基于RTP協(xié)議的IP電話QoS監(jiān)測(cè)及提高策略

2007/10/30

1. 版本(V)：2bit版本號(hào)置2。



2. 擴(kuò)展位(Extension-X)：由使用的RTP框架定義。



3. 填充(P)：用以說(shuō)明包尾是否附有非負(fù)荷信息。



4. 負(fù)載類型(PT)：對(duì)音頻或視頻等數(shù)據(jù)類型予以說(shuō)明，并說(shuō)明數(shù)據(jù)的編碼方式。
   


5. 標(biāo)志位(Marker-M)：標(biāo)志位由具體的應(yīng)用框架定義。



6. 序列號(hào)(Sequence Number)：為了安全，服務(wù)器從一個(gè)隨機(jī)初始化值開(kāi)始，每發(fā)送一個(gè)RTP數(shù)據(jù)包序列號(hào)增加1。客戶端可根據(jù)序列號(hào)重新排列數(shù)據(jù)包的順序，并對(duì)丟失、損壞和重復(fù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)。



7. 時(shí)間戳(Timestamp)：RTP時(shí)間戳為同步不同的媒體流提供采樣時(shí)間，用于重新建立原始音頻或視頻的時(shí)序。另外，它還可以幫助接收方確定數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間的一致性或變化(有時(shí)被稱為抖動(dòng))。



8. 同步源標(biāo)識(shí)(SSRG)：幫助接收方利用發(fā)送方生成的唯一的數(shù)值來(lái)區(qū)分多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流。SRC必須是一個(gè)嚴(yán)格的隨機(jī)數(shù)。



9. 作用標(biāo)識(shí)(CSRC)：網(wǎng)絡(luò)中使用混合器時(shí)，混合器會(huì)在RTP報(bào)文頭部之后插入新的同步源標(biāo)識(shí)，其作用是區(qū)分多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流。

3 由RTP包分析影響多媒體數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蛩?/b>

　　隨著VoIP領(lǐng)域不斷發(fā)展，滿足網(wǎng)絡(luò)QoS檢測(cè)需求的應(yīng)用也成為引人注目的焦點(diǎn)。IP QoS是指IP的服務(wù)質(zhì)量，也是指IP數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。目的就是向用戶提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。有一套度量指標(biāo)，包括業(yè)務(wù)可用性、延遲、可變延遲、吞吐量和丟包率等，現(xiàn)就項(xiàng)目中在上海阿爾卡特網(wǎng)絡(luò)支援系統(tǒng)有限公司NGN實(shí)驗(yàn)室中所得到的RTP和RTCP包進(jìn)行分析，主要研究其中3個(gè)因素，從而達(dá)到對(duì)實(shí)時(shí)流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的目的。

3.1 抖動(dòng)

　　抖動(dòng)會(huì)引起端到端時(shí)延的增加，引起語(yǔ)音質(zhì)量的降低。在音頻數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，由于傳輸延遲的不穩(wěn)定而造成相鄰數(shù)據(jù)包接收時(shí)刻間隔不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。消除抖動(dòng)的主要依據(jù)就是RTP包的首部中包含的時(shí)間戳字段。時(shí)間戳標(biāo)志著該段音頻數(shù)據(jù)中第一個(gè)采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間。每?jī)蓚�(gè)RTP包的抖動(dòng)可以用其RTP包中的RTP時(shí)戳和接收的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。

　　關(guān)于包的傳送時(shí)間，接收者最先了解到的是它的時(shí)間戳和接收者當(dāng)前時(shí)間之間的差值。該差值是：Di=Ri-Si，表示從包被蓋上戳開(kāi)始，到它在信源的輸出鏈路上被實(shí)際發(fā)送為止，其中的傳送時(shí)間和某個(gè)機(jī)器時(shí)間。RFC 1889建議使用NTP來(lái)完成端點(diǎn)的端到端同步，但是也有非同步端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)存在。

　　包i和包j之間增加的延遲差(二階效應(yīng))計(jì)算公式如下：設(shè)Rj代表第j個(gè)包的接受時(shí)刻，Sj代表第j個(gè)包的RTP時(shí)戳值，則第i個(gè)RTP報(bào)文與第j個(gè)RTP報(bào)文間的抖動(dòng)為D(i，j)



　　在生成RTCP報(bào)文時(shí)，其應(yīng)當(dāng)傳送的時(shí)延抖動(dòng)的值可用以下公式進(jìn)行遞推計(jì)算



　　其中：J為要傳送的時(shí)延抖動(dòng)值。對(duì)后一項(xiàng)除以16是為了消除連帶噪聲。

　　抖動(dòng)是分組交換的必然結(jié)果，影響抖動(dòng)的因素一般和網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度有關(guān)。由于語(yǔ)音同數(shù)據(jù)在同一條物理線上傳輸，語(yǔ)音數(shù)據(jù)通常會(huì)由于數(shù)據(jù)報(bào)文占用了物理線路而導(dǎo)致阻塞。解決抖動(dòng)通常采用緩沖隊(duì)列來(lái)解決(在網(wǎng)關(guān)、IAD上均有JitterBuffer來(lái)消除抖動(dòng))，每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，先將其放人緩沖區(qū)，應(yīng)用程序在緩沖區(qū)另一端取數(shù)據(jù)，只要緩沖區(qū)足夠大，抖動(dòng)一定能被平滑掉。而錯(cuò)序是由于網(wǎng)絡(luò)擁擠而使某些后發(fā)的數(shù)據(jù)包先到達(dá)收端而引起的，只要設(shè)置足夠大的緩沖區(qū)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)包重新排序，就能解決這個(gè)問(wèn)題�；蛘咝枰狪P承載網(wǎng)采用QoS策略，保證語(yǔ)音數(shù)據(jù)的最高優(yōu)先級(jí)，得到最先發(fā)送和獲得高帶寬也是解決抖動(dòng)問(wèn)題的主要手段。

3.2 時(shí)延

　　時(shí)延是處理和傳輸導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能按時(shí)到達(dá)的延遲，是影響流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋�(gè)主要因素。話音信號(hào)在端到端傳輸過(guò)程中受到的時(shí)延遲滯通常包括：編解碼器引入的時(shí)延、打包時(shí)延、去抖動(dòng)時(shí)延、承載網(wǎng)上的傳輸節(jié)點(diǎn)中排隊(duì)、服務(wù)處理時(shí)延。這些時(shí)延累計(jì)的總和將影響話質(zhì)，導(dǎo)致回聲干擾和交互性的劣化。對(duì)于VoIP系統(tǒng)，規(guī)定時(shí)延一般控制在150 ms內(nèi)。

　　分組語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)中的延遲可分為固定延遲和可變延遲。前者相對(duì)容易得到，筆者不作考慮。在計(jì)算丟包率時(shí)，主要考慮可變延遲。丟包判定等待時(shí)限Twait設(shè)定的大小在很大程度上影響丟包率計(jì)算的準(zhǔn)確性，也就是可變延遲的影響，它與語(yǔ)音包的傳輸延遲Ttrf有關(guān)，Twait越大等待時(shí)限就越長(zhǎng)。但不能超過(guò)保證語(yǔ)音流連續(xù)播放的時(shí)間上限Tmax(Tmax一般取250 ms)，即：Twait=min(Twait，Tmax)。Ttrf可根據(jù)RTCP協(xié)議的SR控制包中的NTP(Network Time Protoco1)時(shí)間戳計(jì)算得到，見(jiàn)圖2。



　　根據(jù)RTP頭中的sequence number域，可以在接收端很輕易地發(fā)現(xiàn)包丟失，為丟包修復(fù)奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)丟包是單個(gè)丟包，兩個(gè)或兩個(gè)以上包丟失的比例較小。針對(duì)單個(gè)包的丟失，傳統(tǒng)的丟包處理方法有兩種：一種方法是重發(fā)，但在傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，重發(fā)將引起播放質(zhì)量下降，出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別的話音或回音現(xiàn)象;另一種方法是忽略，這同樣會(huì)影響播放質(zhì)量。更好的方案是使用拆分法優(yōu)化丟包損失。拆分法的基本思想是：在發(fā)送端把原來(lái)要打入一個(gè)RTP包的話音數(shù)據(jù)按照采樣間隔分成兩塊，然后采用相同的壓縮算法分別壓縮、打入RTP包，并標(biāo)記相同的時(shí)印進(jìn)行傳輸。在接收方執(zhí)行相反的過(guò)程，把解壓縮后的數(shù)據(jù)采樣、合并、回放。

　　如果某個(gè)RTP包在傳輸過(guò)程中丟失，那么丟失的只是原數(shù)據(jù)包按采樣間隔的一半信息，接收端可以用接受到的另一半信息，利用插值等方法恢復(fù)出原話音包的大部分信息，從而使話音質(zhì)量不至于下降太多。拆分法的主要思想如圖4所示。



4 結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，在分析RTP協(xié)議的基礎(chǔ)上，探討了基于RTP協(xié)議的QoS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的一些方法，并提出了解決在流媒體中存在的語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量保證的策略。避免語(yǔ)音通信實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，減小了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)使抖動(dòng)的影響減低，改善了語(yǔ)音傳輸效果。目前，IP電話用戶數(shù)每年正以239%的速度增長(zhǎng)。下一步將以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出基于RTP的一個(gè)應(yīng)用模型，進(jìn)行深層開(kāi)發(fā)研究。

中國(guó)通信網(wǎng)(www.c114.net)

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