Videoübertragung, Dienstqualität und neue Netztechniken

Transkript

1 Videoübertragung, Dienstqualität und neue Netztechniken Dr. Susanne Naegele-Jackson Regionales Rechenzentrum Erlangen (RRZE)

2 Gliederung Einführung Videoübertragungen Video und Quality of Service (QoS) Netzübertragungen und QoS Case Study: Netzmessungen und Messkonzept Vergleich von Layer2 und Layer3 QoS Ausblick: State-of-the-Art Video Equipment

3 Einführung Videoübertragungen

4 Netzanforderungen bei Video Grosse Bandbreiten Unkomprimiertes Video Standard Definition SDI: 270 Mbps High Definition HD: 1.5 Gbps Komprimiertes Video SD: 384 Kbps bis 50 Mbps HD: 20 Mbps bis 600 Mbps Kontinuierliche Ausspielung der Daten 25 Frames pro Sekunde

5 Videoqualitätsanforderungen Verschiedene Videoanwendungen haben unterschiedliche Netzanforderungen Anforderungskriterien: Ist die Anwendung fehlertolerant? Verlangt die Anwendung höchste Bildqualität? Ist die Anwendung interaktiv? Welche Bandbreitenbeschränkungen gibt es für die Anwendung?

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7 Schwierigste Videokategorie Hochauflösende interaktive Video Übertragungen Hohe Auflösung für hohe Qualitäts-ansprüche Fehler sind i.a. nicht tolerierbar Interaktive Kommunikation erfordert geringes End-to- End Delay Nicht alle Fehler können aus Zeitgründen aufgefangen werden Höchste Qualität geringe Latenz Anwendungsbeispiele Telemedizin Broadcastbereich

8 Beispiel Uni-TV (I) 1. Aufnahme Aula im Schloß Studio in Freimann 3. Ausstrahlung 2. Nachbearbeitung

9 Beispiel Uni-TV (II) Schloss, Erlangen München, BR + IRT

10 Beispiel Interaktion ITU-T Recommendation G.114: Delay < 150 ms (one way) for interactive applications QoS Garantien erforderlich für Delay, Delay Variation (Jitter), Loss

11 Entstehung von Delays

12 Delay und Delay Variation (Jitter)

13 Komprimierungsdelays MPEG-2 Komprimierung: lossy Reduzierung der Bandbreite durch Ausnützen von räumlichen Redundanzen und zeitlichen Redundanzen (Motion Estimation) => Kodierung von I Intracoded Frames P Predictive Frames B Bidirectional Frames Referenz zwischen Frames führt zu Fehlerfortpflanzung (Error Propagation) Kodierung ist sehr zeitintensiv und liegt derzeit bei mindestens 180 ms

14 Komprimierungsdelays und Bandbreite Codecs Compression Format GOP Size Bandwidth Delay Tektronix/ MPEG-1 I-Frames 3 Mbps ms ATM Tektronix/ MPEG-1 I-Frames 1.5 Mbps ms ATM Tektronix/ MPEG2/4:2:0 I-Frames 15 Mbps ms ATM Tektronix/ MPEG2/4:2:0 I-Frames 4 Mbps ms ATM

15 MPEG-1 mit 1.5 Mbps

16 MPEG-2 (4:2:0) bei 4 Mbps

17 Ergebnis: Overall Picture Quality MPEG-2 4:2:2/40: excellent MPEG-2 4:2:2/15: good (etwas besser als MPEG-2 4:2:0/15) M-JPEG/15 Mbps: zwischen good und acceptable MPEG-1/3/1.5: schlechter als acceptable suitable for medical diagnosis? Über 15 Mbps: Ja MPEG-2 4:2:0/5 & MPEG-1/3 Mbps: partially suitable MPEG-2 4:2:0/4 Mbps: keine Diagnose mehr möglich frequency of rating excelent acceptable bad 422/40 422/15 420/15 MJPEG/15 420/6 MPEG-1/3 MPEG-1/ / / / 15 MJPEG/ / 6 MPEG-1/ 3 MPEG-1/ 1.5

18 Komprimierungsdelays und GOP Sizes Codecs Compression Format GOP Size Bandwidth Delay Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 I-Frames 6 Mbps ms Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 IP-2 6 Mbps ms Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 IBP-10 6 Mbps ms Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 IBP-19 6 Mbps ms Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 IBBP-4 6 Mbps ms Vbrick/IP MPEG2/4:2:0 IBBP-19 6 Mbps ms Tektronix/ATM MPEG2/4:2:2 I-Frames 40 Mbps ms Tektronix/ATM MPEG2/4:2:2 IP-7 40 Mbps ms Tektronix/ATM MPEG2/4:2:2 IBBP Mbps ms

19 Komprimierungsdelays bei MPEG-2 IF IP-7 IBBP Mbps (4:2:2) 260ms 540ms 640ms 15 Mbps (4:2:2) 660ms 900ms 1020ms 15 Mbps (4:2:0) 180ms 470ms 560ms Komplexe GOPs führen zu höheren Delays Niedrigste Delays bei 4:2:0 Abtastraten 4) Kompressionsrate: Hauptverursacher für hohe Delays Für niedrige Delays ist die Verringerung der Abtastrate effektiver als eine Erhöhung der Bandbreite und ein Verringern der Kompressionsrate 4) Abtastrate 4:2:0 für jeweils 4 Helligkeitswerte werden nur zwei Farbwerte abgetastet; Abtastrate 4:2:2 für jeweils 4 Helligkeitswerte werden 4 Farbwerte abgetastet

20 Unkomprimierte Übertragungen Videosignal wird unkomprimiert in ATM-Zellen oder IP Pakete verpackt (Adaption) Adaptionsdelay je nach Hardware zwischen 180μs und 2ms Im Fehlerfall keine Fehlerfortpflanzung Hohe Anforderungen an Bandbreite >> 270 Mbps

21 Delays durch Fehlerschutz (FEC) FEC Mechanismus Ohne FEC DBL 32 DBL 1024 PT PT PT PT Delay 1.8ms 2.8ms 80ms 12.2ms 4.8ms 440ms 180ms Bandbreite (mit Overhead) Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Fehlerschutzalgorithmen (Forward Error Correction) Partial (PT), Double (DBL) Bandbreitenoverhead Länge korrigierbare Fehlerbursts / Anzahl verlorener Pakete Delays durch Fehlerkorrektur (FEC) in Netzen ohne ausreichende Dienstqualität abhängig von Korrekturalgorithmus Länge des Fehlerbursts der noch korrigiert werden soll 180 ms Adaptionsdelay ist vergleichbar mit MPEG-2 Komprimierungslatenz bei einfachem Algorithmus (I-Frames only)

22 Optimierungsproblematik: Problem Datenkomprimierung: Algorithmen sind sehr zeitaufwendig (MPEG-2 bei I-Frames only mind. 180ms!) Qualitätsverlust durch Komprimierung Übertragungsfehler pflanzen sich fort Problem unkomprimierte Übertragung Hohe Bandbreitenanforderungen / Kosten Hohe Belastung der Netze führt zu höherem Jitter Jitter muss durch zusätzliche Fehlerkorrekturmechanismen (Forward Error Correction (FEC)) ausgeglichen werden Problem FEC Mechanismen: Zusätzliche Kosten durch mehr Bandbreite Zusätzliches End-to-end Delay durch FEC

23 Netzqualität und End-to-End Delay Netzqualität?

24 QoS über IP Best Effort, ohne Garantien Ansätze für Quality of Service INT-SERV (Integrated Services) Reservierung von Ressourcen mit RSVP (Resource Reservation Protocol) Komplexe Status-Verwaltung an Routern Lösung skaliert nicht; zu komplex für große Netze DIFF-SERV (Differentiated Services) Einteilung von Paketen in Klassen Pakete konkurrieren innerhalb ihrer Klasse; keine absolute Garantie Derzeit nicht möglich über X-WiN

25 Asynchronous Transfer Mode (ATM) 1988 ATM als Standard Technologie festgelegt Virtual Path (gekennzeichnet durch Virtual Path Identifier (VPI)) Virtual Channel (gekennzeichnet durch Virtual Channel Identifier (VCI))

26 ATM VP/VC Processing Input Output VPI VCI VPI VCI

27 ATM Switching Permanent Virtual Circuits (PVC) Manuelle Konfiguration Switched Virtual Circuits (SVC) Signalisierungsprotokoll baut die Translation Tables auf Einheitliche Zellgröße von 53 Byte Ermöglicht schnelles Switching in Hardware

28 ATM Header und Payload Header Informationen Virtual Path Identifier (VPI) Virtual Channel Identifier (VCI) Payload Type Identifier (PTI) Cell Loss Priority (CLP) Generic Flow Control Field (GFC) Header Error Check (HEC) Abbildung der Payload Information in Zelle Über ATM Adaptation Layer (AAL) Für Video eignen sich AAL1 oder AAL5

29 MPEG-2 to AAL-1 Mapping

30 MPEG-2 to AAL-5 Mapping

31 Vergleich : AAL-1 und AAL-5 AAL-1 kein Payload Integrity Check, nur Prüfung auf Zellverluste (Sequenzintegrität) MPEG-2 Transportpaket wird auf 4 ATM Zellen abgebildet kein Problem mit PCR SRTS Mechanismus (nur 4 Bit) für Synchronisation, zusätzliche Clocks beim Server und Settop notwendig Unterstützt keine VBR Komprimierung, nur CBR Komprimierung AAL-5 Payload Integrity Check mit 32-Bit CRC zwei MPEG-2 Transportpakete werden auf 8 ATM Zellen abgebildet PCR Jitter Problem 42-Bit PCR Zeitstempel für Synchronisation des Settops (27 MHz Standard) Unterstützt VBR Komprimierung und CBR Komprimierung

32 ATM Serviceklassen Jede Anwendung wird einer Serviceklasse zugeordnet Einzelne VP/VC Zellströme können priorisiert werden

33 Verkehrsaufteilung

34 ATM Verkehrs- und Qualitätsparameter Verkehrsparameter Peak Cell Rate (PCR) Sustainable Cell Rate (SCR) Burst Tolerance (BT) Minimum Cell Rate (MCR) Qualitätsparameter Cell Loss Rate (CLR) Cell Transfer Delay (CTD) Maximum Cell Transfer Delay (max CTD) Mean Cell Transfer Delay (mean CTD) Cell Delay Variation (CDV)

35 ATM Technik heute ATM Technik funktioniert reibungslos Aber: politisch tot QoS Problem bleibt zunächst bestehen für harte Echtzeitanwendungen Neue Ansätze: Versuche, QoS mit Hilfe von Bandbreitenüberangebot zu lösen Imitieren von ATM Technologie über IP MPLS Technologie TrueCircuit Technologie Zuteilung von optischen Kanälen über das Netz

36 QoS/Delay und Auslastung (I)

37 QoS/Delay und Auslastung (II) Mehr Bandbreite verschafft gewisse Erleichterung Keine Garantie Verzögerung und Auslastung im G-WiN Zeitraum von 19-Tagen Hohe Delays entstehen auch wenn Auslastung gering ist Routereinstellungen, Paketgrößen, Accesslists

38 QoS durch MPLS Technologie Multi-Protocol Label Switching QoS Klassen sind Forwarding Equivalence Classes (FECs) QoS Klassen, die das Netz unterstützt, sind in LIBs (Label Information Bases) gespeichert LSRs (Label Switch Routers) verwenden LIBs um Labels der ankommenden Pakete in neue Labels für nächsten Hop zu tauschen (vgl. ATM) MPLS Labels können mit RSVP an eine bestimmte FEC gebunden werden Damit kann man für ein Paket einen bestimmten Pfad durch das Netz festlegen, ohne daß LSRs an jedem Hop entscheiden Eingruppierung in QoS Klassen erfolgt am Rand des Netzes durch einen LER (Label Edge Router)

39 TrueCircuit Technologie (I) Path1 Network Technologies, Inc., 1999 Implementiert über Time Division Multiple Access (TDMA) Verfahren Pakete werden synchronisierten Timeslots zugeordnet 4000 Timeslots entsprechen einem T-Block (= 16ms) Ein Timeslot ist 4 μs; für ein IP Paket mit 512 Bytes => 16 Mb in 16 ms = 1 Gbps Datenstrom erhält Timeslots über einen festgelegten Pfad übers Netz Unterschied zu TDMA- Verfahren: Timeslots sind nicht an feste Position im T-Block gebunden

40 TrueCircuit Technologie (II)

41 TrueCircuit Technologie (III) Keine Paketverluste Deterministische Latenz von 5ms Maximaler Jitter von 10μs Bit Error Rate (BER) von TrueCircuit Technologie muß an Netzwerkknoten implementiert werden wo QoS für Echtzeitanwendungen erforderlich ist Andere Netzwerkknoten, die TrueCircuit nicht unterstützen, stören den TrueCircuit Verkehr nicht (skalierbar) Technik konnte sich nicht durchsetzen

42 Optische Netze In neuen Netzgenerationen werden optische Pfade automatisch geschaltet ohne elektrisch-optische Wandlung via Optical Cross Connects (OXC) QoS für Echtzeitanwendungen durch Zuteilung einer Wellenlänge Anforderung an zukünftige Netze: Dynamische Zuteilung über Control Plane: ASON (Automatically Switched Optical Networks) GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching) Control Plane muss viele Netztechnologien unterstützen (z.b. SDH/Sonet, IP, ATM, Ethernet, ) Bandwidth on Demand

43 Beispiel: EU-Projekt MUPBED MUPBED: Multi-Partner European Test Beds for Research Networking 16 Partner in 8 Ländern Testbed umfaßt fünf lokale Netze, die über GÉANT verbunden sind Lokale Testbeds basieren auf ASON/GMPLS, GMPLS, IP/MPLS und Ethernet MUPBED untersucht Interoperabilität, Interaktionen zwischen Netzwerkschichten und Anwendungen QoS und QoS Provisionierung Western Europe test bed RedIRIS Telefonica I+D MUPBED Testbeds ( Southern Europe test bed Northern Europe test bed GÉANT DTU NORDUnet GARR Acreo DFN Telecom Italia Lab Marconi FAU CSP PIONIER T-Systems Marconi Eastern Europe test bed PSNC Central Europe test bed

44 MUPBED Application Network Interface Adaptation Function und Graphical User Interface (GUI) (DTU, Dänemark) Adaptation Function regelt Zugang zu User Network Interface (UNI) und damit Zugang zu vorhandenen Ressourcen

45 Komponenten der Adaptation Function Applications Grid, video conferencing, content and storage Network Service Requester API Adaptation function Network Service Provider Translation of requirements Advance resource allocation function UNI-C (OIF/IETF) UNI Interfacing Requirement translation Resource allocation UNI-N - (OIF/IETF)

46 Applikationen und Service Klassen (I) Requirements Application Traffic Type Quality Bandwidth Latency / Jitter Packet- loss Reliability Security Storage Backup and Restore Information and Data services (bi-directional) High 100 Mbps 2 Gbps 200 ms / - < 0.1 % Medium Yes Accelerated VoD Streaming Real-time on demand (unidirectional) High (E2E) Very High (CDN) Mbps 500 ms / 50 ms < 1 % High No Uncompressed high quality video transmission Real-time interactive (bidirectional) High (SD) Very High (HD) 300 Mbps 1.5 Gbps 150 ms / 1 ms < 1 % High Yes/No Point to point conferencing Real-time interactive (bidirectional) High Mbps 150 ms / 50 ms (skew: 80 ms) 1% High Yes Multipoint videoconference Real-time interactive (bidirectional) High (MPEG- 2) Very High (No compression) 2 13 Mbps per partner 150 ms / 50 ms (skew: 80 ms) 1% High Yes User to user communication in open network Real-time interactive (bidirectional) High Mbps (Application dependent) 150 ms / 50 ms (Application dependent) 1 % Medium / High (Application dependent) Yes/No (Application dependent) Open Media Streaming Real-time distribution (unidirectional) High Mbps (Content dependent) 150 ms / 50 ms < 1 % High No Grid applications Real-time interactive (bidirectional) High 100 Mbps (Application dependent) 150 ms / ms (Application dependent) 1 % Medium / High (Application dependent) Yes/No (Application dependent)

47 Applikationen und Service Klassen (II) Bandwidth > B Fault Tolerance (Packet loss > P) Fault Tolerance (Packet loss < P) Bandwidth < B Fault Tolerance (Packet loss > P) Fault Tolerance (Packet loss < P) Delay < T Uncompressed video transmissions Delay < T Point-to-point video conference Multipoint video conference User to user communication in open network Grid Uncompressed video transmissions Delay > T Storage and backup Delay > T Information and web services Open Media Streaming

48 Reservierung von Ressourcen

49 MUPBED Application GUI

50 Case Study: Netz-Messungen Fragestellung: Vergleich von paketorientiertem Transport und verbindungsorientiertem Transport QoS auf Layer2 und auf Layer3 Messungen im Vergleich über ATM und IP: ATM IP-über-ATM IP Messungen im Vergleich über IP/Internet (Layer3) GE/SDH (Layer2)

51 ATM Messungen (I)

52 Test 1: 16.9 Mbps (Erlangen nach München und zurück) Test 2, 3: Mbps (München nach Erlangen und zurück)

53 Messungen über IP Messungen der Response Times Freeware Software Tool Qcheck Verwendet Konsolen Modul und Performance Endpoint Modul Tests sowohl über UDP und TCP Protokolle Genauigkeit: 1 ms

54 Response Time IP über ATM

55 Internet Response Time (23 Hops)

56 Fernbediente Kameras über das Netz (I)

57 Fernbediente Kameras über das Netz (II)

58 Messungen Layer2 und Layer3 Über das europäische MUPBED Testbed (Layer2) Zwischen Erlangen und Berlin Zwischen Erlangen und Turin/Italien via Berlin Über das deutsche VIOLA Testbed (Layer2) Zwischen Erlangen und St. Augustin/Bonn Über das X-WiN (Internet / Layer3) Zwischen Erlangen und St. Augustin/Bonn

59 VIOLA Deutsches Testbed VIOLA VIOLA: Vertically Integrated Optical Testbed for Large Applications Ziele: Test von Netzkomponenten und Architekturen Entwicklung und Tests von neuen Software Tools für eine dynamische Bandbreitenzuteilung Zieluntersuchung im Kooperation mit neuen Applikationen wie GRID Computing, Virtual Reality und High-quality Multimedia Anwendungen.

60 Aktiver Mess-Prozess Generierung von 5 UDP Paketen mit 429 Bytes Länge alle 30 Sekunden Pakete am Tag Jedes Paket hat Sequence Number (um Paketverlust feststellen zu können) Zeitstempel Empfänger markiert Ankunftszeit One group = 5 packets (median, maximum, minimum delays)

61 Messverfahren im X-WiN Ca. 40 Mess-Stationen Messkonzept seit 1998 Aktive Messungen seit Herbst 2003 Tests am Regionalen Rechenzentrum Erlangen (RRZE) vom WiN-Labor Zeitsynchronisierung über GPS Antennen Genauigkeit unter 20μs

62 WiN Messungen über Europe/USA

63 X-WiN Messungen Messungen 24 Std./Tag Basierend auf IPPM Performance Metrics of RFC-2330 Analyse Programm liefert One-way delay (OWD) One-way delay variation (OWDV) Loss ratios

64 Messungen über MUPBED zwischen Erlangen und Berlin zwischen Erlangen und Turin (via Berlin)

65 Messungen über VIOLA und X-WiN Über VIOLA zwischen Erlangen und St. Augustin Über das DFN-Netz X-WiN zwischen Erlangen und St. Augustin

66 MUPBED Layer2 Verbindung Layer2 Verbindung von Erlangen nach Berlin / Turin Messungen während der Übertragung von unkomprimiertem Video Messungen ohne Video

67 VIOLA Layer2 und X-WiN Layer3 Layer2 Verbindung (GE/SDH) von Erlangen nach St. Augustin Messungen während der Übertragung von unkomprimiertem Video Messungen ohne Video X-WiN Messungen: Routine Layer3 Internet Verkehr

68 Unkomprimierte Video Übertragung Path1 Cx1000 SDI / GE Adapters SDI (Serial Digital Interface) Video mith 270 Mbps Payload 370 Mbps Gesamtbandbreite mit FEC Mechanismus Forward Error Correction (FEC Mechanismus): Black Box Partial oder Double FEC Mechanismus Zusätzliche Bandbreite liefert bis zu 100% Overhead Error Burst Window Size: korrigierbare Packet Burst Length FEC verursacht zusätzlichen Delay

69 Einfluss von Video auf One-Way Delay

70 Einfluss von Video auf Network Jitter

71 Layer2 Messungen No Video From Erlangen To Berlin To St. Augustin To Torino Avg. delay 4.06 ms 4.64 ms ms Max. delay 4.20 ms 4.81 ms ms Min. delay 3.94 ms 4.53 ms ms Jitter range μs μs μs with Video From Erlangen To Berlin To St. Augustin To Torino Avg. delay 4.09 ms 4.65 ms ms Max. delay 5.81 ms 6.86 ms ms Min. delay 3.64 ms 4.53 ms ms Jitter range 2.18 ms 2.33 ms 2.94 ms

72 Vergleich von Layer2 und Layer3 Avg. delay Max. delay Min. delay Jitter range From Erlangen to St. Augustine Layer 2 Layer 3 No video video Routine traffic 4.64 ms 4.65 ms 8.60 ms 4.81 ms 6.86 ms ms 4.53 ms 4.53 ms 8.58 ms μs 2.33 ms 3.56 ms

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74 Jitter Einfluss auf Video Qualität Mit Forward Error Correction: Partial FEC 25% Overhead Burst Window Size von 1024 Paketen (i.e Pakete können hintereinander verloren gehen oder in falscher Reihenfolge ankommen) Gute Video Qualität, aber einige Fehler sichtbar

75 Verbesserung des Jitter Einflusses mit FEC Einfluss von Jitter kann mit zusätzlichen FEC Mechanismen verbessert werden Aber: FEC Algorithmen sind teuer im Hinblick auf Bandbreite und End-to-End Delay: FEC Mechanism No FEC DBL 32 DBL 1024 PT PT PT PT Processing Delay 1.8ms 2.8ms 80ms 12.2ms 4.8ms 440ms 180ms Bandwidth Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps

76 Ausblick: State-of-the-Art Video Equipment

77 Kontakt Zugang zu WiN Messungen: Für weiterführende Informationen: Dr. Susanne Naegele-Jackson