ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ADSL η ευρύτερα διαδεδομένη τεχνολογία 26

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ 7 ΕΙΣΗΓΗΣΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ.8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ...9 1.1 ISDN..11 1.2 Xdsl 15 1.2.1. HDSL.16 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας HDSL.17 Αξιολόγηση τεχνολογίας HDSL 17 1.2.2. SDSL.18 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας SDSL.18 Αξιολόγηση τεχνολογίας SDSL 19 1.2.3. VDSL.20 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας VDSL..21 Αξιολόγηση τεχνολογίας VDSL 21 1.2.4. IDSL..22 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας IDSL..22 Αξιολόγηση τεχνολογίας IDSL.22 1.2.5. RADSL..23 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας RADSL..23 Αξιολόγηση τεχνολογίας RADSL.23 1.2.6. UDSL.24 Τεχνική περιγραφή της τεχνολογίας UDSL 25 Αξιολόγηση τεχνολογίας UDSL 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ADSL η ευρύτερα διαδεδομένη τεχνολογία 26 2.1 ADSL και υπάρχουσα υποδομή 26 2.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας ADSL 27 2.2.1. Αρχιτεκτονική του ADSL..27 Γενική Αρχιτεκτονική.27 Λειτουργία και εφαρμογές του POTS splitter 30 Αρχιτεκτονική του DSLAM 32 2.2.2. Tροποι μετάδοσης σε ενα ADSL δίκτυο..34 2.3. ADSL και ATM 36 1

2.4. Η φιλοσοφία του ADSL.38 Το φυσικό μέσο..41 ADSL2/2+.45 2.5. Το ADSL στην Ελλάδα 47 2.5.1. Υπάρχουσα υποδομή και δίκτυο..47 2.5.2. Κόστος..48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: VIDEO ON DEMAND..49 3.1 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ.50 3.2. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ.54 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ.54 ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ..54 3.3. ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ VOD ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 56 3.3.1. Πελάτης.59 3.3.2. Δίκτυο 59 3.4. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ & ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ 62 3.4.1. Τεχνολογίες πρόσβασης..64 Ο εξυπηρετητής..67 3.4.2. Πολιτικές εξυπηρέτησης στον server 67 3.4.3 Πολιτικές FCFS.67 3.4.3 Πολιτικές FCFS.67 3.4.3 Πολιτικές FCFS.67 3.4.4 Πολιτικές MQL.68 3.4.5. Πολιτικές βασισμένες σε Wait Tolerance.68 3.5. Η ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΣΤΟΝ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗ..69 3.5.1. ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗ.70 3.6. Κατανομή αρχείων Video (Video File Allocation)..73 3.7 Αλγόριθμοι εξυπηρέτησης αιτήσεων στον δίσκο.74 3.8. Αξιοποίηση πολλαπλών δίσκων 76 3.8.1. ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ..79 Ο αλγόριθμος DASD dancing 80 3.9.Υπηρεσίες Video On Demand και κατηγορίες χρηστών..81 3.10. Κατηγορίες χρηστών..82 3.11. Εφαρμογές.83 3.12. Τηλεκπαίδευση 84 3.13. Τηλεδιάσκεψη (Video Conferencing).85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: VIDEO STREAMING.88 4.1 ΜΟΡΦΕΣ ΑΡΧΕΙΩΝ.88 4.2 STREAMING METHODS (ΜΕΘΟΔΟΙ STREAMING)..88 2

4.2.1. DOWNLOADING..88 4.2.2. STREAMING..89 4.2.3. ΣΤΑΔΙΑΚΟ DOWNLOADING...89 4.3 ΠΟΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΙΝΑΙ Η ΚΑΛΥΤΕΡΗ;...89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΠΙΕΣΕΩΣ VIDEO.90 5.1. ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ 90 5.1.1. H.261 ΠΡΟΤΥΠΟ.90 5.1.2. H.263 ΠΡΟΤΥΠΟ..91 5.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΟΥ VIDEO.91 5.2.1. ΜΕΘΟΔΟΙ ΦΙΛΤΡΑΡΙΣΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΑ ΣΕ DCT 91 5.3. MPEG.94 5.3.1 Διαφορές ανάμεσα στα ΜPEG1, MPEG2, MPEG4.96 ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-1 ή ISO/IEC 11172..97 ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-2 ή ISO/IEC 13818..98 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ MPEG-2 99 ΕΠΙΠΕΔΑ (LEVELS) ΚΑΙ ΠΡΟΦΙΛ (PROFILES) ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ MPEG- 2..100 ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-3 102 ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-4 102 ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-7 103 ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ MPEG-7.103 Δομή του MPEG-7 προτύπου.106 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ 108 5.4 JPEG..110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΑΣΦΑΛΕΙΑ VOD..111 6.1. ΑΣΦΑΛΕΙΑ..111 6.1.1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ 111 6.1.2. ΤΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΟΤΑΝ ΠΑΡΑΒΙΑΣΤΕΙ Η ΑΣΦΑΛΕΙΑ 112 6.1.3. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΥΠΟΘΈΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΤΩΝ VOD ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 112 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ-REAL TIME PROTOCOLS.114 7.1 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ.115 7.1.1 ΥΨΗΛΟ THROUΥGHPUT.115 7.1.2 ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ MULTICAST 116 7.1.3. QOS ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΕΓΓΥΗΣΗ.116 7.2 ΔΕΣΜΕΥΣΗ ΠΟΡΩΝ 116 7.2.1. ΤΟ RSVP (Resource ReSerVation Protocol).117 3

7.2.2. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ-RTP / RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-Time Control Protocol).119 7.2.3. RTP: REAL-TIME TRANSPORT PROTOCOL..120 ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ ΤΟ RTP 122 RTP FIXED HEADERFIELDS 123 7.2.5 RTCP: REAL-TIME CONTROLPROTOCOL 126 ΔΟΜΕΣ ΠΑΚΕΤΩΝ 127 7.3 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ STREAMING..127 7.3.1. RTSP (Real-Time Streaming Protocol) 127 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΟΥ ΠΑΡΕΧΕΙ ΤΟ RTSP..129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: QOS..131 8.1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΟ QΟS..132 8.2. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ QΟS 132 8.3. ΈΛΛΕΙΨΗ QΟS ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 135 8.4 ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΕΧΕΙ ΑΝΑΠΤΥΧΘΕΙ ΤΟ QΟS; 135 8.5. ΕΠΙΤΑΚΤΙΚΗ ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ QΟS..136 8.6. CONTROLLED LOAD SERVICE.137 8.7. GUARANTEED QUALITY OF SERVICE..138 8.8.Η ΑΠΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑQΟS..139 4

8.9. ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ QΟS.141 8.10. ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ QΟS 142 8.11. ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ 143 8.12. ΕΓΓΥΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ 143 8.13. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ QΟS...144 8.14. ΕΠΙΠΕΔΑ QΟS..144 8.15. Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ QΟS 145 8.16. ΤΟ ΓΕΝΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ QΟS 146 8.16.1. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΤΗΣ QΟS 147 8.16.2. ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΗΣ QΟS 147 8.17. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΙΑΣΦΑΛΙΣΗΣ QΟS.147 8.17.1. Random Early Detection (RED)..148 8.17.2. WEIGHTED FAIR QUEUEING(WFQ)..148 8.17.3. VIRTUAL CLOCK 151 8.17.4. CLASS BASED QUEUEING(CBQ).152 8.17.5. ROUND ROBIN..153 8.18 ΆΛΛΟΙ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ.154 8.19. ΛΟΓΟΙ ΑΠΟΤΥΧΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ QΟS..155 8.19.1. X.25 Load Sensitive ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗ..157 8.20. ATM 158 8.20.1 Intserv: too much, too early...159 8.20.2. Diffserv...159 8.20.3. IP QoS: none at all?...160 8.20.4. MPLS: layer 2 QoS?...160 8.20.5. ΜΙΑ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ.160 ΕΠΙΛΟΓΟΣ 162 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΚΩΔΙΚΑΣ ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΧΡΗΣΤΕΣ -ΕΠΙΣΚΕΠΤΕΣ ΤΗΣ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΑΣ 5

ΣΧΗΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1.1-Γενική εικόνα σύνδεσης στο ISDN Σχήμα 1.2-UDSL δίκτυο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.1-Συγκριτικό διάγραμμα ταχύτητας και απόδοσης Σχήμα 2.2- Βασική αρχιτεκτονική ενός συστήματος ADSL Σχήμα 2.3-Γενική αρχιτεκτονική ενός ADSL δικτύου Σχήμα 2.4-Το βασικό ADSL δίκτυο Σχήμα 2.5-ATU-R με ενσωματωμένο POTS splitter Σχήμα 2.6-ATU-R με εξωτερικό POTS splitter Σχήμα 2.7-Διαχωρισμός της τηλεφωνικής κίνησης από την ADSL κίνηση μέσω των POTS Splitter στο DSLAM Σχήμα 2.8-Αρχιτεκτονική δικτύου από την σκοπιά του DSLAM Σχήμα 2.9-Οι τέσσερις ADSL τρόποι διανομής Σχήμα 2.10-Μοντέλο αναφοράς ADSL για ΑΤΜ μετάδοση Σχήμα 2.11-Τα κανάλια στην ADSL μετάδοση: Ανοδικό (Upstream) - Καθοδικό (Downstream) - Αμφίδρομη κοινή τηλεφωνία (Bi-directional - POTS) Σχήμα 2.12-Οι χρησιμοποιούμενες συχνότητες στα διαφορετικά κανάλια κατά την ADSL μετάδοση Σχήμα 2.13-Ο SNR (σε db) για ένα ζωνοδιαβατό κανάλι με αργά μεταβαλλόμενη συνάρτηση μεταφοράς Σχήμα 2.14-Ο SNR (σε db) για ένα κανάλι με συνάρτηση μεταφοράς ισχυρά εξαρτημένη από την συχνότητα Σχήμα 2.15-Αρχιτεκτονική υλοποίησης ADSL πρόσβασης Σχήμα 2.16-ADSLσύνδεση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχήμα 3.1-Διάρθρωση ενός συγκεντρωτικού συστήματος VoD Σχήμα 3.2-Διάρθρωση ενός συγκεντρωτικού συστήματος VoD με χρήση τοπικών εξυπηρετητών που διαθέτουν buffers για δημοφιλή videos Σχήμα 3.4-Τυπική διάρθρωση ενός VoD εξυπηρετητή Σχήμα 3.5-Ιεραρχική Δόμηση Σχήμα 3.6-Γραφική απεικόνιση του εύρους ζώνης / χωρητικότητα για τις περιπτώσεις των εναλλακτικών διαθέσιμων αποθηκευτικών μέσων Σχήμα 3.7-Γραφική απεικόνιση της ζήτησης κατανομής ταινιών σε ES ή DISK ανάλογα με την ζήτηση κάθε ταινίας και τη διάρκεια της Σχήμα 3.8-Γραφική απεικόνιση των αλγορίθμων SCAN, ROUND-ROBIN και SORTING SET Σχήμα 3.9-Τεχνική striping δεδομένων σε ένα σύνολο δίσκων Σχήμα 3.10-Τεχνική Striped Retrieval Σχήμα 3.11-H τεχνική Split-Retrieval 6

Σχήμα 3.12-Τεχνική Cyclic Retrieval Σχήμα 3.13-Τεχνική Data Replication ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Σχήμα 5.1-Πολυπλεξία δύο συρμών κατά MPEG-2 Σχήμα 5.2-Ο τρόπος με τον οποίο συνεργάζονται τα επιμέρους στοιχεία του MPEG-7 Σχήμα 5.3-Μια αφηρημένη αναπαράσταση των πιθανών εφαρμογών που θα χρησιμοποιούν το MPEG-7 Σχήμα 5.4-Η εξέλιξη των προτύπων MPEG ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Σχήμα 6.1-Δικτυακό σχεδιάγραμμα συστημάτων που χρησιμοποιούν RSVP Σχήμα 7.3- RTP δεδομένα σε ένα IP πακέτο Σχήμα 7.4- RTP Packet Header Σχήμα 7.5- RTCP πακέτο αποχαιρετισμού ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Σχήμα 8-1: Αναλογία του εύρους ζώνης του δικτύου προς το εύρος ζώνης πρόσβασης ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τους κύριους Βραδέλη και Παπαδάκη για την ανάθεση της πτυχιακής εργασίας και για τη βοήθεια που μας προσέφεραν. Επιπλέον, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους Γιωργαλλή Μελίνα, Μουχσιάδη Ντέμη, Χατζιηαναστάση Πέτρο και Δημητρίου Μαρία για τις συμβουλές τους και την υποστήριξη τους. 7

ΕΙΣΗΓΗΣΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΡΙΕΣ : Κουττούκα Ροδούλα Πέτρου Αντωνία ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ : Βραδέλης Παπαδάκης 8

ΤΙΤΛΟΣ : VOD: Μια προσέγγιση στη μετάδοση βίντεο κατόπιν αιτήσεως μέσω ευρυζωνικών υπηρεσιών. Επίδειξη ιστοσελίδας video on demand εφαρμογών. ΣΤΟΧΟΣ : Η παρούσα υλοποίηση έχει στόχο να καλύψει την έλλειψη αντίστοιχων εφαρμογών στον ελληνικό διαδικτυακό χώρο. ΣΚΟΠΟΣ : Να δοθεί ένα δείγμα vod εφαρμογής για μελλοντική υλοποίηση της. ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Το πρόγραμμα που θα συνοδεύει την πτυχιακή εργασία αποτελείται από μια ιστοσελίδα η οποία παρουσιάζει ένα ηλεκτρονικό video on demand club, ως μια προέκταση του θεωρητικού μέρους. Κατά την επίσκεψη του στη σελίδα ο χρήστης θα έχει δύο επιλογές. Εάν είναι νέος χρήστης θα πρέπει να κάνει εγγραφή στο video club, δίνοντας τα στοιχεία του. Δηλαδή όνομα και επώνυμο. Επιπλέον θα επιλέγει username και password.εάν είναι παλιός ο χρηστής απλά πληκτρολογεί το username και το password του και μπαίνει στην σελίδα με τις ταινίες. Οι ταινίες θα είναι καταχωρημένες σε μια βάση δεδομένων ταξινομημένες ανάλογα με την κατηγορία τους. Ο Χρήστης κάνοντας κλικ στην κατηγορία της επιλογής του εμφανίζονται οι διαθέσιμες ταινίες(που υπάρχουν στην βάση). Επιλέγοντας με το ποντίκι την ταινία που επιθυμεί εμφανίζονται ο τίτλος, η περίληψη της ταινίας και οι ηθοποιοί. 0 χρήστης πατώντας στο play μπορεί να δει την ταινία αλλιώς πάει πίσω με το back για να ξαναδιαλέξει ταινία. Στην περίπτωση που επιλέξει το πρώτο εμφανίζεται ένα παράθυρο με video player και αρχίζει η ταινία. Στο πρόγραμμα θα υπάρχουν κάποιοι μετρητές κρατώντας το προφίλπροτιμήσεις του κάθε χρήστη. Με την είσοδο νέων ταινιών στην βάση (δηλαδή στην σελίδα) θα ενημερώνεται ο χρήστης ανάλογα με τις προτιμήσεις του σε προηγούμενες επισκέψεις(τι είδος ταινιών έχει την τάση να βλέπει). Δηλαδή ο χρήστης θα ενημερώνεται από το πρόγραμμα κατά την είσοδο του στην σελίδα (εξαιρείται η περίπτωση που είναι νέος χρήστης),για το ποιο είδος ταινίας έχει την τάση να παρακολουθεί και θα του προτείνονται οι τρεις πιο πρόσφατες ταινίες που έχουν ενταχθεί στην βάση στην κατηγορία της συνήθης προτίμησης του. Θα μπορεί να επιλέξει μια από τις προτεινόμενες ταινίες ή μια άλλη ταινία ανεξάρτητης κατηγορίας ή όχι από την συνήθη προτίμηση του. 9

Στην περίπτωση που υπάρχει μικρή διαφορά ανάμεσα στις προτιμήσεις του χρήστη για συγκεκριμένη κατηγορία που επιλέγει, θα του προτείνονται δυο κατηγορίες με τις νέες αφίξεις τους και θα καλείται να επιλέξει. ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ H πτυχιακή αυτή εργασία εξετάζει τις ευρυζωνικές υπηρεσίες και την προσφορά τους στην μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου εστιάζοντας στη μετάδοση video κατόπιν ζήτησης ( on demand). Στο πρόλογο με ιστορική αναδρομή γίνεται προσπάθεια να εγκλιματίσουμε τον αναγνώστη και να τον ενημερώσουμε παράλληλα για την τεχνολογική αλυσίδα και την εξέλιξη της. Έτσι ξεκινάμε από την δημιουργία του πρώτου ηλεκτρονικού υπολογιστή, συνεχίζουμε με την τεχνολογία των δικτύων και το internet και καταλήγουμε στις ευρυζωνικές υπηρεσίες και στην δυνατότητα μέσω του bandwidth(εύρος ζώνης) που παρέχουν για παρακολουθούμε video κατόπιν αιτήσεως μας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των ευρυζωνικών τεχνολογιών. Γίνεται μια σύντομη περιγραφή στην τεχνολογία ISDN και στη συνέχεια γίνεται μια εκτενής ανάλυση των τεχνολογιών XDSL (DSL, HDSL, VDSL). Το δεύτερο κεφάλαιο είναι φυσική συνέχεια του πρώτου κεφαλαίου όπου έγινε ανάλυση των xdsl τεχνολογιών εξαιρουμένης της ADSL. Στην ADSL τεχνολογία εδώ δίδεται έμφαση λόγω της καταλληλότητας της για εφαρμογές διανομής ευρυζωνικού περιεχομένου. Έτσι αναφέρονται και αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά της(αρχιτεκτονική, τρόποι μετάδοσης σε ένα ADSL δίκτυο),η σχέση της με την ΑΤΜ τεχνολογία καθώς και η υπάρχουσα δομή στην Ελλάδα και το κόστος της. Το τρίτο κεφάλαιο ανήκει αποκλειστικά στο video on demand.στο κεφάλαιο αυτό καταγράφονται οι απαιτήσεις των vod συστημάτων, η αρχιτεκτονική τους, τα πρωτόκολλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν καθώς και οι τεχνολογίες πρόσβασης. Επίσης μεγάλο χώρο στο κεφάλαιο αυτό καταλαμβάνει ο εξυπηρετητής. Γίνεται καταγραφή των διαφόρων πολιτικών εξυπηρέτησης καθώς και η αποθήκευση στον εξυπηρετητή. Τέλος αναφέρονται οι διάφορες υπηρεσίες που παρέχουν τα συστήματα video on demand,οι κατηγορίες χρηστών και οι διάφορες εφαρμογές που στηρίζονται στα vod συστήματα όπως η τηλεκπαίδευση και τηλεδιάσκεψη κτλ 10

Στο τέταρτο κεφάλαιο ασχολείται με το video streaming.αναφέρονται οι διάφορες μορφές αρχείων κατά την δημιουργία video streams,μέθοδοι streaming και πια μέθοδος θεωρείται η καλύτερη και το λόγο που θεωρείται η καλύτερη. Στο πέμπτο κεφάλαιο καταγράφονται οι διάφορες τεχνικές συμπιέσεως video. Γίνεται προσπάθεια ανάλυσης των σημαντικότερων τηλεοπτικών πρότυπων κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης για το βίντεο ροής όπως είναι H.261, H.263, MJPEG, MPEG1, MPEG2,MPEG4 και MPEG7.Αναλυτηκότερα στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται τα πρότυπα MPEG ειδικότερα τα MPEG4 MPEG7 και αναφέρονται οι διαφορές τους όπως και το πρότυπο συμπιέσεως εικόνας JPEG. Το έκτο κεφαλαίο αναφέρεται στην ασφάλεια των συστημάτων vod. Παράγοντες που επηρεάζουν την ασφάλεια, οι κίνδυνοι που υπάρχουν σε περίπτωση παραβίασης της ασφάλειας καθώς και οι απαιτήσεις για ασφάλεια των συστημάτων αυτών περιλαμβάνονται εν συντομία στο κεφάλαιο αυτό. Στο έβδομο κεφάλαιο παρατίθενται τα πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου. Ξεκινώντας από την ανάγκη για πρωτόκολλα πραγματικού χρόνου και απαιτήσεις τους γίνεται ανάλυση όλων των πρωτοκόλλων αυτών τα οποία είναι το πρωτόκολλο δέσμευσης πόρων RSVP, πρωτόκολλα μεταφοράς RTP / RTCP και τέλος το πρωτόκολλο streaming RTSP Το τελευταίο κεφάλαιο(όγδοο) ανήκει στην εξασφάλιση ποιότητας QOS.Γίνεται ιστορική αναδρομή,δίδεται ο ορισμός του QOS,οι συνέπειες από την έλλειψη της qos ποιότητας καθώς και η επιτακτική ανάγκη για QOS ειδικότερα στην μετάδοση πολυμέσικου υλικού. Επίσης καταγράφονται η αρχιτεκτονική του καθώς και οι διάφοροι αλγόριθμοι διασφάλισης QOS. Τέλος το πρόγραμμα-παράδειγμα που συνοδεύει την πτυχιακή εργασία αποτελείται από μια εικονική ιστοσελίδα (με χρήση php, adi html,sql)στην οποία υπάρχει μια μικρή βάση δεδομένων που περιέχει αποσπάσματα ταινιών ταξινομημένες ανάλογα με το περιεχόμενο τους(κατηγοριές).ο χρήστης επιλέγει με το ποντίκι του την επιθυμητή κατηγορία ταινίας που θέλει να παρακολουθήσει και αφού γίνει η επιλογή της ταινιάς που επιθυμεί ανοίγει μια σελίδα όπου μπορεί να παρακολουθήσει την ταινία video που έχει επιλέξει. ΠΡΟΛΟΓΟΣ 11

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και των πρωτοκόλλων δικτύων υψηλής ταχύτητας, σε συνδυασμό με την αναβάθμιση των υπολογιστικών συστημάτων από πλευράς ισχύος, αποθηκευτικού χώρου και γραφικών διεπαφών, δημιούργησαν μια νέα γενιά εφαρμογών. Πρόκειται για τις εφαρμογές πολυμέσων που χαρακτηρίζονται από την παραγωγή, διαχείριση, παρουσίαση, αποθήκευση και διαβίβαση ανεξάρτητης πληροφορίας που είναι κωδικοποιημένη σε ένα τουλάχιστο χρονικά εξαρτημένο μέσο, όπως το video ή και και ο ήχος. Οι εξελίξεις αυτές προέκυψαν τα τελευταία χρόνια με την ραγδαία εξάπλωση του διαδυκτύου και τις αλλαγές που υπέστη το ίδιο το διαδίκτυο. Στην αρχή η συντριπτική πλειοψηφία των δεδομένων του ήταν κειμενοειδής (textual), αφού ήταν ένα μέσο που απευθυνόταν στην ακαδημαϊκή ερευνητική κοινότητα. Τα τελευταία χρόνια η στροφή του προς πιο εμπορικές εφαρμογές έχει αλλάξει σε μεγάλο βαθμός τον τύπο των δεδομένων, με τα πολυμεσικά δεδομένα (εικόνα, video, ήχος) να καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο ποσοστό του διαθέσιμου bandwidth(εύρος ζώνης). Έτσι γεννήθηκε η ανάγκη για δημιουργία και ανάπτυξη νέων δικτυακών τεχνολογιών που θα προσέφεραν μεγαλύτερο εύρος ζώνης και μεγαλύτερες ταχύτητες. Αρχικά το ISDN και και στην συνέχεια οι τεχνολογίες DSL έφεραν επανάσταση στο δικτυακό κόσμο. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι με ένα αναλογικό μόντεμ η μεταφορά μιας ταινίας από το Διαδίκτυο απαιτούσε μέχρι και δέκα ώρες, ενώ με μια ευρυζωνική σύνδεση DSL η διαδικασία ολοκληρώνεται σε 25 λεπτά. Στην εργασία που ακολουθεί θα μελετήσουμε τις εξελίξεις στον τομέα των ευρυζωνικών δικτύων και τις πολυμεσικές εφαρμογές που προκύπτουν. Το video on demand και το video streaming είναι μερικά παραδείγματα των πολυμεσικών αυτών εφαρμογών που σχετίζονται με τη μετάδοση υψηλής ποιότητας ψηφιακού video. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ 12

Οι ευρυζωνικές υπηρεσίες φέρνουν μία επανάσταση. Η ψηφιακή μας ζωή αλλάζει και η δυνατότητα διαρκούς πρόσβασης σε πληροφορίες και δεδομένα επηρεάζει την διεξαγωγή των εμπορικών συναλλαγών δημιουργώντας πλήθος νέων πρακτικών και επιχειρηματικών μοντέλων ενώ φέρνει νέα εποχή στον χώρο της ψυχαγωγίας. Στο επίκεντρο αυτών των αλλαγών συναντάμε και την Ψηφιακή Τηλεόραση. Οι κατά πολύ υψηλότερες χωρητικότητες των ευρυζωνικών και ψηφιακών τεχνολογιών επιτρέπουν στα σύγχρονα δίκτυα να συγκλίνουν προς μια κοινή ενημερωτική επικοινωνιακή πλατφόρμα (Infocommunication Platform) μετατρέποντας πλήθος γνωστών μας οικιακών συσκευών σε e-εργαλεία. Πριν μια δεκαετία οι απαιτήσεις των χρηστών σε ταχύτητα και υπηρεσίες ήταν µειωµένες. Η αύξηση της υπολογιστικής ισχύoς των μικροεπεξεργαστών και η ραγδαία αύξηση του εύρους ζώνης και των ταχυτήτων των σύγχρονων δικτύων δηµιούργησαν τις συνθήκες για παροχή απαιτητικών υπηρεσιών στους τελικούς χρήστες. Λύση σε αυτό το φαινόμενο ήρθαν να δώσουν τα ευρυζωνικά δίκτυα. Παρόλο που ο όρος ευρυζωνικά δίκτυα απαντάται συχνά σ όλους τους τοµείς της πληροφορικής, µέχρι στιγµής δεν έχει δοθεί ένας επίσηµος παγκόσµιος ορισµός από αναγνωρισµένους εµπλεκόµενους τεχνολογικούς ή κοινωνικούς φορείς (π.χ. ITU International Telecommunications Union ή ΙΕΕΕ - Ιnstitute of Electrical and Electronics Engineers). Σύµφωνα µε το νοµοσχέδιο των τηλεπικοινωνιών του 1996 των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής (US Telecommunications Act 1996) ο όρος ευρυζωνικά δίκτυα περιγράφεται ως το µέσο το οποίο θα προσφέρει προηγµένες υπηρεσίες στους τελικούς χρήστες. Ο όρος προηγµένες υπηρεσίες σηµαίνει ότι ο ρυθµός µεταφοράς των δεδοµένων στο µέσο αυτό είναι κατά πολύ μεγαλύτερος από ότι το κοινό τηλεφωνικό δίκτυο είναι σε θέση να προσφέρει. Επειδή ο ορισµός των ευρυζωνικών δικτύων που περιγράφεται στο νοµοσχέδιο του 1996 είναι υπερβολικά αόριστος, η Οµοσπονδιακή Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών των Η.Π.Α. ξεκαθαρίζει ότι ευρυζωνικό (δίκτυο) θεωρείται η δυνατότητα υποστήριξης ταχυτήτων τουλάχιστον 200Kbps από τον πάροχο του δικτύου ως τον τελικό χρήστη, τόσο από την πλευρά του τελικού χρήστη προς τον πάροχο (upstream- προς τα πάνω), όσο και από την πλευρά του παρόχου προς τον τελικό χρήστη (downstream-προς τα κάτω). Λίγοι είναι εκείνοι που θα µπορέσουν να συνδεθούν µέσω οπτικών ινών στο διαδίκτυο είτε από το σπίτι τους είτε από τον τόπο εργασίας, καθώς το κόστος εγκατάστασης τέτοιων δικτύων είναι απαγορευτικό για τους περισσότερους από εµάς. Έτσι, οι επιλογές µας όσον αφορά τα ευρυζωνικά δίκτυα καταλήγουν είτε στην χρησιµοποίηση DSL (Digital Subscriber Line-Ψηφιακή γραμμή συνδρομητών) τεχνολογιών, είτε καλωδιακών συνδέσεων (cable), δορυφορικών ή ασύρµατων συνδέσεων. Στην Αµερική ο τελικός χρήστης έχει την δυνατότητα να επιλέξει µεταξύ όλων των παραπάνω τεχνολογιών, καθώς τα περισσότερα δίκτυα είναι ήδη λίγο ως 13

πολύ εγκατεστηµένα. Στην Ευρώπη λίγες χώρες έχουν ανεπτυγµένο δίκτυο μέσω καλωδιακής (Αγγλία, Σκανδιναβικές Χώρες, Κάτω Χώρες) ενώ σε πολλές τέτοια δίκτυα είναι ανύπαρκτα (Ελλάδα, Ισπανία, Πορτογαλία). Παρ όλα αυτά γίνονται σηµαντικές επενδύσεις σ όλες τις χώρες στην ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων µέσω κοινοτικών, εθνικών και ιδιωτικών κονδυλίων. Στην Ελλάδα τα ευρυζωνικά δίκτυα παραµένουν άγνωστα στο ευρύ κοινό για αυτό παρακάτω θα γίνει μια εκτενής περιγραφή τους. 1.1 ISDN 14

ISDN (Integrated Services Digital Network-Ψηφιακά Δίκτυα Ενοποιημένων Υπηρεσιών). Το ISDN είναι ένα σύνολο από επικοινωνιακά πρότυπα που επιτρέπουν σε ένα καλώδιο ή μια οπτική ίνα να μεταφέρει φωνή, υπηρεσίες ψηφιακών δικτύων και video. Το ISDN σταδιακά αντικαθιστά το POTS (Plain Old Telephone System -παλιό σύστημα τηλεφώνου) και διαφέρει από αυτό στους διακόπτες που υπάρχουν στα τηλεφωνικά κέντρα, στο λογισμικό και σε άλλο εξοπλισμό. Βεβαίως η βασική διαφορά έγκειται στο ότι το ISDN έχει ψηφιακή μετάδοση η οποία προσφέρει καλύτερη ποιότητα και μεγαλύτερες ταχύτητες σε σχέση με τα αναλογικά πρότυπα. Το εύρος ζώνης για το ISDN ποικίλει από 64Kbps ως 2.0Mbps. Το ISDN είναι προς το παρόν το πιο οικονομικά προσεγγίσιμο εναλλακτικό του κλασσικού τηλεφωνικού συστήματος. Τα Ψηφιακά Δίκτυα Ενοποιημένων Υπηρεσιών (ISDN), έχουν προταθεί ως τα νέα παγκόσμια τηλεπικοινωνιακά δίκτυα τα οποία θα αντιμετωπίζουν ένα ευρύ φάσμα επικοινωνιακών αναγκών. Δημιουργήθηκαν ως αποτέλεσμα της ραγδαίας ανάπτυξης και διάχυσης της ψηφιακής τεχνολογίας και των εφαρμογών της. Σήμερα τα Ψηφιακά Δίκτυα Ενοποιημένων Υπηρεσιών υποδιαιρούνται σε δύο βασικά τεχνολογικά ρεύματα που είναι γνωστά σαν ISDN στενής ζώνης, N- ISDN (Narrowband ISDN- Περιορισμένης ζώνης ISDN) και B- ISDN (Broadband ISDN- Ευρείας ζώνης ISDN). Το N- ISDN αναφέρεται σε δικτυακές προσβάσεις με ρυθμούς μέχρι και 2 Mbps, ενώ οι ρυθμοί πάνω από τα 2 Mbps και μέχρι δεκάδες ή και εκατοντάδες Mbps ανήκουν στην περιοχή του B- ISDN. Το ISDN καθορίζεται από την τυποποίηση των διατάξεων προσαρμογής / διεπαφής των χρηστών (user interface) και υλοποιείται ως ένα σύνολο από ψηφιακές διατάξεις (κέντρα) μεταγωγής και λεωφόρους που υποστηρίζουν διάφορους τύπους κίνησης. Πρακτικά η υλοποίηση πολλαπλών ISDN σε εθνικό και διεθνές επίπεδο, παρουσιάζονται στον χρήστη σαν μία ενιαία υποδομή με παγκόσμια εμβέλεια. Μια βασική έννοια στο ISDN είναι η παροχή στον χρήστη ενός συνόλου από μεταγωγικές και μη υπηρεσίες χρησιμοποιώντας τεχνικές μεταγωγής κυκλώματος, πακέτου ή πλαισίου. Όλα τα παραπάνω παρέχονται μέσω ενός μικρού αριθμού διατάξεων προσαρμογής του χρήστη με το δίκτυο (UNI-User Network Interfaces), που είναι μεταξύ τους συμβατές. Ο αριθμός πρέπει να είναι μικρός για να έχει ο χρήστης ευελιξία, αλλά και για να επιτυγχάνεται οικονομία σε όλα τα μεγέθη που αφορούν την παραγωγή δομικών στοιχείων και τη λειτουργία του δικτύου. Ο χρήστης έχει πρόσβαση στο ISDN μέσω μιας τοπικής διάταξης προσαρμογής, η οποία τον συνδέει με έναν ψηφιακό αγωγό συγκεκριμένου ρυθμού. 15

Σχήμα 1.1-Γενική εικόνα σύνδεσης στο ISDN Γενικά προσφέρονται αγωγοί διαφόρων χωρητικοτήτων ανάλογα με τις απαιτήσεις των χρηστών. Σε κάθε χρονική στιγμή, ο αγωγός μπορεί να υποστηρίξει σύνθετη κίνηση μέχρι το όριο που προκύπτει από τη δεδομένη χωρητικότητά του. Έτσι ο χρήστης έχει τη δυνατότητα δυναμικής ανάμιξης τύπων σημάτων και ρυθμών ανάλογα με τις εφαρμογές. Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό είναι ότι ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει λιγότερη χωρητικότητα από αυτή που κατά μέγιστο του παρέχει ο αγωγός του, και το βασικότερο να χρεωθεί τα επικοινωνιακά τέλη με βάση τη χωρητικότητα που χρησιμοποιεί και όχι τη μέση χωρητικότητα του αγωγού. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στους χρήστες να αριστοποιούν τη χρήση των κυκλωμάτων, χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες προς τούτο διατάξεις (πολυπλέκτες, συγκεντρωτές κ.ά.) Σε ένα ISDN διακρίνουμε τους εξής τύπους καναλιών : Β-κανάλι, με ρυθμό 64Kbps. H γραμμή ISDN αποτελείται από δύο κανάλια Β ταχύτητας 64kbps. To B-κανάλι είναι το βασικό κανάλι του χρήστη. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ψηφιακών δεδομένων, εικόνας, ψηφιακής φωνής(ήχου) χρησιμοποιώντας παλμοκωδική διαμόρφωση(pcm-pulse Code modulation) ή για την μεταφορά ενός μείγματος κίνησης χαμηλού ρυθμού με 16

την προϋπόθεση ότι όλη η κίνηση απευθύνεται στον ίδιο αποδέκτη. Χρησιμοποιώντας το Β-κανάλι μπορούμε να εγκαταστήσουμε συνδέσεις που στηρίζονται στην μεταγωγή κυκλώματος, την μεταγωγή πακέτων ή άλλες ημισταθερές συνδέσεις που είναι ανάλογες των μισθωμένων αποκλειστικών γραμμών (leased lines). Τα κανάλια Β μπορούν να συνδυαστούν φτάνοντας σε ταχύτητες 128kbps. Κάθε κανάλι είναι ανεξάρτητο από το άλλο, έτσι μπορούμε για παράδειγμα να μιλάμε στο τηλέφωνο ενώ ταυτόχρονα σερφάρουμε στο δίκτυο. Τα κανάλια αυτά είναι λογικά, όχι φυσικά. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα δούμε 3 σύρματα στο σπίτι(2 κανάλια Β και 1 κανάλι D), ένα για κάθε κανάλι. Το δισύρματο καλώδιο που έρχεται σπίτι σε σύνδεση BRI (Basic Rate Interface- Βασική διεπαφή ποσοστού) είναι σε θέση να φιλοξενήσει τα κανάλια αυτά. Η σύνδεση BRI ( Basic Rate Interface- Βασική διεπαφή ποσοστού) είναι η βασική σύνδεση ISDN και είναι η πιο φτηνή. Υπάρχει και η πρωτεύουσα σύνδεση ISDN (PRI = Primary Rate Interface- Αρχική διεπαφή ποσοστού) που αποτελείται από 30 κανάλια Β και απευθύνεται κυρίως σε μεγάλες επιχειρήσεις. Δεν χρειάζεται καμιά επιπλέον καλωδίωση και η μετατροπή μιας απλής ψηφιακής σύνδεσης σε ISDN σύνδεση γίνεται με την αλλαγή μιας κάρτας στο τηλεφωνικό κέντρο της περιοχής. Η τηλεφωνική εγκατάσταση που γίνεται στα σπίτια ή στις επιχειρήσεις χρησιμεύει ως είναι χωρίς την ανάγκη πρόσθετης καλωδίωσης. Από την αφετηρία της η γραμμή του ISDN ξεκινά με δισύρματο καλώδιο. Μόλις φτάσει σε κάποιο σπίτι η γραμμή συνδέεται με τη συσκευή που προμηθευόμαστε και η οποία μετατρέπει το U bus σε S\T bus και POTS και είναι συνδυασμός ενός NT1 και ενός Terminal Adapter(τελικός προσαρμοστής). Για τους οικιακούς χρήστες τοποθετείται ένα netmod, που αποτελεί μια πολύ καλή και προσεγμένη κατασκευή με πλήθος δυνατοτήτων, ενώ παράλληλα είναι και ISDN modem με δυνατότητα bonding (σύνδεσης) των δύο 64ΚΒ καναλιών, ώστε να επιτυγχάνονται διπλάσιες ταχύτητες, αφού χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα και οι δύο Β γραμμές. Το netmod έχει δύο RJ45 και δύο RJ11 εξόδους, ενώ επίσης διαθέτει 25pin θηλύκια σειραϊκή θύρα ή θύρα USB για σύνδεση με DTE συσκευές, π.χ. για σύνδεση με το PC μας. Σε κάθε μια RJ45 μπορεί να συνδεθεί ISDN συσκευή, όπως ISDN τηλέφωνο, group 4 fax ή ISDN modem, ενώ στις RJ11 συνδέονται συσκευές όπως το κοινό fax και οι τηλεφωνικές συσκευές που χρησιμοποιούμε σήμερα. D-κανάλι: με ρυθμό 16 ή 64Kbps. Το D-κανάλι προσφέρει δύο ειδών υπηρεσίες. Μεταφέρει τις πληροφορίες σηματοδοσίας που απαιτούνται για τον έλεγχο των κλήσεων μεταγωγής κυκλώματος του αντίστοιχου Β- καναλιού. Σε περίπτωση που δεν υπάρχει πληροφορία σηματοδοσίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταγωγή πακέτου ή για σήματα τηλεμετρίας χαμηλού ρυθμού (περίπου της τάξης των 100 Bps). Η-κανάλι: με ρυθμό 384(H0), 1536(H11) και 1920 (H12) Kbps. Τα H κανάλια δίνονται για την υποστήριξη χρηστών που θέλουν να διακινήσουν πληροφορίες σε υψηλότερους ρυθμούς. Ο χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει το κανάλι σαν μια ζεύξη ψηλής ταχύτητας ή να το υποδιαίρεσει με βάση την μέθοδο πολυπλεξίας με επιμερισμό χρόνου 17

(TDM) που χρησιμοποιεί. Στην προκειμένη περίπτωση ο χρήστης μπορεί να το χρησιμοποιήσει για μεταφορά video και ψηφιακού ήχου που αποτελούνται από πολλαπλά ρεύματα χαμηλότερων ρυθμών. Μια γραμμή ISDN-2 BRI (Basic Rate Interface) αποτελείται από 2 B-channels (Bearer, κομιστές) που παρέχουν ταχύτητα μετάδοσης 64Kbps. Έχει επίσης ένα D-Channel(Delta) των 16Kbps για έλεγχο, δηλαδή για κάθε γραμμή έχουμε συνολικά ρυθμό μετάδοσης 144Kbps. Οι γραμμές ISDN πέρα από το ότι προσφέρουν αρκετά υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης από τις κλασσικές τηλεφωνικές γραμμές (που είναι αναλογικές), προσφέρουν και πολύ καθαρότερο σήμα απαλλαγμένο από θόρυβο,ο οποίος μειώνει κατά πολύ το ρυθμό μετάδοσης στις κλασσικές τηλεφωνικές γραμμές. Ο υψηλότερος ρυθμός μετάδοσης για ISDN γραμμές είναι 1,984Mbps και προσφέρεται από το πρωτόκολλο ISDN-30.Μια τέτοια γραμμή αποτελείται από 30 B-Channels των 64Kbps και 1 D-Channel των 64Kbps.Υπάρχουν και παραλλαγές του προτύπου όπως το ISDN PRI (Primary Rate Interface) με 23 B-Channels και 1 D-Channel. 1.2 XDSL Για πολλά χρόνια, τα χάλκινα καλώδια (συνεστραμμένα ζεύγη - twisted pairs) χρησιμοποιούνταν σε απλές τηλεφωνικές συνδέσεις. Στη συνέχεια μπήκαν στη ζωή μας τα modems και το διαδίκτυο. Την τελευταία δεκαετία γνωρίσαμε την τεχνολογία ISDN και τα πλεονεκτήματα που αυτή προσφέρει και τελευταία γίνεται λόγος για τις τεχνολογίες DSL, οι οποίες πρόσφατα άρχισαν να γίνονται γνωστές και στο ευρύ κοινό της Ελλάδας. Για δεκαετίες τα χάλκινα καλώδια χρησιμοποιούνταν για τη μεταφορά φωνής, χωρίς να αξιοποιείται στο έπακρο η μεγάλη χωρητικότητα που προσφέρει ο χαλκός. Ο ήχος της ανθρώπινης φωνής αποτελείται από συχνότητες που κυμαίνονται σε εύρος μεταξύ 100Hz και 4.000Hz. Αυτό το μεγάλο εύρος συχνοτήτων όμως δεν είναι απαραίτητο για να γίνει καταληπτή η φωνή και η χροιά του συνομιλητή και έτσι με ειδικά φίλτρα αποκόπτονται οι συχνότητες οι οποίες δεν χρειάζονται, για να μη δημιουργούν παρεμβολές και παράσιτα. Το εύρος ζώνης όμως του χαλκού είναι κατά πολύ μεγαλύτερο και μπορεί να αξιοποιηθεί σε άλλες εφαρμογές με κατάλληλους τρόπους, όπως και στην περίπτωση του DSL. Το xdsl (Digital Subscriber Line) είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει τη μεταφορά δεδομένων με υψηλή ταχύτητα, μέσω των ήδη υφιστάμενων τηλεφωνικών γραμμών, που στη συντριπτική τους πλειοψηφία, εξυπηρετούν τις τηλεπικοινωνιακές ανάγκες όλου του πλανήτη. Το "x" στη συντομογραφία 18

προκύπτει από την ύπαρξη πολλών διαφορετικών και ασύμβατων προδιαγραφών, οι οποίες καλύπτουν διαφορετικές ανάγκες. Με το xdsl, η επικοινωνία γίνεται εξ' ολοκλήρου ψηφιακά, επιτρέποντας τη χρήση πολύ μεγαλύτερου εύρους ζώνης για τη μεταφορά των δεδομένων, χάρη στη χρήση εξελιγμένων τεχνικών διαμόρφωσης σήματος, με αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλότερων ταχυτήτων από αυτές των συνηθισμένων dial-up συνδέσεων. Το DSL αποτελεί μια τεχνολογία που μετατρέπει το απλό τηλεφωνικό καλώδιο σε ένα δίαυλο ψηφιακής επικοινωνίας μεγάλου εύρους ζώνης με τη χρήση ειδικών modems, τα οποία τοποθετούνται στις δυο άκρες της γραμμής. Ο δίαυλος αυτός μεταφέρει τόσο τις χαμηλές όσο και τις υψηλές συχνότητες ταυτόχρονα, τις χαμηλές για τη μεταφορά του σήματος της φωνής και τις υψηλές για τα δεδομένα. Ανάλογα με το είδος του modem που θα συνδέσουμε, πετυχαίνουμε και διαφορετικές επιδόσεις. Με το DSL επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων μέχρι και 52,8 Mbps από το Διαδίκτυο ή άλλο απομακρυσμένο Τηλεπικοινωνιακό Δίκτυο προς το χρήστη -downstream- και 2,3 Mbps από το χρήστη προς το Διαδίκτυο - upstream- ενώ ταυτόχρονα μεταφέρονται και τα αναλογικά σήματα της φωνής. Το xdsl επιτρέπει επίσης, τη χρήση ενός μέρους του εύρους για τη μεταφορά αναλογικού σήματος (φωνής), επιτρέποντας έτσι την ταυτόχρονη χρήση μιας φυσικής γραμμής για την τηλεφωνική σύνδεση, αλλά και τη μετάδοση δεδομένων. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή τηλεφωνία και τις υπηρεσίες OTE-ISDN όλες οι υπηρεσίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα. Για παράδειγμα μπορούν να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα 2 τηλεφωνικές γραμμές και μία σύνδεση στο internet με ταχύτητα 256Κbps download και 128Κbps upload. Η τεχνολογία DSL λειτουργεί στέλνοντας ένα πολύ υψηλό σήµα φέροντος πάνω στις γραµµές επιτυγχάνοντας έτσι υψηλές ταχύτητες. Επίσης, µπορεί να συνυπάρχει µε το τηλεφωνικό δίκτυο. Χαρακτηριστικό της υπηρεσίας αυτής είναι ότι η σύνδεση στο δίκτυο είναι συνεχής (continuously connected service). Οι πιο διαδεδομένες τεχνολογίες DSL είναι οι παρακάτω: ΤΥΠΟΣ Συμμετρικό/ Ασύμμετρο Downstream Upstream Υποστήριξη τηλεφώνου adsl Ασύμμετρο 1,5-6,1 Mbps 64-640 Kbps - G.lite adsl Ασύμμετρο Έως 1,5 Έως 500 + Mbps Kbps adsl2/2+ Ασύμμετρο 12/24 Mbps 3/3-4 Mbps + hdsl Συμμετρικό 1,5 Mbps 1,5 Mbps - 19

Hdsl2 Συμμετρικό 1,5 Mbps 1,5 Mbps - idsl Συμμετρικό 144 Kbps 144 Kbps - msdsl Συμμετρικό 1,5 Mbps 1,5 Mbps - radsl Και τα δύο 1-7 Mbps 64-640 Kbps + sdsl Συμμετρικό 2,3 Mbps 2,3 Mbps - shdsl Συμμετρικό 2,3 Mbps 2,3 Mbps - vdsl Ασύμμετρο Έως 54 Mbps Πάνω από 1,5 Mbps + 1.2.1. HDSL Η HDSL(High Speed Digital Subscriber Line) είναι η πρώτη υπηρεσία DSL που αναπτύχθηκε από την εταιρία Bellcore στα τέλη της δεκαετίας του 80, και χρησιµοποιεί δύο ζεύγη καλωδίων. Οι ρυθµοί µετάδοσης που επιτυγχάνονται µε την υπηρεσία αυτή είναι της τάξης του 1.5 Mbps και επιτρέπει μεταδόσεις σε αποστάσεις μέχρι 5.5 Km πάνω από υπάρχουσες γραμμές χαλκού με τη χρήση ζεύγους τερματικού εξοπλισμού (base band modem). Με δυο τέτοια παράλληλα κυκλώματα, η τεχνολογία αυτή μπορεί να υποστηρίξει αμφίδρομη επικοινωνία 1.544 Mbps. Η προδιαγραφή τους δεν υποστηρίζει ταυτόχρονη μετάδοση αναλογικού (τηλεφωνικού) σήματος. Η συγκεκριµένη υπηρεσία έχει πλέον ξεπεραστεί (λόγω του ότι τη θέση της έχει καταλάβει το ADSL). ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ HDSL Η πρώτη xdsl τεχνολογία που είχε αναπτυχθεί είναι η HDSL, και είναι διαθέσιμη εμπορικά για αρκετά χρόνια τώρα. Η HDSL τεχνολογία είναι η πρώτη που παρέχει ψηφιακή μετάδοση υψηλής ταχύτητας, χρησιμοποιώντας τις ήδη υπαρκτές τηλεφωνικές γραμμές. Βασικά αποτελεί έναν πολύ αποδοτικό τρόπο μετάδοσης πλαισίων Τ1 (1.54 Mbps) και Ε1 (2 Mbps) μέσω των γραμμών χαλκού, και χρησιμοποιεί ένα εύρος φάσματος από 80-240 KHz. Για να πετύχουμε αυτούς τους ρυθμούς για μια απόσταση των 4 Km πρέπει να χρησιμοποιηθούν δύο ζεύγη καλωδίων. Κάθε συρμός δεδομένων χωρίζεται σε δύο ή σε τρεις συρμούς (για Τ1 και Ε1 αντίστοιχα), οι οποίοι μεταδίδονται ανεξάρτητα μέσω δύο ή τριών ζευγών καλωδίων αντίστοιχα, και επανασυνδέονται στον δέκτη. Για παράδειγμα στη περίπτωση των πλαισίων Τ1, τα 1.554.000 bits ανά δευτερόλεπτο χωρίζονται σε δύο ίσα τμήματα με εύρος 784.000 bits ανά δευτερόλεπτο και μεταδίδονται μέσω δύο γραμμών (τέσσερα καλώδια). ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ HDSL Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω η τεχνολογία HDSL αποτέλεσε την πρώτη xdsl τεχνολογία. Το βασικό της πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι απαιτεί μικρό εύρος ζώνης προκειμένου να μεταδώσει Τ1 και Ε1 πλαίσια. Επίσης έχει απλή υλοποίηση, εξασφαλίζει μικρότερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης (για τον service provider) σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνολογίες DSL και αυτοί που παρέχουν υπηρεσίες δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν 20

ειδικούς repeaters (για μικρές αποστάσεις). Η HDSL τεχνολογία αποτελεί μια καλή λύση για όσους παρέχουν υπηρεσίες. Το γεγονός ότι η μεταδιδόμενη πληροφορία χωρίζεται σε δύο συρμούς μειώνει κατά πολύ την ισχύ μετάδοσης και, λόγω του περιορισμένου εύρους ζώνης που χρησιμοποιεί, είναι πιο σθεναρή στο θόρυβο και στις παρεμβολές. Όμως, από τη μεριά του χρήστη, η τεχνολογία αυτή παρουσιάζει μερικές ατέλειες που δεν την καθιστούν πολύ δημοφιλή. Αφού λοιπόν το κύριο μέλημα των χρηστών είναι το κόστος, η εγκατάσταση του απαραίτητου εξοπλισμού (modem και εξωτερικός voice splitter) αλλά και η χρήση μιας δεύτερης τηλεφωνικής γραμμής αυξάνει σημαντικά το κόστος πρόσβασης στο Internet (λαμβάνοντας υπόψη και το κόστος συνδρομής και σύνδεσης). Η τεχνολογία HDSL2, χρησιμοποιώντας μόνο ένα ζεύγος καλωδίων (για την μετάδοση της ίδια πληροφορίας) μειώνει το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας ενός συστήματος. Για την HDSL2, μπορούμε να αναφέρουμε συμπερασματικά ότι έχουμε μείωση των παρεμβολών και χρήση ενός ζεύγους καλωδίων. Λόγω του γεγονότος ότι χρησιμοποιεί ένα ζεύγος καλωδίων, αυξάνεται η ισχύς για τη μετάδοση του σήματος. Έτσι, οι απώλειες είναι μεγαλύτερες απ ότι στην HDSL των δύο ζευγών. Σαν αποτέλεσμα αυτού είναι ότι η HDSL2 έχει πολύ λιγότερες ικανότητες οδήγησης απ ότι η HDSL. Τέλος, μελετώντας τα ΗDSL προϊόντα που προσφέρονται από τις κατασκευαστικές εταιρίες, παρατηρούμε ότι υπάρχει μικρός αριθμός υλοποιημένων προϊόντων. 1.2.2. SDSL Η SDSL(Symmetric digital Subscriber Line) είναι τεχνολογία παρόµοια µε την HDSL, µόνο που η μετάδοση των δεδοµένων απαιτεί µόνο ένα ζεύγος καλωδίων, κάτι που την καθιστά πιο οικονοµική από πλευράς των εταιριών παροχής. Προσφέρει τις ίδιες ταχύτητες upstream και downstream και έχει μεγαλύτερη εφαρμογή σε επιχειρηματικά περιβάλλοντα, καθώς και οι δύο αυτές ταχύτητες είναι εξίσου σημαντικές (π.χ. επειδή οι εγκατεστημένοι web servers χρειάζονται μεγάλη ταχύτητα upload). Είναι ακριβότερη από την αντίστοιχη ADSL. ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ SDSL Τα συστήματα επικοινωνίας που αναπτύσσονται αυτόν τον καιρό ή αναπτύχθηκαν ήδη, έχουν την δυνατότητα να επιτυγχάνουν Τ1 ή Ε1 ρυθμούς μετάδοσης σ ένα μόνο δισύρματο καλώδιο σε αποστάσεις που μερικές φορές ξεπερνούν ακόμα και αυτές που επιτυγχάνονται από ένα HDSL σύστημα, που χρησιμοποιεί δύο ζεύγη καλωδίων. Αυτή η υλοποίηση της Τ1 ή Ε1 γραμμής μετάδοσης, συνήθως καλείται SDSL. Παρέχει συμμετρική, δικατευθυντήρια επικοινωνία υψηλού μεταβλητού ρυθμού, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζει την τηλεφωνική υπηρεσία. Εξ αιτίας του γεγονότος ότι μόνο ένα ζεύγος καλωδίων απαιτείται για την μετάδοση, αξιοποιείται αποτελεσματικότερα η ήδη υπάρχουσα υποδομή του δικτύου και ευνοείται η σύντομη και με 21

ικανοποιητικό κόστος υλοποίηση υπηρεσιών που απαιτούν μέσους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Οι δυνατοί ρυθμοί μετάδοσης του SDSL κυμαίνονται από 160 Kbps μέχρι και 2.048 Mbps, παρόλο που ο πιο διαδεδομένος ρυθμός μετάδοσης που χρησιμοποιείται είναι 768 Κbps και προς τις δύο κατευθύνσεις. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται συνήθως σε περιπτώσεις που απαιτούνται όμοιοι ρυθμοί μετάδοσης, και προς τις δύο κατευθύνσεις. Ειδικότερα, η SDSL απευθύνεται στους απλούς χρήστες που συνήθως τους διατίθεται μία μόνο τηλεφωνική γραμμή. Τέλος, εξ αιτίας της συμμετρικής φύσεως της τεχνολογίας αυτής, η εφαρμογή της για την επίλυση των απαιτήσεων μιας εταιρίας είναι συνήθως επιβεβλημένη. Αν συγκρίνουμε την SDSL με την ADSL τεχνολογία, παρατηρούμε ότι οι SDSL υπηρεσίες δεν είναι διαθέσιμες σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 3333,33m. Από την άλλη πλευρά, σε τέτοιες αποστάσεις, η ADSL τεχνολογία επιτυγχάνει ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 6Mbps. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του γεγονότος ότι τα συμμετρικά συστήματα μετάδοσης επηρεάζονται σε μεγαλύτερο βαθμό από το crosstalk φαινόμενο. Από την άλλη πλευρά όμως, η SDSL τεχνολογία επιτρέπει στους παροχείς υπηρεσιών να αποκτήσουν σύντομα μεγάλη εμπειρία στην υποστήριξη νέων υπηρεσιών δεδομένων, διατηρώντας ταυτόχρονα τον εξοπλισμό δικτύου που ήδη έχουν, έτσι ώστε να μπορούν με εύκολο τρόπο να μεταβούν σε τεχνολογίες υψηλότερου ρυθμού μετάδοσης όταν αυτές θα είναι περισσότερο ώριμες τόσο από λειτουργική όσο και από κατασκευαστική άποψη. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ SDSL Οι χρήστες που βρίσκονται σε εταιρίες έχουν μια μεγάλη απαίτηση εύρους ζώνης σε αντίθεση με τους οικιακούς χρήστες.είναι επομένως φανερό ότι οι χρήστες που εργάζονται σε εταιρίες θα είναι αυτοί οι οποίοι θα καθορίσουν το είδος της xdsl τεχνολογίας που θα αναπτυχθεί. Η δημιουργία μιας υπηρεσίας για τους χρήστες συνεπάγεται την παροχή αξιόπιστων λύσεων για την υποστήριξη ιδιαίτερα κρίσιμων εφαρμογών. Τέτοιες λύσεις μπορούν γρήγορα να προκύψουν αξιοποιώντας τα χαρακτηριστικά που προσφέρει η SDSL. Η τεχνολογία αυτή, που χρησιμοποιεί ένα μόνο ζεύγος καλωδίων και επιτυγχάνει την μετάδοση με ταχύτητες μέχρι και 2 Mbps με συμμετρικό τρόπο ανάλογα με την ποιότητα και το μήκος του καλωδίου, βασίζεται στην HDSL τεχνολογία που αρχικά χρησιμοποιήθηκε για την επίτευξη Τ1 ή Ε1 υπηρεσιών χωρίς την χρήση επαναληπτών σε περιοχές που η εγκατάστασή τους ήταν προβληματική ή ιδιαίτερα δαπανηρή. Ένα βασικό πλεονέκτημα της SDSL που οδηγεί στην αξιοποίηση της είναι ότι αποτελεί μια προσιτή υλοποίηση της Xdsl τεχνολογίας εξ αιτίας του γεγονότος ότι το SDSL χρησιμοποιεί την ίδια τεχνική διαμόρφωσης με αυτή του HDSL, που είχε αξιοποιηθεί τα προηγούμενα χρόνια και επωφελείται από την ωριμότητα των HDSL υλοποιήσεων. Για παράδειγμα, τα SDSL chipsets έχουν αρκετά χαμηλή τιμή, με αποτέλεσμα οι παροχείς υπηρεσιών να μπορούν γρήγορα να προσφέρουν στους χρήστες τους μετάδοση δεδομένων με υψηλό 22

ρυθμό. Επίσης έχουμε μικρή κατανάλωση αφού τα SDSL modems που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια έχουν κατανάλωση που δεν ξεπερνά τα 4 Watt. Το γεγονός αυτό αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα για τους παροχείς υπηρεσιών. Επιπλέον έχουμε αποφυγή παρεμβολών επειδή η κωδικοποίηση γραμμής που χρησιμοποιεί είναι ίδια με αυτή του HDSL και του ISDN με αποτέλεσμα να μην δημιουργούνται παρεμβολές με τις ήδη υπάρχουσες υπηρεσίες, όπως η Τ1. Αυτό σημαίνει ότι οι παροχείς των υπηρεσιών μπορούν να δημιουργήσουν SDSL λύσεις χωρίς να ανησυχούν για την επίδραση που θα έχουν σε άλλες υπηρεσίες που βρίσκονται σε γειτονικά καλώδια. Ακόμα η συμμετρική φύση του SDSL αποτελεί μια πολύ καλή λύση για τις εταιρίες εκείνες που χρειάζονται την λήψη και την μετάδοση δεδομένων με τον ίδιο ρυθμό. 1.2.3. VDSL Η VDSL(Very High Data Rate) είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία, η οποία βρίσκεται ακόμα υπό ανάπτυξη και που μπορεί να επιτύχει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης αλλά σε περιορισμένη απόσταση. Τυπικά υποστηρίζει ρυθμό μετάδοσης 12 Mbps μέχρι απόσταση 1,5 Km, όμως η προδιαγραφή της προβλέπει και ψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης, θεωρητικά μέχρι 51 Mbps στα 300m. Είναι ευαίσθητη σε παρεμβολές από γειτονικά κυκλώματα που μεταφέρουν ISDN ή DSL σήμα. Περισσότερο χρησιμοποιείται προς το παρόν για διασύνδεση μεταξύ δυο τοπικών δικτύων Ethernet (Long Reach Ethernet). Εντούτοις αναμένεται να υλοποιηθεί για την παροχή ευρυζωνικής πρόσβασης για την διασύνδεση ενός συνδρομητή σε δίκτυο με υποδομή οπτικής ίνας που καταλήγει κοντά σε αυτόν (π.χ. στη γειτονιά ή το κτίριό του). Χαρακτηρίστηκε ως η ουτοπία του DSL επειδή οι εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες που προσφέρει μπορεί να επιτευχθούν μόνο σε κοντινές αποστάσεις. ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ VDSL H τεχνολογία VDSL είναι επέκταση της ADSL και μελετάται από τον οργανισμό ETSI, με στόχο να επιτευχθεί η προτυποποίησή της. Σε αντίθεση με την ADSL, η VDSL έχει την δυνατότητα να λειτουργήσει τόσο με συμμετρικό όσο και με ασύμμετρο τρόπο, χρησιμοποιώντας είτε μια απλή τηλεφωνική γραμμή είτε μια ISDN γραμμή, μεταδίδοντας δεδομένα με υψηλές ταχύτητες σε μικρές αποστάσεις. Ο ασύμμετρος τρόπος λειτουργίας του VDSL απευθύνεται κυρίως στους οικιακούς χρήστες, δίνοντας τους την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν υπηρεσίες ευρείας ζώνης μετάδοσης. Η συνύπαρξη τηλεφωνικών και VDSL σημάτων στο ίδιο καλώδιο πραγματοποιείται με τον διαχωρισμό των συχνοτήτων μετάδοσης με την χρήση ενός εξωτερικού splitter. Η VDSL τεχνολογία μοιάζει αρκετά με την ADSL, παρότι η VDSL διαχειρίζεται ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων και επομένως η υλοποίηση του θα είναι πολύ πιο δύσκολη. Για την υλοποίηση του VDSL έχουν προταθεί τέσσερις διαφορετικοί κώδικες γραμμής που είναι: 23

CAP: Αποτελεί μια διαφορετική μορφή της QAM διαμόρφωσης γραμμής και έχει αναλυθεί πλήρως σε προηγούμενη παράγραφο. DMT: Είναι μια διαμόρφωση που χρησιμοποιεί ένα σύστημα με πολλαπλούς φορείς και διακριτό μετασχηματισμό Fourier για να δημιουργήσει και να αποδιαμορφώσει τους φορείς στην συχνότητα. DWMT: Είναι μια τεχνική διαμόρφωσης με πολλαπλούς φορείς που χρησιμοποιείται ώστε να αξιοποιηθεί το σύνολο των δυνατοτήτων των χάλκινων καλωδίων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η προσφορά υπηρεσιών ευρείας ζώνης και προς τις δύο κατευθύνσεις. SDMT: Είναι μια τεχνική διαμόρφωσης που συνδυάζει δύο διαφορετικές τεχνικές μετάδοσης δεδομένων, την DMT για την μετάδοση και την τεχνική χρονικής απόπλεξης (TDD) για τον προγραμματισμό του ανοδικού και καθοδικού ρυθμού μετάδοσης. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ VDSL Η VDSL είναι μια τεχνολογία μετάδοσης παρόμοια με την ADSL εκτός του ότι οι ρυθμοί μετάδοσης είναι μεγαλύτεροι και οι αποστάσεις μικρότερες. Τηλεφωνικές υπηρεσίες (POTS) υποστηρίζονται όπως και στην περίπτωση του ADSL. Σε αντίθεση με την ADSL, η VDSL μπορεί και λειτουργεί είτε συμμετρικά είτε ασύμμετρα χρησιμοποιώντας μια απλή δισύρματη γραμμή ή μια βασική ISDN γραμμή. Σήμερα, δεν υπάρχουν τυποποιήσεις για την VDSL, αλλά οι ρυθμοί μετάδοσης και οι αποστάσεις κυμαίνονται από 12 Mbps για αποστάσεις μέχρι 1.5 Km καλωδίου, και 52 Mbps για αποστάσεις μέχρι 300 m (downstream - από το κεντρικό γραφείο(server-switching office) μέχρι τον χρήστη). Για upstream μετάδοση (από τον χρήστη μέχρι το κεντρικό γραφείο(server)) οι προτεινόμενοι ρυθμοί μετάδοσης είναι από 1.6 Mbps μέχρι 2.3 Mbps. Λόγω του ότι, οι αποστάσεις που μπορούν να καλυφθούν είναι μικρές, η VDSL μπορεί να υλοποιηθεί μόνο σε περιπτώσεις όπου τα CO's είναι κοντά. Σε διαφορετική περίπτωση η οπτική ίνα πρέπει να φτάνει μέχρι τα KV's. Επίσης, λόγω του ότι οι αποστάσεις που μπορούν να καλυφθούν είναι μικρότερες, εμφανίζονται λιγότερα προβλήματα σχετικά με την απόδοση των γραμμών, πράγμα που έχει ως αντίτιμο τη τιμή των VDSL modems συγκριτικά με τα αντίστοιχα της ADSL τεχνολογίας. Έχει καθοριστεί μέσω ερευνών και δοκιμών ότι η QAM είναι η πιο εφαρμόσιμη μέθοδος διαμόρφωσης, λαμβάνοντας υπ όψη την κατανάλωση ισχύος, την απόδοση και το κόστος. Ως τεχνολογία προσανατολισμένη στο χρήστη, το κόστος αποτελεί επίσης έναν σημαντικό παράγοντα. Το VDSL αναμένεται να χρησιμοποιηθεί για μετάδοση Video και εφαρμογές πολυμέσων και η απαίτηση για οπτική ίνα μέχρι τα KV την κάνει να αποτελεί μια ακριβή, πολλές φορές φουτουριστική τεχνολογία, αφού οι επενδύσεις, που πρέπει να πραγματοποιηθούν, για την ανάπτυξη ή βελτίωση της υποδομή είναι τεράστιες. Ακόμη, θα πρέπει να μελετηθούν οι υποψήφιοι χρήστες και να καθοριστούν σαφέστατα οι υπηρεσίες που μια τηλεπικοινωνιακή εταιρία θέλει και μπορεί να προσφέρει. 24

Σήμερα τα υπάρχοντα προϊόντα που υποστηρίζουν αυτή την τεχνολογία στην Ευρώπη αλλά και στην Ελλάδα είναι λίγα διότι αυτή δεν έχει εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα. Οι εταιρίες προσφέρουν modems που επιτυγχάνουν ταχύτητες από 12 έως 53 Mbps για 1,5 Km - 300 m. Τέλος, αν και οι ρυθμοί μετάδοσης της VDSL τεχνολογίας αποτελούν μια ιδανική κατάσταση, οι απαιτήσεις των χρηστών μέχρι σήμερα δεν την καθιστούν αναγκαία. Οι τελικοί χρήστες έχουν απαίτηση για γρήγορη πρόσβαση στο Internet, οπότε οι ρυθμοί που επιτυγχάνονται με άλλες xdsl τεχνολογίες, όπως ADSL και RADSL θεωρούνται ικανοποιητικοί. 1.2.4. IDSL ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ IDSL H διαρκής εμφάνιση κατασκευαστών DSL προϊόντων έχει σαν αποτέλεσμα τις συχνές αλλαγές στην τεχνολογία αυτή. Για παράδειγμα, το ISDN-DSL ή IDSL εμφανίστηκε αρχικά σαν μία νέα εξέλιξη της τεχνολογίας που ήδη υπήρχε (αναλογική τεχνολογία) κατά την δεκαετία του 80. Παρόλο που το IDSL αναβαθμίζει μια υπάρχουσα τεχνολογία, στην πραγματικότητα αποτελεί λειτουργικά ένα υποσύνολο του ISDN, με την έννοια ότι δεν υποστηρίζει τηλεφωνική υπηρεσία. Ειδικότερα το IDSL αποτελεί ένα σύστημα στο οποίο αποκλειστικά, ψηφιακά δεδομένα μεταδίδονται με ταχύτητα 128 Kbps μέχρι τα 6.000 m σε ένα κοινό χάλκινο τηλεφωνικό καλώδιο ανάμεσα στο CO και στον χρήστη με ψηφιακό τρόπο. Παρόλο που η ταχύτητα του IDSL είναι όμοια με αυτή του ISDN, το IDSL έχει το πλεονέκτημα της αποφυγής της συμφόρησης του δικτύου μετάδοσης φωνής, μειώνοντας τις Ιnternet κλήσεις στο δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος. Η μόνη απαίτηση του από την εταιρία που παρέχει την υπηρεσία, είναι η τοποθέτηση ειδικών συγκεντρωτών σε κάθε CO και η σύνδεση των συσκευών σ ένα μεγαλύτερο δίκτυο δεδομένων πάνω από Τ1 ή Frame relay links. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ IDSL Το IDSL αποτελεί μία από τις πιθανές υλοποιήσεις τις xdsl τεχνολογίας και είναι μια αρκετά ικανοποιητική προσέγγιση που επιτρέπει την χρήση της ήδη υπάρχουσας ISDN τεχνολογίας για μετάδοση μόνο δεδομένων και όχι φωνής. Δηλαδή χρησιμοποιεί το ήδη εγκατεστημένο ISDN. Οι εταιρίες που προσφέρουν Internet και POTS υπηρεσίες μπορούν με εύκολο τρόπο να αναβαθμίσουν τον ISDN εξοπλισμό δικτύου που ήδη έχουν, εξασφαλίζοντας στους χρήστες 128 Kbps. Από την άλλη πλευρά οι ISDN χρήστες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα modem που ήδη έχουν. Επομένως, για αρκετές χώρες της Ευρώπης, που η ιδέα του ISDN δεν έχει εγκαταλειφθεί ακόμα, η IDSL αποτελεί μια αρκετά ελκυστική τεχνολογία, κάτι το οποίο όμως δεν ισχύει για τις χώρες της Αμερικής, όπου το ISDN έχει οριστικά περάσει στο περιθώριο. Επίσης έχει φτηνή υλοποίηση και το γεγονός αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό τόσο για τους καταναλωτές, που απαιτούν χαμηλό κόστος εγκατάστασης του modem, όσο και για τους παροχείς υπηρεσιών που επιζητούν την επένδυση 25

ενός λογικού ποσού κατά την εφαρμογή μιας νέας τεχνολογίας. Επιπλέον αποκλείει τη συμφόρηση στο δίκτυο αφού η IDSL παρακάμπτει τους διακόπτες δικτύου, μειώνοντας τις Internet κλήσεις των χρηστών προς το δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος. Ενώ και ο ρυθμός μετάδοσης των 128 Kbps για πολλές εφαρμογές είναι αρκετά ικανοποιητικός για τους χρήστες κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την μείωση του χρησιμοποιούμενου εύρους ζώνης. Βέβαια, ιδιαίτερα σημαντικό είναι το γεγονός ότι η τεχνολογία IDSL πραγματοποιεί, σε αντίθεση με το ISDN, την μετάδοση μόνο δεδομένων και όχι φωνής. Το γεγονός αυτό επομένως οδηγεί στην χρήση μιας επιπλέον γραμμής για την μετάδοση φωνής, κάτι που είναι ιδιαίτερα ασύμφορο. 1.2.5. RADSL ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ RADSL Το Rate Adaptive DSL (RDSL) αναφέρεται σε ένα περιορισμό που υπήρχε σε μερικές πρώιμες υλοποιήσεις του ADSL, κυρίως αυτών που ήταν βασισμένα στον CAP (carrierless amplitude/phase modulation) κώδικα γραμμής. Κάποιες αρχικές εφαρμογές σε modem ADSL διατηρούσαν σταθερό τον ρυθμό δεδομένων και προς τις δύο κατευθύνσεις ώστε να διατηρείται η γραμμή περισσότερο συνδεδεμένη. Σήμερα ως RADSL εννοούμε το ADSL το οποίο χρησιμοποιεί τον κώδικα γραμμής QAM ή CAP ο οποίος είναι ένα ιδιοκτησιακό πρότυπο της Globespan Semiconductors και της AT&T. Πρέπει να τονιστεί ότι τα ADSL που χρησιμοποιούν κώδικα γραμμής DMT σύμφωνα με το πρότυπο Τ1.413 είναι επίσης rate adaptive (προσαρμοστικά ποσοστά) αλλά γενικά δεν αναφέρονται έτσι. Ο uplink ρυθμός δεδομένων είναι ανάλογος πρός τον downlink ρυθμό και εξαρτάται από τις συνθήκες της γραμμής και το λόγο σήματος προς θόρυβο. Τα RADSL συστήματα υλοποιούνται με χρήση FDM. Aυτό έχει σαν αποτέλεσμα το upstream κανάλι που φτάνει ρυθμό μέχρι 1 Mbps να καταλαμβάνει τη μεσαία περιοχή μετά την τηλεφωνία και το downstream την ανώτερη περιοχή. Τα προβλήματα που παρουσιάζονται αφορούν τη συμβατότητα όσο αφορά το φάσμα συχνοτήτων μεταξύ των RADSL modems με QAM ή CAP με τα ΑDSL modems με DMT ή CAP στα οποία το upstream κανάλι φτάνει ρυθμούς το πολύ μέχρι 640 Κbps. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ RADSL Τα προβλήματα που παρουσιάζονται και επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία των εγκατεστημένων συστημάτων εξαρτώνται από το μήκος των καλωδίων, την διάμετρο και την κατάσταση των καλωδίων ακόμα και από τις καιρικές συνθήκες. Όλες αυτές οι παράμετροι διαφέρουν από δίκτυο σε δίκτυο παρόλο που παρέχονται από τον ίδιο τηλεπικοινωνιακό οργανισμό. Για να ξεπεραστούν λοιπόν αυτά τα προβλήματα και να διατηρηθεί η ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών σε ικανοποιητικά επίπεδα αναπτύχθηκαν τεχνικές προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης. Επιπρόσθετα, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση πληροφορίας, πραγματοποιούνται μια σειρά από δοκιμές στο δίκτυο 26

προκειμένου να ανιχνευτεί ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο μπορούν να μεταδοθούν τα δεδομένα. Η ικανότητα αυτή της προσαρμογής του ρυθμού είναι προϊόν της RADSL τεχνολογίας, η οποία βασίζεται στις ADSL και SDSL τεχνολογίες. Η RADSL είναι μια ευέλικτη τεχνολογία που υλοποιεί τα χαρακτηριστικά μετάδοσης και των δύο τεχνολογιών, χρησιμοποιώντας ότι καλύτερο έχει να προσφέρει η καθεμία. Ο μεταβλητός ρυθμός μετάδοσης προσφέρει σημαντικά οφέλη στους κατασκευαστές, οι οποίοι μπορούν και πουλούν ένα DSL προϊόν καλύπτοντας ένα φάσμα ρυθμών μετάδοσης και χρησιμοποιώντας και τους δύο τρόπους, τον συμμετρικό και τον ασύμμετρο. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της RADSL τεχνολογίας είναι ότι επιτρέπει τηλεφωνική συνδιάλεξη και μετάδοση δεδομένων συγχρόνως. Την τεχνολογία RADSL δείχνουν να εμπιστεύονται τελικά και οι κατασκευαστές, προσφέροντας μια πλήρη γκάμα προϊόντων αλλά και ολοκληρωμένων συστημάτων. Επίσης, οι περισσότερες εταιρίες υπόσχονται πολύ υψηλούς ρυθμούς δεδομένων και για αρκετά μεγάλες αποστάσεις. 1.2.6. UDSL ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ UDSL Οι πρώτες δοκιμές με τα ADSL και RADSL έφεραν στην επιφάνεια ένα σοβαρό πρόβλημα, στα κτίρια των πελατών. Τα ADSL και RADSL απαιτούσαν την εγκατάσταση και συντήρηση μιας συσκευής, το voice splitter. Πρώτα έπρεπε να γίνει η εγκατάσταση των splitter και οποιασδήποτε πιθανής καλωδίωσης. Ο splitter παρέχονταν, ως μέρος της υπηρεσίας, πράγμα που αύξανε σημαντικά το κόστος. Έτσι εάν ήταν δυνατή η εγκατάσταση και αρχικοποίηση ADSL και RADSL ταχυτήτων, και η σύγχρονη υποστήριξη αναλογικών συσκευών χωρίς την χρήση ενός splitter, θα μιλούσαμε για μια πολύ ελκυστική εναλλακτική μορφή του καθαρού ADSL και RADSL. Η τεχνολογία UDSL (Universal ADSL), επίσης γνωστή και ως ADSL-lite, αναπτύχθηκε από μια ομάδα εργασίας το 1997 η οποία περιλαμβάνει την εταιρεία Microsoft καθώς επίσης τηλεπικοινωνιακούς φορείς και κατασκευαστές από όλο το κόσμο. Η ομάδα εργασίας κάτω από το τίτλο Universal ADSL Working Group (UAWG), σχηματίστηκε για να αναπτύξει μια προδιαγραφή παγκόσμια, ανοικτή, χωρίς διάταξη διαχωρισμού φωνής δεδομένων ( splitterless ), ως επέκταση της τυποποίησης T1.413 ADSL, η οποία θα υποστηρίζει μέχρι 1,5 Mbit/s στο κανάλι καθόδου (τυπικά μέχρι 500 kbit/s) και 512 kbit/s στο κανάλι ανόδου σε μεγαλύτερα μήκη τοπικού βρόχου (μ ένα απλό συνεστραμμένο ζεύγος καλωδίων). Η τεχνολογία UDSL σχεδιάστηκε ως μια χαμηλού κόστους και μικρότερου εύρους ζώνης τεχνολογία ADSL και ως εκ τούτου είναι κατάλληλη για γρήγορες υπηρεσίες Internet αλλά όχι για εφαρμογές κινούμενης εικόνας. Στο Σχήμα που ακολουθεί δείχνεται η γενική αρχιτεκτονική ενός UDSL συστήματος. 27

splitter splitter Internet/ Intranet PSTN voice IP router or ATM switch PSTN voice/ circuit sxitch UDSL modem One pair of wires UDSL modem Existing voice equipment PC / LAN Downstream speed defined to 1.0 Mbps Upstream speed defined us much less (128 Kbps) Σχήμα 1.2-UDSL δίκτυο ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ UDSL Για να επιτύχει εμπορικά οποιαδήποτε νέα υπηρεσία υψηλού ρυθμού μετάδοσης, πρέπει να εγκαθίσταται με εύκολο τρόπο τόσο στη πλευρά του παροχέα της υπηρεσίας όσο και στη πλευρά του χρήστη. Με αυτό το σκεπτικό, μία νέα μορφή της DSL τεχνολογίας εμφανίστηκε, που ονομάζεται DSL G.Lite. Η τεχνολογία αυτή μεταδίδει δεδομένα με ταχύτητες πάνω από 1.5 Mbps για την downstream κατεύθυνση και πάνω από 512 Kbps για την upstream κατεύθυνση. Η τεχνολογία αυτή εξασφαλίζει όλα τα θετικά σημεία του ADSL, ενώ ταυτόχρονα έχει και κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τα οποία επιλύουν προβλήματα της τεχνολογίας ADSL όπως την αποφυγή της χρήσης εξωτερικού splitter που μάλιστα θα μπορούσαμε να πούμε ότι αποτελεί και το κλειδί της συγκεκριμένης τεχνολογίας, καθώς στη περίπτωση αυτή η υπάρχουσα τηλεφωνική υπηρεσία δεν επηρεάζεται από τη προσθήκη του DSL. Τα τηλεφωνικά σήματα διαχωρίζονται και προωθούνται στο τοπικό, ψηφιακό, δίκτυο επιλογής, ενώ τα δεδομένα συγκεντρώνονται σ ένα μεγαλύτερο σύστημα και μεταφέρονται μέσα από ένα Frame Relay ή ένα ATM δίκτυο. Επίσης με την ενσωμάτωση του splitter στο modem, εξαλείφεται η ανάγκη ενός ειδικού τεχνικού που θα τον εγκαταστήσει τόσο στον χρήστη όσο και στον παροχέα της υπηρεσίας. Με την απλούστευση αυτή ενεργοποιείται η μαζική εξάπλωση της τεχνολογίας αυτής και επιπλέον, μειώνεται το συνολικό κόστος εγκατάστασής της. Επιπλέον λειτουργεί με always on τρόπο με την έννοια ότι από τη στιγμή που κάποιος συνδέεται στο δίκτυο, παραμένει σ αυτό για όσο χρόνο επιθυμεί. Με τον τρόπο αυτό, οι χρήστες θα μπορούν να λαμβάνουν το e-mail τους τη στιγμή που αυτό λαμβάνεται και γενικά, να απολαμβάνουν συνεχώς τις εφαρμογές που τους προσφέρονται. Το γεγονός της πρότασης του DSL G.Lite, δεν ανακαλεί την απαίτηση του ADSL πλήρους ρυθμού μετάδοσης, αλλά μπορούμε να πούμε ότι αποτελεί ένα ενδιάμεσο βήμα ανάμεσα στα αναλογικά modems που υπάρχουν σήμερα και στη δυναμική λύση του ADSL. Το DSL G.Lite θα ενεργοποιήσει την εξάπλωση της DSL τεχνολογίας σε όλους του χρήστες. Η απαίτηση αυτών για πρόσβαση στο Internet με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης θα κινητοποιήσει τους παροχείς υπηρεσιών για την εγκατάσταση του απαραίτητου εξοπλισμού που θα υποστηρίζει την νέα τεχνολογία. 28

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ADSL Η ΕΥΡΥΤΕΡΑ ΔΙΑΔΕΔΟΜΕΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 2.1 ADSL ΚΑΙ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΥΠΟΔΟΜΗ Η τεχνολογία Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) προσπαθεί να επιλύσει το πρόβλημα της κυκλοφοριακής συμφόρησης του δικτύου που παρουσιάζεται στα τελευταία χιλιόμετρα του δικτύου πρόσβασης μεταξύ του παροχέα πρόσβασης δικτύου και του χρήστη των υπηρεσιών δικτύου. Χρησιμοποιεί το πιο κοινό μέσο μετάδοσης δηλαδή τα συνεστραμμένα καλώδια χαλκού του τηλεφωνικού δικτύου πετυχαίνοντας υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης (μέχρι και 8 Mbps) που δίνουν τη δυνατότητα στους χρήστες των δικτύων να κάνουν πράξη προηγμένες επικοινωνιακές εφαρμογές εξασφαλίζοντας παράλληλα απόδοση και αξιοπιστία με χαμηλό κόστος. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται ένα συγκριτικό διάγραμμα απ όπου είναι εμφανές ότι οι υπηρεσίες βασισμένες, στην τεχνολογία DSL, υπερέχουν σε απόδοση, και παρέχουν σημαντικά πλεονεκτήματα στους χρήστες των υπηρεσιών δικτύου, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους πρόσβασης. Network Service Provider Network Access Provider Service User ISP Network 28.8 kbps Analog modem Home PC Corporate Network Access Network T1/E1 DSU/CSU 1.544/2.048 Mbps Serv ice User CPE Frame Relay Network DSL ATU-R 7+ Mbps Serv ice User CPE Σχήμα 2.1-Συγκριτικό διάγραμμα ταχύτητας και απόδοσης Από το σχήμα αυτό φαίνεται ότι ο τελικός χρήστης έχει πρόσβαση στον παροχέα υπηρεσιών δικτύου (NSP:Network Service Provider) μέσω ενός παροχέα πρόσβασης δικτύου (NAP: Network Access Provider). Σε μία ανερχόμενη αγορά όπως αυτή του DSL η υποστήριξη πολλαπλών τύπων υπηρεσιών πάνω από την ίδια πλατφόρμα προσφέρει μια σημαντική προστασία της επένδυσης. Επίσης σημαντικοί παράμετροι για την ευελιξία των συστημάτων που βασίζονται στην τεχνολογία DSL είναι η επεκτασιμότητα ώστε να μπορεί να υποστηρίξει από μικρό έως μεγάλο πλήθος χρηστών και η 29

ικανότητα να παρέχει αξιόπιστη διαχείριση του δικτύου από άκρο σε άκρο για να υποστηρίζει παράλληλα και εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η τεχνολογία DSL δεν αποτελεί στην πραγματικότητα την επόμενη γενιά τεχνολογίας πρόσβασης δικτύου, αλλά εξελιγμένη μορφή της σημερινής γενιάς τεχνολογίας πρόσβασης δικτύου αφού χρησιμοποιεί τις δομές που ήδη υπάρχούν. 2.2. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ADSL 2.2.1. ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ADSL ΓΕΝΙΚΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ Αρχικά η τεχνολογία ADSL είχε αναπτυχθεί για να προσφέρει υπηρεσίες Videoon-demand με ρυθμό μετάδοσης downstream (από το CO προς τον χρήστη) της τάξης των 1.544 Mbps και ρυθμό μετάδοσης upstream (από τον χρήστη στο CO) από 16 Kbps έως 64 Kkbps. Στο Σχήμα που ακολουθεί δείχνεται η βασική αρχιτεκτονική ενός συστήματος ADSL όπως περιγράφεται από το ADSL Forum. V A U-C 2 U-C U-R U-R 2 T-SM Splitters ATU-C L ATU-R PDN POTS-C POTS-R PSTN Τηλέφωνα ATU-C ATU-R CO PDN PSTN POTS-C POTS-R ADSL Transmission Unit, CO Side ADSL Transmission Unit, Remote Side Central Office Premises Distribution Network Public Switched Telephone Network Διεπιφάνεια μεταξύ του PSTN και του splitter στην πλευρά του CO Διεπιφάνεια μεταξύ του PSTN και του splitter στην πλευρά του remote 30

T-SM U-C U-C 2 U-R U-R 2 V A Διεπιφάνεια μεταξύ του ΑΤU-R και των Service Modules Διεπιφάνεια U στην πλευρά του CO Διεπιφάνεια U στην πλευρά του CO από τον Splitter στο ATU-C Διεπιφάνεια U στην πλευρά remote Διεπιφάνεια U στην πλευρά remote από τον Splitter στο ATU-R Διεπιφάνεια V, στην πλευρά του CO από τον κόμβο πρόσβασης στην υπηρεσία δικτύου Σχήμα 2.2- Βασική αρχιτεκτονική ενός συστήματος ADSL Βασικό στοιχείο αποτελεί το γεγονός ότι επιτρέπεται η μετάδοση τηλεφωνικών υπηρεσιών (αναφέρονται ως POTS: Plain old telephone service). Ένα ακόμα χαρακτηριστικό είναι ότι οι υπηρεσίες που παρέχονται από ένα σύστημα ADSL, συμπεριλαμβανομένης και της ψηφιακής μετάδοσης δεδομένων, είναι ευρυζωνικές υπηρεσίες (για παράδειγμα υπηρεσίες video on demand ή προσπέλαση του διαδικτύου με υψηλές ταχύτητες). Η πρόσβαση σε αυτές τις υπηρεσίες πραγματοποιείται εκτός των διακοπτών του CO (Central Office) ή LE (Local Exchange), λύνοντας έτσι το πρόβλημα της συμφόρησης στο τηλεφωνικό δίκτυο και στους διακόπτες μεταγωγής. Αυτό το σημείο πρόσβασης ονομάζεται DSLAM (DSL access module) η αρχιτεκτονική του οποίου θα εξηγηθεί αργότερα. Στο προηγούμενο σχήμα δείχνονται οι διεπαφές μεταξύ των επιμέρους τμημάτων του δικτύου. Το B-interface είναι μία άμεση διεπαφή και δηλώνει μια πιθανή βοηθητική είσοδο, όπως για παράδειγμα ένα set top box. Η διεπαφή T-SM μεταξύ του ATU-R και του service module μπορεί και να ταυτίζεται με την διεπαφή Τ κυρίως όταν το service module είναι ολοκληρωμένο μέσα στο ATU-R. Εάν υφίσταται η διεπαφή T-SM τότε μπορεί να είναι διαφορετικού τύπου για κάθε ATU-R, για παράδειγμα ένα ATU-R μπορεί να έχει δύο τύπου ηλεκτρικές συνδέσεις όπως 10Base-T ή V.35. Με παρόμοιο τρόπο, η διεπαφή Τ μεταξύ Premises Distribution Network και τερματικές συσκευές μπορεί επίσης να απουσιάζει εάν η τερματική συσκευή είναι με κάποιο τρόπο ολοκληρωμένη μέσα στο ATU-R. Οι διάφορες U διεπαφές μπορούν και να μην υπάρχουν εάν η συσκευή του splitter είναι μέρος των ATU συσκευών ή στην περίπτωση που αφαιρεθεί τελείως ο splitter. Επίσης, οι διεπαφές V μπορεί να είναι λογικές διεπαφές παρά φυσικές, πράγμα που ισχύει κυρίως για την V A στην περίπτωση που το DSLAM εκτελεί λειτουργίες πολύπλεξης ή μεταγωγής. Εάν η διεπαφή VC προς τους παροχείς των υπηρεσιών είναι φυσική τότε επιτρέπεται να πάρει διάφορες μορφές (όπως για παράδειγμα TCP/IP ή ATM) προσαρμοσμένες στο δίκτυο υπηρεσιών. Μετά την παραπάνω περιγραφή για τις διεπαφές στα διάφορα μέρη του δικτύου θα πρέπει να τονίσουμε ότι η τεχνολογία ADSL δεν είναι απλά ένας γρήγορος τρόπος προσπέλασης του δικτύου, αλλά είναι μέρος μιας ολοκληρωμένης αρχιτεκτονικής δικτύου που επιτρέπει σε όλους τους συνδρομητές να κάνουν χρήση ευρυζωνικών υπηρεσιών, όπου σαν "ευρυζωνικές" υπηρεσίες ορίζονται οι υπηρεσίες που απαιτούν ρυθμό 31

μετάδοσης τουλάχιστον 1.5 Mbps (Αμερική) και 2 Mbps (Ευρώπη). Στο Σχήμα που βλέπουμε παρακάτω δείχνεται ένα "ευρυζωνικό" δίκτυο βασισμένο στην τεχνολογία ADSL. Στην πιο απλή του μορφή οι συνδρομητές θα χρειάζονται μόνο ένα ADSL modem. Η συσκευή αυτή θα έχει την κοινώς γνωστή RJ-11 ηλεκτρική διεπαφή η οποία θα υποστηρίζει τις υπάρχουσες τηλεφωνικές συσκευές σε ένα SOHO (Small Office/Home Office) περιβάλλον. Άλλες θύρες, όπως η 10Base-T Ethernet, θα πραγματοποιούν την διασύνδεση των προσωπικών υπολογιστών ή των Set-top boxes των τηλεοράσεων παρέχοντας υπηρεσίες όπως fast internet ή video on demand. Μια συσκευή, ο splitter (διαχωριστής), θα χρησιμοποιείται για να πραγματοποιείται ο διαχωρισμός των ψηφιακών υπηρεσιών (υπηρεσίες ADSL) από τις αναλογικές υπηρεσίες (τηλεφωνικές υπηρεσίες). Στην μεριά του CO, οι αναλογικές υπηρεσίες διαβιβάζονται στα διακοπτικά συστήματα μέσω μιας διάταξης από splitters (διαχωριστές). Με τον τρόπο αυτό ο τοπικός ADSL βρόχος τερματίζεται στο ADSL access node και όχι απευθείας στον διακόπτη του CO. Ο access node (συνήθως πρόκειται για ένα DSLAM) πολυπλέκει τις επιμέρους ADSL συνδέσεις και διοχετεύει την κίνηση σε TCP/IP δρομολογητές είτε σε ATM διακόπτες. Αυτοί οι δρομολογητές και διακόπτες επιτρέπουν στον χρήστη να έχει πρόσβαση σε υπηρεσίες της προτίμησής του. Internet Access Server Work-at- Home Server Video-ondemand Server Info & Advertiser Server TCP/IP Router ATM Switch Central Office Access Node M U X ADSL1 ADSLn Customer 1 ADSL1 Customer n ADSLn Σχήμα 2.3-Γενική αρχιτεκτονική ενός ADSL δικτύου New Services POTS1 New Services POTSn Τυπικές υπηρεσίες που παρέχονται είναι πρόσβαση στο διαδίκτυο, πρόσβαση σε Intranets, video-on-demand, καθώς και πρόσβαση σε εξυπηρετητές εταιριών. Σημειώστε πως η πρόσβαση σε αυτές τις υπηρεσίες πραγματοποιείται είτε μέσω TCP/IP είτε μέσω ATM μια και η τεχνολογία ADSL επιτρέπει και τα δύο. Το ADSL είναι μια πλήρης και ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική δικτύου. Όπως έχει αναφερθεί προηγουμένως το ADSL δεν είναι απλά μια μέθοδος γρήγορης πρόσβασης του διαδικτύου αλλά παρέχει επιπλέον την δυνατότητα παροχής κάθε νέου τύπου υπηρεσίας ευρείας ζώνης. Με το Σχήμα που βλέπουμε στη συνέχεια δείχνεται περισσότερο αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο μια συσκευή 32

ATU-R μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να επιτρέπει την πρόσβαση του χρήστη στις διάφορες υπηρεσίες. Serv ices Internet Education Video Corporate Commercial Government PSTN CO Switch Access Node M U X ATU-C ATU-C POTS Splitter ATU-R Telephone(s) Premises Access Set-top-box PC 10Base-T ATM CEBus... Σχήμα 2.4-Το βασικό ADSL δίκτυο Η φυσική συσκευή μπορεί να είναι είτε ένα PC είτε ένα set-top box. Η διασύνδεση ανάμεσα στην συσκευή ATU-R και στην τελική συσκευή μπορεί να είναι είτε μία απλή διασύνδεση modem με υπολογιστή είτε ακόμα πιο πολύπλοκες μορφές διασυνδέσεων όπως η 10Base-T, Ethernet LAN ή και ακόμα private ATM δίκτυο. Όποια και να είναι όμως η μορφή διασύνδεσης, η καλωδίωση των ήδη υπαρκτών αναλογικών συσκευών (τηλέφωνα, FAX) δεν απαιτείται να τροποποιηθεί μιας και η συσκευή του splitter κάνει τον διαχωρισμό των αναλογικών σημάτων από τα ψηφιακά σήματα. Στην μεριά του CO, οι τηλεφωνικές υπηρεσίες διαχωρίζονται μέσω μιας διάταξης από splitters και οδηγούνται στους διακόπτες PSTN. Ο τοπικός ADSL βρόχος τερματίζεται πλέον στο DSLAM αντί να οδηγείται αμέσως στους διακόπτες του CO. Φυσικά, το λογισμικό των PSTN διακοπτών δεν χρειάζεται να αναβαθμιστεί προκειμένου να υποστηρίξει αυτές τις υπηρεσίες (όπως συμβαίνει με το ISDN). ΛΕΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ POTS SPLITTER Ο POTS splitter χρησιμοποιείται για να διαχωρίσει τα κανάλια upstream και downstream από το τηλεφωνικό κανάλι, δηλαδή για να πραγματοποιηθεί διαχωρισμός από 300 KHz μέχρι τα 3,5 MHz. Στο φάσμα αυτό, ο POTS splitter εκτός των σημάτων φωνής πρέπει να επιτρέπει και την διέλευση των τόνων dial, ringing και των σημάτων on/off hook. Η δομή του POTS splitter είναι πανομοιότυπη και για το ATU-R και για το ATU- C. Αποτελείται κυρίως από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο για την διεπαφή του POTS και από ένα υψιπέρατο φίλτρο για τα κανάλια upstream και downstream. To χαμηλοπερατό φίλτρο αφαιρεί, από το κανάλι POTS, την παρεμβολή των καναλιών upstream και downstream. Το υψιπέρατο φίλτρο αφαιρεί, από τα κανάλια upstream και downstream, την παρεμβολή από το κανάλι POTS. Επίσης θα πρέπει να αποφευχθεί η εισαγωγή των αρμονικών, 33

που δημιουργούν τα σήματα ringing και των on/off hook, στα κανάλια upstream και downstream. Ο POTS splitter μπορεί να είναι ενσωματωμένος στις διατάξεις ATU-R όπως δείχνεται στο παρακάτω σχήμα. ATU-R Set Top or PC POTS splitter Set Top or PC Σχήμα 2.5-ATU-R με ενσωματωμένο POTS splitter To ATU-R συνδέεται με την τηλεφωνική γραμμή και πραγματοποιεί τον διαχωρισμό των καναλιών POTS και ADSL. Το κανάλι POTS δρομολογείται προς τις τηλεφωνικές συσκευές του συνδρομητή. Κάθε κανάλι ADSL πρέπει να συνδεθεί με ένα service module. Ο POTS splitter μπορεί να υλοποιηθεί και εξωτερικά σε ένα ATU-R. Μια τέτοια αρχιτεκτονική παρέχει την ευελιξία της θέσης του ATU-R, καθώς και της αποφυγής της μετάδοσης του καναλιού ADSL μέσα από τις εσωτερικές καλωδιώσεις του συνδρομητή. Χαμηλής ποιότητας καλωδίωση μπορεί να μειώσει αισθητά την απόδοση του συστήματος. Μια τέτοια υλοποίηση παρουσιάζεται παρακάτω. existing or new UTP Set Top or PC ATU-R Set Top or PC POTS splitter Σχήμα 2.6-ATU-R με εξωτερικό POTS splitter 34

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ DSLAM Η βασική μορφή καθώς και οι λειτουργίες ενός DSLAM δεν έχουν καλυφθεί πλήρως από κανένα ADSL ή γενικά xdsl standard. Η βασική ιδέα του DSLAM είναι η εξυπηρετηση πολλαπλών ATU-Cs ή και HTU-Cs. Πέραν τούτου, οι λειτουργίες που θα εκτελεί καθώς και ο τρόπος που θα τις εκτελεί, εξαρτάται αποκλειστικά από τον κατασκευαστή. Αυτό σημαίνει ότι όλο το πεδίο γύρω από τις λειτουργίες ενός DSLAM είναι ασαφές, με τα περισσότερα προϊόντα να υποστηρίζουν μερικές βασικές λειτουργίες. Έτσι, στη συνέχεια της ενότητας αυτής θα γίνει μια προσπάθεια ταξινόμησης των χαρακτηριστικών ενός "τυπικού" DSLAM. Το DSLAM καταλαμβάνει μια θέση κλειδί σε ολόκληρη την αρχιτεκτονική του δικτύου ADSL. Όλη η κίνηση από και προς τους χρήστες διεκπεραιώνεται μέσω του DSLAM. Όλη η κίνηση από και προς τους εξυπηρετητές του δικτύου πίσω από το DSLAM περνάει επίσης μέσω αυτού. Το DSLAM εκτελεί λειτουργίες ολοκλήρωσης της ADSL κίνησης ανεξάρτητα από τον τύπο δεδομένων που μεταφέρει, είτε πρόκειται για δεδομένα είτε για φωνή. Το μόνο που βλέπει το DSLAM είναι ATM κελιά στην U διεπαφή. Τα κελιά αυτά πολυπλέκονται σε μια κοινή ανοδική σύνδεση η οποία επικοινωνεί με έναν ΑΤΜ διακόπτη. Σχήμα 2.7-Διαχωρισμός της τηλεφωνικής κίνησης από την ADSL κίνηση μέσω των POTS Splitter στο DSLAM Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική ενός ADSL δικτύου με έμφαση στο διαχωρισμό της τηλεφωνικής κίνησης από την ADSL κίνηση. Η ύπαρξη των POTS Splitter επιτρέπει την συνύπαρξη των ADSL σημάτων με τα τηλεφωνικά. Είναι απαραίτητη η παρουσία ενός POTS Splitter και στις δύο άκρες του συνεστραμμένου καλωδίου. Στην μία άκρη της σύνδεσης το POTS 35

Splitter συνδυάζει τα δύο σήματα, ενώ στην άλλη άκρη γίνεται ο διαχωρισμός των σημάτων. Ουσιαστικά, τα POTS Splitter αποτελούν συσκευές τριών θυρών περιέχοντας ένα δικατευθυντήριο υψιπέρατο φίλτρο και ένα δικατευθυντήριο χαμηλοδιαβατό φίλτρο. Το POTS Splitter μπορεί να είναι είτε μερικώς είτε πλήρως ολοκληρωμένο σε ένα ATU-R ή ATU-C. Έτσι, από την πλευρά του DSLAM τα POTS Splitter αποτελούν ένα sub rack στο οποίο γίνεται ο διαχωρισμός των σημάτων και τα τηλεφωνικά σήματα οδεύουν προς τον POTS διακόπτη ενώ τα ADSL σήματα οδηγούνται προς τα ATU-Cs όπου και πολυπλέκονται και διοχετεύονται στο δίκτυο κορμού. Η σχεδίαση ενός DSLAM βασίζεται σε τρεις κυρίως παράγοντες: Ο συνολικός αριθμός των απαιτούμενων DSL θυρών (access links) Ο συνολικός αριθμός των απαιτούμενων trunk θυρών (trunk links) Συνολική κίνηση που προσφέρεται στο διακόπτη (το άθροισμα όλων των ρυθμών των θυρών total ports). Το μέγεθος του DSLAM καθορίζεται από την ικανότητα διαχείρισης της κίνησης καθώς και από τον αριθμό των θυρών. Είναι δόκιμος ο διαχωρισμός ολόκληρης της αρχιτεκτονικής του δικτύου ADSL σε τρία μέρη, ιδίως από την σκοπιά του DSLAM. Το μοντέλο αυτό τα ATU-Rs, ή άλλες xdsl συσκευές όπως ένα HTU-R, συνθέτουν το Service user (SU) τμήμα του δικτύου. Τα ATU-Cs, HTU-Cs, ή άλλες διεπαφές του DSLAM συνθέτουν το Network Access Provider (NAP) τμήμα του δικτύου. Το δίκτυο πρόσβασης και γενικά τα δίκτυα μέσω των οποίων παρέχονται οι υπηρεσίες αποτελούν το Network Service Provider (NSP) τμήμα. Ο κεντρικός ρόλος του DSLAM σαν NAP είναι η πραγματοποίηση της σύνδεσης μεταξύ του χρήστη και του παροχέα της υπηρεσίας. Service Network Service Network Service Network Access Network DSLAM ATU-C ATU-C ATU-C ATU-R ATU-R ATU-R Premises Network or equipment Premises Network or equipment Premises Network or equipment Network Service Provider(s): ISP, ATM, Frame Relay, etc. Network Access Provider: LEC, CLEC, etc. Service user: Residential, SOHO Σχήμα 2.8-Αρχιτεκτονική δικτύου από την σκοπιά του DSLAM 36

2.2.2. ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΕ ΕΝΑ ADSL ΔΙΚΤΥΟ Κατά την διάρκεια μιας ADSL σύνδεσης αποστέλλεται κάθε 17 msec ένα super frame (υπερπλαίσιο) (περίπου 59 το δευτερόλεπτο) που αποτελείται από 68 ADSL frames (πλαίσια). Τα ADSL πλαίσια περιέχουν και τα δύο "fast" (ήχος και βίντεο, που είναι ευαίσθητα σε καθυστερήσεις και απαιτούν οι καθυστερήσεις να είναι όσο το δυνατόν περιορισμένες) και "interleaved" (για παράδειγμα ιστοσελίδες, που είναι συνήθως ευαίσθητες σε σφάλματα αλλά ανεκτικές σε καθυστερήσεις) bits. Το ερώτημα που γεννιέται τώρα είναι τι βρίσκεται μέσα στα ADSL πλαίσια. Το ADSL Forum έχει ορίσει τέσσερις διαφορετικούς τρόπου διανομής (distribution modes) για όλες τις xdsl τεχνολογίες συμπεριλαμβανομένου και την ADSL. Οι τρόποι διανομής καθορίζουν ποια μορφή θα πάρουν τα bits μέσα στα ADSL πλαίσια πριν αποσταλούν. Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των τεσσάρων αυτών τρόπων διανομής. Circuit switched services ATU-C Constant bit rate channels Time division multiplexing ATU-R Up to four "bit sync" user interfaces Bit Synchronous Mode Circuit switched services ATU-C Constant bit rate channels Time division multiplexing Packet Adapter Mode ATU-R Packet Adaptor (May be integrated or separate) Packet premises network Packet switched services ATU-C Constant bit rate channels Packed multiplexing End-to-End Packet Mode ATU-R Packet Adaptor (May be integrated or separate) Packet premises network ATM switched services ATU-C Constant bit rate channels ATM cell multiplexing ATM Mode ATU-R Packet Adaptor (May be integrated or separate) Σχήμα 2.9-Οι τέσσερις ADSL τρόποι διανομής ATM premises network Ο πρώτος τρόπος διανομής είναι ο bit synchronous mode που είναι ταυτόχρονα και ο πιο απλός. Ο όρος synchronous θέλει να δηλώσει ότι κάθε bit που τοποθετείται στον buffer (είτε πρόκειται για τον "fast" είτε για τον "interleaved" buffer δεδομένων) μιας συσκευής στο ένα άκρο της σύνδεσης (για παράδειγμα το ATU-R) θα εμφανιστεί στον buffer της συσκευής στο άλλο άκρο της σύνδεσης (το ATU-C). Το ADSL forum προτείνει ο "fast" buffer να λειτουργεί 10 φορές γρηγορότερα απ ότι ο "interleaved" buffer. Οι καθυστερήσεις αναφέρονται ότι πρέπει να είναι περίπου 2 msec για τα "fast" δεδομένα και 20 msec για τα "interleaved" δεδομένα. Στον bit synchronous mode μπορούν να συνδεθούν μέχρι τέσσερις "bit synch" συμμετρικές συσκευές σε ένα ATU-R, πράγμα που είναι λογικό μια και υπάρχουν τέσσερα 37

downstream κανάλια (AS0-AS3). Tο upstream κανάλι πρέπει να περιέχει τουλάχιστον ένα κανάλι ελέγχου (Control C channel). Η ADSL σύνδεση λειτουργεί πάντα με σταθερή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, αυτό που καλούμε constant bit rate (CBR). Η ADSL σύνδεση μπορεί να χωριστεί σε κανάλια χρησιμοποιώντας την τεχνική TDM (Time Division Multiplexing) δημιουργώντας time slots μέσα στα ADSL πλαίσια. Ο δεύτερος τρόπος διανομής είναι ο packed adapter mode. Η μόνη διαφορά που υπάρχει, παρατηρείται στις εγκαταστάσεις του συνδρομητή. Ειδικότερα, η διαφορά με το bit synchronous mode είναι ότι τώρα οι συσκευές στην πλευρά του χρήστη αποστέλλουν και λαμβάνουν πακέτα και όχι απλά συρμούς από bits. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να συνδεθεί από την πλευρά του χρήστη ένα SOHO ή και ένα τοπικό δίκτυο (LAN). Έτσι, πακέτα από πολλές πηγές και από πολλούς προορισμούς (στο δίκτυο του συνδρομητή) μπορούν να μοιραστούν ένα LS1 κανάλι σε μια ADSL σύνδεση. Βέβαια, το ATU-R χαρτογραφεί τα πακέτα σε σταθερά κανάλια, και στην περίπτωση που στην άλλη άκρη πίσω από το DSLAM βρίσκεται ένας Internet Router η επεξεργασία των πακέτων γίνεται πιο αποτελεσματική. Ο τρίτος τρόπος διανομής του σχήματος είναι ο end-to-end packed mode. Η κύρια διαφορά με τον packed adapter mode είναι ότι τώρα τα πακέτα πολυπλέκονται μέσα στο ADSL κανάλι. Τα πακέτα του χρήστη πρέπει να είναι τα ίδια με αυτά του παροχέα των υπηρεσιών στην άλλη άκρη της σύνδεσης. Το πρωτόκολλο στο οποίο βασίζεται αυτός ο τρόπος σύνδεσης είναι κυρίως το TCP/IP πρωτόκολλο. Ο τελευταίος τρόπος διανομής είναι ο Asynchronous transfer mode (ATM), ή καλύτερα end-to-end ATM mode. Εδώ η πληροφορία τοποθετείται σε ATM κελιά και όχι σε IP πακέτα. Από την μεριά του CO, το ATU-C μεταβιβάζει τα κελιά σε ένα ATM δίκτυο. Σημειώστε, πως μέσα στα ATM κελιά μπορεί να βρίσκονται IP πακέτα (Το ADSL forum έχει υιοθετήσει το IP pointto-point over ATM πρωτόκολλο για αυτόν τον τρόπο διανομής). To ADSL δίκτυο πρέπει όμως να επεξεργαστεί τα ATM κελιά προκειμένου να δημιουργήσει τα ADSL πλαίσια. 2.3. ADSL ΚΑΙ ATM Για την μεταφορά ATM κελιών από πομποδέκτες σύμφωνους με τις ADSL PHY συστάσεις, θα πρέπει τα κανάλια να μπορούν να αρχικοποιηθούν ανεξάρτητα, σε οποιοδήποτε ρυθμό μετάδοσης ο οποίος είναι ακέραιο πολλαπλάσιο των 32 Kbps μέχρι ένα ανώτατο ρυθμό που έχει καθοριστεί κατά την διαδικασία αποκατάστασης της κλήσης (start-up). Επίσης, για κάθε κανάλι ο ρυθμός μετάδοσης upstream και downstream μπορεί να καθοριστεί ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Σύμφωνα με το Τ1.413 της ANSI και το G.992.1 της ITU, παρέχονται ένα "interleaved" κανάλι και ένα "fast" κανάλι που αντιστοιχούν σε κανάλια με 38

χαμηλό ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων (BER: Bit Error Rate) αλλά με μεγάλη καθυστέρηση, καθώς και σε κανάλια με υψηλότερο ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων με μικρότερη όμως καθυστέρηση αντίστοιχα. Για την μεταφορά μόνο ΑΤΜ πακέτων πάνω από ADSL, όλοι οι πομποδέκτες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το ATM0 κανάλι (AS0 downstream και LS0 upstream). Στο σχήμα που ακολουθεί δείχνεται το μοντέλο αναφοράς ADSL για ΑΤΜ μετάδοση. Το μοντέλο αυτό είναι βασισμένο στα τμήματα του ADSL PHY, συστάσεις που αναφέρονται στο μοντέλο αναφοράς συστήματος (System Reference Model) και στο μοντέλο ΑΤΜ μετάδοσης (ATM transport mode). ATM Core Network V Access Node (AN) Core Network Interface Element - ATM & PHY VPI/VCI Translation And Higher-Layer Functions VP/VC Mux V-C TC-F ATU-C TC-I TC-F ATU-C TC-I TC-F ATU-C TC-I Broadband Netw ork Termination (B-NT) U Teminal Adapter (TA) ATU-R TC-F TC-I Access ATM PDN/TE Interf ace Element- ATM & PHY SAR and PDN Function or None Premise Distribution Network (PDN) / Terminal Equipment (TE) T, S or Absent S, R or Absent Σχήμα 2.10-Μοντέλο αναφοράς ADSL για ΑΤΜ μετάδοση Παρόλο που το παραπάνω σχήμα δείχνει δύο κανάλια ("fast" και "interleaved"), δεν είναι υποχρεωτικό και τα δύο κανάλια να μεταφέρουν δεδομένα συγχρόνως. Τα δομικά στοιχεία AN και B-NT καθώς και τα σημεία αναφοράς V, U, T, S, και R του σχήματος ορίζονται στα T1.413, και στις συστάσεις I.413 και Ι.432 της ITU-T. O Access Node (ΑΝ) λειτουργεί σαν πολυπλέκτης / συγκεντρωτής επιπέδου ATM ανάμεσα στο ATM δίκτυο κορμού και το δίκτυο πρόσβασης (Access Network). Στην καθοδική κατεύθυνση μπορεί να εκτελέσει λειτουργίες δρομολόγησης / αποπολύπλεξης, ενώ στην ανοδική κατεύθυνση μπορεί να εκτελέσει λειτουργίες πολύπλεξης / συγκέντρωσης καθώς και λειτουργίες που ανήκουν σε ανώτερο επίπεδο από το φυσικό. 39

O ΑΝ περιέχει ένα στοιχείο διεπαφής με το δίκτυο κορμού (Core Network Interface Element) το οποίο εκτελεί όλες τις λειτουργίες του επιπέδου ATM και του φυσικού επιπέδου προκειμένου να πραγματοποιηθεί η διασύνδεση με το ΑΤΜ δίκτυο κορμού (ΑΤΜ core Network). Η μετάφραση του VPI/VCI καθώς και οι λειτουργίες ανωτέρου επιπέδου πραγματοποιούνται από τον πολυπλέκτη / αποπολυπλέκτη των VCs μεταξύ των ATU-Cs και του στοιχείου διεπαφής με το δίκτυο κορμού. Στην περίπτωση που ένα ATU-C υποστηρίζει και τα δύο τύπου κανάλια, δηλαδή τα "fast" και "interleave" κανάλια, τότε απαιτούνται δύο λειτουργίες υποεπιπέδου ATM TC. Επίσης θα πρέπει να εκτελεστούν λειτουργίες διαχείρισης της κίνησης προκειμένου να πραγματοποιηθεί η προσαρμογή ρυθμού μεταξύ των διεπαφών V και U. Το δομικό στοιχείο Broadband Network Termination(B-NT) εκτελεί τις λειτουργίες τερματισμού του ADSL σήματος που φτάνει στον χρήστη μέσω του συνεστραμένου καλωδίου, παρέχοντας είτε τις διεπαφές T, S και R προς το δίκτυο διανομής του χρήστη (Premises Distribution Network, PDN) ή την τερματική συσκευή (Terminal Equipment, TE). Το ATU-R στο B-NT εκτελεί λειτουργίες τερματισμού/επαναδημιουργίας της γραμμής μετάδοσης καθώς και λειτουργίες TC-F ή/και TC-I. Τα δομικά στοιχεία Access ATM και VP/VC Mux εκτελούν λειτουργίες επιπέδου ΑΤΜ προκειμένου να υποστηριχτούν τα επίπεδα TC-F και TC-I του ATU-R. Το B-NT μπορεί να περιέχει και λειτουργίες μετάφρασης του VPI/VCI πεδίου ώστε να υποστηρίζει πολύπλεξη / αποπολύπλεξη των VCs μεταξύ του ATU-R και του στοιχείου PDN/TE interface με βάση το VPI ή/και το VCI. Το στοιχείο PDN/TE, εάν είναι υπαρκτό, εκτελεί λειτουργίες του ATM επιπέδου και του PHY επιπέδου για την επικοινωνία του B-NT με το PDN/TE. Επίσης θα πρέπει να εκτελεστούν λειτουργίες διαχείρισης της κίνησης προκειμένου να πραγματοποιηθεί η προσαρμογή ρυθμού μεταξύ των διεπαφών U και Τ ή S και R. 2.4. Η ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ ΤΟΥ ADSL Η φιλοσοφία του ADSL είχε προταθεί στην αρχή της δεκαετίας από αναλυτές μελετών από τα εργαστήρια ΑΤ&T και Bell και το Πανεπιστήμιο Stanford και στηρίζεται σε ένα κανάλι υψηλού ρυθμού με καθοδική κατεύθυνση προς τον πελάτη και ένα με χαμηλότερο ρυθμό από τον πελάτη προς το δίκτυο (με ανοδική κατεύθυνση). 40

Bi - directional POTS Downstream Several Mbps ( release dependent ) ADSL Upstream 16-640 kbps ( release dependent ) Σχήμα 2.11-Τα κανάλια στην ADSL μετάδοση: Ανοδικό (Upstream) - Καθοδικό (Downstream) - Αμφίδρομη κοινή τηλεφωνία (Bidirectional - POTS) Το κανάλι υψηλής ταχύτητας με καθοδική κατεύθυνση και το κανάλι χαμηλής ταχύτητας με ανοδική κατεύθυνση περιέχουν ψηφιακές πληροφορίες. Στο ADSL έχουμε πολύπλεξη την ψηφιακής πληροφορίας με ένα κανάλι αναλογικής φωνής δίνοντας τη δυνατότητα στους πελάτες να διατηρούν την υπηρεσία ενώ ταυτόχρονα έχουν πρόσβαση στις ψηφιακές υπηρεσίες του ADSL. Αυτό επιτυγχάνεται με πολύπλεξη στην συχνότητα μεταξύ τηλεφωνικής υπηρεσίας και ADSL μετάδοσης και είτε με πολύπλεξη στην συχνότητα είτε με καταστολή ηχούς μεταξύ ανοδικού και καθοδικού ADSL καναλιού. Amplitude POTS Upstream Downstream Frequency (Hz) Σχήμα 2.12-Οι χρησιμοποιούμενες συχνότητες στα διαφορετικά κανάλια κατά την ADSL μετάδοση Στηριζόμενοι στο θεώρημα του Shannon γνωρίζουμε ότι ο ρυθμός σε ένα κανάλι εξαρτάται από το εύρος ζώνης και τον λόγο σήματος προς θόρυβο. Και βασικότατη παράμετρος στο να αυξηθεί το χρησιμοποιούμενο εύρος ζώνης φτάνοντας μέχρι και το 1 MHz ήταν η χρήση των μικροεπεξεργαστών, η οποία επέτρεψε αφενός μεν την αντιμετώπιση των προβλημάτων που 41

παρουσιάζονται στις συχνότητες αυτές, αφετέρου δε την πολύπλεξη των διαφορετικών συχνοτήτων με την βοήθεια του FFT. Στα ακόλουθα σχήματα είναι φανερή η διαφορά μεταξύ ενός καναλιού στο οποίο η εξασθένηση δεν μεταβάλλεται σημαντικά με την συχνότητα και ενός στο οποίο συμβαίνει το αντίθετο, όπως το συνεστραμμένο ζεύγος όταν χρησιμοποιείται για συχνότητες ADSL μετάδοσης. SNRdB W SNR fmin fmax συχνότητα Σχήμα 2.13-Ο SNR (σε db) για ένα ζωνοδιαβατό κανάλι με αργά μεταβαλλόμενη συνάρτηση μεταφοράς SNRdB W ΔW fmin fmax συχνότητα fι Σχήμα 2.14-Ο SNR (σε db) για ένα κανάλι με συνάρτηση μεταφοράς ισχυρά εξαρτημένη από την συχνότητα 42

ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΜΕΣΟ Η εξέλιξη των διατάξεων modem τηλεφωνίας φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. ΧΡΟΝΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ (Modulation) 1960 s Very low rate modems (300 bps - 1.2 kbps) 1968 2.4 kbps (V. 26) QPSK 1972 4.8 kbps (V. 27) 8-PSK 1976 9.6 kbps (V. 29) 16-QAM 1986 14.4 kbps (V. 33) 64-QAM + TCM 1989 19.2 kbps (V. 33 bis) 64-QAM + TCM 1993 28.8 kbps (V. fast) DMT POTS-Band Modems Η ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Loop) υπηρεσία είναι σχετικά καινούργια και σχεδιάστηκε από την ITU (International Telecommunications Union) ως µια εύχρηστη λύση για γρήγορη και εύκολη ευρυζωνική πρόσβαση για τους τελικούς χρήστες. Οι χρήστες απλώς συνδέουν το αντίστοιχο modem στην απλή τηλεφωνική πρίζα του σπιτιού τους. Για να επιτευχθεί αυτή η ευκολία και µείωση του κόστους, το ADSL χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές κωδικοποίησης, παρέχει downstream σήμα ευρείας ζώνης 1.536 Mbps, upstream κανάλι ελέγχου 16Kbps και ISDN κανάλι βασικού ρυθμού σε ένα υπάρχον καλώδιο συννεστραμένου ζεύγους. Όταν ο πελάτης βρίσκεται σε απόσταση μικρότερη των 5.5 Km από το σημείο μεταγωγής, δεν απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός και το κόστος είναι πολύ χαμηλό. Στα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής συμπεριλαμβάνεται και η μεγάλη διαθεσιμότητα των καλωδίων χαλκού, ενώ συγχρόνως το εύρος ζώνης που παρέχουν, σε σύγκριση με την οπτική ίνα και το ομοαξονικό καλώδιο είναι σχετικά χαμηλό. Γενικά το ADSL παρέχει: Υψηλές ταχύτητες πρόσβασης στο Internet. Προσφέρει τη δυνατότητα να"κατεβάζετε" μεγάλα αρχεία από το Διαδίκτυο (download), γρήγορα και αξιόπιστα, με ταχύτητες από 384 Kbps μέχρι 1 Mbps. 43

Τηλεφωνία και πρόσβαση στο Internet ταυτόχρονα μέσα από την ίδια τηλεφωνική γραμμή. Μπορείτε να "σερφάρετε" στο Internet και ταυτόχρονα να μιλάτε στο τηλέφωνο ή να στέλνετε fax. Mόνιμη πρόσβαση στο Internet με υψηλές ταχύτητες, 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα, 365 ημέρες τον χρόνο. Μπορείτε να χρησιμοποιείτε το Internet όσο χρόνο θέλετε μόνο με ένα πάγιο μηνιαίο τέλος, χωρίς χρονοχρέωση. Το ADSL είναι τεχνολογία η οποία δίνει τη δυνατότητα πρόσβασης σε υπηρεσίες και εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης. Υλοποιείται πάνω στα δισύρματα χάλκινα καλώδια που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παροχή της τηλεφωνίας. Μέσω της τεχνολογίας αυτής εξασφαλίζεται πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων στο διαδίκτυο χωρίς να επηρεάζεται η παρεχόμενη υπηρεσία της τηλεφωνίας (PSTN ή ISDN-BRA). Το ADSL είναι ασύμμετρη τεχνολογία, που σημαίνει ότι η ταχύτητα λήψης δεδομένων (download) είναι διαφορετική από αυτή της αποστολής (upload). Ο χρήστης, δηλαδή, έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει δεδομένα από το δίκτυο (download) με ταχύτητες από 256Kbps έως 6 Mbps και να αποστέλλει δεδομένα προς το δίκτυο (upload) από 16Kbps έως 640 Kbps. Το ADSL είναι η καλύτερη λύση για χρήστες που χρησιμοποιούν το διαδίκτυο πολύ χρόνο καθημερινά και απαιτούν υψηλές ταχύτητες, κυρίως για τη λήψη δεδομένων και λιγότερο για την αποστολή. Με το ADSL υπάρχει η δυνατότητα μόνιμης σύνδεσης στο Internet εύκολα, γρήγορα και αξιόπιστα, 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα, 365 ημέρες τον χρόνο. Η τεχνολογία αυτή υπόσχεται να συμβάλει άμεσα και ουσιαστικά τόσο στη διάδοση του Internet όσο και στην ανάπτυξη στο μέλλον νέων υπηρεσιών που απαιτούν υψηλές ταχύτητες λήψης και αποστολής δεδομένων όπως: Yπηρεσίες πολυμέσων (video και music on demand, news on demand, τραπεζικές συναλλαγές, τηλε-εργασία, τηλεκπαίδευση, τηλεϊατρική, τηλεαγορές) Διαδραστικές υπηρεσίες (διαδραστική τηλεόραση). Για να λειτουργήσει το ADSL χρειάζεστε απαραίτητα ένα ADSL modem και ένα φίλτρο ή ένα διαχωριστή (splitter). Modem: Είναι διάταξη που χρησιμεύει στην αποστολή και λήψη δεδομένων των ευρυζωνικών υπηρεσιών (π.χ. Fast Internet) μέσω μιας απλής τηλεφωνικής σύνδεσης (PSTN ή ISDN-BRA). Συνδέει τον εξοπλισμό σας (τον Η/Υ ή το LAN) μέσω της τηλεφωνικής γραμμής με το δίκτυο του ΟΤΕ. Αποτελεί τον τερματισμό του δικτύου ADSL στον χώρο σας. Ανάλογα με τις τηλεπικοινωνιακές ανάγκες και την υποδόμή της περιοχής χρειάζεστε διαχωριστή ή φίλτρο. 44

Φίλτρα: Είναι μικρο-συσκευές οι οποίες παρεμβάλλονται μεταξύ της τηλεφωνικής πρίζας και των τηλεφωνικών συσκευών ή fax. Διαχωρίζουν τη φωνή από τα δεδομένα, επιτρέποντας την ταυτόχρονη μετάδοσή τους πάνω από την ίδια τηλεφωνική γραμμή. Διαχωριστής (Splitter): Είναι συσκευή η οποία διαχωρίζει τη φωνή από τα δεδομένα, επιτρέποντας την ταυτόχρονη μετάδοσή τους πάνω από την ίδια τηλεφωνική γραμμή. Τοποθετείται στην κεντρική τηλεφωνική πρίζα του συνδρομητή (ροζέτα). Η θεσμική κατοχύρωση του LLU έχει οδηγήσει στην συνεχώς αυξανόμενη ανάπτυξη ευρυζωνικής πρόσβασης και αποτελεί το πρώτο βήμα και το κυριότερο μέσο που διαθέτουν οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι για να αναπτύξουν ευρυζωνικά δίκτυα. Παράλληλα η τεχνολογία επιτρέπει σήμερα διατάξεις συγκέντρωσης ADSL συνδέσεων (DSL Access Multiplexers DSLAM) μεγάλης ολοκλήρωσης που επιτρέπουν την συγκέντρωση εκατοντάδων DSL συνδέσεων και το κόστος τόσο του εξοπλισμού αυτού όσο και του αντίστοιχου τερματικού εξοπλισμού (ADSL Customer Premises Equipment ADSL CPE) μειώνεται συνεχώς. Μια σχηματική αναπαράσταση της αρχιτεκτονικής που υιοθετείται από την τεχνολογία ADSL φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. DSLAM Σχήμα 2.15-Αρχιτεκτονική υλοποίησης ADSL πρόσβασης Το ADSL ήταν ο πρώτος εισελθών από τις τηλεφωνικές εταιρίες στο παιχνίδι της τοπικής διανομής. Η ιδέα ήταν ότι σχεδόν κάθε οικία στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ευρώπη και την Ιαπωνία διαθέτει ήδη έναν χάλκινο διπλαγωγό που φτάνει μέχρι αυτήν(για αναλογική τηλεφωνική υπηρεσία). Βέβαια το πρόβλημα είναι ότι αυτά τα καλώδια δεν μπορούν να υποστηρίξουν ούτε το 45

MPEG-1 στο συνηθισμένο μήκος τους των 10km, πόσο μάλλον το MPEG-2. Η λύση ADSL εκμεταλλεύεται τις προόδους στην ψηφιακή επεξεργασία σημάτων για να εξαλείψει ηλεκτρονικά την ηχώ και τους άλλους θορύβους της γραμμής. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, σε κάθε συνδρομητή με ADSL δίδεται μια οικιακή συνδρομητική συσκευή ADSL που περιέχει chip ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Το τηλέφωνο και ο αποκωδικοποιητής βυσματώνονται στη μονάδα ADSL. Στο άλλο άκρο του τοπικού βρόγχου συνδέεται μια άλλη μονάδα ADSL. Αυτή μπορεί να βρίσκεται είτε στο τοπικό κέντρο της τηλεφωνικής εταιρίας (switching office) είτε, αν ο τοπικός βρόγχος είναι πολύ μεγάλος, στην άκρη οπτικής ίνας στη γειτονιά της οικίας. Σχήμα 2.16-ADSLσύνδεση Το ADSL-1 προσφέρει καθοδικό δίαυλο των 1.536Mbps (το Τ1 μείον το 193 ο bit), αλλά ανοδικό δίαυλο των 16Kbps μόνο. Επιπλέον, δίνει τον παλιό αναλογικό δίαυλο των 4KHz (ή, σε κάποιες περιπτώσεις, δύο ψηφιακούς διαύλους N-ISDN). Η ιδέα είναι να έχει η ανοδική ζεύξη αρκετό εύρος ζώνης, ώστε να παραγγέλνει ο χρήστης τις ταινίες και ο καθοδικός δίαυλος να έχει αρκετό εύρος ζώνης ώστε να στέλνονται κωδικοποιημένες σε MPEG-1. Το ADSL θα πρέπει να θεωρηθεί περισσότερο ως γρήγορη και «πρόχειρη» λύση παρά ως μακροπρόθεσμη, αλλά εγκαθίσταται σε διάφορες θέσεις. Οι οπτικές ίνες δεν θα είναι διαθέσιμες τουλάχιστον για 40 χρόνια στο τελευταίο επίπεδο πρόσβασης (δηλαδή δεν θα φτάνουν ως τον τελικό χρήστη) επειδή η αντικατάσταση των καλωδίων έχει πολύ μεγάλο κόστος. Έτσι η τεχνολογία ASDL είναι αρκετά σημαντική όσον αφορά το VoD. Σε συνδυασμό με τα τηλεφωνικά σήματα, που μπορούν να είναι αναλογικά ή ψηφιακά (ISDN), η πληροφορία καναλιού, που αφορά τον έλεγχο (16 και 24kbit/s) και το video (2 έως 6 Mbps) μπορεί να μεταδοθεί προς την 46

κατεύθυνση του πελάτη. Στην κατεύθυνση προς το δίκτυο (από τον πελάτη) υπάρχουν τουλάχιστον τα τηλεφωνικά και κανάλια ελέγχου, καθώς και duplex πομποί των 576kbps. Η διαμόρφωση χωρίς φέρουσες ΑΜ/ΠΜ (CAP), η διακριτή πολυτονική μετάδοση (DMT)και η πολυπλεξία με διαχωρισμό συχνοτήτων (FDM) θεωρούνται ως οι τεχνικές διαμόρφωσης που χρησιμοποιούνται. Τα συστήματα ADSL χρησιμοποιούνται σαν τοπικά συνδρομητικά δίκτυα με τηλεφωνική ή ISDN πρόσβαση. Τα συστήματα αυτά δεν είναι λειτουργικά για πρόσβαση σε δίκτυα VoD όταν λειτουργούν με PCM (Παλμοκωδική Διαμόρφωση) συστήματα, που χρησιμοποιούν τεχνικές πολύπλεξης στο συνδρομητικό δίκτυο, επειδή σε αυτήν την περίπτωση οι γραμμές δε συνδέονται στο φυσικό επίπεδο. Το ADSL χρησιμοποιεί σχετικά χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και ιδίως το κανάλι επιστροφής είναι αρκετά στενό, γεγονός που περιορίζει κάποιες από τις αναπτυσσόμενες υπηρεσίες. Είναι βασισμένο στην τοπολογία τύπου αστεριού χρησιμοποιώντας απλή (απροστάτευτη) καλωδίωση, με γραμμές δύο καναλιών για κάθε χρήστη. Εξαιτίας των περιορισμών στο φυσικό επίπεδο υλοποίησης, όπως η κόπωση της καλωδίωσης και οι παρεμβολές συχνοτήτων, τα συστήματα ADSL περιορίζονται ως προς την απόσταση που μπορούν να καλύψουν. Οι διάφορες αποστάσεις σε σχέση με το bandwidth μετάδοσης μέσω καλωδίου διαμέτρου 0.4mm φαίνονται παρακάτω: ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ 2Mbps 4.2Mbps 6.2Mbps ΑΠΟΣΤΑΣΗ 3.2km 2km 1.6km ADSL2/2+ Το ADSL άλλαξε ριζικά τον τρόπο με τον οποίο συνδέονται στο Internet εκατομμύρια συνδρομητές, δίνοντας always-on συνδέσεις υψηλών ταχυτήτων. Η τεχνολογία όμως προχωρά με ταχύτατους ρυθμούς και ήδη ετοιμάζεται το sequel του ADSL, αφού ήδη γίνονται τεστ για τα ADSL2 και ADSL2+, και μάλιστα και στη χώρα μας. Το ADSL είναι πολύ πιο γρήγορο από το dial-up, αλλά, όπως και να το κάνουμε, έχει αρκετούς περιορισμούς, οι οποίοι γίνονται εμφανείς όταν κάποιος αρχίζει να έχει περισσότερες απαιτήσεις από το γρήγορο web surfing και το κατέβασμα ενός-δύο τραγουδιών. Μόλις αρχίσει κανείς να μπαίνει στα βαθιά, διαπιστώνει ότι η ασυμμετρία του δημιουργεί αρκετούς περιορισμούς. Ακόμα και σε προγράμματα P2P χρειάζεται μεγαλύτερο upstream, αφού δημοφιλή προγράμματα, όπως το E-Mule, δημιουργούν ουρές προτεραιότητας, ανάλογα με το τι έχουμε κάνει upload, 47

οπότε, για να έχουμε καλές ταχύτητες στο download, πρέπει να έχουμε καλή ταχύτητα και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ακόμα, εφαρμογές όπως bidirectional video conferencing υψηλής ποιότητας χρειάζονται συμμετρικές συνδέσεις, για να μην αναφέρουμε χρήσεις όπως Web/FTP server για προσωπική ή εταιρική χρήση. Το ADSL, όπως είπαμε, είναι σχεδιασμένο για ταχύτητες από 128Kbps μέχρι 8Mbps downstream και για 128Kbps μέχρι 768Kbps upstream, οπότε χρειαζόμαστε νέες τεχνολογίες για να αποκτήσουμε συμμετρικές συνδέσεις. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να δοθεί με ομαλό και οικονομικό τρόπο μέσω τεχνολογιών ADSL2 και ADSL2+, οι οποίες βρίσκονται στο στάδιο των δοκιμών από πολλούς τηλεπικοινωνιακούς φορείς. Τόσο το ADSL2 όσο και το ADSL2+ είναι πρότυπα του διεθνούς οργανισμού ITU-T και είναι σχεδιασμένα ως συνέχεια στο ADSL, οπότε είναι ευκολότερο να ενσωματωθούν στην υπάρχουσα υποδομή. Το ADSL2 υποστηρίζει ταχύτητες μέχρι και 12Mbps downstream (ADSL2 annex A, annex B) και 3Mbps upstream, ενώ το ADSL2+ μπορεί να φτάσει μέχρι τα 24Mbps downstream και πάνω από 3Mbps upstream μέσω τεχνικής LINE BONDING (δηλαδή της συνδυασμένης χρήσης περισσότερων ζευγαριών καλωδίων χαλκού, που συμπεριφέρονται σαν μία και μόνο σύνδεση). Με τη χρήση αυτών των νέων τεχνολογιών μπορούν να προσφερθούν συμμετρικά πακέτα συνδέσεων παράλληλα με το ADSL, παρέχοντας λύσεις τόσο σε προχωρημένους οικιακούς χρήστες όσο και σε εταιρικούς πελάτες, που θα μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν ως εναλλακτική λύση απέναντι σε μισθωμένες γραμμές. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του ADSL2/2+ είναι το ότι επιτυγχάνει υψηλότερες ταχύτητες χρησιμοποιώντας αποδοτικότερα το ίδιο εύρος ζώνης στα καλώδια χαλκού, γεγονός που του επιτρέπει να είναι συμβατό με το ADSL. Έτσι, τα DSLAM που υποστηρίζουν το ADSL2/2+ μπορούν να συνδεθούν με modem ADSL, εξασφαλίζοντάς τους καλύτερες επιδόσεις. Διάφορα τμήματα έρευνας έχουν ήδη κάνει δοκιμές στο ADSL2 και έχει ήδη δημοσιεύσει τα αποτελέσματά τους. Συνοπτικά αναφέρουμε ότι τα DSLAM που δοκιμάστηκαν συνεργάστηκαν με ADSL modems, δίνοντάς τους upstream ταχύτητες αυξημένες μέχρι και 40%, οι οποίες τώρα φτάνουν τα 1.120Kbps αντί των 800Kbps που ήταν εφικτές μέχρι τώρα. Αυτό σημαίνει ότι με την αναβάθμιση του δικτύου πρόσβασης σε ADSL2 θα είναι δυνατή η παροχή συμμετρικών συνδρομών στο 1Mbps χωρίς να πρέπει να γίνει αλλαγή modem από την πλευρά του χρήστη(πάντα, βέβαια, υπό κάποιες προϋποθέσεις). Ακόμα πιο εντυπωσιακά είναι τα αποτελέσματα συνδυασμού ADSL2 DSLAM με ADSL2 modem, το οποίο μπόρεσε να δώσει μέχρι και 2,9Mbps σε κοντινές αποστάσεις(αύξηση 260% σε σχέση με το ADSL) και έφτασε άνετα τα 2Mbps σε αποστάσεις μέχρι τα 3 Km. Έτσι εμφανίζεται ένα πολύ λογικό σενάριο 48

παράλληλης εισαγωγής του ADSL2 στο δίκτυο του ΟΤΕ και προσφορά αναβαθμισμένων υπηρεσιών προς τους συνδρομητές κατά περίπτωση και ανάλογα με τις απαιτήσεις τους. Το ADSL2+ μπαίνει και αυτό στη φάση των δοκιμών και αναμένεται να δώσει ακόμα μεγαλύτερες ταχύτητες και ευελιξία, μέσω του Line Bonding, που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν κυρίως σε εταιρικές εφαρμογές. Αξίζει επιπλέον να αναφέρουμε ότι ο νέος εξοπλισμός χρησιμοποιεί και τεχνολογία Gigabit Ethernet για τη σύνδεση με δίκτυο κορμού, η οποία είναι μέχρι και 4 φορές φθηνότερη από το σήμερα χρησιμοποιούμενο ATM και αναμένεται να κυριαρχήσει στα επόμενα χρόνια. 2.5. ΤΟ ADSL ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ 2.5.1. ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΥΠΟΔΟΜΗ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΟ Κατά τη χρονική περίοδο συγγραφής του παρόντος εγγράφου DSL υπηρεσίες παρέχονται στην Ελλάδα από τον Οργανισμό Τηλεπικοινωνιών Ελλάδος και από ελάχιστες ιδιωτικές εταιρίες παροχής υπηρεσιών Internet(η Vivodi Telecom, η Tellas, η Forthnet και άλλες γνωστές εταιρίες έχουν δεσμευτεί ότι σε σύντομο χρονικό διάστημα θα ολοκληρώσουν τις εργασίες τους για παροχή τέτοιων υπηρεσιών). Σύμφωνα με δελτίο τύπου του Ο.Τ.Ε. η παρούσα κατάσταση όσον αφορά το DSL περιλαμβάνει τα εξής: Ο ΟΤΕ έχει εγκαταστήσει και λειτουργεί ένα Πειραματικό και ένα Πιλοτικό Δίκτυο τεχνολογίας ADSL. To Πειραματικό Δίκτυο ADSL είναι εγκατεστημένο στα Εργαστήρια Νέων Τεχνολογιών & Υπηρεσιών στο Μαρούσι Αττικής. Το Πιλοτικό Δίκτυο που ξεκίνησε τον Δεκέμβριο του 2000, συμπεριλαμβάνει 300 χρήστες σε τρία σημεία (Ερμού-Θεσ/νίκης, Μαρούσι, Κωλέττη). Το δίκτυο και οι υπηρεσίες του έχουν επιδειχθεί στην διεθνή Έκθεση Θεσσαλονίκης και στην Infosystem 2000. Αυτή τη στιγμή στους χρήστες του Πιλοτικού Δικτύου προσφέρεται η υπηρεσία του Fast Internet σε συνεργασία και με την ΟΤΕnet. Σκοπός των δικτύων τεχνολογίας xdsl του ΟΤΕ είναι η εισαγωγή τεχνολογιών όπως ADSL (και αργότερα SDSL, VDSL) στο τηλεφωνικό δίκτυο πρόσβασης (δίκτυο δισύρματων γραμμών χαλκού), για την παροχή των παρακάτω αμφίδρομων υπηρεσιών ευρείας ζώνης, παράλληλα με την παροχή κλασσικής τηλεφωνίας και υπηρεσιών ISDN. Τέτοιες υπηρεσίες είναι: Υπηρεσίες δεδομένων με υπολογιστή ως τερματική συσκευή (όπως σύνδεση υπολογιστών στο Διαδίκτυο (Fast Internet)). Υπηρεσίες φωνής, video & δεδομένων με υπολογιστή ή/και τηλέφωνο ώς τερματική συσκευή (όπως Τηλεδιάσκεψη, Voice-over-IP, Voice-over-ADSL κλπ.). 49

Υπηρεσίες video και πολυμέσων με υπολογιστή ή και τηλεόραση ως τερματική συσκευή (όπως Video-on-Demand, Video-Streaming, Music-on- Demand κλπ.). 2.5.2. Κόστος Το μέλλον της τηλεόρασης βρίσκεται στο Ίντερνετ. Μία τηλεόραση με πρόγραμμα κατά παραγγελία, όπως και όποτε το θέλει ο θεατής, με άριστη ποιότητα εικόνας και ήχου, είναι το επόμενο βήμα για το δημοφιλέστερο μέσο ψυχαγωγίας στον κόσμο. Στην Ελλάδα, η νέα εποχή της τηλεόρασης θα ξεκινήσει με πειραματικές προβολές σε σύντομο χρονικό διάστημα. H ιδέα υπάρχει εδώ και μερικά χρόνια, αλλά φέτος είναι η χρονιά κατά την οποία οι ειδικοί θεωρούν πως θα αναπτυχθεί ευρέως χάρη στην εξάπλωση των ευρυζωνικών συνδέσεων DSL. H ταχύτητα του DSL είναι βασική προϋπόθεση για την καλή ποιότητα εικόνας και ήχου. Στην Αμερική, η υπηρεσία προσφέρεται επίσης μέσω καλωδιακής και δορυφορικής τηλεόρασης, ενώ στην Ευρώπη κυρίως μέσω τηλεφωνικών γραμμών και Internet. «H βασική ιδέα του video on demand, όπως ονομάζεται διεθνώς η υπηρεσία, είναι ότι η παραδοσιακή τηλεόραση δεν συμβαδίζει πια με τον σημερινό τρόπο ζωής», εξηγεί στα «NEA» ο Χαράλαμπος Κέστας, γενικός διευθυντής εταιρείας video on demand, η οποία εδρεύει στην Καλιφόρνια και ετοιμάζεται να φέρει την υπηρεσία στην Ελλάδα. «Ο θεατής πλέον δεν έχει την πολυτέλεια του χρόνου να βλέπει τις ταινίες ή τα επεισόδια των τηλεοπτικών σειρών της αρεσκείας του την ώρα που τα προβάλλουν τα κανάλια. Σκεφθείτε το σαν το βιντεοκλάμπ του 21ου αιώνα. H ταινία είναι πάντα διαθέσιμη και ο πελάτης δε χρειάζεται να πάει στο κατάστημα για να τη νοικιάσει ή να την επιστρέψει». H νέα τηλεόραση επιτρέπει στον θεατή να επιλέξει αυτό που θέλει να δει από χιλιάδες ώρες προγράμματος με ταινίες, ντοκιμαντέρ, τηλεοπτικές σειρές και εκπομπές ποικίλου περιεχομένου στον δικό του χρόνο. Οι εταιρείες που προσφέρουν την υπηρεσία διαθέτουν βάσεις δεδομένων σε έναν κεντρικό κόμβο με το πρόγραμμα. Ο θεατής συνδέεται με τον κόμβο μέσω του DSL και επιλέγει από το κεντρικό μενού στην οθόνη της τηλεόρασης ή του υπολογιστή την εκπομπή της αρεσκείας του. Εφόσον διαθέτει σύνδεση DSL, η ποιότητα της εικόνας είναι ίση ή καλύτερη με αυτήν του DVD. Αν μάλιστα η τηλεόρασή του υποστηρίζει εικόνα υψηλής ευκρίνειας, η ποιότητα είναι άριστη, γιατί πολλά προγράμματα εκπέμπονται σε μορφή High Definition. H τηλεόραση κατά παραγγελία προσφέρεται εδώ και λίγα χρόνια στην Αμερική και ήδη υπάρχει στη Βρετανία, τη Γερμανία και τη Γαλλία. Σύμφωνα με διεθνείς έρευνες, σε πέντε χρόνια οι συνδρομητές της τηλεόρασης κατά παραγγελία θα φθάσουν τα 20 εκατομμύρια. Το κόστος για τον θεατή ορίζεται από τον κάθε πάροχο της υπηρεσίας και υπάρχουν δύο τρόποι χρέωση. 50

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: VIDEO ON DEMAND Τα τελευταία χρόνια άρχισε να διαδίδεται μια νέα υπηρεσία,προσφέροντας νέα δεδομένα τόσο στο τηλεπικοινωνιακό χώρο όσο και στην ηλεκτρονική ενοικίαση video και συναφή προγραμμάτων. Η υπηρεσία αυτή λέγεται video on demand(βίντεο κατά απαίτηση),το οποίο στην ουσία είναι ένα αλληλεπιδραστικό σύστημα πολυμέσων που παρέχει στον καταναλωτή τη δυνατότητα να επιλέξει και να παρακολουθήσει βίντεο, κάνοντας χρήση της δικτυακής υποδομής την ώρα που το επιθυμεί.τα κύρια συστατικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής της υπηρεσίας αυτής είναι ο εξυπηρετητής, ο αποδέκτης των υπηρεσιών ή χρήστης και ο διαχειριστής του δικτύου όπου συνδέονται και ο οποίος ενσωματώνει ουσιαστικά τους δικτυακούς μηχανισμούς. Για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργικότητας του συστήματος VoD, αυτό μπορεί να διαχωριστεί σε επιμέρους επίπεδα. Έτσι, διακρίνονται τα επίπεδα δικτύου, εφαρμογής, αποθήκευσης, παρουσίασης και το λειτουργικό επίπεδο. Οι βασικές λειτουργίες που επιτελούνται στο επίπεδο δικτύου είναι ο έλεγχος της ποιότητας υπηρεσίας, η δέσμευση πόρων, η μετάδοση των δεδομένων και η δυναμική διαχείριση των συνδέσεων. Στο επίπεδο εφαρμογής πραγματοποιείται η διαχείριση της συνόδου μεταξύ ενός πελάτη και ενός εξυπηρετητή. Το επίπεδο αποθήκευσης αναλαμβάνει την συλλογή, ψηφιοποίηση, κωδικοποίηση, καταχώρηση και ανάκτηση της πληροφορίας. Το επίπεδο παρουσίασης είναι υπεύθυνο για την αποκωδικοποίηση του video, τον έλεγχο των συσκευών παρουσίασης, τη διαδραστική επαφή με το χρήστη και τον συγχρονισμό μεταξύ των διαφορετικών μέσων. Τέλος, στο λειτουργικό επίπεδο εναπόκειται ο καθορισμός χρονικών περιορισμών στο λειτουργικό σύστημα και η διαμόρφωση της διαχείρισης των πόρων με τρόπο ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι περιορισμοί αυτοί. 51

3.1 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΕΙΣ Όπως αναφέραμε το Video on demand (VOD) είναι ένας όρος-ομπρέλα που καλύπτει όλες εκείνες τις εφαρμογές στις οποίες διάφοροι χρήστες ζητούν πληροφορίες κωδικοποιημένες σε βίντεο από ένα εξυπηρετητή. Οι χρήστες μπορούν να επιλέξουν το συγκεκριμένο βίντεο που επιθυμούν και να το παρακολουθήσουν άμεσα.η υλοποίηση ενός συστήματος που μπορεί να ικανοποιήσει τις ανάγκες του χρήστη τη στιγμή που αυτός τη ζητάει είναι αρκετά δύσκολη μιας και ένα τέτοιο σύστημα θα είχε υπολογίσιμες απαιτήσεις τόσο σε υπολογιστική ισχύ ώστε να μπορεί να ανακτά την πληροφορία βίντεο που είναι αποθηκευμένη για να την προβάλλει όσο και σε εύρος ζώνης δικτύου για να μπορέσει να τη στείλει στο χρήστη. Για παράδειγμα μπορούμε να φανταστούμε τις επιπτώσεις που θα είχε σε ένα τέτοιο σύστημα η απαίτηση από πολυάριθμους χρήστες σε ώρα αιχμής (π.χ. 8-10μμ) να δούν μια αρκετά δημοφιλή ταινία. Το σύστημα θα πρέπει να είναι ικανό να ικανοποιήσει αιτήσεις για προβολή της ίδιας ταινίας που απέχουν μεταξύ τους μερικά δευτερόλεπτα. Για καθεμία από αυτές τις αιτήσεις το σύστημα θα πρέπει σε πραγματικό χρόνο να προσπελαύνει διαφορετικά τμήματα του αρχείου στο οποίο είναι αποθηκευμένη η ταινία ή να δημιουργεί αντίγραφα της τανίας για κάθε αίτηση τα οποία και θα χρησιμοποιεί για την προβολή. Δεδομένου του μεγάλου μεγέθους τους αρχείου μια ψηφιοποιημένης ταινίας το σύστημα θα έχει πολύ μεγάλες απαιτήσεις αποθήκευσης. Επίσης το σύστημα θα έχει μεγάλες απαιτήσεις χρόνου KME (CPU) αφού θα πρέπει να συμπιέζει το κάθε σήμα βίντεο πριν επιχειρήσει να μεταδώσει το περιεχόμενο του. Τέλος για κάθε μια από τις αιτήσεις η εφαρμογή μας. 52

θα πρέπει να εξασφαλίσει το ανάλογο εύρος ζώνης (bandwidth) στο δίκτυο και στη συνέχεια θα αναλύσουμε πιο διεξοδικά αυτή την απαίτηση. Σε κάθε δίκτυο υπολογιστών υπάρχουν τρία μεγέθη που χαρακτηρίζουν την επίδοση του δικτύου: το εύρος ζώνης (bandwidth), η επίδοση (throughput) και η καθυστέρηση (latency). Το εύρος ζώνης ενός δικτύου δίνεται από τον αριθμό των bits που μπορεί να μεταφερθούν από το δίκτυο σε μια χρονική περίοδο. Για παράδειγμα, ένα δίκτυο μπορεί να έχει εύρος ζώνης ίσο με 10 εκατομμύρια bits ανά δευτερόλεπτο (Mbps) δηλάδή το δίκτυο αυτό είναι ικανό να μεταφέρει 10 εκατομμύρια bits σε ένα δευτερόλεπτο. Παρόλο που αρκετές φορές το μέγεθος αυτό αναφέρεται στο σύνολο του δικτύου, μερικές φορές μπορούμε να γίνουμε ακόμα πιο ακριβείς και να μιλήσουμε για το εύρος ζώνης ενός φυσικού συνδέσμου του δικτύου ή ενός λογικού καναλιού μεταξύ δύο διεργασιών. Για παράδειγμα στο φυσικό επίπεδο μπορούμε διαισθητικά να ορίσουμε το δευτερόλεπτο σα μία απόσταση που διανύει το σήμα και το εύρος ζώνης σαν το αριθμό των bits που χωράνε σε αυτή την απόσταση. Στην περίπτωση αυτή το κάθε bit θα αντιστοιχεί σε ένα παλμό κάποιου μήκους και σε ένα δίκτυο 1 Mbps ο κάθε παλμός θα έχει μήκος 1 μs ενώ σε ένα δίκτυο 2 Mbps ο αντίστοιχος παλμός θα είναι 0.5 μs κ.ο.κ. Η εξέλιξη της τεχνολογίας στο φυσικό επίπεδο έχει σαν αποτέλεσμα να μικραίνει το μήκος που απαιτείται για κάθε παλμό με συνέπεια την αύξηση του εύρους ζώνης. Στο λογικό επίπεδο τα πράγματα είναι περισσότερο περίπλοκα μιας και το εύρος ζώνης του δικτύου εξαρτάται και από άλλους παράγοντες όπως λ.χ. τον αριθμό των μετασχηματισμών στους οποίους πρέπει να υποβληθεί το κάθε bit για να μεταδοθεί μέσω του δικτύου. Ενώ το εύρος ζώνης μετρά τον μέγιστο αριθμό bits ανά δευτερόλεπτο που μπορεί να μεταδοθεί από το δίκτυο, η επίδοση μετρά τον αριθμό bits ανά δευτερόλεπτο που μπορεί να μεταδοθεί στην πράξη. Για παράδειγμα σε μια σύνδεση μεταξύ δύο κόμβων με εύρος ζώνης 10 Mbps η επίδοση του δικτύου μπορεί να περιορίζεται στα 2 Mbps λόγω διαφόρων ατελειών στο δίκτυο. Η καθυστέρηση μετρά το χρόνο που χρειάζεται ένα bit για να μεταδοθεί από το ένα άκρο του δικτύου στο άλλο. Η καθυστέρηση μετριέται σε μονάδες χρόνου. Για παράδειγμα ένα διηπειρωτικό δίκτυο μπορεί να έχει καθυστέρηση 24 milliseconds (ms). Στην περίπτωση αυτή ένα bit πληροφορίας χρειάζεται 24 ms για να διατρέξει την απόσταση που χωρίζει τα δύο άκρα του δικτύου. Σε ορισμένες περιπτώσεις και κυρίως σε δίκτυα υψηλών επιδόσεων μας ενδιαφέρει ο χρόνος που χρειάζεται για να πάει ένα bit από την μια άκρη του δικτύου στην άλλη και να επιστρέψει. Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για το χρόνο του ταξιδιού επιστροφής (round-trip time, RTT) του δικτύου. Γενικά η καθυστέρηση σε ένα δίκτυο οφείλεται σε τρεις παράγοντες. Ο πρώτος προέρχεται από την καθυστέρηση που εισάγεται από τη μέγιστη ταχύτητα διάδοσης ενός οπτικού ή ηλεκτρομαγνητικού σήματος που είναι η ταχύτητα του φωτός. Αν γνωρίζουμε την απόσταση μεταξύ των δύο άκρων του δικτύου και τα υλικά από τα οποία αποτελούνται οι φυσικοί του σύνδεσμοι τότε μπορούμε με ευκολία να υπολογίσουμε την καθυστέρηση που οφείλεται σε αυτόν τον παράγοντα. 53

Ο δεύτερος παράγοντας από τον οποίο εξαρτάται η καθυστέρηση σε ένα δίκτυο είναι ο χρόνος που απαιτείται για τη μετάδοση μιας μονάδας πληροφορίας. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται από το μέγεθος του πακέτου στο οποίο μεταφέρεται η πληροφορία και από το εύρος ζώνης του δικτύου. Τέλος ο τρίτος παράγοντας από τον οποίο εξαρτάται η καθυστέρηση οφείλεται στις διάφορες καθυστερήσεις που εισάγουν διάφοροι δρομολογητές ή διακόπτες στο δίκτυο λόγω της συμμετοχής της πληροφορίας που μεταδίδεται σε ουρές εισαγωγής και εξαγωγής από τα στοιχεία αυτά. Γενικά λοιπόν μπορούμε να υπολογίσουμε τη καθυστέρηση από το παρακάτω άρθροισμα: Καθυστέρηση = Διάδοση + Μετάδοση + Ουρές όπου: Διάδοση = Απόσταση / Ταχύτητα του Φωτός Μετάδοση = Μέγεθος / Εύρος Δικτύου Ας υποθέσουμε τώρα ότι σε μία εφαρμογή VOD το σύστημα έχει δημιουργήσει μία δικτυακή σύνδεση μεταξύ του χρήστη και του εξυπηρετητή. Επιπλέον ας υποθέσουμε ότι η εφαρμογή αυτή θα πρέπει να στέλνει μια εικόνα βίντεο μεγέθους 128 ΚΒ 30 φορές το δευτερόλεπτο. Θεωρητικά μία τέτοια εφαρμογή θα πρέπει να έχει δημιουργήσει μια σύνδεση με το χρήστη στο δίκτυο με επίδοση περίπου 32 Mbps. Δυστυχώς όμως τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Επειδή η διαφορά μεταξύ δύο διαδοχικών εικόνων σε ένα βίντεο δεν είναι και πολύ μεγάλη είναι δυνατό να μη στέλνουμε σε κάθε χρονική στιγμή μια ολόκληρη εικόνα βίντεο αλλά τη διαφορά μεταξύ της τωρινής και της προηγούμενη εικόνας. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να συμπιέσουμε την πληροφορία μας. Το βίντεο όμως που έχει συμπιεστεί με αυτό τον τρόπο δεν έχει ένα σταθερό ρυθμό μετάδοσης αλλά ο ρυθμός αυτός εξαρτάται από παράγοντες όπως το ποσοστό της λεπτομέρειας, τον τύπο της κίνησης που περιγράφει κάθε εικόνα και το συγκεκριμένο αλγόριθμο συμπίεσης που χρησιμοποιείται. Επομένως στην περίπτωση αυτή μπορούμε να υποθέσουμε ότι ο μέσος ρυθμός της επίδοσης θα είναι περίπου αυτός που αναφέραμε αλλά η στιγμιαία επίδοση που απαιτείται από το δίκτυο μπορεί να διαφέρει. Για να υπολογίσουμε με επιτυχία την επίδοση που απαιτείται για μια τέτοια εφαρμογή θα πρέπει να επιλέξουμε την αντιπροσωπευτική περίοδο στην οποία θα υπολογίσουμε το μέσο χρόνο μετάδοσης που απαιτείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Αν το σύστημα μας μεταδίδει 1 megabit σε ένα δευτερόλεπτο και 3 megabit στο επόμενο δευτερόλεπο τότε ο μέσος χρόνος μετάδοσης είναι 2 MBps αλλά ο χρόνος αυτός δεν σημαίνει τίποτα το ουσιαστικό αν το δίκτυο μας δε μπορεί να μεταδώσει παραπάνω από 2 Mbps. Στην περίπτωση αυτή το 1 megabit που δεν μπόρεσε να μεταδοθεί θα πρέπει να αποθηκευθεί κάπου στο σύστημα ώστε να μεταδοθεί στην επόμενη χρονική στιγμή. Ενας άλλος παράγοντας που θα πρέπει να εκτιμηθεί σε μια τέτοια εφαρμογή είναι και η μεταβολή της καθυστέρησης στη μετάδοση διαδοχικών πακέτων στο δίκτυο. Η μεταβολή αυτή είναι γνωστή και ως jitter. Εστω ότι έχουμε μια εφαρμογή VOD που στέλνει ένα πακέτο πληροφορίας κάθε 33 ms (π.χ. μιά εφαρμογή που στέλνει 30 πακέτα ανά δευτερόλεπτο). Αν τα πακέτα φτάνουν 54

στο προορισμό τους με σταθερή καθυστέρηση 33 ms το καθένα τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι το δίκτυο εισάγει μια σταθερή χρονική καθυστέρηση στη μετάδοση καθενός από αυτά. Αν αυτό δε συμβαίνει και το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από την άφιξη διαδοχικών πακέτων στο προορισμό μας μεταβάλλεται τότε λέμε ότι το δίκτυο εισάγει ασυνέχεια (jitter) στη μετάδοση μας. Οι ασυνέχειες οφείλονται κυρίως στην εισαγωγή των πακέτων σε ουρές αναμονής στους ενδιάμεσους δρομολογητές του δικτύου. Για να κατανοήσουμε τα προβλήματα που εισάγουν οι ασυνέχειες ας υποθέσουμε ότι η εφαρμογή VOD που εξετάζουμε θα πρέπει να προβάλλει στον προορισμό της μία καινούργια εικόνα κάθε 33ms. Αν μια εικόνα φτάσει νωρίτερα από το χρονικό αυτό διάστημα στον προορισμό της τότε το σύστημα μπορεί να την προβάλλει χωρίς κανένα πρόβλημα. Τα προβλήματα αρχίζουν όταν η καινούργια εικόνα φτάσει αργότερα και το σύστημα δεν έχει να προβάλλει καινούργια εικόνα στα 33 ms. Στην περίπτωση αυτή η ποιότητα μετάδοσης θα χειροτερέψει καθώς δε θα υπάρχει συνέχεια μεταξύ των εικόνων που προβάλλονται. Για να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα που εισάγει η εξυπηρέτηση μεγάλου αριθμού αιτήσεων σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα για την προβολή μιας ψηφιοποιημένης ταινίας υπάρχει η λύση της ομαδοποίησης των αιτήσεων για την προβολή μιας συγκεκριμένης ταινίας και την εκπομπή της σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η παραλλαγή αυτή ονομάζεται near video on demand (N-VOD). Η τεχνική αυτή μειώνει τις απαιτήσεις αποθήκευσης και χρόνου ΚΜΕ της εφαρμογής και κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να εξοικονομήσει και εύρος ζώνης αν χρησιμοποιήσει τεχνικές multicasting. Πιο συγκεκριμένα ορισμένα πρωτόκολλα δικτύων επιτρέπουν σε ορισμένες εφαρμογές να στέλνουν πακέτα πληροφορίας ταυτόχρονα σε περισσοτέρους του ενός προορισμούς. Στην περίπτωση αυτή δεν υποχρεώνουν την εφαρμογή να στέλνει ένα ξεχωριστό πακέτο σε κάθε προορισμό παρά αυτή αρκεί να στέλνει ένα πακέτο σε μια διεύθυνση multicast και το δίκτυο απο εκεί και πέρα να αναλαμβάνει να ενημερώσει όλους όσους περιλαμβάνονται σε αυτή τη διεύθυνση. Στην πιο ακραία περίπτωση η εφαρμογή μπορεί να στείλει πακέτα πληροφορίας σε όλους τους δυνατούς προορισμούς του δικτύου. Μία τέτοια εφαρμογή θεωρείται ότι εκτελεί broadcasting. Σε τοπικά δίκτυα όπως είναι το Ethernet ή το FDDI όπου όλοι οι υπολογιστές μοιράζονται το ίδιο μέσο μετάδοσης οι εφαρμογές multicasting και broadcasting είναι σχετικά εύκολο να υλοποιηθούν. Σε περισσότερο εκτεταμένα δίκτυα όπως είναι το Internet η κατάσταση είναι πιο περίπλοκή μιας και θα πρέπει να σχεδιαστούν ειδικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης που να βελτιστοποιούν την απόκριση του δικτύου σε τέτοιου είδους εφαρμογές. Οι εφαρμογές VOD για να είναι ανταγωνιστικές με περισσότερο παραδοσιακά μέσα τηλεθέασης όπως η τηλεόραση θα πρέπει να επιτυγχάνουν ποιότητα εικόνας συγκρίσιμη με αυτή που είνα δυνατή στα ανταγωνιστικά τους μέσα. Για να ικανοποιήσουν την απαίτηση αυτή οι εφαρμογές που εξετάζουμε 55

χρησιμοποιούν μεθόδους συμπίεσης και κωδικοποίησης όπως το MPEG-2 που έχει επιτύχει ποιότητα εκπομπής συγκρίσιμη με αυτή της τηλεόρασης με ένα εύρος ζώνης περίπου 3 με 6 Mbps. Εκτιμάται ότι ποιότητα εικόνας συγκρίσιμη με αυτή της τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας θα επιτευχθεί μέσω της κωδικοποίησης MPEG-2 με εύρος ζώνης μεταξύ 15 με 34 Mbps.Αναλυτικότερα για το MPEG-2 θα αναφερθούμε σε επόμενο κεφάλαιο. 3.2. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Κάθε σύστημα VoD για να θεωρείται επιτυχημένο θα πρέπει να ικανοποιεί κάποιες απαιτήσεις.οι κυριότερες λειτουργικές απαιτήσεις καθώς και κάποιες γενικές καταγράφονται πιο κάτω ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Παροχή της απαραίτητης δικτυακής υποδομής στους τελικούς χρήστες. Παροχή εύχρηστων και λειτουργικών μονάδων προσαρμογής για τους τελικούς χρήστες, συνοδευόμενων από ευανάγνωστα εγχειρίδια χρήσης. Παροχή στο χρήστη δυνατότητας φυλλομέτρησης της διαθέσιμης πληροφορίας. Παροχή δυνατότητας επιλογής πληροφορίας προς παρακολούθηση. Δυνατότητα υποστήριξης λειτουργιών προώθησης (forward), αναστροφής (reverse), κλπ. Ο χρήστης πρέπει να μπορεί να χρησιμοποιεί το σύστημα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα χωρίς ιδιαίτερη εκπαίδευση. Παροχή μηχανισμού χρέωσης σε περίπτωση ηλεκτρονικής ενοικίασης ταινιών Παροχή του απαραίτητου εύρους ζώνης προκειμένου να μπορεί ο χρήστης να παρακολουθήσει τo video που επέλεξε χωρίς διακοπές ή αλλοιώσεις. Άμεση απόκριση του συστήματος στις επιλογές του χρήστη. Ο χρόνος αποστολής της πληροφορίας στον πελάτη πρέπει να είναι το πολύ της τάξης των μερικών ωρών, έτσι ώστε να γίνει δυνατή η χρήση του συστήματος. Παροχή καταλόγου στο χρήστη, με καθυστέρηση το πολύ μερικών λεπτών, με τις ταινίες που θα μπορεί να επιλέξει. Δυνατότητα προγραμματισμού της λειτουργίας του συστήματος από τον χρήστη για χρονικό διάστημα μερικών ημερών. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Σαν γενικές απαιτήσεις θεωρήσαμε τις απαιτήσεις αυτές που αφορούν στην αποδοτικότητα,την ασφάλεια καθώς την 56

ευχρηστία των vod συστημάτων και με βάση την ιδιότητα τους αυτή τις κατηγοριοποιήσαμε Αποδοτικότητα Απαιτεί την ύπαρξη κεντρικού χώρου αποθήκευσης των πληροφοριών (μπορεί να είναι της τάξεως αρκετών Tbytes). Δυνατότητα γρήγορης πρόσβασης στην αποθηκευμένη πληροφορία σε πολλές διεργασίες ταυτόχρονα. Διαθεσιμότητα του συστήματος όλο το εικοσιτετράωρο. Ασφάλεια (security) Διασφάλιση διαβαθμισμένης πρόσβασης στην αποθηκευμένη πληροφορία, υποστηριζόμενη από σύστημα πιστοποίησης των χρηστών με κωδικούς ανά επίπεδο ασφάλειας. Διασφάλιση ανοχής των μεταδόσεων σε εξωτερικές παρεμβολές, ιδιαίτερα για τα σήματα ελέγχου και την πληροφορία χρέωσης του χρήστη. Παροχή συστήματος αυτόματης αναγνώρισης προβλημάτων για τη γρήγορη αντιμετώπισή τους. Αξιοπιστία Το σύστημα θα πρέπει να μπορεί να επανέλθει σε πλήρη λειτουργία μετά από κάποιο πρόβλημα (system failure) μέσα σε εύλογο διάστημα (π.χ. 5 λεπτά). Τα ενδεχόμενα προβλήματα στη μετάδοση δεδομένων προς ένα χρήστη δε θα πρέπει να δημιουργούν προβλήματα στους υπόλοιπους χρήστες. 4. Συντηρησιμότητα Δυνατότητα αλλαγής της αποθηκευμένης πληροφορίας χωρίς να διακόπτεται η λειτουργία του συστήματος. Ευχρηστία Ύπαρξη μηχανισμού επιλογής ταινιών ηλεκτρονικών παιχνιδιών και ενημέρωσης του συστήματος. Ύπαρξη κεντρικών σημείων τα οποία θα διαθέτουν όλο τον απαραίτητο υπολογιστικό εξοπλισμό και τον εξοπλισμό παραγωγής και ψηφιοποίησης δεδομένων πολυμέσων (κάμερες, μικρόφωνα κλπ.). Τα σημεία αυτά θα είναι τα κεντρικά σημεία δημιουργίας της προς μετάδοση πληροφορίας για τις εφαρμογές της υπηρεσίας που το απαιτούν (π.χ. τηλε-εκπαίδευση, διαφήμιση). 3.3. ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ VOD ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 57

Ένα τυπικό VoD σύστημα αποτελείται από 3 βασικά συστατικά: τον πελάτη, το δίκτυο διανομής και τον εξυπηρετητή. Προκύπτουν πολλά σχεδιαστικά θέματα που σχετίζονται με κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία και όπως συμβαίνει με όλα τα άλλα δικτυακά συστήματα, υπάρχουν δύο βασικές φιλοσοφίες προσέγγισης, η συγκεντρωτική και η κατανεμημένη. Ένα συγκεντρωτικό σύστημα VoD τοποθετεί τους εξυπηρετητές και τα αρχεία του σε ένα και μοναδικό κεντρικό κόμβο. Οι αιτήσεις επεξεργάζονται στον κεντρικό αυτό κόμβο και οι ταινίες παραδίδονται μέσω δικτύου στους πελάτες. Τα συστήματα αυτά έχουν μια πολύ απλή λογική διαχείρισης αλλά στην πλειοψηφία των περιπτώσεων υποφέρουν από δύσκολη επεκτασιμότητα, μεγάλες δικτυακές καθυστερήσεις και χαμηλούς ρυθμούς εξυπηρέτησης. Σχήμα 3.1-Διάρθρωση ενός συγκεντρωτικού συστήματος VoD Ένας τρόπος να αυξηθεί η απόδοση ενός συγκεντρωτικού VoD συστήματος είναι να προστεθούν τοπικοί εξυπηρετητές οι οποίοι θα διαθέτουν buffers βίντεο, αλλά όχι αρχεία ταινιών. Οι δημοφιλείς ταινίες μπορούν να αποθηκεύονται στους τοπικούς buffers βίντεο ώστε να μεταφέρονται πολύ γρηγορότερα στους πελάτες που τις ζητούν, ενώ όταν ζητούνται ταινίες που δεν είναι δημοφιλείς, αυτές μεταφέρονται στους πελάτες από τον κεντρικό κόμβο του συστήματος. 58

Σχήμα 3.2-Διάρθρωση ενός συγκεντρωτικού συστήματος VoD με χρήση τοπικών εξυπηρετητών που διαθέτουν buffers για δημοφιλή videos Ένα κατανεμημένο σύστημα VoD περιλαμβάνει τοπικούς εξυπηρετητές και αρχεία ταινιών και οι αιτήσεις των πελατών εξυπηρετούνται από τους τοπικούς εξυπηρετητές. Κάθε φορά που ζητείται μια ταινία η οποία δεν είναι διαθέσιμη στον τοπικό εξυπηρετητή, ο εξυπηρετητής αυτός, μπορεί να ζητήσει την ταινία από κάποιον από τους απομακρυσμένους εξυπηρετητές του κατανεμημένου δικτύου. 59

Σχήμα 3.3 Ένα κατανεμημένο σύστημα VoD, μπορεί να θεωρηθεί σαν πολλά μικρά συγκεντρωτικά συστήματα που είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Τα κατανεμημένα συστήματα «απλώνουν» τις αιτήσεις των πελατών σε πολλά σημεία του συνολικού δικτύου και κατά μια έννοια μετακινούν τους εξυπηρετητές και τα αρχεία ταινιών πιο κοντά στους πελάτες. Με τη χρήση τοπικών εξυπηρετητών μειώνονται οι δικτυακές καθυστερήσεις και τα φαινόμενα συμφόρησης που εμφανίζονται στην περίπτωση του ενός συγκεντρωτικού εξυπηρετητή αλλά τα κατανεμημένα VoD συστήματα είναι πολύ πιο δύσκολα από άποψη διαχείρισης. Η τελική επιλογή για την διάρθρωση ενός VoD συστήματος εξαρτάται από τον διαθέσιμο αποθηκευτικό χώρο, το επικοινωνιακό σύστημα, τα κόστη, τις απαιτήσεις της εφαρμογής και ένα σύνολο άλλων παραγόντων. Παρόλα αυτά, σε γενικές γραμμές τα επιθυμητά επίπεδα QoS κάνουν πιο ελκυστική την προσέγγιση της κατανεμημένης φιλοσοφίας στην διάρθρωση ενός VoD συστήματος. 3.3.1. ΠΕΛΑΤΗΣ Ο πελάτης ενός VoD συστήματος διαθέτει μια συσκευή οπτικής παρουσίασης και κάποιες συσκευές ηχητικής παρουσίασης (όπως ηχεία) για την προβολή της του βίντεο που θα ζητηθεί από το σύστημα. Η αλληλεπίδραση του πελάτη με το σύστημα γίνεται μέσω κάποιας συσκευής εισόδου όπως ένα τηλεχειριστήριο, ένα ποντίκι, ή ένα πληκτρολόγιο. Παράλληλα, είναι απαραίτητος κάποιος controller ο οποίος παραλαμβάνει τα σήματα των εντολών του πελάτη και τα μεταφέρει μέσω δικτύου στον εξυπηρετητή. Επίσης, ο controller αποθηκεύει στους buffers του τα σήματα βίντεο που στέλνονται από τον εξυπηρετητή, τα αποκωδικοποιεί και τα στέλνει στην οθόνη με κατάλληλο χρονισμό. 60

Η υποστήριξη από ένα VoD σύστημα αλληλεπιδραστικών υπηρεσιών (Play/Resume, Stop, Pause, Jump Forward/Backward, Fast Forward, Slow Down, Reverse, Fast Reverse, Slow Reverse) επιβάλει την παρουσία των παρακάτω κομματιών hardware: Interface δικτύου: επιτρέπει στον πελάτη να λαμβάνει δεδομένα από τον εξυπηρετητή και επιπλέον παρέχει ένα μηχανισμό που μεταφράζει τις εντολές που λαμβάνει από τον σένσορα σε κατάλληλα σήματα τα οποία μεταφέρονται μέσω δικτύου. Αποκωδικοποιητής: με σκοπό να γίνει οικονομία σε αποθηκευτικό χώρο, εύρος ζώνης στο δίσκο καθώς και εύρος ζώνης δικτύου, οι ταινίες συνήθως κωδικοποιούνται πριν αποθηκευτούν στον εξυπηρετητή. Συνεπώς, είναι απαραίτητο να υπάρχει ο αποκωδικοποιητής στον πελάτη ώστε να αποκωδικοποιούνται τα λαμβανόμενα streams δεδομένων πριν αυτά παρουσιαστούν στον θεατή. Buffers: λόγω των μεταπτώσεων σε καθυστέρηση δικτύου δεν μπορούμε να γνωρίζουμε εκ των προτέρων το χρόνο άφιξης ενός stream βίντεο, οπότε για να μπορέσουμε να εγγυηθούμε ότι δεν θα παρατηρηθεί το φαινόμενο starvation (να μην έχουν φθάσει έγκαιρα τα δεδομένα που απαιτούνται ώστε να συνεχιστεί στον κανονικό της ρυθμό η παρουσίαση και έτσι να έχουμε διακοπές) θα πρέπει να έχουμε διαθέσιμη προς παρουσίαση την επόμενη μονάδα δεδομένων στο συντομότερο χρόνο που εκτιμάται ότι μπορεί να ζητηθεί (υποθέτοντας worst case scenario για την ταχύτητα του δικτύου). Αν όμως η ταχύτητα του δικτύου είναι μεγαλύτερη, τα δεδομένα καταφθάνουν γρηγορότερα από τον ρυθμό που «καταναλώνονται» από τον πελάτη με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητος κάποιος προσωρινός αποθηκευτικός χώρος όπου θα φυλαχτούν μέχρι να έρθει η χρονική στιγμή που θα ζητηθούν προς παρουσίαση. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν το μέγεθος των buffers είναι μεγάλο, επιταχύνονται οι αλληλεπιδραστικές υπηρεσίες, αφού τα δεδομένα που χρειάζονται είναι συνήθως διαθέσιμα τοπικά στους buffer και δεν χρειάζεται να μεταφερθούν από τον αντίστοιχο εξυπηρετητή. Τέλος, οι buffers είναι πολύ χρήσιμοι και για ένα άλλο λόγο: εφόσον τα δεδομένα καταφθάνουν στον αποδέκτη πριν ζητηθούν προς αναπαραγωγή μπορούν να αποκωδικοποιηθούν ενώ «περιμένουν» στους buffer την χρονική στιγμή που θα ζητηθούν και έτσι η αποκωδικοποίηση να γίνεται off-line, μειώνοντας με αυτό τον τρόπιο τις λειτουργικές απαιτήσεις του αποκωδικοποιητή και κατά συνέπεια το κόστος του. Υλικό Συγχρονισμού: μια ταινία αποτελείται από stream βίντεο και ήχου τα οποία πρέπει να συγχρονιστούν πριν παρουσιαστούν. Επιπλέον σε πολλά συστήματα χρησιμοποιείται η ιδέα του βαθμωτού βίντεο όπου κάθε stream βίντεο αποσυντίθεται σε ένα βασικό και περισσότερα επιπρόσθετα stream βίντεο. Η λογική είναι ότι αναπαράγοντας στον πελάτη το βασικό stream και συγχρονίζοντας το με αυξανόμενο αριθμό από επιπρόσθετα 61

stream, να καταλήγουμε κάθε φορά σε αυξανόμενης ποιότητας βίντεο. Έτσι, ανάλογα με την απαιτούμενη ποιότητα και το διαθέσιμο εύρος ζώνης στον πελάτη, χρησιμοποιούνται ένα ή περισσότερα από τα επιπρόσθετα streams. 3.3.2. ΔΙΚΤΥΟ Σύμφωνα με τις απαιτήσεις πραγματικού χρόνου ενός τυπικού VoD συστήματος, τα δεδομένα θα πρέπει να καταφθάνουν στον παραλήπτη τους με κατάλληλο χρονισμό που να επιτρέπει την χωρίς διακοπές παρουσίαση τους. Ένα τυπικό stream βίντεο αποτελείται από καρέ (frames), ήχους που αντιστοιχούν στα καρέ και συνοδευτικό κείμενο. Η μεγάλη αυτή ποσότητα πληροφορίας που πρέπει να μεταδοθεί στον πελάτη με τρόπο συνεχή και με τις ελάχιστες δυνατές καθυστερήσεις επιβάλει μεγάλες απαιτήσεις απόδοσης από το δίκτυο. Συμπερασματικά, το δίκτυο που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα VoD σύστημα πρέπει να είναι υψηλής ταχύτητας με χαμηλό ποσοστό λαθών μετάδοσης καθώς η αναμετάδοση δεν είναι αποδεκτή. Συγχρόνως, εφόσον η πληροφορία βίντεο είναι χρονικά ευαίσθητη, οι μεταπτώσεις στις καθυστερήσεις θα πρέπει να διατηρηθούν ελάχιστες. Η ιδιαιτερότητα των εφαρμογών VoD επιβάλει αντίστοιχες απαιτήσεις στην χρησιμοποιούμενη δικτυακή υποδομή: Υψηλή Ταχύτητα: δεδομένου ότι τα δεδομένα βίντεο είναι μεγάλου όγκου και επιπλέον ευαίσθητα σε χρονικές καθυστερήσεις, είναι προφανής και επιτακτική η απαίτηση για δίκτυα μεγάλου εύρους ζώνης που θα υποστηρίξουν τις μεγάλες ταχύτητες μεταφοράς. Connection-Oriented Μεταφορά: εφόσον στις εφαρμογές VoD αφενός τα πακέτα που καταφθάνουν αργοπορημένα στον προορισμό τους είναι άχρηστα και απορρίπτονται, και αφετέρου, οι επανεκπομπές ως μέθοδος διόρθωσης λαθών κατά τη μετάδοση δεν είναι αποδεκτές, είναι απαραίτητο οι μεταφορά των δεδομένων να είναι connection-oriented. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται το ποσοστό των λανθασμένων ή αργοπορημένων πακέτων. Καθυστέρηση Διάδοσης και Αποκλίσεις (Jitter): οι καθυστερήσεις αυτές πρέπει να διατηρούνται ελάχιστες και το ίδιο να ισχύει και για τις διακυμάνσεις στις καθυστερήσεις, ώστε να διατηρείται σταθερή η ποιότητα της παρουσίασης των ταινιών στους αποδέκτες. 3.4. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ & ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ Με βάση τις παραπάνω απαιτήσεις που έχουν τεθεί στη δικτυακή υποδομή που θα υποστηρίζει την υλοποίηση ενός συστήματος VoD(backbone network), τα πρωτόκολλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι τα παρακάτω: 62

ATM (Asynchronous Transfer Mode) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 100 Mbps Ethernet Ως ελκυστικότερη φαίνεται η λύση που προσφέρει το ATM καθώς συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των σχημάτων μεταγωγής κυκλώματος και πακέτων, υποστηρίζει δέσμευση πόρων και συνδέσεις εικονικών κυκλωμάτων πάνω από δίκτυα μεταγωγής πακέτων παρέχοντας εγγύηση της παρεχόμενης υπηρεσίας και διαλειτουργικότητα. Αξίζει σε αυτό το σημείο να αναφερθούν και οι MΒone τεχνολογίες με τις οποίες γίνεται προσπάθεια να αρθούν οι περιορισμοί για τη μετάδοση δεδομένων πραγματικού χρόνου που επιβάλλονται από την TCP/IP οικογένεια πρωτοκόλλων. Οι τεχνολογίες MBone είναι κατάλληλες για μεταφορά δεδομένων πραγματικού χρόνου, υποστηρίζουν Multicast IP και διασφαλίζουν το QoS της παρεχόμενης υπηρεσίας. 3.4.1. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέραμε εκτενώς τις τεχνολογίες XDSL τι σχέση τους με τη μετάδοση βίντεο κατά απαίτηση, εκτός από τις τεχνολογίες αυτές τις οποίες και ξαναναφέρουμε ύπαρχουν και κάποιες άλλες.ενδεικτικά με βάση τα σχήματα σήμανσης που έχουν αναπτυχθεί και μπορούν να υποστηρίξουν τους απαιτούμενους ρυθμούς μετάδοσης χρησιμοποιώντας υπάρχοντες καλωδιακές συνδέσεις που είναι: ADSL (Asymetric Digital Subscriber Loop): χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές κωδικοποίησης, παρέχει downstream σήμα ευρείας ζώνης 1.536 Mbps, upstream κανάλι ελέγχου 16Kbps και ISDN κανάλι βασικού ρυθμού σε ένα υπάρχον καλώδιο συννεστραμένου ζεύγους. Όταν ο πελάτης σε απόσταση μικρότερη των 5.5 Km από το σημείο μεταγωγής, δεν απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός και το κόστος είναι πολύ χαμηλό. Συγχρόνως στα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής συμπεριλαμβάνεται και η μεγάλη διαθεσιμότητα των καλωδίων χαλκού, ωστόσο το εύρος ζώνης που παρέχουν, σε σύγκριση με την οπτική ίνα και το ομοαξονικό καλώδιο είναι σχετικά χαμηλό. HDSL (High Speed Digital Subscriber Line): αποτελεί μια από τις παραλαγές της ADSL σηματοδότησης και συνεπώς επιτρέπει μεταδόσεις σε αποστάσεις μέχρι 5.5 Km πάνω από υπάρχουσες γραμμές χαλκού. Με δυο τέτοια παράλληλα κυκλώματα, η τεχνολογία αυτή μπορεί να υποστηρίξει αμφίδρομη επικοινωνία 1.544 Mbps. 63

HFC (Hybrid Fiber Coax): είναι η τεχνολογία που χρησιμοποιείται από τις εταιρείες καλωδιακής τηλεόρασης. Αποτελεί μια εξέλιξη των ομοαξονικών καλωδίων σε ένα δίκτυο που περιλαμβάνει ομοαξονικά καλώδια και οπτικές ίνες. Η μεταπήδηση στο HFC απαιτεί την μετατροπή των ομοαξονικών καλωδίων των 300-450 Μhz σε ομοαξονικά καλώδια των 750 Mhz. Κάθε κανάλι χωρίζεται σε 125 υπο-κανάλια των 6 Mhz και οι επικοινωνίες διπλής κατεύθυνσης υλοποιούνται με χρήση συστημάτων διαχωρισμού του εύρους ζώνης. Οι πελάτες χρησιμοποιούν το ίδιο φυσικό μέσο και συνεπώς είναι δυνατό να εμφανιστούν συγκρούσεις (collisions) όταν επιχειρούν να προσπελάσουν το φυσικό μέσο ταυτόχρονα. Το γεγονός αυτό περιορίζει δραματικά τον αριθμό των πελατών που μπορούν να εξυπηρετηθούν από το σύστημα ταυτόχρονα. CATV: η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί ένα ευρείας ζώνης ομοαξονικό καλωδιακό σύστημα και μπορεί να υποστηρίξει εκατοντάδες ταυτόχρονες συνδέσεις. Επιπλέον, καθώς η χρήση του ομοαξονικού καλωδίου εξαπλώνεται, το κόστος υποστήριξης του VoD μειώνεται. Ωστόσο απαιτούνται διάφορες προσαρμογές προκειμένου να επιτευχθεί αμφίδρομη σηματοδοσία για την παροχή υπηρεσιών που αλληλεπιδρούν με το χρήστη. Σε σύγκριση με την οπτική ίνα, η CATV τεχνολογία κοστίζει λιγότερο αλλά παρέχει χαμηλότερο εύρος ζώνης. SONET (Synchronous Optical Network): αποτελεί πρότυπο του ANSI το οποίο προσδιορίζει το πρότυπο πολύπλεξης χρησιμοποιώντας ένα ή περισσότερα 51.84 Mbps κανάλια και καθορίζει το πρότυπο οπτικό σήμα για τον εξοπλισμό διασύνδεσης. Παρέχει εύκολα το εύρος ζώνης που απαιτείται για βίντεο πλήρους κίνησης και δίνει δυνατότητες επέκτασης αλλά αποτελεί μια υλοποίηση πολύ υψηλού κόστους. DSS (Direct Broadcast Satellites): η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί δορυφόρους για την απευθείας παροχή πληροφορίας στους πελάτες. Αποτελεί μια πολύ δαπανηρή λύση για εφαρμογές VoD. Συμπερασματικά το SONET μπορεί εύκολα να παράσχει αρκετό εύρος ζώνης για τη μεταφορά βίντεο πλήρους κίνησης αλλά κυρίως οι τεχνολογίες ADSL και CATV θέτουν ισχυρές υποψηφιότητες για την υποστήριξη αλληλεπιδραστικών πολυμέσων στους χώρους των χρηστών, λόγω της μεγάλης εξάπλωσής τους. Και το ISDN θέτει την υποψηφιότητά του, ωστόσο, στο βασικό ρυθμό, μετάδοσης (128 Kbps) παρέχει ανεπαρκές εύρος ζώνης. Ο ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗΣ Ο εξυπηρετητής ενός VoD συστήματος είναι το κομμάτι που επεξεργάζεται τις εντολές που αποστέλλουν στο σύστημα οι πελάτες. Πιο συγκεκριμένα, αποδέχεται να διεκπεραιώσει μια αίτηση ή την απορρίπτει ανάλογα με την τρέχουσα κατάσταση του συστήματος και τον φόρτο του δικτύου. Συγχρόνως, καταστρώνει την χρονοδρομολόγηση της ανάκτησης των δεδομένων που ζητά κάθε πελάτης. Στον αποθηκευτικό χώρο του εξυπηρετητή φυλάσσονται συλλογές από ταινίες. Το είδος του αποθηκευτικού 64

μέσου που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από τις απαιτήσεις του συστήματος, και το διαθέσιμο προϋπολογισμό και μπορεί να συνδυάζει μια ποικιλία από τέτοιες συσκευές όπως RAM, disk-arrays, oπτικοί δίσκοι, βιβλιοθήκες μαγνητικών ταινιών ή και DVD που αποτελούν και το state-f-the-art του είδους. Για να εξυπηρετηθεί με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο το trade-off ανάμεσα στο κόστος και την απόδοση, κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται ιεραρχίες αποθηκευτικού χώρου που αποτελούνται από μια ποικιλία αποθηκευτικών μέσων. Σχήμα 3.4-Τυπική διάρθρωση ενός VoD εξυπηρετητή 3.4.2. ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΣΗΣ ΣΤΟΝ SERVER Σε ένα ιδανικό Video on Demand σύστημα οι αιτήσεις των πελατών για κάποια ταινία εξυπηρετούνται άμεσα από το σύστημα και κάθε πελάτης έχει στην διάθεσή του πλήρεις βίντεο λειτουργίες όπως FF, REW, PAUSE, STOP, PLAY. Όμως η υπόθεση αυτή απέχει πολύ από την πραγματικότητα κυρίως λόγο των περιορισμένων πόρων του συστήματος. Έτσι κάθε σύστημα μπορεί να εξυπηρετήσει συγκεκριμένο αριθμό καναλιών - streams ταυτοχρόνως. Με αυτή τη λογική είναι απαραίτητη μία πολιτική επιλογής των αιτήσεων για βίντεο που φτάνουν στον εξυπηρετητή οι οποίες θα εξυπηρετηθούν. Τις πολιτικές αυτές τις ονομάζουμε πολιτικές εξυπηρέτησης. Οι πολιτικές εξυπηρέτησης πελατών - αιτήσεων στον server μπορούν να χωριστούν σε δύο ουσιαστικά μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το αν επιτρέπουν ή όχι multicasting δηλαδή εκπομπή της ίδιας ταινίας - stream σε πολλούς πελάτες. On-Demand Single Cast (ODSC): Κάθε πελάτης έχει ένα αφοσιωμένο video stream το οποίο του ανατίθεται τη στιγμή που γίνεται δεκτή η αίτησή του. Ο πελάτης έχει πλήρη έλεγχο του video stream. Ο αριθμός 65

των πελατών που εξυπηρετείται περιορίζεται στο αριθμό των καναλιών που υποστηρίζει το σύστημα. Phase Multicast (PMC) or Batching: Κάθε video stream διαμοιράζεται από χρήστες ενός multicast group. Τα video streams αρχίζουν σε τακτά χρονικά διαστήματα. Αιτήσεις που φτάνουν στο χρονικό διάστημα ανάμεσα σε δύο διαδοχικές προβολές ομαδοποιούνται και εξυπηρετούνται με το επόμενο stream. Τα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία αρχίζει η εκπομπή ενός νέου stream μπορεί να είναι προκαθορισμένα ή να καθορίζονται δυναμικά από τον εξυπηρετητή. On-Demand Multicast (ODMC): Κατά την διάρκεια χαμηλού φόρτου εργασίας οι χρήστες εξυπηρετούνται σύμφωνα με το ODSC πρότυπο ενώ όταν ο φόρτος εργασίας αυξάνεται (περισσότερες αιτήσεις χρηστών) το σύστημα χρησιμοποιεί το PMC πρότυπο. Multicasting:Το multicasting επιτρέπει την καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του συστήματος του εξυπηρέτηση, ικανοποιώντας μεγαλύτερο αριθμό αιτήσεων για ταινίες με τους ίδιους πόρους συστήματος με κόστος βέβαια την μεγαλύτερη αναμονή των πελατών μέχρι να αρχίσει μετάδοση της ταινίας. Ο επιπλέον χρόνος αναμονής οφείλεται στο γεγονός υπάρχουν παραλλαγές των γνωστών πολιτικών δρομολόγησης όπου ότι το σύστημα μπορεί να περιμένει ώστε συμπληρωθεί κάποιος συγκεκριμένος αριθμός χρηστών πριν αρχίσει την προβολή της ταινίας ακόμη και αν υπάρχει διαθέσιμο κανάλι. Επιπλέον, σε multicasting συστήματα δυσκολεύει η παροχή λειτουργιών όπως FF, PAUSE, STOP, REW διότι το κανάλι δεν διατίθεται αποκλειστικά σε ένα χρήστη (δεν έχει τον πλήρη έλεγχο της μετάδοσης), επομένως δεν είναι άμεσα δυνατή η παροχή αυτών των λειτουργιών. Ωστόσο, για να εξυπηρετηθούν τέτοιου είδους αιτήσεις υπάρχουν διάφορες τεχνικές. Για την εξυπηρέτηση μίας "σύντομης" αίτησης για PAUSE (αναμένουμε δηλαδή ότι πολύ σύντομα θα έρθει από τον ίδιο πελάτη μία αίτηση για PLAY) σε κάθε σύστημα πελάτη υπάρχει ένας buffer που αποθηκεύει τα πακέτα των δεδομένων που συνεχίζουν να έρχονται, ώστε να μπορεί να συνεχίσει από το σημείο που το άφησε (στον buffer θα είναι, από εκείνο το σημείο και μετά, πάντα αποθηκευμένη η "διαφορά" του από το κανονικό stream). Για ευνόητους λόγους, η τεχνική αυτή λειτουργεί μόνο για μικρές διακοπές και μέχρι να ξεχειλίσει ο buffer από συνεχόμενα αν και μικρά σε διάρκεια PAUSE. Στις περιπτώσεις αυτές ακολουθούνται διαφορετικές τεχνικές. Η πιο απλή στην υλοποίηση τεχνική είναι να οδηγηθεί ο χρήστης στο χρονικά κοντινότερο σε αυτόν stream της ίδιας ταινίας, στην περίπτωση βέβαια που υπάρχει τέτοιο stream. Βέβαια αυτή η τεχνική δεν ικανοποιεί απόλυτα τις απαιτήσεις του χρήστη, μιας και δεν εξασφαλίζεται ότι υπάρχει και άλλο stream της ίδιας ταινίας, αλλά ακόμη και στην περίπτωση που υπάρχει δεν εξασφαλίζεται ότι το 66

frame που εκπέμπεται είναι χρονικά κοντά στο frame που έχει "παγώσει" ο χρήστης την ταινία. Για αυτούς τους λόγους το σύστημα φυλάει πάντα ορισμένο αριθμό από κανάλια που ονομάζονται κανάλια έκτακτων καταστάσεων. Κάθε φορά που λαμβάνεται μια αίτηση για κάποια από τις λειτουργίες PAUSE, FF, REW και STOP από κάποιο σύστημα πελάτη, τότε ο εξυπηρετητής του διαθέτει αποκλειστικά ένα κανάλι έκτακτων καταστάσεων οπότε μπορούν να ικανοποιηθούν τέτοιου είδους αιτήσεις. Η τεχνική αυτή είναι μία ικανοποιητική λύση η οποία έχει ως κόστος ότι δεν διατίθενται όλα τα κανάλια στους χρήστες με αποτέλεσμα να εξυπηρετείται μικρότερος αριθμός αιτήσεων για ταινίες. Επιπλέον, το σύστημα αδυνατεί να αντεπεξέλθει σε αιτήσεις για λειτουργίες βίντεο που ξεπερνούν σε αριθμό το πλήθος των καναλιών εκτάκτων καταστάσεων (εννοείται από χρήστες που παρακολουθούν την ταινία μέσο κανονικού καναλιού και όχι εκτάκτων καταστάσεων όπου το κανάλι ανήκει πλέον αποκλειστικά στο χρήστη και άρα διατίθενται πλήρεις λειτουργίες βίντεο). Bridging: Πέρα από την τεχνική που περιγράφθηκε παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν buffers και για να αυξηθεί έτσι περισσότερο ο αριθμός των χρηστών που παρακολουθεί ένα stream μέσο multicasting. Η τεχνική ονομάζεται bridging και χρησιμοποιεί τα frames που αποθηκεύονται στον buffer που υπάρχει στο server, για να ικανοποιήσει αιτήσεις που αφίχθησαν μέσα σε ένα μικρό σχετικά χρονικό διάστημα από την έναρξη ενός stream που προβάλει την ταινία που ζητάνε. Οι αιτήσεις αυτές ικανοποιούνται βλέποντας πάντα τα frames που βρίσκονται στον buffer του συγκεκριμένου stream. Adaptive piggybacking: Πρόσφατα προτάθηκε μία τεχνική, που ενώνει δύο video streams που είναι χρονικά κοντά σε ένα ώστε να εξοικονομηθεί το ένα από τα δύο κανάλια. Η τεχνική αυτή ονομάζεται adaptive piggybacking και λειτουργεί ως εξής: μεταβάλει τους ρυθμούς προβολής ακόμη και κατά την διάρκεια της προβολής, ώστε το stream που προηγείται χρονικά να προβάλλεται πιο αργά σε σχέση με το δεύτερο stream. Ως αποτέλεσμα το βίντεο που προβάλλεται με ταχύτερο ρυθμό κάποια χρονική στιγμή θα συγχρονιστεί με το πρώτο, οπότε ανατίθενται στο ίδιο κανάλι και ο ρυθμός προβολής (frames/δευτερόλεπτο) επανέρχεται στα φυσιολογικά επίπεδα. Ο παραπάνω αλγόριθμος στηρίζεται στην παρατήρηση ότι μικρές αλλαγές στον ρυθμό προβολής της τάξης του 5% σε σχέση με τον κανονικό ρυθμό το πολύ δεν γίνονται αντιληπτές από τον θεατή. Ωστόσο δημιουργούνται προβλήματα εφαρμογής του αλγορίθμου όταν χρησιμοποιείται κωδικοποίηση τύπου MPEG όπου υπάρχουν εξαρτήσεις ανάμεσα στα διαδοχικά frames. 67

3.4.3 ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ FCFS Βασισμένες στην κλασική αρχιτεκτονική First Come Fist Served όπου εξυπηρετείται η πρώτη αίτηση που περιμένει στην ουρά αναμονής. Στις περιπτώσεις που επιτρέπεται το multicasting μαζί με την αίτηση που βρίσκεται στην αρχή της ουράς εξυπηρετούνται και όλες οι αιτήσεις που βρίσκονται στην ουρά και ζητάνε την ίδια ταινία. Στην πολιτική αυτή δεν γίνεται κανένας διαχωρισμός των ταινιών σε "hot" και "cold" δηλαδή σε ταινίες με πολύ μεγάλη ή πολύ μικρή ζήτηση αντίστοιχα. Αυτό έχει ως συνέπεια το σύστημα να είναι "δίκαιο" με τη λογική ότι όλες οι αιτήσεις κάποτε θα εξυπηρετηθούν. Από την άλλη όμως πλευρά, το σύστημα σπαταλάει κανάλια σε ταινίες που τις παρακολουθεί μικρός αριθμός χρηστών ενώ θα μπορούσαν να διατεθούν για ταινίες που θα τις παρακολουθούσαν πολύ περισσότεροι χρήστες και άρα θα είχαμε καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του συστήματος (και στην περίπτωση που υπάρχει χρέωση για την χρήση της υπηρεσίας μεγαλύτερο κέρδος για την εταιρεία). 3.4.5 ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ MQL Κάθε ταινία έχει την δική της ουρά αναμονής όπου συγκεντρώνονται οι αιτήσεις των πελατών για την συγκεκριμένη ταινία. Κάθε φορά που υπάρχει κάποιο διαθέσιμο κανάλι ώστε μπορεί να αρχίσει καινούργια εκπομπή- stream ο εξυπηρετητής ελέγχει όλες τις ουρές και εξυπηρετεί την ουρά με το μεγαλύτερο μήκος (Maximum Queue Length), δηλαδή προβάλλεται η ταινία που είχε το μεγαλύτερο αριθμό αιτήσεων. Σε αυτή την πολιτική γίνεται εμφανής ο διαχωρισμός των ταινιών σε αυτές που έχουν αυξημένη κίνηση και σε αυτές που ζητούνται σπάνια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα να εξυπηρετεί τον μέγιστο αριθμό χρηστών και άρα να έχει πολύ καλή απόδοση. Από την άλλη μεριά το σύστημα εξυπηρετεί αιτήσεις για ταινίες με μικρή ζήτηση με πολύ μικρή πιθανότητα, και επομένως έχουμε αρκετούς δυσαρεστημένους πελάτες που είναι αναγκασμένοι να περιμένουν μεγάλο χρονικό διάστημα για να δουν μια "σπάνια" ταινία. FCFS-n Πρόκειται για μία υβριδική τεχνική που συνδυάζει τις πολιτικές First Come First Served και Maximum Queue Length. Το σύστημα διαθέτει n κανάλια τα οποία ανατίθενται στους χρήστες με την πολιτική MQL ενώ τα υπόλοιπα κανάλια σύμφωνα με την πολιτική FCFS. Με αυτό τον τρόπο προσπαθεί και εν μέρη επιτυγχάνει να συνδυάσει τα θετικά σημεία των δύο πολιτικών, δηλαδή από τη μία ότι κάποτε όλες οι αιτήσεις θα εξυπηρετηθούν (ανεξαρτήτως από το αν η ταινία που ζητάνε είναι hot ή cold) και από την άλλη να εξυπηρετήσει όσο το δυνατόν μεγαλύτερο αριθμό πελατών προβάλλοντας ταινίες που έχουν την μεγαλύτερη ζήτηση. 3.4.5. ΠΟΛΙΤΙΚΕΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΕΣ ΣΕ WAIT TOLERANCE Wait Tolerance είναι μία μεταβλητή που δείχνει τον χρόνο που ο κάθε χρήστης του συστήματος είναι διατεθειμένος να περιμένει έως ότου αρχίσει η 68

προβολή της ταινίας που έχει επιλέξει. Η γνώση της μεταβλητής αυτής επιτρέπει στο σύστημα να καθυστερήσει τόσο την έναρξη προβολής της ταινίας ώστε να δεχθεί και άλλες αιτήσεις που θα γίνουν batch στο ίδιο stream και να αυξήσει έτσι την απόδοση του συστήματος και από την άλλη να μην ακυρώσει κάποιος από τους χρήστες την αίτησή του. Τα Μ βίντεο χωρίζονται σε hot και cold ανάλογα με την ζήτηση που έχει η κάθε ταινία. Υποθέτοντας ότι οι ταινίες είναι αριθμημένες κατά φθίνουσα συχνότητα ζήτησης, το κατώφλι ταξινόμησης r ε {1, 2,,Μ-1} καθορίζει το όριο ανάμεσα στις δύο κατηγορίες. Τα πρώτα r βίντεο είναι hot ενώ τα υπόλοιπα M - r είναι cold. Κατόπιν οι ταινίες χωρίζονται σε δύο σύνολα, hot και cold. Μία ταινία ανήκει στο σύνολο H εάν ικανοποιεί ένα από τα παρακάτω κριτήρια: Είναι «hot» ταινία. Η ουρά της έχει πάνω από μία αιτήσεις. Η ουρά της έχει μία μόνο αίτηση της οποίας ο χρόνος αναμονής έχει ξεπεράσει το κατώφλι του batch. Σε διαφορετική περίπτωση η ταινία ανήκει στο σύνολο C. Το δεύτερο κριτήριο παρέχει το μέσο για την δυναμική αναγνώριση των hot ταινιών και μειώνει την ευαισθησία στο κατώφλι ταξινόμησης. Το τρίτο κριτήριο μεταφέρει στο σύνολο H τις αιτήσεις για cold βίντεο που έχουν συμπληρώσει μεγάλο χρόνο αναμονής ώστε να αποφευχθεί το μπλοκάρισμά τους από τις προβολές δημοφιλών ταινιών. Ο δρομολογητής κρατάει ένα batch κατώφλι που βασίζεται στο viewer wait tolerance, υποθέτει δηλαδή ότι οι χρήστες είναι πρόθυμοι να περιμένουν για ένα χρονικό διάστημα ίσο με το κατώφλι batch. Έτσι μία αίτηση που ο χρόνος αναμονής της ξεπεράσει αυτό το κατώφλι ακυρώνεται από τον χρήστη. Με αυτή τη λογική η πολιτική αυτή προσπαθεί να ικανοποιήσεις τις αιτήσεις μέσα σε χρονικό διάστημα μικρότερο ή ίσο το batch κατωφλίου. Όταν υπάρξει διαθέσιμο κανάλι καθορίζεται το επιθυμητό υποσύνολο E του H που αποτελείται από ταινίες των οποίων οι αιτήσεις έχουν χρόνους αναμονής που θα ξεπεράσουν το κατώφλι batch εάν περιμένουν μέχρι να βρεθεί το επόμενο διαθέσιμο κανάλι. Εάν το Ε είναι κενό τότε επιλέγεται μία ταινία από το C μέσο FCFS. Σε διαφορετική περίπτωση (το Ε δεν είναι κενό) επιλέγεται μία ταινία από το Ε. Υπάρχουν διάφορες στρατηγικές για την επιλογή αυτή, η πρώτη από αυτές διαλέγει την ταινία με την μεγαλύτερη ουρά αναμονής ενώ ή άλλη επιλέγει την ταινία στην οποία θα συμβούν οι περισσότερες ακυρώσεις στην περίπτωση που καθυστερήσει μέχρι να βρεθεί το επόμενο διαθέσιμο κανάλι. 3.5. Η ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΣΤΟΝ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗ 69

Στο υποσύστημα αποθήκευσης του εξυπηρετητή αποθηκεύονται συμπιεσμένες οι ταινίες. Τα συμπιεσμένα αυτά δεδομένα που αποτελούνται από streams (ροές) βίντεο και ήχου μπορεί να βρίσκονται αποθηκευμένα σε έναν ή περισσότερους εξυπηρετητές. Το υποσύστημα αποθήκευσης είναι συγχρόνως το μέρος όπου πραγματοποιείται η πλειοψηφία των βελτιώσεων ώστε να αυξηθεί η απόδοση ενός VoD συστήματος. Σε ένα VoD σύστημα οι θεατές έχουν την δυνατότητα να επιλέγουν τόσο το βίντεο που θέλουν, όσο και το χρόνο κατά τον οποίο θέλουν να το παρακολουθήσουν. Οι απαιτήσεις χρονισμού που επιβάλει η αναπαραγωγή δεδομένων βίντεο επιβάλει περιορισμούς στον αριθμό των streams που μπορούν να υποστηριχθούν ταυτόχρονα από μια δεδομένη διαμόρφωση εξυπηρετητή. Τα streams VoD πρέπει να διατηρούν ένα χαμηλό χρόνο καθυστέρησης διάδοσης (latency time), ο οποίος είναι ο χρόνος που παρεμβάλλεται ανάμεσα στη χρονική στιγμή που φθάνει μια αίτηση για ένα συγκεκριμένο βίντεο στο σύστημα, μέχρι τη στιγμή που αρχίζει η προβολή του βίντεο στον θεατή/πελάτη. Συνεπώς σκοπός ενός εξυπηρετητή VoD είναι η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών με χαμηλό ποσοστό αποχωρήσεων πελατών και χαμηλές καθυστερήσεις, ενώ παράλληλα, οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα του εξυπηρετητή θα πρέπει να διατηρούνται κατά το δυνατό χαμηλές. Επιπλέον, για να μπορέσει ένα σύστημα VoD να υποστηρίξει μια μεγάλη ποικιλία αιτήσεων, θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει μεγάλο όγκο δεδομένων. Μια 90λεπτη παρουσίαση με χρήση MPEG I συμπίεσης, απαιτεί γύρω στο 1 GB αποθηκευτικό χώρο. Σήμερα υπάρχουν στον κόσμο περίπου 65000 ταινίες και η καθεμιά αν αποθηκευτεί συμπιεσμένη με MPEG 2, απαιτεί 1,5 GB. Συνεπώς, για να μπορέσει ένα σύστημα να υποστηρίξει το σύνολο των διαθέσιμων ταινιών, χρειάζονται 95 TG ενώ ο μεγαλύτερος δίσκος σήμερα δεν ξεπερνά την χωρητικότητα του 1 TB. Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και το γεγονός ότι χρειάζεται να παρέχεται η δυνατότητα πολλαπλών ταυτόχρονων προσβάσεων στο σύστημα αποθήκευσης. Σχήμα 3.5-Ιεραρχική Δόμηση 70

Ένα σύστημα VoD σχεδιάζεται με βάση κάποιες παραδοχές σχετικά με το προφίλ του μέσου πελάτη και την κατανομή της ζήτησης, παράμετροι που μεταβάλλονται στο χρόνο. Η ιδέα της ιεραρχικής δόμησης του αποθηκευτικού χώρου προέρχεται από το γεγονός ότι υπάρχουν διαφορετικές συσκευές αποθήκευσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά και κόστη και ένα αποδοτικό VoD σύστημα πρέπει να κατανέμει τα δεδομένα βίντεο με τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρεί σε χαμηλά επίπεδα το κόστος αποθήκευσης διατηρώντας παράλληλα ένα υψηλό επίπεδο ταχύτητας εξυπηρέτησης των πελατών του. Πιο συγκεκριμένα, ταινίες με μεγάλη ζήτηση («hot» movies) θα πρέπει να τοποθετούνται σε τέτοια αποθηκευτική συσκευή που παρέχει γρήγορη πρόσβαση (μεγάλο εύρος ζώνης), ενώ κάποια από τις ταινίες με χαμηλή ζήτηση («cold» movies), θα πρέπει μεν να είναι διαθέσιμη, αλλά το κόστος αποθήκευσής της θα πρέπει να διατηρείται χαμηλό. Είναι συνεπώς φανερό ότι οι πολιτικές κατανομής των ταινιών στις διάφορες συσκευές αποθήκευσης που απαρτίζουν την ιεραρχία αποθηκευτικού χώρου ενός VoD συστήματος παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στον σχεδιασμό ενός τέτοιου συστήματος. Παράλληλα, η σωστή μοντελοποίηση των διαβαθμίσεων της ζήτησης των πελατών είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την επιλογή μιας αποδοτικής πολιτικής κατανομής. 3.5.1. ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗ Στο υποσύστημα αποθήκευσης του εξυπηρετητή αποθηκεύονται συμπιεσμένες οι ταινίες. Τα συμπιεσμένα αυτά δεδομένα που αποτελούνται από streams (ροές) βίντεο και ήχου μπορεί να βρίσκονται αποθηκευμένα σε έναν ή περισσότερους εξυπηρετητές. Το υποσύστημα αποθήκευσης είναι συγχρόνως το μέρος όπου πραγματοποιείται η πλειοψηφία των βελτιώσεων ώστε να αυξηθεί η απόδοση ενός VoD συστήματος. Σε ένα VoD σύστημα οι θεατές έχουν την δυνατότητα να επιλέγουν τόσο το βίντεο που θέλουν, όσο και το χρόνο κατά τον οποίο θέλουν να το παρακολουθήσουν. Οι απαιτήσεις χρονισμού που επιβάλει η αναπαραγωγή δεδομένων βίντεο επιβάλει περιορισμούς στον αριθμό των streams που μπορούν να υποστηριχθούν ταυτόχρονα από μια δεδομένη διαμόρφωση εξυπηρετητή. Τα streams VoD πρέπει να διατηρούν ένα χαμηλό χρόνο καθυστέρησης διάδοσης (latency time), ο οποίος είναι ο χρόνος που παρεμβάλλεται ανάμεσα στη χρονική στιγμή που φθάνει μια αίτηση για ένα συγκεκριμένο βίντεο στο σύστημα, μέχρι τη στιγμή που αρχίζει η προβολή του βίντεο στον θεατή/πελάτη. Συνεπώς σκοπός ενός εξυπηρετητή VoD είναι η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών με χαμηλό ποσοστό αποχωρήσεων πελατών και χαμηλές καθυστερήσεις, ενώ παράλληλα, οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα του εξυπηρετητή θα πρέπει να διατηρούνται κατά το δυνατό χαμηλές. Επιπλέον, για να μπορέσει ένα σύστημα VoD να υποστηρίξει μια μεγάλη ποικιλία αιτήσεων, θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει μεγάλο όγκο δεδομένων. Μια 90λεπτη παρουσίαση με χρήση MPEG I συμπίεσης, απαιτεί γύρω στο 1 GB αποθηκευτικό χώρο. Σήμερα υπάρχουν στον κόσμο περίπου 71

65000 ταινίες και η καθεμιά αν αποθηκευτεί συμπιεσμένη με MPEG 2, απαιτεί 1,5 GB. Συνεπώς, για να μπορέσει ένα σύστημα να υποστηρίξει το σύνολο των διαθέσιμων ταινιών, χρειάζονται 95 TG ενώ ο μεγαλύτερος δίσκος σήμερα δεν ξεπερνά την χωρητικότητα του 1 TB. Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και το γεγονός ότι χρειάζεται να παρέχεται η δυνατότητα πολλαπλών ταυτόχρονων προσβάσεων στο σύστημα αποθήκευσης. Κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος VoD ένα από τα βασικά σημεία είναι η επιλογή του τύπου και του μεγέθους των αποθηκευτικών μέσων που θα χρησιμοποιηθούν στην ιεραρχία αποθηκευτικού χώρου. Ένα αποθηκευτικό μέσο χαρακτηρίζεται από την χωρητικότητά του (ποσότητα δεδομένων που μπορεί να χωρέσει) και το εύρος ζώνης του (ταχύτητα ανάκτησης των αποθηκευμένων δεδομένων). Διακρίνουμε τρεις κατηγορίες αποθηκευτικών μέσων: Expanded Storage (ES): αποτελείται από RAM modules και είναι προσπελάσιμη απευθείας από την κύρια μνήμη μέσω του bus του συστήματος. Το κόστος αποθήκευσης μιας ταινίας σε ES εξαρτάται από την διάρκειά της και θεωρείται ότι έχει άπειρο εύρος ζώνης αφού όλες οι αιτήσεις εξυπηρετούνται, εφόσον δεν ξεπερνούν το εύρος ζώνης του bus του συστήματος. Disk Storage (υποσύστημα δίσκων): αποτελείται από αποθηκευτικά μέσα και βραχίονες. Το κόστος του υποσυστήματος δίσκων μειώνεται όσο αυξάνεται ο παράγοντας striping (μια ταινία κατανέμεται σε πολλαπλούς δίσκους και με αυτόν τον τρόπο μπορεί να γίνεται παράλληλα η πρόσβαση σε αυτή πετυχαίνοντας πολύ χαμηλότερο χρόνο ανάκτησης). Η τεχνική striping χρησιμοποιείται για να βελτιωθεί ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων από το δίσκο στην κύρια μνήμη. Παράλληλα, το κόστος εξαρτάται από τον αριθμό των δίσκων, τον αριθμό από βραχίονες σε κάθε δίσκο και το σχετικό κόστος ανά βραχίονα. Αν ολόκληρη η ταινία βρίσκεται αποθηκευμένη σε ένα μόνο δίσκο, ο αριθμός των ταυτόχρονων αιτήσεων για την συγκεκριμένη ταινία που μπορούν να εξυπηρετηθούν περιορίζεται από τον αριθμό των streams που μπορεί να διαβάσει ο βραχίονας χωρίς jitter Βιβλιοθήκη Μαγνητικών Ταινιών (Tape Library): αποτελείται από ράφια αποθήκευσης βίντεο, robots, και οδηγούς μαγνητικών ταινιών (tape drives). Ο αριθμός των streams μου μπορεί να υποστηρίξει μια βιβλιοθήκη μαγνητικών ταινιών εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως τον αριθμό των διαθέσιμων οδηγών, την ταχύτητα του robot, κτλ. Γενικά, η βιβλιοθήκη ταινιών είναι ο πιο οικονομικός τρόπος αποθήκευσης αρχείων βίντεο αλλά ταυτόχρονα παρέχει και το μικρότερο εύρος ζώνης με αποτέλεσμα να περιορίζεται δραματικά ο αριθμός των ταινιών που μπορούν να αποθηκεύονται εκεί, αν θέλουμε να αποφύγουμε μη αποδεκτές καθυστερήσεις. 72

Σχήμα 3.6-Γραφική απεικόνιση του εύρους ζώνης / χωρητικότητα για τις περιπτώσεις των εναλλακτικών διαθέσιμων αποθηκευτικών μέσων 3.6. ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΑΡΧΕΙΩΝ VIDEO (Video File Allocation) Το πρόβλημα κατανομής των αρχείων βίντεο προέκυψε από το ότι τα αρχεία αυτά έχουν ποικίλα χαρακτηριστικά αιτήσεων και υπάρχουν διαθέσιμα μέσα αποθήκευσης με επίσης ποικίλα χαρακτηριστικά τόσο χωρητικότητας όσο και εύρους ζώνης. Ένας αποδοτικός σχεδιασμός πρέπει να ενσωματώνει τα δύο παραπάνω χαρακτηριστικά με τρόπο ώστε να αντεπεξέρχεται σε συνθήκες αυξανόμενης ζήτησης χωρίς να αυξάνει το κόστος των μέσων αποθήκευσης. Δεδομένου ότι το ταχύτερο και ακριβότερο αποθηκευτικό μέσο είναι το ES, ενώ το φθηνότερο αλλά και πιο αργό είναι η βιβλιοθήκη μαγνητικών ταινιών, η βασική ιδέα είναι να αποθηκεύονται οι «hot» ταινίες σε ES ή σε δίσκους και οι «cold» ταινίες σε βιβλιοθήκες. Στην πραγματικότητα η βιβλιοθήκη μαγνητικών ταινιών παίζει έναν ακόμη σημαντικό ρόλο στα συστήματα VoD: αποτελεί το χώρο όπου αποθηκεύονται όλα τα αντίγραφα ασφαλείας (backup) των ταινιών που παρέχονται από το σύστημα. 73

Σχήμα 3.7-Γραφική απεικόνιση της ζήτησης κατανομής ταινιών σε ES ή DISK ανάλογα με την ζήτηση κάθε ταινίας και τη διάρκεια της 3.7 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΣΗΣ ΑΙΤΗΣΕΩΝ ΣΤΟΝ ΔΙΣΚΟ Τα δεδομένα συνεχούς χρόνου όπως το βίντεο και ο ήχος παρουσιάζουν ειδικά προβλήματα αποθήκευσης και ανάκτησης εξαιτίας (1) του υψηλού ρυθμού μεταφοράς και των μεγάλων απαιτήσεων σε αποθηκευτικό χώρο και (2) της πραγματικού χρόνου φύσης τους. Το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς προς αυτήν την κατεύθυνση και για την περίπτωση που εξετάζουμε έναν και μοναδικό δίσκο, εκμεταλλεύεται την συνεχή φύση των δεδομένων προχωρώντας σε γύρους κατά την διάρκεια των οποίων σε κάθε stream παρέχεται μια πρόσβαση στο δίσκο (ή συγκεκριμένος αριθμός προσβάσεων). Η ποσότητα δεδομένων που ανακτάται σε κάθε γύρο υπολογίζεται ώστε να είναι αρκετή και να αποφεύγονται φαινόμενα starvation (να υπάρχει δηλαδή πάντα αρκετή ποσότητα δεδομένων που θα έχει ήδη μεταφερθεί από το δίσκο, έτοιμη προς αναπαραγωγή ώστε να μην δημιουργούνται κενά κατά την παρουσίαση αυτών των χρονικά «ευαίσθητων» δεδομένων στον θεατή). Οι αλγόριθμοι εξυπηρέτησης αιτήσεων στο δίσκο που χρησιμοποιούνται σε συστήματα VoD κάνουν χρήση των συμβατικών αλγορίθμων round-robin, SCAN και EDF. 74

Round-robin: εξυπηρετεί κάθε πελάτη με προκαθορισμένη σειρά (εκ περιτροπής). SCAN: μετακινεί την κεφαλή πάνω στην επιφάνεια του δίσκου μπροστά ή πίσω ανακτώντας μπλοκ καθώς περνά από πάνω τους. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η απόσταση την οποία πρέπει να ταξιδέψει η κεφαλή και κατά συνέπεια οι συνολικές καθυστερήσεις αναζήτησης. EDF (Earliest Deadline First): σε κάθε αίτηση εξυπηρέτησης δίνεται ένα χρονικό περιθώριο ανάκτησης και εξυπηρετούνται πρώτα οι αιτήσεις με το μικρότερο χρονικό περιθώριο. Όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα, οι περισσότεροι από τους αλγόριθμους εξυπηρέτησης αιτήσεων στο δίσκο, βασίζονται στη φιλοσοφία των γύρων. Μια εξαίρεση αποτελεί ο SCAN-EDF: πρώτα εξυπηρετείται η αίτηση με το μικρότερο χρονικό περιθώριο και αν αυτές οι αιτήσεις είναι περισσότερες από μία, η σειρά εξυπηρετητής τους καθορίζεται με βάση τον SCAN αλγόριθμο. Από τους αλγόριθμους που βασίζονται σε γύρους ο round-robin είναι ο απλούστερος αλλά επειδή δεν προσπαθεί να επιτύχει καμιά μείωση των καθυστερήσεων αναζήτησης, κάνει μη αποδοτική χρήση του δίσκου. Γι αυτό το λόγο στις περισσότερες περιπτώσεις εφαρμόζεται σε συνδυασμό με αλγορίθμους τοποθέτησης των δεδομένων στο δίσκο που εγγυώνται μικρότερους χρόνους αναζήτησης. Ο SCAN αλγόριθμος είναι αυτός που πετυχαίνει τον υψηλότερο ρυθμό εξυπηρέτησης αιτήσεων αλλά αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι αποτελεί την καλύτερη επιλογή για συνεχή δεδομένα όπως τα δεδομένα βίντεο. Αυτό συμβαίνει επειδή στην περίπτωση ανάκτησης βίντεο θα πρέπει να υπάρχουν στον buffer έτοιμα προς παρουσίαση αρκετά δεδομένα ώστε να μην έχουμε starvation, αλλά ο SCAN δεν μπορεί να πει με σιγουριά πόσο χρόνο θα περιμένει μια αίτηση να εξυπηρετηθεί. Στην πραγματικότητα, στην χειρότερη περίπτωση μια αίτηση εξυπηρετείται στην αρχή του τρέχοντος γύρου και στο τέλος του επόμενου με αποτέλεσμα να πρέπει να υπάρχουν διαθέσιμα στον buffer δεδομένα που αρκούν για την χρονική διάρκεια δύο γύρων. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι απαιτείται μεγάλο μέγεθος buffer και κάποιος επιπλέον χρόνος εκκίνησης (για τις ανάγκες αρχικοποίησης). Σε αυτήν την περίπτωση είναι χαρακτηριστικό ότι ο SCAN δεν μπορεί να εγγυηθεί τον σταθερό χειρότερο χρόνο που προσφέρει ο round-robin (χρονική διάρκεια ενός κύκλου) και αν ο round-robin έχει γύρους με διάρκεια μικρότερη από το διπλάσιο της διάρκειας του SCAN, απαιτεί μικρότερο μέγεθος buffer από τον SCAN. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι υπάρχει ένα trade-off ανάμεσα στον αριθμό των γύρων μεταξύ διαδοχικών εξυπηρετήσεων του ίδιου πελάτη (ένας γύρος για τον round-robin, και σχεδόν δύο για τον SCAN) και τη χρονική διάρκεια του γύρου (μεγάλη χρονική διάρκεια για τον round-robin και μικρή για τον SCAN). Ο αλγόριθμος shorting-set (σε πολλά σημεία της βιβλιογραφίας 75

αναφέρεται και ως Grouped Sweeping Scheme GSS) εκμεταλλεύεται αυτό το trade-off: κάθε πελάτης κατατάσσεται σε ένα από τα προκαθορισμένα σύνολα ταξινόμησης (sorting-sets) και κάθε ένα από αυτά τα σύνολα εξυπηρέτησης έχουν συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μέσα στη διάρκεια κάθε γύρου κατά το οποίο και μπορούν να εξυπηρετούνται οι πελάτες τους. Εσωτερικά σε κάθε σύνολο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο SCAN ώστε να μειωθεί ο χρόνος αναζήτησης. Σε κάθε γύρο εξυπηρέτησης ο αλγόριθμος εφαρμόζει g (αριθμός των συνόλων) SCANs κατά μήκος όλων των καναλιών του δίσκου. Σε κάθε ένα από αυτά τα SCAN εξυπηρετούνται το πολύ n/g αιτήσεις ανά σύνολο ταξινόμησης (όπου n είναι το πλήθος των αιτήσεων). Όταν υπάρχει μόνο ένα σύνολο ταξινόμησης ο αλγόριθμος εκφυλίζεται στον SCAN ενώ αν κάθε πελάτης ανήκει σε δικό του σύνολο, ο αλγόριθμος εκφυλίζεται σε roundrobin. Ακολουθεί σχηματική απεικόνιση των αλγορίθμων SCAN, round-robin και sorting-set (με d max συμβολίζεται ο μέγιστος χρόνος που παρεμβάλλεται μεταξύ δύο διαδοχικών εξυπηρετήσεων ενός πελάτη). Σχήμα 3.8-Γραφική απεικόνιση των αλγορίθμων SCAN, ROUND- ROBIN και SORTING SET 3.8. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΔΙΣΚΩΝ Όταν είναι διαθέσιμοι περισσότεροι του ενός δίσκοι στην ουσία εννοούμε ότι οι δίσκοι αυτοί προσπελαύνονται παράλληλα. 76

Striped Retrieval: Για να μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε τους πολλαπλούς δίσκους, η πρώτη σκέψη είναι να εφαρμόσουμε striping στα δεδομένα κατά μήκος των διαθέσιμων δίσκων όπως συμβαίνει στα τυπικά RAID συστήματα. Οι μονάδες striping ή stripes μπορεί να είναι bytes, τομείς (sectors) ή και κανάλια (tracks). Θεωρώντας για μονάδα striping τον τομέα, ο λογικός τομέας 1 θα αποτελείται από τους φυσικούς τομείς 1 όλων των δίσκων. Σχήμα 3.9-Τεχνική striping δεδομένων σε ένα σύνολο δίσκων Mε την τεχνική αυτή αυξάνεται το εύρος ζώνης που είναι διαθέσιμο ανά πελάτη (ή ανά stream αφού θεωρούμε ότι κάθε πελάτης τροφοδοτείται από ένα stream δεδομένων), καθώς με τον ίδιο χρόνο αναζήτησης και τις ίδιες λοιπές καθυστερήσεις όπως στα συστήματα με ένα δίσκο, η πληροφορία που τελικά μπορεί να ανακτηθεί είναι τόσες φορές περισσότερη, όσοι οι δίσκοι που προσπελαύνονται παράλληλα. Με τον τρόπο αυτό όμως απαιτούνται πολύ μεγαλύτερα μεγέθη buffer, καθώς μεταφέρεται πολλαπλάσια ποσότητα πληροφορίας από το σύστημα δίσκων. Σχήμα 3.10-Τεχνική Striped Retrieval Split-Stripe Retrieval: Πρόκειται για μια παραλλαγή της τεχνικής Stripped Retrieval η οποία εξαλείφει ως ένα βαθμό το πρόβλημα των μεγάλων απαιτήσεων σε μέγεθος buffer, που επιβάλλει η πρωτογενής striping μέθοδος. Πιο συγκεκριμένα, αν και τα δεδομένα είναι και πάλι αποθηκευμένα σε λωρίδες κατά μήκος του συνόλου των δίσκων, είναι δυνατό να γίνει παράλληλη ανάκτηση δεδομένων της λωρίδας (stripe) j από τους δίσκους 1 μέχρι x ενώ συγχρόνως ανακτώνται τα δεδομένα της 77

λωρίδας k από τους δίσκους x+1 μέχρι Ν (όπου Ν: το πλήθος των δίσκων). Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται η τεχνική split-stripe ανάκτησης δεδομένων. Σχήμα 3.11-H τεχνική Split-Retrieval Cyclic Retrieval: Η τεχνική της κυκλικής ανάκτησης δεδομένων (Cyclic Retrieval) διαφέρει σημαντικά από την τεχνική της προηγούμενης παραγράφου αφού αντί να ανακτάται σε κάθε γύρο εξυπηρέτησης ένα ολόκληρο stripe (λωρίδα), ανακτώνται οι μονάδες striping μία μία όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.12-Τεχνική Cyclic Retrieval Οι μονάδες striping για διαφορετικά stream (και άρα για διαφορετικές αιτήσεις) ανακτώνται ταυτόχρονα ώστε να αξιοποιείται ο παραλληλισμός. Με αυτόν τον τρόπο, τα δεδομένα φτάνουν στον buffer πιο τακτικά αλλά σε μικρότερες ποσότητες σε σύγκριση με την stripe retrieval τεχνική, γεγονός που συνεπάγεται μικρότερο μέγεθος buffer (όσο μια μονάδα striping ή δύο το πολύ ώστε να ξεκινούν οι επόμενες αιτήσεις για δεδομένα πριν ολοκληρωθεί η αναπαραγωγή των δεδομένων που έχουν καταφθάσει στον πελάτη από την 78

προηγούμενη αίτηση). Το μοναδικό πρόβλημα με αυτή την προσέγγιση είναι ότι θεωρείται δεδομένο ότι ο ρυθμός κατανάλωσης συμπίπτει με τον ρυθμό ανάκτησης των δεδομένων πράγμα που δεν ισχύει όταν για παράδειγμα το ρολόι του μηχανήματος-πελάτης είναι πιο αργό από το ρολόι τουεξυπηρετητή. Σ αυτή την περίπτωση θα πρέπει να γίνεται παύση όταν γεμίσει ο buffer ή να συγχρονιστεί ο ρυθμός κατανάλωσης με τον ρυθμό ανάκτησης αποκόπτοντας κατά την παρουσίαση των δεδομένων στον πελάτη, ένα ποσοστό από αυτά («πετάμε» μέρος της πληροφορίας χάνοντας αναπόφευκτα σε ποιότητα). Data Replication: Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, κάθε δίσκος θεωρείται σαν μια ανεξάρτητη οντότητα. Σε κάθε δίσκο αποθηκεύεται ένας αριθμός από ταινίες και κάθε πελάτης, ανάλογα με την ταινία που θέλει, εξυπηρετείται αποκλειστικά από ένα δίσκο. Η διαφορά είναι ότι τώρα κάθε stream δεν ανακτάται από το σύνολο των δίσκων όπως στις προηγούμενες τεχνικές αλλά από έναν και μόνο δίσκο (μια παραλλαγή της τεχνικής έχει ενσωματώσει και δυναμική ανακατανομή των ταινιών στους δίσκους αλλά η πρωτογενής μορφή της είναι στατική). Για ταινίες που είναι πολύ δημοφιλείς (hot movies), είναι πολύ πιθανό να μην είναι αρκετός ένας δίσκος για να εξυπηρετήσεις τους πολλαπλούς πελάτης που επιθυμούν να την παρακολουθήσουν. Σ αυτές τις περιπτώσεις αντίγραφα της ταινίας υπάρχουν διαθέσιμα σε περισσότερους του ενός δίσκους, όπως φαίνεται και από το επόμενο σχήμα: Σχήμα 3.13-Τεχνική Data Replication Στο παραπάνω σχήμα η ταινία Α αναμένεται να είναι πολύ δημοφιλής και γι αυτό το λόγο υπάρχει σε 4 δίσκους, η ταινία C αναμένεται να είναι δημοφιλής αλλά λιγότερο από την Α, ενώ οι υπόλοιπες ταινίες δεν αναμένεται να είναι δημοφιλείς. Η τεχνική αυτή έχει το σημαντικό πλεονέκτημα ότι επιτρέπει την εύκολη επεκτασιμότητα (όταν αυξάνουν οι ανάγκες του συστήματος σε αποθηκευτικό χώρο, απλώς προστίθεται ένας ακόμα δίσκος χωρίς αυτό να επηρεάζει τα περιεχόμενα των υπόλοιπων δίσκων όπως θα συνέβαινε στην περίπτωση που εφαρμόζαμε striping). Επιπλέον, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στη διάρθρωση του συστήματος δίσκους διαφορετικής χωρητικότητας και ταχύτητας χωρίς πρόβλημα, πράγμα που επίσης δεν μπορούσε να γίνει αν χρησιμοποιούσαμε striping. Ένα από τα βασικά μειονεκτήματα της ιδέας της επανάληψης των δεδομένων είναι το ότι απαιτεί μεγαλύτερες ποσότητες αποθηκευτικού χώρου ώστε να αντεπεξέλθει στις ανάγκες μιας πολύ δημοφιλούς ταινίας που θα χρειαστεί να κρατηθεί σε πολλά αντίγραφα. 79

Παράλληλα, χρειάζεται ένα τέτοιο σύστημα να διαθέτει κάποιο μηχανισμό τακτικής ενημέρωσης ώστε να είναι γνωστή η τρέχουσα δημοτικότητα μιας ταινίας και να υπάρχει στο σύστημα ο κατάλληλος αριθμός αντιγράφων ώστε ούτε να είναι περισσότερα τα αντίγραφα από αυτά που χρειάζονται (σπατάλη αποθηκευτικού χώρου) ούτε να είναι λιγότερα (το σύστημα δεν μπορεί να εξυπηρετήσεις όλες τις ταυτόχρονες αιτήσεις για την συγκεκριμένη ταινία). 3.8.1. ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ Στην περίπτωση του scheduling όταν είναι ένας μόνο δίσκος διαθέσιμος, η προσέγγιση του shorting-set αλγόριθμου προσφέρει το πιο δυναμικό μοντέλο αφού εμπεριέχει τις τεχνικές round-robin και SCAN σαν ειδικές περιπτώσεις. Όταν είναι διαθέσιμοι πολλαπλοί δίσκοι, δεν υπάρχει καθαρός νικητής και κάθε προσέγγιση προσφέρει πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα, το κυκλικό scheduling έχει το πρόβλημα του συγχρονισμού των ρολογιών αλλά η φιλοσοφία της χωρητικότητας του συστήματος (το πλήθος των πελατών που θα εξυπηρετούνται ανά χρονική στιγμή εξαρτάται από τους πόρους του συστήματος συνολικά) σε αντίθεση με αυτήν της χωρητικότητας ανά ταινία (το πλήθος των πελατών που μπορούν να παρακολουθούν συγχρόνως μια ταινία εξαρτάται από το πλήθος των αντιγράφων της ταινίας στο σύστημα) είναι πιο εύκαμπτη και παράλληλα, αποτελεί μια οικονομική τεχνική από άποψη μεγέθους buffer. Η τεχνική striped scheduling αντεπεξέρχεται στα προβλήματα συγχρονισμού και έχει τη φιλοσοφία της χωρητικότητας συστήματος αλλά δεν είναι οικονομική σε μέγεθος buffer. Τέλος, η τεχνική του replicated scheduling είναι αυτή που είναι πιο εύκολα επεκτάσιμη και έχει χαμηλές απαιτήσεις σε μέγεθος buffer αλλά επειδή λειτουργεί με βάση τη χωρητικότητα ανά ταινία δεν άκαμπτη και χρειάζεται περισσότερη διαχείριση και παρακολούθηση ενώ παράλληλα απαιτεί εκ φύσεως περισσότερο αποθηκευτικό χώρο. Ο ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ DASD DANCING Η βασική ιδέα του αλγορίθμου βασίστηκε στη διαπίστωση ότι οι ταινίες διαφέρουν δραματικά σε δημοτικότητα και επιπλέον ότι η δημοτικότητα μιας ταινίας μεταβάλλεται σε εβδομαδιαία, καθημερινή ακόμη και ωριαία βάση ανάλογα με το μείγμα των θεατών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την το να είναι από άποψη απόδοσης, αδύνατο να εξυπηρετούνται όλες οι αιτήσεις για μια δημοφιλή ταινία από ένα και μοναδικό δίσκο. Η τεχνική χρησιμοποιεί το πλεονέκτημα των πολλαπλών αντιγράφων μιας ταινίας ώστε να πετύχει καλύτερη εξισορρόπηση φορτίου στο σύστημα δίσκων. Η τεχνική DASD dancing μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με την τεχνική striping και προσδίδει στο striping μεγαλύτερη αποδοτικότητα. Αποτελείται από δύο στάδια: Στατικό στάδιο: εφαρμόζει μια τεχνική βελτιστοποίησης για να καθοριστεί ο αριθμός των αντιγράφων ανά ταινία και στη συνέχεια χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο που πετυχαίνει καλή κατανομή των ταινιών στους δίσκους που είναι διαθέσιμοι στο VoD σύστημα. Το στάδιο αυτό θα 80

πρέπει να εκτελείται περιοδικά (συνήθως μια φορά την ημέρα) και μπορεί να εκτελείται από την αρχή ή με μορφή επαύξησης. Δυναμικό στάδιο: το στάδιο αυτό διαχειρίζεται την δυναμική χρονοδρομολόγηση των αιτήσεων για ταινίες στους δίσκους βασισμένο στην έξοδο που παίρνει από το στατικό στάδιο και στις διακυμάνσεις στις απαιτήσεις των πελατών (διακυμάνσεις που οφείλονται στο γεγονός ότι ταινίες τελειώνουν, άλλες αρχίζουν, ορισμένες παύουν να προβάλλονται για ορισμένο χρονικό διάστημα (paused) και άλλες επανακινούνται μετά από μια παύση. Χρησιμοποιείται μια βελτιστοποιημένη τεχνική για να επιτύχει βέλτιστη κατανομή φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή και η απόφαση σχετικά με το ποιος δίσκος θα εξυπηρετήσει μια νέα αίτηση για μια ταινία από όλους τους δίσκους που διαθέτουν αντίγραφο της ταινίας αυτής παίρνεται με βάση μια greedy φιλοσοφία: επιλέγεται ο δίσκος με το λιγότερο φορτίο. Κάθε φορά που ανιχνεύονται μεγάλες αποκλίσεις στην κατανομή φορτίου εκτελείται ο DASD dancing αλγόριθμος ο οποίος και μεταφέρει το φορτίο από δίσκους υπερφορτωμένους σε άλλους που έχουν λιγότερο φορτίο. Η μεταφορά αυτή γίνεται δυναμικά, με την έννοια ότι αφορά stream βίντεο που έχουν ήδη αρχίσει να αναπαράγονται στον πελάτη. 3.9. ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ VIDEO ON DEMAND ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΧΡΗΣΤΩΝ Καθώς οι βασικές τεχνολογίες που το υποστηρίζουν είναι σχετικά νέες λείπει μια παγκόσμια πρωτοτυποποίηση για το VoD.Παρόλα αυτά πολλά ερευνητικά ινστιτούτα και εμπορικοί οργανισμοί έχουν καθιερώσει de-facto πρότυπα και συνεπώς υπάρχουν αρκετές υπηρεσίες σχετικές με VoD που λειτουργούν σήμερα και είναι διαθέσιμες. Καταρχήν να κατηγοριοποιήσουμε τις υπηρεσίες VoD ανάλογα με τον τύπο της αλληλεπίδρασης με τον πελάτη: Συμβατική μετάδοση (Broadcast) (No-VoD): υπηρεσίες παρόμοιες με αυτές της συμβατικής τηλεόρασης,στις οποίες ο χρήστης είναι παθητικός συμμέτοχος και δεν ελέγχει αυτά που βλέπει. Pay-per-view (PPV): υπηρεσίες στις οποίες ο χρήστης πληρώνει και βλέπει συγκεκριμένα προγράμματα,παραπλήσιες υπηρεσίες με τις υπάρχουσες υπηρεσίες PPV της καλωδιακής τηλεόρασης (CATV PPV). Quasi Video-on-Demand (Q-VoD): υπηρεσίες, στις οποίες οι χρήστες ομαδοποιούνται με βάση τα ενδιαφέροντά τους. Οι χρήστες μπορούν να εκτελέσουν την απλή λειτουργία να αλλάξουν το γκρουπ στο οποίο ανήκουν. 81

Υπηρεσίες που προσεγγίζουν αρκετά το video-on-demand (Near-VoD) στις οποίες λειτουργίες όπως η μετάδοση μπροστά και πίσω σε μια video-ταινία εξομοιώνονται από μεταβάσεις σε διακριτά χρονικά διαστήματα της (τάξης των 5 λεπτών).αυτή η δυνατότητα παρέχεται από πολλαπλά κανάλια με ασύμμετρο χρονικό προγραμματισμό. Πραγματικές υπηρεσίες Video-on-Demand (True-VoD) στις οποίες ο χρήστης έχει τον πλήρη έλεγχο αυτών που παρακολουθεί. Ο χρήστης έχει πλήρεις δυνατότητες ενός συμβατικού video όπως μετακίνηση μπροστά και πίσω σε μια video-ταινία παύση και τυχαία επιλογή σημείου της ταινίας. Το T-VoD χρειάζεται ένα κανάλι για κάθε πελάτη και τα πολλαπλά κανάλια δεν χρειάζονται πλέον. 3.10. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΧΡΗΣΤΩΝ Οι χρήστες στους οποίους απευθύνονται οι υπηρεσίες VoD μπορούν να χωριστούν στις ακόλουθες κατηγορίες: Μεμονωμένοι συνδρομητές: Αποτελούν μια πολύ μεγάλη ομάδα δυνητικών χρηστών για την περίπτωση του VoD, αφού με μια σύνδεση της τάξης των 32 ή 64 Kbps, είναι δυνατή η μεταφορά μίας ταινίας σε ικανοποιητικό χρονικό διάστημα. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει την ταινία που τον ενδιαφέρει και να την έχει στη διάθεσή του για να την παρακολουθήσει όποτε αυτός επιθυμεί. Το κόστος της υπηρεσίας αυτής είναι αρκετά χαμηλό, έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί από ιδιώτες. Επιπλέον, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εφαρμογή παροχής ηλεκτρονικών παιχνιδιών κατά απαίτηση, καθώς το κόστος για την εφαρμογή της είναι πολύ μικρότερο, ενώ οι δυνητικοί χρήστες είναι πολλοί. Ο όγκος της πληροφορίας επιτρέπει ικανοποιητική απόκριση στον τελικό χρήστη ακόμα και για συνδέσεις μέσω απλής τηλεφωνικής γραμμής. Εταιρίες ψυχαγωγίας: Οι χρήστες στην περίπτωση αυτή είναι εταιρείες ψυχαγωγίας, οι οποίες μπορούν να εγκαταστήσουν τοπικά συστήματα παιχνιδιών κατ απαίτηση, που θα δίνουν ηλεκτρονικά παιχνίδια στο τερματικό του τελικού χρήστη. Ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις: Πολλές μεγάλες ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις, κυρίως στο εξωτερικό, παρέχουν True ή Near βίντεο κατ απαίτηση. Η εφαρμογή έγκειται στην εγκατάσταση ενός τοπικού συστήματος βίντεο κατ απαίτηση, το οποίο παρέχει βίντεο ή παιχνίδια στην τηλεοπτική συσκευή ή στο τερματικό κάθε δωματίου, ή ακόμα και σε ειδικές κοινόχρηστες αίθουσες. 82

Φορείς εκπαίδευσης: Οι φορείς εκπαίδευσης μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια τοπική εγκατάσταση True βίντεο κατ απαίτηση για την υποστήριξη μαθημάτων και σεμιναρίων. Η εγκατάσταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ένα σύστημα offline εκπαίδευσης από απόσταση, με εφαρμογή σε τοπική κλίμακα. Στους πιθανούς χρήστες συμπεριλαμβάνονται: δημόσια ιδρύματα πρωτοβάθμιας, δευτεροβάθμιας και μεταλυκειακής εκπαίδευσης, δημόσια ιδρύματα τριτοβάθμιας εκπαίδευσης, ανοιχτό πανεπιστήμιο, ιδιωτικοί εκπαιδευτικοί οργανισμοί, ιδιωτικές εταιρείες και επιμελητήρια, ΟΑΕΔ, δημόσιοι φορείς, νοσοκομεία, κλπ. Ειδησεογραφικοί σταθμοί: Οι ειδησεογραφικοί σταθμοί μπορούν να παρέχουν σε ιδιώτες ειδησεογραφικό δελτίο (On Line News) κατ απαίτηση. Η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος είναι δυνατή, καθώς το απαιτούμενο εύρος για τον τελικό χρήστη είναι αρκετά μικρό. Διαφημιστικά γραφεία: Τα διαφημιστικά γραφεία μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα συστήματα VoD για να συγκεντρώνουν πληροφορία Aπό τους καταναλωτές με κόστος πολύ μικρότερο από το συνηθισμένο. Το κόστος συμπεριλαμβάνει και τους μισθούς μίας ομάδας συνεργατών οι οποίοι συγκεντρώνουν πληροφορίες από σπίτι σε σπίτι για αρκετές μέρες καθώς και τις αμοιβές των ατόμων που μεταφέρουν τα αποτελέσματα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. 3.11. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Διάθεση Video-Ταινιών όταν ζητούνται: Οι πελάτες μπορούν να δούνε ταινίες με τις συμβατικές δυνατότητες μιας συσκευής video. Τοπικές ειδήσεις και πρόγνωση καιρού: Δελτία ειδήσεων προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις του καθενός. Υπάρχει και δυνατότητα για εστίαση σε συγκεκριμένα θέματα επιλογής του κάθε πελάτη και ανάκτηση ειδήσεων από βάση δεδομένων. 83

Παιχνίδια,Μουσική και Ελεύθερος χρόνος: Οι πελάτες μπορούν να παίξουν ένα ηλεκτρονικό παιχνίδι χωρίς φυσικό αντίγραφο του παιχνιδιού. Ψώνια από το σπίτι και άλλες υπηρεσίες καταναλωτών: Οι πελάτες μπορούν να κάνουν έρευνα αγοράς και να αγοράσουν προϊόντα. Τραπεζικές υπηρεσίες: Οι πελάτες μπορούν να εκτελέσουν όλες τις συνδιαλλαγές με την τράπεζά τους από το σπίτι. Interactive Διαφήμιση: Οι πελάτες μπορούν να απαντούν άμεσα σε διαφημιστικές έρευνες και να δέχονται δωρεάν υπηρεσίες και δείγματα προϊόντων. Εκπαίδευση και ευκολίες απομακρυσμένης διδασκαλίας: Ο κάθε πελάτης μπορεί να παρακολουθεί μαθήματα από απόσταση. Τα μαθήματα μπορούν να προσαρμόζονται στις ανάγκες και τις προτιμήσεις του καθενός. Τηλεδιάσκεψη: Μια διάσκεψη σε πραγματικό χρόνο ανάμεσα σε άτομα που βρίσκονται σε απομακρυσμένα σημεία. Προσφέρονται ευκολίες εικόνας,ήχου,κειμένου και γραφικών. 3.12. ΤΗΛΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ Η υπηρεσία αυτή έχει αναπτυχθεί ώστε να παρέχει στους χρήστες τη δυνατότητα να παρακολουθούν μέσω του δικτύου video, ήχο, εικόνες και κείμενα. Η αποθήκευση και η παρουσίαση αυτού του υλικού υποστηρίζεται από κατάλληλους Web servers. Το πολυμεσικό περιεχόμενο δομείται σε θεματικές ενότητες. Η διάθεση του υλικού ακολουθεί τις πιο διαδεδομένες μορφές κωδικοποίησης, όπως mpeg για video και ήχο, jpeg και gif για εικόνα, pdf και postcript για κείμενο. Επίσης, το ψηφιακό αυτό περιεχόμενο παρέχεται σε διάφορα μεγέθη (π.χ. ανάλυση εικόνας, δειγματοληψία ήχου κ.τ.λ) ανάλογα με το εύρος ζώνης (bandwidth) που διατίθεται στο χρήστη. Ο απλός χρήστης έχει τη δυνατότητα πλοήγησης στις θεματικές ενότητες και ανάκτησης του υλικού αυτού. Επίσης παρέχονται γενικές πληροφορίες για τον τύπο ή / και τη μορφή του περιεχομένου και για το πώς ο χρήστης μπορεί να προσλάβει το υλικό. 84

Η έννοια του σύγχρονου τρόπου Τηλεκπαίδευσης περιλαμβάνει τη μετάδοση οπτικοακουστικού υλικού σε πραγματικό χρόνο. Yποστηρίζεται η υπηρεσία Video on Demand, όπου "ζωντανό" πρόγραμμα, που ψηφιοποιείται σε πραγματικό χρόνο και μεταδίδεται μέσω δικτύου για την παρακολούθηση από απόσταση μαθημάτων, σεμιναρίων ή άλλης εκδήλωσης. Όπου απαιτείται, οι υπηρεσίες αυτές χρησιμοποιούν τις αίθουσες τηλεδιδασκαλίας, με τον αντίστοιχο εξοπλισμό, όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Ψηφιακή μετάδοση εικονοροών, ηχοροών (video and audio streaming). Αξιοποιώντας τις δυνατότητες της ταχύτητας και αμεσότητας που προσφέρει το δίκτυο δεδομένων στον τομέα της Τηλεκπαίδευσης και Τηλεμάθησης, αναπτύχθηκαν και προσφέρονται υπηρεσίες ψηφιακού πολυμεσικού περιεχομένου. Πιο συγκεκριμένα, υλοποιήθηκαν δικτυακές υπηρεσίες που παρέχουν με σύγχρονο ή και ασύγχρονο τρόπο εκπαιδευτικό υλικό σε μορφή Video, ήχου, εικόνας και κειμένων. Η έννοια του σύγχρονου τρόπου περιλαμβάνει τη μετάδοση οπτικοακουστικού υλικού σε πραγματικό χρόνο. Yποστηρίζεται η υπηρεσία Video on Demand, όπου "ζωντανό" πρόγραμμα, που ψηφιοποιείται σε πραγματικό χρόνο, Mεταδίδεται μέσω δικτύου για την παρακολούθηση από απόσταση μαθημάτων, σεμιναρίων ή άλλης εκδήλωσης. Ο ασύγχρονος τρόπος μετάδοσης περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός Web server ολοκληρωμένων υπηρεσιών για τη διάθεση υλικού σε μορφή ψηφιοποιημένου και συμπιεσμένου Video, Ήχου, Εικόνων και Κειμένου. Ο απλός χρήστης έχει τη δυνατότητα πλοήγησης στις σελίδες του εξυπηρετητή, από όπου μπορεί να αντλήσει, μέσα από θεματικές ενότητες, εκπαιδευτικό και ενημερωτικό υλικό. Στα μέλη ΔΕΠ που επιθυμούν να παρέχουν για διάθεση στο διαδίκτυο, μέσω του DUTHNet, εκπαιδευτικό υλικό, δίνεται η δυνατότητα να δημιουργήσουν 85

θεματικές ενότητες και να αποθηκεύσουν, σε όποια μορφή επιθυμούν, το εκπαιδευτικό τους υλικό. Επίσης, παρέχεται και η ζωντανή αναμετάδοση τηλεοπτικών και ραδιοφωνικών προγραμμάτων. Η μετάδοση ζωντανού περιεχομένου γίνεται μέσω μηχανισμού unicasting ή μέσω multicasting για την εξοικονόμηση εύρους ζώνης. 3.13. ΤΗΛΕΔΙΑΣΚΕΨΗ (Video Conferencing) Μια εφαρμογή η οποία έκανε ιδιαίτερη εντύπωση και κέρδισε τον επιχειρηματικό χώρο είναι η τηλεδιάσκεψη. Πολλές φορές διευθυντικά στελέχη εταιρειών είναι απαραίτητο να συσκέπτονται για να καθορίσουν την πορεία της εταιρείας τους. Όσο η εταιρεία είναι μικρή αυτό μπορεί να γίνεται ακόμα και καθημερινά. Όταν όμως μιλάμε για εταιρείες οι οποίες έχουν γραφεία διεσπαρμένα σε πολλές πόλεις ή ακόμα και χώρες είναι φανερό ότι μια τέτοια σύσκεψη γίνεται αδύνατη, χωρίς πολλά έξοδα οργάνωσης και μεταφοράς καθώς και αρκετής ταλαιπωρίας. Στην αρχή την κατάσταση ήρθαν να σώσουν οι τηλεπικοινωνιακοί οργανισμοί. Με ειδικά studio δίναν την ευκαιρία, για μια σύσκεψη, όπου οι σύνεδροι, μακριά ο ένας από τον άλλο, επικοινωνούσε με ήχο και εικόνα. Έτσι γεννήθηκε η τηλεδιάσκεψη. Για παράδειγμα ο OTE διατηρεί τέτοιο studio στο κεντρικό κτίριό του στην Αθήνα. Η τιμή όμως μιας τέτοιας υπηρεσίας ήταν και είναι πολύ υψηλή. Έτσι το πρόβλημα λυνόταν μόνο κατά το ένα μέρος του. Χρειαζόταν όμως κάτι πιο οικονομικό και πρακτικό. Με την κατακόρυφη αύξηση τις δικτύωσης των υπολογιστών γεννήθηκαν τα σύγχρονα συστήματα τηλεδιάσκεψης που χρησιμοποιούν μέρος της τεχνολογίας των πολυμέσων. Ο κάθε σύνεδρος χρειάζεται ένα υπολογιστή, μια κάμερα και το απαραίτητο software για να συμμετάσχει. Προσφέρονται λύσεις οι οποίες πέρα από την εικόνα και τον ήχο, δίνουν και την δυνατότητα να εμφανίζεται στην οθόνη ένας πίνακας εργασίας (shared virtual workspace) όπου ο κάθε χρήστης μπορεί να τοποθετήσει γραφήματα, η κείμενα ώστε να μοιραστεί τις ιδέες του πιο εύκολα με τους συνομιλητές του. Η CCITT για να βοηθήσει την συγκεκριμένη εφαρμογή, ανέπτυξε κάποια πρότυπα ειδικά για την τηλεδιάσκεψη. Ο αλγόριθμος συμπίεσης H.261 ή px64 εξελίχθηκε ειδικά για την περίπτωση. Όπως είδαμε δουλεύει για χωρητικότητες πολλαπλάσιες των 64kbps που τον κάνουν κατάλληλο για χρήση σε γραμμές ISDN. Το μέγεθος της εικόνας που χρησιμοποιείται ακολουθεί το πρότυπο CIF (Common Intermediate Format) και είναι 352x288 pixels. Για δύο κανάλια ISDN (128kbps) χρησιμοποιείται μικρότερο μέγεθος εικόνας, συγκεκριμένα το ένα τέταρτο της προηγούμενης (176x144 pixels) που ονομάζεται QCIF (Quarter CIF). Η CCITT εργάζεται για τον καθορισμό 86

προτύπων σχετικά με θέματα ασφαλείας, συμπιεσμένου ήχου στα 16kbps και τηλεδιάσκεψη πολλαπλών σημείων τα οποία δεν αντιμετωπίζονται με το H.261. Τα μεγαλύτερα προβλήματα σχετίζονται με την διανομή των στοιχείων πολυμέσων μιας τηλεδιάσκεψης προς πολλές κατευθύνσεις. Έχουν προταθεί αρκετές λύσεις για την καλύτερη αξιοποίηση του δικτύου καθώς και τον συγχρονισμό. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν στην αγορά λύσεις "πακέτα" που δίνουν όλον τον εξοπλισμό που χρειάζεται κάποιος, και υποστηρίζονται αρκετές τεχνολογίες δικτύου. Για παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε το person-person της IBM και το VideoSystem 200 της Intel. 87

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: VIDEO STREAMING Οι παρακάτω πληροφορίες καλύπτουν τα διαφορετικά είδη του video streaming στο internet και παρουσιάζουν τις δυο κύριες μεθόδους για το video streaming: Streaming servers (true streaming) και HTTP streaming. Τα δύο κύρια στοιχεία είναι η μορφή του αρχείου βίντεο, και η μεθοδος του streaming. 4.1 ΜΟΡΦΕΣ ΑΡΧΕΙΩΝ Υπάρχουν πολλές επιλογές μορφής αρχείου video κατά τη δημιουργία video streams. Οι πιο συχνές είναι: Windows Media RealMedia Quicktime MPEG (in particular MPEG-4) Macromedia Flash Κάθε μορφή έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Εν τέλει όμως παίζει πιο σημαντικό ρόλο η προσωπική επιλογή. Πολλοι χρήστες του διαδικτύου χρησιμοποιούν συγκεκριμένες μορφές αρχείων, και γι αυτό αν θέλει καποιος τα βίντεο να ειναι διαθέσιμα σε όσους το δυνατό περισσότερους χρήστες, καλό είναι να δημιουργεί ξεχωριστά αρχεία για κάθε μορφή. Στην πραγματικότητα αυτό δεν είναι ιδιαίτερα πρακτικό γι αυτό η επιλογή της μορφής του αρχείου είναι καθοριστική. Για τη σωστή επιλογή είναι αναγκαίο να γνωρίζει κάποιος τα πλεονεκτήματα της κάθε μορφής. 4.2 STREAMING METHODS (ΜΕΘΟΔΟΙ STREAMING) 88

Υπάρχουν δύο τρόποι για να χρησιμοποιήσει κανείς πολυμέσα (όπως βίντεο, αρχεία ήχου, animation, κλπ) στο διαδίκτυο downloading και streaming. 4.2.1. DOWNLOADING Όταν κατεβάζεις ένα αρχείο, αυτό αποθηκέυεται ολόκληρο στον υπολογιστή (συνήθως σε ένα προσωρινό φάκελο), το οποίο ακολούθως μπορεί κάποιος να το ανοίξει και να το χρησιμοποιήσει. Αυτό έχει κάποια πλεονεκτήματα (γρηγορότερη πρόσβαση σε διαφορετικά μέρη του αρχείου), αλλά πρέπει κάποιος να περιμένει μέχρι να κατέβει ολόκληρο το αρχείο πριν να μπορέσει να το χρησιμοποιήσει. Αν το αρχείο είναι σχετικά μικρό αυτό δεν είναι μεγάλη ενόχληση, όμως για μεγαλύτερα αρχεία και μεγάλες παρουσιάσεις είναι απωθητικό. Ο ευκολότερος τρόπος να προμηθεύεις αρχεία video για download είναι να χρησιμοποιήσεις ενα σύνδεσμο προς το αρχείο.μια ελαφρώς πιο εξελιγμένη μέθοδος ειναι να ενσωματωθεί το αρχείο σε μια ιστοσελίδα χρησιμοποιώντας ενα ενα εξειδικευμένο κώδικα HTML. Η διάθεση των αρχείων με αυτόν τον τρόπο είναι γνωστή ως HTTP streaming ή HTTP delivery. Το HTTP είναι το ακρώνυμο του Hyper Text Transfer Protocol, και είναι το ίδιο πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για τη διαθεση ιστοσελίδων.γι αυτό το λόγο είναι εύκολο να εγκατασταθεί και να χρησιμοποιηθεί σε μια οποιαδήποτε ιστοσελιδα χωρίς να απαιτεί ειδικό λογισμικό ή ειδικό σχεδιασμό. 4.2.2. STREAMING Το Streaming πολυμέσων λειτουργεί διαφορετικά, ο τελικός χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει το αρχείο σχεδόν τη στιγμή που αυτό αρχίζει να κατεβαίνει. Ως αποτέλεσμα το αρχείο αποστέλλεται στο χρήστη λιγο η πολύ ως συνεχόμενο ρέυμα και ο χρήστης το χρησιμοποιεί την ώρα που κατεβαίνει. Το προφανές πελονέκτημα αυτής της μεθόδου ειναι ότι δεν απαιτείται αναμονή. Επίσης με αυτή τη μέθοδο μπορουν να μεταδίδονται ζωντανες εκπομπές, (webcast ή netcast). Το video streaming πρέπει να διεξάγεται από εξειδικευμένο server. 4.2.3. ΣΤΑΔΙΑΚΟ DOWNLOADING Το σταδιακό download είναι μια υβριδική μέθοδος με την οποία το αρχείο κατεβαίνει αλλά αρχίζει να παίζει μολις κατεβεί ένα μέρος του, αυτό εξομοιώνει το πραγματικό streaming αλλά δεν έχει όλα τα πλεονεκτήματα. 4.3 ΠΟΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΙΝΑΙ Η ΚΑΛΥΤΕΡΗ; Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από την περίπτωση. Τις πλέιστες φορές όμως χρησιμοποιείται το HTTP streaming (download or progressive download). Γιατί είναι ευκολότερο και οικονομικότερο. 89

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΠΙΕΣΕΩΣ VIDEO 5.1. ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ Τα σημαντικότερα τηλεοπτικά πρότυπα κωδικοποίησης-αποκωδικοποίσης για το βίντεο ροής (video of flow) είναι H.261, H.263, MJPEG, MPEG1, MPEG2 και MPEG4. Μια συνοπτική περιγραφή αυτών γίνεται παρακάτω. Έναντι του video codec(κωδικοποιητής-αποκωδικοποιητής) για το CD-ROM ή TV μετάδοση, τα codecs σχεδιασμένα για το Διαδίκτυο απαιτούν μεγαλύτερη εξελιξιμότητα, χαμηλότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα, μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στις απώλειες δικτύων, και χαμηλότερη απώλεια κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης κατά τη διάρκεια τηλεδιάσκεψης. Επιπλέον, τα codecs πρέπει να είναι απόλυτα συμβατά με το λογισμικό παράδοσης δικτύων για να επιτύχουν τις μέγιστες επιδόσεις όσον αφορά την ταχύτητα μετάδοσης και την ποιότητα των εικόνων. Από τα υπάρχοντα πρότυπα κωδικοποίησης-αποκωδικοποήσης θεωρείται ότι κανένα δεν είναι ιδανικό για το βίντεο διαδικτύου. Για το λόγο αυτό οι επιστήμονες έχουν προγραμματίσει να σχεδιάσουν πλήθος νέων αλγορίθμων που θα σχεδιάζονται συγκεκριμένα για το Διαδίκτυο και θα είναι έτσι καταλληλότερα για αυτό. Η έρευνα αυτήν την περίοδο εστιάζεται στη δημιουργία συνάμα εξελικτικών και εύκαμπτων codecs και στην αναζήτηση εξελιξημότητας των ήδη υπαρχόντων codecs χρησιμοποιώντας τη διακωδικοποίηση και τα φίλτρα. Η παράγραφος 3 περιγράφει την τρέχουσα έρευνα στην τηλεοπτική εξελιξιμότητα. Οι νέοι αλγόριθμοι που στοχεύουν συγκεκριμένα στο βίντεο Διαδικτύου αναπτύσσονται. Συνεπώς τα πρότυπα συμπίεσης H.323/H.324 και MPEG4, τροποποιούνται έτσι ώστε να ενσωματώνουν εύκολα αυτές τις νέες καινοτομίες κωδικοποίησηςαποκωδικοποίησης στις εφαρμογές που αναπτύσσονται σήμερα, χωρίς σημαντική επανάληψη. 5.1.1. H.261 ΠΡΟΤΥΠΟ Το πρότυπο συμπίεσης H.261 είναι γνωστό επίσης ως P*64 όπου το P είναι ένας όρος ακέραιων αριθμών που αντιπροσωπεύει τα πολλαπλάσια 64kbit/sec. Το πρότυπο συμπίεσης H.261 είναι προορισμένο για τις εφαρμογές τηλεσυνεδριάσεων και προορίζεται για το βίντεο μεταφοράς μέσω του ISDN, ειδικότερα για τις πρόσωπο με πρόσωπο εφαρμογές βιντεοφώνων και για τη συνεδρίαση μέσω video. Ο πραγματικός αλγόριθμος κωδικοποίησης είναι 90

παρόμοιος αλλά ασυμβίβαστος με αυτόν του MPEG. Το πρότυπο συμπίεσης H.261 χρειάζεται ουσιαστικά λιγότερη υπολογιστική ισχύ για την κωδικοποίση σε πραγματικό χρόνο από το MPEG. Ο αλγόριθμος περιλαμβάνει έναν μηχανισμό που βελτιστοποιεί τη χρήση εύρους ζώνης ανταλλάσσοντας την ποιότητα εικόνων ενάντια στην κίνηση, έτσι ώστε μια γρήγοραμεταβαλλόμενη εικόνα θα έχει μια χαμηλότερη ποιότητα από μια σχετικά στατική εικόνα. Άρα το πρότυπο συμπίεσης H.261 είναι περισσότερο κωδικοποιητής ταχύτητας παρά ποιότητας. 5.1.2. H.263 ΠΡΟΤΥΠΟ Είναι πρότυπα σχεδίων ITU-T που σχεδιάζονται για τη χαμηλή επικοινωνία ποσοστού δυαδικών ψηφίων. Εντούτοις αναμένεται ότι τα πρότυπα θα χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα των ποσοστών δυαδικών ψηφίων. Επίσης πιθανό είναι, το πρότυπο συμπίεσης H.263 να αντικαταστήσει το H.261 σε πολλές εφαρμογές. Ο αλγόριθμος κωδικοποίησης του H.263 είναι παρόμοιος με αυτόν που χρησιμοποιείται από το H.261, παρά ταύτα με μερικές βελτιώσεις και αλλαγές για να βελτιώσει την απόδοση και την αποκατάσταση λάθους. Οι διαφορές μεταξύ των αλγορίθμων της κωδικοποίησης H.261 και H.263 παρατίθενται κατωτέρω. Στον αλγόριθμο H.263 η μισή ακρίβεια εικονοκυττάρου χρησιμοποιείται για την αποζημίωση κινήσεων ενώ στον H.261 χρησιμοποιείται πλήρης ακρίβεια εικονοκυττάρου και ένα φίλτρο βρόχων. Μερικά μέρη της ιεραρχικής δομής του datastream (ρεύμα στοιχείων) είναι τώρα προαιρετικά, έτσι ο κωδικοποιητήςαποκωδικοποιητής (coder-decoder) μπορεί να διαμορφωθεί για ένα χαμηλότερο datarate (ποσοστό στοιχείων) ή μια καλύτερη αποκατάσταση λάθους. Υπάρχουν τώρα τέσσερις προαιρετικές διαπραγματεύσιμες επιλογές για να βελτιώσουν την απόδοση: Απεριόριστα διανύσματα κινήσεων, κωδικοποίηση βασισμένη στην αριθμητική σύνταξη, πρόβλεψη προόδου, και πρόβλεψη πρόσω και πίσω πλαισίων παρόμοια με αποκαλούμενα πλαίσια PB του MPEG. Tο πρότυπο συμπίεσης H.263 είναι σαφώς καλύτερο από το πρότυπο συμπίεσης H.261 μιας και προσφέρει τρεις περισσότερες αναλύσεις και στις επιδόσεις του προσομοιάζει με τα πρότυπα συμπίεσης MPEG. 5.2 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ ΕΞΕΛΙΚΤΙΚΟΥ VIDEO Αυτές μπορούν να υποδιαιρεθούν στα DCT-βασισμένα πρότυπα (που περιλαμβάνουν H.261, H.263, MPEG1 και MPEG2), τα πρότυπα κυμάτων και υποζωνών, τα fractal-βασισμένα πρότυπα και τα πρότυπα συμπίεσης διαίρεσης εικόνας / περιοχής (MPEG4). 5.2.1. ΜΕΘΟΔΟΙ ΦΙΛΤΡΑΡΙΣΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΣΜΕΝΑ ΣΕ DCT Τα H.261, H.263, MPEG1 και MPEG2 είναι όλα πρότυπα συμπίεσης βασισμένα σε DCT. Ο παρακάτω πίνακας συνοψίζει όλες τις διαφορετικές μεθόδους φιλτραρίσματος που μπορούν να εφαρμοστούν στα συμπιεσμένα βίντεο βασισμένα σε DCT. Τα φίλτρα μείωσης πλαισίων, και τα φίλτρα ιεραρχικής κατανομής παρέχονται σε ευθύγραμμες προσαρμοστικές υπηρεσίες. Όλοι οι 91

άλλοι μηχανισμοί φίλτραρίσματος παρέχονται σε ευθύγραμμες μεταβιβαστικές υπηρεσίες. Μηχανισμός Λειτουργία Μορφή συμπίεσης Κατηγορία Εφαρμογή Ρίχνει ένα διευκρινισμένο Απλή μείωση πλαισίων ποσοστό των πλαισίων. Ισχύει για τα διακωδικοποιημένα πλαίσια μόνο Πλήρως συμπιεσμένος Μείωση πλαισίων Ναι Πλέον σημαντική μείωση πλαισίων Συμπίεση Αποσυμπίεση Διακωδικοποίηση Χρώμα σε μονοχρωματικό Ρίχνει τα πλαίσια με έναν τρόπο που αποτελεί οποιεσδήποτε αλληλεξαρτήσεις πλαισίων, π.χ. πλαίσια MPEG Ι, π και β Κωδικοποιεί ένα ασυμπίεστο κομμάτι-ρεύμα Uncompresses(αποσ υμπιέζει)ένα κωδικοποιημένο κομμάτι-ρεύμα Ένα (κομμάτιρεύμα) bitstreamκωδικοποιείτ αι διαμέσου μετατροπής από ένα πρότυπο συμπίεσης σε άλλο Μηδενικά και οι δύο φραγμοί chrominance Αφαιρεί όλους τους συντελεστές εναλλασσόμενου ρεύματος και από τους δύο φραγμούς chrominance Πλήρως συμπιεσμένος Ασυμπίεστος Πλήρως συμπιεσμένος DCT, κβαντοποίηση και κωδικοποίηση τρέξιμο-μήκους DCT, κβαντοποίηση και τρέξιμο-μήκος που κωδικοποιούνται DCT, κβαντοποίηση και κωδικοποίηση τρέξιμο-μήκους Μείωση πλαισίων κωδικοποιητ ήςαποκωδικοπ οιητής κωδικοποιητ ήςαποκωδικοπ οιητής κωδικοποιητ ήςαποκωδικοπ οιητής Μείωση χρώματος Μείωση χρώματος Ναι Οχι Ναι Ναι Ναι Ναι 92

Dithering Χαμηλό πέρασμα Επανακβαντοποίησ η Περιορισμός/λείανσ η Παρεμβολή πλαισίων Μίξη Intra-frame Μειώνει τον αριθμό κομματιών ανά εικονοκύτταρο Αφαιρεί από όλους τους συντελεστές εναλλασσόμενου ρεύματος φραγμών πάνω από έναν δείκτη στην ακολουθία κωδικοποίησης τρέξιμο-μήκους Εφαρμόζει τροποποιημένο βήμα κβαντοποίησης ένα στους φραγμούς DCT Μετατρέπει ένα VBR σε ένα CBR bitstream χρησιμοποιώντας είτε φίλτρο χαμηλής διέλευσης είτε φίλτρο επανακβαντοποίηση ς, προσπαθώντας να διατηρήσει τον συγχρονισμό Πολλαπλασιάζει τα πλαίσια από τα πολλαπλάσια ρεύματα σε ένα ρεύμα. Ο προσδιορισμός του δημιουρμένος ρεύματος είναι απαραίτητος Πολυπλέκει πλαίσια από διαφορετικές σκηνές σε μια σκηνή. Προσδιορισμός της αυθεντικότητας της σκηνής είναι απαραίτητος.. Συνδυάζει ένα Ασυμπίεστος DCT, κβαντοποίηση και κωδικοποίση τρέξιμο-μήκος Μείωση χρώματος DCT Όχι Ναι DCT DCT Ναι Bλέπε χαμηλή διέλευση ή επανακβαντοποίηση Πλήρως συμπιεσμένος Εξαρτώμενος από την κωδικοποίηση της μεθόδου DCT Μίξη Μίξη Ναι Ναι Ναι 93

Πολυπλεξία ήχου και εικόνας Ακουστική μίξη QoS Ιεραρχικός ακουστικό και ένα τηλεοπτικό ρεύμα σε ένα ενιαίο ρεύμα, π.χ. ένα ρεύμα συστημάτων MPEG 1 Αμετάκλητα υπολογίζει κατά μέσο όρο ή αθροίζει τα ακουστικά δείγματα από διάφορα ρεύματα σε ένα Χωρίζει ένα μικτό ρεύμα στα συστατικά ρεύματα για την εφαρμογή σχετικών με των το υπορεύμα παραμέτρων QoS Υποδιαιρεί ένα ρεύμα όχι απαραιτήτως ιεραρχικό στη φύση σε ένα σύνολο ρευμάτων που συσχετίζονται ιεραρχικά Πλήρως συμπιεσμένος Μη διευκρινισμένος (πλήρως συμπιεσμένος) Εξαρτώμενος από τις παραμέτρους QoS Πλήρως συμπιεσμένος Μίξη Μίξη Διαχωρισμό ς Διαχωρισμό ς Όχι Όχι. Όχι. Όχι 5.3. MPEG Το κύριο πρότυπο συμπίεσης που χρησιμοποιείται ευρέως είναι το MPEG. Τα αρχικά του σημαίνουν Motion Pictures Expert Group (Ομάδα εμπειρογνωμόνων ταινιών) και είναι ένα πρότυπo (standard) που δημιουργήθηκε από την επιτροπή ISO (International Standards Organization- Οργάνωση διεθνών προτύπων). Τo MPEG αναπτύχθηκε το 1988. Ο σκοπός της επιτροπής ήταν να αναπτύξει πρότυπα για κωδικοποιημένη αναπαράσταση video και ήχου, καθώς και του συνδυασμού τους, όταν χρησιμοποιείται για αποθήκευση και για ανάκτηση στα ψηφιακά αποθηκευτικά μέσα (DSM). Η έννοια των DSM περιλαμβάνει μεταξύ άλλων και τηλεπικοινωνιακά κανάλια όπως το ISDN και τοπικά δίκτυα (LAN). Το MPEG καθορίζει μία κωδικοποίηση προκειμένου να επιτευχθεί συγχρονισμός της ψηφιακής εικόνας και του ήχου, καθώς και κατάλληλη συμπίεση για να μπορέσει να γίνει η μετάδοση μέσα από ένα κανάλι με 94

δεδομένο bandwidth (εύρος ζώνης). Λόγω ακριβώς του ότι εξασφαλίζει ικανοποιητική συμπίεση, μεταφορά και αποθήκευση οπτικοακουστικής πληροφορίας, το MPEG είναι το πρότυπο (standard) εκείνο που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο στο Internet για διακίνηση εικόνας και ήχου. Το πρότυπο MPEG έχει τρία μέρη: MPEG-video, MPEG-audio και MPEGsystems. Το MPEG-video ασχολείται με τη συμπίεση σημάτων video, το MPEGaudio ασχολείται με την συμπίεση σημάτων ήχου και το MPEG-systems ασχολείται με το θέμα του συγχρονισμού και της πολύπλεξης των πολλαπλών συμπιεσμένων bit streams video και ήχου. Το μεγαλύτερο μέρος του bandwidth (εύρους ζώνης) του καναλιού χρησιμοποιείται για τη μετάδοση της εικόνας και το υπόλοιπο για τη μεταφορά του ήχου και των δεδομένων του τμήματος των συστημάτων. Για την ακρίβεια, το Video MPEG έχει μια αναλογία συμπίεσης 26:1, ενώ ο ήχος 7:1 Σημειώνεται ότι ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των τύπων του MPEG είναι ότι οι τύποι καθορίζουν μόνο τη σύνταξη των κωδικοποιημένων bit streams έτσι ώστε οι αποκωδικοποιητές (decoders) ακολουθώντας αυτά τα πρότυπα να μπορούν να αποκωδικοποιήσουν το bit stream. Αυτό επιτρέπει ευελιξία στο σχεδιασμό και υλοποίηση κωδικοποιητών (encoders). Η MPEG κωδικοποίηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, και γι αυτό άλλωστε είναι και το πρότυπο (standard) εκείνο που χρησιμοποιείται περισσότερο και πιο συχνά για τη μετάδοση video από video-on-demand εφαρμογές. Κατά την αντίστροφη διαδικασία, η αποκωδικοποίηση δεν είναι τόσο απαιτητική και γίνεται πιο εύκολα από την αντίστοιχη κωδικοποίηση. Η ποιότητα της τελικής εικόνας αναφέρεται συχνά ότι είναι περίπου η ίδια με την αντιγραφή από ένα VHS video. H MPEG συνεργάζεται στενά με αρκετούς διεθνείς φορείς που αναπτύσσουν πρότυπα: Από κοινού με την ITU-TS για κωδικοποίηση Video σε ΑΤΜ. Συνεργάζεται με αντιπροσώπους από τις EBU,ITU-RS,SMPTE,και την North American High Definition TV community. Το πρώτο πρότυπο που ολοκληρώθηκε ήταν το MPEG-1, Διεθνές Πρότυπο IS 11172. Σκοπός του ήταν η παραγωγή εξόδου ποιότητας video-εγγραφέα (352 x 240 για το NTSC) σε ρυθμό 1.2 Mbps. Το ασυμπίεστο video μόνο του μπορεί να τρέξει στα 472 Mbps, ενώ το να κατέβει στα 1.2 δεν είναι πολύ απλό, ακόμη και σε αυτή τη χαμηλή ανάλυση. Το MPEG-1 μπορεί να μεταδοθεί μέσω επικοινωνιακών γραμμών με διπλαγωγούς σε μικρές αποστάσεις. Το MPEG-1 επίσης χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ταινιών σε CD-ROM του προτύπου CD-1 και CD-Video. Το επόμενο πρότυπο της οικογένειας MPEG ήταν το MPEG-2, Διεθνές Πρότυπο IS 13818, που αρχικά σχεδιάστηκε για τη συμπίεση της μετάδοσης video ποιότητας εκπομπής στα 4 έως 6 Mbps, έτσι ώστε να μπορούσε να ταιριάξει 95

σε δίαυλο εκπομπής NTSC ή PAL. Αργότερα, το MPEG-2 επεκτάθηκε ώστε να υποστηρίζει υψηλότερες αναλύσεις, συμπεριλαμβανομένης της HDTV. Το MPEG-4 προορίζεται για τηλεδιάσκεψη μέσης ανάλυσης με χαμηλούς ρυθμούς πλαισίων ( 10 πλαίσια/sec) και χαμηλό εύρος ζώνης (64 Kbps). Αυτό θα επιτρέψει τη διεξαγωγή των τηλεδιασκέψεων μέσω ενός μόνο διαύλου B του ISDN. Το επόμενο πρότυπο είναι το MPEG-7, στόχος του οποίου είναι να περιγράψει διάφορους τύπους για κωδικοποίηση multimedia δεδομένων. Προχωράει ένα βήμα πιο πέρα ολοκληρώνοντας πληροφορία για την εικόνα, τον ήχο ή την κίνηση που χρησιμοποιούνται σε μια σύνθεση (πληροφορία που καλύπτεται ήδη από το MPEG4) καθώς και τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται αυτά τα στοιχεία. Για παράδειγμα, μπορεί να περιλαμβάνει τάξεις για εκφράσεις προσώπου, χαρακτηριστικά προσωπικότητας ή οποιοδήποτε αριθμό μεταβλητών βασισμένων στο περιεχόμενο. Ο ISO στην πραγματικότητα αριθμεί τα πρότυπά του στη σειρά. Έτσι λοιπόν αρχικά υπήρχε το MPEG-3. Προοριζόταν για την HDTV, αλλά αυτό το έργο αργότερα ματαιώθηκε και η HDTV προστέθηκε στο MPEG-2. Οι βασικές αρχές του MPEG-1 και του MPEG-2 είναι παρόμοιες, αλλά οι λεπτομέρειες είναι διαφορετικές. Σε μια πρώτη προσέγγιση το MPEG-2, είναι ένα υπερσύνολο του MPEG-1, με επιπρόσθετα χαρακτηριστικά, τύπους πλαισίων και επιλογές κωδικοποίησης. Είναι πιθανό μακροπρόθεσμα το MPEG- 1, να κυριαρχήσει στη μετάδοση video σε μεγάλες αποστάσεις. 5.3.1 Διαφορές ανάμεσα στα ΜPEG1, MPEG2, MPEG4 Η ομάδα ISO έφτασε την προδιαγραφή των τύπων συμπίεσης κινούμενης εικόνας σε τρεις διακεκριμένες φάσεις. Κάθε φάση στόχευε σε ειδικό τύπο χρήσης. Αλλά αυτές οι φάσεις δεν ήταν αυστηρά συνεχόμενες και μερικές υπερθέσεις συνέβαιναν μεταξύ τους. Σε κάθε φάση δόθηκε ένα όνομα: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, MPEG-4. Το MPEG-1 στοχεύει στην αποθήκευση των ακολουθιών VCRquality ήχου-video στα CD-ROMs. Η βέλτιστη είναι στα 1.2 Mbps με SIF εικόνες. Το MPEG-2 στοχεύει στην κωδικοποίηση video σε τηλεοπτική studio-quality ποιότητα και σε κωδικοποίηση ήχου σε ποιότητα CD-quality. Το MPEG-2 απαιτεί 4 με 6 Mbps για την μετάδοση των δεδομένων που παράγει. Χρησιμοποιείται για την παροχή HDTV υπηρεσιών. Το MPEG-4 στοχεύει στη βίντεο διάσκεψη-quality σε χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης. 96

Παρακάτω δίνονται αναλυτικότερα τα χαρακτηριστικά κάθε προτύπου. ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-1 ή ISO/IEC 11172 Το πρότυπο MPEG-1 υιοθετήθηκε τον Ιούλιο του 1992. Στοχεύει στην αποθήκευση συγχρονισμένου ήχου και έγχρωμης κινούμενης εικόνας σε CD- ROM. Το MPEG-1 στοχεύει στην κωδικοποίηση του video και του συνοδευόμενου ήχου σε ρυθμό bit περίπου 1.5Mbps. Το MPEG-1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλότερους ή χαμηλότερους ρυθμούς δεδομένων από 1.5Mbps. Το τμήμα των συστημάτων περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικά με τον συγχρονισμό των ροών του video και του audio(ήχου). Η ροή του video απαιτεί το 1.15 Mbps και το υπόλοιπο εύρος ζώνης χρησιμοποιείται από τις ροές των audio και των συστημάτων. Η δυσκολία στο σχεδιασμό του αλγορίθμου MPEG ήταν το παρακάτω: από την μια μεριά να επιτύχει μια υψηλή αναλογία συμπίεσης, με χρήση μιας τεχνικής interframe κωδικοποίησης και από την άλλη υπήρχε η απαίτηση για δυνατότητα τυχαίας πρόσβασης στο video (κάτι που είναι δύσκολο να ικανοποιηθεί με την χρήση απλής κωδικοποίησης intraframe). Για να ικανοποιηθούν και οι δυο αυτές απαιτήσεις στο MPEG-1 video, μερικές εικόνες είναι κωδικοποιημένες interframe και άλλες είναι κωδικοποιημένες interframe και intraframe. Το MPEG-1 καθορίζει τα τέσσερα παρακάτω είδη frames: I-frames (Intracoded εικόνες): Eίναι κωδικοποιημένες χωρίς αναφορά σε άλλες εικόνες. Παρέχουν σημεία πρόσβασης στην σειρά κωδικοποίησης όπου η αποκωδικοποίηση μπορεί να αρχίσει αλλά είναι κωδικοποιημένα μόνο με μέτρια συμπίεση. P-frames: Είναι predictive κωδικοποιημένες εικόνες που κωδικοποιούνται πιο αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας prediction κίνησης-αντιστάθμισης από μια προηγούμενη I- εικόνα ή P-εικόνα και γενικά χρησιμοποιούνται σαν μια αναφορά για περαιτέρω πρόβλεψη. B-frames: Είναι predictive κωδικοποιημένες εικόνες διπλής κατεύθυνσης που παρέχουν την υψηλότερη εγγύηση για συμπίεση αλλά απαιτούν και περασμένες και μελλοντικές εικόνες αναφοράς για αντιστάθμιση κίνησης. Τα B-frames δεν χρησιμοποιούνται ποτέ σαν αναφορές για prediction. D-frames: είναι DC κωδικοποιημένες εικόνες που κωδικοποιούνται χωρίς αναφορά σε άλλες εικόνες. Από τους συντελεστές του DCT μόνο οι DC είναι υπάρχοντες. Τα D- frames δεν χρησιμοποιούνται σε ακολουθία που περιέχει άλλα πρότυπα εικόνας. Οι D- εικόνες χρησιμοποιούνται μόνο για κατάσταση εύρεσης γρήγορης-προώθησης. Τα I frames καλούνται γενικά frames αναφοράς, ενώ τα P και τα B καλούνται γενικά frames predictive-coded. Η οργάνωση των τριών τύπων frames σε μια 97

video ακολουθία είναι πολύ ευέλικτη. Η επιλογή αφήνεται στον αποκωδικοποιητή και εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Τυπικά, ένα I-frame μπορεί να παρουσιάζεται κάθε μισό δευτερόλεπτο για να δώσει τυχαία γοργή πρόσβαση, με δυο B-frame εισερχόμενα ανάμεσα σε κάθε ζευγάρι των I ή P frames. Κάθε εικόνα είναι διαιρεμένη σε macroblock των 16x16 pixels. Τα macroblocks στις I εικόνες είναι intracoded. Στις εικόνες P είναι intracoded ή predictivecoded βασισμένα στην προηγούμενη εικόνα I ή P, εξαρτώμενα από την ικανότητα κωδικοποίησης. Στις B εικόνες είναι intracoded, forward-predictive coded, backward-predictive coded ή bidirectionally-predictive coded. Για τα macroblocks που είναι predictive-coded τα διανύσματα κίνησης βρίσκονται και τα predictive λάθη υπολογίζονται. ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-2 ή ISO/IEC 13818 Το πρότυπο MPEG-2 εγκρίθηκε τον Μάιο του 1994. Αρχικά προοριζόταν για την εγγραφή και μετάδοση εικόνας ποιότητας στούντιο και στην πορεία ενσωμάτωσε το MPEG3, το οποίο εγκαταλείφθηκε, και συνεπώς υποστηρίζει και διάφορα είδη τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας. Σχεδιάστηκε για εφαρμογές μεταβαλλόμενου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων από 2 έως και 9 Mbps ανά ρεύμα μετάδοσης, για παράδειγμα το ΑΤΜ ή το B-ISDN, δίνοντας HDTV ποιότητα εικόνας, με στερεοφωνικές και surround δυνατότητες ήχου. Το γεγονός ότι το MPEG-2, παρέχει υψηλό βαθμό συμπίεσης, ώστε τα σήματα της ψηφιακής τηλεόρασης να «χωράνε» στο πρακτικά διαθέσιμο φάσμα, δικαιολογεί το λόγο για τον οποίο έχει καθιερωθεί σε παγκόσμιο επίπεδο, ως το πρότυπο συμπίεσης της ψηφιακής τηλεόρασης. Τα πρότυπα συμπίεσης που αναφέραμε παραπάνω δεν παράγουν επαρκή ποιότητα για video πλήρης κίνησης (full motion video). Θα αναφερθούμε τώρα σε νεότερα, αναπτυσσόμενα πρότυπα κωδικοποίησης για full motion video. Αυτά τα πρότυπα περιλαμβάνουν: Ποιότητα εικόνας υψηλότερη από αυτή των σημερινών NTSC, PAL, ή SECAM συστημάτων μετάδοσης. Συμπίεση σε ρυθμούς bit στην κλίμακα των 60Μbps για HDTV, 15Μbps για NTSC, PAL, και SECAM, 4-15 Μbps για σήματα τηλεόρασης. Αυτοί οι αντικειμενικοί ρυθμοί έχουν ήδη επιτευχθεί σε πειραματικό επίπεδο. Τα πρότυπα χρειάζεται να είναι αρκετά ευέλικτα ώστε να επιτρέπουν και υψηλής απόδοσης / υψηλής πολυπλοκότητας και χαμηλής απόδοσης / χαμηλής πολυπλοκότητας συστήματα κωδικοποίησης. Τα νέα πρότυπα θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τα ήδη υπάρχοντα πρότυπα. Θεώρηση συμβατότητας επιτρέπει την 98

ομαλή μετανάστευση των νέων προτύπων ενώ η υπάρχουσα ικανότητα εσωτερική λειτουργίας ανάμεσα στον εξοπλισμό συμμορφώνεται και στα παλιά και στα νέα πρότυπα. Εφαρμογές του MPEG-2 βρίσκουμε στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση, στην καλωδιακή τηλεόραση, στη δορυφορική (Satellite Digital TV) και στα DVD (Digital Video Disk). Στις παραγράφους που ακολουθούν παρατίθενται οι βασικές αρχές λειτουργίας του προτύπου συμπίεσης MPEG-2, καθώς και άλλα στοιχεία που το αφορούν, η επισήμανση των οποίων κρίνεται απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ MPEG-2 Το πρότυπο MPEG-2 παρουσιάζει ένα γενικό τρόπο πολυπλεξίας δεδομένων ήχου και video. Καθορίζει έναν απεριόριστο αριθμό συρμών video και ήχου, αλλά και συρμών δεδομένων που πρέπει να συγχρονιστούν με τον ήχο και το βίντεο (π.χ. οι υπότιτλοι σε ξένες γλώσσες). Κάθε συρμός τεμαχίζεται σε πακέτα με χρονικές σφραγίδες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα πολυπλεξίας δύο συρμών παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 5.1-Πολυπλεξία δύο συρμών κατά MPEG-2 Αρχικά οι συρμοί video και ήχου εισέρχονται στους αντίστοιχους κωδικοποιητές. Οι έξοδοι αυτών είναι οι ροές ήχου και video σε συμπιεσμένη μορφή που καλούνται στοιχειώδεις συρμοί (Elementary Streams). Οι στοιχειώδεις συρμοί video συγκεκριμένα, χωρίζονται σε τμήματα που ονομάζονται Access Units (μονάδες πρόσβασης), κάθενα από τα οποία περιέχει συμπιεσμένα δεδομένα που προσδιορίζουν το περιεχόμενο συγκεκριμένων τύπων εικόνων. Υποστηρίζονται τρεις τύποι εικόνων οι I, οι P και οι B. Κάθε στοιχειώδης συρμός εισέρχεται σε ένα πακετοποιητή, την έξοδο του οποίου αποτελεί ένας πακετοποιημένος στοιχειώδης συρμός PES (Packetized Elementary Stream). Κάθε PES αποτελείται από πλήθος πακέτων, καθένα εκ 99

των οποίων χωρίζεται σε δύο τμήματα, στην κεφαλίδα και στο ωφέλιμο φορτίο. Το πρώτο τμήμα περιέχει περίπου τριάντα πεδία συμπεριλαμβανομένων του μήκους, των ταυτοτήτων συρμού, της κατάστασης κρυπτογράφησης και των χρονικών σφραγίδων, ενώ το δεύτερο τμήμα περιλαμβάνει όλη την ωφέλιμη πληροφορία. Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα, οι πακετοποιημένοι στοιχειώδεις συρμοί ήχου και video πολυπλέκονται σε έναν συρμό εξόδου. Έχουν ορισθεί δύο τύποι συρμών εξόδου, ο συρμός προγράμματος (Program Stream-PS) και ο συρμός μεταφοράς (Transport Stream-TS). Ο πρώτος χρησιμοποιείται για την πολυπλεξία στοιχειωδών συρμών video και ήχου με κοινή χρονική βάση, χρησιμοποιεί μεγάλα πακέτα μεταβλητού μήκους και βρίσκει εφαρμογή στην μεταφορά δεδομένων από και πρoς τους οπτικούς και σκληρούς δίσκους. Ο συρμός μεταφοράς χρησιμοποιείται για την πολυπλεξία συρμών video, ήχου οποιασδήποτε άλλης ψηφιακής πληροφορίας και επίσης και συμπληρωματικών δεδομένων. Τα τελευταία αφορούν κυρίως πληροφορίες για διάφορες υπηρεσίες ή σηματοδοσίας συγχρονισμού. Τα πακέτα του συρμού μεταφοράς έχουν καθορισμένο μήκος (188 bytes) και χωρίζονται στην κεφαλίδα (4 bytes) και στο ωφέλιμο φορτίο (184bytes). Η κεφαλίδα περιέχει κατάλληλα πεδία, προκειμένου να περιορισθεί η επίδραση των πακέτων που καταστρέφονται ή χάνονται κατά τη μετάδοση [2]. Ένας συρμός μεταφοράς λοιπόν, μπορεί να περιέχει πολλά διαφορετικά προγράμματα, κάθενα από τα οποία χρησιμοποιεί διαφορετικό βαθμό συμπίεσης και ο ρυθμός μετάδοσής του μπορεί να μεταβάλλεται δυναμικά, ενώ ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης να παραμένει σταθερός. To γεγονός αυτό, επιτρέπει σε ένα πρόγραμμα που διαχειρίζεται υλικό με μεγάλες απαιτήσεις να «δανείζεται» εύρος ζώνης από ένα πρόγραμμα το οποίο διαχειρίζεται πιο «εύκολο» υλικό. Ένας αποκωδικοποιητής είναι σε θέση να διαχειρίζεται αποτελεσματικά τα πολλαπλά προγράμματα με την μετάδοση επιπρόσθετων μέσω του συρμού μεταφοράς. ΕΠΙΠΕΔΑ (LEVELS) ΚΑΙ ΠΡΟΦΙΛ (PROFILES) ΤΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΥ MPEG- 2 Το πρότυπο MPEG-2 υποστηρίζει έναν αριθμό από προφίλ (profiles) που στοχεύουν σε μια συγκεκριμένη περιοχή εφαρμογών και καθορίζουν το σύνολο των εργαλείων συμπίεσης που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα υποστηρίζονται τέσσερα προφίλ, εκ των οποίων το κύριο είναι για τη χρήση γενικού σκοπού, το απλό προφίλ είναι παρόμοιο με το κύριο, ενώ τα άλλα διαπραγματεύονται την επεκτασιμότητα (scalability) και την τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (High Definition TV). Τα προφίλ διαφέρουν όσον αφορά την παρουσία ή απουσία εικόνων B, την ανάλυση της χρωματικότητας καθώς και την επεκτασιμότητα ενός κωδικοποιημένου συρμού προς τα άλλα format εικόνων. Επιπροσθέτως, το πρότυπο MPEG-2 υποστηρίζει τέσσερα επίπεδα (levels) που ορίζουν την ανάλυση της εικόνας. Συγκεκριμένα, το χαμηλό επίπεδο (360 x 100

288) αντιστοιχεί στην προς τα πίσω συμβατότητα με το πρότυπο συμπίεσης MPEG-1 και στους video εγγραφείς (VCR), το κύριο επίπεδο (720 x 576) αντιστοιχεί στην τυποποιημένη ανάλυση για τη μετάδοση NTSC, το υψηλό- 1440 επίπεδο (1440 x 1152) στοχεύει στην HDTV και το υψηλό επίπεδο (1920 x 1152) βελτιστοποιείται για την HDTV (High Definition TV). Το αντικείμενο του MPEG-2 είναι να βελτιώσει την ποιότητα μιας εικόνας ενώ συγκρατεί τον ρυθμό bit κάτω από τα 10 Mbps. Το MPEG-2 είναι μια προέκταση του MPEG-1 το οποίο παρέχει υψηλή ποιότητα ήχο-οπτικής κωδικοποίησης. Έχει τέσσερα μέρη: MPEG-2 συστήματα, video, ήχο και συμμόρφωση. Αν και το MPEG-2 χρησιμοποιεί τις ίδιες ιδέες με το MPEG-1, είναι αρκετά πιο βελτιωμένο. Η συμπίεση MPEG-2 video χρησιμοποιεί την ίδια αρχή με την MPEG-1 συμπίεση με κάποιες επεκτάσεις και βελτιώσεις για να υποστηρίξει video υψηλής ποιότητας. Οι πιο σημαντικές επεκτάσεις είναι: Επιτρέπει μέγεθος εικόνας ίσο με 16,383*16,383 pixels. Το βαθμωτό MPEG-2 Video επιτρέπει τέσσερα βαθμωτά επίπεδα κωδικοποίησης του video stream MPEG-2 (χαμηλά, μεσαία και υψηλά στρώματα) και δίνει περισσότερο προτεραιότητα σε δεδομένα βίντεο. Υπάρχουν δυο κύριοι λόγοι: πρώτον, τα σημαντικά δεδομένα βίντεο τοποθετούνται σε υψηλή προτεραιότητα για την αποφυγή λάθους. Σε περίπτωση congestion του δικτύου, τα δεδομένα χαμηλής προτεραιότητας απορρίπτονται πρώτα και τα υψηλής προτεραιότητας δεδομένα κρατούνται έτσι ώστε μια χαμηλότερης ποιότητας βίντεο να μπορεί να αναδομηθεί από αυτά τα δεδομένα. Αυτό αποκαλείται "ευχάριστος υποβιβασμός". Δεύτερον, το βαθμωτό βίντεο επιτρέπει στον αποκωδικοποιητή να αποκωδικοποιήσει επιλεκτικά μέρος ενός βίντεο. Η παραπάνω τεχνική είναι γνωστή και ως Layered Encoding. Η προδιαγραφή του MPEG-2 Video τείνει να γίνει γενικής χρήσης, με την έννοια ότι εξυπηρετεί έναν μεγάλο αριθμό εφαρμογών, ρυθμών bit, λύσεων, ποιοτήτων και υπηρεσιών. Οι εφαρμογές καλύπτουν, εκτός των άλλων, ψηφιακή αποθήκευση μέσων και επικοινωνίες. Στο επίπεδο της βελτίωσης του MPEG-2 Video, διάφορες απαιτήσεις από τυπικές εφαρμογές έχουν θεωρηθεί και απαραίτητοι αλγόριθμοι έχουν αναπτυχθεί, σταδιακά με απλό συντακτικό. ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-3 Το MPEG-3 χρησιμοποιούνταν για κωδικοποίηση και συμπίεση του HDTV. Με την ραγδαία όμως ανάπτυξη του MPEG-2 εγκαταλείφθηκε εφόσον αυτή η ανάγκη καλύφθηκε με το MPEG-2. 101

ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-4 Προκειμένου να αντιμετωπιστεί η ραγδαία εξέλιξη των βιομηχανιών των τηλεπικοινωνιών, των υπολογιστών και της τηλεόρασης/ κινηματογράφου, η ομάδα MPEG ξεκίνησε επίσημα την MPEG-4 φάση προτυποποίησης το 1994.Το MPEG-4 είναι μια πρωτοβουλία μέσα στην όλη διαδικασία του MPEG με στόχο να βελτιώσει την κωδικοποίηση των δεδομένων όταν αυτά πρέπει να μεταδοθούν με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης. Με την ολοκλήρωση του, το πρότυπο MPEG-4 θέτει σε λειτουργία ένα ευρύ φάσμα καινούριων εφαρμογών, περιλαμβάνοντας multimedia εφαρμογές σε κινητά δίκτυα (mobile networks), video-τηλεφωνία με απλή (παλιά) υπηρεσία τηλεφώνου ή με ασύρματα δίκτυα και τηλεδιάσκεψη σε προσωπικούς υπολογιστές. Γενικές παράμετροι για τέτοια κωδικοποίηση είναι ρυθμοί bit των 4.8 Kbps μέχρι 64Kbps. Το πρότυπο πιθανότατα έχει βελτιστοποιηθεί για τυποποιήσεις μικρής εικόνας CIF(176 x 144) και μικρότερη. Στόχος ήταν η προτυποποίηση αλγορίθμων και εργαλείων για την κωδικοποίηση και την ευέλικτη αναπαράσταση οπτικοακουστικών δεδομένων, προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι απαιτήσεις των επερχόμενων εφαρμογών πολυμέσων. Το MPEG-4 απευθύνεται στην ανάγκη για καθολική πρόσβαση και αξιοπιστία σε ανοιχτά σε λάθη περιβάλλοντα. Παρ όλο που το MPEG-4 πρότυπο είναι ανεξάρτητο του δικτύου στο οποίο χρησιμοποιείται, οι αλγόριθμοι και τα εργαλεία για την κωδικοποίηση οπτικο-ακουστικών δεδομένων έχουν σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπόψιν δικτυακές ιδιαιτερότητες. Το MPEG-4 επίσης επιτρέπει στο χρήστη να προσπελάσει και να χειριστεί με τη μέγιστη διαδραστικότητα (interactivity) τα δεδομένα. To MPEG-4 επίσης διευκολύνει την αποδοτική και ευέλικτη κωδικοποίηση και αναπαράσταση τόσο φυσικών δεδομένων (pixel based) όσο και συνθετικών δεδομένων (SNHC- Synthetic/Natural Hybrid Coding). To MPEG-4 επιτρέπει τη χρήση κωδικοποιητών-αποκωδικοποιητών (codecs) σύμφωνα με τα υπάρχοντα MPEG πρότυπα. Κάθε MPEG-4 codec είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να λειτουργεί ανεξάρτητα με το δικό του bit-stream συντακτικό. Επιπλέον λειτουργίες παρέχονται είτε μέσω μεμονωμένων codecs είτε με τη μορφή επιπλέον εργαλείων που συνοδεύουν τους codecs (κωδικοποιητές-αποκωδικοποιητές). ΠΡΟΤΥΠΟ MPEG-7 Η δουλειά του MPEG στο αντικείμενο μιας γενικής προσέγγισης (για όλους τους τύπους δεδομένων πολυμέσων) που θα επιτρέπει την ταξινόμηση και αναζήτηση διαφόρων αντικειμένων πολυμέσων με ομοιόμορφο και συμβατό τρόπο, περιγράφεται από το εν εξέλιξη πρότυπο MPEG-7. Στην ομάδα του MPEG-7 συμμετέχουν πολλοί ερευνητές από τον ερευνητικό χώρο και από τον χώρο της παραγωγής, το έργο των οποίων είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο αφού πρόκειται να έχει άμεσο αντίκτυπο στη βιομηχανία πολυμέσων. Συγκεκριμένα, ο σκοπός του MPEG-7 είναι να διευρύνει τις περιορισμένες δυνατότητες των λύσεων που προσφέρονται για την ταυτοποίηση των 102

πολυμεσικών περιεχομένων. Αυτό θα επιτευχθεί με τον ορισμό περισσότερων τύπων δεδομένων και καθορίζοντας ένα συγκεκριμένο σύνολο από περιγραφείς (descriptors) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή των διαφόρων τύπων πολυμεσικής πληροφορίας. Οι descriptors αυτοί θα συσχετίζονται με το πολυμεσικό περιεχόμενο επιτρέποντας έτσι τη γρήγορη και αποδοτική αναζήτηση πολυμεσικού υλικού. Το MPEG-7 είναι, όπως τα υπόλοιπα πρότυπα της MPEG οικογένειας, μια προτυποποιημένη αναπαράσταση οπτικο-ακουστικής πληροφορίας και προσθέτει πάνω στις υπόλοιπες προτυποποιημένες αναπαραστάσεις (όπως αναλογική, PCM (Pulse-Code-Modulation), MPEG-1, MPEG-2 και MPEG-4). Το MPEG-7 θα παρέχει αναφορές σε κατάλληλα τμήματα των υπολοίπων MPEG προτύπων. Ένας descriptor σχήματος του MPEG-4 για παράδειγμα είναι χρήσιμος στα πλαίσια του προτύπου MPEG-7 και το ίδιο ισχύει για τα πεδία του vector κίνησης που χρησιμοποιείται στα MPEG-1 και MPEG-2. Τα MPEG-7 δεδομένα μπορούν να περιλαμβάνουν εικόνες, γραφικά, 3D μοντέλα, ήχο, ομιλία, video και πληροφορία για το πώς τα διάφορα αυτά δεδομένα συνδυάζονται σε μια παρουσίαση πολυμέσων. Το MPEG-7 πρέπει να εκμεταλλευτεί τη δυνατότητα να συσχετίζει περιγραφική πληροφορία μέσα σε video streams σε όλα τα στάδια παραγωγής video, όπως για παράδειγμα την εισαγωγή πληροφορίας και annotations κατά τη διάρκεια λήψης ενός video και τη δημιουργία λίστας επεξεργασίας του υλικού. Με βάση τα παραπάνω και πολλές άλλες συστάσεις, το MPEG-7 θα καταλήξει σε ένα καθολικό πρότυπο για τα annotations(σχολιασμοί) σε πολυμεσικά δεδομένα. ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ MPEG-7 Στο σημείο αυτό δίνονται κάποια στοιχεία της ορολογίας του MPEG-7, τα οποία θα βοηθήσουν στην περιγραφή του τρόπου με τον οποίο το MPEG-7 θα λειτουργεί: Data (δεδομένα): είναι η οπτικο-ακουστική πληροφορία η οποία θα περιγράφεται χρησιμοποιώντας το MPEG-7 ανεξάρτητα από την αποθήκευση, των κωδικοποίηση, την αναπαράσταση, τη μετάδοση, το μέσο ή την τεχνολογία. Feature (χαρακτηριστικό): είναι ένα ξεχωριστό χαρακτηριστικό των δεδομένων που υποδηλώνει κάτι. Descriptor (περιγραφέας-d): είναι η αναπαράσταση ενός χαρακτηριστικού, που ορίζει το συντακτικό και τη σημασιολογία της αναπαράστασης του χαρακτηριστικού. Descriptor value (τιμή περιγραφέα): είναι η συγκεκριμένη τιμή που παίρνει ο περιγραφέας για ένα δεδομένο σύνολο δεδομένων (ή υποσύνολο) 103

Description Scheme (σχήμα περιγραφής- DS): καθορίζει τη δομή και τη σημασιολογία των σχέσεων ανάμεσα στα στοιχεία του τα οποία μπορεί να είναι τόσο περιγραφείς όσο και σχήματα περιγραφής. Description (περιγραφή): αποτελείται από ένα DS (δομή) και το σύνολο των τιμών περιγραφέων (αναπαραστάσεις) που περιγράφουν τα δεδομένα Coded description (κωδικοποιημένη περιγραφή): είναι μια περιγραφή που έχει κωδικοποιηθεί έτσι ώστε να ικανοποιεί σχετικές απαιτήσεις όπως αποτελεσματικότητα συμπίεσης, ανθεκτικότητα στα λάθη, τυχαία προσπέλαση κ.ά. Description Definition Language (γλώσσα ορισμού περιγραφών-ddl): είναι μια γλώσσα που επιτρέπει τη δημιουργία νέων DS και πιθανά D. Επίσης επιτρέπει την επέκταση και τροποποίηση των υπαρχόντων DS. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται με ποιο τρόπο η DDL παρέχει έναν μηχανισμό για την δημιουργία ενός DS το οποίο με τη σειρά του διαμορφώνει την βάση για τη δημιουργία ενός περιγραφέα. Γλώσσα Ορισμού Περιγραφών 1.. * Μονάδα οπτικο-ακουστικού περιεχομένου ορίζει 1.. * 0.. * Σχήμα περιγραφής 1.. * 1.. * 1.. * 1.. * Περιγραφέας Χαρακτηριστικό Δεδομένα περιγράφει προσδίδει σημασία προς Άνθρωπος ή σύστημα Σχήμα 5.2-Ο τρόπος με τον οποίο συνεργάζονται τα επιμέρους στοιχεία του MPEG-7 Το επόμενο σχήμα περιγράφει μια υποθετική MPEG-7 αλυσίδα στην πράξη. Τα τετράγωνα πλαίσια δηλώνουν εργαλεία τα οποία έχουν κάποια λειτουργία, όπως κωδικοποίηση ή αποκωδικοποίηση, ενώ τα κυκλικά πλαίσια δηλώνουν στατικά στοιχεία, όπως μια περιγραφή. Τα πλαίσια με διακεκομμένη γραμμή 104

αντιπροσωπεύουν τα τμήματα του MPEG-7 προτύπου που υπαγορεύουν τους κανόνες. Περιεχόμενο πολυμέσων Σύστημα χρήστη ή επεξεργασίας δεδομένων Δημιουργία περιγραφής Γλώσσα ορισμού περιγραφών-ddl Περιγραφή κατά MPEG-7 Σχήματα περιγραφής- DS Περιγραφείς-D Μηχανή αναζήτησης Filter agents Άνθρωπος ή υπολογιστικό σύστημα Kωδικοποιητής Κωδικοποιημένη περιγραφή κατά MPEG-7 Αποκωδικοποιητής Σχήμα 5.3-Μια αφηρημένη αναπαράσταση των πιθανών εφαρμογών που θα χρησιμοποιούν το MPEG-7 Στο Error! Reference source not found. δίνονται επίσης διεξοδικά οι απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιήσει το MPEG-7 στους επιμέρους τομείς και οι οποίες προκύπτουν από την ανάλυση μιας μεγάλης ποικιλίας από πιθανές εφαρμογές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τις κατά MPEG-7 περιγραφές. Οι απαιτήσεις αφορούν τους περιγραφείς, τα σχήματα περιγραφής, τη γλώσσα ορισμού περιγραφής, τις ίδιες τις περιγραφές και τα συστήματα που θα χρησιμοποιηθούν. Δομή του MPEG-7 προτύπου Σύμφωνα με το Error! Reference source not found., το MPEG-7 πρότυπο θα υποδιαιρεθεί σε εφτά τμήματα: Συστήματα: Το τμήμα αυτό θα περιλαμβάνει την αρχιτεκτονική του προτύπου, τα εργαλεία που χρειάζονται για την δημιουργία MPEG-7 περιγραφών για αποδοτική μεταφορά και αποθήκευση και για το συγχρονισμό μεταξύ του περιεχομένου και των περιγραφών, καθώς και εργαλεία για τη διαχείριση και προστασία της πνευματικής ιδιοκτησίας. Description Definition Language (γλώσσα ορισμού περιγραφών): Το τμήμα αυτό θα περιλαμβάνει δυαδικές περιγραφές των εκφράσεων της DDL. 105

Οπτικό: Το τμήμα αυτό θα περιλαμβάνει τα οπτικά στοιχεία (Ds και DSs) Ακουστικό: Το τμήμα αυτό θα περιλαμβάνει τα ακουστικά στοιχεία (Ds και DSs) Πολυμεσικά Σχήματα Περιγραφής: Στοιχεία (Ds και DSs) που είναι σύνθετα, δηλ. ούτε καθαρά οπτικά ούτε καθαρά ακουστικά Λογισμικό αναφοράς: Υλοποιήσεις σχετικών κομματιών του προτύπου MPEG-7 Κανονισμοί: Οδηγίες και διαδικασίες για τον έλεγχο της τήρησης των κανόνων από τις υλοποιήσεις του MPEG-7 Το χαρακτηριστικό των MPEG-7 descriptors είναι ότι δεν εξαρτώνται από τους τρόπους με τους οποίους το περιγραφόμενο περιεχόμενο είναι κωδικοποιημένο ή αποθηκευμένο. Είναι, για παράδειγμα, δυνατόν να προστεθεί περιγραφή κατά MPEG-7 σε ένα αναλογικό video ή σε μια εικόνα εκτυπωμένη σε χαρτί. Ωστόσο, το πρότυπο MPEG-7 προσθέτει κατά κάποιο τρόπο στο MPEG-4. Το MPEG-7 παρέχει ένα καλό σχήμα κωδικοποίησης για οπτικο-ακουστικό υλικό και ένα σχήμα για αντικείμενα τα οποία έχουν ορισμένες σχέσεις στο χώρο και στο χρόνο. Με τη χρήση της MPEG-4 κωδικοποίησης, θα είναι πιθανό να προσαρτούνται MPEG-7 περιγραφές σε ηχητικά και οπτικά αντικείμενα. Το MPEG-7 θα επιτρέπει διαβάθμιση στις περιγραφές, προσφέροντας τη δυνατότητα για διάφορα επίπεδα χαρακτηρισμού του πολυμεσικού υλικού. Προκειμένου τα περιγραφικά στοιχεία να είναι κατάλληλα στα πλαίσια μιας εφαρμογής, θα διαφοροποιούνται στις διάφορες ομάδες χρηστών και εφαρμογών. Αυτό σημαίνει ότι το ίδιο υλικό θα μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας διαφορετικά είδη χαρακτηριστικών, ανάλογα με το είδος της εφαρμογής. Εκτός από την περιγραφή του περιεχομένου, μπορεί επίσης να συμπεριληφθούν και άλλοι τύποι πληροφορίας για τα πολυμεσικά δεδομένα, για παράδειγμα ο τύπος του σχήματος κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται (π.χ. JPEG, MPEG-2) ή πληροφορία πνευματικών δικαιωμάτων. Σε πολλές περιπτώσεις, είναι επιθυμητό να χρησιμοποιείται πληροφορία κειμένου για την περιγραφή των πολυμεσικών δεδομένων. Τα MPEG-7 δεδομένα μπορούν να αποθηκεύονται μαζί με το οπτικο-ακουστικό υλικό στο οποίο αναφέρονται, στο ίδιο data stream ή στον ίδιο αποθηκευτικό χώρο, αλλά επίσης μπορούν να βρίσκονται και αλλού. Στη δεύτερη περίπτωση οι μηχανισμοί που συνδέον το οπτικο-ακουστικό υλικό και την περιγραφή του κατά MPEG-7, είναι απαραίτητοι και πρέπει να λειτουργούν και προς τις δύο κατευθύνσεις. 106

Το MPEG-7 θα χρησιμοποιείται από εφαρμογές που μπορούν να αποθηκεύουν (on-line και off-line) ή να μεταδίδουν (streamed broadcasting) δεδομένα σε περιβάλλοντα πραγματικού και μη πραγματικού χρόνου. Σε ένα περιβάλλον πραγματικού χρόνου η πληροφορία συσχετίζεται με το περιεχόμενο καθώς το περιεχόμενο μαγνητοσκοπείται/καταγράφεται. Προκειμένου να αξιοποιηθούν οι δυνατότητες που προσφέρουν οι περιγραφές κατά MPEG-7, θα είναι πολύ χρήσιμη η αυτόματη εξαγωγή χαρακτηριστικών, παρ όλο που δεν είναι πάντα εφικτή. Όσο ψηλότερα βρίσκεται το επίπεδο αφαίρεσης, τόσο πιο δύσκολη θα είναι η αυτοματοποιημένη εξαγωγή και τόσο πιο χρήσιμα θα είναι τα διαδραστικά εργαλεία εξαγωγής χαρακτηριστικών. Βέβαια το πεδίο του MPEG-7 προτύπου θα περιοριστεί στον ορισμό των περιγραφών και όχι στα εργαλεία και τους αλγόριθμους αυτόματης εξαγωγής χαρακτηριστικών. Τα τελευταία θα μείνουν ανοιχτά προς ορισμό από τη αγορά και την βιομηχανία πολυμέσων. To MPEG-7 πρότυπο δεν θα καθορίζει επίσης μηχανές αναζήτησης, οι οποίες αναμένεται να προκύψουν μέσα από τον ανταγωνισμό της αγοράς. Η παροχή μιας λύσης για τον χειρισμό δεδομένων αποκλειστικά κειμένου είναι επίσης εκτός των στόχων του MPEG-7, καθώς δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή οπτικο-ακουστικού περιεχομένου. Το περιεχόμενο αυτό μπορεί ωστόσο να περιλαμβάνει κείμενο, ή αναφορές σε κείμενο. Το MPEG-7 θα υιοθετήσει τις υπάρχουσες λύσεις για την περιγραφή δεδομένων κειμένου, οι οποίες έχουν αναπτυχθεί από άλλες ομάδες προτυποποίησης και θα τις υποστηρίξει με κατάλληλα περιβάλλοντα αλληλεπίδρασης με το χρήστη (user interfaces) μεταξύ των περιγραφών οπτικο-ακουστικού περιεχομένου και των περιγραφών περιεχομένου κειμένου. Πιο συγκεκριμένα, το MPEG-7 θα υποστηρίξει υπάρχοντα πρότυπα περιγραφής κειμένου όπως HTML, SGML, PDF κλπ., εφόσον είναι κατάλληλα για τις κατά MPEG-7 περιγραφές οπτικοακουστικών δεδομένων. ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ Υπάρχουν πολλές εφαρμογές και περιοχές εφαρμογών οι οποίες θα αποκομίσουν οφέλη από το MPEG-7 πρότυπο. Τέτοια παραδείγματα εφαρμογών είναι οι ψηφιακές βιβλιοθήκες, οι υπηρεσίες καταλόγου πολυμέσων, η επιλογή broadcast media, η επεξεργασία πολυμέσων κ.ά. Οι πιθανές περιοχές εφαρμογής του προτύπου περιλαμβάνουν την εκπαίδευση, τη δημοσιογραφία, τον τουρισμό, πολιτιστικές υπηρεσίες, τη διασκέδαση, GIS συστήματα, συστήματα παρακολούθησης, βιοϊατρικές εφαρμογές, αρχιτεκτονική και σχέδιο, αρχεία ταινιών, video και ραδιοφώνου. Με αυτό τον τρόπο τα MPEG-7 δεδομένα θα χρησιμοποιηθούν για να απαντούν σε ερωτήσεις εκτός του πεδίου του προτύπου. Για παράδειγμα, οποιοσδήποτε τύπος οπτικο-ακουστικού υλικού θα ανακτάται μέσω οποιουδήποτε τύπου υλικού αναζήτησης. Έτσι το υλικό video θα μπορεί να αναζητηθεί χρησιμοποιώντας υλικό video, μουσική, ομιλία κλπ. 107

Συνοψίζοντας λοιπόν θα λέγαμε ότι η MPEG-2 κωδικοποίηση είναι καλύτερη της αντίστοιχης MPEG-1 γιατί προσφέρει κάποια σαφή πλεονεκτήματα: Συμπιέζει ένα ποσοστό της interleaved εικόνας. Το ρεύμα μετάδοσης (stream) που επιτυγχάνεται με το MPEG είναι κατάλληλο για μετάδοση μέσα από δίκτυα υπολογιστών. Υποστηρίζει μια μεγάλη ποικιλία από format εικόνων, συμπεριλαμβανομένης και της εικόνας της τηλεόρασης και HDTV. Μεγάλο bandwidth για μετάδοση δεδομένων (data streams). Ευελιξία για την επιλογή του aspect ratio. Επίσης το πρότυπο MPEG-1 σχεδιάστηκε αρχικά για την μετάδοση video στον καταναλωτή με ταχύτητα μονής ανάγνωσης μιας συσκευής CD-ROM (1x, 1,5 Mbps), με ποιότητα Super-VHS. Το MPEG-2 που αναπτύχθηκε στη συνέχεια, έχει καλύτερη ανάλυση και ποιότητα από το MPEG-1, αφού σχεδιάστηκε για την μετάδοση τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας (HDTV). Το MPEG-2 χρησιμοποιείται ήδη για απευθείας δορυφορική αναμετάδοση (DSB), για καλωδιακή τηλεόραση (CAVT) και τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (HDTV). To MPEG-4 είναι μια νέα κωδικοποίηση χαμηλού ρυθμού μετάδοσης bit, που χρησιμοποιεί νέους αλγορίθμους όπως η τμηματοποιημένη συμπίεση (fractal compression) και μορφοποίηση (morphing). 108

Σχήμα 5.4-Η εξέλιξη των προτύπων MPEG Η μετάδοση MPEG πάνω από ATM δίκτυα παρουσιάζει κάποια προβλήματα που αφορούν κυρίως την καθυστέρηση μετάδοσης, το τρεμόπαιγμα της εικόνας και τη διόρθωση των λαθών, που όσο όμως περνάει ο καιρός γίνονται σαφή βήματα προόδου για την αντιμετώπιση και την επίλυσή τους. Το MPEG προσαρμόζεται σε πολλές εφαρμογές: MPEG-2 video και ήχος χρησιμοποιούνται στο DSB (Direct Satellite Broadcast, απευθείας δορυφορική μετάδοση) με την αρχιτεκτονική Sti- 3500 της Thompson στην Direct-TV στην Βόρεια Αμερική. Η βιομηχανία καλωδιακής τηλεόρασης έχει κατασταλάξει στο πρότυπο MPEG-2 για video με διαφοροποιήσεις όσον αφορά το πρότυπο για ήχο (π.χ. η General Instruments η μεγαλύτερη κατασκευάστρια αποκωδικοποιητών καλωδιακής τηλεόρασης στις Η.Π.Α. χρησιμοποιεί το πρότυπο Dolby AC-3 για μετάδοση ήχου) Η US Grand Alliance,μια συνεργασία διαφόρων εταιριών για ένα επίγειο πρότυπο HDTV στις Η.Π.Α. χρησιμοποιεί MPEG-2 για video και System Syntax για ήχο. 109

5.4 JPEG Το JPEG είναι ένας τυποποιημένος μηχανισμός για συμπίεση εικόνας. Το JPEG (Joint Photographic Experts Group- Κοινή φωτογραφική ομάδα εμπειρογνωμόνων) πήρε το όνομα του από την ομώνυμη επιτροπή που σχεδίασε το συγκεκριμένο πρότυπο (standard). Σχεδιάστηκε για τη συμπίεση τόσο full-color (24 bit) εικόνων όσο και gray-scale ψηφιακών εικόνων φυσικών τοπίων (real-world scenes). Δε χειρίζεται όμως εξίσου καλά ασπρόμαυρες εικόνες (εικόνες ενός bit/pixel), ούτε υποστηρίζει συμπίεση και μετάδοση κινούμενων εικόνων (video). Το JPEG παρουσιάζει απώλειες σε ό,τι αφορά την ακριβή ανάκτηση της εικόνας, αφού κατά την αποσυμπίεση, η εικόνα που παίρνουμε δεν είναι ακριβώς η ίδια με αυτήν που είχαμε στείλει για μετάδοση. Κι αυτό γιατί ο αλγόριθμος που χρησιμοποιεί το JPEG για τη συμπίεση, επιτυγχάνει ένα μεγάλο μέρος της τελικής συμπίεσης της εικόνας με την αφαίρεση από αυτήν κάποιων στοιχείων της, που έχουν κυρίως να κάνουν με χρωματικές λεπτομέρειες και λεπτομέρειες φωτισμού που δεν γίνονται ορατές και αισθητές με το γυμνό μάτι. Μία πολύ χρήσιμη ιδιότητα του JPEG είναι ότι ο βαθμός απώλειας της πληροφορίας μπορεί να ελεγχθεί, ρυθμίζοντας κάποιες παραμέτρους συμπίεσης. Αυτό σημαίνει ότι κατά την ανάκτηση της εικόνας μπορεί κανείς να «παίξει» και να «ανταλλάξει» μέγεθος (χώρο) με ποιότητα εικόνας, μέχρι ότου να έχει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Μπορεί δηλαδή να δημιουργήσει πολύ μικρά αρχεία, τα οποία όμως είναι χαμηλής ποιότητας, είτε πολύ καλής ποιότητας εικόνες οι οποίες όμως θα πιάνουν πολύ χώρο. Παρά το γεγονός ότι χειρίζεται πολύ καλά έγχρωμες εικόνες, όπως άλλωστε είπαμε, δε χειρίζεται εξίσου καλά ασπρόμαυρες εικόνες, ούτε εικόνες με έντονες ακμές. Στην περίπτωση αυτή τα αρχεία που προκύπτουν είναι πολύ μεγάλα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 : ΑΣΦΑΛΕΙΑ VOD 6.1. ΑΣΦΑΛΕΙΑ 110

Ξεκινώντας, με τον όρο ασφάλεια μιας υπηρεσίας εννοούμε την επιλογή των ατόμων τα οποία μπορούν να έχουν πρόσβαση στην υπηρεσία, τη φύση της πρόσβασης και των μηχανισμών που χρησιμοποιούνται για να ανιχνέυσουν, να εμποδίσουν και να αναφέρουν μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που ένας χρήστης αντιμετωπίζε είναι αυτό της προστασίας και ασφάλειας των δεδομένων του λόγω του ότι το internet δεν σχεδιάστηκε για να είναι πολύ ασφαλές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δόθηκε κυρίως έμφαση στην ελεύθερη πρόσβαση για να εξυπηρετηθεί η έρευνα. 6.1.1. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ Εκατομμύρια χρήστες συνδέονται στο internet και το ενδαφέρον κυβερνήσεων, οργανισμών, φορέων και εταιριών για συνεχή και αξιόπιστη διαθεσιμότητα των υπηρεσιών αυξάνεται συνεχώς. Ταυτόχρονα όμως αξάνεται και ο κίνδυνος προσβολής του από κακοήθεις ή υποβουλιμιαίους χρήστες. Οι κυριότεροι παράγοντες πο επιδρούν στην ασφάλεια του είναι : Το ευάλωτο διαφόρων υπηρεσιών του. Η μη κρυπτογράφηση της πλειονότητας των διακινούμενων υπηρεσιών. Η έλλειψη πολιτικής ασφάλειας στην δημιουργία κόμβων. Η πολυπλοκότητα οργανώσεως των κόμβων. Ο αριθμός των συστημάτων που συνδέονται άμεσα στον κόμβο. Η γενική εικόνα του κόμβου και το πόσο γνωστός είναι στην κοινότητα των χρηστών. 6.1.2. ΤΙ ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΟΤΑΝ ΠΑΡΑΒΙΑΣΤΕΙ Η ΑΣΦΑΛΕΙΑ Έχει παρατηρηθεί ότι οι εισβολείς του internet επικεντρώνουν την προσοχή τους : Στην προσβολή του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου (e-mail) καταστρέφοντας ή αλλοιώνοντας τα περιεχόμενα του. 111

Στην εμφύτευση ιων στους κόμβους μεταφοράς αρχείων ώστε να προσβληθούν δίκτυα και σταθμοί εργασίας. Στην εμφύτευση προγραμμάτων παρακολουθήσεως στους κόμβους για να συλλέξουν πληροφορίες ταυτότητας και κωδικού ασφαλείας των χρηστών ώστα να μπορέσουν στη συνέχεια να αποκτήσουν πρόσβαση στα συστήματα τους. Στη συλλογή ευαίσθητων πληροφοριών που υπάρχουν στα συστήματα του χρήστη. 6.1.3. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΤΩΝ VOD ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Είναι φανερό ότι η υλοποίηση ενός συστήματος VoD αποτελεί μια επένδυση μακροπρόθεσμη, η οποία μπορεί να αποσβεστεί μόνο στην περίπτωση της εμπορικής επιτυχίας. Η εμπορική επιτυχία με την σειρά της όμως σχετίζεται άμεσα με τα θέματα ασφαλείας. Είναι λοιπόν λογικό ότι για να μπορέσει να αντεπεξέλθει στον συναγωνισμό της αγοράς ένα σύστημα VoD θα πρέπει να εξασφαλίζει τις ακόλουθες βασικές απαιτήσεις ασφαλείας: Ασφάλεια των δεδομένων: Η πληροφορία που διακινείται σε ένα σύστημα VoD μπορεί να αντιγραφεί, να αναπαραχθεί και κατά συνέπεια να αλλοιωθεί. Ειδικοί μηχανισμοί ασφαλείας εγγυώνται την προστασία των διακινούμενων δεδομένων και εξασφαλίζουν την ορθή λειτουργία τους. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρησιμοποιούνται κυρίως τεχνικές κρυπτογράφησης.η αντιγραφή του ψηφιακού υλικού μπορεί επίσης να περιοριστεί μέσω της σχεδίασης set top boxes με περιορισμένους χώρους αποθήκευσης που όμως επιτρέπουν αναπαραγωγή προγραμμάτων μέσω του αποθηκευτικού χώρου του παροχέα της πληροφορίας. Ο ιδεατός μηχανισμός για το σκοπό αυτό θα επέτρεπε ελαστικότητα στην παράδοση και τη χρήση της πληροφορίας αλλά ταυτόχρονα θα προστάτευε τα συμφέροντα των παροχέων πληροφορίας. 112

Πρόσβαση στα δεδομένα: Σημαντικό στοιχείο είναι ο καθορισμός της διαβαθμισμένης πρόσβασης των χρηστών στις αποθηκευμένες πληροφορίες. Αυτή υποστηρίζεται από κάποιο σύστημα πιστοποίησης του χρήστη με κωδικούς ανά επίπεδο ασφάλειας. Το επίπεδο αυτό θα περιλαμβάνει κατ αρχήν πιστοποίηση δικαιοδοσίας (authentication & authorization) πρόσβασης στα δεδομένα. Με τον τρόπο αυτό προστατεύεται η βάση αποθήκευσης των ταινιών από μη εξουσιοδοτημένες προσβάσεις. Εξωτερικές παρεμβολές: Πρέπει να εξασφαλίζεται η ανοχή των μεταδόσεων σε εξωτερικές παρεμβολές, ιδιαίτερα για τα σήματα ελέγχου και την πληροφορία χρέωσης του χρήστη. Αντιμετώπιση προβλημάτων:η παροχή συστήματος αυτόματης αναγνώρισης προβλημάτων για τη γρήγορη αντιμετώπισή τους. Για το σκοπό αυτό θα πρέπει να αναπτυχθούν ειδικά πλάνα αντιμετώπισης εκτάκτων καταστάσεων. Πρωτόκολλα μετάδοσης:η ασφαλή μετάδοση των δεδομένων από τον εξυπηρετητή της υπηρεσίας VoD προς τους τελικούς χρήστες επιτυγχάνεται με την χρησιμοποίηση κάποιων από τα γνωστά πρωτόκολλα ασφαλούς μετάδοσης δεδομένων, για παράδειγμα το SSL (Secure Sockets Layer). Αντίγραφα ασφαλείας:η δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας πραγματοποιείται με τη χρήση των συνηθισμένων εφαρμογών που παρέχει κάθε λειτουργικό σύστημα. Πνευματικά δικαιώματα:τέλος ένα ακόμα σημαντικό θέμα για την υπηρεσία VoD είναι τα πνευματικά δικαιώματα. Γενικότερα θα μπορούσαμε να πούμε ότι δεν έχει διερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό το νομοθετικό καθεστώς που διέπει τέτοιες εφαρμογές. Στο μέλλον θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στις ιδιαιτερότητες που δημιουργεί η ηλεκτρονική διακίνηση των δεδομένων. Προυποθέσεις: Οι εξυπηρετητές (servers) πρέπει να είναι ικανοί να εξακριβώνουν την ταυτότητα και γνησιότητα των πελατών τους. Οι πελάτες (clients) πρέπει να είναι ικανοί να εξακριβώνουν τηνταυτότητα και γνησιότητα των εξυπηρετητών τους. Η ταυτότητα γνησιότητας κάθε μηνύματος πρέπει να εξακριβώνεται πριν την χρησιμοποίηση του. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ-REAL TIME PROTOCOLS 113

Για την υποστήριξη των πολυμεσικών επικοινωνιών οι τεχνολογίες των ιδίων των δικτύων είναι απαραίτητες αλλά από μόνες τους δεν είναι αρκετές. Δεν έχει νόημα το να έχει το δίκτυο τη δυνατότητα να υποστηρίξει επικοινωνίες πολυμέσων και το πρωτόκολλο μεταφοράς να μην παρέχει τις κατάλληλες λειτουργίες και απόδοση στις εφαρμογές. Τα παραδοσιακά πρωτόκολλα μεταφοράς (TCP / UDP) δεν είναι κατάλληλα για τις επικοινωνίες πολυμέσων μια και έχουν σχεδιαστεί για αξιόπιστες επικοινωνίες δεδομένων σε δίκτυα με χαμηλό εύρος ζώνης και υψηλό ρυθμό σφαλμάτων. Συνεπώς δεν είναι βελτιστοποιημένα για λειτουργία σε υψηλές ταχύτητες. Επίσης, δεν υποστηρίζουν QOS και multicast. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφερθήκαμε για για τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με μισθωμένες γραμμές, ΑΤΜ (στην περίπτωση του βίντεο κατόπιν αιτήσεως.) Οι μισθωμένες γραμμές όμως δεν είναι πρακτικές επειδή απαιτούν ειδική εγκατάσταση και νέο software. Το ΑΤΜ θεωρήθηκε ως η απόλυτη λύση για τη μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας επειδή υποστηρίζει πολύ υψηλές ταχύτητες, είναι connection-oriented και μπορεί να υποστηρίξει πολλά επίπεδα ποιότητας υπηρεσιών για πολλούς τύπους εφαρμογών. Μέχρι σήμερα, πολύ λίγοι χρήστες χρησιμοποιούν ΑΤΜ δίκτυα γιατί το ATM έχει δυσκολία να φτάσει στον τελικό χρήστη λόγο του υψηλού κόστους του (είναι ενδεικτικό πως ένα ATM network interface card κοστίσει δεκαπλάσια τιμή από ότι ένα Ethernet network interface card). Απ την άλλη μεριά, το Internet εξαπλώνεται ταχύτατα και έχει εξελιχθεί στην πλατφόρμα των περισσότερων δικτυακών δραστηριοτήτων. Αυτός είναι ο κύριος λόγος για την ανάπτυξη πρωτοκόλλων για τη μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας πάνω από το Internet.. 7.1 ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Ένα πρωτόκολλο μεταφοράς πολυμέσων διαφέρει από ένα συμβατικό πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων στο ότι θα πρέπει να παρέχει QOS εγγυήσεις σε εφαρμογές πολυμέσων. Γνωρίζουμε ότι, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, είναι δυνατό να υποστηριχτούν οι επικοινωνίες πολυμέσων στο επίπεδο δικτύου. Η λειτουργία του πρωτοκόλλου μεταφοράς είναι να εγκαθιστά και να συντηρεί μια σύνδεση με QOS εγγύηση και να παρέχει κάποια διασύνδεση προς τις εφαρμογές. 114

Τρεις κύριες απαιτήσεις είναι ότι το throughput του πρωτοκόλλου πρέπει να είναι υψηλό, ότι το πρωτόκολλο πρέπει να υποστηρίζει multicast, και ότι η διασύνδεση πρέπει να παρέχει μια QOS προδιαγραφή την οποία εγγυώνται τα πρωτόκολλα χαμηλού επιπέδου. 7.1.1 ΥΨΗΛΟ THROUΥGHPUT Τα δεδομένα πολυμέσων, και ειδικά το video, απαιτούν συνεχές εύρος ζώνης υψηλής μετάδοσης. Για παράδειγμα, ένα συμπιεσμένο video υψηλής ποιότητας απαιτεί ένα εύρος ζώνης των 5 Mbps περίπου. Ένα μη συμπιεσμένο video απαιτεί ένα εύρος ζώνης 50 με 100 φορές μεγαλύτερο από το παραπάνω. Όλα τα δεδομένα περνούν μέσα από τη στοίβα μεταφοράς, οπότε το πρωτόκολλο μεταφοράς θα πρέπει να είναι αρκετά γρήγορο ώστε να υποστηρίζει τις απαιτήσεις της εφαρμογής σε εύρος ζώνης. Εφόσον μια εφαρμογή μπορεί να χρειάζεται έναν αριθμό από συνεχείς ροές δεδομένων, η ταχύτητα του πρωτοκόλλου μεταφοράς πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τις απαιτήσεις των παραπάνω ροών σε συναθροιστικό (aggregate) εύρος ζώνης. Ένας άλλος τρόπος να δούμε την απαιτήσεις ενός πρωτοκόλλου μεταφοράς σε throughput είναι από τη σκοπιά του συνολικού συστήματος επικοινωνιών. Το throughput ενός πρωτοκόλλου μεταφοράς πρέπει να είναι υψηλότερο από την ταχύτητα προσπέλασης του δικτύου. Διαφορετικά, το εύρος ζώνης που παρέχεται από τα σημεία προσπέλασης του δικτύου δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλήρως, και το πρωτόκολλο μεταφοράς γίνεται το σημείο συμφόρησης του συνολικού συστήματος επικοινωνιών. Πρωτόκολλα που είναι βελτιστοποιημένα για υψηλή ταχύτητα αλλά δεν υποστηρίζουν QOS εγγυήσεις και/ή multicast, καλούνται lightweight πρωτόκολλα ή υψηλής ταχύτητας πρωτόκολλα μεταφοράς. Στο επόμενο εδάφιο εξετάζουμε ορισμένες τεχνικές για να κάνουμε υψηλό το throughput του πρωτοκόλλου, ενώ στο εδάφιο 4 περιγράφουμε ένα lightweight πρωτόκολλο XTP. 7.1.2 ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ MULTICAST Πολλές εφαρμογές πολυμέσων χρειάζονται πολλές ομάδες και απαιτούν δυνατότητα multicast από το σύστημα μεταφοράς. Το multicast συνήθως υλοποιείται στο επίπεδο δικτύου. Τα περισσότερα συστήματα μεταφοράς χρησιμοποιούν τον IP multicast αλγόριθμο ή υποθέτουν την ύπαρξη κάποιων multicast αλγορίθμων δρομολόγησης. 7.1.3. QOS ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΕΓΓΥΗΣΗ Ροές δεδομένων πολυμέσων απαιτούν συνολικές QoS εγγυήσεις σχετικά με το εύρος ζώνης, την καθυστέρηση, και την διαταραχή καθυστέρησης. Για να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις, ένα σύστημα μεταφοράς πρέπει να παρέχει ένα μηχανισμό στις εφαρμογές ώστε να μπορούν να καθορίζουν και να διαπραγματεύονται QoS απαιτήσεις. 115

Οι QoS απαιτήσεις που δίνονται στο πρωτόκολλο μεταφοράς περνιούνται στο πρωτόκολλο επιπέδου δικτύου. Το πρωτόκολλο επιπέδου δικτύου, το οποίο καλείται πρωτόκολλο δέσμευσης, διαδίδει αυτές τις απαιτήσεις και δεσμεύει τους απαραίτητους πόρους πάνω από μια σύνδεση δικτύου. Αυτή η σύνδεση συχνά είναι μια multicast σύνδεση σε εφαρμογές πολυμέσων. Η παροχή QoS εγγυήσεων απαιτεί τη συνεργασία όλων των υποσυστημάτων ενός συστήματος μεταφοράς, περιλαμβάνοντας διαχείριση πόρων, έλεγχο της πρόσβασης στο δίκτυο, και διαχείριση ουρών σε διακόπτες (switches) δικτύου. Το λειτουργικό σύστημα θα πρέπει επίσης να μπορεί να υποστηρίζει εφαρμογές πολυμέσων. Το Integrated Services working group στο IETF (Internet Engineering Task Force), ανέπτυξε ένα εξελιγμένο μοντέλο υπηρεσιών Internet που καλείται Integrated Services και περιλαμβάνει best-efford service και real-time service. Το Resource ReSerVation Protocol (RSVP), μαζί με το Real Time Transport Protocol (RTP), το Real Time Control Protocol (RTCP) και το Real Time Streaming Protocol (RTSP), παρέχουν τη βάση για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. 7.2 ΔΕΣΜΕΥΣΗ ΠΟΡΩΝ Χωρίς διαχείριση πόρων σε τελικά συστήματα (αποστολείς και παραλήπτες των δεδομένων), δίκτυα και δικτυακό εξοπλισμό, τα συστήματα πολυμέσων αδυνατούν να παρέχουν αξιόπιστη ποιότητα υπηρεσιών στους χρήστες. Μετάδοση δεδομένων πολυμέσων πάνω σε αδέσμευτους πόρους πολλές φορές οδηγεί σε καθυστερημένα και χαμένα πακέτα λόγω της μη διαθεσιμότητας των απαιτούμενων πόρων. Συνεπώς η διαχείριση πόρων παίζει σημαντικό ρόλο στα συστήματα επικοινωνίας πολυμέσων. Για το λόγο αυτό ένα πολύ σημαντικό κομμάτι των συστημάτων επικοινωνίας πολυμέσων είναι το πρωτόκολλο δέσμευσης πόρων στο επίπεδο δικτύου. Αξίζει να σημειωθεί ότι ένα πρωτόκολλο δέσμευσης πόρων δεν κάνει καμία δέσμευση απαιτούμενων πόρων το ίδιο, αλλά αποτελεί απλώς ένα μέσο που μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με τις απατήσεις πόρων και διαπραγματεύεται τις τιμές του QoS που επιθυμούν οι χρήστες για τις εφαρμογές τους από άκρο σε άκρο. Τα πρωτόκολλα δέσμευσης πόρων που βασίζονται σε συναρτήσεις διαχείρισης πόρων σε κάθε υποσύστημα για να επιτύχουν και να προγραμματίσουν προσβάσεις σε κατανεμημένους πόρους κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. 7.2.1. ΤΟ RSVP (Resource ReSerVation Protocol) Το RSVP ήταν το αποτέλεσμα μίας συλλογικής προσπάθειας από τους : Xerox Corp. s Palo Alto Research Center (PARK), MIT, και Information Sciences Institute of University California (ISI) Αποτελεί ένα πρωτόκολλο για multicast (πολλαπλής διανομής) και unicast σηματοδότηση το οποίο σχεδιάστηκε για την εγκατάσταση και την συντήρηση σταθμών πληροφοριών σε κάθε δρομολογητή που βρίσκεται στο μονοπάτι μετάδοσης δεδομένων, κατά την 116

μετάδοση δεδομένων. To RSVP επιτρέπει στον παραλήπτη να ζητήσει μία ορισμένη end-to-end ποιότητα υπηρεσίας. Οι εφαρμογές πραγματικού χρόνου χρησιμοποιούν το RSVP για να δεσμεύσουν τους απαραίτητους πόρους στους δρομολογητές κατά μήκος του μονοπατιού μετάδοσης, έτσι ώστε να είναι διαθέσιμη η απαιτούμενη χωρητικότητα όταν λάβει χώρα η μετάδοση των multimedia δεδομένων. Κατά συνέπεια, το RSVP είναι ένα πρωτόκολλο ελέγχου δικτύου που καθιστά τις Internet εφαρμογές ικανές να αποκτήσουν QoS χαρακτηριστικά. Το RSVP καταλαμβάνει τη θέση ενός πρωτοκόλλου μεταφοράς στο μοντέλο OSI των 7 επιπέδων, παρόλο που το ίδιο το RSVP δεν μεταφέρει τα δεδομένα. Για τη μετάδοση δεδομένων πολυμέσων πάνω από ένα δίκτυο είναι αναγκαίο να ικανοποιούνται τρία βασικά χαρακτηριστικά: η μεταφορά των δεδομένων να γίνεται με όσο το δυνατό πιο γρήγορο τρόπο να παρέχεται δυνατότητα multicasting (πολλαπλής διανομής) να υπάρχει δυνατότητα για εξασφάλιση στην μεταφορά των δεδομένων με βάση τις απαιτήσεις που έχει ορίσει εκ των προτέρων ο χρήστης. Τα δεδομένα πολυμέσων είναι μεγάλα σε όγκο και επομένως αποδοτικοί μηχανισμοί αποστολής τέτοιων δεδομένων πρέπει να παρέχονται. Το RSVP δείχνει περισσότερο ενδιαφέρον στη διατήρηση των παρεχόμενων πόρων και δεν μπορεί να επέμβει στη δρομολόγηση των δεδομένων που έχουν αποσταλεί. Η πρώτη έκδοση του RSVP καθορίζεται από το RFC 2205 (http://ftp.isi.edu/innotes/rfc2205.txt) και το IETF (Internet Engineering Task Force) έχει καταλήξει στην καθιέρωση των τεχνικών προδιαγραφών του πρωτοκόλλου σαν ένα Internet Proposed Standard (Προτεινόμενα Διαδικτυακά πρότυπα.). 117

Σχήμα 7.2-Δικτυακό σχεδιάγραμμα συστημάτων που χρησιμοποιούν RSVP Το RSVP προέκυψε από τη συνεργασία μίας ομάδας ερευνητικών κέντρων: Xerox, Palo Alto Research Center (PARK), MIT, και του Information Sciences Institute, University of California (ISI). To RSVP χρησιμοποιείται για να δημιουργεί κρατήσεις για δικτυακούς πόρους. Όταν μια εφαρμογή σε έναν host απαιτεί συγκεκριμένη ποιότητα υπηρεσιών (QoS quality of service) για την ροή των δεδομένων της,χρησιμοποιεί το RSVP για να παραδώσει την αίτησή του στους δρομολογητές στο μονοπάτι της ροής δεδομένων. Το RSVP είναι υπεύθυνο για τις διαπραγματεύσεις των παραμέτρων σύνδεσης με αυτούς τους δρομολογητές. Αν η κράτηση επιτευχθεί,το RSVP είναι επίσης υπεύθυνο για να την διατήρηση της σύνδεσης ανάμεσα στον host και στους δρομολογητές. Κάθε κόμβος ικανός για κράτηση πόρων έχει αρκετές τοπικές διαδικασίες για την επίτευξη της κράτησης αυτής. Η τακτική ελέγχου καθορίζει αν ο χρήστης έχει άδεια ώστε να κάνει κράτηση. Ο έλεγχος αποδοχής παρακολουθεί τους πόρους του συστήματος και καθορίζει αν ο κόμβος έχει επαρκείς πόρους ώστε να ικανοποιήσει την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσίας. Το RSVP είναι υπεύθυνο και για τις δύο διαδικασίες. Αν κάποιος έλεγχος αποτύχει το RSVP επιστρέφει ένα μήνυμα λάθους στην εφαρμογή που έκανε την αίτηση. Αν και οι δύο έλεγχοι πετύχουν,το RSVP θέτει τις παραμέτρους στον «ταξινομητή πακέτων» και στον «χρονοδρομολογητή πακέτων» για επιτευχθεί η ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας. Ο ταξινομητής πακέτων την τάξη του κάθε πακέτου (όσον αφορά την ποιότητα υπηρεσίας) και ο χρονοδρομολογητής πακέτων καθορίζει την αποστολή των πακέτων ώστε να επιτευχθεί η ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας. Το RSVP έχει δύο ορισμούς ποιότητας υπηρεσίας συγκρινόμενο με το ATM. Η εγγυημένη υπηρεσία του RSVP αντιστοιχεί στην CBR του ATM,ενώ η υπηρεσία πρόβλεψης που διαθέτει αντιστοιχεί στην VBR του ATM.Το RSVP επικοινωνεί επίσης με την διαδικασία δρομολόγησης για να καθορίσει το μονοπάτι που θα στείλει τις αιτήσεις κράτησης και για να 118

αντιμετωπίσει πιθανές αλλαγές στις «διαδρομές».αυτή η διαδικασία κράτησης επαναλαμβάνεται στους δρομολογητές αντίστροφα στην διεύθυνση μετάδοσης των δεδομένων μέχρι η κράτηση να ενωθεί με μια άλλη κράτηση για την ίδια πηγή δεδομένων. Η κράτηση στην ουσία δεν μεταδίδει δεδομένα και παρέχει την ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας. Πάντως,μέσω της κράτησης,το RSVP εγγυείται ότι οι πόροι του δικτύου θα είναι διαθέσιμοι όταν η μετάδοση λάβει χώρα. Παρόλο που το RSVP είναι πάνω από το IP στην στοίβα των πρωτοκόλλων,δεν είναι ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης αλλά μάλλον ένα πρωτόκολλο ελέγχου του Internet.Στην πραγματικότητα το RSVP εξαρτάται στα υποδεέστερα πρωτόκολλα δρομολόγησης για να βρει που θα παραδώσει τις αιτήσεις κράτησης. Το RSVP επίσης συνεργάζεται με πρωτόκολλα μετάδοσης σε ένα αλλά και σε πολλαπλά σημεία. Όταν η ροή δεδομένων που ελέγχεται από το RSVP αλλάξει το μονοπάτι της,η μονάδα δρομολόγησης θα ειδοποιήσει την μονάδα RSVP για τις αλλαγές. Επομένως το RSVP μπορεί να προσαρμόζει γρήγορα την κράτηση πόρων σε νέα δρομολόγια. Η παράδοση των παραμέτρων κράτησης είναι διαφορετική από τον καθορισμό των παραμέτρων αυτών. Η ρύθμιση των παραμέτρων σύνδεσης για να επιτευχθεί η ζητούμενη ποιότητα υπηρεσίας είναι δουλειά των συσκευών ελέγχου ποιότητας υπηρεσίας,ενώ ο ρόλος του RSVP απλώς να διανέμει τις παραμέτρους αυτές. Εφόσον διαφορετικές εφαρμογές μπορεί να έχουν διαφορετικές συσκευές ελέγχου ποιότητας υπηρεσίας,το RSVP είναι σχεδιασμένο να συμπεριφέρεται σ αυτές τις παραμέτρους σαν αδιαφανή δεδομένα που πρέπει να παραδοθούν και να ερμηνευτούν στις συσκευές ελέγχου των δρομολογητών. Αυτός ο λογικός διαχωρισμός των συσκευών ελέγχου ποιότητας υπηρεσίας και διανομής απλοποιεί τον σχεδιασμό του RSVP και το κάνει πιο εύκολα προσαρμόσιμο σε νέες τεχνολογίες και εφαρμογές. 7.2.2. ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ-RTP / RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-Time Control Protocol) Τα πρωτόκολλα RTP/RTCP δημιουργήθηκαν για να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές που απαιτούν μεταφορά ήχου, video και δεδομένων. Παρέχουν μια κοινή πλατφόρμα για την έκφραση πληροφοριών συγχρονισμού και συνόδων που απαιτούνται από εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Το πρωτόκολλο RTCP αποτελεί το πρωτόκολλο ελέγχου του RTP. Το RTP είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί σε συνεργασία με το πρωτόκολλο ελέγχου RTCP για να παίρνει πληροφορία για την ποιότητα της μετάδοσης και για αυτούς που συμμετέχουν στην επικοινωνία. 7.2.3. RTP: REAL-TIME TRANSPORT PROTOCOL Η ανάπτυξη του RTP έλαβε χώρα στις αρχές της δεκαετίας του 90 με αυτό που έγινε αργότερα γνωστό ως RTP έκδοση 0 μέχρι που έφτασε την έκδοση 2 και εκδόθηκε σαν RFC το 1998/90.Το RTP παρέχει από άκρο σε άκρο 119

μεταφορά για δεδομένα πραγματικού χρόνου μέσω διαφόρων μηχανισμών για των έλεγχου του χρονισμού. Η χρονοθέτηση (timestamping) είναι η πιο σημαντική πληροφορία για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Ο πομπός θέτει ένα χρονικό σημάδι την στιγμή της δειγματοληψίας του πρώτου byte του πακέτου. Τα χρονικά σημάδια αυξάνονται σύμφωνα με τον χρόνο που καλύπτει ένα πακέτο. Αφού δέχεται τα πακέτα ο δέκτης χρησιμοποιεί τα χρονικά σημάδια για να ανακατασκευάσει την πληροφορία. Αυτά τα σημάδια χρησιμοποιούνται επίσης για τον χρονισμό ροών δεδομένων με διαφορετικές ιδιότητες χρονισμού όπως ο ήχος και το Video στην συμπίεση MPEG. Πρέπει να τονιστεί ότι το RTP δεν παρέχει κανένα μηχανισμό που εξασφαλίζει μεταφορά στα χρονικά όρια, ούτε παρέχει εγγύηση για ποιότητα μετάδοσης (quality of service). Αυτό είναι κάτι που αφορά τα πιο κάτω επίπεδα του δικτύου. Η αρίθμηση που παρέχεται στα πακέτα επιτρέπει στον παραλήπτη να διατάξει τα πακέτα στη σειρά που αυτά έφυγαν από τον αποστολέα. Το RTP μπορεί να χωριστεί σε δύο στενά συνδεδεμένα κομμάτια: το Real-time Transport Protocol (RTP), για μεταφορά δεδομένων με χαρακτηριστικά πραγματικού χρόνου, το Real-time Transport Control Protocol (RTCP), για έλεγχο της ποιότητας της υπηρεσίας και καταγραφή πληροφορίας σχετική με τα μέρη κάποιας ενεργού συνόδου. Το RTCP παρέχει λειτουργίες υποστήριξης για τηλεδιάσκεψη πραγματικού χρόνου για μεγάλες ομάδες στο Internet που περιλαμβάνουν αναγνώριση της πηγής και υποστήριξη για gateways (όπως audio & video bridges). Το RTP τυπικά τρέχει πάνω από το UDP και κάνει χρήση των λειτουργιών πολυπλεξίας και ελέγχου αθροίσματος που αυτό διαθέτει. Ο λόγος της επιλογής του UDP είναι ότι το TCP σε αντίθεση με το UDP έχει έναν αξιόπιστο μηχανισμό μετάδοσης και είναι καταλληλότερο για μετάδοση Video.Για να αποκατασταθεί μια σύνοδος RTP,η εφαρμογή καθορίζει ένα συγκεκριμένο ζεύγος από διευθύνσεις μεταφοράς προορισμού (μια δικτυακή διεύθυνση και ένα ζεύγος ports για τα RTP και RCTP.Η επικεφαλίδα του RTP παρέχει 120

πληροφορίες για τον χρονισμό Video και ήχου και καθορίζει αν τα πακέτα χάθηκαν και αν έχουν φτάσει με την σωστή σειρά. Η επικεφαλίδα περιέχει τις ακόλουθες πληροφορίες: Τύπος δεδομένων:1 byte Χρονικό σημάδι:32-bit που περιγράφουν το στιγμιότυπο των δεδομένων που περιέχονται στο πακέτο,η συχνότητα εξαρτάται από τον τύπο των πακέτων. Αύξων αριθμός :Ένας 16-bit αύξων αριθμός πακέτου που επιτρέπει την ανίχνευση των απωλειών πακέτων και την τοποθέτησή τους σε σειρά. Bit Μαρκαρίσματος :η χρήση του εξαρτάται από τον τύπο των δεδομένων,στο video υποδεικνύει το τέλος ενός frame,στον ήχο υποδεικνύει την αρχή μιας ροής δεδομένων. Προσδιοριστής συγχρονισμού πηγής :Ένας τυχαίος αριθμός 32-bit που προσδιορίζει μοναδικά την πηγή σε μια σύνοδο. Σχήμα 7.2 ΠΩΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ ΤΟ RTP Οι πολυμεσικές εφαρμογές χαρακτηρίζονται από αυστηρούς χρονικούς περιορισμούς στη μετάδοση των δεδομένων, κάτι που δε συμβαδίζει με τη λογική λειτουργίας του Internet. Το RTP παρέχει κάποιους μηχανισμούς που λαμβάνουν υπόψη τα θέματα αυτά. Τέτοιοι μηχανισμοί είναι το timestamping και το sequence numbering. Το timestamping είναι η πιο σημαντική πληροφορία για τις εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Ο αποστολέας βάζει σε κάθε πακέτο ένα timestamp, το οποίο χρησιμοποιεί ο παραλήπτης για να βρει τη χρονική στιγμή που πρέπει να «παίξουν» τα δεδομένα. Το timestamp χρησιμοποιείται επίσης για το 121

συγχρονισμό διαφορετικών streams, όπως video και ήχου. Το RTP όμως δεν είναι υπεύθυνο για το συγχρονισμό αυτό, τον οποίο πραγματοποιούν οι εφαρμογές. Το UDP δεν παραδίδει τα πακέτα με τη σειρά με την οποία στάλθηκαν γι αυτό τα πακέτα αριθμούνται, τη στιγμή που στέλνονται, έτσι ώστε να μπορεί ο παραλήπτης να τα βάλει στη σωστή σειρά. Οι αριθμοί χρησιμοποιούνται επίσης για να ανιχνεύονται απώλειες στη μετάδοση των πακέτων. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του RTP είναι το source identification, που επιτρέπει στον παραλήπτη να ξέρει από που έρχονται τα δεδομένα. Οι παραπάνω μηχανισμοί πραγματοποιούνται μέσω του RTP header. Στο σχήμα 3 φαίνεται ένα RTP πακέτο το οποίο έχει ενσωματωθεί σε ένα UDP/IP πακέτο. Σχήμα 7.3- RTP δεδομένα σε ένα IP πακέτο Το RTP τρέχει πάνω από το UDP. To TCP και το UDP, είναι τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται πιο πολύ στο Internet. Το TCP παρέχει connectionoriented και αξιόπιστη ροή δεδομένων ανάμεσα σε δύο hosts, ενώ το UDP παρέχει connectionless αλλά όχι αξιόπιστες υπηρεσίες. Το UDP επελέγη σαν το πρωτόκολλο μεταφοράς του RTP για 2 λόγους. Πρώτον, το RTP είναι κυρίως σχεδιασμένο για multicast κάτι το οποίο δε συμβαδίζει με το connectionoriented TCP. Δεύτερον, για δεδομένα πραγματικού χρόνου, η αξιοπιστία δεν είναι τόσο σημαντική όσο η έγκαιρη μετάδοση. Η αξιόπιστη μετάδοση η οποία επιτυγχάνεται μέσω της επαναμετάδοσης των χαμένων πακέτων, δεν είναι επιθυμητή διαδικασία, αφού μπορεί να προκαλέσει υπερφόρτωση του δικτύου, και προβλήματα στη συνεχή μετάδοση των δεδομένων. Τα πακέτα του RTP και του RTCP μεταφέρονται μέσω UDP/IP. Παρόλα αυτά έχουν γίνει προσπάθειες για να συνεργάζονται και με άλλα πρωτόκολλα μεταφοράς. RTP FIXED HEADERFIELDS Ο header του RTP έχει τη μορφή που φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 122

7 8 9 0 1 V=2 P X CC M PT sequence number Timestamp Synchronization source (SSRC) identifier Contributing source (CSRC) identifiers. Σχήμα 7.4- RTP Packet Header Ποιο αναλυτικά τα πεδία είναι τα ακόλουθα: Padding (P): 1 bit. Αν είναι 1, τότε ο fixed header ακολουθείται από ακριβώς ένα header extension. CSRC count (CC): 4 bits. Ο αριθμός των CSRC (contributing source) identifiers που ακολουθούν το fixed header. Ο αριθμός είναι μεγαλύτερος από ένα αν το πακέτο περιέχει δεδομένα από πολλές πηγές. Market (M): 1 bit. Επιτρέπει σε διάφορα events όπως τα frame boundaries να μαρκάρονται στο packet stream. Payload type (PT): 7 bits. Δηλώνει το είδος των δεδομένων, και παρέχει έτσι πληροφορίες για το πως πρέπει να «παιχτούν» τα δεδομένα αυτά. Sequence number: 16 bits. Αυξάνεται κατά 1 για κάθε πακέτο που στέλνεται και χρησιμοποιείται από τον παραλήπτη για να βρει τη σωστή σειρά των πακέτων και να ανιχνεύσει τυχόν απώλειες. Timestamp: 32 bits. Χρησιμοποιείται για συγχρονισμό από τον παραλήπτη. SSRC: 32 bits. Δείχνει αν τα δεδομένα προέρχονται από μία πηγή, ή αν προέρχονται από περισσότερες από μία, δείχνει σε ποιο σημείο ενώθηκαν τα δεδομένα. CSRC list: 0 έως 15 items, 32 bits το καθένα.. Δείχνει τις πηγές από τις οποίες προέρχονται τα δεδομένα. Ο αριθμός τους δίνεται από το πεδίο CC. 7.2.5 RTCP: REAL-TIME CONTROLPROTOCOL Το RTCP είναι το πρωτόκολλο ελέγχου που σχεδιάστηκε για να δουλεύει σε μαζί με το RTP.Προτυποποιήθηκε στο RFC 1889 και 1890. Το δίδυμο πρωτόκολλο του RTP, το RTCP, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο RTP μεταφορών δεδομένων. Ένα RTCP μήνυμα αποτελείται από έναν αριθμό 123

πακέτων τα οποία μπορούν να τοποθετούνται το ένα μέσα στο άλλο, το καθένα με το δικό του κώδικα τύπου και ένδειξη μήκους. Η μορφή τους μοιάζει πολύ με αυτή των RTP πακέτων δεδομένων. Σε μια multicast σύνοδο, τα RTCP πακέτα στέλνονται περιοδικά στην ίδια ομάδα υπολογιστών στην οποία στέλνονται τα RTP πακέτα δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό, χρησιμεύουν επίσης και σαν ένας ενδείκτης ζωντανών συνδέσεων και μελών συνόδου, ακόμα κι αν δεν λαμβάνουν χώρα πραγματικές μεταδόσεις δεδομένων. Το RTCP εκτελεί τις παρακάτω τέσσερις λειτουργίες: Παροχή πληροφοριών στις εφαρμογές:η κύρια λειτουργία είναι η παροχή πληροφοριών σε μια εφαρμογή σχετικά με την ποιότητα της διανομής δεδομένων. Το κάθε RTCP πακέτο περιέχει αναφορές πομπού και/ή παραλήπτη οι οποίες περιέχουν στατιστικές που είναι χρήσιμες για την εφαρμογή. Αυτές οι στατιστικές περιλαμβάνουν τον αριθμό των πακέτων που έχουν σταλεί, τον αριθμό των πακέτων που έχουν χαθεί, τη διαταραχή μεταξύ των αφίξεων κτλ. Αναγνώριση της RTP πηγής:το RTCP μεταφέρει έναν αναγνωριστή επιπέδου μεταφοράς για μια RTP πηγή, που καλείται το κανονικό όνομα (canonical name, CNAME). Αυτό το CNAME χρησιμοποιείται για να παρακολουθούνται τα άτομα που συμμετέχουν σε μια RTP σύνοδο. Οι παραλήπτες χρησιμοποιούν το CNAME για να συνδέουν πολλαπλές ροές δεδομένων από ένα συγκεκριμένο άτομο που συμμετέχει στη σύνοδο σε ένα σύνολο συνδεδεμένων RTP συνόδων (π.χ. για το συγχρονισμό ήχου και εικόνας). Πάυση μεταξύ μεταδόσεων RTCP ελέγχου: Για να αποτραπεί η κατανάλωση όλων των πόρων του δικτύου από τον έλεγχο κυκλοφορίας και για να επιτραπεί στο RTP να εξυπηρετεί έναν μεγάλο αριθμό ατόμων που συμμετέχουν σε μια σύνοδο, ο έλεγχος κυκλοφορίας περιορίζεται στο πέντε τοις εκατό το πολύ της συνολικής κυκλοφορίας συνόδου. Αυτό το όριο επιβάλλεται ρυθμίζοντας το ρυθμό με τον οποίο τα RTCP πακέτα μεταδίδονται σαν μια συνάρτηση των ατόμων που συμμετέχουν. Αφού ο κάθε συμμετέχων στέλνει πακέτα ελέγχου σε όλους τους άλλους, ο καθένας μπορεί να παρακολουθεί τον συνολικό αριθμό των συμμετεχόντων και να χρησιμοποιεί τον αριθμό αυτό για να υπολογίζει το ρυθμό με τον οποίο πρέπει να στέλνει RTCP πακέτα. Μεταβίβαση ελάχιστης πληροφορίας ελέγχου συνόδου: Σαν μια προαιρετική λειτουργία, το RTCP μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια χρήσιμη μέθοδος για τη μεταβίβαση μιας μικρής ποσότητας πληροφοριών σε όλους τους συμμετέχοντες στη σύνοδο. Για 124

παράδειγμα, το RTCP θα μπορούσε να μεταφέρει ένα προσωπικό όνομα για την αναγνώριση ενός συμμετέχοντα στην οθόνη ενός χρήστη. Αυτή η λειτουργία είναι χρήσιμη για χαλαρά ελεγχόμενες συνόδους στις οποίες οι συμμετέχοντες εισέρχονται και εξέρχονται ανεπίσημα. Στο RTCP, οι εφαρμογές που έχουν πρόσφατα στείλει δεδομένα ήχου και εικόνας παράγουν μία αναφορά αποστολέα η οποία στέλνεται σε όλα τα μέλη της συνόδου. Αφού η αναφορά περιέχει μετρητές συσσώρευσης πληροφοριών των πακέτων και των bytes που έχουν σταλεί, οι παραλήπτες μπορούν να εκτιμήσουν τον πραγματικό ρυθμό δεδομένων. Τα μέλη της συνόδου παράγουν αναφορές παραλήπτη για όλες τις πηγές εικόνας και ήχου από τις οποίες έχουν λάβει μήνυμα πρόσφατα. Οι αναφορές περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τον υψηλότερο αριθμό ακολουθίας που έχει ληφθεί, τον αριθμό των πακέτων που έχουν χαθεί, ένα μέτρο της διαταραχής μεταξύ των αφίξεων, και χρονοσφραγίδες οι οποίες χρειάζονται για να υπολογιστεί μια εκτίμηση της καθυστέρησης ταξιδιού μετ επιστροφής. Όπως έχει σημειωθεί και προηγουμένως, το RTP και το RTCP δημιουργούν διαφορετικές συνόδους για διαφορετικές ροές μέσων. Η RTCP αναφορά αποστολέα περιέχει μια ένδειξη του πραγματικού χρόνου και μια αντίστοιχη RTP χρονοσφραγίδα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συγχρονιστούν πολλαπλές ροές μέσων στον παραλήπτη. Τα RTP πακέτα δεδομένων αναγνωρίζουν την καταγωγή τους μόνο μέσω ενός 32-bit αναγνωριστή που έχει παραχθεί τυχαία, ενώ τα RTCP μηνύματα περιέχουν ένα πακέτο περιγραφής πηγής (source description, SDES) το οποίο με τη σειρά του περιέχει έναν αριθμό τμημάτων πληροφορίας, συνήθως κειμένου. Ένα τέτοιο τμήμα πληροφορίας είναι το αποκαλούμενο κανονικό όνομα, ένας σφαιρικά μοναδικός αναγνωριστής του συμμετέχοντος στη σύνοδο. Άλλα πιθανά SDES αντικείμενα περιλαμβάνουν το όνομα του χρήστη, τη διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, τον αριθμό τηλεφώνου, και πληροφορίες εφαρμογών. Μια που για το RTCP έχει επίτηδες καθοριστεί ένα τέτοιο μέγεθος το οποίο αποτελεί το πέντε τοις εκατό του ονομαστικού ρυθμού δεδομένων μιας συνόδου, η παρακολούθηση της κυκλοφορίας ελέγχου μπορεί να υπηρετήσει σαν ένας ενδείκτης του αριθμού των μελών που συμμετέχουν στη σύνοδο. Υπενθυμίζουμε ότι η κάθε σύνοδος περιοδικά μεταδίδει RTCP πακέτα. Το RTCP παρέχει πληροφορίες ανάδρασης σχετικά με τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου και την ποιότητα λήψης, επιτρέποντας στις εφαρμογές να προσαρμόζονται αυτόματα στις παραπάνω συνθήκες. Για παράδειγμα, μια επιβράδυνση (slowdown) η οποία παρατηρείται από πολλούς παραλήπτες οφείλεται κατά πάσα πιθανότητα σε ένα πρόβλημα δικτύου (ένας Τ1 σύνδεσμος που έχει αποτύχει και υποστηρίζεται από μια πιο αργή γραμμή των 56 Kbps) και όχι σε έναν συγκεκριμένο υπολογιστή. Στην περίπτωση αυτή, η 125

εφαρμογή πηγής θα μπορούσε να διαλέξει να αλλάξει χωρίς καθυστέρηση το σχήμα κωδικοποίησής της, να απαλείψει προσωρινά το τμήμα εικόνας μιας μετάδοσης (να μη στέλνει για λίγο εικόνα), ή να αλλάξει από χρώμα σε μονοχρωμία ώστε να βελτιωθεί η μεταφορά των πληροφοριών. Σε άλλες περιπτώσεις, οι διαχειριστές δικτύου μπορούν να χρησιμοποιήσουν πληροφορίες των RTCP πακέτων για να εκτιμήσουν την απόδοση των δικτύων τους όταν πρόκειται για multicast διανομή. Αφού το RTCP στέλνει πληροφορίες ανάδρασης όχι μόνο στον αποστολέα, αλλά επίσης και σε όλους τους άλλους παραλήπτες μιας multicast ροής, επιτρέπει σε έναν χρήστη να καταλάβει αν κάποιο πρόβλημα οφείλεται στον τοπικό τερματικό κόμβο ή στο δίκτυο γενικά. Η βάση για τον έλεγχο ροής και συμφόρησης παρέχεται από τις RTCP αναφορές αποστολέα και παραλήπτη. Αναλύοντας το πεδίο διαταραχής μεταξύ των αφίξεων, το οποίο περιέχεται στην αναφορά του αποστολέα, μπορούμε να μετρήσουμε τη διαταραχή ενός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος και να υποδείξουμε την πιθανότητα συμφόρησης προτού αυτή εμφανιστεί και προκαλέσει απώλεια πακέτων. ΔΟΜΕΣ ΠΑΚΕΤΩΝ Το RTCP ορίζει 5 διαφορετικούς τύπους μηνυμάτων: αναφορά αποστολέα (Sender Report SR), αναφορά δέκτη (Receiver Report RR), περιγραφή πηγής (Source Description SDES), μηνύματα αποχαιρετισμού και εφαρμογών (Bye and App messages). Οι 5 τύποι πακέτων για το πρωτόκολλο RTCP: RR (receiver report): Περιέχουν πληροφορία για την ποιότητα των δεδομένων στα σημεία της παραλαβής τους, καθώς επίσης και στατιστικά στοιχεία. SR (sender report): Δημιουργούνται από τους αποστολείς και περιέχουν πληροφορία τα δεδομένα που στέλνονται. SDES (source description items): Περιέχουν πληροφορία για τις πηγές (sources) των δεδομένων. BYE: δηλώνει τέλος συμμετοχής. APP: application specific functions. Χρησιμοποιείται για πειραματικούς λόγους. 126

Σχήμα 7.5- RTCP πακέτο αποχαιρετισμού 7.3 ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ STREAMG 7.3.1. RTSP (Real-Time Streaming Protocol) Το RTSP (Real-Time Streaming Protocol - Πρωτόκολλο Ροής Πραγματικού Χρόνου), είναι ένα πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής, το οποίο παρέχει μηχανισμούς για την υποστήριξη streaming πολυμέσων σε εφαρμογές πολλών σημείων, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες μετάδοσης unicast και multicast. To RTSP αναπτύχθηκε από τη Netscape Communications, τη RealNetworks και το Πανεπιστήμιο του Columbia. Γενικά μπορεί να χαρακτηριστεί σαν ένα "πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής", το οποίο ελέγχει την παράδοση steaming media, πάνω από unicast ή multicast δίκτυα με χαρακτηριστικά πραγματικού χρόνου. Η μετάδοση των δεδομένων δεν πραγματοποιείται από το RTSP άλλά από κάποιο άλλο πρωτόκολλο μεταφοράς (transport protocol) γι αυτό και μπορεί επίσης να χαρακτηριστεί σαν ένα "τηλεχειριστήριο δικτύου" προς το server που μεταδίδει τα streming media. Δηλαδή το RTSP παρέχει ένα VCR style remote control μηχανισμό για video και audio streams με δυνατότητες όπως pause, fast forward, reverse, και absolute positioning Το RTSP είναι σχεδιασμένο να συνεργάζεται με πρωτόκολλα χαμηλότερου επιπέδου (RTP, RSVP και άλλα) έτσι ώστε να παρέχει μία ολοκληρωμένη streaming υπηρεσία πάνω από το Internet. Το Real Time Streaming Protocol (RTSP), είναι ένα application-level protocol για έλεγχο στην διανομή δεδομένων με ιδιότητες πραγματικού χρόνου Το RTSP παρέχει μηχανισμούς για: αίτηση διανομής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο αίτηση ενός καθορισμένου τύπου μεταφοράς και προορισμού για την διανομή τμ δεδομένων αίτηση πληροφοριών σχετικά με τα δεδομένα με έναν τρόπο καθορισμένο από την τυποποίηση εκκίνηση, σταμάτημα και παύση της διανομής των δεδομένων 127

να παρέχει τυχαία προσπέλαση σε διάφορα τμήματα των (όπου είναι εφαρμόσιμο) Το RTSP χρησιμοποιεί το TCP/IP για την διανομή και τον έλεγχο των μηνυμάτων, και επιτρέπει μια μεγάλη ποικιλία επιλογών διανομής για τα δεδομένα επιτρέποντας multicast και unicast UDP που βασίζονται στο RTP και το TCP. Το RTSP χρησιμοποιεί το Session Control Protocol για να επιτρέψει την χρήση μιας απλής TCP σύνδεσης μεταξύ του client και του server για ελεγχόμενη διανομή ενός ή περισσότερων streams δεδομένων. The RTSP συγκεκριμένα χρησιμοποιεί μια SCP session για να διανέμει μηνύματα ελέγχου και επιπλέον μια νέα SCP session θα πρέπει να ανοίγει για κάθε διανεμόμενο real-time αντικείμενο. Πολλές Internet εφαρμογές που χρησιμοποιούνται ευρέως, όπως FTP, GOPHER, και HTTP χρησιμοποιούν ένα μοντέλο πρωτοκόλλου στο οποίο κάθε συναλλαγή απαιτεί μια διαφορετική TCP σύνδεση. Επειδή οι clients κανονικά μοιράζουν πολλαπλές αιτήσεις στον ίδιο server, αυτό το μοντέλο είναι αρκετά αναποτελεσματικό this model is quite inefficient, καθώς επιφέρει τα κόστη εκκίνησης όλων των συνδέσεων για κάθε απλή αίτηση. Το RTSP υποστηρίζει δύο ειδών μηνύματα: μηνύματα σύνδεσης στέλνονται στην Global control session. μηνύματα αντικειμένων στέλνονται στην Control session. Στις τρεις τυπικές κατηγορίες δεδομένων, των οποίων η διανομή θα μπορούσε να ελεγχθεί με το RTSP, συμπεριλαμβάνονται: Real-time stored clips: Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει όλες τις εγγραφές σε πραγματικό χρόνο (κυρίως βίντεο/ήχο). Παραδείγματα συμπεριλαμβάνουν web sites με περιγραφή με ήχο, αποθηκευμένες εγγραφές με ήχο και βίντεο. Real-time live feeds: Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει δεδομένα πραγματικού χρόνου τα οποία οδηγούνται ζωντανά στον server site από το να εγγράφονται από πριν. Παραδείγματα από αυτή την χρήση περιλαμβάνουν μια συνέντευξη τύπου, η έναν ζωντανό ραδιοφωνικό σταθμό στο Internet. Non real-time stored data: Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει δεδομένα μη πραγματικού χρόνου οποιουδήποτε MIME type, όμοια με δεδομένα που εξυπηρετούνται από HTTP servers. Τα πολυμεσικά δεδομένα αντί να αποθηκεύονται σε μεγάλα αρχεία, συνήθως στέλνονται διαμέσω του δικτύου σε streams. Το streaming χωρίζει τα δεδομένα σε πακέτα, με μέγεθος κατάλληλο για μεταφορά από τους servers στους clients. 128

Το RTSP είναι ένα client-server multimedia presentation πρωτόκολλο το οποίο επιτυγχάνει ελεγχόμενη αποστολή των streamed multimedia δεδομένων πάνω από ΙΡ δίκτυο. Παρέχει VCR style remote control functionality για video και audio streams, όπως pause, fast forward, reverse, και absolute positioning. Το RTSP είναι ένα application level πρωτόκολλο σχεδιασμένο να τρέχει με πρωτόκολλα χαμηλότερου επιπέδου (RTP, RSVP και άλλα) έτσι ώστε να παρέχει μία ολοκληρωμένη streaming υπηρεσία στο Internet. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΟΥ ΠΑΡΕΧΕΙ ΤΟ RTSP To RTSP παρέχει τις παραπάνω λειτουργίες: Ανάκτηση media δεδομένων από media server. Πρόσκληση σε ένα media server για conference Προσθήκη media σε μία υπάρχουσα παρουσίαση. Ο server ή ο client μπορούν να ειδοποιούν ο ένας τον άλλο για τυχόν πρόσθετα media που είναι διαθέσιμα. Στόχος του RTSP είναι να παρέχει για video και ήχο τις ίδιες υπηρεσίες που παρέχει για text και γραφικά το HTTP. Στο RSTP, κάθε παρουσίαση ενός media stream αναγνωρίζεται μέσω ενός RTSP URL. Οι υπηρεσίες υποστηρίζονται μέσω των ακόλουθων μεθόδων: OPTIONS: Ο client ή ο server λέει στην άλλη πλευρά τις παραμέτρους που μπορεί να δεχτεί. DESCRIBE: Ο client διαβάζει την περιγραφή μιας παρουσίασης ενός media object που αναγνωρίζεται μέσω του request URL από το server. ANNOUNCE: Όταν στέλνεται από τον client στο server, δηλώνει την περιγραφή μιας παρουσίασης ενός media object. Όταν στέλνεται από τον server στον client, ενημερώνει την περιγραφή σε πραγματικό χρόνο. SETUP: Ο client ζητάει από το server να δεσμεύσει πόρους για ένα stream, και να ξεκινήσει ένα RTSP session. PLAY: Ο client ζητάει από το server να ξεκινήσει να στέλνει δεδομένα. 129

PAUSE: Ο client προσωρινά σταματάει το stream χωρίς να ελευθερώνει τους δεσμευμένους γι αυτό το stream πόρους του server. TEARDOWN: Ο client ζητάει από το server να σταματήσει την αποστολή ενός stream και να ελευθερώσει τους δεσμευμένους πόρους γι αυτό το stream. GET_PARAMETER: Διαβάζει την τιμή μιας παραμέτρου για την παρουσίαση ενός stream. SET_PARAMETER: Θέτει την τιμή μιας παραμέτρου για την παρουσίαση ενός stream. REDIRECT: Ο server ενημερώνει τους clients ότι πρέπει να συνδεθούν με ένα server σε μία άλλη τοποθεσία. RECORD: Ο client ξεκινάει να αποθηκεύει ένα κομμάτι των media δεδομένων σύμφωνα με την περιγραφή παρουσίασης. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: QOS 8.1. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΟ QΟS Στις πρώτες μέρες εφαρμογής των δικτύων η έννοια του QoS δεν υπήρχε. Το πρώτιστο μέλημα ήταν να μεταδοθούν τα πακέτα στον προορισμό τους. Θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε το σκοπό της επιτυχημένης μετάδοσης των πακέτων ως μια πρωτογενή μορφή QoS (η κυκλοφορία είτε μεταδιδόταν επιτυχημένα είτε όχι). Το πρωτόκολλο IP δεν προσέφερε αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων. Οι δρομολογητές έχουν την δυνατότητα να απορρίπτουν κάποια πακέτα χωρίς να ειδοποιούν ούτε τον αποστολέα ούτε τον παραλήπτη. Το ΙΡ στηρίζεται σε πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου (π.χ. TCP) ώστε να ξέρει την κατάσταση των πακέτων και να τα ξαναστέλνει όταν αυτό είναι απαραίτητο. Αυτοί οι μηχανισμοί αξιοπιστίας δεν μπορούν να εγγυηθούν ασφαλή μεταγωγή δεδομένων και ούτε μπορούν να εγγυηθούν έγκαιρη διανομή ή να 130

προσφέρουν εγγυήσεις για την ποιότητα της υπηρεσίας που παρέχουν. Το ΙΡ προσφέρει υπηρεσίες «best effort», δηλαδή δεν μπορεί να προσφέρει καμία εγγύηση για το πότε θα φτάσουν τα δεδομένα ή πόσα δεδομένα είναι σε θέση να παραδώσει. Απλά εγγυάται ότι θα χρησιμοποιήσει όλους τους πόρους που έχει στη διάθεση του για να εξυπηρετήσει τα πακέτα. Ακόμα και μετά από αρκετά χρόνια, η αποφυγή της συμφόρησης και η διαφοροποίηση των υπηρεσιών, ήταν ένα μη κρίσιμο ζήτημα. Το πρωταρχικό ενδιαφέρον ήταν απλά να διατηρείται η ροή της κυκλοφορίας, να μη πέφτουν οι ζεύξεις και να διατηρείται το σύστημα δρομολόγησης σταθερό. Σήμερα δεν έχουν αλλάξει πολλά,εκτός από το γεγονός ότι τα ίδια προβλήματα έχουν ενισχυθεί σημαντικά. Η κοινότητα των ISP ακόμη αντιμετωπίζει τα ίδια προβλήματα και,στην πραγματικότητα, πολλά επιπλέον πολύπλοκα προβλήματα σχετικά με την πολιτική, την επεκτασιμότητα και τη σταθερότητα. Ειδικά στο Internet σήμερα η κατάσταση έχει ως εξής:όλες οι ISP παροχές είναι "best effort" ο ανταγωνισμός βασίζεται το χαμηλότερο κόστος υπηρεσιών δεν υπάρχει τεχνολογία που να εξασφαλίζει καλύτερη εξυπηρέτηση σε καλύτερους πελάτες 8.2. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ QΟS Είναι γνωστό ότι το Internet για να μπορέσει να αναπτυχθεί, χρειάζεται ποιότητα στην παροχή υπηρεσιών (QoS). Το πρόβλημα είναι ότι κανένας δεν γνωρίζει τι ακριβώς είναι το QoS (ούτε και οι κατασκευαστές οι οποίοι προσπαθούν να το προσφέρουν). Το σίγουρο όμως είναι ότι σήμερα κανένα από το σχήματα που προωθούνται δεν παρέχει ποιότητα στην υπηρεσία. Αυτό φυσικά δεν σημαίνει ότι δεν μπορούμε να προσθέσουμε ποιότητα υπηρεσίας στα δίκτυα. Πριν όμως αρχίσουμε να αναλύουμε το θέμα ποιότητα υπηρεσίας καλό είναι να δώσουμε ένα ορισμό. Το QoS καθιστά ικανό το δίκτυο να μεταφέρει δεδομένα από άκρο σε άκρο (end to end) με εγγυημένη μέγιστη καθυστέρηση και εγγυημένο ρυθμό μεταφοράς (rate) που βασίζεται στις ανάγκες της διεργασίας του χρήστη (πάντοτε με καθορισμένα συμφωνημένα όρια λάθους). Σύμφωνα με το CCITT Recommendation E.800, το QoS περιγράφεται ως εξής: Η συλλογική συνέπεια της ποιότητας υπηρεσίας, η οποία καθορίζει τον βαθμό ικανοποίησης του χρήστη ως προς την υπηρεσία. Αυτός ο ορισμός συνδέει το 131

QoS με την υπηρεσία που παρέχεται στους χρήστες. Εντούτοις βλέποντας το από την οπτική γωνία ενός δικτύου που παρέχει υπηρεσίες, υπάρχουν συγκεκριμένα σημαντικά ποσοτικά χαρακτηριστικά τα οποία μπορούν να ελεγχθούν έτσι ώστε να παρέχονται συγκεκριμένα επίπεδα ποιότητας υπηρεσίας. Αυτά είναι τα πιο κάτω : Καλέσματα και διασυνδέσεις (Calls and Connections): Η καθυστέρηση που υφίστανται τα πακέτα λόγω της κίνησης στο δίκτυο είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει αισθητά το QoS. Διάφοροι παράγοντες καθυστέρησης, έχουν διαφορετική επίδραση σε διαφορετικά είδη υπηρεσιών : End-to-end delay: είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να μεταφερθεί το πακέτο από τον αποστολέα στον παραλήπτη, μέσω του δικτύου. Όσο πιο μεγάλο είναι το delay, τόσο πιο μεγάλη είναι η πίεση που υποβάλλεται στο πρωτόκολλο μεταφοράς για να λειτουργήσει αποδοτικά. Για το πρωτόκολλο TCP, τα ψηλά επίπεδα καθυστέρησης υπονοούν μεγαλύτερα ποσά δεδομένων που κρατούνται στο δίκτυο εν αναμονή, πράγμα που σημαίνει ότι θα υπάρχει πίεση στους timers και στους counters που σχετίζονται με το πρωτόκολλο. Πρέπει να σημειωθεί ότι το TCP είναι ένα πρωτόκολλο με αυτορυθμιζόμενο ρολόι". Ο ρυθμός μετάδοσης του αποστολέα προσαρμόζεται δυναμικά με την ροή των σημάτων πληροφορίας που έρχονται από τον παραλήπτη, μέσω της αντίστροφης κατεύθυνσης των acknowledgments (ACK), που ειδοποιούν τον αποστολέα ότι τα δεδομένα έχουν παραλειφθεί επιτυχώς. Όσο πιο μεγάλη είναι η καθυστέρηση μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη, τόσο πιο μη ευαίσθητο είναι το πρωτόκολλο σε μικρού χρονικού διαστήματος, δυναμικές αλλαγές στην φόρτιση του δικτύου. Σε εφαρμογές με interactive ήχο και video, η ύπαρξη καθυστέρησης, προκαλεί μη ανταπόκριση από το σύστημα. Delay variation or jitter: αναφέρεται στην ποικιλία της χρονικής διάρκειας μεταξύ όλων των πακέτων της ίδιας ακολουθίας που ακολουθούν τον ίδιο router. Με μαθηματικούς όρους, το jitter μετρείται σαν η απόλυτη τιμή της πρώτης παραγώγου της ακολουθίας των ατομικών μέτρων καθυστέρησης. Πολύ ψηλά επίπεδα του jitter, προκαλούν την δημιουργία πολύ συντηρητικών υπολογισμών του round trip time από το πρωτόκολλο TCP. Το πρωτόκολλο δηλαδή δεν λειτουργεί αποδοτικά όταν επανέρχεται σε time out για να ξανάεγκαθιδρύσει την ροή δεδομένων. Ψηλά επίπεδα jitter, δεν μπορούν να γίνουν αποδεκτά από σε εφαρμογές που βασίζονται στο UDP και είναι εφαρμογές πραγματικού χρόνου, όπως για παράδειγμα το audio ή το video signal. 132

Οι διαλογικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου (Interactive Real Time applications), όπως για παράδειγμα η μεταφορά ήχου, είναι ευαίσθητες στο end-to-end delay και στο jitter. Οι μεγάλες καθυστερήσεις έχουν ως αποτέλεσμα την μείωση της διαλογικότητας στην επικοινωνία. Μη διαλογικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου (non-interactive real time applications), όπως για παράδειγμα εκπομπή μονής κατεύθυνσης (one-way broadcast), δεν είναι ευαίσθητες ως προς το end-to-end delay αλλά επηρεάζονται από το jitter. Το jitter συνήθως διευθετείται με την χρησιμοποίηση ενός buffer στον παραλήπτη, όπου αποθηκεύονται τα παραλαμβανόμενα πακέτα και παίζονται (εκτελούνται) στην κατάλληλη χρονική μετατόπιση (time offset). Η χρονική μετατόπιση που ονομάζεται επίσης και playback point καθορίζεται σύμφωνα με το μέγιστο jitter. Εφαρμογές οι οποίες μπορούν να προσαρμόσουν το playback point βασισμένες στις αλλαγές της τιμής του jitter ονομάζονται προσαρμοζόμενες εφαρμογές ( adaptive applications). ένα παράδειγμα είναι το vat. Πακέτα που φτάνουν στον παραλήπτη αφού περάσει το playback point που τους αντιστοιχεί, δεν είναι χρήσιμα ως προς την εφαρμογή. Οι εφαρμογές που δεν είναι πραγματικού χρόνου, συνήθως δεν επηρεάζονται από τυχόν καθυστερήσεις. Εντούτοις, επειδή αυτές οι εφαρμογές μπορεί να χρησιμοποιήσουν την καθυστέρηση ως μέτρο για να ελέγξουν τα ποσοστά της κίνησης στο δίκτυο (π.χ. TCP), ή μπορεί να χρειαστεί να φυλάξουν προσωρινά δεδομένα μέχρι αυτά να γίνουν acknowledged (π.χ. FTP), γι αυτό μεγάλες καθυστερήσεις μπορούν επίσης να επηρεάσουν το QoS των εφαρμογών αυτών. Υπάρχουν διάφοροι παράμετροι που επηρεάζουν το end-to-end delay : Καθυστέρηση Μετάδοσης (Transmission Delay): Ο χρόνος που χρειάζεται για να μεταφέρουμε όλα τα bits του πακέτου πάνω στην σύνδεση. Καθυστέρηση Μεταφοράς (Propagation Delay): Ο χρόνος που χρειάζεται ένα bit για να διασχίσει την σύνδεση μέσω της οποίας γίνεται η μεταφορά δεδομένων. Καθυστέρηση Επεξεργασίας (Processing Delay): Ο χρόνος που χρειάζεται για επεξεργασία πακέτου και μετατροπή του σε στοιχείο δικτύου (network element). Καθυστέρηση Ουράς (Queuing Delay): Ο χρόνος που πρέπει να περιμένει το πακέτο στην ουρά πριν να προγραμματιστεί η μετάδοση του. Το QoS δεν δημιουργεί bandwidth. Είναι αδύνατο για κάποιο δίκτυο να δώσει κάτι που δεν έχει, έτσι το bandwidth availability είναι σημείο αναφοράς. Το QoS διαχειρίζεται το bandwidth ανάλογα με τις απαιτήσεις κάποιας εφαρμογής και τα settings κάποιου δικτύου. Το bandwidth που κρατείται για κάποια εφαρμογή δεν είναι πλέον ελεύθερο για τις best effort υπηρεσίες. Η προτεραιότητα των QoS σχεδιαστών ήταν να διασφαλίσουν ότι το best effort traffic δεν θα παρουσιάζει φαινόμενα παρατεταμένης στέρησης μετά τις 133

κρατήσεις που έχουν γίνει. Η χειρότερη περίπτωση πρέπει να είναι οι υπηρεσίες με low priority στις οποίες απλά θα προσφέρονται λιγότερες υπηρεσίες μεν, αλλά θα τους προσφέρονται. Ρυθμοαπόδοση (Throughput): Το bandwidth είναι σημαντικός παράγοντας για το throughput. Αυτό καθορίζει πόση κίνηση μπορεί να ανεχτεί η εφαρμογή μέσα στο δίκτυο. Άλλοι σημαντικοί παράγοντες είναι τα λάθη που συνήθως σχετίζονται με το link error rate και οι απώλειες που συνήθως σχετίζονται με την χωρητικότητα του buffer. Ορισμένες εφαρμογές, μπορούν να μειώσουν το ποσοστό της κίνησης όταν υπάρχουν ενδείξεις ότι το throughput βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα. Τέτοιες εφαρμογές ονομάζονται rate adaptive.το εύρος ζώνης εξαρτάται από τα ακόλουθα : Χαρακτηριστικά σύνδεσης: bandwidth, error rate Χαρακτηριστικά κόμβου: buffer, processing power Αξιοπιστία μπορεί να θεωρηθεί σαν ο μέσος όρος σφάλματος στο μέσο. Η αξιοπιστία μπορεί να θεωρηθεί ότι παράγεται από το switching system υπό την έννοια ότι αν το τελευταίο έχει φτωχή διαμόρφωση ή φτωχή εκτέλεση, τότε μπορεί να αλλάξει την σειρά των πακέτων που μεταφέρονται, και να τα παραδώσει στον παραλήπτη με διαφορετική σειρά από αυτή που πραγματικά τα μετάδωσε ο αποστολέας ή μπορεί ακόμη να χαθούν πακέτα κατά την μεταφορά τους από τον ένα router στον άλλο. Η αναξιοπιστία μπορεί να προκαλέσει την αναμετάδοση των πακέτων. Το TCP δεν μπορεί να διακρίνει αν ένα πακέτο χάθηκε λόγω διακοπής στην μεταφορά ή λόγω της συμφόρησης στο δίκτυο. Γι αυτό όταν χαθεί ένα πακέτο λόγω διακοπής, ο αποστολέας συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο που συμπεριφέρεται όταν υπάρχει συμφόρηση. Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων του αποστολέα δηλαδή μειώνεται με την ενεργοποίηση των αλγορίθμων αποφυγής συμφόρησης, παρόλο που δεν παρατηρήθηκε συμφόρηση στο δίκτυο. 8.3. ΈΛΛΕΙΨΗ QΟS ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ Τα παραπάνω θέματα ασχολούνται κυρίως με την αποδοτικότητα και το throughput των πρωτοκόλλων μεταφοράς. Αυτά τα θέματα μπορούν να αντιμετωπιστούν ως ένα βαθμό και πρωτόκκολα μεταφοράς υψηλής ταχύτητας μπορούν να επιτευχθούν με βελτιστοποίηση, παράλληλα, και με υλοποίηση στο υλικό. Πραγματικά, αναφέρεται ότι μια ταχύτητα που είναι κοντά σε gigabits ανά δευτερόλεπτο μπορεί να επιτευχθεί βελτιστοποιώντας την υλοποίηση του TCP. Όπως έχει σημειωθεί νωρίτερα, η υψηλή ταχύτητα είναι απαραίτητη, αλλά άλλα χαρακτηριστικά, QOS εγγύηση και multicast, απαιτούνται για επικοινωνίες πολυμέσων. Στο TCP, δεν υπάρχει η έννοια του QOS. Το TP4 επιτρέπει QOS διαπραγμάτευση παραμέτρων. Αλλά οι παράμετροι είναι 134

προσανατολισμένες προς τα δεδομένα και την επικοινωνία και δεν είναι αρκετές ή κατάλληλές για επικοινωνίες πολυμέσων. 8.4 ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΕΧΕΙ ΑΝΑΠΤΥΧΘΕΙ ΤΟ QΟS; Οι περισσότεροι από τους μεγάλους ISPs απλά τρέχουν για να ικανοποιήσουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις για εύρος ζώνης. Ιστορικά δεν έχουν καθόλου ενδιαφερθεί για τρόπους που εισάγουν διαφοροποίηση CoS.Yπάρχουν δύο λόγοι γι'αυτό. Πρώτον, τα μέσα μέχρι τώρα ήταν πρωτόγονα, και η εφαρμογή αυτών των μέσων σε γραμμές υψηλής ταχύτητας είχε ένα αρνητικό αντίκτυπο στην απόδοση της μετάδοσης των πακέτων. Δεύτερον, αξιόπιστα εργαλεία μέτρησης δεν ήταν διαθέσιμα για να εξασφαλίσουν ότι μία κλάση κυκλοφορίας πραγματικά τυγχάνει προνομιακή μεταχείριση σε σχέση με άλλες κλάσεις. Αν οι providers δε μπορούν να δείξουν στους πελάτες τους ότι ένα μετρήσιμο ποσό κυκλοφορίας διαχειρίζεται με προτεραιότητα, και αν ο πελάτης δε μπορεί ανεξάρτητα να επιβεβαιώσει αυτά τα επίπεδα διαφοροποίησης, η εφαρμογή του QoS είναι άχρηστη. Υπάρχουν επίσης μερικοί λόγοι για τους οποίους το QoS δεν έχει εφαρμοστεί στα πανεπιστημιακά και σωματειακά δίκτυα. Μια εύλογη αιτία είναι ότι στα πανεπιστημιακά δίκτυα το εύρος ζώνης είναι σχετικά φθηνό. Μερικές φορές είναι ένα τετριμμένο ζήτημα το να αυξηθεί το εύρος ζώνης ανάμεσα στα τμήματα του δικτύου όταν το δίκτυο εκτείνεται μόνο σε μερικούς ορόφους στο ίδιο κτίριο ή σε διάφορα κτίρια στον ίδιο χώρο. Αν πραγματικά αυτός είναι ο λόγος, και αν σκεφτούμε ότι τα μέσα για το χειρισμό της κυκλοφορίας δεν είναι επαρκώς αναπτυγμένα, είναι προτιμότερο απλά να "ρίξουμε" bandwidth σε προβλήματα συμφόρησης. 8.5. ΕΠΙΤΑΚΤΙΚΗ ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ QΟS Σήμερα που το Internet έχει καθιερωθεί σαν ένα μέσο μετάδοσης δεδομένων όλων των ειδών εφαρμογών, υπάρχει μεγάλη ποικιλία εφαρμογών τα πακέτα των οποίων χρειάζεται να μεταχειριστούν με ειδικό τρόπο από το δίκτυο. Τέτοιες εφαρμογές είναι η μετάδοση φωνής, κινούμενης εικόνας και multimedia δεδομένων. Η κατάσταση δηλαδή όσο αφορά τις εφαρμογές έχει αλλάξει και οι χρήστες εκφράζουν την απαίτηση για τον καθορισμό μιας συνεπούς ποιότητας υπηρεσιών η οποία θα παρέχεται μέσω του Internet, ενώ οι παροχείς δικτυακών υπηρεσιών προσπαθούν να βρουν μεθόδους για την υλοποίηση αυτής της απαίτησης. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας εντάσσεται η εισαγωγή της έννοιας Quality of Service στο Internet. Επίσης στο εμπορικό περιβάλλον του Internet, το QoS μπορεί ν'αποδειχθεί ένας ανταγωνιστικός μηχανισμός που θα παρέχει μια πιο κομψή υπηρεσία από αυτές που παρέχονται από ανταγωνιστικούς ISPs. Έτσι πολλοί βλέπουν το QoS σαν ένα πολύτιμο μηχανισμό και μια επιπρόσθετη πηγή κέρδους. Αν υπάρχουν οι μηχανισμοί για να προσφέρουν επίπεδα differentiated CoS ώστε η κυκλοφορία ενός πελάτη να διαχειριστεί διαφορετικά από κάποιου άλλου, 135

είναι σίγουρα πιθανό να αναπτυχθούν διαφορετικά μοντέλα πάνω στα οποία θα βασιστούν οι διάφορες υπηρεσίες. Η εξασφάλιση QoS στα σύγχρονα IP δίκτυα πρόκειται να έχει μεγάλο οικονομικό αντίκτυπο, καθώς το Internet θα εξελιχθεί από ένα σύστημα διασύνδεσης καλύτερης προσπάθειας σε ένα μέσο παροχής υπηρεσιών και παγκόσμιας μετάδοσης μεγάλων ποσοτήτων φωνητικών, real-time και επιχειρηματικών δεδομένων. Πρώτιστα το QoS απαιτείται στα δίκτυα όπου οι πόροι είναι περιορισμένοι, δηλαδή υπάρχουν λίγες γραμμές, συσκευές διασύνδεσης και εξυπηρετητές. Στην περίπτωση που υπάρχουν αρκετοί πόροι γενικά δεν απαιτείται η εξασφάλιση QoS, εκτός αν υπάρχει ανάγκη για σταθερή απόκριση. Μ'αυτή τη λογική, υπάρχουν επίσης επιτακτικοί λόγοι για παροχή QoS σε δίκτυα σωματειακά, ακαδημαϊκά και ερευνητικά. Παρ'όλο που εδώ δεν υπάρχουν οικονομικά και ανταγωνιστικά κίνητρα, το QoS είναι επιθυμητό. Φανταστείτε ένα πανεπιστήμιο όπου ο διαχειριστής του δικτύου θέλει να δώσει προνομιακή μεταχείριση στους καθηγητές που κάνουν έρευνα. Θα ήταν σίγουρα ιδανικό να δώσει σ'αυτόν τον τύπο της κυκλοφορίας υψηλότερη προτεραιότητα στη διαμάχη για πόρους του δικτύου, ενώ να διαθέσει δευτερεύοντες πόρους σ'άλλους τύπους "best effort" κυκλοφορίας. Επίσης, όσον αφορά τα IP δίκτυα, μέχρι πρόσφατα στηρίζονταν στην υπηρεσία χωρίς σύνδεση, όπου δεν υπήρχε καμία εγγύηση σχετικά µε την ποιότητα υπηρεσίας. Ενώ οι κλασικές εφαρμογές του Internet, π.χ. TELNET, FTP, WWW, SMTP, δεν έχουν κάποια απαίτηση για ποιότητα υπηρεσίας, και μπορούν να λειτουργήσουν ορθά σχεδόν υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, κάποιες νέες εφαρμογές όπως το voice over IP, και η μετάδοση συρμών πολυμέσων (ήχου ή / και εικόνας) µέσω διαδικτύου έχουν δημιουργήσει την απαίτηση για παροχή ποιότητας υπηρεσίας από τα IP δίκτυα. Επιπλέον η εφαρμογή μεθόδων ποιότητας υπηρεσίας σε αυτά τα δίκτυα μπορεί να ανοίξει νέους δρόμους στα εικονικά ιδιωτικά δίκτυα (VPN), καθώς και να επιτρέψει την ολοκλήρωση των IP δικτύων µε τα υπόλοιπα δίκτυα (PSTN, ISDN, GSM, ). Για τα IP δίκτυα το IETF έχει καθορίσει έναν αριθμό υπηρεσιών, οι οποίες περιγράφονται στο υπόλοιπο αυτής της παραγράφου. 8.6. CONTROLLED LOAD SERVICE Η υπηρεσία Controlled Load προορίζεται για την υποστήριξη μιας ευρείας κατηγορίας εφαρμογών που έχουν δημιουργηθεί για το σημερινό διαδίκτυο, αλλά είναι πολύ ευαίσθητες για συνθήκες υπερφόρτωσης. Σημαντικό µέλος αυτής της κατηγορίας είναι οι «προσαρμοζόμενες εφαρμογές πραγματικού χρόνου» (adaptive real-time applications) οι οποίες παρέχονται από μεγάλο αριθμό πωλητών και ερευνητών. Έχει δειχτεί ότι η συμπεριφορά αυτών των εφαρμογών, ενώ παρουσιάζεται καλή σε µη φορτωμένα δίκτυα, υποβαθμίζεται 136

πολύ γρήγορα κάτω από συνθήκες υπερφόρτωσης. Μία υπηρεσία που παρουσιάζει ένα υπερφορτωμένο δίκτυο ως ελεύθερο είναι ωφέλιμη για αυτές τις εφαρμογές. Κάθε οντότητα του δικτύου που δέχεται µία αίτηση για υπηρεσία Controlled Load πρέπει να εξασφαλίσει ότι υπάρχει το απαραίτητο εύρος ζώνης και οι απαραίτητοι πόροι, για τον χειρισμό του απαιτούμενου ποσού κίνησης όπως προκύπτει από τις παραμέτρους TSpec της αίτησης. Αυτό πρέπει να επιτευχθεί µέσω «ενεργού ελέγχου πρόσβασης» (Active Admission Control). Όλοι οι πόροι που επηρεάζουν την λειτουργία της κάθε οντότητας πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την υποδοχή μιας αίτησης. Κάποια παραδείγματα τέτοιων πόρων είναι το εύρος ζώνης μιας σύνδεσης, ο χώρος προσωρινής αποθήκευσης (buffer space) ενός δρομολογητή σε κάποιο port, και η υπολογιστική δυνατότητα της μηχανής προώθησης πακέτων. Η υπηρεσία Controlled Load δεν αποδέχεται και δεν αξιοποιεί συγκεκριμένες παραμέτρους όπως καθυστέρηση και πιθανότητα απώλειας πακέτων. Αντιθέτως, η αποδοχή μιας αίτησης για αυτήν την υπηρεσία εξ ορισμού συνεπάγεται μια δέσμευση για την παροχή ποιότητας υπηρεσίας προς τον αιτούντα, ανάλογης προς αυτήν που παρέχεται στην κίνηση best effort υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου. 8.7. GUARANTEED QUALITY OF SERVICE Ο όρος εγγυημένη υπηρεσία περιλαμβάνει τόσο το παρεχόμενο εύρος ζώνης, όσο και την από άκρο σε άκρο καθυστέρηση του κάθε πακέτου, για την οποία παρέχονται αυστηρά καθορισμένα όρια. Η υπηρεσία guaranteed service εξασφαλίζει ότι τα πακέτα θα παραληφθούν από τον προορισμό τους μέσα στον απαιτούμενο χρόνο, και δεν θα απορριφθούν λόγω υπερεκχείλισης κάποιας ουράς αναμονής δεδομένου ότι η κίνηση της ροής συμμορφώνεται μέσα σε καθορισμένες παραμέτρους κίνησης (traffic parameters). Αυτή η υπηρεσία απευθύνεται σε εφαρμογές που χρειάζονται εγγύηση ότι τα πακέτα τους θα ληφθούν μέσα σε καθορισμένο χρόνο από τη στιγμή που εκπέμπονται. Για παράδειγμα πολλές εφαρμογές αναπαραγωγής ήχου και εικόνας δεν είναι ανεκτικές σε πακέτα που παραλαμβάνονται μετά τον χρόνο αναπαραγωγής τους. Οι εφαρμογές µε αυστηρούς περιορισμούς πραγματικού χρόνου επίσης απαιτούν guaranteed service. Αυτή η υπηρεσία δεν αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση του jitter (διαφορά μεταξύ μέγιστης και ελάχιστης καθυστέρησης), αλλά ελέγχει µόνο τη μέγιστη καθυστέρηση. Επειδή το όριο της εγγυημένης καθυστέρησης είναι αυστηρό, η καθυστέρηση πρέπει να καθοριστεί αρκετά μεγάλη ώστε να καλύπτει και την εξαιρετικά σπάνια περίπτωση των μεγάλων καθυστερήσεων από παραμονή σε ουρές. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι η πραγματική καθυστέρηση για τη μεγάλη πλειονότητα των πακέτων μπορεί να είναι πολύ μικρότερη από την εγγυημένη καθυστέρηση. Συνεπώς οι εφαρμογές πραγματικού χρόνου θα 137

πρέπει να φροντίσουν για χώρους προσωρινής αποθήκευσης δεδομένων (buffers) ώστε να μπορούν να έχουν µία σταθερή ροή δεδομένων. Η υπηρεσία αναπαριστά έναν ακραίο έλεγχο της καθυστέρησης για το δίκτυο. Οι περισσότερες από τις υπηρεσίας µε έλεγχο καθυστέρησης παρέχουν πολύ ασθενέστερες εγγυήσεις για την καθυστέρηση. Για να είναι δυνατό αυτό το υψηλό επίπεδο εγγύησης για την καθυστέρηση, η υπηρεσία guaranteed service είναι χρήσιμη µόνο αν παρέχεται από όλες τις οντότητες του δικτύου στην εξεταζόμενη διαδρομή. Επιπλέον η αποδοτική υλοποίηση αυτής της υπηρεσίας απαιτεί την επικοινωνία µε όλους τους ενδιάμεσους δρομολογητές και µε τα endpoints. 8.8. Η ΑΠΑΙΤΗΣΗ ΓΙΑ QΟS Η τρέχουσα τάση θέλει όλα τα δίκτυα να μετεξελίσσονται από τα αφοσιωμένα κυκλώματα και τη μεταγωγή κυκλώματος (circuit switching) στην πιο ευέλικτη και αποδοτική μεταγωγή αυτόνομων μονάδων που αποκαλούνται - κατά περίπτωση - πακέτα, πλαίσια (frames) ή cells. Η τάση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι η δέσμευση σταθερού εύρους ζώνης ίσου με το μέγιστο αυτού που μπορεί να απαιτηθεί, αποτελεί σπατάλη πόρων για όσο διάστημα αυτό το δυναμικό δεν χρησιμοποιείται. Εξάλλου η δημιουργία ενός πλήρους συνδεδεμένου πλέγματος αφοσιωμένων κυκλωμάτων είναι μη πρακτική και αντιοικονομική. Βέβαια τα circuit switched κυκλώματα έχουν το πλεονέκτημα των σταθερών ποιοτικών χαρακτηριστικών, τα οποία εξαρτώνται μόνο από το φορτίο που θα τεθεί από τις εφαρμογές στα άκρα των κυκλωμάτων. Προκειμένου τα σημερινά δίκτυα μεταγωγής πακέτων να αναλάβουν τη μετάδοση δεδομένων εφαρμογών με μεγάλες απαιτήσεις ποιότητας και να υποκαταστήσουν ή να συμπληρώσουν τα ιδιωτικά δίκτυα, απαιτείται η υλοποίηση τεχνικών που θα διασφαλίζουν ή θα προσεγγίζουν τα χαρακτηριστικά ποιότητας που απαιτούνται από κάθε εφαρμογή και τα οποία θεωρούνται δεδομένα στις circuit-switched συνδέσεις. Με δεδομένη την ευρεία διάδοση του Internet Protocol (IP) και την μεγάλη εγκατεστημένη βάση των IP δικτύων και του Internet, η ανάγκη για να αποκτήσουν αυτά τα δίκτυα δυνατότητες παροχής Quality of Service (QoS) είναι επιτακτική. Στην περίπτωση του Internet, που η ευρεία χρήση του το έχει καθιερώσει σαν ένα μέσο μετάδοσης όλων των ειδών εφαρμογών, υπάρχει μεγάλη ποικιλία εφαρμογών τα πακέτα των οποίων χρειάζεται να μεταχειριστούν με ειδικό τρόπο από το δίκτυο. Τέτοιες εφαρμογές είναι η μετάδοση φωνής (Voice over IP-VoIP), κινούμενης εικόνας και multimedia δεδομένων. Στις περιπτώσεις αυτών των εφαρμογών, τα δεδομένα πρέπει να μεταχειρίζονται από το δίκτυο με διαφορετικό τρόπο από την υπόλοιπη κίνηση. Δυστυχώς το Internet και όλα τα IP δίκτυα δεν προσφέρουν τη 138

δυνατότητα για διάκριση μεταξύ των πακέτων δεδομένων και συνεπώς τη διαφορετική μεταχείρισή τους. To Internet προσφέρει θεωρητικά ένα επίπεδο υπηρεσιών, αυτό που καλείται "καλύτερης προσπάθειας", όπου όλα τα πακέτα κινούνται στο δίκτυο σε καθεστώς ισότητας, το δίκτυο καταβάλλει κάθε δυνατή προσπάθεια για να παραδώσει τα πακέτα στους προορισμούς τους αλλά δεν υπάρχουν εγγυήσεις και ειδική δέσμευση πόρων για οποιαδήποτε από τα πακέτα. Ωστόσο έχει διαπιστωθεί ότι πρακτικά το Internet δεν προσφέρει μόνο ένα επίπεδο ποιότητας υπηρεσιών και ενώ ορισμένες περιοχές του δικτύου παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα συμφόρησης και συνεπώς χαμηλή ποιότητα, άλλες περιοχές παρουσιάζουν συνέπεια σε επίπεδα υψηλής ποιότητας υπηρεσιών. Οι λόγοι που τα IP δίκτυα δεν υποστήριζαν έως σήμερα QoS είναι διάφοροι. Κατ αρχήν η οικογένεια πρωτοκόλλων TCP/IP βασίστηκε στη ιδέα της δίκαιης και απο κοινού πρόσβασης σε όλους, χωρίς ειδική μεταχείριση σε κάποια μερίδα δεδομένων. Με εξαίρεση τα τελικά σημεία που επικοινωνούν, καμία σύνδεση δεν διατηρείται σε οποιοδήποτε μέρος του δικτύου. Δεύτερον, οι δρομολογητές της προηγούμενης γενιάς (πολλοί από τους οποίους ακόμα βρίσκονται σε λειτουργία) χρησιμοποιούσαν FIFO στρατηγική στις ουρές τους. Στις περιπτώσεις που περισσότερα πακέτα από όσα ο δρομολογητής μπορούσε να διαχειριστεί έφταναν σε αυτόν και η ουρά γέμιζε, τα αμέσως επόμενα πακέτα που έφταναν απορρίπτονταν. Σαν ένας ακόμα παράγοντας που λειτουργήσει ενάντια στη υποστήριξη QoS από τα σύγχρονα δίκτυα, μπορεί να θεωρηθεί το γεγονός ότι η επικείμενη κατάρρευση του Internet λόγω αυξανόμενης κίνησης και FIFO-based δρομολογητών, αντιμετωπίστηκε με αλλαγές στo TCP πρωτόκολλο έτσι ώστε να μπορεί να προσαρμόσει τους ρυθμούς αποστολής του στη διαθέσιμη χωρητικότητα του δικτύου. Συγκεκριμένα, το TCP άρχισε να ρυθμίζει τους ρυθμούς αποστολής του βάση των αφίξεων και των συχνοτήτων των acknowledgments που έφταναν από τον παραλήπτη. Στις περιπτώσεις συμφόρησης του δικτύου, ο αποστολέας μείωνε το ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας ενώ όποτε το δίκτυο είχε διαθέσιμη χωρητικότητα, ο αποστολέας αύξανε το ρυθμό αποστολής του. Τέλος η αναβάθμιση του TCP πρωτοκόλλου έτσι ώστε να υποστηρίζει QoS δεν ήταν απαραίτητη όσο κυριαρχούσαν εφαρμογές όπως τα HTTP, FTP, e-mail κλπ., οι οποίες μπορούν να προσαρμόσουν τους ρυθμούς αποστολής δεδομένων τους σε οποιαδήποτε χωρητικότητα προσφέρει το δίκτυο. Η κατάσταση σήμερα όσο αφορά τις εφαρμογές έχει αλλάξει και οι χρήστες εκφράζουν την απαίτηση για τον καθορισμό μιας συνεπούς ποιότητας υπηρεσιών οι οποία θα παρέχεται μέσω του Internet, ενώ οι παροχείς δικτυακών υπηρεσιών προσπαθούν να βρουν μεθόδους για την υλοποίηση αυτής της απαίτησης. Στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας εντάσσεται η εισαγωγή της έννοιας Quality of Service στο Internet. Στο σημείο αυτό μπορεί να δοθεί ένας γενικός ορισμός της Quality of Service σαν της δυνατότητας 139

ενός δικτύου να παρέχει διαφοροποιημένες υπηρεσίες σε ένα υποσύνολο της κίνησης που περνάει μέσα από αυτό. Οι απαιτήσεις που αφορούν την QoS δεν έχουν έως τώρα αντιμετωπιστεί συλλογικά από την οικογένεια του Internet. Εξάλλου είναι αμφίβολο το κατά πόσο η εγγύηση end-to-end QoS είναι εφικτή στο Internet, δεδομένου ότι το Internet δεν ενδείκνυται για την εφαρμογή ομογενών μηχανισμών που κατηγοριοποιούν την κίνηση του δικτύου. Η χαμηλή ποιότητα υπηρεσιών στο Internet οφείλεται στην ανομοιομορφία των υποδικτύων που το απαρτίζουν, και πιο συγκεκριμένα στο γεγονός ότι τα κατά τόπους υποδίκτυα δεν έχουν τη δυνατότητα μεταφοράς μεγάλων φορτίων δεδομένων σε μεγάλες ταχύτητες. Ωστόσο η εξασφάλιση QoS στα σύγχρονα IP δίκτυα πρόκειται να έχει μεγάλο οικονομικό αντίκτυπο, καθώς το Internet θα εξελιχθεί από μια σύστημα διασύνδεσης καλύτερης προσπάθειας σε ένα μέσο παροχής υπηρεσιών και παγκόσμιας μετάδοσης μεγάλων ποσοτήτων φωνητικών, real-time και επιχειρηματικών δεδομένων. 8.9. ΣΚΟΠΟΣ ΤΟΥ QΟS Ο άνθρωπος ως ον ερευνητικό, αναζητά τη βελτίωση όλων των τομέων, είτε για πρακτικούς λόγους π.χ. καλυτέρευση καθημερινών αναγκών, είτε για λόγους ανταγωνιστικότητας και αυτή η αναζήτηση είναι περισσότερο από εμφανής στην εποχή μας. Η ποιότητας της υπηρεσίας είναι το αποτέλεσμα του προγραμματισμού, σχεδίασης, κατασκευής, λειτουργίας, υποστήριξης και διαχείρισης των υπηρεσιών ενός δικτύου απαλλαγμένο από τη χρήση του δικτύου και τη προμήθεια πόρων από τον ανθρώπινο παράγοντα. Εξαρτάται από τις τεχνικές προδιαγραφές των διάφορων τμημάτων ενός δικτύου όπως η κίνηση του δικτύου, η προσιτότητα, η καθυστέρηση και διάφορες συναρτήσεις διαχείρισης. Η ITU-T ορίζει την ποιότητα των υπηρεσιών σαν: Τη συλλογική προσπάθεια για απόδοση της υπηρεσίας που καθορίζει το βαθμό ικανοποίησης του χρήστη για όλες τις υπηρεσίες. Ο βαθμός ικανοποίησης του καταναλωτή επιτρέπει μια απευθείας σχέση της ποιότητας της υπηρεσίας όπου η καλή ποιότητα της υπηρεσίας οδηγεί σε ικανοποίηση του καταναλωτή ενώ μια κακή ποιότητα της υπηρεσίας οδηγεί σε απογοήτευση του καταναλωτή. Η ποιότητα υπηρεσίας όπως την αντιλαμβάνεται ένας πελάτης της υπηρεσίας εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από την: Απόδοση της υπηρεσίας υποστήριξης: Ικανότητα του χειριστή να παρέχει υπηρεσία και διατήρηση (εξασφάλιση των υπηρεσιών, χρέωση κ.λ.π.) Απόδοση της λειτουργικότητας της υπηρεσίας: Φιλικότητα της υπηρεσίας, απλότητα και ευκολία χρήσης 140

Απόδοση πληρότητας της υπηρεσίας: Απόδοση της μετάδοσης με βάση τα προεγκατεστημένα κριτήρια απόδοσης Απόδοση εξυπηρέτησης: Προσιτότητα, διατήρηση και γνωστοποίηση αξιοπιστίας, δηλαδή μετά από κάποια αντίστοιχη αίτηση διάθεση των υπηρεσιών στους πελάτες και δυνατότητα αυτής της διάθεσης χωρίς διακοπή των υπηρεσιών του δικτύου. 8.10. ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ QΟS Το QoS εμφανίστηκε για να παρέχει στους χρήστες την δυνατότητα να επιλέξουν μεταξύ μετρήσιμων εγγυήσεων εκτέλεσης. Από αυτόν τον ορισμό, πολλοί από τους υπάρχοντες μηχανισμούς είναι χρήσιμοι αλλά όχι επαρκής για να παρέχουν QoS. Για παράδειγμα, τα δίκτυα κυκλωμάτων δεν έχουν την δυνατότητα να διαχειρστοούν διαφορετικούες χρήστες καθώς το weighted fair queuing (WFQ) μπορεί να προσφέρει προστασία μεταξύ κλάσεων υπηρεσιών, αλλά δεν προσφέρει ποσοτική ή από άκρο σε άκρο εγγυήσεις. Κάτι παραπάνω χρειάζονταν. Για αυτό έχουν προταθεί και υοποιηθεί πολλές αρχιτεκτονικές για παροχή QoS. Μια επιτυχής QoS αρχιτεκτονική περιέχει γενικά συστατικά για παρακολούθηση των χρησιμοποιημένων πόρων, σηματωδότηση των QoS απαιτήσεων, και την εκτέλεση ελέγχου αποδοχών, πολιτικής και χρονοπρογραμματισμού. Επίσης μπορεί να περιέχει εγκαταστάσεις όπως διαμόρφωσης της κίνησης, διαχείρησης του buffer, έγγριση, έλεγχος πρόσβασης και τιμολόγιση Οι παράμετροι που ενδιαφέρουν όταν παρέχονται QoS σε πελάτες περιέχουν το throughput, την καθυστέρηση, το jitter, το χάσιμο και την διαθεσιμότητα. Βέβαια δεν υπάρχει τέτοια απαίτηση αν τα επίπεδα είναι ορθογώνια π.χ. να επιτρέπουν στους χρήστες να επιλέξουν μεταξύ της χαμηλής καθυστέρησης και του υψηλού throughput. Ακόμα και ένα δικτύων μεταγωγής κυκλωμάτων,όπως το Διαδίκτυο που δεν θεωρείτε ότι παρέχει QoS, είναι ακόμα ένα σύστημα υπό ανάπτυξη: οι παροχείς το σχεδίασαν για πετύχουν συγκεκριμένους στόχους. Δρομολογητές, μονοπάτια και καλώδια εγκαθίστανται για να διασφαλίσουν την αξιοπιστία, εγγυόμενα τουλάχιστον κάποια επίπεδα συνδεσιμότητας και throughput για την αντιμετώπιση λαθών του εξοπλισμού, και τα δίκτυα πυρήνα εφοδιάζονται με επαρκής χωρητικότητα και FIFO buffering για να επιτύχουν αναλογία απώλειας στόχων θεωρώντας έναν συγκεκριμένο πίνακα κίνησης. Οι διαδρομές, βρέθηκε, ότι χρησιμοποιούν μια μορφή του αλγόριθμου του συντομότερου μονοπατιού όπου η μετρική που χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί το «συντομότερο» είναι το throughput ή η καθυστέρηση. Αφού η καθυστέρηση εξαρτάτε από το από το φορτίο, οι αποφάσεις δρομολόγησης που βασίζονται σε μετρήσεις σύντομου χρόνου θα οδηγήσουν σε μη σταθερές διαδρομές οπότε είναι άχρηστες. Γι αυτό η 141

διαδρομή βασίζεται σε μακροχρόνιες μετρήσεις χρονοδιαγράμματος και συνδιαζεται με το domain of traffic engineering, το οποίο παίρνει θέση στα χρονοδιαγράμματα εφοδιασμού των δικτύων.παράλληλα οι χρήστες επιδιώκουν στόχους: ως εκ τούτου πρωτόκολλα όπως το TCP τα οποία προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν όλο τη διαθέσιμη χωριτικότητα με ορισμένα κριτήρια δικαιοσύνης. Σε μια άλλη προσέγγιση, μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι ο στόχος είναι να διαιρεθεί ένας κοινός πόρος, που ανήκει σε ένας ή περισσότεροους προμηθευτές, μεταξύ των χρηστών που δεν συνεργάζονται. Για να είναι σημαντικό η παροχή QoS ή το service level agreement (SLA) πρέπει να εφαρμοστούν ορισμένες λειτουργίες συμπεριλαμβανομένης της προβλεψιμότητας / επανάληψης, απομόνωσης / προστασίας, και ακουστικής ικανότητας. Σχεδόν από τον ορισμό, αυτές οι λειτουργίες δεν μπορούν να είναι προσφερθούν κατευθείαν μέσω μιας επικάλυψης 8.11. ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ο όρος υπηρεσίες επίσης μπορεί να έχει πολλά νοήματα και εξαρτάται από το πώς ένας οργανισμός ή μια επιχείρηση είναι δομημένοι. Συνήθως χρησιμοποιείται για να περιγράψει κάτι που προσφέρεται στους τελικούς χρήστες ενός δικτύου, όπως επικοινωνία απ'άκρου εις άκρον ή εφαρμογές πελάτη-εξυπηρετητή. Οι υπηρεσίες μπορεί να καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα παροχών, από ηλεκτρονικό ταχυδρομείο μέχρι βίντεο και από πλοήγηση στο Web μέχρι χώρους για συνομιλίες. 8.12. ΕΓΓΥΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ Παραδοσιακά οι παροχείς υπηρεσιών δικτύου χρησιμοποιούν μια ποικιλία από μεθόδους για να παρέχουν εγγυήσεις υπηρεσιών στους συνδρομητές τους, οι περισσότερες από τις οποίες είναι συμβατικές. Η διαθεσιμότητα του δικτύου, π.χ, είναι μια από τις πιο διαδεδομένες μετρήσεις σε μια συμφωνία επιπέδου υπηρεσιών ανάμεσα στον παροχέα και στο συνδρομητή. Εδώ η πρόσβαση στο δίκτυο είναι η βασική υπηρεσία και η αδυναμία να παρέχεις αυτή την υπηρεσία είναι αδυναμία να ανταποκριθείς στις συμβατικές σου υποχρεώσεις. Αν το δίκτυο δεν είναι προσπελάσιμο, η ποιότητα της υπηρεσίας τίθεται καθαρά υπό αμφιβολία. Περιστασιακά οι παροχείς υπηρεσιών έχουν εισάγει επιπρόσθετα κριτήρια για εγγυημένη μετάδοση,όπως η ποσότητα της κυκλοφορίας που μεταδόθηκε. Αν ένας παροχέας μεταδίδει στον τελικό προορισμό μόνο το 98% της κυκλοφορίας, π.χ, τότε μπορεί να θεωρηθεί ότι η υπηρεσία υστερεί σε ποιότητα. Όπως γίνεται αντιληπτό, ένα κομμάτι της κοινότητας των δικτύων αποστρέφεται τη χρήση του όρου εγγύηση επειδή μπορεί να είναι μια διφορούμενη και μη ευδιάκριτη έννοια και να οδηγήσει σε αντιφάσεις. Το να παρέχεις μια εγγυημένη υπηρεσία κάποιου είδους υπονοεί ότι όχι μόνο δε θα έχουμε απώλειες πακέτων, αλλά και ότι η απόδοση του δικτύου θα είναι 142

σταθερή και προβλέψιμη. Στον κόσμο των δικτύων που βασίζονται σε πακέτα αυτή είναι μια πολύ μεγάλη πρόκληση. 8.13. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ QΟS Σήμερα το Internet είναι το μόνο που μπορεί να προσφέρει είναι best-effort υπηρεσίες. Η κίνηση (traffic) μπορεί να εξυπηρετηθεί σε σύντομο χρονικό διάστημα χωρίς όμως καμία εγγύηση. Με τη συνεχή ανάπτυξη και μετεξέλιξη του Internet σε εμπορικό μέσο, οι απαιτήσεις για ποιότητα στην εξυπηρέτηση έχουν αυξηθεί σε μεγάλο βαθμό. Είναι φανερό ότι ζητούνται διαφορετικά επίπεδα υπηρεσιών ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών. Τα δίκτυα που υποστηρίζουν QoS μπορούν να υποστηρίξουν εφαρμογές που απαιτούν αναμενόμενη εξυπηρέτηση από το δίκτυο. Αυτές οι εταιρίες είναι διατεθειμένες να πληρώσουν ένα συγκεκριμένο κόστος για να κάνουν τις υπηρεσίες τους αξιόπιστες και να δώσουν στους πελάτες του τη δυνατότητα γρήγορης πρόσβασης στο Web site της εταιρίας τους. Τα επίπεδα υπηρεσιών που μπορεί να προσφέρει ένα δίκτυο μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με την προτεραιότητά τους: Gold υπηρεσία Silver υπηρεσία Bronze υπηρεσία με μειωμένη ποιότητα Προφανώς κάποιες υπηρεσίες δεν αρκούνται στο να έχουν μία συγκεκριμένη προτεραιότητα αλλά απαιτούν και κάποια συγκεκριμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά, όπως low-delay και low-jitter (π.χ. σε εφαρμογές όπως τηλέφωνο πάνω από δίκτυο μετάδοσης δεδομένων και τηλεδιάσκεψη). Για παράδειγμα συμφέρει τις εταιρείες να επενδύσουν αρκετά χρήματα για υψηλής ποιότητας τηλεδιάσκεψη ώστε να έχουν λιγότερα έξοδα ταξιδιών. Τελικά θα παρέχεται και η υπηρεσία του best effort δικτύου για εκείνους τους πελάτες που το μόνο που χρειάζονται είναι η σύνδεση για απλές εφαρμογές (email, ftp). Μία τέτοια σύνδεση θα είναι χαμηλού κόστους και φυσικά δεν θα παρέχει εγγυήσεις εξυπηρέτησης. 8.14. ΕΠΙΠΕΔΑ QΟS Όταν παρατηρούμε τους παράγοντες που καθορίζουν αν ένας πελάτης θα προτιμήσει μια τηλεπικοινωνιακή υπηρεσία και θα παραμείνει σε αυτή, υπάρχουν τουλάχιστον τρεις διαφορετικές αλλά αλληλεξαρτούμενες διαβαθμίσεις της ποιότητας της υπηρεσίας που είναι: 143

Η πρώτη ονομάζεται σαν ενδογενής / πραγματική (intrinsic) ποιότητα υπηρεσίας. Η πραγματική ποιότητα επιτυγχάνεται με: Τον τεχνικό σχεδιασμό της μετάδοσης και το τερματισμό του δικτύου, που καθορίζει τα χαρακτηριστικά της σύνδεσης και Προμήθευση για τη πρόσβασης στο δίκτυο και το τερματισμό της πρόσβασης αυτής που καθορίζει άν το δίκτυο θα έχει επαρκή χωρητικότητα για να χειριστεί την προσδοκώμενη απαίτηση. Εφόσον ο στόχος είναι η εφαρμογή των υπηρεσιών της τηλεπικοινωνίας η πραγματική υπηρεσία βασικά μετριέται με βάση τιμές που έχουν βγει από μετρήσεις και στατιστική ανάλυση αυτών. Η δεύτερη διαβάθμιση είναι η αντιλαμβανόμενη (perceived) ποιότητα υπηρεσίας. Η αντιλαμβανόμενη ποιότητα υπηρεσίας είναι εκείνη που λαμβάνεται σαν αποτέλεσμα όταν εφαρμοστεί η ποιότητα υπηρεσίας, και οι χρήστες δοκιμάσουν την σχεδιαζόμενη, από πριν, ενδογενή ποιότητα υπηρεσίας. Η τρίτη διαβάθμιση ονομάζεται ως εκτιμούμενη (assessed) ποιότητα μιας ιδιαίτερης υπηρεσίας, που καθορίζεται ουσιαστικά από το χρήστη. Αυτό λαμβάνεται από το αν ο χρήστης αποφασίσει να συνεχίσει τη χρήση της υπηρεσίας ή αν αυτή έχει καλυφθεί από τις προσδοκίες του. Τα κριτήρια της ποιότητας βασίζονται πάνω στην ταχύτητα, ακρίβεια, απλότητα, διαθεσιμότητα, ασφάλεια και την ελαστικότητα μια εφαρμογής στο δίκτυο. Η ποιότητα της υπηρεσίας αντιλαμβάνεται από το πελάτη σαν εξάρτηση της απόδοσης του δικτύου και δίνεται στο παρακάτω πίνακα. Λειτουργικότητ α Δικτύου Κριτήριο Ποιότητας Ταχύτητα Ακρίβεια Εγκυρότητα Καθιέρωση Σύνδεσης Ποιότητα Μετάδοσης Καθυστέρηση Ήχου Ηχώ Ακουστικού Καθυστέρηση την Κλήση Λάθος Αριθμοπληκτρολόγη ση Απώλεια Συμφόρησης Μετά Καθυστέρηση Λόγω Απώλεια Σύνδεσης Θόρυβος Ευκρίνεια Ενίσχυση(Ήχο υ) Διατήρηση Πληρότητα Καθαρότητ α Ήχου Ρυθμός Ολοκλήρωση ς Κλήσεων 144

Χωρίς Ήχο Ακουστικού Αντίληψη καταναλωτή περί των λειτουργιών του QoS 8.15. Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ QΟS Πριν αναπτυχθούν διεξοδικά οι συνθήκες που απαιτούν QoS και οι μέθοδοι για εισαγωγή QoS, θα αναφερθούν κάποιες γενικές σχεδιαστικές αρχές που πρέπει να ακολουθηθούν σε ένα δίκτυο για την υποστήριξη QoS. Για να μπορέσει ένα δίκτυο να υποστηρίξει QoS χαρακτηριστικά πρέπει να έχει προγραμματιστεί από άκρη σε άκρη. Τα παρακάτω συστατικά πρέπει να συνυπάρχουν ώστε να μπορέσει κάποιος να προσφέρει QoS πάνω σε ένα ετερογενές δίκτυο: Πρέπει να παρέχεται QoS σε κάθε υποδίκτυο Πρέπει να υλοποιηθούν μέθοδοι σηματοδότησης έτσι ώστε να μπορούν να μεταφερθούν οι πληροφορίες της QoS μεταξύ των υποδικτύων Πρέπει να υπάρχουν δυνατότητες για διαχείριση των χαρακτηριστικών QoS Δεν είναι όλες οι τεχνικές που επιτρέπουν την παροχή QoS κατάλληλες για όλους τους δρομολογητές ενός δικτύου. Επειδή οι δρομολογητές των άκρων ενός δικτύου και οι δρομολογητές κορμού δεν εφαρμόζουν ίδιες τεχνικές είναι δυνατόν να διαφέρουν μεταξύ τους και σε ότι αφορά το QoS. Για παράδειγμα αν κάποιος ήθελε να διαμορφώσει ένα IP δίκτυο ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά φωνής σε πραγματικό χρόνο θα έπρεπε να συνυπολογίσει τις τεχνικές που χρησιμοποιούν οι δρομολογητές των άκρων και οι δρομολογητές κορμού. Σε γενικές γραμμές οι δρομολογητές των άκρων εφαρμόζουν τεχνικές έτσι ώστε να γίνεται: Διαχωρισμός πακέτων Έλεγχος αποδοχής Διαχείριση κατάστασης Οι δρομολογητές κορμού, από την άλλη, εφαρμόζουν τεχνικές έτσι ώστε να γίνεται: Διαχείριση συμφόρησης 145

Αποφυγή συμφόρησης 8.16. ΤΟ ΓΕΝΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ QΟS Στις επόμενες παραγράφους θα περιγραφούν μια σειρά από τα πιο απαραίτητα συστατικά για την δημιουργία QoS χαρακτηριστικών σε ένα κατανεμημένο σύστημα πολυμέσων. Τα συστατικά αυτά περιλαμβάνουν : Γενικές αρχές QoS οι οποίες καθοδηγούν στην δημιουργία ενός γενικευμένου πλαισίου QoS Το πρότυπο της QoS στο οποίο αντιμετωπίζονται απαιτήσεις στο επίπεδο εφαρμογών Οι μηχανισμοί QoS που πραγματοποιούν την απαιτούμενη συμπεριφορά από άκρη σε άκρη 8.16.1. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΤΗΣ QΟS Οι βασικότερες αρχές του πλαισίου QoS αναφέρονται παρακάτω: Η αρχή της ολοκλήρωσης: Η αρχή αυτή καθορίζει ότι το QoS πρέπει να είναι διαχειρίσιμο και προβλέψιμο στην υλοποίησή του σε όλα τα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του. Η αρχή του διαχωρισμού: Η αρχή αυτή καθορίζει ότι η μεταφορά περιεχομένου, ο έλεγχος και η διαχείριση είναι ξεχωριστές δραστηριότητες. Οι τρεις αυτές δραστηριότητες πρέπει να είναι διακριτές σε ένα γενικό πλαίσιο QoS. Η αρχή της διαφάνειας: Η αρχή αυτή καθορίζει ότι οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν QoS πρέπει να είναι απομονωμένες από τις λειτουργίες που υλοποιούν το QoS. Η αρχή των διακριτών δραστηριοτήτων: Η αρχή αυτή καθορίζει ότι οι λειτουργίες που υλοποιούν το QoS είναι κατανεμημένες σε διάφορα τμήματα του συστήματος. Η αρχή της απόδοσης: Η αρχή αυτή καθορίζει ότι κάθε εφαρμογή που χρησιμοποιεί QoS πρέπει να έχει μια ελάχιστη απόδοση. 8.16.2. ΤΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΤΗΣ QΟS Το πρότυπο της QoS αναφέρεται στις απαιτήσεις που υπάρχουν για QoS στο επίπεδο εφαρμογών και στις πολιτικές διαχείρισης. Το πρότυπο της QoS υλοποιείται διαφορετικά σε κάθε επίπεδο ενός συστήματος. Το πρότυπο της QoS καθορίζει ότι οι εφαρμογές που απαιτούν QoS καθορίζουν το επιθυμητό 146

επίπεδο υπηρεσιών και όχι πώς υλοποιείται αυτό από τους μηχανισμούς της QoS. Το πρότυπο της QoS περιλαμβάνει τις παρακάτω τυποποιήσεις: Πρότυπο για συγχρονισμό της ροής: Το πρότυπο αυτό ορίζει τον βαθμό συγχρονισμού μεταξύ πολλών αλληλεξαρτημένων ροών. Πρότυπο για την απόδοση των ροών: Το πρότυπο αυτό ορίζει τις ανάγκες του χρήστη σε απόδοση ροών. Πρότυπο για το επίπεδο της υπηρεσίας: Το πρότυπο αυτό καθορίζει την από άκρη σε άκρη διαθεσιμότητα πόρων που απαιτείται. Πρότυπο για την διαχείριση της QoS: Το πρότυπο αυτό καθορίζει τις μεταβολές στην παροχή της QoS που μπορεί να αντιμετωπίσει κάθε είδος κίνησης. Το πρότυπο για το κόστος της υπηρεσίας. Το πρότυπο αυτό καθορίζει το ποσό που είναι διατεθειμένος να πληρώσει ένας χρήστης για κάποιο επίπεδο υπηρεσίας. 8.17. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΙΑΣΦΑΛΙΣΗΣ QΟS 8.17.1. Random Early Detection (RED) Ο αλγόριθμος Random Early Detection ή RED είναι μια Active Queue Management (AQM) τεχνική η οποία ανιχνεύει το ξεκίνημα της συμφόρησης και παρέχει πληροφορίες στους τελικούς υπολογιστές εγκαταλείποντας τα πακέτα. Το κίνητρο για την εφαρμογή του RED είναι η διατήρηση μικρού μεγέθους ουράς, η μείωση της εκρηξιμότητας καθώς και η επίλυση του προβλήματος του συνολικού συγχρονισμού. Ο RED εγκαταλείπει τα πακέτα προτού γεμίσει στην πραγματικότητα η φυσική ουρά. Λειτουργεί βασισμένος σε ένα μέσο μήκος ουράς το οποίο υπολογίζεται χρησιμοποιώντας έναν εκθετικού βάρους μέσο όρο του στιγμιαίου μήκους ουράς. Ο RED πετάει τα πακέτα με συγκεκριμένη πιθανότητα βάσει του μέσου μήκους της ουράς. Η πιθανότητα εγκατάλειψης αυξάνει από 0 έως μια μέγιστη πιθανότητα εγκατάλειψης (maxp) καθώς το μέσο μέγεθος της ουράς αυξάνει από ένα ελάχιστο κατώφλι (minth) στο μέγιστο κατώφλι (maxth). Εάν το μέσο μέγεθος της ουράς υπερβεί το μέγιστο κατώφλι, όλα τα πακέτα εγκαταλείπονται. Η πιθανότητα να εγκαταλειφθούν, φαίνεται στο παρακάτω γράφημα, όπου το k αντιπροσωπεύει το μέσο μέγεθος της ουράς, και το Κ το φυσικό μέγεθος του buffer. 147

Με απλά λόγια ο RED ειδοποιεί για την επικείμενη συμφόρηση προτού αυτή συμβεί, παρέχοντας έτσι αρκετά μεγάλη σταθερότητα στο δίκτυο. Όπως είναι φανερό η λέξη early του όρου Random Early Detection, υποδεικνύει ότι πακέτα απορρίπτονται «νωρίτερα» από το σημείο συμφόρησης. Το κίνητρο για αυτή την «πρώιμη» απόρριψη είναι ότι η απώλεια πακέτων αποτελεί τον βασικό δείκτη συμφόρησης σε μια σύνδεση TCP. Απορρίπτοντας πακέτα προτού η ουρά ενός δρομολογητή γεμίσει, οι TCP συνδέσεις που μοιράζονται την ουρά μειώνουν τους ρυθμούς μετάδοσής τους και (στην ιδανική περίπτωση) διασφαλίζουν ότι η ουρά δεν θα υπερχειλίσει. Ο ισχυρισμός είναι ότι απορρίπτοντας πακέτα πριν την υπερχείλιση της ουράς, μειώνεται ο συνολικός ρυθμός απώλειας πακέτων. Παρόλο που ο RED είναι πιο αποτελεσματικός από τον απλό Drop-Tail αλγόριθμο (όπου τα πακέτα αρχίζουν να απορρίπτονται τη στιγμή που η ουρά γεμίζει) για τους λόγους που προαναφέραμε και έχει φτάσει να θεωρείται ένας standard μηχανισμός για αποφυγή συμφόρησης στο διαδίκτυο, εντούτοις παρουσιάζει κάποια προβλήματα δικαιοσύνης. Είναι φυσιολογικό βάσει του σχεδιασμού του, ο RED να «αδικεί» τις εύθραυστες συνδέσεις. Το γεγονός ότι σε όλες τις συνδέσεις εφαρμόζεται ο ίδιος ρυθμός απώλειας σημαίνει ότι ακόμα και μια σύνδεση η οποία χρησιμοποιεί πολύ λιγότερα από αυτά που δικαιούται υπόκειται σε απώλεια πακέτων. Αυτό μπορεί να σταθεί εμπόδιο σε μια μικρού εύρους ζώνης TCP σύνδεση από ακόμα και το να φτάσει στο μερίδιο που δικαιούται, αφού κάθε απώλεια μπορεί να προκαλέσει το TCP να μειώσει στο μισό το μέγεθος του παραθύρου του. Επίσης, η αποδοχή ενός πακέτου από μία σύνδεση αυξάνει την πιθανότητα απόρριψης των μελλοντικών πακέτων από άλλες συνδέσεις ακόμα και αν οι άλλες συνδέσεις αυτές καταναλώνουν μικρότερο εύρος ζώνης. Αυτό προκαλεί ανεπιθύμητες δυσανάλογες απορρίψεις ακόμα και μεταξύ πανομοιότυπων συνδέσεων. Ακόμα μια μη προσαρμόσιμη σύνδεση μπορεί να προκαλέσει τον RED να απορρίψει πακέτα με υψηλό ρυθμό από όλες τις συνδέσεις. Αυτό προστίθεται στην ανικανότητα του RED να παρέχει δικαιοσύνη στις προσαρμόσιμες συνδέσεις όταν υπάρχουν επιθετικοί χρήστες, ακόμα και αν η συμφόρηση δεν είναι μεγάλη. Για τους λόγους που προαναφέρθηκαν, έχουν γίνει προσπάθειες βελτίωσης του RED. Αυτές οδήγησαν στη δημιουργία ορισμένων παραλλαγών του RED 148