Kapitel 7 Multimedia Netzwerke

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1 Kapitel 7 Multimedia Netzwerke Ein Hinweis an die Benutzer dieses Foliensatzes: Wir stellen diese Folien allen Interessierten (Dozenten, Studenten, Lesern) frei zur Verfügung. Da sie im PowerPoint-Format vorliegen, können Sie sie beliebig an Ihre Bedürfnisse anpassen. Wir haben sehr viel Arbeit in diesen Foliensatz investiert. Als Gegenleistung für dessen Verwendung bitten wir Sie um Folgendes: Wenn Sie diese Folien (z.b. in einer Vorlesung) verwenden, dann nennen Sie bitte die Quelle (wir wollen ja, dass möglichst viele Menschen unser Buch lesen!). Wenn Sie diese Folien auf einer Webseite zum Herunterladen anbieten, dann geben Sie bitte die Quelle und unser Copyright an diesem Foliensatz an. Danke und viel Spaß beim Lehren und Lernen mit diesem Foliensatz! JFK/KWR Copyright der englischen Originalfassung J.F Kurose and K.W. Ross, alle Rechte vorbehalten. Deutsche Übersetzung 2008 M. Mauve und B. Scheuermann, alle Rechte vorbehalten. Computernetzwerke: Der Top-Down-Ansatz, 4. Ausgabe. Jim Kurose, Keith Ross Pearson, Juli Computernetzwerke

2 Was ist Dienstgüte/Quality of Service (QoS)? Multimedia-Anwendungen: Audio- und Videoübertragung ( kontinuierliche Medien ) QoS Netzwerk liefert die Dienstgüte, welche für die jeweilige Anwendung notwendig ist. Computernetzwerke

3 Ziele dieses Kapitels Grundlagen Klassifikation von netzwerkbasierten Multimedianwendungen Bestimmen der Netzwerkdienste, die für die Anwendungen benötigt werden Best-Effort -Dienste optimal ausnutzen Protokolle und Architekturen Protokolle für Best-Effort-Netzwerke Mechanismen, um QoS bereit zu stellen Architekturen zur Bereitstellung von QoS Computernetzwerke

4 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

5 Netzwerkbasierte Multimedianwendungen Verschiedene Klassen: Streaming von gespeichertem Audio/Video Streaming von Live- Audio/Video Interaktives Audio/Video Neues Kriterium: Jitter (Verzögerungsschwankung) Bezeichnet die Schwankung der Verzögerung zwischen Sender und Empfänger. Zentrale Eigenschaften: Die Übertragungsverzögerung spielt eine wichtige Rolle Ende-zu-Ende-Verzögerung Jitter Aber: tolerant gegenüber Paketverlusten! Seltene Verluste beeinträchtigen die Qualität der Anwendung nur geringfügig. Das ist ganz anders als in der gewöhnlichen Daten-kommunikation! Computernetzwerke

6 Streaming von gespeichertem Audio/Video Streaming: Audio/Video ist auf einem Server gespeichert...und wird zu einem Client übertragen Streaming: der Client beginnt mit dem Abspielen, bevor die vollständigen Daten übertragen wurden Anforderung: Daten müssen beim Client ankommen, bevor dieser sie zum Abspielen benötigt Computernetzwerke

7 Streaming: Wie funktioniert das? Kumulierte Daten 1. Video wird aufgezeichnet 2. Video wird übertragen Netzwerkverzögerung 3. Video wird empfangen und abgespielt Zeit Streaming: der Client spielt das Video bereits ab, während der Server immer noch weitere Teile des Videos an den Client überträgt. Computernetzwerke

8 Streaming: Interaktivität beim Abspielen Funktionalität eines Videorekorders: Pause, Zurückspulen, schneller Vorlauf, schneller Rücklauf Kontrolliert durch den Client 10 Sekunden initiale Verzögerung für das Abspielen 1-2 Sekunden, bis ein Befehl ausgeführt wird Häufig verwendet: RTSP (mehr dazu später) Schneller Vorlauf nicht möglich, Rücklauf und Pause sind möglich Computernetzwerke

9 Interaktive Echtzeit-Multimediaanwendungen Anwendungen: IP-Telefonie Videokonferenz Voicechat Verteilte VR-Anwendungen / Online-Spiele Anforderungen an die Ende-zu-Ende-Verzögerung: Audio: < 150 ms gut, < 400 msec OK Netzwerk- und Anwendungsverzögerung Höhere Verzögerungen stören! Fragen zum Aufbauen einer Sitzung Woher kennt der Anrufer IP-Adressen, Port Nummern, Mediencodierung? 7-9 Computernetzwerke 2011

10 Multimedia über das Internet TCP/UDP/IP: Best-Effort-Dienste keine Garantien bezüglich Verzögerung oder Verlusten??????? Aber wir haben doch eben gesehen, dass Multimedia Dienstgüte benötigt???? Aktuelle Multimedia-Anwendungen verwenden Techniken auf der Anwendungsschicht, um die Auswirkungen von Verzögerungen und Verlusten zu minimieren 7-10 Computernetzwerke 2011

11 Wie soll das Internet für Multimedia sich entwickeln? Overprovisioning Keine signifikanten Änderungen Bei Problemen: mehr Bandbreite Content Distribution schlaue Anwendungen Integrated Services: Grundlegende Änderungen, so dass Anwendungen Ende-zu-Ende Reservierungen durchführen können Erfordert neue und komplexe Software in Endsystemen und Routern Differentiated services: Wenige, leichtgewichtige(re) Änderungen Einführung von Dienstklassen: Pakete erster Klasse Pakete zweiter Klasse Was ist Ihre Meinung? Computernetzwerke

12 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

13 Streaming von gespeichertem Audio/Video Streaming umfasst eine Reihe von Mechanismen auf der Anwendungsschicht, um den Best-Effort-Dienst des Internet optimal zu nutzen: Puffern im Client, um Jitter auszugleichen Verwenden von UDP statt TCP Verwenden geeigneter Kompressionsverfahren Error Concealment (Verstecken von Fehlern) Diese Mechanismen sind Bestandteil des Abspielprogramms und nicht des Netzwerkes! Computernetzwerke

14 Trivialer Ansatz Audio und Video werden in Dateien auf einem Web-Server abgelegt und als Objekte per HTTP übertragen Dies ist kein Streaming: Die Datei vollständig heruntergeladen bevor dem Abspielen Browser lädt eine Beschreibungsdatei per HTTP-GET Browser startet den Media Player und übergibt die Datei Player kontaktiert den Webserver Webserver streamt die Datei (z.b. per HTTP) zum Player Computernetzwerke

15 Streaming von einem dedizierten Server Durch diese Architektur kann ein dediziertes Protokoll zum Streaming der Multimediadaten verwendet werden Dies ist in der Regel effizienter Außerdem kann UDP statt TCP zum Einsatz kommen Computernetzwerke

16 Real streaming? Kumulierte Daten 1. Video wird aufgezeichnet 2. Video wird übertragen Netzwerkverzögerung 3. Video wird empfangen und abgespielt Zeit Streaming: der Client spielt das Video bereits ab, während der Server immer noch weitere Teile des Videos an den Client überträgt. Computernetzwerke

17 Pufferung im Client Kumulierte Daten Übertragung mit konstanter Rate variable Netzwerkverzögerung Empfang mit variabler Rate gepufferte Daten Abspielen der Daten mit konstanter Rate Verzögerung durch Pufferung Zeit Jitter verursacht eine variable Verzögerung von Pakete Die Pufferung im Client kompensiert den Jitter Computernetzwerke

18 Streaming Multimedia: Client-Puffer Die Pufferung im Client kompensiert den Jitter der Netzwerkverzögerung! 7-18 Computernetzwerke 2011

19 Streaming: UDP oder TCP? UDP Server sendet mit einer angemessenen Rate (ohne auf Überlast im Netzwerk ( nehmen Rücksicht zu Häufig: Senderate = Rate des Encoders = konstant Dann gilt: variable Rate = Rate des Encoders - Verluste Kleiner Puffer, um den Jitter auszugleichen Übertragungswiederholungen: falls es zeitlich Sinn macht TCP Sende mit der maximalen TCP-Rate Diese schwankt stark aufgrund der Überlastkontrolle Zusätzlich: verzögerte Auslieferung durch Übertragungswiederholungen Daher: größerer Puffer notwendig Aber: HTTP/TCP hat mit Firewalls weniger Probleme als UDP Computernetzwerke

20 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

21 Internaktive Echtzeitanwendungen Wir betrachten im Folgenden die Telefonie als Beispiel! Telefonie zwischen PCs Skype PC-Telefon Dialpad Net2phone Skype Videokonferenzen Skype Polycom Computernetzwerke

22 Internettelefonie als Beispiel Eigenschaften der Daten: Abwechselnd sprechen und pausieren Während des Sprechens werden Daten erzeugt z.b. mit 64kBit/s, falls ISDN-Codierung verwendet wird (hier betrachtet)...oder deutlich weniger bei geringerer Qualität oder besserer Kompression Wenn Daten übertragen werden Stücke von 20 ms mit 8 kbyte/s = 160 Byte Header für die Anwendungsschicht, die zur Übertragung der Audiodaten verwendet wird Daten+Header werden in UDP eingepackt Während des Sprechens sendet die Anwendung ein UDP- Paket alle 20ms Computernetzwerke

23 Internettelefonie: Paketverluste und Verzögerung Verlust im Netzwerk: IP-Paket geht im Netzwerk verloren Häufigster Grund hierfür: Netzwerküberlast = Überlauf einer Warteschlange eines Routers Verlust durch Verzögerung: IP-Paket kommt zu spät beim Empfänger an...und kann nicht mehr abgespielt werden Verzögerungen durch: Codierung/Decodierung im Sender/Empfänger das Netzwerk Maximal tolerierbare Verzögerung: ca. 400ms Toleranz gegenüber Verlusten: In Abhängigkeit von der Kodierung können Verlustraten von 1% bis 10% toleriert werden. Computernetzwerke

24 Konstanten Abspielgeschwindigkeit erhalten Empfänger versucht, jedes Sample genau q ms (Abspielverzögerung) nachdem es generiert wurde abzuspielen Jedes Sample hat einen Zeitstempel t und wird zum Zeitpunkt t+q abgespielt Wenn ein Sample später als zum Zeitpunkt t+q eintrifft, dann wird es verworfen Wahl von q: Großes q: weniger Samples müssen verworfen werden Kleines q: höhere Interaktivität Computernetzwerke

25 Beispiel Sender erzeugt alle 20 ms ein Paket Das erste Paket wird zum Zeitpunkt r empfangen Erster Abspielplan: beginnt zum Zeitpunkt p Alternativer Abspielplan: beginnt zum Zeitpunkt p Computernetzwerke

26 Adaptive Bestimmung der Wiedergabeverzögerung Ziel: Wiedergabeverzögerung und verworfene Informationen minimieren Idee: adaptive Bestimmung der Wiedergabeverzögerung: Schätze die Netzwerkverzögerung ab, wenn ein Teilnehmer beginnt zu sprechen Die Perioden, in denen ein Teilnehmer nichts sagt, werden verkürzt oder verlängert, um die Veränderung der Wiedergabeverzögerung zu kompensieren Abspielen der Samples erfolgt immer noch alle 20 ms Adaptive Bestimmung: t i =Zeitstempel des i-ten Paketes r i =Ankunftszeit des i-ten Paketes d i =geschätzte Netzwerkverzögerung nach dem i-ten Paket u ist eine feste Konstante (z.b. u=0.01) Fortschreiben der Schätzung durch exponentielle Glättung: d i =(1-u)d i-1 +u(r i -t i ) Computernetzwerke

27 Adaptive Bestimmung der Wiedergabeverzögerung Zusätzlich wird die durchschnittliche Abweichung von der geschätzten Verzögerung bestimmt: vi=(1-u)v i-1 +u r i -t i -d i Die Werte d i und v i werden für jedes Paket bestimmt, werden aber nur dann verwendet, wenn ein Teilnehmer beginnt zu sprechen. Für das erste Paket nach einer Pause gilt dann: p i = Abspielzeit, K = Konstante p i =t i +d i +Kv i Die restlichen Pakete bis zur nächsten Pause werden dann wieder periodisch abgespielt. Computernetzwerke

28 Adaptive Bestimmung der Wiedergabeverzögerung Wie bestimmt der Empfänger ob ein Paket das erste Paket nach einer Pause ist? Wenn keine Paketverluste auftreten können: Beobachten der Zeitstempel von aufeinander folgenden Paketen Wenn sich diese um mehr als 20 ms unterscheiden, dann gab es eine Pause Wenn Paketverluste möglich sind: Einführen einer Sequenznummer Wenn zwei aufeinanderfolgende Pakete laut Sequenznummer weiter als 20 ms auseinander liegen, dann gab es eine Pause Computernetzwerke

29 Behandlung von Paketverlusten 1. Möglichkeit: Verwenden von Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction (FEC)): Für jede Gruppe von n Paketen wird ein Redundanzpaket erzeugt: z.b. XOR der n Pakete Es werden n+1 Pakete übertragen n Pakete können wieder hergestellt werden, wenn maximal eins von diesen n+1 Paketen verloren geht Die Wiedergabeverzögerung muss so gewählt werden, dass die n+1 Pakete empfangen werden können, bevor das erste davon abgespielt wird n wird grösser: weniger Redundanz übertragen steigt die Wiedergabeverzögerung steigt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass zwei Pakete verloren gehen, das kann dann nicht mehr (mit diesem Verfahren) behoben werden Computernetzwerke

30 Behandlung von Paketverlusten 2. Möglichkeit: Hinzufügen eines zweiten Stromes mit niedriger Qualität Zweiter Strom wird als Redundanz geschickt Beispiel: Datenstrom als PCM mit 64 kbit/s Redundanz als GSM mit 13 kbit/s Immer dann, wenn nicht zwei Pakete hintereinander verloren gehen, kann der Empfänger den Verlust verbergen Erweiterbar: Redundanz kann auch an die folgenden n Pakete angehängt werden Computernetzwerke

31 Behandlung von Paketverlusten Interleaving: Samples werden in kleinere Einheiten zerlegt z.b. 4-5 ms pro Einheit Ein Paket enthält Einheiten von mehreren Samples Wenn ein Paket verloren geht, dann kann man das Sample zum großen Teil wieder herstellen Keine Redundanz Aber höhere Abspielverzögerung Computernetzwerke

32 Content-Distribution-Netzwerke (CDNs) Verzögerung minimalisieren Redundanz Die Anbieter von Inhalten sind die Kunden der CDNs Vorhalten von mehreren Kopien (replicas) der Inhalte mehrere Hunderte von CDN- Server im Internet in der Nähe der Benutzer. Das CDN vervielfältigt die Inhalte des Kunden auf ihren Servern. Verändert der Kunde des CDN den Inhalt, werden alle Server des CDN mit diesem aktualisiert. ex: Akamai Computernetzwerke

33 CDN Beispiel Ursprungsserver Stellt HTML-Seiten bereit ersetzt: Durch: highlights.mpg CDN Betreiber cdn.com Verteilt Inhalte Verwendet seinen DNS Server, um die Anfragen umzuleiten Computernetzwerke

34 CDNs - Details Der CDN-Provider erstellt eine Karte mit den Distanzen aller IP-Adressen zu seinen eigenen CDN-Servern Vorgehen beim Eintreffen einer Anfrage an einem DNS- Server des CDN Providers: Betrachte die IP-Adresse des Absenders Ermittle den besten CDN-Server für diese Anfrage mittels der erstellten Karte Gib die IP-Adresse dieses Servers in der DNS-Antwort zurück Computernetzwerke

35 Internet und Multimedia Bisher: eine Sammlung von Tricks, um Multimedia-Ströme über das Internet zu übertragen UDP verwenden, um die Überlastkontrolle von TCP zu umgehen Pufferung auf Seite des Clients, um den Jitter und die Verzögerung auszugleichen Medienströme in mehreren Datenraten bereitstellen, um sich an die Netzwerkverbindung zum Client anpassen zu können Mehrere Kopien verschiedener Codierung vorhalten Dynamische Anpassung während des Abspielens Kompensation von Fehlern: FEC, Interleaving ( ist Übertragungswiederholungen (sofern es zeitlich sinnvoll Fehler verbergen: niedrigere Qualitätsstufe abspielen, Abspielen von vorangegangenen Samples Computernetzwerke

36 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

37 Anbieten von mehreren Dienstklassen Bisher: Best-Effort-Dienste optimal nutzen Gleiche Dienste für alle Alternative: Verschiedene Dienstklassen Aufteilen des Datenverkehrs in Klassen Das Netzwerk behandelt die unterschiedlichen Klassen verschieden (Analogie: VIP-Teilnehmer und normaler Teilnehmer) Granularität: Unterschiedliche Dienste für verschiedene Klassen, nicht für jeden einzelnen Datenfluss Ursprung: ToS-Bits 0111 Computernetzwerke

38 Mehrere Dienstklassen: Szenario Computernetzwerke

39 Prinzipien von QoS Beispiel: 1-MBit/s- Telefonverbindung und ein FTP Upload teilen sich einen 1.5-Mbit/s- Link FTP kann im Router Überlast erzeugen Priorität sollte auf dem Audio liegen (wirklich?) 1. Prinzip Das Markieren von Paketen ist notwendig, damit ein Router zwischen verschiedenen Verkehrsklassen differenzieren kann. Computernetzwerke

40 Prinzipien von QoS Was passiert, wenn sich Anwendungen falsch verhalten (z.b. Audio-Rate ist höher als angekündigt)? Policing: Quellen dazu zwingen, sich an die Absprachen zu halten 2. Prinzip Isolation der einzelnen Netzwerkströme Computernetzwerke

41 Prinzipien von QoS Feste Zuordnung von Ressourcen zu Netzwerkströmen: ineffizient, wenn Ströme die Zuordnung nicht ausnutzen! 3. Prinzip Trotz Isolation müssen die Ressourcen so gut wie möglich ausgenutzt werden! Computernetzwerke

42 Was nun? Prinzipien sind nun bekannt! Als nächstes: Mit welchen Mechanismen können diese Prinzipien umgesetzt werden? Computernetzwerke

43 Scheduling - FIFO Scheduling: Wahl des nächsten zu übertragenden Paketes FIFO-Scheduling (First-In-First-Out) : Bearbeitung in der Reihenfolge der Ankunft Discard-Policy: Welches Paket wird verworfen, wenn die Warteschlange voll ist? Drop-Tail: ankommendes Paket Prioritätsbasiert: nach Priorität der Pakete Zufällig: Zufällige Auswahl Active Queue Management: random early discard (RED): statistisch zufällig Computernetzwerke

44 Arbeitsweise einer FIFO-Warteschlange Computernetzwerke

45 Scheduling Prioritätswarteschlange Prioritätswarteschlange: übertragen des Paketes mit der höchsten Priorität Verschiedene Prioritätsklassen: Klasse kann durch Markierung des Paketes oder anhand von Headerinformationen (Quell-/Ziel-IP) bestimmt werden Computernetzwerke

46 Arbeitsweise einer Prioritätswarteschlange Computernetzwerke

47 Scheduling Round Robin Round-Robin-Scheduling: Verschiedene Klassen von Paketen Eine Warteschlange pro Klasse Abwechselndes Bedienen des ersten Paketes jeder Warteschlange Computernetzwerke

48 Scheduling Weighted Fair Queuing Weighted Fair Queuing: Generalisierung von Round-Robin-Scheduling Jede Warteschlange hat ein Gewicht Jeden Zyklus wird jede Warteschlange nach ihrem Gewicht bedient Computernetzwerke

49 Überwachung (Policing) Ziel: Datenverkehr so einschränken, dass er die vereinbarten Parameter nicht überschreitet Drei häufig verwendete Kriterien: Durchschnittliche Rate (long term average rate): wieviele Pakete können über eine längere Zeit hinweg im Durchschnitt pro Zeiteinheit übertragen werden Zentrale Frage: Wie lange ist das Intervall, in dem gemessen wird? 100 Pakete pro Sekunde und 6000 Pakete pro Minute haben den selben Durchschnitt! Maximale Rate (peak rate): zusätzlich zur durchschnittlichen Rate, um zu bestimmen, wie sich die Datenrate über kürzere Zeiträume verhalten darf. z.b Pakete pro Minute durchschnittliche Rate mit einer maximalen Rate von 1500 Paketen pro Sekunde Burst-Größe: maximale Anzahl von Paketen, die in Folge (ohne jede Verzögerung) übertragen werden dürfen Computernetzwerke

50 Überwachung Leaky Bucket Leaky Bucket: begrenzt den Paketfluss auf eine vorgegebene Burst-Größe und gleichzeitig auf eine vorgegebene durchschnittliche Rate. Der Eimer (engl. Bucket) kann maximal b Tokens beinhalten Token werden mit der Rate r Token/Sekunde generiert, solange der Eimer nicht voll ist Übertragen eines Paketes kostet einen Token Über ein Intervall der Länge t gilt dann: Anzahl der übertragenen Pakete ist kleiner oder gleich (r t + b). Computernetzwerke

51 Weighted Fair Queueing + Leaky Bucket Die Kombination von WFQ und Leaky Bucket führt zu einer oberen Grenze für die Verzögerung eines Datenpakets: QoS! Computernetzwerke

52 IETF Differentiated Services Gewünscht sind Dienstklassen Klassen werden unterschiedlich behandelt (aber keine einzelne Flüsse!) Klassen können mit unterschiedlicher Priorität behandelt werden: Platin, Gold, Silber Skalierbarkeit: einfach Funktionen im Inneren des Netzwerkes, komplexe Funktionen am Rand des Netzwerkes (Hosts oder Zugangsrouter) Das Signalisieren und das Aufrechterhalten von Zustandsinformationen in Routern ist problematisch, wenn es auf Basis einzelner Datenflüsse durchgeführt wird Keine Definition von Dienstklassen, sondern Bereitstellen einzelner Komponenten, um Dienstklassen zu unterstützen Computernetzwerke

53 Diffserv-Architektur Router am Rand des Netzwerkes: Verkehrsüberwachung auf Ebene einzelner Datenflüsse Markiert Pakete danach, ob sie einem gegebenen Profil entsprechen oder nicht Router im Inneren des Netzwerke: Verkehrsüberwachung auf Ebene von Verkehrsklassen Puffern und Scheduling auf Basis der Markierung Bevorzugung von Paketen, die dem Profil entsprechen Computernetzwerke

54 Diffserv-Architektur Router am Rand des Netzwerkes: Verkehrsüberwachung auf Ebene einzelner Datenflüsse r markieren Markiert Pakete danach, ob sie einem gegebenen Profil entsprechen oder nicht b Router im Inneren des Netzwerke: Verkehrsüberwachung auf Ebene von Verkehrsklassen Puffern und Scheduling auf Basis der Markierung Bevorzugung von Paketen, die dem Profil entsprechen Computernetzwerke

55 Diffserv-Architektur Router am Rand des Netzwerkes: Verkehrsüberwachung auf Ebene einzelner Datenflüsse Markiert Pakete danach, ob sie einem gegebenen Profil entsprechen oder nicht Scheduling. Router im Inneren des Netzwerke: Verkehrsüberwachung auf Ebene von Verkehrsklassen Puffern und Scheduling auf Basis der Markierung Bevorzugung von Paketen, die dem Profil entsprechen Computernetzwerke

56 Markierung in den Routern am Netzwerkrand Profil: Ausgehandelte Rate A, Bucket-Größe B Pakete eines Flusses werden gemäß dieses Profils markiert Rate A B Pakete eines Flusses Möglicher Einsatz von Markierungen: Klassenbasierte Markierung: Pakete werden entsprechend der Klasse ihres Flusses markiert Markierung anhand von Profilen: Pakete, die dem Profil ihres Flusses entsprechen, werden anders markiert als diejenigen, die dem Profil nicht entsprechen Computernetzwerke

57 Verkehrsklassifikation und Überwachung Es ist häufig wünschenswert den Eingangsverkehr zu begrenzen: Benutzer verwenden ein Profil (z.b. durchschnittliche Rate + Burst-Größe) Der Verkehr wird überwacht und angepasst, wenn er sich nicht an das Profil hält Computernetzwerke

58 Markierung in Diffserv Die Markierung erfolgt im Type-of-Service-Feld (TOS) bei IPv4 oder im Traffic-Class-Feld bei IPv6 6 Bits werden für den Differentiated Service Code Point (DSCP) verwendet; dieser bestimmt das sogenannte Per-Hop-Verhalten im Inneren des Netzwerkes 2 Bits sind derzeit ungenutzt Computernetzwerke

59 Per-Hop-Verhalten Das Per-Hop-Verhalten (Per Hop Behaviour, PHB) ist unterschiedlich für verschiedene Markierungen Es führt zu beobachtbaren und messbaren Unterschieden beim Weiterleiten von Paketen Sehr weiche Definition Es spezifiziert NICHT, welche Mechanismen verwendet werden, um dieses Verhalten zu erreichen Beispiele: Klasse A bekommt x% der ausgehenden Linkbandbreite über Zeitintervalle einer fest vorgegebenen Länge Pakete der Klasse A werden immer vor Paketen der Klasse B weitergeleitet Computernetzwerke

60 Per-Hop-Verhalten In der Entwicklung befindliche Per-Hop-Verhalten: Expedited Forwarding: die Abgangsrate einer Klasse entspricht oder übersteigt eine vorher definierte Rate Logischer Link mit einer garantierten minimalen Rate Assured Forwarding: 4 Verkehrsklassen Jede Klasse mit einer eigenen minimalen Bandbreite (pro Klasse) Jede mit drei verschiedenen Unterklassen bezüglich des Verwerfens von Paketen, wenn Warteschlangen voll sind Computernetzwerke

61 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

62 Prinzipien von QoS (Fortsetzung) Triviale Erkenntnis: es können nicht mehr Ressourcen verwendet werden als vorhanden sind! 4. Prinzip Rufzulassung (call admission control): ein Netzwerkstrom meldet seinen Bedarf an. Er muss abgewiesen werden, wenn keine ausreichenden Ressourcen bereit stehen. Computernetzwerke

63 QoS-Zulassungsszenario Ressourcenreservierung Rufaufbau, Signalisierung (RSVP) Deklaration von Verkehr und QoS- Anforderungen Zulassung QoS-unterstützendes Scheduling (z.b. WFQ) Anfrage/ Antwort Computernetzwerke

64 QoS Rufzulassung: Beispiel Reservierung von Ressourcen Verbindungsaufbau, Signalisierung (RSVP) Datenverkehr mit QoS- Garantien, Zulassung von Datenströmen QoS-Scheduling (z.b. WFQ) Computernetzwerke

65 IETF Integrated Services: Intserv Architektur, um einzelnen Datenströmen QoS-Garantien anbieten zu können Reservierung von Ressourcen: Router pflegen Zustandsinformationen (Reservierungen) Zentrales Problem: Kann ein neuer Datenstrom zugelassen werden, ohne dass die Garantien für andere Datenströme verletzt werden? Computernetzwerke

66 Intserv: Rufzulassung Eine neue Verbindung muss: Ihre QoS-Anforderungen bekannt geben: reservation specification (R-spec): Definition der gewünschten Dienstgüte traffic specification (T-spec): Definition der Eigenschaften des Datenflusses (Leaky Bucket, mit Angabe von r und n) Ihre Anforderungen signalisieren: Transport von R-spec und T-spec zu den Routern Einsatz von RSVP Computernetzwerke

67 QoS-Arten (Dienstmodelle) für Intserv ankommender Verkehr Token-Rate, r Größe des Buckets, b WFQ D = b/r max Rate R pro Fluss Garantierter Dienst: Leaky Bucket + WFQ führen zu einer festen Garantie bezüglich der Netzwerkverzögerung Controlled load service: "a quality of service closely approximating the QoS that same flow would receive from an unloaded network element." Computernetzwerke

68 Signalisierung im Internet verbindungsloses (zustandsloses) Weiterleiten durch IP Routers Best-Effort- Dienst + = Keine Signalisierungsprotokolle auf Netzwerkebene im Internet Neue Anforderung: Ressourcen entlang eines Ende-zu-Ende Pfades (Endsysteme, Router) reservieren RSVP: Resource Reservation Protocol [RFC 2205] allow users to communicate requirements to network in robust and efficient way also Signalisierung! Früheres Signalisierungsprotokoll im Internet: ST-II [RFC 1819] Next Steps in Signaling (NSIS) current proposal as RFC 4080 Computernetzwerke

69 RSVP-Designziele 1. Berücksichtigung heterogener Empfänger (verschiedene Bandbreite über unterschiedliche Pfade) 2. Berücksichtigung unterschiedlicher Anwendungen mit heterogenen Anforderungen an die Ressourcen 3. Multicast-Unterstützung, insbesondere Anpassung der Gruppenmitgliedschaft 4. Verwenden von existierendem Multicast-/Unicast-Routing, mit Anpassungen 5. Aufwand zu Signalisierung darf schlimmstenfalls linear mit der Anzahl der Empfänger wachsen 6. Modulares Design, um heterogene Technologien auf den tieferen Schichten zu unterstützen Computernetzwerke

70 Was RSVP nicht macht... Festlegen, wie Ressourcen reserviert werden Sondern: ein Mechanismus, um die Anforderungen dem Netzwerk mitzuteilen Festlegen, welche Route Pakete nehmen sollen Dies ist die Aufgabe der Routingprotokolle Signalisierung!= Routing In das Weiterleiten (Forwarding) von Paketen eingreifen Trennung der Kontrollebene (Singalisierung) von der Datenebene (Forwarding) Computernetzwerke

71 RSVP: prinzipielles Vorgehen Empfänger treten einer Multicast-Gruppe bei Hat noch nichts mit RSVP zu tun Sender müssen einer Gruppe nicht beitreten, in die sie senden (Eigenschaft von IP-Multicast) Unicast wird als degenerierter Fall von Multicast betrachtet Signalisierung des Senders an das Netzwerk Path Message: Bekanntmachen der Anwesenheit des Senders Path Teardown: Zustand bezüglich dieses Senders aus dem Zustand der Router löschen Signalisierung der Empfänger an das Netzwerk Reservation Message: Ressourcen vom Sender zum Empfänger reservieren Reservation Teardown: Ressourcen freigeben Signalisierung des Netzwerkes an die Endsysteme Path Error Reservation Error Computernetzwerke

72 Multimedia-Netzwerke 7.1 Multimediale Netzwerkanwendungen 7.2 Streaming von gespeichertem Audio/Video 7.3 Best-Effort-Dienste optimal nutzen 7.4 Anbieten von mehreren Dienstklassen 7.5 Dienstgütegarantien anbieten 7.6 Protokolle für interaktive Echtzeit-Anwendungen: RTSP, RTP, RTCP, SIP Computernetzwerke

73 Steuerung des Abspielens durch den Anwender HTTP Nicht für Medienströme entworfen Keine Unterstützung für Pause, schnellen Vor-/Rücklauf RTSP: RFC 2326 Real Time Streaming Protocol Anwendungsprotokoll zur Steuerung des Abspielens von Medienströmen durch den Client Kommandos: Rücklauf, schneller Vorlauf, Pause, Abspielen, usw. Was bietet RTSP nicht: RTSP ist nicht verantwortlich für die Übertragung der Mediendaten (RTP) RTSP ist nicht verantwortlich für das Puffern der Daten im Player RTSP ist ein Kontrollprotokoll Analogie zu FTP Kontrollkanal für die Befehle Datenkanal zur eigentlichen Datenübertragung Wird als Out-of-Band -Steuerung bezeichnet Computernetzwerke

74 RTSP: Out-of-Band-Steuerung FTP: Datei wird über eine TCP- Verbindung übertragen. Steuerung (wechseln von Verzeichnissen, Anforderung einer Übertragung) wird über eine eigene TCP-Verbindung durchgeführt Verwenden verschiedener Portnummern zum Unterscheiden der Verbindungen RTSP: Auch RTSP verwendet einen anderen Port als die eigentlichen Mediendaten Port 554 Daher: Out-of-Band-Steuerung Computernetzwerke

75 Beispiel für RTSP Szenario: Eine Metadatei (Präsentationsbeschreibungsdatei) wird dem Webbrowser des Anwenders übermittelt Der Browser startet einen geeigneten Player Der Player baut eine RTSP-Verbindung und eine Datenverbindung zum Server auf Der Benutzer steuert die Datenverbindung mit Hilfe von RTSP über die Kontrollverbindung Computernetzwerke

76 Beispiel einer Metadatei <title>twister</title> <session> <group language=en lipsync> </group> </session> <switch> <track type=audio e="pcmu/8000/1" src = "rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi"> <track type=audio e="dvi4/16000/2" pt="90 DVI4/8000/1" src="rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/hifi"> </switch> <track type="video/jpeg" src="rtsp://video.example.com/twister/video"> Computernetzwerke

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