Reti IP e multimedialità

Transcript

1 Reti IP e multimedialità Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 1

2 Nota di Copyright Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell autore prof. Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte dell autore. L informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 2

3 Disegni geometrici e grafica pittorica Oggetti ben definiti descrivibili matematicamente Contorni netti, fill regolari Rappresentano un modello di immagini reali Elementi irregolari, oggetti non ben definiti Sfumature di colore Rappresentano immagini reali

4 Codifica della grafica pittorica PIXEL (picture element) 1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi) 8 bit/pixel = 256 livelli di grigio

5 Risoluzione vector oriented bitmap

6 Immagini bitmap: la codifica del colore Sintesi sottrattiva luce bianca filtri colorati luce colorata

7 Immagini bitmap: la codifica del colore Sintesi additiva luce colorata colori primari

8 Codifica del colore: true color Si associa ad ogni pixel una tripletta di valori, uno per colore primario R G B R G B R G B

9 Immagini bitmap: la palette Si associa ad ogni pixel un indice che individua una riga di una tabella contenente le triplette RGB dei colori utilizzati nell immagine (metafora della tavolozza del pittore) R G B color palette

10 Il movimento Cinema: 24 fotogrammi/secondo In inglese: fotogramma = frame Televisione: 25 fotogrammi/secondo (PAL) 30 fotogrammi al secondo (NTSC) Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano quadri

11 Sfarfallio ( flickering ) Cinema: ogni fotogramma viene proiettato due volte Televisione: ogni quadro viene trasmesso in due parti (righe pari e righe dispari), così la frequenza diventa di 50 (o 60) semiquadri/secondo

12 Codifica digitale del video SERVONO TECNICHE Qualità VHS DI COMPRESSIONE!!! 352x240 pixel a 256 colori, 30 fps 2.5 MB/s Qualità TV broadcast 720x480 pixel a 256 colori, 30 fps 10 MB/s HDTV 1440x1152 pixel a 256 colori, 30 fps 50 MB/s

13 Animazioni Permettono di descrivere geometricamente i movimenti degli elementi dei disegni Richiedono applicativi specifici (es. Flash di Macromedia) Possono essere utilizzati in ambito web mediante opportuni plug-in Complessità di sviluppo abbastanza elevata

14 Il segnale audio amplificatore V segnale audio analogico (elettrico) t suono: successione di compressioni e rarefazioni dell aria amplificatore: amplifica il livello della tensione/corrente microfono: converte il suono in variazioni di una tensione o corrente elettrica

15 Teorema del campionamento se F c B questo segnale contiene tutta l informazione del segnale originale V V segnale da campionare X t segnale di campionamento t T c

16 Alcuni esempi Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation) B 3400 Hz (il canale telefonico ha banda Hz) F c = 8 khz Quantizzazione: 8 bit/campione 64 kb/s 1 minuto: 480 kb

17 Alcuni esempi Musica su CD audio B 20 khz (l insieme di frequenze udibili dall orecchio umano è Hz) F c = 44.1 khz Quantizzazione: 16 bit/campione (per ognuno dei due canali: il CD è stereo) Mb/s 1 minuto: circa 10 MB

18 Tecniche di compressione informazione codifica dati compressione dati compressi informazione decodifica dati decompressione

19 Compressione senza perdita (lossless) informazione codifica decodifica dati compressione α β γ sizeof (γ) < sizeof (β), β = β, α = α informazione dati α β dati compressi decompressione

20 Compressione con perdita (lossy) informazione codifica decodifica dati compressione α β γ sizeof (γ) << sizeof (β), β β, α α informazione dati α β dati compressi decompressione

21 Come funzionano? Compressione senza perdita migliora l efficienza della codifica dell informazione basandosi sulla frequenza statistica dei dati Compressione con perdita riduce la ridondanza nella codifica dell informazione eliminando quegli elementi non (o poco) percepibili dai nostri sensi

22 JPEG encoder: schema a blocchi DCT L immagine viene separata in luminanza (Y) e due componenti di crominanza (U e V) entropy encoder (Huffman coding) U V Y blocco di 8x8 pixel DPCM on AC components RLE on DC components zig-zag scan 8x8 coefficienti di frequenze spaziali quantization quantization table

23 MPEG-2: risoluzioni previste Level Resolution Frame Rate Maximum Bit Rate Application Low 352 x fps 4 Mbps Consumer VCR and MPEG-1 Compatability Main 720 x fps 15 Mbps Commercial TV High 1440 High 1440 x x fps 30 fps 60 Mbps 80 Mbps Consumer HDTV Professional HDTV Production Digital satellite TV, DVD

24 Motion compensated prediction Fotogramma N-1 Fotogramma N finestra di ricerca del movimento blocco di immagine di cui si calcola il vettore di movimento differenze nei pixel del blocco blocco di errore

25 Sequenze di immagini I B B P B B P tempo I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammi P (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento alla più vicina I o P-picture B (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codifica basata sia sul fotogramma precedente che sul successivo, utile per fast reverse play

26 Compressione audio Le diverse tecniche si basano su studi di psicoacustica Nella combinazione di più suoni (es. musica), una parte considerevole dell informazione sonora non è sentita dall ascoltatore medio e può essere soppressa

27 Cosa si ottiene? Le codifiche multimediali portano a FLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI La trasmissione, ricezione e ricostruzione dell informazione audio o video deve avvenire alla stessa velocità della sua generazione 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 27

28 Commutazione di circuito

29 Commutazione di circuito Il percorso da un estremo all altro della connessione: deve essere disponibile prima dell inizio della comunicazione viene impegnato per tutta la durata della comunicazione (addebito a tempo) Bassi ritardi di propagazione un circuito elettrico produce ritardi di circa 5 ms per 1000 km

30 Commutazione di pacchetto

31 Commutazione di pacchetto Possibile perdita di pacchetti Possibile ordine dei pacchetti in arrivo differente da quello in trasmissione Maggiori ritardi rispetto alla commutazione di circuito Addebito a volume e non a tempo Miglior sfruttamento dei canali

32 Pacchetto indirizzo destinatario indirizzo mittente dati FCS header (intestazione) info tail (coda) packet (pacchetto)

33 Servizi Connection oriented (orientati alla connessione) Modello telefonico si apre la connessione si scambiano i messaggi si chiude la connessione Connectionless (non orientati alla connessione) Modello postale si affida il messaggio al sistema di inoltro

34 Servizi affidabili Servizi Gestiscono la ritrasmissione in caso di errori Garantiscono la ricezione completa e corretta di tutti i messaggi Possono introdurre ritardi inaccettabili Servizi non affidabili non garantiscono la corretta ricezione dei messaggi

35 Servizi datagram Senza riscontro (non usano response/confirm), in analogia con i telegrammi Sono servizi non orientati alla connessione non affidabili Esempio: IP (Internet Protocol) nel TCP/IP errori e perdite di pacchetti sono recuperati dal protocollo TCP

36 Reti locali e geografiche LAN LAN WAN (Wide Area Network) LAN router LAN (Local Area Network)

37 Internet Protocol Suite (TCP/IP) applicazione presentazione sessione trasporto network data link fisico OSI applicazione (telnet, FTP, SMTP, DNS, HTTP, ecc.) trasporto (TCP e UDP) network (IP, ARP, ecc.) host - rete (non specificato) TCP/IP 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 37

38 appl. present. sessione trasporto Riepilogo dei livelli OSI appl. present. sessione trasporto network network network network data link data link data link data link fisico fisico fisico sottorete di comunicazione fisico 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 38

39 appl. present. sessione trasporto Protocolli... protocollo di livello 5 protocollo di livello 4 appl. present. sessione trasporto network network network network data link data link data link data link fisico fisico fisico fisico sottorete di comunicazione 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 39

40 appl. present. sessione trasporto Trasmissione appl. present. sessione trasporto network network network network data link data link data link data link fisico fisico fisico sottorete di comunicazione fisico 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 40

41 Imbustamento multiplo in OSI dati appl. AH dati appl. present. PH dati present. sessione SH dati sessione trasporto TH dati trasporto network NH dati network data link DH dati DT data link fisico bit fisico 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 41

42 Internet e la multimedialità Alcuni applicativi di uso comune in Internet sono multimediali Internet Explorer Netscape La multimedialità in rete permette di realizzare servizi audio e video (es. radio, TV) in digitale su Internet 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 42

43 Esempi: Eventi audio/video in diretta Servizi nearly-vod Videoconferenza multipunto Distribuzione aggiornamenti software 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 43

44 Esigenze del traffico multimediale Banda trasmissiva elevata Ritardi contenuti (per servizi interativi) Jitter (variabilità del ritardo) Basso tasso di errore assenza di correzione (protocolli non connessi) consistenti perdite di informazione in seguito a errori a causa della compressione

45 I limiti della rete Banda trasmissiva spesso insufficiente Ritardi eccessivi Eccessiva variabilità del ritardo Perdita dei pacchetti a causa della congestione della rete Manca ancora una qualità del servizio garantita in ogni punto della rete 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 45

46 Soluzioni (si fa per dire ) Compressione dei dati Codifiche robuste Marcatura del traffico in base alle esigenze di servizio Trattamento differenziato dei pacchetti nelle code dei router 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 46

47 Trasmissione unicast LAN extended LAN WAN LAN 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 47

48 Trasmissione multicast LAN extended LAN WAN LAN 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 48

49 Il problema Applicazioni di rete che richiedono la spedizione di pacchetti da uno o più sender a gruppi di receiver 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 49

50 Trasmissione multicast Il livello rete fornisce un supporto esplicito al multicast 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 50

51 Indirizzi multicast Classe D degli indirizzi IP Da a Su Internet Registrazione degli indirizzi pubblici Sulle intranet Lotto disponibile: Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 51

52 Protocolli per il multicast Creare e terminare un gruppo di multicast Interazione dei router tra di loro per inoltrare i pacchetti multicast 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 52

53 Internet e la telefonia: Voice Over IP Il concetto è sorprendentemente semplice! Convertire la voce in pacchetti IP e trasferirli su una rete dati Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice over Packet in quanto si può applicare a qualunque tecnologia (Frame Relay, IP, ATM) 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 53

54 Internet e la telefonia: Voice Over IP L interfacciamento tra telefonia tradizionale e Voice Over IP può avvenire: a livello SW direttamente sul calcolatore (es. applicativo Net2Phone) a livello HW presso l utente (adattatori locali per la telefonia tradizionale) a livello HW presso le centrali TLC o gli ISP (gateway VOIP sulle dorsali) 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 54

55 S RTS RTS RTS RTS RTS S RTS RTS RTS RTS RTS DCD DCD DCD DCD DCD VOIP sulle dorsali I gateway (nodi di transito) adattano la telefonia tradizionale alle packet-based networks: circuiti telefonici in ingresso, pacchetti IP in uscita gateway PBX Fax B U L I N E 0/ RTS TXD RTS TXD RTS TXD RTS TXD RTS RXD RXD RXD RXD TXD RXD STATSTATSTATSTATSTAT B U L N I E 0/ RTS TXD RTS TXD RTS TXD RTS TXD RTS RXD RXD RXD RXD TXD RXD DCD DCD DCD DCD DCD STATSTATSTATSTATSTAT Fax rete IP 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 55

56 Come contattare il prof. Montessoro Telefono: Fax: URL: Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 56