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Multimédia et Internet

Département de génie logiciel et des TI

Plan

•  Transmission de données multimédia sur Internet !  Protocole de transmission (TCP/IP, RTP,

UDP) !  Notion de qualité de service

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Transmission de données multimédia sur Internet

3 GTI660: DBMM Hiver 2014


Vidéo sur le Web

•  https://www.youtube.com/watch?v=fZ_JOBCLF-I

•  http://www.lego.com/en-us/movie/videos/behind-the-bricks

4 GTI660: Base de données multimédias Hiver 2014

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Les classes d’applications multimédia

•  Les applications multimédia peuvent être classées en trois catégories: !  Communications interpersonnelles

•  La voix sur IP •  La téléconférence

!  Applications interactives à travers Internet •  Le commerce électronique

!  Applications de divertissement •  Les serveurs vidéo

Protocoles de transmission (TCP/IP, UDP)


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Transfert de données MM entre ordinateurs

•  Deux types de sessions sur Internet 1) Unicast (un à un) : communication

établie entre deux adresses spécifiques 2) Multicast (un à + dédiés) :

communication établie entre une adresse et plusieurs autres

•  Broadcast (un à + non-dédiés) : diffusion publique par ondes ou cables


Transfert de données MM entre ordinateurs

•  Applications MM nécessitent un débit prévisible et relativement constant

•  Par flux de données (datastream) !  Utilisation parallèle à la transmission !  Vitesses de transmission variées des appareils sur

les chemins de transmission !  Tampon sur station du client

•  assez grand pour stocker l'information reçue et la retransmettre en flux continu à l'application MM

•  plus la gigue est élevée, plus le tampon doit être grand

•  Aspect additionnel en vidéo : synchronisation entre bande sonore et trame visuelle

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La Téléphonie à travers Internet

•  Caractéristiques !  Utilisation du réseau Internet

•  Routage des paquets selon des chemins indépendants •  Durée de transmission variable des paquets

•  Téléphonie numérique classique !  Établissement d’une connexion entre les abonnés !  Numérisation de la voix !  Compression de la voix numérisée si nécessaire !  Découpage du signal obtenu en paquest !  Transmission des paquets sur le canal dédié !  Ré-assemblage des paquets !  Décompression si nécessaire !  Conversion numérique/analogique !  Fermeture de la connexion


Les besoins d’une application VoIP

•  Garantir un débit minimal •  Créer un système de signalisation

!  Éviter des communications avec des postes occupés

•  Compenser la perte de paquets •  Assurer une compatibilité entre les postes

multimédias !  Communication PC à PC !  Communication PC à téléphone !  Communication téléphone à téléphone

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Les besoins d’une application VoIP (suite)

•  Les composantes matérielles !  Le RTC: réseau téléphonique commuté !  Le PABX: permet de faire le lien entre la passerelles (ou le routeur) et le

réseau RTC !  Le routeur: permet d’aiguiller les données et le routage des paquets entre

deux réseaux !  La passerelles: une interface entre le réseau RTC et le LAN IP !  Le Gatekeeper: c’est la pièce maîtresse d’un réseau VoIP

•  Permet de résoudre un numéro de téléphone en un numéro IP •  Peut jouer le rôle de pare-feu •  Filtre les accès et contrôle la bande passante •  Peut remplacer le PABX •  L’opérateur peut implémenter autant de services qu’il désire •  Utilise les infrastructures existantes pour communiquer avec les postes clients

(LAN et protocoles IP)


La téléphonie à travers Internet

Tirée de Halsall 2000

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Les protocoles spécialisés pour VoIP

•  Le protocole H323: porte sur la signalisation des réseaux locaux à qualité de service non garantie !  Contrôle de la procédure d’appel !  Gestion des flux multimédia !  Gestion des conférences multipoint !  Gestion de la bande passante !  Interconnexion à d’autres réseaux: ATM,

ISDN, RTC


Structure du protocole H323

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Les composantes du protocole H323

•  Codage audio/vidéo !  Pour éviter le transcodage des flux audio/vidéo un ensemble de codecs

doivent être négociés avant l’établissement de la communication !  Le protocole RTP est utilisé pour transporter les paquets audio/vidéo !  Le protocole RTCP est utilisé pour envoyer au récepteur les informations de

synchronisation entre l’audio et la vidéo •  Autres informations envoyées par l’émetteur au récepteur

!  Débit de transmission des paquets !  Délai de transmission des paquets

•  Autres informations envoyées par le récepteur à l’émetteur !  Le pourcentage de paquets perdus ou corrompus !  Le délai de gigue

•  Utilisation de l’information pour optimiser le nombre et la taille des tampons au niveau du récepteur


Les composantes du protocole H323 (suite)

•  L’interface de contrôle !  Utilisation d’un Gatekeeper H.323 pour limiter le nombre d’appels/sessions

concurrents sur un réseau LAN sans garantie de qualité de service !  Le Gatekeeper décide si un appel peut avoir lieu en fonction de la charge du

réseau local !  Le Gatekeeper est aussi responsable de la permission de l’augmentation de

la bande passante pendant un appel !  En absence d’une MCU c’est le Gatekeeper qui supporte les fonctions

multipoints !  Les messages échangés avec le Gatekeeper font partie du protocole RAS

(ressource access service) !  Les messages échangés entre l’émetteur et le récepteur font partie du

protocole de signalisation Q.931 !  Lorsqu’une communication est établie les messages de contrôle échangés

font partie du protocole H.245

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Le protocole SIP (Session Initiation Protocol)

•  Développé par l’IETF en 1997 !  Protocole de signalisation pour les applications de téléphonie et de

visioconférence sur Internet !  Sa simplicité et son intégration au monde IP lui permet de pallier à

la lourdeur du protocole H.323 •  Fonctions principales du protocole SIP

!  Localisation du terminal correspondant !  Analyse du profil et des ressources du destinataire !  Négociation du type de média et des paramètres de communication !  Disponibilité du correspondant !  Établissement et suivi de l’appel !  Gestion des fonctions évoluées: cryptage, retour d’erreurs, …

•  SIP permet de joindre les utilisateurs par des adresses de type e-mail et les adresses SIP peuvent être incluses dans des pages Web.


Protocoles de sessions multimédia

•  Besoin de trouver les serveurs offrant une session multicast !  Trouver le protocole du site et les codecs pour se

brancher !  Plus prometteur : SIP (Session Initiation Protocol) :

protocole de signalisation pour conférences, téléphonie, messagerie instantanée et notices d’événements sur Internet : http://www.cs.columbia.edu/sip/

!  Comprend •  Agents utilisateurs (adresses IP) •  Serveur de Réseau, Endroits et Enregistrement •  Surtout utilisé en VoIP (Voice over IP - téléphonie IP)

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SIP (un standard de l’IETF) •  SIP établit des sessions multimédia en temps réel •  SDP (Session Description Protocol) : décrit le type de

session offert (voix, vidéo, messagerie instantannée) •  Composantes de bases

!  Agent Utilisateur (UA) : établit les appels des utilisateurs !  Serveur de Proxy (PS) : garde la trace des endroits et points de

communications !  Registraire : chaque UA s’enregistre afin d’informer les endroits

de départs de l’information pour les rejoindre !  SIP peut authentifier avec la sécurité bout en bout (S/MIME)


Où se situe le protocole SIP ? [source : Dennis Baron, MIT]

Application

Transport

Réseau

Lien physique Ethernet

IP

TCP UDP

RTSP SIP

SDP codecs

RTP DNS(SRV)

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Configuration typique SIP


http://download.skype.com/share/banners/hello.swf

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Protocole Real Time Transport Protocol (RTP)

•  Basé sur le protocole UDP – Pourquoi? •  Contrôle de flux: occupe deux ports de

communication (> 1024)


De À Application Priorité 0 16383 unclassified basse 16384 32767 audio haute 32768 49151 whiteboard medium 49152 65535 video basse

http://www.commentcamarche.net/contents/internet/rtcp.php3 http://www.cs.columbia.edu/~hgs/rtp/faq.html#ports


HTTP Live Streaming (HLS)

•  Utilisé par Apple pour Facetime •  Encode le vidéo et l’audio en

petit paquets HTTP •  Transmet sous forme d’un URL

unique


Source: https://developer.apple.com/resources/http-streaming/

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Impact de l’architecture réseau •  Solutions (à l’aide des estampilles de RTP)

!  Adapter continuellement le tampon de réception !  Ajustement dynamique de la QoS par l’émetteur

•  Norme MPLS – évolution des réseaux ATM pour la qualité de service

http://en.wikipedia.org/wiki/Multiprotocol_Label_Switching

Notion de qualité de service

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Historique •  Le problème de QoS débuta avec les ingénieurs point à

point de compagnies de téléphone et les ingénieurs de réseaux commutés durant les années 70

•  Les compagnies de téléphones utilisent les circuits. Un appel téléphonique implique une étape d’initiation dans plusieurs commutateurs de la source à la destination. Ce montage était défait à la fin de la communication.

•  La commutation par paquets (X25, IP) n’utilise pas les circuits. Les paquets sont envoyés sur le réseau commuté; peut-être ils se rendent, peut-être pas !


Solution classique •  Historiquement, les compagnies de téléphone

ajoutaient des équipements pour résoudre les problèmes de bande passante !  Want to make sure you’ve got enough bandwidth ?

Install way more than you need ! !  Not always a bad solution. Data bandwidth can be

massively cheap. !  Data capacity is growing by leaps and bounds

anyway.

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Solution à court terme •  Les compagnies de téléphone soutenaient que

la QoS ne peut pas être maintenue dans un environment de commutation par paquet

•  Les tenants de la commutation par paquet s’intéressaient plutôt aux données

•  La QoS devint plus importante dès que la voie et les flux de données média furent déployés sur des réseaux à commutation par paquet

•  Le résultat est une approche par circuits greffés sur IP


Le problème de Qualité de Service •  Malgré l’avancement des technologies la bande

passante actuelle brute n’est pas assez grande pour traiter le multimédia en flux continu sur internet

•  QoS demeure un sujet de recherche, avec des déploiements à échelle limitée, même sur Internet2. Il n’y a aucune garantie de fonctionnement en dehors de domaines entièrement contrôlés par une même organisation

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QoS- Qualité de Service (9.6)

•  Actuellement !  garantie sur les temps de sérialisation et de

propagation des données !  aucune garantie contre la perte de paquets !  donc aucune garantie sur le temps total de

transmission (e.g. réémission de paquets) !  sensible à la taille des données !  inacceptable pour applications MM temps

réel


Qualité de service

•  Qualité de service en temps-réel !  devrait incorporer une notion de priorité

•  en cas de problème, dégradation de la QdS des flux moins prioritaires

!  et une notion de contrôle des délais entre émetteur et récepteur

•  Adaptation du niveau de compression !  Compression : suppression des infos redondantes !  Perte d'un paquet = perte d'une info unique

⇒ impact plus considérable que pour données non compressées

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Certains domaines plus vulnérables

•  Caractéristiques des données multimédia !  Intolérance aux délais et aux variances de débit (gigue) !  Sensibilité aux erreurs

•  Internet mobile !  Sensibilité au routage d’une cellule à l’autre !  Taux d’erreurs plus élevé dans un lien sans fil

•  Effets sur le ‘streaming’ !  Délais inter-cellules !  Re-routage de congestion " delais additionnels !  Plus de perte de packets à cause de la mobilité # Dégradation significative de la qualité du multimédia en mode

flux


Vue d’ensemble Gestion de QoS

Spécification

Traduction

Négociation

Cédule

bout-en-bout temps-réel

- Reliability - Resolution- Rate of Presentation- Display Area- Temporal Synchronization ( Intra/Inter )

Meta Data / User InterfaceMeta Data / User Interface

- End-to-End Delays

- Jitter Delay- Bandwidth

- Packet LossRate

- Storage Throughput/Bandwidth

- Storage Delays- Distributed

DatabaseCoordination (QoS)

- CPU Throughput- Memory Overflow

and Reliability

- Intrusion Detection- Access Control

Database SecurityOSNetwork DatabaseDatabase SecuritySecurityOSOSNetworkNetwork

Dependency Model Analysis and QoS AdjustmentDependency Model Analysis and QoS Adjustment

End-to-End Resource Allocation and SchedulingEnd-to-End Resource Allocation and Scheduling

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Recherche en Qualité du Service •  Besoin de protocoles plus robustes

!  aux délais de transit (latency) : longs délais de transfert des paquets entre les noeuds

!  au débit (bandwidth/throughput) : les débits actuels peuvent ne pas suffirent

!  à la gigue : grandes variations dans les débits !  à la perte de paquets


Comment s’y prendre ? •  Étudier l’environnement actuel du Web

!  L’hétérogénéité des réseaux et des équipements du Web alourdirait une migration vers une nouvelle technologie

!  La QoS doit être implémentée sur tous les noeuds; un seul manquant briserait la chaîne

!  La QoS doit être implémentée dans la couche IP •  modifications pour supporter la QoS •  modifications pour contrôler les transmissions bout-en-bout

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Types de Qualité de Service

•  Réservation des resources : verrouillage permanent de la bande passante au début de la transmission pour garantir la disponibilité

•  Priorité des flux : les flux obtiennent les ressources selon leur priorité

•  2 niveaux de gestion !  Par flux : communication entre deux applications !  Par groupe : le trafic d’une même classe est géré de

la même manière


Solutions disponibles

•  2 mécanismes populaires de garantie de QoS

!  Services intégrés (IntServ - Integrated Service) •  Réservation explicite de resources pour un flux spécifique •  Garantie spécifique aux flux multimedia pour des besoins

variés en QoS •  Utilise RSVP (Resource Reservation Protocol)

!  Services différentiés (DiffServ - Differentiated Service) •  QoS gérée par priorité pour l’ensemble des flux d’une classe •  Aucune garantie de QoS par flux spécifique •  Aucun mécanisme de réservation

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Ressource Reservation Protocol (RSVP)

•  Protocole RéSerVation (RSVP) !  Pas un protocole de routage mais de contrôle !  Peut être utilisé pour émuler un circuit virtuel !  Les paquets transitent sur un chemin réservé

(bande passante) !  Une bonne façon de distribuer l’information de

QoS sur les routeurs plutôt que de développer un système de QoS

•  Deux niveaux de réservation !  Ressources garanties (“guaranteed” resources) !  Ressources prioritaires (“pretty good” resources)


Exigences de base pour RSVP •  L’émetteur et le destinataire doivent

implémenter RSVP •  Tous les routeurs sur le chemin de

communication doivent implémenter RSVP (ex: cisco, nortel..)

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Fonctionnement de RSVP •  Les paquets R-spec sont acheminés à travers

les noeuds jusqu’au destinataire •  Chaque routeurs du chemin sauvegarde le

contexte de la demande •  Une fois le chemin établi, les paquets T-spec

sont acheminés à travers les noeuds jusqu’à l’émetteur

•  RSVP fonctionne aussi en multicast lorsqu’il y a peu d’émetteurs


La téléconférence (suite) •  Utilisation de la parole et de la vidéo

!  Service de visiophonie supporté par tous les types de réseau •  Le PC est équipé d’une caméra vidéo en plus du microphone et des speakers

pour la téléphonie •  Un canal bidirectionnel avec une largeur de bande suffisante doit être utilisé

pour supporter l’intégration de la parole et de la vidéo

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La téléconférence (suite) •  Service de vidéoconférence

•  Utilisation d’une unité centrale MCU (multipoint control unit) pour relier les différents sites

•  Les flots intégrés de parole et de vidéo sont tous envoyés à la MCU •  La MCU détecte le participant qui parle et envoie cette information à tous les autres

participants •  Un seul canal bidirectionnel entre la MCU et les participants est alors nécessaire


La téléconférence(suite) •  Une connexion multicast permet de gérer des sessions de

conférences sans MCU

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Multicast interactif (9.9) •  Multicast : 1 à +

!  Paquets archivés dans un/+ nœuds près des destinataires (minimiser les retransmisions)

•  Multicast interactif : + à + !  Chaque application doit gérer la réception de flux

multiples !  E.g. travail collaboratif

•  Verrouillage de granularité fine •  Synchronisation des copies

!  E.g. vidéoconférence •  Inconsistence des vues tolérable temporairement •  Synchronisation périodique pour consistence des vues


Le routage multicast dans IP

•  La classe d’adresse D a été défini pour supporter les applications nécessitant la diffusion d’un paquet à un groupe d’hôtes (groupe multicast) !  Certaines adresses multicast sont réservées pour des groupes spécifiques

•  Tous les hôtes et les SR attachés à un réseau de diffusion sont des membres du groupe avec une adresse réservée multicast 224.0.0.1

•  La couche IP de tous les hôtes qui supportent le multicast possèdent une table d’adresse multicast (MAT)

•  Les adresses réservées sont des adresses permanentes dans la MAT

•  Les fonctions de duplication de paquets et de routage sont effectuées par le routeur IP multicast de façon dynamique (runtime)

•  Les fonctions de calcul de chemin multicast optimal, de joindre et de quitter le groupe de façon dynamique par de nouveaux membres sont assurées par un protocole séparé IGMP (Internet group management protocol)

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Le multicast à travers un LAN

•  IANA (Internet assigned numbers authority) a alloué un bloc d’adresses MAC Ethernet pour des applications qui nécessitent un multicast !  Une adresse MAC Ethernet se compose de 48 bits et le bloc d’adresses

réservées va de 0.0.94.0.0.0 à 0.0.94.255.255.255 !  La moitié de ces adresses sont utilisées pour le multicast !  Pour une conférence ou un meeting IANA a alloué une adresse à trois bytes

allant de 0.0.0 à 127.255.255 •  Pour un LAN Ethernet il s’agit des 24 bits les moins significatifs de l’adresse MAC •  Pour un Internet une adresse IP de classe D se compose de 28 bits dont les 4

premiers sont à 1110 (les quatre autres sont à zéro)

•  Pour joindre une conférence diffusée à travers le même LAN !  L’application charge l’adresse multicast IP dans la MAT !  L’adresse Ethernet de groupe dérivée est chargée dans la GAT (Group

Address Table)

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