Multimédia, Qualidade de Serviço (QoS): O que são?

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1 Multimédia, Qualidade de Serviço (QoS): O que são? Aplicações Multimédia: áudio e vídeo pela rede ( meios contínuos ) QoS a rede oferece às aplicações o nível de desempenho necessário para funcionarem. 1

2 Aplicações de Rede Multimédia Classes de aplicações MM: 1) Fluxos de áudio e vídeo gravados 2) Fluxos de áudio e vídeo ao vivo 3) Áudio e vídeo interactivos em tempo real Jitter é a variação dos atrasos dos pacotes dentro do mesmo fluxo de pacotes Características Fundamentais: Tipicamente sensíveis ao atraso atraso extremo a extremo variação do atraso (jitter) Mas tolerante a perdas: perdas raras causam pequenos ruídos Antítese da transmissão de dados, que não é tolerante a perdas mas tolera atrasos. 2

3 Fluxos Multimédia Armazenados Transmissão de Fluxos (Streaming): dados armazenados na fonte transmitidos para o cliente fluxos: o cliente começa a apresentação antes de todos os dados chegarem restrições temporais para os dados ainda por transmitir: a tempo para serem apresentados 3

4 Fluxos Multimédia Armazenados: O que são? 1. vídeo gravado 2. vídeo enviado atraso da rede 3. vídeo recebido, apresentado no cliente tempo fluxo: neste instante, o cliente apresenta a parte inicial do vídeo, enquanto o servidor ainda envia a parte final do vídeo 4

5 Fluxos Multimédia Armazenados: Interactividade funcionalidade tipo gravador de vídeo: o cliente pode fazer pausa, recuar, avançar, saltar para outra parte atraso inicial de 10 seg OK 1-2 seg até o comando actuar OK uso frequente de RTSP (mais em breve) restrições temporais para os dados ainda por transmitir: a tempo para serem apresentados 5

6 Fluxos Multimédia ao Vivo Exemplos: Espectáculo de rádio via Internet Transmissão directa de evento desportivo Transmissão de Fluxos buffer de apresentação a apresentação pode atrasar-se dezenas de segundos depois da transmissão ainda tem restrições temporais Interactividade impossível avançar voltar atrás, pausa possíveis! 6

7 Multimédia em tempo real, interactiva aplicações: telefone IP, videoconferência, mundos interactivos distribuídos requisitos de atraso: áudio: < 150 mseg bom, < 400 mseg OK inclui atrasos da aplicação (empacotamento) e da rede atrasos mais elevados notados, prejudicam interactividade iniciação da sessão como o chamado anuncia o seu endereço IP, número de porto, algoritmos de codificação? 7

8 Multimédia na Internet de Hoje TCP/UDP/IP: serviço melhor esforço sem garantias no atraso, perdas??????? Mas disse-se que as aplicações multimédia precisavam de QoS e de um certo nível de desempenho para serem eficazes!???? As aplicações multimédia na Internet de hoje usam técnicas na camada de aplicação para minimizar (o melhor possível) os efeitos dos atrasos, perdas 8

9 Como deve a Internet evoluir para melhor suportar multimédia? Filosofia de Serviços Integrados: Mudanças importantes na Internet para que as aplicações possam reservar largura de banda extremo a extremo Necessita de software novo, complexo nos sistemas terminais & routers Laissez-faire nenhuma mudança importante mais largura de banda quando necessário distribuição de conteúdos, multicast na camada de aplicação camada de aplicação Filosofia de Serviços Diferenciados: Poucas mudanças na infraestrutura da Internet, mas oferecer serviço de 1ª e 2ª classe. Qual a sua opinião? 9

10 Algumas palavras sobre compressão de áudio Sinal analógico amostrado a um ritmo constante telefone: amostras/seg CD de música: amostras/seg Cada amostra quantizada, ie, arredondada eg, 2 8 =256 possíveis valores de quantização Cada valor quantizado representado por bits 8 bits para 256 valores Exemplo: amostras/seg, 256 valores de quantização --> bps Receptor converte de volta para um sinal analógico: alguma redução de qualidade Exemplos de ritmos CD: Mbps MP3: 96, 128, 160 kbps Telefone Internet: kbps 10

11 Algumas palavras sobre compressão de vídeo O vídeo é uma sequência de imagens apresentadas a um ritmo constante e.g. 24 imagens/seg Uma imagem digital é uma matriz de pixels Cada pixel é representado por bits Redundância espacial temporal Exemplos: MPEG 1 (CD-ROM): 1.5 Mbps MPEG2 (DVD): 3-6 Mbps MPEG4 (uso frequente na Internet, < 1 Mbps) Investigação: Vídeo em camadas (escalável) adaptar camadas à largura de banda disponível 11

12 Aplicações interactivas de tempo real telefone PC a PC os serviços de mensagens instantâneas oferecem isto telefone PC a telefone Skype Voipbuster videoconferência com Webcams Vamos agora analisar em detalhe um exemplo de telefone via Internet PC a PC 12

13 Multimédia Interactiva: Internet Phone Introdução ao Internet Phone através de exemplo áudio de uma pessoa a falar: alternadamente trechos de voz, períodos de silêncio. 64 kbps durante um trecho de voz apenas são gerados pacotes durante trechos de voz blocos de 20 mseg a 8 Kbytes/seg: 160 bytes de dados cabeçalho de camada de aplicação adicionado a cada bloco. bloco+cabeçalho encapsulado num segmento UDP. a aplicação envia segmentos UDP para o socket cada 20 mseg durante um trecho de voz. 13

14 Internet Phone: Perda de Pacotes e Atrasos perdas na rede: datagrama IP perdido devido à congestão na rede (buffer do router cheio) perda por atraso: datagrama IP chega demasiado tarde para ser reproduzido no receptor atrasos: processamento, espera em filas na rede; atrasos nos sistemas terminais (emissor, receptor) atraso máximo tolerável típico: 400 ms tolerante a perdas: dependendo da codificação da voz, escondendo as perdas, podem ser toleradas taxas de perdas de pacotes entre 1% e 10%. 14

15 Jitter no Atraso transmissão de de ritmo constante atraso na rede variável recepção no cliente dados em buffer apresentação a ritmo constante no cliente atraso de apresentação tempo Considere o atraso extremo a extremo entre dois pacotes consecutivos: a diferença pode ser mais ou menos que 20 mseg 15

16 Internet Phone: Atraso de Apresentação Fixo O receptor tenta apresentar cada bloco exactamente q msegs depois de o bloco ser gerado. o bloco foi gerado no instante t: apresentar o bloco em t+q. bloco chega após t+q: os dados chegam demasiado tarde para serem apresentados, dados perdidos Compromissos para q: q grande: menos perdas de pacotes q pequeno: melhor interactividade 16

17 Atraso de Apresentação Fixo O emissor gera pacotes a cada 20 mseg durante um trecho de voz. O primeiro pacote é recebido no instante r Primeira hipótese de apresentação: começar em p Segunda hipótese de apresentação: começar em p pacotes pacotes gerados pacotes recebidos perda apresentação com atraso de p - r apresentação com atraso de p' - r tempo r p p' 17

18 Atraso de Apresentação Adaptativo, I Objectivo: minimizar o atraso de apresentação, mantendo a taxa de perdas baixa Aproximação: ajuste do atraso de apresentação adaptativo: Estimar o atraso da rede, ajustar o atraso de apresentação no início de cada trecho de voz. Períodos de silêncio comprimidos ou alongados. Blocos continuam a ser apresentados a cada 20 mseg durante um trecho de voz. t = tempo em que foi gerado o pacote i r p r i i i d i = o instante em que o pacote i é recebido no receptor = o instante em que o pacote i é apresentado no receptor t i i = atraso da rede para o pacote i = estimativa do atraso médio da rede depois de receber o pacote i Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor: d i ( 1 u) di 1 + u( ri ti ) = onde u é uma constante fixa (e.g., u = 0.01). 18

19 Atraso de Apresentação Adaptativo, II Também é útil estimar o desvio padrão do atraso, v i : v i ( 1 u) vi 1 + u ri ti di = As estimativas d i e v i são calculadas para cada pacote recebido, embora sejam apenas utilizadas no início de um trecho de voz. Para o primeiro pacote num trecho de voz, o tempo de apresentação é: p = t + d + onde K é uma constante positiva. i i i Kv Os restantes pacotes do trecho de voz são apresentados periodicamente. i 19

20 Apresentação Adaptativa, III Q: Como é que o receptor determina se um pacote é o primeiro num trecho de voz? Se não houver perdas, o receptor olha para os instantes iniciais de pacotes sucessivos. diferença de instantes iniciais sucessivos > 20 mseg --> começa trecho de voz. Quando são possíveis perdas, o receptor tem de olhar tanto para os instantes iniciais como para os números de sequência. diferença de instantes iniciais sucessivos > 20 mseg e números de sequência sem buracos --> começa um trecho de voz. 20

21 Recuperação de perda de pacotes (1) forward error correction (FEC): esquema simples para cada grupo de n blocos, cria um bloco redundante com o OUexclusivo dos n blocos originais envia n+1 blocos, aumentando a largura de banda por um factor de 1/n. pode reconstruir os n blocos originais se perder no máximo um bloco dos n+1 blocos O atraso de apresentação tem de ser corrigido para dar tempo de receber todos os n+1 blocos Compromisso: aumentar n, menos desperdício de largura de banda aumentar n, maior atraso de apresentação aumentar n, maior probabilidade que 2 ou mais blocos se percam 21

22 Recuperação de perda de pacotes (2) 2º esquema FEC acrescentar fluxo de menor qualidade enviar fluxo áudio de baixa resolução como informação redundante por exemplo, fluxo nominal PCM a 64 kbps e fluxo redundante GSM a 13 kbps. perda fluxo original redundância fluxo recebido fluxo reconstruído Sempre que há perdas não consecutivas, o receptor pode esconder a perda. Para resolver o caso de perdas consecutivas, pode-se acrescentar os blocos de baixo ritmo (n-1) e (n-2) ao bloco de ritmo nominal n 22

23 Recuperação de perda de pacotes (3) fluxo original fluxo entrelaçado perda de pacotes fluxo reconstruído Entrelaçamento (Interleaving): os blocos são partidos em unidades mais pequenas por exemplo, 4 unidades de 5 mseg por bloco um pacote contém unidades mais pequenas de diferentes blocos se um pacote é perdido, ainda se tem a maior parte de cada bloco não adiciona redundância mas aumenta o atraso de apresentação 23

24 Sumário: Multimédia na Internet: saco de truques usar UDP para evitar o controlo de congestão de TCP (atrasos) para tráfego sensível ao atraso atraso de apresentação adaptativo no cliente: para compensar atrasos servidor ajusta largura de banda do fluxo à largura de banda disponível no caminho do servidor para o cliente escolha entre ritmos de fluxos pré-codificados ritmo de codificação dinâmico recuperação de erros (por cima do UDP) FEC, entrelaçamento retransmissões, se o tempo permitir esconder erros: repetir dados próximos 24

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