Applicazioni Multimediali Soft Real-Time in Internet

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1 Applicazioni Multimediali Soft Real-Time in Internet Applicazioni: VoIP, Live Streaming Protocolli: SIP, SDP, RTP/RTCP 1

2 Multimedia Networking Overview Classi di Applicazioni streaming audio/video unidirezionale (anche multicast) (es VoD) live streaming unidirezionale (anche multicast) di a/v real-time live streaming interattivo audio/video (VoIP, Video Conference) Problematiche in applicazioni multimediali packet jitter packet loss / recovery Protocolli Internet per applicazioni multimediali RTP/RTCP RTSP H.323 SIP Multimedia Multicast Destination Set Splitting / Grouping Layering TCP-friendly rate adaptation 2

3 Approccio Notare che si parla di applicazioni Soft Real-Time e non Hard Real-Time. Ammessi ritardi dell'ordine dei 100 ms Tecniche per applicazioni multimediali implementate a livello di trasporto e di applicazione. Modifiche allo strato di Rete per garantire qualiutà dii servizio alle applicazioni multimediali (ex: IntServ, RSVP, Diffserv, scheduling, tariffazione, etc.) 3

4 Classi di Applicazioni Multimediali Sensibili al ritardo ma possono tollerare perdita di pacchetti (poche e sparse). Messaggi contengono dati audio e video ( continuous media ), tre classi di applicazioni: Streaming Live Streaming Unidirezionale (anche broadcast o multicast) Live Streaming Interattivo (detto Real-Time) (unicast) Ogni classe può richiedere trasmissione broadcast (multicast) o semplicemente unicast 4

5 Classi di Applicazioni Streaming Clients richiedono files audio/video al server e direzionano i dati ottenuti dalla rete alla corrispondente applicazione (helper). Riproduzione continuata. Interattivo: utente può controllare le operazioni (pausa, resume, avanti veloce, riavvolgi, etc.) Ritardo: dalla richiesta del client fino al playback possono intercorrere da 1 a 10 secondi. In alcune applicazioni è richiesta la memorizzazione completa prima del playback (ex: Napster, Gnutella) 5

6 Classi di Applicazioni Live Streaming Unidirezionale: Simile alle stazioni TV e Radio, ma trasmesse sulla rete Non interattivo, solo ascolto o visione, oppure interattivo in seguito a memorizzazione Distribuzione a molteplici utenti attraverso tecniche di Multicast Codifiche incrementali e alberi di distribuzione Live Streaming Interattivo (Real-time): Conversazione telefonica o video conferenza Requisiti sul ritardo più stringenti di Streaming e Real- Time unidirezionale Video: < 150 msec acceptable Audio: < 150 msec good, <400 msec acceptable 6

7 Problematiche TCP/UDP/IP fornisce Qualità del Servizio best-effort, nessuna garanzia sul ritardo di un pacchetto, nè sulla media nè sulla varianza. Applicazioni Streaming: ritardo tipico di 5-10 secondi è accettabile. Le prestazioni si deteriorano in presenza di congestione. Applicazioni Real-Time Interattive: requisiti sul ritardo e sullo jitter sono in genere soddisfatte attraverso il sovradimensionamento o la definizione di classi di priorità nell assegnazione della banda. Le prestazioni si deteriorano con l aumento del carico. 7

8 Soluzioni adottate in reti IP La maggioranza dei router utilizzano, per i pacchetti dell'utente comune, un approccio First-Come-First-Served (FCFS) per processare i pacchetti e schedulare la trasmissione. Per controbilanciare l impatto di protocolli best-effort, è possibile: Usare UDP per evitare il controllo sulla velocità di trasmissione da parte di TCP. Bufferizzare i dati al Client e controllare il playback per controllare lo jitter, ex ritardare di 100 msec la trasmissione Adattare il livello di compressione alla banda disponibile Assegnare timestamps che dirigano la riproduzione Ridondanza per ridurre la perdita di pacchetti. 8

9 Perché parliamo di VoIP e SIP Il VoIP è utilizzato per fornire telefonia a grandi organizzazioni. La telefonia di Unibo è in VoIP. Il VoIP rappresenta un esempio di streaming interattivo. Altri servizi basati su streaming live possono adottare le stesse soluzioni. Il setup e il tire down di una call VoIP sono realizzati usando un protocollo detto SIP (Session Initiation Protocol). SIP è usato spesso come protocollo di segnalazione per instaurare e controllare l'andamento di altri servizi. Il setup di una comunicazione VoIP tramire SIP soffre delle limitazioni imposte da NAT e Firewall. Occorre capire da dove originano queste limitazioni e come superarle. Le soluzioni usate per superare le imitazioni imposte da NAT e Firewall sono usate in molti altri contesti. 9

10 Classi di Applicazioni (cont.) VoIP VoIP 10

11 VoIP What s Voice-over IP? Transmission of voice using IP Analog speech digitized and transmitted as IP packets Packets transmitted on top of existing networks Voice connection is now packet-switched as compared to the traditional circuit-switched telephony network Interesting implications w.r.t performance, security, regulatory requirements 11

12 Why VoIP? Low cost of ownership Simpler maintenance of infrastructure Innovative applications Software Based Easier to add new applications 12

13 VoIP Standard suites Internet Engineering Task Force (IETF) standards Session Initiation Protocol (SIP) Session Description Protocol (SDP) Uses RTP, SRTP for media transmission. Others for QoS International Telecommunication Union (ITU) standards H.323 Basic Architecture H.225 call control protocol H.245 media control protocol H.235 security Other standards related to codecs. Proprietary (Skype) 13

14 VoIP Standards Suite 00 14

15 Elements of IETF Standards Suite Session Initiation Protocol (SIP) Session establishment / teardown (HTTP-like) Session Description Protocol (SDP) Describes the parameters of session (voice/audio) RTP (Real-Time Transport Protocol) Actual media data packets Secure variant (SRTP) RTCP (Real-Time Control Protocol) Provides feedback on QoS provided by RTP 15

16 Session Initiation Protocol (SIP) SIP is the signaling protocol Establishes sessions between two parties Major functionality User Location User Availability Capabilities Session Setup Session Teardown 16

17 Classi di Applicazioni (cont.) SIP VoIP Session Initiation Protocol 17

18 SIP : panoramica introduttiva SIP (Session Initiation Protocol) è un protocollo utilizzato per iniziare, modificare o terminare sessioni fra uno o più partecipanti. (RFC 3261) permette ai partner di scoprire i rispettivi indirizzi e port number permette ai partner di concordare le modalità con cui scambiarsi i dati permette di instaurare sessioni multimediali, ma anche chat, condivisione della lavagna ed altro Dove possibile, si appoggia su altri standard IETF: Le modalità con cui scambiarsi i dati vengono concordate trasportando, all interno dei messaggi SIP, informazioni codificate secondo lo standard SDP (Session Description Protocol, RFC 3227) Per gli indirizzi si usano gli Uniform Resource Identifiers (URI, RFC 3986): sip:marco.sommani@iit.cnr.it -- sip: ==> trasporto UDP o TCP sips: @sip-proxy.org: sips: ==> trasporto TLS Per il traffico multimediale si usa di preferenza RTP (RFC 3550, 5506)

19 SIP Architectural Entities SIP Registrar/Location Server Registers users location SIP User Agent Client Acts on behalf of the SIP user initiating the call SIP User Agent Server Waits on behalf of the SIP user to receive calls SIP Proxy Acts as a proxy for the client (within a given domain) May detect NAT and change IP & port addresses At the server side may perform redirection and forking. SIP Gateways: To PSTN for telephony interworking To H.323 for IP Telephony interworking NB: the distinction between types of SIP servers is logical, not physical SIP RFC: 19

20 SIP Architectural Entities SIP Registrar/ Location Server SIP Registrar Location Server SIP Proxy SIP Proxy SIP User Agent (Client & Server) abc.com xyz.com SIP User Agent (Client & Server) 20

21 Why the need for so many elements? Usage of a logical SIP address and location servers allows the machine to be untied from the identity of the user Having a SIP proxy allows Client devices to be simple (easily implemented in hardware) Additional upgrades can be done in the Proxy (transparent to the SIP device) More sophisticated functionality 21

22 SIP: Registration If anyone looks for me, I'm here SIP Registrar/ Location Server SIP Registrar Location Server Registration alice:a.b.c.d Registration Bob:x.y.z.w SIP Proxy SIP Proxy SIP User Agent (Client) abc.com xyz.com SIP User Agent (Server) 22

23 SIP Session Setup Example From the standpoint of the User Agents SIP User Agent Client INVITE SIP User Agent Server 200 OK ACK Media Stream BYE 200 OK host.wcom.com sip.uunet.com

24 SIP: Basic Connection Setup SIP Registrar/ Location Server SIP Registrar Location Server Resolution Registration Bob:x.y.z.w Signaling SIP Proxy Media SIP User Agent (Client) abc.com xyz.com SIP User Agent (Server) 24

25 SIP: Basic Connection Setup Example SIP User Agent Client SIP Proxy Server INVITE Callee INVITE Redirect SIP Location Server Callee SIP User Agent Server INVITE 200 OK 200 OK ACK Media Stream BYE 200 OK host.wcom.com server.wcom.com sip.uunet.com

26 SIP: Complete Connection Setup SIP Registrar/ Location Server SIP Registrar Location Server Registration alice:a.b.c.d Signaling Resolution Registration Bob:x.y.z.w SIP Proxy SIP Proxy Media SIP User Agent (Client) abc.com xyz.com SIP User Agent (Server) 26

27 VoIP: Channels SIP User Agent (Client) SIP Proxy SIP (Signaling) SIP Proxy SIP User Agent RTP (Media) audio RTCP (Media Control) abc.com xyz.com 27

28 Video Call: Channels SIP User Agent (Client) abc.com SIP Proxy SIP (Signaling) audio RTP (Media) RTCP (Media Control) RTP (Media) RTCP (Media Control) video SIP Proxy SIP User Agent xyz.com 28

29 SIP Proxy Operation (Forking) abc.com xyz.com Registration help:p.q.r.s SIP Proxy SIP Proxy SIP User Agent (Server) Media SIP User Agent (Client) Registration Bob:x.y.z.w SIP User Agent (Server) 29

30 SIP Proxy Operation (Redirect) b1.com Invite: Media abc.com xyz.com 30

31 Redirect Server Example SIP User Agent Client SIP Redirect Server REGISTER SIP User Agent Server INVITE 200 OK 302 Moved ACK C 1 2 RS INVITE sip:picard@uunet.com 3 UAS 180 Ringing 200 OK ACK Media Stream host.wcom.com server.wcom.com sip.uunet.com

32 Messaggi SIP SIP si basa su transazioni in cui entità dette User Agents (UA) si scambiano messaggi ASCII Una transazione inizia con una Request inviata da uno User Agent Client (UAC) ad uno User Agent Server (UAS) e termina con una Final Response inviata in senso inverso la Final Response può essere preceduta da una o più Provisional Responses la Request ACK non prevede risposte I messaggi possono transitare attraverso uno o più Proxy Server La prima riga di una Request contiene il nome del metodo usato nella transazione es: INVITE, CANCEL, ACK, BYE, REGISTER, OPTIONS... La prima riga di una Response contiene un codice di stato codici 1xx: Provisional Responses codici 2xx, 3xx, 4xx, 5xx, 6xx: Final Responses La prima riga dei messaggi è seguita da un certo numero di Headers L ultimo Header è seguito da una riga vuota, dopo la quale può essere presente il message body (es.: SDP)

33 Esempio di transazione SIP Request BYE : BYE sip:alice@pc33.atlanta.com SIP/2.0 Request URI Via: SIP/2.0/UDP ;branch=z9hG4bKnashds10 Max-Forwards: 70 From: Bob <sip:bob@biloxi.com>;tag=a6c85cf To: Alice <sip:alice@atlanta.com>;tag= Call-ID: a84b4c76e66710 CSeq: 231 BYE Content-Length: 0 Final Response alla Request BYE : SIP/ OK Via: SIP/2.0/UDP ;branch=z9hG4bKnashds10 From: Bob <sip:bob@biloxi.com>;tag=a6c85cf To: Alice <sip:alice@atlanta.com>;tag= Call-ID: a84b4c76e66710 CSeq: 231 BYE Content-Length: 0

34 La SIP URI Identifica le entità SIP: {sip TCP TLS...}] le indicazioni su porta e/o trasporto sono consentite solo se la domain-part identifica un particolare host: fully qualified domain name presente nel DNS con record A o AAAA indirizzo IPv4 o IPv6 la domain-part può anche indicare un dominio SIP, convertibile in indirizzo di trasporto consultando i record NAPTR e SRV del DNS La URI prende il nome di: contact-address (indirizzo reale): se permette di ricostruire gli indirizzi di trasporto dell entità SIP stessa address-of-record (indirizzo pubblico): se permette di ricostruire gli indirizzi di trasporto di un server in grado di localizzare l entità SIP

35 Sessioni e dialoghi La sessione è un flusso di dati, generalmente multimediali, unidirezionale o bidirezionale, controllato da due UA SIP due UA SIP concordano le sessioni scambiando messaggi SDP trasportati come message-body nei messaggi SIP per attivare la sessione un UA invia un messaggio SDP di Offer e l altro risponde con un Answer caso 1: Offer nella INVITE Request e Answer in una Response caso 2: Offer in una Response e Answer nella ACK Request Il dialogo è una associazione logica fra due UA SIP, che viene attivata o disattivata per mezzo di transazioni SIP non tutte le transazioni SIP fanno parte di un dialogo Gli scambi di informazioni SDP relative alle sessioni avvengono fra UA che hanno attivato o stanno attivando un dialogo

36 Dialogo con negoziazione di sessioni A B INVITE B 100 Trying 183 Session Progress 180 Ringing + SDP Offer 200 OK ACK B + SDP Answer INVITE A + SDP Offer 200 OK + SDP Answer ACK A Early Dialog Established Dialog BYE A 200 OK

37 Metodi SIP L RFC 3261 definisce i seguenti metodi: INVITE ACK BYE CANCEL REGISTER OPTIONS inizia dialoghi con le relative sessioni o modifica le sessioni di un dialogo già iniziato segue immediatamente la transazione INVITE (non è seguita da Response) termina un dialogo e tutte le sessioni associate al dialogo cancella una Request pendente (generalmente INVITE) comunica a un SIP registrar uno o più contact-addresses da associare ad un address-of-record richiesta di informazioni su funzionalità e stato RFC successivi hanno introdotto altri metodi: es.: SUBSCRIBE, NOTIFY, INFO, UPDATE, MESSAGE,...

38 SIP Requests SIP Requests (Messages) defined as: Method SP Request-URI SP SIP-Version CRLF (SP=Space, CRLF=Carriage Return and Line Feed) Example: INVITE SIP/2.0 Method INVITE ACK Description A session is being requested to be setup using a specified media Message from client to indicate that a successful response to an INVITE has been received OPTIONS BYE CANCEL REGISTER A Query to a server about its capabilities A call is being released by either party Cancels any pending requests. Usually sent to a Proxy Server to cancel searches Used by client to register a particular address with the SIP server La RFC 3261 definisce i metodi sopra elencati. Altre RFC successive hanno introdotto altri metodi: SUBSCRIBE, NOTIFY, INFO, UPDATE, MESSAGE,...

39 SIP Requests Example Required Headers (fields): INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP host.wcom.com:5060 From: Alan Johnston To: Jean Luc Picard Call-ID: CSeq: 1 INVITE Via: Shows route taken by request. Call-ID: unique identifier generated by client. CSeq: Command Sequence number generated by client Incremented for each successive request } Uniquely identify this session request

40 Typical SIP Request: SIP Requests Example INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP host.wcom.com:5060 From: Alan Johnston To: Jean Luc Picard Call-ID: CSeq: 1 INVITE Contact: sip:alan.johnston@wcom.com Subject: Where are you these days? Content-Type: application/sdp Content-Length: 124 v=0 o=ajohnston IN IP4 host.wcom.com s=let's Talk t=0 0 c=in IP m=audio RTP/AVP 0 3 a=rtcp 49171

41 SIP Responses SIP Responses defined as (HTTP-style): SIP-Version SP Status-Code SP Reason-Phrase CRLF (SP=Space, CRLF=Carriage Return and Line Feed) Example: SIP/ Not Found First digit gives Class of response: 1xx 2xx 3xx 4xx 5xx 6xx Description Informational Request received, continuing to process request. Success Action was successfully received, understood and accepted. Redirection Further action needs to be taken in order to complete the request. Client Error Request contains bad syntax or cannot be fulfilled at this server. Server Error Server failed to fulfill an apparently valid request. Global Failure Request is invalid at any server. Examples 180 Ringing 181 Call is Being Forwarded 200 OK 300 Multiple Choices 302 Moved Temporarily 401 Unauthorized 408 Request Timeout 503 Service Unavailable 505 Version Not Suported 600 Busy Everywhere 603 Decline

42 SIP Responses Example Required Headers: SIP/ OK Via: SIP/2.0/UDP host.wcom.com:5060 From: Alan Johnston To: Jean Luc Picard Call-ID: CSeq: 1 INVITE Via, From, To, Call-ID, and CSeq are copied exactly from Request. To and From are NOT swapped!

43 SIP Responses Example Typical SIP Response (containing SDP) SIP/ OK Via: SIP/2.0/UDP host.wcom.com From: Alan Johnston To: Jean Luc Picard Call-ID: CSeq: 1 INVITE Contact: sip:picard@wcom.com Subject: Where are you these days? Content-Type: application/sdp Content-Length: 107 v=0 o=picard IN IP4 uunet.com s=engage! t=0 0 c=in IP m=audio 3456 RTP/AVP 0 a=rtcp 3457

44 Forking Proxy Example SIP User Agent Client INVITE 100 Trying 180 Ringing 200 OK SIP Proxy Server INVITE 404 Not Found ACK SIP User Agent Server Ringing 200 OK INVITE SIP User Agent Server 2 C Fork S1 S2 ACK Media Stream BYE 200 OK host.wcom.com proxy.wcom.com sip.mci.com sip.uunet.com

45 SIP Headers - Partial List Accept Header Description Examples Authorization Call-ID Contact Content-Length Content-Type Indicates acceptable formats. Contains encryption information Used to uniquely identify a particular session or registration messages. Should have randomness to ensure overall global uniqueness. Alternative SIP URL for more direct message routing. Octet count in message body. Content type of message body CSeq Command Sequence number used to distinguish different requests during the same session. Accept: application/sdp Accept: currency/dollars Authorization: pgp info Call-ID: 1@mars.brooks.net Call-ID: Jan i: @uunet.com 1@server.mci.com Contact: W. Riker, Acting Captain <riker@starfleet.gov> Contact: room203@hotel.com; expires=3600 m: admin@mci.com Content-Length: 285 Content-Type: application/sdp c: application/h.323 CSeq: 1 INVITE CSeq: 1000 INVITE CSeq: 4325 BYE CSeq: 1 REGISTER Encryption Expires Encryption information. Used to indicate when the message content is no longer valid. Can be a number of seconds or a date and time. Encryption: pgp info Expires: 60 Expires: Thu, 07 Jan :00 CST

46 SIP Headers - Continued From Required field containing the originating SIP URL. Can also include a display name. From: Dana Scully <sip:dana@skeptics.org> From: sip: @gateway.wcom.com; tag= f: sip: guest@ Max-Forwards Count decremented by each server forwarding the message. When goes to zero, server sends a 483 Too Many Hops response. Max-Forwards: 10 Priority Can specify message priority Priority: normal Priority: emergency Record-Route Added to a request by a proxy that needs to be in the path of future messages. Record Route: sip.mci.com Require Indicates options necessary for the session. Require: local.telephony Response-Key Contains PGP key for encrypted response expected. Retry-After Indicates when the resource may be available. Can be a number of seconds or a date and time. Response-Key: pgp info Retry-After: 3600 Retry-After: Sat, 01 Jan :01 GMT

47 SIP Headers - Continued Route Subject To Unsupported Via Warning Determines the route taken by a message. Can be used to indicate nature of call. Required field containing the recipient SIP URL. May contain a display name. Lists features not supported by server. Used to show the path taken by the request. Contains a code and text to warn about a problem Route: orinoco.brooks.net Subject: More about SIP s: You d better answer! To: Fox Mulder <sip:mulder@lonegunman.org> To: sip: @operator.mci.com; tag=314 t: sip:1800collect@telecom.mci.com; tag=52 Unsupported: tcap.telephony Via: SIP/2.0/UDP sip.mfs.com Via: SIP/2.0/TCP uunet.com v: SIP/2.0/UDP Warning: 331 Unicast not available

48 Via Headers and Routing Via headers are used for routing SIP messages back to the Request initiator Requests Request initiator puts address in Via header Servers (receivers) check Via with received sender s IP address, if different add received= parameter in Servers (receivers) check rport in Via header, if exists add received sender s port in rport= parameter (rfc 3581) Servers add own address into another Via header, and forward. Responses Response initiator copies request Via headers. Servers check Via with own address, then forward to next Via address

49 Via Headers and Routing Request initiator will add an rport to the via header of the SIP messages, as described in rfc3581 (see this will allow a client to request that the server send the response back to the source IP address and port where the request came from. The "rport" parameter is analogous to the "received" parameter in the VIA line, except "rport" contains a port number, not the IP address.

50 SIP Firewall Considerations Firewall Problem Can block SIP packets Can change IP addresses of packets TCP can be used instead of UDP Record-Route can be used: ensures Firewall proxy stays in path A Firewall proxy adds Record-Route header Clients and Servers copy Record-Route and put in Route header for all messages

51 SIP Message Body Message body can be any protocol Most implementations: SDP - Session Description Protocol RFC /98 by Handley and Jacobson Used to specify info about a multi-media session. SDP fields have a required order For RTP - Real Time Protocol Sessions: RTP Audio/Video Profile (RTP/AVP) payload descriptions are often used

52 SDP Examples SDP Example 1 v=0 o=ajohnston IN IP4 host.wcom.com s=let's Talk t=0 0 c=in IP m=audio RTP/AVP 0 3 a=rtcp Field Version v=0 Origin Descripton o=<username> <session id> <version> <network type> <address type> <address> SDP Example 2 v=0 o=picard IN IP4 uunet.com s=engage! t=0 0 c=in IP m=audio 3456 RTP/AVP 0 a=rtcp 3457 Session Name Times Connection Data Media s=<session name> t=<start time> <stop time> c=<network type> <address type> <connection address> m=<media> <port> <transport> <media format list>

53 Another SDP Example v=0 o=alan IN host.wcom.com s=sse University Seminar - SIP i=audio, Listen only u= e=alan@wcom.com p= c=in IP b=ct:128 t= m=audio 3456 RTP/AVP 0 3 a=rtcp 3457 a=type:recvonly