DESEMPENHO DE SERVIDORES DESKTOP WEB TV

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1 DESEMPENHO DE SERVIDORES DESKTOP WEB TV Servidores Desktop Streaming Vídeo Rodrigo de Azevedo Carvalho Porto Alegre 2008

2 2 Rodrigo de Azevedo Carvalho DESEMPENHO DE SERVIDORES DESKTOP WEB TV Servidores Desktop Streaming Vídeo Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Informática, como requisito para a obtenção do título de Bacharel em Sistemas de Informação. Orientador: Prof. Me. Atila Bohlke Vasconcelos Porto Alegre 2008

3 3 Agradeço primeiramente aos meus pais por agüentarem o mau humor e ainda assim me apoiarem muito. A minha tia Maria Helena que mesmo a mais de 1800 km de distância me ajudou, sendo praticamente minha coorientadora. Ao meu padrinho que sempre esteve preocupado comigo e quebrou todos os galhos possíveis. A minha irmã que me ajudou com minhas imagens e emoções. A minha avó que sempre torceu e rezou muito por mim. A minha namorada, Raquel Schuch Tergolina que esteve, literalmente, sempre ao meu lado, sendo minha editora gráfica e me apoiando com tudo. A meus professores Fábio, que durante o TCC foi meu professor de WORD, Paulo, que me relembrou da cadeira de cálculo já esquecida, Sidnei, Sílvia e Vinícius que em algum ponto deste trabalho se fazem presentes. A meu orientador que apesar da minha cabeça dura, soube contornar a situação e me manter no caminho certo. A todos o meu muito obrigado, sem vocês este trabalho nunca ficaria pronto!

4 4 Dedico este trabalho a duas pessoas muito especiais em minha vida: - Ao meu avô, que infelizmente não se encontra mais entre nós, mas foi fundamental em toda a minha vida para que eu me tornasse a pessoa que sou hoje. - Ao meu padrinho que realmente é um segundo pai, sem ele não teria superado muitas de minhas dificuldades na vida e na faculdade. A vocês dois de coração fica minha eterna gratidão!

5 5 Sem o esforço do trabalho é impossível obter a glória da vitória (Popó).

6 6 RESUMO Esta monografia tem o objetivo de abordar os principais fatores que influenciam uma transmissão streaming via redes (Local, MANs, WANs), com o intuito de obter amostras reais e supostas do desempenho de um servidor desktop. É apresentado através das técnicas de medição de desempenho, o comportamento do servidor em situações normais, stress e suposições para uma maior abrangência em sua capacidade, assim como a utilização em arquiteturas variadas. A partir de tais parâmetros, são geradas representações visuais (gráficas e numéricas) e representações matemáticas (funções) que vêm a provar a eficácia do estudo do servidor. Palavras-chave: Web TV, IP TV, Streaming e CoDec.

7 7 ABSTRACT This article talks about the major factors that influence a streaming transmission between networks (Local, MANs, WANs), in order to obtain real and supposed samples of the performance of a desktop server. This is demonstrated through the techniques of performance measuring, the behavior of the server in normal situations, stress and assumptions for greater inclusiveness in its capacity as well as use in various architectures. From these parameters, visual (graphical and numerical) and mathematical representations (functions) are generated to prove the effectiveness of the server s study. Keywords: Web TV, IP TV, Streaming and CoDec

8 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Comparativo de uso de banda por aplicação Figura 2: Cálculo de banda exigida pela transmissão sem compressão Figura 3: Gráfico demonstrativo da influência da largura de banda na eficiência Figura 4: Comparação do modelo OSI com modelo TCP / IP Figura 5: Exemplo de Pacote RTP Figura 6: Métodos de comunicação em redes Figura 7: Diagramas de encaminhamento Figura 8: Exemplo de comunicação Unicast Figura 9: Exemplo de comunicação em Multicast Figura 10: Comparação entre resoluções. (Wikipédia) Figura 11 Estrutura básica de um codificador de vídeo. (Rangel, 2002) Figura 12: : Estrutura do decodificador de vídeo.( Rangel, 2002) Figura 13: Níveis e taxas de bitrate suportados pelo MPEG-2 (Strachan, 1996) Figura 14: Estrutura básica do decodificador MPEG-2 (obtida na dissertação de Rangel) Figura 15: Estrutura básica do codificador MPEG-2 (obtida na dissertação Rangel) Figura 16: Exemplo de degradações na imagem. (retirada da dissertação de Rangel) Figura 17: Fórmula básica para cálculo do Throughput Figura 18: 1 a Forma utilizada para medição de desempenho Figura 19: 2 a Forma utilizada para medição de desempenho Figura 20: Eventos de acordo com escala de tempo Figura 21: Gráfico demonstrativo da influência da latência em um sistema Figura 22: Imagem comparativa de resoluções digitais e analógicas Figura 23: Configuração do Windows Média Encoder Figura 24: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 320 x Figura 25: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 640 x

9 9 Figura 26: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 720 x Figura 27: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 720 x Figura 28: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 1280 x Figura 29: Gráfico Geral de Banda de Rede Figura 30: Gráfico do número máximo de MPIS do processador do servidor Figura 31: Gráfico de uso da CPU para 320x Figura 32: Gráfico de ocupação da memória RAM para 320x Figura 33: Gráfico de uso da CPU para 640x Figura 34: Gráfico da ocupação da memória RAM para 640x Figura 35: Gráfico de uso da CPU para 720x Figura 36: Gráfico da ocupação da memória RAM para 720x Figura 37: Gráfico de uso da CPU para 720x Figura 38: Gráfico da ocupação da memória RAM para 720x Figura 39: Gráfico de uso da CPU para 1280x Figura 40: Gráfico da ocupação da memória RAM para 1280x Figura 41: Gráfico de Processamento x Resolução Figura 42: Gráfico de ocupação de memória RAM x Resolução

10 10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AVI Áudio/Video Interleave IETF Internet Engineering Task Force IGMP Group Management Protocol IP Internet Protocol MOV QuickTime Movie MPEG Motion Picture Experts Group MOSPF Multicast Open Shortest Path First PIM Protocol Independent Multicast RTCP Real Time Control Protocol RTP Real Time Protocol CoDec Codificador e Decodificador TCP Transmission Control Protocol TVoIP Television Over IP UDP User Datagrama Protocol ADSL LAN NAT OSI QoS ms ns Mbps Kbps SIP Asymmetric Digital Subscriber Line(Linha Digital de Assinante Assimétrica) Local área Network (Área de Rede Local) Network Adrees Translation (Tradução de Endereços da Rede) Open Systems Interconnection Quality of Service (Qualidade de Serviço) Milissegundos Nano segundos Mega bits por segundo Kbits por segundo Session Initiation Protocol

11 11 SAP SDP RTP RTCP RTSP RSVP MAN WAN LAN WMV Session Announcement Protocol Session Description Protocol Real-time Transport Protocol RTP Control Protocol Real Time Streaming Protocol Resource ReSerVation Protocol Metropolitan Area Network Wide Area Network Loca Areal Network Windows Media Vídeo

12 12 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REFERENCIAL TEÓRICO Streamings de mídia Streaming, largura de banda e armazenamento Protocolos Streaming e Formas de transmissão CODECS CoDecs de som CoDecs de vídeo AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO SISTEMA Medidas e Análise de Desempenhos Soluções para as Medidas Métrica de Desempenho Formas utilizadas para medição de desempenho RESULTADOS FINAIS Testes Realizados e Resultados Obtidos no Servidor Equações Normalizadas do Servidor Fórmulas de processamento Fórmula de Ocupação de Memória RAM CONSIDERAÇÕES FINAIS Dificuldades Conclusões REFERÊNCIAS ANEXO A: DESEMPENHO DO CLIENTE ANEXO B : ARTIGO APRESENTADO ERR... 90

13 13 1. INTRODUÇÃO Atualmente está se tornando comum o fato de ouvir estações de rádio e ver TV via Internet. Esta facilidade é proporcionada pelo contínuo aumento na largura de banda na Internet disponível para a população. Pessoas que possuam as ferramentas corretas podem servir e/ou usufruir desses serviços. Este trabalho é motivado pelo interesse em saber quantificar quais são as necessidades em termos de hardware e software para que usuários residenciais possam prover tais serviços. Os computadores pessoais (PCs-Desktop) modernos têm evoluído rapidamente, com maiores capacidades de memória, barramentos internos de alto desempenho e processadores com múltiplos núcleos. Essa evolução dá aos usuários finais a capacidade de prover e usufruir de serviços antes só implementados por empresas com computadores servidores dedicados. O computador residencial antes utilizado para ler e- mails e escrever textos, ganha novas funcionalidades com o aumento contínuo da tecnologia, proporcionando uma divulgação através de redes e até da Internet. Em alguns locais do mundo existe acesso à Internet com velocidades de banda acima do que é a realidade brasileira; no Japão se tem acesso a taxas de 80 a 100 Mbps (Mega bits por segundo), atendendo a usuários residenciais, na Europa pode-se ter até 80 Mbps dependendo do país; tudo isso a preços acessíveis à população. As tecnologias que utilizam grande largura de banda, como as transmissões de video-streaming começam a se destacar no Brasil devido à perspectiva de crescimento deste tipo de serviço (Figura 1). Streaming é uma forma de transmissão de som e imagem através de uma rede de computadores sem a necessidade de possuir o arquivo armazenado em disco, desta forma as informações são exibidas conforme a transmissão é recebida. Streaming deriva da palavra stream que significa fluxo, isso acontece porque as transmissões são feitas através de pacotes que são montados e enviados em seqüência cronológica no servidor e remontados no cliente.

14 14 Figura 1: Comparativo de uso de banda por aplicação. A memória temporária que armazena os pacotes enviados pelo servidor, é chamada de buffer, nome dado a um local de disco específico, definido por cada programa e com tamanhos diversos dependendo de sua aplicação (para armazenamento de pequenos conteúdos de troca constante de dados). Como as transmissões e a bufferização (nome dado ao processo de armazenagem de dados em buffer), de um servidor web TV são muito semelhantes, o processo de implementação de ambos é o mesmo. Os dois servidores utilizam os mesmos tipos de protocolos de transmissão e os mesmos meios de comunicação, baseada em pacotes UDP e TCP. Para transmissões multimídia streaming obterem sucesso, é preciso que tanto o som como a imagem passem por um processo de compressão. Do contrário o conteúdo a ser transmitido seria tão grande que nem redes de alto desempenho conseguiriam suprir tamanha necessidade de largura de banda. A compressão de som, onde a mais conhecida atualmente é o MP3(MPEG-1/2 Áudio Layer 3), usa uma técnica que aproveita a baixa percepção do ouvido humano para reduzir o tamanho do arquivo. Nas transmissões de vídeo são usadas técnicas de compressão mais complexas, com a utilização em conjunto, de métodos para comprimir som e imagem. Todo vídeo é formado por um conjunto de imagens estáticas, que ao serem exibidas seqüencialmente a uma determinada velocidade, formam o movimento visto nos filmes. Esta velocidade é quantificada em referência ao número de imagens que passam por segundo, denominada quadros por segundo ou frames por segundo. Essa velocidade é importante, por que através dela o olho humano não consegue perceber a troca entre as

15 15 imagens. A taxa de quadros por segundo é responsável por definir padrões de qualidade e compressão de vídeos. Quando um vídeo é exibido em uma televisão analógica, se tem uma média de 50 frames por segundo, tendo olho humano uma sensibilidade significativamente menor, com 25 quadros por segundo, a transição entre os quadros fica imperceptível, provando assim a possibilidade de compressão sem uma perda significativa de qualidade. Para que vídeos comprimidos possam ser exibidos de maneira apropriada, foram criados softwares para esta função, esses programas são chamados de CoDec. CoDec é uma sigla para Codificador e Decodificador. Um CoDec é feito para comprimir e descomprimir arquivos de som e imagem, sendo popularizado através da compressão DVIX, XDIVX. Estes formatos de compressão são muito populares em arquivos de vídeo. Essencialmente existem dois tipos de CoDecs, os com perda e os sem perda. CoDec com perda se baseiam em compressões de som e imagem, que se utiliza de técnicas avançadas para reduzir a qualidade do arquivo, atingindo melhores taxas de compressão. Os CoDecs sem perda tentam manter o arquivo com a mesma qualidade do original. Um importante ponto a ser observado, é que com a compressão de imagem e som, o computador responsável pelo envio da imagem (o servidor) deve possuir um poder de processamento maior. Por conta da compressão na hora do armazenamento, o servidor será responsável por descomprimir e enviar o arquivo ao mesmo tempo. Isso exige um maior esforço do que seriam necessário em arquivos obtidos de dispositivos externos tais como: câmeras, webcams, cd players e etc. Esse trabalho se baseia em resultados de benchmark (o processo de comparação do desempenho entre dois ou mais sistemas) obtidos através das transmissões streaming, de servidores baseados em tecnologia desktop. Esses resultados servirão como forma de verificar os momentos em que o servidor necessitará de mais desempenho para o atendimento, de um maior número de clientes conectados a ele. Estas verificações formarão parâmetros para que seja possível obter um rendimento mais robusto e otimizado, dimensionando uma previsão para futuras atualizações em cada situação requerida. O conteúdo do trabalho envolve áreas de difusão de streaming de vídeo na Web e análise de desempenho de hardware. Motivado pelo interesse em saber quantificar quais são as necessidades em termos de hardware e software para prover tais serviços. Tendo como objetivo mais amplo a análise do comportamento de um servidor de Web

16 16 TV sob diversas circunstâncias. Essa análise será realizada em vários sistemas operacionais, procurando evidenciar o desempenho em cada situação. A análise será utilizada para fazer inferências ou previsões sobre necessidades para melhorar, o desempenho destes servidores. Os objetivos específicos deste trabalho abordam: Utilização de conjunto de softwares a serem aplicados juntos para um melhor desempenho. Obtenção de resultados do desempenho com os sistemas operacionais mais utilizados. Demonstrativo de diferenças possíveis entre arquiteturas de hardwares. Análise de upgrade por demanda e suas influências. Monitoração com conjunto de ferramentas dos componentes do servidor e do cliente. Formação de função matemática com o propósito de mostrar a curva de evolução. A solução proposta para a monografia é o desenvolvimento de diversos testes com ênfase na avaliação de desempenho e na difusão das transmissões dos servidores de Web TV. Estes testes servirão como forma de verificar os momentos em que o servidor necessitará de mais desempenho para o atendimento de maior número de clientes conectados a ele. Este trabalho formará parâmetros para que seja possível obter um rendimento mais robusto e otimizado em cada situação requerida. Clientes e periféricos ligados ao(s) servidor(es) serão observados em testes, onde variações na qualidade ajudarão a estabelecer um hardware adequado para cada tipo de transmissão. Os clientes serão avaliados com sistemas operacionais diversificados; e programas de recepção de som e imagem, disponíveis para cada versão de sistema testado, procurando atender ao maior número possível de usuários. Já os periféricos deverão ser usualmente similares e de marcas diferentes, de acordo com o disponível, posicionados (colocados) de forma que seja possível verificar alterações no desempenho dos mesmos, durante os testes realizados. Todos os resultados apresentados ao final conterão demonstrativos numéricos e gráficos através do software de medição.

17 17 O(s) software(s) que será(ão) utilizado(s) tentam apresentar uma interface clara, com gráficos e números para facilitar a análise e composição dos resultados. Baseado em sistemas abertos, Linux e Windows, programas como o CACTI (Baseado em Linux) e o Bandwidth Monitor (Baseado no Windows), estabelecem comunicação com diversos sistemas operacionais e muitos utilitários. Durante o trabalho será abordado: No capítulo 1 INTRODUÇÃO, é mostrada de maneira simples e organizada, do que se trata o trabalho e como será conduzido cada capítulo. No capítulo 2 REFERENCIAL TEÓRICO, informações sobre o que é como são feitas e pontos que influenciam as transmissões streaming. No capítulo 3 CODECS, uma breve explicação de como manipular áudio e vídeo com o uso de Codificadores e Decodificadores e quais as suas influências. No capítulo 4 AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO SISTEMA, formas plausíveis para medir componentes de hardware e como aplicálas. No capítulo 5 RESULTADOS FINAIS, tudo que foi estudado é apresentado de forma simples, já contendo todos os testes e resultados que este trabalho tem por objetivo. No capítulo 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS, são apresentadas as conclusões obtidas pelo autor, assim como dificuldades apresentadas durante o trabalho. No capítulo 7 REFERÊNCIAS, todos os autores que influenciaram no trabalho, onde muitos se apresentam com citações durante o texto.

18 18 2. REFERENCIAL TEÓRICO Neste capítulo, serão tratados como surgiu e qual o futuro do streaming de áudio e vídeo, o porquê da necessidade e o que é preciso para ampliar este serviço no Brasil. Serão abordados também temas como: formas de armazenamento e suas influencias, a influência do tamanho do arquivo nas transmissões, largura de banda de rede, protocolos e formas de transmissões através de redes de computadores Streamings de mídia Atualmente, as redes de computadores vêm crescendo de forma considerável, empresas e residências estão se integrando cada vez mais nesta área para conduzir negócios e entretenimentos, de forma mais ágil e lucrativa. Muito desse crescimento pode ser creditado a Internet, o ponto em comum de todas as redes mundiais, sejam empresariais ou residenciais. No início da Internet era possível apenas visualizar sites estáticos com textos. Conforme o tempo foi passando, foram adicionadas figuras, sons e interação com o usuário de forma escrita. Nesta época as conexões com a Internet, eram feitas através de modems ligados à rede telefônica. Estes modems estabeleciam uma conexão com provedores, que atingiam velocidades algo em torno de 56000bps (bits por segundo). Mesmo com baixas velocidades foi analisado por empresas da área que o número de downloads de músicas através da Internet era crescente. Em 1995, a Progessive Networks começou a se popularizar com o software Real Audio que continha um decodificador, um servidor e um reprodutor de áudio (Kurose e Ross, 2003).

19 19 Em suas características iniciais os sons transmitidos eram mono e não possuíam uma qualidade muito fiel ao arquivo original, porém, mesmo com esses contratempos, a tecnologia foi prontamente aceita devido ao fato de dispensar os longos downloads que os internautas tinham que enfrentar na época devido a situação tecnológica dos arquivos de som/vídeo e da própria Internet. (Avila, 2008, p. 10). Com a necessidade crescente no aprimoramento da qualidade do som nas transmissões streaming, os softwares foram evoluindo e surgiram novas opções como o Real player, Windows Media player, Winamp e outros. Com esses novos players disponíveis a qualidade do áudio transmitida foi elevada chegando a ficar tão boa como as transmissões atuais de rádio. O sucesso das transmissões de áudio era grande, mas ainda havia um empecilho, quanto melhor a qualidade, maior era a quantidade de banda de rede necessária. Essa velocidade para ambientes locais não influenciava em nada, contudo quando se tratava da Internet, as velocidades de 56000bps não eram o suficiente. Quando essas velocidades começaram a aumentar, com a chegada da banda larga, as conexões com a rede mundial atingiam 128kbps. Assim foi possível atingir qualidades nas transmissões, antes só vistas em CDs. Foi nesse momento que a Progressive Networks, deu um passo importante ao transmitir um espetáculo ao vivo através de uma rede, com o concerto que se chamou In Concert reunindo cantores famosos da época (Avila, 2008). Em 1996 foi a vez do Brasil: com o software Bamba da IBM, foi transmitida a música Pela Internet de Gilberto Gil (Kurose e Ross, 2003). Uma vez que o som já transitava bem, o próximo passo desta evolução seria o vídeo. Em 1997, a Real Networks, ampliou sua linha de produtos para incluir vídeo. Esses produtos atualmente incorporam os protocolos RTP e RSTP (Kurose e Ross, 2003). No mesmo ano foi feita a primeira transmissão de vídeo streaming ao vivo, em um jogo de futebol americano, entre Cleveland Indians e Seattle Mariners. Com vídeos sendo transmitidos online com sucesso, empresas como Microsoft e Real Networks fizeram parcerias para desenvolver e aperfeiçoar essas tecnologias. Hoje importantes empresas como a Google, têm especialistas afirmando que em um futuro próximo, não será mais necessário DVDs, CDs ou qualquer outro meio de armazenamento local, pois tudo estará acessível a velocidades rápidas na rede mundial de computadores (a Internet).

20 20 Existem controvérsias quanto às formas de transmissão de streaming; muitos profissionais e autores como Avila (2008) e outros, defendem que existem apenas duas formas: Sob demanda; Em tempo real. três formas: Outros, como Forouzan (2006), Kurose e Ross (2003), defendem a existência de Sob demanda; Tempo real; Interativo. Streaming sob demanda ocorre quando o arquivo fica armazenado em um servidor, onde pode ser acessado diversas vezes. Ao acessá-lo o usuário faz uma ação que é muito próxima a um download, mas salvando em uma memória temporária (o Buffer), que terá o conteúdo descartado após sua visualização. Exemplos dessa forma de distribuição são os websites Youtube e Globo.com. Em tempo real, como o próprio nome diz, consiste na recepção e exibição do fluxo de dados o streaming ao mesmo tempo em que este é enviado. O computador armazena um pequeno trecho de vídeo em sua memória temporária, o suficiente apenas para garantir a sincronização das imagens e sons. Deste modo, recursos como rever cenas, parar temporariamente o vídeo ( pause ) ou retroceder não são possíveis. Diversas rádios na Internet já transmitem sua programação desta forma, como por exemplo, a Rádio Globo, POP Rock e Jovem Pan. Baseado no mesmo processo de vídeo em tempo real a transmissão interativa, diferencia-se por trabalhar com dois canais, um de envio e outro de recepção, assim o usuário recebe a imagem de outro usuário, e envia de volta sua imagem ao outro usuário. Exemplos comuns desta tecnologia são as videoconferências e a nova tecnologia móvel 3G de vídeo chamada, oferecida pelas empresas de telefonia celular. Toda essa revolução pôde ser realizada por conta de aumentos constantes e significativos nas velocidades de acesso a Internet. Hoje no Brasil é possível atingir

21 21 taxas que vão até 20Mbps. Temos total condição de colocar em prática projetos de streaming vídeo com significativo nível de qualidade. A prova dessas alternativas é a popularidade que os vídeos sob demanda têm atingido em sites como Globo.com, Youtube.com entre outros. Essa velocidade vem mostrar que quaisquer usuários, também podem prestar tais serviços de modo a transmitir eventos familiares, festas, aulas, propagandas e qualquer outra informação que queiram compartilhar com outras pessoas na rede Streaming, largura de banda e armazenamento Antes de usuários pensarem em ter os próprios servidores de Web TV (Streaming), é necessário pensar em algumas questões referentes à largura de banda, tanto para upload (envio de arquivos) como para download (recebimento de arquivos) e armazenamento dos arquivos em disco. Para esses fatores serem analisados com clareza, também temos que mostrar a relevância de encoders e decoders. Quando um sinal sonoro chega em um microfone é gerado um sinal elétrico que representa a amplitude do som como uma função de tempo. Este sinal é denominado sinal de áudio analógico. De acordo com o teorema de Nyquist, se a freqüência mais alta de um sinal composto é ƒ, precisamos amostrá-lo a 2 vezes ƒ por segundo. Existem outros métodos para a digitalização de um sinal de áudio, mas o princípio básico é o mesmo (Forouzan, p. 666) Uma música usa em média amostras por segundo, utilizando 16-bits. Isso resulta em um sinal digital de 705,6Kbps (mono) ou 1.411Mbps (estéreo) (Forouzan, 2006). Isso acontece sem nenhum tipo de compactação, assim cada música normal de 3 minutos em média poderia chegar a atingir 50MB, o que tornaria excessivamente complexo o envio desse arquivo através da Internet. Já os vídeos têm maior número de variáveis, que influenciam o tamanho, tais como frames, cores, resolução e outros. Um sinal de vídeo consiste de uma seqüência de quadros. Se os quadros são mostrados na tela a uma velocidade satisfatória e na ordem cronológica dos eventos teremos a sensação de movimento. A razão fundamental é que nossos olhos não têm percepção sensorial suficiente para distinguir quadros individuais quando a velocidade de transição de quadros é suficientemente alta. (Forouzan, p. 666)

22 22 Não existe taxa de quadros por segundo definida por padrão, cada profissional se baseia no que acha mais conveniente. As emissoras de TV, nos EUA, inicialmente definiram um padrão de 50 quadros por segundo, nas transmissões analógicas, sendo seguido pela maioria. Todas as imagens são divididas em pixels, onde cada pixel apresenta o número de bits que representarão a variação de cores do padrão RGB (Red- Green-Blue). Cada cor do padrão RGB possui 8 bits sendo cada pixel colorido representado por 24 bits. Através desses parâmetros podemos determinar a quantidade de bits por segundo para cada resolução específica em um monitor ou televisão. Pegando por exemplo a resolução de uma TV analógica antiga, de 400x400 pixels, e a taxa padrão de vídeos comprimidos nos EUA de 25 frames, para a transmissão de um quadro colorido nessa resolução resultariam em (Figura 2): Figura 2: Cálculo de banda exigida pela transmissão sem compressão A Resolução da TV analógica é de 400 x 400 pixels, enquanto na digital começam em 704 x 480 pixels, conhecida por SDTV (Standart Digital Television) e chega até 1920 x 1080 pixels, o nosso já conhecido e comentado HDTV, quase dez vezes mais que a TV analógica. (Ayres, 2006) Figura 3: Gráfico demonstrativo da influência da largura de banda na eficiência. Esses números eram inconcebíveis para transmissões na Internet, por consumir uma largura de banda alta demais (Figura 3). Além da largura de banda, os arquivos ficavam com tamanhos excessivos exigindo um espaço muito grande para

23 23 armazenamento. Tendo esses problemas em vista, pesquisadores se concentram em descobrir meios de fazer a compressão desses vídeos. Os conhecidos CoDec começaram a ter um papel de destaque. CoDec é o acrônimo de Codificador/Decodificador, dispositivo de hardware ou software que codifica/decodifica sinais. Software que comprime (codifica) um arquivo de som ou imagem na sua forma original (não comprimida) para uma forma comprimida, com a finalidade de tornar o arquivo menor. Basicamente, existem dois tipos de CoDec: os sem perdas e os com perdas. Os CoDec sem perdas codificam o arquivo original para outro formato sem haver perda de qualidade do som ou imagem, ou seja, se o arquivo for descodificado, o arquivo final será igual ao arquivo original. Já nos CoDec com perdas, a codificação gera alguma perda de qualidade para tornar a compressão mais eficiente diminuindo o tamanho final, isso é visto através da taxa de bitrate (Wikipédia, 2008). A taxa de bits (ou bitrate em inglês), é uma das medidas da qualidade mais comuns em um arquivo comprimido. A taxa de bits representa o tamanho final desejado para o arquivo e, normalmente, é apresentada como Kbit/s. 1 Kbit/s significa que um arquivo de som que tenha 8 segundos e seja comprimido a uma taxa de 1 Kbit/s, o arquivo final terá 8 Kbits ou 1 Kbyte. Então, quanto maior forem as taxas de bits, melhor será a qualidade do arquivo final, já que o CoDec terá mais espaço para poder comprimir o arquivo original, necessitando descartar menos informações do arquivo(wikipédia, 2008). Com a popularidade da compressão através dos CoDec, aumentou em muito os downloads de vídeos através da Internet, uma vez que eles não ocupavam mais tanto espaço em disco e levavam menos tempo para chegar ao usuário. As técnicas de manipulação da qualidade, tamanho, resolução e taxas de frames, os CoDec abrem novas possibilidades para transmissão desses vídeos tanto sob demanda como em tempo real. Vários CoDec diferentes se sobressaíram nos dias de hoje, tendo como os mais famosos: CoDec de áudio - Ogg Vorbis, MP3, AC3 e WMA- CoDec de vídeo -Xvid, DivX, RMVB, WMV- cada um com seu próprio algoritmo de compressão de perda (os que possuem algoritmos sem perda não se sobressaem por possuírem maior tamanho). O poder de processamento para viabilizar aos usuários comprimirem (encode) e assistirem (decode) a filmes, aumenta consideravelmente, quanto mais eficaz é o

24 24 algoritmo de compressão, menos perda na qualidade e melhor desempenho do hardware serão exigidos para a manipulação desses arquivos. Os softwares responsáveis pela descompressão e visualização, atualmente, são os players. Existem muitos players para diversos sistemas operacionais, dentre eles no Windows se destacam o Real Player e o Windows Média Player, já no Linux, se destacam o Kaffeine, Amorok dentre outros que também estão disponíveis para ambiente para Windows. As funções principais desses players são: Descompressão: a maioria dos arquivos de áudio e vídeo que transitam pela Internet é comprimida para economizar espaço em disco e largura de banda de rede. Os players são responsáveis por descomprimir esses arquivos conforme eles são recebidos. Remoção de variação de atraso: Nesse ponto o player é responsável por gerenciar um buffer, local onde os pacotes serão armazenados e organizados de forma que se algum chegar atrasado seja possível colocálo em ordem sem que o usuário perceba. Correção de Erros: Ao transitar pela Internet, os pacotes têm possibilidade de não alcançar o destino, com essas perdas os players fazem uma espécie de eco, tentando requisitar novamente os pacotes perdidos. Nem sempre é possível recuperar esses pacotes, neste momento é que ocorre o que se costuma chamar de trancadas, há um pulo de quadros e o fluxo prossegue. Interface Gráfica: Os players são responsáveis por dar ao usuário o conforto de controles visualmente semelhantes aos encontrados em DVD players, CD players e outros. O desempenho do hardware tem forte influência na transmissão final do streaming. Caso o hardware não seja capaz de decodificar ou codificar corretamente no momento do envio, podem ocorrer falhas, como: falta de quadros, atraso na transmissão, falta de sincronismo entre áudio e vídeo e outras. Um computador durante a transmissão de um vídeo é responsável pelo tratamento do CoDec de áudio e pelo CoDec de vídeo, tendo o trabalho de decodificar cada um de maneira diferente e depois sincronizá-los

25 25 corretamente. Durante o envio, o som e o vídeo já decodificados, são novamente comprimidos e segmentados através de diversos protocolos de rede Protocolos Streaming e Formas de transmissão A comunicação das redes depende do cumprimento de algumas condições básicas. Primeiramente, os dispositivos de envio e de recepção devem ter a pilha de protocolos TCP/IP corretamente configurada. Isso inclui a instalação do protocolo TCP/IP e a configuração correta do endereço IP e da máscara de sub-rede. Um default gateway (computador ou dispositivo responsável pela comunicação de uma rede com as outras) também deve ser configurado, caso os datagramas trafegarem fora da rede local, como no caso de transmissões através da Internet. (Cisco Netacad, 2008) Os dispositivos intermediários devem ser instalados de forma a rotear os datagramas do dispositivo de origem até a rede destino. Os roteadores, normalmente cumprem essa função. O roteador também deve ter o protocolo TCP/IP corretamente configurado em suas interfaces e usar um protocolo de roteamento adequado. Se essas condições não forem cumpridas, a comunicação de pacotes de rede não poderá ocorrer. (Cisco Netacad, 2008) Figura 4: Comparação do modelo OSI com modelo TCP / IP. Todos os pacotes enviados seguem padrões específicos, denominados protocolos. Os protocolos podem se diferenciar de acordo com a camada do modelo OSI

26 26 no qual estão. Existem dois modelos principais seguidos por protocolos de rede, esses são o OSI e o TCP/IP (Figura 4), os dois são muito similares apenas diferenciados pelo OSI, que propõe sete camadas enquanto o TCP/IP apenas quatro. As camadas do OSI são: Aplicação, Apresentação, Sessão, Transporte, Rede, Enlace de dados e Física, já no TCP/IP as camadas apresentadas são: Aplicação, Transporte, Internet, Interface. Todas essas camadas apresentadas são enumeradas de trás para frente, montando todos os passos para uma padronização da comunicação entre redes de computadores por todo o mundo. Na camada de aplicação, camada sete no modelo OSI e camada quatro no TCP/IP, temos os protocolos RTSP, RTP (Figura 5), RTCP, RSVP, MMS. Na camada de transporte temos os protocolos TCP, UDP e SCTP. Cada tipo de protocolo tem suas diretivas próprias, mesmo assim muitos aplicativos conseguem trabalhar com mais de um tipo de protocolo, principalmente se tratando de transmissões streaming web TV. Figura 5: Exemplo de Pacote RTP. As transmissões de web TV podem ser feitas de diversas formas, diferentes combinações de protocolos e formas de propagação que podem ser usadas. Atualmente a maneira como ocorre a difusão do streaming, pode variar entre Unicast, Multicast, Broadcast. Cada distribuição citada deve possuir protocolos que as suportem. Assim, existem muitos protocolos que aceitam uma ou várias formas de distribuição. Dentre eles se encaixam: RTSP, RTP, RTCP, RSVP, MMS. A maioria desses protocolos foi pesquisada e desenvolvida por empresas, como a Real Networks, com o propósito de explorar o conceito de vídeo sobre IP.

27 27 O documento RFC 1633, do grupo de pesquisas da IETF (Internet Engineering Task Force), foi criado para fornecer metodologias para serviços de tempo real. Este documento propõe modelos de gerenciamento e configuração de aplicações multimídia, dentre outras questões a arquitetura multimídia IETF reporta os protocolos SIP, SAP, SDP, RTP, RTCP, RTSP, RSVP. Descritos abaixo: (IETF, 2008) SIP (Session Initiation Protocol): Especificado no RFC 3261, o protocolo de inicialização de sessão, é um protocolo que está ligado à camada de aplicação, usa métodos muito similares aos dos encontrados em protocolos como o HTTP. Como o HTTP, o SIP leva os controles da aplicação para o terminal. Este protocolo é encontrado em larga escala na Telefonia IP (VOIP). (IETF, 2008) SAP (Session Announcement Protocol): Especificado no RFC 2974, o protocolo permite anunciar sessões multimídia em multicast. O anúncio contém uma descrição da sessão e pode conter um cabeçalho de autenticação. (IETF, 2008) SDP (Session Description Protocol): Especificado no RFC 4566, o Protocolo de Descrição de Sessão é destinados a descrever sessões para fins de anúncio, convite, e de outras formas de início de sessão multimídia. (IETF, 2008) RTP (Real-time Transport Protocol): Especificado nos RFCs 3550, 3551, 2032 e 3711, o protocolo de transporte em tempo real dá ao longo de toda a rede a condução de funções adequadas para aplicações em tempo real, como áudio e vídeo, tirando proveito do uso de multicast ou unicast como difusão na rede. ( IETF, 2008) RTCP (RTP Control Protocol): Especificado no RFC 3550, o protocolo de Controle de Transporte em Tempo Real é o responsável pelo QoS do protocolo RTP, assim ele é inteiramente ligado ao RTP apenas complementando funções como a de número de pacotes perdidos, jitter, delay, sincronização entre meios (áudio e vídeo), entre outras funções. (IETF, 2008) RTSP (Real Time Streaming Protocol): Especificado no RFC 2326, o protocolo de Streaming em tempo real é responsável por transferir

28 28 arquivos sob demanda, e dados em tempo real como áudio e vídeo. Ele estabelece e controla um único ou vários streams sincronizados de mídias contínuas pertencentes a uma apresentação. (IETF, 2008) RSVP (Resource ReSerVation Protocol): Especificado no RFC 2205 e 2961, o protocolo de reserva de recurso, é um protocolo unicast e multicast, destinado a gerar e manter reservas para informação em cada nó de roteador ao longo do trajeto de um fluxo de dados. (IETF, 2008) Com base nas funções desses protocolos é possível manipular, de diversas formas, uma transmissão Streaming. Após entender o uso de cada protocolo, falta estabelecer qual meio de difusão será utilizado para a transmissão. Como citado anteriormente, existem os seguintes meios de comunicação: Unicast, Multcast, Broadcast (Figura 6). Essas formas devem ser escolhidas de acordo com a aplicação da transmissão e a disponibilidade do recurso. Assim como o software a ser utilizado, deverá ter suporte para a forma de propagação, caso contrário, não funcionará. Figura 6: Métodos de comunicação em redes.

29 29 (Figura 7): As formas de propagação nos roteadores definem-se das seguintes maneiras Figura 7: Diagramas de encaminhamento. A transmissão por Unicast (Figura 8) faz uma conexão única, entre um host de origem e um de destino, isto é um para um. Em Unicast o receptor faz a requisição ao servidor que envia o arquivo pedido, fechando assim a comunicação entre os dois até o término do envio ou a interrupção por uma das partes. Figura 8: Exemplo de comunicação Unicast. A transmissão por Broadcast acontece quando o servidor envia um pacote a todos na rede, requisitantes ou não, receberão da mesma forma os pacotes enviados. Este tipo de distribuição, normalmente é usado por serviços como DHCP, que é distribuído a qualquer máquina ao ser ligada a rede.

30 30 Figura 9: Exemplo de comunicação em Multicast. A transmissão por Multicast (Figura 9) baseia-se, também, em uma origem e diversos destinos, assim como no broadcast. Diferenciando-se do broadcast, por enviar os pacotes requisitados apenas para um determinado destino, que vai ser acessado por um grupo de assinantes (computadores autorizados que requisitam dados de um determinado IP). Neste tipo de comunicação, a origem possui um endereço Unicast, mas os endereços de destino são Multicast. Além dessas formas básicas de comunicação, é comum encontrar em transmissões streaming, múltiplas conexões utilizando Unicast, formando, a Unicast Multiponto. Com o Unicast Multiponto, várias conexões são fechadas individualmente. Porém, algumas desvantagens destacam-se com o uso dessa tecnologia, dentre elas: Redundância de dados: os dados enviados a um usuário teriam que ser reenviados a outro por uma segunda conexão causando uma grande quantidade de pacotes repetidos. Forte utilização de Banda: Uma vez que os arquivos são redundantes, para cada cliente requisitante, o arquivo é enviado em paralelo sendo necessário mais um canal de comunicação. Gerência de conexões: Quanto mais clientes estiverem conectados, maior será a exigência do hardware servidor, para o gerenciamento de todas as conexões de forma sincronizada (sem atrasos).

31 31 3. CODECS CoDecs são formas de manipulação de som e imagem que se utilizam de algoritmos para alcançar objetivos como compressão do tamanho, manipulação da qualidade, preparação para meios de transmissão, resolução e outras. Há muitos CoDecs de som e vídeo, contudo esta monografia se deterá apenas aos mais conhecidos CoDecs de som A manipulação de som foi a primeira a se destacar. Para que isso fosse feito era preciso armazená-lo para depois editá-lo. Assim empresas começaram as pesquisas que resultaram na criação de hardwares específicos para edição. Com a popularidade e os recursos criados pelos computadores, foram feitas pesquisas de como transferir, armazenar e manipular arquivos de áudio em PCs. Foi neste momento que empresas como Microsoft e IBM criaram o formato WAV. Apesar de um arquivo WAV poder conter áudio compactado, o formato mais comum de WAV contém áudio em formato de modulação PCM (pulse-code modulation). O PCM usa um método de armazenamento de áudio não-comprimido (sem perda), profissionais usam o formato WAV para garantir qualidade máxima do arquivo de áudio. O áudio WAV pode ser editado e manipulado com facilidade, com softwares específicos. O WAV, por ser um formato descomprimido, ocupa um espaço grande para ser armazenado. Por isso os arquivos começaram a ser convertidos para formatos comprimidos como mp3 ou Ogg-Vorbis Introdução ao MP3 O MP3 é uma abreviação de MPEG 1 Layer-3. Os layers (camadas) referem-se ao esquema de compressão de áudio do MPEG-1, que no caso foram projetados com 3 camadas com finalidades e capacidades diferentes. O layer-1 dá menos compressão, se

32 32 destina a utilização em ambientes de áudio profissional (estúdios, emissoras de TV, etc.) onde o nível de perda de qualidade deve ser mínimo devido à necessidade de reprocessamento. Já o layer 3 se destina ao áudio que será usado pelo cliente final que não necessita de qualidade tão abrangente. Como no MP3 se espera que esse áudio não sofra novos ciclos de processamento, a compressão pode ser menos conservadora e aproveitar melhor as características acústicas do som limitando-se apenas pela qualidade desejada para o ouvido humano. A compressão típica do layer 1 é de 1:2 enquanto o a do layer-3 é de 1:10. Essa diferença da compressão não tem relação com um layer ser mais avançado que o outro tecnologicamente, mas sim com o objetivo da aplicação do áudio ser processado. É importante lembrar, que esses números de compressão não são fixos e podem vir a sofrer alterações dependendo da qualidade escolhida, e da perda sofrida no arquivo. Um erro corriqueiro é confundir o MP3 com MPEG-3. MPEG-3 é um formato que não foi muito divulgado, pois logo o formato MPEG-4 o suplantou com diversas vantagens. Enquanto o MPEG-3 deveria ter sido um formato para compressão de áudio e vídeo o MP3 apenas pode comprimir o áudio do MPEG-1. Após a expansão da Internet, o MP3 causou grande revolução no mundo do entretenimento. Assim como o LP de vinil, fitas cassete e o CD, o MP3 se fortaleceu como o mais popular meio de distribuição de músicas. A melhor forma de entender todo o sucesso do MP3, baseia-se no fato de que, antes o formato WAV, chegava a gerar um arquivo até dez vezes maior que o mp3. Na média, um minuto de música corresponde a 10 MB para uma gravação de som de 16 bits estéreo com 44,1 khz, qualidade padrão para CD, o que resulta numa maior dificuldade para a distribuição de músicas por computadores, seja em troca de arquivos ou via streaming. Com o MP3 novas opções foram abertas, pois o formato permite armazenar e transmitir músicas por computadores sem ocupar muito espaço, banda de rede e sem uma perda significativa na qualidade sonora dos arquivos. Geralmente, um minuto de música corresponde a cerca de 1 MB em MP3, mostrando como se torna fácil a transmissão do formato. O MP3 (MPEG-1/2 Áudio Layer 3) foi um dos primeiros formatos a comprimir áudio com perda, se popularisou pois com sua eficiência foi possível obter arquivos de forma a não afetar a sonoridade ao ouvido humano.

33 33 No início do MP3, a taxa de bits amplamente utilizada era de 128 Kbits/s ( bits/s = 16 Kbytes/s), já que essa era a menor taxa de bits que o MP3 suportava ao gerar um arquivo de qualidade. Com o avanço nos algoritmos de compressão dos CoDecs, podem-se gerar arquivos com 64 Kbits/s com qualidade semelhante aos primeiros MP3. As taxas de bits podem ser divididas em três categorias principais: CBR (constant bitrate), VBR (variable bitrate), ABR (average bitrate). No CBR, o codec utiliza uma taxa de bits constante em toda a duração do arquivo. Isso significa que em momentos de silêncio (ociosidade) provavelmente haverá desperdício de espaço, enquanto que em momentos de muita intensidade sonora haverá perda maior de informação acústica. Já o VBR utiliza uma taxa variável de bits, dessa forma otimizando a utilização do espaço, ao permitir maior uso deste espaço para os momentos mais necessários e reduzindo a taxa de bits ao mínimo nos momentos de silêncio. O ABR que é um tipo específico de VBR que garante uma taxa de bits média pré-definida ao final do processo de compressão do arquivo. (Wikipédia, 2008). Em setembro de 1998, o Instituto Fraunhofer (detentor da patente do MP3) enviou um comunicado a diversos desenvolvedores de programas MP3, exigindo cobrança de royalties por essa patente. O comunicado informava que o licenciamento era necessário para "distribuir e/ou vender decodificadores e/ou codificadores", e que os produtos não licenciados infringiam os "direitos sobre a patente do Instituto Fraunhofer e da Thomson. Para produzir, vender e/ou distribuir produtos que se utilizem do padrão MPEG-1/2 Áudio Layer 3 e, portanto, de suas respectivas patentes, é necessário obter uma licença." Tal iniciativa revelou a necessidade de promover formatos realmente livres, como o padrão Ogg-Vorbis. (Coelho, 2002) No MP3 basicamente, são usadas técnicas de manipulação das freqüências do som, isto é, ao ouvirmos uma música sons de freqüências mais altas se sobrepõem a sons de freqüências mais baixas, deixando nossos ouvidos incapazes de ouvir aquele som de freqüência inferior durante alguns instantes. Nestes momentos é que a técnica de compressão MP3 mais age, ao remover esses sons de freqüência baixa reduzindo o tamanho do arquivo e deixando a música com basicamente a mesma sonoridade. Assim como existe o MP3 existem outros meios de compressão, tais como: MP2, OGG Vorbis, ACC, Dolby AC-3, DTS entre outros.

34 CoDecs de vídeo Com o advento das transmissões digitais por computadores, profissionais da área, foram estimulados a aumentar o poder de manipulação visual em vídeo. O sinal de vídeo digital é livre de ruído e é muito robusto, mas infelizmente, ele ocupa em demasia o espaço requerido, para transmissões via Internet. Felizmente, na maior parte das imagens televisivas há uma grande quantidade de detalhes repetitivos nas imagens em backgrounds (plano de fundo) como: planície, céu azul e outras. Esses detalhes são mantidos de modo a não se repetirem durante a transação entre quadros. São comuns e sucessivos os quadros onde esses detalhes se repetem o que pode, pura e simplesmente, nos levar ao erro de achar que a imagem está se repetindo. Esse processo é chamado de compressão digital de vídeo. (Strachan, 1996) Cada imagem inclui um número finito de minúsculos pixels. Nos aparelhos de TV convencionais a representação 4:2: 2 NTSC e PAL contém 720 pixels ao longo da parte ativa da cada linha horizontal. Em NTSC são 486 linhas ativas por frame (576 linhas ativas em PAL) e 30 quadros por segundo (25 quadros em PAL). Cada pixel é composta de 8 bits para luminância e 4 bits para duas diferentes cores nos sinais (R-Y, B-Y, também conhecido como Cr e Cb), num total de 16 bits. Com isso, é vista a taxa de bits para a parte ativa do vídeo sem compressão apresentadas na Tabela 1: Taxa de Bits em arquivos de vídeo (Stracham) Taxa de Bits para a parte do vídeo ativa NTSC 720 x 486 x x Mbits/seg PAL 720 x 576 x 25 x Mbits/seg Fica mais simples abordar a diferença na qualidade da imagem e o impacto dos diferentes tipos de resolução nos televisores quando comparamos suas estruturas como mostrado na (Figura 10: Comparação entre resoluções. (Wikipédia))

35 35 Figura 10: Comparação entre resoluções. (Wikipédia) Compressão de imagens é o processo de redução do número de bits requeridos para uma imagem ou seqüência de imagens, garantindo um nível de fidelidade em relação às imagens originais. Estas técnicas sofreram considerável avanço na última década, motivadas pela redução de custos que se pode obter na economia dos meios de transmissão e diminuição dos requisitos de armazenamento. Os CoDecs são encarregados de duas categorias de compressão. A compressão sem perdas, ou compactação, na qual o sinal reconstruído é exatamente igual ao sinal original, e a compressão com perdas (mais popular na Internet). É quando o sinal reconstruído pode ser diferente do sinal original, mantidas, porém, certo nível de fidelidade objetiva ou subjetiva. (Rangel,2002) Figura 11 Estrutura básica de um codificador de vídeo. (Rangel, 2002) Alguns aspectos da compressão de vídeo podem implicar perda de qualidade esses devem ser levados em consideração. O vídeo comprimido é fortemente susceptível a erros de canal, causando o aumento dos requisitos por códigos corretores de erros,

36 36 algoritmos de compressão mais robustos e técnicas de cancelamento eficientes. A compressão dificulta a concatenação correta de streams de vídeo de diversas fontes em tempo real, como por exemplo, a inserção de propagandas. A codificação e o empacotamento do vídeo para a transmissão implicam um atraso que pode ser crítico dependendo da aplicação. Além disso, em aplicações em que há cascateamento de diversas etapas de compressão é preciso cuidar para que todos os estágios sejam comprimidos com alta qualidade, como forma de garantir que não haja excessiva degradação de qualidade para o usuário final. (Rangel, 2002) Figura 12: : Estrutura do decodificador de vídeo.( Rangel, 2002) Os elementos chave de um sistema de compressão são os codificadores (Figura 11), que realizam a compressão, transformando a informação visual original em uma seqüência de dados codificados ("bitstream ) e os decodificadores (Figura 12), responsáveis pela reconstrução do material visual a partir do bitstream. Em geral, os sistemas de compressão são assimétricos, de tal forma que a complexidade do codificador é maior do que a do decodificador, sendo a qualidade da imagem definida pelo codificador. (Rangel Arthur,2002) Introdução ao MPEG2 A única finalidade do MPEG-2 é reduzir as taxas de bits para uma mais aceitável, e seu sucesso é apresentado em várias áreas principalmente no cinema. Muito do crédito deve ser atribuído a equipe de desenvolvimento do MPEG, e à equipe internacional de normalização do MPEG-2. O vídeo comprimido atinge taxas de transmissão de dados através de computadores, inferiores a 4 Mbps, através da televisão convencional entre 10 e 15 Mbps e com a televisão de alta definição em funcionamento até 80 Mbps. Estes são os diferentes níveis conhecidos que a arquitetura do MPEG-2 suporta. (Strachan, 1996)

37 37 A publicação ISO / IEC no documento 13818, que vem a cobrir compressão de áudio e vídeo (incluindo o MPEG-2), e a estrutura necessária de multiplexagem, para combinar vídeo, áudio, e temporização (timing) de dados para reprodução de sucesso de vídeo e áudio sincronizado. Todos os níveis de qualidade, freqüência, banda e de resolução são apresentados na Figura 13, de maneira a simplificar a comparação e a escolha da melhor forma de codificação, de acordo com a aplicação, através do MPEG-2. Figura 13: Níveis e taxas de bitrate suportados pelo MPEG-2 (Strachan, 1996) MPEG-2 também prevê a flexibilidade do tipo de compressão usado para cada nível. Os Codificadores (Figura 15) podem variar consideravelmente, dependendo da aplicação, de forma que, detalhes do esquema de codificação devem ser transmitidos juntamente com os dados, para permitir que o descodificador possa reconstruir o sinal devidamente. Esta forma é utilizada para que codificadores manipulem as várias taxas de Bitrate usando perfis diferentes, ao mesmo tempo em que o custo para manter os

38 38 decodificadores (Figura 14) é mínimo para cada aplicação desejada. (SMPTE Journal- David Strachan, 1996) Figura 14: Estrutura básica do decodificador MPEG-2 (obtida na dissertação de Rangel) Uma das características mais engenhosas do MPEG-2 é a sua capacidade de transmitir sinais de vídeo com boa qualidade. Um importante ponto do decoder MPEG- 2 é que ele pode reconstruir uma imagem útil, utilizando apenas uma parte do arquivo codificado a partir do bitstream. Assim, garantindo uma mínima confiabilidade, caso seja perdido parte do arquivo, o restante dos dados são reservados para informações referentes à qualidade. (Strachan, 1996) Figura 15: Estrutura básica do codificador MPEG-2 (obtida na dissertação Rangel) Um vídeo codificado consiste de dados bitstreams em série chamados de camadas. A primeira é conhecida como a camada de base, e esta pode ser sempre decodificada independentemente. As outras camadas são chamadas camadas de reforço. Estas séries podem ser utilizadas para extensões espaciais, temporais, e outras. Caso haja apenas uma camada, o vídeo codificado é chamado de bitstream não escalável. Se existem duas ou mais camadas, os dados são considerados uma hierarquia escalável. A escalabilidade tem ainda mais benefícios, na medida em que contribui, ainda mais, para que a transmissão de vídeo fique mais resistente a erros. (Strachan -, 1996)

39 39 O padrão de compressão de imagem especifica funções para dar suporte à rede de pacotes, para com isso operarem em canais com taxa de bits variável e garantir robustez frente a erros de bits e perda de células. O CoDec MPEG-2 tem funções particulares para vídeo entrelaçado e não entrelaçado. No entrelaçado a taxa de bits pode variar durante o vídeo dependendo da requisição da cena, no não entrelaçado a taxa é constante. A codificação de imagens usada no CoDec MPEG-2 faz uso de técnicas de predição bidirecional, onde a imagem predita é a combinação entre a imagem anterior e a imagem posterior. A utilização de imagens com codificação bidirecional diminui o ruído proporcionando ganhos de desempenho significativos em baixas taxas, mas tem as desvantagens do aumento de complexidade, de recursos requeridos e do atraso de codificação e também dos requisitos de buffer. (Rangel, 2002) A função do buffer é acomodar a taxa variável formando a taxa fixa do canal. O tamanho do buffer depende da configuração adotada no MPEG-2. Para controle do buffer são estabelecidas médias de complexidade para cada tipo de imagem a partir de imagens anteriores. No início da codificação da próxima imagem, define-se uma meta em número de bits para codificação da mesma com base na informação de complexidade e no número de bits disponíveis, o objetivo desse processo é manter um padrão de qualidade constante em todo o processo. A estratégia para alocação dos bits consiste em verificar se há diferença significativa entre o número de bits já codificados e a quantidade de bits esperada. (Rangel, 2002) Degradações no MPEG-2 Nas compressões de vídeo são exploradas tanto as propriedades psicovisuais do sistema visual humano, como a redundância dos dados nas imagens, para conseguir redução das taxas. Durante o processo de compressão podem vir a ocorrer alguns tipos de degradações (imperfeições), que venham a comprometer a qualidade do arquivo. Estas imperfeições são, em alguns casos, perceptíveis e incomodam o usuário, embora um dos objetivos dos sistemas de compressão seja minimizar os efeitos. Os sistemas de vídeo digital produzem degradações que são fundamentalmente diferentes das produzidas pelos sistemas analógicos. Estas irregularidades podem acontecer através de filtragem, conversão, transformação, quantização e/ou transmissão.

40 40 Perda de resolução, efeito de bloco, ruído de quantização e erros de bloco são alguns dos indesejados efeitos do processo de compressão. Essas degradações são ocasionadas pelo algoritmo de compressão utilizado, conteúdo da imagem, origem do material-fonte e condições do canal de transmissão, além da obsessão por necessidade de arquivos cada vez menores. Embora o vídeo comprimido tenha geralmente uma qualidade inferior em relação ao original, alguns processos raros podem reduzir o nível de degradação existente no material. Isto significa uma possível melhora para alguns tipos de erros, quando é feita a codificação na imagem. É o caso em que o sinal original já está degradado e pode acontecer, por exemplo, do material comprimido ser de melhor qualidade que o original. Os tipos de degradação são: (Figura 16): Figura 16: Exemplo de degradações na imagem. (retirada da dissertação de Rangel) Blocagem: A degradação conhecida como efeito de bloco ou blocagem é uma deterioração na qual a imagem recebida apresenta padrões retangulares que não estavam presentes na imagem original (como mostrado na Figura 16 (b) em comparação com o original (a)).

41 41 Blurring: A perda de resolução é uma degradação caracterizada pela perda, ou quantização pouco refinada, dos componentes de alta freqüência. Os componentes de alta freqüência têm, usualmente, menos energia e são menos perceptíveis ao olho humano. Esta informação é descartada para que se atinja a taxa desejada (como mostrado na Figura 16. (c) em comparação com o original (a)). Edge Business: A degradação conhecida como edge business é causada, geralmente, pela quantização de um bloco contendo pixels que delimitam áreas planas com diferença significativa entre os níveis médios em cada uma das bordas. O resultado é o aparecimento de uma distorção concentrada nas bordas dos objetos, caracterizada pela variação temporal ou espacial da borda. Ruído: é uma das deteriorações predominantes, na quantização que é o único processo que introduz distorções (como mostrado na Figura 16. (d) em comparação com o original (a)). Jerkiness: é uma degradação no qual o movimento originalmente suave e contínuo é percebido com uma seqüência de cortes bruscos. Blocos Errados: Devido a erros do canal, pode-se ter no vídeo reconstruído a presença de blocos errados. Dependendo da estratégia de predição entre quadros e da compensação de movimento, a transmissão de um bloco errado pode contaminar uma grande porção dentro de um mesmo quadro (espalhamento espacial). Com o passar do tempo novas funcionalidades foram sendo exigidas e o MPEG- 2 começou a ficar antiquado, tornando assim sua substituição inevitável. Muitos formatos foram pesquisados, até a chegada do atual H.264 um formato com alta capacidade digital e já contendo tecnologia para TV de alta definição e transmissões streaming H.264 A intenção do projeto H.264 era criar um padrão capaz de fornecer uma boa qualidade de vídeo com uma taxa de bitrate inferior em relação aos padrões já

42 42 antiquados (MPEG-2, H.263 e outros), mas isso sem aumentar a complexidade do projeto, algo considerado praticamente impossível de ser concretizado pelos envolvidos no projeto. Outra meta do projeto, que não podia ser descartada, era fazer um padrão que fosse compatível com todas as necessidades, isto é, compatível com vídeos de baixa e alta taxa de bitrate ou com baixa e alta resolução, que se adequasse melhor a essas variações que o já obsoleto MPEG-2, para assim ser utilizado por diversas aplicações nas mais variadas funções. (Wikipédia,2008) O H.264 abrange uma ampla gama de aplicações de comunicação de vídeo, tanto bidirecionais (vídeo-telefonia) quanto unidirecionais (armazenamento, difusão streaming). O projeto do H.264 tira proveito de vários avanços em técnicas de compressão bem conhecidas (como codificação por transformadas, predição e estimação de movimento), resultando no melhor sistema de alto desempenho conhecido até o momento. Não há uma técnica de codificação isolada que seja responsável pela melhora da eficiência do codificador, mas são os diversos avanços em códigos que somados resultam em um ganho significativo em relação aos padrões anteriores. (Teraoka, 2003) Assim como em padrões anteriores, tais como o MPEG-1, MPEG-2 e o mais moderno e conhecido MPEG-4, o H.264 não define um codificador / decodificador (CoDec). O padrão define a sintaxe do um vídeo codificado (bitstream) e o método associado para decodificá-lo. Deste modo, o padrão permite a existência de diferentes implementações, o que garante alternativas de diferenciação entre os desenvolvedores de hardware e software. (Teraoka, 2003) Muitos CoDecs atualmente baseiam suas versões mais recentes no H.264 para obter melhor resultado em suas compressões. Temos exemplos tais como: DIVX, XDIVX, MP4, Moska e outros não tão conhecidos. Todos esses CoDecs buscam atingir altas taxas de compressão, atendendo a padrões altos de qualidade. Assim como o DIVX a maioria dos CoDecs atuais fazem compressões de áudio e vídeo com métodos diferentes utilizando por exemplo: MP3 para áudio e H.264 para vídeo assim como outros CoDecs de áudio.

43 43 4. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO SISTEMA Este capítulo aborda maneiras diversas de medir, informar e documentar aspectos relativos ao desempenho de um servidor streaming. Além disso, descreve os principais fatores que influenciam no seu desempenho. A razão para este estudo é que o desempenho do hardware é responsável direto pela eficácia do sistema, que inclui não apenas o próprio hardware, mas também a desempenho do software que está sendo utilizado Medidas e Análise de Desempenhos A análise de desempenho de sistemas computacionais pode ser entendida como uma combinação de medidas e interpretações sobre diversas características do sistema, como desempenho, velocidade de comunicação, tamanho dos dados, etc. (Jain, 1991). Os objetivos da análise de um sistema computacional dependem da situação específica, dos interesses e da habilidade do analista (Lilja, 2000). Para uma correta análise de desempenho computacional é preciso optar por quais componentes serão abordados, e quais as variantes que podem influenciar nesse processo. Essas opções limitam a análise a um foco apropriado de interesse, dando ênfase aos componentes de maior influência no sistema a ser testado. O sistema de um computador é muito complexo e pode conter oscilações que possivelmente acarretarão erros na precisão das métricas adotadas para cada componente. Por exemplo, uso do processador, quantidade de memória alocada e etc. Para uma análise efetiva, é necessário desenvolver técnicas que perturbem o mínimo possível o sistema a ser analisado (Vasconcelos, 2006). Assim é preciso estabelecer objetivos de forma a organizar a análise de maneira mais adequada.

44 44 eles: De acordo com David J. Lilja (Lilja, 2000) existem alguns objetivos comuns, são Comparação das alternativas - Ao estabelecer qual será o hardware necessário para o uso de determinada aplicação é possível cair em muitos impasses tais como, quantidade e velocidade de memória RAM, clock, arquitetura e quantidade de núcleos do processador, velocidade de placas de rede, dentre outros aspectos. Isso acarreta em optar pela melhor alternativa para o tipo de aplicação a ser usada e como deixar os requisitos prontos para um futuro upgrade. Determinação de impacto de um componente - Com a evolução tecnológica agindo de maneira tão acelerada, é prudente ter em vista o impacto que a adição, remoção ou substituição de um componente pode causar em seu sistema. Ajuste do Sistema - Este item se refere à análise do sistema, de forma a ajustar valores de parâmetros para tentar atingir o melhor desempenho. Identificação de desempenho relativa - Através da base de dados obtidos anteriormente, identificar o desempenho relativo do sistema. Análise de problemas de desempenho - O bom funcionamento do programa é um pré-requisito fundamental, pois é imprescindível verificar problemas e desperdícios e saná-los antes que interfiram na produtividade do serviço. Uma vez o sistema estando instável provavelmente suas medidas não apresentarão com exatidão o que deve ser apresentado. Estabelecer expectativas - Toda pessoa que lida com computadores, normalmente tem uma idéia de como será a próxima geração de computadores. A questão pertinente neste caso é ajustar apropriadamente o sistema para a tarefa a ser cumprida.

45 Soluções para as Medidas Diante do confronto com o desafio de medição hardware, existem três técnicas fundamentais que podem ser utilizadas para a identificação das soluções desejadas. Medida em um sistema existente Simulação do sistema Modelagem analítica Normalmente medidas em um sistema existente, fornecem os melhores resultados desde que usadas as ferramentas necessárias para a função, não simplesmente supor o que precisa ser feito. Essas características também fazem os resultados baseados nas medições serem mais confiáveis quando são apresentados. Realizar medidas em sistemas reais não é muito flexível, uma vez que estas medidas proporcionam informação apenas sobre sistema medido, impossibilitando variações na configuração. Por exemplo, em muitos sistemas não é possível alterar as velocidades de clock do processador ou da memória. (Lilja, 2000) A simulação é um instrumento para modelar as características importantes de um sistema. Assim, um simulador pode ser descrito, como sendo nada menos que uma forma de teste que pode ser modificada para estudar o efeito causado por este impacto no sistema como um todo. O custo da simulação depende da complexidade do sistema que está sendo observado e do grau de detalhamento que está sendo dado ao simular tais funções. A primeira limitação na construção de um simulador é a impossibilidade de se modelar todos os pequenos detalhes do sistema que está sendo estudado. Consequentemente simplificações deverão ser supostas para que seja possível a adoção do simulador. Essas simplificações causarão limitações quanto à credibilidade do sistema avaliado, tornando-o suscetível a dados com leves desvios. (Lilja, 2000) A modelagem analítica é uma descrição matemática do sistema. Comparada com as outras técnicas, medidas em um sistema existente e simulação de sistema, os resultados da modelagem analítica tendem a ser menos confiáveis e menos precisos. Entretanto as informações obtidas através desta técnica podem ajudar a obter maiores detalhes ao utilizar as outras técnicas. (Lilja, 2000)

46 46 As comparações entre as técnicas de análise são apresentadas na Tabela 2: Tabela 2: Tabela de comparação entre as técnicas de análise de desempenho (Lilja, 2000). Técnicas Medida Simulação Modelo Características Analítico Flexibilidade Baixa Alta Alta Custo Alto Médio Baixo Credibilidade Alta Média Baixa Precisão Alta Média Baixa Este trabalho tem como meta elaborar uma proposta de modelo para previsão de desempenho de um servidor streaming, web TV. Para isso serão usadas técnicas de simulação com base no modelo descrito, e seus resultados analisados para a formação de parâmetros de referência na construção de um servidor desktop streaming. Portanto, é necessário aplicar técnicas e ferramentas que permitam que medidas sejam realizadas e, em seguida, comparadas com previsões que o simulador possa fornecer. (Vasconcelos, 2006) 4.3. Métrica de Desempenho Antes de começar a entender os aspectos de um sistema, é preciso determinar quais são realmente os itens importantes a serem medidos. As características básicas necessárias para fazer medições em computadores são: Contagem de repetições de um evento. Duração de algum intervalo de tempo Noções de alguns parâmetros. Se for preciso, por exemplo, medir o número de vezes que um processador faz uma requisição de input/output e se for de interesse medir quanto tempo essas requisições demoram, certamente se terá determinado o número de bits que podem ser transmitidos e guardados (salvos). Assim como nesse exemplo, os métodos podem ser

47 47 aplicados para a maioria dos componentes de um computador em diversas situações como largura de banda, velocidade de memória e etc. Com essas formas de medir os valores, poderá ser obtido o valor desejado, que será utilizado para descrever o desempenho do sistema. Esses valores são chamados de métricas. (Lilja, 2000) Se estiver interessado especificamente em contabilizar o tempo, contagem ou no tamanho do valor medido, o valor pode ser utilizado diretamente como a métrica de desempenho. Entretanto, se o importante for normalizar a contagem dos eventos, é comum prover uma métrica de velocidade como em operações executadas por segundo. Esta forma de métrica é chamada de rate metric (métrica de taxa) ou throughput (tempo de execução da aplicação) e é normalmente calculada dividindo a contagem de eventos que ocorreram em um intervalo, pelo tempo de intervalo que eles ocorreram (Figura 17). Esses processos são usados para comparar diferentes medidas vindas de diferentes intervalos de tempo. (Lilja, 2000) Figura 17: Fórmula básica para cálculo do Throughput. Além disso, podemos relacionar o desempenho entre duas máquinas de forma quantitativa, a máquina X é n vezes mais rápida do que a máquina Y. Dessa forma, o desempenho relativo entre as máquinas X e Y é dado por uma fórmula simples (Figura 18 e Figura 19.). (Castro, 2005) Figura 18: 1 a Forma utilizada para medição de desempenho. Figura 19: 2 a Forma utilizada para medição de desempenho Formas utilizadas para medição de desempenho. Para medir o desempenho de um software executado num determinado hardware é necessário conhecer quais fatores do influenciam o desempenho global do sistema. Além disso, é preciso determinar a importância relativa de cada um destes fatores.

48 48 Como a memória e os dispositivos de entrada e saída, por exemplo, se comportam durante o processamento do programa. (Castro, 2005) Quando o sistema é compartilhado, o processador trabalha com vários programas simultaneamente, nestes casos o desempenho melhora quando aumentamos o throughput. Dessa forma, muitas vezes é interessante diferenciar entre o tempo total de execução de um programa e o tempo gasto pelo processador em apenas um programa em particular. Este último tempo é denominado tempo do processador ou de processamento. (Castro, 2005) Ao considerarmos os detalhes de uma máquina é conveniente utilizar métricas específicas para avaliarmos o desempenho. Normalmente os projetistas medem a velocidade dos hardwares na execução de suas funções básicas com ciclos de clock. Por possuir uma taxa constante é possível determinar o momento da ocorrência de qualquer evento do hardware através do clock. Estes intervalos de tempo são denominados de ciclos de clock, ticks (períodos de clock ou ciclos). O tamanho de um período de clock é referenciado tanto com o tempo necessário para completar o ciclo, quanto com a freqüência do clock (inverso do ciclo de clock). Por exemplo, um ciclo de clock igual a 2 ns corresponde a uma freqüência de 500MHz, que é o inverso do ciclo de clock (Castro, 2005). No entanto, o período que sofrerá a observação deve ser idealizado de acordo com o tempo que o evento requerido leva para ser executado. Um tempo igual a 1ms nem sempre permite a medição de todos os eventos atuantes, pois existem eventos com duração inferior aos ms, isso pode ser contornado caso seja observado os múltiplos eventos atuantes nesse período (Figura 20.).( Sobral, 2002) Figura 20: Eventos de acordo com escala de tempo.

49 49 O processo de transmissão de um servidor streaming faz uso de muitos componentes de hardware, tais como memória RAM, largura de banda (rede e Internet), processador e outros. Por este motivo é importante saber quais os componentes que realmente influenciam no desempenho do sistema, quais as formas de evitar que o sistema fique sobrecarregado e como estar preparado para uma maior demanda do sistema. Os aplicativos multimídia, para envio de pacotes streaming através de redes, exigem maior largura de banda e podem vir a causar congestionamento na rede. Esses congestionamentos ocorrem geralmente por uma má configuração na rede ou por equipamentos que formam gargalos no trânsito da informação. Em cada equipamento, o atraso decorrente das transições exercidas por esses componentes é causado por situações como, roteamento, switching, propagação do sinal no meio e outras. A esse atraso, agregado aos pacotes dá-se o nome de latência. (Cisco Netacad, 2008) Latência, ou atraso, é o tempo que um quadro ou um pacote leva para trafegar da estação de origem até o destino final. É importante quantificar a latência total do caminho entre a origem e o destino nas LANs, MANs e WANs. No caso específico da rede local Ethernet, é importante entender a latência e seu efeito na sincronização da rede (Figura 21), já que ela é usada para determinar se a aplicação funcionará adequadamente. A latência pode ser medida de duas maneiras, local (apenas em um componente) ou geral (a soma das latências em diversos componentes até a chegada ao destino). (Cisco Netacad, 2008) Figura 21: Gráfico demonstrativo da influência da latência em um sistema. Quando se trata de redes, a latência tem pelo menos três origens. Primeiramente, há o tempo que a placa de rede de origem leva para colocar os pulsos elétricos no fio e o

50 50 tempo que a placa de rede de destino leva para interpretar esses pulsos. Às vezes, isso é chamado de atraso da placa de rede, geralmente em torno de 1 microssegundo para uma placa de rede Ethernet 10BASE-T. (Cisco Netacad, 2008) Em segundo lugar, há o atraso real de propagação, correspondente ao tempo que o sinal leva para trafegar através do cabo. Geralmente, é de aproximadamente 0,556 microssegundos a cada 100 m para cabos UTP Cat 5. Cabos mais longos e de menor velocidade nominal de propagação resultam em um maior atraso. Em redes sem fio há um atraso ainda maior, como não temos exatidão do ambiente onde serão instaladas as antenas, a propagação do sinal sofre inúmeras interferências causando ruído ao sinal e aumentando a latência. (Cisco Netacad, 2008) Em terceiro lugar, há um aumento da latência dependendo dos dispositivos de rede que estão entre dois computadores. Esses dispositivos podem ser de Camada 1, de Camada 2 ou de Camada 3 do modelo OSI, cada um influenciando de uma forma diferente no atraso. A latência não depende somente da distância e da quantidade de dispositivos. Por exemplo, se duas estações de trabalho estiverem separadas por três switches, elas podem sofrer menos latência do que se estivessem separadas por dois roteadores. Isso acontece pelo fato que os roteadores realizam as funções mais complexas e demoradas. Um roteador precisa analisar dados da camada 3, relacioná-los a instruções configuradas e tomar decisões com base nos resultados. Esse processo agrega um maior tempo no atraso da chegada do quadro ao destino. (Cisco Netacad, 2008) Os roteadores acrescentarão um fator de latência de 20% a 30% em relação a uma rede ligada apenas com switches. Esse aumento de latência se deve ao fato de o roteador operar na camada de rede e usar o endereço IP, coisa que o switch camada 2 já usa endereço de MAC e apenas encaminha o quadro ao destino correto. (Cisco Netacad, 2008) A latência de um switch é o tempo desde o momento em que um quadro entra no switch até o momento em que o quadro sai do switch (medição local de latência). A latência, em redes de computadores, está diretamente relacionada ao processo de comutação configurado e ao volume de tráfego. Ela é medida em frações de segundo. Os dispositivos de rede operam em velocidades extremamente altas, portanto, qualquer nano segundo adicional de latência afeta negativamente o desempenho da rede. (Cisco Netacad, 2008)

51 51 Os softwares também podem influenciar na latência. Da mesma forma que dispositivos de rede precisam de tempo para processar e encaminhar os quadros há um atraso, no processo da chegada do quadro na placa de rede até ele estar acessível ao aplicativo. Assim, ao medir transmissões streaming é preciso levar em consideração o tempo do processo de descompactação e apresentação do software cliente, durante a medição da latência do envio do sinal. A latência pode ser usada para medir outras funções como, troca de informação entre processador e memória RAM, velocidade do barramento em um slot entre outros. Contudo esses dispositivos possuem uma velocidade muito acima da de uma rede sendo tão rápida que, mesmo possuindo algum tipo de atraso, não influenciaria nos resultados. Componentes de armazenamento, dinâmicos (RAM) ou permanentes (Discos rígidos), tendem a ser medidos por sua capacidade. Sendo as de armazenamento permanente utilizadas na necessidade de armazenamento de arquivos, essa pode ser também muito utilizada caso a RAM já esteja sobrecarregada assim é empregada uma técnica conhecida como swaping. Já as de armazenamento temporário, são medidas através do espaço alocado por aplicação, este espaço tende comumente a expandir ou reduzir conforme a necessidade da aplicação de exercer novas tarefas. O estudo da alocação de memória dinâmica é outro fator fundamental para o desempenho de um computador, uma vez que qualquer aplicativo é alocado na RAM para depois ser executado. Desta forma é possível ver que quando uma aplicação exige mais do computador normalmente ele aloca mais memória para que seja possível distribuir mais tarefas. Com um servidor de web TV não seria diferente, é provável que ao ter mais clientes conectados as exigências de transmissão sejam ampliadas, acarretando um aumento na alocação de memória. A memória dinâmica possui velocidades de troca muito altas por este motivo é sempre prudente utilizá-la ao invés da memória permanente. Contudo nem sempre é viável tal utilização, ao trabalhar com máquinas que possuem pouca memória o sistema operacional não tem como alocar o que está sendo exigido em memória assim ocorre o uso da técnica de swap (referenciada anteriormente). Esta técnica aloca em discos rígidos, que fazem uso de memória permanente, um espaço para suprir a necessidade de memória dinâmica, este processo apesar de resolver acarreta alguns problemas relativos à velocidade de troca, uma vez que a memória permanente é significativamente mais lenta que a dinâmica. Por isso é de suma importância manter um tamanho de memória RAM, relativamente superior ao que sua aplicação necessitará contando que seu sistema

52 52 a utiliza para todos os processos que estejam ativos, tais como, antivírus, Messenger e outros. O processo de transmissão de um servidor streaming faz uso de inúmeros componentes de hardware. Por este motivo saber quais os componentes que realmente influenciam no desempenho do sistema, a fim de evitar que o sistema sobrecarregue e não cumpra com suas funções, é fundamental, dessa forma estar preparado para uma provável maior exigência do servidor. O desempenho de um componente do servidor influencia diretamente em outros, por exemplo, se a latência for grande, pacotes podem ser perdidos e deixados de ser processados. Assim como o buffer pode acabar esvaziando e as medições quanto ao desempenho do cliente naquele momento não estarem exatas. Por este motivo são usadas diversas formas de medidas (descritas anteriormente), a forma predominante adotada neste trabalho é a simulação. Apesar do uso paralelo de medidas em um sistema real, o propósito deste trabalho é simular um servidor web streaming de forma a encontrar parâmetros para um bom desempenho em arquiteturas variadas, deixando já estimativas para uma futura expansão e se possível, uma função matemática comprovando a eficácia do simulador. Este trabalho propõe estabelecer métricas dos itens essenciais de um servidor web streaming. São considerados os itens abaixo: Memória RAM: Alocação de memória para a aplicação e aumento do consumo conforme demanda. Processador: Utilização de arquiteturas diversas como Intel e AMD; os testes se basearão na variação da carga de utilização do processador. Rede: Análise de latência de uma rede local e redes de abrangência metropolitana (MAN) e redes de grande abrangência (WAN), além da utilização de diferentes provedores (diferentes caminhos de acesso à Internet). Uma medição ampla contando com uma variação de diversos parâmetros em diversos estágios entre a transmissão do vídeo e o seu recebimento. Como resultado do trabalho são formadas fórmulas que permitam inferir o desempenho esperado para qualquer sistemas.

53 53 5. RESULTADOS FINAIS Existe atualmente aproximadamente 1,2 bilhão de computadores desktops e notebooks conectados à Internet, além de 3,4 bilhões de celulares, PDAs e dispositivos capazes de reproduzir vídeos transmitidos pela rede (Revista Veja nº47, 2008). Os testes apresentados neste capítulo procuram atingir a todos esses dispositivos, de forma que qualquer aparelho com capacidade de recepção, possa visualizar o que for transmitido Testes Realizados e Resultados Obtidos no Servidor. Antes de iniciar a explanação sobre os resultados obtidos, é muito importante salientar ao leitor as nomenclaturas e tecnologias de resoluções abordadas neste capítulo, tais como: Web Vídeo Nomenclatura dada à resolução de 320x240 linhas, essa resolução é comumente encontrada em sites de streaming por demanda. Analógico (480i) Televisores e monitores, atualmente já ultrapassados que atingem um limite de 640x480 pixels, essa resolução pode ser encontrada em televisores de tubo mais antigos. 480p Início do padrão de vídeo digital, termo usado para televisores e monitores que atingem a resolução de 720x480 linhas com o mínimo 60hz de taxa de atualização. 576p Refere-se à resolução de 720x576 encontrada em alguns poucos televisores antigos e na maioria dos televisores de tela plana, que em alguns casos raros atingiam 75hz de taxa de atualização, já adotado como padrão por muitos videogames e filmes.

54 54 720p (HD TV) Esta já muito conhecida e difundida entre os televisores da nova geração refere-se à resolução de 1280x720 linhas e atinge taxas de atualização de 75hz, podendo ser encontrada na maioria dos monitores atuais, nos televisores de LCD e em alguns poucos modelos de televisões de tubo. HD Ready Esta é a mais encontrada nas televisões de LCD vendidas a partir de 2007, o padrão atinge a resolução de 1366x768 linhas, não são tão precisos como os Full HD mas possuem uma resolução excelente para a recepção de sinal digital, atinge taxas de atualização de até 120hz. 1080p (Full HD TV) Essa nomenclatura também muito conhecida é o que há de mais moderno, atingindo a resolução de 1920x1080 linhas já pode ser encontrada em alguns poucos modelos de televisores de LCD e alguns poucos monitores. Atualmente esta tecnologia já é adotada por videogames como o Playstation 3 e o Xbox 360, assim como em filmes normalmente gravados em mídias de Bluray. Atualmente a resolução da tela é sempre acompanhada por duas letras p ou i. 1080p ou 768i, como por exemplo, para definir as resoluções Full HD e HD Ready. O p ao lado do número, se refere à progressive scan (varredura progressiva), é uma forma de gerar o dobro do número de linhas na tela quando comparada ao i, que se refere à interlaced (entrelaçado), forma de transmissão adotada no padrão analógico, que não permitindo o mesmo padrão de qualidade, mas é ainda muito usado. A qualidade da imagem depende também do contraste; que é o responsável pela sensação de profundidade. A taxa de contraste define o número de tons existentes entre o preto e o branco. Ao visualizar um índice de 8000:1 em um monitor ou televisor, isso significa que existem 8000 variações de cinza entre os extremos de branco e preto. Nos televisores de plasma atuais o valor médio do contraste é de 15000:1, já nos LCD, a média é de 500:1. Ambientes que possuam iluminação abundante há uma diminuição drástica a percepção do contraste.

55 55 Quando a imagem estiver esticada ou aparecerem tarjas pretas na parte superior e na parte inferior da tela, é sinal de que o vídeo foi feito para um padrão diferente de sua tela. Existem dois padrões de telas diferentes, o analógico, usado em televisores mais antigos onde a imagem mantém uma proporção de 4:3, e o widescreen, padrão utilizado nos cinemas e em telas com tecnologia digital onde a imagem mantém uma proporção de 16:9. Essa diferença pode ser notada com mais precisão na Figura 22. Figura 22: Imagem comparativa de resoluções digitais e analógicas. A quantidade de Hz utilizada na taxa de atualização da imagem indica a quantidade de quadros por segundo que o monitor ou televisor pode atingir. As taxas mais comuns são as de 60hz, 75hz e 120hz que podem, consecutivamente, atingir um máximo de 60, 75 e 120 quadros. Apesar de garantir uma qualidade de imagem superior, o olho humano não atinge tais quantidades, por este motivo foi estabelecido um padrão de 23 quadros para os testes. Nos testes foram abordados diversos aspectos do servidor, dentre eles, desempenho da CPU, alocação de memória, banda de rede local (LANs) para exibições corporativas ou educacionais e banda de Internet (WANs e MANs), para apresentações a longas distâncias. Para as medidas foram utilizadas três tecnologias de rede distintas sendo elas LAN (ethernet cabos CAT5), LAN (Wireless g) e WAN (Cable Modem Virtua), o acesso a todas essas tecnologias foi estabelecido por um roteador Linksys WRT54G. Os componentes dos testes foram escolhidos tendo em vista tecnologias de acesso popular, sendo possível atingir melhores resultados com equipamentos mais robustos (que fogem ao foco deste trabalho).

56 56 Durante os testes com os clientes, foram usados vários tipos de computadores como, notebooks, computadores já ultrapassados (Pentium 3, Athlon, Pentium 4, Athlon XP, Semprom, Celerom), computadores atuais e com vários núcleos (Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 x4, core 2 duo ). Para uma abordagem mais ampla foram utilizadas duas famílias de sistemas operacionais para a recepção da transmissão, família Windows (Windows 2000, XP, XP64, Vista, Vista 64) e família Linux (Kurumin, Kabuntu). Nos servidores foram testados quatro tipos de processadores, o AMD Semprom, Intel Core 2 Duo, AMD Athlon 64 X2 e AMD Phenom 64 X4, todos bem atuais e de fácil aquisição. Por sua popularidade, o sistema operacional Windows XP x86, foi o escolhido para ser usado como servidor. Para não haver influências de algum software durante os testes, o sistema operacional se manteve apenas com a instalação básica, apenas com a instalação de seus drivers e software servidor, sem uso de antivírus ou qualquer outro software que viesse a causar qualquer interferência nos dados obtidos. Os resultados obtidos foram estabelecidos nas melhores configurações testadas, com um hardware composto por um AMD Phenom X4, 2 GB de memória RAM DDR Mhz, placa mãe MSI K9N2G NEO, utilizando áudio e vídeo onboard, placa de captura Ecore ENLTV. Apesar de ter sido usado este conjunto de hardware para os testes apresentados, todos os outros citados, foram testados e suportaram, dentro de suas limitações, o papel de servidor. Os testes apresentados se baseiam nos principais itens de influência em uma transmissão, como: Resolução do vídeo. Memória RAM ocupada. Processamento necessário. Número de Clientes durante a transmissão. Os clientes eram compostos em sua maioria com os sistemas operacionais da família Windows, 200, XP, XP64, Vista, Vista 64, contudo também foi realizado teste de compatibilidade com o sistema Linux. As configurações de clientes foram diversas, entretanto foi colocado como base um sistema capaz de atingir uma boa faixa da população, esse composto de um Pentium 3 1Ghz, 512Mb de memória RAM DIM

57 57 133Mhz, placa de vídeo onboard com 64 MB compartilhado, áudio onboard, conexão de rede LAN (cabo CAT5 100Mbps). Para constar nos testes também foi utilizado um computador portátil (Notebook) com uma configuração modesta, composto de processador Semprom (2 Ghz), 1GB de memória RAM DDR 2 667Mhz, áudio e vídeo onboard, conexão de rede LAN (cabo Cat 5 100Mbps) e conexão wireless bg (54Mbps). A compatibilidade com os sistemas operacionais mais populares Linux, Windows e OSX é fundamental para o processo, por conta da abrangência que esses sistemas atingem atualmente; por este e outros motivos foi escolhido o protocolo de fluxo contínuo criado pela Microsoft o mms (Microsoft media service). A adoção do mms se deve, além de sua compatibilidade com os sistemas citados, ao software servidor escolhido, Windows Media Encoder, o adotar como padrão. A compatibilidade do mms com ambos os sistemas operacionais, ou qualquer player compatível com o codec Windows média vídeo (wmv), possibilitou testes eficientes tanto no servidor como nos clientes. Foram feitos testes abordando além da vazão de rede, processamento e alocação de RAM, abordando as principais resoluções de vídeo utilizadas em transmissões diversas como TV analógica, TV digital, Web TV e Celulares. Para que fosse possível estabelecer testes com boa precisão foram fixados alguns pontos nas configurações de áudio e vídeo. O vídeo foi codificado e transmitido utilizando o codec wmv (Windows Media Vídeo, atualmente na versão 9, padrão do software servidor), a 23 quadros por segundo, buffer de 1 segundo, para não ocasionar um maior atraso, qualidade do quadro em 100%, evitando degradações ou inperfeições no quadro, e um intervalo entre cada quadro principal de 4 segundos, garantindo uma melhor qualidade nas transmissões. Além dessas configurações foram testadas e analisadas diversas taxas de bits para as diversas resoluções, com isso mantendo uma perda de quadros durante a transmissão, abaixo dos 2%, valor que não reduz o nível de degradação (mencionadas no capítulo 3 seção ). Já o áudio foi enviado utilizando 2 canais a uma taxa máxima de 64 kbps, a 48 Khz em estéreo, parâmetros estes descritos pela Microsoft como qualidade de cd. Os arquivos transmitidos originalmente encontravam-se nas resoluções digitais de 1080p (1920x1080), 720p (1280x720) e Analógica (640x480).

58 58 Essas configurações são mais claras nos itens que se seguem: Figura 23: Configuração do Windows Média Encoder. Qualidade da imagem (suavidade). A qualidade da imagem pode ser ajustada de forma que ela fique mais suave ou nítida. A modificação deste fator afetará a taxa de quadros, dependendo do vídeo e banda exigida para transmissão. Por exemplo, se o vídeo contiver muito movimento, o aumento da nitidez pode diminuir a taxa de quadros, e resulta numa maior exigência de taxa de bits e também pode exigir o aumento do tamanho do buffer assim como aumento na banda de upload exigida. Quadros principal. Ao utilizar uma maior distância temporal entre os quadros principais, serão inseridos quadros principais adicionais quando necessário; como por exemplo, quando houver uma mudança de cena. Para conteúdo de movimento lento, geralmente uma configuração de 20 segundos é adequada. Para conteúdo com taxa de bits mais elevada, deve-se diminuir a distância dos quadros principais para obter uma melhor qualidade de imagem.

59 59 Taxa de quadros. Existe uma relação entre a qualidade da imagem, a taxa de quadros e a taxa de bits, pois conforme a qualidade da imagem aumenta, a taxa de quadros diminui para poder manter a mesma taxa. Se for mais importante manter a taxa de quadros, para vídeos com altas movimentações de câmera, pode-se diminuir a configuração da qualidade da imagem, assim mantendo a taxa de bits. Taxa de bits. A disponibilidade de uma taxa de bits mais alta abre a possibilidade da transmissão obter uma melhor qualidade da imagem. Se a configuração da taxa de bits for baixa para a resolução e qualidade do vídeo, o software codificador diminui a qualidade dos quadros; se mesmo assim não for possível fazer a transmissão, o codificador passa a ignorar uma série de quadros para manter a taxa no limite que foi fixado. Caso essa taxa seja exagerada o codificador tenta aumentar a qualidade da imagem e acaba usando banda desnecessária para uma transmissão de mesma qualidade. O Buffer. Buffer é a configuração padrão de armazenamento no cliente, apesar de ser uma função fundamental para as transmissões não terem falhas, ele certamente influenciará fortemente na latência de sua transmissão. Tamanho do Vídeo. O tamanho do vídeo refere-se à resolução aplicada na saída da transmissão. É preciso salientar que caso o vídeo de entrada possua resolução inferior ao de saída, isso causará uma perda na qualidade, pois apesar de o codificador tentar suprir tal falta de pixels, ele apenas os duplica alongando e alargando a imagem, causando falhas como blocagem e serrilhamento (visto no capítulo 3 seção ). Durante os testes a principal variação se deu em relação à resolução do vídeo e quantidade de clientes, assim foram analisadas as seguintes relações : Resolução X Ocupação de memória RAM. Resolução X Utilização de banda de rede (LAN, MAN, WAN). Resolução X Processamento. Utilização da Banda X Clientes.

60 60 Os testes com a WAN, não puderam ultrapassar um cliente, por falta de acesso a uma velocidade maior, como este teste apresentou os mesmos dados obtidos nos dados para um cliente em redes cabeada, é suposto que siga o mesmo padrão das redes locais. Já as redes sem fio, foram observados obstáculos em relação a tecnologia, o esquema de envio de sinal através dos roteadores tornam atualmente inviável uma transmissão com garantia de recepção em tempo real. Durante os testes com redes wireless, ocorreu instabilidade mantendo em alguns momentos a transmissão em perfeito estado e em outros completamente inaceitáveis, por este motivo foram descartados os testes para essa tecnologia. Para os testes feitos referentes à variação de banda de rede no servidor, foram disponibilizados de um a vinte clientes formando a bateria de testes para a LAN cabeada. Essa bateria de testes foi feita de acordo com cada resolução de vídeo adotada, como veremos a seguir. Com a Resolução 320 x 240, foi analisado que para atingir o mínimo de 2% de perdas de quadros e conseguir uma banda adequada sem desperdício, é preciso fixar um limite de 300kbps. Tendo em vista o suposto limite de banda por conexão, foram obtidas as seguintes amostras: Figura 24: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 320 x 240.

61 61 Para a Resolução 640 x 480, padrão da TV analógica no Brasil, foi analisado que para atingir o mínimo 2% de perdas de quadros e conseguir uma banda adequada sem desperdício, é preciso fixar um limite de 500kbps por conexão. Tendo em vista o suposto limite de banda por conexão, foram obtidas as seguintes amostras: Figura 25: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 640 x 480.

62 62 Para a Resolução 720x480, mais conhecida como 480p ponto inicial da imagem digital, foi analisado que para atingir o mínimo 2% de perdas de quadros e conseguir uma banda adequada sem desperdício, é preciso fixar um limite de 550kbps por conexão. Tendo em vista o suposto limite de banda por conexão, foram obtidas as seguintes amostras: Figura 26: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 720 x 480.

63 63 Para a Resolução 720 x 576, padrão mais conhecido por 576p, responsável pela resolução máxima de alguns televisores de tela plana, dos primeiros LCD e plasma do Brasil. Foi analisado que para atingir o mínimo 2% de perdas de quadros e conseguir uma banda adequada sem desperdício, é preciso fixar um limite de 750kbps por conexão. Tendo em vista o suposto limite de banda por conexão, foram obtidas as seguintes amostras: Figura 27: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 720 x 576.

64 64 Para a Resolução 1280 x 720, padrão mais conhecido por 720p, responsável pela resolução máxima do padrão HDTV, encontrado em poucos televisores de tubo e na maioria dos televisores de LCD da nova geração. Foi analisado que para atingir o mínimo 2% de perdas de quadros e conseguir uma banda adequada sem desperdício, é preciso fixar um limite de 1150kbps por conexão. Tendo em vista o suposto limite de banda por conexão, foram obtidas as seguintes amostras: Figura 28: Demonstrativo de evolução da banda utilizada para 1280 x 720.

65 65 Após analisar todos os dados e todos os gráficos, foi obtido um gráfico comparativo, combinando todos os resultados obtidos para uma melhor visualização (Figura 29). Gráfico Geral de Banda 30000, ,00 Kbps 20000, , ,00 320x x x x x ,00 0, Clientes Conectados Figura 29: Gráfico Geral de Banda de Rede. Além da vazão da rede, foi visto também a ocupação da memória RAM e utilização do processador em referência a resolução. Foi analisado que o aumento do número de clientes não influenciava nem no processamento, nem na ocupação da RAM, por este motivo é apresentado à utilização desses recursos de acordo com a resolução, que causa um impacto muito significativo. Para as medidas de processamento foi utilizado o software Process Explorer, da empresa Sysinternal (disponível em Através deste software foi analisada a porcentagem de utilização da CPU a cada segundo. Para obter uma medida precisa foi preciso fazer a conversão da porcentagem de utilização da CPU em MIPS (Milhões de Instruções por Segundo). Isso se torna mais claro ao verificarmos os gráficos e tabelas abaixo: Para obter o número total de MIPS que o processador podia atingir foi utilizado o software PC Wizard 2008, no modo de Benchmark, e os resultados podem ser acompanhados abaixo:

66 66 Figura 30: Gráfico do número máximo de MPIS do processador do servidor. Para a Resolução 320x240, o gráfico obteve um pico de utilização de 9,23%, como apresentado: Figura 31: Gráfico de uso da CPU para 320x240.

67 67 apresentado: A ocupação de memória RAM se manteve estável em 84,1 MB como Figura 32: Gráfico de ocupação da memória RAM para 320x240. A pequena variação observada no gráfico; representa um valor abaixo de 0,1 MB de ocupação da RAM, por este motivo foi descartado durante as análises. Para a Resolução 640x480, o gráfico obteve um pico de utilização de 15,77%, como apresentado: Figura 33: Gráfico de uso da CPU para 640x480. apresentado: A ocupação de memória RAM se manteve estável em 140,6 MB como Figura 34: Gráfico da ocupação da memória RAM para 640x480.

68 68 Para a Resolução 720x480 (480p), o gráfico obteve um pico de utilização de 39,06%, como apresentado: Figura 35: Gráfico de uso da CPU para 720x480. apresentado: A ocupação de memória RAM se manteve estável em 152 MB como Figura 36: Gráfico da ocupação da memória RAM para 720x480. A pequena variação observada no gráfico; representa um valor abaixo de 0,1 MB de ocupação da RAM, por este motivo foi descartado durante as análises. Para a Resolução 720x576 (576p), o gráfico obteve um pico de utilização de 39,23%, como apresentado: Figura 37: Gráfico de uso da CPU para 720x576.

69 69 apresentado: A ocupação de memória RAM se manteve estável em 153,3 MB como Figura 38: Gráfico da ocupação da memória RAM para 720x576. A pequena variação observada no gráfico; representa um valor abaixo de 0,1 MB de ocupação da RAM, por este motivo foi descartado durante as análises. Para a Resolução 1280x720 (720p), o gráfico obteve um pico de utilização de 42,69%, como visto no gráfico: Figura 39: Gráfico de uso da CPU para 1280x720. apresentado: A ocupação de memória RAM se manteve estável em 271,5 MB como Figura 40: Gráfico da ocupação da memória RAM para 1280x720. A pequena variação observada no gráfico; representa um valor abaixo de 0,1 MB de ocupação da RAM, por este motivo foi descartado durante as análises.