Review II: done.

Acronyme, Absätze und done.

Revie von Prof. Kosch eingearbeitet.

@ Prof. Kosch: keine Referenzen done.

Unbekannte Character entfernt.

Zu große Graphiken ausgebessert.

Grundlagen

1

Multimedia System Umgebung

Auto PC

Auto PDA_Phone

Broadcast und VOD

• Broadcast Video
  • Store and play back (z.B. im Auftrag von MTV)
  • Ersetzt VCR435s
  • Größere Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und leichtere Verwaltung
• Video-on-Demand (VOD432)
  • Benutzer können aus einer Liste wählen, teilweise Vorschau
  • Interaktion mit Fernbedienung oder via PC
  • Neue Filme sind gefragter
• Near Video-on-Demand (NVOD433)
  • Bekannte Vidoes werden periodisch augestrahlt
  • VCR435 Kontrolle ist schwieriger

Einige Technologieschritte

• Single-Computer Multimedia
  • DVD311, ähnlich zur CD347, höhere Speicherkapazität, 5-17 GB
  • Video Editierungswerkzeuge
• Video-on-demand
  • Video Server bieten eine große Auswahl an Filmen
    • Systeme mit z.B. 1000 Platten
  • Set-top boxen verwandeln TV-set in einen Computer
  • Verbesserter Netzwerk-Throughput auch auf der "letzten Meile"
    • ADSL434: Fest zugeordnet, niedrige Bandbreite
    • Kabelanschluss TV: Geteilt, hohe Bandbreite
• Interaktive, verteilte Multimedien
  • Z.B. Video Konferenzen

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Multimedia System Umgebung

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Die obige Abbildung zeigt eine mögliche verteilte Architektur und die Hauptakteure von Multimediasystemen.
Die Hauptakteure sind der Medienserver, die Multimedia-Datenbank und eine Meta-Datenbank.
Neben den multimedialen Daten sind in einem verteilten Multimedia-Datenbanksystem die Metadaten in der Datenbank und im verteilten Kontext von Bedeutung.

Die Verwendung von Metadaten ist in diesem Szenario hilfreich. Denn mit ihnen ist es möglich eine inhaltsbasierte Suche anzuwenden. Darüber hinaus dienen Metadaten dazu, Netzwerk- und Terminaleinschränkungen zu definieren. Um Multimedia-Metadaten in verteilten Multimedia Systemen effektiv zu nutzen wird eine Datenbank benötigt um diese Daten zu managen, zu speichern, zu suchen und zu übertragen.

Medienserver und Meta-Datenbank sollten stark aneinander gebunden werden. Die enge Kooperation ist notwendig (diese kann z.B. mit Oracle Produkten realisiert werden), um sicherzustellen, dass bei einer Änderung am Medien-Server auch die Meta-Datenbank informiert wird und vice versa.

Ein Problem stellt die Aufteilung der Ressourcen in Multimedia-Systemen dar, da die Anforderungen an die Übertragungszeit wesentlich strenger sind, als bei diskreten Medien, sogenannte Real-time constraints. Um ein ausreichendes Quality of Service (Quality of Service bedeutet die Einhaltung von bestimmten Qualitätsstufen für eine reibungslose Übertragung und Visualisierung der Multimedia-Daten) zu garantieren, ist es notwendig auf neue Netzwerk-Technologien (z.B. ATM129) und Kommunikationsprotokolle (z.B. RSVP144) zurückzugreifen.

Broadcast und Video-On-Demand (VOD)

Bei Broadcast Video werden Filme entweder direkt bei der Aufnahme (in "Echtzeit") oder nach Speicherung via Internet gesendet. Die Sendung in das Internet erfolgt über einen Videoserver. Ein Beispiel für Broadcast Video ist das DVB317 (Digital Video Broadcasting). Im DVB317 werden sogenannte Settop-Boxen verwendet, welche es dem Benutzer ermöglichen, Filme auch direkt zu manipulieren. Da es möglich ist die ausgestrahlten Filme auch direkt auf Festplatte zu speichern wird damit eine Sammlung VCR435s (Video Cassette Recorder) ersetzt. Das ermöglicht eine größere Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und eine leichtere Verwaltung der Filme.

Hierbei herrscht keine starke Benutzerinteraktion, wohingegen bei Video-on-Demand sich der Benutzer den gewünschten Film aus einer Liste auswählen kann, teilweise wird sogar die Möglichkeit der Vorschau geboten. Interagiert wird via Fernbedienung oder direkt via PC.

Near Video-on-Demand sendet ein und denselben Film zeitversetzt auf verschiedenen Kanälen. Durch Wechseln der Kanäle kann der Benutzer in groben Schritten im Film vor- und zurückspringen. Die VCR435-Kontrolle ist hierbei allerdings schwieriger als bei den zwei anderen Optionen.

Einige Technologieschritte

Wir unterscheiden einige Technologieschritte:

Single-Computer Multimedia:

Ein gutes Speichermedium für Multimedia stellt die DVD311 dar. Dieses optische Speichermedium weist starke Ähnlichkeit zur CD347 auf, besitzt allerdings eine wesentlich höhere Speicherkapazität (5 - 17 GB, CD-ROM max. 6,8 GB). DVD311s können außerdem ein- oder zweiseitig beschichtet sein und pro Seite eine oder zwei Schichten aufweisen. Bei zwei Schichten ist die obere Schicht halbtransparent, um die Laserabtastung der unteren Schicht zu ermöglichen. DVD311s gibt es in mehreren Formaten, DVD311-Video, DVD311-Audio sowie DVD311-RAM und DVD311-ROM, die für den PC gedacht sind. DVD311s speichern audiovisuelle Daten, welche in der Regel mit MPEG31-2 kodiert sind. Für den PC werden außerdem Video-Editierungswerkzeuge angeboten. Benutzer können das Video genauso bearbeiten, als ob sie mit physikalischem Filmmaterial arbeiten würden. Zusätzlich kann er man Übergänge zwischen Szenen mit verschiedenen Überblendeffekten versehen oder Ton- und Videospur getrennt voneinander bearbeiten.

Video-on-demand:

Ein weiterer Technologieschritt in jüngerer Zeit stellt Video-on-demand dar. Hierbei kann man Videos aus einer Liste auswählen und anschließend von Video-Servern herunterladen. Mit Hilfe von Set-top-Boxen kann man den Fernseher dann wie einen PC bedienen. Wichtig für diese Technik ist ein verbesserter Netzwerk-Throughput auch auf der "letzten Meile" (gemeint ist damit das letzte Verbindungsstück zwischen Internet und Endbenutzer), was durch ADSL434 oder Kabelanschluss erreicht werden kann.

Interaktive, verteilte Multimedien:

Auch interaktive, verteilte Multimedien kommen immer verstärkter zum Einsatz. Ein mittlerweile oft gebräuchliches und sehr hilfreiches Beispiel stellen Videokonferenzen dar.

Technische Details

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Einige technische Daten

Detailiertere Netzwerkdaten

Kontinuierliche Medien und Streams

• Kontinuierliche Medien
  • Audio, Video, Animation
• Datenfluss
  • Ein einfacher kontinuierlicher Medientyp - hergestellt und/oder konsumiert
• Einfacher (elementarer) Stream
  • Einzelner Datenfluss
  • Z.B. ein Audio track oder eine Telefonverbindung
• Komplexer Stream
  • Mehrere, zusammenhängende Datenflüsse
  • Z.B. ein Film mit
    • Einem Video track
    • Mehrere Audio tracks in unterschiedlichen Sprachen
    • Mehrere Untertitel in unterschiedlichen Sprachen
    • Ein überlagerter Animation track ...

2

Einige technische Daten

Technische Daten

Auto

Die obige Tabelle gibt einen Überblick über verschiedene Multimedia Datentypen, deren Anforderungen an die Netzkapazität in Mbit/s und die Speicherkapazität in GB/h.

Eine Telefonverbindung benötigt zum Beispiel 0,064 Mbit/s, eine MP3 0,14. Mit MPEG31-1 kodierte Filme benötigen zwischen 1 und 1,5 Mb/s Netzkapazität und 0,66 GB/h, MPEG31-2 kodierte Filme kommen hingegen schon mit einer Netzkapazität von 4 Mb/s und 1,76 GB/h aus, was auf die bessere Qualität von MPEG31-2 gegenüber MPEG31-1 zurückzuführen ist. Ein Digital camcorder mit einer Auflösung von 720*480 benötigt 25 Mb/s Netzkapazität, unkomprimiertes TV (640*480) schon 221 Mb/s und unkomprimiertes HDTV307 (High Definition TeleVision) sogar 648 MB/s.

Wie man leicht aus der zweiten Tabelle ablesen kann wird die benötigte Netzkapazität von den angegebenen Netzwerktypen für alle angeführten Datentypen im idealen Fall angeboten werden. Sie liegt zwischen 100 Mb/s für fast Ethernet und 1.280 Mb/s für SCSI Ultra-160.

Allerdings ist dabei zu beachten, dass bei Mehrbenutzerbetrieb die zur Verfügung stehende Bandbreite leicht unter die Anforderung sinken kann, was dann zu ungewünschten Effekten (z.B. Ruckeln) führt.

Detailiertere Netzwerkdaten

Netzwerkdaten

Auto

Diese Tabelle vergleicht Netzwerktypen aufgrund der angebotenen Dienste und ihrer Übertragungskapazität.
FDDI125 und fast ethernet bieten Multi-Service LAN44 mit einer Bandbreite von 100 Mbits/s an. Bei Gigabit Ethernet steigert sich die Bandbreite schon auf 1.000 Mbits/s. Multi-Service WAN wird von allen ISDN128-Typen angeboten (Integrated Services Digital Network), die Bandbreite liegt zwischen 0,128 Mbits/s für Basic rate ISDN128, über 1,9 Mbits/s für Primary rate ISDN128, bis zu 1.200 Mbits/s für Breitband ISDN128. Global System Mobile (GSM436) bietet Übertragung von Daten und Sprache mit einer Bandbreite von 0,001 Mbits/s.

Weitere Informationen sind unter folgender URL zu finden: http://goe.net/lak/doku/node7.html

Kontinuierliche Medien und Streams

Unter kontinuierlichen (dynamischen) Medien werden zeitabhängige Medien verstanden, wie Audio, Video und Animation. Demgegenüber stehen diskrete (statische) Medien, wie Text und Grafik, die durch eine zeitunkritische Verarbeitung von Informationen gekennzeichnet sind.

In verteilten kommunizierenden Multimediasystemen werden sowohl Daten diskreter als auch kontinuierlicher Medien übertragen. Die Information wird in Paketen übertragen. Ein Datenfluss besteht aus einer Sequenz einzelner Pakete und hat damit eine zeitliche Komponente und auch eine Lebensdauer. Er stellt die charakteristische Kommunikationsform in verteilten Multimedia-Systemen dar und ist eine unidirektionale Punkt-zu-Punkt- oder Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommmunikationsverbindung.

Ein einfacher (elementarer) Stream bezeichnet die Übertragung eines einzelnen Datenflusses, wie z.B. eines Audio-tracks oder eine Telefonverbindung. Ein komplexer Stream hingegen besteht aus mehreren zusammenhängenden Datenflüssen. Ein Beispiel dafür wäre ein Film, der aus einem Video track, mehreren Audio tracks und Untertitel in verschiedenen Sprachen besteht.

Quality of Service (QoS)

1

QOS Kategorien

• Pünktlichkeit
  • Daten müssen rechtzeitig ankommen
• Datendurchsazz
  • Der benötigte Datendurchsatz muss gewährleistet sein
• Verlässlichkeit
  Ein ge
  • isses Maß an Datenverlust darf nicht überschritten werden
• Kosten
  • SW/ H - Kosten zur Einhaltung des QoS72
• Wahrnehmende Qualität

QOS Dimensionen

• Pünktlichkeit
  • Latency (max. Verzögerung zwischen aufeinander folgenden Frames)
  • Start-up latency (max. Verzögerung vor dem Start einer Darstellung)
  • Jitter (Verzögerungsvarianz)
• Datendurchsatz
  • Datendurchsatz in frames/sec oder bits/sec oder bytes/sec
• Verlässlichkeit
  • MTBF437 (Mean Time Between Failure) der Festplatten
  • MTTR438 (Mean Time To Repair)
  • Fehlerraten der Telekommunikationsleitungen

QOS Anforderungen

• Deterministisch
  • Präzise Werte oder Wertebereiche
  • Z.B. Latency muss zwischen 45 und 55 ms liegen
• Wahrscheinlichkeit
  • Wahrscheinlichkeit des erforderlichen QoS72
  • Z.B. Latency sollte für 95% der Frames unter 50 ms liegen
• Stochastische Verteilung
  • Z.B. Ankunft der Frames sollte der Normalverteilung mit mittlerer Intervall-Zeit von 40 ms und 5 ms Varianz entsprechen
• Klassen - z.B. guaranteed und best effort

Typische QoS Anforderungen

Statische QoS Management Funktionen

• Spezifikation
  • Z.B. Genauer Bereich für Pünktlichkeits-, Datenmengen- und Verlässlichkeitskategorien, und den Abhängigkeiten
• Verhandlung
  • Die Applikation kann für geringere Kosten geringeres QoS72 akzeptieren
• Zugangskontrolle
  • Feststellung der Verfügbarkeit der Ressource auf allen beteiligten Komponenten
• Reservierung von Ressourcen
  • U.U. notwendig um garantiertes QoS72 anbieten zu können

Dynamische QoS Management Funktionen

• Überwachung
  • Erkennt Abweichung vom QoS72 Level
  • An einem bestimmten Level an Granularität (z.B. alle 100ms)
• Kontrolle
  • Entdeckt die Nichteinhaltung der Abmachungen einzelner Beteiligter
  • Z.B. Sender sendet schneller als ausgemacht (z.B. 25 f/s)
• Wartung
  • Hält dem ausgemachten QoS72 stand
  • Z.B. das System benötigt mehr Ressourcen
• Neuverhandlung
  • Benutzer versucht zu adaptieren - vielleicht durch Akzeptieren von geringerem QoS

2

QOS Kategorien

Mit Quality of Service (QoS72) werden allgemein Mechanismen zur Sicherung der Güte (Qualität, Verfügbarkeit etc.) eines Dienstes bezeichnet.

Dienstgüte kennzeichnet das definierte und kontrollierbare Verhalten eines Systems bezüglich quantitiv messbarer Parameter. In bezug auf verteilte Multimedia-Systeme wird jeder Datenstrom mit einer Dienstqualität assoziiert.

Die dafür ausschlaggebenden Kategorien sind:

• Pünktlichkeit bedeutet, dass die jeweils übertragenen Daten innerhalb eines gewissen Zeitrahmens eintreffen müssen, wobei dieser vom jeweiligen Datentyp und dem Verwendungszweck abhängig ist.
• Der Datendurchsatz bezeichnet die notwendige Datenmenge pro Zeiteinheit, welche eine Systemkomponente verwendet.
• Die Verlässlichkeit gibt an welcher Prozentsatz an Daten während der Übertragung höchstens verloren gehen darf.
• Die Kosten bezeichnen die nötigen Soft- und Hardwarekosten, welche zur Einhaltung des geforderten QoS72 notwendig sind.
• Eine weitere Kategorie ist die wahrnehmende Qualität, welche die Qualität aus der Sicht der Benutzerwahrnehmung bewertet, im Gegensatz zum traditionellen Quality of Service, welches sich auf die technische Sicht konzentriert. QoS72 beinhaltet nicht nur die Zufriedenheit des Benutzers mit der Multimedia-Präsentation, sondern auch seine Fähigkeit die darin beinhalteten Informationen aufzunehmen.

QOS Dimensionen

Die Dimensionen bezeichnen die Richtwerte der einzelnen Kategorien.

Für die Pünktlichkeit sind es die Latency (max. zulässige Übertragungsverzögerung zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Übertragungseinheiten, für Videos typischerweise Frames), die Start-up Latency (max. Verzögerung vor dem Start der Darstellung) und der Jitter (bezeichnet die Verzögungsvarianz, also Aussetzer im Datenstrom). Insbesondere bei der Übertragung von Ton, in geringerem Maße auch für Video, ist auf eine geringe Verzögerung und einen kleinen Jitter zu achten.

In der Kategorie des Datendurchsatzes wird in frames/sec, bits/sec oder bytes/sec gemessen.

Dimensions-Verlässlichkeitsklassen sind die MTBF437 (Mean Time Between Failure) der Festplatten, also die durchschnittliche Laufzeit bis ein Fehler auftritt, die MTTR438 (Mean Time To Repair), die durchschnittliche Zeit zur Fehlerkorrektur und Fehlerraten der Telekommunikationsleitungen. Bei Multimedia-Strömen ist ein kleiner Verlust (1-2%) von Informationen meist tolerierbar.

QOS Anforderungen

Quality of Service Anforderungen können deterministisch, durch Wahrscheinlichkeiten, stochastische Verteilungen oder definierte Klassen (z.B. guaranteed, best effort) ausgedrückt werden. Deterministisch bedeutet, es werden präzise Werte oder Wertebereiche angegeben, z.B. die Latency muss zwischen 45 und 55 ms liegen. Alternativ kann die Wahrscheinlichkeit des erforderlichen Quality of Service angegeben werden, z.B. die Latency sollte für 95% der Frames unter 50 ms liegen. Ein Beispiel für die stochastische Verteilung wäre, dass die Ankunft der Frames der Normalverteilung mit mittlerer Intervall-Zeit von 40 ms und 5 ms Varianz entsprechen sollte.

Eine weitere Möglichkeit der Definition von QoS72 Anforderungen sind Klassen. Guaranteed z.B. bedeutet, dass immer ein bestimmter Durchsatz garantiert wird, dafür ist ATM gut geeignet. Best effort drückt nur das Bemühen des Systems aus, die Daten möglichst pünktlich zu liefern, gibt allerdings keine Garantie ab.

Typische QoS Anforderungen

Typische QoS Anforderungen

Auto

Die obige Tabelle zeigt typische Quality of Service-Anforderungen verschiedener diskreter und kontinuierlicher Medien. Zu sehen ist, dass die max. Übertragungsverzögerung vor allem bei kontinuierlichen Medien ziemlich gering sein sollte (Anforderungen von 0,25 bei Video und Voice bis zu 0,001 bei Real-time Daten). Jitter ist nur bei Sprache und Video ausschlaggebend und sollte bei ersterem nicht über 10 ms und bei zweitem nicht über 100 ms liegen. Der benötigte Durchsatz liegt bei den hier angegebenen Datentypen zwischen 0,054 Mb/s für Sprache und 100 Mb/s für Video, was theoretisch von den heute gebräuchlichen Netzwerkverbindungen problemlos geleistet werden kann (siehe Tabelle Folie 6). Die Bitfehlerrate gibt die größte akzeptable Anzahl der falsch übertragenen Bits im Verhältnis zu den insgesamt übertragenen Bits an. Die Paketfehlerrate gibt an, wie viele fehlerhaft empfangene Pakete vom Empfänger irrtümlich als korrekt eingestuft werden, bezogen auf die Gesamtzahl der Pakete.

Bitfehler sind ebenso wie Paketfehler bei Daten und Real-time Daten überhaupt nicht gestattet, für komprimiertes Video darf die Bitfehlerrate maximal 10^-6 Bits betragen, die Paketfehlerrate darf 10^-9 Pakete nicht überschreiten. Video erlaubt in dieser Tabelle die größte Bitfehlerrate mit bis zu 10^-2 Bits und eine Paketfehlerrate von bis zu 10^-3 Paketen.

Statische QoS Management Funktionen

Die Generierung der QoS72-Anforderungen kann statisch oder dynamisch erfolgen.

Statisch bedeutet, dass bereits vor der Übertragung der Multimediadaten die QoS72-Anforderungen spezifiziert werden und dann eingehalten werden müssen.

Dynamisch bedeutet, dass die Einhaltung des QoS72 überwacht wird und im Falle der Nichteinhaltung neue Anforderungen während der Übertragung spezifiziert werden können.

Betrachten wir zuerst die statischen QoS72 Management Funktionen.

Vor der Ausführung der Multimedia-Übertragung in einem verteilten Multimedia-System werden im statischen Fall einige Vorbereitungsschritte durchgeführt: Diese beziehen sich auf QoS72- und Ressourcenverwaltungsdienste während des Aufbaus einer multimedialen Verbindung.

Die QoS72-Parameter der einzelnen Kategorien werden statisch von der Applikation spezifiziert und müssen vom Server akzeptiert werden. Es ist allerdings möglich, dass aufgrund von Verhandlungen die Applikation bereit ist ein geringeres QoS72 zu geringeren Kosten zu akzeptieren.

Nachdem nun die betroffenen Komponenten die jeweilige QoS72-Spezifikation erhalten haben, wird die Verfügbarkeit der notwendigen Ressourcen ermittelt (Zugangskontrolle). Das bedeutet, dass der Server wissen muss, wieviele Benutzer er gleichzeitig bedienen kann, ohne das QoS72 zu verletzen. Um QoS72 QoS anbieten zu können ist es nun noch notwendig, Ressourcen auf dem Übertragungsweg zu reservieren.

Dynamische QoS Management Funktionen

Dynamische QoS72 Management Funktionen sind die Überwachung, Kontrolle, Wartung und Neuverhandlung der QoS72.
Während der Übertragung ist es notwendig ständig zu prüfen, ob die einzelnen ausgehandelten QoS72-Parameter auch eingehalten werden.

• Die Überwachung in den Endsystemen beinhaltet eine Überwachungsfunktion, die kontinuierlich beobachtet, ob die verarbeiteten QoS72-Parameter ihre ausgehandelten Werte nicht überschreiten.
• Zusätzlich wird kontrolliert, ob sich alle beteiligten Parteien an das spezifizierte Quality of Service halten, z.B. Sender überträgt schneller als ausgemacht.
• Das System muss auch in der Lage sein z.B. mehr Ressourcen zur Verfügung zu stellen, falls diese von der Übertragung benötigt werden, um so dem ausgehandelten QoS72 zu entsprechen (Wartung).
• Da nicht immer alle beteiligten Komponenten ein QoS72 hundertprozentig garantieren können, müssen multimediale Datenströme an gegebene Randbedingungen dynamisch angepasst werden können. Eine so entstehende Neuverhandlung des QoS72 ist ein Verhandlungsprozess, der stattfindet, nachdem der Verbindungsaufbau bereits abgeschlossen ist. Die Anforderung hierzu kann entweder vom Benutzer kommen oder vom System selbst aufgrund einer Überlastung. So ist es z.B. notwendig sich auf ein geringeres QoS72-Level zu einigen um die Übertragung positiv abschließen zu können.

Bibliographie

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Auto

Ste99

MYC00