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1 Características de la transmisión de audio y vídeo

• Las aplicaciones que operan con secuencias de audio y vídeo son altamente sensibles al retraso de extremo-a-extremo (end-to-end delay) de la red y a la variación de este retraso (jitter) [1].
• Relacionado con lo anterior, generalmente necesitan una tasa de transmisión promedio sostenida porque una vez que la secuencia comienza a ser reproducida no pueden ocurrir “cortes” por culpa de la red.
• Normalmente toleran cierta cantidad de pérdida de datos durante la transmisión.
• En la mayoría de las transmisiones unicast se utiliza el UDP en lugar del TCP debido no hace falta controlar ni el flujo ni la congestión.
• Si la transmisión es multicast sólo puede utilizarse el UDP.

2 Ejemplos de aplicaciones

3 Obstáculos de la Internet actual

• Tasas de transmisión variables: las mayoría de los algoritmos de compresión utilizados para codificar audio y vídeo necesitan tasas de bits constantes o ligeramente variables, pero casi nunca permiten adaptarse facilmente al ancho de banda de la red.
• Latencias altas y variables: en muchos casos el retraso de extremo-a-extremo es demasiado alto (especialmente cuando los paquetes atraviesan enlaces congestionados) y además el jitter de los paquetes es distinto de cero.
• No existen políticas de prioridad: todos los paquetes son tratados por igual por los routers, por tanto, paquetes que no son sensibles al tiempo compiten por los mismos recursos que paquetes que sí lo son.
• No existe el concepto de stream: los paquetes pertenecientes al mismo stream de audio o de vídeo pueden desordenarse en la red.

4 ¿Cómo debería evolucionar Internet?

• A la hora de acomodar el tráfico sensible al tiempo, actualmente existen dos políticas radicalmente opuestas:
  1. Permitir que las aplicaciones permitan reservar ancho de banda: Esto significa fundamentalmente que:
     • Habría que modificar las políticas de servicio de los paquetes en los routers, lo que implica un gran cambio en su diseño actual.
     • Habría que idear alguna forma de controlar cúanto y cuándo se reservan los recursos (pagando por ello, por supuesto).
     • Habría que etiquetar los paquetes con información sensible al tiempo para que los routers los distinguieran.
  2. Incrementar el ancho de banda y distribuir adecuadamente los contenidos:
     • Los incrementos en las necesidades de ancho de banda se deben principalmente a que más usuarios se conectan a la red y tienen accesos de mayor velocidad a través de su ISP. Es lógico esperar que dicho ISP gane dinero dando dicho servicio y que reinvierta parte de sus beneficios en infraestructura. En definitiva, la red va a crecer al mismo ritmo que se demandan recursos.
     • Existen técnicas de replicación de contenidos que pueden ayudar a disminuir enormemente el tráfico. Por ejemplo, los ISP’s deberían instalar en sus servidores aquellas secuencia de audio y vídeo que sus usuarios reclaman con mayor frecuencia.

5 Problemas y soluciones en la transmisión de audio y vídeo

5.1 Eliminación del jitter

• ¿Por qué se retrasan los paquetes?
  • Aunque el emisor generalmente coloca los paquetes (más o menos) periódicamente en la red, los routers pueden introducir un retardo variable en ellos dependiendo del estado de sus colas.
• ¿Cómo solucionamos el problema?
  • Retrasando la reproducción un tiempo prudencial (la máxima latencia de extremo-a-extremo esperada o bien un retraso que genere una tasa de pérdida de paquetes admisible) o hasta donde sea posible (a lo sumo 500 ms en el caso de las transmisiones en tiempo real).

5.2 Recuperación de paquetes perdidos

• ¿Por qué se pierden los paquetes?
  • Aunque el contenido de un paquete recibido puede ser diferente del enviado (lo que también puede ser un problema), lo normal es que los paquetes lleguen (sin errores) o no lleguen debido a los problemas de congestión de la red.
  • En otras ocasiones, aunque el paquete llega al destino lo puede hacer demasiado tarde, especialmente en el caso de una transmisión interactiva en tiempo real. Cuando esto ocurre, el paquete se descarta en el receptor.
• ¿Cómo solucionamos el problema?¹
  1. Enviando información redundante:
     • Añadiendo códigos de detección y corrección de errores, por ejemplo, insertando un paquete de paridad periódicamente.

       Si cada $n$ paquetes introducimos uno con la operación XOR de los bits de mismo índice (posición) de estos paquetes, podemos reconstruir un paquete perdido tras recibir los $n+1$ paquetes.

     • Añadiendo a cada paquete información redundante sobre otro paquete (piggybacking).

       Podemos insertar, en cada paquete, información (de baja calidad) sobre el paquete anterior. La información piggybacked de baja calidad del paquete $i$ se utiliza si se pierde el paquete $i-1$. Gráficamente:

       

  2. Entrelazando la información (interleaving) y luego aplicando alguna técnica de predicción o interpolación.

     El emisor coloca en cada paquete porciones de stream no consecutivos. Ejemplo:

     

5.3 Ordenación de paquetes

• ¿Por qué se desordenan los paquetes?
  • Las tablas de routing de los routers son dinámicas y por lo tanto, dos paquetes del mismo stream pueden viajar por caminos distintos con diferente longitud (en términos de tiempo).
• ¿Cómo solucionamos el problema?
  • Insertando un número de secuencia² en cada paquete.

References