Reti IP e multimedialità

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Reti IP e multimedialità

Prof. PIER LUCA MONTESSORO Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Udine

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Nota di Copyright

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Disegni geometrici e grafica pittorica

• Oggetti ben definiti descrivibili matematicamente

• Contorni netti, “fill” regolari

• Rappresentano un modello di immagini reali

• Elementi irregolari, oggetti non ben definiti

• Sfumature di colore

• Rappresentano immagini reali

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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

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Risoluzione

vector oriented bitmap

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Immagini bitmap:

la codifica del colore

• Sintesi sottrattiva

luce bianca filtri colorati luce colorata

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Immagini bitmap:

la codifica del colore

• Sintesi additiva

colori primari

luce colorata

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Codifica del colore:

true color

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

248 168 5

R G B

248 168 5

R G B

255 255 255

R G B

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Immagini bitmap:

la palette

• Si associa ad ogni pixel un indice che individua una riga di una tabella

contenente le triplette RGB dei colori utilizzati nell’immagine (metafora della tavolozza del pittore)

27

0 0 0

R G B

5 26 177

112 25 9

...

248 168 5

...

0 1 2

27 color palette

27

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Il movimento

Cinema: 24

fotogrammi/secondo

Televisione:

25 fotogrammi/secondo (PAL) 30 fotogrammi al secondo (NTSC)

Nel gergo televisivo italiano i fotogrammi si chiamano “quadri”

In inglese: “fotogramma”=“frame”

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Sfarfallio (“flickering”)

Cinema: ogni

fotogramma viene proiettato due volte

Televisione:

ogni quadro viene trasmesso in due parti (righe pari e righe dispari), così la frequenza diventa di 50 (o 60) semiquadri/secondo

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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 TECNICHE DI COMPRESSIONE!!!

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Animazioni

• Permettono di descrivere

geometricamente i movimenti degli elementi dei disegni

• Richiedono applicativi specifici (es.

Flash di Macromedia)

• Possono essere utilizzati in ambito web mediante opportuni plug-in

• Complessità di sviluppo abbastanza elevata

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Il segnale audio

amplificatore

microfono: converte il suono in variazioni di una tensione o corrente elettrica

suono: successione di compressioni e rarefazioni dell’aria

amplificatore: amplifica il livello della tensione/corrente

segnale audio analogico (elettrico)

t V

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Teorema del campionamento

t V

segnale di campionamento

segnale da campionare X

se F_c≥ B questo segnale contiene tutta l’informazione del segnale originale

T_c

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Alcuni esempi

• Voce per telefonia digitale PCM (Pulse Code Modulation)

• B ≅ 3400 Hz (il canale telefonico ha banda 300-3400 Hz)

• F_c = 8 kHz

• Quantizzazione: 8 bit/campione

• 64 kb/s

• 1 minuto: 480 kB

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Alcuni esempi

• Musica su CD audio

• B ≅ 20 kHz (l’insieme di frequenze udibili dall’orecchio umano è 20-20000 Hz)

• F_c = 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

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Tecniche di compressione

codifica informazione

compressione

dati compressi

decodifica decompressione dati

informazione dati

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Compressione senza perdita (lossless)

compressione

dati compressi

informazione dati

α β γ

α ’ β ’

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

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Compressione con perdita (lossy)

compressione

dati compressi

informazione dati

α β γ

α ’ β ’

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

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Come funzionano?

• Compressione senza perdita

• migliora l’efficienza della codifica

dell’informazione basandosi sulla frequenza statistica dei dati

• Compressione con perdita

• riduce la ridondanza nella codifica

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

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JPEG encoder: schema a blocchi

blocco di 8x8 pixel

DCT

8x8 coefficienti di frequenze spaziali

quantization

quantization table

entropy encoder (Huffman

coding) _zig-zag

scan

DPCM on AC components

RLE on DC components

Y V

U

L’immagine viene separata in

luminanza (Y) e due componenti di crominanza (U e V)

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MPEG-2: risoluzioni previste

Resolution

Level Frame

Rate

Maximum

Bit Rate Application

Low Main High 1440

High

352 x 240 720 x 480 1440 x 1152 1920 x 1080

30 fps 30 fps 30 fps 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

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Motion compensated prediction

Fotogramma N-1

finestra di ricerca del movimento

blocco di immagine di cui si calcola il

vettore di movimento

Fotogramma N

blocco di errore differenze nei pixel del blocco

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Sequenze di immagini

tempo

I B B P B B P

I (Intra-pictures): codifica senza riferimento ad altri fotogrammi P (Inter-frame predicted pictures): codifica con riferimento alla più vicina I o P-picture

B (Bi-directional predicted/interpolated pictures): codifica basata sia sul fotogramma precedente che sul successivo, utile per “fast reverse play”

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Compressione audio

• Le diverse tecniche si basano su studi di psicoacustica

• Nella combinazione di più suoni (es.

musica), una parte considerevole

dell’informazione sonora non è “sentita”

dall’ascoltatore medio e può essere soppressa

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Cosa si ottiene?

• Le codifiche multimediali portano a

FLUSSI CONTINUI DI DATI NUMERICI

• La trasmissione, ricezione e

ricostruzione dell’informazione audio o video deve avvenire alla stessa velocità della sua generazione

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Commutazione di circuito

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Commutazione di circuito

• Il percorso da un estremo all’altro della connessione:

• deve essere disponibile prima dell’inizio della comunicazione

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

• Bassi ritardi di propagazione

• un circuito elettrico produce ritardi di circa 5 ms per 1000 km

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Commutazione di pacchetto

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Commutazione di pacchetto

• Possibile perdita di pacchetti

• Possibile ordine dei pacchetti in arrivo differente da quello in trasmissione

• Maggiori ritardi rispetto alla commutazione di circuito

• Addebito a volume e non a tempo

• Miglior sfruttamento dei canali

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Pacchetto

header

(intestazione) info tail

(coda)

packet (pacchetto) indirizzo

destinatario

indirizzo

mittente dati FCS

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Servizi

• “Connection oriented” (orientati alla connessione)

• Modello telefonico

• si apre la connessione

• si scambiano i messaggi

• si chiude la connessione

• “Connectionless” (non orientati alla connessione)

• Modello postale

• si affida il messaggio al sistema di inoltro

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Servizi

• Servizi affidabili

• Gestiscono la ritrasmissione in caso di errori

• Garantiscono la ricezione completa e corretta di tutti i messaggi

• Possono introdurre ritardi inaccettabili

• Servizi non affidabili

• non garantiscono la corretta ricezione dei messaggi

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Servizi datagram

• Senza riscontro (non usano

response/confirm), in analogia con i telegrammi

• 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

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Reti locali e geografiche

router

LAN LAN

LAN

WAN

(Wide Area Network)

LAN (Local Area Network)

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Internet Protocol Suite (TCP/IP)

sessione trasporto network data link

fisico

applicazione presentazione 5

4 3 2 1 7 6

OSI

trasporto (TCP e UDP) network (IP, ARP, ecc.)

host - rete

(non specificato) applicazione

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

TCP/IP

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fisico data link

network trasporto sessione present.

appl.

fisico data link

appl.

fisico data link

network

fisico data link

network

sottorete di comunicazione

Riepilogo dei livelli OSI

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Protocolli

fisico data link

appl.

fisico data link

appl.

fisico data link

network

fisico data link

network

sottorete di comunicazione protocollo di livello 5protocollo di livello 5

protocollo di livello 4protocollo di livello 4

...

(40)

Trasmissione

fisico data link

appl.

fisico data link

appl.

fisico data link

network

fisico data link

network

sottorete di comunicazione

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fisico data link

appl.

fisico data link

appl.

Imbustamento multiplo in OSI

dati dati AH

dati PH

dati SH

dati TH

dati NH

dati

DH DT

bit

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Internet e la multimedialità

• Alcuni applicativi di uso comune in Internet sono multimediali

• Internet Explorer

• Netscape

• La multimedialità in rete permette di

realizzare servizi audio e video (es. radio, TV) in digitale su Internet

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è Eventi audio/video in diretta è Servizi nearly-VOD

è Videoconferenza multipunto è Distribuzione aggiornamenti software

Esempi:

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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 in seguito a errori a causa della

compressione

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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 servizio garantita in ogni punto della rete

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Soluzioni (si fa per dire…)

• Compressione dei dati

• Codifiche “robuste”

• Marcatura del traffico in base alle esigenze di servizio

• Trattamento differenziato dei pacchetti nelle code dei router

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Trasmissione unicast

LAN extended LAN

WAN LAN

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Trasmissione multicast

LAN extended LAN

WAN LAN

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Il problema

Applicazioni di rete che richiedono la spedizione di pacchetti da uno o più sender a gruppi di receiver

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Trasmissione multicast

Il livello rete fornisce un supporto esplicito

al multicast

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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

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Protocolli per il multicast

è Creare e terminare un gruppo di multicast

è Interazione dei router tra di loro per inoltrare i pacchetti multicast

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Internet e la telefonia: Voice Over IP

• Il concetto è sorprendentemente semplice!

• Convertire la voce in pacchetti IP e trasferirli su una rete dati

• Il tutto dovrebbe chiamarsi Voice over Packet in quanto si può applicare a

qualunque tecnologia (Frame Relay, IP, ATM)

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Internet e la telefonia: Voice Over IP

L’interfacciamento tra telefonia tradizionale e Voice Over IP può avvenire:

• a livello SW direttamente sul calcolatore (es. applicativo Net2Phone)

• a livello HW presso l’utente (adattatori locali per la

telefonia tradizionale)

• a livello HW presso le centrali TLC o gli ISP (gateway VOIP sulle dorsali)

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Fax

PBX

rete IP

VOIP sulle dorsali

• I gateway (nodi di transito) adattano la telefonia tradizionale alle packet-based networks: circuiti telefonici in ingresso, pacchetti IP in uscita

gateway

L N I E B U 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 S R T S T X D T X D T X D T X D T X D R 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 D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T1 2 3 4 5 0/

L I N E B U 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 S R T S T X D T X D T X D T X D T X D R 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 D S T A TS T A TS T A TS T A TS T A T

1 2 3 4 5

0/

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Come contattare il prof. Montessoro

E-mail: montessoro@uniud.it Telefono: 0432 558286

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