Trabalho do Curso de Redes de Computadores COS765/MAB /1
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- Sérgio Graça Neto
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1 Trabalho do Curso de Redes de Computadores COS765/MAB /1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Rosa M.M. Leão e Daniel Sadoc Menasché Primeiro Período de Introdução O objetivo deste trabalho é fazer um programa que implemente algumas das funções de um programa de transmissão de dados multimídia. Mais especificamente, você vai implementar um protocolo simples de transferência de áudio. Usaremos o protocolo UDP para estabelecer uma conexão de um processo a outro. Todos os usuários de alguma plataforma de transmissão de dados multimídia (e.g., Youtube) em algum momento já se depararam com a mensagem Aguarde, carregando buffer. O buffer no receptor é uma estratégia bastante utilizada por aplicações multimídia para compensar o jitter introduzido pela rede. Um dos objetivos deste trabalho é entender o motivo de haver buffers de recepção nos softwares de transmissão multimídia. Aplicações multimídia são principalmente baseadas na arquitetura cliente servidor ou na arquitetura P2P. Na arquitetura cliente servidor, os blocos são em geral transmitidos de forma sequencial. Já na arquitetura P2P, os blocos podem ser transmitidos de forma aleatória ou sequencial. Um outro objetivo do projeto é avaliar os tradeoffs envolvidos na decisão entre a transmissão sequencial de blocos e a transmissão aleatória de blocos. É aconselhável a leitura do capítulo sobre multimídia do livro texto (Kurose e Ross) antes de implementar este trabalho. 2 Disponibilidade de Blocos No Emissor Pretendemos emular um sistema P2P. Entretanto, para simplificar a implementação, vamos assumir que temos apenas dois peers: um emissor e um receptor. Para capturar o fato de que blocos em um sistema P2P podem estar indisponíveis para transmissão sequencial, vamos assumir que, a cada tentativa de transmissão sequencial de um bloco, este bloco está disponível no emissor com probabilidade r e indisponível com probabiliade 1 r. Suponha que o emissor precise transmitir um bloco que esteja indisponível, ele então aguarda 20 ms e faz novo sorteio para calcular o novo status do bloco: disponível ou indisponível. Esse procedimento é repetido até que o bloco esteja disponível para ser transmitido. 1
2 Caso a política adotada seja a de transmissão aleatória, o emissor deverá guardar todos os blocos que ele já transmitiu. A cada 20 ms, ele escolhe um novo bloco aleatoriamente dentre aqueles que ainda não transmitiu e o transmite. Note que você pode implementar uma nova política de transmissão de blocos mais eficiente do que as duas propostas neste projeto, como por exemplo uma combinação das políticas sequencial e aleátoria. Comece implementando as políticas propostas acima (estritamente aleatório e estritamente sequencial), e depois considere outras políticas. A hipótese a ser mantida é sempre a seguinte: 1. ao escolher aleatoriamente um bloco dentre aqueles ainda não transmitidos, assume-se que este bloco está sempre disponível. 2. se o último bloco transmitido for o bloco k, ao escolher transmitir intencionalmente (e não por acaso) o bloco k + 1, o bloco k + 1 estará disponível com probabilidade r. Caso esteja disponível, ele pode ser transmitido. Caso contrário, deve-se esperar 20 ms para tentar nova transmissão de k Funcionamento do Programa Você deve fazer um aplicativo para transferir um arquivo de áudio a 64 Kbps. Cada pacote deve ter tamanho de 160 bytes (1280 bits), e um pacote deve ser transmitido a cada 20 milisegundos (50 pacotes por segundo). O seu aplicativo deve implementar funções de transferência de informação, usando o protocolo UDP para simples estabelecimento de conexão, conforme mostra a figura abaixo. geração de dados de áudio (1 pacote a cada 20 ms) recepção de dados de áudio (idealmente, 1 pacote a cada 20 ms) buffer de recepção camada de simulação de perdas e atrasos (parte de transmissão) camada de simulação de perdas e atrasos (parte de recepção) TCP ou UDP rede real ou computador único com comunicaçao entre processos Figure 1: Diagrama dos módulos envolvidos no trabalho 2
3 Ao iniciar, o programa de transferência de áudio deve receber informações sobre a fonte de dados que gerará as amostras a serem transferidas. Você pode transferir um arquivo de áudio pré-gravado (e nesse caso o nome do arquivo a ser transferido deve ser informado) ou até mesmo transmitir dados aleatórios armazenados em um arquivo apenas para simular o que seria um arquivo de áudio. O programa de transmissão simplesmente envia um pacote, aguarda 20 milisegundos, envia o próximo pacote, aguarda 20 milisegundos, e assim por diante. O programa de recepção de dados implementa rotinas para (a) armazenar os pacotes em um buffer, (b) transmitir os pacotes para a aplicação que irá tocá-los ou simplesmente registrar em um log o seu recebimento. Você também deverá implementar um módulo de perdas/atrasos que implementa as funções descritas abaixo: Cada segmento deve conter um header. No header, você deve colocar o número de sequência do pacote e quaisquer outras informações que julgar necessário. Você não precisa implementar a rotina para fazer o checksum. Você deverá testar tanto o cliente quanto o servidor rodando-os numa mesma máquina ou em uma rede local. Nestes dois cenários, não existem perdas ou atrasos. Dessa forma, você deverá implementar um módulo (ver figura) que emulará atrasos e perdas de pacotes aleatórios. Este módulo, recebe um segmento da camada UDP e o atrasa de um valor aleatório igual a RT T/2+X, sendo RT T fixo e X uma variável aleatória com distribuição exponencial e média E[X] (procure saber como você implementa uma distribuição exponencial a partir da função de randomização de C). O módulo também escolhe se entrega ou não um pacote à camada acima. Isto é, um pacote é perdido com probabilidade F (procure também saber como você implementa essa probabilidade). Para implementar os atraso aleatórios, você deve criar uma lista de segmentos da forma descrita abaixo. Quando um segmento é recebido, o tempo atual t é lido. A este tempo somamos RT T/2 + X, onde X é aleatório. O novo tempo t n = t + RTT/2 + X é colocado numa lista de tempos com um indicador do segmento a que o tempo está associado. A lista é organizada por ordem de tempo. Os pacotes são entregues ao módulo superior quando o tempo atual for igual a t n. Você pode saber quando entregar os segmentos de duas formas: (1) Criando um loop infinito no seu programa que verfica a cada t unidades de tempo se o tempo atual é igual a t n e se for, entrega o segmento. (2) Disparando um timer com o valor de t n cada vez que houver uma inclusão de um elemento na primeira posição da lista. Quando o timer expirar, o segmento deve ser entregue ao módulo superior. A solução (1) é mais simples mas é computacionalmente mais custosa. Desta forma, a camada de recepção de áudio receberá segmentos com atrasos aleatórios e também, segmentos podem ser perdidos. O programa de emulação de perdas deve ler de um arquivo o valor de F, o valor de RT T e o valor de E[X]. O seu programa deve ter como saída Os instantes em que (a) cada pacote foi enviado; (b) cada pacote foi recebido; (c) cada pacote foi tocado. O objetivo é reproduzir gráficos como os mostrados na Figura 2, para ambos os casos: transmissão sequencial e aleatória. O tradeoff envolvido a ser ilustrado numericamente é o seguinte: a transmissão sequencial irá favorecer uma diminuição do tempo até que se possa iniciar a exibição do áudio. Entretanto, a 3
4 pacote transmitidos recebidos tocados tempo Figure 2: Tempo de transmissão, recepção e exibição dos pacotes. Note que nessa figura estamos assumindo que os pacotes são transmitidos, recebidos e tocados em ordem. Neste trabalho, entretanto, consideramos a possibilidade de os pacotes serem transmitidos e recebidos fora de ordem. Faz parte do seu trabalho inventar uma forma de adaptar este gráfico, ou inventar um novo gráfico, para levar em conta essas possibilidades. Para simplificar, comece implementando o algoritmo sequencial, e assuma que não ocorrem reordem de pacotes na rede. transmissão sequencial irá gerar mais falhas ao longo da recepção. Já a transmissão aleatória irá gerar menos falhas, mas o tempo para que se comece a tocar o áudio pode ser maior. Assuma que o receptor possui um buffer tal que, quando contiver os B primeiros pacotes de áudio contíguos, o áudio começa a tocar. Considere, em particular, a comparação das soluções sequencial e aleatória nas duas seguintes situações: 1. B é o arquivo completo (nesse caso, espera-se que a solução aleatória seja melhor) 2. B é igual a 1 bloco (nesse caso, dependendo da métrica de interesse e da probabilidade de perda de pacotes na rede, e da disponibilidade dos blocos, a solução aleatória pode ser melhor ou pior que a sequencial) O arquivo de teste deve ser longo para que possamos ter uma idéia do comportamento do protocolo. O seu relatório deve ter conclusões sobre o trabalho, baseadas nas medidas acima. Para isso voce deve variar F e RT T. Faz parte do projeto a escolha coerente destes parâmetros de forma a se conseguir fazer um estudo do comportamento do tamanho do buffer. Comportamento do Buffer Assuma que o receptor possui um buffer grande o suficiente de tal forma que perdas de pacotes por buffer overflow nunca ocorrem. Toda vez que o buffer contiver os próximos B pacotes a serem tocados, você deve ler, remover e tocar os B pacotes a uma taxa de 1 pacote a cada 20 ms. 4
5 4 Relatório O relatório deverá ser composto por: Introdução Nesta seção você deve descrever em linhas gerais o objetivo do seu trabalho. O Programa: Aqui você deve descrever em linhas gerais como funciona o seu programa. Resultados: Neste item você deve fazer um estudo do protocolo de transmissão de áudio variando a política de transmissão (sequencial versus aleatória), r, RT T e F, e plotar gráficos conforme indicado acima. Conclusão: Nesta seção você deve expor suas conclusões sobre o trabalho. Código Fonte: Incluir a listagem do código fonte. Obs: A qualidade de seu relatório é tão importante quanto o bom funcionamento de seu programa. 5
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