（通信与信息系统专业论文）3g网络实时视频传输中的丢包控制机制研究.pdf

i i i i i ir l lr lii i ii i i iu i 19 3 2 9 4 9 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 敝储繇a 。1 耠 日期：如，j i 年上月乡d 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权海南大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交 “c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。回童途塞 论文作者签名：墨影畚余 日期：丑f 年上月；口日 一名孝砌 醐：夕，年j 月乡d 日 海南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着移动通信技术和多媒体通信业务的发展，无线视频传输系统已广泛应用于生产 和生活的各个领域。3 g 网络为传输大信息量的视频媒体提供了平台，保证了视频传输 的流畅和图像清晰度。但无线网络由于带宽波动，容易产生丢包，严重影响传输图像的 质量。因此，如何提高无线视频传输系统的服务质量一直以来成为国内外学者普遍关注 的问题。 本文以火灾救援实时视频传输系统为例，对系统及其关键技术进行了介绍。重点介 绍了t d s c d m a3 g 标准的网络结构和通信接口，以及实时传输协议r t p r t c p 。在分 析火灾救援实时视频传输系统需求的基础上，设计了系统的结构框图和网络拓扑图，讨 论并分析了系统的实现功能。为解决无线网络实时传输中的丢包问题，本文引入了 r t p r c u 丢包检测技术，使发送端服务器能够准确区分出有线、无线网络传输导致的 丢包，并分别采取控制措施有效控制丢包率，提高图像质量、降低网络延时，满足救援 视频传输系统要求。 为了验证引入r c u 之后对实时传输系统性能的影响，本文最后对置入r c u 前后两 系统的性能进行了业务仿真测试。仿真结果表明引入r c u 后系统的平均传输时延从引 入前的1 4 秒降低到0 8 秒，平均丢包率也从0 5 降低到了o 1 5 。充分说明了引入r c u 之后能够减少传输时延及丢包率，验证了该技术的可行性。 关键词：3 g 网络实时视频传输丢包率速率控制单元 海南大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，t h ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d i i la l la r e a so fp r o d u c t i o na n dl i f e 3 gn e t w o r kp r o v i d e sap l a t f o r mf o rt r a n s f e r r i n g v i d e om e d i aw i t hl a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o n ，a n dt oe n s u r et h ev i d e ot r a n s m i s s i o n s m o o t ha n di m a g ec l e a r b u tt h et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r ki se a s yt ol o s ed a t a p a c k e t sb e c a u s eo f t h eb a n d w i d t hf l u c t u a t i o n sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o n i m a g e ss e r i o u s l y t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m i nw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e nat o p i co fg r e a te o n c e mf o rs c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , w et a k et h ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mo ff i r er e s c u e 鹊a l l e x a m p l e ，a n dd i s c u s st h er e a l - t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e s h e r e ，w ef o c u so nt h en e t w o r ks t r u c t u r e a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e so f t d - s c d m a3 gs t a n d a r d ，a n dt h er e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o lr t p r t c et o u n d e r s t a n dt h ed e m a n do fr e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mi nf i r er e s c u es i t e ， t h e s y s t e ms t r u c t u r ea n dn e t w o r kt o p o l o g y a r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n dt h e i m p l e m e n t a t i o nf u n c t i o no ft h es y s t e ma r ea n a l y z e da l s o t os o l v et h ep a c k e tl o s s p r o b l e mo fr e a l t i m et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k ，t h et e c h n o l o g yo fr t p r c u l o s sd e t e c t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e ，s ot h a tt h es e n d e rs e r v e rc a nd i s t i n g u i s ht h e p a c k e tl o s sb e t w e e nw i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r k sa c c u r a t e l y , a n dt a k ee f f e c t i v e m e a s u r e st oc o n t r o lt h ep a c k e tl o s sr a t ei no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fi m a g e sa n d r e d u c et h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a ys ot h a tt om e e tt h es t r i c tr e q u i r e m e n t so fr e s c u e s y s t e m s i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c e so fr e a l - t i m et r a n s m i s s i o ns y s t e m sa f t e r i n t r o d u c i n gt h er c ut e c h n o l o g y , i nt h el a s tp a r to ft h i sa r t i c l e ，i tt a k e st h eb u s i n e s s s i m u l a t i o nt e s t st ot h es y s t e mb e f o r eo ra f t e rp l a n t i n gr c u 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a ta f t e rr c ui m p l a n t a t i o n , t h ea v e r a g et r a n s m i s s i o nd e l a yi sd e c r e a s e df r o m 1 4s e c o n d st o0 8s e c o n d st h a nb e f o r e ，a l s ot h ea v e r a g er a t eo fp a c k e tl o s sd e c r e a s e s f r o m0 5t oo 15 a sa n a l y s i sa b o v e ，i tp r o v e st h a tt h ei n t r o d u c t i o no fr c uc a nr e d u c e t h et r a n s m i s s i o nd e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e ，w h i c hd e m o n s t r a t e si tf e a s i b l e k e y w o r d s ：3 gn e t w o r k r e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o n p a c k e tl o s sr a t e r c u 海南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 无线移动通信系统的发展1 1 3 论文结构安排2 23 g 网络中实时传输系统的关键技术4 2 1t d s c d m a3 g 标准4 2 1 1t d s c d m a 系统概述4 2 1 2t d s c d m a 网络结构5 2 2 实时传输协议7 2 2 1 实时传输协议( r t p ) 7 2 2 2 实时传输控制协议( r t c p ) 9 2 2 3r t p r t c p 在实时视频传输中的适用性1 2 2 3 传输方式及虚拟专用网技术15 2 3 1 网络传输方式1 5 2 3 2v p n 技术1 7 2 3 3v p d n 业务1 8 3 实时视频传输系统的需求分析2 0 3 1 系统的性能要求2 0 3 2 系统结构框图及其实现功能。2 0 3 3 系统网络拓扑结构2 2 4 网络传输丢包原因分析及其控制机制研究。2 3 4 1 丢包原因分析2 3 4 2 丢包控制机制研究2 4 4 2 1r t p r c u 丢包检测2 4 4 2 2r c u 的无线视频传输系统j 2 4 4 2 3r c u 原理及工作流程2 5 5 业务仿真及性能参数评价2 7 5 1o p n e t 仿真平台2 7 5 1 1 创建场景及业务配置2 7 5 1 2 收集仿真统计量31 5 1 3o p n e t 核心函数及r c u 功能的实现3 1 5 2 仿真结果及参数评价3 4 m 海南大学硕士学位论文 目录 6 论文总结与工作展望3 7 6 1 论文总结3 7 6 2 工作展望3 7 参考文献3 8 硕士期间发表的论文4 1 后记4 2 i v 海南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论1 1 1 选题背景及意义 第三代移动通信技术( 3 g ) ，作为将无线通信与多媒体通信相结合的新一代 移动通信系统，为传输集话音、图像和数据为一体的多媒体业务提供了很好的服 务平台【l 】。目前的2 g 2 5 g 网络数据传输速率较低，实时性差，图像传输质量得 不到保障。并且其网络频谱效率较低，网络容量不足，其网络扩容已经接近极限。 而3 g 通信网络为数据通信提供了足够的带宽，为各种多媒体业务的高质量传输 提供了必要条件。 近年来，随着通信技术与移动多媒体业务的迅猛发展，基于无线网络的视频 传输系统在生产和生活的多个领域都得到了广泛应用。无线网络传输具有组网灵 活、简便、移动性好等优势，且3 g 网络以其足够的带宽优势为传输海量信息的 视频媒体提供了可行性平台。但由于无线网络其带宽波动、带宽资源有限及误码 率高等特点导致了传输的不可靠性，使视频传输系统的q o s 得不到保障，如传 输时延长、丢包率高、抖动剧烈等 2 1 1 3 1 。尤其是一些对视频传输实时性要求较高 的系统，如消防灭火救援、地震抢险救灾、奥运赛事现场直播等，这些视频传输 系统在“实时”传输的同时还要保证传输图像的质量，避免由丢包或抖动严重而 造成马赛克图像。 本文是以消防灭火救援实时视频传输系统为例，来分析并抑制传输中的丢包 现象。在火灾救援中，为了实现实时、有效、跨区域的指挥救援，身处异地的指 挥专家或领导可以通过手机等移动终端浏览到灾害现场的图像，实时了解救援情 况，达到任何时间、任何地点都能“亲临”现场进行指挥救援的目的。在这样的 抢险救援视频传输系统中，必然会对视频传输的实时性及图像质量要求较高【4 】。 因此，在无线网络实时视频传输系统中，如何提高传输的实时性及图像质量一直 以来成为国内外许多学者关注的问题。本文也正是基于此来研究无线实时传输网 络中的丢包问题并引入其控制机制，从而有效抑制丢包，提高传输服务质量，满 足救援视频传输系统的性能要求。 1 2 无线移动通信系统的发展 目前，无线移动通信系统经历了从一代到三代的发展历程。第一代无线移动 通信系统( 1 g ) ，只支持语音通话，第二代无线移动通信系统( 2 g ) ，比1 g 增 加了接收数据的功能，可提供短消息和低速数据传输业务，如接收电子邮件、浏 海南大学2 1 1 工程中央专项资金项目( t h e2 1 1p r o j e c tc e n t r a ls p e c i a lf u n do f h a i n a nu n i v e r s i t y ) 海南大学硕士学位论文1 绪论 览网页、视频会议等业务【5 儿酬。但由于网络带宽的限制，使传输图像质量得不到 保证，如出现图像不清晰、不连续、抖动较强等现象，因此无法满足人们对媒体 信息传输质量的要求。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，完全把人们带入了多媒体通信时代。3 g 为媒 体通信提供了更高的频谱效率，支持更高速率的移动多媒体业务，同时也具有通 信容量大、多媒体业务服务能力强等特点。3 g 网络为传输各类媒体信息提供了 足够的带宽，与第二代相比在传输速率上有显著提高，并且能在全国范围内实现 无缝漫游，真正实现了无所不在的通信环境。3 g 通信技术能够更快、更好地处 理数据、图像、音乐等多种媒体形式，可提供电话会议、手机电视、电子商务等 多种媒体服务【7 】。尤其在移动监控系统中，基于3 g 移动通信网络可随时、随地 观看到监控现场的情况，在实际生产和生活中将得到广泛应用。图1 1 为移动通 信系统的发展历程【8 j 。 1 g l 、制式：f d m a 、蜂窝原理 2 、业务：话音 3 、缺点：频谱利用率低 终端笨重且昂贵 漫游范围小 安全性低 1 3 论文结构安排 2 g l 、制式：g s m 、c d m a 2 、业务：话音、低速率数 业务 3 、缺点：系统容量小 数据传输速率低 多种制式不兼容 3 g 1 、制式：t d s c d m a w c d m a c d m a 2 0 0 0 2 、业务：话音、多媒体业 3 、优点：系统容量更大 传输速率更高 业务种类丰富 图1 - 1 移动通信系统的发展历程 本文共分为六章，具体结构安排如下： 第一章概述了本课题的研究背景及意义，简要介绍了无线移动通信系统的发 展历程，并对全文的结构做了详细安排。 第二章主要对3 g 视频传输系统中所涉及到的一些关键技术进行介绍，包括 t d s c d m a3 g 标准的网络结构及接口。本章重点介绍实时视频传输协议 r t p 依t c p ，并讨论了它们在实时传输中的适用性。最后对网络传输方式及网络 安全v p n 技术做了简单介绍。 第三章对火灾救援视频传输系统进行了需求分析。重点指出该系统的性能需 求，设计出了系统的结构框图及网络拓扑图，并说明了系统的实现功能。 第四章分析了网络传输的丢包产生的原因，针对抑制丢包现象而引入 r t p 瓜c u 丢包检测技术，重点介绍的r t p r c u 的工作原理，研究了基于r c u 海南大学硕士学位论文1 绪论 的无线视频传输系统原理与结构。 第五章是对引入r c u 前后的两系统进行业务仿真测试，对业务配置及统计 量的收集做了详细说明，通过仿真结果对系统性能参数进行评价，从而比较采用 r c u 技术前后两种传输系统的性能，最终得出结论。 第六章总结了本论文的主要研究成果，并对系统性能的完善提出建议，以及 对下一步工作的展望。 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 本文以3 g 网络的实时视频传输系统作为研究对象。3 g 网络为传输视频等 大信息量媒体提供了足够带宽，同时也满足了用户对媒体业务的移动性、灵活性 需求9 1 。但无线网络资源有限、其带宽波动及传输不可靠性，使无线网络传输技 术还面临众多挑战。本章介绍了3 g 移动通信技术，主要是以由我国提出的 t d s c d m a 3 g 标准作为研究对象，并对实时视频传输中的关键技术做了详细介 绍。 2 1t d s c d m a3 g 标准 t d s c d m a 标准是由我国提出的3 g 通信标准，除了具备t d dc d m a 的 一切特征外，它还具有自身的一些特有的优点，完全能够满足3 ( 3 高速率通信的 需求【l o 】。随着媒体业务发展的多样化、个性化，t d s c d m a 系统必将以其独有 的特色在未来的移动通信多媒体业务中得到广泛应用。 2 1 1t d s c d m a 系统概述 t d s c d m a 系统在时分同步的基础上又采用了码分多址的接入方式。在3 g 的三大主流标准中，只有t d s c d m a 具有时分同步的特性，这也决定了该系统 必然具有其他系统所无法比拟的特性，这也预示着为t d s c d m a 系统量身打造 的媒体通信业务将占据着稳固的市场地位。 t d s c d m a 标准的提出相对要晚一些，这使得它在技术成熟度、系统基础 设施建设等方面相对薄弱，要面临很大的挑战。但事物的两面性也决定了它在其 他方面的优势，正因为它起步晚，所以它可以融合2 0 世纪9 0 年代以来移动通信 领域最先进的通信技术，它代表了移动通信技术的发展方向，具有后进突发的不 可抵挡的优势i l 。t d s c d m a 系统的主要突出优势主要体现在频谱效率高、支 持多载频技术、呼吸效应不明显、频率资源丰富和数据业务灵活等方面u 引。 t d s c d m a 与其他两大3 g 主流标准的重要区别之一在于它采用了t d d 技 术，可以灵活设置上下行链路的转换点，根据不同业务的承载量分布上下行链路 的数据量，能够实现将上下行资源由3 ：3 的对称分配调整到1 ：5 的非对称分配信 道【1 3 1 。 未来3 g 业务的应用将朝着多样性、个性化的方向发展，到时非对称数据业 务将会占据市场的主导地位。而f d d 系统的上下频率是对称占用，不适用于非 对称数据业务，否则将造成频谱资源的浪费【1 4 】。由此可见，t d s c d m a 系统以 构基本一致。u m t s 网络结构简单，一般来说可以概括成三个域，分别为用户设 备( u e ) 域、接入网( r a n ) 域和核心网( c n ) 域【1 5 】，如图2 1 所示。 叵h 斗j 亟) 锏 图2 - 1u m t s 网络结构图 由图中可知，u m t s 包含了三个域和两个接口。三个域分别是用户设备( u e ， u s e re q u i p m e n t ) 、u m t s 地面无线接入网( u t r a n ，u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 和核心网( c n ，c o r en e t w o r k ) ；两个接口分别为连接u e 与 u t r a n 间的u u 接口和u t r a n 与c n 间的i u 接口。即用户设备通过u u 接口 将数据发送至接入网域，接着由i u 接口将数据传输到核心网域，核心网再通过 网关与i n t e m e t 或i p 网相连，完成数据在互联网中传输，这就是u m t s 系统的 基本网络结构。 为深入掌握无线网络通信原理，下面对每个域一一进行详细说明。 l 、用户设备( u e ) 域 用户设备( u e ) 就是允许用户接入网络服务的设备。根据3 g p p 标准规范， u e 和网络之间的接口为无线接口，也称空中接口。在u e 内部定义的域包括两 个，分别是用户业务识别模块( u s i m ) 域和移动设备( ) 域。同时，m e 域 又可分成多个部件，来显示多个功能组之间的互通。这些模块都可以通过一个或 多个硬件设备来实现其功能。图2 2 为u e 的功能模型。 图2 - 2u e 的功能模型 图2 2 所示的t e m t 接口就体现了m e 功能组之间互通性。u e 的用户业务 识别模块包括验证用户身份的数据信息和对用户身份安全检测的处理过程。该模 块功能的实现通常只与特定用户有关，而与用户所使用的移动设备无关。通常， 移动设备在其通信应用中包含了无线传输和应用的功能，其中移动终端( m t ) 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 主要负责实现数据的无线传输功能，而终端设备( t e ) 则实现了端对端通信的 应用。由此可见，模型中的各个实体都有各自分工，共同实现其功能。 2 、接入网( u t r a n ) 域 无线接入网由一系列物理实体组成，共同来管理接入网的资源。作为用户设 备与核心网的中介，它为u e 提供了接入核心网的机制。其实，真正提供接入核 心网机制的是无线网络系统( r n s ) ，在接入网中包含有多个r n s ，这些r n s 通过i u 接口与核心网相连，从而实现与核心网的连接。而一个r n s 又由无线网 络控制器( r n c ) 和基站( n o d eb ，也称为b a s es t a t i o n ，简称b s ) 组成。其中， r n c 主要用来实现用户设备的切换控制和无线网络资源的管理，如分组调度和 对功率、负载的控制掣1 6 。n o d eb 支持f d d 、t d d 双模式，它通过i u b 接口与 r n c 相连。每个r n s 系统中的r n c 直接通过i u r 接口实现互连，完成信息交互。 图2 3 为u t r a n 的结构图。 c n iui u u t r a nr n s i u r r n s 厂iari 奈奔 - k ljn 图2 - 3u t r a n 结构示意图 这里，重点说明一下基站的作用。对于用户终端而言，n o d eb 的主要作用 是实现u u 接口的物理层功能；而对于网络端而言，n o d eb 的主要作用是通过使 用各种接口的协议栈来实现i u b 接口的功能。通过u u 接口，n o d eb 将实现无线 接入物理信道的功能，并且能够把传输信道的数据信息根据r n c 的安排映射到 物理信道中。 3 、核心网( c n ) 域 核心网是连接互联网通信最重要的物理实体，它为用户信息管理及网络传输 控制机制提供了重要的管理服务，在u m t s 通信系统中起着至关重要的作用。 从核心网从管理和控制功能方面可进一步细分成服务网域、原籍网域和传输网 域。 服务网域主要实现的是用户本地接入点的核心网功能，它随着用户的移动而 改变，即用户在移动的过程中，其本地接入点也必然要随之改变。它负责接入网 域与核心网域的连接。服务网域主要负责呼叫路由和实现用户数据信息从源端到 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 目的端的传送。在实际工作中，它一边与原籍网域进行信息交互来获取与用户业 务相关数据，一边又与传输网域进行交互以获取与用户无关的业务和数据【1 7 】。 原籍网域表示既与用户的永久位置相关而又与用户接入点无关的核心网功 能，前面提到的u s i m 是与原籍网域相关的。由此可见，在原籍网域中至少要包 括用户的永久数据，并负责管理用户原始数据信息。 传输网域主要是实现服务网域和远端用户间的相互通信，它能够提供与远端 用户建立连接路径的核心网功能。需要强调的是，这里所指的用户是远端用户， 因为当呼叫用户与被呼叫用户在同一个网络中时，它们之间建立链路的时候并没 有相关的传输网域参与进来，也就是说传输网域实现的是远端异网之间的路径连 接。图2 - 4 为核心网域参考点结构图。 2 2 实时传输协议 图2 - 4 核心网域结构图 在视频传输系统中，传输的视频通常是以视频流( s t r e a m i n g ) 的形式进行发 送和接收的，而视频流则是由一系列连续的、带有时间戳的数据包组成的。因此， 视频传输需要解决的主要问题就是能实现将这些数据包流连续顺畅地自发送端 送往接收端【1 8 j 。对衡量一个视频通信系统的性能来说，主要是看系统对视频数 据的压缩及图像传输的实时性，解决这些问题才能保证用户能够实时地获取高质 量的视频图像，而视频传输的实时性与可靠性需要传输协议作为支撑u 9 1 。因此， 在本节中主要研究通信系统中的实时传输协议。 2 2 1 实时传输协议( r t p ) r t p 是一个端到端的实时数据传输协议。在实时传输系统中，r t p 协议主要 负责数据的实时传输，同时它也提供了如源标识、序列号、丢包检测等服列2 0 1 。 r t p 主要是应用于在组播传输方式下的实时数据传输。r t p 之所以能提供数据的 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 实时传输功能，主要是依靠数据包中的时间戳来实现源端和目的端之间传输的同 步性。在传输中，通常将r t c p 控制协议与r t p 协议一齐使用，即r t p 用来传 输实时数据，而r t c p 用来传输通信站点之间的控制信息，这样才能保证数据传 输的实时性与可靠性，确保传输服务质量。 为了更好地理解r t p 传输的实时性功能，下面将重点介绍r t p 的报文格式 及其数据结构。同其它协议一样，r t p 报文也是由报文头( h e a d e r ) 和数据负载 ( p a y l o a d ) 组成口。下图为标准的r t p 报文格式。 lr t p 报文头l r t p 数据负载 i i i _ j + 图2 - 5r t p 报文格式 r t p 协议之所以能够提供数据的实时传输，说明它有特别之处，即r t p 具 有特别的数据包格式，下面就对它的包格式进行详细分析。其报文头结构如图 2 - 6 所示。 版本v填充标志p扩展x成份源记数器c c标志m负载类型p t序列号s n ( 2 b i t ) ( 1 b i t )( 1 b i t )( 4 b i t )( i b i t )( 7 b i t )( 1 6 b i t ) 时间戳( t i m es t a m p ，t s )( 3 2 b i t ) 同步源标识( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ，s s r c ) ( 3 2 b i t ) 成份源标识( c o n t r i b u t i n gs o u r c e ，c s r c ) 图2 - 6r t p 报文头结构 r t p 报文头中的各项含义及说明如下： 版本( v ) ：标识r t p 的版本号。若该位值是o ，表示完成业务的音频工具； 若值是l ，则表示为r t p 的第一版版本。 填充标志( p ) ：若该位值为1 ，说明r t p 报文的数据负载中含有填充字节部 分，也就是说如果报文中含有填充字节，那么负载中所有的无用字节的数目都将 在报文的最后一个字节中体现出来。 扩展( x ) ：若该位值为1 ，表示r t p 报文头的后面还附带着一个扩展信息。 它的前1 6 位用来标识头部扩展的不同类型，一般情况下这种方式被用来传送具 有独立格式的数据信息。 c s r c 记数器( c c ) ：用来记录c s r c 标识的数目。c s r c 主要是用来标识 成份源( c o n t r i b u t i n gs o u r c e ) 。 标志( m ) ：在传输的连续码流中通常会将一些特殊的位置标记下来，这时 就用到了标志位，例如通常用它来标记音频、视频的帧边界位置等信息。 负载类型( p a y l o a dt y p ei d e n t i f i e r ，p t ) ：表示了负荷的数据类型及其编码方 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 式。该项对数据的解码至关重要，因为接收端通过对该项的类别的解析就可以知 道如何回显示原始数据。 序列号( s e q u e n c en u m b e r ，s n ) ：数据在发送的时候被分解打包成许多个包， 并且每个包都会对应唯一的序列号，这些数据包在分组发送的过程中有可能被打 乱顺序，那么接收端就是根据包的序列号来进行数据的重组，并判断是否存在丢 包。当然，在接收端利用报文中的时间戳也可以将包按照发送时的正确顺序进行 还原，但一旦存在一戳多包时，仅靠时间戳是无法判断数据顺序的，这时就必须 要使时间戳同序列号相结合以正确地还原数据啪1 。 时间戳( t i m es t a m p ，t s ) ：该项在实时传输应用中是最重要的信息。因为 发送端会将传输的数据打包成多个包，并且按包的生成顺序来设置时间戳。特别 是在分组传输中，接收端收到的数据包是乱序的，只有利用包的时间戳才能按照 发送时的顺序来重组数据，正确地回放原始数据。 同步源标识( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ，s s r c ) ：s s r c 来唯一标识会话中的 一个源。如果r t p 码流来自不同的源端，那么它们的s s r c 也不同。最直观的 理解就是在一个电话会议中，通过发送源的s s r c 值就可以知道是谁在讲话。 成份源链表( c s r cl i s t ) ：从0 1 5 项，每项占3 2 b i t 。用来标识负载中的成 份数据，且由c c 来标明其数量。如在一个r t p 会话中，接收端可能会同时收到 具有相同类型的多个码流，正如前面所讲，不同的码流有着不同的s s r c ，因此 r t p 利用s s r c 信息将不同源端码流进行逻辑上的复用嘲。 以上就是对r t p 报文头中各项内容进行的说明与分析。那么r t p 报文又是 以何种方式来传递这些信息的，图2 7 给出了i p 传输的r t p 包的结构。 i p 包头u d p 包头 r t p 包头lr t p 负载i 图2 - 7i p 包中的r t p 数据 从图中可以看出，最里层就是我们所需要的有效数据，即r t p 负载。r t p 负载及报文头共同组成r t p 报文被封装在u d p 的数据负载中，而u d p 报文又 被封装在数据负载中。 2 2 2 实时传输控制协议( r t c p ) 1 、r t c p 协议介绍 r t c p 是和r t p 一起合作使用的实时传输控制协议。如前面所讲，实时传输 中，r t p 用来传输实时数据，而r t c p 用来传输控制分组数据，两者共同协作才 能保证传输的实时性与可靠性。在r t p 会话中，每个成员都会以组播方式周期 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 性地向其他成员发送r t c p 控制分组，分组中包含一些网络传输的控制信息，这 样可以使会话中的所有成员都能及时了解当前网络传输状况，采取有效的控制来 动态调整发送功率，提高传输服务质量瞳4 儿2 5 3 。 例如在媒体流实时传输的应用中，媒体流发送端的应用程序将周期性地生成 发送端的报告( s e n d e rr e p o r t ，s r ) ，并发送给接收端，该r t c p 报文中含有已发 送数据报的字节数以及媒体流的同步等信息。同时，接收端也向发送端发送接收 报告( r e c e i v e rr e p o r t ，r r ) ，报告中包含了已接收数据报文的时间戳、序列号、 丢包数以及延时抖动等重要信息。经过这样的信息交互，使发送端估算出传输时 延，判断丢包及延时抖动情况，从而动态地调整发送速率，避免拥塞发生的丢包， 达到改善网络状况，提高服务质量的目的。 r t c p 为每个r t p 源都分配了一个传输层标识一c n a m e ( c a n o n i c a l n w e ) 。前面讨论过s s r c 标识能够区分不同源，但是在特殊条件下，如程序 重启后可能导致s s r c 值的改变。在这种情况下，接收端就需要c n a m e 来与会 话成员保持运作连接。例如，接收端要用c n a m e 标识从发送端来获取同步的 音、视频码流。 在实时传输中，既要传输r t p ，又要传输r t c p 报文，人们总是会担心r t c p 控制报文的传输会占用有限的带宽资源，从而影响到r t p 数据的实时传输。这 个问题在r t c p 中已经得到很大缓解，r t c p 报文传输能够保证绝对不会影响到 会话质量。这是因为r t c p 本身具有控制报文发送的速率调整机制。一个r t p 用户能够通过接收其他用户的r t c p 报文而了解会话成员数目，r t c p 就利用该 参数来控制每个会话成员发送控制报文的时间间隔，从而保证r t c p 所占用的通 信带宽不会超过整个会话带宽的5 t 2 6 。 2 、r t c p 数据包格式 r t c p 实时传输控制协议，其数据报文结构中与r t p 共有各项在这里就不再 赘述，这里主要对几种类型的数据报文做简要说明： s r ( s e n d e rr e p o r t ) 和r r ( r e c e i v e rr e p o r t ) 为发送端报告和接收端报告。 s d e s 源描述，主要用于描述会话成员的有关标识信息，如名字、号码等。 b y e 通知离开，通知会话中的其他成员自己将退出会话，其源将不再生效。 a p p 为r t c p 的实现提供了很大的灵活性，它可以由应用程序自己来定义其 功能，同时，它也使r t c p 的扩展性问题得到很好解决。 r t c p 报文的头部与r t p 头部结构相类似，后面的结构单元也与r t p 有相 似的类型。图2 8 为发送端的r t c p 报文结构。 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 v - 1 pr cp t = s r = 2 0 0长度 发送端s s r c n t p 时间戳 r t p 时间戳 发送端的包计数 发送端的字节计数 s s r c1 丢失率 累计丢包数 扩展的最大序列号 包之间到达的延时抖动 上一个s r ( l s r ) s s r c2 扩展部分 图2 - 8 发送端的r t c p 报文结构 版本号( v ) ：占2 b i t ，表示r t p 版本。 补充位( p ) ：占l b i t ，若该位值为l ，表示在报文尾部附带着一些补充的内 容。 接收报告计数( r c ) ：占5 b i t ，表示在该数据包中的接收报告数目，包括0 值。 包的类型( p t ) ：在这里定义发送端的r t c p 包为2 0 0 。 长度：占1 6 b i t ，表示该r t c p 包的长度( 以3 2 b i t 为计量单位) 。 n t p 时间戳：占6 4 b i t ，定义源端r t c p 包的发送时间，与接收端反馈回的 r t c p 中的时间戳作比较，从而估算出往返时间。 最近发送端报告中的时间戳( l s r ) ：占3 2 b i t ，也就是最近一次接收到的发 送方r t c p 中n t p 时间戳其中间的3 2 位1 2 7 。 通常，在数据传输过程中，发送端根据接收端所反馈回来的控制信息对网络 性能进行测量，如数据的往返时间、丢包率、最大序列号等，以使发送端能更好 地调整码率，减少拥塞与丢包，提高网络服务质量。这里简单介绍一下往返时间 与丢包率的测量方法。 l 、回路往返时间( r t t ) 的测量1 2 8 】 海南大学硕士学位论文 23 g 网络中实时传输系统的关键技术 r t t 是指数据包从发送端传送至接收端后再立刻返回至发送端所花费的时 间。其中包括发送时间、链路的传输时延、路由器缓存时间及系统处理时间等。 当数据包从发送端发送出去的那一刻，数据包中会记录下发送时刻瓦猁，当接收 端接收到数据包后，再立即将数据包送还给发送端，当接收端收到数据包的那一 刻则记为死船。从而，发送端由此估算出回路的往返时间珏刀为： t r 玎= t 肼咖一t 蒯 ( 式2 一1 ) 2 、丢包率的测量 随着负载的增加，传输过程中可能会因网络拥塞而引起丢包现象。通常通过 检查数据包的序列号来判断是否发生丢包，即接收端如果发现所接收到的数据包 序号是不连续的，则可以判断发生了丢包【2 9 】。接收端可以在某段时间间隔内计 算丢包的数目，再与实际接收到的数据包数目进行比较，就可以了解当前的网络 状况。在r t p 中，接收端可以将测量的丢包数值以r t c p 控制报文发送至发送 端，使发送端很好地控制码率传输。 2 2 3r t p r t c p 在实时视频传输中的适用性 完成视频流的传输需要合适的传输协议，特别是在实时视频传输系统中，必 须采用合适的传输协议以保证视频传输的实时性与可靠性。t c p i p 结构支持两 种基本的传输协议：分别是t c p 和u d p 协议。t c p 传输控制协议，由于它提供 的是面向连接的、可靠的