ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΜΕ ΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΙΚΤΥΑ ΜΗ ΕΓΓΥΗΜΕΝΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΟΠΩΣ ΤΟ» ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ ΠΑΤΡΑ 2003

Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΜΕ ΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΙΚΤΥΑ ΜΗ ΕΓΓΥΗΜΕΝΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΟΠΩΣ ΤΟ» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΥΠ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Ιωάννης Γαροφαλάκης, Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Παύλος Σπυράκης, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Εµµανουήλ Βαρβαρίγος, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Ιωάννης Γαροφαλάκης, Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Σπυρίδων Λυκοθανάσης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Παύλος Σπυράκης, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Παναγιώτης Τριανταφύλλου, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ ηµήτριος Χριστοδουλάκης, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ

Αφιερώνεται στην σύντροφο µου Σούλα

ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Πριν την παρουσίαση των αποτελεσµάτων αυτής της διδακτορικής διατριβής θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσους βοήθησαν στην πραγµατοποίηση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα αυτής της διδακτορικής διατριβής, τον Αναπληρωτή Καθηγητή του ΤΜΗΥΠ (Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής) κ. Χρήστο Μπούρα ο οποίος καθοδήγησε αυτή την διδακτορική διατριβή σε όλα τα στάδια της και µου έδωσε την ευκαιρία να µελετήσω την ενδιαφέρουσα περιοχή την δικτύων υπολογιστών. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Χρήστο Μπούρα για την υποστήριξη του και την «ανοχή» που έδειξε κάποιες στιγµές για την ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής ως προϊστάµενος µου στον χώρο εργασίας µου, το ΕΑΙΤΥ (Ερευνητικό Ακαδηµαϊκό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Υπολογιστών). Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα µέλη της τριµελούς επιτροπής, τον Καθηγητή του ΤΜΗΥΠ Παύλο Σπυράκη και τον Επίκουρο Καθηγητή του ΤΜΗΥΠ Ιωάννη Γαροφαλάκη, για την καθοδήγησή τους και την υποστήριξή τους στην ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Επίσης θέλω ακόµη να ευχαριστήσω τα µέλη της επταµελούς επιτροπής για την ουσιαστική συνδροµή τους στην ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής:! Εµµανουήλ Βαρβαρίγος, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ! Σπυρίδων Λυκοθανάσης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΜΗΥΠ! ηµήτριος Χριστοδουλάκης, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ! Παναγιώτης Τριανταφύλλου, Καθηγητής ΤΜΗΥΠ Πολύ σηµαντική υπήρξε και η συνεργασία και η αλληλεπίδραση µε πολλούς συναδέλφους, µεταπτυχιακούς φοιτητές του ΤΜΗΥΠ και εργαζόµενους του ΕΑΙΤΥ. ιακινδυνεύοντας να ξεχάσω κάποιους θα προσπαθήσω µια αναφορά. Καταρχήν θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους και συναδέλφους Θρασύβουλο Τσιάτσο, Βαγγέλη Καπούλα, Αγησίλαο Κονιδάρη, Αφροδίτη Σεβαστή και Βασίλη Τριανταφύλλου για την αρµονική και ευχάριστη συνεργασία στους χώρους του ΤΜΗΥΠ και του ΕΑΙΤΥ όλα αυτά τα χρόνια. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Κώστα Στάµο και Τάσο Καραλιώτα για την βοήθεια τους στην υλοποίηση κάποιων από τις πρότυπες εφαρµογές οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν για την εξαγωγή συµπερασµάτων στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω για την συνεργασία τους όλους όσους συνεργάστηκα στην συγγραφή ερευνητικών εργασιών και στο χώρο εργασίας µου στο ΕΑΙΤΥ όλα αυτά τα χρόνια (Αλέξανδρος Φιλόπουλος, Σπύρος Καστανιώτης, Σπύρος Κοντογίαννης, Πέτρος Λάµψας, Τάσος Καραλιώτας, Κώστας Στάµος, Έρη Γιαννακά, Μαρία Νάνη, Γιάννης Μισεδάκης, Βαγγέλης Ιγγλέσης, Αντώνης Αλεξίου και Βασίλης Πουλόπουλος). Τελειώνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς µου Στέργιο και Μαρία και τους αδελφούς µου ηµήτρη και Βασίλη για όλα όσα έχουν κάνει για εµένα. Άφησα για το τέλος την αρραβωνιαστικιά µου Σούλα, στην οποία αφιερώνω αυτή την διδακτορική διατριβή, και την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω για την συµπαράστασή της και την υποµονή που έδειξε όλα αυτά τα χρόνια. Πάτρα, Οκτώβριος 2003 Απόστολος Γκάµας VII

ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τίτλος: «Μελέτη και Ανάλυση της Συµπεριφοράς Μηχανισµών για την Μετάδοση Πολυµέσων µε υνατότητα Προσαρµογής Πάνω από ίκτυα µη Εγγυηµένης Ποιότητας όπως το ιαδίκτυο». H υπάρχουσα υποδοµή στο ιαδίκτυο σήµερα, δεν παρέχει ικανοποιητική υποστήριξη για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service - QoS). Επίσης πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν πως το κόστος της λεπτοµερούς µελέτης των δικτύων µε σκοπό τον εντοπισµό των δικτυακών συνδέσµών οι οποίοι αποτελούν σηµείο συµφόρησης (bottleneck) και της αναβάθµισή αυτών (τεχνική over provisioning) είναι µικρότερο από το κόστος υλοποίησης µηχανισµών παροχής εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας. Στο σηµερινό ετερογενές δικτυακό περιβάλλον του ιαδικτύου, οι δικτυακοί πόροι οι οποίοι είναι διαθέσιµοι στις πολυµεσικές εφαρµογές µπορούν να µεταβληθούν πολύ εύκολα. Για να προσαρµοστούν οι πολυµεσικές εφαρµογές στις αλλαγές του δικτύου µπορούν να εφαρµοστούν τεχνικές τόσο στο επίπεδο του δικτύου όσο και στο επίπεδο της εφαρµογής. Το ετερογενές δικτυακό περιβάλλον του ιαδικτύου και η έλλειψη ικανοποιητικής υποστήριξης παροχής ποιότητας υπηρεσίας (QoS - Quality of Service) πολλές φορές οδηγούν τις εφαρµογές µετάδοσης πολυµέσων να ενσωµατώνουν µηχανισµούς προσαρµογής στις µεταβολές των δικτυακών συνθηκών προκειµένου να λειτουργούν αποτελεσµατικά. Το πρωτόκολλο TCP παρέχει ένα ικανοποιητικό µηχανισµό ελέγχου συµφόρησης για την µετάδοση δεδοµένων µη πραγµατικού χρόνου (time insensitive data) τα οποία αποτελούν και την πλειονότητα των δεδοµένων τα οποία µεταφέρονται στις µέρες µας στο ιαδίκτυο. Οι εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (όπως για παράδειγµα η τηλεφωνία πάνω από το ιαδίκτυο) οι οποίες µεταδίδουν πολυµέσα πάνω από το ιαδίκτυο στηρίζονται στην µετάδοση των πολυµεσικών δεδοµένων µε την χρήση του πρωτοκόλλου UDP. Ωστόσο το γεγονός ότι το UDP δεν χρησιµοποιεί κάποιο µηχανισµό ελέγχου συµφόρησης, µπορεί να οδηγήσει σε σηµαντικά προβλήµατα συµφόρησης στο ιαδίκτυο (σε ακραίες περιπτώσεις µπορεί να οδηγήσει µέχρι και σε κατάρρευση του ιαδικτύου) και οι πόροι του ιαδικτύου να καταναλώνονται στην µετάδοση πακέτων τα οποία απορρίπτονται από το δίκτυο στην πορεία τους προς τον παραλήπτη. Για να αποφευχθεί το παραπάνω φαινόµενο η µετάδοση UDP κίνησης θα πρέπει να ελέγχεται από κάποιο µηχανισµό ελέγχου συµφόρησης ώστε να προσαρµόζεται ο ρυθµός µετάδοσης της UDP κίνησης στους διαθέσιµους δικτυακούς πόρους. Οι µηχανισµοί αυτοί δεν θα πρέπει να στοχεύουν µόνο στην αποφυγή υπερφόρτωσης του δικτύου αλλά θα πρέπει ταυτόχρονα να µεταδίδουν φιλική προς την TCP κίνηση. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσµα να θεωρείται η υλοποίηση µηχανισµών ελέγχου συµφόρησης για την µετάδοση των δεδοµένων να είναι ιδιαίτερα σηµαντική για την σταθερότητα του ιαδικτύου. Εποµένως µηχανισµοί ελέγχου συµφόρησης θα πρέπει να εφαρµοστούν και κατά την µετάδοση πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο. Με την χρήση αυτών των µηχανισµών οι απώλειες πακέτων δεδοµένων µπορούν να µειωθούν και κατά συνέπεια να αυξηθεί η ποιότητα µετάδοσης των πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο. Οι µηχανισµοί προσαρµογής της µετάδοσης πολυµέσων είναι µηχανισµοί µετάδοσης πολυµεσικών δεδοµένων (adaptive streaming multimedia) πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν την δυνατότητα να προσαρµόζουν την µετάδοση των πολυµεσικών δεδοµένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση µηχανισµών προσαρµογής της µετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη µηχανισµών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρµογή των πολυµεσικών δεδοµένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των µηχανισµών είναι η προσαρµογή του ρυθµού IX

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες µεταβάλλονται. Η απόφαση εάν ο ρυθµός µετάδοσης θα αυξηθεί ή θα µειωθεί εξαρτάται από τις πληροφορίες τις οποίες η εφαρµογή συλλέγει από το δίκτυο. Ορισµένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ύπαρξη των µηχανισµών προσαρµογής στις εφαρµογές είναι απαραίτητη λόγω του ότι το ιαδίκτυο σήµερα δεν παρέχει τέτοιους µηχανισµούς στο επίπεδο του δικτύου. Σε αυτή την διδακτορική διατριβή µελετούνται και προτείνονται µηχανισµοί για την µετάδοση πολυµέσων µε δυνατότητα προσαρµογής της µετάδοσης των δεδοµένων στις τρέχουσες δικτυακές συνθήκες χωρίς να απαιτείται κάποια εγγύηση ποιότητας από το δίκτυο και στην συνέχεια αναλύεται η συµπεριφορά αυτών των µηχανισµών. Οι µηχανισµοί οι οποίοι προτείνονται µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε οποιοδήποτε TCP / IP δίκτυο όπως για παράδειγµα το ιαδίκτυο. Αρχικά προτείνονται µηχανισµοί για την unicast µετάδοση πολυµέσων, ενώ στην συνέχεια προτείνονται µηχανισµοί για την multicast µετάδοση πολυµέσων πάνω από δίκτυα µη εγγυηµένης ποιότητας. Κατά την ανάπτυξη των µηχανισµών λαµβάνονται υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ιαδικτύου όπως το ετερογενές δικτυακό περιβάλλον και η φιλικότητα προς το TCP. Οι µηχανισµοί που προτείνονται στηρίζουν την λειτουργία τους στα πρωτόκολλα RTP / RTCP τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την µετάδοση δεδοµένων πραγµατικού χρόνου (όπως τα δεδοµένα πολυµέσων) πάνω από δίκτυα. Τα RTP / RTCP αποτελούν τα de - facto πρωτόκολλα για την µετάδοση πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο και υποστηρίζονται τόσο από τα πρότυπα της ITU - T (πρότυπο Η.323) όσο και από την IETF (MBONE εργαλεία). Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής για την µελέτη και ανάλυση των µηχανισµών που αναπτύχθηκαν και την εξαγωγή συµπερασµάτων σχετικά µε αυτούς, πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα τόσο πάνω από πραγµατικά δίκτυα (µε την χρήση πρωτοτύπων εφαρµογών οι οποίες αναπτύχθηκαν) όσο και σε περιβάλλον εξοµοιωτή (ιδιαίτερα για την εξαγωγή συµπερασµάτων στην multicast µετάδοση πολυµέσων). X

EXECUTIVE SUMMARY EXECUTIVE SUMMARY Title: «Investigation and analysis of mechanisms for adaptive transmission of multimedia content over networks with no QoS support like the Internet». Today, the underlying infrastructure of the Internet does not sufficiently support Quality of Service (QoS) guarantees. The new technologies, which are used for the implementation of networks, provide capabilities to support QoS in one network domain but it is not easy to implement QoS among various network domains, in order to provide end - to - end QoS to the user. As a result, in the future users may have the capability to request specific end - to - end QoS even over the Internet, but this is not feasible today. In addition, many researchers stand that the cost for providing end - to - end QoS is too big, and it is better to invest on careful network design and careful network monitoring, in order to identify and upgrade the congested network links. Internet is a heterogeneous network environment and the network resources that are available to real time applications can be modified very quickly. Real time applications must have the capability to adapt their operation to network changes. In order to add adaptation characteristics to real time applications, we can use techniques both at the network and application layers. Adaptive real time applications have the capability to transmit multimedia data over heterogeneous networks and adapt media transmission to network changes. In order to implement an adaptive real time application, mechanisms to monitor the network conditions and mechanisms to adapt the transmission of the data to the network changes must be implemented. TCP protocol offers a satisfactory mechanism for the transmission of time insensitive data, which compromise the majority of the data that are transferred nowadays over the Internet. Real time applications (like Internet telephony) transmit their multimedia data using the UDP protocol. UDP protocol does not use any congestion control mechanism (in contrary with TCP protocol) and this can lead to important congestion problems to the Internet and consumption of Internet resources in the transmission of data packets, which are rejected by the network during their way to their receivers. In order to avoid such situations, the transmission of UDP traffic must be controlled by a congestion control mechanism, which will control the transmission rate of the UDP traffic based on the available network resources. These mechanisms must not only ensure the stability of the network but must also be TCP friendly. The above facts make the implementation of congestion control mechanisms for the transmission of multimedia data very important for the stability of Internet. With the use of such congestion control mechanisms the packet losses to the Internet can be reduced and as result the overall quality of data transmission on the Internet can be improved. The adaptive congestion control mechanisms for the transmission of multimedia data are mechanisms, which adapt the multimedia transmission to the current network conditions. In order to implement such mechanisms we have to monitor the network and adapt the multimedia to the continues changed network conditions. The decision to increase or decrease the transmission rate depends on the information that the mechanism collects from the network. In this dissertation we study, propose and analyse mechanisms for the transmission of multimedia data with the capability to adapt the multimedia transmission to the network changes with out any directly support from the network. Theses mechanisms can be used in any TCP / IP network including Internet. Initially, we propose mechanisms for the unicast transmission of multimedia data and after that, we propose mechanisms for the multicast transmission of multimedia data. During the design of the above mechanisms we took into account the special XI

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ characteristics of Internet like the heterogeneity and the need for TCP friendliness. The proposed mechanisms use the RTP / RTCP (Real time Transmission Protocol / Real time Control Transmission Protocol) for the transmission of the multimedia data. The RTP / RTCP protocols seems to be the de facto standard for the transmission of multimedia data over the Internet and are used both by MBONE tools (vit, vat, etc) and ITU H.323 applications. In addition RTCP offers capabilities for monitoring the transmission quality of multimedia data. We use RTCP for the implementation of the network monitoring capabilities of the proposed mechanisms. In this dissertation we use for the analysis of the proposed mechanisms both experiments in real networks (using prototype applications which they are developed in the context of this dissertation) and simulations (especially during the evaluation of multicast based mechanisms). XII

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...VII ΠΕΡΙΛΗΨΗ... IX EXECUTIVE SUMMARY... XI ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... XIII ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ...XVII ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... XIX ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΤΟ ΣΗΜΕΡΑ... 11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 11 ΤΑ ΕΠΙΠΕ Α ΤΟΥ Υ... 11 Το επίπεδο του ιαδικτύου... 12 Τρόποι µετάδοση των πακέτων δεδοµένων στο ιαδίκτυο...13 Το πρωτόκολλο Internet Control Message Protocol (ICMP)...14 Το επίπεδο µεταφοράς... 14 To πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP)...15 Το πρωτόκολλο User Datagram Protocol (UDP)...18 Το επίπεδο εφαρµογών... 19 UNICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 19 Unicast µετάδοση και ιεθυνσιοδότηση... 19 Πρωτόκολλά unicast δροµολόγησης... 21 Πρωτόκολλα Interior Gateway Protocols (IGP)...21 Το πρωτόκολλο Open Shortest Path First (OSPF)...22 Πρωτόκολλα Exterior Gateway Protocols (EGPs)...22 Το πρωτόκολλο Border Gateway Protocol (BGP)...22 MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 23 Περιγραφή της multicast µετάδοσης δεδοµένων... 23 Το multicast ως υπηρεσία του δικτύου... 24 Πρωτόκολλα δροµολόγησης για την υποστήριξη του multicast...25 Το πρωτόκολλο Internet Group Membership Protocol (IGMP)...25 Το πρωτόκολλο Protocol Independent Multicast (PIM) Sparse / Dense mode...26 Το πρωτόκολλο Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP)...27 Το πρωτόκολλο Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)...27 Το πρωτόκολλο Multicast Border Gateway Protocol (MBGP)...27 Υποστήριξη του multicast από την µεριά του τελικού σταθµού... 28 Υπάρχοντα multicast εργαλεία (MBONE tools)...28 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΝΟΣ ΙΚΤΥΑΚΟΥ ΜΟΝΟΠΑΤΙΟΥ ΣΤΟ... 29 Εύρος ζώνης... 30 Ρυθµός απώλειας πακέτων... 30 ιακύµανση καθυστέρησης (Jitter)... 31 Χρόνος Round Trip Time (RTT)... 32 ΕΣΜΕΥΣΗ ΠΟΡΩΝ - ΠΑΡΟΧΗ ΕΓΓΥΗΣΕΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ΣΤΟ... 33 Η αρχιτεκτονική Integrated Service (IntServ)... 33 Η αρχιτεκτονική Differentiated Service (DiffServ)... 34 Σύγκριση της δέσµευσης πόρων µε την προσαρµογή της µετάδοσης... 36 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 37 ΣΧΕΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ - STATE OF THE ART... 39 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 39 ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 39 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ UNICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 42 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗΝ MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 43 XIII

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ... 46 Κατάσταση συµφόρησης του δικτύου... 47 υνατότητα κλιµάκωσης (scalability)... 47 Ταχύτητα προσαρµογής...47 Φιλικότητα προς το TCP... 47 Ικανοποίηση του χρήστη... 47 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 48 UNICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 49 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 49 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ... 50 Αρχιτεκτονική του προτεινόµενου µηχανισµού... 50 Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 51 Εκτίµηση του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων... 52 Προσαρµογή της ποιότητας των πολυµέσων... 57 Θέµατα υλοποίησης της εφαρµογής... 57 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ... 59 Πρώτο πείραµα: Μετάδοση µόνο βίντεο... 60 εύτερο πείραµα: Μετάδοση βίντεο και UDP κίνησης... 62 Τρίτο πείραµα: Μετάδοση βίντεο και TCP κίνησης... 64 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ UNICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ... 67 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 70 MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΜΙΑΣ MULTICAST ΡΟΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 73 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 73 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ... 74 Αρχιτεκτονική του προτεινόµενου µηχανισµού... 74 Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 76 Εκτίµηση του επιθυµητού ρυθµού µετάδοσης κάθε παραλήπτη... 76 Εκτίµηση του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων... 78 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ... 79 Multicast µετάδοση δεδοµένων σε µια ετερογενείς οµάδα παραληπτών... 80 Multicast µετάδοση δεδοµένων σε µια ετερογενείς οµάδα παραληπτών και ταυτόχρονη µετάδοση UDP κίνησης... 81 Multicast µετάδοση δεδοµένων σε µια ετερογενείς οµάδα παραληπτών και ταυτόχρονη µετάδοση TCP κίνησης... 83 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ MULTICAST ΜΕ ΜΙΑ ΡΟΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ.. 85 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 88 MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ SIMULCAST ΤΕΧΝΙΚΗΣ... 91 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 91 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ... 92 Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 92 Η λειτουργία του αποστολέα... 93 Η λειτουργία του παραλήπτη... 96 Εκτίµηση του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων για κάθε multicast ροή δεδοµένων... 96 Καθορισµών των αλλαγών ροών δεδοµένων από τους παραλήπτες... 98 Θέµατα υλοποίησης... 99 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΥ... 101 Μετάδοση σε µία ετερογενή οµάδα παραληπτών... 102 Μετάδοση µε ταυτόχρονη ύπαρξη TCP κίνησης... 104 Μετάδοση µε ταυτόχρονη ύπαρξη UDP κίνησης... 105 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ... 106 Multicast µετάδοση δεδοµένων µε διαµοιραζόµενο δέντρο διανοµής των multicast ροών δεδοµένων... 107 Multicast µετάδοση σε µία ετερογενή οµάδα παραληπτών... 109 Multicast µετάδοση σε µία ετερογενή οµάδα παραληπτών µε ταυτόχρονη µετάδοση TCP κίνησης... 110 Multicast µετάδοση σε µία ετερογενή οµάδα παραληπτών µε ταυτόχρονη µετάδοση UDP κίνησης... 113 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ... 115 XIV

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ SIMULCAST... 116 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 118 MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ SIMULCAST ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ TCP... 121 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 121 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ SRAMT - S... 122 Αρχιτεκτονική... 122 Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 123 Η λειτουργία του αποστολέα... 123 Η λειτουργία του παραλήπτη... 125 Εκτίµηση του ρυθµού απώλειας των πακέτων δεδοµένων... 127 Εκτίµηση του χρόνου RTT... 127 Επεκτάσεις στα RTP / RTCP... 129 Θέµατα συγχρονισµού των αλλαγών των ροών δεδοµένων... 129 Θέµατα κλιµάκωσης... 130 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ SRAMT - S... 131 Ετερογενή δικτυακά περιβάλλοντα - φιλικότητα προς το TCP... 131 ικτυακά περιβάλλοντα µε multicast δέντρα µετάδοσης τα οποία έχουν κοινές διαδροµές... 133 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ SRAMT - S ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ SIMULCAST... 135 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 136 MULTICAST ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΕ ΣΤΡΩΜΑΤΑ, ΦΙΛΙΚΗ ΠΡΟΣ ΤΟ TCP... 137 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 137 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ SRAMT - LE... 138 Αρχιτεκτονική... 138 Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 138 Η λειτουργία του αποστολέα... 139 Η λειτουργία του παραλήπτη... 140 Εκτίµηση του ρυθµού απώλειας των πακέτων δεδοµένων... 141 Εκτίµηση του χρόνου RTT... 141 Επεκτάσεις στα RTP / RTCP... 142 Θέµατα συγχρονισµού των αλλαγών των στρωµάτων... 142 Θέµατα κλιµάκωσης... 142 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ SRAMT - LE... 142 Ετερογενή δικτυακά περιβάλλοντα - φιλικότητα προς το TCP... 143 ικτυακά περιβάλλοντα µε multicast δέντρα µετάδοσης τα οποία έχουν κοινές διαδροµές... 145 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΥ SRAMT - LE ΜΕ ΑΛΛΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΣΕ ΣΤΡΩΜΑΤΑ... 147 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 150 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ... 153 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 157 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ ΣΤΟ... 163 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 163 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ... 163 ΜΕΘΟ ΟΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 166 Κωδικοποίηση σε στρώµατα... 166 Αλλαγή των παραµέτρων του κωδικοποιητή (rate shaping)... 166 Έλεγχος λαθών (Error control)... 167 ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑ ΟΣΗ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΙΚΤΥΑ... 167 ITU H.261... 167 ITU H.263... 168 JPEG... 168 MPEG... 168 MPEG - 1...169 MPEG - 2...170 MPEG - 3...170 XV

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ MPEG - 4...171 MPEG - 7...171 ΛΗΨΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΑΠΟ ΤΟ... 171 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 171 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΙΚΤΥΩΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ - ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ RTP / RTCP... 173 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 173 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΙΚΤΥΩΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΩΝ... 173 Ορισµός της δικτύωσης πολυµέσων... 173 Μετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο... 173 Μετάδοση πολυµέσων στο ιαδίκτυο... 174 Γιατί τα παραδοσιακά πρωτόκολλα µεταφοράς δεν είναι κατάλληλα... 175 οµή των πρωτοκόλλων...175 Πολύπλεξη...176 Έλεγχος ροής...176 Έλεγχος λαθών...177 Πληροφορίες ελέγχου...177 Έλλειψη χαρακτηριστικών εγγυηµένης ποιότητας υπηρεσίας (QoS) ή / και προσαρµογής της ποιότητας...178 Χαρακτηριστικά που πρέπει να έχουν τα πρωτόκολλα πραγµατικού χρόνου για την µετάδοση πολυµέσων. 178 Υψηλή απόδοση (throughput)...178 υνατότητα multicast...179 ιαχείριση της ποιότητας µετάδοσης...179 Φιλικότητα προς το TCP...179 ΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ RTP / RTCP... 180 Γενικές πληροφορίες για τα πρωτόκολλα RTP / RTCP... 180 Πως λειτουργούν τα RTP / RTCP... 181 Μεταφραστές και Μείκτες... 184 Το πρωτόκολλο ελέγχου RTCP... 185 Τα είδη των RTCP πακέτων...186 Σενάρια Χρήσης των RTP / RTCP... 187 Χαρακτηριστικά του RTP / RTCP... 188 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 188 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ III: ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 191 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IV: ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ... 199 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ V: ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ... 203 XVI

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1: Η αρχιτεκτονική του ιαδικτύου... 11 Σχήµα 2: ιεύθυνση ιαδικτύου κλάσης A... 20 Σχήµα 3: ιεύθυνση ιαδικτύου κλάσης B... 20 Σχήµα 4: ιεύθυνση ιαδικτύου κλάσης C... 20 Σχήµα 5: ιεύθυνση ιαδικτύου κλάσης D... 20 Σχήµα 6: Παράδειγµα χρήσης των Interior Gateway Protocols και των Exteriors Gateway Protocols... 21 Σχήµα 7: Η λειτουργία της τεχνολογίας multicast... 23 Σχήµα 8: Σύγκρισης του multicast και unicast τρόπου µετάδοσης δεδοµένων... 24 Σχήµα 9: Αρχιτεκτονική του προτεινόµενου µηχανισµού για unicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων... 50 Σχήµα 10: Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού για την unicast µετάδοση πολυµέσων... 52 Σχήµα 11: Ο µηχανισµός ανάλυσης πληροφοριών ανάδρασης... 52 Σχήµα 12: Αρχιτεκτονική του JMF API... 58 Σχήµα 13: Χρήση εύρους ζώνης από τον προτεινόµενο µηχανισµό κατά την µετάδοση µόνο πολυµέσων... 61 Σχήµα 14: Οι τιµές του ρυθµού απώλειας πακέτων (Loss) και του φιλτραρισµένου ρυθµού απώλειας πακέτων (Smooth Loss) κατά την µετάδοση µόνο πολυµέσων... 61 Σχήµα 15: Οι τιµές της διακύµανσης καθυστέρησης (Jitter)) και της φιλτραρισµένης διακύµανσης καθυστέρησης (Smooth Jitter) κατά την µετάδοση µόνο πολυµέσων... 61 Σχήµα 16: Χρήση εύρους ζώνης από τον προτεινόµενο µηχανισµό κατά την µετάδοση πολυµέσων και UDP κίνησης... 63 Σχήµα 17: Οι τιµές του ρυθµού απώλειας πακέτων (Loss) και του φιλτραρισµένου ρυθµού απώλειας πακέτων (Smooth Loss) κατά την µετάδοση πολυµέσων και UDP κίνησης... 63 Σχήµα 18: Οι τιµές της διακύµανσης καθυστέρησης (Jitter) και της φιλτραρισµένης διακύµανσης καθυστέρησης (Smooth Jitter) κατά την µετάδοση πολυµέσων και UDP κίνησης... 63 Σχήµα 19: Χρήση εύρους ζώνης από τον προτεινόµενο µηχανισµό κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 85...65 decrease Σχήµα 20: Οι τιµές του ρυθµού απώλειας πακέτων (Loss) και του φιλτραρισµένου ρυθµού απώλειας πακέτων (Smooth Loss) κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 85... 65 decrease Σχήµα 21: Οι τιµές της διακύµανσης καθυστέρησης (Jitter) και της φιλτραρισµένης διακύµανσης καθυστέρησης (Smooth Jitter) κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 85... 65 decrease Σχήµα 22: Χρήση εύρους ζώνης από τον προτεινόµενο µηχανισµό κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 5... 66 decrease Σχήµα 23: Οι τιµές του ρυθµού απώλειας πακέτων (Loss) και του φιλτραρισµένου ρυθµού απώλειας πακέτων (Smooth Loss) κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 5... 66 decrease Σχήµα 24: Οι τιµές της διακύµανσης καθυστέρησης (Jitter) και της φιλτραρισµένης διακύµανσης καθυστέρησης (Smooth Jitter) κατά την µετάδοση πολυµέσων και TCP κίνησης µε R = 0. 5... 66 decrease Σχήµα 25: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του LBA... 68 Σχήµα 26: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του RAP... 69 Σχήµα 27: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του TFRCP (στο σχήµα αναφέρεται ως CMTCP - Continues Media TCP)... 69 Σχήµα 28: Η αρχιτεκτονική του µηχανισµού για την multicast µετάδοση πολυµέσων µε την χρήση µιας multicast ροής δεδοµένων... 75 Σχήµα 29: Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού για την multicast µετάδοση πολυµέσων... 76 Σχήµα 30: Η τοπολογία της πρώτης εξοµοίωσης... 81 Σχήµα 31: Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων και οι τιµές της IRF συνάρτησης του αποστολέα κατά την πρώτη εξοµοίωση... 81 Σχήµα 32: Η τοπολογία της δεύτερης εξοµοίωσης... 82 Σχήµα 33: Ο ρυθµός µετάδοσης του αποστολέα, ο ρυθµός µετάδοσης του CBR αποστολέα και οι τιµές της IRF συνάρτησης κατά την δεύτερη εξοµοίωση... 82 Σχήµα 34: Η τοπολογία της τρίτης εξοµοίωσης... 84 XVII

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ Σχήµα 35: Ο ρυθµός µετάδοσης του αποστολέα, ο ρυθµός µετάδοσης της TCP κίνησης και οι τιµές της IRF συνάρτησης κατά την τρίτη εξοµοίωση... 84 Σχήµα 36: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του LBA+... 86 Σχήµα 37: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του TFMCC... 86 Σχήµα 38: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του PGM... 87 Σχήµα 39: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του TBRCA... 87 Σχήµα 40: Η στοίβα πρωτοκόλλων του προτεινόµενου µηχανισµού... 92 Σχήµα 41: Η αρχιτεκτονική και η ροή δεδοµένων στον αποστολέα... 93 Σχήµα 42: Η λειτουργία του προτεινόµενου µηχανισµού... 94 Σχήµα 43: Η λειτουργία του αποστολέα... 100 Σχήµα 44: Η λειτουργία του παραλήπτη... 100 Σχήµα 45: Το γραφικό περιβάλλον (GUI) του παραλήπτη... 100 Σχήµα 46: Τοπολογία των πειραµάτων... 102 Σχήµα 47: Ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων από τον αποστολέα κατά τη διάρκεια του πρώτου πειράµατος... 102 Σχήµα 48: Ρυθµός λήψης δεδοµένων από τους παραλήπτες κατά τη διάρκεια του πρώτου πειράµατος... 103 Σχήµα 49: Ρυθµός µετάδοσης της TCP κίνησης και της εφαρµογής που υλοποιήθηκε... 104 Σχήµα 50: Ρυθµός µετάδοσης της UDP κίνησης και της εφαρµογής που υλοποιήθηκε... 105 Σχήµα 51: Τοπολογία πρώτης εξοµοίωσης... 108 Σχήµα 52: Εύρος ζώνης των παραληπτών C1 ως C5... 108 Σχήµα 53: Οι αλλαγές των ροών δεδοµένων για τους παραλήπτες C1 ως C5... 108 Σχήµα 54: Τοπολογία δεύτερης, τρίτης και τέταρτης εξοµοίωσης... 109 Σχήµα 55: Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων των ροών δεδοµένων του αποστολέα στην δεύτερη εξοµοίωση... 110 Σχήµα 56: Εύρος ζώνης των παραληπτών στην δεύτερη εξοµοίωση... 110 Σχήµα 57: Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων των ροών δεδοµένων του αποστολέα και της TCP κίνησης στην τρίτη εξοµοίωση... 111 Σχήµα 58: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε υψηλό διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τρίτη εξοµοίωση... 112 Σχήµα 59: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε µέτριο διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τρίτη εξοµοίωση... 112 Σχήµα 60: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε χαµηλό διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τρίτη εξοµοίωση... 112 Σχήµα 61: Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων των ροών δεδοµένων του αποστολέα και της UDP κίνησης στην τέταρτη εξοµοίωση... 113 Σχήµα 62: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε µέτριο διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τέταρτη εξοµοίωση... 114 Σχήµα 63: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε χαµηλό διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τέταρτη εξοµοίωση... 114 Σχήµα 64: Εύρος ζώνης των παραληπτών µε υψηλό διαθέσιµο εύρος ζώνης στην τέταρτη εξοµοίωση... 114 Σχήµα 65: Μετάδοση πολυµέσων µε την χρήση του DSG... 117 Σχήµα 66: Μετάδοση TCP κίνησης και πολυµέσων µε την χρήση του TFMCC... 117 Σχήµα 67: Εκτίµηση του χρόνου RTT... 128 Σχήµα 68: Τοπολογία πρώτης εξοµοίωσης... 131 Σχήµα 69: Κατανοµή εύρους ζώνης στο C1 - C2 σηµείο συµφόρησης (bottleneck)... 132 Σχήµα 70: Κατανοµή εύρους ζώνης στο C1 - C3 σηµείο συµφόρησης (bottleneck)... 132 Σχήµα 71: Κατανοµή εύρους ζώνης στο C1 - C4 σηµείο συµφόρησης (bottleneck)... 133 Σχήµα 72: Τοπολογία δεύτερης εξοµοίωσης... 133 Σχήµα 73: Εύρος ζώνης των παραληπτών R1 - R5... 135 Σχήµα 74: Η αρχιτεκτονική και η ροή δεδοµένων στον αποστολέα... 139 Σχήµα 75: Τοπολογία πρώτης εξοµοίωσης... 143 Σχήµα 76: Κατανοµή εύρους ζώνης στο σηµείο συµφόρησης C1 - C2... 144 Σχήµα 77: Κατανοµή εύρους ζώνης στο σηµείο συµφόρησης C1 - C3... 144 Σχήµα 78: Κατανοµή εύρους ζώνης στο σηµείο συµφόρησης C1 - C4... 144 Σχήµα 79: Τοπολογία δεύτερης εξοµοίωσης... 145 Σχήµα 80: Εύρος ζώνης των παραληπτών R1 - R5... 146 Σχήµα 81: Η απόδοση του µηχανισµού PLM απέναντι σε TCP κίνηση... 148 Σχήµα 82: Η απόδοση του µηχανισµού RLC απέναντι σε TCP κίνηση... 149 Σχήµα 83: Η απόδοση του µηχανισµού MLDA απέναντι σε TCP κίνηση... 149 Σχήµα 84: Γενική αρχιτεκτονική εφαρµογής πραγµατικού χρόνου για την µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων.. 165 Σχήµα 85: RTP δεδοµένα σε ένα IP πακέτο... 182 XVIII

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1: Οι κλάσεις των διευθύνσεων του ιαδικτύου... 20 Πίνακας 2: Σύγκριση του προτεινόµενου µηχανισµού µε άλλους µηχανισµούς οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την unicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων... 70 Πίνακας 3: Σύγκριση του προτεινόµενου µηχανισµού µε άλλους µηχανισµούς οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την multicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων µε την χρήση µιας multicast ροής δεδοµένων... 88 Πίνακας 4: Σύγκριση του προτεινόµενου µηχανισµού µε άλλους µηχανισµούς οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την multicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων µε την χρήση της simulcast τεχνικής... 118 Πίνακας 5: Σύγκριση του SRAMT - S µε άλλους µηχανισµούς οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την multicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων µε την χρήση της simulcast τεχνικής... 136 Πίνακας 6: Σύγκριση του SRAMT - LE µε άλλους µηχανισµούς οι οποίοι στηρίζονται στην τεχνική κωδικοποίησης των δεδοµένων σε στρώµατα... 150 Πίνακας 7: Τα είδη πληροφορίας ενός SDES / RTCP πακέτου... 187 Πίνακας 8: Ακρώνυµα που χρησιµοποιούνται στο κείµενο... 202 XIX

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο ιαδίκτυο σήµερα δεν υπάρχει κάποιος γενικός περιορισµός στον αριθµό των πακέτων δεδοµένων που εισάγει ένας σταθµός εργασίας. Ο µόνος περιορισµός ο οποίος υφίσταται είναι οι δυνατότητες (από άποψη απόδοσης) του σταθµού εργασίας και η χωρητικότητα της σύνδεσης του µε το ιαδίκτυο. Ένας από τους βασικότερους παράγοντές που χαρακτηρίζει ένα δίκτυο είναι το εύρος ζώνης (bandwidth). Κατά συνέπεια εάν ένας σταθµός εργασίας εισάγει αλόγιστα δεδοµένα σε ένα δίκτυο χωρίς να λαµβάνει υπόψη το εύρος ζώνης του δικτύου τότε το φαινόµενο της συµφόρησης στο δίκτυο είναι αναπόφευκτο. Το φαινόµενο της συµφόρησης ([34]) οδηγεί στην απώλεια πακέτων δεδοµένων και σε µεγάλες καθυστερήσεις στην µετάδοση των πακέτων δεδοµένων και αυτό έχει ως αποτέλεσµα την χαµηλή ποιότητα µετάδοσης των δεδοµένων. Για να αντιµετωπιστεί το παραπάνω πρόβληµα µπορούµε είτε να αυξήσουµε το εύρος ζώνης του δικτύου είτε να εξυπηρετούµε τους χρήστες του δικτύου µε διαφορετικό τρόπο και σε κάποιους χρήστες να δίνουµε περισσότερη προτεραιότητα από κάποιους άλλους (εγγύηση ποιότητας υπηρεσίας - Quality of Service - QoS [25]). Και οι δύο παραπάνω λύσεις, είτε δηλαδή να αυξήσουµε τους πόρους του δικτύου είτε να δεσµεύσουµε κάποιους πόρους του δικτύου για κάποιους χρήστες έχουν υψηλό κόστος, απαιτούν αλλαγές στο δίκτυο και µεγάλους χρόνους µετάβασης από την παλιά στην καινούργια κατάσταση. Τα παραπάνω µειονεκτήµατα είναι ακόµη πιο έντονα στην περίπτωση του ιαδικτύου για τους παρακάτω λόγους:! Το ιαδίκτυο είναι ένα τεράστιο δίκτυο που η αύξηση της χωρητικότητας έστω των βασικών του δικτυακών συνδέσεων (links) απαιτεί σηµαντικό κόστος.! Το ιαδίκτυο αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό διασυνδεδεµένων δικτύων τα οποία διαχειρίζονται από διαφορετικούς οργανισµούς. Μπορεί κάποιοι οργανισµοί να αποδεχτούν το κόστος που απαιτείται ώστε να παρέχουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας στο δίκτύο τους ενώ κάποιοι άλλοι οργανισµοί να µη αποδεχτούν αυτό το κόστος.! Επιπλέον οι οργανισµοί οι οποίοι θα παρέχουν εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας στο δίκτύο τους θα πρέπει να ακολουθούν κάποιες κοινώς αποδεκτές συµβάσεις ώστε οι εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας τις οποίες θα παρέχουν να είναι συµβατές µεταξύ τους. Λόγω των παραπάνω, η υπάρχουσα υποδοµή στο ιαδίκτυο σήµερα δεν παρέχει ικανοποιητική υποστήριξη για την παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service - QoS). Ταυτόχρονα οι νέες τεχνολογίες οι οποίες χρησιµοποιούνται για την υλοποίηση των δικτύων, όπως για παράδειγµα τα WDM δίκτυα ([37]), µπορεί στο µέλλον να αλλάξουν σηµαντικά την υπάρχουσα κατάσταση. Έτσι στο µέλλον πιθανόν θα παρέχεται η δυνατότητα στους χρήστες να ζητούν συγκεκριµένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας ακόµη και πάνω από το ιαδίκτυο. Επίσης πολλοί ερευνητές υποστηρίζουν πως το κόστος της λεπτοµερούς µελέτης των δικτύων µε σκοπό τον εντοπισµό των δικτυακών συνδέσµων οι οποίοι αποτελούν σηµείο συµφόρησης και της αναβάθµισης αυτών (τεχνική over provisioning) είναι µικρότερο από το κόστος υλοποίησης µηχανισµών παροχής εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσίας ([32]). Συνεπώς στο σηµερινό ετερογενές δικτυακό περιβάλλον του ιαδικτύου, οι δικτυακοί πόροι οι οποίοι είναι διαθέσιµοι στις πολυµεσικές εφαρµογές µπορούν να µεταβληθούν πολύ εύκολα. Για να προσαρµοστούν οι πολυµεσικές εφαρµογές στις αλλαγές του δικτύου µπορούν να εφαρµοστούν τεχνικές τόσο στο επίπεδο του δικτύου όσο και στο επίπεδο της εφαρµογής. Το ετερογενές δικτυακό περιβάλλον του ιαδικτύου και η έλλειψη ικανοποιητικής υποστήριξης παροχής ποιότητας υπηρεσίας (QoS - Quality of Service) πολλές φορές οδηγούν τις εφαρµογές µετάδοσης πολυµέσων 1

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ να ενσωµατώνουν µηχανισµούς προσαρµογής 1 στις µεταβολές των δικτυακών συνθηκών προκειµένου να λειτουργούν αποτελεσµατικά. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσµα η υλοποίηση µηχανισµών ελέγχου συµφόρησης για την µετάδοση των δεδοµένων να είναι ιδιαίτερα σηµαντική για την σταθερότητα του ιαδικτύου. Εποµένως µηχανισµοί ελέγχου συµφόρησης θα πρέπει να εφαρµοστούν και κατά την µετάδοση πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο. Με την χρήση αυτών των µηχανισµών οι απώλειες πακέτων δεδοµένων µπορούν να µειωθούν και κατά συνέπεια να αυξηθεί η ποιότητα µετάδοσης των πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο. Το πρωτόκολλο TCP παρέχει ένα ικανοποιητικό µηχανισµό ελέγχου συµφόρησης για την µετάδοση δεδοµένων µη πραγµατικού χρόνου (time insensitive data) (όπως για παράδειγµα τα δεδοµένα τα οποία παράγονται από το WWW (πρωτόκολλο HTTP) και την µεταφορά αρχείων (πρωτόκολλο FTP)) τα οποία αποτελούν και την πλειονότητα των δεδοµένων τα οποία µεταφέρονται στις µέρες µας στο ιαδίκτυο. Οι εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (όπως για παράδειγµα η τηλεφωνία πάνω από το ιαδίκτυο) οι οποίες µεταδίδουν πολυµέσα πάνω από το ιαδίκτυο στηρίζονται στην µετάδοση των πολυµεσικών δεδοµένων µε την χρήση του πρωτοκόλλου UDP. Το πρωτόκολλο UDP παρόλο που δεν παρέχει αξιόπιστη µετάδοση των πακέτων και έλεγχο συµφόρησης παρέχει µια γρήγορη υπηρεσία κυρίως λόγω του ότι δεν απαιτείται επαναµετάδοση πακέτων όπως στο TCP. Επιπλέον λόγω του γεγονότος ότι το UDP δεν απαιτεί µετάδοση πακέτων επιβεβαίωσης το κάνει κατάλληλο για την µετάδοση δεδοµένων σε πολλά σηµεία ταυτόχρονα (multicast µετάδοση δεδοµένων). Ωστόσο το γεγονός ότι το UDP δεν χρησιµοποιεί κάποιο µηχανισµό ελέγχου συµφόρησης µπορεί να οδηγήσει σε σηµαντικά προβλήµατα συµφόρησης στο ιαδίκτυο (σε ακραίες περιπτώσεις µπορεί να οδηγήσει µέχρι και σε κατάρρευση του ιαδικτύου) και οι πόροι του ιαδικτύου να καταναλώνονται στην µετάδοση πακέτων τα οποία απορρίπτονται από το δίκτυο στην πορείας τους προς τον παραλήπτη. Η παραπάνω κατάσταση δηµιουργείται στην περίπτωση που ο αποστολέας της UDP κίνησης µεταδίδει δεδοµένα µε ρυθµό µεγαλύτερο από αυτό που µπορεί να µεταδώσει το δίκτυο. Το παραπάνω γεγονός µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα στην µετάδοση TCP κίνησης στο ιαδίκτυο εάν το UDP χρησιµοποιηθεί σε ευρεία κλίµακα στο ιαδίκτυο και αυτό γιατί µε την εµφάνιση απωλειών πακέτων η TCP κίνηση θα µειώσει τον ρυθµό µετάδοσης της ενώ η UDP κίνηση δεν θα κάνει το ίδιο µε αποτέλεσµα την κυριαρχία της UDP κίνησης έναντι της TCP κίνησης. Για να αποφευχθεί το παραπάνω φαινόµενο η µετάδοση UDP κίνησης θα πρέπει να ελέγχεται από κάποιο µηχανισµό ελέγχου ροής και συµφόρησης 1 ώστε να προσαρµόζεται ο ρυθµός µετάδοσης της UDP κίνησης στους διαθέσιµούς δικτυακούς πόρους. Παρόλο που η παραπάνω τακτική δεν παρέχει κάποια εγγύηση ποιότητας υπηρεσίας για την µετάδοση των δεδοµένων µπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της ποιότητας µετάδοσης στο σύνολο των εφαρµογών λόγω της µείωσης των απωλειών πακέτων και της εξάλειψης του φαινοµένου της συµφόρησης. Οι µηχανισµοί µετάδοσης πολυµέσων δεν θα πρέπει να στοχεύουν µόνο στην αποφυγή συµφόρησης του δικτύου αλλά θα πρέπει ταυτόχρονα να µεταδίδουν φιλική κίνηση προς την TCP κίνηση. Μια ροή δεδοµένων µπορεί να χαρακτηριστεί φιλική ως προς την TCP κίνηση, όταν δεν κυριαρχεί της TCP κίνησης αλλά επιτρέπει και την µετάδοση TCP κίνησης µε ένα ικανοποιητικό ρυθµό µετάδοσης ταυτόχρονα µε την µετάδοση των δεδοµένων της. Με την αυστηρή έννοια του όρου «ροή δεδοµένων φιλική προς την TCP κίνηση» ορίζουµε µια ροή δεδοµένων, όταν αυτή η ροή δεν καταναλώνει περισσότερο εύρος ζώνης από µια TCP ροή δεδοµένων η οποία µεταδίδεται πάνω στο ίδιο δικτυακό µονοπάτι µε την ροή δεδοµένων ([68]). Επίσης στην συνέχεια αυτής της διδακτορικής διατριβής αναφέρουµε και τον όρο «ροή δεδοµένων φιλική προς την UDP κίνηση» µε τον οποίο αναφερόµαστε σε µια ροή δεδοµένων η οποία συνεχίζει να µεταδίδει δεδοµένα µε 1 Σε αυτή την διδακτορική διατριβή θεωρούµε τους όρους «µηχανισµός µε δυνατότητα προσαρµογής» και «µηχανισµός ελέγχου ροής και συµφόρησης» ισοδύναµους. 2

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ικανοποιητικό ρυθµό µετάδοσης κατά την παρουσία UDP κίνησης η οποία δεν εφαρµόζει κάποιο µηχανισµό αποφυγής συµφόρησης. Οι µηχανισµοί προσαρµογής της µετάδοσης πολυµέσων είναι µηχανισµοί µετάδοσης πολυµεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδοµένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν την δυνατότητα να προσαρµόζουν την µετάδοση των πολυµεσικών δεδοµένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση µηχανισµών προσαρµογής της µετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη µηχανισµών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρµογή των πολυµεσικών δεδοµένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των µηχανισµών είναι η προσαρµογή του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες µεταβάλλονται. Η απόφαση εάν ο ρυθµός µετάδοσης θα αυξηθεί ή θα µειωθεί εξαρτάται από τις πληροφορίες τις οποίες η εφαρµογή συλλέγει από το δίκτυο. Ορισµένοι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ύπαρξη των µηχανισµών προσαρµογής στις εφαρµογές είναι απαραίτητη λόγω του ότι το ιαδίκτυο σήµερα δεν παρέχει τέτοιους µηχανισµούς στο επίπεδο του δικτύου ([34]). Θα µπορούσε να πει κανείς πως η ανάπτυξη µηχανισµών µε δυνατότητα προσαρµογής της µετάδοσης των δεδοµένων δεν θα έχει λόγο ύπαρξης στο µέλλον λόγω των νέων τεχνολογιών οι οποίες θα χρησιµοποιούνται και οι οποίες θα παρέχουν νέες δυνατότητες στους χρήστης (όπως για παράδειγµα εγγυήσεις στην ποιότητα των υπηρεσιών). Παρά τις παραπάνω εξελίξεις, η κατάσταση βέβαια δεν είναι έτσι, αλλά οι µηχανισµοί µε δυνατότητα προσαρµογής πιστεύουµε ότι θα χρησιµοποιούνται και στο µέλλον λόγω των παρακάτω:! Μπορεί κάποιοι χρήστες να µην είναι διατεθειµένοι να πληρώσουν το επιπλέον κόστος µιας υπηρεσίας µε εγγυηµένη ποιότητα. Για παράδειγµα εάν ένας χρήστης θέλει να παρακολουθήσει µια ταινία µέσα από το δίκτυο (για παράδειγµα σε µια υπηρεσία βίντεο κατά απαίτηση - Video on Demand - VoD) ίσως να είναι διατεθειµένος να πληρώσει το επιπλέον κόστος µιας εγγυηµένης υπηρεσίας, αλλά στην περίπτωση που ένας χρήστης απλώς περιηγείται σε µια βάση δεδοµένων µε ταινίες µε σκοπό να βρει µια ταινία που να τον ενδιαφέρει ίσως να µην είναι διατεθειµένος να πληρώσει για αυτή την περιήγηση το επιπλέον κόστος µιας υπηρεσίας µε εγγυηµένη ποιότητα.! Επίσης ένας άλλος λόγος που οι υπηρεσίες µε δυνατότητα προσαρµογής θα είναι χρήσιµες και στο µέλλον, είναι το γεγονός ότι κάποια είδη δικτύων ίσως να µην αποκτήσουν ποτέ χαρακτηριστικά εγγυηµένης ποιότητας. Για παράδειγµα µια τέτοια κατηγορία δικτύων είναι τα κινητά δίκτυα στα οποία ίσως να είναι δύσκολο να παρέχει κάποιος υπηρεσίες µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά ποιότητας λόγω του συχνά µεταβαλλόµενου περιβάλλοντος.! Με την χρήση του DiffServ µοντέλου ποιότητας υπηρεσίας, ταυτόχρονα µε τις υπηρεσίες εγγυηµένης ποιότητας θα συνυπάρχουν και υπηρεσίες, µη εγγυηµένης ποιότητας (best effort) και υπηρεσίες µε δυνατότητα προσαρµογής. Για παράδειγµα στα ATM δίκτυα συνυπάρχουν υπηρεσίες εγγυηµένης ποιότητας (Constant Bit Rate - CBR κίνηση), υπηρεσίες µη εγγυηµένης ποιότητας (Available Bit Rate - ABR κίνηση) και υπηρεσίες µε δυνατότητα προσαρµογής (Variable Bit Rate - VBR κίνηση). Η multicast µετάδοση δεδοµένων πραγµατικού χρόνου είναι ένα σηµαντικό συστατικό πολλών υπαρχόντων όσο και αναδυόµενων - µελλοντικών εφαρµογών του ιαδικτύου, όπως για παράδειγµα η τηλεδιάσκεψη και η εκπαίδευση από απόσταση ([7]). Το ετερογενές περιβάλλον του ιαδικτύου έχει ως αποτέλεσµα η multicast µετάδοση δεδοµένων πραγµατικού χρόνου να αποτελεί µια πρόκληση. Οι διαφορετικοί παραλήπτες της ίδιας multicast ροής δεδοµένων µπορεί να έχουν διαφορετικές δυνατότητες επεξεργασίας, διαφορετικές ανοχές στην απώλεια δεδοµένων και διαφορετικό διαθέσιµο εύρος ζώνης στο δικτυακό µονοπάτι που τους συνδέει µε τον αποστολέα της multicast ροής δεδοµένων. 3

ΓΚΑΜΑΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ Κατά την multicast µετάδοση δεδοµένων πάνω από το ιαδίκτυο διάφορα θέµατα πρέπει να ληφθούν υπόψη όπως::! Προσαρµογή του ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων: Ο αποστολέας πρέπει να προσαρµόζει τον ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων στις τρέχουσες δικτυακές συνθήκες.! Φιλικότητα προς το TCP: Κατά την multicast µετάδοση πάνω από το ιαδίκτυο, οι multicast ροές δεδοµένων πρέπει να είναι φιλικές προς το TCP.! υνατότητες κλιµάκωσης (scalability): Η απόδοση του µηχανισµού προσαρµογής δεν θα πρέπει να µειώνεται όσο αυξάνει ο αριθµός των παραληπτών.! Αντιµετώπιση ανοµοιογένειας (heterogeneity): Ο µηχανισµός προσαρµογής θα πρέπει να λαµβάνει υπόψη την ανοµοιογένεια του ιαδικτύου και θα πρέπει να στοχεύει στο να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του µεγαλύτερού µέρους των παραληπτών ένα όχι όλων των παραληπτών. Οι µέθοδοι οι οποίες προτείνονται στην βιβλιογραφία για την multicast µετάδοση δεδοµένων πραγµατικού χρόνου στο ιαδίκτυο µπορούν να διαχωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες, λαµβάνοντας υπόψη τον αριθµό των multicast ροών δεδοµένων που χρησιµοποιούνται:! Ο αποστολέας των δεδοµένων πραγµατικού χρόνου χρησιµοποιεί µια µόνο multicast ροή δεδοµένων για να εξυπηρετήσει όλους τους παραλήπτες ([5], [9], [13], [22], [38], [96], [99], [100], [102], [117]). Η µέθοδος αυτή έχει ως αποτέλεσµα την βέλτιστη χρήση των δικτυακών πόρων όµως έχει το µειονέκτηµα της µη δίκαιης µεταχείρισης των παραληπτών των δεδοµένων πραγµατικού χρόνου, ιδιαίτερα στην περίπτωση που οι παραλήπτες έχουν σηµαντικά διαφορετικές δυνατότητες.! Ο αποστολέας των δεδοµένων πραγµατικού χρόνου µεταδίδει τα ίδια δεδοµένα πραγµατικού χρόνου κωδικοποιηµένα σε διαφορετικά επίπεδα ποιότητας σε διαφορετικές multicast ροές δεδοµένων. Η µέθοδος αυτή έχει ως αποτέλεσµα την δηµιουργία ενός µικρού αριθµού multicast ροών δεδοµένων µε διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης (η µέθοδός αυτή είναι γνωστή στην βιβλιογραφία µε τον αγγλικό όρο simulcast) ([8], [10], [12], [14], [15], [16], [27], [48], [49]). Ο κάθε παραλήπτης λαµβάνει την multicast ροή δεδοµένων που µεταφέρει το επίπεδο ποιότητας (βάσει του ρυθµού µετάδοσης κάθε multicast ροής δεδοµένων) που µπορεί να λαµβάνει βάσει των δυνατοτήτων του.! Ο αποστολέας χρησιµοποιεί τεχνικές κωδικοποίησης των δεδοµένων σε στρώµατα (layered encoded), σύµφωνα µε τις οποίες τα δεδοµένα πραγµατικού χρόνου µπορούν να ανακατασκευαστούν από έναν αριθµό διαφορετικών στρωµάτων δεδοµένων, ένα βασικό και περισσότερα επιπλέον στρώµατα δεδοµένων ([1], [2], [10], [17], [18], [21], [26], [53], [54], [59], [101], [113], [114]). Το βασικό στρώµα παρέχει το βασικό επίπεδο ποιότητας, ενώ η ποιότητα αυξάνεται µε κάθε ένα από τα επιπλέον στρώµατα. Ο αποστολέας µεταδίδει κάθε στρώµα σε διαφορετικές multicast ροές δεδοµένων και οι παραλήπτες λαµβάνουν µία ή περισσότερες multicast ροές δεδοµένων ανάλογα µε το διαθέσιµο εύρος ζώνης στο δικτυακό µονοπάτι που τους συνδέει µε τον αποστολέα. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής απαιτεί πολύπλοκους κωδικοποίητες / αποκωδικοποιητές (encoders / decoders) και επιπλέον οι παραλήπτες πρέπει να συγχρονίζουν τα διαφορετικά στρώµατα προκειµένου να παρουσιάσουν την πολυµεσική πληροφορία στον τελικό χρήστη. Η τεχνική κωδικοποίησης των δεδοµένων σε στρώµατα παρέχει την βέλτιστη χρήση των δικτυακών πόρων αλλά πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι κάτω από κάποιες συνθήκες η simulcast τεχνική µπορεί να συµπεριφέρεται καλύτερα από ότι η τεχνική κωδικοποίησης των δεδοµένων σε στρώµατα ([51]). 4

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτή την διδακτορική διατριβή µελετούνται και προτείνονται µηχανισµοί για την µετάδοση πολυµέσων µε δυνατότητα προσαρµογής της µετάδοσης των πολυµεσικών δεδοµένων στις τρέχουσες δικτυακές συνθήκες, χωρίς να απαιτείται κάποια εγγύηση ποιότητας από το δίκτυο, και στην συνέχεια αναλύεται η συµπεριφορά αυτών την µηχανισµών. Οι µηχανισµοί οι οποίοι προτείνονται µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε οποιοδήποτε TCP / IP δίκτυο όπως για παράδειγµα το ιαδίκτυο. Αρχικά προτείνονται µηχανισµοί για την unicast µετάδοση πολυµέσων, ενώ στην συνέχεια προτείνονται µηχανισµοί για την multicast µετάδοση πολυµέσων πάνω από δίκτυα µη εγγυηµένης ποιότητας. Κατά την ανάπτυξη των µηχανισµών λαµβάνονται υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του ιαδικτύου όπως το ετερογενές δικτυακό περιβάλλον και η φιλικότητα προς το TCP. Οι µηχανισµοί που προτείνονται στηρίζουν την λειτουργία τους στα πρωτόκολλα RTP / RTCP τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την µετάδοση δεδοµένων πραγµατικού χρόνου (όπως τα δεδοµένα πολυµέσων) πάνω από δίκτυα. Τα RTP / RTCP αποτελούν τα de - facto πρωτόκολλα για την µετάδοση πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο και υποστηρίζονται τόσο από τα πρότυπα της ITU - T (πρότυπο Η.323) όσο και από την IETF (MBONE). Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής για την µελέτη και ανάλυση των µηχανισµών που αναπτύχθηκαν και την εξαγωγή συµπερασµάτων σχετικά µε αυτούς, πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα τόσο πάνω από πραγµατικά δίκτυα (µε την χρήση πρωτοτύπων εφαρµογών οι οποίες αναπτύχθηκαν) όσο και σε περιβάλλον εξοµοιωτή (ιδιαίτερα για την εξαγωγή συµπερασµάτων στην multicast µετάδοση πολυµέσων) µε την χρήση µοντέλων τα οποία αναπτύχθηκαν. Στα πειράµατα και τις εξοµοιώσεις οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν χρησιµοποιήσαµε την έκδοση 4 του πρωτοκόλλου IP (Internet Protocol version 4 - IPv4). Επίσης, µελετήθηκαν οι υπάρχοντες στην βιβλιογραφία µηχανισµοί για την µετάδοση πολυµέσων µε δυνατότητα προσαρµογής και αναπτύχθηκαν οι µηχανισµοί οι οποίοι παρουσιάζονται στην συνέχεια. Οι µηχανισµοί παρουσιάζονται µε την σειρά την οποία αναπτύχθηκαν και θα πρέπει να τονίσουµε πως τα συµπεράσµατα από την µελέτη και ανάλυση κάθε µηχανισµού χρησιµοποιήθηκαν και επηρέασαν τον σχεδιασµό των µηχανισµών που ακολούθησαν. Αναλυτικότερα η διδακτορική διατριβή δοµείται στα παρακάτω κεφάλαια:! «Το ιαδίκτυο σήµερα»: Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική και τα χαρακτηριστικά του ιαδικτύου και επικεντρωνόµαστε στα χαρακτηριστικά του ιαδικτύου τα οποία σχετίζονται µε την παρούσα διδακτορική διατριβή. Επίσης παρουσιάζονται τα επίπεδα του ιαδικτύου, τα χαρακτηριστικά ενός δικτυακού µονοπατιού στο ιαδίκτυο, η unicast µετάδοση δεδοµένων στο ιαδίκτυο, η multicast µετάδοση δεδοµένων στο ιαδίκτυο και η δέσµευση πόρων στο ιαδίκτυο.! «Σχετική Εργασία - State of the Art»: Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται µια ανασκόπηση των σχετικών εργασιών στην περιοχή των µηχανισµών µετάδοσης πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο µε δυνατότητα προσαρµογής της µετάδοσης των πολυµέσων στις αλλαγές των δικτυακών συνθηκών. Οι µηχανισµοί οι οποίοι παρουσιάζονται κατηγοριοποιούνται µε διάφορα κριτήρια (unicast, multicast κλπ.). Επίσης σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κριτήρια αξιολόγησης των µηχανισµών µετάδοσης πολυµέσων πάνω από το ιαδίκτυο.! «Unicast µετάδοση πολυµεσικών δεδοµένων»: Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται ο σχεδιασµός ενός µηχανισµού για την unicast µετάδοση πολυµέσων και η ανάπτυξη µιας πρωτότυπης εφαρµογής για την αξιολόγησή του µηχανισµού πάνω σε ένα πραγµατικό δίκτυο. Κύριο χαρακτηριστικό του µηχανισµού ο οποίος αναπτύχθηκε (και το οποίο τον διαφοροποιεί από τους ήδη διαθέσιµους µηχανισµούς στην βιβλιογραφία) είναι το γεγονός πως ο συγκεκριµένος µηχανισµός χρησιµοποιεί ένα συνδυασµό παραµέτρων για την εξαγωγή συµπερασµάτων σχετικά µε την κατάσταση του δικτύου. Όπως έδειξε η ανάλυση του µηχανισµού σε πραγµατικό δίκτυο, ο συνδυασµός αυτών των παραµέτρων 5