Multimédia, Qualidade de Serviço (QoS): O que são?

Multimédia, Qualidade de Serviço (QoS): O que são?

Aplicações Multimédia:

áudio e vídeo pela rede (“meios contínuos”) a rede oferece às aplicações

o nível de

desempenho necessário

para funcionarem.

QoS

Aplicações de Rede Multimédia

Características Fundamentais:

Tipicamente sensíveis ao

atraso

 atraso extremo a extremo  variação do atraso (jitter)

Classes de aplicações MM:

1) Fluxos de áudio e vídeo gravados

2) Fluxos de áudio e vídeo ao vivo

3) Áudio e vídeo interactivos  variação do atraso (jitter)

Mas tolerante a perdas:

perdas raras causam pequenos ruídos

Antítese da transmissão

de dados, que não é

tolerante a perdas mas tolera atrasos.

3) Áudio e vídeo interactivos em tempo real

Jitter é a variação dos atrasos dos pacotes

dentro do mesmo fluxo de pacotes

Fluxos Multimédia Armazenados

Transmissão de Fluxos (Streaming):

(Streaming):

dados armazenados na fonte
transmitidos para o cliente
fluxos: o cliente começa a

apresentação

antes

restrições temporais para os dados ainda por

transmitir: a tempo para serem apresentados

Fluxos Multimédia Armazenados:

O que são?

fluxo: neste instante, o cliente apresenta a parte inicial do vídeo,

enquanto o servidor ainda envia a parte final do vídeo

atraso da rede

Fluxos Multimédia Armazenados: Interactividade

funcionalidade tipo gravador de vídeo:

funcionalidade tipo gravador de vídeo:

o cliente pode fazer pausa, recuar, avançar, saltar para outra parte

 atraso inicial de 10 seg OK

 1-2 seg até o comando actuar OK

 uso frequente de RTSP (mais em breve)

restrições temporais para os dados ainda por

transmitir: a tempo para serem apresentados

Fluxos Multimédia ao Vivo

Exemplos:

Espectáculo de rádio via Internet

Transmissão directa de evento desportivo Transmissão de Fluxos

buffer de apresentação
buffer de apresentação

a apresentação pode atrasar-se dezenas de

segundos depois da transmissão

ainda tem restrições temporais Interactividade

impossível avançar

Multimédia em tempo real, interactiva

requisitos de atraso:

aplicações: telefone IP,

videoconferência, mundos interactivos distribuídos

requisitos de atraso:

 áudio: < 150 mseg bom, < 400 mseg OK

• inclui atrasos da aplicação (empacotamento) e da rede

• atrasos mais elevados notados, prejudicam interactividade

iniciação da sessão

 como o chamado anuncia o seu endereço IP, número

de porto, algoritmos de codificação?

Multimédia na Internet de Hoje

TCP/UDP/IP:

“serviço melhor esforço”

sem

Mas disse-se que as aplicações multimédia precisavam de QoS e de um certo nível

?

?

_?

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As aplicações multimédia na Internet de hoje usam técnicas na camada de aplicação para minimizar (o melhor possível) os efeitos dos

atrasos, perdas

precisavam de QoS e de um certo nível de desempenho para serem eficazes!

?

?

?

?

Como deve a Internet evoluir para

melhor suportar multimédia?

Filosofia de Serviços Integrados:

Mudanças importantes na

Internet para que as aplicações possam reservar largura de

banda extremo a extremo

Necessita de software novo,

complexo nos sistemas

Filosofia de Serviços Diferenciados:

Poucas mudanças na

infra-estrutura da Internet, mas oferecer serviço de 1ª e 2ª classe.

complexo nos sistemas terminais & routers

Laissez-faire

nenhuma mudança importante
mais largura de banda quando

necessário

distribuição de conteúdos,

multicast na camada de aplicação

 camada de aplicação

Qual a sua opinião?

Algumas palavras sobre compressão de áudio

Sinal analógico amostrado

a um ritmo constante

 telefone: 8 000

amostras/seg

 CD de música: 44 100

amostras/seg

Cada amostra quantizada,

Exemplo:

8 000 amostras/seg,

256 valores de quantização --> 64 000 bps

Receptor converte de

volta para um sinal

Cada amostra quantizada,

ie, arredondada

 eg, 28=256 possíveis valores

de quantização

Cada valor quantizado

representado por bits

 8 bits para 256 valores

volta para um sinal analógico:

 alguma redução de qualidade

Exemplos de ritmos
CD: 1.411 Mbps

MP3: 96, 128, 160 kbps
Telefone Internet:

Algumas palavras sobre compressão de vídeo

O vídeo é uma sequência

de imagens apresentadas a um ritmo constante

 e.g. 24 imagens/seg

Uma imagem digital é

uma matriz de pixels

Exemplos:

MPEG 1 (CD-ROM):

1.5 Mbps

MPEG2 (DVD): 3-6 Mbps
MPEG4 (uso frequente na

Internet, < 1 Mbps) uma matriz de pixels

Cada pixel é

representado por bits

Redundância

 espacial  temporal

MPEG4 (uso frequente na Internet, < 1 Mbps)

Investigação:

Vídeo em camadas

(escalável)

 adaptar camadas à largura

de banda disponível

Aplicações interactivas de tempo real

telefone PC a PC

 os serviços de

mensagens instantâneas oferecem isto

Vamos agora analisar em detalhe um exemplo de telefone via Internet PC a PC
telefone PC a telefone  Skype  Voipbuster
videoconferência com Webcams via Internet PC a PC

Multimédia

Interactiva

: Internet Phone

Introdução ao Internet Phone através de exemplo

áudio de uma pessoa a falar: alternadamente trechos de

voz, períodos de silêncio.

 64 kbps durante um trecho de voz

apenas são gerados pacotes durante trechos de voz
apenas são gerados pacotes durante trechos de voz

 blocos de 20 mseg a 8 Kbytes/seg: 160 bytes de dados

cabeçalho de camada de aplicação adicionado a cada

bloco.

bloco+cabeçalho encapsulado num segmento UDP.

a aplicação envia segmentos UDP para o socket cada 20

mseg durante um trecho de voz.

Internet Phone: Perda de Pacotes e Atrasos

congestão na rede (buffer do router cheio)

perda por atraso: datagrama IP chega demasiado

tarde para ser reproduzido no receptor

 atrasos: processamento, espera em filas na rede; atrasos

nos sistemas terminais (emissor, receptor) nos sistemas terminais (emissor, receptor)

 atraso máximo tolerável típico: 400 ms

tolerante a perdas: dependendo da codificação da

voz, escondendo as perdas, podem ser toleradas taxas de perdas de pacotes entre 1% e 10%.

Jitter no Atraso

no cliente _{a ritmo constante}apresentação

no cliente d ad os e m b uf fe r

Considere o atraso extremo a extremo entre dois

pacotes consecutivos: a diferença pode ser mais ou menos que 20 mseg

tempo variável atraso de apresentação d ad os e m b uf fe r 15

Internet Phone: Atraso de Apresentação Fixo

O receptor tenta apresentar cada bloco

exactamente q msegs depois de o bloco ser gerado.

 o bloco foi gerado no instante t: apresentar o

bloco em t+q .

 bloco chega após t+q: os dados chegam

demasiado tarde para serem apresentados, demasiado tarde para serem apresentados, dados “perdidos”

Compromissos para q:

 q grande: menos perdas de pacotes  q pequeno: melhor interactividade

Atraso de Apresentação Fixo

pacotes

• O emissor gera pacotes a cada 20 mseg durante um trecho de voz.

• O primeiro pacote é recebido no instante r

• Primeira hipótese de apresentação: começar em p • Segunda hipótese de apresentação: começar em p’

tempo pacotes gerados pacotes recebidos perda r p p'

apresentação com atraso de p - r

apresentação com atraso de p' - r

Atraso de Apresentação Adaptativo, I

Objectivo: minimizar o atraso de apresentação, mantendo a taxa de

perdas baixa

Aproximação: ajuste do atraso de apresentação adaptativo:

 Estimar o atraso da rede, ajustar o atraso de apresentação no início de

cada trecho de voz.

 Períodos de silêncio comprimidos ou alongados.

 Blocos continuam a ser apresentados a cada 20 mseg durante um trecho

de voz. i pacote o gerado foi que em tempo t = i pacote o receber de depois rede da médio atraso do estimativa d i acote p o para rede da atraso t r receptor no o apresentad é i pacote o que em instante o p receptor no recebido é i pacote o que em instante o r i pacote o gerado foi que em tempo t i i i i i i = = − = = =

Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor:

) ( ) 1 ( _{i 1 i i} i u d u r t d _{= − − + −}

Atraso de Apresentação Adaptativo, II

Também é útil estimar o desvio padrão do atraso, v_i :

| | ) 1 ( _{i 1 i i i} i u v u r t d v _{= − − + − −}

As estimativas d_i e v_i são calculadas para cada pacote recebido, embora sejam apenas utilizadas no início de um trecho de voz.

Para o primeiro pacote num trecho de voz, o tempo de apresentação é: Para o primeiro pacote num trecho de voz, o tempo de apresentação é:

i i

i

i t d Kv

p _{= + +}

onde K é uma constante positiva.

Os restantes pacotes do trecho de voz são apresentados periodicamente.

Apresentação Adaptativa, III

Q: Como é que o receptor determina se um pacote é o primeiro num trecho de voz?

Se não houver perdas, o receptor olha para os

instantes iniciais de pacotes sucessivos.

 diferença de instantes iniciais sucessivos > 20 mseg -->

começa trecho de voz. começa trecho de voz.

Quando são possíveis perdas, o receptor tem de

olhar tanto para os instantes iniciais como para os números de sequência.

 diferença de instantes iniciais sucessivos > 20 mseg e

números de sequência sem buracos --> começa um trecho de voz.

Recuperação de perda de pacotes (1)

forward error correction (FEC): esquema simples
para cada grupo de n

blocos, cria um bloco redundante com o OU-exclusivo dos n blocos originais

O atraso de apresentação

tem de ser corrigido para dar tempo de receber todos os n+1 blocos
Compromisso:  aumentar n, menos originais
envia n+1 blocos, aumentando a largura de banda por um factor de 1/n.

pode reconstruir os n

blocos originais se perder no máximo um bloco dos n+1 blocos

 aumentar n, menos

desperdício de largura de banda

 aumentar n, maior atraso

de apresentação

 aumentar n, maior

probabilidade que 2 ou mais blocos se percam

Recuperação de perda de pacotes (2)

2º esquema FEC

• acrescentar fluxo de menor qualidade

• enviar fluxo áudio de baixa resolução como informação redundante • por exemplo, fluxo nominal PCM a 64 kbps

fluxo original

fluxo

redundância

perda

• por exemplo, fluxo nominal PCM a 64 kbps e fluxo redundante GSM a 13 kbps.

• Sempre que há perdas não consecutivas, o receptor

pode esconder a perda.

• Para resolver o caso de perdas consecutivas, pode-se acrescentar os blocos de baixo ritmo (n-1) e (n-2) ao

fluxo recebido fluxo

reconstruído perda

Recuperação de perda de pacotes (3)

fluxo original

perda de pacotes fluxo entrelaçado

Entrelaçamento (Interleaving):

os blocos são partidos em

unidades mais pequenas

por exemplo, 4 unidades de 5

mseg por bloco

um pacote contém unidades mais

pequenas de diferentes blocos

se um pacote é perdido, ainda

se tem a maior parte de cada bloco

não adiciona redundância
mas aumenta o atraso de

apresentação

fluxo

reconstruído

Sumário:

Multimédia na Internet: saco de truques

(atrasos) para tráfego sensível ao atraso

atraso de apresentação adaptativo no cliente: para

compensar atrasos

servidor ajusta largura de banda do fluxo à largura de
servidor ajusta largura de banda do fluxo à largura de

banda disponível no caminho do servidor para o cliente

 escolha entre ritmos de fluxos pré-codificados  ritmo de codificação dinâmico

recuperação de erros (por cima do UDP)

 FEC, entrelaçamento

 retransmissões, se o tempo permitir  esconder erros: repetir dados próximos