Badania efektywności rozwiązań sprzętowych i programowych systemów multimedialnych

1. Badania efektywności rozwiązań sprzętowych i programowych systemów multimedialnych Promotor: prof. dr hab. inż. Andrzej Grzywak mgr inż. Piotr Kasprzyk

2. Cel pracy Zwiększenie efektywności przesyłania dużych plików • Nie wszystkie systemy operacyjne nadają się w jednakowym stopniu do efektywnej transmisji plików. • Zastosowanie buforowania danych z użyciem mechanizmów programowania współbieżnego umożliwia zwiększenie efektywności transmisji danych między pamięciami masowymi dwóch komputerów połączonych siecią. Tezy pracy

3. Biblioteka dokumentów multimedialnych Serwer: 2xPIII 1.1 GHz, 1280 MB RAM, RAID 5x36 GB, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Linux Internet pliki 100-700 MB Fast Ethernet LAN 100 Mbit/s 80-95 % szybkości sieci PIV 1.5 GHz, 256 MB RAM, ATA 40 GB, Fast Ethernet, Windows ME Stacje użytkowników

4. Struktura systemu System operacyjny Aplikacja Nadawanie Infrastruktura sieciowa Kontroler dysku Pamięć RAM Karta sieciowa Dysk System operacyjny Aplikacja Odbieranie Infrastruktura sieciowa Karta sieciowa Pamięć RAM Kontroler dysku Dysk

5. Praca aplikacji przesyłającej dane while( są_dane(źródło_danych) ) { ilość_danych = read( źródło_danych, bufor, długość_bufora ); write( ujście danych, bufor, ilość_danych); }

6. Praca aplikacji bez trybów DMA Dysk CPU Sieć czas

7. Praca aplikacji z trybami DMA (1/3) Dysk CPU Sieć czas

8. Praca aplikacji z trybami DMA (2/3) Dysk CPU Sieć czas

9. Praca aplikacji z trybami DMA (3/3) Dysk CPU Sieć czas

10. Aplikacja testowa • działanie podobne do rzeczywistych aplikacji przesyłających dane • łatwa modyfikacja konstrukcji i parametrów aplikacji • operacje dyskowe • operacje sieciowe • generowanie strumienia danych • wykonywanie pomiarów • praca pod kontrolą wybranych systemów operacyjnych

11. Metoda analizowania przepływu informacji (1/2) a) sytuacja standardowa – monolityczna aplikacja aplikacja źrodło ujście b) wyodrębnienie obsługi bufora źrodło ujście c) podział na moduły źrodło ujście

12. Metoda analizowania przepływu informacji (2/2) magazyn wejście wyjście broker rozdzielacz

13. Model aplikacji (MBNF) łańcuch = wejście magazynowanie. magazynowanie = magazyn reszta. reszta = ( wyjście | broker magazynowanie | rozdzielacz reszta reszta ).

14. Przykładowe konfiguracje aplikacji standardowa dwustopniowe buforowanie zwielokrotnienie strumienia danych

15. Nowe terminy • przeskok - przekazanie sterowania między funkcjami obsługującymi ogniwa • współczynnik proporcjonalności L – iloraz liczby przeskoków do liczby przesłanych bajtów danych, gdy liczba przesłanych bajtów danych dąży do nieskończoności

16. Przeskoki i współczynnik L podczas transmisji danych 1 2 źródło A B C ujście gdzie: L – średnia liczba przeskoków między modułami dla przesłania jednego bajtu danych B – pojemność bufora magazynu B (w bajtach)

17. Dwa warianty wymiany informacji wariant I – od pierwszego magazynu: 1 2 3 4 6 źródło A B C D E F ujście 5 G licznik 7 wariant II – od ostatniego magazynu: 6 4 3 2 1 źródło A B C D E F ujście G licznik 5

18. Wariant I wymiany informacji 1 2 3 4 6 źródło A B C D E F ujście 5 G licznik 7 gdzie: L – średnia liczba przeskoków między modułami dla przesłania jednego bajtu danych B – pojemność bufora magazynu B (w bajtach) E – pojemność bufora magazynu E (w bajtach) NWD – największy wspólny dzielnik

19. Wariant II wymiany informacji 6 4 3 2 1 źródło A B C D E F ujście G licznik 5 gdzie: L – średnia liczba przeskoków między modułami dla przesłania jednego bajtu danych B – pojemność bufora magazynu B (w bajtach) E – pojemność bufora magazynu E (w bajtach) NWD – największy wspólny dzielnik

20. Współczynnik L aplikacji • wariant I: • wariant II: gdzie: L – średnia liczba przeskoków między modułami dla przesłania jednego bajtu danych B – pojemność bufora magazynu B (w bajtach) E – pojemność bufora magazynu E (w bajtach) NWD – największy wspólny dzielnik

21. Projekt modułowej budowy aplikacji • przykładowe 2 warianty wymiany informacji między modułami • weryfikacja poprawności przedstawionych wzorów z użyciem symulatora (Scheme) • implementacja aplikacji testowej według wariantu I (C++)

22. Badania • systemów operacyjnych: • MS Windows ME • MS Windows 2000 • MS Windows XP • Linux • transmisji danych • warstwa liniowa: sieć typu LAN (Fast Ethernet) • warstwa sieciowa: protokół IP • warstwa transportowa: protokół TCP

23. Sposoby pracy aplikacji • generator  pamięć  licznik • generator  pamięć (dysk+licznik) • generator  pamięć  sieć • dysk  pamięć  licznik • dysk  pamięć  sieć • sieć  pamięć  licznik • sieć  pamięć (dysk+licznik)

24. Odczyt danych z pliku 2GB Sieć lokalna Fast Ethernet 100 Mbit/s karta PCI Fast Ethernet karta PCI Fast Ethernet Aplikacja Aplikacja Dysk ATA Dysk ATA Komputer Komputer

25. Czas odczytu danych z pliku 2GB bufor

26. Sieciowa transmisja danych (bufor 512B, plik 2GB) Sieć lokalna Fast Ethernet 100 Mbit/s karta PCI Fast Ethernet karta PCI Fast Ethernet Aplikacja Aplikacja Dysk ATA Dysk ATA Komputer Komputer

27. Liczby ramek o określonej długości (dane po 512 B) System operacyjny

28. Sklejanie danychw Microsoft TCP dane wejściowe Dane Dane Dane Max. rozmiar ramki nierówne rozmiary przesyłanych ramek R1 R2

29. Opóźnienia przy sieciowej transmisji pliku (bufor 10 KB)

30. Opóźnienia przy sieciowej transmisji pliku (bufor 100 KB)

31. Opóźnienia przy sieciowej transmisji pliku (bufor 1000 KB)

32. Opóźnienia przy sieciowej transmisji pliku (100 buf. 10KB)

33. Przesyłanie pliku 2GB przez sieć Sieć lokalna Fast Ethernet 100 Mbit/s karta PCI Fast Ethernet karta PCI Fast Ethernet Aplikacja Aplikacja Dysk ATA Dysk ATA Komputer Komputer

34. Szybkość zapisu pliku 2GB przesyłanego przez sieć buforowanie

35. Efektywność transmisji pliku 2GB przy zmianie sposobu buforowania

36. Wyniki badań • Linux jest stabilny podczas transmisji • systemy Windows są nieprzewidywalne • moja metoda – uzyskano ponad 99% efektywności sieciowej transmisji plików

37. Sposób wykorzystania nowej metody w projektowaniu systemów transmisji plików • przebadanie sprzętowych elementów systemu (dyski, sieć) za pomocą aplikacji skonstruowanej podobnie do mojej • napisać aplikację według zasad konstrukcji modułowej • dobrać system operacyjny

38. Wnioski • udowodniłem tezy rozprawy doktorskiej • stworzyłem metodę poprawiającą transmisję plików o 4-24%

45. Geneza pracy • współpraca z Ośrodkiem Szkolno-Wychowawczym dla Niewidomych Dzieci w Laskach • badania prowadzone przez: prof. Mrózek, prof. Grzywak, dr Winiarczyk, Piotr Brzoza

46. Transmisja plików • systemy operacyjne: • MS Windows ME, 2000 i XP • Linux • protokół TCP w sieci Fast Ethernet • pliki o dużej objętości: 100-700 MB • transmisja typu punkt-punkt

47. Transmisja plików Serwer Internet LAN 100 Mbit/s 80-95 % szybkości sieci Stacje użytkowników

48. Stanowisko badawcze karta PCI Fast Ethernet karta PCI Fast Ethernet Aplikacja Aplikacja Dysk ATA 20 GB Dysk ATA 20 GB Komputer Pentium III 866 MHz, 128 MB RAM, Windows 2000 Komputer Pentium III 866 MHz, 128 MB RAM, Windows 2000 Sieć lokalna Fast Ethernet 100 Mbit/s Analizator 75 % szybkości sieci

49. Opóźnienia przy sieciowej transmisji pliku ( bufor 10 KB)

50. Nowa koncepcja organizacji przesyłania danych a) sytuacja standardowa – monolityczna aplikacja aplikacja źrodło ujście b) wyodrębnienie obsługi bufora źrodło ujście c) podział na moduły źrodło ujście