Aplicações e Reserva de Recursos na Internet

1. Aplicações e Reserva de Recursos na Internet Sistemas Telemáticos LESI Grupo de Comunicações por Computador 2000

2. Objectivos • Abordar os requisitos das novas aplicações no âmbito das redes de computadores. • Verificar a adequabilidade da filosofia best-effort a esses requisitos (alguns deles motivados pelas aplicações multimedia de tempo-real) • Técnicas usadas pelas aplicações T.R sobre cenários best-effort. • Novas soluções protocolares que garantam Qualidade de Serviço (QoS). Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

3. Classificação de Aplicações • Aplicações Elásticas • Aplicações de Tempo Real • Intolerantes • Tolerantes Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

4. Classificação das Aplicações • Aplicações Elásticas • ftp, e-mail, http, .... • Aplicações que não são extremamente sensíveis a factores como: • Atrasos, variação dos atrasos, variações de largura de banda, perdas, etc... • apesar desses mesmos factores afectarem o seu desempenho • Preocupação sob o ponto de vista de integridade do dados • Protocolos de transporte tradicionais tais como: TCP, UDP, ... Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

5. Classif. das Aplicações (cont.) • Aplicações de Tempo Real (audio e vídeo em tempo real, vídeo-conferência...) • Requisitos: garantia de isocronismo dos dados gerados, sensibilidade a atrasos, sensibilidade a perda de pacotes, necessidades de sincronização, largura de banda etc... • Duas classes de aplicações de T.R: Aplicações Rígidas/Intolerantes Aplicações Adaptativas/Tolerantes Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

6. Aplicações de T.R. • Aplicações Rígidas • Requerem suprtes que garantam limites para os diversos parâmetros que as condicionam (largura de banda, perdas, atrasos de pacotes...) • Aplicações Tolerantes/Adaptativas • Assumem um determinado grau de inadequação do meio • não se baseiam em limites fixos para os parâmetros de funcionamento • admitem um grau de tolerância às condições de operação • observação vs adaptação Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

7. Aplicações de T.R. (cont.) T.R estrito “custo” T.R tolerantes desempenho Suportes Protocolares • Adequação aos objectivos das aplicações • Protocolos usualmente utilizados • TCP - fiabilidade à custa de mecanismos nem sempre apropriados... • UDP - carece de alguns mecanismos indispensáveis às aplicações de T.R. • Natureza multi-utilizador de muitas das aplicações multimédia com requisitos de T.R paradigma de comunicação multi-ponto (multicasting) • Desenvolvimento de aplicações com requisitos de T.R. Soluções propriétarias. (aplicação + transporte - ex. aplicações Vchat, Vosaic, CuSeeme, etc...) • Aplicações Adaptativas vs Intolerantes Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

8. Suporte de Aplicações Multimédia e de Tempo Real • Tempo Real sobre redes best-effort • RTP (Real Time Protocol) • Reserva de Recursos • RSVP (Resource Reservation Protocol) • Serviços Diferenciados Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

9. Protocolos Streaming • Adequados para aplicações geradoras de tráfego T.R. sobre cenários best-effort (IP) • Operação sobre cenários sem garantia de alocação de recursos • Conceitos: • Tolerância a perdas de pacotes • Controlo de atrasos (jitter vs buffers de amortecimento) • Adaptação dinâmica dos serviços (mediante mecanismos de sinalização do estado de operação dos canais de dados) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

10. Protocolo Streamming (cont) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

11. Protocolo Streamming (cont.) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

12. Protocolo RTP Protocolo RTP (Real Time Protocol) (RFC 1889) • Implementado como base às aplicações de T.R (adaptativas) • Fornece mecanismos de transporte fim-a-fim a dados gerados por aplic. T.R • Apto a ser aplicado em cenários unicast ou multicast • Canal de dados + canal de controlo (RTCP - Real Time Control Protocol) • RTCP - mecanismos de notificação do estado de operação do canal de dados (perdas, atrasos, sincronização etc ...) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

13. Protocolo RTP (cont.) • Camada Protocolar com o RTP (best-effort) • Fornecer um mecanismo de transmissão a dados T.R. • Fornecer mecanismos para controlo dos dados por parte da aplicação Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

14. Protocolo RTP (cont.) • Sessão RTP = canal dados + canal de controlo • Emissão de vários media- cada um é transmitido em sessões independentes • Endereço de sessão = endereço de rede (unicast ou multicast) + porta protocolar • Canal RTCP = porta protocolar do canal RTP+1 Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

15. Protocolo RTP (cont.) • Cenários multicast: • Canal RTP - dados das aplicações • Canal RTCP - dados de controlo • informação de alto nível • estatísticas sobre o desempenho dos receptores: perdas de pacotes , atrasos, jitter, inf. sincronização, etc... Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

16. RTP sobre Multicasting • Protocolos de encaminhamento (diferentes filosofias) • Protocolos de gestão de grupos multicast (IGMP) • Túneis IP (interoperacionalidade entre encaminhadores) • Propagação de sessões multicast (parâmetro TTL) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

17. Formato Pacote RTP Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

18. Multiplexagem das sessões RTP • Cada média transportado numa sessão independente • Estratégia de multiplexagem: endereço de transporte (IP+Porta) • Transitam pacotes dum único tipo (payload type) • Gerados por uma ou mais entidades(SSRC) • Se as entidades trocarem entre si outro tipo de dados abre-se numa nova sessão RTP, independente da primeira Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

19. Real Time Control Protocol • Protocolo de controlo associado ao RTP • Usado para trocar mensagens de controlo entre os participantes • Identificação de fontes: nome e email dos participantes • Mensagens do estado da sessão • Geradas por todos os participantes • Relatar valores de diversos parâmetros: perdas, atrasos, estados de sincronização • 2 tipos: sender report (SR) e receiver report (RR) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

20. Mecanismos de Controlo Variação nos atrasos dos pacotes - Jitter • Influência no desempenho das aplicações (isocronismo). • Cálculo nas estações receptoras: jitterx = jitter(x-1) + fact*(dst - jitter(x-1)),dst = Diffdest(x,x-1) + Difforg(x,x-1) • Necessidade de buffers de amortecimento. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

21. Exercício para o cálculo de jitter • Suponha uma fonte que gera pacotes com intervalos de 20 ms. Enviaram-se 70 pacotes: os 12 primeiros pacotes chegaram ao destino com uma diferença de 40ms os 14 seguintes com diferença de 60 e os restantes com a diferença de 20 ms. Calcule o jitter usando um factor de amortecimento de 1/8. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

22. Solução do Exercício Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

23. Mecanismos de Controlo Buffers de Amortecimento • Amortecer o efeito da variação dos atrasos (assegurar isocronismo) • Reordenação de pacotes • Análise de n amostras e cálculo de um valor de amortecimento a ser adoptado. D = u(1) - u(n) com u(k) - késsimo maior valor dos atrasos das amostras. • Antes de começar a reproduzir espera-se um determinado tempo. n n-1 n-2 n-3 D RECEPTOR n n-1 n-2 n-3 EMISSOR t1 t2 t3 tf tf tf Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

24. Exercício • Considere o receptor de uma cadeia de vídeo que tem uma taxa média a longo prazo de 100 Mbps • (a) Qual é o intervalo médio entre pacotes se cada pacote tem o tamanho de 1KB? O intervalo entre pacotes deve ser medido do 1º bit de um pacote e o 1º bit do pacote seguinte. • (b) Suponha que o maior intervalo possível entre pacotes é de 500 ms. Qual deve ser o ponto de reprodução para assegurar que todos os pacotes (quadros) chegam a tempo? • (c) Qual o tamanho do buffer necessário para suportar este ponto de reprodução? Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

25. Solução • (a)100Mb de dados vai ser transferido durante um segundo. Precisa de 100Mb/1000*8b = 12500 pacots. Intervalo entre pacotes = 1/12500 = 80 us • (b) Comparado com 500ms, 80us(o tempo para transferir um pacote) é muito pequeno. O tempo de reprodução é 500ms. • (c) Buffer = 0,5 * 100Mbps = 6.1MB Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

26. O erro do João • O João decide que para a sua aplicação de vídeo recuperar das perdas na Internet o seu ponto de reprodução (playback point) deve ser igual ao RTT actual do originador. Ele visualiza na sua aplicação multimédia vídeos dos 4 cantos do mundo. Ele constata que para os maiores RTTs o seu vídeo comporta-se bem enquanto para os RTTs mais curtos perde vários quadros. Que erro está a fazer o João? Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

27. Sugestão ao João • O ponto de reprodução deve depender do jitter do atraso e não do atraso fim-a-fim (RTT) para assegurar uma reprodução sem problemas. O que está acontecer neste caso é que para RTTs curtos o jitter é maior que o RTT e isso provoca a perda dos pacotes atrasados; no caso dos RTTs maiores o jitter é menor que o RTT e perdem-se muito menos pacotes. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

28. Mecanismos de Controlo Estratégias de Reprodução • Preservação Temporal • Tentar reproduzir a informação que obedeça ao limite temporal imposto • Preservação de Informação • Tentar reproduzir toda a informação recebida independentemente. De estar atrasada ou não (1) (2) (3) (4) D D (5) (1) (1) (6) (2) (2) (7) (3) (3) (8) (9) (4) (5) (6) (6) (7) (8) (8) (9) (9) Recepção dos pacotes Preservação Temporal Preservação da Informação • Probabilidades diferentes de cortes nos media Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

29. Estratégias de Reprodução (cont.) • Preservação de Informação • Quebra no pacote i se: u(i) > (u(0) + D) e u(i) > u(1), u(2)..u(i-1) • Cálculo da probabilidade de quebra baseado em funções de distribuição de probabilidades dos atrasos e função de distribuição de tempos de amortecimento. • Preservação Temporal • Quebra no pacote i se: u(i) > u(0) + D • idem - maior número de quebras.... mas com outras vantagens Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

30. Mecanismos de Controlo Perda de Pacotes • Afectam desempenho das aplicações. • Situações de saturação da infra-estrutura. • Cada receptor mantém estatísticas das perdas verificadas informa periodicamente as entidades emissoras. • filtroperdas=fact * (filtroperdas)+ (1-fact)*percperdas com (0<fact<1) • Percperdas presentes nos pacotes RTCP • Definição de limites para o filtro de análise de perda de pacotes. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

31. Perdas de Pacotes (cont.) • Indicador para a aplicação diminuir o seu débito (alteração de codificações, diminuição do frame-rate, etc...) • Receptor define limites inferiores/superiores para as percentagens admissíveis de perda de pacotes • (> limite_superior) dimin. débito ; (< limite_inferior) aum. débito. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

32. Adaptação às perdas Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

33. Perdas de Pacotes (cont.) Perda de Pacotes - Ambientes multicast (n participantes) • Vários receptores diferentes situações de operação. • Decisão a tomar pelos emissores? • Atender ao pior caso? • Ponderação dos estados dos intervenientes (classificação das entidades + algoritmo de decisão). • Emissão simultânea de um mesmo medium codificado de diferentes maneiras: • Cada codificação numa sessão multicast independente • Cada receptor escolhe a mais apropriada • Vantagens/inconvenientes... Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

34. Perdas de Pacotes (cont.) Congestionada Normal • Técnica de ponderação de estados dos receptores • Cada receptor é classificado e depois é tomada uma decisão de débito de informação. %PERDAS 100% %Perdas anunciada lim_sup filtroperdas lim_inf Sem perdas 0% Débito - Diminuição, aumento,continuação Se ((Nentcong/Ntot) > %entcong) Se (Nentnorm/Ntot) > %entcong) Senão Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

35. Perdas de Pacotes (cont.) C A • Cenário multicast com 3 entidades (A,B,C). C relata as perdas; a partir de um dado instante as perdas de C ultrapassam os limites admissíveis pelos emissores A e B; A e B diminuem os débitos; as %ens perdas em C diminuem. RTP sobre multicast B Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

36. Mecanismos de Controlo Módulo Sincronização • Emissores enviam + do que 1 medium • Transmissão em sessões distintas (assumido pelo RTP) • Afectados por condições variáveis (perdas, atrasos ....) • Processamento local das estações • Necessidade de sincronização periódica dos dados pelas entidades receptoras. • fsincroniza(Ses1,Ses2) : nºpacotes de desfazamento entre as sessões como medida dessa dessincronização (+Ses1 atrasada, -Ses2 atrasada) Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

37. Sincronização (cont.) buffering Canal A EMISSOR RECEPTOR Canal B eliminação pontos de sincronização • Como é realizada a sincronização ? • Através da informação presente nos pacotes RTCP de cada uma das sessões: • “no instante x do emissor o último pacote do canal A estava etiquetado com t1, no instante y do emissor o último pacote do canal B estava etiquetado com t2” Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

38. Sincronização (cont.) • Mesmo cenário multicast (entidades A, B C) • Problemas de sincronização aumentam com a escala da infra-estrutura utilizada Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet

39. RTP (cont.) • Encapsulamento de diferentes media sobre o RTP (grupo AVT do IETF) • Compressão dos cabeçalhos RTP • diminuir a sobrecarga por eles gerados. • Questões de segurança • encriptação de conteúdos. • geração aleatória de estampilhas temporais e identificadores • Mecanismos de gestão e notificação de sessões • Protocolo SDP - Session Description Protocol • Mixers - Entidades modificadoras dos conteúdos dos pacotes RTP. Sistemas Telemáticos - Aplicações Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet