reti ip e multimedialità - uniud
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© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 1
Reti IP e multimedialità
Prof. PIER LUCA MONTESSORO
Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 2
Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell’autore prof. Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell’Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte dell’autore. L’informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L’autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell’informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all’informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali.
Nota di Copyright
• Contorni netti, “fill” regolari
• Sfumature di colore
• Rappresentano immagini reali
0000000000000110000000 ..... 0000000000011110000000 ..... 0000000001100110000000 ..... 0000000110000110000000 ..... 00000110000001100 ..........
PIXEL (picture element)
1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi) 8 bit/pixel = 256 livelli di grigio
Risoluzione
• Sintesi sottrattiva
• Sintesi additiva
colori primari
luce colorata
Codifica del colore: true color
• Si associa ad ogni pixel una tripletta di valori, uno per colore primario
248 168 5 R G B
248 168 5 R G B
255 255 255 R G B
Immagini bitmap: la palette
• Si associa ad ogni pixel un indice che individua una riga di una tabella contenente le triplette RGB dei colori utilizzati nell’immagine (metafora della tavolozza del pittore)
27
...
Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano “quadri”
In inglese: “fotogramma”=“frame”
Televisione: ogni quadro viene trasmesso in
due parti (righe pari e righe dispari), così la frequenza diventa
di 50 (o 60) semiquadri/secondo
Codifica digitale del video
• Qualità VHS • 352x240 pixel • a 256 colori, 30 fps → 2.5 MB/s
• Qualità TV broadcast • 720x480 pixel • a 256 colori, 30 fps → 10 MB/s
• HDTV • 1440x1152 pixel • a 256 colori, 30 fps → 50 MB/s
SERVONO TECNICHE DI COMPRESSIONE!!!
• Permettono di descrivere geometricamente i movimenti degli elementi dei disegni
• Richiedono applicativi specifici (es. Flash di Macromedia)
• Possono essere utilizzati in ambito web mediante opportuni plug-in
• Complessità di sviluppo abbastanza elevata
Il segnale audio
amplificatore
microfono: converte il suono in variazioni di una tensione o corrente elettrica
suono: successione di compressioni e rarefazioni dell’aria
amplificatore: amplifica il livello della tensione/corrente
segnale audio analogico (elettrico)
segnale da campionare X
se Fc≥ B questo segnale contiene tutta l’informazione del segnale originale
Tc
Alcuni esempi
• Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation) • B ≅ 3400 Hz (il canale telefonico ha
banda 300-3400 Hz)
• 64 kb/s
Alcuni esempi
• Musica su CD audio • B ≅ 20 kHz (l’insieme di frequenze udibili
dall’orecchio umano è 20-20000 Hz)
• Fc = 44.1 kHz • Quantizzazione: 16 bit/campione (per
ognuno dei due canali: il CD è stereo)
• 1.411 Mb/s
Tecniche di compressione
Compressione con perdita (lossy)
Come funzionano?
• Compressione senza perdita • migliora l’efficienza della codifica
dell’informazione basandosi sulla frequenza statistica dei dati
• Compressione con perdita • riduce la ridondanza nella codifica
dell’informazione eliminando quegli elementi non (o poco) percepibili dai nostri sensi
JPEG encoder: schema a blocchi
blocco di 8x8 pixel
quantization
scan
V U
L’immagine viene separata in luminanza (Y) e due componenti di crominanza (U e V)
MPEG-2: risoluzioni previste
ResolutionLevel Frame Rate
Commercial TV
Consumer HDTV
Motion compensated prediction Fotogramma N-1
finestra di ricerca del movimento
blocco di immagine di cui si calcola il vettore di movimento
Fotogramma N
Sequenze di immagini
I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammi P (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento alla più vicina I o P-picture B (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codifica basata sia sul fotogramma precedente che sul successivo, utile per “fast reverse play”
Compressione audio
• Le diverse tecniche si basano su studi di psicoacustica
• Nella combinazione di più suoni (es. musica), una parte considerevole dell’informazione sonora non è “sentita” dall’ascoltatore medio e può essere soppressa
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 27
Cosa si ottiene?
• Le codifiche multimediali portano a FLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI
• La trasmissione, ricezione e ricostruzione dell’informazione audio o video deve avvenire alla stessa velocità della sua generazione
Commutazione di circuito
Commutazione di circuito
• Il percorso da un estremo all’altro della connessione: • deve essere disponibile prima dell’inizio
della comunicazione
• viene impegnato per tutta la durata della comunicazione (addebito a tempo)
• Bassi ritardi di propagazione • un circuito elettrico produce ritardi di
circa 5 ms per 1000 km
Commutazione di pacchetto
Commutazione di pacchetto
• Possibile perdita di pacchetti
• Possibile ordine dei pacchetti in arrivo differente da quello in trasmissione
• Maggiori ritardi rispetto alla commutazione di circuito
• Addebito a volume e non a tempo
• Miglior sfruttamento dei canali
• “Connection oriented” (orientati alla connessione) • Modello telefonico
• si apre la connessione • si scambiano i messaggi • si chiude la connessione
• “Connectionless” (non orientati alla connessione) • Modello postale
• si affida il messaggio al sistema di inoltro
Servizi
errori
• Garantiscono la ricezione completa e corretta di tutti i messaggi
• Possono introdurre ritardi inaccettabili
dei messaggi
Servizi datagram
• Senza riscontro (non usano response/confirm), in analogia con i telegrammi
• Sono servizi • non orientati alla connessione
• non affidabili
• Esempio: IP (Internet Protocol) • nel TCP/IP errori e perdite di pacchetti
sono recuperati dal protocollo TCP
Reti locali e geografiche
WAN (Wide Area Network)
LAN (Local Area Network)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 37
Internet Protocol Suite (TCP/IP)
TCP/IP
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 38
fisico
Riepilogo dei livelli OSI
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 39
Protocolli
fisico
...
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 40
Trasmissione
fisico
sottorete di comunicazione
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 41
fisico
bit
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 42
Internet e la multimedialità
• Internet Explorer • Netscape
• La multimedialità in rete permette di realizzare servizi audio e video (es. radio, TV) in digitale su Internet
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 43
è Eventi audio/video in diretta
è Servizi nearly-VOD
è Videoconferenza multipunto
connessi)
• consistenti perdite di informazione in seguito a errori a causa della compressione
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 45
I limiti della rete
congestione della rete
Ø Manca ancora una qualità del servizio garantita in ogni punto della rete
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 46
Soluzioni (si fa per dire…)
• Compressione dei dati
esigenze di servizio
• Trattamento differenziato dei pacchetti nelle code dei router
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 47
Trasmissione unicast
WAN
LAN
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 48
Trasmissione multicast
WAN
LAN
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 49
Il problema
Applicazioni di rete che richiedono la spedizione di pacchetti da uno o più
sender a gruppi di receiver
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 50
Trasmissione multicast
al multicast
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 51
Classe D degli indirizzi IP
è Da 224.0.0.0 a 239.255.255.255
Indirizzi multicast
Su Internet
Sulle intranet
è Lotto disponibile: 239.0.0.0 - 239.255.255.255
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 52
Protocolli per il multicast
è Creare e terminare un gruppo di multicast
è Interazione dei router tra di loro per inoltrare i pacchetti multicast
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 53
Internet e la telefonia: Voice Over IP
• Il concetto è sorprendentemente semplice!
• Convertire la voce in pacchetti IP e trasferirli su una rete dati
• Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice over Packet in quanto si può applicare a qualunque tecnologia (Frame Relay, IP, ATM)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 54
Internet e la telefonia: Voice Over IP
L’interfacciamento tra telefonia tradizionale e Voice Over IP può avvenire:
• a livello SW direttamente sul calcolatore (es. applicativo Net2Phone)
• a livello HW presso l’utente (adattatori locali per la telefonia tradizionale)
• a livello HW presso le centrali TLC o gli ISP (gateway VOIP sulle dorsali)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 55
Fax
Fax
PBX
VOIP sulle dorsali • I gateway (nodi di transito) adattano la
telefonia tradizionale alle packet-based networks: circuiti telefonici in ingresso, pacchetti IP in uscita
gateway
B U S
R T S R T S R T S R T S R T S
R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
1 2 3 4 50/
L I N E
B U S
R T S R T S R T S R T S R T S
R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
1 2 3 4 50/
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 56
Come contattare il prof. Montessoro
E-mail: [email protected] Telefono: 0432 558286
Fax: 0432 558251
Reti IP e multimedialità
Prof. PIER LUCA MONTESSORO
Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Udine
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 2
Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell’autore prof. Pier Luca Montessoro, Università degli Studi di Udine. Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministero dell’Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione. Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte dell’autore. L’informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data della pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta a cambiamenti senza preavviso. L’autore non assume alcuna responsabilità per il contenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamento dell’informazione). In ogni caso non può essere dichiarata conformità all’informazione contenuta in queste slide. In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide non devono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali.
Nota di Copyright
• Contorni netti, “fill” regolari
• Sfumature di colore
• Rappresentano immagini reali
0000000000000110000000 ..... 0000000000011110000000 ..... 0000000001100110000000 ..... 0000000110000110000000 ..... 00000110000001100 ..........
PIXEL (picture element)
1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi) 8 bit/pixel = 256 livelli di grigio
Risoluzione
• Sintesi sottrattiva
• Sintesi additiva
colori primari
luce colorata
Codifica del colore: true color
• Si associa ad ogni pixel una tripletta di valori, uno per colore primario
248 168 5 R G B
248 168 5 R G B
255 255 255 R G B
Immagini bitmap: la palette
• Si associa ad ogni pixel un indice che individua una riga di una tabella contenente le triplette RGB dei colori utilizzati nell’immagine (metafora della tavolozza del pittore)
27
...
Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano “quadri”
In inglese: “fotogramma”=“frame”
Televisione: ogni quadro viene trasmesso in
due parti (righe pari e righe dispari), così la frequenza diventa
di 50 (o 60) semiquadri/secondo
Codifica digitale del video
• Qualità VHS • 352x240 pixel • a 256 colori, 30 fps → 2.5 MB/s
• Qualità TV broadcast • 720x480 pixel • a 256 colori, 30 fps → 10 MB/s
• HDTV • 1440x1152 pixel • a 256 colori, 30 fps → 50 MB/s
SERVONO TECNICHE DI COMPRESSIONE!!!
• Permettono di descrivere geometricamente i movimenti degli elementi dei disegni
• Richiedono applicativi specifici (es. Flash di Macromedia)
• Possono essere utilizzati in ambito web mediante opportuni plug-in
• Complessità di sviluppo abbastanza elevata
Il segnale audio
amplificatore
microfono: converte il suono in variazioni di una tensione o corrente elettrica
suono: successione di compressioni e rarefazioni dell’aria
amplificatore: amplifica il livello della tensione/corrente
segnale audio analogico (elettrico)
segnale da campionare X
se Fc≥ B questo segnale contiene tutta l’informazione del segnale originale
Tc
Alcuni esempi
• Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation) • B ≅ 3400 Hz (il canale telefonico ha
banda 300-3400 Hz)
• 64 kb/s
Alcuni esempi
• Musica su CD audio • B ≅ 20 kHz (l’insieme di frequenze udibili
dall’orecchio umano è 20-20000 Hz)
• Fc = 44.1 kHz • Quantizzazione: 16 bit/campione (per
ognuno dei due canali: il CD è stereo)
• 1.411 Mb/s
Tecniche di compressione
Compressione con perdita (lossy)
Come funzionano?
• Compressione senza perdita • migliora l’efficienza della codifica
dell’informazione basandosi sulla frequenza statistica dei dati
• Compressione con perdita • riduce la ridondanza nella codifica
dell’informazione eliminando quegli elementi non (o poco) percepibili dai nostri sensi
JPEG encoder: schema a blocchi
blocco di 8x8 pixel
quantization
scan
V U
L’immagine viene separata in luminanza (Y) e due componenti di crominanza (U e V)
MPEG-2: risoluzioni previste
ResolutionLevel Frame Rate
Commercial TV
Consumer HDTV
Motion compensated prediction Fotogramma N-1
finestra di ricerca del movimento
blocco di immagine di cui si calcola il vettore di movimento
Fotogramma N
Sequenze di immagini
I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammi P (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento alla più vicina I o P-picture B (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codifica basata sia sul fotogramma precedente che sul successivo, utile per “fast reverse play”
Compressione audio
• Le diverse tecniche si basano su studi di psicoacustica
• Nella combinazione di più suoni (es. musica), una parte considerevole dell’informazione sonora non è “sentita” dall’ascoltatore medio e può essere soppressa
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 27
Cosa si ottiene?
• Le codifiche multimediali portano a FLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI
• La trasmissione, ricezione e ricostruzione dell’informazione audio o video deve avvenire alla stessa velocità della sua generazione
Commutazione di circuito
Commutazione di circuito
• Il percorso da un estremo all’altro della connessione: • deve essere disponibile prima dell’inizio
della comunicazione
• viene impegnato per tutta la durata della comunicazione (addebito a tempo)
• Bassi ritardi di propagazione • un circuito elettrico produce ritardi di
circa 5 ms per 1000 km
Commutazione di pacchetto
Commutazione di pacchetto
• Possibile perdita di pacchetti
• Possibile ordine dei pacchetti in arrivo differente da quello in trasmissione
• Maggiori ritardi rispetto alla commutazione di circuito
• Addebito a volume e non a tempo
• Miglior sfruttamento dei canali
• “Connection oriented” (orientati alla connessione) • Modello telefonico
• si apre la connessione • si scambiano i messaggi • si chiude la connessione
• “Connectionless” (non orientati alla connessione) • Modello postale
• si affida il messaggio al sistema di inoltro
Servizi
errori
• Garantiscono la ricezione completa e corretta di tutti i messaggi
• Possono introdurre ritardi inaccettabili
dei messaggi
Servizi datagram
• Senza riscontro (non usano response/confirm), in analogia con i telegrammi
• Sono servizi • non orientati alla connessione
• non affidabili
• Esempio: IP (Internet Protocol) • nel TCP/IP errori e perdite di pacchetti
sono recuperati dal protocollo TCP
Reti locali e geografiche
WAN (Wide Area Network)
LAN (Local Area Network)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 37
Internet Protocol Suite (TCP/IP)
TCP/IP
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 38
fisico
Riepilogo dei livelli OSI
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 39
Protocolli
fisico
...
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 40
Trasmissione
fisico
sottorete di comunicazione
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 41
fisico
bit
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 42
Internet e la multimedialità
• Internet Explorer • Netscape
• La multimedialità in rete permette di realizzare servizi audio e video (es. radio, TV) in digitale su Internet
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 43
è Eventi audio/video in diretta
è Servizi nearly-VOD
è Videoconferenza multipunto
connessi)
• consistenti perdite di informazione in seguito a errori a causa della compressione
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 45
I limiti della rete
congestione della rete
Ø Manca ancora una qualità del servizio garantita in ogni punto della rete
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 46
Soluzioni (si fa per dire…)
• Compressione dei dati
esigenze di servizio
• Trattamento differenziato dei pacchetti nelle code dei router
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 47
Trasmissione unicast
WAN
LAN
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 48
Trasmissione multicast
WAN
LAN
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 49
Il problema
Applicazioni di rete che richiedono la spedizione di pacchetti da uno o più
sender a gruppi di receiver
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 50
Trasmissione multicast
al multicast
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 51
Classe D degli indirizzi IP
è Da 224.0.0.0 a 239.255.255.255
Indirizzi multicast
Su Internet
Sulle intranet
è Lotto disponibile: 239.0.0.0 - 239.255.255.255
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 52
Protocolli per il multicast
è Creare e terminare un gruppo di multicast
è Interazione dei router tra di loro per inoltrare i pacchetti multicast
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 53
Internet e la telefonia: Voice Over IP
• Il concetto è sorprendentemente semplice!
• Convertire la voce in pacchetti IP e trasferirli su una rete dati
• Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice over Packet in quanto si può applicare a qualunque tecnologia (Frame Relay, IP, ATM)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 54
Internet e la telefonia: Voice Over IP
L’interfacciamento tra telefonia tradizionale e Voice Over IP può avvenire:
• a livello SW direttamente sul calcolatore (es. applicativo Net2Phone)
• a livello HW presso l’utente (adattatori locali per la telefonia tradizionale)
• a livello HW presso le centrali TLC o gli ISP (gateway VOIP sulle dorsali)
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 55
Fax
Fax
PBX
VOIP sulle dorsali • I gateway (nodi di transito) adattano la
telefonia tradizionale alle packet-based networks: circuiti telefonici in ingresso, pacchetti IP in uscita
gateway
B U S
R T S R T S R T S R T S R T S
R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
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B U S
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R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D
D C D D C D D C D D C D D C D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T
1 2 3 4 50/
© 2003 Pier Luca Montessoro (si veda la nota a pagina 2) 56
Come contattare il prof. Montessoro
E-mail: [email protected] Telefono: 0432 558286
Fax: 0432 558251