Paquetización de Voz y Video en Redes IP

Transcripción

1 Paquetización de Voz y Video en Redes IP Dr. Ing. José Joskowicz josej@fing.edu.uy

2 Introducción Voz y Video en Redes IP

3 3 Paquetización de los flujos multimedia Para poder transmitir la información codificada de voz o video sobre redes de datos, es necesario armar paquetes. Es necesario juntar un conjunto apropiado de información para armar un paquete. Cada paquete tiene una cantidad mínima de información de control Cabezal del paquete Origen, destino Etc.

4 4 Transmisión de multimedia sobre redes de datos Flujo multimedia RTP Ventana UDP IP Ethernet Sobrecarga Sobrecarga

5 RTP Real Time Protocol Es un protocolo para transmisión de datos de tiempo real (audio y video) sobre IP Está estandarizado en el RFC 3550 Se basa en UDP Dr. Ing. José Joskowicz

6 6 RTP Real Time Protocol G.711 G.729 MPEG1 MPEG2 H.264 H.265 RTP RTCP

7 7 RTP - Cabezal Version Padding extension CSRC count Payload Type V P X CC M PT Sequence number Timestamp synchronization source (SSRC) identifier contributing source (CSRC) identifiers. 32 bits

8 8 RTP - Cabezal Payload Type Payload Type Formato Medio Clock Rate 0 PCM mu-law Audio 8 khz 3 GSM Audio 8 khz 4 G.723 Audio 8 khz 8 PCM A-law Audio 8 khz 9 G.722 Audio 8 khz 13 Confort Noise Audio 14 MPEG Audio Audio 90 khz 15 G.728 Audio 8 khz 18 G.729 Audio 8 khz 26 Motion JPEG Video 90 khz 31 H.261 Video 90 khz 32 MPEG-1 o 2 Elementary Stream Video 90 khz 33 MPEG-1 o 2 Transport Stream Video 90 khz 34 H.263 Video 90 khz Dinámico

9 RTP - Cabezal Payload type Identifica el tipo de información que viaja en el paquete Indica el tipo de codificación de audio o video, o el contenido de información especial CN (Comfort Noise) Tipos dinámicos RFC 2833 (Tonos DTMF, tonos de Fax, etc.) Dr. Ing. José Joskowicz

10 10 RTP - Cabezal Sequence number ( 16 bits) Número secuencial, generado en el origen. Es usado por el receptor para detectar paquetes perdidos Time Stamp (32 bits) Marca horaria, del momento de la generación del primer byte de la muestra enviada en el paquete Synchronization Source Identifier (32 bits) Identifica el origen

11 11 Ejemplo RTP: Paquete de audio

12 Comunicación RTP de extremo a extremo Aplicación Aplicación Encoder Decoder Encoder Decoder Paquetización y armado de RTP Desarmado de RTP y despaquetización Paquetización y armado de RTP Desarmado de RTP y despaquetización UDP UDP puerto UDP puerto UDP Camino de ida Camino de vuelta Red IP Dr. Ing. José Joskowicz

13 Sesiones RTP Los terminales establecen sesiones para cada tipo de medio Audio Video Típicamente cada sesión es independiente Sesión de Audio RTP Sesión de Video RTP Dr. Ing. José Joskowicz

14 14 Demoras Red de datos s s s s 20 ms 20 ms 20 ms 100 ms de retardo (NO está a escala) 20 ms ε s 20 ms 20 ms ε s 20 ms ε s

15 15 Demoras variables - Jitter Red de datos s s s s 20 ms 20 ms 20 ms 100 ms de retardo (NO está a escala) 15 ms 20 ms 35 ms JITTER 30 ms

16 16 Jitter Buffer Paquetes con retardo variable 15 ms Demora adicional: Tamaño del Jitter Buffer 35 ms 20 ms Jitter Buffer 20 ms 20 ms 20 ms 20 ms El tamaño del Jitter-Buffer depende del tiempo del Jitter. En VoIP el tamaño típico es de 20 ms a 60 ms

17 RTCP RTP Control Protocol El RFC 3550 establece, además del protocolo RTP, un protocolo de control, RTCP Encargado de enviar periódicamente paquetes de control entre los participantes de una sesión Proveer realimentación acerca de la calidad de los datos distribuidos (por ejemplo, de la calidad percibida de VoIP). Dr. Ing. José Joskowicz

18 18 RTCP tipos de datos SR (Sender Report): Envía estadísticas de los participantes origen (sender) RR (Receiver Report): Envía estadísticas de los participantes destino (receivers) SDES (Source Description): Envía ítems de descripción del origen BYE: Indica el fin de la participación en el intercambio de mensajes RTCP APP: Funciones específicas para las aplicaciones participantes

19 19 RTCP Ejemplo de SR y SDES

20 RTCP y RTP de extremo a extremo Aplicación Codec Codec Aplicación RTCP RTP RTP RTCP UDP UDP Caminos independientes Red IP Dr. Ing. José Joskowicz

21 Audio sobre Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

22 22 CODECs de banda angosta Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retard o (ms) Comentarios G.711 PCM: Pulse Code Modulation 64, Codec base, utiliza dos posibles leyes de compresión: µ-law y A-law G Hybrid MPC-MLQ and ACELP 6.3, Desarrollado originalmente para video conferencias en la PSTN, es actualmente utilizado en sistemas de VoIP G.728 LD-CELP: Low- Delay code excited linear prediction 40, 16, 12.8, Creado para aplicaciones DCME (Digital Circuit Multiplex Encoding) G.729 CS-ACELP: Conjugate Structure Algebraic Codebook Excited Linear Prediction 11.8, 8, Ampliamente utilizado en aplicaciones de VoIP, a 8 kb/s

23 23 CODECs de banda ancha Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) G.722 Sub-band ADPCM 48,56,64 3 Comentarios Inicialmente diseñado para audio y videconferencias, actualmente utilizado para de telefonía de calidad en VoIP G Transform Coder 24,32 40 Usado en audio y videoconferencias G AMR-WB G Wideband G.711 G Wideband G a , 80, 96 8 a 32 kb/s <49 ms RtAudio Real Time Audio 8.8, Estandar en común con 3GPP (3GPP TS ). gran inmunidad a los ruidos de fondo en ambientes adversos (por ejemplo celulares) Amplía el ancho de banda del codec G.711, optimizando su uso para VoIP Amplía el ancho de banda del codec G.729, y es compatible hacia atrás con este codec. Optimizado su uso para VoIP con audio de alta calidad Codec propietario de Microsoft, utilizado en aplicaciones de comunicaciones unificadas (OCS)

24 24 CODECs de banda superancha Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) Comentarios SILK SILK 8 a Utilizado por Skype

25 25 CODECs de banda completa Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) Comentarios G.719 Low-complexity, full-band 32 a Es el primer codec fullband estandarizado por ITU

26 26 RTP Paquete de audio

27 No alcanza con enviar audio La telefonía analógica y luego la digital incluyeron métodos de señalización en banda (dentro de la banda de audio). Ejemplos: DTMF (RFC 2833) FAX (T.38) Los nuevos codecs incluyen mecanismos de transmisión discontinua (DTX), y pueden indicarlo en banda Dr. Ing. José Joskowicz

28 28 RTP Ejemplo RFC 2833

29 29 RTP Ejemplo Comfort Noise

30 Ancho de banda para G ms de voz Ethernet IP (UDP + RTP) Et 22 bytes 40 bytes 160 bytes 4 bytes Ventana = 20 ms Bytes de voz/trama = 64 kb/s * 20 ms / 8 = 160 bytes Bytes de paquete IP = = 200 bytes Bytes de Trama Ethernet = = 226 bytes Ancho de banda LAN = 226 * 8 / 20 ms = 90.4 kb/s Este ancho de banda es para la voz en UN sentido. Se debe duplicar para tener en cuenta ambos sentidos Dr. Ing. José Joskowicz

31 Ancho de banda Bytes de voz/trama = Velocidad de muestreo * duración de trama /8 Bytes de paquete IP = Bytes de voz/trama + 40 Bytes de Trama Ethernet = Bytes de paquete IP + 26 Ancho de banda LAN = Bytes de Trama Ethernet * 8 / duración de trama Dr. Ing. José Joskowicz

32 32 Ancho de banda de LAN en un sentido Tipo de Codec Duración de Trama (ms) Bytes de voz/trama Bytes de paquete IP Bytes de trama Ethernet Ancho de Banda en LAN (kbps) G ,8 (64 kbps) , ,6 G ,8 (8 kbps) , ,6 G (6.3 kbps) ,9 G kbps ,9

33 Video sobre Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

34 Comparación de codecs de video Característica MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 H.264/MPEG-4 Part 10/AVC Tamaño del macro-bloque 16x16 16x16, 16x8 16x16 16x16 Tamaño del bloque 8x8 8x 8 16x16 8x8, 16x8 8x8, 16x8, 8x16, 16x16, 4x8, 8x4, 4x4 Transformada DCT DCT DCT/DWT 4x4 Integer transfor Tamaño de la muestra para aplicar la transformada 8x8 8x8 8x8 4x4 Codificación VLC VLC VLC VLC, CAVLC, CABAC Estimación y compensación de movimiento Si Si Si Si, con hasta 16 MV Perfiles No Tipo de cuadros I,P,B,D I,P,B I,P,B I,P,B,SI,SP Ancho de banda < 1.5 Mbps 2 a 15 Mbps 64 kbps a 2 Mbps 64 kbps a 150 Mbps Complejidad del codificador Baja Media Media Alta Compatibilidad con estándares previos Si Si Si No Dr. Ing. José Joskowicz

35 35 Formatos de video Formato Resolución (pixels) SQCIF QCIF CIF CIF CIF VGA SD HD UHD (4k)

36 Transmisión de video sobre redes de datos Las secuencias de video (Elementary Streams) son paquetizadas en unidades llamadas PES (Packetized Elementary Streams), consistentes en un cabezal y hasta 8 kbytes de datos de secuencia. Estos PES a su vez, son paquetizados en pequeños paquetes, de 184 bytes, los que, junto a un cabezal de 4 bytes (totalizando 188 bytes) conforman el MPEG Transport Stream (MTS) y pueden ser transmitidos por diversos medios. Dr. Ing. José Joskowicz

37 37 Transmisión de video sobre redes de datos RFC 2250: Establece los procedimientos para transportar video MPEG-1 y MPEG-2 sobre RTP. Varios paquetes MTS de 188 bytes pueden ser transportados en un único paquete RTP, para mejorar la eficiencia RFC 3016 y RFC 3640 Establecen los procedimientos para transportar flujos de audio y video MPEG-4 RFC 3984 Establece los procedimientos para transportar flujos de video codificados en H.264 RFC 7798 Describe la forma de transportar H.265 (HEVC) sobre RTP

38 38 MPEG-2 sobre RTP Payload Type: MTS (MPEG-2 Transport Stream) 7 paquetes MTS (MPEG-2 Transport Stream) dentro de un mismo paquete RTP

39 39 MPEG-2 sobre RTP Cabezal de MTS (4 bytes) Payload de MTS (184 bytes)

40 40 H.264 sobre RTP Payload del tipo dinámico Payload de H.264 (1430 bytes)

41 Ancho de Banda de Video El ancho de banda requerido depende de Tipo de codificación utilizada (MPEG-1, 2, 4, H264, etc.) Resolución (tamaño de los cuadros SD, CIF, QCIF, etc.) Tipo de cuantización seleccionado Movimiento Textura La codificación de video es estadística, y depende de la imagen transmitida Dr. Ing. José Joskowicz

42 42 Calidad vs Ancho de Banda MOS MOS (SD - MPEG-2) Bitrate (Mb/s) Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 Serie9 Serie10 Serie11 Serie12 Serie13 Serie14 Serie15 Serie16

43 Ancho de banda en LAN para MPEG-2 con MTS Ethernet IP (UDP+RTP) MTS E 22 bytes 40 bytes 184 bytes 4 bytes (MTS Header) 7 x184 = 1288 bytes de contenido MPEG x 7 = 68 bytes de cabezales a nivel de capa 3 (IP) 26 bytes de cabezales adicionales a nivel de capa 2 Dr. Ing. José Joskowicz

44 Ancho de banda en LAN para MPEG-2 con MTS El ancho de banda de MPEG-2 transportado en RTP 5.3% (68/1288) mayor que el ancho de banda propio del video en capa 3 (IP) 7.3 % (94/1288) mayor que el ancho de banda propio del video en capa 2 (Ethernet) Dr. Ing. José Joskowicz

45 Ancho de banda en LAN para H.264 H.264 encapsulado directamente sobre RTP (sin utilizar TS) Se pueden enviar hasta 1430 bytes de payload en un paquete IP/UDP/RTP El ancho de banda en capa 3 es 2.8% (40/1430) mayor que el del propio video codificado En capa 2 es 4.6% (66/1430) mayor que el del propio video codificado. Dr. Ing. José Joskowicz

46 Seguridad en RTP Voz y Video en Redes IP

47 RTP es inseguro El protocolo RTP es abierto. Los paquetes capturados pueden ser fácilmente decodificados Herramientas habituales (como wireshark) permiten escuchar el audio codificado en flujos RTP Dr. Ing. José Joskowicz

48 48 SRTP Es posible cifrar el medio, a través del protocolo SRTP (Secure RTP) (y SRTCP), estandarizado en el RFC 3711 Se utilizan técnicas de cifrado AES (Advenced Encryption Standard) para el payload También es posible autenticar el contenido completo del paquete

49 SRTP V P X CC M PT Sequence number Timestamp synchronization source (SSRC) identifier contributing source (CSRC) identifiers. RTP Paylod (encriptado, de igual tamaño que el RTP original ) RTP Master Key. (opcional) Authentication tag (opcional 4 10 bytes) 32 bits Dr. Ing. José Joskowicz

50 50 Encripción Se utilizan técnicas de cifrado AES (Advenced Encryption Standard) En cada paquete de RTP y RTCP se encripta el contenido con una clave de sesión simétrica Esta clave simétrica debe ser conocida por ambos extremos RTP no establece el mecanismo de distribución de ésta clave Típicamente se realiza junto con la señalización en el proceso de establecimiento de llamada (x ej. en SIP)

51 51 Autenticación Se realiza utilizando los algoritmos HMAC (Hash-based Message Authentication Code) - SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1)

52 52 Claves de encripción y autenticación Las claves de sesión son derivadas de una clave maestra Esta clave maestra debe ser compartida entre los usuarios, y puede ser obtenida de una entidad externa de administración de claves de cifrado Encription Key Administración externa de claves Master Key Master Salt Generación de claves de sesión Authentication Key Salt Key

53 53 Encripción del payload Initialization Vector = f(salt key, SSRC, packet index) Encription Key AES Keystream generator Payload de RTP XOR Payload RTP encriptado

54 54 Autenticación del paquete Encription Key Paquete RTP HMAC SHA-1 Authentication Tag

55 Muchas Gracias! Ing. José Joskowicz