Die Internet-Protokollwelt

Die Internet-Protokollwelt
Wintersemester 2016/17
Die InternetProtokollwelt
8. MULTIMEDIA-STRÖME IM INTERNET
Unter Nutzung einiger Folien von
Prof. Dr. -Ing. Anatol Badach
Fachhochschule Fulda, FB Angewandte Informatik
Übersicht
Multimedia-Anwendungen
Realtime Streaming Protocol, RTSP
Realtime Protocol, RTP
Voice over IP, VoIP
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Prof. Jochen Seitz
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Multimedia und Internet
Ständig neue multimediale verteilte Anwendungen
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Video on Demand
IP-Telefonie
Internet Radio
Telekonferenzen
Interaktive Spiele
Virtuelle Welten
Tele-Learning
Erhöhte Anforderungen an
◦ Ende-zu-Ende-Verzögerung
◦ Verzögerungsschwankungen
Spezielle „Streaming Protocols” notwendig
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Multimedia-Client-Anwendungen
Aufgaben
◦ Dekomprimierung des Datenstroms „on the fly”
◦ Abschwächung der Verzögerungsschwankungen durch Pufferung
◦ Fehlerbehandlung durch
 Vorwärtsfehlerkorrektur
 Explizite Übertragungswiederholung in Ausnahmefällen
 Interpolierung verlorener Daten
◦ Bereitstellung einer grafischen Benutzerschnittstelle
Ausprägungen
◦ Stand-alone-Anwendungen, z. B. VLC Player, MS Media Player
◦ Plug-Ins für Browser, z. B. Flash
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Audio/Video im Web (I)
Naiver Ansatz: Übertragung der Medienströme über HyperText Transfer Protocol, HTTP
◦ Medienstrom in einer HTTP-Response übertragen
◦ Eventuell mehrere Responses, z. B. bei Video (eine Response für das Video, eine für den Ton dazu)
◦ Client für notwendige Synchronisation zuständig
Web Browser
Web-Server mit
Mediendateien
Media Player
Nachteil: Gesamter Medienstrom muss zunächst heruntergeladen werden, ehe er abgespielt
werden kann
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Audio/Video im Web (II)
Verbesserung durch Übertragung des Medienstroms direkt zum Media Player
Koordination zwischen Web Browser und Media Player über Metafile
Beschreibung z. B. mittels Session Description Protocol, SDP [RFC 4566]
Web-Server mit
Mediendateien
Web Browser
(2)
Metafile
Media Player
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Audio/Video im Web (III)
Zur Umgehung von HTTP Verwendung eines speziellen Streaming Servers
(nicht notwendigerweise ein zweiter Rechner)
Web-Server
Web Browser
(2)
Beschr.
Media Player
Streaming
Server
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Optionen zur Übertragung des Medienstroms
Übertragung über UDP mit konstanter Senderate und sofortiger Darstellung auf Client-Seite
◦ Beispielsweise Audiostrom mit 13 kbit/s
◦ Sobald die Daten empfangen werden, werden sie dekomprimiert und dargestellt
Übertragung über UDP mit konstanter Senderate und verzögerter Darstellung auf ClientSeite
◦ Client puffert den Strom für kurze Zeit (2-5 s) zur Eliminierung der Verzögerungsschwankung
Übertragung über TCP mit verzögerter Darstellung auf Client-Seite
◦ Bessere Übertragungsqualität, aber Leerlaufen des Puffers wahrscheinlich (TCP-Staukontrolle)
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Realtime Streaming Protocol Version 2.0, RTSP
[RFC 7826]
Kontrolle des Medienstroms analog zu einem Videorekorder:
◦ Pause
◦ Positionieren
◦ Schnelles Vor- und Zurückspulen mit Bildwiedergabe
◦ ...
Protokoll zur Übermittlung der Kontrollinformation notwendig: Realtime Streaming Protocol, RTSP
RTSP ist nicht verantwortlich für
◦ Medienkompressionsverfahren
◦ Verpacken des Medienstroms in Pakete
◦ Transport des Medienstroms
◦ Pufferung der Daten
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RTSP – Ablauf
Web Browser
HTTP Get
Session Description
Web Server
Übergabe Metafile
SETUP
PLAY
Media
Player
RTP audio
RTP video
RTCP
Media
Server
PAUSE
CLOSE
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RTSP – Befehle
OPTIONS – (bidirektionales) Abfragen verfügbarer Funktionen/Merkmale
DESCRIBE – Abfragen der (low-level) Beschreibung eines Medienstroms
SETUP – Aufbau der Transportbeziehung/RTSP-Sitzung; Ändern der Transport-Parameter
PLAY – Start der Wiedergabe/Umpositionierung
PLAY_NOTIFY – Informieren über ein asynchrones Ereignis während der Wiedergabe, z. B. Scale-Change
PAUSE – Anhalten des Stroms, Aufrechterhalten des Zustands
TEARDOWN – Anhalten des Stroms und Löschen des Zustands
GET_PARAMETER – Abfragen von Parametern, die den Medienstrom betreffen
SET_PARAMETER – Steuerung des Gerätes/der Kodierung, auch zum Rücksetzen des Keep-Alive-Timers
REDIRECT – Umlenken des Clients zu neuem Server
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RTSP – Eigenschaften
Out-Of-Band-Protocol
Portnummer 554
RTSP benutzt
◦ TCP oder
◦ UDP
Zuverlässigkeit
◦ Wenn TCP verwendet wird, wird jeder Befehl nur einmal geschickt
◦ Wenn UDP verwendet wird, wird nach einer geschätzten Round Trip Time, RTT der Befehl bei ausbleibender
Reaktion wiederholt
◦ Befehle werden durchnummeriert
Implementierungen vorhanden, z.B. rtspd von Columbia University
(http://www.cs.columbia.edu/IRT/software/rtspd/)
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Realtime Protocol, RTP
Zweck: Standardisierte Übertragung von Multimediaströmen
Notwendig: Paketstruktur mit Feldern für
◦
◦
◦
◦
[RFC 3550]
Audio-Daten
Video-Daten
Sequenznummern
Zeitstempeln
Nutzung von UDP zur Übertragung der Medienströme
Übertragung bestehender standardisierter Formate
◦ für Audio, z. B. PCM- oder GSM-Kodierung
◦ für Video, z. B. MPEG1 oder MPEG2
Wichtig: RTP umfasst keinerlei Mechanismen zur Garantie der zeitgerechten Auslieferung oder
sonstiger QoS-Anforderungen
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Internet-Referenzmodell
Einordnung
von RTP
RTP geht auch für
Multicast und Multipeer
 RTP Session
Anwendung
RTP
Transport (UDP)
Internet (IP)
RechnerNetzanschluss
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RTP – Paketkopf
Payload
Type
Sequence
Number
Timestamp
Synchronization Miscellaneous
Source ID
Fields
32 bit lang, identifiziert die Quelle des RTP-Stroms
(nicht die IP-Adresse, sondern eine Zufallszahl, die bei
Beginn des Stromes generiert wurde)
32 bit lang, abgeleitet vom Abtasttakt auf Senderseite,
bezieht sich auf das erste Byte im Paket
16 bit lang, wird mit jedem Paket um 1 erhöht
zur Erkennung und eventuell Neuanforderung fehlender Pakete
7 bit lang, Angabe der Kodierung (s. nächste Folie)
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RTP – Payload Types
Payload Type
Audio-Format
Abtastrate Durchsatz
Payload Type
Video Format
0
PCM m-law
8 kHz
64 kbit/s
26
Motion JPEG
1
1016
8 kHz
4,8 kbit/s
31
H.261
3
GSM
8 kHz
13 kbit/s
32
MPEG1 Video
7
Linear Predictive Coding
8 kHz
2,4 kbit/s
33
MPEG2 Video
9
G.722
8 kHz
48–64 kbit/s
14
MPEG Audio
90 kHz
n.a.
15
G.728
8 kHz
16 kbit/s
Audio
Video
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8
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RTP Control Protocol, RTCP
Steuerprotokoll in Verbindung mit RTP
RTCP-Pakete werden periodisch versendet und enthalten Sender- und/oder
Empfängerinformationen zur Auswertung durch die Anwendung
◦ Anzahl gesendeter Pakete
◦ Anzahl verlorengegangener Pakete
◦ Abschätzung der Abweichung der Zwischenankunftszeiten
Was die Anwendungen mit dieser Information machen, bleibt den Anwendungsentwicklern
überlassen
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RTCP – Pakettypen
Jeder RTP-Empfänger sendet für jeden Strom periodisch ein RTCP-Paket als Empfangsbericht
◦
◦
◦
◦
Synchronization Source ID
Anteil der verloren gegangenen Pakete
Letzte empfangene Sequenznummer
Mittlere Abweichung der Zwischenankunftszeiten
Der RTP-Sender schickt periodisch Informationen:
◦
◦
◦
◦
Synchronization Source ID
Timestamp des zuletzt gesendeten Pakets
Lokale Zeit des Senders
Anzahl der gesendeten Pakete und Bytes
Mit Hilfe der Senderberichte können verschiedene Ströme synchronisiert werden
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RTCP – Skalierung der Bitrate
Problem: Skalierbarkeit – RTCP-Verkehr kann RTP-Verkehr übertreffen
Lösung: Anpassung der Rate, mit der die RTCP-Pakete geschickt werden
Ziel:
Begrenzung des RTCP-Verkehrs auf 5% des gesamten Verkehrsaufkommens in einer Session
Beispiel:
◦ Gesamtes Verkehrsaufkommen: 2 Mbit/s
◦ RTCP-Verkehr: 100 kbit/s
◦ Aufteilung beispielsweise
 25 % für Sender: 25 kbit/s (nur ein Sender)
 75 % insgesamt für alle R Empfänger: 75 kbit/s
◦ Periode für Sender:
1
T
 RTCP  Paketgröße
0,25  0,05  2 Mbit / s
◦ Periode für Empfänger:
T
R
 RTCP  Paketgröße
0,75  0,05  2 Mbit / s
291
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Voice over IP (VoIP)
PC mit PC:
IP-Netz
(Intra- oder Internet)
PC mit Telefon:
IP-Netz
(Intra- oder
Internet)
VoIPGateway
Öffentliches
Telefonnetz
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TKAnlage
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Protokolle für VoIP
Protokolle für die Übermittlung der Sprache:
◦ RTP & RTCP
Protokolle für die Signalisierung, d. h. VoIP-Signalsierungsprotokolle:
◦ H.323
◦ Session Initiation Protocol, SIP [RFC 3261]
Protokolle zur Anbindung herkömmlicher TK-Systeme für die Sprachübermittlung an
IP-Netze; d. h. so genannte Media Gateway Control Protokolle:
◦ Media Gateway Control Protocol, MGCP [RFC3435]
◦ H.248/Megaco [RFC 5615]
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Integration von IP und Telefonie durch H.323
Telefonienetz
IP-Netz
Daten
• Optimiert für Datenanwendungen
• Effiziente Nutzung
der Bandbreite
Sprache
Video
• Optimiert für Sprachund Video-Anwendungen
• Isochrone Übertragung
H.323 verbindet diese
unterschiedlichen „Welten”
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H.323
Standard für Echtzeit-Audio- und Videokonferenzen für Endsysteme im Internet
Spezifikation der Kommunikation zwischen Endsystemen und herkömmlichen Telefonen
 Interoperabilität
Anwendungskontext für RTP – RTP integraler Bestandteil von H.323
H.323-Komponenten:
◦ End Points
Stand-alone-Geräte wie Web Phones oder Web TVs oder PC-Anwendungen wie InternetVideokonferenzsoftware
◦ Gateways
zum Übergang ins herkömmliche Telefonnetz
◦ Gatekeepers
für Adressumsetzung, Autorisierung, Bandbreitenmanagement, Abrechnung, ...
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H.323-Terminal
Multipoint
Control Unit
Gatekeeper
H.323-Basiskomponenten
H.323-Zone
Telefonnetz
H.324
MCU
VoIPGateway
B-ISDN
ISDN
H.321
H.320
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H.323-Terminal
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AudioAnwendungen
RAS –
Registration/Administration/Status
H.323
H.323 –
Protokollarchitektur
G.711
G.722
G.729
etc.
VideoAnwendungen
H.261
H.263
etc.
RAS
Channel
H.255
RTP
RTCP
Systemsteuerung
Call
Signaling
Channel
Q.931
UDP
Call
Control
Channel
H.245
TCP
IP
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H.323 – Kanäle und Sessions
In einer H.323-Session werden verschiedene H.323-Kanäle benötigt:
◦ mehrere simultane RTP-Ströme
 pro RTP-Strom typischerweise ein Kanal zum Senden und ein Kanal zum Empfangen
◦ ein RTCP-Kanal wie beschrieben
◦ ein H.245-Steuerkanal zum Aufbau/Abbau von Kanälen und zum Aushandeln von
Stromeigenschaften
◦ ein Q.931-Kanal für traditionelle Telefonfunktionalität
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TCP/IP und VoIP-Protokolle
Signalisierung
H.323Signalisierung
Audio/Video
SIP
TCP
RTP
RTCP
UDP
Internet Protocol
Rechnernetzanschluss
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Session Initiation Protocol , SIP
RFC 3261 der Internet Engineering Task Force, IETF
Signalisierungsprotokoll für die Übermittlung von Audio und Video über IP-Netze
Der Funktion nach mit H.323 vergleichbar, aber weniger komplex und einfacher zu
implementieren
Client/Server-Prinzip
Unterstützung der Mobilität von Benutzern
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[Jeong 2003]
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[email protected]
Beispiel für
einen SIPVerlauf
[email protected]
INVITE [email protected]
180 Ringing
200 OK
ACK [email protected]
VoIP - Verbindung
BYE [email protected]
200 OK
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SIP-Abbildung
auf das D-KanalProtokoll
VoIPGateway
INVITE
100 Trying
180 Ringing
200 OK
VoIP-Verbindung
BYE
200 OK
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SETUP
ALERT
CONNECT
B-Kanal
DISCONNECT
RELEASE
RELEASE ACKNOWLEDGE
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Integration herkömmlicher TK-Systeme mit
VoIP-Systemen
Verschiedene Gateways für die Einbindung herkömmlicher Systeme für die
Sprachkommunikation in IP-Netze
◦ Media Gateways
Protokolle für die Steuerung von Media Gateways
◦ Media Gateway Control Protocol, MGCP
◦ Megaco
Klassische Telefonapparate können auch in VoIP-Systemen eingesetzt werden
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Media Gateways: Typen und Einsatz
 Trunking Gateway
VoIP
.....
VoIP
.....
VoIP
.....
Telefonnetz
 Residential Gateway
 Access
Gateway
TK-Anlage
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Aktueller Stand VoIP
Verschiedene Standards für VoIP:
◦ H.323
◦ SIP
◦ MGCP
◦ Megaco
Gemäß aktuellem Stand: SIP und Megaco führend
◦ Einfache Integration von SIP mit Web-Anwendungen
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Zusammenfassung
Für Multimedia-Ströme im Internet wurden ganze Protokollfamilien definiert
Funktionsumfang dieser Familien
◦ Anschluss der Geräte
◦ Transport der Multimedia-Daten
◦ Steuerung der Multimedia-Ströme
◦ Interoperabilität mit traditionellen Einrichtungen
Für den eigentlichen Multimedia-Datentransfer vorrangig UDP verwendet
◦ Keine QoS-Garantie in diesen Protokollen
◦ Zusätzliche Vorkehrungen (DiffServ, IntServ) notwendig
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Die Internet-Protokollwelt
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Literatur
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SIEGMUND, Gerd (2014): Technik der Netze 2. Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 7., neu bearbeitete und
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TRICK, Ulrich; WEBER, Frank (2015): SIP und Telekommunikationsnetze. Next Generation Networks und
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RFCs
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Gonzalo; JOHNSTON, Alan; PETERSON, Jon; SPARKS, Robert et al.
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ROSENBERG, Jonathan; SCHULZRINNE, Henning (2002): Session
Initiation Protocol (SIP): Locating SIP Servers. Internet
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SCHULZRINNE, Henning; CASNER, Stephen L.; FREDERICK, Ron;
JACOBSON, Van (2003): RTP: A Transport Protocol for RealTime Applications. Internet Engineering Task Force (IETF)
(Request for Comments, 3550).
HANDLEY, Mark; JACOBSON, Van; PERKINS, Colin (2006): SDP:
Session Description Protocol. Internet Engineering Task
Force (IETF) (Request for Comments, 4566).
GROVES, Christian; LIN, Yangbo (2009): H.248/MEGACO
Registration Procedures. Internet Engineering Task Force
(IETF) (Request for Comments, 5615).
OTT, Joerg; PERKINS, Colin (2010): Guidelines for Extending
the RTP Control Protocol (RTCP). Internet Engineering Task
Force (IETF) (Request for Comments, 5968).
SCHULZRINNE, Henning; RAO, Anup; LANPHIER, Rob;
WESTERLUND, Magnus; STIEMERLING, Martin (2016): Real-Time
Streaming Protocol Version 2.0. Internet Engineering Task
Force (IETF) (Request for Comments, 7826).
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