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Capítulo 7

Redes multimídia

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Redes de computadores I

Prof.: Leandro Soares de Sousa

E-mail: [email protected]

Site: http://www.ic.uff.br/~lsousa

Não deixem a matéria acumular!!!

Datas das avaliações, exercícios propostos, transparências,... no site!

http://www.ic.uff.br/~lsousa

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● A Internet oferece:

● garantia de entrega?

● Tempo fim a fim?

● Ordem dos pacotes?

● Intervalo entre as entregas?

● Banda mínima, máxima ou média?

Multimídia e Qualidade de Serviço: O que são?

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● A Internet oferece:

● garantia de entrega? NÃO!

● Tempo fim a fim? NÃO!

● Ordem dos pacotes? NÃO!

● Intervalo entre as entregas? NÃO!

● Banda mínima, máxima ou média? NÃO!


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● O que tem por trás disso?


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● O que tem por trás disso? → IP!


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● aplicações multimídia: áudio e vídeo na rede (“mídia contínua”)

● Quality of Service (QoS): a rede fornece à aplicação o nível de desempenho necessário para que a aplicação funcione como esperado.


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Classes de aplicações Multimídia:

1) fluxo contínuo (streams) de áudio e vídeo armazenados2) fluxos contínuo (stream) de áudio e vídeo ao vivo3) vídeo interativo de tempo real

● Jitter é a variabilidade dos atrasos dos pacotes dentro de um mesmo fluxo de pacotes

Características Fundamentais:

● tipicamente são sensíveis a atrasos atraso fim a fim variação do atraso (jitter), mas são tolerantes a perdas: perdas não muito frequentes causam apenas pequenos distúrbios

● antítese da transferência de dados que é intolerante a perdas mas tolerante a atrasos.

Aplicações Multimídia na Rede

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7.1 – Aplicações de rede multimídia7.2 – Vídeo de fluxo contínuo armazenado7.3 – Voz sobre IP: VoIP (Voice-over-IP)7.4 – Protocolos para aplicações interativas em tempo real7.5 – Suporte de rede para multimídia

Sumário

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Sumário

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• Talvez a característica mais destacada do vídeo seja sua alta taxa de bits.

• O vídeo distribuído pela Internet costuma variar de 100 kbits/s para videoconferências de baixa qualidade até mais de 3 Mbits/s para os filmes de fluxo de vídeo com alta definição.

Propriedades de vídeo

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• Outra característica importante do vídeo é que ele pode ser compactado, compensando assim a qualidade com a taxa de bits.

• Também podemos usar a compactação para criar múltiplas versões do mesmo vídeo.


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• Vídeo é uma sequência de imagens apresentadas a uma taxa constante● ex. 24 imagens/seg

• Imagem digital: é uma matriz de pixels● cada pixel é representado por bits

• Redundância● espacial (dentro da imagem)● temporal (de uma imagem p/ a seguinte)


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• Exemplos:● MPEG1 (CD-ROM) 1,5 Mbps● MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps● MPEG4 (frequentemente usado na Internet, < 1 Mbps)

• Pesquisa:● vídeo em camadas (escalável)● adapta as camadas à largura de banda disponível


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• O áudio digital tem requisitos de largura de banda muito menores do que o vídeo.

• Embora as taxas de bit de áudio sejam em geral muito menores do que as de vídeo, os usuários costumam ser muito mais sensíveis a pequenas falha de áudio do que de vídeo.

Propriedades de áudio

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• O sinal analógico amostrado a uma taxa constante● telefone: 8.000 amostras/seg● Cada amostra é discretizada (arredondada)● ex., 28=256 possíveis valores discretos● cada valor discretizado é representado por bits● exemplo: 8.000 amostras/seg, 256 valores discretos -->

64.000 bps● receptor converte-o de volta a um sinal analógico:

● alguma perda de qualidade


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• Exemplo de taxas● CD: 1,411 Mbps● MPEG 1 layer 3 (MP3): 96, 128, 160 kbps● Telefonia Internet: 5,3 kbps ou mais


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• Muitas empresas de Internet oferecem hoje vídeo de fluxo contínuo, incluindo YouTube (Google), Netflix e Hulu.

• Por algumas estimativas, ele contribui com mais de 50% do tráfego descendente nas redes de acesso à Internet atualmente.

Áudio e vídeo de fluxo contínuo armazenados

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• Ele tem três características distintas importantes:

1. Fluxo contínuo.2. Interatividade.3. Reprodução contínua.

Áudio e vídeo de fluxo contínuo armazenados

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• A voz interativa em tempo real pela Internet é chamada de telefonia da Internet.

• A maioria dos sistemas interativos por voz e vídeo permite que os usuários criem conferências com três ou mais participantes.

• Voz e vídeo interativos são muito usados na Internet hoje, com as empresas Skype, QQ e Google Talk.

• Aplicações de multimídia interativas são tolerantes à perda.

• Restrições de tempo fim a fim → experiência desagradável quando o retardo é longo.

Voz e vídeo sobre IP interativos

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• Aplicações ao vivo, do tipo de difusão, normalmente possuem muitos usuários que recebem o mesmo programa de áudio/vídeo ao mesmo tempo.

• A rede precisa oferecer a cada fluxo de multimídia ao vivo uma vazão média que seja maior que a taxa de consumo de vídeo.

• Como o evento é ao vivo, o atraso também pode ser um problema.

• Atrasos de até dez segundos ou mais desde o instante em que o usuário requisita a entrega/reprodução de uma transmissão ao vivo até o início da reprodução podem ser tolerados.

● Grupos IP, mais comumente por aplicações em camadas (P2P ou CND,mais adiante...) ou múltiplos fluxos individuais separados.

Áudio e vídeo de fluxo contínuo ao vivo

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Sumário

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• Os sistemas de vídeo de fluxo contínuo podem ser classificados em três categorias:

1. UDP de fluxo contínuo, 2. HTTP de fluxo contínuo e 3. HTTP de fluxo contínuo adaptativo.

•. Uma característica comum de todas as três formas de vídeo de fluxo contínuo é o uso extenso de buffer de aplicação no lado do cliente para aliviar os efeitos de variar os atrasos de fim a fim e variar as quantidades de largura de banda disponível entre servidor e cliente.

Vídeo de fluxo contínuo armazenado

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• Atraso de reprodução do cliente no vídeo de fluxo contínuo


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• Atraso de reprodução do cliente no vídeo de fluxo contínuo


TCP / UDP?

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• Com o UDP de fluxo contínuo, o servidor transmite vídeo a uma taxa que corresponde à taxa de consumo de vídeo do cliente (RTP – Real-Time Protocol).

• Normalmente usa um pequeno buffer no lado do cliente (depende da aplicação).

• Funciona muito bem numa rede com baixo congestionamento e que não “olhe os fluxos”, mas...

UDP de fluxo contínuo

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• O UDP de fluxo contínuo com taxa constante pode deixar de oferecer reprodução contínua (trava, congela...).

• Ele exige um servidor de controle de mídia (RTSP – Real-Time Streaming Protocol).

• Muitos firewalls (em NATs inclusive) são configurados para bloquear o tráfego UDP.

• Algumas aplicações trabalham com fluxo adaptativo, mas … devido ao tráfego o TCP, em volume, alcançou e hoje predomina.

UDP de fluxo contínuo

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• No HTTP de fluxo contínuo, o vídeo é apenas armazenado em um servidor HTTP como um arquivo comum com uma URL específica (HTTP GET).

• O uso do HTTP sobre TCP também permite ao vídeo atravessar firewalls e NATs mais facilmente.

• Vídeos de fluxo contínuo sobre HTTP também deixam clara a necessidade de um servidor de controle de mídia, tal como um servidor RTSP.

• Netflix e YouTube (buffers e pré-busca → uso normal da banda pelo TCP, tentando alcançar a banda máxima possível)

HTTP de fluxo contínuo

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• A figura abaixo ilustra a interação entre o cliente e o servidor para HTTP de fluxo contínuo.

Buffer de aplicação do cliente e buffers TCP

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• Análise do uso de buffer no lado do cliente, para vídeo de fluxo contínuo

Análise do vídeo de fluxo contínuo

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• Término antecipado e reposicionamento do vídeo (cabeçalho do intervalo de bytes HTTP)

Análise do vídeo de fluxo contínuo

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• Pelo DASH (Fluxo Contínuo de Adaptativo Dinamicamente sobre HTTP), o vídeo é codificado em muitas versões diferentes, cada qual com uma taxa de bits e um diferente nível de qualidade.

● Exemplo: um MPEG-4 pode ser codificado em 8 a 10 diferentes formatos que requisitam taxas distintas e, assim, com qualidade diferente

Fluxo contínuo adaptativo e DASH

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• O servidor contém um arquivo de manifesto com a localização (URL), taxas, codificação...

• O cliente pode baixas alguns segundos nessas várias codificações e selecionar alguma.

• Durante a apresentação as codificações/taxas podem ser alteradas para se adaptar à banda disponível no momento.

• DASH permite aos clientes com diferentes taxas de acesso à Internet fluir em um vídeo por diferentes taxas codificadas.

• Com o DASH, cada versão do vídeo é armazenada em um servidor HTTP, cada um com uma diferente URL.

Fluxo contínuo adaptativo e DASH

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Uma CDN (Rede de Distribuição de Conteúdo):

• gerencia servidores em múltiplas localidades distribuídas geograficamente,

• armazena cópias dos vídeos em seus servidores, e

• tenta direcionar cada requisição do usuário para uma localidade CDN que proporcionará a melhor experiência para o usuário.● Enter-deep: o mais próximo possível dos ISPs, dentro deles

(Akamai → 1700 locais).● Bring-home: grandes clusters, rede de interconexão pesadas, POPs

e ISPs nível 1 (Limelight, Google,...)● Manutenção, escala...

Pode ser uma CDN privada ou uma CDN de terceiros.

Redes de distribuição de conteúdo

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• A maioria das CDNs utiliza o DNS para interceptar e redirecionar requisições.

Operação da CDN

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• A estratégia de seleção de cluster é um mecanismo para direcionamento dinâmico de clientes para um cluster de servidor ou uma central de dados dentro da CDN.

• Uma estratégia simples é associar o cliente ao cluster que está geograficamente mais próximo.

• Para determinar o melhor cluster para um cliente baseado nas atuais condições de tráfego, as CDNs podem realizar medições em tempo real do atraso e problemas de baixo desempenho entre seus clusters e clientes.

Estratégias de seleção de cluster

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• Uma alternativa para medir as propriedades dos caminhos é usar as características do tráfego mais recente entre os clientes e os servidores da CDN.

• Uma abordagem muito diferente para combinar clientes com servidores CDN é utilizar o IP para qualquer membro do grupo.

• A ideia por trás do IP para qualquer membro do grupo é colocar os roteadores na rota da Internet dos pacotes do cliente para o cluster “mais próximo”, como determinado pelo BGP.


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• Usando o anycast IP para rotear clientes para o cluster da CDN mais próximo


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• Netflix: CDNs (notadamente Akamai) e links de terceiros / HTTP de fluxo contínuo adaptativo. Servidores próprios de registro e pagamentos. Converte os vídeos em várias resoluções e disponibiliza (nuvem da Amazon).

• YouTube: Data centers da Google, direciona via DNS para seus data centers. Desde seu modelo de negócios Google usa o HTTP de fluxo contínuo. ½ Bilhão de vídeos e de visualizações diárias.

• Kankan: Maior na China e usa tecnologia proprietária P2P com hash distribuído (tipo Torrent). UDP sempre que possível.

Estudos de caso

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Sumário

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• Perda de pacotes – A perda pode ser eliminada enviando os pacotes por TCP, em vez de por UDP (Facilita no NAT). Se tivermos um enlace altamente congestionado ou um wifi ruidoso pode não dar certo.

• Atraso de fim a fim – é o acúmulo de atrasos de processamento, de transmissão e de formação de filas nos roteadores; atrasos de propagação nos enlaces e atrasos de processamento em sistemas finais.

• Variação de atraso do pacote – o tempo decorrido entre o momento em que um pacote é gerado na fonte e o momento em que é recebido no destinatário pode variar de pacote para pacote.

As limitações de um serviço IP de melhor esforço

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Atraso por reprodução fixa

• Perda de pacotes para diferentes atrasos por reprodução fixa

Eliminação da variação de atraso no receptor para áudio

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Atraso por reprodução adaptativa

● Objetivo: minimizar o atraso de reprodução, mantendo baixa a taxa

de perdas● Abordagem: ajuste adaptativo do atraso de reprodução:

● estima o atraso da rede e ajusta o atraso de reprodução no início

de cada surto de voz.● períodos de silêncio são comprimidos e alongados. ● pedaços ainda são reproduzidos a cada 20 mseg durante um

surto de voz.


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• Segue um algoritmo genérico que o receptor pode usar para ajustar seus atrasos de

reprodução adaptativamente.

• Para tal, consideremos:

● ti = marca de tempo do i-ésimo pacote = o instante em que o pacote foi gerado pelo

remetente.● ri = o instante em que o pacote i é recebido pelo receptor.● pi = o instante em que o pacote i é reproduzido no receptor.● ri – ti = atraso da rede para o i-ésimo pacote.● di = estimativa do atraso médio da rede após receber o i-ésimo pacote.

• Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor : di = (1 – u)di-1 + u(ri – ti)• U é uma constante, por exemplo 0,01


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• Também é útil estimar o desvio médio do atraso, vi:

vi = (1 – u)vi-1 + u(|ri – ti – di|)

• estimativas di , vi são calculadas para cada pacote recebido, apesar de serem usados apenas no

início de um surto de voz.

• Para o primeiro pacote de um surto de voz, o tempo de reprodução é:

pi = ti + di + Kvi, onde K é uma constante positiva

• Os pacotes restantes em um surto de voz são reproduzidos periodicamente de acordo com a

codificação.


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• Pergunta: Como o receptor determina se um pacote é o primeiro de um surto de voz?

● se nunca houvesse perdas, o receptor poderia simplesmente olhar os carimbos de

tempo sucessivos.

● diferença entre carimbos sucessivos > 20 mseg --> início do surto de voz.

● mas, dado que perdas são possíveis, o receptor deve olhar tanto para os carimbos de

tempo quanto para os números de sequência

● diferença entre carimbos sucessivos > 20 mseg e números de sequência sem falhas

--> início do surto de voz.


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• Um pacote será considerado perdido se nunca chegar ao receptor ou se chegar após o tempo de reprodução programado.

● Aplicações de VoIP frequentemente usam algum tipo de esquema de prevenção de perda.

Recuperação de perda de pacotes

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● Uma ideia simples:

● para cada grupo de n pedaços criar um pedaço redundante efetuando o OU-exclusivo dos n pedaços originais

● transmite n+1 pedaços, aumentando a largura de banda por um fator de 1/n.

● pode reconstruir os n pedaços originais se houver no máximo um pedaço perdido dentre os n+1 pedaços.

● atraso de reprodução deve ser fixado para o instante de recepção de todos os n+1 pacotes

● compromissos: ● aumento de n, menos desperdício de banda● aumento de n, atraso de reprodução mais longo● aumento de n, maior probabilidade de que 2 ou mais pedaços sejam

perdidos


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Forward Error Correction (FEC): A ideia básica da FEC é adicionar informações redundantes ao fluxo de pacotes original.• Dando carona à informação redundante de qualidade mais

baixa


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Intercalação

• Como uma alternativa à transmissão redundante, uma aplicação de VoIP pode enviar áudio intercalado.


51

Skype

• Proprietário: UDP para áudio e vídeo, mas pode enviar com TCP caso encontre algum bloqueio (por exemplo: NAT)

Estudo de Caso: VoIP com Skype

52

Skype

• Proprietário: mensagens de controle via TCP


53

Skype

• Proprietário: trabalha com FEC (redundância) e ajusta a qualidade do vídeo e áudio de acordo com as condições da rede


54

Skype

• Proprietário: rede de sobreposição hierárquica, o superpar é um par comum, que provavelmente mantém uma DHT para localização


55

Skype

• Proprietário: atrás do NAT não se pode receber uma “chamada”


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Skype

• Proprietário: atrás do NAT não se pode estabelecer um fluxo direto, pois um dos dois receberia uma chamada.


57

• Não é apresentado no livro texto, mas cabe uma visão geral.

• HTTP

● não tem como alvo conteúdo multimídia● não possui comandos para avanço rápido, etc.

• RTSP: RFC 2326

● protocolo cliente-servidor da camada de aplicação.● usuário pode controlar a reprodução: retorno, avanço

rápido, pausa, retomada, reposicionamento, etc …

Controle do Usuário de Mídia Contínua: RTSP

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• O que ele não faz:

● não define como o áudio/vídeo é encapsulado para ser transmitido pela rede

● Não restringe como a mídia tipo fluxo contínuo é transportada; pode ser transportada sobre UDP ou TCP

● não especifica como o media player utiliza buffers para áudio/vídeo


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• O FTP usa um canal de controle “fora de banda”:

● um arquivo é transferido sobre uma conexão TCP.● a informação de controle (mudanças de diretório, remoção de

arquivo, renomeação de arquivo, etc.) é enviada numa conexão TCP à parte

● os canais “fora de banda” e “dentro da banda” utilizam diferentes números de portas

• Mensagens RTSP também são enviadas fora de banda:

● as mensagens de controle RTSP usam números de porta diferentes do fluxo contínuo da mídia, e são, portanto, enviadas fora de banda (Porta 554)

● o fluxo de mídia é considerado “dentro da banda”.


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• Exemplo RTSP:

• Cenário:

● meta arquivo enviado para o browser web● browser inicia o media player● media player estabelece uma conexão de controle RTSP

e uma conexão de dados para o servidor de mídia contínua


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• Exemplo de Meta-arquivo:

<title>Twister</title> <session> <group language=en lipsync> <switch> <track type=audio e="PCMU/8000/1" src = "rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi"> <track type=audio e="DVI4/16000/2" pt="90 DVI4/8000/1" src="rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/hifi"> </switch> <track type="video/jpeg" src="rtsp://video.example.com/twister/video"> </group> </session>


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• Operação do RTSP:


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• RTSP: exemplo de diálogo:

C: SETUP rtsp://audio.example.com/twister/audio RTSP/1.0 Transport: rtp/udp; compression; port=3056; mode=PLAY

S: RTSP/1.0 200 1 OK Session 4231

C: PLAY rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=0-

C: PAUSE rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=37

C: TEARDOWN rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231

S: 200 3 OK


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Sumário

65

• O RTP pode ser usado para transportar formatos comuns como PCM, ACC e MP3 para som e MPEG e H.263 para vídeo.

• O protocolo também pode ser usado para transportar formatos proprietários de som e de vídeo.

• Hoje, o RTP é amplamente implementado em muitos produtos e protótipos de pesquisa.

• Também é complementar a outros importantes protocolos interativos de tempo real, entre eles SIP.

Protocolo de tempo real (RTP)

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• O RTP especifica uma estrutura de pacote para pacotes que transportam dados de áudio e de vídeo

● RFC 3550

• pacote RTP provê

● identificação do tipo da carga● numeração da sequência de pacotes● carimbo de tempo


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• O RTP comumente roda sobre UDP.


68

• Se uma aplicação incorporar o RTP, ela interagirá mais facilmente com as outras aplicações de rede multimídia.

• O RTP não fornece nenhum mecanismo que assegure a entrega de dados a tempo nem fornece garantias de qualidade de serviço.

• O RTP permite que seja atribuído a cada origem seu próprio fluxo independente de pacotes RTP.

• Pacotes RTP não são limitados às aplicações individuais.


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• Exemplo RTP:

• considere o envio de voz codificada em PCM de 64 kbps sobre RTP.

• aplicação coleta os dados codificados em pedaços, ex., a cada 20 mseg = 160 bytes num pedaço.

• o pedaço de áudio junto com o cabeçalho RTP formam um pacote RTP, que é encapsulado num segmento UDP

• o cabeçalho RTP indica o tipo da codificação de áudio em cada pacote:● o transmissor pode mudar a codificação durante a

conferência. ● o cabeçalho RTP também contém números de sequência e

carimbos de tempo.


70

• Os quatro principais campos de cabeçalho do pacote RTP são:

• Tipos de carga útil de áudio suportados pelo RTP:


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• Alguns tipos de carga útil de vídeo suportados pelo RTP:


72

• O Livro texto não inclui, mas acho interessante como um complemento.

● trabalha em conjunto com o RTP.● cada participante numa sessão RTP periodicamente transmite

pacotes de controle RTCP para todos os demais participantes. ● cada pacote RTCP contém relatos do transmissor e/ou receptor● relatam estatísticas úteis para as aplicações : no. pacotes

enviados, no. pacotes perdidos, intervalo entre chegadas (jitter), etc.

● a realimentação de informação pode ser usada para controlar o desempenho

● o transmissor pode modificar as suas transmissões com base na realimentação

Protocolo de Controle de Tempo Real (Real-Time Control Protocol - RTCP)

73

• RTCP – Continuação:

• para uma sessão RTP há tipicamente um único endereço multicast; todos os pacotes RTP e RTCP pertencentes à sessão usam o endereço multicast.

• pacotes RTP, RTCP são diferenciados uns dos outros através do uso de números de portas distintos.

• para limitar o tráfego, cada participante reduz o seu tráfego RTCP à medida que cresce o número de participantes da conferência.


74

• Pacotes RTCP:

• Pacotes de relato do receptor:● fração dos pacotes perdidos, último número de sequência, jitter

médio entre chegadas

• Pacotes de relato do transmissor: ● SSRC do fluxo RTP, tempo atual, número de pacotes enviados e

número de bytes enviados.

• Pacotes de descrição da origem: ● endereço de e-mail do transmissor, nome do transmissor, o SSRC

do fluxo RTP associado. ● os pacotes provêm um mapeamento entre o SSRC e o nome do

usuário/host.


75

• Sincronização de Fluxos:

• o RTCP pode ser usado para sincronizar diferentes fluxos de mídia dentro de uma sessão RTP.

• considere uma aplicação de videoconferência para a qual cada transmissor gera um fluxo RTP para vídeo e outro para áudio.

• os carimbos de tempo nestes pacotes RTP estão vinculados aos relógios de amostragem de vídeo e de áudio

• não estão vinculadas ao relógio de tempo real.• cada pacote de relato do transmissor contém, para o pacote gerado

mais recentemente no fluxo RTP associado, ● o carimbo de tempo do pacote RTP● e instante num relógio de tempo real em que o pacote foi criado.

• os receptores pode usar esta associação para sincronizar a reprodução de áudio e de vídeo.


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• Escalonamento da Largura de Banda p/ o RTCP:

• O RTCP tenta limitar o seu tráfego a 5% da largura de banda da sessão.• Exemplo:

● Suponha que haja um transmissor enviando vídeo a uma taxa de 2 Mbps. Então o RTCP tenta limitar o seu tráfego a 100 Kbps.

● RTCP atribui 75% da taxa p/ os receptores; os restantes 25% p/ o transmissor

● Os 75 Kbps alocados são compartilhados igualmente entre os receptores: ● com R receptores, cada receptor pode gerar tráfego RTCP a uma

taxa de 75/R Kbps. ● O transmissor pode gerar tráfego RTCP a uma taxa de 25 Kbps. ● O participante determina a frequência de transmissão de pacotes RTCP,

calculando o tamanho médio do pacote RTCP (ao longo da sessão inteira) e dividindo o tamanho médio do pacote RTCP pela taxa alocada.


77

O Protocolo de Inicialização de Sessão (SIP) é um protocolo aberto e simples, que faz o seguinte (Session Initiation Protocol - RFC 3261):

• Provê mecanismos para estabelecer chamadas entre dois interlocutores por uma rede IP.● para que o chamador informe ao chamado que ele

deseja estabelecer uma chamada● para que o chamador e o chamado concordem no tipo de

mídia e na codificação● para encerrar a chamada

SIP

78


• Provê mecanismos que permitem a quem chama determinar o endereço IP atual de quem é chamado.

● mapeia identificador mnemônico para o endereço IP atual.

SIP

79


• Provê mecanismos para gerenciamento de chamadas:

● adiciona novos fluxos de mídia durante a chamada● altera a codificação durante a chamada● convida outros participantes● transfere e mantém a chamada

SIP

80

Visão de longo prazo do SIP:

● todas as chamadas telefônicas e de videoconferência se realizam sobre a Internet

● pessoas são identificadas por nomes ou endereços de e-mail, ao invés de números de telefone

● é possível encontrar o “chamado”, não importa onde ele esteja, e em qualquer dispositivo IP que o “chamado” esteja usando no momento

● Pode acontecer com o SIP ou não, mas é uma tendência

SIP

81• Estabelecimento de

chamada SIP quando Alice conhece o endereço IP de Bob

• Mensagem invite de Alice indica o seu número de porta, endereço IP e a codificação em que Alice prefere receber (PCM ulaw)

• A mensagem 200 OK de Bob indica o seu número de porta, endereço IP e codificação preferida (GSM)

• Mensagens SIP podem ser transmitidas sobre TCP ou UDP; aqui está sendo enviada sobre RTP/UDP.

• número de porta Default do SIP é a 5060.

SIP

82

● Negociação de codificação:

● Suponha que Bob não possui um codificador PCM ulaw. ● Bob responderá então com um código 606 Not Acceptable Reply e

lista os codificadores que ele pode usar. Alice pode então enviar uma nova mensagem INVITE, anunciando um codificador apropriado

● Rejeitando a chamada:

● Bob pode rejeitar com respostas “busy” (ocupado), “gone” (fora) “payment required” (necessário pagamento), “forbidden” (proibido).

● A mídia pode ser enviada sobre RTP ou algum outro protocolo

SIP

83

● Tradução de nome e localização do usuário:

● chamador deseja contactar o “chamado”, mas possui apenas o nome ou o endereço de e-mail do “chamado”.

● precisa obter o endereço IP do host atual do chamado:● usuário se desloca● protocolo DHCP● usuário possui diferentes dispositivos IP (Note, Celular,

dispositivo no automóvel, geladeira, fogão, ...)

SIP

84

● Tradução de nome e localização do usuário (continuação):

● O resultado pode depender de:● hora do dia (trabalho, casa)● chamador (não deseja que o chefe lhe chame em casa)● status do chamado (chamadas enviadas para correio de

voz quando o chamado já estiver falando com alguém)

● Serviço provido por servidores SIP:● Servidor de registro SIP● Servidor proxy SIP

SIP

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● Servidor de Registro SIP:

● Quando Bob inicia cliente SIP, o cliente envia uma mensagem REGISTER SIP para o servidor de registros de Bob (função semelhante é necessária para serviço de mensagens instantâneas)

● Mensagem Register:

REGISTER sip:domain.com SIP/2.0Via: SIP/2.0/UDP 193.64.210.89 From: sip:[email protected]: sip:[email protected]: 3600

SIP

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● Servidor proxy SIP:

● Alice envia mensagem invite para o seu servidor proxy● contém endereço sip:[email protected]

● O proxy é responsável por rotear mensagens SIP para o “chamado”● possivelmente através de múltiplos proxies

● O “chamado” envia resposta através do mesmo conjunto de proxies.

● O proxy retorna a mensagem de resposta SIP para Alice● contendo o endereço IP de Bob

● Nota: proxy é análogo a um servidor DNS local

SIP

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• Inicialização de sessão envolvendo proxies e entidades registradoras SIP:

• Chamador [email protected] faz uma chamada para [email protected]

• (1) Jim envia mensagem INVITE para o proxy SIP da umass.

• (2) Proxy encaminha o pedido para o servidor de registro da upenn.

• (3) O servidor da uPenn retorna resposta de redirecionamento, indicando que deve tentar [email protected]

SIP

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• Inicialização de sessão envolvendo proxies e entidades registradoras SIP (continuação):

• (4) O proxy da umass envia INVITE para o registro da eurecom.

• (5) Registro da eurecom encaminha o INVITE para 197.87.54.21, que está rodando o cliente SIP de Keith.

• (6-8) retorno da resposta SIP. • (9) mídia enviada diretamente

entre clientes. • Nota: mensagens ack do SIP,

não são apresentadas.

SIP

89


Sumário

90

• Até o momento: extraímos o máximo do melhor esforço● Um único tamanho veste todos os modelos de serviço

• Alternativa: múltiplas classes de serviço● dividir o tráfego em classes● A rede trata diferentes classes de tráfego de modo

diferente (analogia: serviço VIP x serviço regular)

• granularidade: serviço diferenciado entre múltiplas classes, não entre conexões individuais

• história: bits ToS

Suporte de rede para multimídia

91

• Três técnicas em nível de rede para dar suporte a aplicações de multimídia:

Suporte de rede para multimídia

92

• A questão de como projetar uma topologia de rede para alcançar determinado nível de desempenho de fim a fim é um problema de projeto de redes que muitas vezes é chamado de dimensionamento de redes.

• Sabendo que a Internet de melhor esforço de hoje poderia dar suporte para o tráfego de multimídia em um nível de desempenho apropriado, se fosse dimensionada para fazer isso, a questão é por que a Internet de hoje não o faz.

• As respostas são principalmente econômicas e organizacionais.

Dimensionando redes de melhor esforço

93

• Já estamos acostumados com diferentes classes de serviço em nossas vidas diárias.

• É importante observar que esse serviço diferencial é fornecido entre agregações de tráfego, ou seja, entre classes de tráfego, e não entre conexões individuais.

• Até mesmo há três décadas, a visão de fornecer diferentes níveis de serviço a diferentes níveis de tráfego estava evidente.

• No entanto, levou um longo período para que pudéssemos perceber essa visão.

Fornecendo múltiplas classes de serviço

94

• Exemplo: Telefone IP de 1Mbps, HTTP compartilhando enlace de 1,5 Mbps. ● Surtos de HTTP (TCP) podem congestionar o roteador e

causar a perda de pacotes de áudio● Queremos dar prioridade ao tráfego de áudio sobre o de

HTTP

• Como distinguir?

Cenários motivadores

95

• Exemplo: Telefone IP de 1Mbps, HTTP compartilhando enlace de 1,5 Mbps. ● Surtos de HTTP (TCP) podem congestionar o roteador e

causar a perda de pacotes de áudio● Queremos dar prioridade ao tráfego de áudio sobre o de HTTP

• Princípio 1: A marcação de pacotes permite que um roteador faça a distinção de pacotes pertencentes a diferentes classes de tráfego.


96

• E se as aplicações se comportarem mal (áudio envia pacotes a taxas mais elevadas do que a declarada)?

● policiamento: força que origens respeitem as alocações de banda

• marcação e policiamento nas bordas da rede:● similar ao ATM UNI (User Network Interface)

• Princípio 2: É desejável fornecer algum grau de isolamento de tráfego entre as classes, para que uma classe não seja afetada adversamente por outra classe de comportamento inadequado.


97

• Alocar uma largura de banda fixa (não compartilhável) para o fluxo: uso ineficiente da banda se os fluxos não usarem suas alocações

• Princípio 3: Ao fornecer isolamento de classes ou fluxos, é desejável que se usem os recursos da maneira mais eficiente possível.


0,5 Mbits/s

1,0 Mbits/s

98

• Regulação (e marcação) das classes de tráfego de áudio e HTTP


99

• Isolamento lógico das classes de tráfego de áudio e HTTP


100

• Primeiro a entrar/primeiro a sair (FIFO)● política de descarte: se os pacotes ao chegarem

encontrarem a fila cheia: quem deve ser descartado?● descarta o último (cauda): descarta o pacote que

acabou de chegar● prioridade: descarta/remove baseado na prioridade● randômico: descarta/remove aleatoriamente

Mecanismos de escalonamento

101

• Enfileiramento prioritário: transmite pacote enfileirado de mais alta prioridade

● múltiplas classes, com diferentes prioridades● classe pode depender da marcação ou outra informação

do cabeçalho (ex. IP origem/destino, números de portas, etc.)

● De S.O. → Qual é o problema dessa abordagem?


102

• Varredura cíclica e WQF (enfileiramento justo ponderado)• Round Robin generalizado• cada classe recebe um tempo de serviço diferenciado em

cada ciclo


103

• Objetivo: limita o tráfego para que não exceda os parâmetros declarados

• Três critérios comumente usados:

● Taxa Média (de Longo prazo): quantos pacotes podem ser enviados por unidade de tempo (em longo prazo)

● questão crucial: qual é o comprimento do intervalo: 100 pacotes por seg ou 6000 pacotes por min têm a mesma média!

● Taxa de Pico: ex., 6000 pacotes por minuto (ppm) em média e taxa de pico de 1500 ppm

● Comprimento (Máx.) do Surto: número máximo de pacotes enviados consecutivamente (sem intervalo ocioso)

Mecanismos de policiamento

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• Balde furado: o balde pode guardar b permissões• Os tokens são gerados a uma taxa de r token/seg a menos

que o balde esteja cheio• num intervalo de comprimento t: número de pacotes

admitidos é menor ou igual a (r t + b).

Mecanismos de policiamento e escalonamento

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• Balde furado + enfileiramento justo ponderado = máximo atraso provável em uma fila (QoS!)

• limita a entrada para Tamanho do Surto e Taxa Média especificadas.

Mecanismos de policiamento e escalonamento

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• Diffserv oferece diferenciação de serviço.

• A arquitetura Diffserv consiste em dois conjuntos de elementos funcionais:

1. Funções de borda: classificação de pacotes e condicionamento de tráfego.

2. Função central: envio.

Diffserv

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• Deseja-se classes de serviço “qualitativas”

• “comportamento de circuito”

• Distinção relativa do serviço: Platina, Ouro, Prata

• Escalabilidade: funções simples no núcleo da rede, funções relativamente complexas nos roteadores de borda (ou nos hosts)

• Sinalização, manter estado por fluxo no roteador é difícil para um grande número de fluxos

• Não define classes de serviço, provê componentes funcionais para implementação das classes de serviço

Diffserv

108

• Exemplo simples de rede Diffserv...• Borda:

● gerenciamento de tráfego por-fluxo● marca os pacotes como dentro-perfil e fora-perfil

Diffserv

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• Exemplo de uma rede Diffserv simples (Borda)

Diffserv

IP: Origem/DestinoPorta: Origem/DestinoProtocolo de transporte

Classe de tráfego

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• Exemplo simples de rede Diffserv...• Núcleo (PHB):

● gerenciamento de tráfego por classe● armazenamento e escalonamento baseado na marcação

feita na borda● preferência para os pacotes dentro-perfil

Diffserv

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• Duas aplicações de áudio concorrentes sobrecarregando o enlace de R1 a R2

Garantias de QoS por conexão: reserva de recurso e admissão de chamada

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• Sabendo que essas duas aplicações não podem ser atendidas simultaneamente, o que a rede deve fazer?

• Um dos fluxos de aplicação deve ser, enquanto o outro deve prosseguir, usando o 1 Mbit/s inteiro necessário pela aplicação.

• O processo de um fluxo declarar seu requisito de QoS e a rede aceitar o fluxo (na QoS solicitada) ou bloqueá-lo é denominado processo de admissão de chamada.


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• Princípio 4: Se recursos suficientes nem sempre estiverem disponíveis e a QoS tiver de ser garantida, é necessário um processo de admissão de chamada no qual os fluxos declaram seus requisitos de QoS e, então, são admitidos à rede ou bloqueados da rede.

• Nosso exemplo motivador na figura anteriormente apresentada enfatiza a necessidade de diversos novos mecanismos e protocolos de rede, se uma chamada tiver de garantir determinada qualidade de serviço uma vez iniciada


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• Reserva de recurso.• Admissão de chamada.• Sinalização do estabelecimento de chamada.


115

Capítulo 7 - FIM

capítulo 7 redes multimídia - ic.uff.brlsousa/redes_ii/cap-7.pdf · aplicação no lado do...

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