SISTEMAS MULTIMÍDIA Capítulo 4 Redes IP e o Transporte de Dados Multimídia Prof. Claudinei Dias
Ementa Cap. 4 4. Redes IP e o Transporte de Dados Multimídia A arquitetura Internet; Protocolo IP e a multimídia; Requisitos para protocolos de transporte; Protocolo TCP; Protocolo UDP. 2/44
Arquitetura TCP/IP Modelo OSI 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace Nível de Aplicação Oferece ao usuário acesso aos serviços da internet Web (HTML/HTTP) Correio Eletrônico (SMTP/POP) Conexão Remota (Telnet) Transferência de arquivos (FTP) Real-Time Transport Protocol (RTP) Multimedia Messaging Service (MMS) 1. Física 3/44
Arquitetura TCP/IP Modelo OSI 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace Nível de Transporte Transmission Control Protocol (TCP) Multiplexação e Demultiplexação (Portas) Fornece comunicação confiável Sequenciamento de Pacotes Controle de fluxo e congestionamento User Datagram Protocol (UDP) Multiplexação e Demultiplexação (Portas) Serviço sem confiabilidade 1. Física 4/44
Arquitetura TCP/IP Modelo OSI 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física Nível de Rede Internet Protocol (IP) Serviço de comunicação sem conexão, baseado em comutação de pacotes Mecanismo de roteamento de mensagens Encaminha os datagramas do nó fonte para o nó destino Utiliza protocolos de roteamento que atualizam as tabelas de roteamento nos nós intermediários (roteadores) 5/44
Arquitetura TCP/IP Modelo OSI 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física Nível de Enlace e Físico Não são definidos padrões específicos na arquitetura da internet Objetivo é acomodar diversos tipos de redes existentes Possibilidade de usar padrões de redes locais ou protocolos personalizados 6/44
Protocolo IP e Multimídia IPv4 Amplamente usado nas redes atuais Endereços de rede de 32-bits IPv4 Multicast IPv6 Extensão do IPv4 para suportar multicast Evolução do IPv4, introduz novas características Endereços de rede de 128-bits Vídeo Warriors Of The Net - http://www.youtube.com/watch?v=tfkvfwfc2nk&feature=related 7/44
Protocolo IP e Multimídia Protocolo IP oferece serviço de melhor esforço Problema? Não garante vazão, atraso, variação de atraso e taxa de perda de pacotes Não garante qualidade de apresentação de áudio e vídeo No caso de sobrecarga da rede, pacotes podem ser descartados Geralmente ocorre nas filas dos roteadores 8/44
IP Multicast Suportado no IPv4 (extensão) Permite o envio de datagramas IP para um conjunto de máquinas Grupo multicast é identificado por um endereço IP Existe uma distinção dos pacotes unicast e multicast Roteador distingue os tipos de pacotes olhando no formato do endereço de destino Pacotes Multicast: 4 primeiros bits do endereço IP tem o valor 1110 (classe D), demais bits identificam o grupo multicast 9/44
IPv6 Proposto em 1992 pelo Internet Engineering Task Force Motivação: espaço de endereçamento disponível no IPv4 terminaria no início do século 21 Projetado para melhorar o IPv4 Aumento do espaço de endereçamento Autenticação Criptografia Extensões para fluxos de dados multimídia Compatibilidade com o IPv4 Uma das metas principais do projeto IPv6 Hosts e roteadores IPv6 são capazes de co-existir com hosts IPv4 Migração gradativa 10/44
IPv6 - Características IPv6 se baseia nos principais paradigmas do IPv4 Sem conexão, sem controle de erro e de fluxo na camada de rede Oferece serviço de melhor esforço Suporte a bilhões de hosts Expansão do espaço de endereçamento (128 bits) Mais níveis de hierarquia 11/44
IPv6 - Características Permissão de multicast Campo scope no endereçamento limita o seus domínio de validade Redução da tabela de roteamento e melhoria no roteamento Inclusão de hosts móveis Extensibilidade através do uso dos cabeçalhos de extensão 12/44
IPv6 - Características Identificação dos pacotes de um mesmo fluxo (campo flow) Fluxo é uma sequencia de pacotes enviados por um host para um endereço unicast ou multicast Todos os roteadores podem identificar os pacotes de um fluxo e tratá-los de modo específico Exemplo: priorizar pacotes de áudio sobre pacotes de transferência de arquivos 13/44
IPv6 Novas Características Simplificação do cabeçalho do protocolo Diminuição do tempo de processamento na análise dos cabeçalhos Garantia de mais segurança Autenticação e criptografia Recursos para mobilidade em redes IP Operação plug and play Habilidade dos nós se auto configurarem ao serem ligados na rede Novo tipo de endereço: anycast Identifica um grupo de nós O pacote enviado será entregue a um destes nós do grupo 14/44
Requisitos para Protocolos de Transporte Multimídia Quais são os requisitos básicos para um protocolo de transporte, visando Sistemas Multimídia? Abstrair as funções e serviços oferecidos pelos níveis de enlace e físico Alta vazão Suporte multicast 15/44
Requisitos para Protocolos de Transporte Multimídia Alta Vazão Dados multimídia necessitam de grande largura de banda Vídeo de qualidade compactado necessita de 1,4 à 8 Mbps (ou mais) Requisitos de vazão do ponto de vista da aplicação? Todos os dados passam pela pilha de transporte. Qual(is) seria(m) o(s) requisito(s)? Protocolo de transporte deve ser rápido o suficiente para suportar os requisitos de grande largura de banda Aplicações podem envolver vários fluxos de dado. Qual(is) seria(m) o(s) requisito(s)? Velocidade do protocolo de transporte deve ser maior que a largura de banda agregada dos fluxos 16/44
Requisitos para Protocolos de Transporte Multimídia Alta Vazão Requisitos do ponto de vista do sistema de comunicação? Vazão de um protocolo de transporte deve ser maior ou próxima a velocidade de acesso a rede Senão a largura de banda fornecida pelos pontos de acesso a rede não poderiam ser inteiramente usados Protocolo de transporte seria o gargalo no sistema de comunicação 17/44
Requisitos para Protocolos de Transporte Multimídia Multicast Muitas aplicações multimídia exigem multicast Sistema de transporte deve fornecer capacidades multicast Multicast é implementado na camada de rede Muitos sistemas de transporte multimídia usam o algoritmo IP multicast Ou assumem a existência de certos algoritmos de roteamento multicast 18/44
Protocolo TCP Projetado para comunicação de dados confiável em redes de baixa largura de banda e altas taxas de erro Problema? Não é otimizado para operações de alta velocidade Não fornece suporte a multicast Não atende todos os requisitos para comunicações de vários tipos de aplicações multimídia TCP possui aspectos indesejáveis para multimídia. Quais? Controle de erro Controle de fluxo e de congestionamento Não suporte a multicast 19/44
Protocolo TCP: Controle de Erro Porta Origem Porta Destino Número da Seqüencia Número do Acknowledge Tam.Cab. Res. Code Bits Janela Checksum Opções Urgência Padding Dados... 20/44
Protocolo TCP: Controle de Erro Quando um nó transmite um segmento, ele: Coloca uma cópia do segmento em uma fila de retransmissão e dispara um temporizador Caso o reconhecimento do segmento é recebido, o segmento é retirado desta fila Caso o reconhecimento não ocorra antes do temporizador expirar, o segmento é retransmitido 21/44
timeout Cenários de Retransmissão Host A Ack Perdido Host B X Perda 22/44
Seq=100 timeout Seq=92 timeout Cenários de Retransmissão Host A Timeout prematuro, Ack acumulativo Host B 23/44
Controle de Erro e Multimídia Retransmissão não é ideal para várias aplicações multimídia Porque? Protocolo fica complicado e lento Implementação de estratégias de retransmissão necessitam de temporizadores e buffers maiores Retransmissão causa atrasos para os dados subsequentes Mais dados sem utilidade no receptor Dados multimídia toleram alguns erros ou perdas Aplicável somente em aplicações baseadas em servidor para aumentar a qualidade Requer tempos de bufferização maiores 24/44
Controle de Erro e Multimídia Em várias aplicações multimídia somente a detecção de erros é suficiente Quando acontecer um erro, a aplicação deveria ser notificada Aplicação decide se a retransmissão é necessária Retransmissão Seletiva: pacotes perdidos são retransmitidos Alternativa: usar codificação Forward Error Correction (FEC) Não necessita de retransmissão quando erros são detectados Envio de informações extras para permitir a correção de erros no receptor Problema? Consumo adicional de banda 25/44
Recuperação de Perdas de Pacotes Paridade bidimensional Paridade tanto da linha como da coluna Erro em um único bit pode ser corrigido 101011 111100 011101 001010 Sem erros 101011 110100 011101 001010 Correção do erro de bit 26/44
Recuperação de Perdas de Pacotes Intercalar fluxos de alta e baixa qualidade Vantagem? Na perda de pacotes, a informação de baixa qualidade é apresentada Desvantagem? Mau uso da largura de banda Perdas em rajada não são bem tratadas Como resolver esses problema? 27/44
Entrelaçamento de Pacotes Não tem redundância, mas causa atraso na apresentação Exemplo: dividir audio de 20 ms em pacotes de 5 ms, e entrelaçados 28/44
Entrelaçamento Vantagem? Reduz perda em rajada 29/44
Protocolo TCP: Controle de Fluxo Porta Origem Porta Destino Número da Seqüencia Número do Acknowledge Tam.Cab. Res. Code Bits Janela Checksum Opções Urgência Padding Dados... 30/44
Protocolo TCP: Controle de Fluxo Mecanismo usado pelo receptor para determinar o volume de dados que o transmissor envia Janela deslizante Receptor envia, junto com o acknowledge, o número de bytes que ele ainda pode receber Considera-se o último pacote recebido com sucesso 31/44
Protocolo TCP: Controle de Fluxo Tamanho típico da janela é 64 Kb Muito grande para redes lentas Rede de 64 Kbps leva 8s para transmitir 64kbytes Atraso de ida-e-volta normal é muito menor que 8s Transmissor receberá um reconhecimento antes de acabar o envio dos bits de uma janela Muito pequeno para rede rápidas Transmissor aguardará muito para receber a permissão de transmissão Largura de banda não é inteiramente utilizada Transmissor enviará 64 Kbytes em 50 ms na velocidade de 10 Mbps Em WAN o atraso ida-e-volta é normalmente muito maior que 50 ms 32/44
Protocolo TCP: Controle de Congestionamento Excessivo número de fontes enviando uma grande quantidade de dados mais rápido do que a rede pode manipular Conseqüências? Pacotes perdidos (overflow dos buffers nos roteadores) Grandes atrasos (enfileiramento nos buffers dos roteadores) Um grande problema de rede! 33/44
Protocolo TCP: Controle de Congestionamento Host A Algoritmo de Partida Lenta Host B Incremento exponencial no tamanho da janela Janela aumenta enquanto não houver perda ou o treshold for alcançado Perda = timeout ou 3 ACKs duplicados 34/44
Protocolo TCP: Controle de Congestionamento Fase de prevenção de congestionamento Inicia quando o tamanho da janela ultrapassa o threshold A partir daí, a janela cresce linearmente Na ocorrência de um timeout Valor do threshold é modificado para a metade do valor da janela de congestionamento atual Janela de congestionamento atual = número de segmentos permitidos para transmitir quando ocorreu a perda Partida lenta é reiniciada 35/44
Prevenção de Congestionamento 36/44
Protocolo TCP e Multimídia Controle de erros e retransmissão Não é interessante para várias aplicações multimídia Controle de congestionamento e de fluxo Requer que a aplicação se adapte a situação da rede Também não é interessante para várias aplicações multimídia Requer que a rede suporte a taxa de apresentação (+sobrecargas do protocolo) Multicasting Não suportado 37/44
Protocolo UDP Não oferece meios que permitam uma transferência confiável de dados Não tem controle da taxa de transmissão entre os nós Não implementa mecanismos de reconhecimento, de seqüencialização, nem de controle de fluxo das mensagens 38/44
Protocolo UDP Datagramas podem ser perdidos, duplicados, ou entregues fora de ordem ao sistema de destino Aplicação assume toda a responsabilidade pelo controle de erros Serve para transportar uma mensagem de uma estação para outra, utilizando o IP para enviar e receber estes datagramas 39/44
Protocolo UDP É um protocolo simples Latência menor Usa mais eficientemente a banda da rede Cabeçalho por segmento é menor Sem controle de congestionamento e de fluxo: permite usar a banda de maneira mais eficiente Pode provocar taxa de perdas altas e perdas Muito usado para aplicações multimídia de streaming Tolerantes a perda Sensíveis a taxa Transferência confiável sobre UDP Adicionar confiabilidade na camada de aplicação Recobrimento de erro específico de aplicação 40/44
Protocolo UDP e Multimídia Serviço orientado datagrama simples sem confiabilidade Melhor para aplicações multimídia (nem todas!) Aplicações podem rodar no topo do UDP com funções adicionais integradas nas aplicações Delegando-se às estações o recobrimento das dificuldades que a rede tem quanto a garantias de serviço Técnicas de bufferização Protocolos de transporte melhores adaptados (RTP) 41/44
Protocolos Application Level Framing (ALF) Inclusão de estratégias de controle de fluxo ou retransmissão na aplicação Para suportar a interoperabilidade Protocolos ALF são definidos pela especificação dos formatos da unidade de dados de protocolo Protocolos ALF não definem algoritmos para controle de fluxo e retransmissão Estes são baseados nos requisitos das aplicações RTP é um bom exemplo de projeto de protocolo baseado no ALF 42/44
Bibliografia WILLRICH, R. Sistemas Multimídia Distribuídos. Apostila do curso de Especialização em Redes de Computadores, UFSC, agosto, 2004. KERLOW, I. V. Art of 3D computer animation and effects, The - 4th ed / c2009 VELHO, L. Anais do SIBGRPI 96 : IX Simpósio Brasileiro de Computação Gráfica e Processamento de Imagens - 1 ed. / 1996 AGNEW, P. W.; KELLERMAN, A. S. Distributed Multimedia: Technologies, Applications, and Opportunities in the Digital Information Industry. A Guide for Users and Providers. Addison Wesley, 1996. ENGLAND, E.; FINNEY, A.; FINNEY, A. Managing Multimedia. Addison Wesley, 1996. GIBSON, J. D.; BERGER, T.; LINDBERGH, D. Digital Compression for Multimedia: Principles and Standards. Morgan Koufman, 1998. FLUCKIGER, F. Understanding Networked Multimedia: applications and technology. Prentice Hall, 1995. STEINMETZ, R, NAHRSTEDT, R. Multimedia: computing, communications & applications. Prentice Hall, 1995. 43/44
SISTEMAS MULTIMÍDIA Capítulo 4 Redes IP e o Transporte de Dados Multimídia Prof. Claudinei Dias