* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
Download Chapter_7_V6.0_HU
Survey
Document related concepts
Distributed firewall wikipedia , lookup
Asynchronous Transfer Mode wikipedia , lookup
TCP congestion control wikipedia , lookup
Internet protocol suite wikipedia , lookup
Video on demand wikipedia , lookup
Airborne Networking wikipedia , lookup
Recursive InterNetwork Architecture (RINA) wikipedia , lookup
Cracking of wireless networks wikipedia , lookup
Wake-on-LAN wikipedia , lookup
Deep packet inspection wikipedia , lookup
Zero-configuration networking wikipedia , lookup
Serial digital interface wikipedia , lookup
Streaming media wikipedia , lookup
SIP extensions for the IP Multimedia Subsystem wikipedia , lookup
Quality of service wikipedia , lookup
Transcript
Chapter 7 Multimedia Networking A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Computer Networking: A Top Down Approach 6th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996-2012 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Multmedia Networking 7-1 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-2 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-3 Multimedia: audio Rögzített gyakorisággal mintavételezett analóg audio jel telephone: 8,000 samples/sec CD music: 44,100 samples/sec Minden mintát kvantizálunk, azaz kerekítünk pl., 28=256 lehetséges kvantizált érték Minden kvantizált értéket bitekkel ábrázolunk, pl., 8 bittel 256 értéket Quantizatizálási hiba Az analóg érték kvantizált értéke audio signal amplitude analóg jel time Mintavételezési ráta (N sample/sec) Multmedia Networking 7-4 Multimedia: audio példa: 8,000 minta/sec, 256 quantizált érték: 64,000 bps A vevő visszaalakítja a biteket analóg jellé: Minőség romlás Néhány példa CD: 1.411 Mbps MP3: 96, 128, 160 kbps Internet telephony: 5.3 kbps and up Quantizatizálási hiba Az analóg érték kvantizált értéke audio signal amplitude analóg jel time Mintavételezési ráta (N sample/sec) Multmedia Networking 7-5 Multimedia: video video: képsorozat lejátszása állandó sebességgel pl. 24 kép/sec Digitális kép: pixel tömb Az egyes pixeleket bitekkel ábrázoljuk kódolás: redundanciát használunk a képeken belül és azok között a kódolt képhez használt bitek számának csökkentésére térbeli (képen belül) időbeli (képről képre) spatial coding example: instead of sending N values of same color (all purple), send only two values: color value (purple) and number of repeated values (N) ……………………...… ……………………...… frame i temporal coding example: instead of sending complete frame at i+1, send only differences from frame i frame i+1 Multmedia Networking 7-6 Multimedia: video CBR: (constant bit rate): video encoding rate fixed VBR: (variable bit rate): video encoding rate changes as amount of spatial, temporal coding changes examples: MPEG 1 (CD-ROM) 1.5 Mbps MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps MPEG4 (often used in Internet, < 1 Mbps) spatial coding example: instead of sending N values of same color (all purple), send only two values: color value (purple) and number of repeated values (N) ……………………...… ……………………...… frame i temporal coding example: instead of sending complete frame at i+1, send only differences from frame i frame i+1 Multmedia Networking 7-7 Multimedia networking: 3 alkalmazás típus streaming, stored audio, video streaming: a lejátszás az egész fájl letöltése előtt elindítható stored (at server): a lejátszási sebességnél gyorsabban is adhatjuk az audio/video anyagot (feltételezi a kliens oldali pufferelést) e.g., YouTube, Netflix, Hulu conversational voice/video over IP Az ember-ember közötti társalgási jelleg korlátozza az elviselhető késleltetést e.g., Skype streaming live audio, video pl., sportesemény, videokonferencia Multmedia Networking 7-8 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-9 Streaming stored video: 1. video recorded (e.g., 30 frames/sec) 2. video sent network delay (fixed in this example) 3. video received, played out at client (30 frames/sec) time streaming: a kliens már a video elejét játssza, amíg a szerver a video későbbi részét küldi Multmedia Networking 7-10 Streaming stored video: kihívások Folytonos lejátszási kényszer: ha elkezdődött a lejátszás, annak meg kell felelni az eredeti időzítésnek … de a hálózati késés nem állandó (jitter), ezért kliens-oldali pufferelésre van szükség a lejátszási követelmények kielégítésére Egyéb kihívások: felhasználói interaktivitás: pause, fast-forward, rewind, jump through video video csomagok elveszhetnek, duplázódhatnak Multmedia Networking 7-11 Streaming stored video: újratöltve client video reception variable network delay constant bit rate video playout at client buffered video constant bit rate video transmission time client playout delay Kliens oldali pufferelés és lejátszási késleltetés: kiegyenlíti a hálózati késleltetést és annak csúszását Multmedia Networking 7-12 Kliens oldali pufferelés, lejátszás buffer fill level, Q(t) Változó töltési sebesség, x(t) video server Lejátszási sebesség, e.g., CBR r client application buffer, size B client Multmedia Networking 7-13 Kliens oldali pufferelés lejátszáskor buffer fill level, Q(t) playout rate, e.g., CBR r variable fill rate, x(t) video server client application buffer, size B client 1. Kezdetben töltjük a puffert, amíg megkezdődik a lejátszás 2. tp pillanatban kezdődik a lejátszás 3. A puffer betöltöttségi szintje aszerint változik, ahogyan az x(t) töltési sebesség változik (az r lejátszási sebesség állandó) Multmedia Networking 7-14 Kliens oldali pufferelés lejátszáskor buffer fill level, Q(t) playout rate, e.g., CBR r variable fill rate, x(t) video server client application buffer, size B Lejátszási pufferelés: az (x) a töltési,(r) a lejátszási sebesség: x < r: a puffer kiürülhet (a video lejátszás lefagyását okozhatja, amíg a puffer ismét feltöltődik) x > r: a puffer nem ürül ki, feltéve, hogy a lejátszási késleltetés elég nagy, hogy elfedje x(t) ingadozását A kezdeti késleltetés kompromisszuma: a puffer „éhezése” kevésbé valószínű nagyobb késleltetés esetén, de a felhasználó később kezdheti nézni Multmedia Networking 7-15 Streaming multimedia: UDP A szerver a kiszolgáló számára kényelmes ütemben küldi a csomagokat gyakran: küldési ráta = encoding ráta = állandó A küldési ráta kritikus lehet a torlódási szint számára rövid (2-5 seconds) lejátszási késleltetés a hálózati csúszkálás (network jitter) eltávolítására Hiba felismerés: alkalmazási szintű RTP [RFC 2326]: többféle multimedia payload UDPt esetleg nem engedi át a tűzfal Multmedia Networking 7-16 Streaming multimedia: HTTP multimedia fájlt HTTP GET paranccsal kapunk Küldés a lehető legnagyobb sebességgel TCP alatt variable rate, x(t) video file TCP send buffer server TCP receive buffer application playout buffer client A küldési sebesség fluktuál a TCP torlódásvezérlése és az újraküldések miatt (sorrend helyes szállítás) Nagyobb lejátszási késleltetés: sima TCP szállítási ráta HTTP/TCP könnyebben átmegy a tűzfalakon Multmedia Networking 7-17 Streaming multimedia: DASH DASH: Dynamic, Adaptive Streaming over HTTP szerver: A video különböző felbontású változatokban tárolódik (multiple chunks) A tárolt változatok különböző rátával továbbítódnak manifest file: a változatok URL-je különböző kliens: Periodikusan méri a szerver-kliens közötti sávszélességet A manifest fájl alapján kéri valamelyik változatot • Az adott sávszélesség esetére a legnagyobb elérhető változatot választja • Különböző időpontokban különböző kódolási rátákat használhat (az elérhető sávszélességtől függően) Multmedia Networking 7-18 Streaming multimedia: DASH DASH: Dynamic, Adaptive Streaming over HTTP “intelligence” at client: a kliens mondja meg mikor kér másik változatot (így puffer éhezés vagy túlcsordulás nem fordulhat elő) Milyen kódolási rátát kér (magasabb minőséget amikor nagyobb a sávszélesség) hol kéri a változatot (a klienshez „közelebbi” vagy nagyobb sebességű változatot is kérhet) Multmedia Networking 7-19 Content distribution networks kihívás: hogyan terítsük (a pár millió videóból kiválasztott) tartalmat pár ezer egyidejű felhasználó számára? option 1: egy nagy “mega-server” single point of failure point of network congestion long path to distant clients multiple copies of video sent over outgoing link ….egyszerűen: ez a megoldás nem skálázható Multmedia Networking 7-20 Content distribution networks kihívás: hogyan terítsük (a pár millió videóból kiválasztott) tartalmat pár ezer egyidejű felhasználó számára? option 2: tároljunk (és szolgáltassunk) másolatokat földrajzilag elosztott helyeken (CDN) enter deep: tegyük a CDN szervereket mélyen a hozzáférési hálózatokba • A felhasználókhoz közel • used by Akamai, 1700 locations bring home: kisebb számú (10’s) nagyobb klasztert hozzáférési hálózatokhoz közel, de nem benne • used by Limelight Multmedia Networking 7-21 CDN: “simple” content access scenario Bob (client) requests video http://netcinema.com/6Y7B23V video stored in CDN at http://KingCDN.com/NetC6y&B23V 1. Bob gets URL for for video http://netcinema.com/6Y7B23V 2. resolve http://netcinema.com/6Y7B23V from netcinema.com 2 via Bob’s local DNS web page 1 6. request video from 5 4&5. Resolve KINGCDN server, http://KingCDN.com/NetC6y&B23 streamed via HTTP via KingCDN’s authoritative DNS, 3. netcinema’s DNS returns URL netcinema.com 4 which returns IP address of KIingCDN http://KingCDN.com/NetC6y&B23V server with video 3 netcinema’s authorative DNS KingCDN.com KingCDN authoritative DNS Multmedia Networking 7-22 CDN cluster selection strategy kihívás: hogyan válasszon a CDN DNS “jó” CDN node-ot a kliens számára a folyam letöltésére Válasszon a klienshez földrajzilag közel levő CDN node-ot Válassza a legkisebb késleltetésű (vagy legkisebb ugrásszámú) CDN node-ot (CDN node-ok periodikusan pingelik az ISP-ket, az eredményt elküldik a CDN DNS-nek) IP anycast alternatíva: döntsön a kliens – a kliens kap egy listát a CDN szerverekről A kliens „ping”-et, a „legjobbat” választja Netflix approach Multmedia Networking 7-23 Case study: Netflix 30% downstream US traffic in 2011 owns very little infrastructure, uses 3rd party services: own registration, payment servers Amazon (3rd party) cloud services: • Netflix uploads studio master to Amazon cloud • create multiple version of movie (different endodings) in cloud • upload versions from cloud to CDNs • Cloud hosts Netflix web pages for user browsing three 3rd party CDNs host/stream Netflix content: Akamai, Limelight, Level-3 Multmedia Networking 7-24 Case study: Netflix Amazon cloud Netflix registration, accounting servers 2. Bob browses Netflix video 2 upload copies of multiple versions of video to CDNs 3. Manifest file returned for requested video Akamai CDN Limelight CDN 3 1 1. Bob manages Netflix account 4. DASH streaming Level-3 CDN Multmedia Networking 7-25 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-26 Voice-over-IP (VoIP) VoIP végponti késleltetés elvárása: meg kell őrizni a „társalgási” jelleget A nagy késleltetések észrevehetők, rontják az interaktivitást < 150 msec: jó > 400 msec rossz Tartalmazza az alkalmazás szintű (csomag készítés, lejátszás), hálózati késleltetést is session initialization: hogyan tegye közzé a hívó az IP címet, port számot, encoding algoritmust? value-added services: call forwarding, screening, recording emergency services: 911 Multmedia Networking 7-27 VoIP jellemzői speaker’s audio: váltakozó beszéd és szünet időszakok. 64 kbps beszéd időszakokban Csomag előállítás csak a beszéd időszakokban 20 msec időszakok 8 Kbytes/sec esetén: 160 bájt adat Minden csomag (chunk) alkalmazási rétegbeli fejzetet kap chunk+header, UDP vagy TCP szegmensbe csomagolva 20 msec időközönként küld az alkalmazás csomagot a socket-nek beszéd közben Multmedia Networking 7-28 VoIP: csomag vesztés, késés network loss: az IP datagram hálózati torlódás miatt elvész (router buffer overflow) delay loss: az IP datagram a lejátszáshoz túl későn érkezik meg delays: processing, queueing in network; end-system (sender, receiver) delays typical maximum tolerable delay: 400 ms loss tolerance: a kódolás típusától is függ, 1% és10% csomagvesztés még elviselhető Multmedia Networking 7-29 Delay jitter variable network delay (jitter) client playout delay client reception constant bit rate playout at client buffered data constant bit rate transmission time Végponti késleltetés két egymást követő csomag esetén: a különbség lehet nagyobb, mint 20 msec (a küldési időkülönbség) Multmedia Networking 7-30 VoIP: rögzített lejátszási késleltetés A vevő megpróbálja az előállítás után pontosan q msecs múlva lejátszani a hang csomagot. A csomag időbélyege t: lejátszás t+q Ha a csomag t+q után érkezik: a lejátszáshoz már késő, az adat „elveszett” kompromisszum q megválasztásában: nagy q: kisebb csomag vesztés kis q: jobb interaktivitás Multmedia Networking 7-31 VoIP: rögzített lejátszási késleltetés a küldő 20 msec időközönként állít elő egy csomagot. az első csomagot r időnél kapjuk meg az első lejátszás p időnél kezdődik a második lejátszás p’ időnél kezdődik packets loss packets generated packets received playout schedule p' - r playout schedule p-r time r p p' Multmedia Networking 5-32 Adaptive playout delay (1) cél: kis lejátszási késleltetés, kevés csomag vesztése módszer: adaptív lejátszási késleltetés adjusztálása: Hálózati késleltetés megbecslése, a lejátszási késleltetés adjusztálása a beszéd időszakokra A csend időszakokat összenyomjuk vagy megtoldjuk A beszéd időszakban 20 msec-onként játsszuk le a csomagokat A csomag késleltetés adaptív becslése: (EWMA exponentially weighted moving average, recall TCP RTT estimate): di = (1-a)di-1 + a (ri – ti) delay estimate after ith packet small constant, e.g. 0.1 time received - time sent (timestamp) measured delay of ith packet Multmedia Networking 7-33 Adaptive playout delay (2) hasznos megbecsülni a késleltetés átlagos eltérését, vi : vi = (1-b)vi-1 + b |ri – ti – di| a di, vi értékeket minden kapott csomagra kiszámítják, de csak a beszéd periódus elején használják a beszéd periódusban az első csomag lejátszási ideje: playout-timei = ti + di + Kvi a többi csomagot ehhez képest periodikusan játsszák le Multmedia Networking 5-34 Adaptive playout delay (3) Q: Hogyan lehet megállapítani, melyik a beszéd periódus (talk spurt) első csomagja? Ha nincs veszteség, a vevő az időbélyegből dolgozhat Az időbélyegek különbsége > 20 msec -->talk spurt begins. Ha vesztés előfordulhat, a vevőnek az időbélyegre és a sorszámra egyaránt kell figyelnie Az időbélyegek különbsége > 20 msec és a sorszámokban nincs szakadás --> talk spurt begins. Multmedia Networking 7-35 VoiP: Visszaállítás csomagvesztés után (1) Challenge: recover from packet loss given small tolerable delay between original transmission and playout each ACK/NAK takes ~ one RTT alternative: Forward Error Correction (FEC) Küldjünk a hiba javításához elegendő bitet, hogy újraküldés nélkül lehessen javítani simple FEC Minden n chun-hoz létrehozunk egy renundáns chunk-ot, az n eredeti chunk XOR kapcsolatával n+1 üzenetdarabot küldünk (a sávszélesség igény +1/n) Ha csak egy darabka veszett el az n+1-ből, az n darabot visszaállíthatjuk újraküldés nélkül Multmedia Networking 7-36 VoiP: Visszaállítás csomagvesztés után (2) Egy másik FEC megoldás: lower quality stream” Alacsonyabb felbontású audio stream a küldött redundáns információ pl., névleges PCM at 64 kbps, redundáns GSM 13 kbps “piggyback Nem-folytonos veszteség: a vevő elfedi a veszteséget Általánosítás: küldhetünk (n-1)-edik és (n-2)edik alacsony bitrátájú csomagot (chunk) Multmedia Networking 7-37 VoiP: recovery from packet loss (3) interleaving to conceal loss: Az audia chunk-ot kisebb egységekre osztjuk, pl. négy 5 msec-es egységre a 20 msec-es chunk-ot A csomag a különböző chunkokból kisebb egységeket tartalmaz Ha egy chunk elvész, az eredeti chunk nagyobb része még mindig megvan Nincs redundáns adatküldés, de a lejátszási késleltetés megnő Multmedia Networking 7-38 Voice-over-IP: Skype Céges tulajdonú alkalmazási rétegbeli protokoll (következtetések „reverse engineering” útján) Skype encrypted msgs login server P2P components: clients: skype peers connect directly to each other for VoIP call super nodes (SN): skype peers with special functions overlay network: among SNs to locate SCs login server Skype clients (SC) supernode (SN) supernode overlay network Application Layer 2-39 P2P voice-over-IP: skype skype kliens működése: 1. Bejelentkezés a hálózatba, egy SN (IP cím mentéssel) TCP használat 2. logs-in (usename, password) a központi kiszolgálóba 3. A címzett IP címének megszerzése (SN és SN overlay; vagy a többi csomópont) 4. Közvetlen hívás kezdeményezés Skype login server Application Layer 2-40 Skype: a csomópontok átjátszóként probléma: Alice és Bob “NAT” mögött van A NAT nem engedi külső gazdának, hogy belső géphez kapcsolatot kezdjen Egy belső gép azonban kezdhet kapcsolatot egy küldőhöz Megoldás átjátszóval:Alice, Bob fenntart egy nyitott külső kapcsolatot a saját SN-hez Alice jelzi a SN-nak kapcsoBobhoz Alice SN-je kapcsolódik Bob SNjéhez Bob kapcsolódik SN-hez azon a már megnyitott kapcsolaton át, amit Bob korábban megnyitott saját SN-jéhez Application Layer 2-41 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications: RTP, SIP 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-42 Real-Time Protocol (RTP) RTP határozza meg az audió és videó jeleket szállító csomagok formátumát RFC 3550 RTP lehetőségei Sállított információ típus azonosítása Csomag sorszámozás időbélyegzés RTP a végfelhasználói rendszereken fut Az RTP csomagokat UDP kapszulákba csomagolják együttműködés: ha két VoIP alkalmazás RTP-t futtat, együtt tudnak működni Multmedia Networking 7-43 Az RTP az UDP fölött fut Az RTP könyvtárak lényegében szállítási rétegbeli Interfészt jelentenek, amivel kiterjesztik az UDP-t port numbers, IP addresses • szállított adattípus azonosítás • csomag sorszámozás • időbélyegzés Multmedia Networking 5-44 RTP példa példa: 64 kbps PCM-kódolt hang RTP-vel Az alkalmazás csomagokba gyűjti a beszédet, pl., 20 msec = 160 bájt egy csomagban Az audio chunk + RTP fejzet alkotja az RTP csomagot, ami egy UDP szegmensbe van csomagolva Az RTP fejzet minden egyes audio csomagban jelzi az audio kódolás típusát A küldő változtathatja a kódolás típusát a konferencia során Az RTP fejzet tartalmaz sorszámot és időbélyeget is Multmedia Networking 7-45 RTP és QoS Az RTP semmi mechanizmust sem ad az időbeli szállításra vagy egyéb QoS garanciaára Az RTP beágyazás csak a végrendszerekben észrevehető (a közbülső routereken nem) A routerek „best-effort” jellegű szolgáltatást nyújtanak, és semmit sem tesznek annak érdekében, hogy az RTP csomagok időben másként érkezzenek a céljukhoz Multmedia Networking 7-46 RTP header payload type sequence number type time stamp Synchronization Source ID Miscellaneous fields payload type (7 bits): az éppen használt kódolási típus. Ebben küld értesítést a küldő a fogadónak, ha kódolást vált Payload type 0: PCM mu-law, 64 kbps Payload type 3: GSM, 13 kbps Payload type 7: LPC, 2.4 kbps Payload type 26: Motion JPEG Payload type 31: H.261 Payload type 33: MPEG2 video sequence # (16 bits): egyesével növekszik minden RTP csomag elküldése után Észreveszi a csomagvesztést, helyreállítja a sorrendet Multmedia Networking 5-47 RTP header payload type sequence number type time stamp Synchronization Source ID Miscellaneous fields timestamp field (32 bits long): az RTP csomag első bájtjának mintavételezési pillanata Audio esetén az időbélyeg órája mintavételezési periódus után eggyel nő (azaz, 125 usecs időközönként, 8 KHz-es mintavételezési frekvenciánál) Ha az alkalmazás beszéd peiródusonként160 kódolt mintát állít elő, az időbélyeg minden egyes RTP csomag esetén 160-nal nő, amikor a forrás aktív. Az időbélyegző óra állandó sebességgel jár, amikor a forrás nem aktív. SSRC field (32 bits long): az RTP stream azonosítója. Egy RTP session minden forrásának saját SSRC azonosítója van Multmedia Networking 7-48 RTSP/RTP programozás feladatai build a server that encapsulates stored video frames into RTP packets grab video frame, add RTP headers, create UDP segments, send segments to UDP socket include seq numbers and time stamps client RTP provided for you also write client side of RTSP issue play/pause commands server RTSP provided for you Multmedia Networking 7-49 Real-Time Control Protocol (RTCP) Működése az RTP-hez kötődik Az RTP session résztvevői periodikusan RTCP vezérlő üzeneteket küldenek egymásnak Az egyes RTCP csomagok küldő és/vagy fogadó jelentéseket tartalmaznak A jelentések az alkalmazás számára hasznos statisztikát tartalmaznak: # packets sent, # packets lost, interarrival jitter A visszajelzés a működést vezérli A küldő módosíthatja átvitelét a visszacsatolás alapján Multmedia Networking 7-50 RTCP: multiple multicast senders sender RTP RTCP RTCP RTCP receivers Az egyes RTP viszonylatokban egyetlen multicast címet használnak; a viszonyhoz tartozó RTP /RTCP csomagok multicast címeket használnak Az RTP, RTCP csomagokat egymástól port számuk különbözteti meg A forgalom limitálására a részvevők a konferencia részvevők számának növekedésével csökkentik RTCP forgalmukat Multmedia Networking 5-51 RTCP: csomag típusok receiver report packets: Az elveszett csomagok aránya, az utolsó sorszám, a csomagok érkezési idejének csúszkálása (jitter) sender report packets: SSRC of RTP stream, folyó idő, a küldött csomagok száma, a küldött bájtok száma source description packets: e-mail address of sender, sender's name, SSRC of associated RTP stream provide mapping between the SSRC and the user/host name Multmedia Networking 7-52 RTCP: stream synchronization RTCP szinkronizálni képes különböző, azonos RTP viszonyú RTP folyamokat e.g., videoconferencing app: each sender generates one RTP stream for video, one for audio. timestamps in RTP packets tied to the video, audio sampling clocks not tied to wall-clock time each RTCP sender-report packet contains (for most recently generated packet in associated RTP stream): timestamp of RTP packet wall-clock time for when packet was created receivers uses association to synchronize playout of audio, video Multmedia Networking 7-53 RTCP: bandwidth scaling RTCP attempts to limit its traffic to 5% of session bandwidth example : one sender, sending video at 2 Mbps RTCP attempts to limit RTCP traffic to 100 Kbps RTCP gives 75% of rate to receivers; remaining 25% to sender 75 kbps is equally shared among receivers: with R receivers, each receiver gets to send RTCP traffic at 75/R kbps. sender gets to send RTCP traffic at 25 kbps. participant determines RTCP packet transmission period by calculating avg RTCP packet size (across entire session) and dividing by allocated rate Multmedia Networking 7-54 SIP: Session Initiation Protocol [RFC 3261] long-term vision: all telephone calls, video conference calls take place over Internet people identified by names or e-mail addresses, rather than by phone numbers can reach callee (if callee so desires), no matter where callee roams, no matter what IP device callee is currently using Multmedia Networking 7-55 SIP services SIP provides mechanisms for call setup: for caller to let callee know she wants to establish a call so caller, callee can agree on media type, encoding to end call determine current IP address of callee: maps mnemonic identifier to current IP address call management: add new media streams during call change encoding during call invite others transfer, hold calls Multmedia Networking 7-56 Example: setting up call to known IP address Bob Alice Alice’s 167.180.112.24 INVITE bob @193.64.2 10.89 c=IN IP4 16 7.180.112.2 4 m=audio 38 060 RTP/A VP 0 193.64.210.89 port 5060 port 5060 Bob's terminal rings 200 OK .210.89 c=IN IP4 193.64 RTP/AVP 3 3 m=audio 4875 ACK SIP invite message indicates her port number, IP address, encoding she prefers to receive (PCM mlaw) Bob’s 200 OK message indicates his port number, IP address, preferred encoding (GSM) port 5060 m Law audio SIP messages can be sent over TCP or UDP; here sent over RTP/UDP port 38060 GSM port 48753 default SIP port number is 5060 time time Multmedia Networking 5-57 Setting up a call (more) codec negotiation: suppose Bob doesn’t have PCM mlaw encoder Bob will instead reply with 606 Not Acceptable Reply, listing his encoders. Alice can then send new INVITE message, advertising different encoder rejecting a call Bob can reject with replies “busy,” “gone,” “payment required,” “forbidden” media can be sent over RTP or some other protocol Multmedia Networking 7-58 Example of SIP message INVITE sip:[email protected] SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP 167.180.112.24 From: sip:[email protected] To: sip:[email protected] Call-ID: [email protected] Content-Type: application/sdp Content-Length: 885 c=IN IP4 167.180.112.24 m=audio 38060 RTP/AVP 0 Here we don’t know Bob’s IP address intermediate SIP servers needed Alice sends, receives SIP messages using SIP default port 506 Alice Notes: HTTP message syntax sdp = session description protocol Call-ID is unique for every call specifies in header that SIP client sends, receives SIP messages over UDP Multmedia Networking 7-59 Name translation, user location caller wants to call callee, but only has callee’s name or e-mail address. need to get IP address of callee’s current host: user moves around DHCP protocol user has different IP devices (PC, smartphone, car device) result can be based on: time of day (work, home) caller (don’t want boss to call you at home) status of callee (calls sent to voicemail when callee is already talking to someone) Multmedia Networking 7-60 SIP registrar one function of SIP server: registrar when Bob starts SIP client, client sends SIP REGISTER message to Bob’s registrar server register message: REGISTER sip:domain.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP 193.64.210.89 From: sip:[email protected] To: sip:[email protected] Expires: 3600 Multmedia Networking 7-61 SIP proxy another function of SIP server: proxy Alice sends invite message to her proxy server contains address sip:[email protected] proxy responsible for routing SIP messages to callee, possibly through multiple proxies Bob sends response back through same set of SIP proxies proxy returns Bob’s SIP response message to Alice contains Bob’s IP address SIP proxy analogous to local DNS server plus TCP setup Multmedia Networking 7-62 SIP example: [email protected] calls [email protected] 2. UMass proxy forwards request to Poly registrar server 2 3 UMass SIP proxy 1. Jim sends INVITE 8 message to UMass SIP proxy. 1 128.119.40.186 Poly SIP registrar 3. Poly server returns redirect response, indicating that it should try [email protected] 4. Umass proxy forwards request to Eurecom registrar server 4 7 6-8. SIP response returned to Jim 9 9. Data flows between clients Eurecom SIP registrar 5. eurecom 5 registrar 6 forwards INVITE to 197.87.54.21, which is running keith’s SIP client 197.87.54.21 Multmedia Networking 7-63 Comparison with H.323 H.323: another signaling protocol for real-time, interactive multimedia H.323: complete, vertically integrated suite of protocols for multimedia conferencing: signaling, registration, admission control, transport, codecs SIP: single component. Works with RTP, but does not mandate it. Can be combined with other protocols, services H.323 comes from the ITU (telephony) SIP comes from IETF: borrows much of its concepts from HTTP SIP has Web flavor; H.323 has telephony flavor SIP uses KISS principle: Keep It Simple Stupid Multmedia Networking 7-64 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-65 Network support for multimedia Multmedia Networking 7-66 Dimensioning best effort networks approach: deploy enough link capacity so that congestion doesn’t occur, multimedia traffic flows without delay or loss low complexity of network mechanisms (use current “best effort” network) high bandwidth costs challenges: network dimensioning: how much bandwidth is “enough?” estimating network traffic demand: needed to determine how much bandwidth is “enough” (for that much traffic) Multmedia Networking 7-67 Providing multiple classes of service thus far: making the best of best effort service one-size fits all service model alternative: multiple classes of service partition traffic into classes network treats different classes of traffic differently (analogy: VIP service versus regular service) granularity: differential service among multiple classes, not among individual connections history: ToS bits 0111 Multmedia Networking 7-68 Multiple classes of service: scenario H1 H2 H3 R1 R1 output interface queue R2 1.5 Mbps link H4 Multmedia Networking 7-69 Scenario 1: mixed HTTP and VoIP example: 1Mbps VoIP, HTTP share 1.5 Mbps link. HTTP bursts can congest router, cause audio loss want to give priority to audio over HTTP R1 R2 Principle 1 packet marking needed for router to distinguish between different classes; and new router policy to treat packets accordingly Multmedia Networking 7-70 Principles for QOS guarantees (more) what if applications misbehave (VoIP sends higher than declared rate) policing: force source adherence to bandwidth allocations marking, policing at network edge 1 Mbps phone R1 R2 1.5 Mbps link packet marking and policing Principle 2 provide protection (isolation) for one class from others Multmedia Networking 7-71 Principles for QOS guarantees (more) allocating fixed (non-sharable) bandwidth to flow: inefficient use of bandwidth if flows doesn’t use its allocation 1 Mbps phone 1 Mbps logical link R1 R2 1.5 Mbps link 0.5 Mbps logical link Principle 3 while providing isolation, it is desirable to use resources as efficiently as possible Multmedia Networking 7-72 Scheduling and policing mechanisms scheduling: choose next packet to send on link FIFO (first in first out) scheduling: send in order of arrival to queue real-world example? discard policy: if packet arrives to full queue: who to discard? • tail drop: drop arriving packet • priority: drop/remove on priority basis • random: drop/remove randomly packet arrivals queue link (waiting area) (server) packet departures Multmedia Networking 7-73 Scheduling policies: priority priority scheduling: send highest priority queued packet multiple classes, with different priorities class may depend on marking or other header info, e.g. IP source/dest, port numbers, etc. real world example? high priority queue (waiting area) arrivals departures classify low priority queue (waiting area) link (server) 2 5 4 1 3 arrivals packet in service 1 4 2 3 5 departures 1 3 2 4 5 Multmedia Networking 7-74 Scheduling policies: still more Round Robin (RR) scheduling: multiple classes cyclically scan class queues, sending one complete packet from each class (if available) real world example? 2 5 4 1 3 arrivals packet in service 1 2 3 4 5 departures 1 3 3 4 5 Multmedia Networking 7-75 Scheduling policies: still more Weighted Fair Queuing (WFQ): generalized Round Robin each class gets weighted amount of service in each cycle real-world example? Multmedia Networking 7-76 Policing mechanisms goal: limit traffic to not exceed declared parameters Three common-used criteria: (long term) average rate: how many pkts can be sent per unit time (in the long run) crucial question: what is the interval length: 100 packets per sec or 6000 packets per min have same average! peak rate: e.g., 6000 pkts per min (ppm) avg.; 1500 ppm peak rate (max.) burst size: max number of pkts sent consecutively (with no intervening idle) Multmedia Networking 7-77 Policing mechanisms: implementation token bucket: limit input to specified burst size and average rate bucket can hold b tokens tokens generated at rate r token/sec unless bucket full over interval of length t: number of packets admitted less than or equal to (r t + b) Multmedia Networking 7-78 Policing and QoS guarantees token bucket, WFQ combine to provide guaranteed upper bound on delay, i.e., QoS guarantee! arriving token rate, r traffic bucket size, b per-flow rate, R WFQ arriving D = b/R max traffic Multmedia Networking 7-79 Differentiated services want “qualitative” service classes “behaves like a wire” relative service distinction: Platinum, Gold, Silver scalability: simple functions in network core, relatively complex functions at edge routers (or hosts) signaling, maintaining per-flow router state difficult with large number of flows don’t define define service classes, provide functional components to build service classes Multmedia Networking 7-80 Diffserv architecture edge router: per-flow traffic management marks packets as in-profile and out-profile marking r b scheduling .. . core router: per class traffic management buffering and scheduling based on marking at edge preference given to in-profile packets over out-of-profile packets Multmedia Networking 7-81 Edge-router packet marking profile: pre-negotiated rate r, bucket size b packet marking at edge based on per-flow profile rate r b user packets possible use of marking: class-based marking: packets of different classes marked differently intra-class marking: conforming portion of flow marked differently than non-conforming one Multmedia Networking 5-82 Diffserv packet marking: details packet is marked in the Type of Service (TOS) in IPv4, and Traffic Class in IPv6 6 bits used for Differentiated Service Code Point (DSCP) determine PHB that the packet will receive 2 bits currently unused DSCP unused Multmedia Networking 7-83 Classification, conditioning may be desirable to limit traffic injection rate of some class: user declares traffic profile (e.g., rate, burst size) traffic metered, shaped if non-conforming Multmedia Networking 7-84 Forwarding Per-hop Behavior (PHB) PHB result in a different observable (measurable) forwarding performance behavior PHB does not specify what mechanisms to use to ensure required PHB performance behavior examples: class A gets x% of outgoing link bandwidth over time intervals of a specified length class A packets leave first before packets from class B Multmedia Networking 7-85 Forwarding PHB PHBs proposed: expedited forwarding: pkt departure rate of a class equals or exceeds specified rate logical link with a minimum guaranteed rate assured forwarding: 4 classes of traffic each guaranteed minimum amount of bandwidth each with three drop preference partitions Multmedia Networking 7-86 Per-connection QOS guarantees basic fact of life: can not support traffic demands beyond link capacity 1 Mbps phone 1 Mbps phone R1 R2 1.5 Mbps link Principle 4 call admission: flow declares its needs, network may block call (e.g., busy signal) if it cannot meet needs Multmedia Networking 7-87 QoS guarantee scenario resource reservation call setup, signaling (RSVP) traffic, QoS declaration per-element admission control request/ reply QoS-sensitive scheduling (e.g., WFQ) Multmedia Networking 7-88 Multimedia networking: outline 7.1 multimedia networking applications 7.2 streaming stored video 7.3 voice-over-IP 7.4 protocols for real-time conversational applications 7.5 network support for multimedia Multmedia Networking 7-89