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Tema 2 Redes Multimedia (versión )
Publicada porBelén Silverio Modificado hace 4 años
Presentación del tema: "Tema 2 Redes Multimedia (versión )"— Transcripción de la presentación:
1 Tema 2 Redes Multimedia (versión 2010-2011)
Rogelio Montañana Departamento de Informática Universidad de Valencia Ampliación Redes
2 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital
Redes Multimedia Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital Audio digital. Estándares. Compresión Vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Calidad de Servicio Videoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet Protocolo SIP Ampliación Redes
3 Espectro acústico de la voz y la música
Redes Multimedia Espectro acústico de la voz y la música Límite superior de la radio FM Límite superior del CD-audio Límite superior de la radio AM Rango dinámico de la voz Canal telefónico 0 dB MÚSICA -20 dB VOZ Rango dinámico de la música Potencia relativa -40 dB Ruido 300 Hz 3,3 KHz -60 dB La elección de un canal de 300 a Hz para la telefonía se debe a que se diseñó pensando en transmitir la voz humana, que tiene un espectro de frecuencias con la mayor parte de la energía concentrada en esta banda de frecuencias. Por ese motivo la voz de una persona tiene un sonido diferente cuando se escucha por teléfono, ya que todas las frecuencias situadas fuera de este rango se pierden en la transmisión telefónica. A pesar de eso no tenemos ningún problema para entender una conversación telefónica ya que la mayor parte de la información se encuentra presente. Cuando se quiere transmitir música por teléfono la situación es diferente, ya que la música maneja una banda de frecuencias mucho más amplia y la cantidad de información perdida en la transmisión telefónica resulta en este caso notable. Además de una banda de frecuencias reducida el canal telefónico tiene una relación señal/ruido pequeña, es decir maneja una gama dinámica reducida. Esto se debe a que la voz maneja una gama dinámica más reducida que la música y aquí de nuevo el diseño se ha hecho pensando en la voz únicamente. En la telefonía digital la gama dinámica reducida se debe a que se utilizan únicamente ocho bits para representar cada muestra obtenida de la señal original. 10 Hz 100 Hz 1 KHz 10 KHz 100 KHz Frecuencia Ampliación Redes
4 Anchura de canal y distorsión
Redes Multimedia Anchura de canal y distorsión Al reducir la anchura del canal no solo se reduce el ancho de banda, también se reducen los requerimientos de calidad, ya que se tolera una mayor distorsión Distorsión (%) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Distorsión molesta Distorsión perceptible En realidad la elección de un ancho de banda reducido para la telefonía aporta ventajas en dos sentidos. Por un lado evidentemente se pueden ‘meter’ (multiplexar) más conversaciones en un canal de un ancho de banda determinado (o bien si se digitaliza la señal se han de obtener menos muestras por segundo). Pero por otro lado el uso de un canal estrecho permite ser menos riguroso en el tratamiento de la señal, ya que el oido humano es más tolerante a la distorsión cuando se reduce la anchura del canal. Ancho de Banda (KHz) 3 5 10 15 Ampliación Redes
5 Diseño de la red telefónica
Redes Multimedia Diseño de la red telefónica Hacia 1930 la banda de frecuencias en una comunicación telefónica era de 300 a 3300 Hz, aproximadamente. Esta limitación se debía a la necesidad de abaratar los teléfonos y los equipos de transmisión. La relación señal/ruido (lo que se conoce como el ‘rango dinámico’) tampoco era demasiado elevada, en torno a 40dB. Se observó que estas condiciones tan ‘pobres’ eran suficientes para permitir una comunicación inteligible Cuando, hacia 1960, se empezó a implantar la telefonía digital el objetivo fue igualar (no mejorar) la calidad que tenía la telefonía analógica Ampliación Redes
6 Teorema de muestreo de Nyquist (1924)
Redes Multimedia Teorema de muestreo de Nyquist (1924) La digitalización de una señal analógica ha de hacerse muestreando al menos al doble de la frecuencia máxima que se pretende capturar. Ejemplos: Canal telefónico: 3,3 KHz  Muestreo 8 KHz Audio HiFi: 20 KHz  Muestreo 44,1 KHz En 1924 Nyquist formuló el teorema que lleva su nombre, que establece que cuando una información digital se transporta por un canal analógico el número de baudios no puede ser mayor que el doble de la anchura del canal en hertzios. Dicho teorema también se aplica al caso en que una señal analógica se codifica en forma digital; en este caso el teorema dice que las muestras digitales de la señal se han de obtener a una frecuencia que sea como mínimo el doble que la frecuencia máxima que se quiere captar, por lo que se suele denominar ‘Teorema de muestreo de Nyquist’. Dicha frecuencia se conoce como ‘Frecuencia de Nyquist’. Por ejemplo una conversación telefónica utiliza normalmente un ancho de banda de 3 KHz. Para tener un margen de seguridad la separación entre canales telefónicos contiguos es de 4 KHz. Por esta razón cuando se digitaliza una conversación telefónica se utiliza una frecuencia de muestreo de 8 KHz, de forma que sea posible restituir la onda original cuando se vuelva la señal a su forma analógica. Otro ejemplo interesante es el caso del audio de alta fidelidad. Aquí la frecuencia máxima a captar es de 20 KHz, valor máximo percibido por el oído humano en condiciones óptimas. Por eso el estándar de audio digital utilizado en discos compactos (CD/DA) emplea una frecuencia de muestreo de 44,1 KHz, capaz de captar frecuencias de audio de hasta 22,05 KHz. Aunque nos hemos centrado en el caso del audio el Teorema de Nyquist también se aplica a una señal de vídeo analógica. La señal de vídeo de una cámara analógica es también una onda. La única diferencia es que en este caso se trata de canales con anchuras del orden de los MHz y por tanto las frecuencias de muestreo han de ser mucho mayores que en el caso del audio. Ampliación Redes
7 Conversión analógico-digital: muestreo de la señal
Redes Multimedia Conversión analógico-digital: muestreo de la señal Proceso de muestreo 8.000 muestras/s (captura de 0 a 4 KHz) Canal telefónico Ancho de banda 300 a Hz Muestras La primera fase en el proceso de digitalización consiste en medir la amplitud de la onda en cada muestra. Por ejemplo en el caso de la telefonía esa toma de muestras se realiza veces por segundo como ya hemos comentado. Esto equivale a tomar una muestra cada 125 microsegundos (1/8.000 = 0,000125). Aunque las normas de telefonía digital varían según los países y los continentes la frecuencia de muestreo es una de las pocas cosas que son universales y comunes a todas ellas. Señal analógica original Señal ‘muestreada’ a 8 KHz Ampliación Redes
8 Conversión analógico-digital
Redes Multimedia Conversión analógico-digital Ruido (o error) de cuantización Digitalización La señal digital se ha de ajustar a uno de los valores preestablecidos de amplitud El error de cuantización depende del número de bits por muestra. Señal ‘muestreada’ (valores continuos) La escala de digitalización puede ser lineal o logarítmica La amplitud de la onda es una magnitud continua que puede tener cualquier valor. Por el contrario su representación digital en un número limitado de bits obliga a utilizar un conjunto finito de valores discretos. La necesidad de ajustar el valor real al valor discreto más próximo introduce una distorsión que se conoce como error o ruido de cuantización. Por ejemplo en la digitalización de un canal telefónico cada muestra se representa la amplitud de la onda utilizando ocho bits, lo cual permite representar hasta 256 diferentes valores de la amplitud; el valor en la onda analógica original, que es continuo, se ha de transformar en uno de esos 256 valores discretos posibles (lógicamente aquel que se encuentre más próximo a la magnitud real). Si en vez de un byte se utilizaran dos bytes por muestra (como ocurre por ejemplo con el audio digital en CD) la gama de valores de amplitud sería de 65536, lo cual permite representar con mucha mayor precisión el valor de la onda analógica original. Por tanto el error de cuantización disminuye al aumentar el número de bits empleados al digitalizar cada muestra. Este menor error de cuantización se percibe como una mejor (o más elevada) relación señal/ruido. En algunos sistemas de telefonía los valores discretos utilizados en la codificación digital no se corresponden linealmente con la magnitud digitalizada (la amplitud) sino con su logaritmo. De esta forma se consigue una mayor precisión en los valores pequeños. Este es el caso que se ha representado en la figura adjunta. Señal digital (valores discretos) Ampliación Redes
9 Compromiso entre calidad y recursos (costo)
Redes Multimedia Compromiso entre calidad y recursos (costo) Para digitalizar una señal analógica hay que fijar dos parámetros: Frecuencia de muestreo: cuanto más alta mayor es el ancho de banda que se captura de la señal analógica Número de bits por muestra: cuanto mayor es menor es el error de cuantización y mayor la relación señal/ruido de la señal digital En ambos casos un valor mayor supone una mayor fidelidad en la información digitalizada, pero también un mayor caudal en los datos generados Ampliación Redes
10 Telefonía digital G.711 PCM
Redes Multimedia Telefonía digital G.711 PCM La digitalización de audio para telefonía se viene haciendo en la red troncal desde los 1960s, por varias razones fundamentalmente: Mayor calidad de sonido, especialmente en largas distancias cuando es necesario regenerar la señal Mayores facilidades para multiplexar varias conversaciones En 1972 la ITU-T estableció el estándar G.711 para la telefonía digital, también llamado PCM (Pulse Code Modulation) El muestreo se hace con una frecuencia de 8 KHz, es decir una muestra cada 125 µs. La amplitud se representa en una escala logarítmica utilizando 8 bits por muestra El caudal utilizado es de bits por segundo. Este caudal se utilizó después para el canal B de RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) Existen dos variantes de G.711: G.711 µ- law: usada en Norteamérica y Japón G.711 A-law: usada en el resto del mundo Ampliación Redes
11 centrales de facturación
Redes Multimedia Comunicación entre teléfonos analógicos en una red moderna Enlace de central final Enlace de central final Enlaces entre centrales de facturación Bucle de abonado Bucle de abonado Códec Códec Central Telefónica final Central Telefónica final Central Telefónica primaria Central Telefónica de facturación Central Telefónica de facturación Hoy en día casi toda la infraestructura de comunicación entre centrales telefónicas es digital. Por tanto cuando dos abonados establecen una comunicación telefónica a través de la red su conversación esta siendo digitalizada mediante un codec en la central telefónica de la que dependen, de forma que la comunicación discurre de forma digital en todo el trayecto excepto el bucle de abonado de cada uno de ellos. Asi pues entre centrales telefónicas una conversación ocupa un canal de 64 Kb/s. En el caso de teléfonos RDSI lo que se hace sencillamente es extender la comunicación digital al propio bucle de abonado. En este caso la conversación ocupa un canal de 64 Kb/s (un canal B) en todo el trayecto. En este caso el códec se encuentra en el propio teléfono RDSI. La telefonía digital para la interconexión de centrales se empezó a introducir hace ya mucho tiempo, en la década de 1960, fundamentalmente por los siguientes motivos: Simplifica la multiplexación de conversaciones en un mismo cable (los equipos son más baratos). La señal digital se puede regenerar mediante repetidores, que no degradan la señal. En el caso de transmisión analógica se tenían que utilizar amplificadores que introducían una distorsión por lo que había que limitar el número máximo de amplificadores por los que podía pasar la señal. Permite mayores capacidades, ya que es posible multiplexar más conversaciones sobre un mismo cable. Con sistemas de transmisión avanzados (ATM por ejemplo) se pueden aplicar técnicas de compresión con lo que se consigue aumentar aún más la capacidad. Señal Analógica ( Hz) Señal Digital G.711 (64 Kb/s) Señal Analógica ( Hz) Ampliación Redes
12 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
Redes Multimedia Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital. Audio digital. Estándares. Compresión Vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Calidad de Servicio Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía sobre Internet Protocolo SIP Ampliación Redes
13 Audio digital no comprimido
Redes Multimedia Audio digital no comprimido Tipo Frec. de Muestreo (KHz) Ancho de banda (KHz) Bits por muestra Relación S/R (dB) Canales Caudal Sonido telefónico (G.711) 8 4 8 log 48 1 64 Kb/s (canal B de RDSI) CD-DA (Compact Disc – Digital Audio) (Linear PCM) 44,1 22,05 16 lineal 96 2 1,411 Mb/s (CD-ROM 1x) DVD-Audio 192 (máx.) 24 lineal (máx.) 144 (máx.) 9,216 Mb/s (capacidad de un DVD) La frecuencia de muestreo y el número de bits por muestra son las dos magnitudes que definen la calidad de una señal digital. De la frecuencia de muestreo depende la anchura de banda captada y del número de bits la relación señal/ruido. Conocidas la frecuencia de muestreo y el tamaño de cada muestra resulta trivial calcular el caudal que requiere una señal digital. Sigamos con los dos ejemplos anteriores. El sonido telefónico digital utiliza como ya hemos dicho ocho bits por muestra, lo cual nos da un caudal de 8 KHz x 8 bits/muestra = 64 Kb/s. Este es precisamente el caudal que corresponde a un canal B (Bearer) de RDSI. Esta forma de digitalizar el sonido telefónico, que es la más habitual, está estandarizada por la ITU-T en la norma conocida como G.711. En el audio digital de disco compacto cada muestra tiene 16 bits (a fin de conseguir una relación señal/ruido mejor que en telefonía). Dado que el sonido es normalmente estéreo el caudal resultante es de 44,1 KHz x 16 bits/muestra x 2 canales = 1,411 Mb/s. Este caudal (equivalente a 176 Kbytes/s) corresponde al de un lector de CD-ROM de simple velocidad y es el caudal de un lector de CD de audio. Los sistemas DVD-Audio emplean el mismo principio básico que el CD o la telefonía digital, pero la mayor capacidad de almacenamiento del DVD permite llegar a frecuencias de muestreo de hasta 192 KHz recogiendo hasta 24 bits por muestra. Utilizando estos parámetros con dos canales el caudal resultante es de 9,2 Mb/s, que se encuentra próximo al límite del DVD-Audio (9,6 Mb/s). Ampliación Redes
14 Diseño de la alta fidelidad (Hi-Fi)
Redes Multimedia Diseño de la alta fidelidad (Hi-Fi) El diseño de la alta fidelidad se hizo con un criterio maximalista, es decir conseguir una calidad de sonido que abarque todo el rango de frecuencias que puede captar el oído humano ( Hz), de forma que resulte indistinguible del original, para su almacenamiento o distribución Como consecuencia de ello los parámetros elegidos fueron: Anchura de canal: 20 KHz mínimo Relación señal/ruido: 90 dB mínimo Cuando se estandarizó el CD-DA el objetivo fue mantener, e incluso mejorar, la calidad que tenía la Hi-Fi existente. La disminución en alguno de los parámetros del CD-DA podría haber dado lugar a una merma perceptible de calidad Ampliación Redes
15 Algunos codecs de audio digital
Redes Multimedia Formato Ancho de banda (KHz) Caudal (Kb/s) Uso PCM (G.711) 3,3 64 Voz G.719 20 32 a 128 Voz y música SB-ADPCM (G.722) 7 48/56/64 SB-ADPCM (G.722.1) 16/24/32 SB-ADPCM (G.722.1C) 14 24/32/48 AMR-WB (G.722.2) 12,65-23,85 Voz (GSM) MP-MLQ (G.723.1) 6,3/5,3 ADPCM (G.726) 16/24/32/40 LD-CELP (G.728) 16 CS-ACELP (G.729A) 8 LPC-10E (FS 1015) 2,4 MELP (STANAG-4591) 0,6-2,4 ILBC (RFC 3951) 13,33/15,2 CD-DA / DAT 22/24 705,6/768 MPEG-1 Layer I 16/22/24 MPEG-1 Layer II 96-128 MPEG-1 Layer III (MP3) MPEG-2 AAC 32-44 No comprimido Bajo Retardo y, en general, baja calidad (telefonía) No comprimido Generalmente cualquier técnica de compresión de audio introduce una cierta merma de calidad respecto al audio no comprimido, aunque en algunos casos dicha merma es difícilmente perceptible. En general a mayor compresión menor calidad. Los diferentes algoritmos de compresión difieren también en su complejidad de cálculo; en general para un mismo caudal las técnicas más complejas obtienen una mayor calidad a costa de emplear más CPU. La mayoría de las técnicas de compresión de audio han sido estandarizadas por la ITU-T en las normas de telefonía G.7xx. La comunicación telefónica es muy sensible a los retardos y al jitter. Los algoritmos de compresión diseñados para telefonía deben introducir un retardo muy pequeño ya que de lo contrario se pierde interactividad y aparecen problemas de ecos y baja calidad del sonido. Esta restricción limita las posibilidades de los algoritmos empleados en los estándares de telefonía. Existen otros algoritmos de compresión de audio que al no contar con esta restricción permiten unas tasas de compresión más elevadas ya que pueden analizar muestras de audio más extensas y emplear un mayor tiempo en su análisis, introduciendo por tanto mayor retardo y jitter. Estos son los algoritmos de audio que forman parte de los estándares MPEG, estandarizados por ISO. Con caudales comparables a los de la telefonía los algoritmos MPEG ofrecen calidades comparables al compact disc. En algunos casos la compresión puede no hacerse en tiempo real y puede ser muy asimétrica. La descompresión siempre ha de hacerse evidentemente en tiempo real. Elevado Retardo y alta calidad (música) Ampliación Redes
16 Codecs de audio estandarizados
Redes Multimedia Codecs de audio estandarizados La mayoría de los códecs estandarizados de compresión de audio provienen de dos organismos La ITU-T: son los estándares G.7xx pensados para telefonía (voz) aunque algunos son aptos para música y sonidos diversos. Suelen tener bajo retardo y poco consumo de CPU. La ISO: son los estándares de audio de MPEG pensados para películas (por tanto música y sonidos diversos). Suelen tener elevado retardo y gran consumo de CPU. Generalmente no aptos para telefonía. Ampliación Redes
17 Audio digital comprimido
Redes Multimedia Audio digital comprimido En telefonía y videoconferencia se suele utilizar codecs G.xxx (estándares ITU-T) que dan un bajo retardo y una calidad adecuada para la voz, pero no para la música (excepto algunos como G.719 y G.722) La parte de compresión audio de MPEG (estándares ISO) es más eficiente (mejor ratio de compresión) y da mayor calidad, pero consume mucha CPU e introduce mucho retardo por lo que no suele emplearse en aplicaciones interactivas Generalmente a más compresión menor calidad y mayor consumo de CPU. Ampliación Redes
18 Retardo y complejidad de codecs ITU vs ISO
Redes Multimedia Retardo y complejidad de codecs ITU vs ISO Codec Ancho de banda Caudal Retardo Complejidad (CPU) G.719 20 kHz Kbps 40 ms 17,7 MIPS MP3 Kbps ≥ 54 ms > 100 MIPS MPEG-4 AAC LD Kbps ≥ 20 ms > 130 MIPS Ampliación Redes
19 “El tren es un medio de transporte cómodo.”
Redes Multimedia Comparación de codecs La comparación de calidad de codecs de audio no puede hacerse por técnicas objetivas. Se suele recurrir a encuestas de opinión puntuando entre 1 y 5, obteniendo lo que se denomina un MOS (Mean Opinion Score) Simulación de canal Fuente Limitación 1 2 3 4 5 Codec ‘X’ “El tren es un medio de transporte cómodo.” MOS Calidad voz Nivel de distorsión 5 Excelente Imperceptible 4 Buena Apenas perceptible, no desagradable 3 Regular Perceptible, levemente desagradable 2 Pobre Desagradable, pero aceptable 1 Insatisfactoria Muy desagradable, inaceptable 1 2 3 4 5 La calidad de diferentes algoritmos de compresión se mide realizando pruebas subjetivas ciegas en las que el sujeto escucha una determinada frase de prueba que es emitida por una fuente y transmitida a través de un canal telefónico al cual se le ha añadido un códec que implementa el algoritmo de compresión que se quiere evaluar. El sujeto debe emitir una valoración puntuando la calidad en una escala de 1 a 5. La prueba se realiza con varios sujetos y se obtiene para cada códec un valor medio que se denomina MOS (Mean Opinion Score). El estándar G.711 de la ITU-T establece el formato de codificación de una comunicación telefónica cuando no se utiliza ningún tipo de compresión (es decir ocupando 64 Kb/s). En este caso el MOS obtenido es de 4,2. Este valor corresponde a lo que podemos considerar calidad óptima, ya que los algoritmos de compresión actúan sobre un flujo de bits de entrada G.711 y conseguirán un MOS de 4,2 cuando la compresión no introduzca ninguna degradación perceptible de la calidad. G.711 tiene un MOS de 4,2 Ampliación Redes
20 Compresión vs calidad Caudal (Kb/s) MOS (Mean Opinion Score)
Redes Multimedia Compresión vs calidad Normalmente para tener alta compresión con calidad y bajo retardo hay que ejecutar el algoritmo de compresión en hardware, en unos chips llamados DSP (Digital Signal Processor) Caudal (Kb/s) 64 PCM (G.711) 56 48 40 32 ADPCM 32 (G.726) 24 ADPCM 24 (G.725) 16 ADPCM 16 (G.726) LDCELP 16 (G.728) Esta gráfica muestra la relación entre calidad y factor de compresión. Normalmente para conseguir un mayor factor de compresión sin reducir la calidad es preciso utilizar algoritmos mas sofisticados, que requieren por tanto mayor consumo de CPU. Dado que la compresión en telefonía ha de hacerse en tiempo real esto impone una limitación al nivel de complejidad que puede tener el algoritmo utilizado. Cuando se quieren utilizar algoritmos complejos se utilizan chips que incorporan en hardware dichos algoritmos, como el chip DSP (Digital Signal Processor) que aparece en la fotografía. Esto se emplea sobre todo en equipos que han de realizar al compresión para varios canales de forma simultánea. Según las pruebas subjetivas de calidad los códecs más habituales obtienen las siguientes puntuaciones MOS: G.711 (64 Kb/s): 4,2 G.729 (8 Kb/s): 3,92 G.726 (32 Kb/s): 3,85 G.729a (8Kb/s): 3,7 G (5,3 Kb/s): 3,65 G.728 (16 Kb/s): 3,61 En cuanto a complejidad de cálculo los algoritmos mas complejos son precisamente los más eficientes, es decir los que consiguen una mayor calidad con un menor caudal. Estos son G.729, G y G.728. 8 CS-ACELP (G.729a) CS-ACELP 8 (G.729) LPC 4.8 MP-MLQ 6,4 (G.723.1) 1 2 3 4 5 MOS (Mean Opinion Score) Ampliación Redes
21 Redes Multimedia Audio MPEG-1 Compresión psicoacústica con pérdidas (aprovecha las características del oído humano). Frecuencias de muestreo entre 8 y 48 KHz. Si se va a utilizar un caudal reducido es conveniente hacer el muestreo a baja frecuencia. Tres capas en orden ascendente de complejidad/calidad. Cada capa incorpora nuevos algoritmos, y engloba los de las anteriores : Capa I: buena calidad con Kbps por canal; no se utiliza Capa II: calidad CD con Kbps por canal Capa III: calidad CD con 64 Kbps por canal El más utilizado actualmente es Capa III por su mayor eficiencia. También se le conoce como MP3. El caudal puede estar entre 8 y 320 Kb/s El audio de MPEG-1 es un buen ejemplo de compresión con pérdidas aprovechando factores psicoacústicos, es decir las características perceptuales del oído humano que permiten omitir cierta información sin que esta omisión sea percibida por el oído; por ejemplo el oído humano percibe sin dificultad un sonido de 25 dB a 500 Hz cuando ocurre aislado, pero si dicho sonido se acompaña de otro de 50 dB de intensidad a 200 Hz el sonido de 500 Hz queda enmascarado, por lo que a la hora de codificar la información puede ser ignorado. También se aprovecha en ocasiones la redundancia de información entre ambos canales cuando se codifica un programa estéreo (es lo que se denomina ‘joint stereo’). El audio MPEG-1 ofrece tres algoritmos de complejidad y eficiencia crecientes. Cada algoritmo se incorpora en una ‘capa’ diferente. Las capas superiores (de mayor complejidad) son un ‘superset’ de las anteriores; por ejemplo un decodificador de MPEG-1 capa III es capaz de decodificar programas de capas I y II, pero no a la inversa. El algoritmo más eficiente es el que incorpora la capa III, que permite reproducir una calidad comparable a la de un CD de audio con tan sólo 64 Kb/s por canal. El MPEG-1 capa III corresponde al formato conocido popularmente como MP3, y es el que se utiliza en las emisiones de radio digital (DAB, Digital Audio Broadcast). Ampliación Redes
22 AAC (Advanced Audio Conding)
Redes Multimedia Audio MPEG-2: AAC (Advanced Audio Conding) Algoritmo de compresión de audio de alta eficiencia y alta calidad incorporado en los estándares MPEG-2 parte 7 y MPEG-4 parte 3. Frecuencias de muestreo de 8 a 192 KHz. Caudales entre 8 y 529 Kb/s Calidad comparable a MP3 con el 50-70% de caudal. Calidad CD stéreo con 96 Kbps Soporte multicanal (idiomas) y 5.1 (5 canales más surround). Permite hasta 48 canales simultáneos Hay una versión adaptada para bajo retardo, especialmente pensada para telefonía (AAC-LD, Low Delay) En audio MPEG-2 permite utilizar todos los formatos existentes en MPEG-1, y añade la posibilidad de tener más de dos canales para efectos especiales (surround, etc.) o para permitir bandas sonoras en diversos idiomas. Además MPEG-2 incorpora nuevos algoritmos de compresión de audio, aun en estudio, que permiten conseguir calidades comparables a MPEG-1 capa III con la mitad de caudal. Ampliación Redes
23 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
Redes Multimedia Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital. Audio digital. Estándares. Compresión Vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Calidad de Servicio Vídeoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet Protocolo SIP Ampliación Redes
24 Señal de vídeo analógica
Redes Multimedia Señal de vídeo analógica La imagen capturada se descompone en tres señales que corresponden a los colores primarios. A partir de ellos se puede reconstruir cualquier color R (rojo) G (verde) B (azul) Escaneador rasterizador Filtros amplitud R tiempo amplitud G Lente Divisor Para comprender bien los algoritmos de compresión de vídeo es preciso describir, aunque sea de forma muy somera, el funcionamiento de la televisión analógica. En primer lugar la imagen capturada por la lente de la cámara es convertida en tres imágenes monocromáticas obtenidas al aplicar filtros de los tres colores fundamentales, rojo, verde y azul. La correcta combinación de estas tres imágenes monocromáticas permite reconstruir la imagen original. Las señales RGB así obtenidas están disponibles en algunas cámaras, aunque no es habitual trabajar con ellas. tiempo amplitud B tiempo Ampliación Redes
25 Fundamentos de la TV en color
Redes Multimedia Fundamentos de la TV en color Las señales R-G-B obtenidas se transforman en otras tres, una de luminancia (Y) y dos de crominancia (U y V). Esta conversión se hace: Para mantener la compatibilidad con televisión en blanco y negro (en ese caso se ignora la crominancia) Para dar más ancho de banda a la luminancia, ya que el ojo es menos sensible a la crominancia En el sistema PAL (europeo) la transformación se realiza aplicando las siguientes fórmulas: Y (Luminancia) = 0,30 R + 0,59 G + 0,11 B U (Crominancia) = 0,493 (B - Y) = -0,15 R - 0,29 G + 0,44 B V (Crominancia) = 0,877 (R - Y) = 0,62 R - 0,52 G - 0,10 B Generalmente cuando se tiene que almacenar o transmitir una señal de vídeo las señales RGB se transforman en otras tres que corresponden a una combinación lineal de dichas señales. La combinación se realiza de tal manera que una de las nuevas señales recoge toda la información lumínica o de brillo de la imagen, por lo que a esta señal se la denomina luminancia. Las otras dos señales, llamadas U y V, corresponden a diferentes combinaciones de las tres señales originales, elegidas de tal manera que recogen toda la información de color; por este motivo a estas dos señales se las denomina genéricamente crominancia. La conversión a YUV se realiza para mantener la compatibilidad con la televisión en blanco y negro (que únicamente interpreta la señal Y) y para permitir en el sistema de transmisión o almacenamiento dedicar un mayor ancho de banda o capacidad a la señal de luminancia; esto se hace porque está demostrado que el ojo humano es mucho más sensible a las variaciones en luminancia que en crominancia; por ejemplo en el sistema PAL la luminancia recibe aproximadamente 5 MHz de ancho de banda mientras que las componentes de crominancia reciben 1 MHz cada una. Podemos considerar el cambio de RGB a YUV como un cambio de un sistema de coordenadas a otro que mantiene el mismo número de grados de libertad pero permite resolver el problema de forma más sencilla. Ampliación Redes
26 Funcionamiento de la TV en color
Redes Multimedia Funcionamiento de la TV en color R Matriz Inversa G B TV Color Y R Circuito Matricial Mezclador G U Modulador B V Modulador En una emisión de TV en color las tres componentes (Y, U y V) se combinan en un mezclador para su emisión. Previamente U y V se modulan de forma que puedan transmitirse en una banda a determinada frecuencia dentro del canal de televisión, junto con la luminancia. La emisión completa contiene además el audio y las señales de sincronismo necesarias para la correcta recepción de la señal. Cuando la emisión es sintonizada en un televisor en color la señal se introduce en un dispositivo denominado matriz inversa que mediante un proceso inverso se ocupa de regenerar las señales RGB originales, que son las que se reproducen en el televisor. En el caso de recibirse en un televisor en blanco y negro la emisión pasa simplemente por un filtro que suprime las señales U y V, con lo que la señal Y es la que se reproduce en pantalla. El modulador traslada las señales U y V a frecuencias superiores, para que no se solapen con la luminancia Y Filtro TV Blanco y Negro Ampliación Redes
27 Vídeo digital ‘no comprimido’
Redes Multimedia Vídeo digital ‘no comprimido’ El formato de vídeo digital utilizado como referencia en estudios de TV es el estándar ITU-R CCIR-601, también llamado D1. En CCIR-601 (y en otros formatos digitales) las componentes de crominancia se denominan Cr y Cb (en vez de U y V) En CCIR-601 PAL la parte de luminancia de cada fotograma se representa como una imagen de 720x576 píxels. Las de crominancia con 360x576: Luminancia (Y): 720(h) x 576(v) x 8 bits x 25 fps = 82,944 Mb/s Crominancia (Cr ): 360(h) x 576(v) x 8 bits x 25 fps = 41,472 Mb/s Crominancia (Cb): 360(h) x 576(v) x 8 bits x 25 fps = 41,472 Mb/s Caudal total: 82, , ,472 = 165,888 Mb/s En vídeo digital el formato no comprimido más utilizado es el CCIR-601 estandarizado por la ITU-R, que corresponde a calidad de estudio y puede funcionar con el sistema americano (NTSC) o el europeo (PAL) en formato 4:3 o 16:9. En CCIR-601 se digitaliza directamente cada una de las tres componentes habitualmente utilizadas en televisión analógica, la luminancia (Y) y las dos componentes de crominancia, que aquí se denominan Cr y Cb. En PAL la imagen es de 720 x 576 pixels, con una frecuencia de 25 fotogramas por segundo. En luminancia se digitalizan todos los pixels, pero para la crominancia se representa únicamente la mitad en horizontal, dando una imagen de 360 x 576 pixels. Esto reduce a la mitad la información generada por la crominancia aprovechado el hecho psicológico de que el ojo humano es más sensible a la luminancia. A razón de ocho bits por pixel la luminancia genera 720 x 576 x 8 x 25 = 82,944 Mb/s y la crominancia 360 x 576 x (8+8) x 25 = 82,944 Mb/s, lo cual da un total de 165,888 Mb/s. En Televisión de alta definición el formato equivalente a CCIR-601 llegaría a caudales de hasta 2 Gb/s A la vista de estos valores se comprende fácilmente la necesidad de efectuar compresión del vídeo cuando se almacena de forma digital o se transmite por redes telemáticas. Ampliación Redes
28 Redes Multimedia Submuestreo La reducción de la resolución en las componentes de crominancia se denomina submuestreo (equivalente a reducir la frecuencia de muestreo al digitalizar una onda) El submuestreo se basa en la menor sensibilidad del ojo humano a la crominancia. El submuestreo de CCIR-601, llamado 4:2:2, reduce la información de crominancia a la mitad. Sin submuestreo el caudal total sería 248,832 Mb/s. La información de crominancia puede reducirse aún más aplicando submuestreo 4:1:1 ó 4:2:0. Esto degrada un poco la calidad de color, pero la diferencia respecto a 4:2:2 es pequeña y sólo suele ser percibida por profesionales o en situaciones extremas. La técnica de reducir la resolución en las componentes de crominancia se conoce como submuestreo. Esto se basa en la menor sensibilidad del ojo humano a la información de crominancia Con el submuestreo 4:2:2 el CCIR-601 reduce la cantidad total de información de crominancia a la mitad, con lo que se produce un notable ahorro en el caudal generado. Es posible aplicar reducciones aún más severas en la información de crominancia, con el submuestreo 4:1:1 o el 4:2:0. Esto reduce ligeramente la calidad de la información de color de la imagen, pero normalmente la diferencia solo puede ser percibida por expertos o en situaciones extremas. Ampliación Redes
29 Submuestreo 4:2:2 Luminancia 4 Crominancia 2+2 720 720 360 8 bits 576
Redes Multimedia Submuestreo 4:2:2 720 720 360 8 bits 576 576 576 R Y G B Cr Cb En esta figura se muestra como actúa el submuestreo 4:2:2. La resolución en sentido vertical se mantiene constante, pero en sentido horizontal el número de pixels para Cr y Cb se reduce a la mitad respecto al de Y. Luminancia 4 Crominancia 2+2 Ampliación Redes
30 Submuestreo 4:1:1 Luminancia 4 Crominancia 1+1 720 720 180 576 576 576
Redes Multimedia Submuestreo 4:1:1 720 720 180 576 576 576 R Y G B Cr Cb En el submuestreo 4:1:1 se mantiene la misma resolución vertical, pero en horizontal la resolución de Cr y Cb es la cuarta parte que para Y. En este caso la información de crominancia requiere la cuarta parte de caudal que la de luminancia. Luminancia 4 Crominancia 1+1 Ampliación Redes
31 Submuestreo 4:2:0 Luminancia 4 Crominancia 2+0 720 720 360 576 576 288
Redes Multimedia Submuestreo 4:2:0 720 720 360 576 576 288 Cr Cb R Y G B Por último en el submuestreo 4:2:0 se reduce la resolución de Cr y Cb a la mitad tanto en sentido horizontal como en vertical. Aquí de nuevo la crominancia ocupa la cuarta parte de caudal que la luminancia. Luminancia 4 Crominancia 2+0 Ampliación Redes
32 Caudales de video digital en diferentes calidades (a 25 fps)
Redes Multimedia Caudales de video digital en diferentes calidades (a 25 fps) Calidad Sub- muestreo Bits/ pixel Resolución Caudal no compr. Caudal compr. CIF (VHS) 4.1:1 12 352 x 288 30 Mb/s Kb/s SD (CCIR-601) 4:2:2 16 720 x 576 166 Mb/s Kb/s HD 720p 1280 x 720 369 Mb/s 1-2 Mb/s HD 1080p 1920 x 1080 829 Mb/s 2-4 Mb/s Dig. cinema 2K 4:4:4 36 2048 x 1080 3822 Mb/s 100 Mb/s Dig. cinema 4K 4096 x 2160 7644 Mb/s 200 Mb/s En esta tabla se comparan los caudales generados por un flujo de vídeo digital a diferentes niveles de calidad. En la columna Bits/pixel indicamos el número promedio de bits por pixel, así por ejemplo en el caso de CCIR-601 se utilizan 16 bits por pixel ya que 8 corresponden a la luminancia y 4 a cada componente de crominancia (realmente se utilizan 8 bits en pixels alternos debido al submuestreo). En los sistemas con submuetreo 4:4:4 cada pixel viene descrito por 24 bits, que corresponden a 8 de luminancia y 16 de crominancia. Por último, en los sistemas de mayor calidad, los denominados Digital Cinema, se emplean 12 bits por pixel para la luminancia y para cada componente de crominancia, lo cual da un total de 36 bits por pixel. Conclusión: La compresión en vídeo digital es una necesidad Ampliación Redes
33 Redes Multimedia Compresión de vídeo Para la compresión de vídeo se aplican dos técnicas: Compresión espacial o intraframe: se aprovecha la redundancia de información que hay en la imagen de cada fotograma, como en la imágenes JPEG Compresión temporal o interframe: se aprovecha la redundancia de información que hay entre fotogramas consecutivos. La compresión temporal siempre lleva implícita la espacial La compresión temporal aumenta el consumo de CPU, pero mejora la eficiencia Ampliación Redes
34 Compresión espacial de vídeo
Redes Multimedia Compresión espacial de vídeo Consiste en la compresión de cada fotograma de forma independiente. Permiten la edición no lineal (edición independiente de cada fotograma): M-JPEG: los fotogramas se comprimen con JPEG. Usado en las cámaras DV (25 Mb/s). No es un estándar M-JPEG2000: los fotogramas se comprimen con JPEG2000. Usado en vídeo de muy alta resolución (digital cinema). Forma parte del estándar ISO JPEG2000 (parte 3) Generalmente en estos casos el audio se registra como LPCM (Linear Pulse Code Modulation, calidad CD sin compresión) Ampliación Redes
35 Compresión temporal Se definen tres tipos de fotogramas:
Redes Multimedia Compresión temporal Se definen tres tipos de fotogramas: I (Intra): autocontenidos, solo compresión espacial (como JPEG) P (Predictive): referido al P/I anterior. Compresión temporal por extrapolación mediante macrobloques. Un macrobloque pueden ser: Inalterado: no modificado respecto al fotograma de referencia Desplazado: (p. ej. un balón en movimiento) se describe por un vector de movimiento y eventualmente una corrección (diferencia respecto al original) Nuevo: (p. ej. lo que aparece detrás de una puerta que se abre) se describe partiendo de cero por compresión espacial (como un fotograma I) B (Bidireccional): compresión temporal con interpolación; referido al P/I anterior y al P/I posterior. Máxima compresión, máxima complejidad de cálculo. Suaviza la imagen, reduce el ruido. La incorporación de fotogramas P permite conseguir un factor de compresión mayor. En el caso límite de una escena sin movimiento alguno el contenido de los fotogramas P sería nulo con lo que el factor de compresión mejoraría mucho respecto al uso de fotogramas I exclusivamente. Sin embargo el uso de fotogramas P también conlleva desventajas. La complejidad de cálculos a realizar en el proceso de descompresión, y sobre todo en el proceso de compresión, aumenta sensiblemente (y también aumenta la asimetría del proceso de compresión/descompresión). Por otro lado, si se produce algún error en la codificación de un fotograma I el fallo se apreciará normalmente en todos los fotogramas P basados en él. Para mantener un equilibrio entre las ventajas y desventajas de los fotogramas P cada cierto número de fotogramas se intercala un nuevo I con lo que la secuencia comienza de nuevo. En un nivel de complejidad aún mayor MPEG puede intercalar entre fotogramas P consecutivos otros que realicen una interpolación de los vectores de movimiento, en base a la información del fotograma anterior y posterior. Por ejemplo si se ha identificado un objeto en movimiento entre dos fotogramas P podemos suponer en primera aproximación que dicho movimiento se realiza en línea recta y codificar un fotograma intermedio que contenga únicamente la información de corrección del movimiento frente a esa hipótesis, lo cual requerirá una cantidad de información mas pequeña que un fotograma P. Estos fotogramas son los conocidos como B o Bidireccionales, porque para su codificación y descodificación es necesario disponer del fotograma I o P anterior y posterior. Los fotogramas B complican aún más el proceso de compresión/descompresión de MPEG. Ampliación Redes
36 Redes Multimedia Compresión temporal Para detectar la redundancia de información los algoritmos de compresión temporal dividen la imagen de cada fotograma en una cuadrícula de macrobloques Cada macrobloque está formado por un cuadrado de 8x8 ó 16x16 píxels. Por eso a veces cuando se pierden paquetes la imagen se ve ‘cuadriculada’. El tamaño de un fotograma (especialmente P ó B) puede variar mucho en función de la cantidad de información que deba incluir respecto al fotograma anterior Los fotogramas B al ser una interpolación del fotograma anterior y posterior aumentan la complejidad de cálculo y la latencia Ampliación Redes
37 Caudal de una vídeoconferencia
Redes Multimedia Caudal de una vídeoconferencia Caudal medio: 384 Kb/s Resolución: 352 x 288 x 30 fps Caudal instantáneo Fotograma I Fotograma I 600 Kb/s Fotogramas P y B (mayor compresión) 300 Kb/s En esta gráfica se muestra como el flujo de fotogramas I, P y B genera un flujo irregular en la red. Este ejemplo concreto muestra el caudal instantáneo de una vídeoconferencia H.323 a 384 Kb/s en una red Ethernet. El tamaño máximo de trama de Ethernet (1518 bytes) se da en los fotogramas I, mientras que los fotogramas P y B tienen un tamaño mucho más reducido. La vídeoconferencia por sus características singulares (bajo nivel de movimiento relativo) tiene una mayor calidad para un caudal dado que una película. Por este motivo se puede obtener una calidad muy aceptable con caudales del orden de los 380 Kb/s. En el caso de películas con compresión MPEG-1 el caudal se ha de aumentar a valores en torno a los 1,5 Mb/s. En ese caso también se da un caudal irregular en la red, aunque la proporción de tramas de tamaño máximo aumenta de forma considerable al ser el caudal mayor. … I B B P B B P B B I … Tiempo 0 Kb/s 0 ms 100 ms 200 ms 300 ms 400 ms Ampliación Redes
38 Estándares de compresión de vídeo
Redes Multimedia Estándares de compresión de vídeo Los estándares de compresión de vídeo se llevan a cabo en el seno de dos grupos de trabajo: El MPEG (Moving Pictures Expert Group) de la ISO: sus estándares se denominan MPEG-n (n = 1,2,4,7…). Abarcan la compresión de audio y video El VCEG (Video Coding Experts Group) de la ITU-T: sus estándares se denominan H.26x (x = 1,3,4,5…). Solo abarcan la compresión de video, la de audio se hace según los estándares de telefonía (G.xxx) Los algoritmos básicos son los mismos y en muchos casos pueden utilizar los mismos los ASICs (mismos chips) Ampliación Redes
39 Estándares de compresión de vídeo
Redes Multimedia Estándares de compresión de vídeo H.120 ( ) H.261 (1990+) H.263 ( ) ITU-T (VCEG) MPEG-4 part 10 (H.264 ó AVC) ( ) HEVC ( ) MPEG-2 ó H.262 (1994/ ) (MPEG) ISO JPEG 2000 Part 3 (M-JPEG 2000) ( ) MPEG-1 (1993) MPEG-4 Part -2 ( ) Ampliación Redes
40 MPEG 1 y 2 MPEG-1 Orientado a vídeo en CD-ROM (vídeo progresivo)
Redes Multimedia MPEG 1 y 2 MPEG-1 Orientado a vídeo en CD-ROM (vídeo progresivo) Objetivo: Calidad VHS. Caudal típico 1,5 Mb/s Útil para teleenseñanza, aplicaciones de empresa, negocios, etc. MPEG-2 Extensión compatible de MPEG-1 ‘hacia arriba’ (mayor calidad) Orientado a TV digital (vídeo entrelazado) calidad SD (broadcast) también HD. Caudales de 4 a 100 Mb/s. Útil para un rango amplio de aplicaciones mediante diferentes niveles (calidades) y perfiles (algoritmos) Es el más utilizado hoy en día (TV digital, DVDs, cámaras digitales) El grupo de trabajo MPEG es el encargado dentro de ISO de especificar y aprobar los estándares de audio y vídeo comprimido. MPEG-1 estaba dirigido fundamentalmente a permitir la reproducción de vídeo digital en un lector de CD-ROM de simple velocidad (1,4 Mb/s) con calidad de imagen comparable a la de un magnetoscopio VHS doméstico y de sonido comparable a un CD de audio. En estas condiciones un CD-ROM puede almacenar aproximadamente una hora de vídeo. MPEG-2 pretende ofrecer una calidad broadcast, comparable a CCIR-601, pero con un caudal mucho menor, del orden de 4-6 Mb/s, para ser utilizado como soporte de la televisión digital. MPEG-3 pretendía cubrir la calidad de televisión de alta definición con caudales de Mb/s. Sin embargo se vio que con una reparametrización adecuada MPEG-2 podía cumplir este requisito, por lo que el grupo de trabajo MPEG-3 se disolvió sin aprobar nunca un estándar. Ampliación Redes
41 Niveles y perfiles en MPEG-2
Redes Multimedia Niveles y perfiles en MPEG-2 Nivel Resolución max. Calidad Bajo 352 x 288 MPEG-1 (CIF, VHS) Principal 720 x 576 SD (‘Broadcast’ o CCIR-601) Alto-1440 1440 x 1152 HD 4:3 Alto 1920 x 1152 HD 16:9 Perfil Finalidad Simple Solo fotogramas I y P (para codecs de bajo costo) Principal El más utilizado SNR Alta calidad, escalable Espacial Para video tridimensional Alto Permite submuestreo 4:2:2 (además del 4:2:0) MPEG-2 define niverles y perfiles. Cada perfil se caracteriza por el submuestreo realizado (es decir la forma de reducir la información de crominancia) y por el tipo de fotogramas utilizados, uso de I, P y B o bien I y P solamente (la supresión de los fotogramas B permite construir decodificadores mas sencillos a costa de una pérdida en la eficiencia de la compresión). Cada emisión MPEG-2 viene caracterizada por un determinado nivel y perfil. No todas las posibles combinaciones de niveles y perfiles están permitidas. Para cada combinación de perfil y nivel el estándar fija un caudal máximo utilizable. Por ejemplo la televisión digital actual utiliza el perfil principal y nivel principal (indicado normalmente como que según el estándar puede llegar a un caudal de 15 Mb/s. Ampliación Redes
42 Redes Multimedia Combinaciones permitidas de niveles/perfiles en MPEG-2 y caudales máximos Perfiles Simple Principal SNR Espacial Alto Submuestreo 4:2:0 4:2:0/2 Alto x 1152 (HDTV 16:9) No 80 Mb/s 100 Mb/s Alto x 1152 (HDTV 4:3) 60 Mb/s Principal 720 x 576 (CCIR 601) 15 Mb/s 50 Mb/s Bajo x 288 (MPEG1) 4 Mb/s Niveles En esta tabla se muestran las combinaciones permitidas de perfiles y niveles y los caudales máximos correspondientes. Ampliación Redes
43 Redes Multimedia MPEG 3, 4 y HEVC MPEG-3: Grupo inicialmente pensado para HD, finalmente disuelto. Objetivo resuelto por reparametrización de MPEG-2. MPEG-4: ha aprobado multitud de estándares diferentes denominados ‘partes’ de los que dos tienen que ver con algoritmos de compresión de video: Parte 2: basado en algoritmos DCT, como MPEG-1 y 2 pero un poco más eficiente. Resoluciones desde 176 x 144 hasta 1920 x 1080 y caudales desde 64 Kb/s hasta 38 Mb/s. Utilizado en codecs DivX, Xvid y Nero Digital. Parte 10: también llamado H.264/AVC (Advanced Video Coding). Calidad comparable a MPEG-2 o MPEG-4 parte 2 con la mitad de caudal. Rango amplio de resoluciones (16 niveles) y algoritmos (14 perfiles). Se usa en algunas emisiones de HDTV y en videoconferencia (H.264) El siguiente estándar en desarrollo es el del grupo denominado HEVC (High Efficiency Video Codec) que es una colaboración de la ISO y la ITU-T Ampliación Redes
44 Estándares de vídeo ITU-T (VCEG)
Redes Multimedia Estándares de vídeo ITU-T (VCEG) Desarrollados para videoconferencia: H.120: Histórico, no se usa H.261(1980): desarrollado para RDSI (caudal constante). Poco utilizado actualmente H.262: es el MPEG-2. No se usa en videoconferencia H.263 (1995): Desarrollado para IP (caudal variable) H.264 (2003): Coincide con MPEG-4 Parte 10 HEVC (¿?): en fase de discusión La videoconferencia generalmente usa un caudal mas bajo que el cine y tiene menos acción (los vectores de movimiento se restringen a +/- 15 pixels) Estos estándares no especifican la compresión de audio. Para ello se emplean los estándares G.xxx En vídeoconferencia los algoritmos de compresión de vídeo son similares a los utilizados en MPEG, es decir se aprovecha la redundancia espacial y temporal de la información. Para simplificar el proceso de compresión y descompresión y reducir la latencia en algunos casos (H.261) no se utilizan fotogramas B, únicamente I y P. Dado que la movilidad de la imagen se espera que sea menor que en MPEG los vectores de movimiento que se permiten son más reducidos, lo cual permite obtener más calidad para un mismo ancho de banda, o bien ocupar un menor ancho de banda para una misma calidad. Se realiza submuestreo 4:2:0 para reducir la información de crominancia. Los estándares existentes (fijados por la ITU-T) son el H.261 y el H.263. El H.261 es más antiguo y menos eficiente. El H.263 fue estandarizado en 1997 y es más eficiente a costa de emplear algoritmos más complejos y es por tanto más intensivo en el uso de CPU. Muchos sistemas de videoconferencia actuales utilizan el H.261 con un codec software, mientras que el soporte de H.263 es bastante más limitado y en muchos casos no es viable si el equipo no incluye un codec por hardware. Productos como el Netmeeting de Microsoft utilizan el H.261. Otros sistemas más avanzados (como los denominados equipos de videoconferencia de sala) incluyen tanto el H.261 como el H.263. Ampliación Redes
45 Compresión M-JPEG2000: Digital Cinema
Redes Multimedia Compresión M-JPEG2000: Digital Cinema Resoluciones: 2K (2048x1080) y 4K (4096x2160) Caudal de vídeo hasta 250 Mb/s 4K ofrece una calidad superior al cine de 35mm, comparable a una actuación en directo (límite del ojo humano) Codificación intraframe: Motion-JPEG2000 (MJ2, MJP2) Audio: muestreo de 24 bits, PCM a 48 ó 96 kHz sin comprimir. Hasta 16 canales Se está estableciendo un estándar a través del DCI (Digital Cinema Initiatives) Ampliación Redes
46 Formatos compresión de vídeo
Redes Multimedia Formatos compresión de vídeo Codec Compresión temporal Complejidad Algoritmo Eficiencia Usos M-JPEG No * Cámaras DV M-JPEG 2000 ** Digital Cinema H.261 Fot. I y P **** Videoconf. (antigua) MPEG-1 Fot. I, P y B *** VCD MPEG-2, H.262 DVD, SDTV, HDTV MPEG-4 parte 2 DivX, Xvid H.263 MPEG-4 Parte 10 H.264 Fot. I, P, B y otros ***** HDTV, videoconf. Ampliación Redes
47 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
Redes Multimedia Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital. Audio digital. Estándares. Compresión Vídeo digital. Estándares. Compresión Protocolos RTP y RTCP Calidad de Servicio Videoconferencia. Estándares H.32x Pasarelas e Interoperabilidad Telefonía Internet Protocolo SIP Ampliación Redes
48 Protocolo de transporte para tráfico en tiempo real
Redes Multimedia Protocolo de transporte para tráfico en tiempo real TCP presenta dos inconvenientes para tráfico en tiempo real: En caso de reenvío de un paquete (por error o pérdida) la copia no llegará normalmente a tiempo de ser reproducida en su sitio El mecanismo de slow-start puede provocar que en caso de reinicio el caudal de la comunicación sea menor que el mínimo necesario Por ese motivo normalmente se utiliza UDP El único caso en que se utiliza TCP para tráfico en tiempo real es como ‘truco’ para cruzar los cortafuegos (que a veces no dejan pasar UDP). En esos casos se suele crear un buffer grande que retrasa la reproducción segundos, de forma que los reenvíos sí pueden llegar a tiempo y el efecto del slow-start puede compensarse con el contenido del buffer Ampliación Redes
49 Características de UDP
Redes Multimedia Características de UDP UDP da un servicio ‘best effort’ (del mejor esfuerzo) a nivel de transporte, igual que lo hace IP a nivel de red. En particular: UDP no reenvía paquetes perdidos UDP no descarta duplicados UDP no garantiza que se respete el orden UDP no realiza control de congestión Ampliación Redes
50 Redes Multimedia Protocolos RTP y RTCP Los protocolos RTP (Real Time Protocol) y RTCP (Real Time Control Protocol) complementan UDP cuando se envía tráfico en tiempo real Sus funciones son: Detectar los paquetes perdidos e informar de ello al emisor (el cual normalmente no reenviará esos paquetes) Detectar y descartar duplicados Detectar paquetes que llegan fuera de orden RTP y RTCP pueden funcionar en unicast y en multicast La acción combinada de RTP y RTCP nos va a permitir suplir para las aplicaciones en tiempo real las funciones que no nos ofrece UDP: En primer lugar estos protocolos nos van a permitir detectar los paquetes perdidos, e informar de ello al emisor. Normalmente esto no provocará el reenvío de dichos paquetes sino la adopción de medidas para reducir el caudal generado en la red, evitando así agravar las situaciones de congestión que presumiblemente están provocando la pérdida de paquetes . Los duplicados serán detectados y descartados pro el receptor. Por último, el receptor también podrá detectar los casos en que se haya alterado el orden en la entrega de los paquetes. Ampliación Redes
51 Estructura de un paquete RTP
Redes Multimedia Estructura de un paquete RTP 20 8 12 Variable Cabecera IP Cabecera UDP Cabecera RTP Datos (Audio o Video digital) Tipo de carga útil (7 bits) Identificar si es audio o video y el codec utilizado La cabecera RTP incluye: Con esto el receptor puede: Número de secuencia (16 bits) Ordenar datagramas recibidos, detectar perdidos Timestamp (32 bits) Reproducir en el instante adecuado, sincronizar audio y vídeo Para realizar sus funciones RTP utiliza una cabecera que contiene una serie de campos de entre los cuales destacamos los siguientes: El campo ‘Tipo de carga útil’ (Payload Type) permite especificar el formato de la información digital de audio o vídeo que lleva el paquete (por ejemplo el valor 9 representa audio G.722). Esto permite al receptor realizar correctamente la decodificación. El emisor puede variar el formato cuando lo desee durante una sesión simplemente cambiando el valor de este campo. El campo ‘Número de secuencia’ lo utiliza el emisor para numerar de forma monótonamente ascendente los paquetes enviados. Esto permite al receptor (o receptores) detectar paquetes perdidos (por ejemplo por congestión en la red) y reordenar los paquetes recibidos fuera de orden. El campo ‘Timestamp’ es una marca de tiempo que indica a que instante pertenece la información que contiene el paquete. Esto permite al receptor correlacionar y sincronizar la reproducción de diferentes flujos de información producidos por una misma fuente (por ejemplo audio y vídeo). Un mismo paquete puede contener muestras pertenecientes a instantes diferentes (por ejemplo varias muestras de audio) en cuyo caso el timestamp corresponde a la primera. También puede darse el caso de que varios paquetes lleven el mismo timestamp, por ejemplo si pertenecen a un mismo fotograma MPEG que ha tenido que ser fragmentado en varios paquetes RTP para su transmisión. Identificador de sincronización de la fuente: Este campo es una especie de ‘sello’ que identifica los paquetes que corresponden a una fuente de información dada, lo que podemos denominar un flujo RTP. Por ejemplo una videoconferencia genera típicamente dos flujos, uno de audio y uno de vídeo, y cada uno vendrá identificado por un valor diferente de este campo. Identificador de la fuente (32 bits) Distinguir diferentes fuentes originadas por un mismo emisor Ampliación Redes
52 Algunos valores del campo ‘Tipo de carga útil’ en RTP
Redes Multimedia Algunos valores del campo ‘Tipo de carga útil’ en RTP Valor Significado G.711 µ- law 9 G.722 14 MPEG Audio 15 G.728 26 M-JPEG 31 H.261 32 MPEG 1 video 33 MPEG 2 video El valor se puede cambiar ‘al vuelo’ en una transmisión, por ejemplo un audio de G.711 a G.728 Ampliación Redes
53 A 25 fps se emite un fotograma cada 40 ms
Redes Multimedia Flujos RTP en una videoconferencia A 25 fps se emite un fotograma cada 40 ms Un fotograma Un fotograma Un fotograma Tipo H.261 Seq. 32 TS 955 Ident. 653 Tipo H.261 Seq. 31 TS 955 Ident. 653 Tipo H.261 Seq. 30 TS 635 Ident. 653 Tipo H.261 Seq. 29 TS 635 Ident. 653 Tipo H.261 Seq. 28 TS 315 Ident. 653 Tipo H.261 Seq. 27 TS 315 Ident. 653 Tipo G.722 Seq. 35 TS 955 Ident. 468 Tipo G.711 Seq. 34 TS 315 Ident. 468 En el ejemplo de la figura tenemos una emisión simultánea de un flujo de vídeo y uno de audio. El flujo de vídeo emite 25 fotogramas por segundo (es decir un o cada 40 ms). Suponiendo que cada fotograma ocupa aproximadamente 3 KB y que la MTU (Maximum Transfer Unit) es de 1500 bytes cada uno ocuparía dos datagramas. En la práctica el tamaño de los fotogramas será variable y dependerá del movimiento de la escena y del tipo de fotograma de que se trate (I, P ó B). Por su parte el flujo de audio corresponde a una frecuencia de muestreo de 8 kHz (es decir una muestra cada 125 µs) y se envía un paquete de audio cada 80 ms, que contiene por tanto 640 muestras ( 8.000*0,08 = 640). Como utilizamos G.711 cada muestra ocupa un byte por lo que cada paquete tiene 640 bytes de datos. Sería posible acumular más muestras por paquete, pero esto podría introducir un retardo excesivo debido a la paquetización del audio. Mientras que el flujo de vídeo utiliza todo el tiempo codificación H.261 podemos ver que el de audio ha cambiado sobre la marcha de G.711 a G.722, que ofrece mayor calidad manteniendo el mismo caudal. El campo Seq. (número de secuencia) es un valor monótonamente creciente que indica la posición relativa de cada paquete en el flujo. El campo TS (Timestamp) indica el instante al que hace referencia el contenido del datagrama. Así por ejemplo los paquetes de vídeo 27 y 28 llevan ambos el TS 315 puesto que ambos forman parte del mismo fotograma y se refieren al mismo instante. Por su parte el paquete de audio 34 lleva también el TS 315 lo cual indica que la primera muestra de audio que contiene se refiere al mismo instante que el fotograma contenido en los datagramas 27 y 28. Las otras 639 muestras de audio que contiene el paquete 34 abarcan el intervalo de tiempo comprendido entre el TS 315 y el TS 955. Por último el campo Ident. sirve para identificar a que flujo corresponden los paquetes recibidos Flujo vídeo (ident. 653) Flujo audio (ident. 468) En este ejemplo cada paquete de audio contiene 80 ms o sea 640 muestras (el audio que corresponde a dos fotogramas) Ampliación Redes
54 Mensajes RTCP Tipo de mensaje Enviado por Contenido SR (Sender Report)
Redes Multimedia Mensajes RTCP Tipo de mensaje Enviado por Contenido SR (Sender Report) Emisores Información sobre paquetes enviados y timestamp de sincronización RR (Receiver Report) Receptores Información sobre paquetes recibidos, perdidos, jitter y retardo medidos SDES (Source Description) Descripción de un emisor, p. ej.: nombre, , teléfono, identificación, etc. BYE Emisores y receptores Cuando un participante se despide del grupo El protocolo RTP no envía mensajes propios, funciona únicamente a partir de la información contenida en su cabecera. En cambio el protocolo RTCP envía mensajes propios que pueden ser de cuatro tipos: SR (Sender Report): enviados por los emisores, contienen información sobre los paquetes enviados y los timestamp que contienen. RR (Receiver Report): enviados por los receptores, contienen información sobre la tasa de paquetes perdidos y una estimación del jitter. Los receptores obtienen esta información a partir de los paquetes RTP que reciben del emisor. SDES (Source Description). Los envían los emisores para suministrar información de contacto y de tipo administrativo sobre la emisión en curso BYE: lo envían los emisores y receptores cuando dejan de participar en una emisión Ampliación Redes
55 Redes Multimedia RTCP Los mensajes RTCP no llevan información de audio/vídeo, sólo información de control. Los mandan tanto emisores como receptores. En una emisión multicast el RTCP convierte a todos los receptores del tráfico RTP en emisores del grupo multicast correspondiente (debido al envío de los Receiver Report) En principio una emisión RTP multicast con muchos receptores podría llegar a tener una parte importante de tráfico RTCP Para evitarlo el tráfico RTCP se limita a un 5% del tráfico RTP. De ese 5% el 25% se asigna a los emisores (mensajes SR y SDES) y el 75% restante a los receptores (mensajes RR) Gracias a la información suministrada por RTP (fundamentalmente el número de secuencia) el terminal receptor puede obtener unas estadísticas detalladas de la calidad de la transmisión que está teniendo lugar. Esta información la utiliza para generar informes periódicos que son enviados al emisor, de forma que éste recibe realimentación del receptor y puede por ejemplo reducir el caudal si detecta que se están produciendo pérdidas. De esta forma sería posible implementar un cierto grado de control de congestión a nivel de la aplicación. Además de estas funciones de control de tráfico RTCP puede utilizarse como mecanismo para averiguar que receptores está teniendo una emisión de tipo multicast, ya que normalmente todos los receptores generarán mensajes RTCP periódicamente. Ampliación Redes
56 Control de congestión con RTP
Redes Multimedia Control de congestión con RTP El receptor de un flujo RTP informa periódicamente al emisor del número de paquetes perdidos El emisor normalmente supondrá que la pérdida se debe a congestión en la red (como hace TCP) En ese caso la aplicación puede intentar paliar el problema, por ejemplo pasando a un codec con mas compresión, bajando la resolución del vídeo o la frecuencia de muestreo del audio RTP y RTCP permiten detectar las situaciones de congestión, pero en ningún caso intentan aplicar medidas correctoras o paliativas. Eso siempre queda al albedrío de la aplicación Ampliación Redes
57 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
58 Redes con calidad de servicio
Redes Multimedia Redes con calidad de servicio Desde principios de los 90 se ha experimentado en Internet con diferentes protocolos que permiten priorizar determinado tipo de tráfico considerado más importante o ‘urgente’ Decimos que las redes que incorporan dichos protocolos ofrecen ‘Calidad de Servicio’ (QoS, Quality of Service) mientras que las que no lo hacen dan un servicio ‘best effort’ (del mejor esfuerzo) La realidad es que la mayor parte de la Internet sigue funcionando en modo ‘best effort’. Ninguno de los protocolos de Calidad de Servicio se ha extendido de forma significativa Algunos consideran que cuando aparecen problemas de congestión es hoy en día más sencillo y más barato ampliar capacidad que implementar QoS Ampliación Redes
59 Requisito de las redes multimedia
Las aplicaciones de audio-video en tiempo real han sido tradicionalmente los principales usuarios de redes con QoS, ya que el servicio se degrada rápidamente cuando la red va lenta Los principales factores que influyen en esa degradación son los siguientes: Pérdida de paquetes Retardo excesivo en la entrega de los paquetes Fluctuación excesiva en el retardo (Jitter) Los problemas se pueden deber a congestión en la red o a que simplemente se esté inyectando un caudal superior a la capacidad disponible Ampliación Redes
60 Redes Multimedia Multimedia sin QoS La necesidad de utilizar aplicaciones multimedia en redes sin QoS ha provocado el desarrollo de técnicas ‘paliativas’ tales como: Usar grandes búferes en el receptor. Esto solo es posible en aplicaciones no interactivas. Ajustar dinámicamente el ancho de banda utilizado Reconstruir la información de los paquetes perdidos a partir de información colindante Introducir un canal de comunicación en paralelo con información redundante Ampliación Redes
61 Redes Multimedia Uso de grandes búferes El jitter puede compensarse introduciendo un buffer en el receptor que retrase la reproducción del flujo de audio o vídeo Con un buffer suficientemente grande puede compensarse cualquier jitter, por grande que sea Sin embargo esto puede introducir un retardo inaceptable cuando se trata de una comunicación interactiva (videoconferencia o telefonía) Las mayores exigencias en cuanto a retardo se dan en las aplicaciones de telefonía Ampliación Redes
62 Compensación del jitter con un buffer de reproducción
Redes Multimedia Compensación del jitter con un buffer de reproducción Reproducción con buffer de 76 bytes (2 paquetes) Paquetes Reproducción sin buffer Flujo de audio ILBC de 15,2 Kb/s (1 paquete de 38 bytes cada 20 ms) 8 7 Paquetes recibidos demasiado tarde 6 5 Retardo de paquetización 20 ms 4 3 Retardo de transmisión 140 ms Todos los paquetes llegan a tiempo 2 1 Salida Llegada Retardo de reproducción 40 ms Tiempo (ms) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Ampliación Redes
63 Retardo máximo admisible
Redes Multimedia Retardo máximo admisible La recomendación G.114 de la ITU-T establece retardos máximos en telefonía: Se considera que un retardo por debajo de 150 ms es imperceptible y permite una buena calidad de comunicación Entre 150 y 400 ms el retardo se considera perceptible pero tolerable Por encima de 400 ms se considera excesivo e inaceptable En comunicación unidireccional (p. ej. conferencias, clases magistrales) se puede tolerar un retardo bastante mayor En aplicaciones donde el receptor no tiene ninguna posibilidad de interacción (p. ej. emisora de radio por Internet) se genera un retardo de reproducción de hasta 30 segundos, con lo que se pueden tolerar congestiones momentáneas (y se puede funcioanr con TCP sin problemas) Ampliación Redes
64 Perceptible pero tolerable
Redes Multimedia Recomendación ITU-T G.114 Perceptible pero tolerable Imperceptible Intolerable Ampliación Redes
65 Ajuste dinámico del ancho de banda
Redes Multimedia Ajuste dinámico del ancho de banda El receptor puede (mediante RTP) detectar los paquetes perdidos, e informar al emisor de la tasa de pérdidas mediante RTCP (Receiver Report) El emisor puede entonces reducir el caudal bajando la calidad (ej. video de 720x576 a 352x288) o pasando a un códec más eficiente (de H.263 a H.264), o ambos Periódicamente el emisor debería probar a volver a la situación inicial por si la saturación era momentánea Ampliación Redes
66 Reconstruir los paquetes perdidos
Redes Multimedia Reconstruir los paquetes perdidos El receptor puede intentar minimizar el efecto producido por la pérdida de un paquete de varias maneras, por ejemplo: En vídeo se puede reconstruir un macrobloque ausente a partir de los macrobloques vecinos, o de los fotogramas anteriores o posteriores En audio se puede rellenar un hueco extrapolando o interpolando a partir de las muestras de audio anteriores o posteriores Ampliación Redes
67 Información redundante
Redes Multimedia Información redundante Algunos sistemas envían un flujo paralelo con información redundante utilizando códigos correctores FEC (Forward Error Correction). Esto permite al receptor reconstruir los paquetes perdidos sin que el emisor los tenga que reenviar y sin tener que enviar el tráfico duplicado Normalmente estos mecanismos se ajustan dinámicamente, de forma que cuando no se pierden paquetes no se envía información redundante Ampliación Redes
68 Redes Multimedia Codec ILBC Para compensar la poca implantación de técnicas QoS en Internet se han desarrollado códecs resistentes a la pérdida de paquetes El codec ILBC (Internet Low Bitrate Codec) ha sido desarrollado por el IETF (RFC 3951) con el objetivo de permitir una calidad aceptable aun en el caso de que produzca la pérdida de una cantidad significativa de paquetes ILBC es utilizado por Skype, Google Talk, Yahoo Messenger, Gizmo5, QuteCom y Ekiga Ampliación Redes
69 Comparación de los codecs ILBC, G.729A y G.723.1
Redes Multimedia Comparación de los codecs ILBC, G.729A y G.723.1 Ampliación Redes
70 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
71 Aplicaciones de audio-vídeo en tiempo real
Redes Multimedia Aplicaciones de audio-vídeo en tiempo real Aplicación Sentido Retardo tolerable Espectadores Multicast Audio/Video conferencia (telefonía) Bidirecc. ms Uno o varios Apropiado Audio-Vídeo bajo demanda* Unidirec. 5-10 s Uno No Emisión en directo (radio-TV por Internet) 10-30 s Muchos Muy Al analizar los requerimientos de las diversas aplicaciones multimedia que se pueden dar en una red podemos distinguir tres grupos en función de que se requiera o no transmisión en tiempo real y de que se necesite o no comunicación bidireccional, es decir que se requiera la posibilidad de interacción entre los participantes. En el primer grupo se encuentran las aplicaciones bidireccionales que requieren tiempo real. Estas son las más exigentes pues además de tener que realizar la compresión y descompresión en tiempo real el retardo introducido por todo el proceso ha de ser pequeño para que la interactividad no se vea afectada de forma importante. El ejemplo más claro de este tipo de aplicaciones es la vídeoconferencia .El segundo grupo lo constituyen las aplicaciones que permiten la emisión en diferido, como el vídeo bajo demanda. En este caso el único requisito es que la descompresión se realice en tiempo real; la compresión puede hacerse en diferido con el fin de obtener la máxima calidad y por supuesto el retardo introducido por ésta es irrelevante. El tercer grupo está formado por las aplicaciones que requieren transmisión en tiempo real pero no interacción; en este caso la compresión/descompresión ha de hacerse en tiempo real, pero puede introducir un retardo importante (de hasta segundos) permitiendo así al codec optimizar el código generado. Este grupo está formado por las emisiones en directo de eventos Lo que sería una cuarta posibilidad, un flujo bidireccional en diferido, carece de sentido y no se da en la práctica. (*) En el audio-vídeo bajo demanda el usuario puede controlar la emisión, de ahí el requerimiento de un retardo no excesivo Ampliación Redes
72 Redes Multimedia Videoconferencia Comunicación interactiva por medio de audio y video. Opcionalmente puede haber compartición de datos Puede ser: Punto a punto Punto a multipunto Multipunto a multipunto Ampliación Redes
73 Requisitos/Características de la videoconferencia
Redes Multimedia Requisitos/Características de la videoconferencia Compresión/descompresión en tiempo real Retardo máximo 400 ms. Movilidad reducida Normalmente aceptable audio de calidad telefónica Necesidad de sincronizar audio y vídeo Necesidad de protocolo de señalización (servicio orientado a conexión) Debido a su requisito de bajo retardo la vídeoconferencia nunca utiliza los algoritmos de compresión MPEG, ni en audio ni en vídeo. En su lugar emplea los H.261 y H.263 que, al ser menos ‘agresivos’ en cuanto la eficiencia de compresión, son mas rápidos (menos retardo) y más ligeros (menor consumo de CPU). El bajo retardo permite la interacción entre los participantes, reduce los efectos de eco en el sonido (que se acentúan cuando aumenta el retardo) y ha hecho factible desde hace ya unos cinco años disponer de estaciones aptas para la videoconferencia a partir de PCs normales sin necesidad de utilizar codecs hardware. Por ejemplo cualquier PC actual permite mantener sin problemas una vídeoconferencia en formato CIF a razón de 15 fotogramas por segundo sin necesidad de hardware adicional. Para el audio se utilizan los formatos de compresión habituales en telefonía que en su mayoría limitan el ancho de banda (y por tanto la calidad del sonido) a los 3,1 KHz del canal telefónico. A pesar de lo dicho aun tienen cabida los equipos especializados que incorporando codecs hardware permiten una compresión más eficiente y con ello una mayor calidad, especialmente en entornos en que el caudal disponible es limitado. Otros factores importantes en los que los equipos especializados mejoran la calidad son los mecanismos de supresión de eco y los sistemas de control y enfoque de las cámaras. Ampliación Redes
74 Estándares de Videoconferencia
Redes Multimedia Estándares de Videoconferencia Los estándares H.32x (x = 0, 1, 2, 3 ó 4) de la ITU-T establecen todo lo relativo a videoconferencia. La ‘x’ depende del tipo de red utilizada Son estándares ‘paraguas’ ya que en muchos casos se basan en otros estándares. Por ejemplo G.7xx para el audio, H-26x para el vídeo La serie H de la ITU-T se refiere a sistemas multimedia y audiovisuales. Ampliación Redes
75 Redes Multimedia Estándares H.320 y H.323 RDSI IP Ampliación Redes
76 Videoconferencia H.320 RDSI 3*BRI 3*BRI Sistema de grupo o sala
Redes Multimedia Videoconferencia H.320 RDSI 3*BRI 3*BRI Sistema de grupo o sala Polycom Picturetel Flujo de audio-vídeo Kb/s Una de las aplicaciones multimedia más utilizadas es la vídeoconferencia. La forma más sencilla de suministrar la Calidad de Servicio que requieren este tipo de aplicaciones es asegurar el caudal necesario extremo a extremo; por este motivo la forma habitual de realizar vídeoconferencia ha sido durante muchos años el uso de circuitos RDSI entre los dos participantes. Los equipos tradicionales de vídeoconferencia están formados por un ordenador con un codec hardware (H.26x) y una conexión RDSI, al que se le acopla un monitor de televisión y una serie de dispositivos de entrada/salida de altas prestaciones, tales como cámaras activadas por la voz, cámaras de documentos, micrófonos direccionales, micrófonos de ambiente, un sistema de altavoces de alta calidad, etc. Además incorporan sofisticados sistemas de supresión de eco para mejorar la calidad del sonido. La conexión RDSI típica es de un acceso básico con lo que se puede llegar a 128 Kb/s. Los equipos de gama alta suelen disponer de tres accesos básicos con lo que consiguen mayor calidad ya que pueden llegar a 384 Kb/s. Dado que se utiliza la RDSI cada terminal recibe una dirección E.164 (es decir, un número de teléfono tradicional) y, en principio, cualquier terminal puede conectar con cualquier otro. El protocolo de señalización es el habitual de la red telefónica. Una vez establecida la conexión los dos terminales establecen un diálogo inicial, se anuncian mutuamente los formatos soportados de audio y vídeo y negocian un formato común antes de proceder al intercambio de información. Dirección E.164: Dirección E.164: Ampliación Redes
77 Redes Multimedia Direcciones E.164 El formato de los números de teléfono se establece en el estándar E.164 de la ITU-T Los números pueden tener un máximo de 15 dígitos decimales. Los primeros 1, 2 ó 3 dígitos representan el país, ej: 1: Norteamérica (Estados Unidos y Canadá) 34: España 216: Túnez La estructura de las direcciones dentro de cada país es decidida por el país. Normalmente es de tipo jerárquico con criterio geográfico Ampliación Redes
78 Videoconferencia H.323 Internet Sistema de sobremesa 10BASE-T ADSL
Redes Multimedia Videoconferencia H.323 Internet Sistema de sobremesa 10BASE-T ADSL Polycom, Tandberg Microsoft Netmeeting, Polycom ViaVideo Flujo de audio-vídeo 14, Kb/s En el caso de H.323 la situación es similar, salvo que en vez de RDSI se utiliza la Internet. Dado que en Internet no existe en general Calidad de Servicio el usuario no tiene garantizado el caudal y la calidad de la transmisión puede verse afectada en situaciones de congestión. Las direcciones utilizadas por el protocolo de señalización en este caso son las direcciones IP de los terminales implicados. Existen multitud de productos comerciales que implementan H.323 y que van desde soluciones gratuitas puramente software, como el Netmeeting de Microsoft, hasta otras que incluyen un codec por hardware y tarjeta para la conexión de una cámara analógica. En muchos casos los terminales H.323 ofrecen una calidad inferior comparados con los H.320 debido al tipo de componentes utilizados: cámaras digitales de baja calidad, micrófonos baratos, no supresión de eco en el software (como es el caso del Netmeeting), etc. Dirección IP: Dirección IP: Ampliación Redes
79 Arquitectura terminal H.323
Redes Multimedia Arquitectura terminal H.323 Equipo e/s de vídeo Codec Video H.26x Retardo trayecto Recepción (Sync) Capa H.225 RTP RTCP UDP IP Equipo e/s de audio Codec Audio G.7xx Datos usuario Aplicaciones T.120, etc. TCP Control del sistema Control H.245 Interfaz de usuario para control del sistema H Control llamada Esta figura muestra la relación que guardan entre sí los diversos componentes que constituyen el estándar H.323. Como puede apreciarse los formatos de audio y vídeo son sólo una parte del conjunto de ‘piezas’ que componen el estándar, que está formado además por una serie de protocolos estándar de señalización y control. Como podemos ver el audio y vídeo se apoyan en UDP como protocolo de transporte. Esto es normal ya que TCP con su mecanismo de reenvío de paquetes perdidos no puede adaptarse a las exigencias de tiempo real de estos flujos. Para desarrollar las funciones propias de la transmisión de información en tiempo real se utilizan dos protocolos por encima de UDP, que son el RTP (Real time Transport Protocol) y el RTCP (RTP Control Protocol) descritos en el RFC 1889. La llamada de un terminal a otro se realiza mediante el protocolo de señalización H.245. Las funciones RAS (Registration, Admission, and Status) se realizan interactuando con el gatekeeper mediante el protocolo H Para la compartición de aplicaciones se utilizan los protocolos T.123, T.124 y T.125, conocidos colectivamente como T.120. El ámbito de aplicación de los protocolos RTP y RTCP es más amplio que los estándares H.323, pues se utilizan en la mayoría de las aplicaciones de audio y vídeo en tiempo real de Internet, incluidas las de emisiones multicast de MBone. Por este motivo veremos dichos protocolos con un poco de detalle. UDP H Control RAS Ampliación Redes
80 Terminales de videoconferencia
Redes Multimedia Terminales de videoconferencia Polycom ViaVideo Video: H.261, H.263, H.263+ Audio: G.711, G.722, G.728, G.723.1 Caudal: Kb/s (H.323) Formatos: CIF, QCIF Peso: 250 g Conexiones ent./sal.: USB, audio Precio: 500 euros Polycom ViewStation SP128 Video: H.261, H.263+ Audio: G.711, G.722, G.728 Caudal: Kb/s (H.320), Kb/s (H.323) Formatos: CIF, QCIF Peso: 2,7 Kg Conexiones ent./sal.: video v audio Precio: euros Ampliación Redes
81 Solo la parte de audio es obligatoria en un terminal H.323
Redes Multimedia Videoconferencia H.323: Gatekeeper Luis Ext. 5112 Laura Ext. 5113 Internet Ana Ext. 5114 Pedro Ext. 5111 Solo la parte de audio es obligatoria en un terminal H.323 GK Dirección E.164 (número teléfono) Alias H.323 Dirección IP Pedro Luis Laura Ana Ampliación Redes
82 Señalización H.323 GK Petición de admisión RAS (Registration Admission
Redes Multimedia Señalización H.323 Petición de admisión RAS (Registration Admission Status) Confirmación de admisión GK Gatekeeper Inicio Terminal H.323 H.225 (Q.931) Conexión Intercambio de capacidades Terminal H.323 Apertura de canal lógico H.245 ACK de apertura de canal lógico Path RSVP (opcional) Resv Flujo RTP Flujo RTP Medio Flujo RTCP Ampliación Redes
83 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
84 Elementos de videoconferencia
Redes Multimedia Elementos de videoconferencia Terminal: es el equipo que utiliza el usuario para comunicarse Gateway, pasarela o puerta de enlace: interconecta redes diferentes: H.320 (RDSI) e Internet (H.323) Gatekeeper o equipo selector: permite el control de acceso. Realiza la equivalencia de direcciones E.164 o usuarios a direcciones IP MCU, Multipoint Control Unit o Unidad de control multipunto: replica un flujo de audio/video para permitir multiconferencia Ampliación Redes
85 Pasarela (Gateway) H.320-H.323
Redes Multimedia Pasarela (Gateway) H.320-H.323 Arrancar Netmeetig GW Llamar a ADSL BRI PRI Internet RDSI GW Gateway o ‘puerta de enlace’ Al aparecer H.323 surge la necesidad de interconectar con el servicio de vídeoconferencia tradicional, H.320. Para esto se utiliza una pasarela o gateway, que traduce la señalización de un protocolo a otro. Evidentemente para desarrollar su función la pasarela necesita disponer de una conexión a la RDSI y de una conexión a Internet. Además en función del ancho de banda que tengan estas dos conexiones vendrá fijado el número máximo de usuarios simultáneos que la pasarela podrá soportar. Gracias a la pasarela el usuario de Internet puede llamar a un usuario de la RDSI y establecer con él una vídeoconferencia; sin embargo el establecimiento de la comunicación en sentido inverso no es posible. Ampliación Redes
86 Redes Multimedia Funciones Gateway H.323 Interoperabilidad entre audio/vídeo y estándares de red Conversión de protocolo Procedimientos de comunicación Formatos de transmisión Opcionalmente: Transcodificación (conversión de formatos audio/video) Ampliación Redes
87 Gateway/Gatekeeper, llamada entrante
Redes Multimedia Gateway/Gatekeeper, llamada entrante Arrancar Netmeeting GK: Usuario: Alicia Número de tel.: 60 Llamar a ext. 60 ADSL BRI Internet GW RDSI PRI ¿ext. 60? 60 = Para poder resolver el problema de la comunicación en sentido inverso es precio incorporar un nuevo elemento en la Internet, el denominado ‘Gatekeeper’ o equipo selector. El Gatekeeper se ocupa de registrar a cada nuevo usuario que aparezca en la Internet y asignarle una dirección en el espacio de direcciones E.164, para que pueda ser llamado desde la RDSI. La función de gatekeeper puede ser desempeñada por un host, un router o también por el mismo equipo que actúa de pasarela. Aunque en este último caso el dispositivo físico sea el mismo y la dirección IP coincida se trata de una entidad lógica diferente con funciones perfectamente definidas. Existen varias formas de asignar direcciones E.164 a terminales H.323, siendo la más universal la asignación de números de extensión. En este caso cada terminal tiene asignado y configurado un número de extensión. Cuando el usuario arranca en su ordenador el software H.323 este envía un mensaje de registro al Gatekeeper, con lo cual éste lo incorpora en su tabla. A partir de ese momento el terminal H.323 puede recibir llamadas de la RDSI. Gatekeeper o ‘equipo selector’ GK Usuario IP Ext. Alicia Ampliación Redes
88 Gateway/Gatekeeper, llamada saliente
Redes Multimedia Gateway/Gatekeeper, llamada saliente Arrancar Netmeeting GK: Usuario: Alicia Número de tel.: 60 Llamar al ADSL BRI Internet GW RDSI PRI Registro Usar GW Gatekeeper Cuando existe Gatekeeper en la red el usuario H.323 que desea llamar a un terminal H.320 realizará la solicitud al gatekeeper, el cual le indicará la dirección del Gateway que debe utilizar. De este modo si el Gatekeeper mantiene el control de varios Gateway puede asignar en cada caso aquel que se encuentre más próximo al destinatario RDSI, reduciendo así el costo de la llamada por la red telefónica conmutada. El Gatekeeper decidirá el Gateway a utilizar en función de la dirección E.164 de destino. GK Usuario IP Ext. Alicia Ampliación Redes
89 Funcionamiento del gatekeeper
Redes Multimedia Funcionamiento del gatekeeper El Gatekeeper puede validar el usuario/password en el momento del registro accediendo a un servidor RADIUS El alias y la dirección E.164 permiten localizar a usuarios que utilicen diversos terminales o en redes que utilicen direcciones IP dinámicas El Gatekeeper facilita el control de uso del servicio, permisos y autorizaciones, paso por cortafuegos, NATs, etc. Ampliación Redes
90 Procedimientos de llamada vía Gateway/Gatekeeper
Redes Multimedia Procedimientos de llamada vía Gateway/Gatekeeper Respuesta de voz interactiva (IVR, Interactive Voice Response): Al marcar se escucha una locución que dice: ‘si sabe la extensión tecléela con un cero delante, si no espere y le atenderá la operadora’. Extensión por defecto: Todas las llamadas se encaminan a una extensión determinada. Llamada directa del exterior (DID, Direct Inward Dialing): Cada extensión recibe un número directo del exterior. Ej.: llama a la extensión Requiere obtener números extra del operador, lo cual tiene un costo. Enrutamiento TCS4: La extensión se marca detrás del número, ej.: #3563 llama a la extensión No disponible en España (los números extra se ignoran). Ampliación Redes
91 Videoconferencia multipunto H.323
Redes Multimedia Videoconferencia multipunto H.323 Internet MCU El concepto de MCU es igualmente aplicable a la vídeoconferencia H.323. Se aplican aquí los mismos criterios en cuanto a caudales necesarios que en el caso de H.320, es decir, la MCU ha de replicar n veces el flujo de audio-vídeo recibido, por lo que su conexión a la red ha de ser de mayor capacidad que los terminales a los que da servicio. MCU H.323 (Multipoint Control Unit) Replica el flujo de audio/vídeo para cada participante. Posible cuello de botella Ampliación Redes
92 Transcodificación RDSI MCU MCU con transcodificacion Valencia Bilbao
Redes Multimedia Transcodificación Valencia Bilbao Flujos H.263 de 384 Kb/s Flujo H.261 de 128 Kb/s 3*BRI 3*BRI RDSI BRI 3*BRI Terminal sin soporte H.263 PRI Un problema que se plantea a menudo en las videoconferencias multipunto es la diferencia de facilidades y/o ancho de banda de los participantes. Una solución es forzar a todos los participantes a adoptar el conjunto más restrictivo de facilidades y el ancho de banda más reducido. En el ejemplo de la figura una serie de terminales H.320 desean participar en una vídeoconferencia multipunto en la que el emisor y algunos receptores disponen de accesos RDSI 3*BRI (384 Kb/s) y posibilidad de codificar/decodificar vídeo H.263. Sin embargo el terminal de Atenas dispone de un acceso RDSI BRI únicamente y solo soporta H.261. El formato H.261 es un subconjunto del H.263, por lo que el emisor podría generar un flujo H.261 de 128 Kb/s y en ese caso todos los receptores podrían seguir la emisión. Pero esto supone una merma de calidad importante para los terminales de mayores prestaciones de Bilbao y Toulouse. La solución a este problema está en realizar transcodificación en la MCU. El emisor genera el vídeo con la calidad más alta, es decir H.263 con un caudal de 384 Kb/s, y el MCU al realizar las copias se encarga de generar una H.261 de 128 Kb/s para Atenas. La transcodificación es una labor intensiva de CPU ya que supone realizar la descompresión de un formato y la compresión en otro distinto. Cuando ha de realizarse en tiempo real como en el ejemplo de la figura es preciso disponer de un procesador potente o de algún tipo de asistencia hardware para ejecutar con rapidez los algoritmos implicados. MCU MCU con transcodificacion La transcodificación ha de hacerse en tiempo real y consume mucha CPU Toulouse Atenas Ampliación Redes
93 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
94 Telefonía sobre Internet
Redes Multimedia Telefonía sobre Internet Pretende aprovechar la red IP para la comunicación telefónica Requiere una red con bajo retardo y QoS, o bien una red sobredimensionada Además de digitalizar la voz es necesario ofrecer todas las funciones propias de una red telefónica: Señalización (llamada) Funciones avanzadas: reenvío de llamadas, mensajería, etc. Ampliación Redes
95 Centralita telefónica (PBX, Private Branch Exchange)
Redes Multimedia Evolución de la telefonía (I) Telefonía Tradicional Datos Voz no comprimida Centralita telefónica (PBX, Private Branch Exchange) En esta figura y las siguientes se muestra la evolución de los escenarios de redes de telefonía. En el primer caso se trata de una red telefónica tradicional en la que se utilizan teléfonos convencionales conectados a centralitas. Las centralitas se conectan entre sí mediante enlaces punto a punto. Por ejemplo un enlace E1 (2.048 Kb/s) permite mantener hasta 30 conversaciones simultáneas entre usuarios de ambas centralitas. En este caso los datos utilizarían una red completamente independiente, con enlaces separados en la red WAN. Línea E1 (2.048 Kb/s) Par telefónico Ampliación Redes
96 Telefonía tradicional sobre backbone IP (voz sobre IP)
Redes Multimedia Evolución de la telefonía (II) Telefonía tradicional sobre backbone IP (voz sobre IP) Voz comprimida Voz y datos Ethernet Línea E1 Par telefónico En este caso se ha unificado la red de voz y la de datos compartiendo el enlace IP para ambos tipos de tráfico. Como antes se utilizan teléfonos y centralitas tradicionales, pero éstas en vez de conectarse directamente lo hacen a través de routers IP que disponen de interfaces especiales para su conexión. Los routers se encargan de acomodar la voz digital en paquetes IP. A fin de poder incluir ambos servicios en la misma línea es necesario comprimir la voz, de lo que también se encargan los routers. Si se pudiera disponer de enlaces de mayor capacidad entre los routers sería posible realizar la interconexión sin tener que recurrir a la compresión. Ampliación Redes
97 Evolución de la telefonía (III)
Redes Multimedia Evolución de la telefonía (III) Telefonía IP Call Manager Call Manager Voz comprimida Voz y datos Ethernet Línea E1 Par telefónico En el tercer caso se han suprimido por completo las centralitas y los teléfonos tradicionales. Aquí los teléfonos generan directamente paquetes IP, posiblemente comprimiendo la voz. Los routers no necesitan ninguna interfaz específica para la voz, únicamente disponen de interfaces Ethernet y la línea serie de Kb/s. El conmutador LAN podría disponer de interfaces específicamente diseñadas para teléfonos IP, que permiten suministrar alimentación eléctrica al teléfono IP a través del cable de red. Ampliación Redes
98 Ejemplo de red de telefonía IP
Redes Multimedia Ejemplo de red de telefonía IP Call Manager Red Telefónica Sucursal ‘Antigua’ Oficina Principal Internet Es posible la coexistencia de la telefonía tradicional y la telefonía IP, con diversos grados de desarrollo. En este ejemplo se muestra la red de una empresa que dispone de una oficina principal, dos sucursales y un teletrabajador. El teletrabajador dispone de una conexión a Internet (por ejemplo ADSL) a través de la cual envía tanto los datos como la telefonía. La oficina ‘antigua’ dispone de una red de telefonía tradicional, por lo que necesita de dos conexiones independientes, una para voz y otra para datos. La oficina moderna solo posee telefonía IP. Por último la oficina principal dispone de una moderna red de telefonía IP que posee funciones avanzadas gracias a la existencia de un call Manager. La oficina tiene una conexión a Internet y una conexión a la red telefónica para integrar su red de telefonía IP con la red telefónica convencional. Teletrabajador Sucursal ‘Moderna’ Ampliación Redes
99 Telefonía IP Ventajas: Inconvenientes
Redes Multimedia Telefonía IP Ventajas: Integración de la red de datos y la red telefónica Reducción de distancias (y costes) en la red telefónica Fácil enrutamiento alternativo en caso de averías en la red (servicio no orientado a conexión) Posibilidad de compresión de la voz (G.729, G.723.1) Supresión de silencios y generación de ruido de confort Servicios de alta calidad (G.722, G.722.1, G.719) Posibilidad de integrar servicios: directorio telefónico con LDAP, envío de ficheros de audio por , lectura automática de s por teléfono, navegación web asistida, etc. Inconvenientes Degradación de la calidad cuando hay congestión Mayores retardos, posibles problemas de ecos Mayor costo de los teléfonos Además del ahorro que para la telefonía supone el uso de Internet gracias a la reducción de distancias en la red telefónica conmutada se permite un mayor aprovechamiento de las infraestructuras gracias a la facilidad con que puede realizarse la compresión y supresión de silencios. Además resulta muy sencillo ofrecer servicios de voz de mayor calidad. Otra ventaja interesante de la telefonía sobre IP es la fiabilidad debida al servicio no orientado a conexión que suministra la red. En el lado negativo podemos destacar la rápida degradación de la calidad cuando se pierden paquetes, cosa que ocurre normalmente en redes con congestión sin calidad de servicio. Además la necesidad de optimizar el tamaño de los paquetes y su enrutamiento por la red introducen retardos que pueden ser la causa de efectos de eco molestos para el usuario. Ampliación Redes
100 LAN con telefonía IP WAN con QoS (DiffServ o IntServ) Call Manager
Redes Multimedia LAN con telefonía IP WAN con QoS (DiffServ o IntServ) Call Manager (Gestor de telefonía IP) (Servidor Windows/XP) Las tramas del teléfono van en una VLAN de alta prioridad (se usa 802.1p y 802.1Q) Tramas H.323 con alta prioridad (802.1p) El teléfono recibe alimentación eléctrica desde el switch LAN (estándar 802.3af) y actúa como un switch de dos puertos Teléfono software (Netmeeting, GnomeMeeting, Softphone, etc.) Ampliación Redes
101 Teléfonos IP Hard Soft OpenPhone http://www.openh323.org/code.html
Redes Multimedia Teléfonos IP Hard Soft OpenPhone Precio: 0 euros Cisco 7905 Audio G.711 y G.729a Precio: 200 euros Cisco 7960G Audio G.711 y G.729a Incorpora conmutador de dos puertos 10/100 Precio: 500 euros Cisco SoftPhone Audio G.711, G y G.729a Precio: 150 euros Ampliación Redes
102 Tratamiento del sonido en videoconferencia y telefonía
Redes Multimedia Tratamiento del sonido en videoconferencia y telefonía Control automático de ganancia: si la fuente sonora es más débil la ganancia se aumenta Supresión automática de ruidos: un sonido constante se suprime (por ejemplo el ventilador de un proyector) Supresión de silencios y ruido de confort: el emisor deja de enviar cuando el sonido está por debajo de un umbral. El receptor genera entonces un ruido de fondo artificial llamado ‘ruido de confort’ Cancelación de eco: en los sistemas manos libres es fundamental evitar realimentaciones altavoz-micrófono; muchas veces esto se consigue forzando una comunicación half duplex. Requieren cierto ‘adiestramiento’ (por ejemplo si se cambia la ubicación de los micrófonos) Ampliación Redes
103 Redes Multimedia Telefonía IP con H.323 Un terminal H.323 solo está obligado a soportar audio, el vídeo es opcional Por tanto con H.323, gateways y gatekeepers podemos ofrecer telefonía Internet sin necesidad de nuevos estándares Sin embargo la mayoría de los fabricantes utilizan protocolos propietarios para dar soporte a las funciones adicionales (desvío de llamadas, mensajería, etc.) En la práctica es muy difícil desarrollar una red de telefonía IP multifabricante basada solo en estándares H.323 Ampliación Redes
104 Sumario Fundamentos de telefonía. Conversión analógico-digital.
105 SIP (Session Initiation Protocol)
Redes Multimedia SIP (Session Initiation Protocol) En el mundo del IETF los estándares de la ITU-T siempre se han visto con recelo. En particular H.323 se considera un protocolo demasiado complejo Esto dió lugar al desarrollo de un protocolo alternativo llamado SIP (Session Initiation Protocol, RFC2543, 3/99, 153 pág.) cuyo diseño está inspirado en HTTP y SMTP En SIP las direcciones son URIs. Ej.: Página principal del SIP: Universidad de Columbia: Con el tiempo SIP se ha complicado más de lo previsto. Pero aun así parece que terminará ganando la batalla a H.323 Cuando se diseñó la familia de protocolos H.323 se pensaba en aplicaciones de videoconferencia, no de telefonía. Aunque es posible utilizar H.323 en telefonía el protocolo resulta excesivamente complejo en algunos aspectos. Esto motivó el desarrollo de un protocolo alternativo denominado SIP (Session Initiation Protocol) en el seno del IETF. A pesar de su reciente aparición SIP se ha desarrollado muy intensamente en los últimos años y es posible que en un corto plazo se convierta en el protocolo mayoritario para el desarrollo de aplicaciones de telefonía sobre IP. Actualmente muchos fabricantes soportan en sus equipos tanto H.323 como SIP. Ampliación Redes
106 Redes Multimedia Componentes de SIP UA (User Agent): Terminal SIP (hard o soft). Un UA puede actuar como: UAC (User Agent Client): el que llama UAS (User Agent Server): el que es llamado Servidores: Proxy: actúa como intermediario, en representación de un UA para efectuar o atender llamadas. Ayuda a gestionar el paso por cortafuegos, establecer restricciones, etc. Registrar: atiende peticiones de registro de los agentes activos en su dominio (bien suyos o visitantes) Redirect: informa a los clientes de los agentes que se encuentran fuera de su ubicación natural Ampliación Redes
107 (Suena el teléfono de Luis)
Redes Multimedia Llamada SIP directa entre dos UAs Luis UA Server Indica audio G.711 µ-law INVITE c=IN IP m=audio RTP/AVP 0 Alicia UA Client Puerto 5060 200 OK c=IN IP m=audio RTP/AVP 3 (Suena el teléfono de Luis) Puerto 5060 Indica audio GSM ACK Puerto 5060 Puerto 38060 Audio G.711 µ-law (sobre RTP) Audio GSM (sobre RTP) Puerto 48753 Ampliación Redes
108 Algunas características de SIP
Redes Multimedia Algunas características de SIP Los mensajes de control se envían ‘fuera de banda’, es decir forman un flujo independiente (sockets distintos) de los datos intercambiados (en este caso la voz digitalizada). Los mensajes de control se envían a un puerto ‘bien conocido’ (el 5060). El puerto de los datos en cambio lo elige cada agente independientemente en el momento de iniciar la sesión Los mensajes están en caracteres ASCII y tienen una sintaxis parecida a los del protocolo HTTP Las direcciones IP de los agentes implicados y los puertos elegidos figuran en los mensajes SIP. Cuando hay un NAT en el camino éste ha de realizar las conversiones pertinentes Todos los mensajes requieren confirmación, por lo que pueden enviarse sobre TCP o sobre UDP En el proceso de conexión se realiza una negociación de capacidades. En el ejemplo si Luis no soportara el audio G.711 µ-law le enviaría a Alicia un mensaje ‘600 Not Acceptable’ indicándole además los codecs que él soporta Ampliación Redes
109 Direcciones SIP En el ejemplo anterior Luis tenía una IP fija.
Redes Multimedia Direcciones SIP En el ejemplo anterior Luis tenía una IP fija. Esto no siempre es posible, bien porque el usuario obtenga su dirección de forma dinámica (por DHCP) o porque utilice diversos dispositivos, cada uno con una IP diferente (portátil, PDA, etc.) En SIP se prevé que las direcciones puedan ser: IPs fijas: URIs: Direcciones E.164: Para que los URIs y las direcciones E.164 puedan funcionar hace falta que la red SIP tenga un Registrar y un Proxy Ampliación Redes
110 Registrar SIP (Registrador)
Redes Multimedia Registrar SIP (Registrador) Cada vez que un usuario arranca una aplicación SIP envía un mensaje REGISTER al Registrar competente en ese dominio, que toma nota de su presencia Los mensajes REGISTER tiene un tiempo de vida (por ejemplo una hora) Cada dominio tiene un Registrar que desarrolla para las direcciones SIP una función equivalente a la del DNS con los nombres Los Proxys SIP lanzan consultas a los Registrar Ampliación Redes
111 El registro debe renovarse periódicamente (en este ejemplo cada hora)
Redes Multimedia Proceso de registro SIP REGISTER sip:uv.es From: To: Contact:<sip: > Expires: 3600 Registrar SIP Dominio uv.es 200 OK URI Dirección IP T. Vida (seg.) El registro debe renovarse periódicamente (en este ejemplo cada hora) Normalmente el registro irá precedido de una validación por usuario/password ante un servidor RADIUS (no mostrado en la figura) El usuario puede registrarse desde cualquier dirección IP, aunque ésta no pertenezca al dominio uv.es Ampliación Redes
112 Funciones del Proxy SIP
Redes Multimedia Funciones del Proxy SIP El Proxy SIP es un router que actúa como intermediario en la comunicación entre agentes SIP. Su actuación se limita al proceso de conexión (señalización). Una vez establecida esta los agentes intercambian directamente los paquetes de datos El proxy consulta al registrar para localizar a un usuario dado. Generalmente el proxy y el registrar son el mismo equipo (normalmente un router) El proxy permite forzar la autentificación de los usuarios y restringir el uso de los servicios de acuerdo con lo que tiene autorizado cada uno Ampliación Redes
113 El tráfico entre Alicia y Luis irá por la ruta más corta
Redes Multimedia Llamada SIP mediante Proxy/Registrar Proxy SIP uv.es INVITE PROXY INVITE 200 OK 200 OK ACK Audio G.711 µ-law (sobre RTP) Puerto 38060 Audio GSM (sobre RTP) Puerto 48753 El tráfico entre Alicia y Luis irá por la ruta más corta Ampliación Redes
114 Descubrimiento del Proxy
Redes Multimedia Descubrimiento del Proxy En el ejemplo anterior Alicia tenía que saber quién era su Proxy El proxy se puede indicar en la configuración del agente, pero eso es poco flexible En su lugar se utilizan registros tipo SRV (Service) en el DNS. Así se puede cambiar el Proxy sin tener que tocar la configuración de los agentes Definición en el DNS del proxy SIP para uv.es: uv.es. IN NAPTR 2 0 "s" "SIP+D2U" "" _sip._udp.uv.es. _sip._udp IN SRV admundsen.red.uv.es. _sip._tcp IN SRV admundsen.red.uv.es. protocolo Puerto (SIP) Ampliación Redes
115 Llamada SIP a un usuario remoto
Redes Multimedia Llamada SIP a un usuario remoto INVITE INVITE INVITE 200 OK 200 OK 200 OK Proxy SIP uv.es Proxy SIP uji.es ACK Audio-vídeo Cuando Alicia llama a Pedro sigue el mismo procedimiento que antes, salvo que ahora usa dos proxys, el de uv.es y el de uji.es. El proxy de uv.es averigua la dirección del Proxy de uji.es haciendo una consulta al DNS: DNS Query: SRV uji.es UDP 5060? DNS Response: Una vez establecida la sesión el tráfico entre Alicia y Pedro discurre por la ruta más corta entre ambos Ampliación Redes
116 Llamadas a múltiples agentes
Redes Multimedia Llamadas a múltiples agentes Un mismo URI (p. ej. se puede registrar desde diferentes agentes simultáneamente En ese caso el proxy puede redirigir la llamada a todos ellos en paralelo o en serie, siguiendo una secuencia determinada previamente Ampliación Redes
117 Redirección de llamadas SIP
Redes Multimedia Redirección de llamadas SIP Un URI puede redirigirse (desviarse) temporalmente hacia otro. Supongamos que Pedro se va de Erasmus a la Universidad de Edimburgo; allí le asignan un nuevo identificador, Pedro recibirá las llamadas dirigidas a su nuevo URI, pero además quiere seguir recibiendo en su teléfono de Edimburgo las que le hagan a su URI permanente, Para ello Pedro debe indicar al ‘redirect server’ de uji.es que se ha trasladado temporalmente a Normalmente el proxy, el registrar y el redirect server de una organización son el mismo equipo (un router) Ampliación Redes
118 pedro@uji.es en peter@ed.ac.uk Contact: peter@ed.ac.uk
Redes Multimedia Redirección de llamadas SIP Proxy SIP uv.es Proxy/redirect SIP uji.es 1: INVITE 2: INVITE en 8: 200 OK 3: 301 MOVED Contact: 4: INVITE 7: 200 OK 5: INVITE 6: 200 OK Proxy SIP ed.ac.uk 9: ACK 10: Audio-video Ampliación Redes
119 Comunicación SIP ↔ Red telefónica
Redes Multimedia Comunicación SIP ↔ Red telefónica Comunicación física: se requiere un gateway o pasarela (normalmente un router) entre la red IP y la red telefónica pública. Comunicación lógica (direccionamiento): SIP → Red telefónica: La posibilidad de utilizar direcciones E.164 desde SIP está prevista por defecto Red telefónica → SIP: hay que asignar direcciones E.164 a los agentes SIP. Esto se consigue con ENUM (E.164 NUmber Mapping), conjunto de protocolos que integran el espacio de direcciones E.164 en el DNS. ENUM permite además asignar URIs a las direcciones E.164 Ampliación Redes
120 Como funciona ENUM Dirección E.164:
Redes Multimedia Como funciona ENUM A cada dirección E.164 le corresponde un nombre en el DNS, de la siguiente forma (RFC 3761): Dirección E.164: Nombre DNS: e164.arpa Los registros introducidos en el DNS son de tipo NAPTR (Name Authority Pointer) y le asignan uno o varios URIs equivalentes con diferentes prioridades. Ejemplo: $ORIGIN e164.arpa. IN NAPTR "u" "E2U+sip" IN NAPTR "u" "E2U+ " Una vez configurado el ‘mapping’ las direcciones E.164 pueden ser utilizadas no solo desde la red telefónica convencional sino también desde terminales SIP Ampliación Redes
121 Ejemplo de uso de ENUM DNS 3: DNS response:
Redes Multimedia Ejemplo de uso de ENUM DNS 3: DNS response: NAPTR 100: NAPTR 102: 2: DNS query: e164.arpa 4: 5: Usuario no disponible Registrar SIP 6: a 1: El usuario marca Servidor de Ampliación Redes
122 Aplicación de SIP: sip.edu
Redes Multimedia Aplicación de SIP: sip.edu El proyecto SIP.edu de Internet2 consiste en permitir el acceso por Internet a las redes telefónicas privadas de las universidades La llamada se enruta por Internet y una vez en la universidad de destino se pasa a través de una pasarela a la red telefónica (privada) de la universidad, con lo que la llamada no tiene costo El llamante utiliza un agente SIP y llama al URI del destinatario. El Proxy del destinatario traduce dicho URI en un número de extensión (dirección E.164) consultando una base de datos (directorio LDAP por ejemplo). Entonces la llamada es enrutada a través de la pasarela de la red privada al teléfono de la persona de destino. No se accede al DNS, no se usa ENUM Ampliación Redes
123 Funcionamiento de SIP.edu
Redes Multimedia Funcionamiento de SIP.edu 3: query LDAP: sip: Proxy SIP unam.mx Proxy SIP uv.es 1: INVITE 2: INVITE LDAP 4: respuesta LDAP: Ext 10: ACK 9: ACK 11: ACK 8: ACK 5: llamar a Ext 12: Audio GW llama desde su agente SIP a 6: suena la extensión 43865 7: Rogelio descuelga el aparato Ampliación Redes
124 Referencias Sobre RTP:
Redes Multimedia Referencias Sobre RTP: Sobre H.323: Sobre SIP: Tutorial de SIP: Sobre SIP.edu: Ampliación Redes
125 Redes Multimedia Junio Problema 2.1 En un sistema de videoconferencia H.323 se quiere establecer una multiconferencia de cuatro participantes con presencia continua (todos ven a todos todo el tiempo). Uno de los cuatro equipos actúa como MCU. El audio se selecciona por voz (volumen más alto) Los caudales de vídeo ocupan 90 Kb/s y los de audio 16 Kb/s Calcular el caudal mínimo necesario entrante y saliente en cada uno de los cuatro terminales, contando que hace falta un 15% adicional para información de control. Cada terminal (excepto la MCU) inyecta 90 Kb/s de vídeo y 16 Kb/s de audio. Con el 15% adicional resultan ser 103,5 y 18,4 Kb/s respectivamente. Por tanto cada terminal genera un caudal saliente de 121,9 Kb/s La MCU recibe los tres flujos remotos de audio y vídeo: 121,9*3=365,7 Kb/s La MCU ha de enviar a cada terminal tres vídeos (no cuatro ya que el vídeo de cada terminal no se le reenvía). La MCU envía además el audio seleccionado, salvo al terminal que genera dicho audio que no recibe ningún audio de la MCU Tipo de terminal Caudal ascendente Caudal descendente Terminal H MCU 986,7 Kb/s (9 video + 3 audio) 365,7 Kb/s (3 video + 3 audio) Terminal H.323 121,9 Kb/s (audio + video) 328,9 Kb/s (3 video + 1 audio) Audio elegido de la MCU: Tipo de terminal Caudal ascendente Caudal descendente Terminal H MCU 986,7 Kb/s (9 video + 3 audio) 365,7 Kb/s (3 video + 3 audio) Terminal H.323 emisor de audio 121,9 Kb/s (audio +video) 310,5 (3 video) Terminal H.323receptor de audio 121,9 Kb/s (audio+video) 328,9 (3 video + 1 audio) Audio elegido de otro terminal: Ampliación Redes
126 Audio de Terminal A Internet Terminal B V + A V + A 3V + A 3V V + A
Redes Multimedia Audio de Terminal A Terminal B V + A V + A Internet 3V + A 3V V + A 3V + A Terminal A 3V + A 3V + 3A El concepto de MCU es igualmente aplicable a la vídeoconferencia H.323. Se aplican aquí los mismos criterios en cuanto a caudales necesarios que en el caso de H.320, es decir, la MCU ha de replicar n veces el flujo de audio-vídeo recibido, por lo que su conexión a la red ha de ser de mayor capacidad que los terminales a los que da servicio. MCU Terminal C Ampliación Redes
127 Audio de MCU Internet Terminal B V + A V + A 3V + A 3V + A V + A
Redes Multimedia Audio de MCU Terminal B V + A V + A Internet 3V + A 3V + A V + A 3V + A Terminal A 3V + A 3V + 3A El concepto de MCU es igualmente aplicable a la vídeoconferencia H.323. Se aplican aquí los mismos criterios en cuanto a caudales necesarios que en el caso de H.320, es decir, la MCU ha de replicar n veces el flujo de audio-vídeo recibido, por lo que su conexión a la red ha de ser de mayor capacidad que los terminales a los que da servicio. MCU Terminal C Ampliación Redes
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