3.3.      Format multimedijalnog materijala Video materijal je kodiran MPEG formatom zapisa. MPEG format sastoji se od tri vrste slika, tj okvira (frameova), koji se nazivaju intraframe (I), predictive frame (P) i interpolated frame (B). I-okvir je potpuno nezavisan od bilo kojeg drugog okvira u slijedu. Za razliku od njega, P okvir je kodiran koristeći procjenu pomaka i zavisi od prethodnog I ili P okvira, dok B okvir zavisi od prethodnog i slijedećeg I ili P okvira. Budući da P i B okviri koriste međuokvirnu kompresiju, oni su puno manji od I okvira, koji su nezavisni. Razmak između I okvira označava se sa n, a razmak između P okvira se označava sa m. Ove veličine zavise od kvaliteta slike (tj. rezoluciji). Neki od tipičnih formata MPEG2 standarda date su u tablici Tablica 3-1.  Dimenzije Bitrate Upotreba

352x480x24 Hz 2 Mbit/sec Ekvivalentno VHS kvaliteti. Namijenjeno filmu. Poluhorizontalni 601(HHR). Izgleda skoro kao emitirani NTSC

544x480x30 Hz (interlaced). 4 Mbit/sec PAL kvaliteta (skoro potpuni 5.4 MHz

luminentni signal) 704x480x30 Hz. (interlaced) 6 Mbit/sec Pune CCIR 601 dimenzije

Tablica 3-1: Neke tipične rezolucije MPEG2 filma

  U tablici Tablica 3-2 prikazane su neke tipične veličine I, P i B okvira, uzete iz standardnog uzorka sa n=15 i m=3. Ove se veličine koriste i u simulaciji.  Kvalitet slike I P B Prosječna 30 Hz SIF @ 1.15 Mbit/sec 150,000 50,000 20,000 38,000 30 Hz CCIR 601@ 4 Mbit/sec 400,000 200,000 80,000 130,000

Tablica 3-2: Tipične veličine pojedinih okvira

  Zanimljivo je kod MPEG standarda da je poredak okvira koji je spremljen na nekom spremniku, a koji je jednak poretku kojega dekoder dobiva, različit od vremenskog poretka, tj. poretka kako se slike trebaju prikazati. Vremenski poredak je prikazan na slici 4-2 dok je poredak spremanja i dohvaćanja prikazan na slici 4-3. 

Vremenski poredak: I  B  B  P  B  B  P  B  B  I  B  B  PBroj okvira:       1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 11 12 13 

Slika 3-1: Vremenski poredak slika u MPEG toku

      

 Ovakav poredak je logičan, jer okviri koji ovise o nekim drugima moraju doći poslije onih o kojima ovise, da se mogu dekodirati. Ovo ima za posljedicu potrebu postojanja spremnika na strani korisnika, kojeg će koristiti sam dekoder, a koji je, kako će se pokazati, dovoljan i za eliminaciju trzaja koji bi se javio kao posljedica zakašnjenja izvršavanja zahtjeva kod poslužitelja, te za izglađivanje varijacija kašnjenja same mreže. 3.4.      Snimanje multimedijalnog sadržaja na polje diskova Kao što je već više puta spomenuto, multimedijalni sadržaj (tj. film) koji je snimljen na polje diskova sastoji se od blokova određene veličine. Najpovoljnija je situacija kada je jedan blok filma jednake veličine kao i blok podataka na disku (odnosno jednak širini pruge, tj. pojasa RAID 5 polja). Pokazaće se da je ova veličina ključni faktor koji utiče na performanse sistema. 3.4.1.     RAID 3 

Struktura diskova kod RAID 3 organizacije je sitnozrnata. Ova struktura se ponekad naziva zrnatost nivoa bita ili bajta, što odražava činjenicu da su podaci

podijeljeni u vrlo male odjeljke preko diskova, odjeljke veličine bita ili bajta. Ovo rezultira aktiviranjem svakog diska u polju za posluživanje svakog zahtjeva, bez obzira koliko malu količinu podataka zahtijevali. Kod video poslužitelja, jedan blok filma veličine B je raspodijeljen na N diskova (ne računajući paritetni), pa je mjesto koje blok zauzima na pojedinom disku veličine B/N. Ovo je prikazano na slici  Slika 3-1.

Slika 3-1: Raspored blokova filma u RAID 3 sistem

 

3.4.2.     RAID 5 

Za razliku od RAID 3, pruge koje čine logičke blokove kod RAID 5 su šire. Kod konkretne upotrebe u video poslužitelju, širina pruge na jednom disku je jednaka veličini bloka filma, tako da u posluživanju pojedinog zahtjeva učestvuje samo jedan disk. Pri većem opterećenju, kada ima dovoljno zahtjeva da su svi diskovi aktivni u svakom ciklusu, tj. na svaki disk otpada otprilike jednak broj zahtjeva, količina podataka koja se čita sa svakog diska je jednaka količini koja bi se čitala sa ekvivalentnog polja diskova u RAID 3 varijanti. Međutim, budući da su blokovi u RAID 5 širi, broj postavljanja glava za čitanje je N puta manji kod RAID 5 nego kod RAID 3, što se lijepo vidi na slici Slika 3-1.   

Slika 3-1: Raspored blokova filma u RAID 5 sistemu

  

3.5.      Interakcija s korisnikom

 Pri dizajnu video poslužitelja treba obratiti pažnju na interaktivnost, tj. mogućnost komunikacije s korisnikom i što bržim odgovaranjem na njegove komande. Na primjer, kod prikazivanja filmova potrebno je podržati barem osnovne funkcije koje postoje na svakom video-rekorderu, a to su osim "start" i "stop" funkcija još i funkcije za premotavanje, odnosno "traženje" – fast forward (FF) i fast backward (FB)  tj. ubrzano unaprijed i unatrag. Na DVD uređaju postoje još i dodatne funkcije, kao slow motion sa biranjem brzine reprodukcije (1/16, 1/8, Ľ, ˝), i to unaprijed i unatrag, slika po sliku, te skok na određenu sekvencu ili na bilo koju poziciju u filmu. Postoji nekoliko načina za implementaciju ovih funkcija [6]. Razmotrimo, na primjer, slučaj kada je brzina traženja tri puta veća od normalne brzine reprodukcije: 

a)     multimedijski tok se dohvaća i prenosi mrežom trostruko brže nego kod normalne reprodukcije, a klijentski ga uređaj filtrira i prikazuje. Očito je da ovo rešenje zahtijeva trostruko veće resurse što se tiče dohvata, memorijskih međuspremnika i propusnosti mreže. Također postavlja dodatne zahtjeve na korisnički uređaj, koji treba brže procesirati pridolazeće podatke.

b)     polje diskova dohvaća i šalje svaku treću sliku klijentu. Ova šema takođe treba dodatne resurse jer multimedijska datoteka sada mora biti indeksirana da bi se dohvatile pojedine slike, a količina dohvaćenih podataka u jednom ciklusu je veća od normalne zbog strukture MPEG kodiranja, odnosno zavisnosti između pojedinih sličica filma. Ovo je i veće opterećenje za same diskove budući da moraju tražiti unutar bloka, što je operacija koju želimo po svaku cijenu izbjeći, da bi mogli poslužiti istovremeno što veći broj korisnika.

c)      sistem se prebacuje na drugi, posebno kodirani, ubrzani snimak.  Ova solucija eliminise sve dodatne zahtjeve na propusnost mreže ili brzinu dohvata sa polja diskova. Međutim, ona je skupa u smislu dodatnog kapaciteta diska na koji je snimljena ,a  i nefleksibilna jer podržava samo jednu brzinu premotavanja.

d)     za MPEG filmove se može izvesti ubrzana reprodukcija prikazujući samo one slike koje nisu zavisne o ostalima (I okvire, odnosno I i P okvire). Budući da su I okviri puno veći od ostalih, broj slika u sekundi se mora bitno reducirati da bi se održali jednaki zahtjevi na propusnost mreže. Gledalac bi na taj način morao pretrpjeti reprodukciju sa nižim brojem slika u sekundi od normalne tokom ubrzanog gledanja. Takođe, brzina ubrzanja nije fleksibilna

e)     rastavljanje MPEG slijeda na blokove veličine n slika (poglavlje 3.3), te preskakivanje izvjesnog broja blokova pri reprodukciji (u ovom slučaju prikazuje se svaki treći blok). Ako postavimo veličinu bloka filma na veličinu n MPEG slika, ovaj način se čini najbolji od navedenih. Međutim, budući da on postavlja uslov na veličinu bloka na diskovima, odnosno širinu pruge kod RAID polja, nije isplativ zbog toga što postoji jaka zavisnost cijene cijelog sistema od te veličine. Preskakivanje blokova

veličine koja je idealna glede cijene sustava pak nije moguće, jer ova veličina odgovara reprodukciji 2-3 sekunde materijala, odnosno reprodukcija bi postala previše skokovita.

 Razmotrivši sve ove prednosti i nedostatke, a uzevši u obzir stalno padanje cijena diskova, najbolja strategija se čini ona pod c). Budući da pokušavamo postići što veći broj podržanih istovremenih korisnika, šeme koje povećavaju zahtjeve na dohvaćanje sadržaja s diskova ili propusnost mreže otpadaju, shema e) otpada zbog prevelike veličine bloka kojeg bi trebalo preskočiti, a shema d) zbog prevelike degradacije kvalitete filma u ubrzanom načinu reprodukcije. Šema c) pruža od ovih svih najkvalitetniju sliku pri ubrzanom traženju, vrlo ju je lako implementirati, te ne zahtijeva dodatne resurse što se tiče brzine, nego samo kapaciteta, a samo jedna podržana brzina traženja nije prepreka većini prosječno zahtjevnih korisnika.Dakle, interaktivnost se postiže na sledeće načine:-         START/STOP: kad gledalac zaustavi film, privremeno se izbacuje iz reda

zahtjeva. Struktura podataka njemu pridružena sadrži redni broj sledećeg bloka filma koji se prikazuje kada nastavi reprodukciju. Tada se gledalac vraća u red zahtjeva.

-         Brzo unaprijed (FF): prikazuje se ubrzana verzija filma. Za svaki film postoji tablica koja povezuje redne brojeve normalnih blokova filma sa ubrzanim blokovima (u slučaju konstantne brzine traženja, ovo se može lako i analitički izraziti, bez potrebe za trošenjem memorijskog prostora na glomazne tablice)

-         Brzo unatrag (FB): ista ubrzana verzija filma se koristi i za pregledavanje unatrag, s tim da dekoder na korisničkoj strani prikazuje slike u obrnutom redoslijedu od normalnog, a poslužitelju se šalje zahtjev da blokove filma dohvaća također u obrnutom redoslijedu

-         Usporeno: ovo se isto izvodi s korisničke strane, s tim da je poslužitelj tada manje opterećen nego pri normalnom radu, budući da gledatelj sporije troši podatke. Gledatelj će rjeđe slati zahtjev za slijedećim blokom filma. Slično vrijedi i za usporenu reprodukciju unatrag. Treba napomenuti da će zbog načina kodiranja MPEG zapisa slika izgledati zamućenija pri filmskim sekvencama koje sadrže dinamično kretanje.

-         Slika po sliku: kao što je poznato, MPEG zapis izgleda mutno pri gledanju pojedinih slika (uočava se motion blur), međutim ovo je inherentno svojstvo ovog zapisa i nemoguće ga je izbjeći

-         Skok na određenu poziciju: gledatelj samo treba specificirati vrijeme na koje želi skočiti ili postotak filma (kojeg može postaviti npr. sliderom), nakon čega je lako izračunati redni broj bloka od kojeg treba nastaviti prikazivanje filma.

 Vidi se da ni jedna od ovih operacija ne predstavlja dodatno opterećenje na polje diskova niti na mrežu (štoviše neke od njih ga smanjuju).Treba reći nešto i o vremenu odziva na korisničke komande. Naravno, idealno bi bilo da je to vrijeme što manje. Pri dohvaćanju blokova u ciklusima kao što se ovdje razmatra, vrijeme odziva je jednako duljini ciklusa plus kašnjenju mreže u

oba smjera. Duljina ciklusa je kod RAID 5 poslužitelja između 1,8 i 3,3 sekunde što je uporedivo vremenu odziva kod klasičnog videorekordera.

4.5.      Rad sistema pri ispadu jednog diska Pri analizi rada sistema pri normalnom radu i ispadu jednog diska potrebno se obratiti pažnju na konkretnu namjenu za koju je polje diskova dizajnirano, a to je u ovom slučaju multimedijalni server. Ovo je važno naglasiti, jer o tome uveliko zavise performanse sistema. Paritetni disk kod RAID 3 predstavlja usko grlo pri pisanju jer su potrebna četiri pristupa, no ukoliko se sa diskova isključivo samo čita, ovaj disk je u potpunosti neiskorišćen pri normalnom načinu rada kada su svi diskovi ispravni, što predstavlja gubitak efikasnosti naspram RAID 5 organizacije gdje su svi diskovi u polju iskorišćeni zbog raspodijeljenog pariteta, iako taj gubitak postaje sve manji kako veličina polja raste. No ključna je razlika u ove dvije organizacije polja diskova u slučaju da jedan disk zakaže. Ovaj je slučaj prikazan na slici Slika 4-1. Budući da u čitanju jednog bloka podataka kod RAID3 sudjeluju svi diskovi, ako jedan od njih zakaže, treba jednostavno pročitati odgovarajući blok veličine B3/D3 sa paritetnog diska. U ovom slučaju nema gubitaka (osim što su sada potrebni izvjesni proračuni koje kontroler polja mora izvesti da bi rekonstruisao podatke koji su bili na pokvarenom disku). Važan aspekt RAID 3 arhitekture je taj da se efikasnost ne degradira nakon ispada jednog diska. Nasuprot tome, pojasevi koji se čitaju sa diskova u RAID 5 organizaciji uopšteno nijesu na istom mjestu, tj. čitanje nije simetrično kao kod RAID 3, pa se pri ispadu jednog diska moraju aktivirati svi ostali diskovi i svaki mora pročitati pojas pokvarenog diska, što je prikazano na slici Slika 4-2. Na taj način opterećenje sistema se udvostručava. Ovo bi se moglo tolerisati u sistemu koji je slabo opterećen. Međutim, u opterećenijem sistemu (kakav bi bio preferiran zbog cijene), sistem se mora rasteretiti, jer efikasnost pada na polovinu.

 

Slika 4-1: Uticaj kvara jednog diska na efikasnost RAID 3 polja

  

 Slika 4-2: Uticaj kvara jednog diska na efikasnost RAID 5 polja

Background

Historically, floppy drives have been widely used to share data files, but today the storage needs of the average person far exceed the capacity of floppies. Businesses now maintain an

increasingly large number of electronic documents and presentation sets including video clips. Home computer users, with the advent of MP3 music files and JPEG images scanned from

photographs, likewise require greater and more convenient storage.

Central file servers use basic client/server networking technologies to solve these data storage problems. In its simplest form, a file server consists of PC or workstation hardware running a

network operating system (NOS) that supports controlled file sharing (such as Novell NetWare, UNIX® or Microsoft Windows). Hard drives installed in the server provide gigabytes of space

per disk, and tape drives attached to these servers can extend this capacity even further.

File servers boast a long track record of success, but many homes, workgroups and small businesses cannot justify dedicating a fully general-purpose computer to relatively simple data

storage tasks. Enter NAS.

What Is NAS?

NAS challenges the traditional file server approach by creating systems designed specifically for data storage. Instead of starting with a general-purpose computer and configuring or removing features from that base, NAS designs begin with the bare-bones components

necessary to support file transfers and add features "from the bottom up."

Like traditional file servers, NAS follows a client/server design. A single hardware device, often called the NAS box or NAS head, acts as the interface between the NAS and network clients. These NAS devices require no monitor, keyboard or mouse. They generally run an embedded operating system rather than a full-featured NOS. One or more disk (and possibly tape) drives can be attached to many NAS systems to increase total capacity. Clients always connect to the

NAS head, however, rather than to the individual storage devices.

Clients generally access a NAS over an Ethernet connection. The NAS appears on the network as a single "node" that is the IP address of the head device.

A NAS can store any data that appears in the form of files, such as email boxes, Web content, remote system backups, and so on. Overall, the uses of a NAS parallel those of traditional file

servers.

NAS systems strive for reliable operation and easy administration. They often include built-in features such as disk space quotas, secure authentication, or the automatic sending of email

alerts should an error be detected.

NAS Protocols

Communication with a NAS head occurs over TCP/IP. More specifically, clients utilize any of several higher-level protocols (application or layer seven protocols in the OSI model) built on

top of TCP/IP.

The two application protocols most commonly associated with NAS are Sun Network File System (NFS) and Common Internet File System (CIFS). Both NFS and CIFS operate in

client/server fashion. Both predate the modern NAS by many years; original work on these protocols took place in the 1980s.

NFS was developed originally for sharing files between UNIX systems across a LAN. Support for NFS soon expanded to include non-UNIX systems; however, most NFS clients today are

computers running some flavor of the UNIX operating system.

The CIFS was formerly known as Server Message Block (SMB). SMB was developed by IBM and Microsoft to support file sharing in DOS. As the protocol became widely used in Windows, the

name changed to CIFS. This same protocol appears today in UNIX systems as part of the Samba package.

Many NAS systems also support Hypertext Transfer Protocol (HTTP). Clients can often download files in their Web browser from a NAS that supports HTTP. NAS systems also

commonly employ HTTP as an access protocol for Web-based administrative user interfaces.

better security higher availability (less downtime)

easier to use and administer

NAS products improve on traditional file servers generally through the principle of simplification. By stripping out all of the unnecessary capabilities of a general purpose server --

applications, services or daemons, and hardware peripherals -- a NAS device becomes less prone to system "crashes" and security attacks. When a problem does occur, a NAS system

can be diagnosed and rebooted much faster due to its lower level of complexity.

NAS products also generally hide the operating system personality of the device. Whereas Windows, UNIX and NetWare file servers each demand specific protocol support on the client

side, NAS systems strive for greater operating system independence of clients.

Opponents of NAS emphasize that traditional file servers have a proven record of success compared to this new breed of "upstart" NAS systems. High-end file systems also contain more

processing power than a NAS device, giving servers a performance edge (in terms of transactions or I/O per second rates) over NAS.

NAS vs. SAN

At a high level, Storage Area Networks (SANs) serve the same purpose as a NAS system. A SAN supplies data storage capability to other network devices. Traditional SANs differed from

traditional NAS in several ways. Specifically, SANs often utilized Fibre Channel rather than Ethernet, and a SAN often incorporated multiple network devices or "endpoints" on a self-

contained or "private" LAN, whereas NAS relied on individual devices connected directly to the existing public LAN. The traditional NAS system is a simpler network storage solution,

effectively a subset of a full SAN implementation.

The distinction between NAS and SAN has grown fuzzy in recent times, as technology companies continue to invent and market new network storage products. Today's SANs sometimes use Ethernet, NAS systems sometimes use Fibre Channel, and NAS systems

sometimes incorporate private networks with multiple endpoints. The primary differentiator between NAS and SAN products now boils down to the choice of network protocol. SAN

systems transfer data over the network in the form of disk blocks (fixed-sized file chunks, using low-level storage protocols like SCSI) whereas NAS systems operate at a higher level with the

file itself.

Conclusion

The new breed of NAS networking products has succeeded in providing a reasonable alternative to traditional file servers in client/server networks. Entry-level NAS products

containing 20-50 gigabytes of storage can be purchased for $500 (USD) or less, whereas mid-range and high-end NAS systems can run in the tens of thousands of dollars. Besides cost, a

NAS promises reliable operation and easy management. Look for the Network Attached Storage technology to keep evolving as the field matures over the next several years.

We regularly discuss home networking on our message board called the Computer Networking Forum. Consider writing your comments and questions there.