Redes sem Fios e Mobilidade - Revisão

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1 Redes de Computadores Redes de Computadores Multimédia em Redes e Qualidade de Serviço 1

2 Redes sem Fios e Mobilidade - Revisão Redes sem Fios Caracteristicas de Redes sem Fios CDMA IEEE wireless LANs ( wi-fi ) Redes Celulares arquitectura standards (e.g., GSM) Mobilidade Principios endereçamento e encaminhamento para utilizadores móveis Mobilidade IP Mobilidade em Redes Celulares Mobilidade e Protocolos de alto nível 2 Multimédia e QoS

3 Multimédia em Redes e Qualidade de Serviço Segue Capitulo 7 do livro de J.F Kurose e K.W. Ross Multimédia Multimédia em em redes redes Aplicações Aplicações Multimédia Multimédia em em Redes Redes Fluxos Fluxos contínuos contínuos (Streams) (Streams) de de áudio áudio e e vídeo vídeo armazenados armazenados Multimédia Multimédia em em Tempo Tempo Real: Real: estudo estudo do do Telefone Telefone sobre sobre a a Internet Internet Protocolos Protocolos para para Aplicações Aplicações Interactivas Interactivas e Distribuição Distribuição de de Multimédia Multimédia Protocolos Protocolos para para Aplicações Aplicações Interactivas Interactivas de de Tempo Tempo Real: Real: RTP,RTCP,SIP RTP,RTCP,SIP Distribuição Distribuição de de Multimédia: Multimédia: redes redes de de distribuição distribuição de de conteúdos conteúdos Qualidade Qualidade de de Serviço Serviço Para Para além além do do Melhor Melhor Esforço Esforço Mecanismos Mecanismos de de Escalonamento Escalonamento e e Policiamento Policiamento Serviços Serviços Integrados Integrados e e Serviços Serviços Diferenciados Diferenciados RSVP RSVP Objectivos: Objectivos: Classificar Classificar as as aplicações aplicações multimédia multimédia Identificar os serviços de rede que as aplicações necessitam Identificar os serviços de rede que as aplicações necessitam Extrair o máximo do serviço de melhor esforço Extrair o máximo do serviço de melhor esforço Aprender Aprender os os mecanismos mecanismos para para garantir garantir QoS QoS 3 Multimédia e QoS

4 Multimédia e Qualidade de Serviço Aplicações Multimedia: áudio e video na rede ( media contínuo ) QoS a rede fornece à aplicação o nível de desempenho necessário para que a aplicação funcione como esperado 4 Multimédia e QoS

5 IPTV Arquitectura de Rede 5 Multimédia e QoS

6 Aplicações Multimedia (MM) em Redes Classes de aplicações MM 1) Fluxos contínuos (Streams) de áudio e vídeo armazenados 2) Fluxos contínuos (Streams) de áudio e vídeo ao vivo 3) Vídeo interativo de tempo real Jitter é a variabilidade dos atrasos dos pacotes dentro de um mesmo fluxo de pacotes 6 Multimédia e QoS Características Fundamentais: Tipicamente são sensíveis a atrasos atraso fim-a-fim variação do atraso (jitter) Mas são tolerantes a perdas perdas não muito frequentes causam apenas pequenos distúrbios Antítese da transferência de dados que é intolerante a perdas mas tolerante a atrasos.

7 Fluxo Contínuo (Streaming) Fluxo Contínuo de Multimédia Armazenada Media armazenada na fonte transmitida p/ cliente Fluxo contínuo reprodução no cliente iniciada antes de todos os dados terem sido recebidos Restrição de tempo para os dados ainda não transmitidos devem chegar a tempo de serem reproduzidos Pause, rewind Fluxo Contínuo de Multimédia ao Vivo Exemplos Programa em rádio Internet, evento desportivo ao vivo Fluxo Contínuo buffer de reprodução reprodução pode atrasar dezenas de segundos após a transmissão ainda tem restrições de tempo Interactividade impossível avançar é possível voltar, pause Multimédia de Tempo Real Interactiva Aplicações VoIP, vídeo conferência, mundos interactivos distribuídos Req. de atraso extremo-a-extremo áudio: < 150 mseg bom, < 400 mseg OK Inclui atrasos da camada de aplicação e de rede Grandes atrasos são perceptíveis, prejudicam a interactividade Inicialização da sessão destino anuncia o seu endereço IP, número de porto e algoritmo de codificação 7 Multimédia e QoS

8 Fluxo Contínuo Multimédia Armazenada Dados acumulados 1. video gravado 2. Video a ser transmitido atraso da rede 3. video recebido, reproduzido no cliente tempo Fluxo contínuo: neste instante, o cliente está a reproduzir uma parte anterior do video, enquanto o servidor ainda está a transmitir as partes seguintes 8 Multimédia e QoS

9 Fluxo Contínuo Multimédia Armazenada: Interactividade Personal Video Recorder (PVR) Funcionalidade tipo VCR: cliente pode suspender, voltar, avançar rapidamente (FF), modificar a barra de deslocamento atraso inicial de 10 seg OK 1-2 seg até que o comando seja executado OK RTSP é usado com frequência Restrição de tempo para dados ainda não transmitidos chegar a tempo para reprodução 9 Multimédia e QoS Untouchables. Panasonic TV of Yesterday TVoY Missed Program x-y Sex & the City Sex & the City God father Die Hard 1 Seinfeld Seinfeld Missed Program x. Departamento... de Engenharia Day Informática x Day x-y Day x-1 Titanic

10 Filosofias para a Evolução da Internet... de modo a dar um melhor suporte a aplicações multimédia Multimédia (MM) sobre a internet actual TCP/UDP/IP: serviço de melhor esforço sem garantias sobre atrasos, perdas As aplicações MM na Internet actual usam técnicas da camada de aplicação para minimizar (da melhor forma) efeitos de atraso, perdas deixar como está sem grandes mudanças aumento da largura de banda quando necessário distribuição de conteúdo, multicast na camada de aplicação Serviços Integrados Modificar a Internet de modo que as aplicações possam reservar largura de banda extremo-a-extremo Requer software novo, e complexo, nos hosts & routers Serviços Diferenciados Menos mudanças na infra-estrutura da Internet, mas fornecendo serviços de 1a. e 2a. classe 10 Multimédia e QoS

11 Compressão de Áudio e Video Compressão de áudio Sinal analógico é amostrado a taxa constante telefone: amostras/seg CD de música: amostras/seg Cada amostra é discretizada (arredondada) valor discretizado é representado por bits e.g., 8 bits, 2 8 =256 valores discretos possíveis amostras/seg, 8 bits/amostra --> bps (PCM pulse code modulation) Receptor converte de volta a sinal analógico: alguma perda de qualidade Exemplo de ritmos PCM CD: 1,411 Mbps (stereo: 2x x 16bits) MP3: 96, 128, 160 kbps Telefone Internet: 5,3-13 kbps MP3 mais eficiente que PCM Compressão de vídeo Video é uma sequência de imagens apresentadas a um ritmo constante e.g. 25 imagens/seg Imagem digital é uma matriz de pixels Cada pixel é representado por bits Redundância Espacial, Temporal Exemplos MPEG1 (CD-ROM) 1,5 Mbps MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps MPEG4 (usado com frequência na Internet) Video em camadas (escalável) adapta as camadas à largura de banda disponível 11 Multimédia e QoS

12 Fluxo Continuo Multimédia Armazenada Técnicas de streaming da camada de aplicação para extrair o máximo do serviço de melhor esforço armazenamento no lado do cliente uso do UDP ao invés do TCP múltiplas codificações do conteúdo multimédia Media Players reprodutor de media Remoção de jitter Descompressão Tratamento de erros Redundância Retransmissão Esconder os erros Interface gráfica do utilizador com controlos para a interactividade RealNetworks RealPlayer, Microsoft Windows Media Player 12 Multimédia e QoS

13 Multimédia Internet: Abordagens Abordagem Download Abordagem com fluxos Servidor de fluxos Áudio ou Video armazenado em ficheiro Ficheiro transferido como objecto HTTP recebido 100% por cliente depois segue para o player Áudio, Video não enviado como fluxo contínuo não há cadeia de montagem (pipelining) longos atrasos até a reprodução browser solicita (GETs) meta ficheiro browser inicia o player, passando o meta ficheiro player contacta o servidor servidor cria o fluxo de áudio/video até o player Esta arquitectura permite o uso de protocolos não-http entre o servidor e o reprodutor de media Também pode usar UDP ao invés do TCP 13 Multimédia e QoS

14 Fluxos Multimedia: Armazenamento pelo Cliente transmissão de video a um ritmo constante atraso variável da rede (jitter) recepção do video no cliente video armazenado reprodução do video a ritmo constante no cliente Dados acumulados atraso de reprodução tempo Armazenamento no lado do cliente, o atraso de reprodução compensa o atraso e a variação do atraso (jitter) provocados pela rede 14 Multimédia e QoS

15 Fluxo Multimedia: UDP vs TCP UDP TCP servidor envia a um ritmo adequado para o cliente sem se importar com congestionamento da rede normalmente: taxa de transmissão = taxa de codificação = constante portanto, taxa de enchimento = taxa constante perda de pacotes pequeno atraso de reprodução (2-5 segundos) para compensar pela variação do atraso da rede recuperação de erros: se houver tempo transmite ao ritmo máximo permitido pelo TCP taxa de enchimento flutua devido ao controle de congestionamento do TCP Possibilidade de starvation após controlo de erros activo buffer (pequeno) vazio maior atraso para reprodução: taxa de entrega do TCP mais suave HTTP/TCP passam mais facilmente através de firewalls 15 Multimédia e QoS

16 Fluxo Multimedia : Ritmo(s) do cliente codificação de 1,5 Mbps codificação de 28,8 Kbps Como lidar com diferentes capacidades para a taxa de recepção do cliente? Acesso dial-up de 28,8 Kbps Ethernet de 100Mbps Solução: servidor armazena, e transmite múltiplas cópias do video, codificadas em taxas diferentes 16 Multimédia e QoS

17 Controlo do Utilizador de Media Contínua: RTSP Real Time Streaming Protocol - RTSP [RFC 2326] HTTP Não tinha como alvo conteúdo multimedia Não possui comandos para avanço rápido, etc RTSP Protocolo cliente-servidor da camada de aplicações O utilizador pode controlar a apresentação: retornar, avanço rápido, pausa, retomar, reposicionamento, etc. O que o RTSP não faz Não define como o áudio/video é encapsulado para ser transmitido pela rede Não restringe como a media tipo fluxo (stream) é transportada pode ser transportada sobre UDP ou TCP Não especifica como o apresentador da media armazena o áudio/video 17 Multimédia e QoS

18 RTSP: Controlo out of band FTP usa um canal de controlo out of band Um ficheiro é transferido sobre uma ligação TCP A informação de controlo (mudanças de directório, eliminação de ficheiros, renomear ficheiro, etc) é enviada numa ligação TCP à parte Os canais fora da faixa e dentro da faixa utilizam diferentes números de portos As mensagens RTSP também são enviadas out of band As mensagens de controlo RTSP usam números de porto diferentes do fluxo da media, e são, portanto, enviadas out of band (ou fora da faixa ) Porto 554 O fluxo de media é considerado dentro da faixa Mensagens RTSP podem ser enviadas sobre UDP ou TCP 18 Multimédia e QoS

19 Exemplo RTSP de Meta ficheiro <title>twister</title> <session> <group language=en lipsync> <switch> <track type=audio e="pcmu/8000/1" src = "rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi"> <track type=audio e="dvi4/16000/2" pt="90 DVI4/8000/1" src="rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/hifi"> </switch> <track type="video/jpeg" src="rtsp://video.example.com/twister/video"> </group> </session> Cenário meta ficheiro enviado para o web browser browser inicia o player Player (reprodutor) estabelece uma ligação de controlo RTSP e uma ligação de dados para o servidor de media contínua 19 Multimédia e QoS

20 Operação do RTSP C: SETUP rtsp://audio.example.com/twister/audio RTSP/1.0 Transport: rtp/udp; compression; port=3056; mode=play S: RTSP/ OK Session 4231 C: PLAY rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=0- C: PAUSE rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=37 C: TEARDOWN rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 S: OK RTSP: exemplo de diálogo 20 Multimédia e QoS

21 Aplicações Interativas de Tempo Real Multimédia Interactiva: Telefone Internet Áudio do speaker : alterna surtos de voz com períodos de silêncio 64 kbps durante surto de voz Pacotes gerados apenas durante os surtos de voz pedaços de 20 mseg a 8 Kbytes/seg: dados de 160 bytes Telefone PC-2-PC serviços de mensagens instantânea PC-2-telefone teclado Net2phone videoconferência com Webcams Cabeçalho da camada de aplicação é adicionado a cada pedaço Pedaço+cabeçalho empacotado num segmento UDP Aplicação envia segmentos UDP no socket a cada 20 mseg durante um surto de voz. 21 Multimédia e QoS

22 Telefone Internet Perda de Pacotes e Atraso Perda pela rede: datagrama IP perdido devido a congestionamento da rede (estouro do buffer do router) Perda por atraso: o datagrama IP chega tarde para ser reproduzido no receptor atrasos: processamento, filas de espera na rede; atrasos do sistema terminal (emissor, receptor) atraso máximo tolerável típico: 400 ms tolerância a perdas: dependendo da codificação da voz, as perdas podem ser encobertas taxas de perdas de pacotes entre 1% e 10% podem ser toleradas. Variação do atraso (jitter) Considerar o atraso fim a fim de dois pacotes consecutivos a diferença pode ser maior ou menor do que 20 mseg 22 Multimédia e QoS

23 Telefone Internet Atraso de Apresentação Fixo O receptor tenta reproduzir cada pedaço exactamente q msegs após o pedaço ter sido produzido Se o pedaço contiver um carimbo temporal t, o receptor reproduzirá o pedaço no instante t+q. Se o pedaço chegar após o instante t+q, o receptor o descartará Compromissos para q: q longo: menos perda de pacotes q pequeno: melhor experiência interactiva 23 Multimédia e QoS Emissor gera pacotes a cada 20 mseg durante o surto de voz. O primeiro pacote é recebido no instante r A primeira reprodução é programada para iniciar no instante p A segunda reprodução é programada para iniciar no instante p packets packets generated r packets received loss playout schedule p - r playout schedule p' - r time p p'

24 Atraso de reprodução adaptativo Objectivo: minimizar o atraso de reprodução, mantendo baixa a taxa de perdas Abordagem: ajuste adaptativo atraso de reprodução: Estima o atraso da rede e ajusta o atraso de reprodução no início de cada surto de voz Períodos de silêncio são comprimidos e alongados. Os pedaços ainda são reproduzidos a cada 20 mseg durante um surto de voz. t r i i p = carimbo de tempo doi - ésimo pacote = instante em que o pacotei é recebido pelo receptor r t i d i i = instante em que o pacotei é reproduzid o no receptor i = atraso da rede para oi = estimativa atraso médio da rede após oi - ésimo pacote Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor: d i = - ésimo ( 1 u) di 1+ u( ri ti ) pacote onde u é uma constante (ex., u = 0,01). Versão filtrada do atraso do pacote Estimava do desvio médio 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, mas são usados apenas no início de um surto de voz. Para o primeiro pacote de um surto de voz, o tempo de apresentação é: p = t + d + i i i Kv onde K é um constante positiva. Os pacotes restantes em um surto de voz são reproduzidos periodicamente i 24 Multimédia e QoS

25 Reprodução Adaptativa Determinação pelo receptor do primeiro pacote de um surto de voz Se nunca houvesse perdas, o receptor poderia simplesmente olhar os carimbos de tempo sucessivos. Diferença entre carimbos sucessivos > 20 mseg, início do surto de voz. Mas, dado que perdas são possíveis, o receptor deve olhar tanto para os carimbos de tempo quanto para os números de sequência. Diferença entre carimbos sucessivos > 20 mseg e numeros de sequência sem falhas, início do surto de voz. 25 Multimédia e QoS

26 Recuperação da perda de pacotes (1) forward error correction (FEC) esquema simples para cada grupo de n pedaços criar um pedaço redundante efectuando o OU-exclusivo dos n pedaços originais transmitir n+1 pedaços, aumentando a largura de banda por um factor de 1/n. pode reconstruir os n pedaços originais se houver no máximo um pedaço perdido dentre os n+1 pedaços Atraso de reprodução deve ser fixado para o instante de recepção de todos os n+1 pacotes Compromissos aumento de n, menos desperdício de banda aumento de n, atraso de reprodução mais longo aumento de n, maior probabilidade de que 2 ou mais pedaços sejam perdidos 26 Multimédia e QoS

27 Recuperação da perda de pacotes (2) 2º Esquema de FEC transmissão de boleia de um fluxo de menor qualidade envia fluxo de áudio de baixa resolução como informação redundante por exemplo, fluxo nominal PCM a 64 kbps e fluxo redundante GSM a 13 kbps Sempre que houver perda não consecutiva, o receptor pode recupera-la Pode também adicionar o (n-1)-ésimo e o (n-2)-ésimo pedaço de baixa taxa de transmissão 27 Multimédia e QoS

28 Recuperação da perda de pacotes (3) Entrelaçar ( Interleaving ) os pedaços são quebrados em unidades menores por exemplo, quatro unidades de 5 mseg por pedaço pacote agora contém pequenas unidades de pedaços diferentes se o pacote se perder, ainda fica muito de cada pedaço não tem overhead de redundância mas aumenta o atraso de reprodução 28 Multimédia e QoS

29 Resumo: Multimedia Internet - truques Usar UDP para evitar o(s) (atrasos) do controlo de congestionamento do TCP para tráfego sensível ao tempo Atraso de reprodução adaptativo no lado do cliente para compensar o atraso O lado do servidor adapta a largura de banda do fluxo à largura de banda disponível no caminho cliente-ao-servidor escolha entre ritmos de fluxos pré-codificadas taxa dinâmica de codificação do servidor Recuperação de erros (acima do UDP) FEC, entrelaçar retransmissões, se houver tempo encobrimento de erros: repetir dados próximos, interpolar 29 Multimédia e QoS

30 Multimédia em redes - Revisão Multimédia em redes Aplicações Multimédia em Redes Fluxos contínuos (Streams) de áudio e vídeo armazenados Multimédia em Tempo Real: estudo do Telefone sobre a Internet Protocolos para Aplicações Interactivas e Distribuição de Multimédia Protocolos para Aplicações Interactivas de Tempo Real: RTP,RTCP,SIP Distribuição de Multimédia: redes de distribuição de conteúdos Qualidade de Serviço Para além do Melhor Esforço Mecanismos de Escalonamento e Policiamento Serviços Integrados e Serviços Diferenciados RSVP 30 Multimédia e QoS Aplicações MM MM em em Redes Fluxo Contínuo (Streaming) Compressão de de Áudio e Video Multimédia Internet: Abordagens Multimedia: UDP vs vs TCP TCP Controlo do do Utilizador de de Media Contínua: RTSP Aplicações Interativas de de Tempo Real Real Telefone Internet Atraso Atraso de de Apresentação Fixo Fixo Atraso Atraso de de reprodução adaptativo Recuperação da da perda perda de de pacotes Resumo: Redes de Computadores Multimedia 2010/2011 Internet --truques

31 Real Time Protocol (RTP) - Protocolo de Tempo Real [RFC 3550] RTP especifica uma estructura de pacote para o transporte de dados de áudio e de vídeo Interoperabilidade Aplicações de telefone Internet que implementarem RTP poderão trabalhar em conjunto Pacotes RTP são encapsulados em segmentos UDP RTP executado nos sistemas terminais Bibliotecas RTP fornecem uma interface da camada de transporte que estende o UDP: números de portos, endereços IP identificação do tipo da carga numeração da sequência de pacotes carimbo temporal (timestamp) O cabeçalho RTP também contém números de sequência e carimbos temporais 31 Multimédia e QoS

32 RTP e QoS RTP não fornece nenhum mecanismo para garantir a entrega a tempo dos dados nem nenhuma outra garantia de qualidade de serviço. O encapsulamento RTP é visto apenas nos sistemas terminais não é visto por routers intermediários Routers fornecem o serviço tradicional Internet de melhor esforço Exemplo RTP O cabeçalho RTP indica o tipo da codificação de áudio em cada pacote: Os emissores podem mudar a codificação durante uma conferência Exemplo: envio de voz codificada em PCM de 64 kbps sobre RTP Aplicação recolhe os dados codificados em pedaços, e.g., a cada 20 mseg = 160 bytes num pedaço O pedaço de áudio junto com o cabeçalho RTP formam um pacote RTP, que é encapsulado num segmento UDP 32 Multimédia e QoS

33 Cabeçalho RTP Número de Sequência (16 bits): é incrementado de um para cada pacote RTP enviado Pode-se usar p/ detectar a perda de pacotes e para restaurar a sequência de pacotes Tipo da carga (7 bits): usado para indicar o tipo de codificação usado. Se o emissor modificar a codificação no meio de uma conferência, o emissor informará o receptor através do campo do tipo de carga Tipo de carga 0: PCM mu-law, 64 Kbps Tipo de carga 3, GSM, 13 Kbps Tipo de carga 7, LPC, 2.4 Kbps Tipo de carga 26, Motion JPEG Tipo de carga 31. H.261 Tipo de carga 33, vídeo MPEG2 SSRC (32 bits): Identifica a origem de um fluxo RTP Cada fluxo numa sessão RTP deve possuir um SSRC distinto Carimbo temporal (32 bits): reflete o instante de amostragem do primeiro byte no pacote de dados RTP. Para áudio o relógio de carimbo temporal incrementa de um para cada período de amostragem por exemplo, a cada 125 µseg para um relógio de amostragem de 8kHz se a aplicação de áudio gerar pedaços de 160 amostras codificadas, então o carimbo de tempo aumenta de 160 para cada pacote RTP quando a origem estiver activa O relógio de carimbo temporal continua a aumentar a uma taxa constante mesmo quando a fonte estiver inactiva. 33 Multimédia e QoS

34 Real-Time Control Protocol (RTCP) - Protocolo de Controlo de Tempo Real RTCP e RTP trabalham juntos cada participante em 1 sessão RTP transmite periodicamente pacotes de controlo RTCP p/ os outros Cada pacote RTCP contém relatórios ( reports ) do emissor e/ou receptor Com estatísticas úteis para as aplicações incluem o nº de pacotes enviados, o nº de pacotes perdidos, jitter entre chegadas, etc. Esta realimentação de informação para as aplicações pode ser usada para controlar o desempenho O emissor pode modificar as suas transmissões baseadas na realimentação Pacotes de relato do receptor Fracção dos pacotes perdidos, último nº de sequência, jitter entre chegadas médio. Pacotes de relato do emissor SSRC do fluxo RTP, tempo actual, número de pacotes enviados e nº de bytes enviados Pacotes de descrição da origem Endereço de do emissor, nome do emissor, o SSRC do fluxo RTP associado. Estes pacotes fornecem um mapeamento entre o SSRC e o nome do utilizador/host 34 Multimédia e QoS

35 Endereçamento e Sincronização de Fluxos no RTCP Endereçamento Para uma sessão RTP há tipicamente um único endereço multicast todos os pacotes RTP e RTCP pertencentes à sessão usam o endereço multicast Pacotes RTP e RTCP são diferenciados uns dos outros através do uso de números de portos distintos Tipico nº porto RTCP = nº porto RTP + 1 Para limitar o tráfego, cada participante reduz o seu tráfego RTCP à medida que cresce o nº de participantes da conferência 35 Multimédia e QoS Sincronização de Fluxos O RTCP pode ser usado para sincronizar fluxos diferentes de media dentro de uma sessão RTP Exemplo Aplicação de videoconferência para a qual cada emissor gera um fluxo RTP p/ vídeo e outro p/ áudio Os carimbos de tempo nestes pacotes RTP estão vinculados aos relógios de amostragem de vídeo e de áudio, e não estão vinculadas ao relógio de tempo real Cada pacote de relato do emissor contém, para o pacote mais recente no fluxo RTP associado, o carimbo tempal do pacote RTP e instante num relógio de tempo real em que o pacote foi criado Os receptores podem usar esta associação para sincronizar a reprodução de áudio e de vídeo

36 Escalonamento da Largura de Banda do RTCP O RTCP tenta limitar o seu tráfego a 5% da largura de banda da sessão Problema Em multicast, tráfego RTP do emissor não aumenta com nº de receptores mas tal não acontece com o tráfego RTCP Exemplo da Solução Emissor a enviar video sobre uma sessão a 2 Mbps então o RTCP tenta limitar o seu tráfego a 100 Kbps O protocolo atribui 75% desta taxa, ou 75 kbps, para os receptores; e atribui os restantes 25% da taxa, ou 25 kbps, para o emissor Os 75 kbps alocados são partilhados igualmente entre os receptores para R receptores, cada receptor pode transmitir tráfego RTCP a uma taxa de 75/R kbps Emissor pode transmitir tráfego RTCP a uma taxa de 25 kbps Um participante (um emissor ou receptor) determina o período de transmissão dos pacotes RTCP através do cálculo dinâmico do tamanho médio de um pacote RTCP (ao longo de toda a sessão) e dividindo o tamanho médio do pacote RTCP pela sua taxa alocada 36 Multimédia e QoS

37 Session Initiation Protocol SIP (Protocolo de Iniciação de Sessões) IETF [RFC 3261] Visão de longo prazo do SIP Todas as chamadas telefónicas e de vídeo conferência se realizam sobre a Internet Pessoas são identificadas por nomes ou endereços de , ao invés de números de telefone. Possibilidade de realizar chamada para receptor, não importa onde ele esteja, em qualquer dispositivo IP que o receptor esteja a usar no momento 37 Multimédia e QoS

38 Serviços SIP Estabelecimento de uma chamada Fornece mecanismos para que quem chama informe o destino que ele deseja estabelecer uma chamada Fornece mecanismos para que quem pede a chamada e o destino concordem no tipo de media e na codificação Fornece mecanismos para encerrar a chamada Determinação do endereço IP actual do destino Mapeia identificador mnemónico para o endereço IP actual Gestão de chamadas Adiciona novos fluxos de media durante a chamada Altera a codificação durante a chamada Convida outros Transfere e mantém (hold) chamadas 38 Multimédia e QoS

39 Estabelecimento de uma chamada para um endereço IP conhecido Alice Bob INVITE c=in IP m=audio RTP/AVP 0 port 5060 port 5060 port OK c=in IP m=audio RTP/AVP 3 ACK port 5060 GSM µ Law audio port Bob's terminal rings Mensagem SIP de convite de Alice indica o seu número de porto e endereço IP Indica a codificação em que Alice prefere receber (PCM ulaw) A mensagem 200 OK de Bob indica o seu número de porto, endereço IP e codificação preferida (GSM) As mensagens SIP podem ser transmitidas sobre TCP ou UDP aqui enviada sobre RTP/UDP O número de porto Default do SIP é o time 39 Multimédia e QoS time

40 SIP: Estabelecimento de uma chamada Negociação Codec Exemplo: Bob não possui um codificador PCM ulaw Bob responderá então com um código 606 Not Acceptable Reply e lista os codificadores que ele pode usar Alice pode então enviar uma nova mensagem INVITE, anunciando um codificador apropriado Rejeição de uma chamada Bob pode rejeitar com respostas busy (ocupado) gone (fora) payment required (necessário pagamento) forbidden (proibido) Os dados media podem ser enviados sobre RTP ou algum outro protocolo 40 Multimédia e QoS

41 Mensagem SIP Exemplo INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP From: To: Call-ID: Content-Type: application/sdp Content-Length: 885 c=in IP m=audio RTP/AVP 0 Notas: sintaxe de mensagem HTTP sdp = session description protocol (protocolo de descrição da sessão) Identificador (Call-ID) único para cada chamada. 41 Multimédia e QoS Necessários servidores SIP intermediários aqui não se conhece o endereço IP de Bob Alice envia e recebe mensagens SIP usando o número de porta default do SIP 5060 Alice especifica no cabeçalho em Via: que o cliente SIP envia e recebe mensagens SIP sobre UDP

42 SIP: Tradução do Nome e Localização do Utilizador Quem faz a chamada deseja chamar o destino, mas possui apenas o nome ou o endereço de daquele Precisa obter o endereço IP do host actual do destino da chamada: utilizador se desloca protocolo DHCP utilizador possui dispositivos IP diferentes (PC, PDA, dispositivo no automóvel) Resultado pode depender de hora do dia (trabalho, casa) quem chama não desejas que a tua sogra te chame a toda a hora... status do destino chamadas enviadas para correio de voz quando o destino já estiver a falar com alguém Serviço fornecido por servidores SIP Servidor de registo SIP Servidor proxy do SIP 42 Multimédia e QoS

43 Registo e Proxy SIP Registo SIP Quando Bob inicia o cliente SIP, o cliente envia uma mensagem SIP de registro (REGISTER) para o servidor de registos de Bob uma função semelhante é necessária para os serviços de mensagens instantâneas Mensagem de Registo REGISTER sip:domain.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP From: sip:bob@domain.com To: sip:bob@domain.com Expires: 3600 Proxy SIP Alice envia mensagem de convite para o seu servidor proxy contém endereço sip:bob@domain.com O proxy é responsável por encaminhar mensagens SIP para o destino possivelmente através de múltiplos proxies O destino envia resposta através do mesmo conjunto de proxies O proxy retorna a mensagem de resposta SIP para Alice contendo o endereço IP de Bob Nota: proxy é análogo a um servidor DNS local 43 Multimédia e QoS

44 Exemplo SIP Emissor coloca uma chamada para (1) Jim envia mensagem INVITE para o proxy SIP da UMass. (2) Proxy encaminha o pedido para o servidor de registo da UPenn. (3) O servidor da UPenn retorna resposta de redireccionamento, indicando que deve tentar keith@eurecom.fr SIP proxy umass.edu 1 8 SIP client SIP registrar upenn.edu SIP registrar eurecom.fr SIP client (4) O proxy da UMass envia INVITE para o registo da eurecom. (5) Registro da eurecom encaminha o INVITE para , que está a executar o cliente SIP de Keith. (6-8) retorno da resposta SIP. (9) media enviada directamente entre clientes. Nota: mensagens ack do SIP não estão apresentadas Multimédia e QoS

45 SIP vs H.323 H.323 é um outro protocolo de sinalização para tempo-real, interactivo H.323 é um conjunto integrado de protocolos para conferência multimedia: sinalização, registo, controlo de admissão, transporte e codecs. SIP é um único componente. Trabalha com RTP, mas não é obrigatório. Pode ser combinado com outros protocolos e serviços. 45 Multimédia e QoS H.323 vem do ITU (telefone). SIP vem do IETF: empresta muitos dos seus conceitos do HTTP SIP tem um sabor Web, enquanto que o H.323 tem um sabor do telefone SIP usa o princípio KISS: Keep it simple stupid.

46 Redes de Distribuição de Conteúdos (CDNs - Content distribution networks) Replicação de conteúdo Desafio: transmitir fluxo de ficheiros grandes (e.g. video) de um único servidor origem em tempo real Solução: replicar o conteúdo em centenas de servidores através da Internet conteúdo carregado antecipadamente nos servidores CDN Colocando o conteúdo perto do utilizador evita impedimentos (perda, atraso) com o envio do conteúdo sobre caminhos longos servidor CDN tipicamente posicionado na fronteira da rede Utilizador de uma CDN (e.g., Akamai) é o fornecedor de conteúdo (e.g. CNN) A CDN replica o conteúdo do utilizador em servidores CDN Quando o fornecedor actualiza o conteúdo, a CDN actualiza os servidores 46 Multimédia e QoS Servidor original na América do Norte nó de distribuição CDN servidor CDN na Am. do Sul servidor CDN na Europa servidor CDN na Ásia

47 CDN Exemplo Servidor original Servidor DNS oficial da CDN Servidor CDN próximo Encaminhamento de pedidos A CDN cria um mapa, indicando as distâncias entre os ISPs folhas e os nós CDN Quando a solicitação chega a um servidor DNS oficial: o servidor determina qual é o ISP de onde vem o pedido usa o mapa para determinar qual o melhor servidor CDN Nós CDN criam uma rede sobreposta na camada de aplicação 47 Multimédia e QoS pedido HTTP para consulta DNS para Pedido HTTP para Servidor origem distribui HTML Substitui: por Empresa CDN cdn.com distribui ficheiros gif usa o seu servidor DNS oficial para redirecionar os pedidos

48 Aplicações Interactivas e Distribuição de Multimédia - Revisão Multimédia em redes Aplicações Multimédia em Redes Fluxos contínuos (Streams) de áudio e vídeo armazenados Multimédia em Tempo Real: estudo do Telefone sobre a Internet Protocolos para Aplicações Interactivas e Distribuição de Multimédia Protocolos para Aplicações Interactivas de Tempo Real: RTP,RTCP,SIP Distribuição de Multimédia: redes de distribuição de conteúdos Qualidade de Serviço Para além do Melhor Esforço Mecanismos de Escalonamento e Policiamento Serviços Integrados e Serviços Diferenciados RSVP 48 Multimédia e QoS Real Real Time Protocol (RTP) RTP RTP e QoS QoS Cabeçalho RTP RTP Real-Time Control Protocol (RTCP) Endereçamento e Sincronização de de Fluxos Fluxos Escalonamento da da Largura de de Banda Banda Session Innitiation Protocol Serviços SIP SIP Estabelecimento de de uma uma chamada Mensagem SIP SIP Tradução de de Nome Nome e Localização do do Utilizador Registo e Proxy Proxy SIP SIP SIP SIP vs vs H.323 Redes de Distribuição de Redes de Distribuição de Departamento Conteúdos de Engenharia Informática Conteúdos

49 Melhorar a Qualidade de Serviço (QoS) em Redes IP Até o momento: extraímos o máximo do melhor-esforço Futuro: próxima geração da Internet com garantias de QoS RSVP: sinalização para reservas de recursos Serviços Diferenciados: garantias diferenciadas Serviços Integrados: garantias firmes Modelo simples para estudar a partilha da ligação e congestionamento: 49 Multimédia e QoS

50 Princípios para a Garantia da QoS Princípio 1 É preciso marcar os pacotes para que o router faça uma distinção entre as classes diferentes; e uma nova política no router para tratar os pacotes de forma diferenciada Exemplo: Telefone IP de 1Mbps, FTP a partilhar ligação de 1,5 Mbps Surtos de FTP podem congestionar o router e causar a perda de pacotes de áudio Desejável dar prioridade ao tráfego de áudio sobre o de FTP Princípio 2 - Isolamento Fornecer proteção (isolamento) de uma classe sobre as demais E se as aplicações se comportarem mal (áudio envia pacotes a uma taxa mais elevada do que a declarada)? Policiamento: força que as fontes respeitem as alocações Marcação e policiamento na fronteira da rede semelhante à UNI (User Network Interface) do ATM 50 Multimédia e QoS

51 Princípios para a Garantia da QoS (cont.) Princípio 3 - Eficiência Enquanto fornece isolamento, é desejável utilizar os recursos da forma mais eficiente possível alocar uma largura de banda fixa (não-partilhada) para o fluxo: uso ineficiente da banda se os fluxos não usarem suas alocações Princípio 4 - Admissão de Chamadas O fluxo da aplicação declara as suas necessidades, a rede pode bloquear a chamada se não puder atender a estas não é possível atender a tráfego superior à capacidade da ligação 51 Multimédia e QoS

52 Resumo dos Princípios de QoS QOS para Aplicações em Rede classificação dos pacotes isolamento: programação e policiamento Alta eficiência de utilização Admissão de chamadas 52 Multimédia e QoS

53 Mecanismos de Escalonamento Escalonamento (scheduling): escolha do próximo pacote p/ transmissão no canal (1) FIFO (first in first out) Router transmite na ordem de chegada à fila chegadas partidas política para descartar: se os pacotes ao chegarem encontrarem a fila cheia: quem deve ser descartado? Fila de saida ligação Descarta o último (cauda): descarta o pacote que acabou de chegar (área de espera) (servidor) Prioridade: descarta/remove baseado na prioridade Aleatório: descarta/remove aleatoriamente (2) Escalonamento Round Robin (circular) várias classes varre as filas das classes transmitindo um pacote de cada classe cuja fila não estiver vazia chegadas pacote em serviço partidas tempo tempo 53 Multimédia e QoS

54 Disciplinas de Escalonamento (cont.) (3) Escalonamento com Prioridades transmite pacote em fila com prioridade mais elevada várias classes, com diferentes prioridades classe pode depender da marcação ou outra informação do cabeçalho (e.g. IP origem/destino, números de portos, etc) chegadas classificação fila de alta prioridade (área de espera) fila de baixa prioridade (área de espera) partidas ligação (servidor) chegadas pacotes no servidor partidas tempo tempo (4) Weighted Fair Queuing (WFQ) - Fila justa ponderada Round Robin generalizado cada classe recebe um tempo de serviço diferenciado em cada ciclo 54 Multimédia e QoS enlace classificador partidas de chegadas

55 Mecanismos de Policiamento Objectivo: limitar tráfego para este não exceder parâmetros declarados Três critérios normalmente usados: Taxa Média (de Longo prazo): quantos pacotes podem ser enviados por unidade de tempo (no longo prazo) questão crucial: qual é o comprimento do intervalo: 100 pacotes por seg ou 6000 pacotes por min? têm a mesma média! Taxa de Pico: e.g., 6000 pacotes por minuto (ppm) em média e taxa de pico de 1500 pps Comprimento (Máx.) do Surto: número máximo de pacotes enviados consecutivamente - sem intervalo ocioso ( idle ) 55 Multimédia e QoS

56 Mecanismos de Policiamento Token Bucket (Balde de Permissões) limita a entrada para Tamanho do Surto e Taxa Média especificadas balde pode guardar b permissões tokens são gerados a uma taxa de r tokens/seg a menos que o balde esteja cheio num intervalo de comprimento t: número de pacotes admitidos é menor ou igual a (r t + b). Combinação de token bucket, WFQ Limite superior garantido no atraso, i.e., garantia de QoS! tráfego de chegada taxa do token, r tamanho do balde, b D = b/r max 56 Multimédia e QoS WFQ

57 Serviços Integrados do IETF Uma arquitectura para dar garantias de QoS em redes IP para sessões individuais de aplicações Reserva de recursos: routers devem manter informação de estado, manter registos dos recursos alocados, requisitos de QoS Admissão de Chamadas Admitir/rejeitar novos pedidos de chamadas. A sessão entrante deve: R-spec e T-Spec [RFC 2210, RFC 2215] declarar os seus requisitos de Qualidade de Serviço (QoS) R-spec: define a QoS que está a ser solicitada caracterizar o tráfego que injectará na rede T-spec: define as características do tráfego protocolo de sinalização: necessário para levar a R-spec e T-spec aos routers (onde a reserva é necessária) RSVP 57 Multimédia e QoS

58 Intserv: cenário de Garantia de QoS Reserva de recursos Declaração de tráfego e QoS Sinalização (RSVP) para estabelecimento da chamada Controlo de admissão por-elemento escalonamento sensível a QoS (ex., WFQ) pedido/ resposta 58 Multimédia e QoS

59 Intserv QoS: Modelos de Serviço [RFC 2211, RFC 2212] Serviço Garantido chegada de tráfego no pior caso: fonte policiada por um balde furado de tokens (tocken bucket) limite simples (provável matematicamente) para o atraso Serviço de Carga controlada uma qualidade de serviço que muito se aproxima da QoS que o mesmo fluxo receberia de um elemento de rede em carga leve tráfego de chegada taxa do token, r tamanho do balde, b D = b/r max WFQ 59 Multimédia e QoS

60 Serviços Diferenciados do IETF Preocupações com o Intserv Escalabilidade: sinalização, manutenção do estado do router por fluxo é difícil para um grande número de fluxos Modelos de Serviço Flexíveis: Intserv tem apenas duas classes. Também é desejável ter classes de serviço qualitativas distinção relativa entre serviços: Ouro, Prata, Classic Abordagem Diffserv funções simples no núcleo da rede, funções relativamente complexas nos routers de fronteira (ou nos hosts) Não define classes de serviço, fornece componentes funcionais para construir as classes de serviço 60 Multimédia e QoS

61 r marcação Arquitectura Diffserv b Router de fronteira gestão do tráfego por-fluxo marca os pacotes como dentro do perfil e fora do perfil Router do Núcleo gestão do tráfego por classe armazenamento e escalonamento baseado na marcação dos routers de fronteira Preferência para os pacotes dentro do perfil Encaminhamento assegurado Escalonamento. 61 Multimédia e QoS

62 Marcação de Pacotes no Router de Fronteira perfil: taxa A, comprimento do balde B pré-negociados [RFC 2475] marcação de pacotes na fronteira baseada no perfil por-fluxo Taxa A B Pacotes do Utilizador Possível uso da marcação marcação baseada em classes: pacotes de classes diferentes são marcados de forma diferente Marcação dentro da mesma classe: porção do fluxo bem comportado marcado de forma diferençiada da porção do fluxo mal comportado 62 Multimédia e QoS

63 Classificação e Condicionamento O Pacote pode vir marcado no campo de Tipo de Serviço (TOS) no IPv4 e Classe de Tráfego no IPv6 São usados 6 bits para fornecer a codificação dos Serviços Diferenciados e determinar a PHB que o pacote receberá Pode ser desejável limitar a taxa de injecção de tráfego para alguma classe o utilizador declara o seu perfil de tráfego (e.g. taxa e comprimento das rajadas); o tráfego é medido e moldado se não estiver de acordo com o seu perfil Classificador pacotes medidor marcador ajuste corte enviar descartar 63 Multimédia e QoS

64 Per Hope Behavior- PHB: Encaminhamento PHB resulta num comportamento de desempenho de encaminhamento diferente observável (mensurável) O PHB não especifica quais os mecanismos a serem usados p/ garantir o comportamento de desempenho PHB requisitado Exemplo classe A recebe x% da taxa de transmissão da ligação de saída dentro de intervalos de tempo de comprimento especificado pacotes da classe A deixam os buffers antes dos da classe B 64 Multimédia e QoS PHBs Expedited Forwarding (Encaminhamento Expresso): taxa de partida dos pacotes de uma classe é maior ou igual a uma taxa especificada nível lógico com uma taxa mínima garantida Assured Forwarding (Encaminhamento Assegurado): 4 classes de tráfego a cada uma é garantida uma quantidade mínima de largura de banda cada uma com três partições de preferência para o descarte

65 Sinalização na Internet connectionless (stateless) forwarding by IP routers best effort service + = no network signaling protocols in initial IP design Novo requirimento: reservar recursos ao longo do caminho extremoa-extremo (sistemas terminais, routers) para QoS para aplicações multimedia RSVP: resource ReSerVation Protocol [RFC 2205] allow users to communicate requirements to network in robust and efficient way. i.e., sinalização! 65 Multimédia e QoS

66 RSVP Design Goals Acomodar receptores heterogeneos (largura de banda diferente ao longo dos caminhos) Acomodar aplicações diferentes com requirimentos de recursos diferentes Fazer do multicast um serviço de 1ª classe Alavancar o encaminhamento existente para multicast/unicast, com adaptação às mudanças nos caminhos unicast/multicast por baixo Crescimento do overhead do protocolo de controlo linear no # receptores no pior caso Desenho modular para tecnologias heterogeneas Reserva de recursos iniciada e mantida por receptor do fluxo de dados RSVP - o que não faz Não especifa como os recursos deverão ser reservados Fornece um mecanismo para comunicar necessidades Não determina caminhos que pacotes deverão seguir Isso é a função dos protocolos de encaminhamento Não interage com o reencaminhamento dos pacotes Separação do plano de controlo (Sinalização) do plano de dados (Encaminhamento) 66 Multimédia e QoS

67 RSVP: Operação emissores, receptor juntam-se a um grupo multicast Externo ao RSVP Emissores não precisam de juntar-se ao grupo Sinalização emissor-para-a-rede path message: faz a presença do emissor ser conhecida aos nós de encaminhamento (routers) path teardown: remove o estado do caminho do emissor dos routers Sinalização receptor-para-a-rede reservation message: reserva recursos do emissor(s) para o receptor reservation teardown: remove reserva de recursos do receptor Sinalização rede-para-sistema-terminal Erro de caminho: path error Erro na reserva: reservation error 67 Multimédia e QoS