Multicast IP Bernard Rapacchi (CNRS/SHS) Jean-Paul Gautier (CNRS/UREC)

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1 Multicast IP Bernard Rapacchi (CNRS/SHS) Jean-Paul Gautier (CNRS/UREC)
Bernard Tuy (CNRS/UREC) Guy Bisiaux (CRU)

2 Exemple : H.323 Système de Contrôle Interface Utilis.
Applications Données T.120 Equipement Vidéo Equipement Audio Contrôle CODEC Audio G.711, G.722, G.723, G.723.1, G.728, G.729 H.245 Contrôle CODEC Video H.261, H262, H.263 Appel H.225.0 RAS H.225.0 Délai de réception Ici ce n ’est pas LDAP !!! Protocoles Multimédia (BR) Utilisation, codage, compression, outils Outils applicatifs Protocoles de transport (JPG) RTP, RCP, RSVP Protocoles d ’échanges et de routage (BT) IGMP, DVMRP, PIM DM, PIM SM Le MBone et le FMBone (BT) Démonstration (GB) Pour bien comprendre, il faut 4 heures sur chaque partie, soit 2 jours de cours ! Le principe : on donne les « grandes idées » et les pointeurs pour plus d ’informations Niveau H (dont RTP/RTCP) Infrastructure Réseau JRES-99

3 Agenda Pourquoi le multicast IP ?
Techniques de codage et de compression audio Techniques de compression vidéo Quels besoins en réseaux ? Annonces de sessions Outils applicatifs JRES-99

4 Pourquoi le multicast IP ?
Pour envoyer les mêmes données à plusieurs destinataires Meilleure utilisation de la bande passante Moins d ’échanges entre les routeurs et les stations hôtes Quand les adresses des destinataires sont inconnues Le multicast IP ce n ’est pas une possibilité c ’est une NECESSITE !! Contrairement à l ’idée reçue, le multicast c ’est fait pour gagner de la bande passante, pas pour la gâcher JRES-99

5 Unicast / Multicast UNICAST MULTICAST JRES-99 ROUTEUR STATION
La transmission unicast envoie des copies multiples des données, une copie pour chaque destinataire Dans l ’exemple: la station envoie 3 copies des données et le réseau distribue chacune des 3 copies la station ne peut envoyer qu ’à un seul destinataire à la fois. La transmission multicast envoie une copie unique des données à tous les destinataires. Dans l ’exemple, la station envoie une seule fois les données, le réseau réplique les données jusqu ’au dernier saut possible pour chaque destinataire, chaque paquet n ’existe qu ’une seule fois sur chaque réseau. La station peut envoyer à plusieurs destinataires en même temps. Broadcast : tout le monde reçoit Multicast : seulement ceux qui l ’ont demandé reçoivent Groupe multicast : ensemble des participant (émetteurs, récepteurs) d ’une session MULTICAST STATION JRES-99

6 Avantages du multicast
Efficacité : pour le contrôle du réseau et la charge des routeurs et des stations Performance : pour éliminer le trafic inutile Applications distribuées : pour permettre les applications multipoint efficacité : la bande passante disponible est utilisée plus intelligemment puisque les copies multiples sont remplacées par une seule copie performance : moins de copies à analyser et a redistribuer applications distribuées :les applications multipoint ne sont pas possible en unicast car la demande et l ’utilisation croissent ; la transmission unicast ne tient pas au facteur d ’échelle le trafic croît de la même façon que le nombre de clients en unicast le trafic ne croît pas dans les mêmes proportions en multicast JRES-99

7 Inconvénients du multicast
Le multicast est basé sur l ’UDP peut amener des complications avec le nombre de destinataires « Best effort » des paquets peuvent être perdus Pas de contrôle de congestion peut donc amener à une dégradation du réseau Duplications des paquets peuvent être dupliqués quand la topologie change La plupart des applications multicast sont basées sur UDP. Cela peut conduire à des effets indésirables quand le nombre de destinataires augmente, comparativement à des applications unicast basées sur TCP le principe de best effort peut amener à des pertes de paquets. La plupart des applications opérant en « temps réel » peuvent être perturbées par ces pertes. La retransmission de ces paquets ne peut être envisagée. Gros problèmes pour l ’audio Quelques soucis pour la vidéo Le non contrôle de la congestion peut amener à une dégradation du réseau si le nombre d ’applications multicast devenaient trop important. Une duplication des paquets peut arriver dans le cas du changement de topologie dynamique du réseau. Les applications multicast doivent donc prendre en compte ce phénomène pour ne pas prendre en compte deux fois les mêmes données. JRES-99

8 Applications multicast IP
« temps réel » : diffusion de séminaires, conférences, formations travail collaboratif téléréunion non « temps réel » : transferts de fichiers copies multiples de données, de fichiers vidéo à la demande Plusieurs types possibles d ’applications possibles, c ’est à dire qu ’on peut avoir plusieurs classifications des applications. Celle-ci indique le fait d ’être ou non « synchrone » pour tous les acteurs : la production et la réception se fait en même temps ( à un quelque chose près). Dans cette classification, on peut ainsi mettre l ’envoi de par Multicast !! Mais on peut classer aussi : Entre personnes ou entre personnes/systèmes Privé/commerce ou professionnel Interpersonnel ou inter groupe Le bureau ou la salle JRES-99

9 Exemple unicast : NetMeeting
Permet la visioconférence à 2 (audio, vidéo) Tableau blanc partagé Transfert de fichiers Applications partagées Gratuit (!), mais uniquement Windows (!!) Applications : téléphonie visuelle, dépannage,… Divers annuaires (ILS) Un exemple d ’application facile mais en Unicast !! Pour download, prendre version 2 : Pour infos : JRES-99

10 Agenda Pourquoi le multicast IP ?
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11 Digitalisation Échantillonnage (dans le temps) signal analogique
Quantification (dans les valeurs) signal digitalisé JRES-99

12 Codage de la voix Le traitement de la voix comprend deux étapes :
Analyse de la parole convertir un signal analogique sous une forme numérique Synthèse de la parole convertir un signal numérique sous une forme analogique Trois méthodes peuvent être utilisées : Codage de la forme d ’onde : Approximation non linéaire de l ’onde (PCM, ADPCM…) Codage de la voix : Voix synthéthique (LPC) Codage hybride : Code-excited Linear Prediction (CELP),... PCM : échantillons indépendants Dans les PCM, le principe est de regarder les échantillons et éliminer les redondances et corrélation Dans les types LPC : on regarde des blocs d ’échantillons pour connaître ceux qui se ressemblent JRES-99

13 Codages PCM Codage PCM de la voix : G.711 Codage qualité CD
Utilisation téléphonique Codage logarithmique : -law (USA), A-law (Europe) différences moins perceptibles vers haute fréquence Echantillonnage : 125 s (8kHz) Amplitude : 8 bits (256 valeurs possibles) donc 64 kb/s Codage qualité CD Utilisation musicale Codage linéaire : respect de la musique oreille : de 10 à Hz Echantillonnage : 23 s (44.1 kHz) Amplitude : 16 bits en stéréo donc 1,4 Mb/s JRES-99

14 Codages PCM « Différentiels »
Différentiel ou prédictif : différence entre la valeur vraie et une « prédiction » calculée en fonction des valeurs précédentes DPCM : différence avec la valeur précédente modulation Delta : différence sur 1 bit (+/-) Adaptive Differential PCM : prédiction extrapolée à partir des valeurs précédentes Dans ces solutions, l ’étendue des valeurs possibles est moins grande donc on peut baisser le nombre de valeurs « discrètes » prises pour la numérisation, donc moins de place pour le codage. Tous ces codages sont basés sur le fait que la voix est très fortement autorégressif : on peut facilement prédire la valeur suivante en fonction de ce qu ’on a « entendu » avant. Les différences entre les codages se font sur la façon dont on calcule la valeur prédite. JRES-99

15 Codages CELP Existence d ’une liste de codes à la fois à la source et au récepteur Un codeur : voix analysée par trames de 10 à 30 ms recherche par analyse et synthèse dans ce répertoire on envoie uniquement l ’index dans ce répertoire Un décodeur : dans l ’autre sens Autre principe très utilisé en codage de processus autoregressif : on retrouve souvent les mêmes choses on fait un dictionnaire de ces choses on ne transmet que l ’index dans le dictionnaire Par contre, il faut un codeur et un décodeur qui aient le même dictionnaire !! JRES-99

16 Standards de codage de la voix
G.711 : PCM, 64 kb/s, 0,75 ms G.726 : ADPCM, 16 kb/s, 1 ms G.723 : CELP MPMLQ, 6,3 kb/s, 30 ms G.729 : CS-ACELP, 8 kb/s, 10 ms G.728 : LD-CELP, 16 kb/s, 3-5 ms GSM : téléphone mobile, 13 kbps Linear Predictive Coding (Xerox), 5 kb/s Digital Video Interactive : ~ADPCM, 4 à 8 bits Norme ITU, Méthode de compression, bande passante, délai Adaptative Delta PCM MP-MLQ : Multi-Pulse Excitation with a Maximum Likelihood Quantizer CS -ACELP : Conjugate Structure Algebraic CELP Voir : JRES-99

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18 Nécessité de compression de la vidéo
Signal PAL 720x576 pixels 25 images par seconde Quantification sur 16 bits Environ 166 Mb/s Télévision Haute Définition 1920x1080 60 images par seconde Environ 2000 Mb/s JRES-99

19 Techniques de compression vidéo
Exploiter la corrélation spatiale : Découpage en macroblocs Représentation dans le domaine des fréquences par une transformation Cosinus discrète (DCT) Quantification des coefficients DCT RLE, Huffman des coefficients Exploiter la corrélation temporelle : Codage par différence Vecteurs de mouvements Intracoding et intercoding des images Transformations : On passe du domaine temporel ou spatial au domaine fréquentiel On élimine les coefficients les moins significatifs Suppression des répétitions : RLE (Run Length Encoding) n caractères successifs c sont remplacés par c suivi d'un caratère spécial et du nombre d'occurrence N A M E : x x x x x x x x x x x x x -> N A M E : x R 13 Statistiques : même parties qui reviennent souvent, on utilise un dictionnaire on recode les ensembles en fonction de leur fréquence d'occurrence : les plus grandes sont recodées par des codes plus petits Huffman : généralisation pour les images des techniques "statistiques" On calcule les fréquences d'apparition de chaque octet. Même système de dictionnaire et de recodage utilisé pour des ensembles d'images ou des images animées JRES-99

20 MPEG : m=3, n=12 1 et 13 (I) sont complètes
B P 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 et 13 (I) sont complètes 4 est prédite / à 1, 7 / à 4 par différence 2 est interpolée à partir de 1 et 4 envoi : Macroblocs de 16x16 pixels/lum., et 8x8/chrom. Images de référence : Intracoded (I), JPEG Images prédites : Predicted (P) Images interpolées : Bidirectionnal (B) 2 paramètres : intervalles entre deux P (m) et entre deux I (n) I : Intracodé, pas construite à partir d'autres Certains blocs de P sont construit à partir de I par un vecteur de mouvement JRES-99

21 Quelques « standards » MPEG-1 : 352x240(NTSC) ou 352x288(PAL)
Qualité VCR, compression : ~ 25:1 Pour stockage, 0.2 Mbps(audio) Mbps(vidéo) MPEG-2 : Qualité "broadcast", voire HDTV Entre 4 et 6 Mbps H.261 : utilisé actuellement pour RNIS mais aussi MBone H.263 : Visio sur lignes téléphoniques (10-20 kb/s) Les « standards » ITU ce sont les H… Les autres... JRES-99

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23 Critères qualitatifs Ne dépend pas de la source mais de la nature du récepteur L'oreille est un différentiateur silence de 40 ms sont reconnus, "bruit habituel" L'œil est un intégrateur L'homme est plus sensible aux altérations du son qu'à celles de l'image JRES-99

24 Pour l ’audio Pas trop besoin de bande passante : 2 à 64 kb/s
Délai de transit pour l'interactivité Très sensible à la variation de délai Egalisation de la transmission ajout d'un délai supplémentaire nécessité de "bufferisation" suffisante synchronisation avec la vidéo Nécessite un taux d'erreur relativement faible JRES-99

25 Réparer l ’audio Signal compressé mais il y a des pertes
il faut remplacer les pertes par : du silence : mais le silence est interprété par l'oreille du bruit : plus efficace répétition : pour les paquets de petite taille interpolation : le son est très autorégressif redondance : ajout des trames précédentes avec plus de compression On utilise la redondance dans les applications du MBone actuellement (RAT, FreePhone…) mais on rajoute de l ’information donc on a plus besoin de bande passante !! JRES-99

26 Pour la vidéo Bande passante plus élevée (des 10 kb/s à des 10 Mb/s)
Variation du délai : (suivi des lèvres) HTDV : 50 ms, TV : 100 ms, Conférence : 400 ms Erreurs de transmission Mais une "trame" reste 40 ms sur l'écran en PAL et 17 ms en HDTV Intégration des erreurs paquets manquants : extrapolation, interpolation JRES-99

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28 Comment connaître une session
Par annonce : Une session est annoncée Les participants potentiels reçoivent l ’annonce Et éventuellement ils se joignent à la session Par invitation : Les utilisateurs sont invités par d ’autres à participer à une session Cette session peut ou non être annoncée publiquement Equivalent à l ’appel téléphonique Comment savoir ce qu ’il va se passer ? Le problème est que les groupes sont ouverts ce sont les participants qui s ’inscrivent pour un événement. Une session c ’est un évenement multicast JRES-99

29 Protocoles Un site multicast doit connaître :
les références du groupe (adresse, ports) Quels médias utiliser A quelle heure … Trois protocoles : Session Description Protocol Session Announcement Protocol Session Initiation Protocol Groupe de travail IETF MMUSIC : Pour les protocoles voir les : SDP : RFC 2327 SIP : RFC 2543 draft-ietf-mmusic-(sdp, sap, sip) + confarch Sinon s ’il marche encore (!!) Admin Scope Addresses RFC 2365 Protocoles utilisés par : sdr, ICAST Guide, IPTV, RealSystem G2, WebCanal JRES-99

30 SDP : Session Description Protocol
SDP décrit les sessions multimédias Il sert à : communiquer l ’existence d ’une session décrire comment joindre et participer à la session Il inclut : Nom de la session et son sujet Le(s) moment(s) de la session Les médias utilisés Comment recevoir ces médias Information sur la bande passante utilisée Comment contacter l ’annonceur... n= trusted none none NOAUTH NOENC 0 0 k= v=0 o=almeroth IN IP s=IMJ -- Channel 1 i=The Interactive Multimedia Jukebox. Go to the IMJ WWW site at ch.edu and select a program. The IMJ will schedule the program and start playou t at the scheduled time. u= e=Kevin C. Almeroth p=Kevin C. Almeroth (805) t= a=tool:sdr v2.5a8 a=type:broadcast m=audio RTP/AVP 0 c=IN IP /127 a=ptime:40 m=video RTP/AVP 31 c=IN IP /127 JRES-99

31 SAP : Session Announcement Protocol
Un client SAP annonce une session en diffusant périodiquement un paquet multicast sur un groupe connu avec la même étendue que la session La fréquence des annonces dépend de : l ’étendue de la session le nombre des autres sessions annoncées la taille des paquets pour l ’annonce Une session est effacée soit explicitement, soit implicitement si le client ne la reçoit plus depuis un certain temps JRES-99

32 SIP : Session Initiation Protocol
SIP peut inviter des utilisateurs en leur donnant les informations nécessaires pour participer à une session SIP utilise un serveur central pour gérer les conférences et les participants et distribue l ’information par multicast SIP ne dit pas comment est gérée la session SIP ne fait pas l ’allocation d ’adresses, c ’est fait par SAP Adresses : ou (serveurs proxy) JRES-99

33 Agenda Pourquoi le multicast IP ?
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34 Les outils de base : ceux de MECCANO
Anciens projets européens : MICE, MERCI,... Annonces de sessions : SDR Audio : RAT Vidéo : VIC Tableau blanc partagé : WB Editeur de texte partagé : NT INRIA : Webcanal RAT : Développé au University College of London dans les projets MICE et MERCI, en cours... A partir de vat Redondance Temporisation adaptée Collaboration avec vic sur synchronisation des lèvres VIC : Video Conference produit par Lawrence Berkeley Laboratory permet la vidéo avec concurrence par vat codage h.261, nv, jpeg, … WB : Produit par Lawrence Berkeley Laboratory Permet le partage de tableau blanc Dessine ou importe des fichiers PostScript Meilleure interactivité SDR : Permet le rendez-vous sur un évènement (advertised session) (SAP) Permet aussi l'invitation (quick call) (SIP) A la création définit les protocoles de transport et de codage de 4 types de média : audio, vidéo, wb, text (SDP) ATTENTION : ne pas oublier le script « xm ». Webcanal : JRES-99

35 Des alternatives Multikit : en remplacement de sdr
Système de tunneling spécifique LiveGate liveCaster : Pour envoyer du MP3 en streaming ou du texte, mais avec multikit (protocole : MAFP) Voir Multikit : versions pour Windows, Solaris, FreeBSD, Linux, Irix liveCaster : versions pour Windows, Solaris, FreeBSD, Linux, Irix JRES-99

36 Pour recevoir du streaming MP3
Avec sdr : utilisation de plugins et d ’un player MP3 : freeamp RealJukebox … Plugin sdr2.plugin.mpegaudio.audio.rtp.freeeamp dans ~/.sdr/plugins media: audio proto: RTP/AVP protoname: RTP tool: freeamp fmt:14 { fmtname: MP3 flags: } flags:rtp://$(ADDRESS):$(PORT) Freeamp : RealJukebox MP3 : JRES-99

37 Distribution multimédia
IP/TV : Precept-Cisco, Windows Windows Media : MicroSoft, Windows StarCast : StarLight, Windows, RealAudio : RealNetworks, tout VCR, mVOD : Univ Manheim, Unix mMOD : Univ. Lulea, tout MMCR : MECCANO, Unix-Win imm : Univ. Hawaï, Unix IP/TV : !! Windows Media ex NetShow StarCast : RealPlayer : mVoD : (97) mMOD : (97) MMCR : (98) imm : diffuseur d ’images JPEG ftp://ftp.hawaii.edu/paccom/imm/ Outils RTP : Outils de base : rtpplay, rtpdump... ftp://ftp.cs.columbia.edu/pub/schulzrinne/rtptools Autres… Mcontrol : JRES-99

38 Conférences Les vieux : VAT, NV, IVS, FreePhone, Rendez-Vous, NVAT ...
Collaboratif : CuSeeMe : mStar : Univ. Lulea, -> Marratech Pro Web : Webcanal mMosaic MCM Pour les vieux voir : maj 02/1999 mStar : Tout : mSD, mAudio, mWB, mWeb, mDesk, mVote,... mMosaic : MCM (96) : ftp://ftp.edelweb.fr/pub/MCM/ JRES-99

39 Références Understanding Networking Multimedia. F. Fluckiger. Prentice Hall, 1995. Téléphonie sur Internet. J-F. Susbielle. Eyrolles, 1996. MBone : Multicasting tomorrow ’s Internet. K. Savetz, N. Randall, Y. Lepage. IDG Bokk Word Wide Inc, 1996. IP Multicasting. D. Kosiur. Wiley Video and Multimedia Protocols : MPEG : Standars video conf JRES-99