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Multimídia Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro Redes de Computadores e a Internet – Uma.

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1 Multimídia Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top- down, segunda e terceira edições Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade

2 Multimídia em Redes Características Fundamentais: Tipicamente sensíveis ao atraso. Mais tolerante a perdas: perdas esparsas causam pequenas falhas que podem passar desapercebidas. Antítese de dados (programas, informações bancárias, etc.), que não toleram falhas mas aceitam atrasos sem problemas. Multimídia também é chamada de mídia de tempo contínuo Classes de aplicações MM: Audio e vídeo de tempo contínuo armazenados Audio e vídeo de tempo contínuo ao vivo Audio e vídeo interativo em tempo-real

3 Multimídia em redes (2) Aplicações MM com audio e vídeo armazenados Clientes solicitam arquivos com audio e vídeo de servidores, recebem a informação pela rede e a apresentam Interativo: o usuário pode controlar a operação (similar a um VCR: pause, resume, fast forward, rewind, etc.) Atraso: a partir do pedido do cliente até o início da apresentação pode ser de 1 a 10 segundos Tempo-real unidirecional: similar à TV convencional, mas a transferência de informação é feita pela Internet Não interativo, apenas escutar e ver Tempo-Real Interativo: Conferência de aúdio ou de vídeo Mais exigente nos requisitos de atraso que o tempo real unidirecional por causa da necessidade de interatividade em tempo real Vídeo: < 150 ms aceitável Aúdio: < 150 ms bom, < 400 ms aceitável

4 Multimídia em redes (3): desafios Arquitetura TCP/UDP/IP fornece melhor esforço, não garantias sobre o atraso ou sobre a variação de atraso. Aplicações de tempo contínuo com atrasos iniciais de 5-10 segundos são comuns hoje em dia, mas o desempenho deteriora se os enlaces estão congestionados Aplicações Interativas em tempo real têm requisitos rígidos para atraso de pacotes e variação de atraso (jitter). Jitter é a variabilidade do atraso de pacotes dentro do mesmo feixe de pacotes. Projeto de aplicações multimídia seria fácil se houvesse várias classes de serviço. Mas na Internet pública todos os pacotes recebem igual tratamento. Pacotes contendo audio e vídeo interativo de tempo real permanecem nas filas, como todos os outros. Esforços vêm sendo desenvolvidos para prover serviços diferenciados.

5 Multimídia em redes (4): aproveitando ao máximo o melhor esforço Para reduzir o impacto do serviço de melhor esforço da Internet, nós podemos: Usar UDP para evitar o TCP e sua fase de partida lenta… Armazenar o conteúdo no cliente e controlar a apresentação para remediar o jiter Acrescentar marcas de tempo nos pacotes para que o receptor saiba quando reproduzí-los. Adaptar o nível de compressão à taxa de transmissão disponível Transmitir pacotes redundantes para atenuar os efeitos das perdas de pacotes.

6 Aúdio e Vídeo Armazenados Mídia de tempo contínuo armazenada: Arquivos de audio e de vídeo são armazenados em servidores Usuários solicitam os arquivos de audio e de vídeo por demanda. Audio/vídeo são apresentandos, digamos, 10 s após o pedido. Interatividade (pausa, deslocamento da apresentação) é permitido. Transdutor de Mídia (player): remove jitter descomprime faz correção de erros interface gráfica de usuário com controles para interatividade Plug-ins podem ser usados para embutir o transdutor de mídia na janela de um browser.

7 Informações de tempo contínuo em servidores Web (1) Os arquivos de aúdio e de vídeo são armazenados em servidores Web abordagem ingênua browser pede o arquivo com uma mensagem HTTP do tipo pedido Servidor Web envia o arquivo na mensagem HTTP do tipo resposta O cabeçalho content-type indica uma codificação apropriada para aúdio e vídeo browser dispara o transdutor de mídia e passa o arquivo para ele transdutor de mídia apresenta o arquivo Problema básico: o transdutor de mídia interage com o servidor WEB através do Web browser que atua como intermediário. cliente servidor

8 Alternativa: estabelecer conexão entre o servidor e o transdutor browser Web solicita e recebe um meta arquivo (um arquivo descrevendo o objeto) ao invés de receber o próprio arquivo; O cabeçalho Content-type indica uma específica aplicação de audio e vídeo Browser dispara o transdutor de mídia e passa o meta arquivo para ele Transdutor estabelece uma conexão TCP com o servidor e envia a ele a mensagem HTTP do tipo pedido. Algumas preocupações: O transdutor de mídia se comunica usando HTTP, que não foi projetado para suportar comandos de controle de apresentação Pode desejar enviar o aúdio e o vídeo sobre UDP Informações de tempo contínuo em servidores Web (2) (1) pedido/resposta HTTP por um meta arquivo (3) arquivo solicitado é enviado usando o HTTP (2) meta arquivo transdutor de mídia

9 Obtendo o vídeo de um servidor dedicado Esta arquitetura permite o uso de outros protocolos (além do HTTP) entre o servidor e o transdutor de mídia Pode também usar UDP ao invés do TCP (1) HTTP pedido/resposta para o arquivo descritor da apresentação (2) arquivo descritor (3) arquivo de aúdio e vídeo pedido e enviado cliente servidores transdutor de mídia servidor de vídeo

10 Opções ao utilizar um servidor de vídeo Enviar a uma taxa constante sobre UDP. Para reduzir os efeitos do jitter, armazenar e exibir com uma atraso entre 1 e 10s. Taxa de transmissão é fixa = d, igual à taxa de codificação. Taxa de enchimento x(t) é igual a d, exceto quando há perdas ou jitter na rede. Use TCP, e envie na máxima taxa possível sobre TCP; TCP retransmite quando um erro é encontrado; x(t) agora flutua, e pode tornar-se muito maior ou menor que d. Decodificador deve usar um buffer muito maior para compensar a taxa de entrega do TCP. buffer cliente área com vídeo taxa de chegada = x(t) da rede taxa de leitura = d decodificação e apresentação

11 Telefonia Internet sobre melhor- esforço (1) Melhor esforço Conviver com atraso de pacotes, perdas e variação de atraso (jitter) Exemplo de telefone Internet As aplicações de telefonia na Internet geram pacotes durante momentos de atividade da voz Taxa de bits é 64 kbps nos intervalos de atividade Durante os intervalos de atividade a aplicação produz um bloco de 160 bytes a cada 20 ms (8 kbytes/s * 20 ms) Cabeçalho é acrescentado ao bloco; então bloco mais cabeçalho são encapsulados num pacote UDP e enviados Condições da rede: alguns pacotes podem ser perdidos e o atraso de pacote irá flutuar Receptor deve determinar quando reproduzir um bloco e determinar o que fazer com um bloco faltante

12 Telefonia Internet (2) perda de pacotes o segmento UDP é encapsulado num datagrama IP datagrama pode ser descartado por falta de espaço num roteador TCP pode eliminar perdas, mas retransmissões aumentam o atraso o controle de congestio- namento do TCP limita a taxa de transmissão pacotes redundantes podem ajudar atraso fim-a-fim acúmulo dos atrasos de trans- missão, propagação, proces-samento e atrasos de filas mais que 400 ms de atraso fim-a-fim compromete a interatividade; quanto menor o atraso melhor variação de atraso considere dois pacotes consecutivos num intervalo de atividade espaçamento inicial é de 20 ms, mas o espaçamento no receptor pode ser maior ou menor que 20 ms removendo o jitter número de seqüência marcas de tempo atrasando a reprodução

13 Telefonia Internet (3): atraso de reprodução fixo Receptor tenta reproduzir cada bloco exatamente q ms depois que o bloco é gerado. Se o bloco tem marca de tempo t, receptor usa o bloco no instante t+q. Se o bloco chega após o instante t+q, receptor o descarta. Números de seqüência não são necessários. Estratégia permite pacotes perdidos. Escolha do valor de q: q grande: menos perda de pacotes q pequeno: melhor controle da interatividade

14 Telefonia Internet (4): atraso de reprodução fixo Transmissor gera pacotes a cada 20 ms durante os intervalos de atividade. Primeiro pacote é recebido no instante r Primeira programação de reprodução: começa em p Segunda programação de reprodução: começa em p pacotes gerados pacotes recebidos perda progr. reprodução p - r progr. reprodução p - r tempo pacotes

15 Atraso de reprodução adaptativo (1) Estima o atraso da rede e ajusta o atraso de reprodução no início de cada intervalo de atividade. Intervalos de silêncio são aumentados e diminuídos. Blocos ainda são gerados a cada 20 ms nos intervalos de atividade. Estimativa dinâmica do atraso médio no receptor: onde u é uma constante fixa entre 0 e 1 (ex., u = 0,01).

16 É também usual estimar a variabilidade média do atraso, v i : As estimativas de d i e v i são calculadas para cada pacote recebido, embora elas sejam usadas apenas no início de um intervalo de atividade. Para o primeiro pacote de um intervalo de atividade, o instante de reprodução é: onde K é uma constante positiva. Para este mesmo pacote, o atraso de reprodução é: Para o pacote j no mesmo intervalo de atividade, o pacote deve ser reproduzido em: Atraso de reprodução adaptativo (2)

17 Como saber se um pacote é o primeiro de um intervalo de atividade: Se nunca houvesse perdas, o receptor poderia simplesmente olhar nas marcas de tempo sucessivas. Se a diferença de marcas de tempo sucessivas for maior que 20 ms, então temos o início de um intervalo de atividade. Mas porque as perdas são possíveis, o receptor deve olhar tanto as marcas de tempo como os números de seqüência dos pacotes. Se a diferença de marcas de tempo sucessivas for maior que 20 ms e não há pulos nos números de seqüência então tem-se o início de um intervalo de atividade. Atraso de reprodução adaptativo (3)

18 Codecs de Aúdio Qualidade comercial interlocutor reconhecível inteligível problemas de inteleg MOS (Mean Opinion Score)

19 Codecs de Vídeo H.261 (p x 64 kbit/s) –Vídeo sobre ISDN –Resoluções : QCIF, CIF H.263 (< 64 kbit/s) –Comunicação de baixa taxa de bits –Resoluções: SQCIF, QCIF, CIF,4CIF, 16CIF (128 x 96) (176 x 144) (352 x 288) (704 x 576) (1408 x 1152) SQCIF QCIF CIF 4CIF 16CIF

20 Padrão MPEG Moving Picture Expert Group Padrão criado para codificação de vídeo e audio MPEG1 – Baseado no H.261 Codificação intra-frame explorando redundâncias espaciais, usando DCT e entropy encoding (quadro I, como um JPEG) Codificação inter-frame explorando redundância temporal, usa vetores de movimento para estimar próximo quadro (quadro P) ou interpolar quadro intermediário (quadro B, de bidirecional) Codificação diferencial para quadros previstos ou interpolados GOP (Groups of Pictures) – consiste de um quadro I mais uma sequência de quadros P's e B's. Codificação de audio usando MP3 (MPEG layer 3)

21 Padrão MPEG (2) MPEG1 possui compressão adaptada para mídias como CD-Rom, com taxa de playback típica de 1,2 Mbps MPEG2: desenvolvido para fornecer maior qualidade para aplicações de transmissão, como TV Digital (padrão para DVDs) MPEG4: define o conteúdo a ser transmitido a partir de um framework contendo objetos de mídia e descrição de cenas Além de audio e vídeo, permite a inclusão de outros tipos de mídia, como animação e objetos de computação gráfica Cada componente numa cena multimídia é um objeto com atributos espaciais e temporais indicando seu comportamento Não impõe um mecanismo de transporte padrão, flexibilidade para a aplicação ou provedor Define streaming, sincronização e renderização de forma a permitir escalabilidade, interatividade e boa qualidade para taxas baixas de transmissão (p/ex: 24 kbps)

22 TV Digital Sistema de TV aberta onde a transmissão de vídeo e audio usa codificação digital, permitindo melhor aproveitamento da banda disponível para a TV analógica Permite alta definição (HDTV): de 400x400 para até 1920x1080 pixels Permite interatividade entre espectador e emissora Acesso a menu de programação Canal de retorno para compras, votação, etc (p/ex, via linha telefônica) A recepção do sinal se dá através de Set-Top Boxes, que recebem o sinal de TV digital e o convertem para aparelhos de TV analógica Recepção também pode se dar usando aparelhos de HDTV Set-Top Boxes também podem ser usadas num cenário onde o sinal de TV chega via rede (IPTV)

23 TV Digital Comparação entre sistemas de TV

24 TV Digital (2) Padrão Tecnológico Genérico:

25 Sistema Brasileiro de TV Digital Arquitetura da TV Digital:

26 Sistema Brasileiro de TV Digital Arquitetura da TV Digital:

27 TV Digital (3) Padrões Tecnológicos: Americano Europeu Japonês

28 Sistema Brasileiro de TV Digital Adotado em Junho de 2006:

29 Sistema Brasileiro de TV Digital Padrão brasileiro (ISDB-TB): Baseado no padrão japonês (ISDB) Compressão de Vídeo: MPEG4-AVC = H.264 Compressão de Áudio: MPEG4-AAC Transporte: MPEG2 p/ transmissão via satélite RTP p/ transmissão por IPTV Modulação COFDM Middleware: Ginga (Ginga-J e Ginga-NCL)

30 Sistema Brasileiro de TV Digital Compressão de vídeo:

31 Sistema Brasileiro de TV Digital Compressão de áudio:

32 Sistema Brasileiro de TV Digital Receptor:

33 Sistema Brasileiro de TV Digital Middleware Ginga:

34 Sistema Brasileiro de TV Digital Arquitetura Ginga-J:

35 Sistema Brasileiro de TV Digital Decreto define o Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre (SBTVD-T) possibilitará HDTV e transmissão em definição padrão (SDTV) transmissão digital simultânea para recepção fixa, móvel e portátil, além de interatividade transmissão analógica continuará ocorrendo, simultâneamente à digital, por um período de 10 anos até 29/06/2016 a partir de Jul/2013 somente serão outorgados canais para a transmissão em tecnologia digital pelo menos quatro canais digitais para a exploração direta pela União Federal como canal do Poder Executivo, Canal de Educação, Canal de Cultura e Canal de Cidadania

36 Sistema Brasileiro de TV Digital O Ministério das Comunicações divulgou cronograma que prevê para Dez/07 o início das transmissões de TV Digital na cidade de São Paulo e em Dez/09 em todas as capitais do país. Cada canal analógico corresponderá a um novo canal com largura de banda de 6 MHz.

37 Sistema Brasileiro de TV Digital Implantação no mundo: AtéPaís Agosto 2007Finlândia Outubro 2007Suécia Novembro 2007Suíça Final 2008Alemanha Fevereiro 2009Estados Unidos Outubro 2009Dinamarca 2011Canadá 2011França 2011Japão 2011Coréia do Sul 2012Hong Kong 2012Irlanda 2012Reino Unido 2015China 2016Brasil 2017Rússia

38 IPTV Internet Protocol Television Serviço de TV digital pela Internet ISP's passam a ter capacidade de fornecer serviços no estilo TV por assinatura a um custo mais baixo Triple Play: Telefonia IP (VoIP), IPTV e acesso Internet banda larga (tipicamente ADSL) através de Set Top Boxes pode-se enviar o sinal para uma TV analógica Caminho historicamente inverso ao dos acessos via cable modem antes, Internet pegando carona na infra de TV por assinatura agora, canais de TV pegando carona nos acessos DSL, que por sua vez pegaram carona no acesso telefônico

39 IPTV (2) Transmitir TV pela Internet com a mesma qualidade da TV aberta é problemático Arquitetura de melhor esforço da Internet não privilegia tráfego de vídeo Futuro serviço de HDTV necessitará de mais banda e intensificará o problema Uso de multicast para diminuir o consumo de banda e QoS para reserva de recursos e tratamento privilegiado Bom modelo de negócio para ISP's e Telcos AS's têm a possibilidade de implantar multicast e QoS em seus backbones; contra-partida ao best effort da Internet

40 IPTV (3) IPTV engloba também serviços de Vídeo sob Demanda (VoD), além da vídeo difusão de canais de TV (Live TV) Recepção nos PC's ou usando Set Top Boxes Protocolos mais usados são o MPEG2, MPEG4 e H.264 Potencializa a interatividade para escolha de programação, busca de canais e uso conjunto de outras mídias (foto, música, etc) Sinalização para VoD usa o protocolo RTSP (Real Time Streaming Protocol) Interessante aplicação para explorar a tecnologia de transmissão sem fio WiMax (802.16) e a FTTH (Fiber To The Home)

41 Redes de distribuição de conteúdo (CDNs) Réplica de conteúdo Desafio para transmitir fluxo de arquivos grandes (ex., vídeo) de um único servidor de origem em tempo real Solução: replicar o conteúdo em centenas de servidores por toda a Internet Conteúdo é descarregado nos servidores CDN antes do tempo de uso Colocar o conteúdo "próximo" ao usuário evita prejuízos (perda, atraso) de se enviar o conteúdo por longos caminhos Servidor CDN tipicamente na rede de borda/acesso

42 Réplica de conteúdo Cliente CDN (ex., Akamai) é o provedor de conteúdo (ex., CNN) CDN replica o conteúdo dos clientes em servidores CDN. Quando o provedor atualiza o conteúdo, a CDN atualiza os servidores CDNs (2)

43 Servidor de origem (www.foo.com) Distribui HTML Substitui: por ruth.gif Companhia CDN (cdn.com) Distribui arquivos gif Usa seu servidor DNS autoritativo para rotear requisições redirecionadas CDNs (3)

44 Mais sobre CDNs Requisições de roteador CDN cria um mapa, indicando as distâncias dos ISPs aos nós CDN Quando a consulta chega ao servidor DNS autoritativo: Servidor determina ISP de onde se originou a consulta Utiliza o mapa para determinar o melhor servidor CDN Nós CDN criam a rede de sobreposição da camada de aplicação CDNs (4)

45 VoIP O serviço de VoIP (Voice over IP) usa a rede IP para estabelecer e efetivar uma conversação de voz ponto a ponto A sigla VoIP também é usada para o serviço de Telefonia sobre uma rede IP Chamadas telefônicas são encaminhadas pela rede IP Necessidade de protocolos para estabelecimento da chamada (sinalização) e de outras funcionalidades do serviço de telefonia convencional (audio-conferência, redirecionamento, etc) Equipamentos específicos para conduzir o sinal do aparelho telefônico para a rede IP e interfaceamento com a Rede de Telefonia Pública (PSTN, Public Siwitched Telephony Network) Requer QoS, dada uma alta sensibilidade a jitter, retardo e perda

46 VoIP (2) Diagrama genérico dos componentes envolvidos:

47 VoIP (3) GW (Gateway): interoperabilidade entre a rede IP e o STFC (Sistema de Telefonia Fixa Comutada), conversão de mídia em tempo real (codificação) e conversão de sinalização para as chamadas telefônicas GC (Gateway Controller): controle das chamadas em andamento realizadas pelo GW, gera as informações de sinalização e comanda o GW para iniciar, acompanhar e terminar uma chamada GK (Gatekeeper): tradução de endereçamento, controle de acesso dos equipamentos à rede de sua Zona, autorização de chamadas, localização de GW, gerenciamento de banda, serviços de agenda telefônica (lista) e serviços de gerenciamento de chamadas MCU (Multipoint Control Unit): serviços de conferência entre 3 ou mais terminais

48 VoIP (4) Diagrama genérico para o cenário de um ambiente corporativo: CM (Call Manager): mesma função do Gatekeeper AS (Aplication Server): fornece serviços adicionais, como caixa postal, URA (Unidade de Resposta Audível) e agenda telefônica

49 VoIP (5) Diagrama genérico da pilha de protocolos que podem estar envolvidos:

50 Grades Computacionais (Grids) Grids: Modelo computacional que faz uso de recursos distribuídos para resolver problemas e prover serviços que não poderiam ser tratados no modelo tradicional centralizado (p/ex: física de altas energias, previsão de clima, simulação de terremotos, etc) Provê mecanismos escaláveis e confiáveis para descobrir, integrar, reconfigurar e liberar múltiplos recursos de caráter heterôgeneo, formando uma espécie de cluster virtual Recursos podem ser: clusters, mass storages, computadores comuns ou especializados, sensores, equipamentos, softwares, etc Permite o surgimento de organizações virtuais, ou seja, grupos distribuídos de trabalho colaborativo que utilizam uma infra- estrutura distribuída e especializada

51 Grades (2) Para se rodar um job numa determinada grade computacional faz-se necessário o uso de um middleware específico para esta grade É o middleware quem estrutura a informação e interage com a grade para alocar recursos, distribuir a aplicação, gerenciar sua execução e apresentar os resultados Três tipos básicos de grades (extraído do Wikipedia): grade de dados, grade computacional e grade de equipamento (p/ex: operar remotamente, obter e analisar dados de um super-telecópio) Alguns produtos/middleware existentes: Globus (kit de ferramentas da Globus Aliance) BOINC (middleware de Berkeley) Our Grid (iniciativa da UFCG, Brasil)

52 Grades (3) Componentes do Globus Toolkit podem ser agrupados em cinco categorias: Serviços de alocação de recursos e gerência de execução (escalonamento) Serviços de autenticação, autorização e delegação Transferência confiável de dados e serviços para acesso, inserção e remoção de dados Serviços de monitoração e descoberta Serviços para controle on-line e instrumentação

53 Grades (4) Alguns foruns para padronização de arquiteturas de Grades: Global Grid Forum IETF: RFC 2768 Enterprise Grid Aliance Requisitos de rede dependem do tipo de aplicação: Garantias de QoS Transferências confiáveis em altas taxas (TCP modificado ou UDP confiável) Infra-estrutura de nível 2 e 1 possibilitando altas taxas MPLS e VPNs (Virtual Private Network) Multicast e anycast

54 Grades (5) TCPs de alta velocidade: mecanismos de controle de congestionaento adaptados para serem mais agressivos e rapidamente ocuparem a banda disponível Fast TCP, BIC TCP, High-speed TCP, Scalable TCP, TCP Westwood e H- TCP Além da rapidez na ocupação da banda disponível, é desejável que o protocolo seja o mais justo possível (fairness) Alguns mecanismos se baseam em (propõe) indicação explícita de congestionamento proveniente dos roteadores (não é padrão)

55 Grades (6) UDPs naturalmente são capazes de ocupar toda a banda disponível de acesso, porém não fornecem confiabilidade na transmissão (perdas pode ocorrer Interessante para casos onde não há contenção de banda e a perda é muito rara Pacotes perdidos devem ser informados e retrasmitidos de alguma maneira Alguns UDPs confiáveis existentes: Reliable Blast UDP, UDP-based Data Transfer Protocol e Tsunami Usa conexão TCP para controle do que foi enviado ou perdido


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