Reti IP e multimedialità - Uniud

Reti IP e multimedialità

Prof. PIER LUCA MONTESSORO

Facoltà di IngegneriaUniversità degli Studi di Udine

Questo insieme di trasparenze (detto nel seguito slide) è protetto dalle leggi sulcopyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed i copyright relativialle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine, fotografia, animazione,video, audio, musica e testo) sono di proprietà dell’autore prof. Pier Luca Montessoro,Università degli Studi di Udine.Le slide possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti di ricerca,scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzione e al Ministerodell’Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopi istituzionali, non a fine dilucro. In tal caso non è richiesta alcuna autorizzazione.Ogni altro utilizzo o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, le riproduzioni susupporti magnetici, su reti di calcolatori e stampe) in toto o in parte è vietata, se nonesplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da parte dell’autore.L’informazione contenuta in queste slide è ritenuta essere accurata alla data dellapubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non per essereutilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa è soggetta acambiamenti senza preavviso. L’autore non assume alcuna responsabilità per ilcontenuto di queste slide (ivi incluse, ma non limitatamente, la correttezza,completezza, applicabilità, aggiornamento dell’informazione).In ogni caso non può essere dichiarata conformità all’informazione contenuta inqueste slide.In ogni caso questa nota di copyright e il suo richiamo in calce ad ogni slide nondevono mai essere rimossi e devono essere riportati anche in utilizzi parziali.

Nota di Copyright

Disegni geometrici e grafica pittorica

• Oggetti ben definiti descrivibilimatematicamente

• Contorni netti, “fill” regolari

• Rappresentano un modello diimmagini reali

• Elementi irregolari, oggetti nonben definiti

• Sfumature di colore

• Rappresentano immagini reali

Codifica della grafica pittorica

0000000000000110000000 .....0000000000011110000000 .....0000000001100110000000 .....0000000110000110000000 .....00000110000001100 ..........

PIXEL (picture element)

1 bit/pixel = bianco e nero (senza grigi)8 bit/pixel = 256 livelli di grigio

Risoluzione

vector oriented bitmap

Immagini bitmap:la codifica del colore

• Sintesi sottrattiva

luce bianca filtri colorati luce colorata

Immagini bitmap:la codifica del colore

• Sintesi additiva

colori primari

luce colorata

Codifica del colore:true color

• Si associa ad ogni pixel una tripletta divalori, uno per colore primario

248 168 5R G B

255 255 255R G B

Immagini bitmap:la palette

• Si associa ad ogni pixel un indice cheindividua una riga di una tabellacontenente le triplette RGB dei coloriutilizzati nell’immagine (metafora dellatavolozza del pittore)

0 0 0R G B

5 26 177112 25 9

248 168 5

27 colo

Il movimento

Cinema: 24fotogrammi/secondo

Televisione:25 fotogrammi/secondo (PAL)

30 fotogrammi al secondo (NTSC)

Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano “quadri”

In inglese: “fotogramma”=“frame”

Sfarfallio (“flickering”)

Cinema: ognifotogramma vieneproiettato due volte

Televisione:ogni quadro viene trasmesso in

due parti (righe pari e righedispari), così la frequenza diventa

di 50 (o 60) semiquadri/secondo

Codifica digitale del video

• Qualità VHS• 352x240 pixel• a 256 colori, 30 fps → 2.5 MB/s

• Qualità TV broadcast• 720x480 pixel• a 256 colori, 30 fps → 10 MB/s

• HDTV• 1440x1152 pixel• a 256 colori, 30 fps → 50 MB/s

SERVONO TECNICHEDI COMPRESSIONE!!!

Animazioni

• Permettono di descriveregeometricamente i movimenti deglielementi dei disegni

• Richiedono applicativi specifici (es.Flash di Macromedia)

• Possono essere utilizzati in ambito webmediante opportuni plug-in

• Complessità di sviluppo abbastanzaelevata

Il segnale audio

amplificatore

microfono: converte il suonoin variazioni di una tensioneo corrente elettrica

suono: successionedi compressioni erarefazioni dell’aria

amplificatore: amplifica il livellodella tensione/corrente

segnale audio analogico(elettrico)

Teorema del campionamento

segnale di campionamento

segnale da campionare X

se Fc≥ B questo segnalecontiene tutta l’informazionedel segnale originale

Alcuni esempi

• Voce per telefonia digitale PCM (PulseCode Modulation)• B ≅ 3400 Hz (il canale telefonico ha

banda 300-3400 Hz)

• Fc = 8 kHz• Quantizzazione: 8 bit/campione

• 64 kb/s

• 1 minuto: 480 kB

Alcuni esempi

• Musica su CD audio• B ≅ 20 kHz (l’insieme di frequenze udibili

dall’orecchio umano è 20-20000 Hz)

• Fc = 44.1 kHz• Quantizzazione: 16 bit/campione (per

ognuno dei due canali: il CD è stereo)

• 1.411 Mb/s

• 1 minuto: circa 10 MB

Tecniche di compressione

codificainformazione

compressione

daticompressi

decodifica decompressione

informazione dati

Compressione senza perdita(lossless)

compressione

daticompressi

informazione dati

α β γ

α’ β’

sizeof (γ) < sizeof (β), β’ = β, α’ = α

Compressione con perdita (lossy)

compressione

daticompressi

informazione dati

α β γ

α’ β’

sizeof (γ) << sizeof (β), β’ ≠ β, α’ ≈ α

Come funzionano?

• Compressione senza perdita• migliora l’efficienza della codifica

dell’informazione basandosi sulla frequenzastatistica dei dati

• Compressione con perdita• riduce la ridondanza nella codifica

dell’informazione eliminando quegli elementinon (o poco) percepibili dai nostri sensi

JPEG encoder: schema a blocchi

blocco di8x8 pixel

8x8 coefficientidi frequenzespaziali

quantization

quantizationtable

entropyencoder(Huffmancoding) zig-zag

DPCMon AC

components

RLEon DC

components

L’immagine vieneseparata inluminanza (Y) edue componenti dicrominanza (U e V)

MPEG-2: risoluzioni previste

ResolutionLevel Frame Rate

Maximum Bit Rate Application

High 1440

352 x 240

720 x 480

1440 x 1152

1920 x 1080

30 fps

4 Mbps

15 Mbps

60 Mbps

80 Mbps

Consumer VCR and MPEG-1 Compatability

Commercial TV

Consumer HDTV

Professional HDTV Production

Digital satellite TV, DVD

Motion compensated predictionFotogramma N-1

finestra di ricercadel movimento

blocco di immaginedi cui si calcola ilvettore di movimento

Fotogramma N

blocco di errore

differenzenei pixeldel blocco

Sequenze di immagini

I B B P B B P

I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammiP (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento allapiù vicina I o P-pictureB (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codificabasata sia sul fotogramma precedente che sul successivo,utile per “fast reverse play”

Compressione audio

• Le diverse tecniche si basano su studi dipsicoacustica

• Nella combinazione di più suoni (es.musica), una parte considerevoledell’informazione sonora non è “sentita”dall’ascoltatore medio e può esseresoppressa

Cosa si ottiene?

• Le codifiche multimediali portano aFLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI

• La trasmissione, ricezione ericostruzione dell’informazione audio ovideo deve avvenire alla stessa velocitàdella sua generazione

Commutazione di circuito

• Il percorso da un estremo all’altro dellaconnessione:• deve essere disponibile prima dell’inizio

della comunicazione

• viene impegnato per tutta la durata dellacomunicazione (addebito a tempo)

• Bassi ritardi di propagazione• un circuito elettrico produce ritardi di

circa 5 ms per 1000 km

Commutazione di pacchetto

• Possibile perdita di pacchetti

• Possibile ordine dei pacchetti in arrivodifferente da quello in trasmissione

• Maggiori ritardi rispetto allacommutazione di circuito

• Addebito a volume e non a tempo

• Miglior sfruttamento dei canali

Pacchetto

header(intestazione)

info tail(coda)

packet(pacchetto)

indirizzodestinatario

indirizzomittente

dati FCS

Servizi

• “Connection oriented” (orientati allaconnessione)• Modello telefonico

• si apre la connessione• si scambiano i messaggi• si chiude la connessione

• “Connectionless” (non orientati allaconnessione)• Modello postale

• si affida il messaggio al sistema di inoltro

Servizi

• Servizi affidabili• Gestiscono la ritrasmissione in caso di

errori

• Garantiscono la ricezione completa ecorretta di tutti i messaggi

• Possono introdurre ritardi inaccettabili

• Servizi non affidabili• non garantiscono la corretta ricezione

dei messaggi

Servizi datagram

• Senza riscontro (non usanoresponse/confirm), in analogia con itelegrammi

• Sono servizi• non orientati alla connessione

• non affidabili

• Esempio: IP (Internet Protocol)• nel TCP/IP errori e perdite di pacchetti

sono recuperati dal protocollo TCP

Reti locali e geografiche

router

LANLAN

WAN(Wide Area Network)

LAN (LocalArea Network)

Internet Protocol Suite (TCP/IP)

sessione

trasporto

network

data link

fisico

applicazione

presentazione

trasporto (TCP e UDP)

network (IP, ARP, ecc.)

host - rete(non specificato)

applicazione(telnet, FTP, SMTP,DNS, HTTP, ecc.)

TCP/IP

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

fisico

data link

network

sottorete di comunicazione

Riepilogo dei livelli OSI

Protocolli

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

fisico

data link

network

protocollo di livello 5protocollo di livello 5

protocollo di livello 4protocollo di livello 4

Trasmissione

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

fisico

data link

network

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

fisico

data link

network

trasporto

sessione

present.

Imbustamento multiplo in OSI

datiAH

datiPH

datiSH

datiTH

datiNH

datiDH DT

Internet e la multimedialità

• Alcuni applicativi di uso comune inInternet sono multimediali

• Internet Explorer• Netscape

• La multimedialità in rete permette direalizzare servizi audio e video (es. radio,TV) in digitale su Internet

è Eventi audio/video in diretta

è Servizi nearly-VOD

è Videoconferenza multipunto

è Distribuzione aggiornamenti software

Esempi:Esempi:

Esigenze del traffico multimediale

• Banda trasmissiva elevata

• Ritardi contenuti (per servizi interativi)• Jitter (variabilità del ritardo)

• Basso tasso di errore• assenza di correzione (protocolli non

connessi)

• consistenti perdite di informazione inseguito a errori a causa dellacompressione

I limiti della rete

• Banda trasmissiva spesso insufficiente• Ritardi eccessivi• Eccessiva variabilità del ritardo• Perdita dei pacchetti a causa della

congestione della rete

Ø Manca ancora una qualità del serviziogarantita in ogni punto della rete

Soluzioni (si fa per dire…)

• Compressione dei dati

• Codifiche “robuste”• Marcatura del traffico in base alle

esigenze di servizio

• Trattamento differenziato dei pacchettinelle code dei router

Trasmissione unicast

extended LAN

Trasmissione multicast

extended LAN

Il problema

Applicazioni di rete cherichiedono la spedizionedi pacchetti da uno o più

sender a gruppi di receiver

Trasmissione multicast

Il livello rete fornisceun supporto esplicito

al multicast

Classe D degli indirizzi IP

è Da 224.0.0.0 a 239.255.255.255

Indirizzi multicast

Su Internet

è Registrazione degli indirizzi pubblici

Sulle intranet

è Lotto disponibile:239.0.0.0 - 239.255.255.255

Protocolli per il multicast

è Creare e terminare un gruppo dimulticast

è Interazione dei router tra di loroper inoltrare i pacchetti multicast

Internet e la telefonia: Voice Over IP

• Il concetto è sorprendentementesemplice!

• Convertire la voce in pacchetti IP etrasferirli su una rete dati

• Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice overPacket in quanto si può applicare aqualunque tecnologia (Frame Relay, IP,ATM)

Internet e la telefonia: Voice Over IP

L’interfacciamento tra telefonia tradizionalee Voice Over IP può avvenire:

• a livello SW direttamente sulcalcolatore (es. applicativoNet2Phone)

• a livello HW presso l’utente(adattatori locali per latelefonia tradizionale)

• a livello HW presso le centraliTLC o gli ISP (gateway VOIPsulle dorsali)

rete IP

VOIP sulle dorsali• I gateway (nodi di transito) adattano la

telefonia tradizionale alle packet-basednetworks: circuiti telefonici in ingresso,pacchetti IP in uscita

gateway

R T S R T S R T S R T S R T S

R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D

D C D D C D D C D D C D D C DS T A TS T A TS T A TS T A TS T A T

1 2 3 4 50/

L I N E

R T S R T S R T S R T S R T S

R T S R T S R T S R T S R T ST X D T X D T X D T X D T X DR X D R X D R X D R X D R X D

D C D D C D D C D D C D D C DS T A TS T A TS T A TS T A TS T A T

1 2 3 4 50/

Come contattare il prof. Montessoro

E-mail: montessoro@uniud.itTelefono: 0432 558286

Fax: 0432 558251

URL: www.montessoro.it

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