（计算机科学与技术专业论文）iptv性能测量探针的设计与实现.pdf

i p t v 测量系统的设计与实现 i i 一 ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：迦厶! 兰：塑 i p t v 性能测量探针的设计与实现 产 旷 i p t v 性能测量探针的设计与实现 i p t v 性厶匕r , 4 泪y “u 量探针的设计与实现 摘要 随着全口网络的发展和用户网络接入速率的提高，i p t v 成为诸多运营商追 捧的杀手级服务。i p t v 服务是一种高实时性，大数据量的业务，用户体验至关 重要。i p t v 网络覆盖范围大，为了提供更好的服务质量，就需要使用相应的性 能监测系统对核心网和i p t v 业务系统进行监测和管理。 传统的网络监测方案重点关注网络传输质量，通过测量时延，抖动，丢包等 指标来衡量网络性能，没有考虑i p l v 网络的特殊性，不能很好的检测i p t v 网 络的性能。r f c 4 4 4 5 提出了通过测量m d i 指标来衡量i p t v 网络性能的方法。 除此之外，针对i p t v 不同的业务，测量和用户体验密切相关的指标如频道切换 时间，平均响应时间等可以更准确的衡量i p t v 用户体验质量。本文综合使用上 述方法结合的方案来衡量i p t v 网络性能。通过使用不同的测量算法，我们能够 获得i p t v 网络不同层面的性能指标。 系统的可扩展性是设计i p t v 性能测量探针时重点考虑的问题，模块化的设 计使得探针能够灵活的支持多种类型性能指标的测量。测量探针在测量模式上支 持单端测量和双端测量，多样的测量模式能够灵活的在复杂网络情况下丌展测 量。测量系统还充分利用现有研究成果，使用编解码库f f m p e g 和绘图库s d l ， 一方面简化了开发工作量，另一方面使系统得以支持多种视频编码方式。 本文首先分析了现有i p t v 网络测量方法存在的不足，指出i p t v 性能测量 系统的重要意义。然后介绍了i p t v 性能测量探针依赖的主要技术，包括流媒体 传输技术和网络测量技术。接下来对i p t v 性能探针架构进行了分析，确定了 i p t v 性能测量探针的实现的原则和使用的测量指标。随后给出了各个组件及其 交互协作过程的详细设计。接着讨论了系统的实现，包括开发环境介绍和组件的 实现技术。最后，对i p t v 性n j , o 量探针进行了功能测试和试验分析。 关键词：i p t v 网络测量m d if f m p e g i p t v 性能测量探针的设计j 实现 h 产 盘 以 一 t r m o n i t o r i n gs y s t e mi sn e e d e dt om o n i t o ra n dm a n a g ei p t vs y s t e m sa n dt h ec o r e n e t w o r k t r a d i t i o n a ln e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mf o c u s e do nn e t w o r kt r a n s m i s s i o nq u a l i t y b ym e a s u r i n gn e t w o r kl a y e ri n d i c a t o r ss u c ha sd e l a y ，j i t t e ra n dp a c k e tl o s s w i t h o u t c o n s i d e r i n gt h es p e c i a ln a t u r eo fi p t vn e t w o r k i ti s n tg o o de n o u g hf o ri p t v n e t w o r k r f c 4 4 4 5p r o p o s e dam e t h o db ym e a s u r i n gt h em d ii n d i c a t o rt om e a s u r e t h eq u a l i t yo fi p t v c o m p a r e dw i t hn e t w o r kl a y e ri n d i c a t o r m d ic a nr e f l e c tt h e p e r f o r m a n c eo fi p t vn e t w o r km o r ee x a c t l y i na d d i t i o n a p p l i c a t i o nl a y e ri n d i c a t o r s s u c ha sc h a n n e ls w i t c h i n gt i m ea n dt h ea v e r a g er e s p o n s et i m ea r ea l s og o o dc h o i c et o m e a s u r et h eq u a l i t yo fi p t vn e t w o r k t h i sa r t i c l eu s e sb o t ho ft h et w om e t h o d st o m e a s u r ei p t vn e t w o r kp e r f o r m a n c e s y s t e ms c a l a b i l i t yi sc o n s i d e r e dak e yi s s u ef o rd e s i g n i n gi p t vp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n tp r o b e m o d u l a rd e s i g nm a k e sp r o b eb ef l e x i b l ea n dc a ns u p p o r t m u l t i p l et y p e so fp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t se a s i l y t h ep r o b es u p p o r t ss i n g l e - e n d m e a s u r e m e n ta n dp e e r - t o - p e e l m e a s u r e m e n tw h i c hc a nb ev e r yu s e f u li nt h ec a s eo f c o m p l e xn e t w o r k s t h eu s eo ff f m p e ga n ds d ll i b r a r yo nt h eo n eh a n dc a n s i m p l i f yt h ed e v e l o p m e n tw o r k l o a d ；o nt h eo t h e rh a n da l l o wt h es y s t e mt os u p p o r t v a r i o u sv i d e oe n c o d i n g t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e ss h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gi p t vn e t w o r km e a s u r e m e n t m e t h o d t h e nw ei n t r o d u c em a j o rt e c h n o l o g i e sw h i c hm e a s u r e m e n tp r o b er e l i e so n i n c l u d i n gs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r km e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s n e x t ，w ed i s c u s s e dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ep r o b e ，a n dt h e nw ed e s c r i b et h e d e t a i l e dd e s i g no fm o d u l e s s u b s e q u e n t l y ，t h ei m p l e m e n to ft h ep r o b ei n c l u d i n g d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dm o d u l e s i m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e si sd i s c u s s e d f i n a l l y w eg i v et h et e s t i n gr e s u l t so ft h ei p t vp r o b e k e y w o r d s ：i p t v ，p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，s t r e a m i n gm e d i a ，m d i ，f f m p e g i i i i p l v 性能测量探针的设计与实现 广 ， i p t v 性能测量探针的设计与实现 目录 第一章绪论1 1 1选题背景及意义1 1 2主要研究工作及贡献2 1 3论文组织结构2 第二章i p t v 技术概述4 2 1i p t v 系统构成4 2 2i p t v 业务类型及相关协议4 2 2 1r t p r t c p 协议简介5 2 2 2r t s p 协议简介7 2 2 3m p e g t s 协议简介8 2 2 4f f m p e g 库简介8 2 3i p t v 性能测量的主要技术思想和实现手段8 2 3 1网络层测量9 2 3 2 应用层测量9 2 3 3i p t v 测量现有研究成果9 2 3 4i p t v 测量的现有产品1 0 2 4 i p t v 性能澳9 量指标1 2 2 4 1网络层测量指标1 2 2 4 2应用层测量指标1 3 2 5本章小结1 4 第三章i p t v 性能测量探针设计16 3 1i p t v 性能测量系统总体架构1 6 3 2i p t v 性能测量探针总体设计1 8 3 3i p t v 性能测量探针组件设计1 9 3 3 1通信组件19 3 3 2调度控制组件2 0 3 3 3流解析组件2 1 3 3 4测量组件2 3 3 3 5模拟服务器组件2 5 3 3 6节目源探测组件2 7 3 4系统通信2 9 3 5 本章小结3 3 第四章i p t v 性能测量探针实现3 4 4 1开发环境3 4 4 2代码结构3 4 v i p t v 性能测量探针的设计与实现 4 3 i p t v 性能测量探针组件实现3 5 4 3 1 通信组件实现3 5 4 3 2控制调度组件实现3 6 4 3 3流解析组件实现3 8 4 3 4测量组件实现4 1 4 4 测量探针界面与使用4 3 4 5本章小结4 4 第五章 i p t v 性能测量探针测试及结果分析4 5 5 1 测试环境搭建4 5 5 2 功能测试4 6 5 3 实验分析4 9 5 3 1 网络层指标测试4 9 5 3 2 应用层指标测试5 l 5 3 3 实验结论5 3 5 。4 本章小结5 3 第六章结束语5 4 6 1 论文总结5 4 6 2 未来研究工作展望5 4 6 3 研究生期间工作5 5 6 3 1 发表论文5 5 6 3 2 参与项目5 5 6 3 3 主要负责的工作5 5 6 3 4提交文档5 6 参考文献5 7 j 酵【谢5 8 v i i p t v 性能测量探针的设计与实现 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 i p t v 业务是在i p 网络上发展出来的新兴业务，它提供组播、点播等视频功 能，而且结合通讯技术，使用户互动地参与视频。i p t v 业务在全球迅速发展， 成为电信运营商新的收入增长点。而保障良好的用户体验质量( q o e ，q u a l i t yo f e x p e r i e n c e ) 是i p t v 业务得以成功发展和推广的关键所在。由i p t v 网络设施、 协议和业务的复杂性，运营商在日常的网络开通、维护工作中面临着许多新的 问题： 1 ) 缺乏对i p t v 业务的分析监控。与i p 城域网上现有的数据业务、语音业 务相比，i p t v 业务具有大带宽、实时性强的特点，对i p 网络的要求很 高。过去i p 网络被认为能够容忍的一些缺陷给l p t v 业务带来了很大的 负面影响，丢失一个承载了i p t v 视频信息的数据包就可能在i p t v 终端 上出现马赛克、黑屏等现象。i p t v 网络能够接受的丢包率为0 0 0 0 1 ， 可接受的延迟抖动为1 0 m s 。当前的i p t v 设备提供商的网管系统侧重于 发现设备本身的问题，对业务质量的监测能力较弱。 2 ) 传统服务质量分析的局限性。传统的服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 分析只停留在数据链路层和网络层，如带宽利用率、丢包率、延时、抖 动等网络性能参数，未能结合业务层面进行综合评测分析，另外，基于 网络性能方面的监测无法准确反映提供用户的业务质量情况，如语音质 量、视频质量、频道切换时间等。只有采用应用层参数测量的方法才能 获得真实的i p t v 网络性能参数。 3 ) 缺乏集中式监控方法。i p t v 用户分布地域范围广泛，当接到用户投诉时， 传统的服务质量监控方法需要大量的人力携带仪表到用户所在的地域排 查故障，解决问题。这样的解决方法具有滞后性并且效率低下。 因此运营商需要一种高效的监控系统，这种系统可以针对i p t v 业务的特性 提供业务质量的监控，能够监测网络层，应用层的多种网络性能参数，能够提供 集中式的监控平台，使得少量的运维人员可以监控大范围的i p t v 网络。 i p t v 性能测量探针的设计j 实现 1 2 主要研究工作及贡献 本文的主要研究工作有： 1 ) 文献调研与产品调研：通过阅读各类文献资料，协议标准和各大厂商的 产品资料，确定了进行i p t v 网络性能测量研究的可行性。 2 ) 分析视频质量测量指标：通过分析比较现有视频质量测量指标，确定采 用m d i ，频道切换时间，平均响应时1 白j 等作为i p t v 性能测量指标。 3 ) 分析i p t v 媒体服务器的实现方法，分析i p t v 节目源探测的实现方法。 为测量系统提供辅助工具。 4 ) 探针的设计与实现：探针的设计与实现包括监测探针总体结构和各个组 件的设计与实现。 5 ) 探针测试与分析：为了检验测量探针的准确性和可靠性，在直播模式和 点播模式下测量i p t v 网络性能质量，并给出相关检测指标的经验值 本文的主要贡献在于： 1 ) 深入研究r f c 4 4 4 5 定义的m d i 指标，实现了m d i 参数测量算法。 2 ) 设计实现了一种可以采集多种测量指标，提供多种测量辅助功能，便于 集中控制的i p t v 性能测量探针。 1 3 论文组织结构 本文后续部分的组织结构如下： 第二章介绍i p t v 网络关键技术和业务分类，i p t v 网络相关的流媒体传输 协议及协议的开源实现：f f m p e g 库。本章还介绍了r p t v 测量技术的概念、分 类和主要实现手段。目前国内外对测量技术相关方面的研究成果。讨论了i p t v 系统常用的性能测量指标。 第三章介绍i p t v 测量探针的设计方案，包括系统总体结构和各个组件的详 细设计。 第四章给出了i p t v 测量探针的实现方案，重点讨论了m d i 等测量指标的 实现算法和一些功能模块的实现方案。 第五章结合具体的网络环境对本测量系统进行全方面的测试和分析，以实例 证明其在实际应用中的价值。 2 ，- 说 i p t v 性能测量探针的设计弓实现 第二章i p t v 技术概述 2 1 l p t v 系统构成 ，。 b * _ 1 ”“ v i d e oh e a de n d l c o r en e t w o r k a 。g r e g a t t o ro n da c c e 舄n e g r o &c u s t o m e rp r e m i 鲥 i 、厂畛滁，l ，一”k t 厂 ，蕾。、i 二一、k - 缴锄t 譬，罔 z 一1 。焉磊： + “e 已 妇b k ：、 ，弋m c 缪，一， j r 一撼一x一1 智 瀚 一1 ：群 沙1 书；丫c o e ，嘲 g 謦 了 f 函“ l 羼 lrigoeov,-oh e a d 。鼍一 |葚 鏊纛羔，笼j 霭憋z 警童童惑豫。0 。j j 。一。? ，j 。强 ? 图2 - l 典型i p t v 构成 典型的i p t v 网络由四部分组成：视频源，i p 核心网，业务汇聚和用户接入 部分，家庭用户端。视频源提供i p t v 节目源，按照i p t v 业务类型的不同节目 源可以是视频服务器或者卫星节目实时编码器。i p 核心网一般与其他业务共用。 用户使用拨号网络或者光网络接入i p t v 网络，用户使用机顶盒来接受i p t v 网 络节目通过终端播放出来。 2 2i p t v 业务类型及相关协议 i p t v 包括两种基本业务：视频点播业务和直播业务。点播接受具有个性化， 接受内容和接受时间取决于用户喜好，具有实时交互的特点；直播接收对用户来 说是被动的用户对内容选择的余地只限于所提供的频道，是非交互性的。两种业 务的传输采用不同的技术，直播业务使用组播技术来为户提供请求的内容，用户 通过加入某个组播组获得相应的媒体流，组播技术降低了网络传输流量，也提高 了响应速度。点播业务需要为每个用户提供个性化的服务，每个用户请求的内容 可能不同，媒体服务器需要为每个用户提供一份媒体流，为了提高用户体验，加 快用户相应速度，多使用c d n 技术来分发用户请求内容。 4 ，- 广 i p t v 性能测量探针的设计与实现 i p t v 业务具有数据量大，传输实时性要求高等特点，传统的传输协议不能 很好的保证媒体文件的及时有效传输。r t p r t c p 协议，r t s p 协议可以保证流 媒体实时的在网络中传输的协议，m e p g t s 协议为流媒体提供了高效的封装格 式。直播业务采用的协议格式如图2 2 所示，点播业务采用的协议格式如图2 3 所示。 篓霉i 雾篓囊荔荔霪篱鍪甏熬霾蕤鏊篓纛襄荔鬟 囊豢蔫蕤瓣豢鍪纛鬣鬻 图2 - 2 直播业务协议栈 ：毫爹辫霪蓊麓麓麟戮蘸糕鬟 l 豢：麓，鬻鬣瞩鍪朦麓蘸落甏簇 麓j j 蒸鬟霾缀麟鬣瀚缓簇荔鍪秀 2 2 1r t p r t c p 协议简介 图2 - 3 点播业务协议栈 r t p 协议是一种传输协议，主要针对互联网上的多媒体数据流，r t p 不涉及 质量保证等实时服务，r t c p 协议扩充数据传输以允许监控数据传送，提供最小 的控制和识别功能。因此，r t p 和r t c p 协议一起提供浏览控制和拥塞控制服务。 r t p 协议工作模式是一对一或一对多的传输，其目的是提供时问信息，实现 流同步。当应用程序开始一个r t p 会话时，将会使用两个端口：一个给r t p ， 一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传输数据包提供可靠地传送机制，也不 提供流量控制或拥塞控制，而是依靠r t c p 提供这些服务。在r t p 会话期间， 各个参与者周期性的传送r t c p 包，r t c p 包中包含已发送的数据包的数量和丢 失的数据包的数量等统计数据，因此，服务器可以利用这些信息动态的改变传输 l p t v 性能测量探针的设计j 实现 速率，甚至改变有效载荷类型。通常r t p 算法并不是作为一个独立的网络层来 实现，而是最为应用程序代码的一部分，它与r t c p 一起设计成独立传输和网络 层配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使得传输效率最佳，因而特别适合传 输网络上的实时数据。 实时传输协议r t p ( r f c 3 5 5 0 ) 提供了实时信息的端对端传输业务，如交互 的语音和图像；这些业务包括负载类型识别，序列编号，加入时间标志，传输监 视。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但也可以在t c p 等其他协议之上工作。r 1 甲 包头格式如图2 3 所示。 开始1 2 个八进制出现在每个r t p 包中，而c s r c 标识列表仅出现在混合器 插入时。各段含义如下： 版本( v ) ：2 位，标识r t p 版本。 填充标识( p ) ：1 位，如设置填充位，在报文尾部将包含附加填充字，它不 属于有效载荷。填充的最后一个八进制包含应该忽略的八进制计数。某些加密算 法需要固定大小的填充字，或为在底层协议数据单元中携带几个r t p 包。 图2 - 4 r t p 报天头邵 扩展( x ) ：1 位，如设置扩展位，固定报文头部后跟一个头部扩展。 c s r c 计数( c c ) ：4 位，c s r c 计数包括紧接在固定头后c s r c 标识符个 数。 标记( m ) ：1 位，标记解释由设置定义，目的在于允许重要事件在数据流 中标记出来。设置可定义其他标示位，或通过改变位数量来指定没有标记位。 载荷类型( p t ) ：7 位，记录后面资料使用哪种c o d e e ，r e c e i v e r 端找出 相应的d e c o d e r 解码。 序列号：1 6 位，序列号号随每个r t p 数据包而增加1 ，由接收者用来探测 6 包损失。序列号初 时标：3 2 位， 刻必须从单调、线性增加的时钟导出，以允许同步与抖动计算。时标可以让 r e c e i v e r 端知道在正确的时间将资料播放出来。 同步源标识：3 2 位。在实际应用中用一种算法用来产生随机的标识符，可 以使得在同一r t p 会话中的两个同步源有相同的标识符。 r t c p 控制协议与r t p 数据协议配合使用。r t c p 协议将控制包周期发送给 所有连接着，应用与数据包相同的分布机制。应用程序接受r t c p 控制分组，从 中获得会话参与者的有关信息如网络状况，分组丢失率等反馈信息，可以用于服 务质量控制和网络状况诊断。 2 2 2r t s p 协议简介 r t s p 协议定义了一对多应用程序如何有效的通过i p 网络传输多媒体数据。 r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，使用t c p 或i m 完成数据传输。 和h t t p 协议相比，h t t p 传送h t m l ，而r t s p 传送多媒体数据。h t t p 请求 由客户发出，服务器做出响应。而r t s p 可以是双向的，即客户和服务器都可以 发出请求。 r t s p 是一个流媒体表示控制协议，用于控制具有实时特性的数据发送，但 r t s p 本身并不传输数据，而必须利用底层传输协议提供的服务。r t s p 提供对 媒体流的类似于v c r 的控制功能，能播放，暂停，快进等。也就是说，r t s p 对 多媒体服务器实施网络远程控制。r t s p 中定义了控制中所用的消息，操作方法。 状态码等，此外还描述了与r t p 的交互操作。 r t s p 控制通过单独协议发送的流，与控制通道无关。例如，r t s p 控制可 通过t c p 连接，而数据流通过u d p 。因此，即使媒体服务器没有收到请求，数 据也会继续发送。在连接生命期，单个媒体流可通过不同t c p 连接顺序发出请 求来控制。所以，服务器需要维持能联系流与r t s p 请求的连接状态。r t s p 中 很多方法与状态无关，但下列方法在定义服务器流资源的分配与应用上起着重要 的作用： s e t u p ：让服务器给流分配资源，启动r t s p 连接。 7 i p t v 性能测量探针的设计j 实现 p l a y 与r e c o r d ：启动s e t u p 分配流的数据传输。 p a u s e ：临时停止流，而不释放服务器资源。 t e a r d o w n ：释放流的资源，r t s p 连接停止。 标识状态的r t s p 方法使用连接头段识别r t s p 连接，为响应s e t u p 请求， 服务器连接产生连接标识。 2 2 3m p e g - t s 协议简介 m p e g t s ( m p e gt r a n s p o r ts t r e a m ) 协议是一种媒体数据封装协议， 它将 多元的语音和视频流封装并承载在r t p u d p 或者直接在u d p 上进行视频传送， 并且通过p i d 进行语音和视频的同步。t s 流可以分为单节目的t s 流( s p t s ， s i n g l ep r o g r a mt s ) 和多节目的t s 流( m p t s ，m u l t i p l ep r o g r a mt s ) 两种。通 常情况下，一个u d p 或者r t p u d p 数据包中，可以包括l 7 个t s 帧，一个 t s 帧长为1 8 8 个字节。每个i p 包单面包括整个或者部分视频图像信息。 2 2 4f f m p e g 库简介 f f m p e g 是一个开源的项目，它提供了对视频和音频转换和处理的支持。 f f m p e g 可以处理绝大多数的视频和音频格式，是对音视频进行转换处理的 首选。f f m p e g 在l i n u x 上进行开发，但是可以在包括w i n d o w s 等其它平 台上进行编译。 f f m p e g 中包含下面两个主要的库： 1 ) l i b a v e o d e c 一个包含了所有f f m p e g 音视频编解码器的库。为了保证 最优性能和高可复用性，大多数编解码器是从头开发的。 2 ) l i b a v f o r m a t 一个包含了所有的普通音视频格式的解析器和产生器的库。 通过使用f f m p e g ，可以降低m t v 性能测量系统的复杂性，加快开发速度。 2 3i p t v 性能测量的主要技术思想和实现手段 网络性能测量主要思想是通过收集网络上的数据包并对它们进行提取和分 析来把网络的各项特性呈现出来。在具体实现时，需要充分利用网络协议和网络 设备的各种特点，对不同的测量目标分别找到各自的测量手段。 i p t v 性能测量探针的设计与实现 2 3 1 网络层测量 网络层测量是传统的互联网q o s 测量方法，是指对数据 能进行测量，主要采用一些主动测量的方法获得网络层性能指标，并以此来判断 数据流传输时i p 报文的排队拥塞和丢包情况。网络层指标较多，常用的网络层 指标有：单向时延，单向丢包率，单向抖动，双向时延，双向丢包率，双向抖动， 瓶颈带宽和可用带宽等。 2 3 2 应用层测量 应用层性能测量是指对具体的应用层业务进行更加针对的测量。应用层测量 的指标和具体的应用相关。应用层的测量指标主要以用户的使用体验为依据制 定。例如对i p t v 系统进行性能测量，可以以“频道切换时间”、“m d i ”、“平均 响应时问 等作为测量指标。 另外，应用层性能测量还应该包括在特定应用出现时的网络层性能指标。 应用层性能测量从用途上可以分为两大类：对现有应用平台的性能测量；对 现有网络环境进行测量以对某种特定的应用平台的部署进行指导。前者可以把测 量模块( 可以是硬件或者软件) 嵌入现有的应用平台，通过被动分析的方式进行 测量；后者可以事先模拟未来应用平台的网络特性，在此基础上进行一些预测和 分析，但无法获知详细的应用层指标。本文从用途上来说属于后者，通过实现一 个真正的流媒体传输系统，能够获取详细的应用层指标。 2 3 3i p t v 测量现有研究成果 与传统互联网业务关注q o s 不同，i p t v 业务更加关注q o e 。q o e 是q u a l i t y o f e x p e r i e n c e 的简称，是从普通用户体验的角度评定设备或网络的性能，而不是 采用业界通常使用的各种专业指标，比如时延、丢包率和抖动等。由于其良好的 结果直观性，并容易被非专业人士理解，所以q o e 的各种指标得到了广泛认可 和应用。i p t vq o e 的测试主要包括两个指标，视频质量的测量和用户互动质量 的衡量。主流的视频质量测量指标有m d i ，m o sv 和p e v q 等三种方法。用 户互动质量可以通过频道切换时间和v o d 平均响应时问来衡量。 m d i 是2 0 0 6 年4 月正式发布的r f c4 4 4 5 规范，对i p 视频流的传输质量标 识为：d f ：m l r 。与一般的二、三层抖动( i n t e r a r r i v a lt i m e ) 计算相比，d f 指标是专门针对媒体流的，他的计算因子是媒体流速率，而不是一般的物理传输 速率。因此它可以很好地被用来评估视频的传输和播放质量。m d i 参数的具体 定义见2 3 2 节。 m o sv 是客观的视频质量评定指标( o b j e c t i v ea s s e s s m e n tf a c t o r ) 。该指标 9 i p t v 性能测量探针的设汁0 实现 目前是i t uf o c u sg r o u po ni p t v 推荐的重要q o e 指标。m o sv ( m e a n o p i n i o ns c o r ef o rv i d e o ) 是将图像质量划分为0 5 的等级来评定图像质量的好 坏，是以用户感知的角度来评价视频质量。评定视频质量时综合考虑丢包率，抖 动和编码类型等多种因素。其是以v s p q 因子为基础得到的视频评定指标。 v s p q ( v i d e os e r v i c ep i c t u r eq u a l i t y ) 是一种和编码类型相关的主观视频质量计 算方法，计分范围从0 1 0 0 。v s p q 根据编码类型码流速率经过复杂的理论计算 处理得到初始值，该视频流经过网络传送造成的损伤后( 丢包和抖动) 得到最终 的v s p q 值。 视频质量的评定方法可以分为3 类：全参考型( f u l lr e f e r e n c e ) ，部分参考 型( r e d u c e dr e f e r e n c e ) 和无参考型( n or e f e r e n c e ) 。m d i 和m o sv 都属于无 参考型的视频质量评定方式。p e v q ( p e r c e p t u a le v a l u a t i o no f v i d e oq u a l i t y ) 有知觉 的视频质量评定，是一种全参考型( f m lr e f e r e n c e ) 、插入式( i n t r u s i v e ) 的视频 质量评定方法。它采用类似语音质量测试中大家熟悉的m o s ( m e a no p i n i o n s c o r e ) 计量方式评定视频流通过网络之后，根据多个关键性能指标k p i s ( k e y p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ) 结合人的视觉系统来测试和验证视频流的质量。 2 3 4i p t v 测量的现有产品 到目前为止，各厂商推出的i p t v 测量解决方案各有侧重点，测量指标也不 是很统一，但基本都实现了上述q o e 测试指标。 m d i 指标的提出者i n e o q u e s t 公司的解决方案是：使用实时监控仪表监控 i p t v 网络关键网元节点的视频流，在发现故障后，使用手持式仪表到故障发生 的地点进行逐级的排查。i n e o q u e s t 仪表能够实时分析i p t v 网络上传输的所有数 据流，智能辨认出不同的业务：视频，音频和数据，用r f c 4 4 4 5m d i 标准实时 分析视频流的质量。i n e o q u e s t 仪表的主要功能是： 令提供对m p e g t s 封装的深入分析。 夺对捕获的i p t v 视频样本进行离线分析。 夺实时观看正在传输的视频内容。 夺根据需要动态产生各种流量的视频流。 s p i r e n t ( 思博伦) 的t r i p l ep l a y ( 三重播放) 测试方案是一个集成的测试 平台，可以通过模拟真实世界进行基于t r i p l ep l a y 的i p t v 系统的测试。s p i r e n t 的i p t v 测试包有如下特征： 夺每端口仿真数千个正在做频道切换的用户 夺可扩展到数百个端口 夺利用仿真的传输流或真实的视频源进行测试 1 0 夺 夺 夺 创建用 利用显 确定没有传输流( 空隙) 和同时存在两条频道( 重叠) 的最小最大 平均时间 这一平台可以用来： 令确定数百或数千条频道对网络造成的影响 令评估关键性能参数，如s t b 和其它组播设备的频道同隙和频道重叠 夺利用分布在数百端口上的数千位更换频道的客户，对边缘聚合设备的背 板进行压力测试 夺利用仿真真实环境中服务器传输流的测试设备，在理想环境下进行基准 测试 令通过周密的报告和信道缓冲器分析频道故障或视频质量问题 摩畸 擘畸， 烽畸 图2 - 5s p i r e n tt e s t c e n t e ri p t v 测量部者图 这一平台还可以模拟网络损伤，并测试网络损伤对i p t v 系统的影响。但在 对视频质量的支持上，该平台目前只支持丢包检查，并不支持更细节的在解码层 次上的参数，如丢帧率，马赛克率等。 a g i l e n tj 6 9 0 0 a 三重播放分析仪在一个平台设备上提供了全面的分析和故障 诊断能力，能够对话音、数据和视频业务进行监测和故障诊断。该分析仪能够精 确测量v o i p 、i p t v 和v o d 体验质量，还能进行实时频道切换分析。其中的视 频体验质量( q o e ) 测量通过在线测量方法( 包括视频质量测量技术，可精确预 测i p t v 和v o d 数据流的m o s ( 平均意见得分) ) ，可对媒体传输和服务质量 ( q o s ) 标准进行简单、精确的诊断。主要视频q o e 测量包括： 令对r t p 和u d p 上的m p e g 2t s 视频流的自动检测和分析 i p t v 性能测量探针的设计实现 e t s it r10 12 9 0m p e g 传输数据流优先级事件和分析 不变和可变比特率数据流的r f c4 4 4 5 媒体传输系数( m d i ) 分数 使用预测性m o s 技术进行的在线视频质量分析，用于无源话 音清晰度m o s 评分 i p 网络性能和r t p 统计数据( 例如视频业务的抖动、丢包和 延迟) 的精确测量 m p l s 和i p v 6 网络上的视频分析 视频数据流( 包括音频) 实时解码和查看 i p t v 组播数据流和单播v o d 数据流的r t s p 命令响应时间的 无源频道切换分析 j 6 9 0 0 a 三黪绥教分插技 * “* * m m “* “ 餮 瀛i 一犷。分布式分桥 m 1 _ r - - 一 。m ，。簸署燕 超级头端 l p 援m 心p l s j 6 9 0 0 a 三赡镶放分析饺 蠼紫。一 i0 缀黝 嬲 ，：； 分布式分析 - ， “ o j e 嚣0 3 b d n a 豫母 啪嚣箨嚣 撬额锗逶中心糍旋网络 图2 - 6 安捷伦三重播放分析和故障诊断解决方案 该测量平台是针对现有的i p t v 运行网络的。一些数据监测和网络分析仪被 安插在i p t v 运营网络的各种位置，各自上报信息以供处理和分析。 2 4i p t v 性能测量指标 2 4 1 网络层测量指标 网络层测量指标主要包括：时延，抖动，丢包率，可用带宽等。 我们利用i 玎p 协议头部的序列号，时间戳字段来计算丢包率。设监控周期为 t ，在t 时间段内接收到的r t p 报文为：足胛y = e l l + 只：+ 己，则在t 时间段 1 2 夺令夺夺夺令今夺今 毒 一掣 一 可用带宽也是评价网络性能的重要指标。某段链路的可用带宽是指该链路的 物理带宽减掉背景业务流量所消耗的带宽后剩下的那一部分可以使用的带宽。由 于网络中的一条路径通常是由多段物理链路连接而成的，因此，端到端可用带宽 就是指一条网络路径中可用带宽最小的链路上的可用带宽。可用带宽会随着背景 业务流量的变化而实时变化。 2 4 2 应用层测量指标 应用层测量指标主要包括：m d i ，频道切换时问，v o d 平均响应时间等。 m d i 包括两个参数延迟因子( d e l a yf a c t o r ) 和媒体丢失率( m e d i ad e l a yl o s s ) 。 一般来说，i p t v 的服务器端以固定的码率传输i p t v 视频，客户端以固定的 码率解码并播放视频，由于网络拥塞等原因，视频流到达客户端的速率并不恒定， 这时就需要使用缓冲区来平滑视频流到达速率的波动。过高或过低的视频流到达 速率都会给缓冲区带来麻烦，如图2 7 所示：理想的情况时视频流到达的速率和 客户端解码的速率一致，这样就不再需要缓冲区了，过低的到达速率会导