Protocolos Multimídia na Internet Parte!1!(!Conceitosadriano/aulas/topicos/2014/7-topico… · 05.01.2015 · • Taxa de transmissão. • ... • ! Áudio e vídeo de tempo contínuo,

UNESP - IBILCE - São José do Rio Preto Protocolos Multimídia na Internet

Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 1

unesp - IBILCE - SJRP

©  2014 Adriano Mauro Cansian

Protocolos Multimídia na Internet Parte 1 -‐ Conceitos

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Tópicos em Sistemas de Computação – 2014

Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian [email protected]

Estagiário Docente: Vinícius Oliveira

[email protected]


©  2014 Adriano Mauro Cansian 2

Multimídia na Internet

Objetivos: q  Entender os requisitos

de serviço para redes com multimídia •  Atraso. •  Taxa de transmissão. •  Perda.

q  Aprender como aproveitar ao máximo do serviço de melhor esforço da Internet.

q  Aprender como a Internet poderá evoluir para um melhor desempenho dos serviços multimídia.

Veremos: q  Aplicações de rede com

multimídia. q  Áudio e vídeo de tempo

contínuo armazenados •  RTSP.

q  Aplicações interativas de tempo-real •  Telefonia na Internet.

q  RTP q  H.323 e SIP





Multimídia em Redes Características Fundamentais: q  Sensíveis ao atraso. q  Tolerante a perdas:

•  Perdas ocasionais podem passar desapercebidas.

q  Multimídia à antítese dos dados binários: •  Programas, arquivos binários, informações bancárias,

bancos de dados, e outros: não toleram falhas, mas aceitam atrasos.

q  Multimídia é “mídia de tempo contínuo”. q  Existem diferentes tipos de mídias na Internet, que

são divididos em 3 tipos ou classes. •  Veremos 3 classes gerais a seguir.



Características de Multimídia em Redes (1)

Classificação de aplicações multimídia: 1. Mídia armazenada

•  Ú Áudio e vídeo de tempo contínuo, armazenados.

2. Fluxo contínuo •  Ú Áudio e vídeo de tempo contínuo, ao vivo.

3. Tempo real interativo •  Ú Vídeo e/ou áudio interativo em tempo real.

Veremos as características de cada uma, a seguir…





Características de Multimídia em Redes (2) Mídia armazenada – on demand (1)

q  Clientes solicitam arquivos de áudio e vídeo armazenados em servidores específicos ou em cloud.

•  Recebem a informação pela rede.

q  Características: •  Interação ou comando:

•  O usuário pode controlar a operação do player: pause, resume, fast forward, rewind, etc...

•  Atraso de início aceitável: •  Fazem “bufferização” antes de iniciar. •  Desde a requisição do cliente até o início da

apresentação pode ser de 1 a 10 segundos. •  Mas exige reprodução contínua, após iniciar .



Características de Multimídia em Redes (3) Mídia armazenada – on demand (2)

q  Evita descarregar o arquivo inteiro antes de começar a reproduzir. •  O cliente reproduz uma parte do arquivo, ao mesmo tempo

em que está recebendo as partes que faltam. q  Players:

•  Microsoft Windows Media Player •  Quicktime •  VLC •  Real One Player (Helix) •  Vários outros…

q  Sites e cloud: •  {*}tube, sites de vídeos, podcasts e videocasts. •  Serviços de vídeo sob-demanda: Netflix, AppleTV,... •  Popcorn time à usando P2P.





Características de Multimídia em Redes (3) Fluxo contínuo – tempo real

q  Em tempo real, unidirecional (broadcast). •  Similar à TV convencional. •  Não interativo: apenas para ouvir e ver.

q  Obviamente não avança nem retrocede (é ao vivo). q  Atrasos de até 10 segundos para começar a

reprodução são bem aceitos. •  Mas exige reprodução contínua, após iniciar . •  Fazem “bufferização” antes de iniciar.

q  Normalmente operam com fluxos unicast. q  Exemplos:

•  Rádios (RoIP) e TVs (IPTV) via Internet. •  Vários “canais” disponíveis em todo o mundo.



Características de Multimídia em Redes (3) Tempo real interativo - VC

q  Fluxo bidirecional de áudio ou de vídeo. •  Conferência entre duas ou mais pessoas.

q  Mais exigente nos requisitos de atraso devido à necessidade de interatividade em tempo real.

q  Vídeo: •  Atraso < 150 ms é aceitável

q  Áudio: •  Atraso < 150 ms é bom. •  Atraso entre 150 e 400 ms é aceitável.

q  Exemplos: •  Skype, Gizmo, Viber, Facetime, diversos aplicativos em

redes sociais, dentre vários outros. •  Sistemas de VoIP / VC de uma forma geral.





Obstáculos e desafios

9



Obstáculos e desafios para multimídia em redes (1) q  Arquitetura IP não garante nada:

•  É melhor esforço (best effort). •  Sem garantias sobre o atraso ou variação de atraso.

•  Por outro lado: aplicações Interativas em tempo real têm requisitos rígidos para atraso de pacotes e jitter.

q Jitter é a variação do atraso de pacotes, dentro de um mesmo fluxo de pacotes.

q Aplicações de tempo contínuo com atrasos iniciais de 5 a 10 seg são comuns. •  Mas o desempenho deteriora se os enlaces estão

congestionados ou muito distantes.





Obstáculos e desafios para multimídia em redes (2)

q  O projeto de aplicações multimídia seria mais simples se houvesse várias classes de serviço. •  Mas, na Internet pública, todos os pacotes recebem

igual tratamento. •  Pacotes contendo áudio e vídeo interativo de tempo real

permanecem nas filas, assim como todos os demais.

q  Esforços estão sendo desenvolvidos para prover serviços diferenciados.

q  Algumas boas ideias têm surgido, utilizando-se recursos já disponíveis. •  IPv6 seria uma boa opção, mas ainda não

necessariamente disseminado.



Aproveitando ao máximo o “melhor esforço”

q  Para reduzir o impacto do serviço de melhor esforço da Internet, é possível: •  Usar UDP e evitar o TCP com sua fase de partida lenta.

•  Armazenar o conteúdo (todo ou em parte) no cliente, e controlar a apresentação para atenuar o jitter.

•  Acrescentar marcas de tempo nos pacotes, para que o receptor saiba quando reproduzi-los.

•  Adaptar a compressão à banda de transmissão disponível.

•  Transmitir pacotes redundantes para atenuar os efeitos das perdas de pacotes.

•  Usar todos estes “truques” associados a Cloud. ➨ Vamos discutir todos esses recursos.





Como a Internet deveria evoluir para suportar melhor as aplicações

multimídia?

Serviços Integrados &

Serviços Diferenciados

13



Filosofia de serviços Integrados:

q  Mudar os protocolos da Internet, de forma que as aplicações possam reservar uma banda de transmissão fim-a-fim:

•  Necessita de um novo protocolo de rede (IPv6 ?)

•  Modificar as regras de escalonamento nos roteadores.

•  Aplicação deveria fornecer à rede uma descrição do seu tráfego.

q  Exige softwares novos e complexos nos hosts e nos routers.





Filosofia de serviços Diferenciados:

Exige mudanças menores na Internet.

•  Datagramas podem ser marcados. •  Definir serviços de primeira e de segunda classe.

•  Serviços “Platinun” e “Gold”

q  Usuários à poderiam pagar mais para enviar e receber datagramas de primeira classe.

q  ISPs à poderiam pagar mais aos provedores de backbone para enviar e receber pacotes de primeira classe.

•  Novas oportunidades de negócios.

q  Problema: lembrar de neutralidade da rede. •  Marco civil da Internet (2014)

(Voltaremos a serviços diferenciados e integrados mais adiante neste tópico)



Codificação e Compressão de áudio e vídeo

(Iniciaremos com estudo de áudio)





Codificação e exigências de banda q  A transmissão de áudio e vídeo, pela internet,

exige muito mais recursos que o necessário para a transmissão de textos e imagens estáticas. •  Para ser transmitido com qualidade de cinema, sem

compressão, um vídeo exigiria 160 Mbps de banda. •  Um áudio com qualidade de CD, sem compressão,

exigiria cerca de 2,8 Mbps.

q  No estágio tecnológico atual, usuários de “banda larga” trabalham na maioria de 2 a 10 Mbps no usuário final. •  Ou seja, no caso de vídeo, 15 vezes mais lentos do que

seria necessário para uma perfeita transmissão •  Portanto, outra solução deve ser adotada.



Codificação e CODECs

q  Transmissões de vídeo, pela internet, só são possíveis graças a dispositivos denominados codecs. •  Coder-decoder à codificador-decodificador. •  Fazem a compressão e a descompressão das imagens.

q  São módulos que comprimem arquivos de áudio e vídeo. •  Permitem que trafeguem nas velocidades “lentas” da rede no

usuário final. q  Transmissão de imagens usa vários tipos de codecs.

•  Cada um dos quais otimizado para dado tipo de mídia. q  Todos têm perdas.

•  Especialmente no momento da compressão, quando vários dados do arquivo original costumam ser perdidos, em benefício da velocidade.





CODECs e a qualidade de áudio

q  A maior parte dos codecs de áudio para a internet: •  Têm as taxas de compressão baseadas na freqüência

de amostragem, e no número de canais. •  A qualidade é afetada pela frequência de amostragem. •  Veremos adiante sobre frequência de amostragem.

q  Placas áudio à maioria capturam a 44,1 KHz, •  Ou seja, com qualidade de CD. •  Qualidade ótima, mas muito elevada para a internet.

•  Por isso, é normal baixar a frequência para 22,05 KHz. •  Se o objetivo for apenas transmitir voz, pode-se abaixar a

frequência para até 8 KHz ou 6 KHz.



Vejamos como transformar áudio analógico em sinal digital

Codificação PCM e evolução

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Codificação PCM (1) Pulse Code Modulation – Transformando áudio analógico em digital

q 1º. O Sinal analógico de áudio é amostrado a alguma taxa fixa. •  Por exemplo: 8.000 amostras / segundo. •  O valor de cada amostra é um número real

arbitrário. q 2º. Cada uma das amostras é então

“arredondada” para um valor qualquer dentre um número finito de valores. •  Essa operação é chamada de “quantização”. •  Tipicamente é uma potência de 2.

•  Por exemplo: usa-se 256 valores de quantização. (Na figura a seguir o processo fica mais claro) �



Esta figura, e dos slides em seguida, extraídas de http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/digitaliz.htm (05/01/15)




©  2014 Adriano Mauro Cansian Figura extraída de http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/quantiz.htm



•  O eixo vertical (Y) da figura é graduado no valor das amostras quantizadas com 8 bits : 0 a 255. •  O eixo 0 Volts, é deslocado (off-set) para 128.

• Podemos assim representar valores negativos de -1 até -128, com 127 até 0 respectivamente, sem necessidade de sinal (+/-).

•  A forma de onda quantizada acima, no formato decimal é : 118, 135, 130, 138, 151, 165, 179, 179, 182, 195, 179, 144, 109, 78, 51, 37, 39, 62, 97, 123.

O que representa os seguintes valores quantizados de tensão (em V), supondo deltaVmax=255 V.

-10,+7,+2,+10,+23,+37,+51,+51,+54,+67,+51,+16,-19,-50,-77,-91,-89,-66,-31,-5 .

Figura extraída de http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/digitaliz.htm





Codificação PCM (2) Pulso Code Modulation

q 3º. Cada um dos valores de quantização é representado por um número fixo de bits. •  Por exemplo, se houver 256 valores de

quantização, então cada valor (cada amostra) será representado por 1 byte.

Valor Quantização Representação. Binária

1 00000000 2 00000001

3 00000011 … …

… … 256 11111111



Codificação PCM (3) Pulso Code Modulation

q Cada amostra é convertida para sua representação por bits.

q Em seguida: as representações por bits de todas as amostras são, concatenadas em conjunto para formar a representação digital do sinal.

Esta figura extraídas de http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/quantiz.htm (05/01/15)





Figura extraída de http://www.qsl.net/py4zbz/teoria/quantiz.htm (05/01/15)







Exemplo de PCM (1)

q Assim, se um sinal de áudio for amostrado a uma taxa de 8.000 amostras / seg. •  Se cada amostra for quantizada e representada

por 8 bits: •  O sinal digital resultante terá uma taxa digital de: •  8.000 amostra/seg x 8 bits = 64.000 bits / segundo.

q Este sinal então pode ser re-convertido (decodificado) para um sinal analógico para ser reproduzido em áudio novamente.



Exemplo de PCM (2)

q  Assim: codificação de voz usando PCM, com taxa de 8.000 amostras por segundo e 8 bits de amostra: resulta numa taxa digital de 64 Kbps.

q  CD de áudio também usa PCM. q  Arquivos ”wave” de CDs são codificados por PCM.

q  Mas usamtaxa de amostragem de 44.100 amostras por segundo (44,1 KHz) e 16 bits por amostra:

•  705,6 Kbps para mono. •  1,4 Mbps para estéreo → muito alto ! •  Por esta razão, voz e música codificadas em PCM

raramente são usadas na Internet.





Compressão de áudio (1)

q Na Internet: •  Ao invés de PCM, utiliza-se técnicas de

compressão para reduzir a taxa de bits. q Dentre as várias técnicas de compressão

para voz, destacam-se: •  GSM à usa 13 Kbps. •  G.729 à usa 8 Kbps. •  G.723.3 à 6,4 e 5,3 Kbps.

•  Além de um grande número de técnicas proprietárias.



Compressão de áudio (2)

q  Para música estéreo com qualidade próxima de CD usa-se técnica de compressão MPEG de camada 3. •  Popularmente chamada de “MP3”. •  Comprime a taxa de bits para 128 ou 96 Kbps, com pouca

degradação de som.

q  O princípio de funcionamento básico do MP3: •  Buscar e eliminar todos os sinais redundantes e

irrelevantes, que não sejam audíveis. •  Geralmente aplicado sobre uma codificação PCM.

q  MP3 é um padrão MUITO complexo.





MP3

q O algoritmo de compactação do MP3 elimina frequências muito altas, acima dos 20kHz. •  Que não são audíveis pelo ouvido humano, e

que estão presentes numa codificação PCM. •  Economiza-se muitos bytes.

q A técnica usada pelo MP3 é denominada “perceptual noise shaping”.



MP3 e Perceptual Noise Shaping q  Um conjunto de filtros extrai pequenas amostras do sinal.

•  E, através do algoritmo de compactação, gera um novo sinal diferente deste original.

•  Que é “menor”, mas que soa aos nossos ouvidos como o primeiro.

q  Em qualquer música, se duas frequências muito próximas soarem ao mesmo tempo, nosso ouvido somente ouvirá a mais forte.

q  Ou seja, o mp3 simplesmente diminui o número de bits desse sinal mais fraco e mantém os bits do sinal mais forte.

q  Diminuindo assim o tamanho final do arquivo PCM na proporção 12:1, mantendo uma qualidade semelhante ao CD, eliminando as redundâncias.





Aprofundamento de MP3

q http://www.mp3-tech.org

q http://www.iis.fraunhofer.de q http://pt.wikipedia.org/wiki/MP3 Todos os links verificados em January 5, 2015



Vídeos na Internet





Vídeos na Internet (1)

q Os vídeos, para internet, podem ser transmitidos numa fração da sua frequência original. •  Por exemplo:

•  vídeos capturados a 30 fps (frames por segundo) podem ser transmitidos a 30, 15, 10, 7.5, 6 e 5 fps.

•  Padrão cinema, as frequências serão de 24 fps, e pode-se utilizar 24, 12, 8, 6 e 4 fps, na transmissão.



Vídeos na Internet (2)

q O olho humano é sensível a imagens de frequência inferior a 16 fps. •  Ou seja: se for mais devagar do que 16 fps, o

olho percebe a passagem de um frame para outro.

q Para que o vídeo seja visto como uma animação, e não como uma sequência de imagens estáticas: •  A frequência dos frames deve ser

superior a 16 fps. •  Cinema = 24 fps.





Compressão de vídeo

q  Os padrões de compressão MPEG são os mais populares. •  Derivados da compressão de imagens JPEG.

q  MPEG1: para vídeos com qualidade média. •  Necessidade de banda: 1,5 Mbps

q  MPEG2: para vídeos DVD de alta qualidade. •  Necessidade de banda: 3 a 6 Mbps

q  MPEG4: compressão de vídeo orientada a objeto. q  Padrão H.261 também é muito usado na Internet. q  Há diversos outros padrões proprietários.



Fluxo contínuo de áudio e vídeo armazenados





Áudio e vídeo armazenados (1)

q Áudio e de vídeo armazenados em servidores ou em cloud.

q  Usuários solicitam os arquivos por demanda. •  Por exemplo: apresentados 10s após a requisição.

q  Interatividade é possível: •  Pausa, avanço, retrocesso, deslocamento.



Áudio e vídeo armazenados (2)

Player ou “Transdutor de Mídia” q  Software com funções específicas:

•  Remove jitter. •  Descomprime. •  Faz correção de erros. •  Tem interface gráfica de usuário para interatividade.

q Plug-ins podem ser usados para embutir o transdutor de mídia num browser. •  Ou podem funcionar independentemente.





Informações de tempo contínuo em servidores Web (1) q  Áudio e de vídeo são armazenados em servidores Web: à Considerado “Abordagem ingênua”.

•  Browser pede o arquivo com uma mensagem http-request. •  Servidor Web envia o arquivo na mensagem http-response. •  O cabeçalho “content-type” do http indica uma codificação

apropriada para áudio e vídeo. •  Browser chama o transdutor de mídia, e entrega o arquivo

para ele. •  Transdutor de mídia apresenta o arquivo. •  Mas há Problemas…



Informações de tempo contínuo em servidores Web (2)

•  Maior problema: o transdutor de mídia interage com o servidor WEB através do browser, que atua como intermediário.

•  Vários fatores indesejáveis causados pelo http e TCP.

Alternativa possível: estabelecer conexão entre o servidor e o transdutor.





Abordagem intermediária: Conexão direta entre o servidor e o transdutor.

q  O browser solicita objeto, e recebe um meta arquivo •  Um arquivo descrevendo o objeto,

ao invés de receber o próprio arquivo.

q  O cabeçalho “Content-type” específica aplicação de áudio e vídeo.

q  Browser dispara o transdutor de mídia, e entrega o meta-arquivo para ele.

q  Transdutor estabelece uma conexão TCP com o servidor, e envia a ele a mensagem HTTP do tipo http-request.

Problema: q  O transdutor de mídia se

comunica usando HTTP, que não foi projetado para suportar comandos de controle de apresentação.

Informações de tempo contínuo em servidores Web (3)

(1) pedido/resposta HTTP por um meta arquivo

(3) arquivo solicitado é enviado usando o HTTP

(2) meta arquivo

transdutor de mídia



Obtendo o vídeo de um servidor dedicado q Melhor abordagem: transdutor solicita

direto ao servidor de vídeo. q Esta arquitetura permite o uso de outros

protocolos (além do HTTP/TCP) entre o servidor e o transdutor de mídia.

q Pode usar UDP ao invés do TCP.





Protocolos de aplicação para Mídia:

RTSP Real Time Streaming Protocol

(Aqui começa a sopa de letras...)



Real Time Streaming Protocol: RTSP (1) HTTP: q  Projetistas do HTTP tinham em mente mídias estáticas:

•  HTML, imagens, applets, etc… •  HTTP não foi projetado para tratar mídia contínua

armazenada (áudio, vídeo, apresentações, etc…). •  Principalmente por estar atrelado ao TCP:

•  Overhead e controle de fluxo/congestionamento, ligados ao TCP.

Alternativa: RTSP (RFC 2326): q  Protocolo de aplicação, tipo cliente-servidor. q  Protocolo para CONTROLE DE MÍDIA:

•  Permite ao usuário controlar apresentações de mídia contínua: voltar ao início, avançar, “pausar”, continuar, seleção de faixa, etc…





Real Time Streaming Protocol: RTSP (2)

IMPORTANTE : O que ele não faz: q  Não define como o áudio e o vídeo é encapsulado para

transmissão sobre a rede. q  Não é um protocolo de transporte de mídia, portanto não

define como o fluxo de mídia contínua é transportado. q  Não especifica se e como o receptor deve armazenar a

mídia. Exemplos: q  Helix DNA Server - RealNetworks e Realplayer q  Quick Time Streaming Server e Quick Time Player.

•  Servidor e transdutor usam RTSP para enviar informações de controle de um para o outro.

q  Lista completa de servidores e clientes em http://en.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Streaming_Protocol



RTSP: controle fora da banda (1)

Recordando: FTP usa um canal de controle “fora-da-banda”.

q O arquivo é transferido sobre um canal. q  Informações de controle são enviadas

sobre outra conexão TCP separada. •  Operações de mudanças de diretório, remoção

de arquivos, trocas de nomes, dentre outras. q Os canais “dentro-da-banda”e “fora-da-

banda” usam diferentes números de portas.





RTSP: controle fora da banda (2)

q  Mensagens RTSP também são enviadas “fora-da-banda”.

q  As mensagens de controle RTSP usam números de portas diferentes das portas do fluxo de dados de mídia contínua.

•  Portanto, são enviados “fora-da-banda”.

q  O fluxo de dados de mídia contínua é considerada “dentro-da-banda”.

•  Cuja estrutura de pacotes não é definida pelo RTSP,



Iniciação do RTSP e controles de entrega

q  Cliente obtém uma descrição do conteúdo multimídia, que pode consistir de vários fluxos de dados.

q  O browser chama o transdutor de mídia com base no tipo de conteúdo descrito.

q  A descrição da apresentação inclui referências aos fluxos de mídia usando o método rtsp://

q  Transdutor envia o comando RTSP SETUP e servidor envia a resposta RTSP SETUP.

q  Transdutor envia o comando RTSP PLAY; servidor envia a resposta RTSP PLAY.

q  O servidor de mídia descarrega o fluxo de mídia.

q  Transdutor envia o comando RTSP PAUSE; o servidor envia a resposta RTSP PAUSE.

q  Transdutor envia o comando RTSP TEARDOWN; servidor envia a resposta RTSP TEARDOWN.

HTTP GET

SETUP

PLAY

media stream PAUSE

TEARDOWN

media player

Web server

media server

Web browser

client server

presentation desc.

Transdutor de mídia

Servidor de mídia

cliente servidor

descr. apresent.

fluxo de mídia





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> !



Sessão RTSP

q  Cada sessão RTSP tem um identificador de sessão, escolhido pelo servidor. •  O cliente inicia a sessão com o comando SETUP, e o

servidor responde ao comando com um identificador. q  O cliente repete o identificador de sessão em

cada comando, •  Até que o cliente encera a sessão com o comando

TEARDOWN. q  O número de porta do RTSP é 554. q  RTSP é encapsulado em TCP para transporte.

•  Cada mensagem RTSP pode ser enviada numa conexão TCP separada.





RTSP: exemplo de mensagens CLIENT: SETUP rtsp://audio.example.com/twister/audio RTSP/1.0 Transport: rtp/udp; compression; port=3056; mode=PLAY SERVER: RTSP/1.0 200 1 OK Session 4231 CLIENT: PLAY rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=0- CLIENT: PAUSE rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=37 CLIENT: TEARDOWN rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 SERVER: 200 3 OK

Comandos

Session ID

RTP: veremos mais adiante



Aplicações interativas em tempo-real

Fazendo o (im)possível com o “melhor esforço”





Aplicações interativas em tempo-real

q  Telefone IP - Telefone IP (Hardware VoIP-2-VoIP). q  Device a device (Softfone VoIP-2-VoIP). q  VoIP para telefone convencional (PSTN).

•  Skype •  Gizmo •  Viber •  Facetime •  Net2phone •  Muitos outros...

q  Videoconferência. q  Live Webcams.

Como exemplo, vamos agora examinar um produto de telefone da Internet em detalhes…



Telefonia Internet sobre melhor-esforço (1)

Usando melhor esforço: q Temos problemas de:

•  Atraso •  Perdas •  Jitter

q Usando um exemplo de telefonia IP, vamos examinar como estes problemas são tratados.






q  As aplicações de telefonia na Internet geram pacotes SOMENTE durante momentos de atividade da voz.

q  Considere uma taxa de bits PCM de 64 kbps •  8 kbytes / seg durante atividade.

(na verdade é uma taxa muito alta - na prática as taxas serão menores e deve-se usar compressão).

•  Ou seja, 8 kbytes / seg por rajada.

q  Como a aplicação funciona: •  Junta as partes de atividade, e gera uma porção de

dados a cada 20 ms (por padrão).

q Continuando....




q  Junta tudo, e gera uma porção de dados a cada 20 ms. Ou seja:

•  Durante períodos de atividade, a aplicação produz um bloco de 160 bytes.

8 kb/seg x 20 ms = 160 bytes q  Além disso: um cabeçalho é acrescentado ao bloco.

•  Bloco + cabeçalho são encapsulados num pacote UDP, e enviados.

q  Alguns pacotes podem ser perdidos à o atraso irá variar. q  Receptor deve determinar quando reproduzir um bloco, e

determinar o que fazer com um bloco faltante.

q  Veremos como os problemas são tratados...





Telefonia Internet sobre melhor-esforço (4) (tratando problemas)

Perda de pacotes: q  Segmento UDP à encapsulado num datagrama IP. q  Datagrama pode ser descartado num roteador. q  Uso de TCP poderia eliminar perdas.

•  Mas tem efeitos colaterais: •  Retransmissões aumentam o atraso. •  Sliding window do TCP limita a taxa de transmissão.

q  Pacotes redundantes podem ajudar (veremos mais adiante) Atraso fim-a-fim: q  Causa: acúmulo da soma dos atrasos

•  transmissão, propagação, processamento, e de filas. q  Se há mais que 400 ms de atraso fim-a-fim:

•  compromete a interatividade. q  Quanto menor o atraso, melhor




Perda de pacotes: q  Segmento UDP à encapsulado num datagrama IP. q  Datagrama pode ser descartado num roteador. q  Uso de TCP poderia eliminar perdas.

•  Mas tem efeitos colaterais: •  Retransmissões aumentam o atraso. •  Sliding window do TCP limita a taxa de transmissão.

q  Pacotes redundantes podem ajudar (veremos mais adiante) Atraso fim-a-fim: q  Causa: acúmulo da soma dos atrasos

•  Atrasos: transmissão, propagação, processamento, e de filas. q  Se há mais que 400 ms de atraso fim-a-fim:

•  Conforme já visto: compromete a interatividade. q  Quanto menor o atraso, melhor a experiência do cliente.






Jitter ou Variação de atraso: q  Considere dois pacotes consecutivos num intervalo

de atividade. q  Espaçamento inicial é de 20 ms.

•  Mas o espaçamento no receptor pode ser maior ou menor que 20 ms à devido ao JITTER.

Para remover o jitter, utiliza-se, ao mesmo tempo: 1.  Marcas de tempo. 2.  Atrasos na reprodução. 3.  Números de sequência.



1. Uso de marcas de tempo (timestamp)

q  Emissor coloca uma marca de tempo t no bloco.

q  Receptor tenta reproduzir cada bloco exatamente q ms depois que o bloco é gerado. •  Se o bloco tem marca de

tempo t, receptor usa o bloco no instante (t+q) .

•  Se o bloco chega após o instante (t+q), receptor o descarta.

q  Números de sequência não são necessários aqui.

q  Esta estratégia permite perder pacotes.

q  A escolha do valor de q é importante: •  q grande: perda de

pacotes MENOR. •  q pequeno: melhor

controle da interatividade.





2. Atraso de reprodução (fixo) q  Transmissor gera pacotes a cada 20 ms durante os intervalos de atividade. q  Atrasa o início por um fator fixo. q  Primeiro pacote é recebido no instante r. q  Primeira programação de reprodução: começa em p. q  Uma segunda programação de reprodução poderia começar em p’. q  Deve-se escolher p ou p’ adequadamente.

tempo

packets

time

packetsgenerated

packetsreceived

loss

r

p p'

playout schedulep - r

playout schedulep' - r



2. Atraso de reprodução (adaptativo) (1)

pacote ésimo- oreceber após rede na atraso do estimativapacote ésimo- o para rede da atraso

receptor no oreproduzid é pacote o qual no instantereceptor pelo recebido é pacote o qual no instante

pacote ésimo do tempode marca

iditripir

it

i

ii

i

i

i

=

=−

=

=

−=

•  Estima o atraso da rede, e ajusta o atraso de reprodução no início de cada intervalo de atividade.

•  Intervalos de silêncio são aumentados e diminuídos de forma dinâmica à com base na média estatística dos atrasos.

•  Blocos ainda são gerados a cada 20 ms nos intervalos de atividade.

Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor: )()1( 1 iiii trudud −+−= −

onde u é uma constante fixa (ex: u = 0,01).





É também usual estimar a variância média do atraso, vi :

||)1( 1 iiiii dtruvuv −−+−= −

As estimativas de di e vi são calculadas para cada pacote recebido, embora elas sejam usadas apenas no início de um intervalo de atividade. Para o primeiro pacote de um intervalo de atividade, o instante de reprodução é:

iiii Kvdtp ++=

onde K é uma constante positiva. Para este mesmo pacote, o atraso de reprodução é:

iii tpq −=

Para o pacote j no mesmo intervalo de atividade, o pacote deve ser reproduzido em:

ijj qtp +=

2. Atraso de reprodução (adaptativo) (2)



q Como saber se um pacote é o primeiro após um silêncio ? •  Intervalo de atividade.

q Se nunca houvesse perdas o receptor poderia simplesmente olhar nas marcas de tempo sucessivas. •  Se a diferença de marcas de tempo

sucessivas for maior que 20 ms, então é o início de silêncio (intervalo).

•  Mas as perdas podem ocorrer.

3. Números de sequência (1)





q Mas, uma vez que as perdas podem ocorrer:

q O receptor deve olhar tanto as marcas de tempo como os números de sequência dos pacotes.

•  Se a diferença de marcas de tempo sucessivas for maior que 20 ms, e não há saltos nos números de sequência, então há o início de um silêncio.

3. Números de sequência (2)



Recuperação de perdas

Perdas: pacote nunca chega, ou chega depois do seu tempo de

reprodução programado

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Recuperação de perdas de pacotes (1) 1º. esquema FEC

Correção de erro de envio (FEC) - esquema simples: q  Para cada grupo de n blocos, cria um bloco redundante

realizando uma operação “OU exclusivo” (XOR) entre os n blocos originais.

q  Envia os n+1 blocos, aumentando o uso banda por um fator de 1/n.

q  Assim é possível reconstruir os n blocos originais, se houver no máximo um bloco perdido nos n+1 blocos enviados.

FEC = Forward Error Correction Similar ao método de paridade. Ver seção 5.2.1 Kurose &Ross



Recuperação de perdas de pacotes (2) 2º. esquema FEC

2o. esquema FEC: q  Enviar, junto com o fluxo original, um fluxo de

menor qualidade como “carona”. q  Isto é, envia fluxo de áudio de menor resolução

como a informação redundante. q  Por exemplo, um fluxo PCM nominal a 64 kbps

e um fluxo GSM redundante a 13 kbps. q  Transmissor cria pacote tomando o bloco n do

fluxo nominal, e anexando a ele o bloco (n-1) do fluxo redundante.





2o. esquema FEC:

•  Enviar um fluxo de menor qualidade como “carona”.

•  Envia fluxo de áudio de menor resolução como a informação redundante.

•  Por exemplo, um fluxo PCM nominal a 64 kbps e um fluxo GSM redundante a 13 kbps.

•  Transmissor cria pacote tomando o bloco n do fluxo nominal, e anexando a ele o bloco (n-1) do fluxo redundante

•  Sempre que ocorre perda não-consecutiva, o receptor pode esconder a perda. •  Apenas dois pacotes precisam ser recebidos antes do início da reprodução •  Pode também anexar os blocos (n-1) e (n-2) do fluxo de baixa qualidade.

Recuperação de perdas de pacotes (3) Fluxo original

Redundância

Perda de Pacote

Fluxo reconstruído



Recuperação de perdas de pacotes (4) Outra técnica: intercalação

q Blocos são quebrados em unidades menores.

q Por exemplo, 4 blocos de 5 ms cada. q  Intercalar os blocos como mostrado no

diagrama (a seguir). q Cada pacote agora contém unidades

menores de diferentes blocos.





Intercalação: q  Blocos são

quebrados em unidades menores.

q  Por exemplo, 4 blocos de 5 ms cada.

q  Intercalar os blocos como mostrado no diagrama.

q  Pacote agora contém unidades menores de diferentes blocos.

q  Remontar os blocos no receptor.

q  Se o pacote é perdido, ainda resta mais de cada bloco.

Recuperação de perdas de pacotes (5) Fluxo original

Fluxo intercalado

Perda de pacote

Fluxo reconstruído



q  Técnicas para recuperação pelo receptor de fluxos de áudio danificados:

q  Produzir uma substituição para um pacote perdido que seja similar ao pacote original. •  Pode produzir bons resultados para baixas taxas de

perdas, e pacotes pequenos (4 ~ 40 ms). •  Estratégia mais simples: repetição de n. •  Estratégia mais complexa: interpolação.

Recuperação de perdas de pacotes (6) Resumo





Até aqui vimos:

q Conceitos fundamentais e características da Mídia na Internet.

q Problemas e desafios. q Fluxo contínuo de áudio e vídeo

armazenados. q Codificação de áudio e vídeo, PCM e MP3. q Controle de mídia com RTSP. q Aplicações interativas em tempo real. q A seguir: protocolos para transportar mídia

•  RTP, RTCP, VoIP, H323, SIP, e outros....

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