Distribuição de Mídia Contínua C onceitos Básicos

1. Distribuição de Mídia ContínuaConceitos Básicos Jussara M. Almeida Março 2004

2. Organização • Mídia Contínua (MC) • Características Principais de MC • Arquiteturas para Distribuição de MC • Redes de Distribuição de Conteúdo (CDN) • Arquiteturas Par a Par (P2P) • Questões Centrais para Distribuição de MC

3. Mídia Contínua • Objetos transmitidos à taxa de visualização • Vídeo e áudio, principalmente • Fluxo contínuo (streaming) = sobreposição da reprodução dos dados no receptor com a transmissão do emissor • Fluxo de áudio e vídeo = sequência de sons ou imagens estendida por um período de tempo

4. Hierarquia do Conteúdo de Mídia Contínua • Pixels: elemento de figura • Quadro: grade bidimensional de pixels • Uma amostra da imagem/som em movimento capturada em um instante específico • Tamanho do arquivo = # pixels em cada dimensão • Fluxo de vídeo e áudio : sequência de quadros com o passar do tempo • Sessão: múltiplos fluxos sincronizados (vídeo e áudio) • Apresentação: conjunto de sessões de multimídia

5. Estágios de um Fluxo de Mídia Contínua • Captura • Codificação • Armazenamento (sob demanda) • Remessa • Decodificação (cliente) • Compactação: explorar redundância entre sequência de amostras ou quadros • Redução do tamanho por um fator de 25 ou 100 • Vídeo: Real Video, AVI, QuickTime, MPEG • Áudio: RealAudio, WAV, MP3

6. Qualidade de Mídia Contínua • Compromissos quanto a qualidade • Menor taxa de quadro •  24 ou 30 quadros/seg distraem olho humano • Pequena dimensão • Arquivos com poucas polegadas de altura e/ou largura • Resolução inferior • Representação dos pixels ou compactação • Ser humano mais sensível à qualidade do vídeo • Áudio exige menos largura de banda

7. Características de Mídia Contínua • Grandes arquivos (10MB – 1GB) • Demanda por largura de banda alta e sustentada • Áudio :  64 kbps • Vídeo: variado • Alta qualidade: 1-4 Mbps (150 MB para vídeo de 5 min) • Restrições de tempo real para a transmissão • Atrasos e perdas (a seguir) • Acesso parcial ou interativo (operações de VCR) • pausa, avanço (rápido), retrocesso (rápido)

8. Características de Mídia Contínua • Atrasos (jitter) • Buffers nos clientes Cliente armazena dados recebidos Tempo Usuário visualiza primeiro bloco de dados

9. Características de Mídia Contínua • Perda de dados • Uso do protocolo UDP (diferente de HTTP) • Remessa confiável via protocolo TCP pode introduzir atrasos ainda maiores • Recuperação: • Partes de quadro com base nos outros pixels do quadro • Error concealment • Pacotes: remessa de dados redundantes • Forward Error Correction (FEC)

10. Variable Bitrate vs. Constant Bitrate • Quadros consumidos à taxa constante • Variable bitrate (VBR) • Para manter tráfego CBR: buffer no cliente • Para evitar interrupção e compensar variações na taxa de chegada de quadros • Técnicas para suavização (smoothing) • Escalonamento da transmissão dos pacotes • Aplicadas no servidor origem ou em nó intermediário • Uso de buffers nos clientes

11. Recuperação de Mídia Contínua • Via HTTP (protocolo tradicional da Web) • Vantagem: • Tratamento semelhante a conteúdo Web tradicional • Desvantagens: • Atraso na partida do player de mídia • Cópia de dados entre o browser e o player • Intercalação de fluxos de áudio e vídeo • Overhead do TCP • Dificuldade de funções de interatividade (pulos)

12. Recuperação de Mídia Contínua • Contato direto com servidor multimídia • Cliente contacta servidor usando HTTP • Servidor retorna URL: mms://media.foo.com/clip • Browser chama cliente player • Player contacta diretamente servidor usando protocolo de streaming específico • RTSP, RTP, RTCP

13. Protocolos para Streaming • Transporte de dados para um ou mais receptores, tipicamente via UDP • Real Time Transport Protocol (RTP): • Pacotes com marca de hora, # de sequência e info sobre emissor • Real Time Transport Control Protocol (RTCP) • Feedback do receptor, sincronismo

14. Protocolos para Streaming • Estabelecimento de Sessão • Real Time Streaming Protocol (RTSP) • Requisição sob demanda a um servidor multimídia • Equivalente a HTTP • Abstração de um controle remoto • Seleciona mecanismo e protocolo de transporte, e # porta • Protocolo com estado (operações VCR) • Session Initiation Protocol (SIP) • Telefonia sobre IP • Session Announcement Protocol (SAP) • Aplicações de difusão (rádio online)

15. Internet Distribuição de Mídia Contínua • Aplicações: • Educação à distância, treinamento em empresas • Rádios virtuais, publicidade e notícias • TV Digital, tele-conferencia • Jogos distribuidos e realidade virtual Servidor Origem

16. Arquiteturas para Distribuição de Mídia Contínua • Redes de Distribuição de Conteúdo (CDNs) • Arquitetura hierárquica • Replicação de conteúdo em servidores intermediários (proxy) próximo aos clientes • Sistemas Par a Par (P2P) • Arquitetura descentralizada • Clientes atuam como servidor repassando conteúdo previamente recebido para outros clientes • Distribuição: • Sob demanda vs. ao vivo

17. Redes de Distribuição de Conteúdo (CDNs) Servidor Proxy Rede “Local” Servidor Origem Servidor Proxy Rede Remota Rede “Local” Servidor Proxy Rede “Local”

18. Sistemas Par a Par • Gnutella, KaZaa, eDonkey

19. Distribuição de Mídia Contínua ao Vivo em Sistemas Par a Par Servidor Origem

20. Questões Centrais para Distribuição de Mídia Contínua • Qual protocolo deve ser utilizado para transmissão do conteúdo para os clientes? • Transmissão independente de fluxos (Unicast) • Compartilhamento de fluxos (Multicast) • Qual conteúdo deve ser replicado em cada servidor proxy (ou nos clientes de rede P2P)? • Políticas de replicação ou caching • Como o conteúdo deve ser armazenado nos discos? • Métodos para armazenamento em disco

21. Questões Centrais para Distribuição de Mídia Contínua (cont.) • Quantos servidores proxy devem ser instalados e onde eles devem ser instalados? • Localização dos servidores • Para qual servidor as requisições de cada cliente devem ser enviadas? • Seleção dos servidores • Qual rota deve ser tomada pela resposta (vídeo/áudio) do servidor ao cliente? • Roteamento das respostas

22. Transmissão de Mídia Contínua • Transmissão de Fluxos Independente • Unicast • Crescimento linear na demanda por largura de banda do servidor e da rede • Baixa escalabilidade • Ex: 1 arquivo MPEG de 1 hora: 1.5 Mbps 1500 fluxos simultâneos : 2.25 Gbps

23. Transmissão de Mídia Contínua • Transmissão com Compartilhamento de Fluxos • Multicast • Um único fluxo enviado para múltiplos clientes • IP ou a nível de aplicação • Redução significativa na demanda por largura de banda • Melhora QoS (qualidade observada pelos clientes) • Duas Classes • Técnicas baseadas em difusão • Técnicas orientadas às requisições dos clientes • Distribuição sob demanda

24. Compartilhamento de Fluxos: Técnicas Baseadas em Difusão • Periodic Broadcast • Princípio Básico • Cada fluxo é dividido em segmentos que podem ser simultaneamente transmitidos periodicamente em um conjunto de k canais diferentes • Largura de banda fixa, independente da taxa de chegada de requisições • Eficiente para carga alta • Diversas variações do protocolo

25. Fluxo multicast com objeto requisitado por r0-r3 r0 r2 r1 r3 Janela batching Compartilhamento de Fluxos: Técnicas Orientadas às Requisições dos Clientes • Batching • Cliente recebe apenas um fluxo • Introdução de atrasos adicionais para os usuários • Nao provê distribuição sob demanda verdadeira Dados recebidos pelos clientes Tempo

26. Compartilhamento de Fluxos: Técnicas Orientadas às Requisições dos Clientes • Piggybacking • Mudança dinâmica da taxa de transmissão e exibição para permitir que um fluxo possa alcançar e se juntar a outro fluxo • Baseado em stream merge

27. Servidor retarda s0 Stream merge s0 s1 Servidor acelera s1 r0 r1 Piggybacking Dados recebidos pelos clientes Tempo

28. Compartilhamento de Fluxos: Técnicas Orientadas às Requisições dos Clientes • Piggybacking • Provê vídeo sob demanda verdadeiro • Cliente escuta/recebe apenas um fluxo • Nao introduz atrasos adicionais • Requer hardware especialiado para suportar mudanças dinâmicas na velocidade do canal • Eficiência limitada pela mudança máxima tolerada por um usuário (± 5%)

29. Compartilhamento de Fluxos: Técnicas Orientadas às Requisições dos Clientes • Patching e Hierarchical Stream Merging • Princípio comum: • Cliente escuta a mais de um fluxo simultaneamente • Dados recebidos em um fluxo são visualizados imediatamente • Dados recebidos no outro fluxo são armazenados para visualização futura • Requer buffer no cliente