李 娜，于鴻洋

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 611731）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷改善，集成了視頻、音頻和數(shù)據(jù)的流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)已經(jīng)成為了業(yè)界廣泛關(guān)注及研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1]，這就要求IP網(wǎng)絡(luò)具有更高的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性。由于多媒體網(wǎng)絡(luò)具有固有的高度復(fù)雜性、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性等特性，使得對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)整體的業(yè)務(wù)可靠性的特征及行為的測(cè)試與分析變得日益困難。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性分析系統(tǒng)，同時(shí)提出了一種綜合可靠性評(píng)價(jià)方法。本系統(tǒng)采用C/S模式，由流媒體服務(wù)器、前端視頻采集設(shè)備和流媒體客戶端三部分組成，通過(guò)對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行捕獲及分析，利用數(shù)據(jù)包分析處理模塊、可靠性統(tǒng)計(jì)分析模塊及視頻播放模塊，實(shí)現(xiàn)了視頻的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程播放功能，并最終實(shí)現(xiàn)了從客觀和主觀兩方面對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)量與分析工作，同時(shí)在最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

1 多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性與流媒體傳輸協(xié)議

1.1 多媒體網(wǎng)絡(luò)的可靠性評(píng)估模型

網(wǎng)絡(luò)可靠性可以分為三層評(píng)估模型[2]，分別是連通可靠性、性能可靠性以及業(yè)務(wù)可靠性。這三個(gè)層次的可靠性分別都有不同的側(cè)重點(diǎn)，所要關(guān)注的用戶也是不同的。傳統(tǒng)的可靠性主要是分析物理失效的故障，但是對(duì)于多媒體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可靠性主要應(yīng)該考慮性能可靠性和業(yè)務(wù)可靠性這兩層。因此，本文主要是從網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)/服務(wù)層來(lái)主要測(cè)試和分析多媒體網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)可靠性，以網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)之一的網(wǎng)絡(luò)可用性作為主要的研究目標(biāo)，以便能夠?yàn)橛脩籼峁┹^好的QoE體驗(yàn)。

1.2 基于MDI的視頻質(zhì)量分析模型

MDI（Media Delivery Index）即媒體質(zhì)量傳輸指標(biāo)，它由Cisco和IneoQuest Technologies公司共同提出，并且已被IETF采納，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為RFC4445。延遲因素DF及媒體丟包率MLR是基于MDI的視頻質(zhì)量分析模型用來(lái)評(píng)估視頻質(zhì)量的參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)的具體計(jì)算公式分別為

目前采用MDI測(cè)量指標(biāo)來(lái)對(duì)視頻傳輸質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估是比較通用的方法[3]，MDI分析模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）應(yīng)用方便、擴(kuò)展性好，能夠同時(shí)對(duì)幾百個(gè)Channel和終端用戶的視頻流質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2）直接表現(xiàn)出與視頻質(zhì)量有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

3）在多媒體網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測(cè)量，與上層傳輸協(xié)議的類型以及視頻編碼壓縮類型無(wú)關(guān)。

4）可用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，能夠準(zhǔn)確分析特殊設(shè)備對(duì)媒體質(zhì)量的影響。

5）適合實(shí)時(shí)的多媒體網(wǎng)絡(luò)的流媒體質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1.3 RTP簡(jiǎn)介

RTP的每條報(bào)文都是封裝在用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議中的[4]，且在UDP協(xié)議上運(yùn)行。在一般情況下，RTP協(xié)議的UDP端口號(hào)都是偶數(shù)。這也決定了RTP協(xié)議不能提供流量控制機(jī)制以及擁塞控制機(jī)制，同時(shí)不能為按序傳輸視頻數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制。因此，RTP協(xié)議必須依靠實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP，圖1所示為RTP協(xié)議的首部格式。

1.4 RTCP簡(jiǎn)介

RTCP是RTP的控制協(xié)議[4]，它的主要功能是為RTP的視頻數(shù)據(jù)傳輸提供擁塞服務(wù)控制和流量控制。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：RTCP在Internet上周期性地傳送包含已發(fā)送和丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息的RTCP包，這些數(shù)據(jù)包可以用來(lái)提供數(shù)據(jù)分發(fā)質(zhì)量的反饋信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)測(cè)功能。為了便于傳輸，RTCP報(bào)文也封裝在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議中，其端口號(hào)比RTP協(xié)議的端口號(hào)大1，即是RTP協(xié)議端口號(hào)的下一個(gè)奇數(shù)位的端口號(hào)。

通過(guò)RTP協(xié)議和RTCP協(xié)議的配合使用，通過(guò)采用有效的周期性的反饋，服務(wù)器可以動(dòng)態(tài)地改變有效載荷類型，甚至改變傳輸速率，最后可以將其達(dá)到最優(yōu)化，由此可以看出，它們是專門(mén)用來(lái)實(shí)時(shí)傳送多媒體網(wǎng)絡(luò)流媒體數(shù)據(jù)。

2 算法實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 綜合可靠性評(píng)價(jià)方法

本文主要對(duì)MDI的兩個(gè)測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和綜合分析，并將對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，最后給出一個(gè)量化的、直觀的可靠性結(jié)果，即綜合可靠性評(píng)價(jià)方法。

綜合可靠性評(píng)價(jià)的公式為

式中：R表示多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總可靠性參數(shù)；DFi表示第i個(gè)探測(cè)包在周期；T時(shí)間內(nèi)的時(shí)間延遲；M表示在一個(gè)周期內(nèi)的平均時(shí)間延遲，其計(jì)算公式如式（4）所示；L表示在時(shí)間周期T內(nèi)的丟包率（L為1時(shí)表示到達(dá)，L為0時(shí)表示丟包）；α1、α2及α3表示權(quán)值參數(shù)，可以根據(jù)多媒體網(wǎng)絡(luò)的具體需求調(diào)整，其關(guān)系式如式（5）所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是采用客戶端與服務(wù)器端模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)主要由視頻采集端、流媒體服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)模擬器、客戶端組成。本系統(tǒng)的仿真整體結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的模塊有RTP包分析處理模塊、RT?CP包處理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、解碼播放模塊及可視化模塊等4個(gè)部分。本系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.1 RTP包分析處理模塊

RTP數(shù)據(jù)包的主要識(shí)別流程圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程播放，需要對(duì)識(shí)別過(guò)程中保存的RTP數(shù)據(jù)包進(jìn)行還原，其實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖4 RTP數(shù)據(jù)包的識(shí)別流程圖

2.2.2 RTCP包處理模塊

本系統(tǒng)客戶端的RTCP包處理模塊也是采用UDP的傳輸方式，其中接收及處理SR包的過(guò)程如圖6所示。

圖6 SR包識(shí)別流程圖

2.2.3 可靠性統(tǒng)計(jì)分析模塊

為了準(zhǔn)確地分析多媒體網(wǎng)絡(luò)的可靠性，首先要將存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)的RTP/RTCP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，也就是對(duì)RTCP包的SR包及RR包進(jìn)行拆分和統(tǒng)計(jì)；然后再通過(guò)綜合可靠性分析評(píng)價(jià)方法，最后計(jì)算出多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠度，其主要流程圖如圖7所示。

圖7 可靠性分析統(tǒng)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境配置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境配置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的指標(biāo)參數(shù)主要在兩種極端條件下進(jìn)行測(cè)試，即延遲時(shí)間為0 ms和200 ms這兩種情況下，而丟包率控制在0～15%范圍內(nèi)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有可信性，實(shí)驗(yàn)次數(shù)均為10次。實(shí)驗(yàn)測(cè)試詳細(xì)參數(shù)如表2和表3所示。圖8為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的曲線圖，可以看到當(dāng)丟包率在8%～12%之間時(shí)，多媒體網(wǎng)絡(luò)的可靠度變化較大?？蛻舳嗽趯?duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行播放時(shí)出現(xiàn)了畫(huà)面不清晰的情況，其效果如圖9所示。

表2 時(shí)間延遲200 ms時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表3 時(shí)間延遲0 ms時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性、基于MDI的視頻質(zhì)量分析模型以及RTP/RTCP協(xié)議的研究與分析，提出了綜合可靠性分析算法，最終實(shí)現(xiàn)了多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性分析系統(tǒng)。

本文實(shí)現(xiàn)的多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性分析系統(tǒng)是基于主動(dòng)測(cè)量的C/S模式下實(shí)現(xiàn)的，并且在MDI分析模型的基礎(chǔ)上提出了一種新的算法，即綜合可靠性分析算法，同時(shí)將其與視頻主觀評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，得到了一個(gè)可以較為準(zhǔn)確地分析多媒體網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析系統(tǒng)。

：

[1]李崇東，李德梅.網(wǎng)絡(luò)可靠性研究綜述[J].科技信息，2009（19）：57-58.

[2]李達(dá).基于流量采集與參數(shù)測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)可靠性分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[3]ITU-T Recommendation P.10/G.100 Amendment 1,New appendix I definition of quality of experience(QoE)[S].2007.

[4]曲柳鶯.流媒體傳輸協(xié)議的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2004.