Internetbasierte Protokolle zur Übertragung von Videodaten

Transkript

1 Seminararbeit Internetbasierte Protokolle zur Übertragung von Videodaten Lilia Rosner Matr.-Nr Dezember 2010 Fachhochschule Aachen Fachbereich 9 - Medizintechnik und Technomathematik Studiengang: Scientific Programming Betreuer: Prof. Dr. Andreas Terstegge Dipl.-Ing. Ralf Wilke

2

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation und Zielsetzung Aufbau der Arbeit Grundlagen der Videotechnik Frame und Framerate Field Codec Verlustbehaftete Kompression Verlustfreie Kompression Übertragung von Videodaten im Internet Netzwerkprotokolle Internetprotokoll Referenzmodelle Unterschiede zwischen TCP und UDP Quality of Service QoS-Techniken zur Erzielung einer hohen Dienstgüte QoS-Erweiterungen Verfahren zur Übertragung von Videodaten Progressive Download Streaming Videoformate Beispiele: Funktionsweise von YouTube Videos 26 5 Fazit und Ausblick 28 Literaturverzeichnis 29

4 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielsetzung Das Ziel dieser Seminararbeit ist es, die wichtigsten und gängigsten Technologien zur Übertragung von Videodaten im Internet, mit Berücksichtigung der dabei beteiligten Internetprotokolle, vorzustellen. Zurzeit haben Videoportale oder Streaming-Webseiten eine große Popularität erreicht. Auch das mobile Internet erlangt, durch den treibenden Faktor des auf dem Markt eingeführten iphone, immer mehr Bedeutung. Das Internet hat eine große Rolle in der heutigen Gesellschaft eingenommen. Die meisten Leute nutzen das Internet um für sich interessante Informationen zu beziehen und um auf dem neusten Wissens- und Technikstand zu sein. Viele dieser Informationsseiten im Internet enthalten Videoclips zur Verdeutlichung und Erklärung von Vorgängen. Aber auch aus anderen Gründen sind Videos so begehrt und erzielen Höchstquoten im Internet. Hat man z.b. seine Lieblingssendung im Fernsehen verpasst, gibt es mehrere Internetseiten, wo man sich die Sendung noch einmal anschauen kann. Das bekannteste Videoportal ist YouTube ( Dort können Benutzer kostenlos Videos ansehen und hochladen. Es gibt verschiedene Arten, wie Echtzeit-Videodaten über das Internet an den Endanwender übertragen werden können. Jedes dieser Verfahren hat Vor- und Nachteile. In bestimmten Situationen, abhängig von den Gegebenheiten der Hardware oder des Hintergrundes der Videoübertragung, funktionieren einige Verfahren besser als andere. Diese Seminararbeit dient als Grundlage für die Bachelorarbeit. Hier wird die Aufgabe sein, ein Applet zu programmieren, das Echtzeit-Bilder von einer Webcam empfängt, die dann anschließend vom Server an die Clients geschickt werden. Wichtig ist zu wissen, wie eine Kommunikation zwischen Server und Client auf der Internetprotokollebene stattfindet und wie die einzelnen Datenpakete sicher übertragen werden. Auch die Qualitätsanforderungen sind dafür entscheidend und müssen deutlich definiert und umgesetzt werden. 1.2 Aufbau der Arbeit Die Seminararbeit beginnt mit den Grundlagen der Videotechnik. Hier werden einige wichtige Begriffe eingeführt und erklärt. Hierbei gibt es noch einen kurzen Einblick in die Möglichkeiten der Videokodierung. Im dritten Kapitel geht es ausschließlich um die Übertragung der Videodaten im Internet und welche Internetprotokolle in dieser Hinsicht eine wichtige Rolle annehmen. Das Kernstück dieser Arbeit liegt in der Erläuterung der Qualitätsanforderungen bei Videoübertragung und der wichtigsten Mechanismen und Verfahren, die eingesetzt werden, um diesen gerecht zu werden. Ebenfalls werden zwei entscheidende Verfahren zur Videoübertragung vorgestellt und deren Vor- und Nachteil erwähnt. Das En- 3

5 de des Kapitels wird mit einer Einführung der am häufigsten benutzten Videoformate abgeschlossen. An einem konkreten Beispiel, dem Streaming-Vorgang eines YouTube-Videos, wird im vierten Kapitel noch einmal der Zusammenhang zwischen den beteiligten Internetprotokollen und der Übertragung des Videos erläutert. Eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick in die zukünftigen Technologien schließen die Seminararbeit ab. 4

6 Kapitel 2 Grundlagen der Videotechnik 2.1 Frame und Framerate Im Bereich der Videotechnik wird oft der Begriff Frame verwendet. Ein Frame bezeichnet ein einziges Bild innerhalb eines Videos oder einer Animation. Beim Abspielen eines Videos spielt die Framerate eine wichtige Rolle. Diese ist ein Maß für die Bildfrequenz und gibt an, wie viele Bilder pro Sekunde abgespielt werden. Durchschnittlich liegt die Framerate eines Videos bei 25 Bildern pro Sekunde (Frames per second, Fps). Das menschliche Auge hingegen nimmt schon bei aufeinander folgenden Bildern von Fps eine Szene als bewegt wahr. Bei einer noch geringeren Framerate besteht die Wahrnehmung aus einer Folge ruckelnder Einzelbilder. 2.2 Field Als Field bezeichnet man ein Halbbild. Zwei Halbbilder ergeben ein Frame. Will man beispielsweise ein Bild mit 8 Bildzeilen übertragen, werden zuerst ein Field mit den Bildzeilen 1,3,5 und 7 gesendet. Alle Anderen bleiben schwarz. Bei dem nächsten Field werden die Bildzeilen 2,4,6 und 8 gesendet und dementsprechend die Anderen ausgelassen. Somit ist das Ergebnis ein Vollbild mit zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern. Pro Sekunde werden schließlich 50 Halbbilder dargestellt. Dies verhindert ein Bildflimmern, da die Übergänge von einem Halbbild zum nächsten fließender sind, als zwischen zwei Vollbildern. 2.3 Codec Der Begriff Codec setzt sich zusammen aus Coder und Decoder. Er bezeichnet einen Algorithmus, der für das Komprimieren und Dekomprimieren von Video- und Audiodaten zuständig ist. Bei einer Videokompression werden die einzelnen Bilder komprimiert. Da die Datenmenge eines unkomprimierten Videos meistens sehr groß ist, versuchen die Codec-Verfahren beim Kodieren diese zu verkleinern [1]. Dadurch wird eine geringere Datengröße erzielt, die schneller über das Internet übertragen werden kann. Gleichzeitig wird der Datenfluss gesenkt und die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht sich [2]. Sobald eine komprimierte Videodatei abgespielt wird, werden alle Bilder von dem gleichen Codec- Algorithmus gelesen und dekomprimiert. Das Komprimieren dauert wesentlich länger als das Dekomprimieren. Da es heutzutage sehr viele unterschiedliche Verfahren zur Komprimierung von Daten gibt, unterscheidet man hauptsächlich zwischen verlustbehafteter und verlustfreier Kompression. 5

7 2.3.1 Verlustbehaftete Kompression Unter verlustbehafteter Kompression, auch Datenreduktion oder Datenredundanz genannt, versteht man die Beseitigung von unwesentlichen Details aus den Bilddaten. Dabei werden überflüssige Informationsdaten eliminiert oder unter geringer Qualität gespeichert [3]. Aus diesem Grund wird absichtlich die Datenmenge verkleinert um diese schneller über eine geringere Bandbreite übertragen zu können. Die geringere Qualität der komprimierten Datei wird vom menschlichen Auge/Ohr nur schwach wahrgenommen und ist für die Wahrnehmung nicht wirklich ein Qualitätsverlust. Eine Wiederherstellung der Originaldatei ist nicht möglich, weil dafür die zuvor eliminierten Informationen fehlen. In der Audio-Kompression, z.b. bei mp3-dateien, wird diese Technik eingesetzt. Aber auch das bekannte JPEG-Verfahren gehört zu den verlustbehafteten Bildkompressionsverfahren. JPEG (Joint Expert Photografic Group) ist ein Standard zur Komprimierung einzelner Farb- oder Graustufenbilder. Dieses Kompressionsverfahren ist in 4 verschiedene Modi unterteilt [9]. Die Standardversion ist der Sequentielle Modus und basiert auf dem DCT (Discrete Cosinus Transformation)-Algorithmus. Das Bild wird von links oben nach rechts unten Block für Block kodiert und in umgekehrter Reihenfolge wieder dekodiert. Außerdem wird hierbei das Verfahren der Lauflängenkodierung verwendet. Beim Progressiven Modus wird das Bild in mehreren Scanvorgängen kodiert, beginnend mit einem verschwommenen Bild, was nach und nach an Schärfe erhält. Dahingegen wird das Bild bei dem Hierarchischen Modus erst in geringer räumlicher Auflösung und nachfolgend in einer höheren Auflösung kodiert. Im Verlustfreien Modus wird auf den DCT-Algorithmus verzichtet und es kommen nur verlustfreie Kodierverfahren zum Einsatz Verlustfreie Kompression Bei der verlustfreien Kompression werden keine unwichtigen Informationen von der Datei entfernt oder verändert. Stattdessen wird die Datei kompakter komprimiert. Dabei wird die Häufigkeit einzelner Signale ausgenutzt. Zum Beispiel bekommen die am häufigsten vorkommenden Bitstrings den kürzesten Code zugewiesen, seltener vorkommende Strings hingegen erhalten den längsten Code. Angewendet wird dieses verlustfreie Verfahren bei der Videokompression, wo die Unterschiede von Bild zu Bild, also die Pixeländerungen, gespeichert werden. Zu den bekanntesten verlustfreien Kompressionsverfahren zählen die Huffman-Codierung, die für Text- und Bildkompressionen verwendet wird, und die Lauflängencodierung (Run Length Encoding, RLE). Bei der Lauflängenkodierung werden die gleichen aufeinanderfolgenden Buchstaben (Bytes) einer Zeichenkette kodiert. Diese werden in zwei Bytes gespeichert. Das erste Byte gibt die Anzahl der wiederholten Zeichen an und das zweite Byte den Code des Zeichens. Das RLE wird bei vielen Dateiformaten, wie z.b. TIFF, JPEG, und MPEG angewendet. 6

8 Kapitel 3 Übertragung von Videodaten im Internet 3.1 Netzwerkprotokolle Die Kommunikation zwischen den Computern eines Computernetzes erfolgt durch den Austausch von Nachrichten auf der Grundlage einer Hierarchie von Protokollen. [4] Protokolle definieren Regeln, die die Handlungsweise von Prozessen bei der Kommunikation festlegen. Diese Vereinbarungen betreffen zum Beispiel den Aufbau oder Abbau von Internetverbindungen, die Formate der übertragenden Daten, die Fehlererkennung und die Fehlerbehebung. Der Benutzer hat Zugriff auf mehrere unterschiedliche Anwendungen, wie z.b. Daten fehlerfrei verschicken, s versenden und empfangen oder Web-Seiten laden. Bei diesen Anwendungen regeln Internetprotokolle den Datentransfer Internetprotokoll Das bekannteste Netzwerkprotokoll ist das Internet Protocol oder auch IP genannt. Es bildet mit rund 500 weiteren Protokollen die Basis des Internets und ist für den Datentransfer von einem Sender über mehrere Teilnetze hinweg zu einem Empfänger zuständig. Implementiert ist IP in der Internetschicht im TCP/IP-Referenzmodell oder in der Vermittlungsschicht des ISO/OSI-Referenzmodells. Zurzeit gibt es zwei Versionen des Internetprotokolls, IPv4 und IPv6. IPv4 ist heute hauptsächlich im Einsatz, wohingegen IPv6 von zahlreichen Anwendungen unterstützt wird, sich aber bisher dennoch nicht durchgesetzt hat. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Versionen ist, dass IPv4 4 Byte lange Adressen adressiert und IPv6 16 Byte lange Adressen. Somit wurde der Adressraum von 2 32 (ungefähr 4 Milliarden) auf 3,4*10 38 eindeutige Adressen vergrößert. Diese Zahl ist so groß, dass man fast jedes Molekül auf der Erde mit einer eigenen IP-Adresse adressieren kann. Nicht nur der Adressraum hat sich verändert, sondern auch der Header-Aufbau weist einige Unterschiede auf [5]. Der IPv4-Header besteht aus den Feldern Versionsnummer, die bei IPv4 auf 4 gesetzt ist, Header Length, Type of Service, IP Paket Lenght, Time to Live, Checksum und einige weitere Headereinträge. Durch diesen 20 Byte großen, sehr komplex aufgebauten IPv4-Header, ist eine schnelle Verarbeitung der IP-Pakete schwierig. Der IPv6-Header ist zwar um 20 Byte länger, hat aber eine einfachere Struktur. Der Aufbau des Headers besteht aus der Versionsnummer, Traffic Class, Flow Label, IP Paket Length, Next Header und Hop Limit. Da es keine unnötigen optionalen Headereinträge gibt, die ebenfalls von Routern kontrolliert werden müssten, verläuft die Verarbeitung der einzelnen IP-Pakete schneller. Der Zeitaufwand wird dadurch 7

9 gesenkt. Mittels einer eindeutigen IP-Adresse und einer Subnetzmaske können Rechner und jedes andere Gerät, was am Netzwerk angeschlossen ist, adressiert werden. Die maximale IP-Paketgröße beträgt Bytes. Da aber einige Teilnetze so große IP-Pakete nicht verarbeiten können, müssen diese mit einem speziellen Mechanismus zu kleineren IP-Paketen aufgeteilt werden. Sie werden fragmentiert. Zusammengehörige IP-Fragmente bekommen dieselbe ID, damit man sie nach der Übertragung beim Empfänger wieder in die richtige Reihenfolge bringen kann. Des Weiteren werden bestimmte Flags gesetzt, damit der Router weiß, dass die ankommenden IP-Fragmente zu einem Paket gehören. Bei dem letzten IP-Fragment, was übertragen wird, wird das Flag nicht gesetzt. Das bedeutet, dass keine weiteren IP-Fragmente folgen, die zu dem gesamten Paket gehören. Die dabei versendeten IP-Pakete bestehen aus einem 20 Byte großen IP-Header und der zu übertragenden Information. IP ist ein unsicheres, verbindungsloses und paketorientiertes Protokoll. Es garantiert nicht für das Einhalten der Reihenfolge von einzelnen IP-Paketen. Im schlimmsten Fall können Pakete verloren gehen, da es keinen Mechanismus gibt, der Empfangsquittungen zurücksendet. Diese Schwachpunkte müssen für bestimmte Anwendungen behoben werden, sodass Paketverluste nicht auftreten und Pakete in der richtigen Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Dafür wurde das Transmis-sion Control Protocol (TCP) entwickelt. Es behebt von IP nicht abgedeckte Anwendungen Referenzmodelle Das ISO/OSI-Referenzmodell Das ISO/OSI-Referenzmodell ist das erste Modell zur Strukturierung einer Kommunikation. Hierbei wird der gesamte Kommunikationsvorgang in mehrere logische und möglichst unabhängige Teile zerlegt, die über wohldefinierte Schnittstellen miteinander verbunden sind. Es wurde von der ISO (International Organization for Standardization) 1977 entworfen und nach zahlreichen Optimierungen 1984 standardisiert [4]. Das Modell ist bis heute noch gültig, da es sehr allgemein formuliert wurde und die Funktionalitäten dieses Modells weiterhin sehr wichtig sind. Das Ziel des ISO/OSI-Referenzmodells ist es, Kommunikationsvorgänge zwischen verschiedenen heterogenen Netze zu ermöglichen. Das ISO/OSI-Referenzmodell beschreibt eine Struktur für den Weg, den eine Nachricht von einem Anwendungsprozess eines Computers über ein Netzwerk zu einem Anwendungsprozess eines anderen Computers zurücklegt. Bei diesem Vorgang werden alle 7 Schichten des Modells nacheinander durchlaufen. Gleichzeitig ist die Anforderung streng hierarchisch, d.h. dass eine Instanz der Schicht n nur Dienste der direkt darunter liegenden Schicht n-1 in Anspruch nehmen und selbst ihre eigenen Dienste nur der direkt darüber liegenden Schicht n+1 anbieten kann. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells näher erläutert. Die Schichten geben keine Auskünfte über die verwendeten Dienste und Protokolle, sondern sie sagen etwas darüber aus, welche Aufgaben die einzelnen Schichten haben [5]. 8

10 Abbildung 3.1: ISO-OSI-Referenzmodell Bitübertragungsschicht In der Bitübertragungsschicht (Physical Layer) wird festgelegt, wie die einzelnen Bits (1 oder 0) über die physikalische Leitung (Übertragungsmedium) kodiert und übertragen werden sollen. Bei Verwendung von Kupferkabel als Übertragungsmedium legt man z.b. fest, dass die einzelnen Bits als Spannungsimpulse übertragen werden. Wenn die Spannung +1 Volt beträgt, wird eine 1 übertragen, sonst eine 0. Dabei muss auch die Dauer der Bitübertragung, die Pinbelegung des Netzwerksteckers und die Übertragungsrichtung (uni-/bidirektional) definiert sein. Sicherungsschicht Für einen fehlerfreien Übertragungskanal zwischen zwei benachbarten Systemen (zwischen Computer und Router oder Router und Router) ist die Sicherungsschicht (Data Link Layer) zuständig. Dieser wird dadurch erreicht, dass der Sender die Eingangsdaten in bestimmte Datenrahmen (Frames) einer geeigneten Länge unterteilt und diese dann einzeln an den Empfänger sendet. Auf der anderen Seite der Übertragung überprüft der Empfänger anhand eines Bitmusters, ob die Daten korrekt empfangen worden sind. Im Fehlerfall wird der entsprechende Frame erneut angefordert. Vermittlungsschicht In der Vermittlungsschicht (Network Layer) wird dafür gesorgt, dass Daten auch über größere Entfernungen und zwischen heterogenen Netzen ihren Zielrechner erreichen. Die Hauptaufgabe dieser Schicht ist es, geeignete Paketrouten bzw. das Routing vom Sender zum Empfänger zu ermitteln. Die notwendigen Voraussetzungen sind u.a. ein gemeinsamer Adressraum und eine Einigung auf die maximale PDU-Größe (Protocol Data Unit). Bei der Übertragung speichern Zwischenknoten ankommende Datenpakete zwischen, schauen in Routing-Tabellen den aktuell günstigsten Weg nach und leiten die Datenpakete entsprechend weiter. Dafür müssen die IP-Adressen aller Endsysteme und Router weltweit eindeutig sein. Transportschicht Aufgabe der Transportschicht (Transport Layer) ist es, Daten der höheren Schicht (Sitzungsschicht) entgegenzunehmen und diese dann anschließend in kleinere Einheiten zu segmentieren. Diese Segmente werden an die Vermittlungsschicht weitergeleitet. Dort wird sichergestellt, ob alle Paketeinheiten vollständig und fehlerfrei beim Empfän- 9

11 ger angekommen sind. Hierzu werden Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen den kommunizierenden Anwendungen hergestellt. Auch die Adressierung der Anwendungsprozesse, die Behandlung von Fehlern aus tieferen Schichten, wie z.b. verlorene Datenpakete, verfälschte Datenpakete oder Reihenfolgeumstellung der einzelnen Datenpakete, gehören zu den Fehlerbehebungen dieser Schicht. Zusätzlich bietet diese Schicht Flusskontrollmechanismen an, die dafür sorgen, dass sich der Datenstrom den aktuellen Verbindungsgegebenheiten anpasst. Sitzungsschicht Die Sitzungsschicht (Session Layer) ermöglicht es, zwischen zwei Benutzern einen Datentransportkanal aufzubauen. Die Synchronisation, die Verwaltung der Reihenfolge beim Senden der Daten und die Wiederaufsetzpunkte werden hier verwaltet und bereitgestellt. Darstellungsschicht Die Darstellungsschicht (Presentation Layer) beschäftigt sich mit der Umwandlung der zu übertragenden Daten in eine allgemeine Form, sodass unterschiedliche Systeme die Daten besser handhaben können. Der Endanwender wandelt den Code in sein persönliches Datenformat um. Anwendungsschicht Eine Vielzahl benötigter Protokolle wird in der Anwendungsschicht (Application Layer) definiert und für die Endanwender bereitgestellt. Beispiele für die Verwendung dieser Kommunikationsdienste sind: der Gebrauch von Internetbrowsern (HTTP), der -Transfer (POP3, IMAP, SMTP) oder die Beantwortung von Anfragen zur Namensauflösung (DNS). Das TCP/IP-Referenzmodell Im Gegensatz zum ISO/OSI-Referenzmodell gliedert sich das TCP/IP-Referenzmodell in vier aufeinander aufbauende Schichten. Das TCP/IP-Referenzmodell ist zeitlich vor dem ISO/OSI-Referenzmodell entstanden, deshalb sind auch die Erfahrungen des TCP/IP- Referenzmodells mit in die ISO/OSI-Standardisierung eingeflossen. Die beiden wichtigsten Protokolle der Netzarchitektur, TCP und IP, bilden die Grundlage des Modells. Hieraus hat sich das heute bekannte Internet entwickelt. Das Ziel dieses Modells ist es, mehrere Netze nahtlos miteinander zu verknüpfen und eine flexible Architektur zu entwickeln. Die vier Schichten setzen sich zusammen aus: der Netzzugangsschicht, der Internetschicht, der Transportschicht und der Anwendungsschicht [5]. Netzzugangsschicht Die Netzzugangsschicht ist dafür zuständig, dass ein Host über ein bestimmtes Protokoll zum Netz eine Verbindung aufbaut, um IP-Datagramme darüber zu versenden und zu empfangen. Dieses Protokoll selbst ist nicht definiert oder vorgeschrieben, es variiert von Computer zu Computer oder von Netz zu Netz. Internetschicht Die zweite Schicht des TCP/IP-Referenzmodells ist dafür zuständig, eine Kommunikation zwischen zwei Rechnern aufzubauen, sodass IP-Pakete durch das Internet am Endsystem ankommen. Die dabei gewählte Übertragungstechnik ist paketvermittelnd, d.h. dass Pakete, die unabhängig voneinander und nur mit einer ausreichenden Adressinformation versehen sind, vom Sender losgeschickt werden. An den Grenzen sorgen Router für die Weiterleitung der Daten. Da die Wegwahl dynamisch ist, können einzelne Pakete verloren gehen oder kommen in einer falschen Reihenfolge beim Empfänger an. Dafür hat die übergeordnete Schicht (Transportschicht) die Aufgabe, diese Pakete in die richtige 10

12 Reihenfolge zu sortieren. Weiterhin definiert die Internetschicht ein offizielles festes Paketformat und das Protokoll namens IP. Es werden noch weitere Protokolle von dieser Schicht verwaltet, wie z.b. zum Finden des besten Weges (Routing) oder zum Übersetzen von IP-Adressen in MAC-Adressen. Transportschicht Um die Kommunikation zwischen Anwendungen kümmert sich die Transportschicht. Das TCP/IP-Referenzmodell definiert hier zwei unterschiedliche Endezu-Ende Protokolle. Das TCP ist ein zuverlässiges, verbindungsorientiertes Protokoll, welches einen Strom an Bytes sicher zwischen zwei Rechnern überträgt. Dabei wird der Bytestrom in einzelne Pakete einer bestimmten Größe unterteilt und an die Internetschicht weitergeleitet. Am Ziel angekommen werden die Nachrichten wieder in der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt. TCP sorgt auch für die Flusskontrolle. Das zweite Protokoll, UDP (User Datagram Protocol), ist im Gegensatz zu TCP unzuverlässig und verbindungslos. Dieses Protokoll wird benutzt, wenn eine schnelle Lieferung der Daten wichtiger ist als die Zuverlässigkeit. Anwendungsschicht Die Anwendungsschicht enthält viele Protokolle, mit denen der Anwender auf das Internet und seine Kommunikationsdienste zugreifen kann. Hierzu gehören Protokolle wie TELNET (ermöglicht es sich auf einem entfernten Rechner einzuloggen und dort zu arbeiten), FTP (Datentransfer), HTTP (zum Abrufen von Internetseiten) und viele andere mehr Unterschiede zwischen TCP und UDP Wie in den letzten Abschnitten dieses Kapitels beschrieben wurde, können Datenpakete über zwei unterschiedliche Transportwege durch das Internet an den Empfänger geschickt werden. Zum einen über TCP und zum anderen über UDP. In diesem Abschnitt werden die entscheidenden Unterschiede zwischen diesen beiden Protokollen erläutert. Das TCP-Protokoll der Transportschicht des TCP/IP-Referenzmodells ermöglicht eine verbindungsorientierte, zuverlässige Punkt-zu-Punkt Kommunikation. Eine verbindungsorientierte Kommunikation ist hier mit einem Telefonsystem vergleichbar. Um mit jemandem zu sprechen, nehmen Sie den Hörer ab, wählen eine Nummer, sprechen mit dem Teilnehmer und hängen dann auf. [5], Zuverlässig bedeutet hier, dass der Bytestrom fehlerfrei von Sender zum Empfänger übertragen wird. Um Daten zwischen Sender und Empfänger austauschen zu können, muss vorab eine Verbindung zwischen diesen Endsystemen aufgebaut werden. Der Verbindungsaufbau erfolgt im sogenannten Three-Way-Handshake und wird in der folgenden Abbildung grafisch dargestellt. 11

13 Abbildung 3.2: Three-Way-Handshake, Quelle: [6] Bei dem Verbindungsaufbau wird die Kommunikationsbereitschaft des Kommunikationspartners überprüft und die Reservierung eines Kanals zum Partner über alle Zwischenknoten hinweg vorgenommen. Eine TCP-Verbindung arbeitet nach dem Prinzip der Leitungsvermittlung, dabei ist die Verbindung zwischen Sender und Empfänger für die Dauer des Datentransfers vollständig belegt. Aus Sicht des Anwenders ist hier eine direkte Leitung zwischen den Kommunikationsendpunkten geschaltet und es existiert ein fester Weg. Nach dem Verbindungsaufbau besteht eine virtuelle Verbindung zwischen Sender und Empfänger. Über diese können Daten in beide Richtungen verschickt und empfangen werden (Vollduplex). Eine TCP-Verbindung ist ein Bytestrom, kein Nachrichtenstrom. Dabei wird der zu übertragende Bytestrom in Segmente zerlegt und mit einem Header versehen. Bei jedem einzelnen Segment, das die Empfängerseite sicher und fehlerfrei erreicht, schickt dieser eine Bestätigung an den Sender zurück. Im Falle eines zerstörten Segments wird ein entsprechender Fehlercode an den Sender übertragen und dieser schickt im Anschluss das Segment erneut los. Durch die Quittierung der empfangenen Segmente, sind die Vorteile von TCP klar definiert. Es entstehen keine Duplikate, Datenpakete gehen nicht verloren und die Reihenfolge der einzelnen Segmente wird eingehalten. Nach dem Datenaustausch muss die Verbindung wieder abgebaut und die reservierten Ressourcen wieder freigegeben werden. Dabei sendet einer der Endsysteme bestimmte TCP-Segmente, die der Andere bestätigen muss. UDP ist ein unzuverlässiges und verbindungsloses Protokoll. Im Gegensatz zu TCP wird hier keine Verbindung zwischen Sender und Empfänger hergestellt. Der verbindungslose Dienst ist analog zu einem Postsystem aufgebaut. Jeder einzelne Brief (Nachricht) wird unabhängig von allen anderen durch das System geschickt. Dennoch kann es passieren, dass sich der erste Brief verzögert, sodass der zweite vor dem ersten sein Ziel erreicht. Das Senden erfolgt spontan und ohne Reservierung von Ressourcen. Jedes Datenpaket sucht sich seinen eigenen Weg, unabhängig von dem vorher übertragenen Paket (Paketvermittlung). Bei den paketvermittelten Verfahren wird daher auf eine quasi durchgehende Leitung zwischen den Kommunikationspartnern verzichtet. Auch Bestätigungen, dass Pakete fehlerfrei angekommen sind, werden nicht an den Sender 12

14 geschickt. Dementsprechend ist es möglich, dass einzelne Pakete beim Transport verloren gehen. Diese werden allerdings nicht, wie bei TCP, erneut zugeschickt. Das gleiche passiert bei fehlerhaft ankommenden Paketen, die direkt verworfen werden. Die einzige Möglichkeit, die Pakete auf Übertragungsfehler zu testen, bietet die Prüfsumme (Checksum). Im Unterschied zu TCP wird Flusskontrolle und Fehlerkontrolle von UDP nicht unterstützt. Die Vorteile von UDP liegen in der schnellen Übertragung von Daten. Eingesetzt wird UDP in einfachen Anfrage/Antwort-Protokollen, wie DNS (Domain Name System) oder bei Anwendungen, bei denen die Geschwindigkeit der Übertragung wichtiger ist als eine fehlerfreie Zustellung der Daten, wie z.b. bei Audio- oder Videoübertragung. 3.2 Quality of Service Der Begriff Quality of Service [7] (QoS) hat zum heutigen Zeitpunkt einen großen Bereich in der Internetentwicklung eingenommen. Quality of Service beschreibt im Allgemeinen eine Menge von Qualitätsanforderungen, die gewisse Parameter bei der Datenübertragung im Internet einhalten müssen. QoS-Management in Netzen beinhaltet alle Verfahren, die den Datenfluss so beeinflussen, dass der Dienst mit einer festgelegten Qualität beim Empfänger ankommt. Die Anzahl der verschiedenen Anwendungen nimmt immer weiter zu. Audio- bzw. Videoübertragung, Internet-Telefonie oder Videokonferenzen sind zurzeit deutlich wichtiger für den Endanwender als vor 10 Jahren. Folglich steigen die Anforderungen der Kunden, wie z.b. Echtzeit-Wiedergabe, Synchronisation oder Multicast, an den Anbieter. Einige Anforderungen von der Kundenseite sind: Zuverlässiger, schneller Verbindungsaufbau bzw. Verbindungsabbau Verbindung soll stabil sein und über einen längeren Zeitraum bestehen bleiben Es sollen keine Fehler oder Störungen auftreten Zu lange Wartezeiten sollen vermieden werden Solche Anforderungen werden in bestimmten Parametern gemessen. Die vier wichtigsten Parameter werden definiert als Zuverlässigkeit, Übertragungsverzögerung, Jitter (Schwankungen) und Bandbreite. Die Erfüllung der Parameter unterscheidet sich je nach Netz und Dienst. In der folgenden Tabelle sieht man einige der bekanntesten Anwendungsdienste und deren Einstufungen der einzelnen Parameter. Anwendungen Zuverlässigkeit Übertragungsverzögerung Jitter Bandbreite Hoch Niedrig Niedrig Niedrig Dateiübertragung Hoch Niedrig Niedrig Mittel Webzugriff Hoch Mittel Niedrig Mittel Entfernte Anmeldung Hoch Mittel Mittel Niedrig Audio on Demand Niedrig Niedrig Hoch Mittel Video on Demand Niedrig Niedrig Hoch Hoch Telefonie Niedrig Hoch Hoch Niedrig Videokonferenzen Niedrig Hoch Hoch Hoch Erforderliche Dienstgüte für verschiedene Anwendungen [5] 13

15 Wie der Tabelle zu entnehmen ist, erwarten die ersten vier Anwendungen eine hohe Zuverlässigkeit. Alle Pakete müssen vollständig am Ziel ankommen, sonst könnten ja einige wichtige Daten bei der Übertragung verloren gehen. Dafür wird für jedes verschickte Paket eine Prüfsumme gebildet, die auf der Empfängerseite noch einmal überprüft wird. Kommen fehlerhafte oder beschädigte Pakete an, werden diese vom Empfänger nicht bestätigt sondern erneut angefordert. Die vier letzten Anwendungen, die sich im Audio- und Videobereich abspielen, tolerieren Fehler. Hier steht die Geschwindigkeit der Übertragung über der Vollständigkeit aller Pakete. Nicht so kritisch gesehen wird dagegen die Verzögerung der Übertragung bei - oder Videoanwendungen. Das Ziel es ist nur, dass alle Pakete vollständig und unbeschädigt auf der Empfängerseite ankommen. Im Gegensatz dazu haben Echtzeitanwendungen (Telefonie oder Videokonferenzen) hohe und strenge Anforderungen bezüglich der Übertragungsverzögerung. Wenn jedoch einzelne Bild- oder Tonsequenzen verzögert ankommen, wird die Qualität von den Teilnehmern als unzureichend angesehen. Wie weiter zu sehen ist, spielt es für die ersten drei Anwendungen keine Rolle, ob die Pakete erst nach einer kurzen zeitlichen Verzögerung ihr Ziel erreichen. Hauptanforderung ist der zuverlässige Transport. Bei Video und vor allem bei Audio ist Jitter extrem kritisch. Schon kleinste Störungen in der Übertragung wirken sich auf das Bild oder den Ton aus. Auch an der Bandbreite unterscheiden sich die Anforderungen der unterschiedlichen Anwendungen. Im Gegenzug zu und Fernanmeldungen haben Videoanwendungen in allen Formen einen großen Bedarf an Bandbreite QoS-Techniken zur Erzielung einer hohen Dienstgüte Nachdem in dem letzten Abschnitt die Qualitätsanforderungen von Anwendungen vorgestellt wurden, widmet sich der folgende Absatz den Verfahren bzw. Techniken zur Realisierung einer hohen Qualität. Das Ziel ist eine zuverlässige und effiziente Datenübertragung. In der Praxis werden oftmals mehrere Verfahren kombiniert, da es kein Verfahren gibt, was alle QoS-Anforderungen abdeckt und die höchste Dienstgüte bietet. Puffern Bei Audio- oder Videoübertragung ist das Puffer-Verfahren sehr nützlich und wird daher oft bei Audio- oder Videostreaming eingesetzt. Dabei wird der empfangene Datenfluss auf der Empfängerseite für eine kurze Zeit gepuffert, meistens für die ersten 10 Sekunden. Als vorteilhaft erweist sich, dass unerwünschte Jitter zum größten Teil verringert werden. Sobald die Wiedergabe der Datei beginnt, werden die zuvor gepufferten Datenpakete aus dem Puffer entnommen. Das Abspielen erfolgt in einheitlichen Intervallen und weist keine ruckartige Störungen auf. Dennoch kann es passieren, dass einige Datenpakete verzögert ankommen und schließlich nicht verfügbar sind, wenn diese wiedergegeben werden sollen. Die Wiedergabe stoppt, bis das fehlende Paket angekommen ist. Traffic Shaping Traffic Shaping bedeutet Glättung des Datenverkehrs auf der Server- Seite. Dieses Verfahren wird eingesetzt, um die Absendung der Datenpakete in unregelmäßigen Zeitintervallen zu vermeiden, um so den Datenfluss von Datenpaketen kontrolliert steuern zu können. Bei einer virtuellen Verbindung vereinbaren der Benutzer und das Teilnetz (d.h. der Kunde und der Netzbetreiber) ein bestimmtes Verkehrsmuster. Der Betreiber garantiert dem Kunden eine genaue zeitliche Zustellung, solange der Kunde die Datenpakete nach dem zuvor abgestimmten Verkehrsmuster sendet. Das Ziel ist es, die Überlastung des Netzes einzuschränken. Die zwei bekanntesten Verfahren zum Traffic Shaping sind der Leaky- 14

16 Bucket-Algorithmus und der Token-Bucket-Algorithmus [5]. Beide Verfahren werden im Nachfolgenden vorgestellt. Leaky-Bucket-Algorithmus Der Leaky-Bucket-Algorithmus (übersetzt: Algorithmus des undichten Eimers) ist ein System mit einer integrierten Warteschlange, mit der die Menge der übertragenden Datenpakete geregelt wird. Jeder Verbindungsknoten enthält eine endliche Warteschlange mit einer maximal begrenzten Senderate. Die zu versendenden Datenpakete ordnen sich in der Warteschlange an. Wenn diese jedoch voll ist, werden die neu ankommenden Pakete verworfen. Dieses Verfahren wandelt einen unregelmäßigen Pakettransport in einen regelmäßigen Pakettransport um. Datenpakete verlassen den Eimer mit einer konstanten Rate nach der FIFO (First In First Out)-Strategie. Dies bedeutet, dass Pakete, die als erste ankommen auch als erste weitergesendet werden. Der Nachteil ist, dass die Wichtigkeit der Datenpakete nicht einbezogen wird. Als vorteilhaft dagegen erweist sich die verringerte Netzüberlastung, da die Pakete in einer festen Rate verschickt werden. Token-Bucket-Algorithmus Der zweite Algorithmus, der die Menge der übertragenden Daten regelt, heißt Token-Bucket-Algorithmus (übersetzt: Token-Eimer- Algorithmus). Im Gegensatz zu dem Leaky-Bucket-Algorithmus, ist dieser Algorithmus flexibler und verliert nie Datenpakete. Um Pakete übertragen zu können, werden Token, sogenannte Marken, benötigt. Die Gesamtanzahl der Token gibt den maximalen Datendurchsatz auf der Ausgangsseite an. Token werden mit einer konstanten Geschwindigkeit in den Eimer gelegt. Dieser kann bis zu einer bestimmten Anzahl dieser Marken beinhalten. Beim Versenden jeder Nachricht wird jeweils ein Token verwendet. Wenn keine Token mehr im Eimer vorhanden sind, wird das Verfahren gestoppt, bis weitere Token erzeugt werden. Positive Unterschiede zum Leaky-Bucket- Algorithmus sind, dass keine Datenpakete verworfen werden, sobald der Eimer voll ist. Es ist auch möglich mehrere Pakete gleichzeitig zu versenden. Weiterleitungsmechanismen Um Datenpakete so schnell wie möglich an ihr Ziel zu bringen, werden verschiedene Algorithmen entwickelt. Die Router versuchen mit bestimmten Routing-Algorithmen den besten Pfad, der zum Ziel führt, zu finden. Man unterscheidet zwischen dem Fair Queueing und dem Weighted Fair Queueing -Algorithmus. Beim Fair Queueing hat der Router für jede Ausgangsleitung mehrere Warteschlangen, dabei wird die Übertragung von mehreren Datenströmen meist nach dem Round-Robin- Verfahren durchgeführt. Dies bedeutet, dass jeder Host die Möglichkeit hat, eines von n Paketen zu versenden. Beim Weighted Fair Queueing hingegen wird zusätzlich, neben der Gleichbehandlung der Pakete, auch die Priorität dieser beachtet. Nachrichten bzw. Datenpakete können nach Prioritäten eingestuft werden. Dabei werden die Pakete mit der höchsten Priorität zuerst weitergeleitet. Dies ist zum Beispiel bei der Videoübertragung sehr entscheidend, um Störungen in der Bild- oder Tonübertragung zu vermeiden. Diese Datenpakete müssen höher eingestuft werden, als beispielsweise Pakete, die nur Dateien ( oder PDF-Dokumente) verschicken QoS-Erweiterungen Die Übertragung multimedialer Informationen (z.b. bei einer Videokonferenz) zählt oft zu den typischen Anwendungsbeispielen für QoS-fähige Netze. Dabei sind niedrige Paketlaufzeiten wünschenswert, also eine bevorzugte Weiterleitung der Pakete in den Routern. Je 15

17 nach Art der zu übertragenden Daten sind die Anforderungen sehr unterschiedlich. Bei Live-Übertragungen ist es entscheidend, dass die Datenpakete direkt und ohne Verzögerung beim Empfänger ankommen, um die QoS-Anforderungen zu erfüllen. Andererseits ist die Verzögerungstoleranz bei einem Verkehr deutlich größer. Hierbei dürfen Wartezeiten höher ausfallen. Verfahren, mit denen QoS für bestimmte Anwendungen verbessert und erhöht werden kann, wurden bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert. Im folgenden Abschnitt werden zwei wichtige Konzepte vorgestellt, mit deren Hilfe Netze um QoS-Funktionalität erweitert werden können. Diese Verfahren nennt man Integrated Services (IntServ) und Diff erentiated Services (DiffServ). Bei der Verarbeitung arbeiten beide Verfahren sehr ähnlich. Nur in der Einstufung und Analyse der einzelnen Datenpakete treten einige Unterschiede auf [8]. IntServ IntServ steht für Integrated Services. Darunter versteht man ein QoS-Verfahren zur Priorisierung von IP-Paketen. Bei diesem Verfahren wird angenommen, dass die Ressourcen knapp sind. Somit findet eine explizite Reservierung der Ressourcen für einzelne Verbindungen statt. Das dafür benötigte Hauptprotokoll ist das RSVP (Resource Reservation Protocol). Des Weiteren unterstützt IntServ zwei Dienstklassen [10], in die die IP-Pakete eingeordnet werden. Guaranteed Service: Diese spezielle Dienstklasse garantiert einer Anwendung eine maximale Bandbreite, die zuvor von der Anwendung reserviert wurde. Gleichzeitig wird versichert, dass ein Paketverlust ausgeschlossen ist. Guaranteed Service ist intolerant gegenüber Verzögerungen und ist in Anwendungen wie VoIP oder Videokonferenzen wiederzufinden. Controlled Load Service: Diese QoS-Klasse sorgt dafür, dass eine bestimmte Anzahl der empfangenen Pakete nicht die minimale Transportverzögerung überschreitet. Es ist für Anwendungen gedacht, die verzögerungstolerant sind, aber dennoch eine bessere QoS beanspruchen, als diese durch den Best-Effort-Service bereitgestellt wird. Für Echtzeit-Anwendungen ist diese Klasse ungeeignet, dagegen wird sie in Internetradio-Anwendungen zu finden sein. Sogar in Paket-Stausituationen werden nach geringen Verzögerungen die Pakete dem Empfänger zugestellt. RSVP ermöglicht im Internet Reservierungen von Bandbreiten vorzunehmen. Außerdem ist gewährleistet, dass mehrere Sender an mehrere Empfängergruppen Daten übertragen können. Wenn Kanäle überlastet sind, besteht die Alternative, dass einzelne Empfänger zwischen Kanälen wechseln können. In der folgenden Abbildung ist der Reservierungsvorgang [11] zwischen Sender und Empfänger dargestellt. 16

18 Abbildung 3.3: RSVP Reservierungsvorgang zwischen Sender und Empfänger Um Ressourcen zu reservieren, sendet der Sender eine PATH-Nachricht an die Empfänger (Unicast oder Multicast). Parallel werden die Pfade vom Sender zum Empfänger ermittelt, die dabei passierten Router protokollieren die Durchläufe. Sobald die PATH-Nachricht bei den Empfängern angekommen ist, schicken diese als Antwort eine RESV-Nachricht (Reservation Request) zurück. Diese beschreibt die Anforderungen für die Reservierung der Ressourcen. Zwischenrouter, die eine RESV-Nachricht empfangen haben, führen zwei weitere Dienste aus. Admission Control überprüft, ob der aktuelle Knoten ausreichend Ressourcen verfügt und die gewünschten QoS-Anforderungen bereitstellen kann. Policy Control überprüft, ob der Anwender die entsprechenden Rechte nachweisen kann, um die Reservierungen durchzuführen. Eine Reservierung der Ressourcen findet erst statt, wenn beide Überprüfungen positiv waren. Bei der nachfolgenden Paketübertragung werden die Datenpakete einer QoS-Klasse zugeordnet (Classifier). Anschließend bringt der Scheduler die Pakete in eine bestimmte Reihenfolge, in der die Pakete weitergeleitet werden [12]. Kommt die RESV-Nachricht beim Sender an, kann er davon ausgehen, dass die Reservierung der Ressourcen erfolgreich stattgefunden hat. Schließlich kann der Sender seinen Übertragungsvorgang starten und die Daten an den oder die Empfänger schicken. Alle dazugehörigen Pakete folgen dem Pfad durch die Netzwerkzwischenknoten. Dennoch lässt sich nicht verschweigen, dass auch dieses Verfahren Probleme aufweist. Die Skalierbarkeit (Verhalten von Algorithmen bezüglich des Ressourcenbedarfs [13]) von RSVP ist nicht akzeptabel. Dieses Problem lässt sich mit DiffServ lösen. DiffServ DiffServ steht abgekürzt für Differentiated Services (DS) und ist eine Weiterentwicklung von IntServ. Ein zusätzliches Signalisierungsprotokoll wird hier nicht benötigt, da keine Ressourcenreservierung für einzelne Datenflüsse vorgenommen wird. Dagegegen ist eine effektive Zuteilung der Ressourcen an verschiedene Anwendungen die Lösung von DiffServ. Das Hauptziel von DiffServ ist es, einen skalierbaren Mechanismus bereitzustellen, mit dem die QoS-Anforderungen realisiert werden können [14]. Ankommende IP-Pakete werden in bestimmte Klassen unterteilt und die Reservierung der Ressourcen (Bandbreite) wird für die gesamte Klasse vorgenommen. Die Klassifizierung der einzelnen IP-Pakete erfolgt anhand des DS-Feldes im IP-Header. Als DS-Feld wird das Type of Service (TOS) Feld im IPv4-Header und das Traffic Class Feld im IPv6- Header bezeichnet. Die ersten 6 Bits des DS-Feldes, welches insgesamt eine Größe von einem Byte hat, klassifizieren die Klasse. Man bezeichnet es als Differentiated-Service-Codepoint (DSCP)-Feld. Die restlichen 2 Bits werden nicht gebraucht und somit auf 0 gesetzt. Daraus folgt, dass es 64 (2 6 ) unterschiedliche Klassen gibt, um QoS-Anforderungen zu gewährleis- 17

19 ten. Mehrere IP-Pakete der gleichen Klasse werden zusammengefasst und gemeinsam weitergeleitet. Alle IP-Pakete einer Klasse erhalten denselben Per-Hop-Behavior (PHB). Dieser gibt an, wie die Pakete in den Router weitergeleitet werden, abhängig von den gesetzt Bits im DSCP-Feld. Die auf dem Weg zum Empfänger durchquerten Router erfassen die Priorisierung der Pakete und behandeln diese nach der Klassifizierung. Dafür gibt es zwei Verfahren. Expedited Forwarding: Dieses Verfahren beschreibt ein Express-Weiterleitungsverfahren mit geringem Paketverlust. Eine Verkehrskontrolle an den Grenzen der DS-Domäne (eine Menge von Knoten, die DiffServ unterstützen) sorgt dafür, dass die Ankunftsrate von Paketen kleiner ist als die Abgaberate in den Routern. Mit dieser Voraussetzung werden Qualitäten mit geringem Paketverlust, geringen Verzögerungen und der zugesicherten Bandbreite garantiert. Dieser Mechanismus eignet sich gut für Voice over IP (VoIP)-Dienste, wobei diese Merkmale erforderlich sind [15]. Assured Forwarding: Dieser Mechanismus ist eine gesicherte Weiterleitung von Paketen und ermöglicht unterschiedliche Arten von Qualitätszusicherungen. Er besteht aus vier Prioritätsklassen, wobei jede Klasse ihre eigenen Ressourcen (Bandbreite) hat. Innerhalb jeder Klasse gibt es drei Abstufungen im Hinblick auf den maximal zulässigen Paketverlust. Insgesamt ergibt sich eine Anzahl von 12 unterschiedlichen QoS-Klassen. Somit ist jedes IP-Paket einer Klasse zugeordnet und mit einer Verlustwahrscheinlichkeit versehen. Bei einem überlasteten Knoten, versucht dieser IP- Pakete mit geringer Verlustwahrscheinlichkeit zu schützen, indem er IP-Pakete mit höherer Verlustwahrscheinlichkeit verwirft. Beispielsweise bietet sich dieser Mechanismus bei den Frame-Typen eines MPEG-Stromes an [15]. Zusammenfassend kann man sagen, dass DiffServ dem IntServ weit überlegen ist. Die Skalierungsprobleme die bei IntServ auftreten werden bei DiffServ vermieden. Außerdem ist die Weiterleitung von IP-Paketen innerhalb des DS-Netzes vereinfacht, da die Router sich nur nach dem DS-Feld richten und die Pakete dementsprechend weiterleiten. Es sind somit keine Vorabeinrichtungen, keine Ressourcenreservierung und keine Berücksichtigung der einzelnen Datenflüsse notwendig. 3.3 Verfahren zur Übertragung von Videodaten Grundsätzlich gibt es zwei Verfahren um Videodaten über das Internet zu übertragen. Dies sind zum einen der Progressive Download und zum anderen das Videostreaming [1]. In diesem Abschnitt werden diese näher vorgestellt und gleichzeitig die wesentlichen Unterschiede erläutert. Bei den beiden Verfahren werden die Daten in sogenannte Datenpakete unterteilt und einzeln auf die Reise geschickt. Bei der Videoübertragung ist es wünschenswert, dass alle Datenpakete rechtzeitig ankommen, da es sich bei dieser Übertragung um einen kontinuierlichen Datenstrom handelt. Trotzdem kann nicht immer gewährleistet werden, dass alle Pakete korrekt und vollständig ankommen. Dementsprechend wird ein geringer Verlust einzelner Pakete toleriert. 18

20 3.3.1 Progressive Download Der Progressive Download ist vergleichbar mit dem Standard-Download einer Datei. Für die Datenübertragung, die über HTTP- und TCP-Protokolle stattfindet, wird ein gewöhnlicher Webserver benötigt. Folglich entstehen keine weiteren Kosten für dieses Verfahren. Zu Beginn des Downloads wird ein Teil der Daten in einen lokalen Pufferspeicher geladen. Dieser bestimmt die Wartezeit für den Anwender, vom Starten des Videos bis zum Beginn der Wiedergabe. In den Voreinstellungen der Abspielsoftware, die nur auf der Nutzerseite notwendig ist, kann die Größe des Pufferspeichers meistens eingestellt werden. Weit verbreitete Abspielplayer sind Windows Media Player, Flash Player, QuickTime Player, Real-Player und VLC-Player. Ein großer Vorteil des Progressiven Downloads ist es, dass der Anwender sich das Video im Laufe des Downloads anschauen kann, während im Hintergrund alle restlichen Datenpakete nachgeladen und temporär auf der Festplatte abgespeichert werden. Das Abspielen des Videos läuft unterbrechungsfrei ab, wenn die Bandbreite der Internetverbindung beim Nutzer höher als die Datenrate des Videos ist. Entstehen dennoch Unterbrechungen beim Download, wird das Abspielen des Videos pausiert, bis wieder genügend Daten nachgeladen wurden. Somit werden auch die Benutzer eines langsamen Internet-Zugangs nicht ausgeschlossen, sie müssen nur mit längeren Wartezeiten rechnen. Dennoch gibt es einige Nachteile, die gegen das Progressive Download-Verfahren sprechen. Einerseits beobachtet man eine Einschränkung der Interaktivität, da es z.b. für den Anwender keine Möglichkeit besteht, die Wiedergabe zu manipulieren. Pausieren, erneut Starten oder Springen in der Wiedergabedatei ist nur dann möglich, wenn die Datei bis zur gewünschten Stelle bereits heruntergeladen ist. Auch wenn der Anwender sich nur bestimmte Ausschnitte des Videos anschauen möchte, muss dafür die komplette Datei heruntergeladen werden. Dies lässt den Datenverkehr auf der Seite des Nutzers und des Servers rapide ansteigen. Neben den Nachteilen gibt es einen entscheidenden Vorteil dieses Verfahrens. Die Bildqualität bleibt immer konstant, da keine dynamische Anpassung an die verfügbare Bandbreite stattfindet. Falls bei der Übertragung Datenpakete verloren gegangen sind, werden diese erneut versendet. Das Endprodukt ist das vollständige Video, was immer in der gleichen Qualität ankommt Streaming Das zweite Verfahren in der Videoübertragung ist das Streaming. Hier werden die Datenpakete mit Hilfe von speziellen Protokollen, die auf diese Art der Übertragung zugeschnitten sind, über das Internet transportiert. Die besonderen Protokolle sind das Real-Time Transport Protocol, das zusätzliche Hilfsprotokoll Real-Time Control Protocol und das Real-Time Streaming Protocol. RTP Das Real-Time Transport Protocol (RTP) wurde mit der Popularität der Echtzeit-Multimedia-Anwendungen entwickelt. Es ist speziell für das Streamen von Audio- und Videodaten vorgesehen und gewährleistet einen durchgängigen Transport von Daten. Eine Qualitätsgarantie der Übertragung wird nicht gegeben, da der Transport auf der Basis des UDP Protokolls ausgeführt wird. Dagegen wird Unicast und Multicast von UDP unterstützt. Die Grundfunktionalität von RTP ist das Multiplexen (Zusammenführung von mehreren Datensignalen) verschiedener Echtzeit-Datenströme in einen einzigen Datenstrom. Die genaue Schicht der Implementierung ist schwer zu definieren. Einerseits läuft RTP im Benutzerbereich und ist mit der Benutzeranwendung verknüpft, aber andererseits stellt es eine 19

21 Transporteinrichtung zur Verfügung. Die wahrscheinlich beste Beschreibung ist, dass es ein Transportprotokoll ist, das in der Anwendungsschicht implementiert ist. [5] Bei der Übertragung von Videodaten werden die Datenströme multiplext, kodiert und anschließend in RTP-Pakete verpackt. Aus diesen werden UDP-Pakete erzeugt und in IP-Pakete und anschließend in Ethernet-Pakete integriert. Dann können diese versendet werden. Bei jeder neuen Paketverschachtelung kommt der Header-Teil natürlich ebenfalls hinzu. Hauptbestandteile des 12 Byte großen RTP-Headers sind Versionsnummer, Sequenznummer, Zeitstempel, Informationen über Codec und Synchronisation. Die sequenzielle Durchnummerierung der Pakete dient dazu, dass man die unterwegs verlorenen Pakete identifizieren kann. Dabei wäre eine erneute Übertragung des verlorenen Paketes keine ideale Lösung, da mit einer hohen Wahrscheinlichkeit das erneut übertragene Paket viel zu spät beim Empfänger eintreffen würden, um noch nützlich zu sein. RTP unterstützt keine Bestätigung der empfangenen Datenpakete, keine Flusskontrolle, keine Fehlerkontrolle und keinen Mechanismus, um verlorene Datenpakete erneut anzufordern. RTCP Für die Steuerung der Übertragung ist das Real-Time Control Protocol (RTCP) zuständig. Es verwaltet die Feedbacks vom Client, also Informationen über die Übertragungsverzögerung, Bandbreite, Überlastung und weitere Netzeigenschaften. Diese entscheidenden Informationen gelangen an die Quelle (Server), wobei diese angemessen darauf reagieren kann, z.b. mit einer Erhöhung der Datenübertragungsrate. Synchronisation und Benutzerschnittstellen gehören ebenfalls zu den Verwaltungsaufgaben von RTCP. Das Protokoll überträgt keine Video-/Audiodaten. RTSP RTSP steht für Real-Time Streaming Protocol und ist für die Steuerung der permanenten Übertragung von Datenströmen zuständig. Es stellt Möglichkeiten zur Verfügung, mit denen man Audio- oder Videoströme manipulieren kann, wie z.b. Pause, Vorwärts- und Rückwärtsspulen und Stoppen. Auch bei diesem Protokoll werden keine Video-/Audiodaten übertragen. RTSP bietet die Wahl zwischen TCP und UDP und zwischen Multicast und Unicast an. RTSP arbeitet ähnlich wie HTTP, mit vergleichbarer Syntax und Semantik, nur dass es mit Audio- oder Videodateien abläuft [16]. Grundsätzlich ist beim Streaming-Verfahren nicht gewährleistet, dass alle Datenpakete das Ziel (Anwender) erreichen. Dementsprechend werden Verluste hingenommen, da die menschliche Wahrnehmung in einem bestimmten Rahmen tolerant gegenüber Bildfehlern ist. Wenn einige Datenpakete fehlen bewirkt dies keine Unterbrechung der Videowiedergabe, sondern eine Verschlechterung der Bildqualität. Der Qualitätsverlust kann bis zu Tonunterbrechungen führen, wenn zahlreiche Datenpakete auf dem Weg zum Anwender verloren gegangen sind. Für dieses besondere Verfahren sind meistens zwei Server notwendig. Die nachfolgende Grafik verdeutlicht dies. 20