Связь на основе потоков данных

Модели взаимодействия, обсуждавшиеся выше, касались обмена более или менее независимыми, законченными порциями информации. Примерами таковых являются запросы и обращения к процедурам, ответы на подобные запросы и обмен сообщениями между приложениями в системах очередей сообщений. Характерной чертой подобного взаимодействия является его индифферентность к тому, в какой конкретно момент времени оно происходит. Несмотря на то, работает система очень быстро или очень медленно, это никак не сказывается на корректности ее работы.

Однако существуют формы взаимодействия, в которых временные характеристики имеют решающее значение. Рассмотрим, например, поток аудиоданных, состоящий из последовательности 16-битных выборок, каждая из которых представляет собой амплитуду звуковой волны в импульсно-кодовой модуляции. Предположим также, что поток аудиоданных имеет качество компакт-дисков, а это значит, что исходный звук был оцифрован с частотой 44 100 Гц. Для воспроизведения звука необходимо, чтобы выборки аудиопотока проигрывались в том же порядке, в котором они представлены в потоке данных, и с интервалами, ровно по 1/44100 с. Воспроизведение с другой скоростью создаст неверное представление об исходном звуке.

В этом разделе мы рассмотрим вопрос о том, какие средства могут предложить нам распределенные системы для работы с информацией, критичной к временным характеристикам передачи, такой как видео- и аудиопотоки.

Поддержка непрерывных сред

Поддержка обмена критичной к временным характеристикам передачи информации часто сводится к поддержке непрерывных сред. Под средой понимается то, что несет информацию. Сюда могут входить среды передачи и хранения, среда представления, например монитор, и т. д. Важнейшая характеристика среды — способ представления информации. Другими словами, как информация кодируется в компьютерной системе? Для различных типов информации используются различные представления. Так, текст обычно кодируется символами ASCII или Unicode. Изображения могут быть представлены в различных форматах, например GIF или JPEG. Аудиопотоки в компьютерных системах могут кодироваться, например, с помощью 16-битных выборок, использующих импульсно-кодовую модуляцию.

В непрерывной среде представления (continuous representation media) временные соотношения между различными элементами данных лежат в основе корректной интерпретации смысла данных. Мы уже давали пример получения звука при воспроизведении аудиопотока. В качестве другого примера рассмотрим представление движения. Движение может быть представлено в виде серии картинок, причем последовательно идущие картинки должны воспроизводиться в течение одинакового срока T, обычно составляющего 30–40 мс на картинку. Правильное воспроизведение требует не только показа картинок в нужной последовательности, но и поддержания постоянной частоты показа — 1/T картинок в секунду.

В отличие от непрерывной среды дискретная среда представления (discrete representation media), характеризуется тем, что временные соотношения между элементами данных не играют фундаментальной роли в правильной интерпретации данных. Типичными примерами дискретной среды являются представления текста и статических изображений, а также объектный код и исполняемые файлы.

Поток данных

Для обмена критичной ко времени передачи информацией распределенные системы обычно предоставляют поддержку потоков данных (data streams, или просто streams). Поток данных есть не что иное, как последовательность элементов данных. Потоки данных применимы как для дискретной, так и для непрерывной среды представления. Так, каналы UNIX или соединения TCP/IP представляют собой типичные примеры дискретных потоков данных (байт-ориентированных). Воспроизведение звукового файла обычно требует непрерывного потока данных между файлом и устройством воспроизведения.

Временные характеристики важны для непрерывных потоков данных. Для поддержания временных характеристик часто приходится выбирать между различными режимами передачи. В асинхронном режиме передачи (asynchronous transmission mode) элементы данных передаются в поток один за другим, но на их дальнейшую передачу никаких ограничений в части временных характеристик не вводится. Это традиционный вариант для дискретных потоков данных. Так, файл можно преобразовать в поток данных, но выяснять точный момент окончания передачи каждого элемента данных чаще всего бессмысленно.

В синхронном режиме передачи (synchronous transmission mode) для каждого элемента в потоке данных определяется максимальная задержка сквозной передачи. Если элемент данных был передан значительно быстрее максимально допустимой задержки, это не важно. Так, например, датчик может с определенной частотой измерять температуру и пересылать эти измерения по сети оператору. В этом случае временные характеристики могут вызвать наш интерес, если время сквозного прохождения сигнала по сети гарантированно ниже, чем интервал между измерениями, но никому не повредит, если измерения будут передаваться значительно быстрее, чем это действительно необходимо.

И, наконец, при изохронном режиме передачи (isochronous transmission mode) необходимо, чтобы все элементы данных передавались вовремя. Это означает, что передача данных ограничена максимально, а также минимально допустимыми задержками, также известными под названием предельного дрожания. Изохронный режим передачи, в частности, представляет интерес для распределенных систем мультимедиа, поскольку играет значительную роль в воспроизведении аудио- и видеоинформации. Далее мы коснемся только непрерывных потоков данных.

Рис. 2.29. Передача потока данных по сети между двумя процессами (а), между двумя устройствами (б)

Потоки данных могут быть простыми или комплексными. Простой поток данных (simple stream) содержит только одну последовательность данных. Комплексный поток данных (complex stream) состоит из нескольких связанных простых потоков, именуемых вложенными потоками данных (substreams). Взаимодействие между вложенными потоками в комплексном потоке часто также зависит от времени. Так, например, стереозвук может передаваться посредством комплексного потока, содержащего два вложенных потока, каждый из которых используется для одного аудиоканала. Важно отметить, что эти два вложенных потока постоянно синхронизированы. Другими словами, элементы данных каждого из потоков должны передаваться попарно для получения стереоэффекта. Другим примером комплексного потока данных может быть поток данных для фильма. Такой поток мог бы состоять из одного видеопотока и двух аудиопотоков для передачи стереофонической звуковой дорожки к фильму. Четвертый поток мог бы содержать субтитры для глухих или синхронный перевод на другой, нежели в звуковой дорожке, язык. И вновь необходима синхронизация вложенных потоков. При нарушениях синхронизации нарушается нормальное воспроизведение фильма.

Поток данных нередко может рассматриваться в виде виртуального соединения между источником и приемником. Источник или приемник может быть процессом или устройством. Например, при передаче данных через сеть процесс-источник может читать данные из аудиофайла и пересылать их, байт за байтом, по сети. Приемник может быть процессом, по мере поступления выбирающим байты и передающим их на локальное устройство звуковоспроизведения. Такую ситуацию иллюстрирует рис. 2.29, а, С другой стороны, в распределенных мультимедийных системах можно реализовать прямое соединение между источником и приемником. Так, видеопоток, создаваемый камерой, может напрямую передаваться на дисплей, как показано на рис. 2.29, б.

Другая ситуация имеет место в зависР1мости от того, имеется у нас всего один источник или приемник или мы можем организовать многостороннюю связь. Наиболее частая ситуация при многосторонней связи — присоединение к потоку данных нескольких приемников. Другими словами, осуществляется групповая рассылка потока данных нескольким получателям, как показано на рис. 2.30.

Рис. 2.30. Пример групповой рассылки потока данных нескольким получателям

Главной проблемой групповой рассылки потоков данных являются разные требования разных приемников к качеству потока. Рассмотрим, например, источник передачи высококачественного кино со стереозвуком. Он может потребовать комплексного потока данных, содержащего вложенный поток для видео, по которому с частотой 50 Гц передается картинка, и два вложенных потока для аудио с качеством на уровне компакт-дисков. Даже при использовании современных технологий сжатия комплексный поток может потребовать скорости передачи порядка 30×10⁶ бит/с. Не всякий приемник в состоянии обработать такой объем данных. Поэтому поток должен быть настроен на фильтрацию, которая приводит в соответствие качество входящего потока и отличное от него качество исходящего потока, как показано на рис. 2.30.

Библиографический список

1. Таненбаум Э., ван Стеен М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб.: Питер, 2003. — 877 с.

Лекция №15-16