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Multicast IP Bernard Rapacchi (CNRS/SHS) Jean-Paul Gautier (CNRS/UREC) Bernard Tuy (CNRS/UREC) Guy Bisiaux (CRU)

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Multicast IP

Bernard Rapacchi (CNRS/SHS)

Jean-Paul Gautier (CNRS/UREC)

Bernard Tuy (CNRS/UREC)

Guy Bisiaux (CRU)

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SHS Exemple : H.323Exemple : H.323

ContrôleContrôle

H.245 Contrôle

Appel H.225.0

RAS H.225.0

CODEC VideoH.261, H262,

H.263

CODEC VideoH.261, H262,

H.263

Applications Données

T.120

Applications Données

T.120

Niveau H.225.0 (dont RTP/RTCP)Niveau H.225.0 (dont RTP/RTCP)

Equipement Audio

Equipement Audio

CODEC AudioG.711, G.722,

G.723, G.723.1, G.728, G.729

CODEC AudioG.711, G.722,

G.723, G.723.1, G.728, G.729

Délai de réceptionDélai de réception

Système de Contrôle

Interface Utilis.

Système de Contrôle

Interface Utilis.

Equipement

Vidéo

Equipement

Vidéo

Infrastructure RéseauInfrastructure Réseau

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS Pourquoi le multicast IP ?Pourquoi le multicast IP ?

• Pour envoyer les mêmes données à plusieurs destinataires

• Meilleure utilisation de la bande passante• Moins d ’échanges entre les routeurs et les stations

hôtes• Quand les adresses des destinataires sont inconnues

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SHS Unicast / MulticastUnicast / Multicast

STATION

STATION

ROUTEUR

UNICAST

MULTICAST

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SHS Avantages du multicastAvantages du multicast

• Efficacité :– pour le contrôle du réseau et la charge des routeurs et

des stations• Performance :

– pour éliminer le trafic inutile• Applications distribuées :

– pour permettre les applications multipoint

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SHS Inconvénients du multicastInconvénients du multicast

• Le multicast est basé sur l ’UDP– peut amener des complications avec le nombre de

destinataires• « Best effort »

– des paquets peuvent être perdus• Pas de contrôle de congestion

– peut donc amener à une dégradation du réseau• Duplications

– des paquets peuvent être dupliqués quand la topologie change

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SHS Applications multicast IPApplications multicast IP

• « temps réel » :– diffusion de séminaires, conférences, formations– travail collaboratif– téléréunion

• non « temps réel » :– transferts de fichiers– copies multiples de données, de fichiers– vidéo à la demande

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SHS Exemple unicast : NetMeetingExemple unicast : NetMeeting

• Permet la visioconférence à 2 (audio, vidéo)• Tableau blanc partagé• Transfert de fichiers• Applications partagées• Gratuit (!), mais uniquement Windows (!!)• Applications : téléphonie visuelle, dépannage,…• Divers annuaires (ILS)

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS DigitalisationDigitalisation

signal analogiquesignal analogique

Quantification (dans les valeurs)Quantification (dans les valeurs) signal digitalisésignal digitalisé

Échantillonnage (dans le temps)Échantillonnage (dans le temps)

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SHS Codage de la voixCodage de la voix

• Le traitement de la voix comprend deux étapes :– Analyse de la parole

• convertir un signal analogique sous une forme numérique– Synthèse de la parole

• convertir un signal numérique sous une forme analogique

• Trois méthodes peuvent être utilisées :– Codage de la forme d ’onde :

• Approximation non linéaire de l ’onde (PCM, ADPCM…)– Codage de la voix :

• Voix synthéthique (LPC)– Codage hybride :

• Code-excited Linear Prediction (CELP),...

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SHS Codages PCMCodages PCM

• Codage PCM de la voix : G.711• Utilisation téléphonique• Codage logarithmique : -law (USA), A-law (Europe)

– différences moins perceptibles vers haute fréquence

• Echantillonnage : 125 s (8kHz)• Amplitude : 8 bits (256 valeurs possibles) donc 64 kb/s

• Codage qualité CD• Utilisation musicale• Codage linéaire : respect de la musique• oreille : de 10 à 20 000 Hz• Echantillonnage : 23 s (44.1 kHz)• Amplitude : 16 bits en stéréo donc 1,4 Mb/s

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SHS Codages PCM « Différentiels »Codages PCM « Différentiels »

• Différentiel ou prédictif :– différence entre la valeur vraie et une « prédiction »

calculée en fonction des valeurs précédentes• DPCM :

– différence avec la valeur précédente• modulation Delta :

– différence sur 1 bit (+/-)• Adaptive Differential PCM :

– prédiction extrapolée à partir des valeurs précédentes

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SHS Codages CELPCodages CELP

• Existence d ’une liste de codes à la fois à la source et au récepteur

• Un codeur :– voix analysée par trames de 10 à 30 ms– recherche par analyse et synthèse dans ce répertoire– on envoie uniquement l ’index dans ce répertoire

• Un décodeur :– dans l ’autre sens

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SHS Standards de codage de la voixStandards de codage de la voix

• G.711 : PCM, 64 kb/s, 0,75 ms• G.726 : ADPCM, 16 kb/s, 1 ms• G.723 : CELP MPMLQ, 6,3 kb/s, 30 ms• G.729 : CS-ACELP, 8 kb/s, 10 ms• G.728 : LD-CELP, 16 kb/s, 3-5 ms

• GSM : téléphone mobile, 13 kbps• Linear Predictive Coding (Xerox), 5 kb/s• Digital Video Interactive : ~ADPCM, 4 à 8 bits

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS Nécessité de compression de la vidéoNécessité de compression de la vidéo

• Signal PAL – 720x576 pixels – 25 images par seconde– Quantification sur 16 bits– Environ 166 Mb/s

• Télévision Haute Définition– 1920x1080– 60 images par seconde– Quantification sur 16 bits– Environ 2000 Mb/s

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SHS Techniques de compression vidéoTechniques de compression vidéo

• Exploiter la corrélation spatiale :– Découpage en macroblocs– Représentation dans le domaine des fréquences par

une transformation Cosinus discrète (DCT)– Quantification des coefficients DCT– RLE, Huffman des coefficients

• Exploiter la corrélation temporelle :– Codage par différence– Vecteurs de mouvements– Intracoding et intercoding des images

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SHS

1 2 3 4 5 6 7

I PB

8 9 10 11 12 13 14

MPEG : m=3, n=12MPEG : m=3, n=12

• 1 et 13 (I) sont complètes• 4 est prédite / à 1, 7 / à 4 par différence• 2 est interpolée à partir de 1 et 4• envoi : 1 4 2 3 7 5 6 10 8 9 13 11 12 16 14 ...

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SHS Quelques « standards »Quelques « standards »

• MPEG-1 : 352x240(NTSC) ou 352x288(PAL)– Qualité VCR, compression : ~ 25:1– Pour stockage, 0.2 Mbps(audio) + 1.2 Mbps(vidéo)

• MPEG-2 : – Qualité "broadcast", voire HDTV– Entre 4 et 6 Mbps

• H.261 :– utilisé actuellement pour RNIS mais aussi MBone

• H.263 :– Visio sur lignes téléphoniques (10-20 kb/s)

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS Critères qualitatifsCritères qualitatifs

• Ne dépend pas de la source mais de la nature du récepteur

• L'oreille est un différentiateur– silence de 40 ms sont reconnus, "bruit habituel"

• L'œil est un intégrateur • L'homme est plus sensible aux altérations du son qu'à

celles de l'image

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SHS Pour l ’audioPour l ’audio

• Pas trop besoin de bande passante : 2 à 64 kb/s• Délai de transit pour l'interactivité• Très sensible à la variation de délai• Egalisation de la transmission

– ajout d'un délai supplémentaire– nécessité de "bufferisation" suffisante

• synchronisation avec la vidéo• Nécessite un taux d'erreur relativement faible

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SHS Réparer l ’audioRéparer l ’audio

• Signal compressé mais il y a des pertes• il faut remplacer les pertes par :

– du silence : mais le silence est interprété par l'oreille– du bruit : plus efficace– répétition : pour les paquets de petite taille– interpolation : le son est très autorégressif– redondance : ajout des trames précédentes avec plus de

compression

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SHS Pour la vidéoPour la vidéo

• Bande passante plus élevée (des 10 kb/s à des 10 Mb/s)• Variation du délai : (suivi des lèvres)

– HTDV : 50 ms, TV : 100 ms, Conférence : 400 ms• Erreurs de transmission

– Mais une "trame" reste 40 ms sur l'écran en PAL et 17 ms en HDTV

– Intégration des erreurs• paquets manquants : extrapolation, interpolation

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS Comment connaître une sessionComment connaître une session

• Par annonce :– Une session est annoncée– Les participants potentiels reçoivent l ’annonce– Et éventuellement ils se joignent à la session

• Par invitation :– Les utilisateurs sont invités par d ’autres à participer à

une session– Cette session peut ou non être annoncée publiquement– Equivalent à l ’appel téléphonique

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SHS ProtocolesProtocoles

• Un site multicast doit connaître :– les références du groupe (adresse, ports)– Quels médias utiliser– A quelle heure – …

• Trois protocoles :– Session Description Protocol– Session Announcement Protocol– Session Initiation Protocol

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SHS SDP : Session Description ProtocolSDP : Session Description Protocol

• SDP décrit les sessions multimédias• Il sert à :

– communiquer l ’existence d ’une session– décrire comment joindre et participer à la session

• Il inclut :– Nom de la session et son sujet– Le(s) moment(s) de la session– Les médias utilisés– Comment recevoir ces médias– Information sur la bande passante utilisée– Comment contacter l ’annonceur...

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SHS SAP : Session Announcement ProtocolSAP : Session Announcement Protocol

• Un client SAP annonce une session en– diffusant périodiquement un paquet multicast sur un

groupe connu– avec la même étendue que la session

• La fréquence des annonces dépend de :– l ’étendue de la session– le nombre des autres sessions annoncées– la taille des paquets pour l ’annonce

• Une session est effacée soit explicitement, soit implicitement si le client ne la reçoit plus depuis un certain temps

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SHS SIP : Session Initiation ProtocolSIP : Session Initiation Protocol

• SIP peut inviter des utilisateurs en leur donnant les informations nécessaires pour participer à une session

• SIP utilise un serveur central pour gérer les conférences et les participants et distribue l ’information par multicast

• SIP ne dit pas comment est gérée la session• SIP ne fait pas l ’allocation d ’adresses, c ’est fait par

SAP• Adresses :

– user@host ou Adresse@mail (serveurs proxy)

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SHS AgendaAgenda

• Pourquoi le multicast IP ?• Techniques de codage et de compression audio• Techniques de compression vidéo• Quels besoins en réseaux ?• Annonces de sessions• Outils applicatifs

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SHS Les outils de base : ceux de MECCANOLes outils de base : ceux de MECCANO

• Anciens projets européens : MICE, MERCI,...• Annonces de sessions : SDR • Audio : RAT• Vidéo : VIC• Tableau blanc partagé : WB• Editeur de texte partagé : NT

• INRIA : Webcanal

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SHS Des alternativesDes alternatives

• Multikit : – en remplacement de sdr– Système de tunneling spécifique– LiveGate

• liveCaster :– Pour envoyer du MP3 en streaming– ou du texte, mais avec multikit (protocole : MAFP)

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SHS Pour recevoir du streaming MP3Pour recevoir du streaming MP3

• Avec sdr : utilisation de plugins• et d ’un player MP3 :

– freeamp– RealJukebox– …

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SHS Distribution multimédiaDistribution multimédia

• IP/TV : Precept-Cisco, Windows• Windows Media : MicroSoft, Windows• StarCast : StarLight, Windows, • RealAudio : RealNetworks, tout• VCR, mVOD : Univ Manheim, Unix• mMOD : Univ. Lulea, tout• MMCR : MECCANO, Unix-Win• imm : Univ. Hawaï, Unix

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SHS ConférencesConférences

• Les vieux : – VAT, NV, IVS, FreePhone, Rendez-Vous, NVAT ...

• Collaboratif :– CuSeeMe :– mStar : Univ. Lulea, -> Marratech Pro

• Web :– Webcanal– mMosaic– MCM

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SHS RéférencesRéférences

• Understanding Networking Multimedia. F. Fluckiger. Prentice Hall, 1995.

• Téléphonie sur Internet. J-F. Susbielle. Eyrolles, 1996.• MBone : Multicasting tomorrow ’s Internet. K.

Savetz, N. Randall, Y. Lepage. IDG Bokk Word Wide Inc, 1996.

• IP Multicasting. D. Kosiur. Wiley. 1998.