Download BAB 1: KEPERLUAN RANGKAIAN BAGI APLIKASI MULTIMEDIA

BAB 1: KEPERLUAN RANGKAIAN BAGI APLIKASI MULTIMEDIA
1.1
Apakah Rangkaian
Mail, telephone, TV dan radio, buku, suratkhabar – merupakan suatu
alatan tradisional dimana pengguna boleh menghantar dan menerima informasi.
Bagaimanapun, sistem data komunikasi
merupakan suatu sistem komputer
yang membenarkan data dihantar menggunakan talian komunikasi seperti talian
telefon.
Rangkaian merupakan sistem komputer yang menggunakan peralatan
komunikasi untuk menyambungkan dua atau lebih komputer. Modem merupakan
alatan yang membenarkan data ditukar daripada bentuk digital ke analog dan
sebaliknya. Ini penting kerana penghantaran data menggunakan talian telefon
melibatkan data dalam bentuk analog. Rajah dibawah menerangkan suatu
sistem rangkaian berfungsi.
Penghantar dan penerima menggunakan komputer yang disambungkan
menggunakan talian telefon
1
Terdapat beberapa jenis media komunikasi atau kabel (wayar) yang
digunakan untuk penyambungan dari suatu komputer ke komputer yang lain.
Antara jenis kabel yang biasa digunakan adalah Wire Pairs, Coaxial Cable, Fiber
Optics atau Tansmisi Mikrowave.
a.) Wire Pairs (Twisted Pair)
-
-
paling banyak digunakan
pengaliran signal elektrik memerlukan dua
konduktor
murah
terdedah kepada noise (merupakan segala
yang boleh meyebabkan herotan semasa
signal diterima)
b.) Coaxial Cable
-
-
penghantaran signal yang kuat
bandwidth yang lebih tinggi dan kurang
terdedah kepada noise
contoh: cable yang menyambungkan set TV
kepada cable TV dish
c.) Fiber Optics
-
-
menggantikan signal elektrik kepada cahaya
bagi penghantaran data
bandwidth yang lebih tinggi daripada coaxial
cable
lebih murah dan ringan
tiada gangguan noise kerana ia menggunakan
cahaya
Salah satu lagi media penghantaran adalah trannsmisi mikrowave,
dimana ia melibatkan penghantaran data melalui atmosfera. Memerlukan relay
station bagi memastikan transmisi data tersebut dapat diterima dengan
gelombang yang kuat. Teknologi ini menawarkan kelajuan yang tinggi, kos efektif
dan mudah untuk diimplementasi. Namun kekurangan teknologi ini adalah
gelombang yang dihantar mudah diganggu oleh keadaan cuaca seperti hujan,
ribut atau salji.
Dalam membincangkan keperluan rangkaian bagi sesuatu aplikasi
multimedia terdapat beberapa komponen rangkaian yang perlu dipertimbangkan.
Komponen-komponen terbabit adalah:
2
Jenis Komponen
Transmission
Switching
Store-and-forward application
relay
Multicasting components
Application translator
Mirror and cache
Network service
Contoh
Wayar, Fiber, Repeater
Switches, routers, PBXs,
ISDN exchanges, ATM Swtiches
Message Transfer Agents (MTAs)
Multicast routers, document explicators,
mail distributors
Mail protocol translators, transcorder
MCUs
News mirrors, WWW document caches
Domain Name Servers (DNSs)
Transmission
Melibatkan semua media transmisi (eg. Wire pairs, Coaxial cable, Fiber
optics) dan perkakasan elektrik (e.g: penerima atau penghantar elektrikal atau
optikal,
repeater
untuk
menguatkan
signal
ataupun
multiplexer
untuk
memecahkan data mengikut penerima) yang disambungkan kepada media
transmisi ini. Bahagian ini dirujuk sebagai Physical Layer, lapisan pertama dalam
7 lapisan sesuatu rangkaian. (nota: kita tidak akan membincangkan 7 Network
Layer dalam modul ini.)
Switching
Rangkaian yang mana topologinya menggunakan node dan link
memerlukan komponen switching. ‘Switch’ merupakan alatan yang ditempatkan
pada setiap node yang mana fungsi utamanya adalah untuk menerima tansmisi
data dari satu link kepada link yang lain. Terdapat dua kaedah switching proses:
•
Store-and-forward
Fragmen data perlu diterima keseluruhannya sebelum dihantar kepada nodenode lain. ATM menggunkan cell atau packet bagi memecahkan keseluruhan
data kepada segmen atau fragmen yang lebih kecil.
•
On-the-fly
Hanya memerlukan sekurang-kurangnya 1 bit diterima daripada keseluruhan
data, disimpan sebelum ianya dihantar ke node-node yang lain.
3
Store-and-forward application relays
Store-and-forward application relays menyimpan data flow yang diterima
ke dalam disk, sementara switches menyimpan cell atau packet ke dalam
memori semikonduktor. Switch perlu menghantar fragmen-fragmen data ini
dengan pantas kerana cell merupakan hanya sebahagian kecil daripada
keseluruhan data yang sebenar. Relays menguruskan infromasi yang telah
lengkap seperti keseluruhan electronic message atau dokumen. Contoh storeand-forward relay termasuklah Electronic Mail Message Transfer Agents (MTAs).
Multicasting components
Sistem Multicasting merupakan suatu komponen keperluan dalam
rangkaian bagi membolehkan pengagihan data multimedia dapat dilakukan.
Multicast devices termasuklah multicast routers, electronic message reflectors,
atau document replicators.
Application-level translators
Protocol translators are those components necessary somewhere in the
network to allow communications between end-systems which do not talk the
same “language” for the application they want to jointly to support. They may
reside at some intermediary point within the network, but in the extreme case,
they may be implemented as software or hardware on the end-system itself.
Translator diperlukan bagi protocol elctronic mail yang berbeza seperti
ITU X.400 dan Internet MIME Standard.
Mirror and caches
Mirror dan cache digunakan bagi mengurangkan bebanan rangkaian dengan
mengurangkan penghantaran data yang sama berulang kali.
4
Mirroring (shadowing atau tracking) merupakan teknik yang menyimpan data
atau fail yang seringkali dicapai oleh sesuatu sistem dalam sistem itu sendiri.
Proses ini dilakukan walaupun tanpa ada permintaan dari pengguna. Sementara
Cache merupakan proses yang memerlukan pengguna membuat permintaan,
kemudian sistem akan menyimpan salinan tersebut. Algoritma untuk cache
beroperasi akan menyimpan maklumat yang mempunyai keberangkalian tinggi
yang akan dicapai kembali oleh pengguna.
Network service systems
Diperlukan bagi memastikan rangkaian berfungsi dengan baik pada level
pengguna. Contoh: Domain Name Server (DNS) bagi menggantikan nama (IP
address) sesuatu komputer dengan nama tertentu.
1.2
Kemampuan dan Fungsian Rangkaian
Aplikasi Multimedia mempunyai beberapa kriteria yang sama dengan
aplikasi lain. Beberapa perbezaan aplikasi multimedia berbanding dengan
aplikasi lain adalah:
•
Memerlukan transmisi real-time bagi continuous media seperti video dan
audio
•
Jumlah penghantaran data adalah tinggi
•
Kebanyakan aplikasi multimedia merupakan distribution oriented, untuk
digunakan bagi pengguna persendirian
Terdapat enam criteria utama bagi menentukan keberkesanan suatu
rangkaian dalam memenuhi keperluan aplikasi multimedia:
•
Throughput
•
Transit delay
•
Delay variation
5
•
Error rate
•
Keupayaan multicasting dan broadcasting
•
Keupayaan document caching
Throughputs
“The bit rate between two communicating end-systems is the number of
binary digits that the network is capable of accepting and delivering per unit
time”.
Dalam definasi diatas, throughput merujuk kepada keupayaan jumlah data
yang boleh dihantar atau jumlah data yang boleh menggunakan talian dalam
satu-satu masa.
Ianya diukur dalam Kbps (kilobyte per second), Mbps
(megabyte) atau Gbps (gigabyte).
Dalam teknologi ATM, penghantaran ini
diukur dalam cell rate.
Dalam suatu komunikasi rangkaian terdapat beberapa komunikasi berlaku
serentak, seperti dalam rangkaian Ethernet, beberapa ratus komunikasi boleh
berlaku serentak. Komunikasi begini dikatakan sebagai komunikasi multiplex.
Aggregate bit rate merupakan kadar bit yang diterima oleh aplikasi pada terminal
penerima, sementara bit rate bagi individual connection merupakan kadar bit
bagi saluran terbabit sahaja.
Access speed merujuk kepada frekuensi dimana bit boleh dihantar atau
diterima semasa proses transmisi berlaku pada antaramuka end-system dan
rangkaian. Ini ditentukan oleh teknologi rangkaian yang digunakan, seperti
Ethernet LAN pada 10Mbps, ISDN Basic Rate pada 64Kbps. Namun tidak
semua rangkaian mampu menerima data pada access speed yang digunakan.
6
Ini berlaku disebabkan masalah congestion atau kekurangan kapasiti. Apabila
data tersebut tidak dapat diterima sepenuhnya mengikut speed rate maka
penghantaran packet yang tidak diterima tadi perlu dihantar sekali lagi oleh
penghantar dan ini akan melambatkan proses penghantaran antara kedua pihak
bagi membolehkan sinkronisasi data dilakukan antara kedua belah pihak.
Rangkaian circuit-based seperti ISDN ataupun leased line menawarkan bit rate
yang hampir sama berkelajuan dengan access speed. ATM teknologi walaupun
merupakan rangkaian cell-based namun mempunyai ciri-ciri circuit-based.
Transit Delay
“The network transit delay is the time elapsing between the emission of
the first bit of a data block by the transmitting end-system and its reception by the
receiving end-system”.
Masa lengah penghantaran melalui rangkaian ini juga dikenali sebagai
Network Latency.
Tiada rangkaian yang boleh menghantar bit data secara
segera (tanpa lengahan). Dalam store-and-forward packet network, yang
mengimplementasikan packet switches ataupun router, masa lengah mungkin
lebih lama bagi yang melibatkan node-node yang berjauhan.
7
Dalam membincangkan masa lengah keseluruhan terdapat tiga
komponen yang menyumbang kepada keseluruhan masa lengah:
•
Access Delay – masa yang diperlukan bagi sumber menunggu
medium penghantaran available atau rangkaian dalam keadaan sedia
untuk menerima blok data bagi penghantaran
•
Bit Transmission Delay – masa yang diperlukan bagi menghantar
jujukan bit dalam suatu blok, satu demi satu apabila rangkaian sudah
bersedia.
•
Network Transit Delay
Dalam suatu aplikasi multimedia interaktif, pengguna selalunya akan
mempunyai pilihan untuk ke mana-mana halaman dalam aplikasi terbabit. “The
return trip delay is the elapsed time between the emission of the first bit of a data
8
block and its reception by the same end-system after the block has been echoed
by the destination end system”.
Delay Variation
Ia merupakan suatu faktor kritikal teruatamanya bagi suatu rangkaian
yang digunakan bagi menghantar data yang time-dependent seperti suara dan
video. Network transit delay juga dinamakan delay variance. Network transit
delay merupakan salah satu komponen end-to-end delay.
Jitter atau delay jitter disebabkan oleh teknologi transmisi yang digunakan.
In transmission technology, “jitter” refers to the variation of the delay generated
by the transmission equipment. This is called the physical jitter. The physical jitter
is one among several components of the overall delay variation.
Antara penyumbang physical jitter termasuklah repeaters, crosstalk between
cable dan delay yang disebabkan oleh perubahan kepada medium (metallic
conductors) yang digunakan.
Isochronism
An end-to-end network connection is said to be isochronous if the bit rate
over the connection is guaranteed and if the value of the jitter is also guaranteed
and small.
Ia merupakan suatu yang diperlukan bagi penghantaran data yang continous
seperti real-time audio dan motion video.
9
Error Rates
Error rate merupakan pengukuran kepada tingkah laku rangkaian kepada
alteration, loss, duplication, atau out-of-order delivery of data.
Data alteration mungkin disebabkan oleh penghantaran yang jauh dimana
bit-bit mungkin mengalami attenuation (penuaan). Masalah ini tidak lagi dihadapi
oleh rangkaian masa kini.
Data kemungkinan akan hilang (loss) disebabkan berlakunya congestion
pada satu-satu node ataupun media transmisi.
Data duplication bermakna data yang sama diterima lebih dari sekali oleh
penerima. Ia jarang berlaku.
Penghantaran data yang out-of-order selalu berlaku dalam rangkaian
masakini. Pada jarak node yang jauh, kemungkinan packet menggunakan laluan
yang berbeza. Selalu berlaku dalam connectionless network seperti Internet.
Multicasting
Multicasting is the capability of the network to replicate, at certain internal
points, the data emitted by the source. Replicated data should be forwarded to
the recipient end-system which are part of the multicast group so as to avoid or
minimize segments of the networks to be traversed by multiple copies of the
same data.
10
Terdapat tiga jenis replication of data dalam multimedia:
1.3
•
Bit Stream Replication
•
Block Stream Replication
•
Message, files, document Replication
Keperluan Rangkaian bagi Audio dan Video
Semua jenis media termasuk audio dan video mungkin dipindahkan
dengan dua cara: transmisi real time bagi
synchronized playout ataupun
downloading. Dalam bahagian ini kita akan membincangkan kaedah transmisi
real-time secara lebih terperinci.
Human perception of sound and images
Mengikut kajian saintifik manusia lebih peka terhadap suatu perubahan
kecil dalam audio berbanding dengan imej. Contoh: kita akan peka terhadap
suatu perubahan kecil yang berlaku semasa mendengar suatu lagu kesukaan
11
kita. Atau kita peka terhadap suatu bunyi asing yang kedengaran. Berbanding
dengan imej, kita selalunya lebih banyak tertipu dengan suatu imej yang dilihat.
Keupayaan mata merupakan integrator kepada suatu keadaan. Contoh: Jika kita
balik ke rumah, isteri kita telah meletakkan suatu poster baru di ruang tamu
rumah kita. Kita mungkin tidak sedar hinggalah keesokkan harinya.
Implikasi terhadap keupayaan menusia ini terhadap rangkaian adalah
tolerance rangkaian terhadap media audio mestilah lebih kecil berbanding
tolerance terhadap kesalahan yang melibatkan motion video.
As we are less tolerant of audio than video errors, when the two streams
compete for the same network resources, the audio stream should have the
priority, as far as this has a sense for the network.
Audio: Quantative Requirements
a.) Bit rate yang diperlukan bagi uncompressed audio streams
•
Telephone Quality: 64 Kbps
Analog signal sampled 8000 times per second and each coded with
8 bits.
•
CD Quality (Stereophony): 1.4 Mbps
Sampling rate at 44.1 kHz, each sample coded with 16 bits, Stereo.
b.) Bit rate yang diperlukan bagi compressed audio streams
•
Telephone Quality: 32, 16, 4 Kbps
•
CD Quality (Stereophony): 192 Kbps
c.) Transit delay for audio streams
Keperluan bagi transit delay untuk transmisi real-time audio bergantung
kepada jenis aplikasi multimedia yang digunakan. Interaktiviti dalam
aplikasi multimedia melibatkan:
•
Perbualan manusia (24ms)
•
Kawalan suara – pengguna boleh memberi arahan kepada
sesuatu komputer menggunakan suara (100ms – 500ms)
12
•
Tindakbalas kepada suara dalam persekitaran virtual reality
(40ms)
d.) Intermedia Synchronizaton
Dalam suatu aplikasi multimedia kombinasi antara semua media elemen
perlu disinkronisasikan bagi memastikan mutu atau keberkesanan aplikasi
terbabit. Kaedah yang membabitkan sinkronisasi elemen audio dan video
ini dinamakan restoring synchronization. Kaedah untuk memadankan
audio dengan video ini dinamakan lip-synchronization.
Motion Video: Quantitative Requirements
a.)
b.)
c.)
Bit rates required for real-time uncompressed video
•
Ucompressed HDTV: 2 Gbps
•
Ucompressed Studio-quality TV: 166 Mbps
Bit rate required for real-time compressed video
•
High-resolution HDTV: 20 to 34 Mbps
•
Broadcast-quality TV: 3 to 6 Mbps
•
VCR Quality: 1.2 Mbps
•
Videoconference Quality: 112 Kbps
Delay jitter required for real-time video
The variation of the network transit delay should not exceed 50ms for
HDTV
quality,
100
ms
for
broadcast
quality,
and
400ms
for
videoconference quality.
d.)
Error rates required for real-time video
e.)
Artifacts and perceived distortion of motion video
Viewers judge the quality of motion video on the perceived distortion of the
displayed image subjectively. The perceived distortion includes the visible
errors which appear unnatural. They are called artifacts and may result
from the use of compression algorithms.
f.)
Figures for error rates in motion video transmission
13
Tutorial:
1.
Bincangkan komponen-komponen rangkaian yang perlu dipertimbangkan
bagi penghantaran data multimedia.
2.
Nyatakan kekurangan komunikasi microwave.
3.
Dalam membincangkan penghantaran data melalui rangkaian, delay atau
masa lengah adalah suatu masalah yang tidak dapat diatasi. Bincangkan
komponen-komponen yang menyumbangkan kepada masa lengah
keseluruhan ini.
4.
Bincangkan suatu keadaan/situasi dimana kita lebih sensitive kepada
bunyi berbanding video atau imej.
14