel. Porém, até o presente momento, não foi padronizado nenhum paradigma que incorpore esta nova configuração de acesso da melhor maneira possível. A estrutura atual de acesso, principalmente para conteúdos disponíveis na Internet, está consolidada sobre paradigmas e protocolos desenvolvidos para redes onde os usuários são elementos estáticos. Um exemplo desta afirmação é o protocolo de transporte mais utilizado pelas aplicações, o TCP, cujas deficiências para redes móveis vêm sido discutidas com bastante ênfase nos últimos anos (ELAARG, 2002). Com o objetivo de mitigar tais limitações ou simplesmente de aprimorar a qualidade do acesso para as aplicações mantendo a estrutura atual, principalmente

6 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 6 em virtude da ampla utilização da Internet, diversos mecanismos e técnicas vêm sendo propostos, principalmente em camadas elevadas (acima da camada de Transporte 1 ), como por exemplo, o RTSP (Real Time Streaming Protocolo; RTP, 2003) que é uma estrutura na camada de sessão para a troca de relatórios sobre a qualidade da transmissão, utilizando o RTP como protocolo de transporte. O presente trabalho tem o objetivo de explorar algumas destas técnicas, enfocando em aplicações destinadas à apresentação de fluxos multimídia. A transmissão em tempo real de fluxos multimídia (streaming) é uma aplicação baseada nos requisitos exigidos para transmissões em tempo real, como em telefonia e broadcast de canais de TV. Ou seja, suportam mais perdas e menos atraso na entrega dos quadros do que uma aplicação http (Hypertext Transport Protocol), por exemplo. Neste sentido, o importante para a uma aplicação de streaming é a continuidade da apresentação com o menor jitter possível. Portanto, sacrificar alguns quadros para a manutenção do jitter em torno de zero e/ou a diminuir a qualidade da apresentação para a diminuição do tamanho dos pacotes, são opções possíveis que uma aplicação de fluxos multimídia permite. Ou seja, ao mesmo tempo em que tais aplicações exigem rigorosos requisitos de qualidade de transmissão, diversos outros mecanismos podem ser utilizados. Em redes móveis onde as condições do canal são muito mais dinâmicas em comparação com redes cabeadas, estes mecanismos passam a desempenhar um papel de importância ainda maior para a continuidade da apresentação. As técnicas disponíveis atualmente na Internet para streaming são: Stored Audio and Video Streaming. Trata-se da técnica mais difundida pela popularização de provedores de conteúdo. É baseada na existência de um cliente que faz a demanda pelo fluxo a um servidor que a contém armazenada. O fluxo é enviado na rede com restrições de tráfego de tempo real definidos pela taxa de apresentação da mídia. À medida que os pacotes são entregues no cliente, são imediatamente decodificados e apresentados, diminuindo os atrasos necessários para a bufferização do arquivo inteiro. Neste mecanismo a mídia entregue pode ser armazenada ou não (os 1 Por camadas entenda-se o modelo de camadas OSI.

7 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 7 quadros que chegam são decodificados, apresentados e, em seguida, descartados), dependendo da arquitetura da aplicação. Tais aplicações podem controlar a taxa da apresentação e as restrições de atraso 2 e perda de pacotes são as menos restritivas em comparação com as demais técnicas descritas abaixo. Live Audio and Video. Representa a uma nova categoria de aplicações multimídia que estão sendo incorporadas às redes de pacotes, onde um conteúdo é gerado em tempo real por um servidor e transmitido (por exemplo, em regime de broadcast) para os usuários. Geralmente, nestas aplicações o conteúdo transmitido não é proposto para ser armazenado nos receptores, em vista das próprias limitações de espaço físico dos mesmos. Este tipo de técnica engloba IPTV, por exemplo. As restrições de atraso já são mais restritivas em vista da geração ininterrupta do conteúdo. Taxa de perda de pacotes do canal não é um fator tão restritivo, pois o fluxo majoritário é apenas unidirecional (fonte para receptores), permitindo que a vazão seja totalmente aproveitada para a adição de overhead proveniente de mecanismos de correções de erros. Além disto, pode-se utilizar bufferização de pequena escala (em torno de centenas de milésimos de segundos) para a manutenção do jitter sem grandes perdas na qualidade da apresentação. Real Time Interactive Audio and Video Streaming. Similar à técnica anterior, com a adição da interatividade. Neste tipo de streaming, tanto o atraso quanto a perda de pacotes são extremamente restritivos. Não existe mais um cliente e um servidor: todos os participantes são fonte e destino, simultaneamente, gerando uma alta taxa de tráfego em tempo real. Gastos em overhead geralmente não são toleráveis em vista do alto consumo de banda requerido. Além disso, o canal ainda é assimétrico pois um indivíduo pode se comunicar com vários ao mesmo tempo, transmitindo em 2 O termo manutenção do atraso, quando empregado para tráfego em tempo real (tráfego gerado em taxas fixas), implica diretamente na manutenção do jitter em torno de zero.

8 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 8 regime de broadcast e recebendo os múltiplos streams individuais em regime unicast. Tal situação pode aumentar ainda mais a complexidade dos mecanismos empregados nas camadas de transporte e aplicação para a manutenção do atraso e da qualidade da apresentação, respectivamente. Este trabalho tem o propósito de analisar algumas soluções que mais se destacaram dentro de uma ampla pesquisa no tocante de técnicas e middlewares atualmente propostos ou desenvolvidos, para a adaptação on the fly da qualidade dos fluxos multimídia em função da qualidade do canal de transmissão de dados. Em vista disto, as soluções consideradas são apenas às que incorporam ao contexto do par transmissor-receptor as questões de Qualidade de Serviço em redes de pacotes, isto é: banda necessária, taxa de perda de pacotes, taxa de erro de bits do canal, atraso fim a fim, atraso nos enlaces das rotas, desconexões devido à handoffs e baixa relação sinal-interferência percebida no canal de comunicação sem fio. Middlewares cujo escopo do contexto do usuário móvel foge às condições de transmissão, como limitações de displays, memória, processamento, etc, não estão dentro do escopo do presente trabalho. Exemplos de Middlewares que adaptam o fluxo multimídia dentro destes parâmetros de contexto são o GRACE (YUAN et al, 2003), iconnect plug-in (WIJNANTS, 2006) e o trabalho descrito por MOHAPATRA (2003) cuja preocupação é o consumo de energia. O restante do trabalho está dividido da seguinte maneira: no capítulo 2 será abordado uma técnica e um modelo analítico que adaptam o fluxo aplicando compressão temporal e divisão em sub-camadas, respectivamente, através de mecanismos nas camadas de transporte, de rede e de enlace (MAC); capítulo 3 apresenta dois middlewares que reduzem a qualidade do vídeo através da modificação de diferentes parâmetros, como mudança de codificadores e extração de fluxos multiplexados, baseado em medições de rede, provenientes de mecanismos existentes nas aplicações, como relatórios do RTSP e do SNMP (Simple Network Management Protocolo); capítulo 4 finaliza com comparações e conclusões.

9 2 Técnicas entre aplicação e camadas inferiores Neste capítulo serão abordadas técnicas que utilizam informações da qualidade do fluxo multimídia provenientes da aplicação em conjunto com parâmetros particulares de camadas inferiores, como por exemplo, o atraso médio do canal (camada de rede) ou a modulação vigente na interface de rede (camada de enlace). 2.1.Compressão temporal de vídeo MPEG utilizando protocolo de transporte baseado em taxa, com prioridades e estimação pró-ativa do atraso dos pacotes TEIXEIRA e MAGALHÃES (2005) propõem um framework que atua na camada de aplicação e na camada de transporte. Trata-se de uma aplicação que utiliza um protocolo de transporte desenvolvido para a entrega de fluxos multimídia, com a capacidade de utilizar múltiplas interfaces (se presentes) para o envio balanceado do fluxo. O protocolo em questão é o MMTP (MAGALHÃES e KRAVETS, 2001), Multimedia Multiplexing Transport Protocol, ainda não padronizado e com implementação sobre UDP (ainda não existe módulo de sistema operacional). A pertinência deste protocolo é sobre a falta de suporte especializado, dentre os atuais protocolos de transporte presentes, para fluxos multimídia. Os autores defendem que UDP pode causar congestionamentos nos gargalos por não prover nenhum tipo de controle nem verificação do atraso do canal. Ainda, os proponentes do MMTP afirmam que o RTP provê apenas um cabeçalho à estrutura do UDP, deixando todo o controle de fluxo e de congestionamento a cargo da aplicação, que necessita do suporte dos relatórios enviados pelo RTCP/RTSP. O MMTP é baseado em taxa (rate based). A transmissão realizada em intervalos regulares, definidos de acordo com a aplicação. Ele utiliza o envio periódico de pacotes de sondagem para a estimação do atraso médio do canal, através da técnica de packet pair probing (um pacote pequeno é enviado seguido

10 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 10 do envio de outro, de tamanho bem maior, permitindo que o atraso seja estimado na recepção através da comparação dos timestamps do atraso entre os pacotes de sondagem). O receptor e o transmissor também trocam, periodicamente, as informações para a estimativa de ambos os sentidos do canal. A sondagem permite a estimação do momento em que um determinado pacote efetivamente será entregue, já que o envio é regular, baseado na taxa imposta pela aplicação. Pacotes a serem enviados cuja estimativa de entrega excede o atraso permitido, são descartados na aplicação, evitando congestionamentos. Pacotes que eventualmente são perdidos no caminho devido ao congestionamento na rede, são percebidos na recepção de acordo com a avaliação histórica dos prazos estimados. Isto é, um pacote cuja estimativa não excede o prazo, quando não é entregue, faz com que o protocolo verifique na recepção se os anteriores estavam excedendo as estimativas. Se a estimativa estava sendo excedida, é assumido descarte no transmissor, caso contrário é assumido perda por congestionamento e esta informação é entregue para o transmissor que diminuirá a taxa de envio. Este mecanismo exige a ordenação e buffers para os pacotes. Esta característica também é utilizada para a multiplexação através de múltiplas interfaces, se presentes. Desta forma, se um transmissor dispõe de duas conexões distintas de rede, a transmissão é balanceada através das estimativas de cada canal e da taxa exigida pela aplicação (Figura 1).

11 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 11 Figura 1: Mecanismo baseado em taxa controle de congestionamento do MMTP Ainda, o MMTP pode dar prioridades diferentes para os pacotes transmitidos. Desta forma, pacotes de alta prioridade podem ser retransmitidos se ainda estiverem dentro do prazo de entrega, enquanto que pacotes com a prioridade mais baixa não sofrem nenhum tipo de retransmissão, mesmo se ainda estiverem com tempo e banda disponíveis, aliviando o tráfego global do percurso. Esta última característica pode ser empregada para o envio de quadros MPEG. O padrão divide quadros de imagem em 12 sub-quadros, formando um GOP (Group of Frames). Cada GOP divide os seus sub-quadros em 1 quadro do tipo I (Intra-frame), 2 do tipo F (Forward Predicted Frame) e 9 do tipo B (Bidirectionally predicted frame), através de relações temporais (vide Figura 2). Quadros do tipo I são os maiores e mais importantes. Eles contêm a imagem principal. Quadros do tipo F contêm alterações sofridas pelo quadro original I em função do tempo. São menores do que os quadros I. Os quadros do tipo B são os

12 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 12 menores e fazem a relação entre as mudanças ocorridas entre os quadros I e F. São os menores em relação a todos os outros. Figura 2: Formato de um GOP do padrão MPEG Seguindo esta relação, a aplicação particiona os quadros do fluxo e utiliza os cabeçalhos do padrão MPEG para a estimativa do atraso e do tipo de quadro. Desta forma, ao acionar o MMTP, a aplicação entrega os quadros para serem empacotados de acordo com a prioridade requerida por cada um. A prioridade empregada é mesma imposta pela relação temporal do GOP MPEG. Desta forma, o fluxo é apresentado de acordo com taxa exigida de exibição e com compressão temporal (descarte de quadros B, F e no pior dos casos I), de acordo com as condições do canal. A estrutura da aplicação está apresentada na Figura 3.

13 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 13 Figura 3: Arquitetura da aplicação de streaming sobre MMTP As bordas da aplicação (parse e mpeg_play) se comunicam com o MMTP via porta UDP, preferencialmente via pipe local. A aplicação foi avaliada através de comparação com UDP, com o envio de um vídeo com um total de 100 quadros (416 KB), sem áudio, em canais com diferentes capacidades de vazão e sem tráfego concorrente. Na recepção é contabilizado o número de quadros que chegam e são efetivamente decodificados. Os resultados podem ser vistos na Tabela 1. Tabela 1: Avaliação da aplicação em comparação com streaming sobre RAW UDP (bit por seg) Quando o canal é muito ruim (9,6 kbps), o MMTP entrega menos quadros do que UDP em vista do não cumprimento dos prazos, enquanto que o UDP fará o envio de qualquer forma. À medida que a capacidade do canal aumenta (19,2 até 115,200 kbps), o MMTP consegue melhor utilização do canal por descartar

14 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 14 quadros na origem, diferentemente do UDP que sofrerá mais perdas em função das colisões causadas pela própria aplicação. Quando existe banda suficiente para acomodar o fluxo, ambos os protocolos se comportam de maneira semelhante. Pode-se concluir que a aplicação consegue otimizar a apresentação multimídia mesmo quando as condições do canal estão aquém do esperado, penalizando a qualidade em níveis gradativos. Entretanto, cabe ressaltar que a estrutura só pode ser aplicada para mídias que permitem a divisão em sub-fluxos com prioridades diferenciadas. Entretanto, o MMTP tem que ser avaliado quanto ao overhead imposto pelas sondagens e pelos relatórios trocados. Além disto, a abordagem do MMTP de prever a banda disponível pode tornar o seu funcionamento abaixo do esperado quando estiver concorrendo com tráfego gerado por protocolos de transporte mais agressivos, como os próprios TCP e UDP Controle de admissão de fluxos divididos em sub-camadas e esquema para modulação dinâmica da interface rádio em redes sem fio colaborativas MASTRONAARDE et al (2007) propõe um algoritmo de controle de admissão baseado em prioridades dos fluxos multimídia e dos requerimentos de transmissão exigidos (taxa de bit e atraso). O objetivo do trabalho é propor um esquema cross-layer para redes onde a transmissão de dados é realizada através de múltiplos saltos (que permita relaying) e com múltiplas rotas possíveis entre os nós. Exemplos são redes mesh ou redes ad-hoc corporativas (onde existe uma exigência dos nós participantes permitirem o encaminhamento do tráfego para outros nós). Desta forma cada nó pode escolher se deve ou não agregar um determinado fluxo ao tráfego de dados corrente e por qual rota o fluxo deverá ser entregue. A técnica é baseada na idéia de particionar um determinado fluxo multimídia em vários sub-fluxos ou sub-camadas divididas em grupos de qualidade. A qualidade de cada camada depende da prioridade e da taxa requerida pelo fluxo. A prioridade de cada camada do fluxo depende de fatores específicos de codificação, compressão (se houver) e restrições de prazos de entregas (deadlines). A idéia original é obtida no trabalho de SHANKAR et al (2004) e exemplos do procedimento do procedimento de particionamento de um fluxo em

15 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 15 outros sub-fluxos com diferentes prioridades pode ser obtido em TURAGA e VAN DER SCHAAR (2005). A prioridade de cada fluxo fornece também o grau da distorção que ele pode sofrer no procedimento de particionamento. O algoritmo funciona da seguinte maneira: um nó recebe vários fluxos de vizinhos para o destino v a, cada fluxo f x é associado a uma condição de propagação entre v a e o nó; B x é a taxa requerida pelo fluxo; cada fluxo é transmitido em um enlace com uma vazão esperada taxa de interface T a x, dada em função da modulação a G a x θ x, dependente do valor da e da probabilidade de a perda de pacote ε, dada em função do tamanho do pacote L x x e do nó de destino. Desta forma infere-se G a x da seguinte forma: onde a e ( x) e θ é a taxa de erro de bit dada por onde S é a relação sinal interferência no enlace (RSI) e µ e δ são constantes específicas da interface rádio. Periodicamente em intervalos de tempo pré-definidos, cada nó realiza a a medição da vazão esperada e compara com a taxa exigida pelo fluxo B x. Se G < x B x o fluxo não será entregue, caso contrário o espera-se que o fluxo seja entregue à taxa B x. Cada fluxo é enviado de acordo com a sua prioridade de camada, garantindo desta forma eqüidade na distribuição dos fluxos. Todos os nós vizinhos que têm fluxos a receber e condição de banda, o recebe por camada de prioridade. A heurística também permite verificação de possíveis gargalos entre os nós, permitindo que o nó intermediário não envie determinado fluxo se estes não

16 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 16 puderem ser entregues em condições mínimas de qualidade e de prazo de entrega. Esta percepção de possíveis gargalos evita colisões e aumenta o atraso global da rede. A admissão do fluxo é decidida em cada nó através da métrica. Entretanto, os autores também propõem dois outros algoritmos de admissão: um baseado nas informações obtidas dos fluxos já admitidos sobre os gargalos da rede e retirandoos, portanto, da lista de possíveis caminhos; o outro é baseado na estimativa realizada na origem até o destino, definindo no início da transmissão as rotas para os sub-fluxos. Obviamente, existe uma sinalização extra (overhead) para que haja a correta sincronização entre os nós. Três grupos de informações de controle são trocados: o primeiro grupo de informações é associado às características do fluxo, como a taxa B x, as prioridades (definidas pela codificação, etc) λ x e as qualidades associadas às diferentes camadas (dependente dos dois fatores anteriores na relação); o segundo grupo de informações são as condições do canal como o RSI e as taxas de perda de pacotes e de erro de bit; o terceiro grupo de informações equivale às rotas associadas a cada fluxo. Os autores também propõem um esquema entre a aplicação e a camada MAC para a determinação do número ótimo do limite de retransmissões de datagramas, de acordo com os prazos de entrega de cada pacote (a priori o número de retransmissões definido para o padrão IEEE é 7; ANSI/IEEE, 2003): Onde Deadline jx é o prazo para a decodificação do pacote j x, t overhead é o atraso resultante aos procedimentos de ack s e de escalonamento de transmissão (pooling); t cur é o tempo atual e o é a operação floor. A partir deste limite, os autores conseguem inferir o número médio de retransmissões utilizando a probabilidade de erro de pacote:

17 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 17 Em seguida, utilizando o tamanho do pacote e a taxa da interface, é inferido o tempo médio gasto para a entrega de um pacote: dado por: Então, para os primeiros η x pacotes do fluxo o tempo médio de entrega é η x vai depender do tempo de pooling que cada nó possui para realizar a transmissão ou do tempo médio obtido. O valor de tempo que maximizar a relação, onde T (RX) SI r a x é a parcela de tempo que o nó de destino v a disponibiliza para receber pacotes do fluxo x. Para a validação, os autores realizaram simulações com nós utilizando interfaces sem fio a com taxa máxima de 54Mbps, 8 níveis de modulações, permitindo desta forma 8 diferentes valores para taxas de interfaces dinamicamente. A rede de teste é dada pela Figura 4, os tipos dos fluxos inseridos na rede, com suas prioridades λ, taxas de bits, possíveis sub-camadas e os nós de origem e destino estão relatados na Tabela 2.

18 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 18 Figura 4: Rede ad-hoc de teste com os possíveis enlaces entre os nós e os respectivos valores de RSI em db Tabela 2: Fluxos da simulação definidos por nó de origem e destino, subcamadas hierarquizadas, qualidades e taxa de bits Os números de fluxos admitidos estão na Tabela 3.

19 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 19 Tabela 3: Número de fluxos admitidos Número de sub-fluxos admitidos ψ 1 ψ 2 ψ 3 ψ Para ilustrar o esquema de otimização na escolha das taxas das interfaces, uma outra simulação na mesma rede de testes foi realizada. O esquema dinâmico proposto foi comparado contra a opção de utilizar o número de retransmissões e o valor da modulação da interface, fixas (no caso, o número de retransmissões e a modulação foram escolhidos a partir das médias obtidas nas simulações com esquema dinâmico). Dois fluxos foram testados durante o tempo de envio de 300 quadros (quadros de vídeo), repetidos 3 vezes. O resultado está na Tabela 4. Tabela 4: Valores médios de RSI (db) para dois tipos de fluxos e os dois esquemas de funcionamento de modulação da interface sem fio v 4 v 11 v 2 v 9 Modulação dinâmica 27,31 34,57 N de retransmissões e taxa de interface fixas 24,96 29,09 Os resultados presentes na Tabela 2 conformam a eficácia do algoritmo em manter a eqüidade na recepção dos fluxos entre os usuários. Os dois primeiros pares transmissor-receptores disputavam a mesma região, ambos exigindo fluxos com alta taxa de bits e, portanto, ambos foram penalizados perdendo as duas últimas sub-camadas menos importantes. Os dois outros pares transmissorreceptores também disputavam a mesma região, porém o último fluxo requerido era menos exigente em termos de taxa de bits, permitindo que os recursos na rede suportassem ambas as mídias com todas as suas sub-camadas. A Tabela 3 demonstrou que o mecanismo de modulação da interface de rede permitiu um ganho de até 5dB na RSI. Esse ganho pode ser considerado alto, porém exige uma operação em conjunto e sincronizada entre um nó e seus

20 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 20 vizinhos. Ele é conseguido pelo ajuste entre fonte e receptor, diminuindo ou aumentando a potência sincronamente. Isto permite que a RSI entre o conjunto dos nós. Os resultados não são comparativos, pois não foi utilizado nenhum outro algoritmo concorrente nas simulações. Os testes para o módulo de adaptação poderiam ser comparados com os que são aplicados nas interfaces de fabricantes conhecidos. Entretanto, os resultados corroboram a idéia principal do algoritmo que é fazer uma distribuição justa do conteúdo, em função das condições de QoS presentes na rede. Adicionalmente, o algoritmo permite que seja proposto um esquema para a modulação da taxa da interface que proporciona um ganho significativo na qualidade da transmissão. Uma idéia similar para a utilização dos múltiplos caminhos pode ser visto no proxy-framework proposto em MUSHTAQ e AHMED (2006), validado através de simulações e com uma abordagem matemática menos exigente, dependente de RTSP para a avaliação da rede.

21 3 Middlewares para adaptação do fluxo em função do canal Neste capítulo serão abordados dois middlewares que provêem o envio de fluxos multimídia com adaptação dinâmica em função de condições de rede e do equipamento do cliente. O primeiro utiliza o RTSP para obter parâmetros de perda da rede e realizar adaptações previstas pela aplicação. O segundo utiliza uma versão alterada do SNMP para as estimativas e também realiza modificações previstas. Ambos são baseados em ferramentas proprietárias Framework com suporte a QoS através de reconfiguração de fluxos multimídia baseado em relatórios RSTP LAYAIDA et al (2004) construíram um framework com o principal objetivo de facilitar o desenvolvimento de aplicações. O framework provê uma linguagem de alto nível que é compilada para lidar com módulos de baixo nível destinados a codificação e recodificação das mídias, e com a obtenção das estimativas de rede (taxa de perda de pacotes e RTT). Entretanto, os valores para a determinação dos níveis de QoS ainda devem ser impostos pelo desenvolvedor da aplicação. Basicamente, o módulo de adaptação é montado sobre um middleware baseado em uma estrutura de servidores e proxys. Ele provê uma API que recebe e decodifica código XML para operar nas camadas inferiores do middleware. De acordo com as condições impostas pela aplicação, módulos são inseridos, removidos, conectados e desconectados. A validação do módulo é corroborada com uma aplicação web que provê vídeo conferência, implementado em um proxy. A estrutura da middleware e do proxy podem ser vistos na Figura 5. Existem três níveis básicos que dividem as funcionalidades do middleware: nível de especificação, nível de controle e nível de execução. O nível de especificação define construtores para a aplicação através de uma linguagem XML denominada APSL (AdaPtive media Streaming Language). A linguagem provê um conjunto de funções simplificadas para a verificação da qualidade da rede e das ações que

22 Técnicas e Middlewares para adaptação dinâmica de fluxos multimídia Página 22 serão aplicadas nos fluxos. O nível de controle faz a tradução do APSL para o nível de execução. O nível de execução incorpora os componentes de processamento de mídia, incluindo os protocolos de transporte (TCP/UDP/RTP), os protocolos de aplicação (HTTP, RTSP) e componentes de processamento de mídia (codificadores, eliminador de quadros, configuradores de resolução e mixers de áudio e vídeo). O middleware foi escrito em C++ na plataforma de desenvolvimento Microsoft.NET e utilizando a biblioteca DirectX SDK (Software Development Kit) versão 9. Figura 5: Estrutura do Middleware e do proxy para adaptação dinâmica A Figura 6 exemplifica o APSL através de um trecho de código.