Sorgenti di traffico per la perdita di peso


Capitolo 1: Controllo di errore e di congestione per applicazioni real-time La rete Internet e le applicazioni real-time L'esplosione che la rete Internet ha conosciuto negli ultimi anni e' sotto gli occhi di tutti.

Quello sorgenti di traffico per la perdita di peso non e' altrettanto evidente all'utente finale, e non deve esserlo per una precisa scelta di user-friendliness, e' l'insieme di azioni protocollari che concorrono a costituire i servizi da egli utilizzati azioni che possono essere complesse e molto diverse tra loro.

I due esempi riportati non sono scelti a caso. Si tratta infatti di applicazioni appartenenti a due categorie diverse, con diverse caratteristiche e necessità. Il donwload di un archivio e' un caso di applicazione di tipo dati non real-time. Altri esempi sono web browsing, e-mail, Telnet eccetera. Quando usiamo queste applicazioni, desideriamo una integrità dei dati il più elevata possibile in quanto la mancata — o errata — ricezione anche di un solo pacchetto potrebbe significare dover multi slim 30a l'archivio da capomentre non abbiamo requisiti particolari sul ritardo con cui i pacchetti debbano raggiungere il nostro terminale.

Quando invece usiamo la rete per comunicazione vocale, ma anche per guardare un filmato, un video-clip, oppure per partecipare a una videconferenza o ad una sessione di gioco on-line, siamo in presenza di uno stream audiovideo con esigenze di tempo reale. Chi fruisce di un servizio simile non ha esigenze stringenti in termini di integrità dei dati la perdita episodica di un pacchetto non inficia l'utilità del serviziomentre e' fondamentale che i pacchetti vengano presentati in ricezione con un ritardo il più possibile costante.

Le differenze appena esposte sono tali da giustificare l'utilizzo di protocolli diversi per ognuna delle due categorie.

Transmission Control Protocol

Mentre il protocollo IP svolge in entrambi i casi le funzioni dei primi tre strati del modello OSI, le applicazioni non real-time utilizzano TCP come protocollo di strato 4, a differenza di quelle real-time che si servono di UDP User Datagram Protocol.

TCP e' un protocollo complesso, tra le cui funzioni troviamo: controllo di errore, ovvero capacità di accorgersi di un evento di perdita di pacchetto, e di correre ai ripari, ritrasmettendo il pacchetto; controllo di congestione, ovvero capacità di rendersi conto di quando la rete non e' in grado temporaneamente o meno di sopportare il flusso dati che le viene offerto, e di diminuire l'entità del flusso di conseguenza.

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UDP e' invece un protocollo più semplice, che non fornisce questi servizi o meglio ne delega la realizzazione agli strati più alti, cioè direttamente all'applicazione. E' appena il caso di sottolineare l'importanza del controllo di congestione nella rete Internet: in sua assenza, davanti ad una rete congestionata che perde pacchetti, le applicazioni ritrasmetterebbero nuove copie dei pacchetti, che andrebbero perse anch'esse. Il traffico aumenterebbe anziché diminuire, e si giungerebbe al collasso della rete congestion collapse.

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Inevitabilmente, i flussi appartenenti al secondo tipo si appropriano di tutta la banda che loro necessita, a spese dei flussi del primo tipo, i quali invece diminuiscono il proprio bitrate nell'interesse della rete.

Questa condizione e' conosciuta come unfairness, e diremo che il flusso non disposto a cedere banda o a cederne poca è unfair nei confronti di un flusso che invece arretra di fronte a congestione. Lo stato di buona salute in cui l'attuale Internet versa e' dovuto: alla presenza dei meccanismi di controllo in TCP alla scarsa diffusione di servizi basati su UDP. Abbiamo quindi: da una parte una rete di tipo best effort, quindi inadatta alle applicazioni real-time; dall'altra delle applicazioni sorgenti di traffico per la perdita di peso cui necessità non sono soddisfatte dalla rete, e la cui diffusione su vasta scala potrebbe rivelarsi perniciosa per la rete stessa, portandola al collasso.

Quali sono le soluzioni possibili a questo problema? Semplificando un po', possiamo: modificare la rete in modo da adattarla alle applicazioni, quindi introdurre concetti come admission control e bandwidth reservation, e affiancare alla best effort delle nuove classi con qualità del servizio garantita; oppure modificare le applicazioni in modo da adattarle alla rete, ovvero inserire dei meccanismi di controllo di congestione e di errore all'interno delle applicazioni UDP.

Va da sé che la prima soluzione richiederebbe tempi medio-lunghi e uno sforzo non indifferente di standardizzazione a livello internazionale. Inoltre va considerato il fatto che, anche il giorno in cui saranno disponibili delle classi a qualità garantita, il loro utilizzo presumibilmente comporterà un costo monetario per l'utente finale. Anche allora, pertanto, dovremo aspettarci che una percentuale di utenza preferisca servirsi della classe best effort, fruendo di una qualità inferiore ma a costo zero.

Verrebbe da chiedersi, se TCP ha dei meccanismi di controllo di congestione e di errore, per di più estremamente validi, perchè non utilizzare gli stessi meccanismi anche in UDP? Per i motivi anzidetti necessità di basso ritardo, timeliness sorgenti di traffico per la perdita di peso, la ritrasmissione sorgenti di traffico per la perdita di peso e' un comportamento accettabile nel caso di applicazioni con esigenze di tempo reale; il controllo di congestione di TCP opera sorgenti di traffico per la perdita di peso cambi di send rate bruschi e repentini.

In particolare, a fronte della perdita di anche un solo pacchetto, l'azione intrapresa e' il dimezzamento della finestra di trasmissione. Se questo e' un comportamento più che accettabile in ambito sorgenti di traffico per la perdita di peso trasmissione dati, la qualità di uno stream multimedia presenta una sensibilità molto superiore alle variazioni di banda disponibile, e una diminuzione del send rate peraltro necessaria, posto di trovarsi in congestione deve avvenire in maniera molto più morbida.

La vastità dell'argomento esposto è tale che nell'ambito di questa tesi è stato necessario ridursi ad un sottocaso. In particolare, si è scelto di considerare specificamente il problema della trasmissione del parlato. Quindi è stata condotta una serie di simulazioni al fine di valutare, sotto diverse condizioni, tanto la fairness di questa applicazione rispetto alle applicazioni TCP, in termini di throughput, quanto la qualità audio riscontrata al ricevitore.

Source port [16 bit] - Identifica il numero di porta sull'host mittente associato alla connessione TCP. Destination port [16 bit] - Identifica il numero di porta sull'host destinatario associato alla connessione TCP.

Prima di entrare in ulteriore dettaglio, si effettua una panoramica delle soluzioni possibili. Tecniche di recupero di errore per stream audio La prima distinzione da effettuare e' quella tra tecniche receiver-based, ovvero tecniche in cui il compito di porre rimedio alle perdite di pacchetto e' completamente a carico del lato ricevente; tecniche sender-based, dove lato emittente e lato ricevente cooperano al fine di recuperare i pacchetti persi.

Come e' facile immaginare, il primo tipo di tecnica e' meno efficace, ma e' computazionalmente meno oneroso. Si ricordi inoltre che spesso il sender e' una singola workstation che gestisce diverse connessioni contemporaneamente, quindi spostare parte del peso computazionale dal sender verso il receiver e' spesso una buona idea.

Specularmente, le tecniche sender-based presentano una complessità computazionale più elevata, ma garantiscono risultati migliori. E' il caso di dire che le due tecniche non sono mutualmente esclusive, anzi sono adatte a lavorare in maniera complementare. Una applicazione real-time potrebbe servirsi di un metodo sender-based per riparare la maggior parte degli errori, con buona qualità della riparazione, e utilizzare un metodo receiver-based più scadente per gli sporadici errori a cui non e' stato possibile rimediare applicando la prima tecnica.

Nell'ambito delle tecniche receiver-based, distinguiamo: schemi basati sull'inserzione di un pacchetto sostitutivo. Un frame audio non pervenuto viene sostituito da un frame di silenzio, di rumore bianco, oppure dalla ripetizione del pacchetto precedente. In quest'ultimo caso è possibile, oltre che opportuno, operare un fading del volume di ascolto. Con l'eccezione del primo caso, le cui prestazioni sono davvero scarse, il miglioramento percettivo è piuttosto pronunciato.

Un frame di silenzio, oltre a non innescare la restaurazione fonemica, spesso viene erroneamente interpretato come una pausa nella conversazione, con ricadute pesanti sulla gradevolezza della comunicazione.

Schemi basati sull'interpolazione, in cui vengono usate tecniche di pattern matching per sorgenti di traffico per la perdita di peso, a partire dai pacchetti precedenti e a volte sorgenti di traffico per la perdita di peso da quelli successiviun pacchetto sostitutivo appropriato. Alcuni di questi schemi si basano sulla riproduzione della forma d'onda, perdere il grasso della pancia programma sulla riproduzione del pitch, altri ancora su sistemi diversi Schemi basati sulla rigenerazione di un pacchetto.

Conoscendo cioé l'algoritmo di compressione applicato all'audio, si cerca di ricavare dei parametri plausibili del codec, e di sintetizzare un pacchetto sostitutivo.

In generale, tutte le tecniche receiver-based forniscono dei risultati accettabili solo se la durata temporale di un evento di perdita e' inferiore a quella di un fonema msin caso contrario si ha un brusco calo delle prestazioni. Tra le tecniche sender-based, distinguiamo invece: l'interleaving, che consiste nell'inserire, in un singolo pacchetto, unità audio non adiacenti, ma separate da una certa distanza temporale garantita. La perdita di un pacchetto in ricezione comporterà la presenza, nel flusso ricostruito, di più gap piccoli anziché un solo gap più grande, la qual cosa sarebbe molto più grave.

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L'interleaving è una tecnica sender-based che non incrementa la quantità di banda utilizzata, ma di contro introduce un delay addizionale, accettabile solo per comunicazioni a basso grado di interattività.

A ogni pacchetto vengono associati dei bit di ridondanza, che viaggiano in pacchetti differenti, tramite i quali e' possibile ricostruire l'informazione persa. Di norma questi ulteriori bit non viaggiano in pacchetti separati, ma condividono lo spazio di pacchetto con il flusso primario di informazione, al fine di ridurre la quantità di overhead. Per la generazione dei bit di ridondanza, abbiamo due scelte.

Oppure possiamo scegliere il frame audio, e quindi come protezione utilizzeremo una seconda copia del frame, eventualmente generata utilizzando un codec differente al fine di ridurne la dimensione, che viaggia in un pacchetto differente, e viene utilizzata se il pacchetto contenente la copia originale non dovesse giungere a destinazione.

Fra le tecniche di controllo di congestione, possiamo distinguere: tecniche basate su finestra di trasmissione window-based. Ogni pacchetto inviato consuma uno slot della finestra, mentre ogni riscontro positivo che rappresenta un pacchetto ricevuto libera uno slot.

La dimensione della finestra viene aumentata in assenza di segnali di congestione e diminuita in presenza di questi segnali.

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  • Transmission Control Protocol - Wikipedia

Tecniche basate sul rate di trasmissione rate-based. In questo caso si ha direttamente, istante per istante, un valore massimo di bitrate accettabile, variabile a seconda dello stato rilevato della rete.

Alcuni metodi applicano un comportamento di tipo AIMD Additive Increase, Multiplicative Decrease ovvero: in assenza di segnali di congestione, incrementano il rate in maniera lenta.

In presenza di segnali di congestione, diminuiscono il rate in maniera rapida.

Con un approccio del genere, otteniamo dei flussi la cui entità varia lentamente nel tempo, ma che risultano comunque TCP-friendly nel lungo periodo.

Si accenna infine a una tecnica di controllo di congestione forse più adatta al caso multicast, ma applicabile in alcune forme a una connessione punto-punto. Tale tecnica é nota come layered encoding.

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Un possibile modo di amministrare il rate di una sorgente audio è dividere il flusso di bit in strati i layer e procedere alla sorgenti di traffico per la perdita di peso di più o meno strati secondari a seconda del bitrate permesso dalla rete. L'esperienza di Podolsky L'utilizzo di SFEC inserzione in piggy-back, in un pacchetto inviato successivamente, di una copia del frame audio attuale, eventualmente a bitrate e qualità inferiori come tecnica di packet loss recovery è stato suggerito da Hardman et al.

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Nei loro studi sull'argomento, si sostiene e si dimostra che la qualità uditiva di un flusso audio viene senz'altro migliorata dall'utilizzo di questo metodo di recupero di errore.

Ci aspettiamo quindi che il traffico aggiuntivo dovuto alla ridondanza sia modo per perdere grasso corporeo percentuale trascurabile rispetto al traffico totale presente nella rete.

Questo porterebbe a un incremento della probabilità di perdita, e danneggerebbe tutti i flussi presenti nella rete, audio e non. Il desiderio di investigare su quanto accade in una situazione come quella descritta è stata la motivazione che ha spinto Podolsky et al. A svolgere una serie di simulazioni sull'argomento.

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In dettaglio, Podolsky inizia con l'argomentare che l'SFEC è una tecnica di error recovery valida, in quanto introduce ritardi addizionali largamente inferiori alle tecniche di ritrasmissione o al block-based FEC, e le sue prestazioni sono molto superiori a quelle raggiungibili da una tecnica receiver-based. Vengono quindi descritte le specifiche osservate durante le simulazioni.

Podolsky si limita a considerare il caso in cui ogni pacchetto contiene la ridondanza del solo pacchetto immediatamente precedente, e non di altri pacchetti ancora più lontani nel tempo passato. Sono opportune alcune considerazioni sulla validità o meno di questa scelta.

Alla luce di studi anche successivi sorgenti di traffico per la perdita di peso pubblicazione del lavoro di Podolsky, risulta che il fenomeno di perdite di pacchetto nella rete Internet presenta una distribuzione approssimativamente geometrica in realtà la distribuzione del numero di pacchetti persi consecutivi è geometrica, ma presenta una coda che per il momento non è stata ricondotta a nessuna struttura specifica. Quindi ci aspettiamo che il numero di perdite isolate sia superiore al numero di pacchetti persi in burst, e quindi che gli eventi riparabili tramite il metodo illustrato siano la maggioranza.

Inoltre non bisogna dimenticare che proteggere pacchetti più distanti temporalmente implica aumentare il ritardo end-to-end, e che se tale ritardo supera i millisecondi la qualità soggettiva della trasmissione degrada rapidamente.

Per questi motivi riteniamo che la scelta di proteggere, tramite ridondanza, solo il pacchetto immediatamente precedente, sia nel complesso tanto semplice quanto efficace. In particolare, si tratta di una stima legata al rapporto segnale a rumore in ricezione, che, come è noto, non rispecchia la qualità soggettiva dell'audio. E' stato riscontrato che, a seconda della frase pronunciata, in alcuni casi un ascoltatore umano assegna una valutazione percettiva superiore a spezzoni audio con rapporto segnale a rumore inferiore.

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Il metodo di valutazione della qualità audio è dunque una prima scelta suscettibile di essere migliorata. Si fa in modo che ogni simulazione tracci il numero di pacchetti ricevuti, il numero di 72 giorni per perdere peso persi ma recuperabili, e il numero di pacchetti irrimediabilmente persi.

Questo serve a simulare una conversazione interattiva tra due persone con soppressione dei silenzi. Si assume una durata del frame audio pari a 20 millisecondi, un coding rate di base pari a 65Kbps, un coding rate di ridondanza che va da zero a 35 Kbps. Si conducono tre lotti di simulazioni: nel primo si tiene fisso a 65 Kbps il coding rate per la sorgente, e si varia il coding rate della ridondanza, da zero a 35Kbps; nel secondo si tiene fissa la dimensione del pacchetto, e al suo interno si varia la distribuzione di bit dedicati all'encoding della sorgente e a quello della ridondanza; Il terzo caso è una combinazione dei due.

Si varia contemporaneamente la dimensione di pacchetto e la distribuzione dei due tipi di coding al suo interno. L'aumento di traffico audio ha due effetti contrastanti. Il primo è, all'aumentare della ridondanza, un miglioramento della qualità fornita dai pacchetti recuperabili. Il secondo è dovuto alla burstiness del traffico audio.

Se esso aumenta in percentuale, aumenta la probabilità di sovraccarichi momentanei della rete, e quindi di perdite di pacchetto addizionali, che annullano momentaneamente il beneficio della presenza di pacchetti recuperabili.

In pratica, si verifica che, all'aumentare di traffico audio, la distorsione scende rapidamente all'inizio, ma oltre un certo punto il livello di distorsione raggiungibile si stabilizza. Vi è un limite massimo oltre il quale l'aggiunta di ridondanza è inutile ai fini della qualità.

Se si aumenta il traffico audio senza diminuire contestualmente quello dati, si aumenta a priori il carico della rete, e il fenomeno di perdite di pacchetto addizionali si manifesta prima e con più violenza. Il suo effetto è tale che in situazioni di alto traffico audio, la distorsione è superiore che in assenza di ridondanza.

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Si trova che, se le sorgenti audio sono poche, anche il traffico sarà scarso, avverranno poche perdite di pacchetto quindi sorgenti di traffico per la perdita di peso tutti i pacchetti raggiungono la destinazionee la qualità migliore si otterrà dedicando molti bit all'encoding principale, e pochi alla ridondanza. Viceversa, all'incremento di traffico audio, le perdite aumentano, e l'impatto che la qualità dei pacchetti recuperabili ha su quella complessiva è ben superiore.

In questi casi, aumentare la percentuale di ridondanza a scapito dell'encoding primario ha un effetto benefico sulla qualità totale. Il traffico dati viene tenuto fisso, mentre quello audio subisce degli incrementi. Viene variata sia la dimensione complessiva di ogni pacchetto audio, sia la distribuzione al suo interno di encoding primario e ridondanza.

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Si trova che, in presenza di scarso traffico audio, la qualità al ricevitore è pesantemente influenzata dal modo in cui la dimensione di pacchetto viene distribuita tra encoding primario e ridondanza, suggerendo l'esistenza di uno split ottimale. Se le sorgenti audio aumentano, aumentano le perdite di pacchetto non recuperabili, al punto che il loro impatto sulla qualità in ricezione è dominante.

In tali situazioni, il beneficio derivante dalla distribuzione ottimale encoding primario-ridondanza è pressoché nullo. L'esperienza di Podolsky: conclusioni e completamento Tirando le somme, il lavoro di Podolsky ci dice che i risultati migliori, in termini di qualità audio aggregata, non si raggiungono quando le sorgenti reagiscono alla congestione aggiungendo FEC in maniera incontrollata, ma quando contemporaneamente aggiungono FEC e limitano il proprio sending rate complessivo.

In presenza di numerose sorgenti, audio e non, che condividono lo stesso bottleneck, si ha un impatto benefico tanto per le sorgenti audio la cui qualità complessiva miglioraquanto per il traffico dati, che regola la propria entità al fine di semplicemente collaborare al congestion control, anziché accollarsene interamente la responsabilità.

Nel presente lavoro, e come vedremo in dettaglio nel successivo capitolo, ci si preoccupa di effettuare una verifica simulativa della validità di un metodo congiunto che ricade sotto questa sorgenti di traffico per la perdita di peso. Tale metodo si serve di RTP come protocollo, con modifiche al funzionamento ammesse dalle sue specifiche, di SFEC come metodo di error recovery, e di TFRC, opportunamente modificato, come meccanismo di rate control.

Per quanto riguarda l'SFEC, si espone nel prossimo paragrafo un ultimo risultato, dovuto a Bolot e Fosse-Parisis, sullo split ottimale tra encoding primario e ridondanza. Successivamente si espone il funzionamento di TFRC. La divisione ottimale tra encoding primario e ridondanza. Il risultato di Bolot Si è disquisito della necessità di una sorgente audio di regolare il proprio sending rate in base allo stato della rete, nonché la quantità di ridondanza inserita all'interno di ogni pacchetto.

Il problema viene affrontato da Bolot e Fosse-Parisis, i quali, servendosi di tecniche basate sui moltiplicatori di Lagrange, giungono a una serie di risultati degni di nota.

In questo ambito si riporta il seguente: per massimizzare la qualità audio al ricevitore, soggetta a vincolo sul rate, l'informazione principale dovrebbe sempre essere codificata con la massima qualità, ovvero con il miglior encoder tra quelli a disposizione.

Di conseguenza, se un pacchetto ha dimensione massima fissata dal meccanismo di rate control, ed è destinato a contenere la codifica primaria del frame n e la codifica secondaria del frame n-1, dovremo sempre fare in modo che la codifica primaria occupi più spazio possibile. La RFC si limita a esporre in dettaglio il funzionamento del meccanismo, ma lascia al lettore la scelta delle modalità di implementazione in uno specifico protocollo.

Il meccanismo è interamente implementato agli sorgenti di traffico per la perdita di peso della trasmissione.

Nonostante il punto sopraelencato, presenta una variazione del throughput nel corso del tempo molto più bassa rispetto al TCP, cosa che lo rende adatto ad applicazioni di tipo Continous Media come telefonia o trasmissione di stream multimedia. È un protocollo receiver-based, ovvero la maggior parte del peso computazionale si trova lato ricevente.

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Questo lo rende adatto a una situazione in cui il sender è una workstation che gestisce numerose connessioni contemporaneamente, mentre il receiver di norma ha più memoria e più cicli di CPU disponibili.

Inoltre i meccanismi receiver-based sono facilmente scalabili verso il caso multicast.

Per il calcolo del sending rate massimo, TFRC si sorgenti di traffico per la perdita di peso ad una equazione, dovuta a Padhye, che restituisce il throughput di una connessione Reno-TCP in base ad alcuni parametri della connessione. Di conseguenza un evento di perdita di pacchetto non è conteggiato come loss event a priori. Se dista meno di un round trip time, fa parte del loss event esistente.

Si definisce loss interval il numero di pacchetti ricevuti tra un loss event e l'altro.

Il loss event rate viene calcolato come l'inverso della media pesata dei loss interval più recenti. Forniamo adesso una spiegazione colloquiale, non dettagliata, del funzionamento del TFRC: il receiver misura il loss event rate e invia questa informazione al sender, tramite pacchetti di feedback; il sender si serve dei pacchetti di feedback sia per estrarne il loss event rate, sia per calcolare il round trip time; tramite equazione di Padhye, il sender calcola il massimo transmit rate accettabile; il sender modifica il proprio transmit rate per avvicinarsi a quello calcolato, con dei vincoli che evitano le transizioni troppo brusche.

In assenza di feedback ricevuti per un certo tempo, il sender diminuisce il proprio send rate. Se questo valore supera la soglia dei centocinquanta millisecondi, l'interattività della conversazione, e in ultima analisi la sua gradevolezza, subisce un netto calo threshold effect.