（计算机应用技术专业论文）tcp网络视频质量监测方法的研究.pdf

摘要 随着i p 网络通信和多媒体视频技术的快速发展，网络视频的研究和应用越 来越受到广泛的重视，开始在各行各业发挥着重要的作用，网络视频质量监控 也随之成为此领域内的一个热点问题。目前大多数的网络视频是用u d p 方式传 输的，主流的网络视频质量监控方法也是基于u d p 网络视频研究设计的，而对 于t c p 网络视频的监测尚未出现比较有效和成熟的方法，本文主要研究t c p 网络 视频质量的监测方法，并通过实验验证了所提方案的有效性。 本文首先介绍了国内外在网络视频质量监测方面的研究现状、当前常用的 网络视频质量评估指标，重点分析了目前公认的媒体传输指标，并将其应用于 u d p 网络视频质量的监测中。在u d p 网络视频质量监测的理论和实践基础上， 本文深入研究了t c p 网络视频数据封装技术和传输原理，类推出了针对t c p 网 络视频质量监测的方法，尝试通过计算若干新的指标参数来反映当前t c p 网络 视频质量的好坏。为了能够将u d p 网络视频质量的监测方法成功移植到对t c p 网络视频质量的监测中，本文做了大量的附加操作，如模拟t c p 协议栈对乱序 的网络数据包进行重排序和应用数据重组，定义新的指标来取代u d p 网络视频 监测中的常见质量指标。新定义的指标主要有：t c p 延时因素、t c p 重传次数、 t c p 乱序间距、t c p 乱序次数，除了这四个新指标，本文还继承了u d p 网络视 频质量评估所用到的通用指标如r t p 丢包问距、r t p 丢包个数、r t p 丢包次数、 t s 不连续错误等。在此理论研究的基础上，本文设计了t c p 网络视频质量监 测系统来实时计算这些新的指标。 最后针对某t c p 网络视频点播数据流开发和实现了t c p 网络视频质量监测 系统，并在实验室通过损伤仪对该网络视频进行各种模拟损伤测试，测试结果 证明该监测系统计算的实时指标能够准确地反应出当前网络上t c p 视频质量优 劣，有效地帮助运维人员实时定位导致网络视频质量改变的网络节点和原因， 验证了本文所提出的t c p 网络视频质量监测方法的有效性和正确性。 关键词：传输控制协议，媒体传输指标，网络视频质量监测 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fi pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , t h es t u d ya n da p p l i c a t i o n so fn e t w o r kv i d e oh a v eb e e na t t a c h e dt om o r e a n dm o r ea t t e n t i o n n e t w o r kv i d e oi sb e c o m i n gw i d e l yu s e di na l la s p e c t sr e l a t e dt o t h i sf i e l d ，w h i c hm a k e st h en e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c eah o ti s s u ei nt h i sf i e l d m o s tc u r r e n tn e t w o r kv i d e os e r v i c e s a l eb a s e do nu d pp r o t o c o l ， c o r r e s p o n d i n g l yt h em a i n s t r e a mm e t h o d so fn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c ea l e p r o p o s e d f o ru d pn e t w o r kv i d e o h o w e v e rt h e r ei s s t i l ln oe f f i c i e n ta n d w e l l e s t a b l i s h e dm e t h o df o rt h eq u a l i t ys u r v e i l l a n c eo ft c pn e t w o r kv i d e o t h i s t h e s i si sc o n c e r n e dw i t ht h et c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e ，a n d p r o p o s e sa n e w a p p r o a c hf o rt c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e ，w h i c hi sv a l i d a t e dt h r o u g h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a f t e rab r i e fi n t r o d u c eo nt h ep r e s e n ta r to fr e s e a r c ha n dp o p u l a rn e t w o r kv i d e o q u a l i t yi n d e x e s ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea c k n o w l e d g e dv i d e od e l i v e r yi n d e x ，a n dp u t s i ti n t os u c c e s s f u lu s ei nu d pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e a n da ni n t e n s i v e s t u d y o ft c pn e t w o r kv i d e od a t a e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g y a n d t r a n s p o r t f u n d a m e n t a l si sm a d e t h e nt h em e t h o do ft c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c ei s d e v e l o p e db yu s i n gs o m en e wi n d e x e st or e f l e c tt c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t y t o t r a n s p l a n tt h em e t h o do fu d p n e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c et ot c p , al o to f a d d i t i o n a lw o r kn e e d st ob ed o n e i ts i m u l a t e st h et c ps t a c kt oo r d e rp a c k e t so u to f o r d e r , e l i m i n a t e sd u p l i c a t e s ，a n dr e a s s e m b l e su s e rd a t a ，a n dd e f i n e sn e wi n d e x e st o r e p l a c et h ec o m m o ni n d e x e su s e di nu d pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e t h e r e a r ef o u rm a i nn e wi n d e x e s ：t c p d e l a yf a c t o r 、t c p r e t r a n s m i te r r o r 、t c pd i s o r d e r d i s t a n c ee r r o r 、t c pd i s o r d e rp e r i o de r r o r b e s i d e s 1 m l d e 、l m m l r 、l m - l p e 、 t sc ce r r o ra l s oa p p l yt ot c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e b a s e do na b o v e a n a l y s i s ，at c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c es y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e m c a nc a l c u l a t et h ei n d e x e si nr e a lt i m et h a ta r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s f i n a l l y , at c pn e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c es y s t e mi sd e v e l o p e dt o s u p e r v i s eat c pv i d e oo nd e m a n d w i t hd i f f e r e n ts i m u l a t i v ed a m a g e st ot h ev i d e o ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h er e a l t i m ei n d e x e sc a ne v a l u a t et h eq u a l i t yo f t c pn e t w o r kv i d e oe f f e c t i v e l y h e n c et h ee f f e c t i v e n e s so ft h es u r v e i l l a n c em e t h o d f o rt h et c pn e t w o r kv i d e oi sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：t c p ，m d i ，n e t w o r kv i d e oq u a l i t ys u r v e i l l a n c e 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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：j 鱼日期：缱：生：墨9 签名： 么翌日期：丝望：5 ：乏! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理一l ：人学硕二f ：学位论文 1 1 选题的背景与意义 第1 章绪论 近年来随着互联网的普及，基于网络视频的应用越来越多，如网络视频点 播、网络远程教育和培训、远程医疗、实时视频会议、可视电话、实时视频监 测等。多媒体通信技术日益成为应用和研究的焦点，如何评估和保障网络视频 质量对于此类应用至关重要，因此网络视频质量监测的研究具有重要的现实意 义f l j o 目前网络视频传输的主要问题在于：多媒体数据包的延迟【2 】【3 1 、丢失、抖动、 误码【4 l 【5 】【6 】，延时可能导致媒体播放停顿，丢包可能使某些图像帧无法解码，从 而导致视频图像不清晰甚至马赛克，抖动会造成视频画面的闪烁，误码会导致 音频与视频不同步等质量问题，如何更好地评估和提高网络视频质量一直是近 年来网络研究的热点问题。 i n t e r n e t 已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综 合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的服务质量( q o s ) 服务。通常用带 宽、时延、时延抖动和分组丢失率等指标来衡量。其中，网络多媒体信息的传 输与传统的文本数据等非实时信息的传输不同，它们不仅必须传输大量的数据 信息，如视频流，而且对实时性和可靠性的要求都很高。当网络拥塞时，对于 非实时传输而言，只是延长了传输时间，而对于实时视频传输而言，数据不能 按时、按量到达将导致难以忍受的视频服务质量。而目前的i n t e r n e t 仅提供尽力 而为( b e s te f f o r ts e r v i c e ) 的传送服务，业务量尽快传送，没有明确的时间和可靠 性保障。当网络带宽不足而造成较长的时延和较多的丢包时，i p 协议并不提供 q o s 反馈。因此需要利用i p 层之上的协议来满足网络视频实时传输的时延和 丢包率的要求1 7 l 。t c p 传输方式可以有效地保证传输的可靠性，在带宽充足的 条件下，不失为一种优秀的网络视频传输协议。但由于现实应用中往往存在带 宽限制，所以t c p 的应用远远不及u d p 广泛，t c p 网络视频质量监测的研究 水平也远远落后于u d p 网络视频质量监测的研究水平。但是随着硬件条件的不 断改善，3 g 技术的发展，带宽限制会越来越小，将带给t c p 网络视频服务新 武汉理 人学硕士学位论文 的发展空间，研究t c p 网络视频质量监测方法也因此具有了重要的现实意义。 1 2 网络视频质量监测的研究现状 3 g 一直是近年来通信领域热点中的热点，而网络视频将是3 g 最重要的应 用之一。鉴于网络视频广泛的应用前景和巨大的潜在经济价值，近年来国内外 各大知名测试设备商、运营商、研究机构纷纷投入了大量的物力人力来研究开 发功能先进的网络视频质量监测系统，并取得了一定的成果。但是大多产品都 是针对u d p 网络视频质量的监测，而t c p 网络视频质量监测尚未出现比较成 熟的解决方案。下面简单介绍网络视频质量监测领域目前国内外的主要研究成 果。 1 2 1i q p i n p o i n t t m 美国的i n e o q u e s t 公司推出的i q p i n p 0 i n 一综合视频传输质量解决方案包括 全网视频质量的趋势分析和实时的视频故障排查功能，它支持a v s ，h 2 6 4 1 引， m p e g - 4 ，v c 1 ，m p e g 2 压缩格式下的标清和高清视频监测。 i q p i n p o i n t t m 以与c i s c o 共同开发的r f c 4 4 4 5m d i ( 媒体传输质量质量指 标) 测试为基础f 9 l ，也是本文工作展开的主要理论基础。 1 2 2w a t c h i t vd i s t r i b u t e ds y s t e m 新加坡a n a c i s e 公司的w a t c h i t vd i s t r i b u t e ds y s t e m 主要用来监测i p t v 的 网络视频，是一个分布式的i p t v 1 0 j 全网监测解决方案。w a t c h i t vd i s t r i b u t e d 能 主动、有效地管理整个i p t v 的网络视频，监测每一频道视频、音频及控制信 号质量，保障网络视频业务j 下常运营。它包括分布式数据采集器w a t c h i t v p r o m a t r i x i i 和网络管理设备w a t c h i t vn m s 。可按照预先设置的门限，监视视 频流的质量，提供实时的视频网络管理、缝合监测、报警及报告功能。 1 2 3r a d v i s i o n 视频质量网络测试 以色列r a d v i s i o n 公司推出的r a d v i s i o n 视频质量网络测试方案，采 用了一种全新的v q m o s 程序，结合了来自p r o l a b 视频质量软件插件及其“人 武汉理工大学硕士学位论文 类视觉视频质量调查的结果【l 。 “人类视觉v q 调查是以全球认可的测试方法为基础设计的，该调查要 求调查对象观看视频片段，并根据单- * u 激因素的质量尺度法对其评级。每次 评测持续3 0 分钟，前面附加一个简短的会话样本，演示高质量和低质量的视频。 它被特别设计为由5 个相同的视频片段组成，每个视频的质量逐步递减，以此 作为热身，以适应该测试方法的主旨。需要采用多个测试主题以获得最佳结果。 另外，以不同的技能和专业性收集主题，对于确保每个调查结果的最优化是非 常关键的1 1 1 j 。 此系统结合客观和主观测试两种方法，让企业和服务供应商能够实时隔离 操作问题，以及监测网络质量，以在服务过程初期就可以及早发现问题，移除 障碍，消除隔阂和盲点，确保高质量的用户体验i l 。 1 2 4 三重播放业务测试 美国安捷伦公司的三重播放业务分析仪解决方案能在客户受到影响之前 探测并解决信令、传输和话音视频数据业务体验质量( q o e ) 问题。其主要测 试功能包括：对l p l v 、v o d 、v o i p 信令和媒体的深入分析；对用户流量的实时 被动分析和故障诊断；频道切换延迟【1 2 j 和v o d 命令响应时间分析；视频和话音 平均意见得分( m o s ) 【1 3 j 、用户体验质量( q o e ) 分析，包括r f c 4 4 4 5 m d i 和e t s i t r l 0 1 2 9 0 1 1 4 j 分析；刚信道、v o d 程序和话音呼叫统计分析。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作和创新成果为： 1 将媒体传输质量指标、丢包间距、丢包周期、t sc ce r r o r 等指标应用于 u d p 网络视频质量的评估中，并将实验结果与技术成熟的仪表进行比较，对这 些指标进行了比较深入的研究，积累了经验； 2 研究了t c p 网络视频传输的基本原理，在此基础上提出了可以反应t c p 网络视频质量的新指标：t c p 延时因素、t c p 重传次数、t c p 乱序1 1 自：j 距、t c p 乱序次数，此外还继承了对u d p 网络视频质量评估时所用到的通用指标如r t p 丢包问距，r t p 丢包个数，r t p 丢包次数，t sc ce r r o r 等，并给出了详细的计 算方法，也是本文的主要创新点； 武汉理 人学硕十学位论文 3 针对i p l v 中t c p 点播进行设计和开发了t c p 网络视频质量监测系统， 实时计算能够反应当前网络视频质量的指标，给出了整个系统的概要设计和详 细设计； 4 在实验室环境下，引入网络上的t c p 视频流，利用t c p 网络视频质量 监测系统对它进行质量评估，并通过损伤仪对网络视频进行丢包、抖动延时、 视频数据篡改的损伤，将各种损伤情况下的实验结果与正常情况下的进行对比， 验证了t c p 网络视频质量监测方法的正确性，它确实可以如实反应当前网络上 视频质量的状况。 4 武汉理j r ：人学硕十学位论文 第2 章t c p 网络视频监测技术理论基础 2 1 常见网络视频监测质量指标 常见的视频质量评估的指标有：p s q m 指标【1 5 1 、p e s q 指标【1 6 1 、3 s q m 指标 l x 7 1 、p e v q 指标1 1 8 】、m d i 指标【1 9 】【2 0 1 、v - f a c t o r 指标【3 9 l l 矧、v q s 指标【4 l 】等等。 其中m d i 主要是用于评估视频流数据的网络传输效率，从网络层来评估媒体流 的时延、抖动、丢包，与编码方式无关，可以用于实时监测当前网络状况，快 速定位网络问题出现的位置，此网络视频质量指标也是本章介绍的重点。 2 1 1 媒体传输质量指标( m d i ) 的介绍 网络传输的质量主要可由三个指标来反映：延迟、抖动和丢包。延迟主要 表现为视频观看时间的推迟。抖动表现为视频的抖动变化，当视频编码器朋艮务 器性能变化，网络线路出现拥挤，网络设备性能变化都会导致视频流抖动，监 测此现象可以帮助运维人员提前发现视频传输质量恶化的趋势。丢包对视频播 放质量有直接的影响，实验表明，无论视频丢包的类型是什么( i ，b ，p 帧) ， 在没有适当的视频解码补偿或者丢包重传机制下，视频播放质量都会出现不同 程度的下降【 j 。 m d i ( m e d i ad e l i v e r yi n d e x ) 媒体传输质量指标是由思科公司和l n e o q u e s t 共同提出的，作为i p 视频流传输质量测试的行业标准，m d i 测量指标广泛地应 用于口t v 和i p 有线数字电视网络质量评估和监测。m d i 主要由两个部分组成： d f 和m l r 。其中，d f 为延迟因素，m l r 为媒体丢失率。此外对于r t p 封装 的网络视频流，可以计算r t p l d ( l o s sd i s t a n c e ) ，r t p - - l p e ( l o s sp e r i o de r r 0 0 来反映r t p 数据包的乱序程度。 2 1 1 1 延迟因素d f d f 定义为被测试视频流的延迟和抖动状况，单位是毫秒( m s ) 。d f 将视 频流抖动的变化换算为对视频传输和解码设备缓冲的需求。 在视频传输的应用中，恒定的延迟表现为视频观看时间的推迟。为了避免 武汉理：i ：人学硕+ 学位论文 网络抖动而产生视频播放效果恶化，网络节点和视频编码器往往需要对视频流 进行缓冲。通常接收到的字节数减去流出的字节数可以显示出的一个需要在测 试点保持的虚拟缓冲区的大小和时间。这个值除以传输带宽，结果就应该是一 个虚拟缓冲区的内容全部流出的时间，传输带宽越高的，缓冲区全部流空的时 间也就越短。通过计算得到的在一个间隔里面所遇到的d f 最大值表现出了测 试时在测试点的网络性能的最差情况。我们可以通过记录d f 值发现各种潜在 的使网络系统的性能降低的问题，还可以帮助我们计算出为了防止数据包丢失 而需要提供多少备份带宽的比例。 在采样周期中，d f 首先计算在测量点每个i p 视频封包到达的时间变化， 然后与预期视频流速度对比得出。假设采样周期为1 秒，测量点虚拟缓存大小 为x ，计算公式如下【冽： x = i 接收到的字节数解码所需要的字节数l 其中接收到的字节数为实际测量得到的，解码所需要的字节数通过对媒体 流解码分析得到。 d f = 【最大值( x ) 最小值( x ) 】媒体流码率 d f 的计算实质是将网络抖动换算为对媒体流解码缓冲的需求。当解码器的 缓存保存媒体信息不小于d f 数值，解码器不会出现缓存内容耗尽的情形，因 此网络的抖动将不会影响视频播放质量j 。 在理想的情况下，我们可以得到d f 期望值。这个数值是媒体流在没有拥 挤的线路上传输计算得到的，即设备把一个视频封包转移到下一节点或者视频 解码器的同时，另一个视频封包立刻到达缓冲区【l 叭。 d f 期望值= i p 封包的m p e g 内容媒体流码率 对于一个包括了7 个m p e g 2 t s 封包( 一个m p e g 2 t s 封包为1 8 8 字节) 的i p 封包，若视频流码率为1 5 m b p sc b r 。则： d f 期望值= 7 1 8 8 8 15 0 0 0 0 0m s = 7 0 2 m s 我们在利用d f 值对此视频流监测时，就可以将d f 期望值作为一个理想值， 以它为中心取一个合适的区间作为视频传输的良好区问，此区间以外则认为视 频传输出现问题，即告警阂值以此值为依据取得。 2 1 1 2 媒体丢包率m l r m l r 定义为每秒媒体封包丢失数量。该数值表明被测试视频流的传输丢包 6 武汉理：i ：人学硕十学位论文 速率。由于视频信息的封包丢失将直接影响视频的播放质量，理想的i p 视频流 传输要求m l r 数值为零。m l r 对非正常数据包的检测非常重要，因为许多设 备往往不对接收到的数据包重新排序，而直接将其发送到解码器。当然有些视 频播放设备对丢包可以通过视频解码进行补偿或者丢包重传，在实际测试中 m l r 的阈值可以相应调整。但是任何数据包丢失都会对视频质量带来不利影 响，并造成视觉失真或异常以及不均匀的视频回放【1 9 】。m l r 计算公式如下i 加l ： m l r = 媒体封包丢失总数采样周期 = ( 应该收到的数据包的数量实际收到的数据包的数量) 采样周期 由于m l r 是某个采样周期的值，不能反映丢包的持续性，而实验表明持 续小量的丢包比一次大量的丢包对视频观看质量有更明显的影响。因此我们可 以通过定义不同周期的m l r 来反映丢包的持续性l 删。 2 1 1 3 丢包间距l d 丢包间距l d ( 1 0 s sd i s t a n c e ) 定义为一系列数据包两次丢包之间成功传输 数据包的个数【2 。网络视频应用层常常用r t p 封装，r t p 头有个字段s e q u e n c e n u m b e r ( 详见2 2 1 4 ) ，每发送一个r t p 数据包，该序号加1 ，可以根据此值来 计算两次的丢包间距。此值可以反映丢包的严重程度，及数据包丢失的分布情 况。同样，此指标计算方法也适用于用t c p 传输的网络视频流，可以计算两次 乱序之间传输的t c p 数据包个数。 2 1 1 ，4 丢包周期l p 丢包周期l p ( 1 0 s sp e r i o d ) 定义为一系列数据包发生丢包的次数，可以累 加此值反映网络视频传输丢包的频率。 规定：第k 个包丢失，则认为f ( k ) = 1 ，反之f ( k ) = 0 。同理，若f ( k ) = l ， f ( k 1 ) = 0 ，则标记着一个丢包周期的丌始。以r 标记某包未丢失，x 表示某 包丢失，存在以下一系列的包见表2 1 。 7 武汉理：j ：人学硕+ 学位论文 表2 - 1 丢包周期数据样本 标记 r r rxr rxxxrxr rx x x 编号 ol234567891 01 11 21 31 41 5 f ( k )o 0 o10 o111o1 oo1 1 1 由上表2 - 1 可以得到四个l p ，分别为p j ，p ，p j o ，a n dp 一1 3 ，累加值为 4 ，说明发生四次丢包现象f 2 1 】。 2 1 2m p e g 2t s 质量分析指标 m p e g 2t s 流是常见的网络视频流，其完整性与准确性直接影响正常的解 码和播放质量，因此对网络视频质量评估时必须考虑原始视频数据的完好性。 e t s it r l 0 12 9 0 标准已对m p e g 2t s 流质量的指标进行了详细的定义， 常用的有以下几个指标：连续性错误( t sc ce r r o r ，t r a n s p o r ts t r e a mc o n t i n u i t y c o u n t e re r r o r ) 、p c r 抖动( p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c ej i t t e r ) 、p s i 错i - 吴( p r o g r a m s p e c i f i ci n f o r m a t i o ne r r o r ) 。 t s 包头部中对于同一类型的视频数据有个编号字段c o n t i n u i t yc o u n t e r ( 详 见2 2 1 5 ) ，取值由o 到1 5 依次循环，可以通过这个值的连续性来判断是否有 丢包，如果不连续则说明产生了丢包，记为一次t sc ce r r o r ，可以用此值来反 映t s 包的丢失情况。 2 1 3 常见指标在u d p 网络视频质量监测中的应用 本节以u t 斯达康公司的i p t v 组播为例来计算其u d p 网络视频传输质量 的r t p d f 、r t p m l r 、r 1 曙- l d e 、r t p l p e 、t sc ce r r o r 指标。在此应用中， 每个u d p 媒体数据包中都带有一个r t p 数据包，而每个r t p 数据包负载着1 7 个m p e g 2t s 数据包，网络上采集到的数据包结构图如图2 - 1 所示。于是我们 通过以下方法来计算d f 和m l r 。 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 7m p e g 2t s r t p h e a d u d p h e a d i p h e a d p p p h e a d p p p o eh e a d e t h e m e th e a d 图2 - 1u t 斯达康组播数据包结构图 2 1 3 1r t p d f 计算方法 根据定义d f = f 最大值( x ) 最小值( x ) 1 媒体流码率。 取一秒为一个周期，计算虚拟缓存x ： x = i 累加一个周期内接收到所有m p e g 2t s 字节数解码所需要的字节数i 解码所需要的字节数= 媒体流码率宰周期时间 其中媒体流码率是通过对数据包进行解码计算得到的，设媒体编码率m r ( 以b i t s 为单位) 、r i ( 以b y t e s 为单位) 。从周期的第一个r t p 包丌始，对每 个r t p 包，判断收到的m p e g 2t s 包罩是否有p c r ( 见2 2 1 5 详解) 字段， 若有则保留信息，当找到两个时，则计算m r ，p c r d e l t a 为两个p c r 之间时间 间隔。m p e g p a c k e t n u m 为两个含p c r 的t s 包之间的t s 包个数。统计一个周 期内所有计算出的m r ，取出现频率最高的m r 作为媒体解码率【4 2 1 。公式为： m r = ( ( 1 8 8 奉2 1 6 幸m p e g p a c k e t n u m 术1 o ) p c r d e l t a ) 幸1 0 0 ( k i ( k r l = m r 8 2 1 3 2r t p m l r 计算方法 根据2 1 1 2 节m l r 定义，可以定义r t p m l r = 媒体封包丢失总数采样周 期。此处媒体封包丢失总数取r t p 包的个数，每个r t p 数据包中都有一个唯一 的序号，取值为0 - 6 5 5 3 5 ，可以根据此序号来计算r t p 数据包的丢失情况。如 图2 2 此屏丢包率为5 。 9 武汉理工 学硕士学位论文 图2 - 2r t p 丢包分析圈 2 1 3 3r t p - l d e 计算方法 根据2 1 1 - 3 节l d 定义：一系列数据包两次丢包之间成功传输数据包的个 数( 详见2 1 1 3 ) 。则将r t p l d e 0 0 s sd i s k m c c e r r o r ) 定义为该周期内最大的l d 。 此值反映某周期内所有丢包间距的严重程度。 2 1 3 4r t p - l p e 计算方法 根据仕定义：一系列数据包发生丢包的次数。( 详见2 1 1 4 ) 。则将r t p - l p e ( 1 0 s sp e r i o de r r o r ) 定义为该周期内l p 的累加值。此值反映某周期内发生丢包的 次数，反映网络上丢包的频率。 2 1 3 5 i sc ce r r o r 计算方法 m p e g 2 t s 包头部有个字段为c o n t i n u i t y c o u n t e r ( 详见2 2 1 5 ) ，含有相同 p i d 字段的连续t s 的该字段理论上顺序增i ，循环取0 1 5 自j 的整数。j 下常情 武汉理工大学硕士学位论文 况下，同一t s 流中的t s 包，该字段是顺序的，当出现乱序或不连续时，此字 段会不连续，现象为图像丢帧，用鸭c c e r r o r 来表示这一错误。 每发生一次不连续，1 3 c c e 胁加1 。 2 1 3 6 实验结果 i n e 0 0 i l 啡仪表是呵v 业内进行网络视频传输质量监测最常用的设备之 一，本文选择将实验结果与此仪表的测量结果进行对比分析，以验证上述指标 计算方法的有效性。 在实验室环境下，按照上述方法来进行实验并将最终得到的d f ，m i r 结果与 n c o ( h c s t 公司推出的 n c o q u e s t 仪表测试结果进行对比，结果如下，图 2 - 3 为用抓包工具所截取的视频流数据包，丢包处已经标记出，图2 4 为d f 结 果比较，图2 - 5 为m l r 结果比较，图2 - 6 为m 甲。l d e ，r t p l o e ，t sc ce n o r 指标结果。 擎酱斟g d 凸口x 旬吕国旬蕃量曰曰敏q q 口醇回既拭砑 m i i i i i 一- m 呐m 7 r0 ，j 1 o l d ) 2s 7t n mn ， 哪! 州* ) 2s 删 日t n0 w 1 i 3 _ w 1 0 1 一( * ) 2 9t 1 0 日n 1 6 7 3 j 1 b j r “1 0 “一) 2 d t 1 日，0 9 ，1 ，】 l i 】r ) 】 j “1h 目70 2 1 b 日，i ， 1 日z “n 1 ( * ) 2 2t 1 日90 # ，7 】 uz 6 j 1 c * 】2 “ t n0l 9 2 ，7 ”8 1 w j luz m6 j c * ) 一| 6 2 j “t 口，0 7 2 2 i b 7 3 ，1 日z ” n 1 ( * ) 一i ，2 ：s “s t 1 ”0 ，i i ，z j l z u6 ，r ”口0 n ) 22 5 “et 1 - 目70 1 g ，j ju j “5 p y t ) 3 ，z2 s 7t 1 0 ；1 r1 9z ，| ? “v 1 0 1 ( * ) ， n5 日t 1 1 0 2 口； z 1 日n 1 7 hz “y t o ( * ) z 2 t j 8 w ”z “t o ( * ) t 3 z z5 ，zt o 8 目1 7 1 2uz e j v 1 ( ) 6 7 j 9 2 2 - 5 0 ，t 1 1 0 bo 9 2”2 * o d 州删n 2 州o ht 1 - a “7 i 02 6 9i ) 7 j 2 o ，t 1 j ，6 wm 7 1 82 n6 jr ，1 口e ( 9 2 2s ”2s 0 ，5t 1 l e a “7 1 z p i ( * 】 2 2 0 1 7 - 一1 0 8a 】1 6 7 1 8z w5 j y l o ) 7 9 ：2 0 ，bt 1 1 2 0o i a 日1 5 7 1 s ? 口| 5 lr 1 ( * ) 一 ? - * q - 2 5 9 - ” 1 0 n bw 1 6 ，1 z1 z j r y 1 6 ( ) 一- j 6 7 ! o q ? ，0 n t 1 i h04 0 ，8 j 1 80 j 1 5 7 1 ij j y l o e ( * ) ，9 2 z5 e q - 2 ，0 t 1 1 7 60 2z 1 b0 ，i 6 r 1 日? ，t y 0 1 ( * 】3 2e o q - 2 ，0 6 t 1 1 0 7 口口7 8 ll b ，1 1 _ “ o ( * ) - 7 j9 j zs q - ? s 0 t 1 z 0 27 8 ，16 ， z m p p o y l o c ) 一，9 2 2s e 口25 0 t 1 - n 8 7 5 b 1 6 7 1 目：n6 jp t p p a ”口( 1 一，0 2 25 t q t 1 w0 7 b5 l l 1 日z 6 ，口 y 口e ( * ) ；0 z ：5 e p 2 ，* ，t 1 _ 1 ”o “ 目7 j z b # 1 6 7 1 日? 0 ，n 0 e ( ) 1 9 2 2m - ? j c t 】+ 1 自z “”日0 f ) 6 o 2 ： _ 燕黧器甄罴黧纛甄 日日1fwlrwlr一研i1一 b 口l 。05 ”b o f o id ，95e l 3 ， b o i 4 e h0 5 3 1a 0h 6 7 ，【o ， 日 b d d 02 1v 0 + 1 0 “1 0 1 b 二a2 j t 日1 l eeh i “7 一口p 图2 3u t 数据包分析图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 实验值与i n c o q u e s t 仪表i ) f 值对比 实验值与i q 仪表m l r 值对比 l 人 51 01 52 02 59 + 实验值 一1 0 仪表测量值 图2 - 5 实验值与l l i q u c s 仪表m l _ r 值对比 挖m 8 6 4 2 0 吧 牛 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 表2 - 2 发生乱序时的相关指标 r t p l d er t p l p et sc c e r r o r 0o0 1 022 o 00 图2 4 图2 - 5 中，将实验结果与i n e o q u e s t 仪表测得值对比证明，按上叙方 法计算得到的媒体传输质量指标可以较好地反映d f ，m l r 两个指标的变化趋 势和大小。此外实验中还通过对网络视频流加模拟损伤来重新测试，结果表明 计算出的d f 值准确反映了抖动对组播业务视频质量的影响，与i n e o q u e s t 仪表 的测量结果基本保持一致，成功的验证了以上媒体传输质量指标计算方法的正 确性。 表2 2 是在模拟损伤造成网络丢包或乱序的情况下得到的实验数据，数据 表明某个周期内网络上丢包最大间距为1 0 ，发生了2 次丢包或乱序，t sc ce r r o r 值为2 ，与所加损伤的情况一致，而一般正常情况下所有值为o 。 本文第三章中对t c p 网络视频传输质量方法的研究，正是在此实验的基础 七提出的。 2 2t c p 网络视频数据封装和传输原理概述 t c p i p 协议是目前网络上广泛使用的协议。t c p 和u d p 是传输层的两大 协议。其中t c p 是面向连接的，提供可靠流服务；u d p 是无连接的，提供数据 报服务引。由于t c p i p 协议最初是为提供非实时数据业务设计的，当检测到数 据包丢失或错误时会重新发送，保障了传输的有效性却降低了传输的实时性【3 8 l 。 一直认为t c p 不适合传输实时的多媒体数据，t c p 实时性不如u d p ，它具有 较好的可靠性，不会因为丢失关键帧而出现严重的马赛克现象。在带宽足够大 的情况下，t c p 是一种优秀的传输方式。在局域网目前多数都是1 0 0 m 的网卡， 视频传输的容量大约在2 0 0 秒，所以硬件上不存在带宽的瓶颈限制。经过实验 统计发现，在局域网当中，采用t c p 协议来传输实时视频数据，具有很好的效 果，延迟时i j j 很小( 与u d p 效果接近) ，但有比u d p 更清晰更稳定的画面质量。 武汉理工大学硕士学位论文 近年来网络通信技术的发展和带宽的不断提高，也为t c p 传输实时视频数据带 来了无限潜在可能。 下面将针对某t c p 网络视频点播数据来分层介绍其数掘包封装格式、传输 原理和特点，为第三、四章中t c p 网络视频质量监测方法研究和实现提供理论 基础。 2 2 1t i 疆网络视频数据封装简介 要利用唧进行网络视频传输，不仅要了解t c p 协议的相关功能和实现， 还必须了