Transporte de Señal Audiovisual en IP - Tema 5

Tema 5: Fundamentos de transporte de señal en IP

• El tema se centra en los fundamentos del transporte de señal audiovisual en producción.
• El módulo III se enfoca en el transporte de señal.
• La asignatura es 3.1: Transporte de señal audiovisual en producción.
• El profesor es José María Lalueza Mayordomo.
• El correo electrónico del profesor es [email protected].

Parte 2: Protocolos y tecnologías clave de vídeo

• Esta sección profundiza en los protocolos y tecnologías clave para el transporte de video.
• Se mencionan diferentes protocolos, como VoD (bitrate adaptativo), HLS y DASH.

Protocolos Vídeo

• VoD (bitrate adaptativo): Incluye HLS (HTTP Live Streaming) y DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP).
• Tiempo real: Se detallan protocolos como RTMP, RTP/RTCP, RTSP, MPEG-TS sobre IP, SMPTE 2022, SMPTE 2110, NDI, Brave, LRT, SRT, y SST.

Conceptos

• Protocolo: Conjunto de reglas para transmitir y gestionar información a través de una red. Ejemplos: RTP, RTMP, HLS.
• Contenedor: Formato de archivo que empaqueta datos (vídeo, audio, subtítulos y metadatos) en un solo archivo. Ejemplos: MP4, MKV, AVI.
• Códec: Programa o algoritmo que codifica y decodifica datos multimedia (video/audio), comprimiéndolos para reducir el tamaño. Ejemplos: H.264, H.265 (video), AAC (audio).

Protocolos de VoD (bitrate adaptativo)

• Se dividen en fragmentos de 6 a 10 segundos para reproducción continua.
• HLS ajusta la calidad del video en base al ancho de banda disponible.
• Es altamente compatible con infraestructuras web y redes CDN (Content Delivery Networks).
• Usado en plataformas como YouTube, Twitch y Apple TV.

Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH)

• Estandarizado por MPEG.
• Similares a HLS, compatibles con más dispositivos.
• Segmentación y calidad adaptativa similares a HLS.
• Basado en HTTP, igual que HLS.
• Utiliza DRM (Digital Rights Management).
• Usado por plataformas como Netflix y YouTube.

Compresión en HLS y DASH

• DASH soporta más códecs que HLS, incluyendo H.264 (AVC), H.265 (HEVC), VP9 (solo DASH), AV1 (solo DASH) para video.
• Para audio, usa AAC (Advanced Audio Codec), AAC-LC, HE-AAC, HE-AAC v2, MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3), AC-3 (Dolby Digital), E-AC-3 (Dolby Digital Plus) y Opus (solo DASH).

Contenedores de HLS y DASH

• HLS: Utiliza MPEG-TS (Transport Stream). Segmentos de video fijos (6-10 segundos). fMP4 (fragmentado MP4) en versiones recientes.
• DASH: Utiliza fMP4 (fragmentado MP4). Segmentos de video adaptables para optimizar la latencia.

MPEG-TS vs fMP4

• MPEG-TS: Paquetes fijos, mayor sobrecarga.
• fMP4: Fragmentos dinámicos, menor sobrecarga.
• fMP4 es más eficiente para CDNs y HTTP.
• fMP4 ofrece menor latencia y es más flexible.
• Ambos son utilizados en diferentes tipos de streaming y TV digital.

Protocolos de tiempo real (RTMP)

• Desarrollado por Macromedia (actualmente Adobe).
• Diseñado para transmisión en vivo.
• Envía datos al servidor, que los reenvía al cliente.
• Soporta fragmentos más pequeños para flujos de datos multimedia.
• Compatible con formatos como AAC (Advanced Audio Coding) y H.264 para audio y video, respectivamente.
• Basado en el protocolo TCP para garantizar la confiabilidad de la entrega de datos.
• Muy útil para aplicaciones de transmisión interactiva.

RTMP - Variantes

• RTMPS: RTMP sobre SSL/TLS para encriptación.
• RTMPE: RTMP con encriptación propietaria de Adobe.
• RTMPT: RTMP encapsulado en HTTP para atravesar firewalls.
• RTMFP: Protocolo basado en UDP para comunicaciones peer-to-peer.

RTMP - Usos

• Plataformas de transmisión en vivo (YouTube Live, Twitch, etc.).
• Servidores multimedia (Adobe Media Server, Wowza, Red5).
• Inicialmente para video bajo demanda, actualmente con menos uso.

RTMP - Desventajas

• Dependencia de Flash (descontinuado).
• Compatibilidad limitada con dispositivos modernos.
• Latencia relativamente alta comparado con otros protocolos actuales.

Estado actual de RTMP

• Se utiliza para transmisiones en vivo, pero reemplazado por protocolos más eficientes (HLS y MPEG-DASH).

Protocolos de tiempo real (RTP y RTCP)

• RTP (Real-Time Transport Protocol): Protocolo fundamental para transmitir datos multimedia en tiempo real. Utiliza UDP y no garantiza entregas, priorizando la velocidad a la confiabilidad.
• RTCP (Real-Time Control Protocol): Complemento de RTP, el cual se enfoca en monitorizar y controlar la calidad de la transmisión, como la latencia, jitter y pérdida de paquetes.

RTP y RTCP: Paquetes independientes

• RTCP son paquetes independientes a los paquetes RTP.
• Ambos viajan por el mismo canal (red).
• Usan puertos separados para su transmisión.

Encabezado RTP

• Información sobre versión, padding, extensiones, contador CSRC, marker, timestamp, número de secuencia y ID de fuente de sincronización (SSRC).

Paquete RTP Real (Ejemplo)

• Incluye datos de video (H.264), número de secuencia, timestamp, e identificador de la fuente de sincronización (SSRC).

RTP – Timestamp y Sequence Number

• Timestamp: Para sincronización temporal del flujo. Depende de la tasa de cuadros por segundo o la cantidad de muestras de audio.
• Sequence number: Identifica el orden de los paquetes en la transmisión, crucial para detectar y reordenar paquetes perdidos.

RTP – Timestamp

• Indica el tiempo cuando debe reproducirse una unidad de datos de audio o video.
• Es crucial para sincronización multimedia, midiendo el tiempo.
• Tiene un valor inicial aleatorio para evitar colisiones entre flujos diferentes de audio o vídeo.

Ejemplo de un Paquete RTP

• Muestra un contexto de transmisión en vivo con audio y video.

Ejemplo de Flujo RTP en Videoconferencia

• Flujos RTP de audio y video se envían separadamente.
• Se utilizan paquetes RTCP para verificar la calidad de transmisión.
• La latencia típica es menor a 200 ms.

Sincronización de RTP/RTCP para Audio y Video

• Audio y video viajan separadamente; la sincronización se logra con los timestamps y paquetes RTCP.
• Los timestamps de RTP son usados para sincronización temporal, y las marcas de tiempo de los paquetes RTCP ayudan a alinear audio y video en el receptor.

Jitter y Pérdida de Paquetes en RTP

• RTCP monitorea calidad de enlace y permite ajustes ante pérdidas y jitter.
• Los buffers de jitter intentan compensar las pequeñas variaciones.

Latencia en RTP

• Latencia puede surgir por la red, procesamiento o buffering.
• Ajustes de buffer de jitter equilibran latencia y calidad en redes IP.
• Latencia promedio típica en una videollamada con RTP está entre 150 y 300 ms.
• La congestión en la red puede incrementar la latencia.

RTP en Streaming en Vivo

• Video y audio son codificados y transmitidos como paquetes RTP a través de una red.
• RTCP monitorea pérdida de paquetes y jitter, permitiendo ajustes en la transmisión.

Resumen de RTP/RTCP

• RTP: Protocolo de transporte para video y audio con baja latencia pero sin garantía de fiabilidad.
• RTCP: Proporciona control de la calidad de transmisión y sincronización.
• Sincronización lograda mediante marcas de tiempo.
• Desafíos como jitter y pérdida de paquetes.

Protocolos de tiempo real (RTSP)

• RTSP (Real-Time Streaming Protocol): Protocolo para controlar la transmisión de medios en tiempo real.
• Ofrece control remoto de la transmisión (iniciar, pausar, detener, rebobinar), a diferencia de los protocolos que solo transportan datos.
• Cliente-servidor: establece sesiones, pero no transmite directamente los datos (RTP realiza ese trabajo). Usado en conjunto con RTP.
• Usos: Vigilancia CCTV, aplicaciones VoD y transmisión multimedia.

Ejemplo de Secuencia SRT

• Muestra la secuencia de comandos entre un cliente y un servidor para establecer una sesión RTSP (SETUP, PLAY, PAUSE, TEARDOWN).

Ejemplo Real de RTSP

• Muestran comandos como OPTIONS, DESCRIBE, SETUP, PLAY, PAUSE y TEARDOWN, con sus correspondientes códigos de respuesta (200 OK).

Protocolos de tiempo real (MPEG-TS sobre IP)

• MPEG-TS (Transport Stream): Contenedor para transmitir vídeo y audio comprimidos, común en transmisiones digitales en entornos IP.
• Basado en UDP e incluye mecanismos de corrección de errores, crucial en redes con pérdida de paquetes.
• Multiplexación: Envia varios flujos (video, audio, datos auxiliares) por un solo stream.
• Corrección de errores: Mecanismos para asegurar la integridad de los datos, crucial en redes con pérdida de paquetes.
• Usos: En broadcasting (TDT), y servicios de video por Internet (OTT).
• Sincronización: Mediante PCR (Program Clock Reference) para sincronizar la reproducción.

MPEG-TS - PCR

• PCR para sincronización.
• PCR se inserta en los paquetes y es clave para la sincronización del reloj emisor y receptor.
• Hay dos campos, uno de 9 bits y otro de 33 bits para resolver la sincronización entre equipos.
• Muchos programas pueden compartir el mismo PCR, y cada programa solo puede tener un único PCR.

MPEG-TS - Tamaño de paquete

• 188 bytes, resultante del header de 4 bytes y el payload de 184 bytes.
• Incluyen datos cruciales para la sincronización (Sync byte).

Protocolos de tiempo real (SMPTE 2022)

• SMPTE 2022: Especificación para transportar vídeo y audio con compresión sobre IP.
• Utiliza RTP/UDP y mecanismos de corrección de errores (FEC) para garantizar la transmisión confiable, incluso con perdida de paquetes.
• Características Clave: Soporte IP, FEC, tiempo real, baja latencia, para entornos con exigente calidad y fiabilidad.

SMPTE 2022 - Características Clave

• Soporte de transmisión IP para contenido audiovisual.
• Corrección de errores (FEC).
• Uso flexible, compatible con flujos video sin/con compresión.
• Ideal para entornos de alta exigencia de calidad y fiabilidad.

SMPTE 2022 - Usos

• Streaming en vivo de eventos (deportivos y noticieros).
• Producciones remotas con alta calidad de video desde diferentes ubicaciones.
• IPTV (televisión por internet), y redes corporativas.

Protocolos de tiempo real (SMPTE 2110)

• SMPTE 2110: Especificación para transportar video, audio y datos auxiliares sin compresión.
• Utiliza RTP/UDP y un manejo de flujos separado (video, audio, etc.).
• Reduce la latencia y maximiza la optimización del rendimiento.
• Ideal para entornos demandantes de flujos de vídeo en tiempo real.

SMPTE 2110 - Características Clave

• Tiene transporte separado de flujos (video, audio, etc.).
• No usa compresión, manteniéndo la calidad original.
• Baja latencia.

SMPTE 2110 - Estándares

• Incluye sincronización/temporización, control de tráfico, entrega de video, audio sin compresión, transporte de datos adicionales, video comprimido y medición de flujos de tráfico.

SMPTE 2110 - Usos

• Broadcasting en vivo, como por ejemplo la producción de noticias y deportes, y entornos multicámaras.
• Interoperabilidad entre diferentes equipos de distintos fabricantes.
• Producciones remotas (los flujos de video y audio se transportan desde ubicaciones remotas a un centro de control).

Protocolos de tiempo real (NDI)

• NDI (Network Device Interface): Protocolo propiedad de NewTek (gratuito).
• Alto rendimiento y baja latencia.
• Soporta vídeo HD y 4K, con eficiencia en el ancho de banda.
• Auto-descubrimiento de dispositivos en la red.
• Soporta compresión de video sin pérdida perceptible en redes Gigabit Ethernet.
• Basado en TCP (versiones anteriores) y UDP (versiones actuales).

NDI (Network Device Interface)

• No requiere hardware especializado.
• Soporta redes estándares IP.
• Permite conexión de diversos dispositivos (ordenadores, cámaras, codificadores).
• Uso en entornos donde el rendimiento y la baja latencia son críticos, incluyendo broadcasting y producción en vivo y estudios.

NDI Comparativa con otros protocolos

• NDI versus SMPTE 2110: SMPTE prioriza separar los flujos video, audio y demás, mientras NDI encapsula todos en un flujo único.
• NDI versus RTMP: RTMP generalmente tiene una latencia mayor que NDI.
• NDI versus SRT: SRT es adecuado en entornos de red complejos y con alta pérdida de paquetes, mientras NDI se optimiza para redes locales confiables.

Estándares NDI

• NDI: 100 Mbps por flujo.
• NDI HX: 10 Mbps por flujo.
• NDI HX2: 6.75 Mbps por flujo.
• NDI HX3: 6.75 Mbps por flujo.
• Mejorando latencia a 100 ms.

Protocolos de tiempo real (Brave)

• Brave (Bandwidth Reservation Active Video Encapsulation): Protocolo de Prodys (Ikusnet).
• Agrega ancho de banda, tanto de redes cable y wireless, para maximizar estabilidad y rendimiento.
• Corrección de errores para mejorar fiabilidad, ajustando el bitrate a condiciones de la red.
• Baja latencia.
• Bidireccional.

Peculiaridades de BRAVE

• Diversity 2x2: Envío/recepción por dos interfaces de red diferentes.
• Punto a multi-punto: Envío simultáneo de un stream a hasta diez destinos.
• Multicast independiente: Envío/recepción multicast en rangos independientes.

Protocolos de tiempo real (LRT)

• LRT (LiveU Reliable Transport): Protocolo propietario de LiveU.
• Se enfoca en agregación de ancho de banda, incluyendo diferentes redes de la misma localidad.
• Corrección de errores, ajustando bits según necesidades.
• Baja latencia y bidireccional.

SRT: ¿Por qué se ha adoptado?

• Abierto (Open Source), sin licencias.
• Bajo costo (FTTH).
• Ancho de banda de 20 Mbps.
• Adaptable a diferentes formatos de video (1080i50, 1080p25, UHD).
• Soporta pérdidas de paquetes del 35%.
• Retardo menor a 200 ms para Europa.

SRT - Características generales

• Baja latencia para entorno de redes de video en vivo, usando UDP.
• Optimizado para entornos de streaming de vídeo con calidad óptima.

SRT- Evolución en últimos años

• Se observa un incremento en la popularidad de SRT en los últimos años en comparación con otros protocolos.
• Ha sido adoptado por un número significativo de compañías de broadcasting.

SRT – Adopción en 2024

• SRT ha sido adoptado por varios vendedores de servicios de broadcasting.
• Es utilizado en diferentes plataformas de streaming.

SRT - ¿Qué es?

• SRT: Protocolo Secure Reliable Transport
• Sobre redes no fiables, en UDP.
• Es punto a punto.
• Permite la autenticación de la conexión.
• Encriptación del envío
• Multiplexación de streams.
• Bypass de firewalls.

Competidores: SRT, RIST y Zixi

• Tabla comparativa de los principales aspectos de los protocolos de transporte SRT, RIST y Zixi.

SRT - Novedades

• Soporte para Bonding (doble camino simultáneo).
• Modos Main/Backup (doble camino no simultáneo).
• Uso de SRT Access Control (Stream IDs).
• Soporta envío a múltiples clientes.

SRT - ¿Cómo funciona?

• Establecimiento de la conexión (Rendezvous y Caller - Listener).
• Autenticación de la conexión.
• Encriptación del vídeo.
• Envío de vídeo punto a punto.
• Recuperación de errores (retransmisión, FEC).
• Reordenación y gestión de congestión de la red.

SRT - Establecimiento de la conexión

• Se muestra un diagrama de handshake que incluye los pasos de Caller-Listener y Rendezvous para el estableciomiento de la conexión.

Paquete SRT

• Se muestra una estructura visual de los tipos de paquetes SRT (0-Data y 1-Control), indicando los campos más importantes como el timestamp, tipo de paquete, ID de Socket, y contenido del paquete.

Mecanismos de seguridad en SRT

• ARQ (Automatic Repeat reQuest) basada en NAK (Negative Acknowledgement).
• FEC (Forward Error Correction) para corregir errores de paquetes.
• Conexiones estables bonding para mejorar la fiabilidad en entornos con pérdida de paquetes.

Retransmisión de paquetes en SRT

• Diagrama ilustrativo de la retransmisión de paquetes perdidos en un entorno de red basados en los procesos de ARQ y FEC.

Recuperación de paquetes por retransmisión en SRT

• Se muestra el porcentaje de paquetes recuperados en diferentes escenarios de pérdida de paquetes.
• Se grafican datos de la recuperación por retransmisión contra la latencia.

Recuperación de paquetes por FEC en SRT

• Ilustra el proceso de filtrado de paquetes con error utilizando FEC para mantener la calidad del streaming.

Recuperación por doble camino en SRT

• Diagrama sobre la recuperación de paquetes mediante la conexión por doble camino en SRT para un mejor rendimiento en casos de pérdida de paquetes.

SRT - Retransmisión vs FEC vs Doble Camino

• Tabla comparativa que resume las características de SRT en retransmisión, FEC y conexiones en doble camino, indicando fortalezas y áreas de mejora.

Control de la congestión en SRT

• El Receptor envía paquetes NAK para identificar y recuperar paquetes perdidos.
• También se actualiza el RTT (Round Trip Time) y se gestiona la capacidad del enlace para optimizar la entrega de los paquetes.

Stream ID

• Identificador único para cada stream en SRT.
• Permite ser enviado a un único punto de entrada en la nube.

Ejemplo de Transmisión SRT – 1% Pérdida de Paquetes

• Visualización de la diferencia en la transmisión de video con pérdida de paquetes entre el protocolo UDP y SRT.

Protocolos de tiempo real (SST)

• SST (Safe Streams Transport): Protocolo propietario de Aviwest.
• Permite la agregación de ancho de banda (Bonding) usando múltiples conexiones de red.
• Tiene características como ajuste de bitrate según el estado de la red.

SST - Características

• Ajuste dinámico de bitrate por estado de la red.
• Agregación (bonding) de ancho de banda (utilizando varias conexiones de red simultáneamente).

SST - Tipos de envío

• Ilustración de los diferentes tipos de envíos posibles (vídeo, archivo, datos y comunicación en intercom, usando el protocolo SST).

SST - Ajuste de Bitrate

• Gráfico visual del ajuste de la velocidad de transmisión (bitrate) del video en función del ancho de banda disponible en la red.

Test de repaso (V/F)

• Pregunta/Respuesta sobre los protocolos de transmisión de vídeo en tiempo real.

Test de repaso II (V/F)

• Preguntas/Respuestas relacionadas con la correcta instalación, configuración y uso del protocolo SRT.

Conclusiones

• El documento cubre una amplia variedad de protocolos y tecnologías relacionadas con el transporte de señal multimedia en entornos IP, incluyendo aspectos como calidad de video, latencia, eficiencia de red y sincronización.

Este cuestionario aborda los fundamentos del transporte de señal audiovisual en producción, centrando la atención en los protocolos y tecnologías clave para el transporte de video. Los estudiantes explorarán conceptos como VoD, HLS y DASH, así como otros protocolos esenciales para la transmisión en tiempo real.