UDESC SISTEMAS MULTIMÍDIA. Capítulo 4 Redes IP e o Transporte de Dados Multimídia. Prof. Claudinei Dias. Sistemas Multimídia 2011/2

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Sistemas Multimídia 2011/2

UDESC

SISTEMAS MULTIMÍDIA

Prof. Claudinei Dias

Capítulo 4 – Redes IP e o Transporte

de Dados Multimídia

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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;

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Arquitetura TCP/IP

• 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)

7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física

Modelo OSI

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• 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

7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física

Modelo OSI

Arquitetura TCP/IP

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• 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) 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física

Modelo OSI

Arquitetura TCP/IP

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• 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 7. Aplicação 6. Apresentação 5. Sessão 4. Transporte 3. Rede 2. Enlace 1. Física

Modelo OSI

Arquitetura TCP/IP

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Protocolo IP e Multimídia

• IPv4

– Amplamente usado nas redes atuais

– Endereços de rede de 32-bits

– IPv4 Multicast

• Extensão do IPv4 para suportar multicast

• IPv6

– Evolução do IPv4, introduz novas características

– Endereços de rede de 128-bits

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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• 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

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• 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

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• 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

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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

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Protocolo TCP: Controle de Erro

Porta Origem Porta Destino

Número da Seqüencia Número do Acknowledge

Janela

Tam.Cab. Res. Code Bits

Checksum Urgência

Opções Padding

Dados ...

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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

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UDESC

Cenários de Retransmissão

Host A Host B Perda

X

ti me o u t

Ack Perdido

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Sistemas Multimídia 2011/2 UDESC

Cenários de Retransmissão

Host A Host B Se q =92 ti me o u t Se q =100 ti meo u t

Timeout prematuro,

Ack acumulativo

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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

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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

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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

11

0

100 011101

001010

Correção do

erro de bit

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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?

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Entrelaçamento de Pacotes

• Não tem redundância, mas causa atraso na

apresentação

– Exemplo: dividir audio de 20 ms em pacotes de 5

ms, e entrelaçados

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Entrelaçamento

Vantagem?

Reduz perda em rajada

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UDESC

Protocolo TCP: Controle de Fluxo

Porta Origem Porta Destino

Número da Seqüencia Número do Acknowledge

Janela

Tam.Cab. Res. Code Bits

Checksum Urgência

Opções Padding

Dados ...

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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

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UDESC

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

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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!

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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

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• 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

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Prevenção de Congestionamento

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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

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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

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UDESC

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

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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

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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)

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UDESC 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

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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.