多媒體網絡可靠性分析系統實現

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）

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

本文設計并實現了一個多媒體網絡可靠性分析系統，同時提出了一種綜合可靠性評價方法。本系統采用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，通過對多媒體網絡中傳輸的數據包進行捕獲及分析，利用數據包分析處理模塊、可靠性統計分析模塊及視頻播放模塊，實現了視頻的實時遠程播放功能，并最終實現了從客觀和主觀兩方面對多媒體網絡可靠性測量與分析工作，同時在最后給出了實驗結果及分析。

1 多媒體網絡可靠性與流媒體傳輸協議

1.1 多媒體網絡的可靠性評估模型

網絡可靠性可以分為三層評估模型[2]，分別是連通可靠性、性能可靠性以及業務可靠性。這三個層次的可靠性分別都有不同的側重點，所要關注的用戶也是不同的。傳統的可靠性主要是分析物理失效的故障，但是對于多媒體網絡，網絡可靠性主要應該考慮性能可靠性和業務可靠性這兩層。因此，本文主要是從網絡的業務/服務層來主要測試和分析多媒體網絡的業務可靠性，以網絡可靠性指標之一的網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的視頻質量分析模型

MDI（Media Delivery Index）即媒體質量傳輸指標，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的視頻質量分析模型用來評估視頻質量的參數。這兩個參數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量進行評價。

2）直接表現出與視頻質量有關的網絡問題。

3）在多媒體網絡上進行測量，與上層傳輸協議的類型以及視頻編碼壓縮類型無關。

4）可用于實驗室環境中，能夠準確分析特殊設備對媒體質量的影響。

5）適合實時的多媒體網絡的流媒體質量評價。

1.3 RTP簡介

RTP的每條報文都是封裝在用戶數據包協議中的[4]，且在UDP協議上運行。在一般情況下，RTP協議的UDP端口號都是偶數。這也決定了RTP協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據包提供可靠的傳送機制。因此，RTP協議必須依靠實時傳輸控制協議RTCP，圖1所示為RTP協議的首部格式。

1.4 RTCP簡介

RTCP是RTP的控制協議[4]，它的主要功能是為RTP的視頻數據傳輸提供擁塞服務控制和流量控制。其實現過程是：RTCP在Internet上周期性地傳送包含已發送和丟失數據包的數據統計信息的RTCP包，這些數據包可以用來提供數據分發質量的反饋信息，進而實現了網絡控制和監測功能。為了便于傳輸，RTCP報文也封裝在用戶數據報協議中，其端口號比RTP協議的端口號大1，即是RTP協議端口號的下一個奇數位的端口號。

通過RTP協議和RTCP協議的配合使用，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化，由此可以看出，它們是專門用來實時傳送多媒體網絡流媒體數據。

2 算法實現及系統設計

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據進行歸一化處理，最后給出一個量化的、直觀的可靠性結果，即綜合可靠性評價方法。

綜合可靠性評價的公式為

式中：R表示多媒體網絡系統的總可靠性參數；DFi表示第i個探測包在周期；T時間內的時間延遲；M表示在一個周期內的平均時間延遲，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，可以根據多媒體網絡的具體需求調整，其關系式如式（5）所示。

2.2 系統設計

本系統是采用客戶端與服務器端模式來實現的，系統主要由視頻采集端、流媒體服務器、網絡模擬器、客戶端組成。本系統的仿真整體結構布局如圖2所示。

本系統主要實現的模塊有RTP包分析處理模塊、RT?CP包處理模塊、統計分析模塊、解碼播放模塊及可視化模塊等4個部分。本系統的總體框架結構圖如圖3所示。

2.2.1 RTP包分析處理模塊

RTP數據包的主要識別流程圖如圖4所示。為了實現對多媒體網絡視頻數據的實時遠程播放，需要對識別過程中保存的RTP數據包進行還原，其實現流程如圖5所示。

圖4 RTP數據包的識別流程圖

2.2.2 RTCP包處理模塊

本系統客戶端的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 可靠性統計分析模塊

為了準確地分析多媒體網絡的可靠性，首先要將存儲在緩沖區內的RTP/RTCP數據包進行處理和統計分析，也就是對RTCP包的SR包及RR包進行拆分和統計；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絡可靠度，其主要流程圖如圖7所示。

圖7 可靠性分析統計流程圖

3 實驗結果分析

3.1 測試環境

實驗測試環境配置如表1所示。

表1 實驗測試環境配置

實驗測試的指標參數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。

3.2 測試結果

為了使實驗結果更具有可信性，實驗次數均為10次。實驗測試詳細參數如表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，多媒體網絡的可靠度變化較大。客戶端在對視頻數據進行播放時出現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時實驗測試結果

表3 時間延遲0 ms時實驗測試結果

4 小結

本文通過對多媒體網絡可靠性、基于MDI的視頻質量分析模型以及RTP/RTCP協議的研究與分析，提出了綜合可靠性分析算法，最終實現了多媒體網絡可靠性分析系統。

本文實現的多媒體網絡可靠性分析系統是基于主動測量的C/S模式下實現的，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合，得到了一個可以較為準確地分析多媒體網絡可靠性的分析系統。

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

[2]李達.基于流量采集與參數測量的網絡可靠性分析系統的設計與實現[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.流媒體傳輸協議的研究[D].成都：電子科技大學，2004.