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
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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
Codifica della grafica pittorica 0000000000000110000000... 0000000000011110000000... 0000000001100110000000... 0000000110000110000000... 00000110000001100... PIXEL (picture element) 1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi) 8 bit/pixel = 256 livelli di grigio
Risoluzione vector oriented bitmap
Immagini bitmap: la codifica del colore Sintesi sottrattiva luce bianca filtri colorati luce colorata
Immagini bitmap: la codifica del colore Sintesi additiva luce colorata colori primari
Codifica del colore: true color Si associa ad ogni pixel una tripletta di valori, uno per colore primario R G B 255 255 255 R G B 248 168 5 R G B 248 168 5
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) 27 27 0 1 2 27 R G B 0 0 0 5 26 177 112 25 9... 248 168 5... color palette
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
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
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
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
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
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
Alcuni esempi Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation) B 3400 Hz (il canale telefonico ha banda 300-3400 Hz) F c = 8 khz Quantizzazione: 8 bit/campione 64 kb/s 1 minuto: 480 kb
Alcuni esempi Musica su CD audio B 20 khz (l insieme di frequenze udibili dall orecchio umano è 20-20000 Hz) F c = 44.1 khz Quantizzazione: 16 bit/campione (per ognuno dei due canali: il CD è stereo) 1.411 Mb/s 1 minuto: circa 10 MB
Tecniche di compressione informazione codifica dati compressione dati compressi informazione decodifica dati decompressione
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
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
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
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
MPEG-2: risoluzioni previste Level Resolution Frame Rate Maximum Bit Rate Application Low 352 x 240 30 fps 4 Mbps Consumer VCR and MPEG-1 Compatability Main 720 x 480 30 fps 15 Mbps Commercial TV High 1440 High 1440 x 1152 1920 x 1080 30 fps 30 fps 60 Mbps 80 Mbps Consumer HDTV Professional HDTV Production Digital satellite TV, DVD
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
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
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
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
Commutazione di circuito
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
Commutazione di pacchetto
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
Pacchetto indirizzo destinatario indirizzo mittente dati FCS header (intestazione) info tail (coda) packet (pacchetto)
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
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
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
Reti locali e geografiche LAN LAN WAN (Wide Area Network) LAN router LAN (Local Area Network)
Internet Protocol Suite (TCP/IP) 7 6 5 4 3 2 1 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Trasmissione unicast LAN extended LAN WAN LAN 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 47
Trasmissione multicast LAN extended LAN WAN LAN 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 48
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
Trasmissione multicast Il livello rete fornisce un supporto esplicito al multicast 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 50
Indirizzi multicast Classe D degli indirizzi IP Da 224.0.0.0 a 239.255.255.255 Su Internet Registrazione degli indirizzi pubblici Sulle intranet Lotto disponibile: 239.0.0.0-239.255.255.255 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 51
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
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
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
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 1 2 3 4 5 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 1 2 3 4 5 Fax rete IP 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 55
Come contattare il prof. Montessoro E-mail: montessoro@uniud.it Telefono: 0432 558286 Fax: 0432 558251 URL: www.montessoro.it 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 56