Hálózati multimédia

1. Hálózati multimédia Benczik Andrea 641. Csoport

2. Amiről szó lesz: • Bevezetés • Osztályozás • Példa: az Internet telefon • A hálózati multimédia nehézségei • Hibajavítási lehetőségek • Fejlesztési lehetőségek • Ütemezési mechanizmusok • Következtetések

3. Bevezetés • hálózatok, állomány átvitel, elektronikus levelezés  statikus adatok (szöveg, kép) • késedelem tűrő • veszteség érzékeny • Multimédia hálózati alkalmazások  dinamikus adatok (hang, mozgókép) • késedelem érzékeny • veszteség tűrő

4. Osztályozás • Tárolt audió és videó hálózati alk. (streaming stored audio and video) • Egy-több tipusú, valós idejű h. a. (One to many streaming of real-time audio and video) • Valós idejű, interaktív h. a. (Real-time interactive audio and video)

5. 1. Tárolt audió és videó h. a. • sűrített audió és videó állományok lekérése, amelyeket szervereken tárolnak • áramlásnak (streaming) = a kliens visszajátssza az audio állományt, miközben folyamatosan tölti le az állomány többi részét • példák: • audio: előadások, zene, arhív rádió felvételek, történelmi arhív felvételek. • video: előadások video felvételei, filmek, előre felvett show műsorok, történelmi eseményeket megörökítő felvételek, sport események felvételei, video klippek.

6. 1. Tárolt audió és videó h. a. • interaktív lehetőségek: • pl. szünet/újrajátszás, időbeni ugrások • RTSP (Real Time Streaming Protocol) – kliens/szerver interakció protokoll segítségével • A kliens kérésére a szerver elindítja az állományt (TCP vagy UDP) socketen keresztül; • Szegmentálás; • audio/video állományokra jellemző fejléc – RTP (Real-Time Protocol) ; • Késés = felhasználó kérése  kért esemény bekövetkezik – 1-10 mp.

7. 2. Egy-több tipusú, valós idejű h. a. • a hagyományos radió és tévé műsor sugárzáshoz hasonló; • több felhasználó is ugyanazt a valós időben sugárzott adást fogja egyidőben  nem interaktív ; • szolgáltatása hatásosan multicast-al, de az unicast-os megoldás elterjedtebb ; • csomagok késése lehet kb. 10 mp is.

8. 3. Valós idejű, interaktív h. a. • audió: internetes telefon (alacsony ár; helyi és távolsági hívások; szám.gép és telefon integrálása; csoportos valós idejű beszélgetések; hívó azonosítása; hívók szűrése) • videó: videó konferenciák (pl. Microsoft Netmeeting) • késések: •  150 szmp – nem észlelhető; • 150 - 400 szmp – elfogadható; •  400 szmp – zavaró, érthetetlen beszéd. • Jól működik: megfelelő sávszélesség, minimális késések • Minőség csökken, vagy elfogadhatatlanná válik: ha egyes útszakaszokon közepes torlódásokvannak.

9. Példa: az Internet telefon • beszélő  hang jelek = egymást követő beszéd- és csend időszakok; • beszéd időszakok (8 Kbyte/mp)  1 csomag/20 szmp 1 csomagba (20 szmp)*(8 Kbyte/mp) = 160 byte • csomag + fejlécUDP szegmensbe foglalják  socketen keresztül elküldik; • Ideális esetben az címzetthez a beszédidőszakok alatt 20 szmpként érkezik egy-egy adatcsomag ; • Valós esetben a fogadó félnek figyelnie kell: • a visszajátszás megkezdésének időpontjára; • a adatcsomagok hiányának kezelésére.

10. A hálózati multimédia nehézségei • Az IP legjobb erőfeszítés(best-effort ) szolgáltatása nem biztosít az adatcsomagok elvesztése, a késések, a késések váltakozása kiküszöböléséről. • A valós idejű multimédia alkalmazások, ( pl. internetes telefon, videó konferenciák) nagyon érzékenyek mindezekre. • Ha mindezek nem haladnak meg túlzottan egy bizonyos mértéket, számos mechanizmus alkalmazható, melyekkel jó audió és videó minőséget lehet biztosítani.

11. Nehézségek: adatvesztés • UDP szegmensek – IP adatgrammokba vannak foglalva • IP adatgramok tartanak a címzett felé  routerek buffereibe kerülnek • Ha a buffer be van tele több adatgram már nem kerül bele, figyelmen kívül lesznek hagyva elvesznek • Adatveszteség: • 1 – 20% közötti – elfogadható; • 20% felett – nincs olyan módszer, amivel elfogadható hangminőséget lehetne biztosítani.

12. Nehézségek: késések és késések váltakozása • Késés= routerekbeli várakozási és feldolgozási idő + terjesztési idő + cél-rendszerbeli feldolgozási idő. • Ha a késések értéke: • <150 szmp – nem érzékelhető; • 150 – 400 szmp – elfogadható de nem ideális; • >400 szmp – értheteten beszédet eredményez. • A vevő semmibeveszi azokat a csomagokat, amelyek egy megadott időküszöbnél többet késtek  adatvesztés. • Késések váltakozása: az idő, amely egy csomag keletkezése és címzetthez való megérkezése között eltelik, minden csomag esetében más és más lehet.

13. Elveszett adatok pótlása • Célja: elfogadható hangminőséget biztosítani. • Elveszett adatcsomagok újraküldése • pl. UDP helyett TCP használata (a TCP újraküldi azokat a csomagokat, amelyek nem érkeztek meg a címzetthez). • ha a router várakozási sora túlcsordult: újraküldés túl sok időt venne igénybe; • a csomag késése túllépte a megengedett időküszöböt: az újraküldésnek nincs értelme. • Adatveszteségek megelőzése • Előzetes hibajavítás (forward error correction); • Előzetes hibajavítás közbeiktatással.

14. Előzetes hibajavítás • Lényege: az eredeti információ mellett redundáns adatok küldése, melyek felhasználásával az elveszett adatcsomagok pótolhatók. • Első változat: • n csomag XOR-olásából n+1. ként elküldött csomag • Ha az n+1 csomag közül egyik elvész, akkor az teljesen egészében újrafelépíthető. • Ha egy csoportból kettő vagy több csomag is elvész, akkor a vevő már nem tudja ezeket pótolni. • Hátrányok: • Ha n+1 kicsi  egy jó része az elveszett csomagoknak pótolható. Viszont megnő az hangállomány továbbításának ideje. (pl. n=3-ra a továbbítási idő 33%-al nő) • A visszajátszás csak akkor kezdődhet el, ha a vevőhöz az adottcsoport minden csomagja eljutott.

15. Előzetes hibajavítás • Második változat: ismétlődő adat - az eredeti hangfelvétel (audio stream) alacsonyabb minőségű változata. • n. csomag = eredeti felvétel n. csomagja + alacsony minőségű felvétel n-1. csomagja • A veszteség az alacsony minőségű csomag visszajátszásával pótolható. (ha nem egymás után következő csomagok vesztek el) • Egymásutáni adatcsomagok elvesztésének pótlása: a küldő az n. adatcsomaghoz hozzákapcsolja pl. az (n-1). és (n-2). csomagot. • Előnye: A vevő csak két csomagot kell megkapjon, mielőtt elkezdené a visszajátszást  kisebb késés. • pl. Free Phone, RAT

16. Előzetes hibajavítás - 2. változat

17. Előzetes hibajavítás közbeiktatással • Módszer: a küldő az audio adatokatelküldésük előtt újrafelosztja egységekre, úgy hogy az eredetileg egymás mellett lévő egységek az új sorrendben egy bizonyos távolságra helyezkedjenek el egymástól. • Pl. egységek - 5 szmp, csomagok - 20 szmp  egy csomagban 4 egység van. • Ha elvész egy csomag, akkor az több kisebb méretűhiányt okoz az újrafelépített hangfelvételben  egy nagy méretű hiány. • Előnye: nem növeli meg az adatfolyam továbbításához szükséges sávszélességet.

18. Előzetes hibajavítás közbeiktatással

19. Hibák javítása a vevő részen • Alapötlet: az audio jelek nagyon sok rövid idejűönazonosságot mutatnak  létrehozható egy, az eredetihez hasonló helyettesítő csomag. • Kis veszteségek (15%-nál kisebb) és kis csomagok (4-40 szmp) esetén működik. • Csomagok ismétlése: a hiányzó csomagokat azon csomagok másolataival helyettesíti, amelyek rögtön a hiány előtt érkeztek. • Interpoláció: a hiányzó csomag előtti és utáni audio részek felhasználásával, egy olyan csomag létrehozása, amellyel a hiányzó csomag pótolható.

20. Késések váltakozásának eltávolítása a vevő részen • három módszer kombinációja: • csomagok számozása; • csomagok időbélyeggel való ellátása; • csomagok lejátszásának késleltetése. • csomagok sorszáma, időbélyeg – csomag fejlécében. • A lejátszás késleltetése elég nagy kell legyen ahhoz, hogy a csomagok minél nagyobb része megérkezzen egészen a lejátszásuk tervezett időpontjáig. • Késleltetés lehet: • rögzített késleltetés: a konferencia teljes időtartama alatt azonos az értéke; • alkalmazkodó késleltetés: értéke változhat a konferencia időtartama alatt.

21. Rögzített késleltetés

22. Rögzített késleltetés • Az ábrán a késések miatti adatvesztések láthatók különböző rögzített késleltetés értékekre. • A csomagokat q szmpcel a keletkezésük után játszák le. (150 szmp < q < 400 szmp) • a küldő egyenlő időközönként generál csomagokat. Az első csomag r időpillanatban ér a vevőhöz. A késések váltakozása miatt az egymás utáni csomagok nem érkeznek egyenlő időközönként. • Példa: a rögzített késleltetés értéke p - r. A 4. csomag nem érkezik meg a lejátszása tervezett időpontjáig  elvész. • Példa: a rögzített késleltetés értéke p’ - r. Minden csomag megérkezik a lejátszása tervezett időpontjáig  nincs semmilyen adatvesztés.

23. Alkalmazkodó késleltetés • ha a rögzített késleltetés értéke nagy a legtöbb csomag időben megérkezik, veszteség elhanyagolható, hosszúvárakozások viszont sokszor elfogadhatatlanok. • Ideális eset: késleltetés értéke minimális és az adatveszeteség adott százalék alatt marad. • Megoldás: minden beszédidőszak elején felbecsülni a hálózat által okozott késést, és a késések váltakozásának értékét és ehhez igazítani a visszajátszás késleltetésénekértékét. • A vevő a csomagok sorszámaival megállapíthatja, hogy a 20 szmpnél nagyobb különbségek az időbélyegek között, elveszett csomagok miatt vannak, vagy egy új beszédidőszak kezdése okozta őket.

24. Fejlesztési lehetőségek a jobb multimédia támogatás érdekében • Szélsőséges lehetőségek: • nagyobb sávszélesség alkalmazása; • az applikációk kizárólagosan a maguk számára foglaljanak le egy bizonyos sávszélességet a feladótól egészen a címzettig. • A két véglet között – megkülönböztetett szolgáltatások: • kis változtatások a hálózatban és a szállítási rétegekben; • egyszerű árazási és rendszabályozási rendszer a hálózat végeinél; • néhány adatosztály (lehetőleg 2) bevezetése; • különböző szintű szolgáltatások biztosítása a routerek várakozási soraiban (Pl. az első osztályú adatcsomagok az összes előttük lévő másod osztályú adatcsomag elé ugorhatnak); • a küldő minden adatcsomagját ellátja egy jelzéssel - a csomag melyik osztályhoz tartozik.

25. Alapelvek • A csomagok megjelölésével a router különbséget tud tenni a különböző osztályokhoz tartozó csomagok között. • Adatfolyamok bizonyos fokú egymástól való elszigetelése. • Erőforrások legoptimálisabb felhasználása. (pl. linkek sávszélessége, bufferek). • Hívás engedélyezési folyamat: az adatfolyamok jelzik a szolgáltatás megfelelő minőségének biztosításához szükséges követelményeiket. Ezalapján vagy bekerülnek a hálózatba (a kért szolgáltatási minőséggel) vagy nem (ha a hálózat nem tudja biztosítani a kért szolgáltatási minőséget).

26. A szolgáltatási minőség biztostásának négy alapelve Hálózati alkalmazások szolgáltatásainak minősége

27. Ütemezési mechanizmusok • A különböző adatfolyamokhoz tartozó csomagok együtt várnak továbbításukra a linkek bemeneteihez rendelt bufferekben. • Link ütemezési szabályzat: módszer, ahogy a várakozó csomagok továbbítás céljából kiválasztásra kerülnek. • fifo – Round Robin sorok • elsőbbségi sorok – súlyozott igazságos rendszabályozás

28. FIFO • Az érkező csomagok a linkek várakozási sorába kerülnek. • Ha nincs elég hely a bufferben, a csomag eltávolítási rendszabályozás lép műküdésbe: az érkező csomag (FIFO esetében) vagy egy másik, várakozási sorban lévő csomag lesz eltávolítva. • Ha egy csomag továbbítása befejeződött a linken, akkor eltávolítják a várakozási sorból.

29. Elsőbbségi sorok • Az érkező csomagokat besorolják az elsőbbségi osztályok valamelyikébe. Jellegzetesen minden elsőbbségi osztálynak megvan a maga várakozási sora. • Először a legnagyobb prioritású, nem üres várakozási sorból lesz minden csomag továbbítva. Egy elsőbbségi osztályon belül a küldendő csomag kiválasztása FIFO szabály szerint történik. • A nem preemptiv elsőbbségi rendszabályozás esetében egy csomag továbbítása nem szakítható félbe, ha az már elkezdődött.

30. Round Robin sorok • A csomagok különböző elsőbbségű osztályokba lesznek csoportosítva. • A csomagok kiválasztása folyamatosan váltakozik az osztályok között. pl. 1. osztályú csomag – 2. osztályú csomag – 1. osztályú csomag – 2. osztályú csomag stb. • A munkamegtartó várakozási rendszabályozás: nem engedi meg a linknek, hogy „tétlen” maradjon, míg valamelyik sorban van elküldésre várakozó csomag.

31. Súlyozott igazságos rendszabályozás • Round Robin általánosítása: érkező csomagokat osztályozzák; megfelelő sorban várakoztatják; osztályokat körkörösen, egymás után szolgálják ki. • munkamegtartó várakozási rendszabályozás. • Különbség: minden osztályt különböző ideig szolgálnak ki. • Mindeni. osztályhoz egy wi súlyt rendelünk. Amíg vannak i. osztályú elküldendő csomagok, wi/(Swj) ideig az illető osztálynak van fenntartva a szolgáltatás. (A nevezőben azon osztályok súlyainak összege szerepel, amelyek nem üresek.)

32. Következtetések: • Talán a hálózati multimédia a legizgalmasabb napjaink internetes felfedezései közül. • Mindeddig technikai megvalósítása jelentős de korlátozott sikereket ért el. • Ennek ellenére már most is nagyon sokan az internet adta lehetőségeket választják, ugyanezen szolgáltatások hagyományos megfelelőivel szemben. Ennek a tendenciának pedig, csak a növekedése várható.

33. Könyvészet: • Addison-Wesley: Computer Networking: A Top-Down Approach Köszönöm a figyelmet!