Verkehrsanalyse von Media-Streaming Anwendungen hinsichtlich ihrer Verwendung von Echtzeit-Protokollen

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1 Leopold-Franzens-Universität Innsbruck Institut für Informatik Distributed and Parallel Systems Verkehrsanalyse von Media-Streaming Anwendungen hinsichtlich ihrer Verwendung von Echtzeit-Protokollen Bakkalaureatsarbeit Autoren: Alexander Gamper Martin Hofmann Betreuer: Sven Hessler Innsbruck, am 20. Jänner 2006

2 Vorwort Im Rahmen unserer Bakkalaureatsarbeit wurden diverse Media-Streaming Anwendungen hinsichtlich ihrer Verwendung von Realtime Protokollen (RTP etc.) untersucht. Die Anwendungen im Detail sind: RealPlayer Helix Streaming Server Apple Quicktime Player Darwin Streaming Server Windows Media Player - Microsoft Windows Media Streaming Server Zunächst wurde untersucht, welche Protokolle von den Anwendungen verwendet werden. In der Folge wurden Aufbau sowie Aufgabenaufteilung der diversen Protokolle eingehend betrachtet, da dies für das Verständnis der Verhaltensweisen der Anwendungen in unterschiedlichen Verkehrssituationen unbedingt notwendig ist. Das schlussendliche Ziel dieser Arbeit ist die Analyse diverser Testfälle um festzustellen, welche Nachrichten (bzw. Ketten von Nachrichten) zu einer Änderung der für das Streaming verwendeten Bandbreite verantwortlich sind. Zudem wird auch auf die jeweiligen Besonderheiten in der Verwendung der Protokolle eingegangen, insbesondere wenn diese Abweichungen bzw. Erweiterungen zum Standard darstellen.

3 Danksagung An dieser Stelle möchten wir allen Leuten, die uns bei der Entstehung dieser Arbeit behilflich waren, unseren Dank aussprechen. Hierbei namentlich erwähnt werden soll vor allem unser Betreuer an der Universität Innsbruck, Herr Hessler, dessen kompetente Unterstützung uns eine große Hilfe war sowie Herr Dr. Welzl (für die Bereitstellung der Hubs). Aufgabenteilung Design & Gliederung des Dokuments: M. Hofmann Vorwort: A. Gamper Danksagung: M. Hofmann Kapitel 1 (Einführung): A. Gamper Kapitel 2 (Protokolle): RTP, RTCP: M. Hofmann; RDT, RTSP: A. Gamper Kapitel 3 (Tools): Evaluierung und Script-Erzeugung: A. Gamper Kapitel 4 (Tests): Einrichtung Testbed: M. Hofmann Testdurchführung (Aufzeichnung): M. Hofmann + A. Gamper Analyse Helix Server RealPlayer: A. Gamper Analyse Darwin Server Quicktime Player: M. Hofmann Analyse MS Media Server MS Media Player: A. Gamper

4 Inhaltsverzeichnis Kapitel Einführung... 6 Kapitel Die Protokolle RTP - Das Realtime Transport Protocol RTCP Das Realtime Control Protocol RTSP Das Realtime Streaming Protocol RDT Das Real Data Transport Protocol Kapitel Verwendete Tools Aufzeichnung von Datenströmen Erzeugung von Querverkehr Bandbreitenbegrenzung Graphische Aufbereitung Kapitel Tests Testumgebung Testszenarien Helix Streaming Server RealPlayer Allgemeine Beobachtungen Meldung zur Bandbreitenanpassung Ermittlung der zu setzenden Bandbreite Adaptive Stream Management Weitere Messungen Zusammenfassung Darwin Streaming Server Quicktime Player Allgemeine Beobachtungen Die Verwendung von RTSP Die Verwendung von RTCP Reliable RTP Zusammenfassung... 59

5 4.5 Windows Media Services Windows Media Player Allgemeine Beobachtungen Fast Streaming Besonderheiten der RTSP Protokollanwendung Bandbreitenabschätzung Intelligent Streaming ReSend Anforderungen Zusammenfassung Ausblick Helix Streaming Server RealPlayer Darwin Streaming Server - Quicktime Player Windows Media Server Windows Media Player Anhang A Literaturverweise Anhang B Abbildungsverzeichnis Anhang C Verwendete Scripts Anhang D Abbildungen aller Tests... 84

6 Kapitel 1 1 Einführung Streaming-Anwendungen erfreuen sich bereits seit einigen Jahren immer größerer Beliebtheit. In diese Kategorie fallen u.a. Video- bzw. Audioübertragungen aus dem Internet, Videokonferenzen, Live-Übertragungen und Videokonferenzen. Eine Änderung dieser steigenden Tendenz ist lt. [01], aufgrund von Verbesserungen in den Bereichen PC Performance, Kodierungsalgorithmen und verfügbarer Bandbreite, nicht zu erwarten. Der Einfluss auf die Performance des Internets ist, aufgrund des dadurch enorm steigenden Datenverkehrs, nicht zu unterschätzen. Dies vor allem, weil gängige Streaming-Protokolle auf UDP aufsetzen und aus diesem Grund von vorn herein keinerlei Staukontrolle erben. Diese Aufgabe bleibt den Designern bzw. Entwicklern der jeweiligen Streaming-Applikationen (Client & Server) vorbehalten. Mit Hilfe von eingehenden Verkehrsanalysen soll nun untersucht werden, welche Nachrichten einen laufenden Stream zur Änderung der Senderate bewegen.

7 Kapitel 2 2 Die Protokolle Folgende Protokolle werden aufgrund Ihrer Verwendung in den verschiedenen Anwendungen analysiert: RTP (Realtime Transport Protocol) RTSP (Realtime Streaming Protocol) RTCP (Realtime Control Protocol) RDT (Real Data Transport Protocol)

8 Seite RTP - Das Realtime Transport Protocol Die Anforderungen an das Internet, Datenströme unterschiedlichster Art in Echtzeit zu übertragen, sind in den letzten Jahren immer größer geworden. Das von unteren Netzwerkschichten unabhängige und zu H.323 zugehörige RTP Protokoll (RFC 3550) wurde eigens entwickelt, um diesen neuen Herausforderungen begegnen zu können. Zumeist setzt RTP auf dem UDP Protokoll auf, um die Quality of Service Mechanismen gänzlich (z.b. auf RTCP) auszugliedern. RTP ist nur für die Übertragung von Daten zuständig, da auch für die Steuerung des Streams (Auf-, Abbau von Verbindungen) ein separates Protokoll, nämlich RTSP, zum Einsatz kommt. Der Aufbau des Headers eines RTP-Datenpakets ist aus der folgenden Abbildung ersichtlich: Abbildung 1: RTP Header Aufbau V: Die Version des eingesetzten RTP-Protokolls (aktuell ist die Version 2) P: Padding Bit, wenn gesetzt, so wurden am Ende des Pakets noch einige Padding- Oktetts angehängt (letztes Oktett gibt Anzahl zu ignorierender Oktetts an), da diverse Verschlüsselungsverfahren eine feste Blockgröße benötigen. CC: CSRC Zähler, 0 bis 15 Elemente können in die CSRC-Liste eingetragen werden.

9 Seite 9 M: Marker, kündigt (vorher von den Sitzungsteilnehmern definierte) Ereignisse an (z.b. neuer Frame). PT: Payloadtype, wird von jeweiligen Anwendungen interpretiert. Sequence Number: Von Paket zu Paket wird diese 16bit Zahl um 1 erhöht. Der Anfangswert ist zufällig. Timestamp: Erstellungszeitpunkt des Pakets, der Anfangswert ist zufällig gewählt. SSRC Identifier: Synchronization Source ID, kennzeichnet die Quelle eines Paketes wird zufällig ermittelt, weshalb u.u. zwei verschiedene Quellen die gleiche Nummer erhalten könnten. (eindeutige Zuweisung eines canonical names erfolgt durch RTCP) CSRC Identifier: Contributing Source List ID, Liste von bis zu 15 SSRCs (von Mixern eingefügt) Ausserdem kann der Header eine Erweiterung mit zusätzlichen Informationen beinhalten. Diese Angaben können von Anwendung zu Anwendung unterschiedlicher Natur sein und müssen vor Sitzungsbeginn von den diversen Teilnehmern ausgehandelt werden.

10 Seite RTCP Das Realtime Control Protocol Ebenso wie das Realtime Transport Protocol ist das Realtime Control Protocol Bestandteil des Standards H.323. Dieses Protokoll wird u.a. bei Voice over IP Anwendungen dazu benutzt, um für die empfangenen Streams Quality of Service Eigenschaften zu realisieren. Dies ermöglicht dem Server (durch die vom Protokoll erhaltenen Informationen), die Übertragung des Streams zu optimieren. Das bedeutet, dass der gegenwärtige Status des Netzwerks (beziehungsweise der gegenwärtigen Netzwerkverbindung) direkt in die Anwendung mit einfließt. Desweiteren wird von diesem Protokoll teilweise auch die Sitzungssteuerung übernommen. Im Detail hat das Realtime Control Protocol vier Aufgaben 1. Quality of Service. Es werden Pakete an jeden Teilnehmer verschickt. Dadurch kann ermittelt werden, ob ein aufgetretenes Problem global oder lokal aufgetreten ist. Desweiteren kann je nach verfügbarer Bandbreite bei Bedarf auf andere Codecs gewechselt werden. 2. Für jede RTP-Quelle wird von RTCP ein fortlaufender transport-levelidentifier gesendet. Dieser wird als CNAME (canonical name) bezeichnet. Dies befähigt einen Teilnehmer, multiple Ströme von Sessions zu verknüpfen. Dadurch lassen sich beispielsweise Video- mit Audioströmen synchronisieren. 3. Für die ersten zwei Aufgaben ist es erforderlich, dass die Teilnehmer sich ständig Feedbacks schicken. Damit Sessions mit sehr vielen Teilnehmern aufgebaut werden können muß die Feedback-Rate anpassbar sein. (sie wird dann für die Berechnung der Senderate verwendet) 4. Diese Feedbacks können optional an ein User-Interface weitergegeben werden. Es hat einen gewissen Nutzen wenn nur lockere Verbindungen bestehen (wie das bei einem Chat der Fall ist)

11 Seite 11 Jede RTCP Implementierung besteht aus 3 Teilen. Den Timing-Regeln, der Teilnehmerdatenbank und den Paketformaten. In der RTCP-Spezifikation gibt es 5 Arten von RTCP-Paketen: 1. Receiver-Report (RR) - werden von allen Teilnehmern ausgesendet, welche Pakete empfangen 2. Sender-Report (SR) werden von allen Teilnehmern ausgesendet, welche kürzlich Pakete gesendet haben 3. Source Description (SDES) Teilnehmeridentifikation - diese Pakete werden durch die einzelnen Teilnehmer festgelegt (z.b. Ort, Adresse, Telefonnummer). Diese Informationen werden lediglich in der grafischen Oberfläche der Anwendung dargestellt. 4. Membership Management (BYE) dieses Paket wird erzeugt wenn ein Teilnehmer die Sitzung verlassen hat 5. Application Defined Packet (APP) anwendungsdefinierte Nachrichten Timing Regeln: Es ist nicht von vornherein definiert, wann RTCP-Pakete erzeugt und gesendet werden. Dies hängt grundsätzlich von den Medienformaten und der Session Größe ab. Es ist jedoch wesentlich, dass der durch RTCP-Pakete erzeugte Verkehr weniger als 5% des Gesamtverkehrs beträgt. In der Regel bedeutet das eine Verminderung der RTCP-Senderate bei steigender Teilnehmerzahl. So wird bei einer Session mit nur 2 Teilnehmern (z.b. eine Voice-Over-IP Sitzung) alle paar Sekunden ein Report ausgesendet, bei Sessions mit tausenden Benutzern nur alle paar Minuten.

12 Seite 12 Teilnehmerdatenbank: Von jeder Anwendung wird eine Teilnehmerdatenbank geführt. Diese enthält folgende Informationen: 1. Die durchschnittliche Größe der RTCP Pakete 2. Die Bandbreite der Sitzung, der RTCP-Anteil an der Gesamtbandbreite 3. Die Anzahl der Teilnehmer 4. Die Anzahl versendeter RTP-Pakete 5. Die letzte Sequenznummer 6. Diverse Qualitätsstatistiken (u. a. Delay) Alle RTCP Pakete folgen einer gemeinsamen Struktur: Abbildung 2: RTCP Basispaket V: Versionsnummer. Normalerweise immer 2. P: Padding-Bit. Das Padding Bit signalisiert, dass ein- oder mehrere Bytes dem Paket angehängt wurden. Das letzte dieser angehängten Bytes enthält die Anzahl der gesamten angehängten Bytes IC: Item Count. Gibt die Anzahl der integrierten Items an. Es können bis zu 31 Items pro Paket angehängt werden. Wenn 0 angegeben wird bedeutet das, dass die Anzahl der Items 0 ist (und nicht notwendigerweise, dass das Paket leer ist!)

13 Seite 13 PT: Packet Type. Beschreibt die Art der Information, welche das Paket enthält. Eine der zuvor angeführten fünf Standardtypen, welche in der RTCP- Spezifikation angeführt werden. (Es besteht die Möglichkeit, dass zukünftig weitere Typen definiert werden) Length: Die Länge des Pakets. 0 ist ein gültiger Wert, welcher zeigt dass das Paket lediglich aus dem 32-Bit langen Header besteht. In diesem Fall ist das IC-Feld (Item Count) ebenfalls auf 0 gesetzt. RTCP Pakete werden niemals einzeln, sondern immer zusammengesetzt übertragen. Ein solches zusammengesetztes Paket ist in einem einzelnen Datagramm einer niedrigeren Schicht eingebettet, beispielsweise in einem UDP Paket. Abbildung 3: Zusammengesetztes RTCP Paket

14 Seite 14 Einzelheiten zu den verschiedenen Pakettypen: Receiver Report (RR) Abbildung 4: RTCP Receiverreport-Paket Die Aufgabe des Receiver Reports ist es, Qualitätsberichte zu übermitteln. Receiver Reports werden an alle empfangenden Teilnehmer versendet. Wie in obiger Darstellung ersichtlich, wird ein Receiver Report durch den Pakettyp 201 identifiziert (PT=201). Bei diesem Pakettyp wird das Item Count Feld dazu verwendet, die Anzahl der Report Blocks zu übermitteln. (Report Blocks sind in diesem Fall die Items ). Die Reportee Synchronisation Source (Reportee SSRC) beschreibt den Teilnehmer, von welchem der Report kommt (durch einen 32 Bit Integer). Jeder Report Block beschreibt die Empfangsqualität einer einzelnen synchronisation source, von welcher der Verfasser des Reports RTP-Pakete empfangen hat. In jedem RR-Paket können insgesamt bis zu 31 Report Blocks integriert werden. Falls es mehr als 31 aktive Sender gibt wird der Empfänger mehrere zusammenhängende RR-Pakete schicken. Cumulative number of packets lost ist die Anzahl der erwarteten Pakete die Anzahl der tatsächlich empfangenen Pakete. Die Anzahl tatsächlich empfangener

15 Seite 15 Pakete beinhaltet verspätete oder doppelt vorhandene Pakete. Sie könnte theoretisch auch größer als die Anzahl der erwarteten Pakete sein, in dem Fall wäre der Eintrag im Paket negativ. Weitere Qualitätsmerkmale sind: Loss Fraction, Extended highest sequence number received, Interarrival Jitter, Timestamp of last sender report received, Delay since last sender report received. Sender Report (SR) Abbildung 5: RTCP Senderreport - Paket Von sendenden Teilnehmern werden an die Empfänger sogenannte Sender Reports geschickt. Diese beinhalten Informationen über die übermittelten Medien. Diese Informationen werden von den Empfängern primär dazu verwendet, mehrere Medienströme zu synchronisieren (z.b. Audio und Videodaten). Ein Sender Report wird durch den Pakettyp 200 identifiziert (PT=200). Bei diesem Pakettyp wird das Item Count Feld wie im Receiver Report dazu verwendet, die Anzahl der Report Blocks zu übermitteln. Es handelt sich dabei um Receiver Report Blocks! Sie sind nur vorhanden wenn der Sender gleichzeitig ein Empfänger ist.

16 Seite 16 NTP-Timestamp (Network Protocol Timestamp) ist ein 64-Bit (unsigned) Wert. Die ersten 32 Bit repräsentieren einen Sekundenzähler, wo 0 den 1. Januar 1990 repräsentiert. Die unteren 32 Bit stellen die Sekunde dar. Anmerkung: Unix Timestamps starten 1970, um einen Unix Timestamp in einen NTP Timestamp zu konvertieren sind genau Sekunden zu addieren. RTP-Timestamp. Dieser Zeitstempel benutzt im Gegensatz zum NTP-Timestamp die gleichen Einheiten wie ein RTP Paket. Die Einträge werden zur Synchronisation mehrere Ströme verwendet. Senders Packet Count : Anzahl der Datenpakete, welche die Sendequelle seit dem Beginn des Streamingvorgangs erzeugt hat. Senders Octet Count : Anzahl der Bytes, welche in den Datenpaketen verschickt wurden (ohne Header/Padding!) Durch die Sender-Report Information kann eine Anwendung die durchschnittliche Nutzdatenrate und die durchschnittliche Paketanzahl pro Zeiteinheit berechnen, ohne wirklich Daten zu Empfangen. Es werden 2 Timestamps verwendet um einen Bezug zwischen der Media Clock und einem externen Bezug (der NTP-Clock) zu schaffen. Dies ermöglicht erst die Synchronisation von Audio- und Videodaten.

17 Seite 17 Source Description (SDES) Abbildung 6: RTCP Source Description Paket Die Informationen, welche ein SDES-Paket enthält (Telefonnummer, Ort, ) werden typischerweise vom Benutzer eingegeben und sind stark von der verwendeten Anwendung abhängig. Sie sind vor allem bei Voice-Over-IP Anwendungen sinnvoll. Im Rahmen unserer Bakkalaureatsarbeit sind SDES-Pakete nicht von Belang. Ein SDES Paket wird durch den Pakettyp 202 identifiziert.

18 Seite 18 Abbildung 7: Source Description Beispielpaket BYE (Membership Control) Wenn Teilnehmer die Sitzung verlassen wird das durch BYE-Pakete signalisiert. Nicht alle Streaminganwendungen verschicken BYE-Pakete. Die Relevanz von BYE-Paketen ist stark von der verwendeten Anwendung abhängig. Abbildung 8: RTCP BYE Paket BYE-Pakete werden durch Pakettyp=203 identifiziert. Im RC-Feld wird die Anzahl der SSRCs übermittelt. Der Wert 0 ist gültig, erfüllt jedoch keinen Zweck.

19 Seite 19 Wenn ein Sender ein BYE-Paket empfängt sollte er jeden weiteren Kommunikationsversuch dieses Empfängers (RTP, RTCP) ignorieren. APP (Application Defined RTCP Packets) Diese Paketart erlaubt von der Anwendung eigens definierte Pakettypen. APP- Pakete werden durch Pakettyp=204 identifiziert. Abbildung 9: RTCP APP Paket Application-defined packet name ist ein 4-Zeichen prefix, um diese Erweiterung einwandfrei zu identifizieren. Es kann der gesamte ASCII-Zeichensatz verwendet werden (case sensitive). Diese Pakete werden für Erweiterungen benutzt, die nicht im RTCP-Standard vorgesehen sind. Streaming Anwendungen sollten ihnen fremde APP-Pakete ignorieren.

20 Seite RTSP Das Realtime Streaming Protocol Das Realtime Streaming Protocol ist seit April 1998 geprüfter Standard der Internet Engineering Task Force (IETF) und ist im RFC 2326 spezifiziert. Bei diesem Protokoll handelt es sich nicht um ein Content-Protokoll, diese Aufgabe übernimmt in der Regel ein anderes Protokoll (z.b. RTP, RDT,...). Vielmehr kann RTSP als eine Art virtuelle Fernbedienung angesehen werden, mit dessen Hilfe geregelt wird wann ein Stream abgespielt, pausiert oder beendet wird. RTSP kann nach [04] in gewisser Hinsicht mit dem Hypertext Transfer Protocol verglichen werden. Die Steuer-Aufgaben die HTTP für HTML-Seiten erledigt, werden für Medienströme mit Hilfe von RTSP abgearbeitet. Ein Unterscheidungsmerkmal ist jedoch, dass RTSP Anfragen sowohl von Seiten des Clients als auch des Servers gestartet werden können. Ausserdem handelt es sich bei RTSP um ein zustandsorientiertes Protokoll. Abbildung 10: RTSP Final State Machine Wie in obiger Abbildung werden Zustandsübergänge mit Hilfe von verschiedenen Methoden realisiert. Zusätzlich gibt es noch einige weitere Methoden, durch die der aktuelle Zustand jedoch nicht verändert wird. Die wichtigsten Methoden in RTSP sind: OPTIONS: Laut Konvention müssen nicht alle RTSP Methoden in den verschiedenen Anwendungen realisiert werden. Um eine Liste aller unterstützten Methoden zu erhalten wird OPTIONS verwendet. Sowohl Client als auch Server verwenden derartige Anfragen, die in keinerlei Bezug zu irgendeiner zu streamenden Datei stehen.

21 Seite 21 DESCRIBE: Um eine Präsentationsbeschreibung eines spezifizierten Medienobjekts zu erhalten sendet der Client eine entsprechende Anfrage an den Server. Optional kann der Sender mit dem Parameter Accept eine Reihe unterstützter Beschreibungsarten an den Empfänger weiterleiten, aus denen der Server schließlich eine auszuwählen hat. ANNOUNCE: Um zur Laufzeit die Sitzungs- bzw. Präsentationsbeschreibung zu ändern sendet der Server eine ANNOUNCE-Meldung mit den neuen Daten. Auch der Client kann Sender dieser Nachricht sein, wenn dieser z.b. eine neue Multimediaquelle anstatt der alten wiedergeben will. SETUP: Mit Hilfe dieser Methode werden Details bezüglich der Übertragung ausgehandelt. So kann der Client z.b. beim Server anfragen den Stream über das RTP Protokoll auf den Ports 6970 und 6971 zu übertragen. Der Server reagiert auf eine solche Anfrage mit einer entsprechenden Response-Meldung. PLAY: Diese Methode startet die eigentliche Übertragung des Streams (entsprechend der mit SETUP ausgehandelten Details). Es ist möglich in diesem Request eine Option Range zu spezifizieren, was zur Folge hat, dass nur ein bestimmter Bereich des Streams geliefert wird. PAUSE: Um einen angelaufenen Datentransport zu unterbrechen, kann ein derartiger Request an den Server verschickt werden. Wird der Stream wieder fortgesetzt (PLAY), so ist keine erneute Initialisierung durch SETUP notwendig. TEARDOWN: Um eine Übertragung ganz abzubrechen und alle Aktivitäten einzustellen wird diese Methode verwendet. Ein erneuter Start der Übertragung ist nur nach vorhergehender Initialisierung durch SETUP möglich. SET_PARAMETER: Sowohl Client als auch Server können im Laufe einer Übertragung verschiedene Parameter setzen, die in der Folge vom jeweiligen Empfänger berücksichtigt werden müssen. Mit SETUP ausgehandelte Einstellungen dürfen jedoch nicht verändert werden. Häufig werden applikationsspezifische Steuerparameter über diese Methode realisiert. GET_PARAMETER: Das Pendant zu SET_PARAMETER, mit dessen Hilfe aktuelle Parameter abgefragt werden können.

22 Seite 22 Darüberhinaus gibt es noch zwei weitere Methoden (REDIRECT, RECORD), die im Rahmen dieser Arbeit jedoch keinerlei Relevanz haben. 2.4 RDT Das Real Data Transport Protocol Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Protokollen (RTP, RTCP, RTSP) ist das RDT-Protokoll herstellerabhängig. Sowohl der RealPlayer, als auch der Helix Streaming Server unterstützen zwar den RTP-Standard, im direkten Zusammenspiel dieser beiden Komponenten wird jedoch stets das proprietäre RDT-Protokoll verwendet. Wie RTP setzt auch RDT standardmäßig auf dem UDP-Protokoll auf und könnte, falls erwünscht, auch in TCP-Datagramme verpackt werden. Zur Steuerung des Streams wird auch hier RTSP verwendet, RDT übernimmt jedoch größtenteils die Funktionalitäten von RTP/RTCP. Die z.z. im Einsatz befindliche Version des Protokolls ist das Feature-Level 2. Leider ist Dokumentation bezüglich des RDT-Datenverkehrs nur sehr spärlich vorhanden, lediglich die Website der Helix-Community [03] bietet einige Anhaltspunkte. Ansonsten muss die Semantik der RDT-Pakete, wie schon in [01] bemerkt, entweder direkt aus dem Kontext heraus erkannt oder mit Hilfe der veröffentlichten Sourcen des Helix Servers ermittelt werden. Nach eingehenden Analysen ergibt sich folgender Aufbau eines einzelnen (nicht aggregierten) RDT-Pakets: Abbildung 11: RDT-Paket Aufbau Eine RDT-Übertragung besteht aus einem oder mehreren Streams, jede ausgerüstet mit einem eigenen Set an Sequenz-Nummern (von 0 bis 0xFF00). Die Eindeutigkeit eines Paketes ist also durch die Kombination der Felder stream_id und SeqNo gewährleistet.

23 Seite 23 Sollte das length_included_flag gesetzt sein, so steckt im gleichen UDP-Datagramm noch mindestens ein weiteres RDT-Paket. Solche verdichteten Pakete zeichnen sich durch eine leicht abweichende Syntax aus. Diese beinhalten eine Längenangabe, die dem Client erlaubt zum nächsten RDT-Header zu springen. (Paket-Aggregation kann serverseitig mit der Option --dpa abgeschaltet werden) Neben der normalen Datenübermittlung übernimmt RDT noch QoS Eigenschaften (RTCP-Ersatz) mit Hilfe unterschiedlicher Paket-Typen. LATENCY-Report (Typ 0xFF08): Ein solches Paket wird jede Sekunde an den Client verschickt (aggregiert mit einem normalen RDT-Datenpaket -> length_included_flag ist gesetzt). Zusammen mit der ersten Datenübermittlung wird der Wert 0 in das Feld Latency-Report-Server Out Time gesetzt. In der Folge wird die Variable um die jeweils verstrichene Zeit bis zur nächsten Sendung eines LATENCY-Reports erhöht. RTT-Request (Typ 0xFF03) / RTT-Response (Typ 0xFF04): Der Request wird vom Client an den Sender gesendet um eine aktuelle Messung der Round-Trip-Time zu erhalten. Diese Messungen sind besonders wichtig um eine günstige Abschätzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite zu erhalten. Direkt vor Start der Übertragung werden hintereinander 3 Requests geschickt, mit den jeweiligen Antworten wird in der Folge die Start-Bandbreite festgelegt. ACK (Typ 0xFF02): Jede Sekunde wird vom Client ein ACK Paket versendet, welches zur Empfangsbestätigung von Daten dient. Ein solches Paket beginnt immer mit 0x00FF02 und enthält u.a. die höchste Sequenz-Nummer (im Feld SeqNo) im Bitfeld. NAK (Typ 0xFF02): Jede NAK-Meldung beginnt mit 0x40FF02 und wird für jedes verlorene Paket gesendet. Das lost_high Bit ist hierbei im Gegensatz zur ACK-Meldung gesetzt. Die Felder stream_id und SeqNo identifizieren das fehlende Datenpaket.

24 Kapitel 3 3 Verwendete Tools Für die Herstellung bestimmter Testsituationen, sowie für die Aufzeichnung und graphische Aufbereitung der Datenströme werden einige Tools benötigt, die im folgenden kurz vorgestellt werden. 3.1 Aufzeichnung von Datenströmen Die Protokollierung und Filterung des Netzwerktraffics wird mit Hilfe des Freeware- Produkts Ethereal vorgenommen. Die Software steht sowohl in einer Linux- als auch in einer Windows-Version zur Verfügung und bietet aufgrund einer ausgereiften graphischen Oberfläche höchsten Komfort. Informationen zu diesem Programm sind auf erhältlich. Zudem ist der Funktionsumfang dieser Applikation äußerst groß, besonders die ausgereiften Filteroptionen (sowohl bei der Aufzeichnung als auch bei der Anzeige der Datenströme) sind herausragend. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Ethereal- Version eingesetzt. 3.2 Erzeugung von Querverkehr Um das Verhalten der verschiedenen Streaming-Applikationen unter kontrollierten und ganz bestimmten Verkehrs-Stituationen analysieren zu können, wird das Tool mgen verwendet (Informationen dazu gibt es auf ). Die sowohl für Windows als auch Linux frei erhältliche Software erzeugt kontrollierten UDP-Datenverkehr und benötigt ein <inputfile>, in dem alle nötigen

25 Seite 25 Einstellungen dazu vorgenommen werden. Der Kommandozeilenaufruf des Tools lautet: mgen input <inputfile> Im <inputfile> können viele verschiedene Datenströme aufgebaut werden, die zeitlich begrenzt ein ganz bestimmtes Datenaufkommen an einen definierten Empfänger (IP/Port) senden. Die Datenströme können in der Folge auch immer wieder abgeändert werden. Hier ein Beispiel für ein solches <inputfile>: 0.0 ON 1 UDP SRC 5001 DST /5000 PERIODIC [1 100] 5.0 MOD 1 PERIODIC [1 200] 10.0 MOD 1 PERIODIC [1 300] 15.0 MOD 1 PERIODIC [1 400] 20.0 MOD 1 PERIODIC [1 300] 25.0 MOD 1 PERIODIC [1 200] 30.0 MOD 1 PERIODIC [1 100] 35.0 OFF 1 Zunächst wird der Datenstrom 1 definiert, der sofort (Zeitpunkt 0.0) beginnt pro Sekunde 100 Bytes per UDP zu schicken ( PERIODIC [1 100] ). Der Absendeport ist 5001, der Empfänger ist der Rechner im Netzwerk mit der IP am Port In der Folge wird der Datenstrom alle 5 Sekunden abgeändert (200 Bytes/Sek., 300/Bytes/Sek., etc.), nach 35 Sekunden wird der Datenstrom beendet. Dieses Beispiel dient nur zur Veranschaulichung der Funktionalität des Trafficgenerators und wird im Rahmen der Tests nicht verwendet. 3.3 Bandbreitenbegrenzung Um ein vernünftiges Testszenario überhaupt zu ermöglichen ist ein Tool zur Einschränkung der verfügbaren Bandbreite zwischen Server und Client unbedingt notwendig. Zu diesem Zweck wird der im Linux-OS verankerte Befehl tc (Traffic- Control) aus dem iproute2-paket verwendet, welches den ausgehenden Verkehr eines Rechners bzw. Routers begrenzen kann. Zu diesem Zweck muss ein Warteschlangen-Verfahren festgelegt werden, im vorliegenden Fall wird das derzeitige Standardverfahren CBQ (Class Based Queuing) verwendet. Die notwendigen Kommandos bzw. Scripts um die Bandbreite

26 Seite 26 den Anforderungen dieser Arbeit entsprechend zu regulieren können dem Anhang entnommen werden. Allgemeine Hinweise und ausführliche Beispiele zur Verwendung von Traffic-Control finden sich in [02]. 3.4 Graphische Aufbereitung Ziel der Auswertung sind, mit der frei erhältlichen Software gnuplot bearbeitbare, Diagramme. Informationen zu gnuplot sind auf erhältlich. Um aus den mit Ethereal aufgezeichneten Dumps entsprechende Diagramme zu erstellen, sind einige Zwischenschritte notwendig: Filterung und Speicherung des Streams in Ethereal Konvertierung der Dumpdateien in ein Hex-Format mit Hilfe von tcpdump bzw. windump Erstellung von Plotdateien mit Hilfe des Tools TRPR evtl. Kumulierung von Streams innerhalb der erzeugten Plots Das auf frei erhältliche Tool TRPR (Tcpdump Rate Plot Real Time) wurde zudem an einigen Stellen modifiziert, um den speziellen Bedürfnissen dieser Arbeit zu genügen. Da bei der Übertragung von RTP Streams meist zwei Verbindungen geöffnet werden (Audio/Video bzw. ReSend Anforderungen), wurde zusätzlich noch ein Java-Programm entworfen (cumulate.jar) um die erstellten Plot-Dateien noch weiter zu aggregieren. Um die Erzeugung von Plot-Dateien zu automatisieren wurde das MS-DOS Stapelverarbeitungsprogramm d2p.bat geschrieben. Dieses Script führt die Konvertierung mit Hilfe von windump, die Erstellung der Plots mit TRPR, evtl. eine Kumulierung mit cumulate.jar und wahlweise einen direkten Aufruf von gnuplot für die erstellte Datei aus. TRPR erstellt standardmäßig treppenförmige Diagramme. Um die gewohnte (interpolierende) Darstellung zu erhalten, wurde das Java-Programm lineremover.jar geschrieben, welches falls gewünscht auf ein Plotfile angewendet werden kann. Näheres dazu findet sich in den Readme-Dateien auf der Projekt-DVD.

27 Kapitel 4 4 Tests Folgende Applikations-Paare wurden hinsichtlich ihrer Streaming-Funktionalität und Verhaltensweise in verschiedensten Testszenarien untersucht: Helix Streaming Server RealPlayer Darwin Streaming Server Quicktime Player Windows Media Server Windows Media Player Hauptaugenmerk wird auf die jeweiligen Reaktionen (Art der versendeten Pakete) in Stausituationen gelegt. Zu diesem Zweck werden aus den aufgezeichneten Datenströmen Diagramme erstellt, welche das Datenaufkommen zu jedem Zeitpunkt darstellen. Anhand dieser Graphiken lässt sich nun leicht feststellen wann sich Änderungen an der Senderate ergaben. Der Datenverkehr, rund um diese Zeitpunkte, wird in der Folge genauer untersucht, um festzustellen zu können welche Nachrichten eine Anpassung der Bandbreite zur Folge haben.

28 Seite Testumgebung Die Tests wurden in folgender Umgebung durchgeführt. Abbildung 12: Struktur der Testumgebung Technische Daten der betreffenden Rechner: Router: AMD Athlon 1400, 512MB Ram StreamingServer: Intel P4 HT 3200, 2048MB Ram StreamingClient: AMD Athlon 1400, 256MB Ram Mgen Sender: Intel P4 1800, 512MB Ram Mgen - Empfänger: Intel P3 667, 256MB Ram Routingeinstellungen am Linux-Rechner (Router) route add net netmask eth0 route add net netmask eth1 route add default gw metric 1 eth0 route add default gw metric 1 eth1 echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward # Routing aktivieren

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