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author Nobuyasu Oshiro <dimolto@cr.ie.u-ryukyu.ac.jp>
date Thu, 08 Sep 2011 17:23:58 +0900
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<title>2011/9/6</title>
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<div id="controls"><!-- DO NOT EDIT --></div>
<div id="currentSlide"><!-- DO NOT EDIT --></div>
<div id="header"></div>
<div id="footer">
<h1>ゼミ: 2011/ 9/ 6</h1>
<h2>並列信頼研</h2>
</div>
</div>

<div class="presentation">


      <div class="slide">
        <h1>Java による授業向け画面共有システムの設計と実装 </li>
        <h3></h3>
	<li>大城 信康  谷成 雄</li>
        <h4><a href="http://ie.u-ryukyu.ac.jp/" rel="external">琉球大学 並列信頼研究室</a></h4>
        <div class="handout"></div>
      </div>


      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>目的と背景</h1>
	<li>大学の講義中、スクリーンに映されている画面は後ろの席程見えずらい。 </li>
	<li>その問題を手元のPCにも写せるようにすることで解決しようと考えた。</li>
	<li class="incremental">60人以上での画面共有を行うことを目標とする。</li>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
        <h1>VNCを用いての画面共有</h1>
	<li>画面を共有する方法 -> VNC</li>
	<li>VNC: Virtual Network Computing </br>ネットワークを介してコンピュータを遠隔操作するプログラム </li>
	<li>VNCのリモートPCの画面を写す機能を利用する。</li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>通常のVNCの問題点</h1>
	<table class="center">
	  <tr>
	    <td width=50% >
	      <p style="text-aline: center;" >
	      <img clas="scale" src="./pix/NormalVNC3.png" width="450">
	      </p>
	      </td>
	    <td width=50% style="text-align: left;">
	      <li><small>VNC Serverの負荷が重い。</small></li>
	      <li><small>Server側の通信網1本への通信負荷が高い。</small></li>
	  </td>
	</tr>
	</table>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>通常のVNCの問題点</h1>
	<p style="text-align: center;">
	  <li>
	  <samll>1台と48台でVNCをかけた時のスループットとサーバ側のCPU使用率</small>
	  </li>
	</p>
	<table class="center" class="incremental" border=1>
	  <tr>
	    <td></td>
	    <td>スループット(単位:Byte)</td>
	    <td>CPU使用率</td>
	  </tr>

	  <tr>
	    <td>1台</td>
	    <td>20M</td>
	    <td>15%</td>
	  </tr>

	  <tr>
	    <td>48台</td>
	    <td>0.4M</td>
	    <td>100%</td>
	  </tr>
	</table>
	<li>VNCに使われるCPUの使用率が100%になり、スループットが5分の1まで下がっている。</li>

      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>VNCの問題点の解決策</h1>
	<p style="text-align: center;">
	<small>クライアントを木構造で接続させる</samll><br>
	<img class="scale" src="./pix/TreeVNC0.png" width="500" heigth="500"><br>
	</p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>TreeVNCの利点</h1>
	<table class="center" width=100% style="text-align: center;">
	  <tr>
	    <td><small>通常のVNC</small></td>
	    <td><small>TreeVNC</small></td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td>
		<img class="scale" src="./pix/NormalVNC3.png" width="300">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/TreeVNC3.png" width="300">
	    </td>
	  </tr>
	    </p>
	</table>
	<li>クライアントが増えてもかかる負荷一定。</li>
	<li>通信網1本に対する負荷が減り、安定した通信ができる(有線)。</li>
	</div>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>TreeVNCの利点</h1>
	<table class="center" width=100% style="text-align: center;">
	  <tr>
	    <td><small>通常のVNC</small></td>
	    <td><small>TreeVNC</small></td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td>
		<img class="scale" src="./pix/NormalVNC3.png" width="300">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/TreeVNC3.png" width="300">
	    </td>
	  </tr>
	    </p>
	</table>
	<table class="center" border=1 cellspacing="0" width=80%>
	  <tr>
	    <td></td>
	    <td>通常のVNC</td>
	    <td>TreeVNC</td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td>最大負荷</td>
	    <td> N * データ量 (クライアントの数に比例) </td>
	    <td> (M+1) * データ量</td>
	  </tr>
	</table>
	<p style="text-align: center;"><small>クライアントの数をN、木構造の子供の数をMとする</small> </p>
	</div>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>TreeVNCの設計</h1>
	<li>TreeVNCのクライアントは最初にTop Proxyに接続を行う。</li>
	<li>データは木の下へと流れていく。</li>
	<li>tightVNC ViewerのJava版(ver 1.3)を元にTreeVNCの実装を行う。</li>
	<p style="text-align: center;">
	  <img class="scale" src="./pix/TreeVNC0.png" width="500" heigth="500">
	    </p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>発表内容</h1>
	<ul>
	  <li>RFB Protocol</li>
	  <li>データ転送量</li>
	  <li>ZRLE Encodingの問題</li>
	  <li>データ転送に用いたMulticastQueueについての説明</li>
<!--	  <li>TreeVNCのデモ</li> -->
	  <li>木構造の再構築</li>
	</ul>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>RFB protocol</h1>
	<li>Remote Frame Buffer Protocol : <br>GUI操作によるリモートアクセス用の通信プロトコル。VNCで用いられる。</li>
	<li>転送される画面(フレームバッファ)のデータは変更があった部分(差分)だけが矩形単位で送られる。</li>
	<table class="center" width=100%>
	  <tr>
	    <td>
	      <img src="./pix/hadesScreen1.png">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/rightArrow.png">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/hadesScreen2.png">
	      </td>
	    </tr>
	    </table>
	    <small>
	    <p style="text-align: center;"><font color=red>□ </font>で囲まれている矩形のデータだけが送られてくる。 </p>
	    </small>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>VNC のシーケンス図</h1>
       <table class="scale" width=100% >
	 <tr>
	   <td width=50%>
	     <img class="scale" src="./pix/VNC-Sequence-.png"  height=80%>
	     </td>
	     <td width=50% align="left">
	       <small>
	       <li><font color=blue>1~5</font>まではinitial seaquenceとなる。</li>
	       <li><font color=orange>6</font>以降は繰り返し行われる処理。画面のデータが転送されてくる。</li>
	       </small>
	     </td>
	 </tr>
	 </table>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>RFB Protocol</h1>
	<li>FramebufferUpdateRequest:</li>
	<li><small>画面に差分が発生したらサーバから教えて貰うためのリクエスト</small></li>
<small>
<table>
<td width=50%>
<table border=1 cellspacing="0">
  <tr>
    <td>バイト数</td>
   <td><pre>型　　　[値]</pre></td>
    <td>説明 </td>
  </tr>

  <tr>
    <td>1</td>
    <td><pre>U8         3</pre></td>
    <td>message-type </td>
  </tr>

  <tr>
    <td>1</td>
    <td><pre>U8<pre></td> 
    <td>incremental</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>x-position</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>y-position</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>width</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>height</td>
  </tr>

</table>
</td>
</table>
<li>このリクエストはTop Proxyだけが行う。 </li>
</small>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>RFB Protocol</h1>
	<li>FramebufferUpdate: <small>画面の更新データ</small></li>
	
<small>
<table border=1 cellspacing="0" >
    <tr>
    <td>バイト数</td>
   <td><pre>型　　　[値]</pre></td>
    <td>説明 </td>
  </tr>

  <tr>
    <td>1</td>
    <td><pre>U8          0</pre></td>
    <td>message-type </td>
  </tr>

  <tr>
    <td>1</td>
    <td><pre>U8<pre></td> 
    <td>padding</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>number-of-rectangles</td>
  </tr>

</table>
   <li>以下number-of-rectanglesの数だけ矩形のデータが続く</li>

<table width=100%>
<td>
<table border=1 cellspacing="0" width=50%>
    <tr>
    <td>バイト数</td>
   <td><pre>型　　　</pre></td>
    <td>説明 </td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>x-position</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>y-position</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>width</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>2</td>
    <td><pre>U16<pre></td> 
    <td>height</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>4</td>
    <td><pre>U32<pre></td> 
    <td>encoding-type</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>...</td>
    <td><pre>...<pre></td> 
    <td>PIXEL DATA</td>
  </tr>


</table>
</td>
<td>
</td>

</table>


</small>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>RFB Protocol</h1>
	<li style="text-align: center;"><small>例:FramebufferUpdate</small></li>
<table class="center" border=1 cellspacing="0" width=50%>
  <tr>
    <td>x-position</td>
    <td>336</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>y-position</td>
    <td>388</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>width</td>
    <td>724</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>height</td>
    <td>449</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>encoding-type</td>
    <td>16(ZRLE)</td>
  </tr>

  <tr>
    <td>ZRLE</td>
    <td>...</td>
  </tr>
</table>

	<table class="center">
	  <tr>
	    <td>
	      <img src="./pix/hadesScreen1.png">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/rightArrow.png">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/hadesScreen2.png">
	      </td>
	    </tr>
	    </table>

	  </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>データ転送量</h1>
	<p style="text-align: center;">
	  <small>矩形の大きさと描画に必要なデータ量(単位:Byte)</small>
	</p>
	  <table class="center"  border=1 cellspacing="0" width=80%>
	    <tr>
	      <td>矩形の大きさ \ エンコード</td>
	      <td>RAW</td>
	      <td>ZRLE</td>
	    </tr>

	    <tr>
	      <td>724 * 449</td>
	      <!--
	      <td>1300304</td> 
	      <td>796642</td> 
	      -->
	      <td>1.3M</td>
	      <td>0.8M</td>
	    </tr>

	    <tr>
	      <td>1920 * 64</td>
	      <!--
	      <td>491520</td>
	      <td>309602</td>
	      -->
	      <td>0.5M</td>
	      <td>0.15M</td>
	    </tr>

	    <tr>
	      <td>1920 * 1080</td>
	      <!--
	      <td>8294400</td>
	      <td>3472780</td>
	      -->
	      <td>8.2M</td>
	      <td>3.4M</td>
	    </tr>

	  </table>

	<p style="text-align: center;">
	  <img src="./pix/dataLength.png" width="450" heigth="325"> <br>
	    <small>RAW、ZRLE、ZRLEEエンコードのデータ量の比較</small>
	</p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>データ転送量</h1>
	<li>クライアントが60台の時の通常のVNCと、２分木構成にしたTreeVNCの通信網への負荷について考える。</li>
	<table class="center" border=1 cellspacing="0" width=80%>
	  <tr>
	    <td></td>
	    <td>通常のVNC</td>
	    <td>TreeVNC</td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td>最大負荷</td>
	    <td> N * データ量(クライアントの数に比例) </td>
	    <td> (M+1) * データ量</td>
	  </tr>
	</table>
	<p style="text-align: center;"><small>クライアントの数をN、木構造の子供の数をMとする</small> </p>
	<li>N = 60、 M = 1 となる。</li>
	<li>724 * 449 の画面分のデータ(0.8M)を送信するとする。 </li>
	
	</div>
	<!-- PAGE -->
	<div class="slide">
	  <h1>データ転送量</h1>
	  <li></li>
	<table class="center" border=1 cellspacing="0" width=80%>
	  <tr>
	    <td></td>
	    <td>通常のVNC</td>
	    <td>TreeVNC</td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td>最大負荷</td>
	    <td>48M</td>
	    <td>2.4M</td>
	  </tr>
	</table>

	<table class="center" width=100% style="text-align: center;">
	  <tr>
	    <td><small>通常のVNC</small></td>
	    <td><small>TreeVNC</small></td>
	  </tr>
	  <tr>
	    <td width=50%>
		<img class="scale" src="./pix/NormalVNC4.png">
	      </td>
	    <td>
	      <img src="./pix/TreeVNC5.png">
	    </td>
	  </tr>
	    </p>
	  </table>
	  <small>	  
	  <p style="text-align: center">クライアント:60台 TreeVNCは2分木でTreeを構成 </p>
	  </small>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>エンコード</h1>
	<li>MacintoshでVNCを行うとZRLEを使うことができる。</li>
	<li>データ量がRAWデータの約4分の1のデータ量ですむ。</li>
	<li class="incremental">TreeVNCではこのZRLEを扱っている。</li>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>ZRLE</h1>
	<li>ZRLE : Zlib Run-Length Encoding </li>
	<ul>
	  <li>Zlib圧縮(gzip)されたデータ扱うエンコーディング。</li>
	</ul>
	  <li>最初の4バイトにはZlibのデータの長さが、続いてZlibのデータが送られてくる。</li>
	  <small>
	  <table border=1 width=50% cellspacing="0">
	    <tr>	
      <td>バイト数</td>
	      <td><pre>型　</pre></td>
	      <td>説明 </td>
	    </tr>
	    <tr>
	      <td>4</td>
	      <td>U32</td>
	      <td>length</td>
	    </tr>
	    <tr>
	      <td>length</td>
	      <td>U8 array</td>
	      <td>zlibData</td>
	    </tr>
	  </table>
	  </small>

	  <li>Zlibデータ</li>
	  <ul>
	    <li>Zlibデータは辞書を元にデータの解凍を行う</li>
	</ul>
	<li class="incremental">辞書がなければデータを正しく解凍できない</li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>ZRLEの問題</h1>
	<li>辞書はZlibデータの最初に送られてくる。</li>
	<li>ZRLEのデータを最初から送ることができれば、辞書も送ることができる。</li>
	<li>データの途中から送ると辞書は送られず、正しく解凍を行うことができない。</li>
	<table class="textcenter" width=100%>
	  <tr>
	    <td>
	  <img src="./pix/ZRLE.png" width="600" >
	  </td>
	<td>
	    <img src="./pix/ZRLE2.png" width="600" >
	  </td>
	</tr>
	  </table>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>ZRLEE</h1>
	<li>そこで、Top ProxyにZRLEのデータを再度圧縮し直すことで辞書を付けてもらうことにした。以下はその部分のソースである。</li>
<small>	
	<pre>
Deflater nDeflater = deflater; // new Deflater();
LinkedList<ByteBuffer> out = new LinkedList<ByteBuffer>();
unzip(inflater, inputs, 0 , out, INFLATE_BUFSIZE);
// dump32(inputs);
int len2 = zip(nDeflater, out, 0, bufs);
</pre>
</small>
<li>一度再圧縮してしまえば後はどこからデータを流しても問題ない。</li>
	<table class="textcenter" width=100%>
	  <tr>
	    <td>
	      <img src="./pix/ZRLEE2.png" width="600">
		</td>
	      <td>
	      <img src="./pix/ZRLEE3.png" width="600">
		</td>
	      </tr>
	    </table>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>ZRLEE</h1>
	  <li>クライアント側は毎回新しいZRLEのストリームを使うようにする。</li>
	  <pre>
	    if (rfb.updateRectEncoding==RfbProto.EncodingZRLEE) 
   	       zrleInStream = null;
	    if (zrleInStream == null)
	       zrleInStream = new ZlibInStream();
	  </pre>
	  <li>JavaではZlibの辞書の取り出しが実装されていなかった為、このような方法をとることになった。</li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueue</h1>
	<li>MulticastQueueの図を入れる。 </li>
	<p style="text-align: center;">
	<small>
	  接続されてきた時点からデータの送信が始まる。データは読み込まれるまでメモリ上に残っている。
	</small>
	</p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueue</h1>
	<li>MulticastQueueからデータを取り出し子供に送っている部分のソース</li>
	<pre>
LinkedList<ByteBuffer> bufs = c.poll();
int inputIndex = 0;
ByteBuffer header = bufs.get(inputIndex);
if (header==null) continue;
writeToClient(os, bufs, inputIndex);
</pre>
<li>c.poll(inputIndex) 内部では次の処理を行っている。</li>
<pre>
latch.await();
return next;
</pre>
<li>次のデータが用意できるまでawait()で待つのである。</li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueue</h1>
	<li>データは作られるとMulticastQueueにputされる。</li>
	<p><small>put内部ではつぎの処理が行われる。</small></p>
	<pre>
Node<T> next = new Node<T>(item);
tail.set(next);
tail = next;
	  </pre>

<small>
<p>
set()内部ではlatchがcountDown()され、await()で止まっていたスレッドが動き出す。
</small>
      </div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueue</h1>
	<li>MulticastQueueは次の次のデータへの参照を順序良く行うためのクラスである。</li>
	<li></li>

	<li>MulticastQueueはjava.util.CountDownLatchを用いて実装されたクラスである。 </li>
	<li>クライアントから接続されると、データ転送用のスレッド(sender)が走る。 </li>
	<li>このスレッドは次に流すデータが来るまでは待機して置かなければならない。そして流すべきデータがくるとまた動き始めなければならない。</li>
	<li>このスレッドの待機・解放を行うのがMulticastQueueとなる。 </li>
<!--
	<small>
	  <li>CountDownLatchはカウントを用いてスレッドの待機と解放を行えるクラスである。</li>
	</small>
-->
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueueの問題点</h1>
	<li>Clientがデータを読み込まないとデータが溜まりメモリを圧迫してしまう。 </li>
	<p style="text-align: center;">
	<img src="./pix/TimeOut1.png">
	</p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>MulticastQueueの問題点</h1>
	<li>TimeOut(TO)スレッドを走らせ、一定の時間データを読み込まなければ代わりにこのTOが読み込むようにする。</li>
	<p style="text-align: center;">
	<img src="./pix/TimeOut2.png"><br>
	    解決策
	    </p>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>テスト環境の構築</h1>
	<li>CUI版のVNCクライアントを作成</li>
	<li>48台あるクラスタでCUI版のクライアントをはしらせてVNCをかけさせる。</li>
	<li>最初の1台目と48台めをGUI版のクライアントで接続を行い見比べてみる。 </li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
      <div class="slide">
	<h1>TreeVNCの発端</h1>
	<li>大学のB3でうける授業の1つ、programming4で作り始めたことがきっかけ。</li>
	<li>programming4は作りたいものを提案して作る授業。 </li>
	<li>授業が終わっても改良を加えていた。</li>
	<li>B4になりこの場で発表してみることになった。</li>
	</div>
      <!-- PAGE -->
<!--
      <div class="slide">
	<h1>既存のプログラムとの比較</h1>
	<li>VNC Reflector</li>
	<ul>
	  <li>tightVNCの作者が作成したプログラム</li>
	  <li>VNC Reflecotrにクライアントが接続することでVNCを行うことができる</li>
	</ul>
	</div>
-->
      <!-- PAGE -->
</div>
</body>
</html>