多媒體網(wǎng)絡可靠性分析系統(tǒng)實現(xiàn)

李 娜，于鴻洋

（電子科技大學 電子科學技術研究院，四川 成都 611731）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和通信技術的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡帶寬的不斷改善，集成了視頻、音頻和數(shù)據(jù)的流媒體數(shù)據(jù)的實時傳輸技術已經(jīng)成為了業(yè)界廣泛關注及研究的一個熱點[1]，這就要求IP網(wǎng)絡具有更高的網(wǎng)絡業(yè)務可靠性。由于多媒體網(wǎng)絡具有固有的高度復雜性、異構(gòu)性和動態(tài)性等特性，使得對多媒體網(wǎng)絡整體的業(yè)務可靠性的特征及行為的測試與分析變得日益困難。

本文設計并實現(xiàn)了一個多媒體網(wǎng)絡可靠性分析系統(tǒng)，同時提出了一種綜合可靠性評價方法。本系統(tǒng)采用C/S模式，由流媒體服務器、前端視頻采集設備和流媒體客戶端三部分組成，通過對多媒體網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行捕獲及分析，利用數(shù)據(jù)包分析處理模塊、可靠性統(tǒng)計分析模塊及視頻播放模塊，實現(xiàn)了視頻的實時遠程播放功能，并最終實現(xiàn)了從客觀和主觀兩方面對多媒體網(wǎng)絡可靠性測量與分析工作，同時在最后給出了實驗結(jié)果及分析。

1 多媒體網(wǎng)絡可靠性與流媒體傳輸協(xié)議

1.1 多媒體網(wǎng)絡的可靠性評估模型

網(wǎng)絡可靠性可以分為三層評估模型[2]，分別是連通可靠性、性能可靠性以及業(yè)務可靠性。這三個層次的可靠性分別都有不同的側(cè)重點，所要關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，但是對于多媒體網(wǎng)絡，網(wǎng)絡可靠性主要應該考慮性能可靠性和業(yè)務可靠性這兩層。因此，本文主要是從網(wǎng)絡的業(yè)務/服務層來主要測試和分析多媒體網(wǎng)絡的業(yè)務可靠性，以網(wǎng)絡可靠性指標之一的網(wǎng)絡可用性作為主要的研究目標，以便能夠為用戶提供較好的QoE體驗。

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，它由Cisco和IneoQuest Technologies公司共同提出，并且已被IETF采納，標準號為RFC4445。延遲因素DF及媒體丟包率MLR是基于MDI的視頻質(zhì)量分析模型用來評估視頻質(zhì)量的參數(shù)。這兩個參數(shù)的具體計算公式分別為

目前采用MDI測量指標來對視頻傳輸質(zhì)量進行測試和評估是比較通用的方法[3]，MDI分析模型具有以下優(yōu)點：

1）應用方便、擴展性好，能夠同時對幾百個Channel和終端用戶的視頻流質(zhì)量進行評價。

2）直接表現(xiàn)出與視頻質(zhì)量有關的網(wǎng)絡問題。

3）在多媒體網(wǎng)絡上進行測量，與上層傳輸協(xié)議的類型以及視頻編碼壓縮類型無關。

4）可用于實驗室環(huán)境中，能夠準確分析特殊設備對媒體質(zhì)量的影響。

5）適合實時的多媒體網(wǎng)絡的流媒體質(zhì)量評價。

1.3 RTP簡介

RTP的每條報文都是封裝在用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議中的[4]，且在UDP協(xié)議上運行。在一般情況下，RTP協(xié)議的UDP端口號都是偶數(shù)。這也決定了RTP協(xié)議不能提供流量控制機制以及擁塞控制機制，同時不能為按序傳輸視頻數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制。因此，RTP協(xié)議必須依靠實時傳輸控制協(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)傳輸提供擁塞服務控制和流量控制。其實現(xiàn)過程是：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)計信息的RTCP包，這些數(shù)據(jù)包可以用來提供數(shù)據(jù)分發(fā)質(zhì)量的反饋信息，進而實現(xiàn)了網(wǎng)絡控制和監(jiān)測功能。為了便于傳輸，RTCP報文也封裝在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議中，其端口號比RTP協(xié)議的端口號大1，即是RTP協(xié)議端口號的下一個奇數(shù)位的端口號。

通過RTP協(xié)議和RTCP協(xié)議的配合使用，通過采用有效的周期性的反饋，服務器可以動態(tài)地改變有效載荷類型，甚至改變傳輸速率，最后可以將其達到最優(yōu)化，由此可以看出，它們是專門用來實時傳送多媒體網(wǎng)絡流媒體數(shù)據(jù)。

2 算法實現(xiàn)及系統(tǒng)設計

2.1 綜合可靠性評價方法

本文主要對MDI的兩個測量指標進行測量和綜合分析，并將對這兩個指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，最后給出一個量化的、直觀的可靠性結(jié)果，即綜合可靠性評價方法。

綜合可靠性評價的公式為

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

2.2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)是采用客戶端與服務器端模式來實現(xiàn)的，系統(tǒng)主要由視頻采集端、流媒體服務器、網(wǎng)絡模擬器、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)主要實現(xiàn)的模塊有RTP包分析處理模塊、RT?CP包處理模塊、統(tǒng)計分析模塊、解碼播放模塊及可視化模塊等4個部分。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)包的主要識別流程圖如圖4所示。為了實現(xiàn)對多媒體網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)的實時遠程播放，需要對識別過程中保存的RTP數(shù)據(jù)包進行還原，其實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖4 RTP數(shù)據(jù)包的識別流程圖

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包的過程如圖6所示。

圖6 SR包識別流程圖

2.2.3 可靠性統(tǒng)計分析模塊

為了準確地分析多媒體網(wǎng)絡的可靠性，首先要將存儲在緩沖區(qū)內(nèi)的RTP/RTCP數(shù)據(jù)包進行處理和統(tǒng)計分析，也就是對RTCP包的SR包及RR包進行拆分和統(tǒng)計；然后再通過綜合可靠性分析評價方法，最后計算出多媒體網(wǎng)絡可靠度，其主要流程圖如圖7所示。

圖7 可靠性分析統(tǒng)計流程圖

3 實驗結(jié)果分析

3.1 測試環(huán)境

實驗測試環(huán)境配置如表1所示。

表1 實驗測試環(huán)境配置

實驗測試的指標參數(shù)主要在兩種極端條件下進行測試，即延遲時間為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 測試結(jié)果

為了使實驗結(jié)果更具有可信性，實驗次數(shù)均為10次。實驗測試詳細參數(shù)如表2和表3所示。圖8為實驗所測得的曲線圖，可以看到當丟包率在8%～12%之間時，多媒體網(wǎng)絡的可靠度變化較大?？蛻舳嗽趯σ曨l數(shù)據(jù)進行播放時出現(xiàn)了畫面不清晰的情況，其效果如圖9所示。

表2 時間延遲200 ms時實驗測試結(jié)果

表3 時間延遲0 ms時實驗測試結(jié)果

4 小結(jié)

本文通過對多媒體網(wǎng)絡可靠性、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，最終實現(xiàn)了多媒體網(wǎng)絡可靠性分析系統(tǒng)。

本文實現(xiàn)的多媒體網(wǎng)絡可靠性分析系統(tǒng)是基于主動測量的C/S模式下實現(xiàn)的，并且在MDI分析模型的基礎上提出了一種新的算法，即綜合可靠性分析算法，同時將其與視頻主觀評價方法相結(jié)合，得到了一個可以較為準確地分析多媒體網(wǎng)絡可靠性的分析系統(tǒng)。

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

[2]李達.基于流量采集與參數(shù)測量的網(wǎng)絡可靠性分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].長沙：國防科學技術大學，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，2004.