TVoIP: TV sobre IP Arquiteturas para Transmissão em Larga Escala

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1 Capítulo 3 TVoIP: TV sobre IP Arquiteturas para Transmissão em Larga Escala Célio Albuquerque, Tiago Proença e Etienne Oliveira Instituto de Computação Universidade Federal Fluminense (IC-UFF) Niterói RJ Brasil {celio,tproenca,eoliveira}@ic.uff.br Abstract Services for video content distribution over the Internet, live and on-demand, are increasing in popularity with the dissemination of broadband access networks. This work identifies two orthogonal approaches to the great challenge of delivering television content over IP networks in a scalable manner. Commercial initiatives towards supporting television content over IP networks are currently under deployment, motivated mainly by emerging convergent multimedia networks. Commercial IPTV is typically based on a private IP network and makes use of multicast transmission techniques with the goal of delivering a service with quality equivalent to conventional broadcast TV. However, the commercial IPTV has limited coverage, in conformity with the extent of its private IP network. On the other hand, other initiatives have been proposed aiming to deploy a service with global coverage and using the infrastructure of the Internet. The basic idea is to take advantage of the user s idle resources, in order to form a cooperative environment for TV distribution. The great challenge of the cooperative IPTV is to guarantee the quality of the service and to provide incentive mechanisms for cooperation. This work presents architectures for video distribution in large scale over the Internet. It will be discussed the state-of-art of current approaches and it will be presented new distribution proposals capable of providing sustainability for a TV over IP service on the Internet, including solutions based on application level multicast such as content distribution networks, multi-paths, pseudo-servers and peer-to-peer. Resumo Os serviços de distribuição de conteúdo televisivo na Internet tanto ao vivo como sob demanda estão ganhando cada vez mais popularidade com a disseminação das redes de acesso em banda larga. Este minicurso identifica duas vertentes ortogonais para o grande desafio de realizar a entrega de um serviço escalável de distribuição de TV sobre redes IP. Iniciativas comerciais de

2 transmissão de conteúdo televisivo sobre redes IP têm surgido, impulsionadas principalmente pelo surgimento das redes convergentes. O IPTV comercial é baseado em uma arquitetura IP privada, faz uso de técnicas de transmissão em multicast e objetiva fornecer um serviço com qualidade equivalente ao prestado pela TV convencional. No entanto, o IPTV comercial possui abrangência limitada, de acordo com o alcance da rede privada. Em contrapartida, outras iniciativas vêm sendo propostas visando fornecer um serviço de alcance global e utilizando a infra-estrutura da Internet. A idéia básica é utilizar os recursos ociosos dos usuários, de modo a formar um ambiente cooperativo para distribuição de TV. O grande desafio do IPTV cooperativo é garantir a qualidade do serviço e prover mecanismos de incentivo a cooperação. Este minicurso apresenta algumas arquiteturas para distribuição de vídeo em larga escala na Internet. É abordado o estado da arte das tecnologias atuais e são apresentadas novas propostas de distribuição capazes de prover sustentabilidade para um serviço de TV sobre IP na Internet, descrevendo soluções baseadas em multicast em nível de aplicação como redes de distribuição de conteúdo, multi-caminhos, pseudoservidores e peer-to-peer Introdução A intensa evolução das tecnologias de comunicação possibilitou o acesso em banda larga à última milha, criando um leque de oportunidades para provedores e distribuidores de conteúdo. Entre estas ofertas, podemos citar serviços como acesso à Internet, transmissão de voz, transmissão de sinais de TV, entre outras. O serviço de acesso à Internet em banda larga possibilitou a realização de jogos em 3D em tempo real, acesso a bibliotecas virtuais e a outros serviços que demandam recursos de comunicação mais exigentes. Empresas de telecomunicações em todo o mundo estão investindo em infraestrutura, substituindo os cabos metálicos por cabos de fibra ótica, de forma a possibilitar a oferta de acessos em banda larga com velocidade bem superior a atual, conforme poderá ser observado na Tabela 3.1 da Seção O serviço de transmissão de voz sobre rede de dados banda larga, denominado Voice over IP (VoIP), vem sendo explorado por inúmeras empresas e ofertado tanto para usuários residenciais quanto para usuários corporativos. Como a qualidade do serviço de VoIP assemelha-se bastante ao serviço prestado pelas operadoras de telefonia fixa tradicionais, a expectativa do mercado é de franca expansão. Entre as empresas autorizadas pela Anatel para prestar o serviço de VoIP podemos citar a Brasil Telecom, Primeira Escolha, Transit Telecom e a GVT, que oferecem serviços denominados respectivamente como VoipFone, VoiceLine, ViaVoIP e SkypeIn, Vono. Já o serviço de transmissão de sinais de TV sobre redes de dados banda larga denominado neste trabalho de forma genérica e abrangente como Television over IP (TVoIP), ainda não é ofertado com a mesma qualidade e abrangência que o serviço prestado pela TV convencional. Desta forma, novas arquiteturas que sejam capazes de prover qualidade de serviço vêm sendo propostas, objetivando a garantia de requisitos de comunicação, a comunicação multidestinatária e uma maior abrangência. Algumas destas novas propostas serão detalhadas na Seção 3.3. O conjunto de serviços de acesso à Internet em banda larga, telefonia via redes IP e vídeo interativo através de um único canal de comunicação e por um único provedor é denominado triple play. As principais operadoras de serviços tais como operadoras de TV a cabo, distribuidoras de energia elétrica, operadoras de telefonia fixa e operadoras espelho de telefonia fixa estão atentas a essa nova oportunidade que surge no mercado e espera-se que, em breve, possam estar ofertando o serviço triple play aos assinantes. A oferta de triple play é mais uma oportunidade de negócios para as operadoras, possi-

3 bilitando a fidelização de clientes residenciais através de pacotes com multiplicidade de serviços. As operadoras que tiverem capacidade de oferecer serviços triple play terão, provavelmente, uma fatia maior deste cobiçado mercado. A chegada do serviço de transmissão de voz sobre redes de dados (VoIP) criou uma reviravolta no modelo de negócios existente. O impacto foi tão grande que algumas empresas de telefonia fixa, que também atuam como fornecedoras de acesso em banda larga, chegaram a bloquear, em seu backbone, o tráfego proveniente de protocolos utilizados para transmissão de voz sobre rede de dados. Embora esta atitude tenha sido tomada, empresas provedoras de serviços de VoIP, tais como Skype, prosperaram e hoje compõem uma fatia considerável do mercado. Recentemente a Skype anunciou uma parceria com a operadora brasileira de telefonia fixa Transit Telecom, que opera no STFC (Sistema de Telefonia Fixa Comutada),e juntas passaram a oferecer, através do software SkypeIn, o serviço de recebimento de ligações por um telefone convencional com fornecimento de uma numeração exclusiva. Da mesma forma que o VoIP provocou uma mudança no modelo de negócios de telefonia, espera-se que este processo se repita sob a ótica do sistema televisivo, impulsionado pelo amadurecimento do IPTV. Atualmente, o fornecimento deste tipo de serviço comercialmente conta com algumas limitações. Uma delas, é que a maioria dos serviços de TV sobre IP são oferecidos sobre um backbone proprietário. Este fato deve-se a capacidade parcial ou, dependendo da região, a incapacidade total da Internet atual de prover qualidade de serviço e de lidar com tráfego multicast de forma escalável. No entanto, através de redes privadas e de porte menor para distribuição comercial de conteúdo de TV, é possível garantir qualidade de serviço e ter suporte a tráfego multicast de forma eficiente. Novas abordagens vêm sendo propostas para resolver o problema de escalabilidade da arquitetura IPTV comercial, procurando fornecer um serviço de alcance global e utilizando a infraestrutura da Internet, ao invés de redes privadas. A idéia básica é utilizar os recursos ociosos nos nós clientes, de modo a formar um ambiente totalmente cooperativo. No entanto, estas abordagens baseadas em IPTV cooperativo possuem várias limitações, sendo uma delas a dificuldade de fornecer qualidade de serviço ao mecanismo e de se ter um modelo de cobrança pelo serviço. O objetivo principal deste minicurso é explorar arquiteturas de distribuição de vídeo em larga escala na Internet. Será abordado o estado da arte das tecnologias atuais e serão apresentadas novas propostas de distribuição capazes de prover sustentabilidade para um serviço de TV sobre IP na Internet, descrevendo em detalhes soluções baseadas em multicast em nível de aplicação como redes de distribuição de conteúdo, multi-caminhos, pseudo-servidores e peer-to-peer. A partir do modelo de distribuição de vídeo utilizado nas tecnologias atuais, serão destacados os problemas específicos existentes e a discussão de alguns novos modelos para solucioná-los. Por fim, propostas para otimização desses modelos serão expostas. O perfil desejado para o público deste minicurso são alunos de graduação, mestrado e doutorado que estejam pesquisando ou tenham intenção de iniciar pesquisas nas áreas de distribuição de TV Digital e de conteúdo multimídia via Internet. Este trabalho está organizado como segue. A Seção 3.2 apresenta o estado da arte das tecnologias atuais e apresenta algumas soluções IPTV comerciais. A Seção 3.3 apresenta algumas alternativas para distribuição de TV via Internet. A Seção 3.4 apresenta algumas técnicas para otimização das propostas. Por fim, a Seção 3.5 tece as considerações finais e apresenta futuras direções que podem ser tomadas pelo serviço de distribuição de TV em redes IP.

4 Modelo de Negócios O modelo de negócios instalado atualmente para as empresas de TV aberta associa os processos de produção e distribuição de conteúdo. Já para algumas empresas de TV por assinatura, deve-se agregar a necessidade de construção de redes cabeadas para distribuição do conteúdo. Em um novo modelo de negócios, a responsabilidade pelas etapas de produção de conteúdo, distribuição de conteúdo e infraestrutura seria distribuída entre empresas parceiras, permitindo a dedicação exclusiva à atividade fim. A possibilidade de distribuição de canais de TV através de redes IP ratifica a necessidade do surgimento de um novo modelo de negócios. Uma empresa dedicada a prover infraestrutura para distribuição de conteúdo poderia ofertar seus serviços a mais de uma produtora de conteúdo, permitindo o compartilhamento dos recursos e, provavelmente, reduzindo custos e aumentando a capilaridade. A partir da implementação deste modelo, com o processo de veiculação simplificado e com custo reduzido, novas e antigas produtoras de conteúdo poderiam investir em produtos nacionais e, com isso, ofertá-los a uma parcela da população que hoje não compreende e, conseqüentemente, não se interessa pelos programas importados oferecidos pela maioria dos canais das empresas de TV por assinatura. Esta mudança de paradigma seria suficiente para a criação de um novo nicho de mercado, permitindo a regionalização de programas ofertados. Especificamente em relação a IPTV, o cliente pode estar em qualquer continente e ainda receber uma programação personalizada, além de outras funções ainda indisponíveis na TV tradicional, como canais interativos, programação sob demanda, gravação de programas, publicidade individualizada, entre outras Abrangência Global O modelo de distribuição de sinais das emissoras de TV aberta determina uma banda passante fixa, um tipo de receptor e limita a área de abrangência do sinal transmitido. A maior restrição imposta é justamente a limitação do espectro de freqüência destinado a cada emissora para transmissão analógica, o que impede a oferta simultânea de vários programas de uma mesma emissora. A área de abrangência fica limitada à área coberta pelas retransmissoras e afiliadas da emissora, tipicamente restrita a alguns municípios. A abrangência nacional é atingida com a utilização de satélites, que requerem receptores específicos e de custo superior aos receptores utilizados por sistemas de radiodifusão. Para as emissoras de TV por assinatura o espectro de freqüência não pode ser considerado como uma limitação, em função, principalmente, da digitalização dos programas transmitidos, possibilitando a recepção de vários canais simultaneamente. Com o emprego de codificação no sinal distribuído, torna-se necessária a utilização de receptores fornecidos pela própria emissora de TV por assinatura. Já no caso de distribuição de sinais de vídeo através da tecnologia de TVoIP não existe limitação em relação à abrangência. Por ter os sinais distribuídos através da Internet, a digitalização torna-se obrigatória e o alcance global, possibilitando o recebimento de programação de qualquer emissora e de qualquer nação Escalabilidade O modelo de radiodifusão utilizado por emissoras de TV aberta é capaz de alcançar praticamente todos os domicílios na sua área de alcance, embora seja fundamental a existência de repetidoras, de forma a ampliar a área de abrangência.

5 As emissoras de TV por assinatura que optarem por disseminar o sinal através de satélite não devem ter problema de escalabilidade. Já as que optaram por construir uma rede cabeada, certamente vêm enfrentando este problema, devido à dificuldade de levar até o assinante a infraestrutura mínima necessária ao recebimento do sinal. O modelo de distribuição de sinais proposto para a TVoIP deve tratar da questão da escalabilidade com muita cautela. Como o meio de comunicação (Internet) entre a difusora do sinal e o assinante é compartilhado por inúmeras outras aplicações, deve haver, necessariamente, um modelo que mantenha a estabilidade da rede, principalmente em função da grande quantidade de tráfego gerado pela transmissão de programas televisivos que requerem características especiais. A manutenção da qualidade do sinal também pode ser afetada caso haja comprometimento da rede em função de dimensionamento incorreto Interatividade A capacidade de um dispositivo interagir ou permitir interação com o seu respectivo usuário é denominada Interatividade. A existência de interatividade está estritamente relacionada à existência de um meio eletrônico, intermediando a interação. De acordo com [38], é possível classificar o conceito de interatividade em três níveis de abrangência: Interatividade com o conjunto televisivo: Nesse nível a interatividade está restrita ao uso do controle remoto, permitindo a troca de canais e o avanço, o retrocesso e a pausa de imagens no vídeo-cassete. O telespectador, neste nível, não pode alterar o conteúdo, apenas a forma como o mesmo é visto. Interatividade com o conteúdo do programa da televisão: Nesse nível a interatividade é plena e representa o maior desafio para os produtores. Nesta visão, o telespectador pode controlar o conteúdo do programa que está assistindo, assim como é capaz de controlar a programação que gostaria de assistir. Interatividade com o conteúdo que encontra-se na televisão: Também chamado de coativo, este nível contém as mesmas características que o nível anterior e, ainda, funcionalidades que mudarão radicalmente a forma como assistimos televisão pelas próximas décadas. Obter informações a qualquer momento sobre as condições climáticas, esportes, programação, notícias das emissoras, etc, assim como obter informações detalhadas a cerca dos produtos anunciados e poder comprá-los. Lemos, em [24] classifica a interatividade em relação à televisão em cinco níveis distintos, conforme pode ser observado a seguir: Nível 0: este é o nível mais baixo de interatividade, sendo possível ao telespectador a troca de canal, a regulagem de volume, o ajuste de contraste e brilho ou ligar ou desligar o aparelho de televisão. A transmissão ainda ocorre em preto e branco, com apenas um ou dois canais. Nível 1: Surge então a televisão colorida e outras emissoras. O controle remoto vem suprir a demanda de conforto requerida pela possibilidade de navegar entre os inúmeros canais disponíveis, assim como efetuar ajustes na forma como a programação é assistida. Essa navegação, também chamada de zapping, é considerada a precursora da navegação da web (World Wild Web).

6 Nível 2: O aparelho de televisão passa a poder ser utilizado para outros fins, não apenas para assistir os programas transmitidos pelas emissoras de televisão. Jogos eletrônicos, vídeoscassete e câmeras portáteis permitem que o usuário se aproprie da televisão para jogar ou simplesmente assistir a filmagens previamente gravadas. O vídeo-cassete ainda permite que o usuário possa se apropriar dos programas transmitidos pelas emissoras, podendo gravá-los e assistí-los quando bem desejar. Nível 3: Os primeiros sinais de interatividade digital surgem neste nível, onde o telespectador pode interferir no conteúdo da programação através de fax, telefone ou mensagens de correio eletrônico ( ). Programas como BigBrother, Intercine e Você Decide da Rede Globo, Casa dos Artistas do SBT e outros similares encontram-se classificados neste nível. Nível 4: Neste nível surge a TV interativa, possibilitando que o telespectador possa utilizar o controle remoto e interferir na programação, selecionando cenas ou ângulos de câmeras que lhe convém. O canal SportTV Premiere oferece este recurso, conforme pode ser observado na Figura 3.1. Figura 3.1. Seleção de cenas e ângulos (Fonte: [5]) Existem, ainda, mais três níveis complementares propostos em [6] que possibilitam ao telespectador interferir plenamente na programação e não apenas reagir aos programas transmitidos pelas emissoras. Nível 5: Neste nível o próprio telespectador pode participar da programação, enviando vídeos de baixa qualidade, produzidos através de web cam ou filmadoras analógicas. Surge, neste nível, a necessidade de um canal de retorno ou canal de interação que seja capaz de prover recursos para a transmissão do vídeo do telespectador para a emissora. Nível 6: O nível 6 oferece os mesmos recursos que o nível 5, entretanto permite a transmissão de vídeos de alta qualidade. O canal de retorno ou canal de interatividade deve, obrigatoriamente, dispor de banda superior à oferecida no nível 5.

7 Nível 7: Neste nível o telespectador alcança a interatividade plena, gerando conteúdo da mesma forma que a emissora. Neste modelo, o telespectador rompe o monopólio de produção e veiculação das redes de televisão e passa a atuar como se fosse um internauta na web, com capacidade e recursos necessários à publicação de sites com o conteúdo que desejar. No caso de emissoras que façam uso de radiodifusão torna-se necessário o uso de uma tecnologia alternativa para implementação de um canal de retorno, também conhecido por canal de interatividade, de forma que o telespectador possa se comunicar com a emissora. As emissoras que mantêm uma infraestrutura para distribuição do sinal através de rede cabeada têm a possibilidade de utilizar este meio de comunicação para prover o canal de interatividade, ainda que seja necessário adicionar algum equipamento no domicílio do assinante. O modelo de distribuição de sinais de vídeo através de TVoIP fornece, automaticamente, a infraestrutura necessária ao canal de interatividade através do acesso em banda larga Estado da Arte A distribuição de canais de TV na Internet é um fenômeno relativamente recente. No entanto, diversos usuários já experimentaram algum tipo de conteúdo televisivo na Internet, principalmente através de fluxos de vídeos disponibilizados em páginas web de notícias, de jornais e de canais de TV tradicionais. Devido a facilidade de distribuição de vídeo via Internet, recentemente um grande número de emissoras de TV de pequeno porte vêm disponibilizando conteúdo na rede. Portais como e permitem o acesso ao conteúdo de centenas de emissoras de TV espalhadas por todo o mundo, sendo que algumas delas oferecem conteúdo ao vivo em unicast e apenas uma minoria oferece distribuição para grupos via IP multicast. Esta seção tem por objetivo apresentar o estado da arte das tecnologias atuais e levantar algumas das limitações existentes nestas tecnologias. Serão apresentados as arquiteturas para distribuição de vídeo Download-and-play, Streaming e IP Multicast e alguns sistemas comerciais de IPTV em funcionamento nos EUA, Itália e França Cliente-servidor: Download-and-play Arquiteturas Download-and-play possibilitam o envio de arquivos multimídia sob demanda, normalmente através dos protocolos http e ftp ou através de redes Peer-to-peer (P2P). O envio de arquivos de áudio e vídeo é tratado com a mesma simplicidade que se envia, por exemplo, arquivos de texto ou imagens, ou seja, essas aplicações não requerem características especiais em relação ao atraso na rede e à variação dos atrasos (jitter). Fica, então, a cargo do protocolo controlar apenas as perdas ocasionais e efetuar as solicitações de retransmissão. O processo de download de um arquivo multimídia deve ser concluído antes que o mesmo possa ser visualizado, logo o atraso inserido neste processo varia de acordo com o tamanho do arquivo solicitado. No momento da reprodução do arquivo, o usuário passar a ter controle completo, podendo parar ou pausar a reprodução e retroceder ou avançar até uma determinada parte. A Figura 3.2 apresenta a arquitetura Cliente-Servidor: Download-and-play Cliente-servidor: Streaming Diferentemente da arquitetura Download-and-play, a arquitetura Streaming possibilita a apresentação do arquivo solicitado à medida que o mesmo é recebido, evitando a necessidade de efetuar

8 Figura 3.2. Arquitetura Cliente-Servidor: Download-and-play o download completo do arquivo antes de iniciar a reprodução do mesmo. Para que isso seja possível, o servidor web deve enviar um meta-arquivo ao navegador (browser) do cliente, contendo informações a cerca dos recursos necessários à reprodução do objeto solicitado. O navegador, após analisar o conteúdo do meta-arquivo, identifica a aplicação reprodutora associada e repassa as informações recebidas. Cabe, então, à aplicação reprodutora exibir o conteúdo solicitado. A arquitetura Streaming permite, através de redes IP, que qualquer cliente possa receber uma programação de áudio e/ou vídeo, da mesma forma como é possível recepcionar os sinais transmitidos por emissoras de rádio ou de TV nos respectivos receptores. Deve-se, entretanto, ressaltar que, na arquitetura Streaming, em função da mídia solicitada ser decodificada e reproduzida à medida que a mesma é recebida, as aplicações são altamente sensíveis ao atraso e à variação dos atrasos, ao ponto que um atraso na ordem de algumas centenas de milissegundos pode ser suficiente para que uma determinada aplicação descarte a mensagem. Contudo, aplicações multimídia são tolerantes a perdas ocasionais, que podem causar apenas ruídos, muitas vezes imperceptíveis no processo de reprodução. No momento da reprodução do arquivo, o usuário não tem o controle completo, e conseqüentemente, não pode pular partes ou avançar até uma determinada parte. Contudo, em algumas aplicações, as funções de pausa e retrocesso podem estar habilitadas. Deve-se destacar que, embora a utilização de técnicas de multicasting seja apropriada para este tipo de tráfego, atualmente a maioria das transmissões ocorre através de vários fluxos unicast. A Figura 3.3 apresenta a arquitetura Cliente-Servidor: Streaming. Figura 3.3. Arquitetura Cliente-Servidor: Streaming

9 IP Multicast Há muitos anos que inúmeros cientistas e pesquisadores vêm buscando alternativas viáveis com intuito de resolver definitivamente o problema de escalabilidade de um serviço de transmissão de mídia na Internet. O IP Multicast foi proposto para melhorar a eficiência na comunicação de um-para-muitos e muitos-para-muitos na Internet. No IP Multicast os dados só passam por um enlace de comunicação uma única vez e são replicados nos roteadores para os clientes que desejam receber o conteúdo. Esta arquitetura fornece a robustez necessária para prover a escalabilidade que os usuários de serviços multimídia requerem atualmente na Internet. Em 1992, foi criada a Mbone (Internet Multicast Backbone), uma rede experimental, composta de inúmeras sub-redes, com capacidade de transmitir tráfego IP Multicast sobre uma rede IP de melhor-esforço. O Mbone não é geralmente conectado aos ISPs mas é freqüentemente conectado a universidades e instituições de pesquisa. Seu principal uso é para aplicações de videoconferência e de trabalho cooperativo. No entanto, outros projetos recentes como o da rede Internet2 s Abilene Network [31] e o IPv6 fizeram com que o MBone se tornasse obsoleto. Os principais algoritmos de roteamento da arquitetura IP Multicast baseiam-se na construção de árvores de roteamento, que podem ser compartilhadas pelo grupo ou baseadas no servidor de mídia de origem. Como exemplo podemos citar os protocolos DVMRP [47] (Distance Vector Multicast Routing Protocol), PIM [14] (Protocol Independent Multicast), MOSPF [29] (Multicast Open Shortest Path First Protocol), IGMP [8] (Internet Group Management Protocol), entre outros Sistemas Comerciais A emergente demanda por serviços multimídia vem impulsionando a oferta de redes convergentes, também conhecidas por redes triple-play, que são na verdade redes capazes de suportar voz, dados e vídeo. Esta nova geração de redes permite também o surgimento de novas aplicações, aumentando o leque de ofertas por parte de provedores de serviço e de conteúdo, e também possibilitando mais conforto e opções aos assinantes. O serviço de TV por assinatura através de redes IP (IPTV), admite novas funcionalidades como Personal Video Recorder (PVR), Video over Demand (VoD), Video Podcasting, interatividade, comércio televisivo (t-commerce), governo televisivo (t-government), ensino televisivo (t-learning), acesso ao sistema bancário (t-banking), entre outras. Através de um dispositivo denominado set-top box, a gravação de programas (PVR) ou a aquisição de vídeos sob demanda (VoD) deixa de ser ficção e torna-se realidade. O serviço de voz sobre redes IP (VoIP) possibilita a redução de custo nas ligações telefônicas e ainda oferece vantagens adicionais como conferência, de voz, mobilidade, entre outras. Além dos serviços descritos, a realização de jogos ao vivo e a integração com o sistema de telefonia celular são também algumas das funcionalidades deste novo ambiente. O ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) vem se destacando entre as tecnologias atualmente disponíveis para redes de acesso banda larga, embora existam investimentos e expectativas que as tecnologias baseadas em cable modem, WLAN (Wireless Local Area Network), PLC (Power Line Communication), WiMax e FTTH (Fiber To The Home) possam se tornar uma alternativa viável. A Tabela 3.1 apresenta as várias alternativas disponíveis baseadas no padrão xdsl.

10 Tabela 3.1. Tecnologia DSL (Fonte: [15]) Padrão ITU Ratificada Taxa de Upload Taxa de Download ADSL G Kbps 7 Mbps ADSL2 G e G Mbps 8 Mbps ADSL2+ G Mbps 24 Mbps ADSL2-RE G Mbps 8 Mbps SHDSL G ,6 Mbps 5,6 Mbps VDSL G Mbps 55 Mbps VDSL2-12 Mhz G Mbps 55 Mbps VDSL2-12 Mhz G Mbps 100 Mbps As subseções seguintes apresentam soluções propostas para uma rede metropolitana de acesso, a solução Microsoft para IPTV, além de uma breve descrição de empresas que ofertam este serviço Rede de Acesso Um dos principais desafios para as operadoras é definir uma topologia para rede de acesso que possibilite a oferta de serviços triple play e garanta os requisitos necessários para cada aplicação. Entre as principais alternativas, surgem topologias baseadas em ATM (Asynchronous Transfer Mode) e Ethernet. Figura 3.4. Rede de Acesso baseada em Metro Ethernet A Figura 3.4 exemplifica uma alternativa, baseada na tecnologia Metro Ethernet. Nesta alternativa, alguns dispositivos têm funções específicas, tais como: DSLAM: O dispositivo Digital Subscriber Line Access Multiplexer recebe sinais transmitidos pelas múltiplas conexões dos assinantes do serviço DSL (Digital Subscriber Line) e os encaminha através de uma rede de alta velocidade utilizando técnicas de multiplexação. Embora atue na camada de enlace, alguns DSLAMs além de possibilitar a classificação de tráfego em VLANs (Virtual Local Area Network), suportam requisitos de QoS (Quality of Service), como diffserv e filas de prioridade, e ainda possuem habilidade para filtrar pacotes.

11 Dependendo do fabricante do produto, o DSLAM pode se conectar a um backbone através de redes ATM, Frame Relay ou Gigabit Ethernet. Splitter: Este dispositivo possibilita a separação entre a freqüência destinada à voz, através de um aparelho telefônico convencional conectado a uma PSTN (Public Switched Telephone Network), e a freqüência destinada aos dados, que podem incluir voz e vídeo. A tarefa do splitter é relativamente simples, pois as operadoras de telefonia fixa utilizam freqüências baixas e bem definidas, tipicamente entre 300 Hz e 4000 Hz, facilitando o trabalho de separação. A Figura 3.5 apresenta um exemplo de distribuição de freqüência. BRAS: O dispositivo Broadband Remote Access Server encaminha o tráfego proveniente e destinado ao dispositivo DSLAM à rede IP da operadora. A gerência das políticas de utilização, assim como dos parâmetros referentes à qualidade de serviço, são algumas das funções inerentes ao dispositivo BRAS. Além disso, cabe ao BRAS prover as sessões PPP dos assinantes sobre redes IP ou ATM. Figura 3.5. Linha Telefônica O DSLAM tem uma função primordial na topologia apresentada, pois como este equipamento encontra-se posicionado no ponto de troca de dados entre a operadora e a rede de última milha, ele pode ser utilizado como concentrador de tráfego. Desta forma, caso o DSLAM esteja associado à tecnologia de IP Multicast no backbone da operadora, ele será capaz de reduzir significativamente o tráfego no backbone, possibilitando o envio de um único fluxo de dados para cada canal veiculado. A quantidade de canais que podem ser veiculados passa a depender exclusivamente da capacidade do backbone. Do DSLAM para o assinante, a transmissão ocorre em unicast Microsoft TV IPTV Edition Conforme [27], a Microsoft desenvolveu uma solução integrada, denominada Microsoft TV IPTV Edition, capaz de prover todas as funcionalidades necessárias ao transporte de sinais de canais digitalizados para uso por provedoras de conteúdo de TV. Entre as inúmeras funcionalidades, podemos citar algumas, tais como: O Guia de Programação Multimídia (Multimedia Program Guide), comumente denominado de EPG (Electronic Program Guide), provê informações sobre a programação das emissoras, sobre disponibilidade de conteúdos sob demanda, funções de pesquisa, PIP (Picture in Picture), etc;

12 A tecnologia proprietária Fast Channel Surfing, desenvolvida pela Microsoft, promete eliminar com o atraso indesejável que é inserido no processo de troca de canais em transmissões digitais. Além disso, funções como a distribuição de vídeo sob demanda (VoD), incluindo vídeos em HDTV (High Definition Television) e gravação de vídeos (PVR) encontram-se disponíveis nesta solução; A tecnologia de compressão de dados utilizada pelo Microsoft Windows Media R 9 Series possibilita a transmissão de sinais de vídeo no padrão SDTV (Standard Definition Television) com taxa variando de 1,5 Mbps a 1,8 Mbps e no padrão HDTV com taxa variando entre 7 Mbps e 9 Mbps. De acordo com o fabricante, estas taxas ocupam menos da metade da banda necessária à transmissão de sinais de vídeo com compressão MPEG-2; A proteção contra cópia ou pirataria é garantida através do Microsoft Digital Rights Management 9 Series, que possibilita a distribuição de vídeos através de uma plataforma segura e, ainda, oferece uma oportunidade para que os assinantes possam adquirir conteúdo diferenciado; A comunicação entre a operadora e o assinante é facilitada com a implementação de novas funcionalidades, como a identificação do assinante através do caller id, o envio de mensagens instantâneas, , SMS na televisão e outras. A operadora pode, desta forma, informar ao assinante, instantaneamente, qualquer mudança que ocorra na grade de programação. A solução Microsoft TV IPTV Edition possibilita, a integração de sistemas de transmissão de vídeo com serviços de voz e dados, através de uma única arquitetura de rede, simplificando e reduzindo os custos para as provedoras de serviço. Figura 3.6. Solução Microsoft para IPTV (Fonte: [23])

13 A Figura 3.6 destaca, de forma simplificada, a topologia proposta pela Microsoft, com o Microsoft Windows Media 9 Series efetuando a codificação do sinal, o Microsoft IPTV Server Family (SQL Server, Biztalk R Server, Operations Support Services, Business Support Services, etc) integrando as funcionalidades e distribuindo os vídeos para o backbone da operadora e, por fim, o set-top box com Microsoft IPTV Client e o sistema operacional Microsoft Windows CE FastWeb e RAI Click (Itália) Como na Itália praticamente não existe operadora de TV a cabo, a Fastweb [16], operada pela e.biscom, encontrou um mercado sem competidores para distribuição de vídeos através de IPTV, acesso a Internet e VoIP, sendo a primeira operadora a ofertar o serviço triple play. Em Milan, a maior cidade italiana, a tecnologia FTTH está disponível em praticamente 100% das residências, o que favorece a oferta de inúmeros serviços, incluindo a oferta de triple play. No caso da operadora Fastweb, a ligação telefônica entre clientes é gratuita e, para as residências atendidas por FTTH, a conexão a Internet é disponibilizada através de acesso de 10 Mbps. A transmissão de sinais das operadoras de TV consome 4 Mbps e encontram-se disponíveis operadoras locais (RAI, Mediaset, MTV, La7, etc), operadoras internacionais (Bloomberg, BBC World, Disney, CNN, Carton Network, etc) e ainda existem opções de canais por assinatura (Cinema Sky, Sport Sky, etc). Figura 3.7. Malha de Rede - Operadora Fastweb (Fonte: [16]) O serviço de IPTV na Itália surgiu com a operadora RAI Click, resultado de uma parceria entre a operadora estatal RAI e a Fastweb. Nesta parceria, coube à RAI Click a responsabilidade pela gerência, produção e empacotamento do conteúdo televisivo, restando para a Fastweb a incumbência de distribuir o conteúdo produzido através de ADSL ou FTTH. Além disso, a RAI Click tornou-se um ambiente de teste para programas interativos: em 2002 iniciou-se a veiculação de propagandas interativas e em 2003 foi veiculado um programa de entrevistas com os assinantes participando através de uma câmera Free e MaLigne (França) Em operação desde dezembro de 2003, a Free atua apenas em Paris e Lion e oferece o serviço de triple play com VoIP, conexão a Internet de 2 Mbps e IPTV baseado em MPEG-2 e taxa de 3,5 Mbps. Já a operadora MaLigne, uma subsidiária da France Telecom, oferece IPTV baseado em MPEG-2 e MPEG-2 TS (Transport Stream) e deve estar ofertando, em breve, codificação com H.264 (AVC) para solicitações de VoD. Uma das vantagens do protocolo H.264 sobre o protocolo MPEG-2 é a maior capacidade de compressão, atingindo uma taxa de 2:1 em vídeos com a mesma qualidade. Além disso, a implementação do protocolo H.264 possibilitará a transmissão de vídeos

14 em HDTV Bluewin (Suíça) A operadora Swisscom, com intuito de lançar comercialmente o serviço de IPTV, tem efetuado inúmeras experiências através do serviço Bluewin em várias cidades na Suíça. A topologia abaixo apresenta o modelo de distribuição adotado para o Bluewin, que oferta vários canais ao vivo, incluindo emissoras de televisão abertas e por assinatura. Figura 3.8. Topologia de teste da Bluewin (Fonte: [23]) Limitações Embora a arquitetura Cliente-Servidor: Download-and-play não exija requisitos especiais da rede para permitir a reprodução de arquivos multimídia, esta possui uma limitação preponderante: a incapacidade de lidar com transmissões ao vivo. Esta característica reduz, imensamente, o universo de atuação da arquitetura Cliente-Servidor: Download-and-play. Por ser capaz de lidar com fluxos de arquivos multimídia, a arquitetura Cliente-Servidor: Streaming vem sendo amplamente difundida e utilizada. Contudo, necessita de características especiais que possam garantir um atraso máximo, jitter, assim como outros requisitos de qualidade de serviço. É importante notar que as arquiteturas cliente-servidor possuem número de clientes limitado devido a carga concentrada no servidor. A proposta da arquitetura IP Multicast visa ser escalável e reduzir significativamente a banda necessária ao tráfego multimídia e atualmente esta arquitetura é utilizada principalmente em redes privadas. Para que a Internet possa tirar proveito dos recursos propostos pela arquitetura IP Multicast será necessário atualizar a imensa maioria dos roteadores, incorporando protocolos de roteamento específicos (para redes IP Multicast) e, possivelmente, incrementando o hardware de alguns roteadores. Além disso, há necessidade de investimento tecnológico e de infra-estrutura na rede de última milha. Para que seja possível apresentar uma programação com uma qualidade aceitável, a taxa de transmissão deve estar entre 2 Mbps e 4 Mbps, caso a codificação fique a cargo do protocolo MPEG-2. Esta taxa se aplica a recepção de um único canal, desconsiderando a hipótese de haver mais de um aparelho de TV, onde possa haver o interesse em assistir uma outra emissora. Para que o serviço triple play seja ofertado, deve-se ainda garantir banda com os requisitos

15 exigidos pelo serviço de VoIP e para o acesso a Internet. A solução para redução da banda necessária à codificação de um programa televisivo pode estar nos protocolos H.264 (AVC) e VC-1, que em princípio são capazes de reduzir a banda pela metade, mantendo-se a mesma qualidade. Com estes novos protocolos, a possibilidade de transmissão de programas em HDTV passa a ser uma realidade. Além disso, as dificuldades iniciais das redes de última milha para prover acessos de alta velocidade vêm sendo, paulatinamente, vencidas. A tecnologia DSL vem evoluindo (ver Tabela 3.1) e a oferta de FTTH, com rede Ethernet (10 Mbps), alcançando um número crescente de residências Novas Propostas de Distribuição Até o momento não foi apresentado nenhum mecanismo que permita ao modelo de IP Multicast ser aplicado a uma escala de milhões de nós como seria de fato necessário para que as aplicações multicast em geral se difundam na Internet comercial. Embora exista expectativa para distribuição comercial de canais de TV através da Internet e baseada na tecnologia IP Multicast, devido aos problemas existentes de escalabilidade do IP Multicast nos roteadores, a utilização desta proposta é ainda muito limitada. Formas alternartivas de comunicação em grupo têm surgido com o intuito de solucionar algumas das limitações sofridas pela arquitetura comercial. Principalmente tentam resolver o problema de escalabilidade, tentando fornecer um serviço de alcance global e utilizando a infraestrutura da Internet, ao invés de redes privadas. O multicast na camada de aplicação é cada vez mais considerado como alternativa ao IP multicast. Visando não depender da infra-estrutura multicast da rede, a técnica de multicast em nível de aplicação fornece a funcionalidade de roteador a qualquer um dos nós. Assim os nós participantes associam seus recursos para rotear e distribuir as mensagens multicast usando somente serviços de rede unicast. Assim, nesta seção serão abordadas as propostas emergentes para distribuição de vídeo em ambiente cooperativo, visando explorar as tecnologias em multicast em nível de aplicação como redes de distribuição de conteúdo, multi-caminhos, pseudo-servidores e peer-to-peer. Serão destacadas as vantagens e limitações de cada uma das propostas Redes de Distribuição de Conteúdo Multimídia Quando desejamos transmitir algum tipo de conteúdo multimídia, a idéia mais comum que surge é utilizar um único servidor. O conteúdo é simplesmente enviado do servidor para o cliente, de acordo com o número de requisições. No entanto, existem três limitações com o uso desta solução. Primeiro, como um cliente pode estar muito longe do servidor, os pacotes do servidor para o cliente podem trafegar por vários ISPs, aumentando significativamente a probabilidade de perdas e de atraso. Segundo, se o vídeo é muito popular, possivelmente o vídeo será enviado várias vezes através dos mesmos ISPs e por conseguinte através dos mesmos enlaces de comunicação, consumindo de forma significativa a largura de banda. Terceiro, quando o servidor atinge sua capacidade máxima, este não consegue servir mais clientes, o que torna esta solução não escalável. A idéia básica para resolver essas limitações é mover o conteúdo do servidor de origem para os servidores de borda da Internet aproximando-os dos clientes. Servir o conteúdo a partir de um servidor local tipicamente apresenta melhor desempenho (menor latência de acesso, maior taxa de transferência) do que utilizando o servidor de origem. Uma rede de distribuição de conteúdo (Content Distribution Network - CDN) utiliza justamente esta idéia, pois tenta distribuir geograficamente vários servidores com réplicas dos objetos, possibilitando ao cliente receber do

16 melhor servidor o conteúdo com um menor atraso. O uso deste tipo de arquitetura já é bem utilizado para distribuição de objetos de dados, mas ainda pouco explorado para transmissão de fluxos de vídeo. Empresas como Akamai [20] e Mirror-Image [28] oferecem o serviço, mais ainda limitado a vídeos de qualidade razoável e sem muitas opções de serviços interativos. Esta seção irá apresentar uma arquitetura baseada em CDN para transmissão de vídeo que supera estas limitações, oferencendo serviços mais próximos dos encontrados nos sistemas de distribuição de TV convencionais. Questões tais como onde colocar os servidores de réplica, como distribuir cópias do conteúdo para estes servidores e como rotear as requisições do cliente para o servidor de réplica apropriado são os desafios principais no projeto de uma CDN e também serão discutidos nesta seção Visão Geral Uma empresa de CDN objetiva fornecer aos provedores de conteúdo um serviço de entrega eficiente até os clientes requisitantes, de modo que tenha os menores atrasos possíveis. Estes provedores de conteúdo podem ser produtoras de música, jornais e outros que queiram ter seu conteúdo disponibilizado na web de forma rápida e fácil. Após um contrato entre o provedor de conteúdo e a CDN, o provedor de conteúdo entrega a CDN os dados que deseja disponibilizar para que a CDN realize posterior distribuição para os servidores de réplicas. A empresa de CDN conta com um grande número de provedores de serviço Internet (Internet Service Provider - ISP) como parceiros. Cada ISP possui servidores da CDN que são gerenciados remotamente. São nestes servidores o local onde residem os dados dos provedores de conteúdo. Do ponto de vista do ISP, ter servidores de uma empresa de CDN é algo muito vantajoso, pois provê aos seus consumidores um excelente tempo de resposta para acessar o conteúdo da CDN, o que pode ser uma vantagem competitiva sobre outros ISPs. Com isto, grandes empresas de CDNs como a Akamai [1, 20] conseguem ter mais de servidores distribuídos por todo o mundo. Tipicamente uma empresa de CDN fornece seu serviço de distribuição de conteúdo estático da seguinte maneira: 1. A empresa de CDN espalha centenas a milhares de seus servidores por toda a Internet. Em geral os servidores da CDN são instalados em um data center, que normalmente é um edifício que hospeda servidores de propriedade de terceiros. Esses data centers muitas vezes estão em ISPs de nível mais baixo, próximos às redes de acesso aos ISPs e aos clientes. 2. A CDN duplica o conteúdo de seu cliente nos seus servidores de réplicas. Sempre que seu cliente atualiza o conteúdo, a CDN redistribui o novo conteúdo novamente aos servidores. 3. A empresa CDN fornece um mecanismo que entrega a um cliente que tenha requisitado, o conteúdo pelo servidor CDN que melhor possa atendê-lo. Esse servidor pode ser o que estiver mais próximo do cliente (talvez no mesmo ISP) ou pode ser um servidor CDN cujo caminho até o cliente está livre de congestionamento. Para tentar ilustrar melhor a idéia, a Figura 3.9 mostra a interação entre o provedor de conteúdo e a empresa CDN. O provedor de conteúdo primeiro determina qual de seus objetos (por exemplo, vídeos) ele quer que a CDN distribua. O provedor de conteúdo rotula o conteúdo e então o envia para um nó CDN de distribuição, que por sua vez, duplica esse conteúdo e o retransmite para todos os servidores de réplica. Sempre que o provedor de conteúdo modifica um objeto que é distribuído pela CDN, ele envia a versão atualizada ao nó CDN de distribuição, que mais uma

17 vez, duplica e distribui o objeto aos servidores de réplica da CDN. É importante ter em mente que os servidores de réplica da empresa CDN não são exclusivos para cada um dos provedores de conteúdo, isto é, cada servidor da CDN normalmente contém objetos de muitos provedores de conteúdo. Figura 3.9. Esquema de distribuição do conteúdo pela CDN Uma questão importante refere-se a como o navegador de um usuário, a partir de uma URL (Universal Resource Locator) específica, consegue determinar se deve extrair um objeto do servidor de origem (provedor de conteúdo) ou de um dos servidores de réplicas da CDN. Normalmente as CDNs utilizam redirecionamento DNS (Domain Name System) para guiar os navegadores até o servidor correto. Esta e outras técnicas existentes serão abordadas mais adiante, na Seção Ainda resta explicar como uma empresa CDN determina o melhor servidor de réplica para o usuário requisitante. Embora cada empresa CDN tenha seu modo proprietário exclusivo para fazer isso, não é difícil ter uma idéia aproximada do que elas fazem. A empresa CDN monitora seus servidores de réplica para cada acesso ISP na Internet que contenha clientes requisitantes potenciais. Então a CDN determina o melhor servidor de réplica com base em seu conhecimento das tabelas de roteamento da Internet (especificamente, as tabelas BGP), em estimativas de round trip time e em outros dados de medição que possui, de seus vários servidores a várias redes de acesso. Dessa maneira, a CDN estima qual servidor de réplica fornece o melhor serviço de melhor esforço para o ISP. A CDN faz isso para um grande número de acessos ISPs na Internet e utiliza essa informação para configurar o servidor DNS com autoridade Arquitetura de uma CDN De modo geral, uma arquitetura para uma CDN tipicamente possui sete componentes: cliente, servidores de réplica, servidor de origem, organização de faturamento, sistema de roteamento de requisições, sistema de distribuição e um sistema de contabilização. A Figura 3.10 ilustra a

18 arquitetura, bem como os relacionamentos entre os componentes. Figura Componentes da arquitetura de um sistema CDN (Fonte: [36]) 1. O servidor de origem delega seu espaço de nomes URI (Universal Resource Identifier) para os objetos a serem distribuídos pela CDN ao sistema de roteamento de requisições. 2. O servidor de origem publica o conteúdo a ser distribuído e entregue pela CDN para o sistema de distribuição. 3. O sistema de distribuição move o conteúdo para os servidores de réplica. Além disso, este sistema interage com o sistema de roteamento de requisições através de feedback para auxiliar no processo de seleção do servidor de réplica para as requisições dos clientes. 4. O cliente requisita documentos para o que ele percebe como origem. Porém, devido a delegação do espaço de nomes URI, a requisição é direcionada para o sistema de roteamento de requisições. 5. O sistema de roteamento de requisições roteia a requisição para um servidor de réplica adequado na CDN. 6. O servidor de réplica selecionado entrega o conteúdo requisitado ao cliente. Além disso, o servidor de réplica envia informações de contabilização do conteúdo entregue para o sistema de contabilização. 7. O sistema de contabilização agrega e separa a informação de contabilização em registros e estatísticas para uso pelo servidor de origem e pela organização de faturamento. As estatísticas também são usadas como feedback para o sistema de roteamento de requisições. 8. A organização de faturamento utiliza registros oriundos do processo de distribuição do conteúdo para determinar cada uma das partes envolvidas e realizar a cobrança adequada. Como podemos perceber, duas etapas fundamentais envolvidas no processo de servir uma requisição de um cliente em uma CDN envolvem a localização de um servidor adequado que possua uma réplica do objeto requisitado e o redirecionamento da requisição para este servidor. Estas etapas são conhecidas respectivamente como seleção do servidor e roteamento de requisição e são

19 realizadas pelo sistema de roteamento de requisições. Estas etapas serão descritas brevemente a seguir: Seleção do servidor: O problema de como escolher um servidor de réplica adequado em uma CDN para servir uma dada requisição envolve as seguintes questões: Determinar a distância entre o cliente e o servidor: Os números de saltos (hop counts) e o tempo de ida e volta (round trip time) são duas métricas normalmente usadas para medir distância em redes de computadores. Duas ferramentas bem populares para obter esses dois parâmetros são ping e traceroute. No entanto, nenhuma dessas duas métricas é suficiente e precisa para indicar a proximidade entre clientes e servidores de réplica porque a primeira não leva em conta situações de tráfego na rede e a segunda é altamente variável [36]. Determinar a carga de um servidor de réplica: Duas técnicas amplamente utilizadas para determinar a carga de um servidor são server push e client probe. Na primeira técnica, os servidores de réplica propagam a informação de carga para alguns agentes. Na segunda abordagem, os agentes sondam o status dos servidores de interesse periodicamente. Existe um compromisso entre as freqüências das sondagens para uma medida precisa e o tráfego imposto pela sondagem [36]. Roteamento de requisição: Muitas técnicas têm sido usadas para levar clientes a usarem um servidor em particular dentre um conjunto de servidores de réplica. Em geral, elas podem ser classificadas em cinco categorias: Multiplexação de clientes: Nesse esquema, o cliente ou um servidor proxy próximo ao cliente recebe o endereço de um conjunto de servidores de réplica candidatos e escolhe um para enviar a requisição. Geralmente esse esquema impõe um overhead adicional por enviar um conjunto de servidores de réplica candidatos para o cliente quando é feita a requisição de algum conteúdo. Também, devido à falta de informação em geral, o cliente pode escolher um servidor com grande carga, o que poderia resultar em servidores sobrecarregados e ainda em uma maior latência de acesso. Redirecionamento HTTP: Este é o mais simples e provavelmente o menos eficiente meio de redirecionar requisições. Neste esquema, as requisições de conteúdo seguem todas para o servidor de origem, onde o servidor redireciona o navegador para uma nova URL no nível do protocolo HTTP. Como o servidor de origem ou cluster de servidores é o único ponto responsável for redirecionar requisições, isto pode torná-los um gargalo e ainda torna o esquema propício a erros. DNS Indirection: Esse esquema utiliza modificações no DNS para retornar o endereço IP de um servidor de réplica dentre um conjunto de servidores de réplica quando o servidor DNS é consultado pelo cliente. Esta técnica é transparente para o cliente. A qualidade da seleção do servidor pode ser melhorada levando-se em conta o desempenho do servidor. Alguns CDNs comerciais, como Akamai [20], estão adotando esta abordagem. Anycasting: Essencialmente, o roteamento de requisições em uma CDN pode ser visto como uma aplicação de localizar cópias próximas em servidores replicados. Técnicas como anycasting, desenvolvidas para localização de servidores, podem ser usadas para roteamento de requisições em CDNs. Neste esquema, um nome anycast de domínio/endereço, que pode ser um endereço IP anycast ou uma URL de conteúdo, é usado para definir um

20 grupo de servidores que oferecem o mesmo serviço. Um cliente que deseje comunicarse com somente um dos servidores envia pacotes com o endereço anycast no campo de endereço de destino. Os pacotes são então roteados através de roteadores anycast-aware para ao menos um dos servidores identificados pelo endereço anycast. Este roteamento anycast-aware pode ser integrado na infra-estrutura de roteamento da Internet, oferecendo desta forma serviço de roteamento para todas as CDNs. Além disso, esse esquema tem o potencial de ser bem escalável com o crescimento da Internet. Roteamento Peer-to-Peer: Sistemas P2P estão se tornando amplamente empregados na Internet para disseminação de conteúdo. Os nós participantes em um sistema P2P geralmente pertencem a diferentes afiliações e juntos constituem uma rede ad-hoc. Como neste tipo de rede a topologia está constantemente se modificando, nenhum nó possui uma informação global completa sobre a rede. O problema de rotear requisições eficientemente de uma maneira distribuída sem impor um alto overhead de propagação da informação de roteamento é uma grande área de pesquisa Distribuição de conteúdo televisivo com uma CDN As empresas de CDNs tradicionais fornecem suporte a conteúdo de dados razoavelmente bem. No entanto, quando se trata de transmissão de fluxos de vídeo, o suporte é muitas vezes limitado a distribuição de fluxos ao vivo e sob demanda de baixa e média qualidade. Para que um serviço de TV seja popular na Internet, espera-se no mínimo que apresente boa qualidade de vídeo e ofereça algum tipo de serviço que possibilite assistir uma programação que já tenha sido transmitida. Para isto, primeiramente as CDNs devem melhorar drasticamente a qualidade dos fluxos de vídeo oferecidos a seus consumidores. Segundo, devem fornecer serviços com funções semelhantes às encontradas no sistema de TV convencional de forma a acomodar novos modelos de negócio. Uma arquitetura em pesquisa que atende a todos estes requisitos é conhecida como Prism (Portal Infrastructure Streaming Media) [13, 4]. Esta arquitetura, é uma CDN voltada para distribuição, armazenamento e entrega de fluxos de vídeo de alta qualidade em redes IP. Esta arquitetura se diferencia das tradicionais pelo fato de oferecer algumas funcionalidades aos clientes muito semelhantes às encontradas no sistema de TV convencional. Uma destas funcionalidades é a possibilidade de armazenamento do conteúdo para posterior acesso sob demanda, um serviço conhecido como stored-tv (STV). Este serviço permite que os usuários visualizem o conteúdo baseado em seu nome ou pelo horário em que foi transmitido. Por exemplo, usuários podem acessar programas que foram ao ar na CNN às 1:00 PM do dia 2 de Janeiro de Uma outra vantagem da arquitetura é que o conteúdo armazenado dentro da rede é acessível através de toda infra-estrutura Prism. Isto possibilita, por exemplo, que um usuário localizado no Brasil consiga acessar eventos esportivos europeus, ou mesmo outro tipo de conteúdo de TV, seja ao vivo ou sob demanda. A arquitetura Prism também fornece um serviço que lembra um VCR (Video Cassette Recorder), pois permite que os usuários especifiquem a programação que desejam armazenar. Além disso, através do serviço de STV, um provedor de serviço poderia armazenar determinados pacotes de conteúdo de forma periódica. Imagine a possibilidade de realizar o armazenamento das últimas três horas de conteúdo de um grande número de canais ou mesmo do conteúdo semanal de programas que vão em exibição em horários de pico. É fácil perceber que este tipo de serviço oferecido pela arquitetura Prism disponibiliza muito mais conteúdo quando comparado ao emergente PVR. A arquitetura Prism tem como objetivo fornecer uma qualidade comparável a transmissão de TV existente. No entanto, surge uma questão com relação a infra-estrutura de rede necessária para que isto seja possível. Tecnicamente, as tecnologias de acesso a Internet em banda larga tais

21 como cabo e o xdsl oferecem largura de banda suficiente para os serviços oferecidos pelo Prism. Obviamente, oferecer este tipo de serviço também dependeria das considerações de negócios tanto em termos de acesso a banda larga a um custo acessível, quanto de modelos de negócio atrativos para os provedores de conteúdo. Nesta seção serão apresentados os componentes da arquitetura Prism e descritos resumidamente cada um deles. Após iremos dar uma visão mais detalhada sobre os principais componentes da arquitetura e sobre o esquema de nomeação do conteúdo. Iniciaremos com a descrição dos três componentes básicos da arquitetura: Fonte ao vivo (Live source): recebe o conteúdo do provedor de conteúdo e realiza as etapas necessárias para codificação e posterior transmissão deste conteúdo para dentro da infraestrutura Prism. Portal: recebe o conteúdo das fontes ao vivo e de outros portais e o transmite para os clientes Prism. Os portais podem armazenar e arquivar conteúdo ao vivo, de forma a possibilitar que o conteúdo possa ser visto sob demanda. Além disso, os portais também fornecem funcionalidades que lembram um VCR, tais como fast-forward (FF) e rewind (RW) para seus clientes. Dentro da arquitetura estão posicionados entre os clientes e os servidores, normalmente nas descontinuidades de banda como um cable head end. Cliente: recebe o conteúdo de um portal e o exibe para os usuários finais. São considerados clientes dispositivos como set-top boxes ou PCs conectados ao backbone através de acesso via banda larga. Um cliente normalmente interage com um portal próximo a si na rede. Este portal na arquitetura Prism é conhecido como portal local. O portal local pode agir como um proxy em situações em que recebe uma requisição por um conteúdo que não possui armazenado localmente. Isto permite que o portal local forneça controles VCR para o cliente mesmo quando o conteúdo que está sendo visto venha de um portal remoto e também permite que o portal local efetue cache do conteúdo recentemente visualizado, no caso dos usuários desejarem revê-los depois. Figura Plano de dados da arquitetura Prism (Fonte: [13]) Os três tipos de componentes básicos descritos anteriormente se comunicam na rede com componentes do plano de dados (data plane) ou do plano de controle (control plane). Como

22 o plano de dados (Figura 3.11) é comum a qualquer CDN que realize transmissão de fluxos de vídeo, o mesmo será considerado apenas brevemente: Distribuição de conteúdo (Content distribution): Os mecanismos de distribuição de conteúdo transferem conteúdo de uma fonte ao vivo para um ou mais portais e até mesmo entre portais. Entrega de conteúdo (Content delivery): Os mecanismos de entrega de conteúdo realizam a transmissão do conteúdo de um portal para um ou mais clientes. Os portais devem estar topologicamente próximos aos clientes de forma a fornecer um desempenho aceitável para as operações sensíveis a latência como as funções de controle VCR. Um aspecto único do Prism é que ele possibilita o armazenamento de conteúdo ao vivo dentro da rede para subseqüente acesso sob demanda. Isto difere do acesso sob demanda das CDNs convencionais pelo fato de não existir um servidor de origem bem conhecido onde se espera que o conteúdo resida. O plano de controle é quem controla como o conteúdo vai ser localizado na infra-estrutura. A Figura 3.12 ilustra os três componentes principais do plano de controle: Figura Plano de controle da arquitetura Prism (Fonte: [13]) Gerenciamento de conteúdo (Content Management): coorderna e gerencia o armazenamento de conteúdo nos portais. A entrada para o processo de gerenciamento de conteúdo inclui informação sobre o tipo de serviço, acordos de nível de serviço (Service Level Agreements - SLAs) com os provedores de conteúdo, capacidade do portal e a carga causada por um acesso de usuário. Descoberta de conteúdo (Content Discovery): determina a existência e a localização do conteúdo dentro da infra-estrutura. Quando os usuários fazem a requisição por um conteúdo específico, o Prism usa o mecanismo de descoberta de conteúdo para determinar de qual

23 portal ou fonte ao vivo o conteúdo pode ser obtido. Enquanto a descoberta de conteúdo é acionada pela requisição de um usuário, o processo de descoberta real, como mostrado na Figura 3.12, ocorre entre as entidades Prism e não é visível para outro usuário exceto através do processo de redirecionamento descrito a seguir. Redirecionamento ciente de conteúdo (Content-Aware Redirection): redireciona as requisições dos usuários para o portal que melhor os satisfaça. A localização do conteúdo requisitado junto com outros parâmetros podem ser usados para determinar o portal apropriado pelo qual o conteúdo deveria ser servido ao cliente. Todos os servidores de borda, incluindo os portais, tem capacidades básicas de redirecionamento. Entretanto, servidores separados de redirecionamento, ou redirecionadores, geralmente realizam esta função especializada do plano de controle do Prism. Nomeação do Conteúdo No Prism, o conteúdo é referênciado pelo nome e não pela localização, através de um esquema de nomes conhecido como URN (Uniform Resource Name) em contraste a uma URL. Isto permite maior flexibilidade no acesso ao conteúdo, permitindo que os usuários acessem o conteúdo de várias maneiras sem revelar ou conhecer a estrutura interna da arquitetura. Este esquema de nomeação é bastante interessante, pois permite que o conteúdo possa ser identificado de acordo com os nomes de canais existentes, distribuidora da rede de TV e localização regional. Além disso, como o conteúdo é armazenado e acumulado na arquitetura durante todo o tempo, é fácil referênciar um programa pela data e horário em que foi ao ar. A sintaxe do esquema de nomes é apresentada na Figura 3.13 e é possível observar que as URNs consistem em duas partes: uma formada pelo nome do canal e outra formada pela especificação do programa. O nome do canal é formado por quatro elementos, descritos a seguir: Figura Sintaxe do esquema de nomes (Fonte: [13]) Emissora: é o nome do canal que os usuários geralmente conhecem. Pode ser um simples identificador como ABC ou o nome completo. Canal: o número do canal associado com o conteúdo. Em alguns casos este campo pode ser nulo. Distribuidor: indica a entidade responsável por distribuir o conteúdo como a estação de transmissão proprietária, uma empresa de cabo ou satélite, ou um sistema de distribuição de conteúdo baseado em Internet.

24 Localização: é a fonte da versão específica do conteúdo. Pode ser usado para indicar uma torre de transmissão ou cable head end. A especificação do programa é utilizada para referenciar o programa de interesse do cliente. É composto por: Horário de ínicio e término: indicam respectivamente o horário de início e término do programa expresso na forma UTC (ex. utc: t2200). Programa: identifica o conteúdo associado a um canal particular. offset: um atraso opcional relativo ao horário de início do programa, expresso em segundos. A adoção deste esquema de nomeação ainda está sendo discutida no IETF (Internet Engineering Task Force). Na ausência deste suporte na Internet atual, os autores sugerem codificar uma URN em URL do seguinte modo: stv:<abc;wabc;;> rtsp://server/prismurn/abc/wabc/*/*/ Gerenciamento do Conteúdo A principal função do gerenciamento de conteúdo é coordenar a distribuição e o armazenamento do conteúdo dentro da infra-estrutura. Isto é feito de maneira que equilibre os recursos requeridos com aqueles disponíveis de forma a realizar a entrega adequada do conteúdo requisitado pelos usuários. Ao contrário das soluções de vídeo sobre demanda convencionais onde o conteúdo é razoavelmente estático, o serviço de STV permite que novos conteúdos possam ser adicionados continuamente. Para isto, a infra-estrutura necessita ser informada pelo gerenciamento de conteúdo sobre quais fluxos de TV são de interesse e sobre quais partes dos mesmos devem ser armazenadas e por quanto tempo. A Figura 3.14 ilustra dois tipos principais de mensagens envolvidas no gerenciamento de conteúdo. Mensagens de atualização (Update messages): Um gerenciador de conteúdo envia mensagens de atualização para instruir um portal a respeito das políticas, uso de recursos e manipulação do conteúdo. O gerenciador de conteúdo diz aos portais qual conteúdo obter, quando e quais políticas de armazenamento e desapropriação devem ser associadas ao conteúdo. As mensagens de atualização permitem que o gerenciador de conteúdo diga ao portal quais de seus recursos devem ser particionados e qual entidade é responsável por gerenciar a respectiva partição. O recurso de principal preocupação é o espaço de armazenamento do portal, mas outros recursos também poderiam ser gerenciados desta mesma maneira. Mensagens de relatório (Report messages): Um portal usas estas mensagens para informar o gerenciador de conteúdo sobre sua disponibilidade de recursos. Mensagens de relatório também transportam estatísticas de uso do conteúdo e carga do portal. O gerenciador de conteúdo usa esta informação nas decisões dinâmicas de gerenciamento de conteúdo. Por

25 Figura Gerenciamento do conteúdo na arquitetura Prism (Fonte: [13]) exemplo, se um conjunto de portais que tenha um filme em particular comece a se tornar carregado com o volume de requisições, o gerenciador de conteúdo poderia instruir outros portais para receber e armazenar o filme em questão. Como ilustrado na Figura 3.14, vários gerenciadores de conteúdo podem gerenciar os mesmos portais. Isto é útil se os gerenciadores de conteúdo são especializados em diferentes serviços ou tipos de conteúdo. Por exemplo, um gerente de conteúdo poderia exclusivamente lidar com um serviço de filme sob demanda, enquanto outro poderia realizar STV. Observe que a Figura 3.14 também ilustra a interação entre gerenciadores de conteúdo em diferentes domínios administrativos, o que facilita o gerenciamento de conteúdo entre CDNs. Descoberta de Conteúdo (Content Discovery) Quando um cliente requisita um conteúdo do Prism, o redirecionador primeiro usa o descobrimento de conteúdo para determinar a localização do conteúdo. Normalmente o redirecionador redireciona o cliente para um portal que tenha o conteúdo requisitado. Quando portais que tenham o conteúdo estão largamente utilizados, o redirecionador pode dinamicamente aumentar o número de portais servindo este conteúdo. Neste caso o cliente pode ser redirecionado para um portal que ainda não tenha uma cópia do conteúdo. Caso isso ocorra, a localização real do conteúdo pode ser codificada na forma de uma URL de redirecionamento, ou o próprio portal pode realizar uma query pelo conteúdo através do serviço de descoberta de conteúdo. A arquitetura do descobrimento de conteúdo é construída sobre um serviço de mapeamento que mantém uma associação entre o conteúdo, identificado por uma URN, e um conjunto de URLs que fornecem a exata localização do conteúdo na infra-estrutura. A Figura 3.15 ilustra uma infra-estrutura de portal na qual os portais são organizados em vizinhanças, o que na prática pode ser implementado em data centers localizados geograficamente distantes. O serviço de mapeamento consiste de um servidor de mapeamento local em cada uma das vizinhanças e um servidor de mapeamento global. Os portais locais enviam atualizações sobre seu conteúdo armazenado para os servidores de mapeamento locais, que por sua vez enviam

26 Figura Hierarquia do serviço de mapeamento (Fonte: [13]) mensagens de atualização para o servidor de mapeamento global. Os servidores de mapeamento local resolvem todas as queries para o conteúdo local, enquanto que o servidor de mapeamento global resolve as queries que não podem ser resolvidas localmente. A confiabilidade e escalabilidade do sistema pode ser melhorada através da replicação dos servidores de mapeamento. Se a carga do serviço de mapeamento é em maior parte de queries ao invés de atualizações, (o que é provável, uma vez que as queries são disparadas pelas requisições dos clientes enquanto o conteúdo é atualizado infrequentemente) uma solução atrativa é simplesmente replicar os servidores e distribuir as queries entre eles, contanto que o tamanho da base de dados seja razoável. Desde que os metadados sejam de ordens de magnitude menores que os objetos de vídeo, esta proposta é viável mesmo em uma CDN de grande porte. Redirecionamento ciente de conteúdo (Content-Aware Redirection) A política principal do mecanismo de redirecionamento é ter o cliente redirecionado para seu portal local para que seja possível realizar as funções VCR de forma rápida nos fluxos de vídeo, mesmo em momentos em que este conteúdo não está armazenado no portal. No entanto, existem situações em que é ineficiente realizar a transmissão do conteúdo através do portal local. Isto é especialmente verdade quando o portal local está sobrecarregado. Nestas situações, o redirecionador pode encaminhar o cliente para outros portais para que consiga acesso ao conteúdo. Vale salientar que estes aspectos de redirecionamento do Prism não são únicos nesta arquitetura, e também são encontrados nos sistemas de redirecionamento das CDNs atuais. No entanto o sistema de redirecionamento do Prism estende a funcionalidade básica para também levar em conta a localização do conteúdo durante o redirecionamento. O processo de redirecionamento pode ser dividido em sete passos. Assim, temos:

27 Usando um guia de programação web ou algum outro serviço semelhante, o navegador do usuário obtém a URN do conteúdo a ser visualizado. O navegador envia pra o player de mídia a URN, codificada como uma URL que aponta para o redirecionador, como por exemplo, rtsp://redirector/prismurn/cnn/*/*/*. Este player de mídia pode ser específico da arquitetura ou um player comum que suporte RTSP, só que neste caso o player comum não estará ciente que está se comunicando com a infra-estrutura Prism. O cliente se conecta ao redirecionador especificado na URL e usa o protocolo RTSP para requisitar o conteúdo. O redirecionador envia uma query para o serviço de mapeamento para ver a disponibilidade e a localização do conteúdo requisitado. O redirecionador leva em conta os resultados da query do serviço de mapeamento, a carga atual e a proximidade do cliente e o redireciona para o portal que melhor seja capaz de servir a requisição. Isto é tipicamente realizado com redirecionamento RTSP, mas técnicas alternativas podem ser usadas. Recebendo a resposta, o cliente envia as requisições RTSP para o portal especificado pelo redirecionador para dar início ao processo de transmissão. Caso o portal que esteja servindo o cliente redirecionado não tenha o conteúdo requisitado, este portal deve obtê-lo de um portal remoto antes de que possa começar a realizar a transmissão do conteúdo. A arquitetura Prism mostra-se como uma alternativa viável para distribuição de conteúdo televisivo na Internet. Além de fornecer serviços com funções semelhantes às encontradas no sistema de TV convencional, possibilita especificar o conteúdo desejado de forma intuitiva através de seu esquema de nomeação de conteúdo. Além disso, fornece meios para acomodação de novos modelos de negócio para este emergente segmento de mercado. A próxima seção irá descrever um tipo diferente de abordagem, na qual a transmissão de vídeo é realizada a partir de várias fontes para o cliente, de forma que o conteúdo seja recebido através de múltiplos caminhos Distribuição de TV sobre IP através de múltiplos caminhos A Internet nos últimos anos teve um crescimento substancial em tráfego e popularidade [17]. Como resultado, sites com conteúdo popular tiveram que lidar com um grande volume de requisições de clientes, e por conseguinte grandes volumes de carga nos servidores. Por outro lado, a expectativa dos usuários só tem crescido: eles desejam realizar download do conteúdo no menor tempo possível. Duas soluções principais foram propostas para lidar com este aumento de carga e alcançar um menor tempo de download. A primeira solução utiliza servidores proxy para realizar cache do conteúdo de maneira que fique próximo aos clientes [48]. A outra utiliza servidores mirrors e o redirecionamento de clientes a algum dos servidores. O cliente pode ser redirecionado de forma automática (Seção 3.3.1) ou manualmente escolhendo um servidor de uma lista de servidores mirrors. Quando a cópia do mesmo conteúdo existe em vários servidores, escolher o servidor que forneça o melhor tempo de resposta não é uma tarefa trivial e uma escolha errada pode gerar

28 um serviço de baixa qualidade para o usuário. Mesmo quando o melhor servidor é selecionado, o desempenho pode flutuar durante a sessão de download, gerando muitas vezes um tempo de resposta ruim ao término do download do conteúdo. Na presença de vários servidores mirrors que podem servir o mesmo conteúdo, uma alternativa interessante para aumentar o desempenho é conectar a vários servidores em paralelo [41]. Dessa forma, ao invés de fazer o download de todo o conteúdo de um único servidor, o usuário pode realizar download em paralelo de diferentes partes do documento de cada um dos servidores mirror disponíveis. Assim, o usuário pode obter um desempenho melhor e mais uniforme. Uma vez que todas as partes do documento são recebidas, o usuário reconstrói o documento original juntando todas as partes. Um exemplo de aplicação que usa idéia similar é o software BitTorrent [7]. Uma grande vantagem de utilizar o acesso paralelo é que esta técnica é mais resiliente a congestionamento e falhas de rede e nos servidores do que quando se utiliza um único servidor. Além disso, o processo de seleção do servidor é eliminado, uma vez que o cliente está conectado a vários servidores que tenham uma cópia do conteúdo. Outra vantagem é que a vazão do cliente aumenta, uma vez que é aproximadamente a soma de todas as larguras de banda existentes do cliente para cada um dos servidores Algoritmos para download em paralelo De acordo com a literatura [17, 40], existem três técnicas principais para realizar download em paralelo: Static-Equal: Nesta técnica o cliente realiza download de partes iguais do documento de cada um dos servidores disponíveis. Esta técnica é estática, visto que a decisão de qual parte do arquivo a ser recebido por cada um dos servidores é feita a priori e não pode ser modificada após o início do download. Static-Unequal: Nesta técnica, a quantidade de dados do documento que o cliente recebe de cada um dos servidores é proporcional a vazão do respectivo servidor. Antes do início da transferência do documento, o cliente estima a vazão para cada um dos servidores. Com a estimativa da vazão em mãos, o cliente requisita para cada servidor uma parte do documento. Embora o cliente nesta técnica realize download de partes de tamanho diferentes do documento, esta decisão é feita a priori e não pode ser modificada após o início do download. Dynamic: Nesta técnica, a proporção do documento recebido pelo cliente de cada um dos servidores é ajustada dinamicamente durante o processo de download. A idéia básica consiste em particionar o documento em vários blocos de mesmo tamanho. Assim, o cliente requisita um bloco diferente de cada um dos servidores. Quando um servidor termina de transmitir um bloco, o cliente efetua uma nova requisição para um bloco que não tenha sido requisitada a nenhum outro servidor. O mesmo processo é repetido para cada bloco até que todos os blocos sejam recebidos. Em geral podemos dizer que a técnica Static-UnEqual realiza download de documentos em um tempo bem menor que a técnica Static-Equal. Isto se deve ao fato desta técnica conseguir realizar o download da parte do documento relativa ao servidor de forma proporcional a sua taxa de serviço, ou seja, um servidor lento irá enviar uma parte menor do documento enquanto que um servidor rápido irá entregar uma parte maior. Para calcular a quantidade que cada servidor deve

29 enviar, a técnica utiliza uma média ponderada dos valores de vazão medidos no respectivo servidor. Esta técnica pode aumentar a velocidade do processo de download quando as condições da rede ou do servidor são estáveis ou facilmente previsíveis. Como o cenário mais comum é encontramos as condições da rede e dos servidores mudando constantemente, as predições sobre vazão não são tão precisas e isto acaba fazendo com que esta técnica não execute da melhor maneira possível [40]. A técnica Dynamic oferece algumas vantagens em relação as outras duas. Os servidores contactados pelo cliente compartilham a carga de maneira proporcional aos recursos disponíveis em cada servidor, o que acaba ocasionando um balanceamento de carga automático no sistema. Assim, os servidores mais rápidos irão entregar partes maiores do documento enquanto que os servidores mais lentos irão entregar partes menores. O interessante é que este balanceamento automático de carga é realizado sem nenhum conhecimento a priori sobre a vazão dos servidores. Além disso, a carga é automaticamente movida de partes com congestionamento na Internet para outras partes que possuam recursos mais abundantes Recebendo vídeo de vários servidores As técnicas anteriormente descritas nos fornecem motivação suficiente para explorarmos os benefícios do uso de vários caminhos na distribuição de conteúdo televisivo. No contexto da transmissão de vídeo, necessitamos de técnicas de codificação de sinais que dêem suporte apropriado para que este conceito seja possível. Uma das formas de codificação que possibilita a transmissão através de múltiplos caminhos é a codificação em múltiplos descritores (Multiple Description Coding - MDC). A codificação em múltiplos descritores é um método de codificação de sinais de áudio e/ou vídeo cujo sinal é codificado em dois ou mais fluxos distintos, onde cada fluxo é chamado de descritor. Cada subconjunto destes descritores pode ser recebido e decodificado em um sinal com distorção em relação ao sinal original. O nível de distorção depende diretamente do número de descritores recebidos, isto é, quanto mais descritores recebidos, menor é a distorção do sinal e melhor é a qualidade. Assim, podemos dizer que o método apresenta as seguintes propriedades [26]: Cada descritor pode ser decodificado independentemente dos demais, gerando uma aproximação usável do sinal original; Os descritores contém informações complementares, de forma que a qualidade do sinal decodificado melhora com o aumento do número de descritores utilizados na decodificação. Com relação a conhecida técnica de codificação em camadas (Layering coding), podemos dizer que nesta somente os dados relativos as camadas de melhoramento podem ser perdidos ou descartados, como mostra a Figura Isto se deve ao fato da codificação em camadas priorizar as informações que se localizam na camada base, de modo que se os dados desta camada forem perdidos, os dados das camadas de melhoramento se tornam inúteis. A codificação em múltiplos descritores visa superar esta limitação, garantindo a reprodução do fluxo mediante a decodificação de qualquer subconjunto de descritores e com qualidade proporcional ao número de descritores decodificados [35]. Para alcançar esta flexibilidade, a codificação em múltiplos descritores incorre em uma modesta perda de desempenho se comparada à codificação em camadas [26, 35].

30 Figura (a) Codificação em múltiplos descritores. (b) Codificação em camadas (Fonte: [35]) Um esquema simples de codificação em múltiplos descritores pode ser descrito da seguinte forma [26, 35]: A seqüência de imagens de um vídeo é demultiplexada em M subseqüências, colocando-se cada K-ésima imagem, m + ik, i = 0, 1, 2,..., na m-ésima subseqüência, m = 1,.., M. As subseqüências são independentemente codificadas para formar os M descritores. Qualquer subconjunto destes M descritores pode ser decodificado e as imagens podem ser remultiplexadas para reconstruir uma seqüência de vídeo cuja taxa de quadros (frame rate) é proporcional ao número de descritores recebidos. Quando conciliada a diversidade de caminhos, a codificação em múltiplos descritores oferece melhor flexibilidade com relação a tolerância a falhas de rede. A idéia é que cada caminho transporte um descritor diferente do mesmo fluxo e, dado que o uso de múltiplos caminhos reduz a probabilidade de se ter perdas simultâneas, pode-se melhorar as chances de recepção de um fluxo de boa qualidade na maior parte do tempo [26, 3]. Diversos algoritmos para a codificação em múltiplos descritores têm sido propostos recentemente, fornecendo diferentes níveis de compressão ou tolerância a erros. Algumas das características buscadas por esses codificadores são [26, 3]: Eficácia na compressão, buscando as propriedades da codificação em múltiplos descritores com um mínimo de acréscimo na largura de banda que os codificadores tradicionais em camadas forneceriam; Habilidade de usar corretamente alguns descritores para o reparo de outros que estejam corrompidos. Com isso, uma qualidade usável do fluxo pode ser mantida mesmo quando existirem perdas em todos os descritores, desde que as mesmas não ocorram exatamente nos mesmos instantes de tempo; Habilidade de operar corretamente em caminhos de rede que possuam larguras de banda diferentes ou desbalanceadas; Compatibilidade com padrões existentes, como MPEG-4 e H.263, de forma que uma aplicação de reprodução convencional possa reproduzir separadamente cada descritor, como se ele fosse um único fluxo codificado pelos métodos tradicionais em camadas. Um esquema alternativo para a codificação utilizando múltiplos descritores é utilizar grupos de quadros (Groups of Frames - GOF). O sinal de áudio ou vídeo ou ambos é particionado em GOFs, tendo cada grupo uma duração aproximada de 1 segundo. Cada GOF é então independentemente codificado, protegido contra erros e particionado em M pacotes, como ilustrado na Figura Se quaisquer m M desses pacotes forem recebidos, então os R m primeiros bits do GOF original podem ser recuperados, ocasionando uma distorção D(R m ), onde 0 = R 0 R 1... R M e

31 Figura Codificação de um GOF (Fonte: [35]) conseqüentemente D(R 0 ) D(R 1 )... D(R M ). Com isso, todos os pacotes são igualmente importantes, sendo apenas o número de pacotes que forem decodificados determinante na qualidade do GOF reconstruído. A distorção esperada do fluxo transmitido é dada por M m=0 p(m)d(r m), onde p(m) é a probabilidade que m dos M pacotes sejam recebidos. Enviando-se o m-ésimo pacote de cada GOF no m-ésimo descritor, tem-se o sinal inteiro representado por M descritores, onde cada descritor é uma seqüência de pacotes transmitidos na taxa de 1 pacote por GOF [35], como ilustrado na Figura Figura Construção dos fluxos MDC a partir de pacotes dos GOFs (Fonte: [35]) O esquema de codificação em múltiplos descritores é uma técnica de codificação de sinais que fornece o suporte apropriado para codificação dos fluxos de vídeo para transmissão através de múltiplos caminhos. Iremos verificar na próxima seção que o uso desta técnica em ambientes cooperativos formados através de redes P2P possibilita recebimento contínuo do vídeo, mesmo em situações