Tópicos em Sistemas de

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1 Tópicos em Sistemas de Computação Adriano Mauro Cansian Protocolos Multimídia (Parte 2)

2 RTP Real-Time Protocol

3 Real-Time Protocol (RTP) RTP especifica uma estrutura de pacotes que transportam dados de áudio e vídeo: RFC Pacote RTP oferece: Identificação do tipo de carga. Numeração da seqüência de pacotes. Marcas de tempo. RTP roda nos sistemas terminais. Os pacotes RTP são encapsulados em segmentos UDP. Interoperabilidade: se duas aplicações de telefonia IP usam RTP, então elas podem ser capazes de trabalhar juntas.

4 RTP roda sobre UDP As bibliotecas do RTP fornecem uma interface de camada de transporte, que estendem o UDP: Número de portas, endereços IP. Verificação de erros dentro dos segmentos. Identificação do tipo de carga. Numeração da seqüência de pacotes. Marcas de tempo. Aplicação camada de transporte Enlace Física

5 RTP: Exemplo C id i 64 kb O cabeçalho RTP indica o tipo de codificação de áudio em cada pacote. Considere enviar 64 kbps de voz codificada em PCM sobre RTP. A aplicação reúne dados codificados em blocos, por exemplo, a cada 20 ms = 160 bytes por bloco. O bloco de áudio, junto com o cabeçalho RTP forma o pacote RTP, que é encapsulado num segmento UDP. Pois os transmissores podem mudar a codificação durante a conferência. O cabeçalho RTP também contém números de seqüência e marcas de tempo.

6 RTP não fornece QoS RTP não fornece nenhum mecanismo para assegurar a entrega dos pacotes no tempo correto, nem fornece outras garantias de qualidade de serviço. O encapsulamento RTP é visto apenas nos sistemas finais: ele não é percebido pelos roteadores intermediários. Roteadores fornecem o serviço de melhor-esforço tradicional da Internet. Eles não fazem nenhum esforço especial para assegurar que os pacotes RTP cheguem no destino no momento correto. A fim de fornecer QoS para uma aplicação, a Internet deve prover um mecanismo, tal como o RSVP,,para que a aplicação possa reservar recursos da rede. Será discutido mais adiante

7 Fluxos RTP (1) RTP permite atribuir i a cada fonte o seu próprio fluxo de pacotes RTP independente. Por exemplo, uma câmera ou um microfone. Para uma videoconferência entre 2 participantes, 4 fluxos RTP poderiam ser abertos: Dois fluxos para transmitir o áudio. Dois fluxos para o vídeo. Um deles em cada direção.

8 Fluxos RTP (2) Contudo, algumas técnicas de codificação populares, incluindo MPEG1 e MPEG2, reúnem o áudio e o vídeo num único fluxo durante o processo de codificação. Quando o áudio e o vídeo são reunidos pelo codificador, então apenas um fluxo RTP é gerado, em cada direção.

9 Header RTP (1) unesp - IBILCE - SJRP Tipo de Carga Número de Seqüência Marca de tempo Identificador sincronismo fonte campos de miscelânias Cabeçalho RTP (desenho do header não está em escala) Tipo de Carga (7 bits): Usado para indicar o tipo de codificação que está sendo usado no momento. Se um transmissor muda o tipo de codificação durante uma conferência, o transmissor informa o receptor através deste campo de 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, MPEG2 video Número de Seqüência (16 bits): O número de seqüência é incrementado de um a cada pacote RTP enviado. Pode ser usado para detectar perdas de pacotes, e para recuperar a seqüência de pacotes.

10 Header RTP (2) (desenho do header não está em escala) Tipo de Carga Número de Identificador campos de Marca de tempo Seqüência sincronismo fonte miscelânias Cabeçalho RTP Campo de marca de tempo (32 bits). Reflete o instante de amostragem do primeiro byte no pacote de dados RTP. O receptor pode usar esta marca de tempo para remover o jitter do pacote, e para obter o sincronismo de reprodução. Campo SSRC (identificador de sincronismo fonte) (32 bits). Identifica a fonte do fluxo RTP. Cada fluxo numa sessão RTP deve ter um SSRC distinto.

11 Header RTP (3) A marca de tempo é derivada do relógio de amostragem no transmissor. Para áudio: o relógio de marca de tempo incrementa de 1 a cada intervalo de amostragem age Por exemplo: incrementa de 1 a cada 125 µs para uma taxa de amostragem de 8 KHz 1 / 8000 (1/s) = 125 µs Se a aplicação de áudio gera blocos contendo 160 amostras codificadas, então a marca de tempo do RTP aumenta de 160 para cada pacote RTP quando a fonte está ativa. O relógio de marca de tempo continua a aumentar numa taxa constante, mesmo quando a fonte está inativa. Tipo de Carga Número de Seqüência Marca de tempo Identificador sincronismo fonte campos de miscelânias Cabeçalho RTP

12 RTCP Real-Time Control Protocol

13 Real-Time Control Protocol (RTCP) Atua em conjunto com o RTP. Cada participante de uma sessão RTP transmite, periodicamente, pacotes de controle RTCP para todos os outros participantes. Cada pacote RTCP contém relatórios do transmissor e/ou do receptor, que são úteis para a aplicação. As estatísticas incluem o número de pacotes enviados, número de pacotes perdidos, variação de atraso entre chegadas, dentre outras informações.

14 Real-Time Control Protocol (RTCP) Informação de realimentação (feedback) para a aplicação. Pode ser usada para controle do desempenho, e para fins de diagnósticos. Por exemplo, o transmissor pode alterar suas transmissões a partir destas informações de realimentação.

15 Tipos de pacotes RTCP Pacotes de relatório do receptor: % de pacotes perdidos; Último número de seqüência; Variância média do atraso entre chegadas. Pacotes de relatório do transmissor: SSRC do fluxo RTP; Tempo corrente; Número de pacotes enviados; Número de bytes enviados. Pacotes de descrição da fonte: Endereço de do transmissor; Nome do transmissor; SSRC do fluxo RTP associado. Estes pacotes fornecem um mapeamento entre o SSRC e o nome do usuário ou do host.

16 Sincronização de Fluxos (1) ORTCP pode ser usado para sincronizar i diferentes fluxos de mídia numa sessão RTP. Por exemplo: Considere uma aplicação de videoconferência para a qual cada transmissor gera um fluxo RTP para áudio, e um para vídeo. As marcas de tempo nestes pacotes são vinculadas aos relógios (clocks) de amostragem de vídeo e de áudio, mas não são vinculadas a um relógio de tempo real (isto é, a um relógio físico real).

17 Sincronização de Fluxos (2) Cada pacote sender-report d RTCP contém, para o último pacote gerado no fluxo RTP associado: A marca de tempo do pacote RTP e O instante de tempo real no qual o pacote foi criado. Desta forma o pacote RTCP sender-report associa o relógio de amostragem com o relógio de tempo real. Receptores podem usar esta associação para sincronizar a reprodução de áudio e de vídeo.

18 Controle de Banda do RTCP (1) ORTCP procura limitar it seu tráfego a 5% da banda passante da sessão. Por exemplo: suponha que existe um transmissor enviando vídeo com uma taxa de 2 Mbps (2000 Kbps). ) Então o RTCP procura limitar seu tráfego total em 100 Kbps. O protocolo oferece 75% desta taxa, para os receptores (no exemplo:75 kbps) Oferece os 25% restantes da taxa para o transmissor (no exemplo: 25 kbps).

19 Controle de Banda do RTCP (2) Os 75 % dedicados di d aos receptores são divididos idid de forma igual entre todos eles. Assim, no nosso exemplo: Se existem R receptores, cada receptor consegue enviar tráfego RTCP a uma taxa de 75/R kbps O transmissor envia tráfego RTCP a uma taxa de 25 kbps. Cada participante p (transmissor ou receptor) determina o período de transmissão de pacotes RTCP dinamicamente calculando o tamanho médio do pacote (durante toda a sessão), e dividindo o tamanho médio do pacote RTCP pela sua taxa alocada.

20 Protocolos de Voice over IP

21 Relacionamento Tradicional Redes de voz e dados d unesp - IBILCE - SJRP

22 Relação entre switches (C4 & C5) unesp - IBILCE - SJRP Transmissão da Voz Transmissão de Sinalização SCP SS7 Network STP Rede ATM Central Class 4 Central Class 4 Cada Canal de Voz = 4000Hz de Banda 4000Hz Digitalizados = 1 PCM = 64kbps = G.711

23 Descrição dos CODECs de voz - Padrões ITU (1) CODECs tipo WAVEFORM (menor delay,, maior banda) G.711 PCM das frequências de voz G.726 ADPCM (Adaptative p Differential PCM) ) CODECS tipo Analysis-by-Synthesis (ABS) (maior delay,, menor banda) G.728 Low-Delay CELP (LD-CELP) G Algebraic Code-Excited d Linear Prediction (ACELP) G.729 Codificador de voz a 8Kbps G.729 Annex A (Reduz complexidade) G.729 Annex B G.729 Annex D G.729 Annex E

24 Descrição dos CODECs de voz - Padrões ITU (2) CODECS WAVEFORM Padrão Banda G Kbps G ,24,32,40Kbps Delay MOS 0.125ms ms 4.2 CODECS CS Analysis-by-Synthesis (ABS) Padrão Banda G Kbps G Kbps G ,6.3Kbps Delay MOS 25ms 2.5ms ms ms 3.5 MOS = (Mean Opinion Score) 5 : profissional 2 : inteligível 1 : problemas de inteligibilidade

25 Descrição dos meios de transmissão Rede de Transporte Predominante em tecnologia ATM 1x DS0 = 1 PCM = 64Kbps = 1 Canal de Voz OC level Signal level Sonet/STS SDH/STMDSO s OC Mbps STS OC Mbps STS-3 STM OC Mbps STS-12 STM OC Gbps STS-48 STM OC Gbps STS-192 STM OC Gbps STS

26 Evolução das aplicações de comunicação

27 O que é VoIP? VoIP = Voice over IP. Transmissão de VOZ através de um meio de transmissão de rede de dados, usando os protocolos do padrão TCP/IP. Porque Usar VoIP? Redução da banda de transmissão (compressão da voz). Melhor utilização da infra-estrutura de transmissão Voz, dados e imagem. Menor custo de Equipamentos e Infra-estrutura. Integração de Aplicações de dados e voz. Configuração Simplificada da Rede de Transmissão. Menores custos de Transmissão (geralmente usam DWDM) )

28 Modelo de telefonia em rede Componentes críticos do sistema de Telefonia em Rede: 1) Protocolos de transmissão da VOZ. 2) Protocolos de sinalização. VOZ Transmissão de Voz Sinalização VOZ REDE de Dados

29 Modelo VoIP - Protocolos de Transmissão RTP/RTCP RTP/RTCP UDP IP Datalink Physical REDE TCP/IP UDP IP Datalink Physical RTP/RTCP: Protocolos de Transmissão em Tempo Real de Dados Operam sobre UDP (não orientado a conexão). CODEC s: G711: 64Kbps / Modem, voz, fax G729A: 9Kbps / Modem, voz, fax G723.1: 5.3Kbps / Modem, voz, fax

30 Modelo VoIP - Protocolos de sinalização H323, SIP MGCP, Megaco TCP / UDP IP Datalink Physical REDE TCP/IP H323, SIP MGCP, Megaco TCP / UDP IP Datalink Physical Protocolos Ponto-a-Ponto: - H.323 -SIP Protocolos de Controle de Gateways (Mestre/Escravo): - MGCP. - H.248 (MEGACO).

31 H.323

32 H.323 Visão geral Terminal H.323 Codificação H. 323 Gatekeeper Gateway Codecs de áudio Codecs de Vídeo

33 Visão Geral do H.323 (1) Base para conferência de áudio e de vídeo, através de redes TCP/IP. Tem como objetivo a comunicação de tempo real (ao invés de sob demanda ) Recomendação guarda-chuva do ITU-T. T Escopo amplo: Equipamentos isolados (telefones IP). Aplicações em PCs (softwares diversos). Conferências ponto-a-ponto e multiponto.

34 Visão Geral do H.323 (2) A especificação H.323 inclui: i Como os equipamentos terminais fazem e recebem chamadas. Como os equipamentos terminais negociam codificações comuns de áudio e vídeo. Como os blocos de áudio e vídeo são encapsulados e enviados para a rede. Como o áudio e o vídeo são sincronizados entre si. Como os equipamentos terminais se comunicam com seus respectivos gatekeepers. Como os telefones IP e os telefones PSTN/ISDN convencionais se comunicam. PSTN = Public Service Telephone Network (é a a rede telefônica convencional comutada, ou sistema legado ). ISDN = Integrated Service Digital Network (telefonia digital ou rede de serviços digitais integrada, disponível em algumas localidades no Brasil).

35 Visão Geral do H.323 (3) Internet MS Netmeeting NetSpeak WebPhone Telefone "Ethernet" Todos os terminais suportando H.323 Chamadas telefônicas. Chamadas de vídeo. Conferências. Quadros brancos Compartilhamento de informações de telas em tempo real.

36 Visão Geral do H.323 (4) Gatekeeper Internet Gateway PSTN H.323 SS7, Inband

37 Visão Geral do H.323 (5) Fluxo de mídia: é transportadot em RTP e controlado por RTCP RTP carrega a mídia. RTCP carrega informações de estado (status) e controle. RTP/RTCP em transporte não confiável, sob UDP. Sinalização: é transportada confiável, sob TCP RAS: Protocolo de registro, admissão e estado. Q.931: Protocolo de call setup (estabelecimento de chamada) e finalização. H.245 : Protocolo de capacidades de troca. Faz o controle fora-da-banda para controlar a mídia entre os terminais H.323.

38 Terminais H.323 devem suportar: G.711 : padrão do ITU para compressão de voz RTP : protocolo para encapsular blocos de dados de mídia em pacotes H.245 : Protocolo de controle fora-dabanda para controlar a mídia entre os terminais H.323. E conforme já mencionado: Q.931: Protocolo de sinalização para estabelecer e encerrar chamadas. RAS : Protocolo Registration / Admission / Status Protocolo de canal - Protocolo para comunicação com o gatekeeper (se um gatekeeper estiver presente)

39 Terminal H.323

40 H.323 é formado pelos seguintes protocolos: (Fonte: protocols com/pbook/h323 htm) DVB Digital Video Broadcasting H.225 Covers narrow-band visual telephone services H.225 Annex G H.235 Security and authentication H.245 Negotiates channel usage and capabilities H Series defines Supplementary Services for H.323 H Call Transfer supplementary service for H.323 H Call diversion supplementary service for H.323 H Call Hold supplementary service H Call Park supplementary service H Call Waiting supplementary service H Message Waiting Indication supplementary service H Calling Party Name Presentation supplementary service H Completion of Calls to Busy Subscribers supplementary service H Call Offer supplementary service H Call Intrusion supplementary service H ANF-CMN supplementary service H.261 Video stream for transport using the real-time transport H.263 Bitstream in the Real-time Transport Protocol Q.931 manages call setup and termination RAS Manages registration, admission, status RTCP RTP Control protocol RTP Real-Time Transport T.38 IP-based fax service maps T.125 Multipoint Communication 2009 Adriano Service Mauro Cansian Protocol (MCS).

41 A arquitetura do H.323 Aplications Audio/Video Terminal / Application Control Codecs Audio/Video RTP RTCP H H H.245 Ras Call Control Signaling Signaling Signaling UDP TCP IP

42 Composição da família de protocolos H.323

43 Codificação H.323 Áudio: Terminais H.323 devem suportar obrigatoriamente o padrão G.711, para compressão de voz e transmissão a 56/64 kbps. H.323 também está considerando exigir a codificação G.723 = G.723.1, que opera a 5.3/6.3 kbps. Protocolos opcionais: G.722, G.728, G.729 Vídeo: Capacidades de vídeo para um terminal H.323 são opcionais. Qualquer terminal H.323 com capacidade de vídeo deve suportar o formato QCIF H.261 (176x144 pixels). O suporte a outros esquemas da recomendação H.261 é opcional: CIF, 4CIF e 16CIF. H.261 é usado com canais de comunicação cuja taxa de transmissão é múltipla de 64 kbps.

44 Gerando fluxo de pacotes de áudio no H.323 Fonte de áudio Codificação: G.711 ou G Encapsulamento de pacote RTP Porta UDP Internet ou Gatekeeper

45 Canal de Controle H.245 Ofl fluxo H.323 pode conter Pi Principais i i tarefas: múltiplos canais para Abrir e fechar canais de diferentes tipos de mídia. mídia. Existe um canal de Troca de informações controle H.245 por sessão de capacidades: H.323 Exemplo: antes de enviar dados os O canal de controle H.245 terminais devem é um canal confiável concordar sobre o (TCP) que transporta t algoritmo de codificação mensagens de controle. Nota: H.245 para conferência multimídia é análogo ao RTSP para mídia contínua armazenada.

46 Fluxos de Informação Canal de Controle de Chamada Canal de sinalização de Chamada Terminal H.323 Canal de Controle de Mídia Terminal H.323 Canal RAS H.323 Gatekeeper Canal a de Mídia 1 Canal de Mídia 2 TCP UDP

47 Gatekeeper (1) O gatekeeper é opcional. term minais H Route r Internet RAS Gatekeeper LAN = Zona Pode oferecer aos terminais: * Tradução de endereços fone para endereços IP. * Gerenciamento de banda-passante: pode limitar o total de banda-passante consumida pelas conferências de tempo real. Opcionalmente, as chamadas H.323 podem ser roteadas através do gatekeeper. Pode ser conveniente para bilhetagem (cobrança). É utilizado protocolo RAS (sobre TCP) para comunicação entre terminal e o gatekeeper.

48 Gatekeeper (2) Terminal H.323 deve registrar-se com o gatekeeper da sua zona. Quando a aplicação H.323 é chamada no terminal, o terminal usa o RAS para enviar seu endereço IP e apelido (alias) do usuário ao gatekeeper. Se o gatekeeper está presente numa zona, cada terminal da zona deve contacta-lo para pedir permissão para realizar uma chamada.

49 Gatekeeper (3) Uma vez que o usuário ái obtém a permissão, o terminal pode enviar ao gatekeeper um endereço de , um nome de referência (alias) ou uma extensão de telefone. O gatekeeper translada o nome de referência num endereço IP. Se necessário, o gatekeeper poderá consultar outros gatekeepers em outras zonas para resolver um endereço IP. O processo varia entre os diferentes fornecedores e fabricantes.

50 Gateway É a ponte entre a zona IP e as redes públicas de telefonia (PSTN ou ISDN). Terminais se comunicam com gateways usando protocolos H.245 e Q.931. PSTN Termi inais H.323 Gateway Router Internet RAS Gatekeeper LAN = Zona

51 Esquema de roteamento e sinalização (Q.931/H.245) unesp - IBILCE - SJRP

52 CODECs de áudio CODEC Bandwidth MOS Complexidade Packetização ç [kbit/s] [MIPS] (tamanho) [ms] G G.721 (ADPCM) GSM G G / MOS (Mean Opinion Score) Qualidade comercial interlocutor reconhecível intelegível problemas de inteleg. MOS (Mean Opinion Score)

53 Codecs de Vídeo H.261 (p x 64 kbit/s) Vídeo sobre ISDN Resoluções : QCIF, CIF H.263 (< 64 kbit/s) Comunicação de baixa taxa de bits. Resoluções: SQCIF, QCIF, CIF,4CIF, 16CIF. SQCIF (128 x 96) QCIF (176 x 144) CIF (352 x 288) 4CIF (704 x 576) 16CIF (1408 x 1152)

54 SIP Session Initiation Protocol

55 Session Initiation Protocol (SIP) Utiliza áudio codecs (G.711, G.723.1, G.729, etc.) para comprimir e descomprimir mídia. Fluxos de mídia transportados em RTP / RTCP RTP carrega fluxo de mídia real. RTCP carrega informações de estado e controle. RTP/RTCP via transporte não confiável em UDP. Sinalização transportada também sobre UDP SIP utiliza mecanismo de mensagens para estabelecimento de sessões. SAP Session Announcement Protocol. SDP Linguagem estruturada para descrição de sessões.

56 A arquitetura do SIP Conference Applications Aplications Audio/Video SDP Codecs Audio/Video RTCP SAP SIP HTTP RTP UDP TCP IP

57 Elementos do SIP (1) UA - User Agent UA Client : cria as chamadas UA Server : aguarda novas chamadas Existem implementações de Hardware e Software Hardware = Chamado de IP phone Software = Chamado de soft(ware) phone IP phone soft(ware) phone

58 Elementos do SIP (2) SIP Proxy Server Chamado de RCS - Relays Call Signaling Atua tanto como cliente e servidor SIP Redirect Server Redireciona as chamadas para outros servidores, caso necessário. ái SIP Registrar Server Aceita requisições de registro dos clientes. Mantém informações dos usuários, relativas a localização física.

59 Arquitetura SIP - Proxy Server SIP Proxy SIP SIP VOZ RTP/RTCP VOZ REDE TCP/IP

60 Funcionalidades distribuídas Extensibilidade: Possibilidade de incorporar diversas aplicações ao sistema de telefonia.

61 Comparação SIP x H.323 (1)

62 Comparação SIP x H.323 (2) (com relação à escalabilidade) H.323: Interação entre múltiplos l subprotocolos o torna muito complexo. Os servidores são statefull saeu nas versões 1 e 2. H.323 V.3 é muito mais complexo. SIP: SIP e SDP são menos complicados. Servidores podem ser stateless.

63 Comparação SIP x H.323 (3) (Facilidade de Implementação) unesp - IBILCE - SJRP H.323 Mensagens H.323 são binárias. São codificadas usando ASN.1 São necessários decodificadores especiais (parsers) para mapear em formato legível. SIP Mensagens são em formato texto (inclusive suportando Unicode). Facilmente implementado em Perl, Tcl, Java, etc Debugging é fácil: tcpdump, ngrep, netcat, etc

64 Sumário comparação SIP x H.323 H.323 Desenvolvimento iniciado há mais tempo. Mensagens mais curtas. Mais complexo. Geralmente custo menor. Muitas opções disponíveis (várias freeware) ) SIP Escalabilidade. Extensibilidade. Menor complexidade. Facilidade de implementação. Customização Controle de chamadas por terceiros.