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Redes de Computadores II
Aplicações Multimídia e Protocolos de Streaming
Profa. Débora Christina Muchaluat Saade
debora@midiacom.uff.br
Departamento de Ciência da Computação - UFF
Redes de Computadores II
Aplicações Multimídia e Protocolos de Streaming
Aplicações Multimídia
• Requisitos
Limitações da Internet Atual
Controle da Apresentação de Mídia Contínua Armazenada
• Procotolo RTSP
Usando o serviço de melhor esforço
• Compensação da variação do retardo
Protocolos de Streaming
• Protocolos RTP e RTCP
Referência:
• Capítulo 6 (Kurose, Redes de Computadores e a Internet)
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Redes de Computadores II
Aplicações interativas em tempo-real
Exemplo:
•
Telefonia IP
Redes de Computadores II
Telefonia Internet sobre melhor-esforço
Serviço de Melhor esforço
Acarreta atraso de pacotes, perdas e variação de retardo (jitter) Exemplo de telefone Internet
As aplicações de telefonia na Internet geram pacotes durante momentos de atividade da voz
• Rajadas de voz alternadas com períodos de silêncio
taxa de bits é 64 kbps nos intervalos de atividade (G.711)
durante os intervalos de atividade a aplicação produz um bloco de 160 bytes a cada 20 ms (8 kbytes/s x 20 ms)
cabeçalho é acrescentado ao bloco; então bloco mais cabeçalho são encapsulados num pacote UDP e enviados
alguns pacotes podem ser perdidos e o retardo de um pacote irá flutuar.
receptor deve determinar quando reproduzir um bloco e
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Telefonia Internet sobre melhor-esforço
perda de pacotes
O segmento UDP é encapsulado num datagrama IP
datagrama pode ser descartado por falta de espaço num roteador
TCP pode eliminar perdas, mas
•
retransmissões aumentam o atraso
•
O controle de congestionamento do TCP limita a taxa de transmissão
Taxas de perda entre 1 e 20% podem ser toleradas
Pacotes redundantes podem ajudar
•
Mecanismos de FEC (forward error control) ajudam a ocultar
as perdas
Redes de Computadores II
Telefonia Internet sobre melhor-esforço
retardo fim-a-fim
acúmulo dos retardos de transmissão, propagação, atrasos nas filas dos roteadores e retardos de processamento nos sistemas finais
mais que 400 ms de retardo fim-a-fim compromete a interatividade; quanto menor o retardo melhor
•
Normalmente o receptor descarta pacotes com retardo maior
que um patamar
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Telefonia Internet sobre melhor-esforço
variação de atraso (jitter)
Retardo nas filas dos roteadores é aleatório
considere dois pacotes consecutivos num intervalo de atividade
Os retardos fim-a-fim desses dois pacotes podem ser diferentes
espaçamento inicial é de 20 ms, mas o espaçamento no receptor pode ser maior ou menor que 20 ms
o jitter pode ser removido:
Precedendo cada bloco com um número de seqüência
• transmissor incrementa esse número para cada novo pacote
Precedendo cada bloco com uma marca de tempo
• transmissor marca cada bloco com o tempo em que foi gerado
Atrasando a reprodução
• O atraso na reprodução deve ser suficiente para que a maioria dos pacotes seja recebida antes do seu tempo de reprodução programado
– Atraso de reprodução fixo ou adaptativo
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Atraso de Reprodução Fixo
Receptor tenta reproduzir cada bloco exatamente q ms depois que o bloco é gerado.
•
Se o bloco tem marca de tempo t, receptor usa o bloco no instante t+q .
•
Se o bloco chega após o instante t+q, receptor o descarta.
Escolha do valor de q:
•
q grande: menos perda de pacotes
•
q pequeno: melhor controle da interatividade
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Atraso de Reprodução Fixo
Transmissor gera pacotes a cada 20 ms durante os intervalos de atividade.
Primeiro pacote é recebido no instante r
Primeira programação de reprodução: começa em p
Segunda programação de reprodução: começa em p
packets
time packets
generated
packets received
loss
r
p p'
playout schedule p - r
playout schedule p' - r pacotes
gerados
pacotes recebidos
perda
progr. reprodução Retardo de (p – r) progr. reprodução
Retardo de (p – r) tempo pacotes
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Atraso de Reprodução Adaptativo
pacote ésimo
- o receber após
rede na
atraso do
estimativa
pacote ésimo
- o para rede
da atraso
receptor no
o reproduzid é
pacote o
qual no
instante
receptor pelo
recebido é
pacote o
qual no
instante
pacote ésimo
do tempo de
marca
i d
i t
r
i p
i r
i t
i i i
i i i
=
=
−
=
=
−
=
• para serviços com interatividade, atrasos fixos longos podem se tornar incômodos ou intoleráveis
• Estima o retardo da rede e ajusta o retardo de reprodução no início de cada intervalo de atividade.
• Intervalos de silêncio são comprimidos e alongados.
• Blocos ainda são gerados a cada 20 ms nos intervalos de atividade.
Estimativa dinâmica do retardo médio no receptor:
) (
) 1
( i 1 i i
i u d u r t
d = − − + −
onde u é uma constante fixa (ex., u = 0,01).
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Redes de Computadores II
É também usual estimar a variância média do atraso, vi :
|
| )
1
(
i 1 i i ii
u v u r t d
v = −
−+ − −
As estimativas de di e vi são calculadas para cada pacote recebido, embora elas sejam usadas apenas no início de um intervalo de atividade.
Para o primeiro pacote de um intervalo de atividade, o instante de reprodução é:
i i
i
i
t d Kv
p = + +
onde K é uma constante positiva. Para este mesmo pacote, o retardo de reprodução é:
i i
i
p t
q = −
Para o pacote j no mesmo intervalo de atividade, o pacote deve ser reproduzido em:
i j
j
t q
p = +
Atraso de Reprodução Adaptativo
Redes de Computadores II
Como saber se um pacote é o primeiro de um intervalo de atividade:
Se nunca houvesse perdas o receptor poderia simplesmente olhar nas marcas de tempo sucessivas.
•
Se a diferença de marcas de tempo sucessivas for maior que 20 ms, então temos o início de um intervalo de atividade.
Mas porque as perdas são possíveis, o receptor deve olhar tanto as marcas de tempo como os números de sequência dos pacotes.
•
Se a diferença de marcas de tempo sucessivas for maior que 20 ms e não há pulos nos números de sequência então tem- se o início de um intervalo de atividade.
Atraso de Reprodução Adaptativo
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Redes de Computadores II
Recuperação de Perdas de Pacotes
Perdas: pacote nunca chega ou chega depois do seu tempo de reprodução programado
Correção por FEC ou intercalamento
Forward error correction (FEC): esquema simples
para cada grupo de n blocos, cria um bloco redundante realizando uma operação OU exclusivo (XOR) entre os n blocos originais
envia os n+1 blocos, aumentando a banda passante por um fator de 1/n.
pode reconstruir os n blocos originais se houver no máximo um bloco perdido nos n+1 blocos enviados
retardo de reprodução precisa ser definido para receber todos os n+1 pacotes
Compromisso:
• aumentar n, menor desperdício de banda
• aumentar n, maior retardo de reprodução
• aumentar n, maior a probabilidade que dois ou mais blocos sejam perdidos
Redes de Computadores II
Operação XOR (n=2)
Transmissão:
1o. Pacote: 1 0 1
2o. Pacote: 1 0 0
Pacote 1 XOR Pacote 2
Pacote FEC: 0 0 1
Recepção:
1o. Pacote: 1 0 1
2o. Pacote: PERDIDO
Pacote FEC: 0 0 1
Corrige o erro:
Pacote 1 XOR Pacote FEC: 1 0 0
2o. Pacote: 1 0 0
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2o. esquema FEC
• enviar um fluxo de menor qualidade como carona
• envia fluxo de aúdio de menor resolução como a informação redundante
• por exemplo, um fluxo PCM nominal a 64 kbps e um fluxo redundante a 13 kbps.
• Transmissor cria pacote tomando o bloco n do fluxo nominal e anexando a ele o bloco (n-1) do fluxo redundante.
Recuperação de Perdas de Pacotes
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Recuperação de Perdas de Pacotes
Fluxo original
Redundância
Perda de Pacote
Fluxo reconstruído
• Sempre que ocorre perda não-consecutiva, o receptor pode esconder a perda.
• Apenas dois pacotes precisam ser recebidos antes do início da reprodução (aumento no retardo de reprodução é pequeno)
• Pode também anexar os blocos (n-1) e (n-2) do fluxo de baixa qualidade
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Intercalamento
blocos são quebrados em unidades menores
por exemplo, 4 blocos de 5 ms cada
intercalar os blocos como mostrado no diagrama
pacote agora contém unidades menores de diferentes blocos
Remontar os blocos no receptor
Se o pacote é perdido, ainda resta mais de cada bloco
Vantagem: não aumenta a largura de banda!!
Recuperação de Perdas de Pacotes
Fluxo original
Fluxo intercalado
Perda de pacote
Fluxo reconstruído
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Recuperação pelo receptor de fluxos de aúdio danificados
produzir um substituto para um pacote perdido que seja similar ao pacote original
pode produzir bons resultados para baixas taxas de perdas (< 15%) e pacotes pequenos (4-40 ms) (fonema dura de 5 a 100ms)
estratégia mais simples: repetição
estratégia mais complexa: interpolação
•
Resultado melhor
•
Mais processamento
Recuperação de Perdas de Pacotes
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Real-Time Protocol (RTP)
RTP especifica uma
estrutura de pacotes que transportam dados de
aúdio e vídeo: RFC 1889.
pacote RTP oferece
•
identificação do tipo de carga
•
numeração da sequência 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
Redes de Computadores II
RTP roda em cima do UDP
As bibliotecas do RTP fornecem uma interface que estende o UDP:
• número de portas, endereços IP
• identificação do tipo de carga
• numeração da sequência de pacotes
• marcas de tempo
Aplicação
Enlace Física camada de
transporte
RTP é um protocolo de aplicação
Alguns autores o colocam como subcamada de transporte
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Redes de Computadores II
RTP: Exemplo
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 aúdio, junto com o cabeçalho RTP forma o pacote RTP, que é encapsulado num
segmento UDP.
O cabeçalho RTP indica o tipo de codificação de
aúdio em cada pacote, os transmissores podem
mudar a codificação
durante a conferência. O
cabeçalho RTP também
contém os números de
sequência e marcas de
tempo.
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RTP e QoS
RTP não fornece nenhum mecanismo para assegurar a entrega dos pacotes e dados 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
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.
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Fluxos RTP
RTP permite atribuir a cada fonte (por exemplo, uma câmera ou um
microfone) o seu próprio fluxo de pacotes RTP
independente.
• Por exemplo, para uma videoconferência entre dois participantes, quatro fluxos RTP poderiam ser abertos:
dois fluxos para transmitir o aúdio (um em cada
direção) e dois fluxos para o vídeo (novamente, um em cada direção).
Contudo, algumas técnicas de codificação, p.e. MPEG1 e MPEG2, reúnem o aúdio e o
vídeo num único fluxo durante o processo de codificação. Quando o aúdio e o vídeo são reunidos pelo codificador, então apenas um fluxo RTP é gerado em cada direção.
Para uma sessão multicast do
tipo muitos-para-muitos, todos os transmissores e receptores
tipicamente enviam seus fluxos RTP na mesma árvore de
multicast com o mesmo endereço de multicast.
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Cabeçalho RTP
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 7, LPC, 2.4 Kbps
• Tipo de carga 9, G.722, 48-64 Kbps
• Tipo de carga 14, MPEG1 áudio
• Tipo de carga 26, Motion JPEG
• Tipo de carga 31. H.261
• Tipo de carga 32, MPEG1 vídeo
• Tipo de carga 33, MPEG2 vídeo
Número de Sequência (16 bits): O número de sequência é incrementado de um a cada pacote RTP enviado; pode ser usado para detectar perdas de pacotes e ocultar os dados
Tipo de Carga Número de
Sequência Marca de tempo Identificador
sincronismo fonte campos de miscelânias Cabeçalho RTP
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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. A marca de tempo é derivada do relógio de amostragem no transmissor.
• Como exemplo, para aúdio o relógio de marca de tempo incrementa de um a cada intervalo de amostragem (por exemplo, cada 125 microsseg para uma taxa de amostragem de 8 KHz); se a aplicação de aúdio 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.
campo SSRC (identificador de sincronismo fonte) (32 bits).
Identifica a fonte do fluxo RTP. Cada fluxo numa sessão RTP deve ter um SSRC distinto (atribuído aleatoriamente pela fonte). (serve para multiplexar vários fluxos de mídia em um único fluxo UDP)
Cabeçalho RTP
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Real-Time Control Protocol (RTCP)
Trabalha 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 retardo entre chegadas, etc.
Esta informação de realimentação para a
aplicação pode ser usada para controle do
desempenho e para fins de diagnóstico.
•
O transmissor pode
mudar suas transmissões com base nestas
informações de
realimentação.
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RTCP - Continuação
- Para uma sessão RTP existe tipicamente um único endereço multicast, todos os pacotes RTP e RTCP pertencentes à sessão usam este endereço multicast.
- Os pacotes RTP e RTCP são distintos uns dos outros pelo uso de números de portas diferentes.
- Para limitar o tráfego, cada participante reduz seu tráfego RTCP quando o número de participantes da conferência aumenta.
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Pacotes RTCP
Pacotes de relatório do receptor:
fração de pacotes perdidos, último número de sequência, variância média do atraso entre chegadas.
Pacotes de relatório do transmissor:
SSRC do fluxo RTP, marca de tempo e o tempo corrente real do pacote mais recente, o
número de pacotes enviados e o número de bytes enviados.
Pacotes de descrição da fonte:
endereço de e-mail do transmissor, o nome do transmissor, o SSRC do fluxo RTP associado.
Esses pacotes fornecem um mapeamento entre o SSRC e o nome do
usuário ou do host.
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Sincronização de Fluxos
RTCP (relatórios dos
remetentes) pode ser usado para sincronizar diferentes fluxos de mídia numa sessão RTP.
Considere uma aplicação de videoconferência para a qual cada transmissor gera um fluxo RTP para aúdio e um para vídeo.
As marcas de tempo nestes pacotes são vinculadas aos relógios de amostragem de vídeo e de aúdio, mas não são vinculadas a um relógio de
tempo real (isto é, a um relógio de parede).
Cada pacote relatório-do- transmissor 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 relatório-do-transmissor
associa o relógio de
amostragem com o relógio de tempo real.
Receptores podem usar esta associação para sincronizar a reprodução de aúdio e de
vídeo.
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Controle de Banda do RTCP
O RTCP procura limitar seu tráfego a 5% da banda
passante da sessão.
Por exemplo, suponha que existe um transmissor
enviando vídeo com uma taxa de 2 Mbps. Então o RTCP procura limitar seu tráfego a 100 Kbps.
O protocolo dá 75% desta taxa, ou 75 kbps, para os receptores; ele dá os 25%
restantes da taxa, isto é, 25 kbps, para o transmissor.
Os 75 kbps dedicados aos
receptores são divididos de forma igual entre todos os receptores.
Assim, se existem R receptores, cada receptor consegue enviar tráfego RTCP a uma taxa de 75/R kbps e o transmissor envia
tráfego RTCP a uma taxa de 25 kbps.
Um participante (um 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.
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Controle de Banda do RTCP
Período para transmitir pacotes RTCP:
Transmissor:
•
T = (no. de transmissores / (0,25 x 0,05 x largura de banda da sessão)) x (tamanho médio do pacote RTCP)
Receptor:
•
