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16/11/20001 Introducción a la Telemática Dirigida a la Producción Audiovisual Master en Gestión de la Producción Audiovisual Rogelio Montañana

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Presentación del tema: "16/11/20001 Introducción a la Telemática Dirigida a la Producción Audiovisual Master en Gestión de la Producción Audiovisual Rogelio Montañana"— Transcripción de la presentación:

1 16/11/20001 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

2 16/11/20002 Sumario Introducción El nivel físico El nivel de red Formatos digitales de audio y vídeo

3 16/11/20003 Introducción Importancia, justificación y objetivos Definición de Telemática Clasificación de las redes Modelos de descripción de las redes Algunos conceptos básicos Estándares. Organizaciones

4 16/11/20004 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

5 16/11/20005 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

6 16/11/20006 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

7 16/11/20007 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.

8 16/11/20008 TelecomunicacionesInformática Telemática Telemática: ciencia que utiliza las telecomunicaciones para potenciar las posibilidades y aplicaciones de la informática

9 16/11/20009 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

10 16/11/ Clasificación de las redes por su ámbito (LAN) (MAN) (WAN)

11 16/11/ 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)

12 16/11/ Topologías LAN típicas Bus (Ethernet) Anillo (Token Ring, FDDI) Cable Ordenador (Host) Cable

13 16/11/ 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.

14 16/11/ Clasificación de las redes por su tecnología TipoBroadcastEnlaces punto a punto CaracterísticasLa 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 EjemplosCasi 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

15 16/11/ 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 16/11/ 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.

17 16/11/ Algunas topologías típicas de redes punto a punto Estrella AnilloÁrbol sin bucles (spanning tree) Malla completaAnillos interconectados Topología irregular (malla parcial)

18 16/11/ 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).

19 16/11/ Clasificación de redes Redes LANRedes 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

20 16/11/ WAN (red de enlaces punto a punto) LAN (red broadcast o LAN conmutada) Host Router Subred Escenario típico de una red completa (LAN-WAN)

21 16/11/ 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.

22 16/11/ 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.

23 16/11/ 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).

24 16/11/ 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.

25 16/11/ Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Ejemplo de comunicación mediante el modelo de capas Capa Moscú Valencia Comunicación virtual Comunicación real

26 16/11/ 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.

27 16/11/ Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Protocolos e Interfaces Capa Moscú Valencia Pintura Inglés Morse Impulsos eléctricos Ruso Valenciano Texto escrito Manipulador

28 16/11/ Capa N Servicios utilizados de la capa N-1 Servicios ofrecidos a la capa N+1 Comunicación con la entidad homóloga mediante el protocolo de la capa N Comunicación virtual (salvo si N=1) Comunicación real

29 16/11/ 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

30 16/11/ Telégrafo por cable Radiotelégrafo Valencia París Copenhague Moscú

31 16/11/ Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Telegrafista Telégrafo Traductor Artista Comunicación indirecta entre dos artistas a través de una red de telégrafos Moscú Valencia Pintura Inglés Morse Impulsos eléctricos Telegrafista Telégrafo Telegrafista Telégrafo Ondas de radio París Copenhague Morse Impulsos eléctricos

32 16/11/ 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

33 16/11/ Capa Física Especificación de medios de transmisión mecánicos, eléctricos, funcionales y procedurales Transmite Los Datos N=1 Medio físico

34 16/11/ Capa de Enlace Datos puros Driver del dispositivo de comunicaciones Provee el control de la capa física Detecta y/o corrige Errores de transmisión N=2

35 16/11/ Capa de Red ¿Por donde debo ir a w.x.y.z? Suministra información sobre la ruta a seguir N=3 Routers

36 16/11/ Capa de Transporte Conexión extremo a extremo (host a host) Error de comprobación de mensaje Paquetes de datos ¿Son estos datos buenos? Este paquete no es bueno. Reenviar Verifica que los datos se transmitan correctamente N=4

37 16/11/ Capa de Sesión Cerrar Conexión De nada! Gracias Me gustaría enviarte algo Buena idea! Establecer Conexión Sincroniza el intercambio de datos entre capas inferiores y superiores N=5

38 16/11/ Capa de Presentación Datos de la aplicación (dependientes de la máquina) Datos de capas bajas (independientes de la máquina) Convierte los datos de la red al formato requerido por la aplicación N=6

39 16/11/ Capa de Aplicación ¿Que debo enviar? 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 N=7 WWW (HTTP) Transf. Ficheros (FTP) (SMTP) Videoconferencia (H.323)

40 16/11/ 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.

41 16/11/ Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Aplicación Transporte Internet Host-red Comparación de modelos OSI, TCP/IP e híbrido OSITCP/IP Aplicación Transporte Red Enlace LLC MAC Física Híbrido WAN LAN Hardware Firmware Software Sist. Operativo Progr. de usuario

42 16/11/ Telnet FTPDNSSMTP UDP TCP IP ARPANETSATNETLANPacket Capa (nombre OSI) Aplicación Transporte Red Física y Enlace Protocolos Redes Protocolos y redes del modelo TCP/IP inicial

43 16/11/ Acceso a un servidor Web desde un cliente en una LAN Ethernet Capa HTTP TCP IP IEEE Sockets Winsock ClienteServidor Aplicación Transporte Enlace Red Física Sockets Winsock Aplicación Transporte Enlace Red Física IEEE

44 16/11/ 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.

45 16/11/ Cabecera de enlace Datagrama IP Cola de enlace Cabec. IP Segmento TCP Cabec. TCP Datos aplicación Elementos de datos en el modelo TCP/IP Segmento TCP Datagrama IP Trama 20 bytes 20 bytes 14 bytes 4 bytes Los valores que aparecen para el nivel de enlace se aplican al caso de Ethernet. Según el tipo de red puede haber pequeñas variaciones

46 16/11/ Aplicación Acceso a un servidor Web a través de una conexión remota Capa HTTP TCP IP ClienteServidor Transporte Enlace Red IP PPP IEEE IEEE V.35 Física Aplicación Transporte Enlace Red Física Enlace Red Física Enlace Red Física IEEE IEEE LAN Ethernet LAN Token Ring 5

47 16/11/ 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

48 16/11/ ¿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

49 16/11/ 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

50 16/11/ 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.

51 16/11/ 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

52 16/11/ 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)

53 16/11/ 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.

54 16/11/ 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

55 16/11/ 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)

56 16/11/ ITU-T: International Telecommunications Union – Sector Telecomunicaciones Creada en 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 Sus estándares afectan sobre todo a tecnologías y servicios de redes de área extensa (intereses de operadoras). Más información en

57 16/11/ 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)

58 16/11/ 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.

59 16/11/ Organización del IAB IRSG IESG area 1area n Grupos de investigación Grupos de trabajo BOARD IRTF IETF IRTF: Internet Research Task Force IRSG: Internet Research Steering Group IETF: Internet Engineering Task Force IESG: Internet Engineering Steering Group

60 16/11/ 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

61 16/11/ Protocolo Experimental Informativo Estándar Propuesto Estándar Borrador Borrador de Internet Estándar Internet Histórico Evolución de los RFCs

62 16/11/ 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)

63 16/11/ 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

64 16/11/ La Capa Física

65 16/11/ 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

66 16/11/ 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.

67 16/11/ Medios de transmisión guiados Fibra óptica –Gran capacidad (hasta 10 Gb/s) –Gran fiabilidad (menos de 1 error en ) –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 10 8 ) –Atenuación alta (hasta 98% de pérdida en 100 m) –Corto alcance

68 16/11/ 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.

69 16/11/ 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).

70 16/11/ Red telefónica Internet Teléfonos analógicos o digitales Módem o adaptador Ordenador Acceso a Internet con línea telefónica POP del ISP Domicilio del abonado 33,6/56 Kb/s (analógico) 64 Kb/s (RDSI) POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider

71 16/11/ Nuevas técnicas de transmisión de datos Acceso residencial de banda ancha –Redes CATV (Televisión por cable) –ADSL, xDSL –LMDS –Satélite ATM

72 16/11/ Fuente:

73 16/11/ Redes CATV coaxiales ( ) 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.

74 16/11/ Receptores y Decodificadores Moduladores y Conversores Contenidos locales CABECERA Arquitectura típica de una red CATV coaxial tradicional Unidireccional Hasta 50 amplificadores en cascada Empalme Amplificador unidireccional Cable Coaxial (75 ) Muchos miles de viviendas

75 16/11/ Redes CATV HFC (1988- ) 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.

76 16/11/ Cabecera regional Arquitectura típica de una red CATV HFC Anillo de fibra (TV y datos viajan por separado) Cabecera local Receptor y Modulador Internet Nodo de fibra ( viviendas) Empalme Fibra (monomodo) Cable Coaxial (75 ) Amplificador bidireccional viviendas Bidireccional 3-5 amplificadores máx. Conversor fibra-coaxial Cable módem Ethernet (10BASE-T)

77 16/11/ Arquitectura HFC (Híbrida Fibra-Coax.) Cabecera Regional Cab. local Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra COAX Empalme Nodo fibra Nodo fibra Conexión Set-top box-TV Cable módem - ordenador 8 MHz TV1 C9 TV3 Nodo fibra Nodo fibra Nodo fibra Cab. local

78 16/11/ 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

79 16/11/ Elementos básicos de la comunicación en una red CATV Red CATV HFC

80 16/11/ Organización de los canales en redes HFC Canales para televisión digital Canales para datos (descendente) Canales para televisión analógica Frecuencia Canales para datos (ascendente) Servicios de TV Servicios de datos (acceso Internet)

81 16/11/ Esquema de una zona en una red CATV Canal Descendente ( MHz) 41,7 Mb/s Compartidos por 3 usuarios (1)(2) (3) 10 BASE T ETHERNET (3) 10 BASE T ETHERNET (1)(2) 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

82 16/11/ Cable Módems

83 16/11/ 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)

84 16/11/ 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)

85 16/11/ Espectro de ADSL Frec. 04 kHz kHz CanalDescendenteCanalAscendenteTeléfonoanalógico 30 kHz kHz Bin Amplitud

86 16/11/ Bucle de abonado típico Cable de Alimentación Cable de Distribución Empalme Puentes de derivación (instalaciones anteriores) 1600 m 0,5 mm 1200 m 0,4 mm 200 m 0,4 mm 1300 m 0,4 mm 1100 m 0,4 mm 60 m 0,4 mm 150 m 0,4 mm Central Telefónica

87 16/11/ Switch telefónico Red telefónica Internet DSLAM (ATU-C) Splitter Teléfonos analógicos Modem ADSL (ATU-R) Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Ordenador Altas Frecuencias Bajas Frecuencias Configuración de una conexión ADSL Central Telefónica Domicilio del abonado Splitter

88 16/11/ Red telefónica Internet DSLAM (ATU-C) Modem ADSL (ATU-R) Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Altas Frecuencias Bajas Frecuencias Configuración de ADSL G.Lite o splitterless Central Telefónica Domicilio del abonado Altas y bajas Frecuencias Switch telefónico Teléfonos analógicos Splitter

89 16/11/ Capacidad de VDSL/ADSL en función de la distancia 0 Km 1,5 Km 3 Km4,6 Km6,1 Km VDSL ADSL

90 16/11/ 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.

91 16/11/ Características de ATM Utiliza celdas de tamaño fijo Orientado a conexión Soporta multitud de facilidades de control Utilizado en LAN y en WAN Celdas Voz Datos Vídeo

92 16/11/ Red típica de una Compañía Telefónica Cabecera Cable TV Comp B Comp A Inalámbrico POTS RDSICableFrame ATM FUNI D/C ISP1 ISP2 IDSL/ SDSL ADSLVDSL/A TM D/C DSM Backbone SONET/ATM Switch

93 16/11/ ¿Preguntas?

94 16/11/ La Capa de Red ¿Por donde debo ir a w.x.y.z? Routers

95 16/11/ El Nivel de Red Funciones principales Routing Congestión. Calidad de Servicio. Protocolo IPv6 Multicast Ejemplos de redes

96 16/11/ 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.

97 16/11/ 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.

98 16/11/ Murcia Valladolid Bilbao Madrid Valencia Zaragoza Sevilla Barcelona Badajoz La Coruña La red de autopistas españolas Rutas óptimas hacia Barcelona Principio de optimalidad Barcelona BilbaoMurcia Valladolid Madrid ValenciaZaragoza Badajoz La Coruña Sevilla

99 16/11/ 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

100 16/11/ 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

101 16/11/ Algoritmos de routing Pueden ser: –Estáticos: 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.

102 16/11/ 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.

103 16/11/ 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

104 16/11/ Métrica 3 Métrica 2 Métrica 7 Métrica ABCDEFGHIJK Vector recibido por (+3): Vector recibido por (+2): Vector recibido por (+7): Métricas calculadas: Interfaz de salida: Router Destino: I J A C D

105 16/11/ 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.

106 16/11/ Red telefónica Internet Ejemplo típico de congestión POP del ISP 300 usuarios 300 * 33,6 = 10 Mb/s POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider 2 Mb/s

107 16/11/ 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.

108 16/11/ 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).

109 16/11/ 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.

110 16/11/ 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)

111 16/11/ Calidad de Servicio (QoS) Vídeoconferencia Enseñanza a distancia Aplicaciones críticas Voz Transfer. de fichero, Tráfico best-effort Tráfico con Calidad de Servicio

112 16/11/ 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.

113 16/11/ 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

114 16/11/ 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.

115 16/11/ ¿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.

116 16/11/ Fluctuación del retardoJitter t t Emisor Transmite Receptor Recibe A A B B C C A A B B C C 50 ms EmisorReceptor Red 50 ms90 ms Congestión Retardo: 70 ms 20 ms (retardo: 70 ms, jitter: 20 ms) Red vacía

117 16/11/ 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 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

118 16/11/ Calidad de Servicio y Aplicaciones isócronas (III) RetardoJitterAplicación Pequeño Videoconferencia bidireccional GrandePequeñoTeleclase, Video on Demand Grande VoD con grandes buffers

119 16/11/ 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

120 16/11/ Cabecera IPv6 Cabecera IPv4 40 bytes 20 bytes

121 16/11/ 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.

122 16/11/ 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.

123 16/11/ Emisión Multicast en una red sin soporte Multicast Replicación de paquetes Rosa Juan Luis

124 16/11/ Emisión Multicast en una red con soporte Multicast Replicación de paquetes (El router conoce que usuarios están en el grupo multicast) Rosa Juan Luis

125 16/11/ 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.

126 16/11/ Emisión de un programa en una red multicast Rosa Pedro Luis Juan

127 16/11/ Emisión de dos programas en una red multicast Rosa Pedro Luis Juan

128 16/11/ 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

129 16/11/ 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

130 16/11/ 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)

131 16/11/ 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.

132 16/11/ Demostración de MBone

133 16/11/ ¿Preguntas?

134 16/11/

135 16/11/ 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.

136 16/11/ Diseño de la ARPANET original Protocolo host a host Protocolo IMP origen a IMP destino Protocolo IMP a IMP IMP Subred Host (mainframe)

137 16/11/ /69 7/703/71 4/72 9/72 Evolución de ARPANET

138 16/11/ 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

139 16/11/ El backbone de la NSFNET en 1988 Enlaces de 1,5 Mb/s

140 16/11/ El backbone de la Internet2 en el 2000 Mapa climático: Enlaces de 2,5 Gb/s

141 16/11/ 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

142 16/11/ Enlaces troncales de RedIRIS

143 16/11/ RedIRIS en la Comunidad Valenciana

144 16/11/ Madrid- Valencia Madrid- Cataluña Madrid- Extremadura Estadísticas de tráfico enlaces troncales RedIRIS Entrada Salida

145 16/11/ Tráfico RedIRIS Madrid-Valencia Diario Semanal Mensual

146 16/11/ Enlaces exteriores RedIRIS Europa (TEN-155) Espanix (punto neutro) Estados Unidos y Resto del mundo Enlace saturado

147 16/11/ Topología TEN-155

148 16/11/

149 16/11/ Formatos digitales de audio y vídeo.

150 16/11/ 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

151 16/11/ 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

152 16/11/ Señal muestreada (8 KHz) Señal de Audio Analógica Ancho de banda voz = 300 Hz a 3400 Hz Teorema de Nyquist Muestras Muestreo muestras/s (captura 4 KHz)

153 16/11/ Conversión analógico-digital PCM (Pulse Code Modulation) Señal muestreada Señal digital Ruido (o error) de cuantización Digitalización

154 16/11/ 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)

155 16/11/ Compresión Tipos: –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.

156 16/11/ 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

157 16/11/ Compresión de voz en telefonía Ancho de banda (Kb/s) Calidad Subjetiva Inaceptable Calidad de Negocios Calidad Telefónica PCM (G.711) ADPCM 32 (G.723) ADPCM 24 (G.725) ADPCM 16 (G.726)LDCELP 16 (G.728) LPC 4.8 CS-ACELP 8 (G.729) MP-MLQ 6,4 (G.723.1) Se requiere hardware especial

158 16/11/ 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)

159 16/11/ Composición de la señal de vídeo de una cámara de televisión Rojo (R) Verde (G) Azul (B) Divisor R B G Lente Filtros Escaneador rasterizador amplitud tiempo amplitud tiempo amplitud tiempo

160 16/11/ Funcionamiento de la TV en color (PAL) R B G Circuito Matricial Codifi- cador V U Y C Modulación Y: Luminancia C: Crominancia Filtro TV Blanco y Negro Matriz Inversa TV Color Y + C R G B Y

161 16/11/ 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. (C r y C b ): 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

162 16/11/ B G RY CbCb CrCr Digitalización del fotograma original Fotograma después del submuestreo 4:2:2 (ahorro del 50%) Submuestreo 4:2:2 en CCIR 601

163 16/11/ SistemaComponentesBits por pixel y componente CompresiónCaudal (Mb/s) Sony D1 (CCIR 601)SI (4:2:2)81:1172 Sony Digital BetacamSI (4:2:2)102,3:195 Panasonic D5SI (4:2:2)101:1220 AMPEX DCT 700dSI (4:2:2)82:188 Sony/AMPEX D2NO81:194 Panasonic D3NO81:194 Comparación de algunos sistemas de grabación de vídeo digital

164 16/11/ Conclusión La compresión cuando se transmite audio digital es conveniente, pero cuando se transmite vídeo es necesaria.

165 16/11/ Compresión de vídeo PC/Mac/Workstation Monitor Vídeo digital comprimido Vídeo digital sin comprimir Cámara de TV Vídeo analógico Almacena- miento Red local (o WAN) Digitaliza- dor CODEC Vídeo

166 16/11/ Estándar/FormatoAncho de banda típico Ratio de compresión CCIR 601 / D Mb/s1:1 (Referencia) MJPEG10-20 Mb/s7-27:1 MPEG-10,4-2,0 Mb/s100:1 MPEG-21,5-60 Mb/s30-100:1 MPEG-428,8-500 Kb/s :1 H Kb/s – 2000 Kb/s24:1 H.26328,8-768 Kb/s50:1 Requerimiento de ancho de banda de los sistemas de compresión mas comunes

167 16/11/ 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.

168 16/11/ MPEG-n MPEG-4 ( ): –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)

169 16/11/ Funcionamiento de MPEG Compresión espacial y temporal Fotogramas digitalizados Compresor MPEG (software o hardware) Flujo MPEG comprimido La compresión puede ser en tiempo real o no. Generalmente se requieren compresores en hardware para hacerla en tiempo real

170 16/11/ Vídeo MPEG (MPEG-1) Submuestreo 4:1:1 (Y:C r :C b ). 25% ahorro respecto 4:2:2. Dos formatos posibles: –SIF (Standard Interchange Format): en PAL Y: 352 x 288 pixels, C r y C b : 176 x 144 pixels –QSIF (Quarter SIF): Y: 176 x 144; C r y C b : 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.

171 16/11/ 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 C r y C b –Una imagen SIF (352x288): 352/16 x 288/16 = 22 x 18 = 396 macrobloques

172 16/11/ 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.

173 16/11/ Predicción de fotograma MPEG Macrobloque 16X16 Pixels Vector de movimiento Área de búsqueda IBBPBBI Predicción Bidireccional Grupo de fotogramas Fotograma n Fotograma n+1

174 16/11/ I B P B I I P P P P 0 ms40 ms 80 ms120 ms 0 ms40 ms 80 ms120 ms 0 ms40 ms 80 ms120 ms Vector de movimiento Vector de movimiento bidireccional I _ _ P I P P P I B B P Comparación de fotogramas P y B

175 16/11/ Fotogramas I (Intra)II I I I Los fotogramas Intra se codifican de forma autocontenida, sin referirse a otros fotogramas 18 KBytes 160 ms 72 KB 72 x 1024 x 8 / 0,16 = 3,7 Mb/s 25 fotogramas por segundo

176 16/11/ I Fotogramas P (Predictivos)P P I P P I Los fotogramas Predictivos se codifican usando compensación de movimiento basada en el fotograma I o P anterior 18 KB 6 KB 18 KB 6 KB 240 ms 60 KB 48 x 1024 x 8 / 0,24 = 2,0 Mb/s 18 KB

177 16/11/ Fotogramas B (Bidireccionales)I B B P B B P B B I Orden de transmisión 1xx423756… 18 KB 4 KB 6 KB 4 KB 6 KB 4 KB 18 KB 360 ms 54 KB Los fotogramas Bidireccionales se codifican usando compensación de movimiento basada en el I o P mas próximo anterior y posterior 54 x 1024 x 8 / 0,36 = 1,2Mb/s

178 16/11/ Vídeo MPEG-1 Secuencia típica (360 ms): I 1 B 2 B 3 P 4 B 5 B 6 P 7 B 8 B 9 I 10 Orden codif/decodificación: I 1 P 4 B 2 B 3 P 7 B 5 B 6 I 10 B 8 B 9 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)

179 16/11/ 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

180 16/11/ 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)

181 16/11/ Codificador de audio Codificador de vídeo Multiplexor del sistema Señal de audio Flujo MPEG-1 Señal de vídeo Sincronización del audio y vídeo en la creación de un flujo MPEG-1 Flujo de vídeo digital con marcas de tiempo Flujo de audio digital con marcas de tiempo Reloj de 90 KHz Durante la decodificación se realiza el proceso inverso

182 16/11/ 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: 352 x 288 (compatible MPEG-1) –Principal: 720 x 576 (equivalente CCIR 601) –Alto-1440: 1440 x 1152(HDTV 4:3) –Alto: 1920 x 1152 (HDTV 16:9)

183 16/11/ Bajo Principal Alto-1440 Alto Resolución de los diferentes niveles de MPEG-2

184 16/11/ 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

185 16/11/ PerfilesSimplePrincipalSNR Escal. Espacial Escal. Alto4:2:2 (Studio) Submuestreo4:2:0 4:2:0/2 Alto 1920 x 1152 (HDTV 16:9) 80 Mb/s100 Mb/s Alto x 1152 (HDTV 4:3) 60 Mb/s 80 Mb/s Principal 720 x 576 (CCIR 601) 15 Mb/s 20 Mb/s50 Mb/s Bajo 352 x 288 (MPEG1) 4 Mb/s Niveles Caudales máximos de Niveles y Perfiles en MPEG-2 Los caudales mostrados son los máximos previstos en el estándar para cada combinación de perfil y nivel.

186 16/11/ 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 % de caudal. No compatible con MPEG-1.

187 16/11/ 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

188 16/11/ FormatoSQCIFQCIFCIF4CIF o SCIF 16CIF 4:3 16CIF 16:9 Resolución128x96176x144352x288720x x x1152 H.261 H.263 MPEG-4 MPEG-1 MPEG-2 Estándar Resoluciones previstas en los estándares de compresión de vídeo

189 16/11/ H.263 MPEG-1/4, H.261/3 MPEG-1/2, H.263 MPEG-2, H.263 MPEG-2 Comparación de los formatos de resolución previstos en los estándares de vídeo MPEG-1/4, H.261/3

190 16/11/ Vídeo MJPEG (Motion JPEG) Secuencia de JPEGs sin compresión temporal; equivalente a MPEG pero solo con fotogramas I. Factor de compresión más reducido: –MPEG:30-100:1 –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)

191 16/11/ Caudal y Calidad de diversos Formatos de Vídeo Comprimido VHS Disco Láser Broadcast D1 (CCIR 601) Caudal (Mb/s) MJPEG MPEG-2 (IP) MPEG-2 (IBP) MPEG-2 (I)

192 16/11/ Aplicaciones de vídeo en Internet Vídeo bajo demanda, Distribución de vídeo (multicast) –Teleenseñanza –Formación profesional, formación continua –Televisión de empresa Videoconferencia –Telemedicina –Telereuniones –Seguridad

193 Utilidad de la comunicación en función del retardo extremo a extremo Telefonía Internet Comunicación Telefónica Radioaficionados Comunicación vía satélite Utilidad Tiempo (mseg)

194 16/11/ Comunicación Internet-telefonía tradicional Cabecera Red CATV Gatekeeper (control de accesos) Internet V Red Telefónica Cable Modem Red Telefónica Modem Gateway (Pasarela) H.323 Red ADSL Modem ADSL Línea dedicada Para reducir costos se utiliza la pasarela mas próxima al destinatario

195 16/11/ Videoconferencia de sala (CODEC hardware) Kb/s RDSI o Internet Estándares H.320, H.323, etc.

196 16/11/ Vídeoconferencia de sala: multipunto Servidor MCU (Multipoint Control Unit) RDSI o Internet

197 16/11/ RDSI o Internet Videoconferencia de sobremesa (CODEC software)

198 16/11/ Telemedicina Sala de monitorización de ecógrafos Clínica remota MJPEG Internet Compresión lossless

199 16/11/ Seguridad Internet o Intranet

200 16/11/ Distribución de vídeo en directo Intranet MPEG-1 / MPEG-2

201 16/11/ Vídeo bajo demanda Servidor de vídeo Intranet MPEG-1 / MPEG-2

202 16/11/ TV en red de datos Servidores de vídeo LAN Enterprise WAN Guía de programación Guía CNN Reuters NBC CBS Televidentes locales (MPEG-1, MPEG-2) 256K 128K WAN CBS CNN Televidentes remotos (MPEG-4)

203 16/11/ Formación continua Servidores de vídeo Cursos programados regularmente y emitidos por multicast varias veces por semana Training Program 1 Training Program 2 Training Program 3 Videoteca cursos de formación LAN Enterprise WAN WAN Programa Formación 3 Programa Formación 1 Program Formación 2 Programa Formación 3 Programa Formación 1 Guía de programas Presentaciones en directo

204 16/11/ Demostración de un servicio de vídeo bajo demanda

205 16/11/ 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

206 16/11/ 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

207 16/11/ !Gracias!


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