1

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

2

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.

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:

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

3

Jenis Komponen Contoh Transmission Wayar, Fiber, Repeater Switching Switches, routers, PBXs,

ISDN exchanges, ATM Swtiches Store-and-forward application relay

Message Transfer Agents (MTAs)

Multicasting components Multicast routers, document explicators, mail distributors

Application translator Mail protocol translators, transcorder MCUs

Mirror and cache News mirrors, WWW document caches Network service 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 node-

node 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.

4

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 store-

and-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.

5

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

6

• 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.

7

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.

8

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

9

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.

10

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.

11

Terdapat tiga jenis replication of data dalam multimedia:

• Bit Stream Replication

• Block Stream Replication

• Message, files, document Replication

1.3 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

12

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)

13

• 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.) Bit rates required for real-time uncompressed video

• Ucompressed HDTV: 2 Gbps

• Ucompressed Studio-quality TV: 166 Mbps

b.) 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

c.) 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

14

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.