Applications réseau. Cours 4 : Réseaux et multimédia. Florian Sikora LAMSADE. M1 apprentissage
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- Angélique Lapierre
- il y a 7 ans
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1 Applications réseau Cours 4 : Réseaux et multimédia Florian Sikora florian.sikora@dauphine.fr LAMSADE M1 apprentissage Adapté des slides de Kurose & Ross
2 2/57 Cours 4 : Multimédia Applications réseau multimédias Streaming de données enregistrées Voix sur IP Streaming temps réel
3 3/57 Objectifs Comprendre le transfert de données multimédias. Développement récent. Q : Exemples?
4 3/57 Objectifs Comprendre le transfert de données multimédias. Développement récent. Q : Exemples? Jeux en ligne. Voix sur IP. Vidéo en streaming. Radio par Internet....
5 3/57 Objectifs Comprendre le transfert de données multimédias. Développement récent. Q : Exemples? Jeux en ligne. Voix sur IP. Vidéo en streaming. Radio par Internet.... Sensibles à la durée de transmission et délais. Tolérant à la perte. Enjeu car Internet est best-effort.
6 4/57 Enjeux La vidéo demande une très grosse bande passante! On compare : Frank regarde sur Facebook une photo de 200Ko toutes les 10 secondes. Mélanie écoute de la Musique sur deezer encodée à 128 Kbps. Virginie regarde de la Vidéo encodée à 2Mbps. Après 1h07 : F : 80 Mo. M : 64 Mo. V : 1 Go!!! La vidéo devrait représenter bientôt 90% du trafic internet... Compression possible...
7 5/57 Cours 4 : Multimédia Applications réseau multimédias Streaming de données enregistrées Voix sur IP Streaming temps réel
8 6/57 Audio Audio : signal analogique : doit être échantillonné. Échantillonnage à rythme fixe : échantillons par secondes pour le téléphone pour un CD (44,1 khz). Chaque échantillon est arrondi (quantification) à une valeur prédéfinie (perte). Valeur prédéfinie est un nombre binaire, stocké sur un nombre fixé de bits. Par ex : sur 8 bits, 256 valeurs possibles. Signal numérique : suite de représentations binaires.
9 7/57 Audio Par ex, échantillons/sec, 256 valeurs (sur 1 octet) : bit/sec. Signal numérique re-converti chez le receveur pour retrouver le signal analogique : perte. Compromis taille du signal/qualité du signal. Exemples de taux d échantillonnage : CD : (stéréo) = 1, 411 Mbit/sec. MP3 : 96, 128, kbit/sec. Téléphone sur Internet : > 5, 3 kbit/sec.
10 8/57 Vidéo - Représentation numérique Vidéo : séquence d images diffusées à un taux constant (par ex. 24 img/sec). Image numérique : tableau de pixels. Un pixel : bits. Q : Comment encoder une vidéo?
11 9/57 Vidéo - Encodage Utilisation de la redondance Au sein d une image (dans un ciel, deux pixels différent peu...). Au lieu d envoyer n pixels identiques, on envoie 2 valeurs : la couleur et le nombre de répétitions... Entre deux images (peu de différences dans un même plan). Codage des différences pour limiter le nombre de bits nécessaires.
12 10/57 Encodage Compression : dire pixel identique si proche.
13 11/57 Encodage CBR (Constant Bit Rate) : Taux d échantillonnage fixe du début à la fin. VBR (Variable Bit Rate) : Taux variable. Selon les besoins (plan dans le noir, images rapides, son tenu, changements de rythmes...)
14 12/57 Encodage vidéo Entrelacé (i) : Doubler le nombre d images par seconde perçues avec le même débit. Une fois les lignes paires, une fois les lignes impaires. Progressif (p) : Toutes les lignes en même temps. 720p vs 1080i par exemple.
15 13/57 Applications Trois grands types d applications possibles : 1. Streaming stocké (audio, vidéo). Peut être joué avant d être entièrement téléchargé. Stocké sur un serveur (peut être envoyé plus rapidement que reçu : nécessite un buffer côté client) (ou P2P (Spotify)). Exemple : Youtube, Netflix (VOD de films par abonnement aux USA, 30% du trafic USA), télévision en replay... 50% du trafic en Am. du Nord en 2011 (30% en 2009), 33% en Europe (Chiffres Sandvine). 2. Conversations (audio/vidéo sur IP) Exemple : Skype, Google Straming live audio/vidéo : Exemple sopcast, twitch...
16 14/57 Cours 4 : Multimédia Applications réseau multimédias Streaming de données enregistrées Voix sur IP Streaming temps réel
17 15/57 Streaming de vidéo enregistrée - Idéal Le client joue directement ce qu il reçoit.
18 16/57 Streaming de vidéo enregistrée - Problèmes Lecture continue : Une fois que la lecture a commencée, doit lire comme sur la vidéo stockée. Mais il peut y avoir des délais sur le réseau : besoin d un buffer côté client. Demandes du client : pause, avance rapide, saut dans la vidéo, retour arrière... Paquets pouvant être perdus : retransmission.
19 17/57 Streaming de vidéo enregistrée - Revisité Buffering côté client pour compenser.
20 18/57 Streaming de vidéo enregistrée - Buffering Commence à remplir un buffer jusqu à ce que la lecture commence à un certain temps. Le buffer est rempli à un taux variable, mais la lecture est à taux constant.
21 19/57 Streaming de vidéo enregistrée - Buffering Si x < r : buffer peut se vider entièrement et met la vidéo en pause jusqu à remplissage du buffer. Si x > r : buffer ne se vide pas et absorbe les variabilités de x. Compromis sur la taille du buffer : moins de problème si attend plus longtemps, mais début de lecture retardée.
22 20/57 Streaming de vidéo enregistrée Certains utilisent UDP, d autres TCP. Si TCP, fichier multimédia obtenu via un GET HTTP (donc via TCP) Taux variable à cause des contrôles (de congestion) TCP...
23 21/57 Streaming de vidéo enregistrée - Adaptivité Streaming HTTP : tous les clients reçoivent la même vidéo. Mais les clients ont des bandes passantes différentes! Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH). La même vidéo est encodée avec différente qualités (youtube...) sur le serveur, en morceaux (chunks). Périodiquement, le client mesure sa bande passante et récupère le chunk adapté (grace à un fichier manifest stocké sur le serveur donnant les URL). C est le client qui fait le travail : choisi quand, à quel encodage et où (peut préférer un serveur près de lui).
24 22/57 Streaming de vidéo enregistrée - Stockage Problème : comment proposer du contenu (millions de vidéos) à des centaines de milliers d utilisateurs simultanés?
25 22/57 Streaming de vidéo enregistrée - Stockage Problème : comment proposer du contenu (millions de vidéos) à des centaines de milliers d utilisateurs simultanés? Option 1 : un mega serveur. Un seul point d attaque (liaison serveur). Point de congestion de réseau. Très éloigné de clients potentiels. Plusieurs copies d une même vidéo envoyé sur une même liaison.
26 22/57 Streaming de vidéo enregistrée - Stockage Problème : comment proposer du contenu (millions de vidéos) à des centaines de milliers d utilisateurs simultanés? Option 1 : un mega serveur. Un seul point d attaque (liaison serveur). Point de congestion de réseau. Très éloigné de clients potentiels. Plusieurs copies d une même vidéo envoyé sur une même liaison. Pas applicable à l échelle!!!
27 23/57 Streaming de vidéo enregistrée - Stockage Problème : comment proposer du contenu (millions de vidéos) à des centaines de milliers d utilisateurs simultanés?
28 23/57 Streaming de vidéo enregistrée - Stockage Problème : comment proposer du contenu (millions de vidéos) à des centaines de milliers d utilisateurs simultanés? Option 2 : stockage de copies d une même vidéo sur plusieurs sites géographiquement distribués (CDN Content Distribution Networks). Peuvent être privés (Google...) ou tiers (Akamai...).
29 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
30 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
31 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
32 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
33 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
34 24/57 Streaming de vidéo enregistrée - CDN Bob (le client) demande une vidéo du type Cette vidéo est stockée sur un CDN à l adresse
35 25/57 CDN - étude de cas Google Beaucoup de services dans le cloud (gmail, youtube, recherche, maps...). Grand réseau privé (2012). 8 mega data centers (6 USA, 2 europe), ayant de l ordre de serveurs chacun. Pour le contenu dynamique (gmail, recherches...). Trentaine de clusters (ordre de serveurs chacuns), partout dans le monde près des ISP tier 1. Pour le contenu statique (youtube...). Des centaines de clusters proches des FAI.
36 26/57 Étude de cas : Youtube Chiffres 2012 : 3ème site mondial, 4% des pages vues. 72h de vidéo uploadée chaque minute (plusieurs années par jour). 4 milliards de vues par jour, 1 milliard unique par mois. Large utilisation du CDN de Google. Redirection par DNS du client vers le cluster le plus proche (en terme de RTT). Si le cluster n a pas la vidéo, client renvoyé vers un autre cluster. Streaming HTTP. Conversions en différentes qualités sur les data center google (et pas chez le client).
37 27/57 Cours 4 : Multimédia Applications réseau multimédias Streaming de données enregistrées Voix sur IP Streaming temps réel
38 28/57 Voix sur IP (VoIP) La VoIP doit maintenir une conversation. Délais importants préjudiciables. < 150 ms : bien. > 400 ms : pas bien.
39 29/57 Voix sur IP (VoIP) Signal (personne parlant dans son micro relié à l ordinateur) constitué de : Moments actifs (paroles). Silences. Par exemple, génération de paquets uniquement pour les moments de paroles (à 8000 octets/s (ou 64 kbits/s)), regroupés en morceaux toutes les 20 ms (donc 160 octets). Ajout d un en-tête à ces 160 octets. Encapsulé dans un paquet UDP (ou TCP) : ajout d en-têtes supplémentaires.
40 30/57 Voix sur IP (VoIP) Dans le meilleur des mondes : Envoi toutes les 20 ms. Réception toutes les 20ms, dans l ordre. Le destinataire peut lire directement ce qu il reçoit.
41 30/57 Voix sur IP (VoIP) Dans le meilleur des mondes : Envoi toutes les 20 ms. Réception toutes les 20ms, dans l ordre. Le destinataire peut lire directement ce qu il reçoit. Mais : Paquets perdus. Différence de vitesses.
42 30/57 Voix sur IP (VoIP) Dans le meilleur des mondes : Envoi toutes les 20 ms. Réception toutes les 20ms, dans l ordre. Le destinataire peut lire directement ce qu il reçoit. Mais : Paquets perdus. Différence de vitesses. Difficulté de déterminer quel morceau lire, quand...
43 31/57 Gigue de paquets Temps de transmission d un paquet influencé par délais d attente au sein des routeurs rencontrés sur le parcours. Temps aléatoire, variable de paquet en paquet : gigue (jitter). Par exemple, deux paquets envoyés à 20ms d écart. Le premier rencontre des routeurs sans files d attentes. Le second est dans les embouteillages. Intervalle supérieur à 20ms à l arrivée. Inverse possible.
44 31/57 Gigue de paquets Temps de transmission d un paquet influencé par délais d attente au sein des routeurs rencontrés sur le parcours. Temps aléatoire, variable de paquet en paquet : gigue (jitter). Par exemple, deux paquets envoyés à 20ms d écart. Le premier rencontre des routeurs sans files d attentes. Le second est dans les embouteillages. Intervalle supérieur à 20ms à l arrivée. Inverse possible. Résolution à l aide de numéros de séquences, marqueur et buffer de lecture.
45 32/57 Gigue : buffering
46 33/57 Gigue : buffering à retard fixe Choix d un délai fixe de p ms. Chaque morceau est tenté d être lu p ms après sa génération. S il n est pas arrivé à cet instant : paquet perdu.
47 33/57 Gigue : buffering à retard fixe Choix d un délai fixe de p ms. Chaque morceau est tenté d être lu p ms après sa génération. S il n est pas arrivé à cet instant : paquet perdu. Compromis sur le choix de q : Petit p : meilleure interaction. Grand p : moins de pertes de morceaux.
48 34/57 Gigue : buffering à retard fixe Envoi de paquets toutes les 20ms durant la parole. 2 cas de figure : Choix d un p court : perte de paquets. Choix d un p plus long : lecture toute les 20ms OK.
49 35/57 Gigue : buffering à retard variable Faire varier le délai plutôt que de choisir un temps fixe pour avoir un délai le plus petit possible! But : ajuster le délai de lecture en fonction du temps de transmission du réseau. Estimation du délai pour le paquet i en fonction du temps moyen pris par les paquets précédents et de sa variance...
50 36/57 Perte de paquets But : récupérer des paquets perdus selon un certain délai. Temps réel : Retransmettre un paquet ayant manqué son créneau de lecture est inutile (trop tard). Retransmettre un paquet rejeté au niveau d un routeur est voué à l échec.
51 36/57 Perte de paquets But : récupérer des paquets perdus selon un certain délai. Temps réel : Retransmettre un paquet ayant manqué son créneau de lecture est inutile (trop tard). Retransmettre un paquet rejeté au niveau d un routeur est voué à l échec. Systèmes d anticipations : Correction d erreurs sans voie de retour (FEC). Entrelacement (interleaving).
52 37/57 Correction d erreurs sans voie de retour : algorithme simple But : envoyer suffisamment de bits pour retrouver un paquet perdu sans exiger sa retransmission.
53 37/57 Correction d erreurs sans voie de retour : algorithme simple But : envoyer suffisamment de bits pour retrouver un paquet perdu sans exiger sa retransmission. Algorithme simple : Pour n morceaux, créer un nouveau morceau qui est le XOR des n morceaux. Envoyer n + 1 morceaux : augmentation de la quantité de données par 1/n. Peut reconstruire les n morceaux originaux si au plus un morceau est perdu parmis les n + 1, sans délai.
54 37/57 Correction d erreurs sans voie de retour : algorithme simple But : envoyer suffisamment de bits pour retrouver un paquet perdu sans exiger sa retransmission. Algorithme simple : Pour n morceaux, créer un nouveau morceau qui est le XOR des n morceaux. Envoyer n + 1 morceaux : augmentation de la quantité de données par 1/n. Peut reconstruire les n morceaux originaux si au plus un morceau est perdu parmis les n + 1, sans délai. Ne fonctionne pas si plus d une erreur. Augmente beaucoup si n petit (33% pour 3). Destinataire doit attendre de recevoir les n + 1 avant de lire.
55 38/57 Correction d erreurs sans voie de retour : algorithme piggyback Idée : envoyer en plus un flux de données à une résolution inférieure à celle de l original. Par exemple, flux de données au débit MIC 64kbit/s à un flux GSM 13kbit/s. Paquet i : paquet i original + paquet i 1 basse résolution.
56 38/57 Correction d erreurs sans voie de retour : algorithme piggyback Idée : envoyer en plus un flux de données à une résolution inférieure à celle de l original. Par exemple, flux de données au débit MIC 64kbit/s à un flux GSM 13kbit/s. Paquet i : paquet i original + paquet i 1 basse résolution. Si pas 2 pertes consécutives : OK Lecture dès le 2ème paquet.
57 39/57 Correction : entrelacement Morceaux divisés en morceaux plus petits (par ex. 5ms). Paquet contenant des petits morceaux de différents morceaux originaux. Paquet perdu : contient la majorité d un morceau original. Pas de données supplémentaires. Mais plus grande latence...
58 40/57 Architecture Skype avant 2012 Application propriétaire : rétro-ingénierie. Messages chiffrés. Composants P2P : Clients : pairs connectés directement pour un appel VoIP. Super-noeuds : pairs avec une fonction spéciale. Réseau de super-noeuds. Serveur de login.
59 Architecture Skype avant 2012 Opération d un client Skype : Rejoindre le réseau en TCP via un SN (difficile de savoir comment. DHT possible). Login via le serveur Skype. Obtenir l IP du correspondant via le réseau de SN. Appel VoIP. SN également utile en cas d utilisation de routeurs et NAT. Depuis 2012 (et rachat par Microsoft) : SN remplacés par des serveurs. De 800 utilisateurs / SN : peut gérer plusieurs milliers. Meilleure vie privée, évite des failles de sécurité dues aux utilisateurs... Après 2014 : abandon du P2P (car + de terminaux mobiles avec autonomie limitée...). 41/57
60 42/57 Skype Conférence à plusieurs : Chacun envoie son stream audio à l hôte de la conférence. L hôte combine les streams audio en un seul, et l envoie aux n 1 autres. 2(n 1) streams au lieu de n(n 1).
61 42/57 Skype Conférence à plusieurs : Chacun envoie son stream audio à l hôte de la conférence. L hôte combine les streams audio en un seul, et l envoie aux n 1 autres. 2(n 1) streams au lieu de n(n 1). Pour la vidéo, combinaison impossible : envoie à un serveur (un seul envoi vs n 1 envois : upload limité).
62 43/57 Skype Qualité audio souvent meilleure que par téléphone ( samples/s vs samples/s). Audio et vidéo par UDP (TCP si routeurs bloquent), contrôles par TCP. Corrections sans voie de retour (FEC) pour audio et vidéo. Qualité audio/vidéo et quantité FEC s adapte selon les conditions du réseau. Vie privée : Bob peut sniffer l IP d Alice si conversation. Utilisation de service de géo-localisation. Même IP que BitTorrent....
63 44/57 Cours 4 : Multimédia Applications réseau multimédias Streaming de données enregistrées Voix sur IP Streaming temps réel
64 45/57 Protocoles Les applications vues précédemment ajoutent des champs d en-tête aux morceaux de données audio/vidéo envoyées. Numéro de séquence. Référence de temps.... Différentes applications peuvent faire usage de telles informations. Définition d une structure de paquet regroupant des champs utiles.
65 46/57 RTP Real-Time Protocol (RTP). RFC Regroupe des champs utiles. Pour le transport de données audio et vidéos, sous différents formats (même propriétaires). Utilisé par beaucoup d applications. Deux applications utilisant RTP peuvent théoriquement communiquer.
66 47/57 RTP sur UDP Donne une interface de transport qui étend UDP. Ajout d en-têtes aux données de l application, puis encapsulé dans une trame UDP.
67 48/57 RTP exemple Envoi de voix (audio) encodée en PCM à un débit de 64 kbit/s par RTP. Application collecte les données en morceaux, par exemple toutes les 20 ms : 160 octets par morceau. Le morceau audio + les en-têtes RTP forment un paquet RTP. Paquet RTP encapsulé dans un segment UDP. En-têtes RTP indiquent le type de l encodage de chaque paquet (encodage peut donc être modifié en cours). Numéro de séquence, référence de temps...
68 49/57 RTP et qualité de service RTP ne fournit aucune garantie de qualité de service. Pas de garantie sur le temps pour délivrer le paquet. Ni s ils arriveront, ni dans l ordre... RTP vu que par les hôtes, les routeurs ne font pas la distinction.
69 50/57 En-têtes RTP Payload (7bits) : type des données. 0 : PCM, 64 kbit/s. 3 : GSM, 13 kbit/s. 31 : H.261 (vidéo). 33 : MPEG2 (vidéo).... sequence # (16bits) : Numéro de séquence. Incrémenté à chaque envoi de paquet. Permet la détection de perte de paquets, et l ordre.
70 51/57 En-têtes RTP Timestamp (32 bits) : référence de temps. Donne l heure d échantillonnage du premier octet du paquet. Utilisé pour éliminer la gigue. SSRC (32 bits) : Identifiant de la source de synchro. Identifie la source du stream.
71 52/57 RTCP RTP Control Protocol. Utilisé en conjonction avec RTP pour une session à plusieurs (multicast). Chaque participant à une session RTP envoi périodiquement des paquets de contrôle aux autres participants. Ces paquets contiennent des rapports statistique. Nombre de paquets envoyés / perdus, la gigue... Utilisé pour contrôler la performance (rien n oblige l application à utiliser ces infos).
72 53/57 SIP Session Initiation Protocol (SIP) RFC Vision à long terme : Les communications audio/vidéo seront toutes par Internet. Entre un ordinateur, un téléphone connecté... Personnes identifiées par nom/adresse mail plutôt que par leur numéros. Destinataire joignable peut importe où il est, quel terminal il utilise...
73 54/57 SIP - services offerts Mécanismes nécessaires à l établissement d un appel entre deux interlocuteurs du réseau IP. Destinataire avisé qu il est appelé. Accord sur l encodage. Terminaison de l appel. Détermination de l adresse IP (dynamique) du destinataire. Gestion des appels. Changement d encodage. Ajout d autres personnes. Transferts, mise en attentes...
74 55/57 SIP - Exemple On suppose que Alice connait l IP de Bob. Le SIP d Alice invite Bob. Indique son IP, son port, son encodage voulu. Bob répond 200 OK, envoie son IP, son port, son encodage voulu (autre message suivi d un autre INVITE si encodage KO par ex., ou s il ne veut pas répondre.). Messages pouvant être envoyés par TCP ou UDP (RTP/UDP).
75 56/57 Conclusion Internet est un service best-effort : aucune garantie. Solutions vue précédemment niveau application (buffering, qualité adaptée...). Multimédia en réseau une des applications les plus utilisées. Moins de temps devant la radio et la télévision : utilisation d Internet pour des données audio et vidéo, en direct et enregistré. Devrait continuer à se développer (sans fil). Internet également pour les appels téléphoniques. VoIP moins chère, plus de services (conférence, vidéo...).
76 57/57 Pseudos 9ddd27e5a3e040e3a31a3281ab572aeb
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