劉昶，蔡偉利，汪衛(wèi)斌

（中國移動通信有限公司政企客戶分公司，北京 100083）

中國移動云視訊媒體質(zhì)量優(yōu)化系統(tǒng)設計＊

劉昶，蔡偉利，汪衛(wèi)斌

（中國移動通信有限公司政企客戶分公司，北京 100083）

隨著網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展，視頻會議在人們辦公中的應用越來越廣泛，然而網(wǎng)絡自身的固有特性在不同場景下的網(wǎng)絡狀態(tài)波動較大，網(wǎng)絡質(zhì)量不可控，為解決上述網(wǎng)絡問題，中國移動云視訊提出媒體質(zhì)量優(yōu)化技術，采用媒體優(yōu)化網(wǎng)關，通過優(yōu)化協(xié)議加速解決跨網(wǎng)絡分組丟失與各品牌終端抗分組丟失率不一致的問題，實現(xiàn)平臺統(tǒng)一及終端融合的目標。

視頻會議；媒體優(yōu)化；優(yōu)化協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)科技的不斷發(fā)展，使人們對網(wǎng)絡的需求越來越大，對網(wǎng)絡的性能要求也越來越高，特別是在視頻會議中，在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下，如何優(yōu)化視頻畫面視頻卡頓、視頻圖像馬賽克、視頻圖像局部變形、屏幕頻繁刷新或閃爍和音視頻不同步等問題。傳輸協(xié)議加速，采用動態(tài)學習網(wǎng)絡環(huán)境方式，優(yōu)化重傳，相較傳統(tǒng)重傳，避免了網(wǎng)絡擁塞，降低重傳時延，以達到高效的傳輸機制。中國移動云視訊的媒體質(zhì)量優(yōu)化技術采用優(yōu)化傳輸協(xié)議雙邊加速機制，對視頻流量進行優(yōu)化傳輸，使視頻會議達到最優(yōu)效果。

1 需求分析

1.1 視頻會議網(wǎng)絡現(xiàn)狀

隨著視頻會議網(wǎng)絡建設規(guī)模的展開，用戶的覆蓋范圍越來越廣，越來越多的用戶開始享用到視頻會議的便利性，免除了出差的辛苦，提高了溝通的效率。而與此同時，一些問題也不可避免地暴露出來。

進行視頻會議的公司總部和分部很多都是屬于跨地域的網(wǎng)絡環(huán)境。網(wǎng)絡傳輸過程中可能存在一定的延時和分組丟失。視頻會議系統(tǒng)通常用Callto、H.323、SIP等UDP協(xié)議來承載視頻、語音數(shù)據(jù)分組的傳輸，網(wǎng)絡上一旦存在延時分組丟失，就會造成視頻卡頓、視頻圖像馬賽克、視頻圖像局部變形、屏幕頻繁刷新或閃爍、音視頻不同步等問題。如果網(wǎng)絡分組丟失率過大或過于頻繁，還將會使視頻通信過度延遲，甚至造成視頻會議中斷。隨著延時和分組丟失的增大，傳輸效率也會大幅度下降。

不同視頻會議廠商之間的互連對網(wǎng)絡質(zhì)量的要求也很大，雖然可以通過MCU來互聯(lián)，但是這種部署對于網(wǎng)絡的要求很高。

由于自研終端種類繁多，與中國移動云視訊平臺通信采用了公有協(xié)議，而公有協(xié)議的抗分組丟失算法較差，抗分組丟失性能弱，無法滿足正常的視頻會議在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下使用的需求，也不易形成可控的終端產(chǎn)業(yè)鏈。

缺乏傳輸層優(yōu)化措施，影響跨地域跨運營商的視頻會議清晰流暢。跨地域跨運營商的視頻會議需求與日俱增，對傳輸質(zhì)量的要求更為苛刻，在大延時和大分組丟失的網(wǎng)絡環(huán)境下，就會出現(xiàn)視頻的卡頓、圖像馬賽克和聲音不連續(xù)等問題，影響客戶體驗。

1.2 媒體質(zhì)量優(yōu)化的必要性

造成以上問題的根本原因是，視頻會議傳輸一般是基于UDP協(xié)議傳輸?shù)?，UPD高效但穩(wěn)定性能差，所以隨著鏈路質(zhì)量的影響，會造成視頻圖像嚴重受損，出現(xiàn)視頻圖像卡頓、馬賽克、音視頻不同步等問題，媒體質(zhì)量優(yōu)化建設采用雙向優(yōu)化協(xié)議的機制，使用透明部署方式接入網(wǎng)絡，既對任何應用透明，也對網(wǎng)絡上的設備（如路由、安全設備等）透明，部署不對現(xiàn)有網(wǎng)絡及應用做更改。

中國移動云視訊的媒體質(zhì)量優(yōu)化從傳輸層切入，將自研終端視頻流由高效但不穩(wěn)定UDP傳輸改為由優(yōu)化后的TCP協(xié)議傳輸，相對于傳統(tǒng)TCP協(xié)議穩(wěn)定好但效率差，優(yōu)化后的TCP傳輸更為精確的分組丟失判斷及擁塞預測算法，改進了重傳機制，增強傳輸功能，并與標準 TCP 協(xié)議完全兼容，當媒體流經(jīng)過媒體質(zhì)量優(yōu)化網(wǎng)關設備時，在不改變數(shù)據(jù)流承載的情況下通過改變數(shù)據(jù)分組的傳送時機及重傳時機來達到雙向加速，從而搭建高效視頻通道，保障會議高清流暢，為不同視頻會議終端的互通，提供良好的網(wǎng)絡基礎，滿足云視訊的視頻會議本端及遠端的音視頻流暢性，也會進一步提升云視訊業(yè)務的可擴展性。

2 媒體優(yōu)化網(wǎng)關

2.1 媒體優(yōu)化網(wǎng)關介紹

媒體優(yōu)化網(wǎng)關是多核系統(tǒng)，采用友好的圖形化窗口用戶操作界面，有完善的、方便的人機通信控制功能，支持多用戶操作。使用透明代理的體系架構設計和實現(xiàn)方式，這種方式對任何網(wǎng)絡環(huán)境和應用完全透明，也就是說部署時不需要改變?nèi)魏尉W(wǎng)絡拓撲結構和配置，也不需要對應用做任何改動。因此具有最大限度的適應性和部署靈活性可操作性強。

同時媒體優(yōu)化網(wǎng)關具有完善的系統(tǒng)結構控制功能，可以靈活地組合設備，構成運行系統(tǒng)，并包括了網(wǎng)管子系統(tǒng)及處理相應業(yè)務的功能，具有各類協(xié)議處理功能和代碼轉(zhuǎn)換功能，可以硬件設備進行測試，并對軟件、硬件運行故障的監(jiān)視，有完善的故障告警及障礙后處理功能。

中國移動采用的媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備符合信息技術發(fā)展形勢，既體現(xiàn)先進技術又比較成熟，并且是業(yè)內(nèi)公認的領先產(chǎn)品。滿足未來各種應用系統(tǒng)對服務客戶端系統(tǒng)的要求，提供統(tǒng)一平臺的服務；并可以提供針對各種已有數(shù)據(jù)源的接口支持。

2.2 媒體優(yōu)化網(wǎng)關架構

媒體優(yōu)化網(wǎng)關采用機框式的硬件架構，機框內(nèi)可以加載交換板和計算板。如圖1所示，視頻流量數(shù)據(jù)通過交換板接入設備，由交換板進行流量負荷分擔，流量到不同的計算板上，由不同計算板上的優(yōu)化模塊進行策略匹配以及優(yōu)化，優(yōu)化完成后將流量轉(zhuǎn)發(fā)回交換板進行數(shù)據(jù)傳輸。

媒體優(yōu)化網(wǎng)關處理視頻流量使用模塊化設計，計算板上分為流量識別模塊、媒體流優(yōu)化模塊、安全模塊、流量監(jiān)控模塊、網(wǎng)管功能模塊，各個模塊對流量的處理機制如下。

圖1 云視訊媒體優(yōu)化網(wǎng)關架構圖

（1）流量識別模塊自動識別流經(jīng)的網(wǎng)絡流量，實現(xiàn)視頻會議流進入優(yōu)化狀態(tài)，其它流量進入直通狀態(tài)的功能。

（2）進入優(yōu)化狀態(tài)的媒體流，優(yōu)化模塊自動和對端設備實現(xiàn)連接，對視頻流進行優(yōu)化，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸效率，形成優(yōu)化的視頻傳輸通道。

（3）安全模塊會自動監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)內(nèi)置Bypass功能，在設備出現(xiàn)軟硬件故障時快速自動切換到直通狀態(tài)，保障業(yè)務正常。

（4）流量監(jiān)控模塊會實時統(tǒng)計當前流經(jīng)的總數(shù)據(jù)流和視頻加速數(shù)據(jù)流的情況；網(wǎng)管功能模塊提供SNMP接口，網(wǎng)管系統(tǒng)可通過網(wǎng)管功能模塊對優(yōu)化設備進行維護、配置與管理。

3 優(yōu)化方案設計與實現(xiàn)

3.1 方案設計

媒體質(zhì)量優(yōu)化建設方案需在中國移動云視訊核心網(wǎng)的網(wǎng)絡出口處部署媒體優(yōu)化網(wǎng)關，位置在SBC與CMNet出口防火墻之間，如圖2所示，這種部署方式使媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備覆蓋的網(wǎng)絡范圍更大，所承載的網(wǎng)絡負載更高。

負荷設計為當前出口帶寬的1/4容量（3 Gb），并支持今后擴容，通過在用戶終端加載加速軟件的方式，搭建無分組丟失的視頻傳輸通道，對云視訊平臺進行優(yōu)化。

考慮到網(wǎng)絡安全性及對多種通信網(wǎng)絡的兼容性，為盡量減少對現(xiàn)有網(wǎng)絡的改動，采用透明部署方式，不需要設置業(yè)務通信IP地址，既對任何應用透明，也對網(wǎng)絡上的設備（如路由、安全設備等）透明，建設后不對現(xiàn)網(wǎng)造成影響，確保用戶業(yè)務系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

媒體質(zhì)量優(yōu)化的優(yōu)化協(xié)議作為一個傳輸增強功能與標準TCP協(xié)議完全兼容，并不替代操作系統(tǒng)中原有的TCP協(xié)議棧，當媒體流經(jīng)過高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備時，該設備在不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)流承載內(nèi)容的情況下通過改變數(shù)據(jù)分組的傳送時機及重傳時機來達到加速目的。對未使用媒體優(yōu)化模塊的終端和純語音設備不做任何處理，純語音設備以旁路方式透傳，不影響其傳輸質(zhì)量。

圖2 云視訊媒體質(zhì)量優(yōu)化方案設計

媒體質(zhì)量優(yōu)化設備采用主備機都故障時自動切換為Bypass狀態(tài)的設計，Bypass狀態(tài)下對所有網(wǎng)絡流量進行透傳，對網(wǎng)絡可用性不造成任何影響。

方案建設為保證中國移動云視訊業(yè)務在流量不斷增長的情況下，具有較高的吞吐能力和處理能力，設備采用級別為運營商級設備，單服務器媒體流加速帶寬達到至少4 Gbit/s，加速性能在分組長在64 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能≥0.744 Mpps；分組長在128 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能≥0.844 Mpps；分組長在512 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能≥0.705 Mpps；分組長在1 400 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能≥0.528 Mpps；設備一個1G端口的最小線速轉(zhuǎn)發(fā)分組長不大于128 byte。單服務器支持并發(fā)Session不低于2 000個。

設備Bypass性能滿足分組長64 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能至少14.00 Mpps；分組長128 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能至少8.00 Mpps；分組長512 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能至少2.00 Mpps；分組長1 400 byte時單路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能至少0.80 Mpps，Bypass狀態(tài)下，可達到全線速轉(zhuǎn)發(fā)。

媒體質(zhì)量優(yōu)化設計最終目的是達到在總延時在不超過200 ms情況下均可正常實現(xiàn)視頻優(yōu)化，在網(wǎng)絡分組丟失率40%以內(nèi)，優(yōu)化設備應保障云視訊視頻會議清晰流暢。

3.2 會議流量優(yōu)化實現(xiàn)

視頻會議傳輸一般都是基于UDP協(xié)議的，在延時和分組丟失的網(wǎng)絡環(huán)境下，就會出現(xiàn)視頻畫面卡頓、圖像馬賽克、聲音不連續(xù)等問題。媒體優(yōu)化系統(tǒng)通過建立TCP封裝的隧道，讓UDP的視頻通過隧道轉(zhuǎn)換為TCP協(xié)議并應用TCP加速功能，以達到改善視頻傳輸質(zhì)量，保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性，優(yōu)化過程如下。

高清會議媒體優(yōu)化網(wǎng)關設備通過建立優(yōu)化連接、形成高效視頻通道，保證視頻會議數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄Χ耍瑥亩Ｕ弦曨l會議質(zhì)量。

優(yōu)化連接建立流程如圖3所示，優(yōu)化設備在實現(xiàn)優(yōu)化時只有在視頻流量通過時才建立TCP隧道，信令和SIP交互過程的數(shù)據(jù)分組不應進入TCP隧道，而通過RTP協(xié)議傳輸?shù)囊曨l流量全部進入TCP隧道中。

TCP隧道建立流程說明：

（1）- （9）是終端A和服務器之間進行SIP注冊、呼叫建立過程，此過程不進入TCP隧道，直接透傳給對方。

（10） 是終端 A 通過RTP協(xié)議向服務器傳輸視頻會議，此時流量不進入TCP隧道，直接透傳給服務器。

（11）（12）（14） 是終端會議優(yōu)化模塊檢測到（10）中有視頻流量經(jīng)過，此時開始發(fā)起TCP 三次握手，建立TCP隧道。

（13） 服 務 器 通 過RTP協(xié)議向終端A傳輸視頻流量，此時直接透傳此流量給客戶端A。

（15）-（20）終端A和服務器通過RTP協(xié)議傳輸視頻會議，此通信過程通過TCP隧道進行傳輸。

被叫模式下，與以上過程是類似，流量方向和主叫模式下相反。

通過使用穩(wěn)定的TCP隧道進行優(yōu)化，TCP協(xié)議將UDP進行再封裝后，使用TCP進行傳輸，對封裝后的TCP協(xié)議進行協(xié)議優(yōu)化，保障了數(shù)據(jù)完全性的同時又保證了傳輸效率。

此時TCP傳輸優(yōu)化，主要通過改善擁塞判斷處理和更準確及時地進行分組丟失判斷恢復來加速TCP傳輸并提升TCP連接的穩(wěn)定性。由一整套基于動態(tài)學習原則的算法組成。

（1）這些算法用于在傳輸過程中動態(tài)學習判斷每個特定連接的網(wǎng)絡路徑特征，如端到端延遲及其變化特征、接收端反饋數(shù)據(jù)分組（ACK）的到達間隔及其變化、數(shù)據(jù)分組逆序程度及變化特征、可能由安全設備深度數(shù)據(jù)檢測引起的延遲抖動、各種因素導致的隨機分組丟失等。

圖3 媒體優(yōu)化連接建立流程

（2）在實時跟蹤這些特征的同時，隨時綜合分析這些特征并從中推導出在這個特定TCP連接網(wǎng)絡路徑上反映擁塞及分組丟失的前兆信號，再根據(jù)這些動態(tài)智能學習的結果判斷擁塞程度、決定與當前路徑可用帶寬相匹配的發(fā)送速度、擁塞恢復機制、并準確及時的進行分組丟失判斷及恢復。

（3）這些算法機制是通過一個自動學習狀態(tài)機來實現(xiàn)，如圖4所示。每一個TCP連接都對應一個自動學習狀態(tài)機，記錄該TCP連接的網(wǎng)絡路徑特征并動態(tài)決定適合該連接的擁塞判斷及恢復機制和分組丟失判斷機制。圖4中的Flow Profiler主要負責直接提取網(wǎng)絡路徑外在特征并輸入給Learning State-Machine。Learning State-Machine積累的智能被圖中所示的Loss Detector、Congestion Controller、Exception Hanlder、及Window Controller模塊用于調(diào)整相應TCP連接的傳輸行為。Exception Handler和Window Controller模塊也會動態(tài)反饋信息給Learning State-Machine用于進一步優(yōu)化網(wǎng)絡路徑學習。

4 媒體優(yōu)化系統(tǒng)測試

4.1 測試條件

（1） 視頻終端嵌入加速軟件。

（2）在視頻終端A和優(yōu)化設備C之間增加損傷儀E模擬網(wǎng)絡分組丟失，在視頻終端B和優(yōu)化設備D之間增加損傷儀F模擬網(wǎng)絡分組丟失，不進行其它的修改。

圖4 TCP傳輸優(yōu)化算法

4.2 測試步驟

（1） 按照圖5所示部署設備。

（2） 網(wǎng)絡損傷儀E和F分別設置雙向10%（單向5%）的分組丟失。

（3） 關閉視頻終端A、B和優(yōu)化設備C、D之間的優(yōu)化開關進行視頻會議測試。

（4） 打開視頻終端A、B和優(yōu)化設備C、D之間的優(yōu)化開關進行視頻會議測試。

（5）損傷儀E和損傷儀F分別設置雙向20%（單向10%），重復步驟2和3。

損傷儀E和損傷儀F分別設置雙向30%（單向15%）的分組丟失，重復步驟2和3。

圖5 測試方案拓撲

4.3 測試結果

（1）關閉視頻終端和優(yōu)化設備的優(yōu)化開關后，視頻會議傳輸受損傷儀E和F的影響，會出現(xiàn)視頻圖像嚴重受損、視頻圖像卡頓、馬賽克、音視頻不同步等問題。

（2）開啟視頻終端和優(yōu)化設備的優(yōu)化開關后，通過終端A和優(yōu)化設備C、終端B和優(yōu)化設備D之間的優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)傳輸效率、形成高效視頻傳輸通道從而顯著改善視頻會議質(zhì)量，視頻卡頓、馬賽克、音視頻不同步等問題明顯改善或者完全消失。

5 總結及未來規(guī)劃

5.1 總結

云視訊的媒體優(yōu)化系統(tǒng)通過對底層傳輸協(xié)議進行優(yōu)化，底層傳輸協(xié)議不會因應用實現(xiàn)的差異而出現(xiàn)差異，且比應用層優(yōu)化更徹底，因為應用層的數(shù)據(jù)最終必然要經(jīng)傳輸協(xié)議進行傳輸，對協(xié)議層面的優(yōu)化可以更徹底有效的保障優(yōu)化效果，從而達到高效的視頻通道。在保證10-20 G帶寬下，視頻會議數(shù)據(jù)無分組丟失的傳輸?shù)綄Χ?，保證視頻畫面完整，提升中國移動視頻業(yè)務競爭力。

媒體優(yōu)化系統(tǒng)對不同廠商的云視訊終端進行互連，廠商終端設備通過軟件模塊嵌入，在不另增加設備的情況下， 提供良好的網(wǎng)絡基礎。同時采用全透明代理的體系架構，從數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化入手，從而占用的設備處理器和內(nèi)存資源較少，而且可以隨帶寬和連接數(shù)的提升對設備進行擴容，提升中國移動視頻業(yè)務的可擴展性。

優(yōu)化系統(tǒng)具有很強的系統(tǒng)可靠性，內(nèi)置容災部件，且自帶有流量保護功能，在優(yōu)化系統(tǒng)設備、端口、軟件及流量異常時能夠自動切換到流量直通狀態(tài)，保障云視訊業(yè)務不中斷，并進行報警處理。

5.2 規(guī)劃

為保障媒體優(yōu)化網(wǎng)關在云視訊平臺的長期穩(wěn)定運行，避免隨業(yè)務量的增長出現(xiàn)超負荷運轉(zhuǎn)以致影響業(yè)務質(zhì)量等情況的出現(xiàn)，媒體質(zhì)量優(yōu)化方案在設計時考慮此需求，確保了方案可提供以下保障。

（1）簡單易操作的軟件升降級方式。優(yōu)化系統(tǒng)支持在線軟件升級。當系統(tǒng)出現(xiàn)重大漏洞或安全隱患后，通過管理界面可將優(yōu)化設備先置于Bypass狀態(tài)，之后再對設備系統(tǒng)繼續(xù)升降級操作，操作完成后，再將設備恢復至正常工作狀態(tài)；此操作可確保用戶業(yè)務正常運行，不受升降級的影響。

（2）全面的系統(tǒng)擴展途徑。優(yōu)化設備可通過升級處理器、內(nèi)存容量及板卡數(shù)量等操作實現(xiàn)簡單易行的垂直擴展，從而提高優(yōu)化系統(tǒng)的整體處理能力。同時，優(yōu)化系統(tǒng)支持水平擴展，可通過增加優(yōu)化設備數(shù)量的方式提升系統(tǒng)的整體處理能力。

A design of China Mobile cloud-video conferencing media quality optimization system

LIU Chang CAI Wei-li WANG Wei-bin
(China Mobile Communications Corporation Government and Enterprise Service Company, Beijing 100083, China)

With the rapid development of the network, video conferencing is more and more widely used in the works. But the inherent characteristics of the network itself fluctuates greatly in different scenarios, and the quality of the network is uncontrollable. In order to solve the above network problems, China Mobile cloud-video puts forward the media quality optimization technology, adopts the media optimization gateway, through optimization protocol to accelerate the solution of cross network packet loss and each brand terminal anti packet loss rate inconsistency problem, achieve the goal of platform unification and terminal integration.

video conferencing; media optimization; optimization protocol

TP39

A

1008-5599（2017）12-0015-06

2017-11-10

* 中國移動集團級一類科技創(chuàng)新成果，原成果名稱為《云視訊自研低成本會議終端》。