Administración de redes y servidores: aplicaciones multimedia y voz sobre IP

2.3. Multimedia a través de red

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Aplicación de red multimedia

Aplicación de red multimedia o multimedia en red: Cualquier aplicación de red que emplee audio o vídeo

Propiedades del vídeo

• Alta tasa de bits, mayor que el audio o cualquier otro tipo de contenido.
• Posibilidad de compresión, sacrificando calidad (podemos comprimir prácticamente a cualquier tasa de bits, desde 100kbps en baja calidad hasta más de 3Mbps o incluso 10Mbps en 4K)
• Se pueden almacenar múltiples versiones del mismo vídeo a diferentes tasas de bits (bitrate adaptativo).

Ejemplo de consumo de recursos de vídeo

Vídeo de 67minutos a 2Mbps ¿Cuántos recursos consumirá de almacenamiento y tráfico?

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Propiedades del audio

• Sampleo y cuantización de señal analógica para convertirla en digital (generalmente por encima de 8KS/s y la cuantización se realiza sobre una escala potencia de 2, por ejemplo 256)
• Modulación por código de pulsos (PCM, Pulse Code Modulation):
  • 8000 muestras por segundo y 8 bits por muestra
  • 44100 muestras por segundo y 16 bits por muestra (calidad CD audio)
• MPEG 1 capa 3 -> MP3: codificación estándar a 128kbps
• Codificación de audio avanzada (AAC, Advanced Audio Coding) -> popularizado por Apple

Ejemplo de consumo de recursos de audio

Audio de 30 minutos sampleado a 8000 muestras por segundo y 8 bits ¿ Cuántos recursos consumirá de almacenamiento y tráfico?

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Tipos de aplicaciones multimedia en red: Flujos de audio/vídeo almacenado

• Flujos de audio/vídeo almacenado -> Archivo pregrabado almacenado en servidor.
• Transmisión de flujos (streaming), sin descarga previa completa que produzca un retraso intolerable
• Interactividad con el usuario: pausa, forward, etc ...
• Reproducción continua en tiempo real del video.
• Ejemplo: Youtube, Netflix, Amazon, Youku
• Generalmente se distribuyen mediante redes de distribución específicas para este objeto (CDN), capaces de soportar descargas masivas de flujos de audio/video.

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Tipos de aplicaciones multimedia en red: Conversaciones de voz y vídeo sobre IP

• Conversaciones de voz y vídeo sobre IP -> VoIP o telefonía internet
  • Extremadamente sensibles a los retardos
  • Tolerantes a las pérdidas
  • Ejemplo: Skype, QQ, Google Talk
• Flujos de audio y vídeo en vivo ->TVIP
  • Redes CDN
  • Multidifusión
  • Permiten un cierto retardo
  • Ejemplo: CATEL, Vodafone

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Retardo y jitter en aplicaciones multimedia

Retardo y jitter. De acuerdo con la arquitectura de red empleada, tendremos un retardo inevitable en la entrega de un paquete que se compone básicamente de dos componentes:

• El retardo de propagación, que tiene un valor fijo
• El retardo de encolamiento o jitter, que tiene un valor variable dependiendo del estado de las colas por las que pasa el paquete en su camino de origen a destino.

Las técnicas para abordar y adaptarse a estos retardos van a depender de la naturaleza de la aplicación multimedia, ya que pueden tener requisitos distintos respecto al retardo.

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Caudal en aplicaciones multimedia

Caudal. El caudal disponible para cada flujo multimedia dependerá del número de flujos multimedia utilizando la red y el volumen de cada uno de ellos.

En caso que el volumen total de tráfico sea superior a la capacidad de la red, las colas se llenarán y se descartarán aquellos paquetes que no se pueden cursar con la capacidad disponible.

Para adaptarse a ello, las aplicaciones multimedia (ya sean de naturaleza interactiva o streaming) tendrán que adaptar la tasa de transmisión al caudal disponible en la red.

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Pérdidas y errores en aplicaciones multimedia

Pérdidas y errores. En caso de que no estemos en una situación de congestión permanente sino que únicamente se produzcan situaciones de congestión puntual a causa de la naturaleza a ráfagas del tráfico multimedia, no es necesario disminuir la tasa de transmisión.

De todas formas, el problema que nos encontramos en este caso es que se pueden producir pérdidas puntuales a causa de que en un momento determinado se llene una cola.

Esta situación es parecida desde el punto de vista de la aplicación multimedia al caso en que se producen errores de bits.

En ambos casos, la aplicación tiene que enfrentarse a la incorrección o ausencia de parte de la información.

A causa de los requisitos de retardo, esta información no se puede retransmitir.

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Flujos de vídeo almacenado

En general, los videos pregrabados se almacenan en servidores y los usuarios envían solicitudes a esos servidores para ver los vídeos a la carta.

El usuario puede ver el vídeo de principio a fin sin interrupciones, puede dejar de ver el vídeo mucho antes de que termine o puede interactuar con el vídeo poniéndolo en pausa o saltando a una escena anterior o futura.

Para mitigar la variabilidad en los retardos (jitter) extremo a extremo se emplean intensamente buffers de aplicación en el lado cliente.

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Redes de distribución de contenido (CDN)

Redes de distribución de contenido (CDN - Content Distribution Networks)

• Permiten distribuir cantidades masivas de datos de vídeo a usuarios dispersos por todo el mundo.
• Gestiona servidores situados en múltiples ubicaciones geograficamente distribuidas, almacena copias de los vídeos y de otros tipos de contenido web, como documentos, imágenes y audio, y trata de dirigir cada solicitud de usuario a una ubicación de la CDN que proporciones la mejor experiencia de usuario posible.
• CDN privada - Propiedad del propio proveedor de contenido. Por ejemplo, la CDN de Google distribuye vídeos de Youtube y otros tipos de contenido.
• CDN comercial - Distribuye contenido por cuenta de múltiples proveedores de contenido.

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Funcionamiento de las CDN

Redes de distribución de contenido (CDN - Content Distribution Networks)

• Los clústeres de servidores se sitúan generalmente cerca de los ISP para mejorar la experiencia del usuario, bien por estrategia del propietario del CDN o bien por estrategia del ISP.
• La CDN replica el contenido entre todos los clústeres, de forma estratégica.
• La CDN debe interceptar la solicitud de un cliente para:
  1. Determinar un clúster de servidores de la CDN que resulte adecuado pare ese cliente en ese determinado instante.

• Estrategias de selección de clústeres: geográficamente más próximo, medidas periódicas en tiempo real del retardo ...
  1. Redirigir la solicitud del cliente a un servidor situado en dicho clúster.

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Diagrama de flujo de solicitud CDN

Redes de distribución de contenido (CDN - Content Distribution Networks)

CDN HTTP request for www.foo.com/sports/sports.html origin server 1 2 DNS query for www.cdn.com client CDN's authoritative DNS server 3 HTTP request for www.cdn.com/www.foo.com/sports/ruth.gif CDN server near client servidor original en Uruguay nodo de distribución de la CDN

UNIVERSIDAD DE LA RIOJA servidor CDN en N.America servidor CDN en Europa servidor CDN en AsiaAdministración de redes y servidores: Tema 2 - Administración servidores y servicios en red

Tipos de flujos de vídeo almacenado

• Flujos UDP
  • No puede garantizar una reproducción continua
  • Necesita servidor de control de medios (RTSP)
  • Cortafuegos pueden bloquear trafico UDP
• Flujos HTTP (sobre TCP)
  • Permite atravesar cortafuegos y NAT
  • No tiene necesidad de RTSP

. Sin embargo puede fluctuar bastante la velocidad debido al control TCP

• Flujos HTTP adaptativos (DASH)
  • El vídeo se codifica en diferentes versiones con diferentes tasas de bits.
  • Permite una selección dinámica y adaptativa del cliente mediante las solicitudes al stream más adecuado en cada momento dependiendo de su velocidad de conexión.

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Modelo de reproducción de vídeo almacenado

recepción de vídeo del cliente transmisión de vídeo a tasa constante datos acumulados reproducción a tasa constante en el clite retardo variable de la red vídee almacenado V tiempo buffer del cliente < tasa de llenado variable x(t) tasa de vaciado constante d de la red al reproductor <

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Ejemplo 1: Aplicación streaming y tiempo de playout

Ejemplo 1: Se utiliza una aplicación streaming para reproducir un vídeo de tasa 750 Kbps sobre un enlace vacío de caudal 1 Mbps. ¿ Qué tiempo de playout se tendrá que utilizar para que no se produzcan interrupciones si se utilizan los protocolos UDP y TCP respectivamente?

caudal < 1 Mbps 0.5 Mbps t 500 ms

NOTA: Asuma el modelo de la figura para el comportamiento de la tasa de envío del protocolo TCP.

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Respuesta al ejemplo 1

Respuesta: Para el caso de UDP, y siempre que el enlace permanezca desocupado, podemos transmitir a una tasa de 750 Kbps sin sufrir pérdidas y con un jitter nulo, por lo que no es necesario ningún tiempo de espera para reproducir los paquetes recibidos y por lo tanto el playout será igual al tiempo de propagación más el de transmisión.

Para el caso TCP, la condición que debe cumplirse es que el área por debajo de la curva x(t) (volumen de datos recibidos) sea siempre superior al área por debajo de la curva d(t) (volumen de datos reproducidos). Esto se producirá cuando las áreas a y b sean iguales, puesto que las demás se compensan (ver gráfico):

caudal se compensan 1 Mbps 0.75 Mbps 0.5 Mbps b a

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