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Streaming, codifica, protocolli e reti

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Protocolli e reti per la multimedialità

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TCP/UDP | IP | RTSP, RTP, RTCP | Reti CDN

 

Abbiamo già avuto modo di specificare che le applicazioni multimediali hanno caratteristiche tipiche e che, per poter essere trasmesse in rete, hanno bisogno di servizi particolari. I protocolli, che definiscono le modalità di trasmissione, si adoperano per fornire tali servizi. Le caratteristiche tipiche individuate in precedenza sono la tolleranza alla perdita di dati e una particolare sensibilità, invece, al ritardo end-to-end, nella consegna dei pacchetti di dati.

Nel mare magnum di router, server, host portatili e fissi, modem, antenne, collegamenti fisici diversi e non, protocolli che gestiscono e disciplinano le varie fasi delle trasmissioni, bit rate che differiscono ad ogni angolo della rete, non è sempre facile trasmettere con successo file multimediali.

Quanto fin qui analizzato ci indica che la rete Internet così come è stata strutturata non può non accumulare ritardi nel corso della trasmissione dei pacchetti di dati dei file, multimediali e non. Si tratta di capire in che misura è tollerabile il ritardo per le applicazioni multimediali che hanno invaso la rete in questi ultimi dieci anni e giustificato un approccio diverso per i media in Internet che ha portato allo streaming.
Lo streaming, tecnologia che si fonda sulla digitalizzazione dei file audio-video e la codifica/compressione dei dati, con il conseguente bitstream che lo contraddistingue, è il necessario compromesso per la trasmissione dei file on line. Una tassonomia dei video in streaming prevede trasmissioni on line (in diretta) oppure on demand (su richiesta, quindi in differita), comunque in real time, in tempo reale rispetto ai tempi di registrazione ed acquisizione, certamente in flusso continuo.

La suite di protocolli TCP/IP, che oggi gestisce la trasmissione dei file in rete, è una struttura nata nel 1981. Da allora, in particolare nella seconda metà degli anni Novanta, in concomitanza con lo sviluppo dello streaming, sono stati sviluppati  protocolli specifici per la multimedialità come Real Time Streaming Protocol (RTSP), Real Time Transport Protocol (RTP) e Real Time Trasport Control Protocol (RTCP) che permettono non solo di interagire con il file multimediale, ma di monitorarlo e controllarlo nel suo trasferimento.
La specificità e l’evoluzione delle strutture per una migliore fruizione della multimedialità in rete è l’argomento di questo ultimo capitolo, partendo proprio da quelli che ne sono i capisaldi tradizionali per la trasmissione in rete (i protocolli IP, TCP e UDP) ma anche spiegando gli ostacoli alla multimedialità e illustrando le possibili strategie progettuali, allo stato delle cose, per superarli.

 

Un ritardo strutturale

Quale sarà l’evoluzione della Internet? Il dibattito in corso è intenso ed orientato ad assicurare condizioni migliori di trasferimento al traffico multimediale che di per sé occupa la maggior parte della banda di trasmissione. La finalità, non sempre dichiarata apertamente, è che l’infrastruttura Internet possa diventare in futuro se non l’unica piattaforma di comunicazione, quella di maggior riferimento.

Il traffico di dati multimediali nella Internet è in continuo aumento al punto che, fra le diverse scelte da fare, vengono ipotizzati radicali cambiamenti alla struttura attuale per fornire alle “applicazioni la possibilità di prenotare la larghezza di banda e ricevere quindi una garanzia sulle proprie prestazione end-to-end. Una garanzia forte significa che un’applicazione riceverà sicuramente la qualità di servizio che ha richiesto, mentre una garanzia debole significa che riceverà la qualità di servizio che ha richiesto con elevata probabilità. (…) Tuttavia, permettere alle applicazioni di fare prenotazioni e richiedere alla rete di onorarle comporta grandi cambiamenti (… e) implementazioni di nuovi e complessi programmi negli host e nei router, così come nuove tipologie di servizi”[1]. Inutile dire che prenotare equivale a pagare (di più) per avere un servizio migliore, creando, implicitamente, un trattamento diverso non solo tra i pacchetti da inviare, ma discriminazioni anche fra gli utenti, che è quello che Internet si prefigge da sempre di scongiurare.
L’attenzione, quasi un’ansia da demonizzare, è forte sui ritardi nell’invio, nel trasferimento e nella ricezione dei pacchetti e, in particolare, sullo jitter di pacchetto (laddove l’intervallo tra due pacchetti è maggiore all’arrivo rispetto a quello con cui sono stati inviati), che impediscono in riproduzione quel flusso continuo che caratterizza i media.

Il ritardo nella ri-trasmissione dei pacchetti dopo il passaggio nei vari router della Rete è per molti versi inevitabile. Ogni router controlla l’integrità dei pacchetti di dati in arrivo prima di ritrasmetterli e se non riesce a smaltirli subito li ospita nei buffer di output che hanno comunque dimensioni limitate. Quando i buffer sono pieni, i pacchetti non vengono accettati e possono anche andar persi. Il solo controllo genera ritardi. Quindi, ad ogni nodo del percorso il pacchetto subisce ritardi. Il ritardo totale di nodo esprime la somma di ritardi a cui il pacchetto va incontro nel suo trasferimento da un sistema terminale ad un altro[2]. Senza dimenticare gli eventuali sbalzi di bit rate che i pacchetti in trasferimento possono incontrare nel loro percorso di trasferimento, dove il collegamento a frequenza più bassa condiziona e determina tutta la sessione di comunicazione.
La spiegazione ai ritardi di trasmissione è nella struttura e nelle caratteristiche dei protocolli di Trasporto e di Rete. Protocolli fon­damentali, nonostante le nostre annotazioni critiche, per il trasfe­rimento dei dati in Internet. Protocolli concepiti con ampie possibilità di sviluppo in un periodo in cui i PC non erano ancora così diffusi, il www era sconosciuto e la multimedialità on line era solo uno dei possibili scenari dello sviluppo di Internet. Protocolli che formano l’ossatura della comunicazione Internet.

La suite di protocolli TCP/IP, ricordiamolo, opera su cinque livelli: Applicazione, Trasporto, Rete, Collegamento e Fisico[3]. Il messaggio da inviare dal livello Applicazione viene trasferito a quello di Trasporto dove è diviso in blocchi di dati. Ad ogni blocco di dati vengono aggiunte delle informazione tipiche del livello insieme all’indirizzo di destinazione, sotto forma di intestazione. Blocco di dati più informazioni formano il pacchetto che a livello Trasporto viene chiamato segmento. Il segmento viene trasferito a livello di Rete, dove viene gestito dal protocollo IP, che lo incapsula con altre informazioni ed assume il nome di datagramma. Poi il trasferimento al livello Collegamento, mentre il livello Fisico si preoccupa del trasferimento dei singoli bit.

Al livello di Trasporto operano, in alternativa, due protocolli: Transfer Control Protocol (TCP) e User Datagram Protocol (UDP), al livello di Rete, come fosse il collante di tutta la rete, il protocollo Internet Protocol (IP), supportato da tutte le reti che in qualche modo sono collegate ad Internet. Al livello di Rete operano anche altri protocolli di inoltro (all’interno dei router) e di instradamento, ma tutti funzionali ad IP.

Per la nostra disamina presentiamo di seguito TCP ed UDP e poi introduciamo Internet Procol (IP) e le sue caratteristiche. A seguire i protocolli specifici per la multimedialità RTSP, RTP, RTCP.

 



TCP/UDP

 


Note

[1] Kurose James F., Ross Keith W., Reti di Calcolatori e Internet, Un approccio top-down, 4 edizione, 2008, Milano (Pearson Paravia Bruno Mondadori), pag. 522. [Torna su]

[2] Sono il ritardo di elaborazione del nodo, il ritardo di accodamento, il ritardo di trasmissione e il ritardo di propagazione. Kurose James F., Ross Keith W., op. cit., pagg. 31-38. [Torna su]

[3] Vedi Protocolli, un uso intensivo [Torna su]


 

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