Capitolo 7 Reti multimediali

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1 Capitolo 7 Reti multimediali Reti di calcolatori e Internet: Un approccio top-down 3 a edizione Jim Kurose, Keith Ross Pearson Education Italia

2 Multimedia - Qualità del servizio: di cosa si tratta? Applicazioni multimediali: contenuti audio e video ( applicazioni continue ) QoS Le reti forniscono alle applicazioni un livello di performance adeguato per un corretto funzionamento dell applicazione. 7-2

3 Capitolo 7: obiettivi Princìpi Classificazione delle applicazioni multimediali. Identificazione dei servizi di rete necessari per le applicazioni. Utilizzo ottimale del servizio best-effort. Meccanismi per fornire QoS. Protocolli e architetture Protocolli specifici per il servizio best-effort. Architetture per QoS. 7-3

4 Capitolo 7: Reti multimediali 7.1 Applicazioni multimediali di rete 7.2 Streaming memorizzati 7.5 Reti per la distribuzione di contenuti multimediali 7.6 Oltre il best-effort 7-4

5 Applicazioni multimediali di rete Classi di applicazioni multimediali: 1) Streaming audio e video memorizzato. 2) Streaming audio e video in diretta. 3) Audio e video interattivi in tempo reale. Jitter: termine con il quale si indica la variabilità dei ritardi subita dai pacchetti dello stesso flusso. Caratteristiche fondamentali Sensibili al ritardo: Ritardo end-to-end Ritardo jitter Ma tolleranti alla perdita: perdite occasionali causano solo marginali interferenze. In antitesi con i dati: lunghi ritardi possono risultare fastidiosi ma la completezza e l integrità dei dati trasferiti risultano di fondamentale importanza. 7-5

6 Streaming audio e video memorizzato Streaming: Il contenuto multimediale è memorizzato sul server. Viene trasmesso al client. Streaming: il client può iniziare la riproduzione di una parte del file prima di averlo interamente scaricato. La riproduzione del file multimediale procede in sincronia con i tempi di registrazione originali. 7-6

7 Streaming audio e video memorizzato Dati cumulativi 1. video registrato 2. video inviato rete invio 3. Video ricevuti, riprodotti dal cliente. tempo streaming: in questo momento, il client può iniziare la riproduzione di una parte del file audio/video prima di averlo interamente scaricato. 7-7

8 Streaming audio e video memorizzato: interattività Funzionalità simili a quelle di un videoregistratore: il cliente può mettere in pausa, mandare avanti o indietro il video 10 sec ritardo iniziale OK 1-2 sec prima che il comando abbia effetto OK Spesso usato RTSP 7-8

9 Streaming audio e video in diretta Esempi: Programmi radiofonici in Internet. Eventi sportivi in diretta. Streaming Riproduzione buffer. È tollerato un ritardo di una decina di secondi prima che avvenga la riproduzione. È necessaria la continuità della riproduzione. Interattività Non è possibile usare l avanzamento rapido. Riavvolgimento e pausa sì! 7-9

10 Audio e video interattivi in tempo reale applicazioni: telefonia Internet, video conferenze Requisiti del ritardo end-to-end: audio: < 150 msec buono, < 400 msec accettabile Comprende i ritardi a livello di applicazione (pacchettizzazione) e il ritardo di rete Ritardi superiori risultano frustranti, o impediscono addirittura la conversazione 7-10

11 Ostacoli alla multimedialità in Internet TCP/UDP/IP: servizio best-effort Non offre garanzie sulla consegna, né sul ritardo?????? Ma non abbiamo detto che le applicazioni multimediali richiedono QoS e adeguati livelli di performance????? Oggi le applicazioni multimediali in Internet utilizzano tecniche a livello di applicazione per mitigare (quanto possibile) i ritardi e le eventuali perdite. 7-11

12 Evoluzione di Internet verso un miglior supporto alle applicazioni multimediali Filosofia di intergrazione dei servizi: Cambiamenti radicali, per fornire alle applicazioni la possibilità di prenotare larghezza di banda. Software nuovi e più complessi in host e router. Filosofia del laissez-faire Nessun cambiamento radicale. Più larghezza di banda quando necessario. Reti per la distribuzione dei contenuti Filosofia di differenziazione dei servizi: Piccoli interventi, limitati ai livelli di rete e di trasporto Suddivisione dei datagrammi in due classi di servizio Qual è la vostra opinione? 7-12

13 Compressione audio Campioni di segnali analoghi a tasso costante: telefono: rilevazioni al secondo CD musicali: rilevazioni al secondo Ogni campione quantizzato, cioè arrotondato a un intero. es., 2 8 =256 valori possibili di quantizzazione. Tutti i valori di quantizzazione sono rapprentato dallo stesso numero di bit. 8 bit per 256 valori. Esempio: campione/sec, 256 valori di quantizzazione -- > bps Questo segnale digitale può essere riconvertito in un segnale analogico per la riproduzione: possibile perdita di qualità. Alcuni esempi: CD: Mbps MP3: 96, 128, 160 kbps Telefonia Internet: 4-13 kbps 7-13

14 Compressione video Un video è una sequenza d immagini, solitamente mostrate a un tasso costante: es. 24 immagini/sec Un immagine digitale consiste in una sequenza di pixel. Ogni pixel è codificato da una serie di bit. Due tipi di ridondanza: Spaziale. Temporale. Esempi: MPEG 1 (CD-ROM) 1,5 Mbps MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps MPEG4 (spesso usata in Internet < 1 Mbps) 7-14

15 Capitolo 7: Reti multimediali 7.1 Applicazioni multimediali di rete 7.2 Streaming memorizzati 7.5 Reti per la distribuzione di contenuti multimediali 7.6 Oltre il best-effort 7-15

16 Streaming memorizzati Tecniche di streaming a livello di applicazione per ottimizzare il servizio best effort: buffering lato client utilizzo di UDP Media Player Rimozione del jitter Decompressione Correzione degli errori Interfaccia in cui appaiono pulsanti e cursori interattivi. 7-16

17 Accesso ad audio e video tramite server web Audio o video sono contenuti in un unico file. Il file viene trasferito tramite un messaggio HTTP: ricevuto per intero dal client il media player riproduce il file. 7-17

18 Accesso ad audio e video tramite server web Il browser ottiene un metafile. Il browser lancia il media player e passa il metafile. Il media player contatta direttamente il server. Il server invia il file audio/video al media player. 7-18

19 Invio di contenuti multimediali da server di streaming Questa architettura evita l uso del protocollo HTTP tra server e media player. Si può anche utilizzare UDP invece che TCP. 7-19

20 UDP UDP o TCP? Il server invia a un tasso appropriato per il cliente In genere: tasso di invio = tasso di codifica = tasso costante quindi, tasso di riempimento = tasso costante - perdita di pacchetti Il media player ritarda la riproduzione di 2-5 secondi per eliminare l eventuale jitter indotto dalla rete. TCP Il server immette, il più velocemente possibile, il video nella socket TCP. Il tasso di riempimento fluttua nel tempo a causa del controllo della congestione di TCP. Maggiore ritardo di riproduzione HTTP/TCP passano più facilmente attraverso i firewall 7-20

21 Protocollo di streaming in tempo reale: RTSP HTTP Non prevede contenuti multimediali. Non è previsto il comando di avanzamento rapido ecc. RTSP: RFC 2326 Protocollo di streaming in tempo reale. Usato per il controllo della riproduzione: pausa, fermo immagine, ricerca in avanti e all indietro, avanzamento rapido ecc. Cosa non può fare: Non definisce gli schemi di compressione audio e video. Non prescrive il modo (UDP o TCP) in cui i dati sono trasportati. Non pone limiti a come il media player memorizza i file. 7-21

22 RTSP: protocollo fuori banda FTP utilizza il concetto di fuori banda: Un file viene trasferito su una connessione TCP. Le informazioni di controllo (cambio di directory, cancellazione/rinomina di file, ecc.) vengono trasferite su un altra connessione TCP. I canali in banda e i canali fuori banda utilizzano un numero di porta diverso. Anche i messaggi RTSP sono inviati fuori banda : I messaggi di controllo RTSP usano un numero di porta diverso dal flusso multimediale: fuori banda Porta 554 Il flusso dei contenuti multimediale è considerato in banda. 7-22

23 RTSP: esempio Scenario: Il browser richiede a un server web un file. Il browser lancia il media player. Per consentire il controllo della riproduzione, media player e server si scambiano informazioni impiegando RTSP. 7-23

24 Metafile - esempio <title>twister</title> <session> </session> <group language=en lipsync> <switch> <track type=audio e="pcmu/8000/1" src = "rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi"> <track type=audio </switch> e="dvi4/16000/2" pt="90 DVI4/8000/1" src="rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/hifi"> <track type="video/jpeg" </group> src="rtsp://video.example.com/twister/video"> 7-24

25 Iterazioni tra client e server con RTSP 7-25

26 Esempio di una sessione RTSP C: SETUP rtsp://audio.example.com/twister/audio RTSP/1.0 Transport: rtp/udp; compression; port=3056; mode=play S: RTSP/ OK Session 4231 C: PLAY rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=0- C: PAUSE rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session: 4231 Range: npt=37 C: TEARDOWN rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/1.0 Session:

27 Capitolo 7: Reti multimediali 7.1 Applicazioni multimediali di rete 7.2 Streaming memorizzati 7.5 Reti per la distribuzione di contenuti multimediali 7.6 Oltre il best-effort 7-27

28 Reti per la distribuzione dei contenuti (CDN) Distribuzione di contenuti: Distribuzione in tempo reale di flussi di file di notevoli dimensioni (es., video) da un singolo server di origine. Soluzione: replicare il contenuto a centinaia di server attraverso Internet: Il contenuto viene prima caricato nel server CDN. La CDN replica i contenuti nei server CDN La CDN fornisce un meccanismo per cui il contenuto richiesto da un client viene fornito dal server CDN che può farglielo pervenire nel modo migliore. Server CDN in Sud America Server di origine in Nord America Nodo di distribuzione CDN Server CDN in Europa Server CDN in Asia 7-28

29 Reti per la distribuzione dei contenuti (CDN) Distribuzione di contenuti: I fornitori di servizi come CNN distribuiscono i contenuti attraverso una CDN (es., Akamai). Ogni volta che un fornitore modifica un oggetto, provvederà a inoltrare la versione aggiornata al nodo CDN, il quale lo replica immediatamente e lo distribuisce ai server CDN. Server di origine in Nord America Nodo di distribuzione CDN Server CDN in Europa 7-29

30 CDN - Esempio Server di origine Server DNS di competenza della CDN Richiesta HTTP per Richiesta DNS per Server di origine (www.foo.com) Provvede a diffondere l oggetto base HTML sostituisce: con Server CDN più vicino Richiesta HTTP per Server CDN (cdn.com) Distribuisce file gif. Utilizza il server DNS server per instradare le richieste di redirezione 7-30

31 Ancora su CDN Richieste di instradamento CDN crea una mappa che indica le distanze tra gli ISP foglia e i nodi CDN Quando arriva una richiesta al server DNS : Il server determina l ISP dal quale è arrivata la richiesta Usa tabelle d instradamento per determinare il miglior server CDN. 7-31

32 Capitolo 7: Reti multimediali 7.1 Applicazioni multimediali di rete 7.2 Streaming memorizzati 7.5 Reti per la distribuzione di contenuti multimediali 7.6 Oltre il best-effort 7-32

33 Migliorare la qualità di servizio nelle reti IP Fin qui: si è cercato di ottenere il meglio dal servizio best-effort. In futuro: una nuova generazione di Internet con garanzie di QoS. RSVP: protocollo di segnalazione che consente alle applicazioni di prenotare le risorse. Differenziazione dei servizi: architetture per fornire differenti garanzie. Servizi integrati: architetture per servizi integrati. 7-33

34 Princìpi per fornire garanzie di QoS Esempio: applicazione audio a 1 Mbps, collegamento a 1,5 Mbps con applicazione FTP. Una raffica di pacchetti dalla sorgente FTP può congestionare il router, causando la perdita di alcuni pacchett. Vogliamo dare priorità ai pacchetti audio rispetto a quelli FTP. Principio 1 La marcatura dei pacchetti consente ai router di distinguerli in base alla loro classe di traffico. 7-34

35 Principi per fornire garanzie di QoS (segue) Cosa succede se un pacchetto audio viene inviato a un un tasso più alto rispetto a quanto dichiarato? controllo: costringere la sorgente ad attenersi all allocazione di banda prevista Marcatura e controllo Principio 2 È auspicabile che ciascun flusso sia isolato, in modo che l uno non subisca gli effetti negativi derivati dal comportamento non conforme degli altri. 7-35

36 Principi per fornire garanzie di QoS (segue) Allocare banda fissa (non-sharable) al flusso: uso inefficiente della banda se il flusso non rispetta la sua allocazione Principio 3 È auspicabile che l utilizzo delle risorse sia quanto più efficiente possibile anche in presenza di isolamento dei flussi. 7-36

37 Principi per fornire garanzie di QoS (segue) Assioma: è impossibile supportare richieste di traffico superiore alla capacità del collegamento Principio 4 È necessario un processo di ammissione alla chiamata durante il quale vengono confrontati i requisiti di servizio dei flussi con le risorse disponibili in quel dato momento. Sa la richiesta può essere soddisfatta il flusso potrà accedere alla rete, altrimenti il suo ingresso sarà negato. 7-37

38 Sommario dei principi di QoS 7-38

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