Capítulo II: Tecnología multimedia

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1 Capítulo II: Tecnología multimedia En este capítulo se presenta una introducción a la tecnología multimedia relevante para el desarrollo de esta tesis. En primer lugar se trata brevemente del codificado de media y luego de los formatos y estándares más empleados. Luego se pasa revista a los conceptos relativos a la técnica de streaming y a los modos de distribución de este. A los estándares actuales de la industria. A los principales protocolos involucrados. A los dispositivos para soportar streaming en movilidad. A la tecnología de players multimedia. A las tecnologías de redes inalámbricas y a su problemática con respecto al soporte de streaming. 1 Introducción Para una grabación de vídeo doméstico, a un tamaño de pantalla de 768x576 pixels, con una cantidad de colores de 24 bits y una frecuencia de 25 cuadros por segundo (estándar para el sistema PAL), cada segundo de grabación, ocuparía algo más de 33 MB de disco. Es decir que 5 minutos de vídeo se traducirían en 9,9 GB de espacio en disco y dos horas de vídeo, terminarían ocupando alrededor de 237 GB. Estos son tamaños de archivo inmanejables e indistribuibles, actualmente, a través de la red. Para resolver estos problemas y manejar eficientemente un gran número de objetos multimedia, se necesita comprimir a los mismos, de forma que requieran menos espacio de disco para su almacenamiento y menos ancho de banda para su distribución. A continuación examinaremos brevemente algunas técnicas de compresión de datos. 1.1 Codificados entrópicos y no entrópicos La entropía (Rabbani et al. 1991) es básicamente una mesura de monto de información. Si en un sistema, N estados son posibles, cada uno con una probabilidad pi y donde Luego la ecuación de Shannon (Shannon 2001) define a la entropía como S = - Donde S describe la menor cantidad de bits requeridos para describir a todas las partes del sistema. Un ejemplo clásico es la cantidad de bits necesarios para codificar una imagen con una distribución uniforme de tonos de gris donde la probabilidad de un

2 tono cualquiera es de 1/256, se requerirían 8 bits para codificar cada tono de gris y se diría que la entropía de la imagen es de 8. El codificado por entropía ignora la semántica y comprime un flujo de media tratándolo como una secuencia de bits. Los codificados Huffman (Rabbani et al. 1991) y Run-length (Rabbani et al. 1991)(Tanaka et al. 1982) son esquemas de codificado entrópico. Por el contrario source coding optimiza el ratio atendiendo a las características específicas del material. Por ello es también llamado, codificado basado en semántica. Varios esquemas de codificado avanzado entran en esta categoría, tales como DPCM(Rabbani et al. 1991), DCT (Rabbani et al. 1991), FFT (Rabbani et al. 1991) y Wavelet(Ghanbari 2003). En realidad los algoritmos de compresión más populares, emplean un hibrido entre codificado semántico y entrópico, aplicando en una primera fase codificado semántico y luego codificado entrópico a los resultados de la primera fase, para reducir el tamaño de los datos. La pieza de software encargada de implementar estos algoritmos se denomina genéricamente CODEC (COmpressor/DECompressor). 1.2 Bitrate y codificado constante y variable El término bitrate o tasa de bits hace referencia al número de bits que se transmiten por unidad de tiempo a través de un sistema de transmisión digital o entre dos dispositivos digitales. La unidad con que se expresa el bitrate (Sciences 1996) es el bit por segundo (bit/s, b/s, bps). Así pues, el bitrate es básicamente una medida de la velocidad de transferencia de datos. En multimedia el bitrate es la relación de bits por segundo que consume un fichero de audio, o de vídeo. Cuando hablamos de codecs, la codificación con tasa de bits constante implica que la tasa de salida del codificador de los datos es constante. La codificación Constant Bit Rate (CBR) es muy útil para flujo de datos multimedia con canales de capacidad limitada. Sin embargo, CBR no es la mejor opción para almacenaje ya que no asignará suficientes bits para las secciones complejas (resultando en la degradación de la calidad) y por el contrario gastará bits innecesarios en secciones simples. Muchos esquemas de codificación, como por ejemplo, la codificación Huffman producen códigos de longitud variable lo que dificulta el uso de un CBR. Esto se arregla parcialmente variando la cuantificación y por tanto la calidad. Y, se consigue solucionar el problema por completo, usando bits de relleno (padding)(sun et al. 2004). Otra estrategia alternativa consiste en almacenar la tasa de bits en un buffer y liberar la información con una tasa de bits constante. Método conocido como leacky bucket (Pancha et al. )(Tanenbaum 2002). El Variable Bit Rate (VBR), a diferencia del CBR, aplica una cuantificación no uniforme. Teniendo en cuenta para ello, si en la señal hay zonas con mayor o menor densidad de información y cuantificando la señal en forma diferenciada. Asignando más bits donde mayor complejidad multimedia haya. Este método de compresión consigue una mayor calidad en ficheros de menor tamaño.

3 La utilización de uno u otro tipo de bitrate para la ejecución de objetos multimedia tiene un correlato obvio en el consumo de ancho de banda. En anchos de banda limitados normalmente la opción preferida es CBR, dado que este modo consume un ancho de banda constante durante toda la transmisión. La desventaja es que la calidad de la imagen variará y, aunque se mantendrá relativamente alta cuando no haya movimiento en la escena, bajará significativamente cuando aumente el movimiento. El modo VBR, por otra parte, mantendrá una alta calidad de imagen, si así se define, sin tener en cuenta si hay movimiento o no, en la escena. Dado que el consumo de ancho de banda puede variar, incluso si se define una media de ratio de bits objetivo, la infraestructura de red (el ancho de banda disponible) necesitará tener esta capacidad para soportar un sistema de este tipo. En lo referente a media, para un mismo contenido, mayor bitrate implica mayor calidad. 2 Codificado de vídeo 2.1 Formato MJPEG Debido a su simplicidad, el formato Motion JPEG (MJPEG), un estándar en muchos sistemas, representa a menudo una buena elección para transmitir vídeo. Se trata básicamente de un formato de vídeo donde cada frame de una secuencia está comprimido separadamente como una imagen JPEG. La especificación del formato de datos MJPEG se puede encontrar en la Request For Comments (RFC) 2435 (Berc et al. ). MJPEG ofrece un retraso limitado entre la captación de imágenes en una cámara, la codificación, la transferencia a través de la red, la descodificación y finalmente su representación en la estación de visualización. En otras palabras, MJPEG ofrece un tiempo de espera bajo debido a su simplicidad y, por tanto, también es apto para el procesamiento de imágenes, esto es, la detección de movimiento o el seguimiento de un objeto. Cualquier resolución de imagen práctica, desde un tamaño de pantalla de teléfono móvil (QVGA) hasta un tamaño de imagen de vídeo entera (4CIF) se encuentra disponible en Motion JPEG. El sistema garantiza la calidad de la imagen independientemente de su complejidad o movimiento, a la vez que ofrece flexibilidad para seleccionar una calidad de imagen superior (compresión baja) o una calidad de imagen inferior (compresión alta) obteniendo así ficheros de imagen de tamaño inferior y un uso del ancho de banda y bitrates menores. La velocidad de imagen puede ajustarse fácilmente para limitar el uso de ancho de banda, sin perder la calidad de la imagen. Sin embargo, Motion JPEG genera un volumen relativamente grande de datos para ser enviados a través de la red. El estándar Motion Picture Experts Group (MPEG)(Tristan Savatier et al. ), en cambio, al explotar las similitudes entre frames (fotogramas), tiene la ventaja de lograr generalmente un bitrate menor (en comparación con Motion JPEG). Pero, cuando el vídeo está tomado a velocidades de imagen bajas, está característica pierde parte de su efectividad compresora y el rendimiento de MJPEG equipara o incluso supera el de MPEG, tal como vemos en la Fig. 1:

4 Fig. 1. Comparación Motion JPEG-MPEG-4 a distintas velocidades de imagen 2.2 Estándar MPEG El grupo de trabajo Motion Picture Experts Group inició el desarrollo de estándares para tratar el almacenamiento de vídeo y audio, a finales de los 80. Actualmente es la International Telecommunications Union (ITU) quién se encarga del mantenimiento de los documentos MPEG. En términos del modelo OSI, los estándares MPEG se ubican residiendo en las capas de Presentación y Sesión. Para conseguir una elevada eficiencia de compresión MPEG se basa en el cálculo de la Transformada del Coseno Discreta (DCT). De manera general, este tipo de codificadores pueden generar dos tipos de imágenes diferentes: imágenes Intra, (I), codificadas sin dependencia temporal con ninguna otra imagen e imágenes Inter, codificadas utilizando información relativa a otras imágenes anteriores y/o posteriores. Las tramas Inter pueden ser de tipo P (Predicted frames) o de tipo B (Bidirectional Frames). El primer tipo de tramas (P) toman como referencia una trama I o P. Las tramas B toman como referencia tramas I o P codificadas anterior y/o posteriormente. Ningún tipo de trama toma como referencia una trama B, por lo que la pérdida de este tipo de tramas no produce propagación de errores. Con este tipo de frames se logran funcionalidades como FF, FR, o el acceso aleatorio. La Fig. 2 esquematiza la relación entre las tramas. Fig. 2. Dependencia entre tramas Más gráficamente la Fig. 3 ilustra estas relaciones:

5 Fig. 3. Relaciones entre los distintos tipos de frames en Mpeg La compresión/descompresión de información de media en formato mpeg implica una serie de procesos los cuales pueden verse en la Fig. 4. Durante el proceso de compresión, el primer cuadro de una secuencia de vídeo se codifica de modo intracuadro, sin ninguna referencia respecto a anteriores o futuros cuadros. Es lo que se llama I-picture. Los siguientes cuadros se codifican usando predicción intercuadro (Ppicture). La predicción se basa en los datos del cuadro codificado inmediatamente anterior, ya sea I-picture o P-picture. Fig. 4. Arquitectura de un codec mpeg Para la codificación de las P-pictures, el cuadro anterior es almacenado (FS, frame store) tanto en el codificador como en el decodificador.

6 Una característica importante de los algoritmos MPEG es la flexibilidad en la tasa binaria, que puede variarse ajustando el escalón de cuantificación (en la cuantificación de los coeficientes DCT) según las exigencias de cada aplicación en particular. Esto permite el almacenamiento o transmisión de vídeo con alto nivel de compresión. Como norma general, una secuencia codificada usando sólo I-pictures (IIII...) consigue el mayor grado de accesibilidad pero la compresión más baja. Si se codifica combinando I- y P-pictures (IPPPPPIPPPP...) se consigue una solución de compromiso entre ambos aspectos, y si se usa la combinación de las tres (IBBPBBPBBI...) se consigue un alto grado de compresión y una razonable accesibilidad, aunque se aumenta el retardo de codificación, lo que lo hace inviable para aplicaciones de videotelefonía o videoconferencia. Los formatos que utilizan frames B (bidireccionalmente predictivo) reconstruyen estos frames utilizando datos desde un futuro frame I o P el cual será mostrado algo después de que el frame B sea mostrado. Esto es, las codificaciones basadas en B frames requieren (para que la descodificación sea factible) que el frame I o P requerido aparezca primero. Por ejemplo, si una sección de un archivo tiene cuatro frames de tipos I, B, B, P a ser proyectados como frames 1, 2, 3 y 4 respectivamente, esos cuatro frames debe ser codificados en el siguiente orden: I, P, B, B. De esta forma el decoder tiene toda la información que necesita para decodificar los frames B. El decoder, primero descodifica y muestra el frame I, luego descodifica el P, pero no lo muestra todavía (FS). Usando esta información decodifica los dos B siguientes. Y finalmente muestra el P que ya había sido decodificado antes. El patrón de estos tipos de frames no es el mismo para todos los streams, pero un típico ejemplo sería IBBPBBPBBPBB. Las dependencias tienen una considerable gravitación sobre la arquitectura de un player MPEG. Los órdenes de transmisión y de display son diferentes, ya que frames referenciados, que están ubicados más adelante en la presentación, deben ser transmitidos y decodificados antes que el frame que los referencia. Comenzar a visionar un objeto desde una posición cualquiera requiere o comenzar desde un I-frame o transmitir todos los frames anteriores y/o posteriores requeridos. Y este patrón de frames también implica que si se pierde un I-frame ningún frame hasta el siguiente I-frame pueda ser descodificado (Koster 1997) Otros estándares Mpeg Los siguientes estándares MPEG están disponibles actualmente para comprimir y descomprimir video. MPEG1 Desarrollado al final de los 80, principios de los 90 para almacenamiento y recuperación de audio y vídeo desde dispositivos de alta capacidad como cintas y CD- ROMs. MPEG2 Desarrollado a mediados de los 90 para la transición de la industria de la TV desde la TV analógica a la digital (DTV). La mayoría de los DVD de hoy contienen media en formato MPEG2. La visualización de contenidos

7 MPEG2 es una funcionalidad bajo licencia. Comúnmente estos derechos están incluidos en la compra del Player. MPEG4 Fue desarrollado a finales de los 90 e introdujo el concepto de los contenidos como objetos manipulables individual o colectivamente. Aunque MPEG4 es un estándar, el software requiere una licencia basada en royalties. MPEG4 no contiene capacidades DRM, no obstante puede enganchar con soluciones DRM propietarias. Este formato está basado en el formato de los archivos Apple QuickTime. MPEG4 es el único estándar MPEG con capacidades para streaming. MPEG7 Actualmente es un borrador bajo desarrollo para proveer una interface de descripción multimedia que agregue una dimensión semántica los contenidos multimedia. MPEG21 También en desarrollo actualmente MPEG21 es un framework multimedia que cubrirá toda la cadena de distribución de contenidos multimedia incluyendo creación de contenidos, producción, distribución, comercio y consumición. En el contexto de esta tesis, MPEG-4 tiene especial importancia, por ser uno de los pocos formatos para streaming, soportado por los dispositivos móviles. 3 Streaming 3.1 Introducción al Streaming de Media Muchas aplicaciones que tradicionalmente fueron analógicas (como la TV) han evolucionado para utilizar audio y vídeo digital. La proliferación de media digital se ha visto facilitada por la amplia aceptación de los estándares de formato y compresión. Los dispositivos de hogar ya soportan desde hace años estos estándares en Digital Versatile Disk (DVD y Digital VHS (D-VHS)). Y el incremento de la capacidad de las redes de área local (LAN) permite actualmente la visualización de clips de media en modo remoto. Pero para posibilitar esto último es necesario un Servidor Multimedia (SMM). Formalmente un SMM, es un sistema que utiliza información de audio y/o video, para proveer una comunicación efectiva. Pero a diferencia de los datos tradicionales, como texto e imágenes, los objetos multimedia son usualmente grandes. Por dar otro ejemplo, 2 horas de video codificado en mpeg-2 (a un ratio de 4 Mb/s) ocupan 3.6 Gb. de almacenamiento. Por ello una de las tareas más críticas en la implementación de un SMM es el soporte del ancho de banda necesario para ofrecer Streaming Media (SM). La naturaleza síncrona de los objetos para SM requiere una ejecución ordenada en el tiempo a un ratio específico. Por ejemplo el estándar NTSC requiere 30 fps. Cualquier desviación de estos requerimientos puede resultar en defectos, interrupciones y jitter, colectivamente llamados hiccups (Dashti 2003). Hay un número de paradigmas posibles para mostrar objetos SM tal como se muestra en la Fig. 5.

8 Fig. 5. Paradigmas de distribución Estos paradigmas se definen en concordancia con: La ubicación del objeto SM (local vs. remoto) y Las capacidades de la red y de los servidores (no-streaming vs. streaming). Dependiendo de las capacidades del servidor y de la red tenemos dos paradigmas alternativos 1. Store-and-Display (Almacena y muestra) 2. Streaming En 1., el objeto es bajado completo antes de ser visualizado. Este paradigma es aplicable cuando el servidor y/o la red no pueden garantizar la naturaleza sincrónica del objeto, o como en el caso de los móviles antiguos, cuando el player no soporta streaming. En 2., (el paradigma de streaming) los bloques de datos son recibidos y procesados por el cliente para su visualización en modo inmediato. Los bloques de datos no son almacenados localmente sino que se almacenan temporalmente en un buffer del dispositivo (leacky bucket). Este paradigma es posible cuando tanto la red como el servidor pueden garantizar una reproducción en concordancia con la naturaleza sincrónica del contenido. Es importante no confundir streaming con download progresivo, ya que en el download progresivo, si bien el objeto SM comienza a ser visualizado apenas se comienzan a recibir sus datos (y se solapa la visualización con el download), los datos recibidos si son almacenados localmente (esto es, requiere suficiente capacidad de

9 almacenamiento en el cliente). Según se vea, download progresivo puede ser un caso particular del paradigma de streaming (si el sistema puede garantizar que la reproducción este libre de hiccups) o un caso especial del paradigma store-anddisplay. Para poder realizar streaming es necesario que el bitrate de la media sea menor que el ancho de banda de la red. En términos de ventajas y desventajas de la técnica de streaming podemos ver la siguiente tabla : Tabla 1 Ventajas y desventajas del streaming de media Ventajas Poca espera para la visualización. No se almacena localmente el contenido con lo cual no se vulneran derechos de propiedad en caso de que el material los tuviera. Desventajas El requerimiento de que tanto el servidor como la red garanticen el tiempo real. Los paquetes perdidos o dañados pueden causar hiccups en la visualización del objeto SM. No se requiere almacenamiento en el cliente. Soporte de eventos en vivo. 3.2 Arquitectura de un sistema de SM Para soportar el paradigma de streaming tanto los servidores como la red deben garantizar el continuo visionado del objeto SM sin interrupciones (hiccups). Para ilustrar asumimos un objeto SM X que consiste en n bloques del mismo tamaño.: X0, X1,..., Xn-1 y reside en un servidor SM tal como se muestra en la Fig. 6. Fig. 6. Arquitectura del sistema

10 Hay algunas observaciones interesantes para hacer, cuando ocurre el streaming del objeto: 1. El display-time de cada bloque es una función de los requerimientos de display de cada objeto y del tamaño del bloque. Por ejemplo, si los requerimientos de display de un objeto X son de 4 Mb/s y la medida de cada bloque es de 1 MB, luego el display-time de cada bloque se situaría en los 2 segundos. No obstante es importante notar que los objetos SM pueden estar codificados usando esquemas CBR o VBR. Por simplicidad a lo largo de esta tesis asumiremos CBR, salvo que se indique lo contrario. 2. El retrieval-time de cada bloque es una función del ratio de transferencia del servidor SM y está primariamente relacionado a la velocidad del subsistema de almacenamiento. 3. El delivery-time de cada bloque desde el servidor SM a hacia el cliente que lo visionará, es una función de la velocidad de la red, del tráfico y del protocolo usado. Asumimos que un cliente solicitará la transmisión del objeto X desde el servidor SM. Tal como se muestra en la Fig. 7. Fig. 7. Tiempos de recuperación, distribución y renderizado del objeto X Utilizando la información de más arriba, el servidor SM planifica la obtención de esos bloques, mientras la red asegura la distribución en tiempo de los bloques al cliente. El servidor SM extrae un bloque de X (digamos el Xi) desde el disco hacia la memoria principal e inicia la distribución hacia el cliente vía la red. El servidor planifica la obtención del bloque Xi+1 antes de que se proyecte Xi. Esto asegura una transición suave entre 2 bloques y permite lograr una proyección continua. Este proceso es repetido hasta que todos los bloques de X hayan sido obtenidos, enviados y proyectados.

11 La naturaleza periódica de la obtención de los bloques y del proceso de proyección da lugar a la definición de un período de tiempo (Tp). Que denota el tiempo requerido para proyectar un bloque de datos. Nótese que el Tp de un bloque es significativamente más largo que su retrieval y delivery-time desde el servidor SM hacia el cliente. Es por ello que el servidor SM puede resultar multiplexado entre varios clientes. El host cliente, por su parte, puede bufferizar suficientes datos (bloques) en su memoria, de manera tal que ante una demora en la llegada de bloques por parte de la red o del servidor, SM pueda ser soportado de la mejor manera (ver la Fig. 6). Para garantizar el visionado continuo de un objeto X sin hiccups, es crítico que antes de completar el visionado de un bloque Xi, el bloque Xi+1 este disponible en el buffer del cliente. Consideremos por ejemplo el retrieval-time, el delivery-time y el displaytime de la Fig. 7. El bloque X1 es obtenido (retrieved) y distribuido hacia el cliente y el cliente demora la proyección del bloque, para reducir la probabilidad de hiccups (por ejemplo debido a problemas de red). Para el bloque X1 la red distribuye el bloque en menos tiempo y por lo tanto el bloque es bufferizado por un período largo de tiempo. Si la demora en la red se hiciera mas larga de lo esperado, como se muestra en la Fig. 7 para el bloque X2, luego la proyección del objeto X padecería un hiccup. A la inversa si la distribución de los bloques resultara más rápida de lo esperado (del display-rate) para el objeto X, luego el cliente podría encontrarse en una situación de overflow. En este caso el cliente podría: 1) Descartar bloques, ó 2) enviar una orden al servidor SM para que ralentizara o pausara la distribución. La opción 1) causaría retransmisión de bloques (incrementando el tráfico de red) y carga extra en el servidor SM o causaría hiccups en el cliente. Y la opción 2) afectaría a la planificación de obtención de bloques del servidor SM. Debido a las características de tamaño y sincronía de los objetos SM, el diseño de servidores que soporten streaming es diferente del de los servidores convencionales (Dashti 2003). La funcionalidad fundamental de un servidor SM es que resulte libre de hiccups. No obstante solo soportar una proyección continua no es suficiente, ya que muchas aplicaciones como Video On Demand (VoD) que sirven simultáneamente a muchos usuarios requieren maximizar el rendimiento de los servidores para minimizar los costos. Es por ello que las siguientes métricas resultan importantes: Throughput: Que es el número de clientes simultáneos que soporta un servidor SM. Startup latency: Que es el monto de tiempo transcurrido desde que llega un requerimiento sobre un archivo X hasta que comienza su visionado. El throughput esta estrechamente relacionado a otra importante métrica de los servidores SM denominada costo-por-stream (Dashti 2003). Si una técnica soporta un throughput mayor que otra, para los mismos recursos, luego esta provee una solución

12 más efectiva en costo. Estas son pues las métricas más utilizadas para comparar servidores SM. 4 Distribución de media por streaming sobre internet Debido a su existencia ubicua, Internet se ha transformado en la plataforma de la mayoría de las actividades de red, incluyendo las aplicaciones SM, donde los usuarios requieren la integración de servicios multimedia. No obstante por su carácter de red basada en datagramas, Internet no resulta naturalmente apropiada para tráfico de tiempo-real, tal como el SM. Los vínculos dedicados no son prácticos para transmitir datos SM sobre Internet. Más todavía, como consecuencia del store-and-forwarding en routers y otros dispositivos de red, Internet Protocol (IP) tiene algunos problemas fundamentales para transmitir datos de tiempo real. Si a esto sumamos las particularidades de las redes inalámbricas, donde las hubiere, se entiende porqué la distribución de SM sobre Internet es un foco de permanente investigación. En lo relativo a la relación cliente/servidor, el SM puede ser distribuido de diferentes maneras: On-Demand (A petición - cliente activo): El contenido de media es posible entregarlo mediante streaming, bien por la demanda de un usuario o bien por la solicitud de un servidor. Se puede realizar el streaming tanto si el contenido procede de un servidor como si es contenido en vivo. Es un método de distribución Unidifusión. Unicast (Bajo demanda o broadcast): Por medio de una conexión cliente/servidor, el cliente recibe bajo demanda un stream de contenido previamente almacenado o un contenido en directo, de forma que ningún otro cliente tiene acceso a dicho stream. Broadcast (Cliente pasivo): Un stream broadcast puede ser multicast o unicast. En una conexión broadcast, el cliente es pasivo y no controla cuando el stream empieza o termina. Por el contrario, en una conexión bajo demanda, el cliente es activo y controla cuando el stream empieza o para. A causa de la interacción del cliente, es un método de distribución unidifusión. Broadcast Unicast: Es una conexión punto a punto que un cliente inicia a un servidor. Es similar a una llamada de teléfono, donde se establece una conexión continua entre cada cliente y el servidor. Multicast (Multidifusión de un stream en tiempo real - solo broadcast): Consiste en la distribución de un stream a muchos clientes que escuchan monitorizando una dirección IP multicast. 5 Protocolos para distribución de media

13 Tanto para la comunicación cliente-servidor como para la QoS, existen distintos protocolos. A continuación analizaremos algunos protocolos de red requeridos para realizar streaming sobre Internet. La Fig. 8 muestra sus relaciones con otros protocolos de red bien conocidos. Fig. 8. Protocolos de red involucrados en SM 5.1 RTP Real Time Protocol (RTP) (Schulzrinne et al. 1995), es un protocolo IP para transporte de audio y vídeo. Es un protocolo liviano sin corrección de error o funcionalidades de control de flujo. Por ello con él no puede hablarse de QoS ni de reserva de recursos. RTP esta diseñado para trabajar también con el protocolo de control RTCP (Schulzrinne et al. 1995), que permite obtener un feedback de la calidad de la transmisión e información de los participantes de una sesión en curso. RTP esta primariamente diseñado para multicast o datos de tiempo real, pero puede ser usado también en unicast. Y puede ser usado para transporte en un solo sentido, del tipo de VoD, así como para servicios interactivos como VoIP. La información multimedia requiere una temporización adecuada entre la transmisión y la recepción (el visionado). Para ello RTP provee time-stamping, numeración secuencial, y otros mecanismos. A través de esos mecanismos RTP provee transporte end-to-end para datos de tiempo real sobre redes basadas en datagramas. Time-stamping: Es la información más importante para tiempo real. El servidor imprime el timestamp cuando el paquete es creado. El receptor usa el timestamp para reconstruir el temporizado original del material. Este también puede ser usado para sincronizar diferentes streams como audio y video (en MPEG). Sin embargo RTP no es

14 responsable por la sincronización. Esta debe ser hecha a nivel de aplicación. Números de secuencia: Se utilizan para determinar el orden correcto de los paquetes dentro de un contenido, ya que no puede garantizarse que se reciban en la secuencia correcta (en la que los envía el servidor). También se utiliza para detectar pérdida de paquetes. Nótese que en algunos formatos de vídeo cuando un frame se divide en varios paquetes RTP, todos ellos tienen el mismo timestamp. Por ello el timestamp no es suficiente para determinar el orden de los paquetes. Payload type identifier: Especifica el formato de carga (payload) así como los esquemas de codificado/compresión. Usando este identificador la aplicación que recibe el flujo sabe como interpretar y proyectar los datos que viene cargados en el paquete. Por ejemplo PCM, MPEG1/MPEG2. Más tipos de carga pueden ser agregados proveyendo un perfil y una especificación de formato de carga. Para una misma transmisión el servidor debe enviar un solo tipo de payload, aunque entre distintas transmisiones puede cambiar el tipo para adaptarse a cambios en la red. Identificación de la fuente: Posibilita a la aplicación receptora (player) saber desde donde está recibiendo los datos. Por ejemplo en un audio-conferencia desde este campo el usuario puede saber con quién está hablando. RTP corre típicamente arriba de UDP. RTP está básicamente diseñado para multicast, ya que los protocolos orientados a conexión (TCP), no escalan bien y no resultan adecuados. Para multimedia, la confiabilidad no resulta prioritaria como si lo es la distribución en tiempo. Y más aún, transmisiones garantizadas como la de TCP resultan no deseables. Los paquetes RTP y RTCP son usualmente transmitidos usando un servicio UDP/IP. 5.2 RTCP RTP Control Protocol (RTCP) (Schulzrinne et al. 1995) es el protocolo de control diseñado para trabajar en conjunción con RTP. En una sesión RTP, los participantes envían periódicamente paquetes RTCP para transportar un feedback sobre la calidad de la distribución de datos (así como información sobre los participantes). RR (Receiver Report): El receptor hace un reporte relativo a la calidad de los datos, incluyendo el número de paquete más alto recibido, el número de paquetes perdidos, el jitter y timestamps para calcular el round-trip entre el servidor y el receptor. SR (Sender Report): El servidor realiza un reporte brindando información sobre sincronización, contadores de paquetes y número de bytes enviados. SDES (Source Description Items): Información que describe la fuente de datos.

15 APP (Aplication Specific Functions): Este elemento esta concebido para uso experimental en la medida en que nuevas aplicaciones y usos sean desarrollados. Utilizando los mensajes descriptos RTCP provee los siguientes servicios de control de transmisión de datos con RTP: 5.3 RTSP Monitoreo de QoS y control de congestión. RTCP provee un feedback a una aplicación sobre la calidad de la distribución de los datos. De esta forma el servidor puede ajustar su transmisión basándose en el feedback proporcionado por el cliente. Los clientes por su parte pueden saber si la congestión del canal es a nivel local, regional o global. Y los administradores de red pueden evaluar el rendimiento de la red para distribución multicast. Identificación de fuentes. Los paquetes RTCP SDES (Source Description) contienen información textual llamada Nombres Canónicos como identificadores globales unívocos para los participantes de una sesión. Estos pueden incluir el nombre de usuario, el número de teléfono, la dirección de correo y otras informaciones. Sincronización entre media (Intermedia syncronization), los reportes RTCP del servidor contienen una indicación de tiempo real y del correspondiente timestamp. Este puede ser usado para la sincronización entre medios (audio, vídeo). Escalado de la información de control (Control Information Scaling). Los paquetes RTCP son enviados periódicamente entre participantes. En orden a escalar hacia grandes grupos multicast, RTCP debe prevenir la saturación de los recursos de la red por parte de la información de control. RTP limita el control de tráfico a casi el 5% del tráfico control del tráfico total de la sesión. Esto se logra ajustando el tráfico RTCP en concordancia con el número de participantes. Real Time Streaming Protocol (RTSP) (Schulzrinne et al. 1998), es un protocolo cliente-servidor de presentación multimedia que posibilita la distribución controlada de flujos de datos multimedia sobre redes IP. RTSP provee métodos para utilizar comandos (play, pause, stop, fast-forward, fast-rewind) similares a la funcionalidad provista por el mando de un Videoreproductor. RTSP es un protocolo a nivel de aplicación diseñado para trabajar con protocolos de bajo nivel como RTP y RSVP, con vistas a brindar un servicio completo de streaming sobre Internet. Puede actuar como un control remoto para servidores multimedia sobre Internet. Puede correr sobre TCP o UDP. RTSP puede controlar flujos simples o compuestos (y sincronizados) de información de media. RTSP provee las siguientes operaciones:

16 Recuperación de media desde un servidor. El cliente puede requerir una descripción de una presentación dada y/o requerir al servidor la creación de una sesión para el envío de los datos solicitados. Invitación de un servidor de media a una conferencia. El servidor SM puede ser invitado a una conferencia para distribuir media o para grabar una presentación. Agregado de media a una presentación existente. El servidor y el cliente pueden notificarse mutuamente la existencia de contenidos de media adicional que está siendo disponible. En RTSP cada presentación y flujo de media se identifica por una URL RTSP. La presentación total y las propiedades de la media se describen en un archivo de descripción, el cual puede incluir el codificado, el lenguaje, las URL RTSP, la dirección de destino, puertos, y otros parámetros. El archivo de descripción de la presentación puede ser obtenido por el cliente utilizando HTTP, u otros medios. RTSP provee para audio y vídeo los mismos servicios que HTTP hace para los gráficos y textos. Pero RTSP difiere de HTTP en varios aspectos. Primero, mientras HTTP es un protocolo sin sesión, RTSP debe mantener un estado de sesión en orden a correlacionar los requerimientos RTSP con los flujos. Segundo, HTTP es básicamente un protocolo asimétrico, donde el cliente efectúa requerimientos y el servidor los responde, pero en RTSP ambos, el cliente y el servidor pueden efectuar requerimientos. Por ejemplo el servidor puede efectuar un requerimiento de que el cliente defina determinado parámetros para distribuir un stream dado. 5.4 RSVP RSVP (Resource reservation Protocol) (Braden et al. 1997) es el protocolo de control de red que permite al receptor o cliente requerir una calidad de servicio end-to-end especial para sus flujos de datos. Por ello las aplicaciones de tiempo-real pueden usar RSVP para reservar los recursos necesarios a los routers a lo largo del camino de transmisión de forma que el ancho de banda requerido resulte disponible cuando la distribución tiene lugar. RSVP es un componente principal de los futuros Integrated Services Internet (ISI) los cuales pueden proveer tanto servicios best-effort como realtime. RSVP es usado para definir la reserva de los recursos de la red. Cuando una aplicación en un host (el cliente) requiere una calidad de servicio específica (QoS) para sus flujos de datos, este usa RSVP para enviar su petición a los routers, a lo largo del camino de distribución. RSVP es responsable por la negociación de los parámetros de conexión con esos routers. Si la reserva es configurada, RSVP es también responsable de mantener los estados del router y del host cliente de forma de proveer el servicio solicitado. Cada nodo de recursos reservables tiene varios procedimientos para reservar y forzar recursos. La política de control determina si el usuario tiene permisos administrativos para hacer la reserva (autenticación, control de acceso y cuenta para realizar reservaciones). El control de admisión lleva la cuenta de los recursos y determina si el nodo tiene suficientes recursos para suministrar la QoS requerida.

17 RSVP está también diseñada para utilizar la robustez de los actuales algoritmos de ruteo. RSVP no efectúa su propio ruteo sino que libra a los protocolos subyacentes de ruteo el acarreo de sus propias peticiones. De la misma manera que el ruteo cambia para adaptarse a cambios en la topología, RSVP adapta sus reservas a los nuevos caminos donde quiera que las reservaciones tengan lugar. 6 Estándares para videostreaming 6.1 Codecs de videostreaming Hay en rigor muchos formatos que permiten realizar streaming, pero unos pocos son los llamados estándares de facto de la industria. La Tabla 2 muestra los productos y estándares más populares de la industria para streaming: Vendedor/Software Streaming Windows Media Technology (WMT)/ Windows Media Services (WMS) RealNetworks/Helix Univeral Server Apple QuickTime Streaming MPEG4 Player Windows Media Player Extensión del archivo contenedo r ASF Protocolos de Transporte MMS, WMT, RTSP,RTP (UDP),HTTP RealPlayer RM Real RTSP G2 y Real PNA, RTSP, MMS, RTP (UDP), Real Data Transport (RDT), HTTP Apple QT RTSP,RTP Quicktime RealPlayer y Apple Quicktime MPEG4 (basada en QT) (UDP), HTTP No especificado DRM Si Si Si No, pero include interfaces propietarias. Meta- File ASX SMIL SMIL SMIL Tabla 2 - Estándares para streaming En general las diferencias entre estas tecnologías se pueden estudiar en su relación o falta de relación, con los estándares vigentes. WMT, por ejemplo utiliza su propia versión de RTSP y un protocolo de control propietario llamado Microsoft Media Services (MMS). MMS provee una funcionalidad similar a RTSP pero usa TCP/UDP en el puerto 1755 para control y UDP en los puertos para datos. 6.2 Servidores para streaming Si bien, eligiendo el formato adecuado, resulta factible distribuir streaming con un servidor web (ver Capítulo V de esta misma tesis) estándar, las ventajas de los servidores especializados de streaming son innegables: ya que a través de un servidor Multimedia especializado (Media server) los datos son inteligentemente enviados al

18 cliente, de forma que el servidor distribuye el contenido a la velocidad de datos asociados con los streams de audio y vídeo. El servidor y el cliente están en contacto durante el proceso de distribución, y el servidor de streaming puede responder a solicitudes por parte del cliente. Resumidamente, entonces las ventajas más importantes de un Media Server son: Throughput de red más eficiente Mejor calidad de audio y video al usuario Características avanzadas (Controles de reproducción) Escalabilidad rentable a un mayor número de usuarios (Especialización, Soporte de Multicast) Protección de los derechos de contenido Múltiples opciones de distribución (UDP, TCP, HTTP+TCP, multicast,...) La Tabla 3 compara a los principales servidores de streaming de la industria con respecto a las funcionalidades y formatos que soporta y a los ambientes donde pueden ejecutar. Soporta Real Media Server ICE-Cast Shout- Cast Windows Media Server Darwin (QuickTime) Audio Si Si Si Si Si Video Si No No Si Si Codec MP3 / Sony ATRAC3 / MPEG-4/ MP3 / OGG MP3 WMA / WMC / WME / ASF / MPEG-4 MOV / MP3 / MPEG-4 RM(RV/RA ) Administració n remota Si Si Si Si Si Tipo conexion de UDP / TCP / HTTP TCP TCP UDP / TCP / HTTP UDP / TCP / HTTP Multicast Si No No Si Si Unicast Si Si Si Si Si

19 Calidad adaptativa Si No No Si No Log Si Si Si Si Si RTP Si + RDT No No Si Si SMIL Si No No No Si RTSP Si No No Si, implementaci ón muy efectiva Si, implementaci ón muy cercana al estándar RSVP Si No No Si Si Multiprocesador Si Si Si Si Si Costo De pago (más de 500 conexione s) Gratuito Gratuito De pago Gratuito OS Windows 95/ 98/2000/N T Linux Solaris 8 HP/UX AIX FreeBSD Windows 95/ 98/NT/200 0 Linux glibc FreeBSD 3.x BSDi Solaris 8 Windows 95/ 98/NT/200 0 Linux glibc FreeBSD BSDi Solaris 8 Windows 98 SE/ME/NT 4/2000/2000 Server Windows 95/98/NT/200 0 Linux Solaris 8 FreeBSD Mac OS X Mac OS X Tabla 3 - Comparativa entre servidores de streaming En materia de codecs, la Tabla 4 muestra los algoritmos más comunes de Audio- Vídeo. Nombre del Codec (ITU-T/ISO-IEC) Tipo de Codec Uso típico MPEG1 MPEG2 High-quality video codec High-quality video codec Ancho de banda Requerido Codificado de CD 500 kbps 10+ Mbps Codificado de DVD/HDTV 500 kbps 10+ Mbps MPEG4 Medium-quality HDTV y streaming en vivo y on- 100 kbps 1

20 Nombre del Codec (ITU-T/ISO-IEC) Tipo de Codec Uso típico Ancho de banda Requerido video demand por Internet Mbps H.263 Low-quality codec Originalmente para 128 kbps videoconferencia (ISDN) Motion-JPEG Video Codec (Frame-by-frame) Internet Streaming (cámaras en vivo) JPEG Image encoder Imagen - G.711 Audio codec Transmisión de voz en crudo 64 kbps (raw) G.729 Audio codec Voz sobre IP (VoIP) 8 kbps MP3 MPEG1 Layer III Streaming y donwload de - Audio Codec música - Tabla 4 - Codecs Los vendedores de servicios de streaming normalmente utilizan software de codecs propietarios u Open Source. Con la popularización de determinados formatos el número de fabricantes que proveen codecs basados en estos algoritmos se ha incrementado exponencialmente. Para diferenciar entre codecs se debe remitir a su Four Character Code (FourCC). Por ejemplo, DivX, tiene varios codecs con identificadores FourCC únicos (por ejemplo DX50 y DivX (Dave Wilson 2007). 6.3 Contenedores Los vendedores de Servidores de streaming proveen la posibilidad de almacenar múltiples flujos (streams) de datos de una sesión multimedia en un solo archivo llamado streaming container. Estos contenedores se pueden utilizar luego tanto para consumir el contenido en modo local, como para streaming. Los protocolos subyacentes (RTP, UDP y RTSP) de Windows Media o RealNetworks son independientes del contenedor. En el caso de Apple QT y MPEG4 los protocolos subyacentes son parte de la especificación. Cada vendedor tiene su propio formato contenedor con la excepción de MPEG4. Para preparar contenidos para streaming primero se comprime y se encapsula el material. La encapsulación incluye headers a nivel de aplicación con información sobre como debe el Player reproducir el archivo. Los headers incluyen información de índices, ancho de banda y tipos de formatos contenidos en el archivo. La parte de media contiene audio, vídeo o presentaciones. Cuando el Player recibe un archivo SM, primero lee los headers para recibir instrucciones sobre como reproducir los trozos de contenido. La Fig. 9 muestra un típico formato contenedor:

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