In this dissertation, two types of video systems are considered. First, server systems that stores and provides a multi-dimensional scalable video to heterogeneous clients are considered. For such server systems, novel data arrangement scheme is proposed to improve throughput of disk devices. Second, mobile multimedia devices that support for non-linear video editing are considered. For these systems, a new flash file system is designed to reduce overhead caused during non-linear video editing.
A scalable video server extracts data corresponding to the resolution requested by its client from the total data containing the information encoding a full resolution video. Depending on the requested resolution, the extracted data may not be contiguously placed on a disk or a disk array. For this reason, the traverse distance, which indicates the difference between the first read position and the last read position, can be much larger than the amount of the requested data. This causes additional rotational latency in a disk and thus degrades disk performance. Furthermore, scalable video data more seriously deteriorates the independency of disks in a disk array. That is, even a small read request can be split into multiple disk requests across disks of a disk array, because the requested data are scattered across multiple disks. To address this problem, we propose new data arrangement schemes for scalable video data. In these new schemes, we first deal with the arrangement of multi-dimensional scalable. Second, we improve disk performance by reducing average disk cost, which is based on both the traverse distance of each disk and the independency of disks. Third, we improve overall performance of disk devices through considering the entire request pattern, when large numbers of clients concurrently demand heterogeneous resolutions of videos from a server. We also propose fast arrangement algorithms to reduce the computation time required for finding arrangement so that they can be easily applied to practical server systems.
For efficient non-linear editing (NLE) operations, a flash file system should be designed considering three factors: data indexing, system calls, and frame header updating. Based on the hybrid architecture of phase-change RAM (PRAM) and NAND flash, we introduce a non-linear editing flash file system (NLE-FFS) which is designed for mobile multimedia devices that support NLE. In NLE-FFS, an H-data block is proposed so as to abate the re-write overhead caused by frame header updates. The frame headers are much smaller than the size of a page but are dispersed across a large number of pages. Thus, when frame header updates are required, the corresponding frame headers are separated from the NAND region. The separated data are termed H-data. It is updated and stored in H-data blocks, which are reserved for frame header updating in PRAM region. This H-data block allows byte-level updates of H-data as opposed to the updating of the entire 2KB page. Thus, the updating of entire pages caused by the updating of small frame headers can be avoided.
Deduplication is essential for efficient NLE, as large amount of duplicated data are caused by NLE. Existing deduplication file systems are mainly targeted for server systems having sufficient processing power. However, they have difficulty in supporting embedded system having low processing power, as they requires heavy computation. Furthermore, they are basically designed for disk-based systems, so they can not be applied to NAND flash memory. Thus, a new deduplication file system is designed for embedded system based on NAND flash memory. In our file system, to reduce computation overhead, duplication caused by NLE operations is predicted considering causality between I/O operations. Moreover, efficient management scheme for the shared data among files is proposed in NAND flash memory, including data indexing and garbage collection. The data indexing has distinctive characteristics in that it releases page-alignment constraint and allows page sharing. The proposed garbage collection efficiently support shared data in NAND flash memory. With this file system, we can reduce write for redundant data and thus use NAND flash memory space efficiently. As a result, garbage collection overhead can be reduced greatly. Moreover, our file system can be widely applied to existing NLE applications, since it is compatible with existing POSIX system calls.
본 논문에서는 비디오 데이터의 저장과 편집을 위한 저장 장치의 효율적인 운용에 관한 연구를 수행하였다. 첫 번째는 서버의 디스크 장치에서 다차원 스케일러블 비디오 데이터 저장에 관한 연구이다. 또한 모바일 단말기의 플래시 메모리 장치에서 비디오 에디팅을 효율적으로 지원하기 위한 플래시 파일 시스템에 관한 연구를 하였다.
스케일러블 비디오 서버는 클라이언트에 의해 요청되는 화질에 따라 최고화질로 압축된 전체 데이터에서 일부의 데이터만을 추출하여 전송하게 된다. 비디오의 화질에 따라서는 추출된 데이터가 디스크 장치에 연속적으로 위치하지 않을 수 있다. 이러한 이유로 인해 최초로 읽는 디스크 위치로부터 마지막으로 읽는 디스크 위치까지의 차이인 디스크 횡단 거리 (Traverse distance) 가 요청된 데이터보다 길어지는 경우가 발생하게 된다. 이는 디스크의 부가적인 디스크의 회전지연을 발생시키게 되어 디스크의 성능을 저하시키게 된다. 또한 스케일러블 비디오는 디스크 어레이의 디스크간의 독립성을 심각하게 저하시키기도 한다. 즉, 요청된 데이터가 여러 디스크들에 분산되어 있으므로 작은 크기의 읽기 요청이라 할지라도 실제로는 여러 디스크에 나누어져 읽기가 요청되는 경우가 자주 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 스케일러블 비디오를 저장하는 새로운 기법이 제안되었다. 제안된 기법은 다차원 스케일러블 비디오 데이터의 저장을 고려한 최초의 기법이다. 제안된 기법은 성능 평가 기준으로 디스크의 횡단 거리와 디스크간의 독립성이 모두 반영이 된 평균 디스크 읽기 비용 (average disk cost) 을 제시하였다. 다수의 클라이언트들이 동시에 다양한 화질의 비디오를 요청하는 경우 이러한 성능평가 기준을 바탕으로 디스크 어레이의 전체 성능을 높일 수 있는 데이터 저장 방식을 찾을 수 있다. 또한 이러한 제안된 방식을 실제 서버에 적용할 수 있도록 데이터 저장 순서을 찾기 위한 빠른 알고리즘을 제안하였다.
플래시 메모리 기반의 저장 장치에서 효율적인 비디오 에디팅 (Non-linear video editing) 연산을 수행하기 위해 PRAM과 NAND 플래시 메모리의 하이브리드 구조를 기반으로 하는 NLE-FFS라는 플래시 파일 시스템을 고안하였다. 제안된 플래시 파일 시스템은 일반적인 플래시 파일 시스템에서 비디오 에디팅 수행할 때 발생하게 되는 re-write 오버헤드를 효과적으로 줄일 수 있다. 제안된 NLE-FFS 는 특히 프레임 헤더의 갱신으로 인한 오버헤드를 효과적으로 줄일 수 있다. 비디오 프레임들은 위치가 바뀔 경우 프레임 헤더의 수정이 일어나게 되는데, 이러한 프레임 헤더 데이터의 갱신으로 인해 발생하는 오버헤더를 줄이기 위해 H-data 블록이 제안되었다. H-data 블록은 프레임 헤더의 저장과 갱신을 위해 바이트 단위의 쓰기가 허용되는 PRAM 영역에 확보된다. PRAM 영역에서는 NAND 플래시 영역에서와는 달리 바이트 단위의 데이터 읽기와 쓰기 가능하게 하여 수 바이트의 크기를 가지는 적은 프레임 헤더 정보를 효과적으로 갱신할 수 있다.
비디오 에디팅을 수행할 때 상당량의 데이터들이 중복된다. 이러한 중복 데이터를 제거하기 위해 중복제거 플래시 파일 시스템 (NLE-DFFS) 이 제안되었다. 현존하는 중복제거 파일 시스템은 주로 충분한 처리 능력을 갖춘 서버 시스템을 위한 것이므로, 낮은 처리 능력을 갖춘 임베디드 시스템에서 적용되는데 큰 어려움이 있다. 또한 이러한 중복제거 파일 시스템은 디스크 장치를 기반으로 하는 시스템을 위한 것으로 NAND 플래시 메모리 기반의 시스템에 그대로 적용될 수 없다. 제안된 파일시스템은 시스템 내의 I/O 연산 사이의 인과성 (causality) 을 이용하여 중복된 데이터들이 예측될 수 있다. 제안된 방식은 아주 적은 연산량을 요구하기 때문에 낮은 처리 능력을 가지는 임베디드 시스템에서 효과적이다. 중복 제거된 데이터들은 파일간에 효율적으로 공유되어 관리되어야 하며, 이를 위해 제안된 파일 시스템에서는 페이지의 공유를 위한 새로운 데이터 인덱싱 구조가 제안되었다. 제안된 파일 시스템은 중복된 데이터를 제거해줌으로써 I/O 처리률과 플래시 메모리의 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 제안된 파일 시스템에서는 표준 POSIX 시스템콜과 호환되므로 기존의 에디팅 어플리케이션에 쉽게 적용이 가능하다는 장점을 가진다.
