Introducción a la Telemática Dirigida a la Producción Audiovisual

Introducción a la Telemática Dirigida a la Producción Audiovisual
Master en Gestión de la Producción Audiovisual Rogelio Montañana 16 y 17 de noviembre de 2000 16/11/2000

Sumario Introducción El nivel físico El nivel de red
Formatos digitales de audio y vídeo 16/11/2000

Introducción Importancia, justificación y objetivos
Definición de Telemática Clasificación de las redes Modelos de descripción de las redes Algunos conceptos básicos Estándares. Organizaciones 16/11/2000

Importancia Existe una gran interacción entre la producción audiovisual (o multimedia) e Internet. Ejemplo: fusión de America On Line (AOL) con Time Warner La producción de materiales audiovisuales (AV) tiende cada vez más a utilizar soportes digitales, especialmente aptos para su difusión en Internet y en redes telemáticas Aunque tradicionalmente el audio y vídeo se han transmitido y almacenado de forma analógica, en los últimos años asistimos a una evolución hacia el formato digital de esta información, tanto en lo que se refiere a su almacenamiento como a su transmisión. Atendiendo de momento al caso del almacenamiento podemos destacar una serie de ventajas que han llevado al uso del formato digital como soporte de la información audiovisual, como por ejemplo: - Replicación de la información sin pérdida de calidad. Esto permite trasladar la información a nuevos soportes a medida que van apareciendo, o por obsolescencia de los anteriores, sin que se produzca ninguna alteración o degradación de la información. - Mayor calidad. Hoy en día es posible con el formato digital obtener una mayor calidad, por ejemplo en el caso del audio digital en disco compacto la calidad supera la capacidad del oído humano. En el caso del vídeo los formatos de mayor calidad son de tipo digital (D1, D2 y D3). - Más compacto. Por ejemplo el soporte DVD (Digital Versatile Disc) permite almacenar en un disco del tamaño de un CD una hora de vídeo con una calidad superior a los formatos de vídeo doméstico de alta calidad, como S-VHS o Hi-8. 16/11/2000

El formato digital en el soporte/ transmisión de información AV
Ventajas: Replicación indefinida sin pérdida de calidad Difusión de materiales digitales sin conversión Posibilidad de corrección de errores de transmisión (Ej. NICAM, televisión digital) Mejor aprovechamiento de la capacidad mediante compresión (Ej. televisión digital) Inconvenientes Equipos mas caros Difusión limitada Aquí planteamos las ventajas del formato digital desde el punto de vista de su transmisión por una red de difusión tipo broadcast. Del mismo modo que en el caso del almacenamiento de información asistimos a una evolución cada vez mayor hacia el formato digital, como lo muestran los siguientes ejemplos: - Sonido estéreo NICAM - Televisión digital (DVB, Digital Video Broadcast) - Audio digital (DAB, Digital Audio Broadcast) Las razones que impulsan esta evolución son similares a las ya comentadas para el soporte digital: - Posibilidad de replicación indefinida sin pérdida de calidad. - Difusión de materiales digitales sin conversión de formato. - Corrección de errores. Añadiendo a la información digital algún tipo de redundancia es posible ofrecer alguna capacidad de detección y corrección de errores en el receptor. Esto se utiliza por ejemplo en el audio NICAM empleado en las emisiones de televisión estéreo de la mayoría de las emisoras. - Mejor aprovechamiento de la capacidad. Por ejemplo la televisión digital permite, mediante la técnica de compresión MPEG-2, enviar una emisión con calidad broadcast a través de un canal digital de 4-6 Mb/s. Dado que un canal de televisión permite enviar unos 30 Mb/s de información podemos multiplicar por 6 a 8 veces la capacidad de cada canal de televisión manteniendo la misma calidad. 16/11/2000

Las redes telemáticas como medio para transmitir información AV
Ventajas Interactividad (bidireccionalidad) Servicios bajo demanda (VoD) Comunicación entre grupos (multicast) Inconvenientes Requerimientos elevados de recursos Necesidad de funcionamiento en tiempo real (en directo Difícil competencia con medios tradicionales de radio y teledifusión El uso de redes telemáticas para transmitir información audiovisual tiene ventajas e inconvenientes. La prinicpal diferencia de las redes telemáticas respecto de las redes de difusión broadcast tradicionales estriba en que permiten la comunicación bidireccional, y por tanto la interacción, entre el emisor de la información y el (o los) receptores. Precisamente la principal ventaja del uso de este tipo de redes está en esta capacidad de interacción, que va a permitir ofrecer servicios ‘a la carta’, como por ejemplo vídeo bajo demanda. También se pueden ofrecer servicios de videoconferencia, donde la información audiovisual fluye de forma simétrica entre ambos interlocutores. Una tercera ventaja es la posibilidad de realizar emisiones a un grupo de interés, conocidas como emisiones multicast; esto permite un uso eficiente de la red ya que la información es recibida por todos los usuarios pero no se transmite mas que una vez por cada enlace. También es importante destacar los inconvenientes de las redes telemáticas para el envío de información audiovisual. El elevado requerimiento de recursos, y la necesidad de que la información llegue sin retardo apreciable (ya que a menudo se transmite en tiempo real) plantean un reto en las redes de datos tradicionales que en muchos casos es aun inabordable, especialmente si hablamos de vídeo de alta calidad. Por este motivo aún pasarán bastantes años (si es que ocurre algún día) antes de que pueda plantearse la completa sustitución de las redes de difusión tradicionales de radio y televisión por redes de datos como Internet. 16/11/2000

Objetivos de las sesiones
Introducir los aspectos básicos del funcionamiento de las redes telemáticas en general y de Internet en particular. Presentar una perspectiva del estado actual de las redes telemáticas, especialmente en los aspectos de interés para la transmisión de información audiovisual. Plantear los problemas y limitaciones principales de las redes telemáticas en relación con la información audiovisual. En la presente sesión nos ocuparemos de la problemática propia de la transmisión de audio y vídeo digital a través de redes telemáticas. Abarcaremos un conjunto amplio de aspectos técnicos de actualidad en el ámbito de las redes telemáticas (con especial énfasis en el caso de Internet) destacando los puntos que más relevancia pueden tener para los materiales de tipo audiovisual. También destacaremos los problemas y limitaciones que plantea el uso de redes telemáticas para la difusión de dichos materiales audiovisuales. , 16/11/2000

Telecomunicaciones Informática Telemática
Telemática: ciencia que utiliza las telecomunicaciones para potenciar las posibilidades y aplicaciones de la informática 16/11/2000

Clasificación de las redes
Por su ámbito: Redes de área local o LAN (Local Area Network): Diseñadas desde el principio para transportar datos. Redes de área extensa o WAN (Wide Area Network): Utilizan el sistema telefónico, diseñado inicialmente para transportar voz. Por su tecnología: Redes broadcast (broadcast = radiodifusión) Redes punto a punto 16/11/2000

Clasificación de las redes por su ámbito
(LAN) (MAN) De las diversas formas de clasificar las redes mostramos aquí la que lo hace de acuerdo con su ámbito geográfico. Las redes locales o LANs (Local Area Network) tienen un ámbito reducido, de un edificio o como mucho un campus. Son diseñadas, instaladas y operadas normalmente por personal de la propia empresa que las utiliza (o alguna empresa subcontratada al efecto) para proveer servicios internos e la empresa. Generalmente ofrecen altas velocidades, por lo que la saturación o congestión no suelen ser problema. La principal característica de las redes de área extensa o WANs es el hecho de no ser gestionadas por el usuario, sino por operadores, principalmente empresas telefónicas. El usuario contrata con el operador el servicio que mejor se adapta a sus necesidades. Aunque se diseñan en principio para cubrir grandes distancias, a veces se utiliza un servicio de red WAN para cruzar una calle ya que las restricciones legales no permiten al usuario tender su propio cable. Aparte de las diferencias reseñadas cabe mencionar otra de tipo histórico. Las LANs nacieron en los años 70 diseñadas desde su origen para la transmisión de datos. Las WANs intentan adaptar para la transmisión de datos redes diseñadas inicialmente para voz. Solo en fechas muy recientes el volumen de tráfico de datos en las redes telefónicas ha sido lo bastante importante como para influir en su diseño. (WAN) (WAN) 16/11/2000

Redes de área local o LAN (Local Area Network)
Características: Generalmente son de tipo broadcast (medio compartido) Cableado normalmente propiedad del usuario Diseñadas inicialmente para transporte de datos Ejemplos: Ethernet (IEEE 802.3): 1, 10, 100, 1000 Mb/s Token Ring (IEEE 802.5): 1, 4, 16, 100 Mb/s FDDI: 100 Mb/s HIPPI: 800, 1600, 6400 Mb/s Fibre Channel: 100, 200, 400, 800 Mb/s Redes inalámbricas por radio (IEEE ): 1, 2, 5.5, 11 Mb/s Topología en bus (Ethernet) o anillo (Token Ring, FDDI) 16/11/2000

Topologías LAN típicas
Ordenador (Host) Ordenador (Host) Cable Cable Bus (Ethernet) Anillo (Token Ring, FDDI) 16/11/2000

Redes de área extensa o WAN (Wide Area Network)
Se caracterizan por utilizar normalmente medios telefónicos, diseñados en principio para transportar la voz. Son servicios contratados normalmente a operadoras (Telefónica, Retevisión, Ono, BT, Uni2, etc.). Las comunicaciones tienen un costo elevado, por lo que se suele optimizar su diseño. Normalmente utilizan enlaces punto a punto temporales o permanentes, salvo las comunicaciones vía satélite que son broadcast. También hay servicios WAN que son redes de conmutación de paquetes. 16/11/2000

Clasificación de las redes por su tecnología
Tipo Broadcast Enlaces punto a punto Características La información se envía a todos los nodos de la red, aunque solo interese a unos pocos La información se envía solo al nodo al cual va dirigida Ejemplos Casi todas las LANs (excepto LANs conmutadas) Redes de satélite Redes de TV por cable Enlaces dedicados Servicios de conmutación de paquetes (X.25, Frame Relay y ATM). LANs conmutadas 16/11/2000

Redes broadcast El medio de transmisión es compartido. Suelen ser redes llocales. Ej.: Ethernet 10 Mb/s Los paquetes se envían a toda la red, aunque vayan dirigidos a un único destinatario. Posibles problemas de seguridad (encriptado) Se pueden crear redes planas, es decir redes en las que la comunicación entre dos ordenadores cualesquiera se haga de forma directa, sin routers intermedios. 16/11/2000

Redes de enlaces punto a punto (I)
La red esta formada por un conjunto de enlaces entre los nodos de dos en dos Es posible crear topologías complejas (anillo, malla,etc.) Generalmente la comunicación entre dos ordenadores cualesquiera se realiza a través de nodos intermedios que encaminan o conmutan los paquetes (conmutador o router). Un router o conmutador es un ordenador especializado en la conmutación de paquetes; generalmente utiliza un hardware y software diseñados a propósito (p. ej. sistemas operativos en tiempo real) En una red de enlaces punto a punto el conjunto de routers o conmutadores y los enlaces que los unen forman lo que se conoce como la subred. La subred delimita la responsabilidad del proveedor del servicio. 16/11/2000

Algunas topologías típicas de redes punto a punto
Estrella Anillo Árbol sin bucles (‘spanning tree’) Topología irregular (malla parcial) Malla completa Anillos interconectados 16/11/2000

Redes de enlaces punto a punto (II)
En una red punto a punto los enlaces pueden ser: Simplex: transmisión en un solo sentido Semi-dúplex o half-duplex: transmisión en ambos sentidos, pero no a la vez Dúplex o full-duplex: transmisión simultánea en ambos sentidos En el caso dúplex y semi-dúplex el enlace puede ser simétrico (misma velocidad en ambos sentidos) o asimétrico. Normalmente los enlaces son dúplex simétricos La velocidad se especifica en bps, Kbps, Mbps, Gbps, Tbps, ... Pero OJO: 1 Kbps = bps (no 1.024) 1 Mbps = bps (no 1.024*1.024) Ejemplo: la capacidad total máxima de un enlace de 64 Kbps son bits por segundo ( bits por segundo en cada sentido). 16/11/2000

Clasificación de redes
Redes LAN Redes WAN Redes broadcast Ethernet, Token Ring, FDDI Redes vía satélite, redes CATV Redes de enlaces punto a punto HIPPI, LANs conmutadas Líneas dedicadas, Frame Relay, ATM 16/11/2000

Escenario típico de una red completa (LAN-WAN)
Subred Host Router WAN (red de enlaces punto a punto) LAN (red broadcast o LAN conmutada) 16/11/2000

Posibles formas de enviar la información
Según el número de destinatarios el envío de un paquete puede ser: Unicast: si se envía a un destinatario concreto. Es el mas normal. Broadcast: si se envía a todos los destinatarios posibles en la red. Ejemplo: para anunciar nuevos servicios en la red. Multicast: si se envía a un grupo selecto de destinatarios de entre todos los que hay en la red. Ejemplo: emisión de videoconferencia. Anycast: si se envía a uno cualquiera de un conjunto de destinatarios posibles. Ejemplo: servicio de alta disponibilidad ofrecido por varios servidores simultáneamente; el cliente solicita una determinada información y espera recibir respuesta de uno cualquiera de ellos. 16/11/2000

Planteamiento del problema
La interconexión de ordenadores es un problema técnico de complejidad elevada. Requiere el funcionamiento correcto de equipos (hardware) y programas (software) desarrollados por diferentes equipos humanos. Cuando las cosas no funcionan es muy fácil echar la culpa al otro equipo. La interoperabilidad no cumple la propiedad transitiva. El correcto funcionamiento de A con B y de B con C no garantiza el correcto funcionamiento de A con C Estos problemas se agravan más aún cuando se interconectan equipos de distintos fabricantes. La interconexión de ordenadores es un problema de gran complejidad, ya que a los aspectos de diseño y realización hardware y software propios de cualquier producto informático se añade la necesidad de interoperar con otros productos, a menudo desarrollados por diferentes fabricantes y por tanto por diferentes equipos de personas. Para resolverlo se aplica la estrategia del ‘divide y vencerás’. Las partes en que se divide el problema de la comunicación entre ordenadores se acoplan entre sí siguiendo un orden determinado, por lo que se las conoce como capas. El modelo de capas es el que se utiliza para cualquier diseño de red desde hace ya bastantes años. Su modularidad permite que una capa pueda modificarse sin que las demás se vean afectadas (aunque a veces hay que hacer algún reajuste). El modelo de redes más conocido es el denominado modelo OSI de siete capas (OSI = Open Systems Interconnection) desarrollado por la ISO (International Organization for Standardization) entre 1997 y En realidad el primer modelo de capas (también siete) fue desarrollado por IBM en 1974 en su red SNA (Systems Network Architecture). Aunque el modelo de capas se utiliza en prácticamente todas las redes, el número puede variar. 16/11/2000

La solución La mejor forma de resolver un problema complejo es dividirlo en partes. En telemática dichas ‘partes’ se llaman capas y tienen funciones bien definidas. El modelo de capas permite describir el funcionamiento de las redes de forma modular y hacer cambios de manera sencilla. El modelo de capas más conocido es el llamado modelo OSI de ISO (OSI = Open Systems Interconnection). La interconexión de ordenadores es un problema de gran complejidad, ya que a los aspectos de diseño y realización hardware y software propios de cualquier producto informático se añade la necesidad de interoperar con otros productos, a menudo desarrollados por diferentes fabricantes y por tanto por diferentes equipos de personas. Para resolverlo se aplica la estrategia del ‘divide y vencerás’. Las partes en que se divide el problema de la comunicación entre ordenadores se acoplan entre sí siguiendo un orden determinado, por lo que se las conoce como capas. El modelo de capas es el que se utiliza para cualquier diseño de red desde hace ya bastantes años. Su modularidad permite que una capa pueda modificarse sin que las demás se vean afectadas (aunque a veces hay que hacer algún reajuste). El modelo de redes más conocido es el denominado modelo OSI de siete capas (OSI = Open Systems Interconnection) desarrollado por la ISO (International Organization for Standardization) entre 1997 y En realidad el primer modelo de capas (también siete) fue desarrollado por IBM en 1974 en su red SNA (Systems Network Architecture). Aunque el modelo de capas se utiliza en prácticamente todas las redes, el número puede variar. 16/11/2000

Ejemplo de comunicación mediante el modelo de capas
Dos artistas, uno en Moscú y el otro en Valencia, mantienen por vía telegráfica una conversación sobre pintura. Para entenderse disponen de traductores ruso-inglés y valenciano-inglés, respectivamente. Los traductores pasan el texto escrito en inglés a los telegrafistas que lo transmiten por el telégrafo utilizando código Morse. Mediante esta analogía explicaremos los principios básicos que rigen el diseño de cualquier red según el modelo de capas. 16/11/2000

Ejemplo de comunicación mediante el modelo de capas
virtual 4 Artista Artista 3 Traductor Traductor 2 Telegrafista Telegrafista Comunicación real 1 Telégrafo Telégrafo 16/11/2000 Moscú Valencia

Principios del modelo de capas
El modelo de capas se basa en los siguientes principios: La capa n ofrece sus servicios a la capa n+1. La capa n+1 solo usa los servicios de la capa n. La comunicación entre capas se realiza mediante una interfaz Cada capa se comunica con la capa equivalente en el otro sistema utilizando un protocolo característico de esa capa (protocolo de la capa n). El protocolo forma parte de la arquitectura, la interfaz no. El conjunto de protocolos que interoperan en todos los niveles de una arquitectura dada se conoce como pila de protocolos o ‘protocol stack’. Ejemplo: la pila de protocolos OSI, SNA, TCP/IP, etc. Dos conceptos fundamentales en redes de comunicaciones son el de protocolo e interfaz. - El protocolo es el conjunto de reglas que rigen la comunicación horizontal, es decir entre capas iguales de diferentes entidades o nodos. - La interfaz es el conjunto de reglas que rigen la comunicación vertical, es decir la que tiene lugar con las capas vecinas de la misma entidad o nodo. Los protocolos han de pactarse en toda la red y ser respetados por todos sus miembros para que la comunicación sea posible. En cambio las interfaces son algo interno de cada entidad y sólo necesitan pactarse dentro de la misma. En una misma red cada nodo podría tener diferentes interfaces y la comunicación aún sería posible siempre y cuando se respeten los protocolos establecidos. 16/11/2000

Protocolos e Interfaces
Capa Pintura 4 Artista Artista Ruso Valenciano Inglés 3 Traductor Traductor Texto escrito Texto escrito Morse 2 Telegrafista Telegrafista Como es evidente en nuestro ejemplo si los artistas no coinciden en el tema de conversación difícilmente se entenderán. Análogamente los traductores han de acordar que lenguaje común utilizarán para comunicarse, y los telegrafistas el código a emplear. Todo esto son ejemplos de protocolos. Los artistas podrían decidir cambiar su tema de conversación a música, por ejemplo y en principio no tendrían por que informar de ello a los traductores. Por tanto el modelo de capas nos permite modificar el protocolo de una capa sin tener que realizar modificaciones en las demás. En la práctica a veces es necesario realizar pequeños reajustes en las demás capas. Por ejemplo en nuestro caso posiblemente conviniera avisar a los traductores para que tengan a mano un diccionario de términos musicales Por otro lado observamos que la comunicación artista-traductor es una interfaz. El artista holandés podría acordar con su traductor utilizar el francés como idioma de comunicación y este hecho solo tendría que ser conocido por ambos, no afectaría para nada la comunicación con el artista o el traductor rusos. Puede por tanto cambiarse la interfaz de manera modular, sin afectar al resto del sistema. Manipulador Manipulador Impulsos eléctricos 1 Telégrafo Telégrafo Moscú Valencia 16/11/2000

Capa N Servicios ofrecidos a la capa N+1 Comunicación con la entidad
homóloga mediante el protocolo de la capa N Comunicación real Los dos principios básicos que rigen el modelo de capas son los siguientes: - Cada capa mantiene un intercambio de información únicamente con su homóloga en el otro lado. - Para ello hace uso de los servicios de su capa inferior. Análogamente cada capa ofrece sus servicios a la capa superior. No está permitido por tanto en el modelo de capas que una capa hable con otra de diferente nivel (por ejemplo que el artista valenciano hable con el traductor de ruso). Tampoco está permitido que una capa intercambie información con otra que no esté inmediatamente encima o debajo de ella (por ejemplo que alguno de los artistas hable con el telegrafista directamente). En una arquitectura de red se especifica para cada capa el protocolo o protocolos característicos o estandarizados. Cuando está permitido más de uno es preciso que las entidades, en el momento de iniciar el diálogo, especifiquen cual van a utilizar. Por ejemplo en nuestro caso si los artistas pueden hablar de pintura o de música será preciso que cuando inicien la comunicación especifiquen claramente el tema de conversación para evitar malentendidos. No todas las entidades conectadas a la red están obligadas a soportar todos los protocolos posibles de cada una de las capas. Comunicación virtual (salvo si N=1) Servicios utilizados de la capa N-1 16/11/2000

Comunicación indirecta mediante el modelo de capas
Supongamos ahora que Moscú y Valencia no disponen de comunicación directa vía telégrafo, pero que la comunicación se realiza de forma indirecta por la ruta: Moscú – Copenhague: telégrafo por cable Copenhague – París: radiotelégrafo París – Valencia: telégrafo por cable 16/11/2000

Radiotelégrafo Telégrafo por cable Moscú Copenhague París Valencia
16/11/2000

Comunicación indirecta entre dos artistas a través de una red de telégrafos
Pintura Artista Artista Inglés Traductor Traductor Morse Morse Morse Telegrafista Telegrafista Telegrafista Telegrafista Impulsos eléctricos Ondas de radio Impulsos eléctricos Telégrafo Telégrafo Telégrafo Telégrafo Moscú Copenhague París Valencia 16/11/2000

El Modelo de referencia OSI de ISO (OSIRM)
Fue definido entre 1977 y 1983 por la ISO (International Standards Organization) para promover la creación de estándares independientes de fabricante. Define 7 capas: Capa de Aplicación Capa Física Capa de Enlace Capa de Red Capa de Transporte Capa de Sesión Capa de Presentación 16/11/2000

Capa Física N=1 Transmite Los Datos Medio físico
Especificación de medios de transmisión mecánicos, eléctricos, funcionales y procedurales Medio físico N=1 16/11/2000

Provee el control de la capa física
Capa de Enlace Provee el control de la capa física Detecta y/o corrige Errores de transmisión Datos puros Driver del dispositivo de comunicaciones N=2 16/11/2000

Suministra información sobre la ruta a seguir
Capa de Red Suministra información sobre la ruta a seguir ¿Por donde debo ir a w.x.y.z? Routers N=3 16/11/2000

Capa de Transporte N=4 ¿Son estos datos buenos?
Verifica que los datos se transmitan correctamente Error de comprobación de mensaje Conexión extremo a extremo (host a host) Este paquete no es bueno. Reenviar Paquetes de datos N=4 16/11/2000

Sincroniza el intercambio de datos entre capas inferiores y superiores
Capa de Sesión Sincroniza el intercambio de datos entre capas inferiores y superiores Me gustaría enviarte algo Gracias Buena idea! De nada! Cerrar Conexión Establecer Conexión N=5 16/11/2000

Capa de Presentación N=6
Convierte los datos de la red al formato requerido por la aplicación Datos de capas bajas (independientes de la máquina) Datos de la aplicación (dependientes de la máquina) N=6 16/11/2000

Capa de Aplicación N=7 ¿Que debo enviar?
WWW (HTTP) ¿Que debo enviar? Transf. Ficheros (FTP) Es la interfaz que ve el usuario final Muestra la información recibida En ella residen las aplicaciones Envía los datos de usuario a la aplicación de destino usando los servicios de las capas inferiores (SMTP) Videoconferencia (H.323) N=7 16/11/2000

Modelo TCP/IP y modelo híbrido
Los protocolos TCP/IP nacieron por la necesidad de interoperar redes diversas (internetworking) El modelo TCP/IP se diseñó después de los protocolos (puede decirse que primero se hizo el traje y después los patrones) Por eso a diferencia del OSI en el modelo TCP/IP hay unos protocolos ‘predefinidos’. A menudo se sigue un modelo híbrido, siguiendo el OSI en las capas bajas y el TCP/IP en las altas. Además en LANs el nivel de enlace se divide en dos subcapas. Esto da lugar a lo que denominamos el modelo híbrido. 16/11/2000

Comparación de modelos OSI, TCP/IP e híbrido
Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Aplicación Transporte Internet Host-red Aplicación Transporte Red Enlace LLC MAC Física Progr. de usuario Software Firmware Sist. Operativo Hardware Aunque el modelo OSI especifica siete capas, aquí exponemos un modelo simplificado de cinco capas que es actualmente el más utilizado para describir la Internet, ya que dos de las capas OSI ( las de sesión y presentación, que se ubican entre la de transporte y la de aplicación) quedan a menudo embebidas en su función por la capa de aplicación. En la transparencia mostramos diversos ejemplos de protocolos posibles para cada capa. Todos los protocolos enumerados aquí coexisten en mayor o menor medida en la Internet actualmente. WAN LAN OSI TCP/IP Híbrido 16/11/2000

Protocolos y redes del modelo TCP/IP inicial
Capa (nombre OSI) Telnet Aplicación FTP DNS SMTP Protocolos TCP UDP Transporte IP Red Física y Enlace Redes ARPANET SATNET Packet LAN 16/11/2000

Acceso a un servidor Web desde un cliente en una LAN Ethernet
Capa HTTP 5 Aplicación Aplicación Sockets Sockets TCP 4 Transporte Transporte IP 3 Red Red Winsock Winsock IEEE 802.3 2 Enlace Enlace IEEE 802.3 1 Física Física 16/11/2000 Cliente Servidor

Protocolos e información de control
Normalmente todo protocolo requiere el envío de algunos mensajes especiales o información de control adicional a la que se transmite. generalmente esto se hace añadiendo una cabecera (a veces también una cola) al paquete a transmitir. La información de control reduce el caudal útil, supone un overhead. Cada capa añade su propia información de control. Cuantas mas capas tiene un modelo mas overhead se introduce. 16/11/2000

Elementos de datos en el modelo TCP/IP
20 bytes Cabec.TCP Datos aplicación Segmento TCP 20 bytes Cabec.IP Segmento TCP Datagrama IP 14 bytes 4 bytes Cabecerade enlace Datagrama IP Cola de enlace Trama Los valores que aparecen para el nivel de enlace se aplican al caso de Ethernet. Según el tipo de red puede haber pequeñas variaciones 16/11/2000

Acceso a un servidor Web a través de una conexión remota
Capa HTTP 5 Aplicación Aplicación TCP 4 Transporte Transporte IP IP IP 3 Red Red Red Red IEEE 802.3 IEEE 802.5 PPP 2 Enlace Enlace Enlace Enlace IEEE 802.3 IEEE 802.5 V.35 1 Física Física Física Física Cliente LAN Token Ring Servidor LAN Ethernet 16/11/2000

Servicio orientado y no orientado a conexión
Un Servicio orientado a conexión (CONS) establece el canal antes de enviar la información. Ejemplo: llamada telefónica. Un Servicio no orientado a conexión (CLNS) envía los datos directamente sin preguntar antes. Si la comunicación no es posible los datos se perderán. Ejemplo: servicio postal o telegráfico Un aspecto fundamental de toda red es el tipo de servicio que ofrece, que puede ser orientado a conexión o no orientado a conexión. En el servicio orientado a conexión o CONS (Connection Oriented network Service) la entidad que desea enviar la información debe en primer lugar establecer el canal de comunicación (también llamado circuito) antes de mandar los datos. Existe por tanto una llamada previa a la comunicación. Cuando la comunicación no es posible la llamada fracasa, por lo que si conseguimos conectar tenemos una seguridad razonable de que podremos comunicar. Un ejemplo de red que ofrece un servicio orientado a conexión es la red telefónica tradicional. Por el contrario en un servicio no orientado a conexión o CLNS (Connectionless Network Service) la información se envía sin efectuar ningún contacto previo. Podría suceder que la comunicación no fuera posible, en cuyo caso los datos se perderían. Un ejemplo de red no orientada a conexión es el servicio postal o el telegráfico. 16/11/2000

¿Conexión o No Conexión? Ese es el dilema
En el servicio orientado a Conexión (CONS): Se respeta el orden de los paquetes Se mantiene la misma ruta o camino para todos los paquetes Los paquetes no necesitan llevar la dirección de destino Si el canal se corta la comunicación se interrumpe En el servicio No orientado a Conexión (CLNS): No se respeta el orden Cada paquete ha de llevar la dirección de destino La ruta puede variar para cada paquete La red es más robusta, ya que si una ruta queda inservible se pueden usar otras Algunas características que diferencian un servicio CONS y CLNS son las siguientes: - Orden de los paquetes: en una red CONS el orden se respeta, mientras que en CLNS puede ocurrir que unos paquetes se adelanten a otros. Por ejemplo en la red telefónica las palabras llegan en el mismo orden en que se emite. En cambio si enviamos varias cartas a un mismo destino puede suceder que no se reciban exactamente en el mismo orden, ya que no tienen por que seguir todas exactamente la misma ruta. - Dirección de destino: en una red CLNS cada paquete ha de conocer la dirección de destino, puesto que se envía de forma independiente. En cambio en CONS solo es preciso especificar la dirección de destino en el momento de la llamada, al establecer el circuito de comunicación. - Conocimiento de los nodos intermedios: en una red CONS todos los nodos intermedios han de conocer que circuitos pasan por ellos, para poder encaminar adecuadamente el tráfico; esta información la obtienen en el momento de la llamada. En cambio en CLNS los nodos intermedios no han de mantener ninguna información, ya que cada paquete lleva la dirección de destino. - Fiabilidad: En una red CONS cuando un nodo o enlace cae todos los circuitos que pasan por él se interrumpen. En cambio en una red CLNS el tráfico se puede reencaminar por caminos alternativos (si los hay). 16/11/2000

Redes CONS vs CLNS Ejemplos de redes/servicios CONS:
Red Telefónica conmutada (RTB, RDSI, GSM) ATM, X.25, Frame Relay Ejemplos de redes/servicios CLNS IP (Internet). Los paquetes IP se llaman datagramas. Ethernet La red telefónica y todos sus ‘derivados’ (ATM, Frame Relay y X.25) son orientadas a conexión. En cambio las redes que provienen del mundo de la Informática (Internet y Ethernet por ejemplo) son no orientadas a conexión. 16/11/2000

Calidad de Servicio (QoS)
La Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) consiste en fijar unos valores límite para un conjunto de parámetros, asegurando así que la red no se va a congestionar. Por ejemplo: Throughput o ancho de banda:  256 Kb/s Retardo o latencia: 200 ms Fluctuación del retardo, o jitter:  100 ms Disponibilidad:  99,95 % (21 min/mes fuera de servicio) Podemos ver la QoS como el ‘contrato’ usuario-proveedor. 16/11/2000

Estándares Al principio cada fabricante especificaba sus propios protocolos propietarios: SNA (IBM) DECNET (Digital) Appletalk (Apple) IPX (Novell) Gradualmente se tiende a utilizar protocolos estndarizados, independientes de fabricantes Cuando empezaron a aparecer las redes telemáticas cada fabricante de ordenadores describía su propia arquitectura según el modelo de capas (con pequeñas variaciones de unos a otros) y especificaba un conjunto de protocolos propio adaptado a las características de sus ordenadores. Esta situación obligaba a los usuarios a ser clientes cautivos de un determinado fabricante, ya que la interoperabilidad de equipos de diferentes fabricantes quedaba severamente limitada debido a las características propietarias de los protocolos existentes. La solución a este problema pasaba por la especificación de protocolos independientes de fabricantes, que fueran implementados por todos ellos. Para evitar que se produjera una situación de desventaja de unos fabricantes respecto de otros el diseño de los nuevos protocolos no debía basarse en los protocolos propietarios ya existentes. Por tanto esta misión difícilmente podía ser realizada por los propios fabricantes. 16/11/2000

Estándares Son imprescindibles para asegurar la interoperabilidad
Pueden ser: De facto (de hecho), también llamados a veces estándares de la industria. Ej.: PC IBM o compatible, UNIX De jure (por ley); ej.: protocolos OSI, redes X.25, ATM, papel tamaño A4 Principales organizaciones de estándares: ISO (International Organization for Standardization) ITU-T (International Telecommunication Union- Telecommunications Sector) La ISOC (Internet Society), el IAB (Intenet Architecture Board) y el IETF (Internet Engineering Task Force) Otras organizaciones: el IEEE, el ANSI, etc. El W3C (World Wide Web Consortium) Las principales organizaciones involucradas en la especificación de protocolos de comunicaciones no propietarios son las siguientes: - ISO: formada por el conjunto de entidades de normalización de 89 países, tales como AENOR, ANSI, DIN, BSI, AFNOR, etc. Contrariamente a lo que mucha gente cree la denominación ISO no proviene del acrónimo de la organización, sino del prefijo griego isos, que significa igual. La ISO no sólo se ocupa de estandarizar protocolos de comunicaciones sino todo tipo de cuestiones: tamaños de papel, pasos de rosca, procedimientos de control de calidad, normas medioambientales, etc. - ITU-T. La ITU está formada en realidad por tres sectores, de los cuales nos interesa aquí especialmente el de las Telecomunicaciones o sector T. Hasta 1993 esta organización era conocida como CCITT, por lo que en muchos documentos aún aparece bajo este nombre. Fundada en 1865 es la organización más antigua involucrada en la estandarización de comunicaciones. Sus miembros son sobre todo operadores privados de telefonía y comunicaciones. Los estándares de la ITU-T se pueden identificar fácilmente, ya que su nombre siempre está formado por una letra seguida de un número separado por un punto. - IETF-IAB. Estas dos organizaciones, que pertenecen a la ISOC (Internet Society), son las encargadas de especificar (IETF) y aprobar (IAB) los protocolos de Internet, que se publican en documentos conocidos como RFCs (Request for Comments). 16/11/2000

ISO: International Organization for Standardization
Las siglas provienen del griego isos: igual Formada en 1946 como organización voluntaria a partir de las asociaciones de normalización de 89 países. Entre sus miembros se encuentran AENOR (España), ANSI (Estados Unidos), DIN (Alemania), etc. Estandariza desde lenguajes de programación y protocolos hasta pasos de rosca, números ISBN, tamaños de papel, etc. Se organiza de forma jerárquica: Comités técnicos o TC (Technical Commitee) SubComités o SC Grupos de trabajo o WG (Working Groups). El TC97 trata de ordenadores y proceso de la información. 16/11/2000

ISO: International Organization for Standardization
La creación de un estándar ISO pasa por varias fases: Fase 1: Un Grupo de Trabajo estudia una propuetsa y redacta un CD (Committee Draft) Fase 2: El CD se discute, se modifica y se vota; eventualmente se aprueba y se convierte en un DIS (Draft International Standard) Fase 3: El DIS es de nuevo discutido, modificado y votado en un ámbito más amplio; eventualmente se aprueba y se convierte en un IS (International Standard) A menudo ISO adopta estándares de otras organizaciones (ANSI, ITU-T, IEEE, etc.) Mas información en 16/11/2000

Ejemplos de estándares ISO relacionados con comunicaciones
ISO 7498: el modelo OSI ISO 3309: HDLC (protocolo a nivel de enlace) ISO : Ethernet (adoptado de IEEE 802.3) ISO 9000: Control de calidad ISO 9314: FDDI (adoptado de ANSI) 16/11/2000

ITU-T: International Telecommunications Union – Sector Telecomunicaciones
Creada en 1934. ITU tiene tres sectores; el que nos interesa es el ITU-T conocido hasta 1993 como CCITT (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique) Sus miembros son las administraciones de los países participantes; también son miembros sin voto las operadoras, fabricantes de equipos, organizaciones científicas, bancos, líneas aéreas, etc. Se organiza como ISO de forma jerárquica: los Study Groups se dividen en Working Parties, que a su vez se dividen en Expert Teams Organiza una conferencia mundial denominada Telecom en Ginebra cada cuatro años. La última tuvo lugar en octubre de 1999. Sus estándares afectan sobre todo a tecnologías y servicios de redes de área extensa (intereses de operadoras). Más información en 16/11/2000

Algunos Estándares ITU-T
X.25: red pública de conmutación de paquetes X.400: sistema de mensajería de correo electrónico V.35: interfaz de nivel físico para líneas punto a punto V.90: Módems de 56/33,6 Kb/s H.323: videoconferencia en IP (ej.: Netmeeting) G.711: digitalización de la voz en telefonía G.957: interfaz óptica de equipos SDH G.DMT: ADSL (pendiente de ratificación) 16/11/2000

La ISOC (Internet Society)
En 1991 se creó la ISOC, asociación internacional para la promoción de la tecnología y servicios Internet. Cualquier persona física que lo desee puede asociarse a la ISOC. La ISOC está gobernada por un Consejo de Administración (Board of Trustees) cuyos miembros son elegidos por votación. Éstos nombran a los miembros del IAB. El desarrollo técnico de Internet está gobernado por el IAB (Internet Architecture Board) cuyos miembros son nombrados por el Consejo de Administración de la ISOC. El IAB supervisa el trabajo de dos comités: IRTF (Internet Research Task Force): se concentra en estrategia y porblemas a largo plazo IETF (Internet Engineering Task Force): se ocupa de los problemas mas inmediatos. 16/11/2000

Organización del IAB . . . . . . . . . . . . BOARD IRTF IETF IESG IRSG
area 1 area n . . . . . . . . . Grupos de investigación Grupos de trabajo IRTF: Internet Research Task Force IRSG: Internet Research Steering Group IETF: Internet Engineering Task Force IESG: Internet Engineering Steering Group 16/11/2000

Los estándares Internet
Desde 1969 los documentos técnicos de Internet se han publicado en la red bajo el nombre de RFCs (Request For Comments). Actualmente hay más de Un RFC puede contener la especificación de un protocolo o ser un documento de carácter informativo o divulgativo Para que un protocolo se estandarice ha de estar publicado en un RFC, pero no todos los protocolos publicados en RFCs son estándares. Para que un protocolo sea un estándar Internet ha de pasar por varias fases: Proposed Standard: se considera de interés Draft Standard: hay alguna implementación operativa probada Internet Standard: es aprobado por el IAB La mayor parte de los estándares y la actividad técnica de Internet se realizan en el seno del IETF y sus grupos de trabajo. Más información en y 16/11/2000

Protocolo Experimental
Evolución de los RFCs Borrador de Internet Estándar Propuesto Protocolo Experimental Informativo Estándar Borrador Estándar Internet Histórico 16/11/2000

Algunos estándares Internet
RFC 791: IPv4 (Standard) RFC 793: TCP (Standard) RFC 826: ARP (Standard) RFC 2131: DHCP (Draft) RFC 2210: RSVP (Proposed) RFC 2401: IPSEC (Proposed) RFC 2460: IPv6 (Draft) RFC 2475: DIFFSERV (Proposed) 16/11/2000

Otras organizaciones El IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Asociación profesional de ámbito internacional Elabora los estándares 802.x que especifican la mayoría de las tecnologías LAN existentes Los estándares 802.x han sido adoptados por ISO como 8802.x El ANSI (American National Standards Institute) Es el miembro de EEUU en la ISO Muchos de los estándares ISO tienen su origen en un estándar ANSI Algunos estándares ANSI no son estándares ISO, lo cual los convierte en estándares internacionales de facto 16/11/2000

La Capa Física 16/11/2000

Nivel Físico: Sumario Función
Concepto de velocidad, capacidad, ancho de banda y caudal Medios físicos principales: fibra, cobre e inalámbrico. Tecnologías y servicios de transmisión de datos en redes WAN 16/11/2000

El nivel físico Se ocupa de transmitir los bits
Especifica conectores, cables, voltajes y velocidades La velocidad o capacidad se mide en Kb/s, Mb/s, etc.(1 Kb/s = 1000 bits/s, 1 Mb/s = bits/s). El término ‘ancho de banda’ se usa a menudo como sinónimo de velocidad Caudal es la cantidad de tráfico real que pasa por una línea. El nivel físico es el primero en todos los modelos de redes Su misión es ofrecer un servicio de transporte de bits. Este servicio puede o no ser fiable, es decir los bits pueden perderse o llegar alterados. Los niveles superiores han de tomar las precauciones adecuadas si lo consideran necesario. El nivel físico se ocupa de especificar los tipos de conectores utilizados, las señales que se envían por cada contacto y sus voltajes, los cables que se deben utilizar y las longitudes máximas. También se especifica la velocidad o velocidades que se pueden utilizar en cada caso. La velocidad, que mas correctamente deberíamos llamar capacidad, indica la cantidad de información por segundo que se puede transmitir por un enlace o interfaz determinados. Se especifica normalmente en Kb/s, Mb/s, etc. (1 Kb/s = 1 Kilobit/s = 1000 bits/s). Observemos que en telemática se habla en bits, no en bytes, y los prefijos Kilo, Mega, etc. se interpretan en su sentido métrico (103, 106, etc.) no en el sentido informático (210 =1024, 220, etc.). Cuando se utiliza un canal analógico para transmitir información digital la capacidad es proporcional al ancho de banda del canal. Por esta razón a menudo se utiliza el término ancho de banda como sinónimo de capacidad, aunque estrictamente hablando este término solo debería utilizarse cuando la transmisión es analógica. Por último el término caudal se utiliza para indicar la cantidad de tráfico que realmente discurre por un enlace, circuito, etc. 16/11/2000

Medios de transmisión ‘guiados’
Fibra óptica Gran capacidad (hasta 10 Gb/s) Gran fiabilidad (menos de 1 error en 1012) Atenuación muy baja (7% de pérdida en 1 Km) Gran alcance( Km) Cable de cobre Menor costo (cables e interfaces) Sensible a interferencia electromagnética Más errores (menos de 1 error en 108) Atenuación alta (hasta 98% de pérdida en 100 m) Corto alcance Veremos ahora algunos de los medios de transmisión mas habituales. La fibra óptica es actualmente el medio por excelencia cuando se quiere cubrir grandes distancias y/o grandes capacidades. Sus características lo hacen especialmente adecuado y rentable en estas situaciones. Recientemente se han realizado experiencias en las que se transmiten hasta 3,2 Tb/s (1 Tb = 1012 bits) por una sola fibra óptica. Esta capacidad permitiría por ejemplo que todos los españoles mantuvieran simultáneamente una videoconferencia, o bien ofrecer a todos los habitantes de la ciudad de Valencia acceso simultáneo a un servicio de vídeo bajo demanda con calidad broadcast. Por su parte el cobre tiene como principal característica el bajo costo de instalación e interfaces. Aunque su capacidad y alcance son menores que la fibra, resulta adecuado cuando se pretende cubrir distancias cortas y la capacidad no es muy elevada. Según la aplicación el cable puede ser coaxial o de pares trenzados. La tasa de error es apreciablemente menor en fibra que en cobre. Además la fibra no se ve afectada por la interferencia electromagnética. La mayoría de las redes LAN y WAN utilizan un cableado híbrido, con fibra óptica en los enlaces principales de la red (el denominado ‘backbone’) y cable de cobre en la red de acceso. 16/11/2000

Medios de transmisión ‘no guiados’
Transmisión inalámbrica fija (microondas, satélite) Gran capacidad y fiabilidad Costo 5 veces menor que los cables Transmisión inalámbrica móvil (GSM, GPRS, UMTS) Baja/muy baja capacidad y baja fiabilidad Vídeo solo posible en baja o muy baja calidad y con MPEG-4. La transmisión inalámbrica se utiliza en dos entornos muy diferentes. Por un lado tenemos los enlaces inalámbricos fijos, es decir en los que el emisor y el receptor están quietos. Este es el caso de los enlaces terrestres de microondas o los enlaces vía satélite. En estos casos la transmisión tiene una capacidad y fiabilidad comparable a los cables de cobre y algo menor que la de las fibras ópticas, pero el costo es menor (se estima que una red de radioenlaces de microondas tiene un costo cinco veces menor que la misma red basada en cables de cobre o fibra). Por otro lado tenemos los enlaces con equipos móviles, como la telefonía GSM. En estos casos el medio de transmisión tiene una fiabilidad y una capacidad muy bajas, lo cual lo hace inapropiado para la transmisión de información audiovisual (que tiene unos requerimientos elevados de capacidad). A pesar de los avances que se están produciendo y se producirán en este campo es de esperar que las limitaciones actuales perduren durante al menos cinco años. 16/11/2000

Transmisión de datos por medios ‘clásicos’
Líneas dedicadas (conexión permanente) Capacidad: de 64 Kb/s a 34 Mb/s Para conexiones de alta utilización y capacidad Conexiones RTC por módem (analógicas) Velocidades de 33,6 o 56/33,6 Kb/s asimétrica Inadecuado para vídeo RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) 64 Kb/s simétricos por canal. Posibilidad de agregar canales (n x 64). Dos tipos de conexión: básica (2 canales, 128 Kb/s) y primaria (30 canales, 1920 Kb/s). Pasamos a comentar a continuación los medios de transmisión mas habituales en redes WAN. En primer lugar tenemos la posibilidad de contratar una línea dedicada (también llamada línea punto a punto) entre los dos extremos a conectar. La conexión puede hacerse con diversas capacidades dentro de la gama habitual, que va de 64 Kb/s a 34 Mb/s. La capacidad está disponible con carácter permanente, por lo que este tipo de conexiones suele ser interesante cuando se prevé una gran utilización a lo largo del día, o cuando la capacidad requerida no está disponible por otros medios. En segundo lugar mencionaremos la posibilidad de utilizar la red telefónica conmutada, es decir una línea analógica normal y conectar mediante un módem. La conexión puede hacerse hasta a 33,6 Kb/s, o a 56/33,6 Kb/s en algunos casos (la conexión de 56 Kb/s es asimétrica, es decir 56 Kb/s en un sentido y 33,6 Kb/s en el sentido opuesto). Incluso en este último caso la capacidad resulta inadecuada para transmitir información audiovisual en tiempo real. En RDSI la información fluye de forma digital desde el origen al destino. Esto permite una mayor calidad y velocidad en la comunicación. Un canal RDSI ofrece 64 Kb/s simétricos y se pueden agregar varios canales, con lo que es posible disponer de capacidades superiores en múltiplos de 64 Kb/s en función de las necesidades. La conexión denominada básica ofrece dos canales, por lo que permite llegar a una capacidad total de 128 Kb/s. Para capacidades superiores se puede contratar varias conexiones básicas o una primaria, que ofrece 30 canales con una capacidad total de 30 x 64 = 1920 Kb/s. 16/11/2000

Acceso a Internet con línea telefónica
Domicilio del abonado Internet 33,6/56 Kb/s (analógico) 64 Kb/s (RDSI) Teléfonos analógicos o digitales Red telefónica Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. POP del ISP Módem o adaptador Ordenador POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider 16/11/2000

Nuevas técnicas de transmisión de datos
Acceso residencial de banda ancha Redes CATV (Televisión por cable) ADSL, xDSL LMDS Satélite ATM 16/11/2000

Fuente: http://www.pioneerconsulting.com/globalbroadband/index.html
La presente gráfica muestra la evolución prevista de las diversas tecnologías dentro del mercado RBB. En el estudio de referencia se comparan las cuatro alternativas principales, que son xDSL (fundamentalmente ADSL), las redes de TV por cable, las comunicaciones vía satélite y la transmisión por microondas de superficie LMDS. Según el estudio los cable módems superarán en usuarios al xDSL, empezando a implantarse ambos servicios en el año Por su parte los servicios vía satélite empezarán algo más tarde, hacia el , pero tendrán un crecimiento superior hasta el punto de superar en número de usuarios al xDSL hacia el LMDS, que empezará también en el , tendrá un crecimiento menor quedando como una alternativa minoritaria dentro de las opciones RBB. Fuente: 16/11/2000

Redes CATV coaxiales (1949-1988)
Las redes CATV (Community Antenna TeleVision) nacieron para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura. Antena (centro emisor) en sitio elevado con buena recepción. Señal a los usuarios hacia abajo ‘downstream’. Cable coaxial de 75  Amplificadores cada 0,5-1,0 Km. Hasta 50 en cascada. Señal solo descendente. Amplificadores impedían transmisión ascendente. Las redes CATV aparecieron en los Estados Unidos en 1949 para resolver las malas condiciones de recepción de la señal de televisión que se daban en ciudades o barrios por orografía u otras razones. La solución consistía en instalar una antena en un sitio elevado con buenas condiciones de recepción, y desde allí distribuir la señal mediante cable coaxial a los usuarios. El hecho de que la antena se colocara en un lugar elevado dio lugar a la denominación ‘downstream’ o ‘hacia abajo’ que se utiliza para describir la comunicación en el sentido del centro emisor hacia el usuario. Se utiliza cable coaxial de 75  como el de antena de televisión pero con mas apantallamiento, que le confiere la menor atenuación necesaria para cubrir grandes distancias. Para regenerar la señal se colocan amplificadores cada 0,5 – 1,0 Km. La distancia entre amplificadores es función de la cantidad de usuarios en cada tramo (a mas usuarios menor distancia) y de la frecuencia máxima que utilizara la red (a mayor frecuencia máxima menor distancia). Esta frecuencia máxima era de MHz. Las redes CATV antiguas eran unidireccionales. No se contemplaba la necesidad de utilizarlas en sentido ‘ascendente’, por lo que los amplificadores se diseñaban con la única función de amplificar la señal hacia abajo y actuaban como verdaderas válvulas que impedían cualquier propagación de señales en sentido ascendente. 16/11/2000

Hasta 50 amplificadores en cascada
Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional Unidireccional Hasta 50 amplificadores en cascada Amplificador unidireccional Empalme CABECERA Moduladores y Conversores Receptores y Decodificadores Aquí tenemos un ejemplo de red CATV ‘clásica’ unidireccional que utiliza cable coaxial únicamente. El centro emisor, o cabecera de la red, puede tener una antena de superficie para captar la programación normal, varios receptores de canales vía satélite y una serie de canales de programación propia. Todas estas señales se distribuyen a los abonados a través de la red de cable coaxial, que puede abarcar muchos miles de usuarios. Debido a la necesidad de colocar amplificadores en las redes CATV coaxial la señal podía tener que atravesar hasta 50 amplificadores para llegar a algunos usuarios. Cada amplificador degradaba la señal un poco, y la probabilidad de averías aumentaba al haber tantos elementos en serie. Desde el punto de vista del mantenimiento la red era muy compleja. Contenidos locales Cable Coaxial (75 ) Muchos miles de viviendas 16/11/2000

Redes CATV HFC ( ) Muchos amplificadores en cascada degrada la señal, complica y encarece mantenimiento. Solución: redes HFC (Hybrid Fiber Coax): Zonas de viviendas Señal a cada zona por fibra, distribución en coaxial. Máximo 5 amplificadores en cascada. Además amplificadores para tráfico ascendente, red bidireccional (monitorización, pago por visión, interactividad y datos) En España casi todas las redes CATV son HFC bidirecc. Para resolver los problemas de gestión y mantenimiento de las redes CATV coaxiales a finales de los años 80 empezaron a aparecer redes CATV con la arquitectura denominada HFC (Hibrid Fiber Coax). Esta consiste en dos niveles jerárquicos, el principal formado por un tendido de fibra óptica con topología de estrella que distribuye la señal desde el centro emisor hasta cada zona de la ciudad. En cada zona hay un nodo (normalmente un armario ubicado en la acera) que se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica para su distribución final en cable coaxial a los abonados. Cada zona abarca de 500 a 2000 viviendas. Debido a la menor distancia a cubrir el número de amplificadores máximo es de 5 (en muchas redes nunca hay más de 2 ó 3), con la consiguiente mejora en calidad de la señal y sencillez de mantenimiento. Un elemento crucial en la implantación de redes HFC fue la posibilidad de enviar la señal analógica de televisión por fibra óptica sin necesidad de convertirla en digital. Las redes HFC también facilitaron la utilización de la red para tráfico ascendente. Esto permitía labores de monitorización y servicios tales como el pago por visión. Dado que la señal de televisión utiliza el rango de frecuencias altas ( MHz) para el sentido descendente, se utilizan frecuencias por debajo de 50 MHz para el ascendente. Se colocan amplificadores en sentido ascendente para el rango de bajas frecuencias, que no interfieren en la propagación de la señal descendente. En España, dado que la mayoría de las redes CATV son de reciente creación, casi todas son del tipo HFC. 16/11/2000

Arquitectura típica de una red CATV HFC
Bidireccional 3-5 amplificadores máx. Amplificador bidireccional Empalme Cable módem Cabecera regional Internet Nodo de fibra ( viviendas) Cabecera local Receptor y Modulador Aquí tenemos un ejemplo de red CATV ‘clásica’ unidireccional que utiliza cable coaxial únicamente. El centro emisor, o cabecera de la red, puede tener una antena de superficie para captar la programación normal, varios receptores de canales vía satélite y una serie de canales de programación propia. Todas estas señales se distribuyen a los abonados a través de la red de cable coaxial, que puede abarcar muchos miles de usuarios. Debido a la necesidad de colocar amplificadores en las redes CATV coaxial la señal podía tener que atravesar hasta 50 amplificadores para llegar a algunos usuarios. Cada amplificador degradaba la señal un poco, y la probabilidad de averías aumentaba al haber tantos elementos en serie. Desde el punto de vista del mantenimiento la red era muy compleja. Anillo de fibra (TV y datos viajan por separado) Conversor fibra-coaxial viviendas Fibra (monomodo) Cable Coaxial (75 ) 16/11/2000 Ethernet (10BASE-T)

Arquitectura HFC (Híbrida Fibra-Coax.)
Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra 8 MHz Cab. local TV1 C9 TV3 Cabecera Regional Cab. local Nodo fibra Nodo fibra Cab. local Nodo fibra COAX Empalme Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Conexión Set-top box-TV Cable módem - ordenador 16/11/2000

Transmisión de datos en CATV
Sentido descendente (ida): datos modulados en portadora analógica de un canal de televisión de 6 MHz (NTSC) u 8 MHz (PAL) Para el retorno: Redes coaxiales (unidireccionales) línea telefónica (analógica o RDSI). Redes HFC (bidireccionales): zona de bajas frecuencias (no usada normalmente en CATV). Canales de anchuras diversas, de 0,2 a 3,2 MHz Cuando se utiliza una red CATV para transmitir datos se reserva un canal de televisión para el sentido descendente. Según se utilice la norma americana (NTSC) o europea (PAL o SECAM) el canal tendrá una anchura de 6 u 8 MHz, respectivamente. Para el retorno en las redes CATV coaxiales puras se emplea una conexión telefónica (módem analógico o RDSI) ya que la comunicación en sentido ascendente a través de la red CATV es imposible. En las redes CATV HFC se utiliza para el sentido ascendente el rango de frecuencias bajas en el que los amplificadores actúan en sentido inverso. En este rango se pueden definir canales de diversas anchuras entre 0,2 y 3,2 MHz. 16/11/2000

Elementos básicos de la comunicación en una red CATV
 Red CATV HFC  Esta figura nos muestra los elementos básicos que permiten la comunicación en una red CATV HFC. En primer lugar tenemos el denominado CMTS (Cable Modem Termination System) que es el dispositivo que se encarga de enviar los datos en sentido descendente modulados por el canal de televisión elegido al efecto, así como de recoger de los Cable Módems de los usuarios los datos que éstos envían a través del canal ascendente asignado. El CMTS se ubica normalmente en el centro emisor o cabecera de la red. De allí se conecta al resto de la red (la red de transporte) y a la Internet por alguna tecnología de red de área extensa, por ejemplo POS (Packet over SONET). Por su parte el usuario dispone de un cable módem, dispositivo que se encarga de sintonizar el canal de televisión elegido para los datos y extraer los que le corresponden, es decir los que van dirigidos a él. También debe de enviar los datos de retorno por el canal ascendente correspondiente. Existen diversas formas de conectar el Cable Módem al ordenador del usuario final. De entre ellas la más frecuente es utilizar una conexión Ethernet de 10 Mb/s, que es una interfaz de alta velocidad y bajo costo para prácticamente cualquier ordenador. 16/11/2000

Organización de los canales en redes HFC
Canales para datos (descendente) Servicios de datos (acceso Internet) Canales para televisión digital Frecuencia Servicios de TV Canales para televisión analógica Canales para datos (ascendente) 16/11/2000

Esquema de una zona en una red CATV
Canal Descendente ( MHz) 41,7 Mb/s Compartidos por 3 usuarios (3) (1) (2) (3) (1) (2) 10 BASE T ETHERNET 10 BASE T ETHERNET Canal ascendente – (29,7–31,3 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por 3 usuarios Dos canales ascendentes (29,7-31,3 y 31,3-32,9 MHz) 2,56 Mb/s compartidos por usuarios 1 y 3 2,56 Mb/s dedicados al usuario 2 Aquí se representan dos ejemplos de asignación de canales en una zona de una red CATV. En el ejemplo de la izquierda se asigna un canal descendente de 8 MHz y uno ascendente de 1,6 MHz; estos canales son compartidos por todas las viviendas de la zona. En el caso de la derecha todas las viviendas comparten el mismo canal descendente como antes, pero en el sentido ascendente se utilizan dos canales. Uno es compartido por las viviendas 1 y 3, mientras que el otro se dedica a la vivienda 2 (presumiblemente este usuario ha contratado una mayor calidad de servicio que los otros dos). 16/11/2000

Cable Módems 16/11/2000

Redes de televisión por cable
Aprovechan un canal de TV (6 MHz en América, 8 MHz en Europa) para enviar los datos en sentido ‘descendente’ (centro emisor  usuario). La red se organiza en zonas que se atienden de forma independiente. Capacidad descendente: Mb/s por canal y zona ( abonados) Capacidad ascendente: 2-3 Mb/s por canal y zona. Frecuencias bajas (5-42 MHz) La transmisión de datos en redes de televisión por cable (CATV, Community Antenna Television) se realiza reservando un canal de televisión para los datos. La información viaja por la red de forma analógica, por lo que es necesario disponer de un módem (denominado cable módem) para acceder a la información que transporta dicho canal. En el sistema NTSC un canal tiene una anchura de 6 MHz, lo cual permite transmitir de 30 a 40 Mb/s según el esquema de codificación utilizado. Dado el carácter unidireccional de las redes de televisión por cable este caudal está disponible en sentido descendente únicamente. Además, debido a que la red es broadcast esta capacidad es compartida por todos los usuarios. El rango de frecuencias es de 54 a 750 MHz aproximadamente, lo cual equivale a 116 canales NTSC, con una capacidad máxima de 3,5 a 4,6 Gb/s. Normalmente se reserva únicamente un canal para datos y el resto se emplea para la programación de televisión. Para la comunicación en sentido ascendente se emplea la banda de frecuencias 5-42 MHz no utilizada normalmente en las redes de televisión por cable. Este rango tiene un mayor ruido de fondo y está mas afectado por todo tipo de interferencias, por lo que permite transmitir menos datos. El canal de retorno es normalmente de 2-3 Mb/s (también compartidos), por lo que la comunicación es asimétrica. Normalmente, para evitar que un número elevado de usuarios compartan un mismo canal descendente y ascendente, se divide la red en zonas que se tratan como redes independientes. De esta forma solo los abonados de una zona (típicamente de 500 a 2000 usuarios) comparten el canal. 16/11/2000

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop)
Compite con las redes de televisión por cable, tecnología menos probada. Transmisión analógica (modems) a pesar del nombre Aprovecha el par de cobre telefónico tradicional. Compatible con el teléfono convencional (analógico) Capacidad 1,5-6 Mb/s descendente y Kb/s ascendente (depende de la distancia) Requiere infraestructura próxima al abonado (distancia abonado-central menor de 5,5 Km) ADSL nació como la alternativa de las compañías telefónicas a las redes de televisión por cable. En ADSL se aprovechan al máximo las posibilidades del par de cobre de la telefonía tradicional. Se trata de una técnica de transmisión analógica que puede coexistir con el teléfono tradicional. En función de la distancia a cubrir la capacidad de ADSL es de 1,5 a 6 Mb/s en sentido descendente (del proveedor al usuario) y de 64 a 640 Kb/s en sentido ascendente. Los valores máximos se obtienen a una distancia de unos 3 Km, mientras que los mínimos se dan a 6 Km que es la distancia máxima a la que se puede utilizar ADSL. Por tanto una limitación en el desarrollo de ADSL es que se necesita una buena cobertura geográfica ya que es necesaria la proximidad física de los equipos al abonado. Para conseguir una capacidad elevada ADSL emplea una banda de frecuencias muy ancha, de 30 a 1100 KHz. En un rango tan amplio las prestaciones del cable de cobre (por ejemplo atenuación de la señal) varían mucho, por lo que para aprovechar lo mejor posible las posibilidades de cada gama de frecuencias el rango se divide en 255 canales de 4,3 KHz de ancho cada uno. De estos canales se asignan unos 25 al sentido ascendente y el resto al descendente. Por tanto la asimetría en ADSL no es consecuencia de las características del medio físico sino que es parte del diseño. 16/11/2000

Espectro de ADSL Teléfono analógico Canal Ascendente Canal Descendente
Amplitud Frec. 4 kHz 30 kHz kHz 1.104 kHz Bin 7 32 37 255 16/11/2000

(instalaciones anteriores)
Bucle de abonado típico Puentes de derivación (instalaciones anteriores) Central Telefónica 200 m 0,4 mm 1600 m 0,5 mm 60 m 0,4 mm 1200 m 0,4 mm 1300 m 0,4 mm 1100 m 0,4 mm Empalme En esta figura puede verse un caso típico de bucle de abonado con los diversos elementos que perjudican la propagación de la señal ADSL. En primer lugar tenemos el cable de alimentación que sale de la Central. Este cable es de diámetro 26 (0,4 mm) en vez de la habitual de 24 (0,5 mm) debido a que incluye muchos pares en el mismo grupo. En algún punto del cable de alimentación se empalma el cable de distribución que recorrerá la calle. Este mazo, que tiene menos pares que el cable de alimentación, recorrerá toda la calle y a sus diferentes pares se irán conectando los teléfonos de los abonados mediante cables de suministro (‘bridge taps’). Un detalle importante a tener en cuenta es que el cable de distribución nunca se corta, cuando se conecta un nuevo abonado se hace empalmando el cable que le conecta mediante un puente a un par libre en el cable de distribución (y empalmando el par correspondiente en el par de alimentación) ; después cuando ese abonado se da de baja el par correspondiente del cable de distribución queda libre para conectar a otro abonado, pero no se retira normalmente el cable de suministro, ya que no es necesario. El resultado de esta práctica, habitual en todas las compañías telefónicas, es que los bucles de abonado típicamente contienen varios cambios de diámetro y acumulan cables de derivación que no van a ninguna partes; además suele haber poca o ninguna documentación al respecto. Todas estas ‘imperfecciones’ degradan de forma notable la calidad de la señal a las altas frecuencias a las que trabaja ADSL. 150 m 0,4 mm Cable de Alimentación Cable de Distribución 16/11/2000

Configuración de una conexión ADSL
Central Telefónica Domicilio del abonado Teléfonos analógicos Red telefónica Switch telefónico Bajas Frecuencias Splitter Splitter Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. Internet Modem ADSL (ATU-R) Ordenador Altas Frecuencias DSLAM (ATU-C) 16/11/2000

Configuración de ADSL G.Lite o ‘splitterless’
Central Telefónica Domicilio del abonado Teléfonos analógicos Red telefónica Switch telefónico Bajas Frecuencias Splitter Altas y bajas Frecuencias Altas Frecuencias Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. Internet Modem ADSL (ATU-R) DSLAM (ATU-C) 16/11/2000

Capacidad de VDSL/ADSL en función de la distancia
 En esta gráfica puede apreciarse la disminución de la capacidad de un enlace VDSL/ADSL con la distancia. El punto de inflexión en la curva a la distancia de 1,4 Km marca el límite máximo de funcionamiento de VDSL. Evidentemente ADSL puede funcionar a distancias menores de 1,4 Km, pero debido a la forma como está diseñado la capacidad máxima ya no aumenta, manteniéndose en torno a 8 Mb/s. 0 Km 1,5 Km 3 Km 4,6 Km 6,1 Km 16/11/2000

ATM (Asynchronous Transfer Mode)
También llamada RDSI-BA (de Banda Ancha) Pretende integrar telefonía, datos y multimedia (audio-vídeo) en una misma red Utilizada para altas velocidades (> 2 Mb/s) Ofrece gran cantidad de facilidades para el control de tráfico. En los años 70 la ITU-T (entonces CCITT) diseñó RDSI con el objeto de integrar en una misma red la transmisión de voz y datos. En los años 80 la ITU-T diseñó una nueva red con el objeto de integrar voz, datos y vídeo. Dado que dicha red pretendía aplicar el mismo principio de integración que la RDSI, pero cubriendo requerimientos mucho mayores en cuanto a capacidad, se la denominó RDSI de banda ancha (o RDSI-BA). Poco después de especificar las necesidades de esta nueva RDSI-BA la ITU-T decidió que la tecnología en que se implementaría sería la conocida como ATM (Asynchronous Transfer Mode). Para conseguir la integración de tráfico tan diverso ATM emplea paquetes de tamaño pequeño y constante, denominados celdas. Es una red orientada a conexión, es decir es preciso realizar una llamada al destinatario previamente a cualquier comunicación. La principal ventaja de ATM es la flexibilidad que da para el control de tráfico. Actualmente telefónica ofrece un servicio ATM bajo el nombre comercial Gigacom. En este servicio es posible contratar enlaces de hasta 155 Mb/s (que es la velocidad máxima que Telefónica ofrece actualmente). Gigacom es en muchos casos la opción más interesante desde el punto de vista económico para velocidades superiores a 512 Kb/s. ATM también se utiliza en redes LAN. 16/11/2000

Características de ATM
Voz Datos Celdas Vídeo Utiliza celdas de tamaño fijo Orientado a conexión Soporta multitud de facilidades de control Utilizado en LAN y en WAN 16/11/2000

Red típica de una Compañía Telefónica
Cabecera Cable TV Comp B Comp A Inalámbrico POTS RDSI Cable Frame ATM FUNI D/C ISP1 ISP2 IDSL/SDSL ADSL VDSL/ATM DSM Backbone SONET/ATM Switch En la red un gran operador como la que vemos en la figura nos podemos encontrar con una mezcla de todas las tecnologías que hemos mencionado, y algunas mas. En muchos casos el elemento común que permite el uso de todas ellas de forma transparente es el protocolo de red de la Internet, IP. 16/11/2000

¿Preguntas? 16/11/2000

La Capa de Red ¿Por donde debo ir a w.x.y.z? Routers 16/11/2000

El Nivel de Red Funciones principales Routing Congestión.
Calidad de Servicio. Protocolo IPv6 Multicast Ejemplos de redes 16/11/2000

Funciones del nivel de red
Encaminar los paquetes hacia su destino por la ruta óptima En redes CONS la ruta se fija en el momento de establecer el circuito de comunicación En redes CLNS la ruta se decide de forma independiente para cada paquete Evitar las situaciones de congestión, y en su caso adoptar medidas para resolverlas. La principal función del nivel de red es encaminar o ‘enrutar’ los paquetes hacia su destino. Los nodos de la red que se ocupan de desarrollar esta labor se conocen como enrutadores o routers. Los routers deciden la ruta que consideran óptima en base a la información que poseen y a los criterios establecidos (la ruta óptima puede ser diferente según se quiera máximo rendimiento, máxima seguridad, mínimo retardo, etc.). En redes CONS la ruta se decide en el momento de establecer el circuito, es decir de realizar la llamada, y queda fijada para el resto de la conexión. Si algún elemento de la ruta elegida queda fuera de servicio la comunicación se interrumpe entretanto no se realice una nueva llamada. En redes CLNS la ruta se elige para cada paquete, y puede ser diferente en función de factores externos. Por ejemplo si un enlace queda fuera de servicio los routers utilizarán una ruta alternativa (si la hay) para los paquetes restantes. Otra función importante del nivel de red es evitar en lo posible que se produzcan situaciones de congestión, y adoptar medidas para resolverlas si a pesar de todo ocurren. 16/11/2000

Routing: Principio de optimalidad
Si Valencia está en la ruta óptima de Murcia a Barcelona, entonces el camino óptimo de Valencia a Barcelona está incluido en la ruta óptima de Murcia a Barcelona Corolario: Todas las rutas óptimas para llegar a Barcelona desde cualquier sitio forman un árbol sin bucles con raíz en Barcelona. 16/11/2000

Principio de optimalidad
Barcelona Bilbao Murcia Valladolid Madrid Valencia Zaragoza Badajoz La Coruña Sevilla La Coruña Bilbao Valladolid Zaragoza Barcelona Madrid Valencia Badajoz Murcia Sevilla Rutas óptimas hacia Barcelona La red de autopistas españolas 16/11/2000

Concepto de ruta óptima en viajes por carretera
Para elegir la ruta óptima se pueden aplicar diversos criterios, por ejemplo: La que minimice la distancia La que minimice el tiempo La que minimice el consumo de gasolina La que minimice el costo (p. Ej. evitar peajes) La que minimice el cansancio (preferible autopistas, pocas curvas, cambios de carretera, etc.) Una determinada combinación de todos los anteriores con diversos pesos según los gustos del usuario La ruta óptima puede variar en función del criterio elegido. Ver por ejemplo 16/11/2000

Concepto de ruta óptima en telemática
Los criterios que se aplican suelen ser: Minimizar el número de routers (saltos) por lo que se pasa Maximizar el caudal (ancho de banda) de los enlaces por los que se pasa Minimizar el nivel de ocupación o saturación de los enlaces que se atraviesan Minimizar el retardo de los enlaces Maximizar la fiabilidad de los enlaces (minimizar la tasa de errores) Una determinada combinación de todos los anteriores con diversos pesos según los gustos del usuario 16/11/2000

Algoritmos de routing Pueden ser: Estáticos: Dinámicos:
Toman decisiones en base a información recopilada con anterioridad. Una vez elegida una ruta no se cambia. Dinámicos: Deciden en base a información recabada en tiempo real. Pueden reaccionar con rapidez a situaciones nuevas (caída de enlaces, situaciones de saturación, etc.) La información puede cambiar constantemente. La ruta también. Requieren un protocolo de routing para recoger la información. Salvo en redes muy simples o en zonas periféricas se suele utilizar routing dinámico. 16/11/2000

Encaminamiento dinámico
Los routers no disponen al arrancar de un ‘mapa de carreteras’; se lo han de construir sobre la marcha y mantener actualizado Esto requiere recabar información en tiempo real sobre los enlaces que tienen y sus distancias a otros routers. Para ello se utilizan los protocolos de routing Se pueden utilizar dos algoritmos: Vector distancia (o Bellman-Ford) Estado del enlace (o Dijkstra) En ambos casos el cálculo de las rutas óptimas se realiza de forma distribuida en toda la red. 16/11/2000

Algoritmo del vector distancia (o de Bellman-Ford)
Cada router cuando se enciende conoce: Su ‘nombre’ o identificador Sus interfaces La ‘distancia’ hasta el siguiente router en cada interfaz El router transmite esta información a sus vecinos, que a su vez hacen lo propio. Con la información recibida el router calcula su distancia a los vecinos de sus vecinos. De eta forma al cabo de varias iteraciones conoce a todos los routers de la red. El router intercambia regularmente con sus vecinos información sobre su distancia a todos los routers de la red 16/11/2000

    I A Métrica 3 Métrica 2 D Métrica 2 Métrica 7 J C
Router Destino: A B C D E F G H I J K Vector recibido por  (+3): 12 3 15 5 6 18 7 Vector recibido por  (+2): 5 8 3 2 10 7 4 20 15 Vector recibido por  (+2): 5 3 2 19 9 22 4 7 Vector recibido por  (+7): 6 2 7 8 5 12 11 3 Métricas calculadas: 2 6 5 12 8 19 3 9 Interfaz de salida:     16/11/2000

Congestión (I) Se produce cuando a un nodo de la red llega más tráfico que el que sale (normalmente porque algún enlace saliente está saturado). Similar al problema del tráfico en horas punta o la caja del supermercado el sábado por la tarde La solución es aumentar la capacidad del enlace saturado, o reducir el tráfico en los de entrada. Es el principal problema de Internet actualmente. Análogamente a lo que ocurre con el tráfico automovilístico, cuando llega a un nodo de la red mas tráfico (mas bits) que los que salen se produce una congestión. Normalmente esto ocurre porque el enlace (o enlaces) de salida se encuentra saturado. Una posible solución al problema es aumentar la capacidad saliente; por ejemplo en RDSI se pueden establecer conexiones suplementarias. Pero en la mayoría de los casos no es posible aumentar la capacidad de forma rápida y fácil, por lo que es preciso reducir el tráfico de entrada. Casi siempre cuando se produce congestión hay tráfico de muchos usuarios, por lo que no resulta fácil identificar quienes son los principales causantes del problema, ni tampoco es sencillo encontrar mecanismos justos y efectivos que permitan reducir el tráfico en origen. Otro problema añadido al anterior es el hecho de que en ocasiones el tiempo que tardan en tener efecto las medidas para reducir el tráfico es tal que para entonces el problema ya ha pasado. Esto es algo parecido a lo que ocurre cuando en la ducha queremos ajustar el caudal de agua caliente para compensar el grifo que alguien acaba de abrir en la cocina. Actualmente la congestión es el principal problema de Internet, ya que muchos enlaces de la red se encuentran completamente saturados. 16/11/2000

Ejemplo típico de congestión
Internet 2 Mb/s Red telefónica Para reducir la interferencia entre las señales de alta frecuencia de ADSL y las de baja frecuencia del servicio telefónico, cuando se instala una línea ADSL se pone en el acceso a la vivienda un separador de frecuencias. Este separador (también llamado ‘splitter’ de su nombre en inglés) está formado por un filtro de altas frecuencias al que se conecta el teléfono y uno de bajas frecuencias al cual se conecta el módem ADSL. Con la misma finalidad que en la vivienda, en la central telefónica también se coloca un divisor de frecuencias al bucle de abonado. La salida de baja frecuencia se conecta al conmutador telefónico tradicional y la de alta frecuencia al DSLAM (DSL Access Multiplexor) que es el dispositivo que contiene los módems ADSL de los usuarios. El módem ADSL se denomina también ATU-R (ADSL Transmission Unit- Remote). EL DSLAM se llama también ATU-L (ADSL Transmission Unit-Local). Las conexiones ADSL son siempre punto a punto, no hay medio compartido; por tanto el DSLAM ha de contener un módem ADSL por cada usuario conectado al servicio. POP del ISP POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider 300 usuarios 300 * 33,6 = 10 Mb/s 16/11/2000

Congestión (II) Cuando hay congestión las redes intentan reducir el tráfico. Normalmente el que detecta la congestión (un router) no es el causante del problema. A veces para cuando el aviso llega al culpable ya es tarde. El control de congestión es un problema aún no resuelto. Existen varias técnicas para controlar la congestión que no describiremos aquí, pero baste decir que el problema no tiene fácil solución, y en todo caso las medidas a adoptar siempre suponen algún tipo de compromiso. En muchos casos los routers que sufren congestión intentan paliar la situación acumulando paquetes en sus buffers, pero si la situación se mantiene y los buffers se llenan no tienen mas remedio que descartar paquetes (afortunadamente esta idea aún se les ha ocurrido a los responsables del tráfico urbano!). 16/11/2000

Congestión (III) La congestión aumenta el tiempo de entrega de los paquetes (llamado retardo o latencia). En aplicaciones en tiempo real o isócronas (por ejemplo videoconferencia o vídeo bajo demanda) es crítico tener un retardo bajo y constante (especialmente para el audio). Todo paquete al ser transmitido por una red emplea un cierto tiempo en llegar a su destino. Ese tiempo se conoce como retardo o latencia y es consecuencia de tres factores: 1) el tiempo de propagación de la señal por el medio físico, 2) el tiempo de proceso del paquete en los routers, y 3) el tiempo que el paquete ha de esperar en los buffers de los routers para ser procesado. Los dos primeros factores son constantes para un trayecto dado, pero el tercero depende enteramente del nivel de congestión de la red o saturación de los enlaces.. Cuando hay congestión los paquetes sufren un retardo adicional como consecuencia del tiempo que tienen que esperar haciendo cola en los buffers para ser enviados (y esto suponiendo que el paquete no es descartado). Este retardo adicional puede suponer un tiempo muy superior al retardo habitual del mismo paquete cuando la red no está congestionada. En aplicaciones en tiempo real (también llamadas isócronas) es crítico que el retardo no sea muy grande, ya que de lo contrario la aplicación no funcionará adecuadamente. Por ejemplo una videoconferencia se verá a saltos o no se verá en absoluto si la conexión tiene un retardo elevado El sonido es todavía mas exigente que el vídeo en cuanto a retardo, aunque sus requerimientos de capacidad son menores. 16/11/2000

Calidad de Servicio (I)
Decimos que una red da ‘Calidad de Servicio’ (Quality of Service, QoS) cuando nos garantiza unas condiciones, por ejemplo un retardo máximo en la entrega de los paquetes. Cuando una red no garantiza nada, por ejemplo un plazo de entrega máximo, decimos que ofrece un servicio de ‘buena voluntad’ llamado normalmente servicio Best Effort. Una red que ofrece Calidad de Servicio asegura unos parámetros de calidad, por ejemplo un caudal mínimo garantizado o un retardo máximo en la entrega de los paquetes. Cuando una red no nos da ningún tipo de garantías en cuanto a la calidad de servicio que ofrece decimos que da un servicio ‘Best Effort’ o de buena voluntad, esto es que hará lo mejor que pueda por sacar el trabajo adelante, pero sin compromisos de ningún tipo. La mayoría de los proveedores de servicios de Internet funcionan con servicio Best Effort. 16/11/2000

Calidad de Servicio (II)
Si todo el tráfico en una red es QoS hay que asegurar que nunca se produce congestión. Para ello hay que diseñar la red para el caso más desfavorable. Si hay tráfico QoS y best effort en la misma red podemos permitir congestión si damos preferencia al tráfico QoS. Para ello hay dos estrategias: Reservar capacidad (carril BUS) Fijar prioridades (‘ambulancia’) Si queremos ofrecer QoS a todo el tráfico en una red tendremos que diseñarla para el caso más desfavorable, lo cual nos lleva a sobredimensionar la red. Esta estrategia está justificada en el caso de redes LAN donde el sobredimensionamiento supone un costo relativamente bajo, de hecho la mayoría de las LANs están actualmente sobredimensionadas. Sin embargo en redes WAN el elevado costo de los enlaces hace que no sea factible ni rentable en la mayoría de los casos diseñar para el caso más desfavorable. En estos caso lo recomendable es ofrecer QoS solo a una parte del tráfico, y dimensionar la red para ese tráfico. El resto dispondrá de un servicio best effort, por lo que en ocasiones se verá afectado de congestión. Para distinguir el tráfico QoS del best effort existen dos estrategias posibles: La Reserva de Capacidad: en este caso el usuario cuando va a necesitar el servicio QoS advierte de antemano cuales son sus necesidades (por ejemplo para una vídeoconferencia podría ser un caudal de 128 Kb/s con retardo máximo de 250 ms). Esto provocaría una reserva de capacidad adecuada en todos los nodos de la red. La Priorización de Tráfico: aquí el usuario no ha de avisar previamente, simplemente ha de marcar el tráfico QoS (por ejemplo el de la videoconferencia) como tráfico prioritario, con lo que los routers darán a dichos paquetes un trato preferente en sus colas. 16/11/2000

Calidad de Servicio (QoS)
Vídeoconferencia Enseñanza a distancia Tráfico con Calidad de Servicio Aplicaciones críticas Voz Transfer. de fichero, Tráfico best-effort 16/11/2000

Calidad de Servicio (III)
La reserva: Da una garantía casi total Supone un derroche de recursos en algunos casos Requiere que cada nodo intermedio tenga conocimiento de las conexiones activas La priorización: Basa su garantía en factores estadísticos Permite aprovechar mejor la infraestructura Los nodos intermedios no necesitan conocer las conexiones activas. La reserva de capacidad supone una garantía casi total, ya que la disponibilidad de recursos se comprueba en el momento de solicitar la comunicación y si no es posible la conexión se rechaza. Sin embargo es técnicamente muy compleja de implementar en grandes redes, ya que cada router ha de tomar nota de cada reserva que se realiza a través suyo. Por el contrario la priorización de tráfico basa su garantía en factores estadísticos. Si todo el tráfico que se inyecta en la red es de la máxima prioridad los problemas de congestión ocurrirán igual que antes (algo parecido al jefe que encarga todas las tareas con la máxima urgencia). Para evitar este problema se suele fija un caudal máximo de tráfico prioritario que cada usuario puede inyectar en la red, pero aún así la red normalmente no se diseña para el caso en que cada usuario inyecte el máximo de tráfico prioritario permitido, ya que esto sería muy caro. La priorización es más sencilla de implementar, ya que al no haber un mecanismo de reserva explícito los routers no necesitan conocer que conexiones (por ejemplo videoconferencias) pasan a través suyo, puesto que lo único que han de hacer es ‘colar’ a los paquetes que les lleguen marcados como prioritarios. 16/11/2000

Calidad de servicio en Internet
Actualmente se barajan dos propuestas para añadir QoS en Internet: Reserva: IntServ (Integrated Services). Protocolo RSVP (Resource ReserVation Protocol). Especificado hace varios años por el IETF, no ha sido apoyado por los fabricantes Prioridades: DiffServ (Differentiated Services). Ocho niveles de prioridad posibles. Recientemente estandarizado por el IETF. Utilizado por varios fabricantes y proveedores de servicios. QoS no estaba en el diseño original de Internet, ha sido un añadido a posteriori Aunque el protocolo RSVP y el modelo IntServ se especificaron hace ya varios años, su uso se ha limitado a experiencias piloto y no se ha extendido entre los fabricantes y por ende entre los proveedores de servicios Internet. En cambio DiffServ y el mecanismo de prioridades, a pesar de ser más reciente, ya está funcionado en varios proveedores de servicios Internet. La razón principal para la acogida de DiffServ y el abandono de IntServ son las ventajas expuestas en la transparencia anterior, y sobre todo el problema que supone técnicamente la necesidad de que en una conexión RSVP cada router del trayecto tome nota de la conexión. En los routers del backbone de Internet esto supone mantener tablas con miles de entradas, que se han de estar actualizando constantemente. Ningún fabricante de routers ha podido (o ha querido) desarrollar una implementación eficiente de RSVP que permita satisfacer este requerimiento. 16/11/2000

Calidad de Servicio y Aplicaciones isócronas
En redes congestionadas las aplicaciones isócronas (p. Ej. Videoconferencia, vídeo bajo demanda) requieren QoS para funcionar correctamente. Las aplicaciones asíncronas (p. ej. transferencia de un fichero MPEG) no tienen ningún requerimiento especial de QoS. Entendemos por aplicaciones isócronas o de tiempo real aquellas en las que las características temporales de la aplicación imponen unas condiciones mínimas para la entrega de los paquetes. Los parámetros mas críticos suelen ser el caudal, el retardo y la fluctuación del retardo, también llamada ‘jitter’. Como ejemplos de aplicaciones isócronas podemos mencionar la audio y videoconferencia y el audio y vídeo bajo demanda. El sonido, aunque requiere un caudal menor que el vídeo, es aún más sensible que éste en cuanto al retardo y el jitter. Como ya hemos dicho, en redes congestionadas es preciso asegurar unos valores máximos de estos parámetros (mínimos en el caso del caudal) para asegurar que las aplicaciones funcionen correctamente. La transferencia de ficheros con contenidos audiovisuales para su posterior visión de forma asíncrona no tiene el carácter de aplicación isócrona y por tanto no está sujeta a las restricciones de QoS que hemos mencionado, ya que desde el punto de vista de la red la aplicación es una simple transferencia de fichero. Por ejemplo un usuario que transfiere a través de un módem de 56 Kb/s un fichero que contiene un vídeo MPEG-1 de 5 minutos podrá verlo con la calidad original una vez lo tenga en su disco local, independientemente del tiempo que haya tardado en transferirlo y de los problemas de congestión que pueda tener. En cambio los materiales audiovisuales enviados en forma de flujo o ‘stream’ sí que plantean requerimientos de QoS a la red. 16/11/2000

¿Como medimos o comparamos la Calidad de Servicio?
Los parámetros QoS más importantes para aplicaciones audiovisuales son: Caudal Retardo: tiempo medio que tardan los paquetes en llegar a su destino. ‘Jitter’: fluctuación del retardo. En ocasiones tan importante como un bajo retardo es que este sea predecible, es decir que no fluctúe mucho respecto a su valor medio. 16/11/2000

Fluctuación del retardo—“Jitter”
Emisor Receptor Red A B C Emisor Transmite t A B C Receptor Recibe t 50 ms 50 ms 90 ms Red vacía Congestión Retardo: 70 ms  20 ms (retardo: 70 ms, jitter: 20 ms) 16/11/2000

Calidad de Servicio: Jitter
La principal causa de jitter es la congestión Se puede reducir el jitter añadiendo un retardo artificial en el lado del receptor. Por ejemplo con un retardo de 70  20 ms (jitter de 20 ms) se puede suprimir el jitter si se añade un retardo de 20 ms (90  0 ms). Para añadir el retardo ‘artificial’ el receptor ha de tener un buffer suficiente. En algunas aplicaciones no es posible añadir mucho retardo pues esto reduce la interactividad. Ej.: videoconferencia, telefonía por Internet 16/11/2000

Calidad de Servicio y Aplicaciones isócronas (III)
Retardo Jitter Aplicación Pequeño Videoconferencia bidireccional Grande Teleclase, Video on Demand VoD con grandes buffers En función de los valores de retardo y jitter que se puedan conseguir la red será más apropiada para uno u otro tipo de aplicaciones. Las aplicaciones más exigentes son aquellas en las que la información audiovisual fluye en ambos sentidos, como la audio o videoconfeerencia. En este caso para mantener la interactividad es preciso tener un retardo pequeño ( ms) y un jitter pequeño. Cuando la información fluye principalmente en un sentido (como en la enseñanza a distancia o el vídeo bajo demanda) es posible obtener resultados aceptables con retardos mayores. Sin embargo el mayor retardo se pondrá de manifiesto en el caso de que haya interactividad (preguntas al profesor, órdenes al servidor de vídeo, etc.) Por último, si tanto el retardo como el jitter son grandes algunas aplicaciones intentan resolver el problema creando un buffer de grandes dimensiones en el que acumulan la información, a veces de varios segundos, para mostrarla más tarde al espectador. Algunos servidores de vídeo y audio streaming en Internet funcionan de esta manera. 16/11/2000

Protocolo IPv6 Desarrollado fundamentalmente para resolver el problema de escasez de direcciones de IPv4 De paso se incorporaron mejoras en seguridad, eficiencia, calidad de servicio, tráfico multicast, etc. Existe una red experimental a nivel mundial desde 1997, llamada 6Bone (IPv6 Backbone) La mayoría de las mejoras se han incorporado a IPv4. El problema de escasez de direcciones de IPv4 se ha resuelto de otras formas (Firewalls, servidores proxy, traductores de direcciones, etc.) Actualmente no está claro para cuando será mayoritario el uso de IPv6 La principal razón que impulsó la creación de IP versión 6 fue la necesidad percibida hace unos años de ampliar el espacio de direcciones de Internet. La versión actual (IPv4) dispone de un campo de 32 bits para la dirección, lo cual permite 232, o sea unos 4 mil millones de direcciones. En realidad el número de direcciones es mucho menor ya que el sistema de asignación desperdicia una gran parte. En IPv6 se utilizan 128 bits para las direcciones, lo cual permite 2128, o sea unas 3 x 1038 direcciones. Aun con una asignación muy ineficiente de las direcciones es seguro que se tardará muchísimo tiempo en agotarlas. Las medidas restrictivas en la asignación de direcciones adoptadas en los últimos años, junto a la aparición de servidores proxy, cortafuegos, etc., que suponen la conexión a Internet de multitud de máquinas con una única dirección IP, han reducido la demanda de direcciones hasta el punto de que últimamente no se percibe la angustia que provocó la creación de IPv6. Esto, unido al hecho de que IPv4 ha ido incorporando las mejoras en seguridad y otros temas que en principio parecía que solo iban a estar disponibles en IPv6, ha provocado que últimamente haya disminuido el interés por parte de los fabricantes y de los usuarios en el nuevo protocolo IPv6. Por otro lado IPv6 no aporta mejoras sustanciales en los aspectos de QoS, o las que eventualmente podría aportar aun no se han especificado. 16/11/2000

Cabecera IPv6 Cabecera IPv4 40 bytes 20 bytes 16/11/2000
En esta transparecia se comparan los campos de la cabecera de un datagrama IPv4 y uno IPv6. Como se puede ver la estructura de la cabecera se ha simplificado ya que el número de campos es menor, pero el hecho de que las direcciones sean ahora de 16 bytes hace que la longitud de la cabecera aumente a pesar de todo. Cabecera IPv4 16/11/2000

Multicast: Concepto La información puede enviarse:
A un destinatario: unicast A todos los destinatarios: broadcast A un grupo de destinatarios: multicast En multicast el uso de la red se optimiza. Los paquetes solo se envían allí donde se necesitan y se replican lo más cerca posible del destino. En cierto modo podemos decir que multicast es a unicast lo que el transporte público es al vehículo particular. La mayoría del tráfico en redes telemáticas es de tipo unicast, es decir va dirigido a un único destinatario. En redes locales a veces se realizan envíos broadcast, dirigidos a todos los destinatarios. Aunque es menos habitual también se pueden hacer en Internet o en redes locales envíos multicast, dirigidos a un grupo de destinatarios. Normalmente cada miembro del grupo decide de forma voluntaria unirse al mismo o abandonarlo. Un grupo multicast puede estar formado por ejemplo por una serie de usuarios que participa en una videoconferencia o que ve una emisión de vídeo a través de la red. 16/11/2000

Multicast: Escalabilidad
La transmisión multicast es especialmente apropiada para información AV isócrona en redes telemáticas.Permite que un grupo elevado de usuarios comparta un mismo flujo de vídeo o audio. Ej: 100 usuarios en España siguiendo un evento en EEUU por real video a 56 Kb/s suponen 5,6 Mb/s en el enlace trasatlántico. Con Multicast consumirían todos 56 Kb/s en dicho enlace. La transmisión multicast permite un ahorro de recursos al enviar únicamente una copia de la información por cada enlace. Además la información sólo se envía a través de los enlaces necesarios para hacerla llegar a los miembros del grupo multicast. Si un usuario abandona el grupo el árbol de distribución se modifica para reflejar la nueva situación. Esto se conoce como ‘podar el árbol’. 16/11/2000

Emisión Multicast en una red sin soporte Multicast
Rosa Juan En este ejemplo dos usuarios, Rosie y Jimmy, están interesados en la misma emisión de paquetes desde el servidor (podría tratarse por ejemplo de una emisión de audio y vídeo digital correspondiente a un evento retransmitido en directo por Internet). En este caso se supone que la red no soporta emisión multicast, por lo que el servidor ha de replicar el tráfico y enviarlo duplicado por el mismo enlace. Replicación de paquetes Luis 16/11/2000

Emisión Multicast en una red con soporte Multicast
Rosa Juan En este ejemplo dos usuarios, Rosie y Jimmy, están interesados en la misma emisión de paquetes desde el servidor (podría tratarse por ejemplo de una emisión de audio y vídeo digital correspondiente a un evento retransmitido en directo por Internet). En este caso se supone que la red no soporta emisión multicast, por lo que el servidor ha de replicar el tráfico y enviarlo duplicado por el mismo enlace. Replicación de paquetes (El router conoce que usuarios están en el grupo multicast) Luis 16/11/2000

Routing multicast Cuando se usa routing por el estado del enlace el router emisor construye el árbol de expansión (‘spanning tree’) con todos los miembros del grupo, colocándose él como raíz. La gestión del grupo multicast (altas o bajas) es independiente del routing. Los cambios en el grupo conllevan cambios en el árbol. 16/11/2000

Emisión de un programa en una red multicast
Rosa Juan En esta red, más compleja que la anterior, cada router detecta si algún miembro del árbol de distribución multicast está interesado en la emisión, en cuyo caso se la envía. De lo contrario ‘poda’ el árbol. De esta forma la distribución multicast se optimiza en el sentido de que el tráfico solo discurre por aquellos enlaces por los que es necesario, y solo lo hace una vez. Luis 16/11/2000 Pedro

Emisión de dos programas en una red multicast
Rosa Juan En este ejemplo se realizan dos emisiones (dos `programas’) diferentes, y cada usuario decide cual de ellas recibe (alguno podría recibir ambas o ninguna). La distribución de tráfico se optimiza como en el ejemplo anterior. Cada router mantiene un árbol de distribución diferente para cada programa en el que participa. Cada árbol se modifica de acuerdo con las selecciones realizadas por los usuarios. Luis 16/11/2000 Pedro

Mbone: Multicast en Internet
En Internet se han hecho pruebas de tráfico Multicast desde 1992, sobre todo para videoconferencias La red multicast se denomina MBone (Multicast Backbone) A partir de 1997 algunos ISP comerciales se han conectado a MBone 16/11/2000

Problemas de MBone A pesar de sus ventajas MBone aun es todavía algo experimental. Razones: Técnicamente el routing multicast es mucho más complejo que el routing unicast Las aplicaciones AV que usan multicast no funcionan bien cuando hay congestión. Las ventajas solo se presentan cuando el ISP tiene un número de usuarios elevado. El enlace de la mayoría de los usuarios de ISPs no tiene capacidad para recibir las emisiones de MBone Debido a su mayor complejidad técnica el routing multicast aún se encuentra lejos de la estabilidad que presenta el routing unicast. En caso de congestión el tráfico unicast puede regularse pidiendo al emisor que reduzca el caudal. En una emisión multicast este comportamiento supone obligar al emisor a emitir para todo el grupo con el caudal que pueda soportar el miembro mas desfavorecido del grupo. Esto puede suponer que el emisor envíe a muchos un flujo de baja calidad por culpa de unos pocos. Si un ISP no tiene varios miembros del grupo multicast en la misma área geográfica el tráfico multicast no reporta beneficios. Las aplicaciones MBone, la mayoría audiovisuales, requieren enlaces con una capacidad media-elevada no saturados, o con posibilidades de QoS. Estas condiciones no se dan en muchos ISPs todavía. 16/11/2000

Aplicaciones y Servicios en MBone
Videoconferencia multipunto (utilizado regularmente desde 1992 para sesiones del IETF) Video (128 Kb/s – 3 Mb/s) Audio (9-64 Kb/s) Pizarra electrónica Servicios de vídeo ‘casi’ bajo demanda Flujos MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, etc. Aplicaciones de teleenseñanza (LANs empresas) Los servicios de videoconferencia multipunto funcionan desde hace bastante tiempo en Interent y permiten en la actualidad seguir una variada serie de eventos de todo tipo. Los sistemas de codificación y compresión de audio y vídeo empleados son los habituales en sistemas de videoconferencia. Además de la videoconferencia se pueden programar emisiones de vídeo de forma análoga a la programación de un canal de televisión. Es posible incluso programar una determinada emisión de forma que se repita cada pocos minutos; los usuarios podrían así ‘sintonizar’ la emisión que mejor les acoplara a su horario, preferencias personales, etc. Esto permite ‘simular’ el servicio de vídeo bajo demanda, ya que aunque el usuario no puede ‘parar’ la emisión puede dejar de verla y cuando vuelva más tarde ‘engancharse’ a la emisión que sigue donde se quedó, de forma que consigue parte de la versatilidad del video bajo demanda. Por tal motivo este servicio se conoce como vídeo ‘casi’ bajo demanda. Cuando el número de espectadores previsto es elevado el vídeo ‘casi’ bajo demanda es más eficiente que el vídeo bajo demanda. 16/11/2000

Multicast y QoS Se está expermientando con el uso de IntServ (RSVP) y DiffServ (prioridades) en tráfico multicast. En entornos LAN el uso de multicast es especialmente sencillo, eficiente y fiable. Si Normalmente no es necesario utilizar QoS, ya que no suele haber problemas de congestión. 16/11/2000

Demostración de MBone 16/11/2000

¿Preguntas? 16/11/2000

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Antecedentes de Internet: ARPANET
Creada en 1969 por la Advanced Research Projects Agency del DoD (Department of Defense) de EEUU. Objetivo: resistir un ataque militar Red de conmutación de paquetes no orientada a conexión (datagramas) Primera experiencia en diciembre de 1969 (cuatro nodos) Los routers o IMP (Interface Mesaage Processors) se conectaban con líneas telefónicas de 56 Kbps; a cada IMP se conectaba localmente un host. La subred, formada por los IMPs y las líneas que los unían, era mantenida por la empresa BBN (Bolt, Beranek & Newman). Intentos de extender los protocolos iniciales a redes de otro tipo (satélite, radio, etc.) demostraron que no eran adecuados. En 1974 Cerf y Kahn inventaron el modelo y protocolos TCP/IP. 16/11/2000

Diseño de la ARPANET original
Host (mainframe) Protocolo host a host Protocolo IMP origen a IMP destino Protocolo IMP a IMP IMP Subred 16/11/2000

Evolución de ARPANET 12/69 7/70 3/71 4/72 9/72 16/11/2000

ARPANET, NSFNET e Internet
La versatilidad de TCP/IP para interconectar LANs y WANs, y su promoción por ARPA (distribución gratuita con BSD 4.2) provocaron un enorme crecimiento de ARPANET Pero ARPANET estaba restringida a centros con proyectos militares. En 1984 la NSF (National Science Foundation) creó la red NSFNET abierta a todas las universidades, que se interconectó con ARPANET. Gradualmente se fueron conectando a NSFNET redes regionales y de otros países, creando lo que se denominó la Internet En 1990 ARPANET (la red financiada por ARPA) desapareció y NSFNET pasó a la empresa ANS (Advanced Networks and Services). ANSNET fue vendida en 1995 a America Online (que en 2000 se fusiona con Time Warner) En 1996 un conjunto de universidades americanas puso en marcha una nueva Internet llamada Internet 2; esta se apoya en dos redes: vBNS y Abilene 16/11/2000

El ‘backbone’ de la NSFNET en 1988
Enlaces de 1,5 Mb/s 16/11/2000

El ‘backbone’ de la Internet2 en el 2000
Enlaces de 2,5 Gb/s Mapa ‘climático’: 16/11/2000

Ejemplos de redes: RedIRIS
Red nacional de I+D iniciada en 1988 bajo el patrocinio del PNID (Plan Nacional de Investigación y Desarrollo) de la CICYT (Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología) En infraestructura X.25 y protocolos OSI, DECNET y SNA A partir de 1991 evolución hacia líneas punto a punto y TCP/IP Desde 1996 sustitución de las líneas punto a punto por circuitos Frame Relay y ATM. Caudales asimétricos. Capacidades a nivel nacional comparables a redes LAN (MadridValencia 40 Mb/s Valencia  Madrid 16 Mb/s) Tres conexiones al exterior: Europa (TEN-155) Espanix EEUU y resto del mundo 16/11/2000

Enlaces troncales de RedIRIS
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RedIRIS en la Comunidad Valenciana
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Estadísticas de tráfico enlaces troncales RedIRIS
Entrada Madrid-Valencia Salida Madrid-Cataluña Madrid-Extremadura 16/11/2000

Tráfico RedIRIS Madrid-Valencia
Diario Semanal Mensual 16/11/2000

Enlaces exteriores RedIRIS
Europa (TEN-155) Espanix (punto neutro) Enlace saturado Estados Unidos y Resto del mundo 16/11/2000

Topología TEN-155 16/11/2000

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Formatos digitales de audio y vídeo.
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Formatos digitales de audio y vídeo
Audio digital. Teorema de Nyquist Audio digital no comprimido Audio digital comprimido Vídeo digital no comprimido Vídeo digital comprimido. Estándares MPEG, H.26x y MJPEG 16/11/2000

Audio digital. Teorema de Nyquist.
Teorema de Nyquist: La digitalización de una señal analógica ha de hacerse muestreando al menos al doble de la frecuencia máxima que se pretende capturar. Canal telefónico: 3 KHz  Muestreo 8 KHz Audio HiFi: 20 KHz  Muestreo 44,1 KHz En 1924 Nyquist planteó un postulado que establece que para digitalizar una señal u onda analógica es preciso realizar un muestreo con una frecuencia de al menos dos veces la frecuencia máxima que se quiere captar. Esto se conoce como el Teorema de Nyquist. Por ejemplo una conversación telefónica utiliza un ancho de banda de 3 KHz. Para dar un margen de separación entre canales contiguos la anchura de un canal telefónico es de 4 KHz. Por esta razón cuando se digitaliza una conversación telefónica se utiliza una frecuencia de muestreo de 8 KHz, de forma que sea posible restituir la onda original cuando se vuelva la señal a su forma analógica. Como otro ejemplo podemos mencionar el caso del audio de alta fidelidad. Aquí la frecuencia máxima a captar es de 20 KHz, valor máximo percibido por el oído humano en condiciones óptimas. El estándar de audio digital utilizado en discos compactos y DAT emplea por este motivo una frecuencia de muestreo de 44,1 KHz, que en principio sería capaz de captar frecuencias de hasta 22,05 KHz. 16/11/2000

Teorema de Nyquist Muestreo 8.000 muestras/s (captura 4 KHz) Señal de
Ancho de banda voz = 300 Hz a 3400 Hz Muestras . Señal de Audio Analógica Señal ‘muestreada’ (8 KHz) 16/11/2000

Conversión analógico-digital PCM (Pulse Code Modulation)
Ruido (o error) de cuantización Digitalización Señal ‘muestreada’ 16/11/2000 Señal digital

Audio digital no comprimido
Sonido telefónico (G.711): muestreo de 8 KHz, 8 bits por muestra: 8 KHz x 8 = 64 Kb/s (canal RDSI) CD-DA (Compact Disc – Digital Audio): Muestreo de 44,1 KHz, 16 bits por muestra, estéreo: 44,1 KHz x 16 x 2 = 1,411 Mb/s (CD-ROM 1x) La frecuencia de muestreo unida al tamaño de cada muestra nos permite calcular el caudal que supone la digitalización de una señal. Sigamos con los dos ejemplos anteriores. El sonido telefónico digital utiliza ocho bits por muestra, lo cual nos da un caudal de 8 KHz x 8 bits/muestra = 64 Kb/s, que corresponde a la capacidad de un canal RDSI. La digitalización de audio telefónico en un flujo de 64 Kb/s está estandarizada por la ITU-T en la norma conocida como G.711. En el audio digital cada muestra tiene 16 bits (el uso de más bits por muestra permite mejorar la relación señal/ruido y por tanto la calidad del sonido frente a lo que supone una conversación telefónica). Dado que el sonido es normalmente estéreo el caudal será de 44,1 KHz x 16 bits/muestra x 2 canales = 1,411 Mb/s. Este caudal (equivalente a 176 Kbytes/s) corresponde al de un lector de CD de audio, y también al de un lector de CD-ROM de simple velocidad. 16/11/2000

Compresión Tipos: Algoritmos:
Sin pérdidas (lossless): usada para datos (ej.: norma V.42bis en módems, ficheros .zip) Con pérdidas (lossy): usada normalmente en audio y vídeo. Inaceptable para datos Algoritmos: Simétricos: necesitan aproximadamente la misma potencia de CPU para comprimir y para descomprimir Asimétricos: requieren bastante más CPU para comprimir que para descomprimir. Siempre es más costoso en CPU comprimir que descomprimir Generalmente para conseguir mayor factor de compresión hace falta mas CPU. 16/11/2000

Audio digital calidad telefónica (3 KHz)
Familia de estándares ITU para telefonía digital Diseñados para voz (sonido de baja calidad, 3.4 KHz) G.711 (PCM habitual): 64 Kb/s (sin compresión) G.722 (SB-ADPCM): Kb/s (7 KHz, mayor calidad) G (MP-MLQ): 6.3/5.3 Kb/s variable G.726 (ADPCM): 16, 24, 32, 40 Kb/s G.727 (E-ADPCM): 16, 24, 32, 40 Kb/s G.728 (LD-CELP): 16 Kb/s G.729 (CS-ACELP): 8 Kb/s GSM (RPE-LTP): 13,2 Kb/s FS 1016 (CELP): 4,8 Kb/s FS 1015 (LPC-10E): 2,4 Kb/s Cuando se quiere reducir el caudal utilizado por una conversación telefónica se emplea compresión. Existen una amplia gama de técnicas de compresión de audio, la mayoría de ellas estandarizadas por la ITU-T en normas G.7xx, que permiten reducir el caudal de una conversación telefónica. Generalmente estas técnicas suponen una merma de calidad respecto al audio no comprimido, aunque en algunos casos dicha merma es difícilmente perceptible. En general a mayor compresión menor calidad. Los diferentes algoritmos de compresión difieren también en su complejidad de cálculo; en general para un mismo caudal las técnicas más complejas obtienen una mayor calidad a costa de emplear mas CPU. Entre los estándares de la lista podemos destacar los siguientes: G.722: este es el único sistema de compresión que aspira a obtener una calidad superior al sonido telefónico tradicional. Para ello, en vez de utilizar la compresión para reducir el caudal la aprovecha para aumentar la frecuencia de muestreo y obtener una señal de mayor ancho de banda (7 KHz frente a los 3 KHz habituales). G.723.1: este estándar es el más utilizado en las aplicaciones de telefonía por Internet. GSM 06.10: utilizado en telefonía móvil GSM FS 1015 (LPC-10E): permite transmitir una conversación en un flujo de tan solo 2,4 Kb/s 16/11/2000

Compresión de voz en telefonía
Calidad de Negocios Calidad Telefónica Inaceptable 64 PCM (G.711) Ancho de banda (Kb/s) 32 ADPCM 32 (G.723) 24 ADPCM 24 (G.725) 16 ADPCM 16 (G.726) LDCELP 16 (G.728) 8 Se requiere hardware especial CS-ACELP 8 (G.729) LPC 4.8 MP-MLQ 6,4 (G.723.1) Calidad Subjetiva 16/11/2000

Fundamentos de TV en color
Varios sistemas: NTSC (América, Japón): 525 x 858 x 30 Hz PAL (Europa): 625 x 864 x 25 Hz SECAM (Francia, Rusia): como PAL La cámara captura señales R-G-B Éstas se transforman en señal de luminancia (Y) y dos de crominancia; p. ej en PAL: Y = 0,30 R + 0,59 G + 0,14 B U = 0,493 (B - Y) = -0,15 R - 0,29 G + 0,44 B V = 0,877 (r - Y) = 0,62 R - 0,52 G - 0,10 B La conversión RGB -> YUV se hace por: Compatibilidad con televisión B/N (se ignora U y V) Aplicar compresión a las señales de crominancia (U + V = C) 16/11/2000

Composición de la señal de vídeo de una cámara de televisión
Rojo (R) Verde (G) Azul (B) Escaneador rasterizador Filtros amplitud R tiempo amplitud G Lente Divisor tiempo B amplitud tiempo 16/11/2000

Funcionamiento de la TV en color (PAL)
Matriz Inversa G B TV Color Y + C Y R Circuito Matricial Modulación G U C Codifi- cador B V Y + C Y: Luminancia C: Crominancia Y Filtro 16/11/2000 TV Blanco y Negro

Vídeo digital no comprimido
ITU-R CCIR-601, también llamado D1 (PAL): Luminancia (Y): 720(h) x 576(v) x 8 bits x 25 fps = 82,9 Mb/s Crom. (Cr y Cb): 360(h) x 576(v) x (8+8) bits x 25 fps = 82,9 Mb/s Submuestreo 4:2:2 Total 165,9 Mb/s Con HDTV sin compresión se puede llegar a 2 Gb/s En vídeo digital el formato no comprimido más utilizado es el CCIR-601 estandarizado por la ITU-R, que corresponde a calidad de estudio y puede funcionar con el sistema americano (NTSC) o el europeo (PAL) en formato 4:3 o 16:9. En CCIR-601 se digitaliza directamente cada una de las tres componentes habitualmente utilizadas en televisión analógica, la luminancia (Y) y las dos componentes de crominancia (Cr y Cb). La imagen PAL es de 720 x 576 pixels, con una frecuencia de 25 fotogramas por segundo. En luminancia se digitalizan todos los pixels, pero para la crominancia se representa únicamente la mitad en horizontal, dando una imagen de 360 x 576 pixels. Esta técnica, conocida como submuestreo 4:2.2, reduce a la mitad la información generada por la crominancia aprovechado el hecho psicológico de que el ojo humano es más sensible a la luminancia que a la crominancia. Empleando ocho bits por pixel la luminancia genera un caudal digital de 720 x 576 x 8 x 25 = 82,9 Mb/s y la crominancia uno de 3600 x 576 x (8+8) x 25 = 82,9 Mb/s, lo cual da un total de 165,9 Mb/s. Aunque podemos considerar el submuestreo como una forma de compresión normalmente se considera que el formato CCIR-601 corresponde a vídeo digital no comprimido. En Televisión de alta definición el formato equivalente a CCIR-601 llega a tener un caudal de 2 Gb/s A la vista de estos valores se comprende fácilmente la necesidad de efectuar compresión del vídeo cuando se almacena de forma digital o se transmite por redes telemáticas. 16/11/2000

Submuestreo 4:2:2 en CCIR 601 Digitalización del fotograma original
720 720 360 576 576 R Y G B Cr Cb Digitalización del fotograma original Fotograma después del submuestreo 4:2:2 (ahorro del 50%) 16/11/2000

Comparación de algunos sistemas de grabación de vídeo digital
Componentes Bits por pixel y componente Compresión Caudal(Mb/s) Sony D1 (CCIR 601) SI (4:2:2) 8 1:1 172 Sony Digital Betacam 10 2,3:1 95 Panasonic D5 220 AMPEX DCT 700d 2:1 88 Sony/AMPEX D2 NO 94 Panasonic D3 16/11/2000

Conclusión La compresión cuando se transmite audio digital es conveniente, pero cuando se transmite vídeo es necesaria. 16/11/2000

Vídeo digital comprimido
Compresión de vídeo PC/Mac/Workstation Cámara de TV Almacena-miento Digitaliza-dor CODEC Vídeo Vídeo analógico Vídeo digital sin comprimir Vídeo digital comprimido Red local (o WAN) Monitor 16/11/2000

Requerimiento de ancho de banda de los
sistemas de compresión mas comunes Estándar/Formato Ancho de banda típico Ratio de compresión CCIR 601 / D1 Mb/s 1:1 (Referencia) MJPEG 10-20 Mb/s 7-27:1 MPEG-1 0,4-2,0 Mb/s 100:1 MPEG-2 1,5-60 Mb/s 30-100:1 MPEG-4 28,8-500 Kb/s :1 H.261 384 Kb/s – 2000 Kb/s 24:1 H.263 28,8-768 Kb/s 50:1 16/11/2000

MPEG (Moving Pictures Expert Group)
Grupo de trabajo de ISO que desarrolla estándares de audio-vídeo comprimido: MPEG-1 (1992) Orientado a vídeo en CD-ROM (vídeo progresivo) Calidad VHS. Caudal típico 1,5 Mb/s Útil para teleenseñanza, aplicaciones de empresa, negocios, etc. MPEG-2 (1996) Extensión compatible de MPEG-1 ‘hacia arriba’ Orientado a teledifusión (vídeo entrelazado) Calidad broadcast, también HDTV Mb/s. Útil para todo tipo de aplicaciones (negocios, entretenimiento, etc.) MPEG-3: Pensado para HDTV, aplicación finalmente cubierta por reparametrización de MPEG-2. El grupo de trabajo MPEG es el encargado dentro de ISO de especificar y aprobar los estándares de audio y vídeo comprimido. MPEG-1 estaba dirigido fundamentalmente a permitir la reproducción de vídeo digital en un lector de CD-ROM de simple velocidad (1,4 Mb/s) con calidad de imagen comparable a la de un magnetoscopio VHS doméstico y de sonido comparable a un CD de audio. En estas condiciones un CD-ROM puede almacenar aproximadamente una hora de vídeo. MPEG-2 pretende ofrecer una calidad broadcast, comparable a CCIR-601, pero con un caudal mucho menor, del orden de 4-6 Mb/s, para ser utilizado como soporte de la televisión digital. MPEG-3 pretendía cubrir la calidad de televisión de alta definición con caudales de Mb/s. Sin embargo se vió que con una modificación adecuada de los parámetros de MPEG-2 le permitía cumplir este requisito, por lo que el grupo de trabajo MPEG-3 se disolvió sin aprobar nunca un su estándar. MPEG-4 extiende la posibilidad de vídeo digital por abajo, a velocidades de hasta 64 Kb/s. Además desarrolla el concepto de objetos audiovisuales tanto naturales como sintéticos empleando como punto de partida para ello el trabajo desarrollado en VRML (Virtual Reality Markup Language) Los grupos de trabajo MPEG-5 y MPEG-6 no se crearon, con el único fin de mantener la irregularidad en la numeración de los estándares MPEG MPEG-7 permitirá la descripción de contenidos audiovisuales para facilitar su indexación, búsqueda, catalogación, etc. 16/11/2000

MPEG-n MPEG-4 (1998-1999): MPEG-5 y MPEG-6: inexistentes
Extensión ‘hacia abajo’ de MPEG-1. Orientado a vídeo sobre Internet Útil en el rango 28,8-500 Kb/s. Nuevos algoritmos de compresión Definición de AVOs (objetos audio visuales) similar a VRML MPEG-4 v. 2 (previsto dic. 1999) MPEG-5 y MPEG-6: inexistentes MPEG-7 (previsto jul. 2001) Descripción de contenidos audiovisuales (indexación, búsquedas, bases de datos, etc.). Interpreta semántica de la información audiovisual MPEG-21 (primer borrador previsto final del 2001) El grupo de trabajo MPEG es el encargado dentro de ISO de especificar y aprobar los estándares de audio y vídeo comprimido. MPEG-1 estaba dirigido fundamentalmente a permitir la reproducción de vídeo digital en un lector de CD-ROM de simple velocidad (1,4 Mb/s) con calidad de imagen comparable a la de un magnetoscopio VHS doméstico y de sonido comparable a un CD de audio. En estas condiciones un CD-ROM puede almacenar aproximadamente una hora de vídeo. MPEG-2 pretende ofrecer una calidad broadcast, comparable a CCIR-601, pero con un caudal mucho menor, del orden de 4-6 Mb/s, para ser utilizado como soporte de la televisión digital. MPEG-3 pretendía cubrir la calidad de televisión de alta definición con caudales de Mb/s. Sin embargo se vió que con una modificación adecuada de los parámetros de MPEG-2 le permitía cumplir este requisito, por lo que el grupo de trabajo MPEG-3 se disolvió sin aprobar nunca un su estándar. MPEG-4 extiende la posibilidad de vídeo digital por abajo, a velocidades de hasta 64 Kb/s. Además desarrolla el concepto de objetos audiovisuales tanto naturales como sintéticos empleando como punto de partida para ello el trabajo desarrollado en VRML (Virtual Reality Markup Language) Los grupos de trabajo MPEG-5 y MPEG-6 no se crearon, con el único fin de mantener la irregularidad en la numeración de los estándares MPEG MPEG-7 permitirá la descripción de contenidos audiovisuales para facilitar su indexación, búsqueda, catalogación, etc. 16/11/2000

Funcionamiento de MPEG
Compresión espacial y temporal Fotogramas digitalizados Compresor MPEG (software o hardware) La compresión puede ser en tiempo real o no. Generalmente se requieren compresores en hardware para hacerla en tiempo real Flujo MPEG comprimido 16/11/2000

Vídeo MPEG (MPEG-1) Submuestreo 4:1:1 (Y:Cr:Cb). 25% ahorro respecto 4:2:2. Dos formatos posibles: SIF (Standard Interchange Format): en PAL Y: 352 x 288 pixels, Cr y Cb: 176 x 144 pixels QSIF (Quarter SIF): Y: 176 x 144; Cr y Cb : 88 x 72 Dos tipos de compresión: Espacial: como en JPEG (técnica DCT, Discrete Cosine Transform) Temporal: se aprovecha la semejanza que cada fotograma tiene con los que le rodean. Para comprender el mecanismo de compresión de vídeo empleado por MPEG describiremos brevemente el caso de MPEG-1. El algoritmo básico es el mismo en MPEG-2 La imagen de partida está normalmente en el formato denominado SIF, que tiene 352 x 288 pixels. Se realiza submuestreo 4:1:1 , con lo que las componentes de crominancia tienen 176 x 144 pixels y la información a codificar se reduce significativamente. El primer fotograma a codificar se comprime aplicando un algoritmo similar al del formato de fotografía JPEG. Esto permite aprovechar la redundancia de la imagen en la compresión. También se aplican factores psicológicos para eliminar información que es difícilmente perceptible por el ojo humano (compresión con pérdidas). Así se construye lo que se denomina un fotograma I o Intra (de Intraframe). MPEG puede comprimir cada fotograma utilizando fotogramas I únicamente, pero esto no es muy eficiente ya que los fotogramas consecutivos son muy similares, es decir hay una redundancia temporal entre ellos. Para aprovechar esta redundancia MPEG intenta identificar los objetos en movimiento. Una vez detectados los fotogramas siguientes al fotograma I inicial se describen mediante un vector de movimiento respecto al fotograma anterior. La localización de objetos en movimiento se hace en base a macrobloques; un macrobloque está formado por un cuadrado de 16 x 16 pixels de luminancia y 8 x 8 pixels de crominancia. Asi se construyen los fotogramas P (Predicitvos) 16/11/2000

Compresión temporal en MPEG
El primer fotograma se digitaliza completo, como si fuera unas imagen JPEG De los siguientes fotogramas solo se se digitalizan los cambios respecto al anterior. Para localizarlos: Se ‘cuadricula’ la imagen en macrobloques, cada uno formado por 16x16 pixels Si se ve que un macrobloque ha cambiado de sitio esto se indica mediante un vector de movimiento. Un macrobloque tiene 16 x 16 pixels de Y, 8 x 8 de Cr y Cb Una imagen SIF (352x288): 352/16 x 288/16 = 22 x 18 = 396 macrobloques Para comprender el mecanismo de compresión de vídeo empleado por MPEG describiremos brevemente el caso de MPEG-1. El algoritmo básico es el mismo en MPEG-2 La imagen de partida está normalmente en el formato denominado SIF, que tiene 352 x 288 pixels. Se realiza submuestreo 4:1:1 , con lo que las componentes de crominancia tienen 176 x 144 pixels y la información a codificar se reduce significativamente. El primer fotograma a codificar se comprime aplicando un algoritmo similar al del formato de fotografía JPEG. Esto permite aprovechar la redundancia de la imagen en la compresión. También se aplican factores psicológicos para eliminar información que es difícilmente perceptible por el ojo humano (compresión con pérdidas). Así se construye lo que se denomina un fotograma I o Intra (de Intraframe). MPEG puede comprimir cada fotograma utilizando fotogramas I únicamente, pero esto no es muy eficiente ya que los fotogramas consecutivos son muy similares, es decir hay una redundancia temporal entre ellos. Para aprovechar esta redundancia MPEG intenta identificar los objetos en movimiento. Una vez detectados los fotogramas siguientes al fotograma I inicial se describen mediante un vector de movimiento respecto al fotograma anterior. La localización de objetos en movimiento se hace en base a macrobloques; un macrobloque está formado por un cuadrado de 16 x 16 pixels de luminancia y 8 x 8 pixels de crominancia. Asi se construyen los fotogramas P (Predicitvos) 16/11/2000

Vídeo MPEG Tipos de fotogramas:
I (Intra): autocontenidos, solo compresión espacial (como JPEG) P (Predictive): referidos al P/I anterior. Compresión temporal por macrobloques. Un macrobloque pueden ser: Inalterado: no modificado respecto al fotograma de referencia Movido p. Ej. un coche en movimiento): se describe por un vector de movimiento y eventualmente una corrección (diferencia respecto al original) Nuevo (p. ej. una puerta que se abre): se describe por compresión espacial (como un fotograma I) B (Bidireccionales): compresión temporal con interpolación; referido al P/I anterior y al P/I posterior. Máxima compresión, máxima complejidad de cálculo. Suavizan la imagen, reducen el ruido. La incorporación de fotogramas P permite conseguir un factor de compresión mayor. En el caso límite de una escena sin movimiento alguno el contenido de los fotogramas P sería nulo con lo que el factor de compresión mejoraría mucho respecto al uso de fotogramas I exclusivamente. Sin embargo el uso de fotogramas P también conlleva desventajas. La complejidad de cálculos a realizar en el proceso de descompresión, y sobre todo en el proceso de compresión, aumenta sensiblemente (y también aumenta la asimetría del proceso de compresión/descompresión). Por otro lado, si se produce algún error en la codificación de un fotograma I el fallo se apreciará normalmente en todos los fotogramas P basados en él. Para mantener un equilibrio entre las ventajas y desventajas de los fotogramas P cada cierto número de fotogramas se intercala un nuevo I con lo que la secuencia comienza de nuevo. En un nivel de complejidad aún mayor MPEG puede intercalar entre fotogramas P consecutivos otros que realicen una interpolación de los vectores de movimiento, en base a la información del fotograma anterior y posterior. Por ejemplo si se ha identificado un objeto en movimiento entre dos fotogramas P podemos suponer en primera aproximación que dicho movimiento se realiza en línea recta y codificar un fotograma intermedio que contenga únicamente la información de corrección del movimiento frente a esa hipótesis, lo cual requerirá una cantidad de información mas pequeña que un fotograma P. Estos fotogramas son los conocidos como B o Bidireccionales, porque para su codificación y descodificación es necesario disponer del fotograma I o P anterior y posterior. Los fotogramas B complican aún más el proceso de compresión/descompresión de MPEG. 16/11/2000

Predicción de fotograma MPEG
Vector de movimiento Macrobloque 16X16 Pixels Fotograma n Predicción Bidireccional Fotograma n+1 Área de búsqueda En esta figura vemos un ejemplo de cómo identifica MPEG los macrobloques en base a los cuales referirá los vectores de movimiento. I B B P B B I 1 2 3 4 5 Grupo de fotogramas 16/11/2000 21

Comparación de fotogramas P y B
I _ _ P Vector de movimiento I P 0 ms 40 ms 80 ms 120 ms I P P P P P I P 0 ms 40 ms 80 ms 120 ms I B B P Vector de movimiento bidireccional I B B P 16/11/2000 0 ms 40 ms 80 ms 120 ms

Fotogramas I (Intra) I 72 x 1024 x 8 / 0,16 = 3,7 Mb/s
Los fotogramas Intra se codifican de forma autocontenida, sin referirse a otros fotogramas I 18 KBytes 18 KBytes 18 KBytes 18 KBytes 18 KBytes En una primera fase de la codificación MPEG elige con que frecuencia elegirá los fotogramas a codificar como Intra (por ejemplo uno cada 9). Esto significa que de la secuencia de fotogramas se codificará el 1 y el 10, y se dejará sin codificar (de momento) del 2 al 9. Los fotogramas I codifican directamente, como si se tratara de imágenes JPEG. 160 ms 72 KB 25 fotogramas por segundo 72 x 1024 x 8 / 0,16 = 3,7 Mb/s 16/11/2000

Fotogramas P (Predictivos)
Los fotogramas Predictivos se codifican usando compensación de movimiento basada en el fotograma I o P anterior 18 KB I 6 KB P 6 KB P 18 KB I 6 KB P 6 KB P 18 KB I En la segunda fase MPEG decide cuantos fotogramas P codificará entre dos fotogramas I consecutivos, por ejemplo dos. En este caso se elegirían el 4 y el 7 que están equidistantes entre los fotogramas I. El fotograma P4 se refiere en sus vectores de movimiento al I1 y el P7 al P4. 240 ms 60 KB 48 x 1024 x 8 / 0,24 = 2,0 Mb/s 16/11/2000

Fotogramas B (Bidireccionales)
Los fotogramas Bidireccionales se codifican usando compensación de movimiento basada en el I o P mas próximo anterior y posterior 18 KB I 4 KB B 4 KB B 6 KB P 4 KB B 4 KB B 6 KB P 4 KB B 4 KB B 18 KB I En la tercera fase MPEG codifica como fotogramas B los restantes.Por tanto la secuencia que resulta es: I1: referido a sí mismo (JPEG) B2: referido a I1 y a P4 B3: referido a I1 y a P4 P4: referido a I1 B5: referido a P4 y a P7 B6: referido a P4 y P7 P7: referido a P4 B8: referido a P7 y a I10 B9: referido a P7 y a I10 I10: referido a sí mismo (JPEG) Obsérvese que las características de los fotogramas B impiden el tratamiento secuencial; no es posible codificar o descodificar los fotogramas B2 y B3 hasta después de procesar el P4. 360 ms 54 KB 54 x 1024 x 8 / 0,36 = 1,2Mb/s 16/11/2000 Orden de transmisión 1xx423756…

Vídeo MPEG-1 Secuencia típica (360 ms): I1 B2 B3 P4 B5 B6 P7 B8 B9 I10
Orden codif/decodificación: I1 P4 B2 B3 P7 B5 B6 I10 B8 B9 Tamaño típico de fotogramas (SIF, 352 x 288): I: 18 KBytes P: 6 KBytes B: 4 KBytes Caudal medio (IBBPBBPBBI): 1,2 Mbps Con QSIF se reduce a 300 Kbps Latencia de la compresión (valores típicos): Solo fotogramas I: ms (MJPEG) Fotogramas I y P: ms (H.261, H.263) Fotogramas I, P y B: ms (MPEG) Los valores mostrados en esta transparencia reflejan uno de los esquemas mas típicos de funcionamiento de MPEG-1 cuando se utiliza en sistema PAL; la secuencia de 10 fotogramas ejecutada en 360 ms da una tasa de 25 fotogramas por segundo. El uso de fotogramas de complejidad creciente (P y B) aumenta el retardo introducido por el proceso de codificación. Por este motivo los fotogramas B no se utilizan en los sistemas de videoconferencia. 16/11/2000

Audio MPEG-1 Muestreo mono o estéreo a 32, 44.1(CD) o 48 (DAT) KHz. Cuando el caudal es reducido es conveniente hacer el muestreo a 32 KHz. Compresión psicoacústica (con pérdidas) asimétrica. De 32 a 448 Kbps por canal de audio Tres capas en orden ascendente de complejidad/calidad: Capa I: buena calidad con Kbps por canal; no se utiliza Capa II: calidad CD con Kbps por canal Capa III: calidad CD con 64 Kbps por canal Cada capa incorpora nuevos algoritmos, y engloba los de las anteriores. Capa III usada en DAB (Digital Audio Broadcast) y en MP3 El audio de MPEG-1 es un buen ejemplo de compresión con pérdidas aprovechando factores psicoacústicos. También se aprovecha en ocasiones la redundancia de información entre ambos canales cuando se codifica un programa estéreo. El audio MPEG-1 ofrece varios algoritmos de complejidad y eficiencia crecientes. Cada algoritmo se incorpora en una ‘capa’ diferente. Las capas superiores (de mayor complejidad) son un ‘superset’ de las anteriores; por ejemplo un decodificador de MPEG-1 capa III es capaz de decodificar programas de capas I y II, pero no a la inversa. El algoritmo más eficiente es el que incorpora la capa III, que permite reproducir una calidad comparable a la de un CD de audio con tan sólo 64 Kb/s por canal. El MPEG-1 capa III corresponde al formato conocido popularmente como MP3, y es el que se utiliza en las emisiones de radio digital (DAB, Digital Audio Broadcast). 16/11/2000

Sistema MPEG-1 Se ocupa de asegurar el sincronismo entre audio y vídeo mediante un sistema de marcas de tiempo (‘timestamps’) en base a un reloj de 90 KHz. Solo es necesario si se utilizan audio y vídeo simultáneamente (no para flujos MP3 por ejemplo) Ocupa poco caudal (5-50 Kbps) En realidad el estándar MPEG-1 tiene tres partes: el audio, el vídeo y el sistema. Esta tercera es la encargada de sincronizar a las dos anteriores. 16/11/2000

Sincronización del audio y vídeo en la creación de un flujo MPEG-1
Flujo de audio digital con marcas de tiempo Señal de audio Codificador de audio Multiplexor del sistema Flujo MPEG-1 Reloj de 90 KHz Señal de vídeo Codificador de vídeo Flujo de vídeo digital con marcas de tiempo Durante la decodificación se realiza el proceso inverso 16/11/2000

Vídeo MPEG-2 (I) Extensión compatible de MPEG-1
Diseñado para televisión digital: Optimizado para transmisión, no almacenamiento Prevé vídeo entrelazado además de progresivo (MPEG-1 era solo progresivo) DSM-CC (Digital Storage Media Comm. & Control) Según los valores de los parámetros de muestreo utilizados se definen en MPEG-2 cuatro niveles: Bajo: x 288 (compatible MPEG-1) Principal: 720 x 576 (equivalente CCIR 601) Alto-1440: x 1152 (HDTV 4:3) Alto: x (HDTV 16:9) El vídeo MPEG-2 se creó como una extensión compatible de MPEG-1 para ser utilizada en la televisión digital. El objetivo inicial era dar una calidad comparable a CCIR-601, pero más tarde se vio que con una parametrización adecuada era capaz de dar calidades mucho mayores, del nivel requerido para la televisión de alta definición (HDTV). A diferencia de su predecesor MPEG-2 nació con la vocación de ser utilizado en redes de difusión y de telecomunicaciones, no para el almacenamiento (aunque también se utiliza para los discos DVD). En MPEG-2 se prevé un estándar para servicios de vídeo bajo demanda, en la parte denominada DSM-CC (Dgital Storage Media Communications and Control). MPEG-2 define cuatro posibles niveles de resolución que corresponden con niveles crecientes de calidad, desde el bajo (equivalente a MPEG-1), pasando por el principal (que corresponde a CCIR 601) hasta llegar al alto que equivale a HDTV en formato 4:3 o 16:9. En cuanto a algoritmos de compresión de vídeo, MPEG-2 se basa en los mismos principios que MPEG-1, haciendo uso de fotogramas I, P y B. 16/11/2000

Resolución de los diferentes niveles de MPEG-2
Alto-1440 Principal Bajo Alto 16/11/2000

Vídeo MPEG-2 (II) Ademas de los niveles se definen seis perfiles según el submuestreo y algoritmo de compresión utilizado. Los perfiles posibles son: Simple: para codecs de bajo costo Principal: el más utilizado SNR Espacial Alto 4:2:2 No todas las combinaciones nivel-perfil están permitidas Cada combinación tiene un caudal máximo previsto La TV digital y el DVD utilizan el nivel y perfil principal MP, Main Main Profile) Para gran calidad Aparte de los niveles ya vistos MPEG-2 define perfiles. Cada perfil se caracteriza por el submuestreo realizado (es decir la forma de reducir la información de crominancia) y por el tipo de fotogramas utilizados, uso de I, P y B o bien I y P solamente (la supresión de los fotogramas B permite construir decodificadores mas sencillos a costa de una pérdida en la eficiencia de la compresión). Cada emisión MPEG-2 viene caracterizada por un determinado nivel y perfil. No todas las posibles combinaciones de niveles y perfiles están permitidas. Para cada combinación de perfil y nivel el estándar fija un caudal máximo utilizable. Por ejemplo la televisión digital actual utiliza el perfil principal y nivel principal (indicado normalmente como que según el estándar puede llegar a un caudal de 15 Mb/s. 16/11/2000

Caudales máximos de Niveles y Perfiles en MPEG-2
Simple Principal SNR Escal. EspacialEscal. Alto 4:2:2 (Studio) Submuestreo 4:2:0 4:2:0/2 Alto x 1152 (HDTV 16:9) 80 Mb/s 100 Mb/s Alto x 1152 (HDTV 4:3) 60 Mb/s Principal 720 x 576 (CCIR 601) 15 Mb/s 20 Mb/s 50 Mb/s Bajo x 288 (MPEG1) 4 Mb/s Niveles En esta tabla se muestran las combinaciones permitidas de perfiles y niveles y los caudales máximos correspondientes. Los caudales mostrados son los máximos previstos en el estándar para cada combinación de perfil y nivel. 16/11/2000

Audio MPEG-2 Audio ‘normal’ compatible con MPEG-1 capa I, II y III
Soporte multicanal (surround, idiomas, etc.). Sistema 5.1 (5 canales mas surround). Sistema de compresión mejorado Advanced Audio Coding (AAC). Calidad comparable a MPEG-1 capa III con el 50-70% de caudal. No compatible con MPEG-1. En audio MPEG-2 permite utilizar todos los formatos existentes en MPEG-1, y añade la posibilidad de tener más de dos canales para efectos especiales (surround, etc.) o para permitir bandas sonoras en diversos idiomas. Además MPEG-2 incorpora nuevos algoritmos de compresión de audio, aun en estudio, que permiten conseguir calidades comparables a MPEG-1 capa III con la mitad de caudal. 16/11/2000

Formatos vídeo para videoconferencia: H.261 y H.263
Diseñados para baja velocidad y poco movimiento (menos acción que en el cine) Algoritmos de compresión menos complejos que MPEG (compresión por software en tiempo real). Mismos algoritmos que MPEG pero: No fotogramas B (excesiva latencia), solo I y P Vectores de movimiento más restringidos (menos acción) Submuestreo 4:1:1 Formato: CIF (Common Interchange Format): 352 x 288 QCIF (Quarter CIF): 176 x 144 SCIF (Super CIF): 704 x 576 H.261 para RDSI ( Kb/s); H.263 para Internet, mejor adaptado para bajas (y altas) velocidades Audio independiente (G.723.1) Sincronización en H.320 y H.323 En videoconferencia los algoritmos de compresión de vídeo son similares a los utilizados en MPEG, es decir se aprovecha la redundancia espacial y temporal de la información contenida en los fotogramas. Para simplificar el proceso de compresión y descompresión y reducir la latencia no se utilizan fotogramas B, únicamente I y P. Dado que la movilidad de la imagen se espera que sea menor que en MPEG los vectores de movimiento que se permiten son más reducidos. Se realza submuestreo 4:1:1 para reducir la información de crominancia. Los estándares existentes (fijados por la ITU-T) son el H.261 y el H.263. El H.261, más antiguo y menos eficiente, se emplea en el estándar de videoconferencia H.320 empleado desde hace bastantes años en RDSI. El H.263, estandarizado en 1997, se emplea en el estándar de videoconferencia H.323 diseñado para ser utilizado en Internet. Productos como el Netmeeting de Microsoft siguen el estándar H.323. Los algoritmos de compresión de vídeo de H.323 han sido utilizados para el desarrollo de los algoritmos de bajo caudal de MPEG-4; con ellos es posible realizar videoconferencias u ofrecer servicios de vídeo bajo demanda con caudales tan reducidos como 33,6 Kb/s. 16/11/2000

Resoluciones previstas en los estándares
de compresión de vídeo Formato SQCIF QCIF CIF 4CIF o SCIF 16CIF 4:3 16CIF 16:9 Resolución 128x96 176x144 352x288 720x576 1440x1152 1920x1152 H.261 H.263 MPEG-4 MPEG-1 MPEG-2 Estándar 16/11/2000

Comparación de los formatos de resolución
previstos en los estándares de vídeo MPEG-2, H.263 MPEG-1/2, H.263 MPEG-2 H.263 MPEG-1/4, H.261/3 MPEG-1/4, H.261/3 16/11/2000

Vídeo MJPEG (Motion JPEG)
Secuencia de JPEGs sin compresión temporal; equivalente a MPEG pero solo con fotogramas I. Factor de compresión más reducido: MPEG: :1 H.261: 24:1 MJPEG: 7-27:1 No incluye soporte de audio Usado en algunos sistemas de videoconferencia y para edición no lineal de vídeo (control fotograma a fotograma) El vídeo MJPEG es equivalente a la compresión MPEG utilizando únicamente fotogramas I. La pérdida de eficiencia en la compresión es importante ya que no se aprovecha la redundancia temporal. Su principal ventaja estriba en el hecho de permitir la edición no lineal de contenidos audiovisuales y en su baja latencia, ya que los fotogramas se codifican de forma totalmente independiente. 16/11/2000

Caudal y Calidad de diversos Formatos de Vídeo Comprimido
2 4 6 8 10 12 20 30 VHS Disco Láser Broadcast D1 (CCIR 601) Caudal (Mb/s) MJPEG MPEG-2 (IP) (IBP) (I) Como resumen mostramos aquí una gráfica comparando la calidad que se obtiene frente al caudal para las diversas formas de compresión en función del tipo de fotogramas utilizado. 16/11/2000

Aplicaciones de vídeo en Internet
Vídeo bajo demanda, Distribución de vídeo (multicast) Teleenseñanza Formación profesional, formación continua Televisión de empresa Videoconferencia Telemedicina Telereuniones Seguridad 16/11/2000

Utilidad de la comunicación en función del retardo extremo a extremo
Comunicación Telefónica Comunicación vía satélite Radioaficionados 1 Utilidad Telefonía Internet 0.5 100 200 300 400 500 600 700 800 Tiempo (mseg)

Comunicación Internet-telefonía tradicional
Gatekeeper (control de accesos) Línea dedicada Internet Red Telefónica Gateway (Pasarela) H.323 Modem V Red Telefónica Red CATV Cable Modem Cabecera Para reducir costos se utiliza la pasarela mas próxima al destinatario Red ADSL 16/11/2000 Modem ADSL

Videoconferencia de sala (CODEC hardware)
Kb/s RDSI o Internet Estándares H.320, H.323, etc. 16/11/2000

Vídeoconferencia de sala: multipunto
RDSI o Internet Servidor MCU (Multipoint Control Unit) 16/11/2000

Videoconferencia de sobremesa (CODEC software)
RDSI o Internet 16/11/2000

Telemedicina Clínica remota Clínica remota Internet Clínica remota
MJPEG Compresión ‘lossless’ Sala de monitorización de ecógrafos 16/11/2000

Seguridad Internet o Intranet 16/11/2000

Distribución de vídeo en directo
Intranet MPEG-1 / MPEG-2 16/11/2000

Vídeo bajo demanda Intranet Servidor de vídeo MPEG-1 / MPEG-2
16/11/2000

TV en red de datos Servidores de vídeo Guía de programación LAN
NBC Guía 256K LAN Enterprise WAN WAN CNN Reuters CBS 128K CBS Televidentes locales (MPEG-1, MPEG-2) CNN Televidentes remotos (MPEG-4) 16/11/2000

Formación continua Servidores de vídeo LAN Videoteca cursos
de formación Servidores de vídeo Programa Formación 3 Guía de programas Presentaciones en directo WAN Enterprise WAN LAN Programa Formación 3 Program Formación 2 Training Program 3 Programa Formación 1 Training Program 2 Training Program 1 Programa Formación 1 Cursos programados regularmente y emitidos por multicast varias veces por semana 16/11/2000

Demostración de un servicio de vídeo bajo demanda
16/11/2000

Bibliografía: general
Douglas E. Comer: Redes de Computadoras, Internet e Interredes (1997), Prentice Hall Pts, ISBN X Andrew S. Tanenbaum: Redes de Computadoras, 3ª ed. (1997), Prentice Hall pts, ISBN William Stallings: Comunicaciones y redes de computadores, 6ª ed. (2000), Prentice Hall pts, ISBN Fred Halsall: Comunicaciones de datos, redes de computadores y sistemas abiertos, 4ª ed. (1998), Addison Wesley pts, 955 pag., ISBN Uyless Black: Tecnologías emergentes para Redes de Computadoras, 2ª ed. (1999), Prentice Hall pts, ISBN 16/11/2000

Bibliografía: Multimedia
F. Fluckiger: ‘Understanding Networked Multimedia’ (1995), Prentice Hall, ISBN P. W. Agnew y A. S. Kellerman: ‘Distributed Multimedia’ (1996), Addison-Wesley, ISBN M. Robin y M. Poulin: ‘Digital Television Fundamentals’ (1998), McGraw-Hill, ISBN 16/11/2000

!Gracias! 16/11/2000

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