Diploma Thesis

"Adaptionsmechanismen verteilter Multimedia-Internetanwendungen" (Adaptation Mechanisms of Distributed Multimedia Internet Applications).

Datenübertragungen im Internet basieren auf dem Internet-Protkoll. Da dieses Protokoll die Zustellung von Datagrammen jedoch nur nach bestem Bemühen „best-effort“  (also die Übertragung so schnell wie nur möglich) garantiert, kann keine Aussage über Qualitätsparameter wie Durchsatz, Verzögerungen, Jitter, etc. der einzelnen Datagrammen getroffen werden. Gerade diese mangelnde Zusicherung von eingehaltenen Zeitbedingungen stellt ein großes Problem für die Entwicklung erfolgreicher Multimedia-Echtzeit-Netzwerk-Anwendungen für das Internet dar.

Das Senden von Sprache und Videos in Echtzeit erfordert die Garantie, dass die Daten mit einer stabilen Rate und einer konstanten oder nahezu konstanten Verzögerung fließen. Dies ist genau der Grund, weshalb das Telefonnetz einen „Vermittlungsansatz“ verwendet: Bei jedem Beginn eines Telefongesprächs reserviert das Telefonnetz eine „Verbindung“, die beiden Teilnehmern eine hinreichende Verbindung zur Verfügung stellt.

Bis zum jetzigen Zeitpunkt erreicht die interaktive multimediale Echtzeitübertragungen im Internet einen immer höher werdenden Stellenwert; jedoch leider mit beschränktem Erfolg. Internet-Telefonie und Echtzeit-Video-Übertragung sind bisher nicht so erfolgreich wie das Streaming von Audio und Video, wo Verzögerungen und schwankende Übertragungsraten durch Kompression und verzögerte Anzeige kompensiert werden. Im Gegensatz dazu werden bei echtzeitinteraktivem Audio und Video viel härtere Bedingungen bezüglich Packetverzögerungen und Paket-Jitter auferlegt. Die Echtzeitübertragung in Regionen mit ausreichender Bandbreite ist gewährleistet; die Qualität der Übertragung verschlechtert sich jedoch auf eine unakzeptables Niveau sobald die Übertragung auf einer Verbindung erfolgt, auf der ein Stau von Datagrammen eintritt.

Echtzeit-Internet-Video-und Audio-Übertragung bringt vor allem zwei Probleme mit sich:  Um diese Probleme zu beseitigen wurde eine Unterscheidung von verschiedenen Klassen von Daten (Dienstgüteklassen) sowie die Entwicklung von Protokollen, die diese Klassen unterstützen z.B. Resource Reservation Protocol (RSVP), notwendig. Mit diesen Dienstgüteklassen wird die Art und Priorität bei der Übertragung und beim Routing bestimmt. Da das Reservieren von Ressourcen bei paketvermittelnden Netzen aber eine nur schwer zu überwindende Hürde darstellt, sind Internet-Echtzeitanwendungen im Normalfall gezwungen ihre benötigte Datenrate den Gegebenheiten anzupassen. Dabei wird die zu übertragende Datenmenge an vorhandene Kapazitäten bzw. unter Berücksichtigung und Einhaltung bestimmter Kriterien und Bedingungen angepasst um einen Stau bei der Datenübertragung zu vermeiden.

Das Ziel dabei ist es aus Sicht der Anwendung möglichst nahe an die derzeit maximal verfügbare Bandbreite zu kommen ohne diese zu überschreiten. Dies kann in Abhängigkeit der verwendeten Daten etwa durch eine Einstellung der Kompressionsrate erreicht werden.

Netzwerkseitig gibt es zur Vermeidung von Staus jedoch Bestrebungen ein „netzwerkschonendes“ Verhalten hinsichtlich der benutzten Bandbreite von Internetanwendungen durchzusetzen (bekannt unter dem Schlagwort „TCP-friendlyness“), das sich jedoch nur schwer mit den hochwertigen Anforderungen von Echtzeitanwendungen vereinbaren lässt. Dabei sollen sich TCP-Verbindungen mit nicht-TCP-Verbindungen die verfügbare Bandbreite „fair“ teilen. Für eine solche Koexistenz ist die Implementierung von einer Art Staukontrolle, die die Anpassung der Übertragungsrate übernimmt, notwendig. Diese Staukontrolle wird entweder durch das Endsystems oder der mittels der Unterstützung der Netzwerkschicht ermöglicht. Letztere setzt allerdings voraus, dass alle Netzwerkkomponenten zwischen Sender und Empfänger diese Staukontrolle unterstützen.

Diese Arbeit soll aufzeigen, welche Konzepte für das Internet bereits entwickelt wurden um eine möglichst hohe und optimale Übertragungsrate bei multimedialen Echtzeitübertragungen erreichen zu können. Dabei werden Übertragungsprotokolle für multimediale Daten sowie Adaptionsmechanismen für die Datenmenge an vorhandene Kapazitäten und ihre Konsequenzen sowohl aus Sicht der Anwendung mit Auswirkungen auf das zu verwendende Datenformat als auch aus der Netzwerkperspektive betrachtet. Es wird des Weiteren eine selbstentwickelte Testumgebung namens Adaptive-Video-Communication-System (AVCS) vorgestellt, die ein möglichst optimales Instrument für zukünfte Untersuchungen von Übertragungsprotokollen anhand einer einfachen Videobildübertragung darstellen soll.
 

 

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