Aplicações e Reserva de Recursos na
Internet
Sistemas Telemáticos
LESI
Grupo de Comunicações por Computador
2000
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 besteffort.
 Novas soluções protocolares que garantam Qualidade de
Serviço (QoS).
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Classificação de Aplicações
Aplicações Elásticas
Aplicações de Tempo Real
Intolerantes
Tolerantes
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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, ...
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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
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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
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Aplicações de T.R. (cont.)
Suportes Protocolares
• Adequação aos objectivos das aplicações
 Aplicações Adaptativas vs
Intolerantes
• Protocolos usualmente utilizados
• TCP - fiabilidade à custa de
mecanismos nem sempre apropriados...
• UDP - carece de alguns mecanismos
“custo”
indispensáveis às aplicações de T.R.
T.R estrito
T.R tolerantes
desempenho
• 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...)
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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
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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)
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Protocolo Streamming (cont)
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Protocolo Streamming (cont.)
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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 ...)
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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
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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
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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...
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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)
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Formato Pacote RTP
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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
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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)
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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.
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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.
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Solução do Exercício
Cálculo do Jitter
40
35
Jitter (ms)
30
25
20
Jitter Estimado
15
10
5
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
16
11
6
1
0
Pacotes Recebidos
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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
EMISSOR
n-1
t1
n-2
t2
n-3
t3
D
RECEPTOR
n
n-1
tf
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n-2
tf
n-3
tf
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?
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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
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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
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.
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Mecanismos de Controlo
Estratégias de Reprodução
(1)
 Preservação Temporal
Tentar reproduzir a
informação que obedeça
ao limite temporal imposto
(2)
(3)
(4)
D
(5)
(6)
(7)
D
(1)
(1)
(2)
(2)
(3)
(3)
(8)
(9)
(4)
(5)
(6)
 Preservação de Informação
Tentar reproduzir toda a
informação recebida
independentemente. De
estar atrasada ou não
(6)
Recepção
dos pacotes
(7)
(8)
(8)
(9)
(9)
Preservação
da
Informação
Preservação
Temporal
•Probabilidades diferentes
de cortes nos media
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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
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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.
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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.
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Adaptação às perdas
Adaptação Dinâmica
Débito gerado
Débito gerado pela aplicação (kbytes/s)
60
Perdas/pacotes(%)
Estatistica/perdas(%)
50
40
30
20
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
tem po(s)
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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...
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Perdas de Pacotes (cont.)
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
Congestionada
lim_sup
filtroperdas
lim_inf
0%
Normal
Sem perdas
Débito - Diminuição, aumento,continuação
Se ((Nentcong/Ntot) > %entcong)
Se (Nentnorm/Ntot) > %entcong)
Senão
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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
Perdas de pacotes observadas por C
Perdas de pacotes observadas por C
nº acumulado de pacotes
perdidos
25
20
15
Entidade A
d(t)
10
5
0
0
3
6
9
tem po(seg)
12
15
18
nº acumulado de pacotes
perdidos
20
15
Entidade B
10
d(t)
5
0
0
3
6
9
12
15
18
tem po(seg)
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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)
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Sincronização (cont.)
•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”
EMISSOR
buffering
Canal A
RECEPTOR
Canal B
pontos de sincronização
eliminação
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Sincronização (cont.)
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
4
• Mesmo cenário multicast (entidades A, B C)
3
2
1
0
-1
-2
• Problemas de sincronização aumentam com a escala
da infra-estrutura utilizada
40
0
2
4
6
8
10
12
35
0
2
4
30
Sincronização
20
2
1
10
2
51
Cenário1
0
-2
8
10
0,6po(seg) 1,2
tem
0
1,8
0
0
9
11
7
11
25
2,4
0
0
3
0
1
0
12
0
0
2
4
10
10
6
8
15
tem po(seg)
10
11
10
18
10
12
10
12
10
Sincronização
25
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
1,9-12
5,1
5
4
0
3
20
2
1
15
Cenário3
0
10
-1
-2
5
0
1,7
42
3,5 0
4
6 60
0
3,4
83
3 10
2
5
6
6 12
4
4,2
59
6
8
4
12
4
0
0
Cenário2
20
-2
12
nº pacotes
0
0
6
Sincronização
0
0
0
0
30
Cenário 010
Cenário -1
2
-1
Cenário1
0
0
nº pacotes
nº pacotes
3
4
10
tempo(seg)
Cenário1514
Cenário 23
2
8
25
4
0
6
15
18
tem po(seg)
Sincronização
Sistemas Telemáticos - Aplicações
Adaptativas/Rígidas e Reservas de Recursos na Internet
11
11
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.
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