多媒体网络可靠性分析系统实现

李 娜，于鸿洋

（电子科技大学 电子科学技术研究院，四川 成都 611731）

随着互联网技术和通信技术的不断发展以及网络带宽的不断改善，集成了视频、音频和数据的流媒体数据的实时传输技术已经成为了业界广泛关注及研究的一个热点[1]，这就要求IP网络具有更高的网络业务可靠性。由于多媒体网络具有固有的高度复杂性、异构性和动态性等特性，使得对多媒体网络整体的业务可靠性的特征及行为的测试与分析变得日益困难。

本文设计并实现了一个多媒体网络可靠性分析系统，同时提出了一种综合可靠性评价方法。本系统采用C/S模式，由流媒体服务器、前端视频采集设备和流媒体客户端三部分组成，通过对多媒体网络中传输的数据包进行捕获及分析，利用数据包分析处理模块、可靠性统计分析模块及视频播放模块，实现了视频的实时远程播放功能，并最终实现了从客观和主观两方面对多媒体网络可靠性测量与分析工作，同时在最后给出了实验结果及分析。

1 多媒体网络可靠性与流媒体传输协议

1.1 多媒体网络的可靠性评估模型

网络可靠性可以分为三层评估模型[2]，分别是连通可靠性、性能可靠性以及业务可靠性。这三个层次的可靠性分别都有不同的侧重点，所要关注的用户也是不同的。传统的可靠性主要是分析物理失效的故障，但是对于多媒体网络，网络可靠性主要应该考虑性能可靠性和业务可靠性这两层。因此，本文主要是从网络的业务/服务层来主要测试和分析多媒体网络的业务可靠性，以网络可靠性指标之一的网络可用性作为主要的研究目标，以便能够为用户提供较好的QoE体验。

1.2 基于MDI的视频质量分析模型

MDI（Media Delivery Index）即媒体质量传输指标，它由Cisco和IneoQuest Technologies公司共同提出，并且已被IETF采纳，标准号为RFC4445。延迟因素DF及媒体丢包率MLR是基于MDI的视频质量分析模型用来评估视频质量的参数。这两个参数的具体计算公式分别为

目前采用MDI测量指标来对视频传输质量进行测试和评估是比较通用的方法[3]，MDI分析模型具有以下优点：

1）应用方便、扩展性好，能够同时对几百个Channel和终端用户的视频流质量进行评价。

2）直接表现出与视频质量有关的网络问题。

3）在多媒体网络上进行测量，与上层传输协议的类型以及视频编码压缩类型无关。

4）可用于实验室环境中，能够准确分析特殊设备对媒体质量的影响。

5）适合实时的多媒体网络的流媒体质量评价。

1.3 RTP简介

RTP的每条报文都是封装在用户数据包协议中的[4]，且在UDP协议上运行。在一般情况下，RTP协议的UDP端口号都是偶数。这也决定了RTP协议不能提供流量控制机制以及拥塞控制机制，同时不能为按序传输视频数据包提供可靠的传送机制。因此，RTP协议必须依靠实时传输控制协议RTCP，图1所示为RTP协议的首部格式。

1.4 RTCP简介

RTCP是RTP的控制协议[4]，它的主要功能是为RTP的视频数据传输提供拥塞服务控制和流量控制。其实现过程是：RTCP在Internet上周期性地传送包含已发送和丢失数据包的数据统计信息的RTCP包，这些数据包可以用来提供数据分发质量的反馈信息，进而实现了网络控制和监测功能。为了便于传输，RTCP报文也封装在用户数据报协议中，其端口号比RTP协议的端口号大1，即是RTP协议端口号的下一个奇数位的端口号。

通过RTP协议和RTCP协议的配合使用，通过采用有效的周期性的反馈，服务器可以动态地改变有效载荷类型，甚至改变传输速率，最后可以将其达到最优化，由此可以看出，它们是专门用来实时传送多媒体网络流媒体数据。

2 算法实现及系统设计

2.1 综合可靠性评价方法

本文主要对MDI的两个测量指标进行测量和综合分析，并将对这两个指标数据进行归一化处理，最后给出一个量化的、直观的可靠性结果，即综合可靠性评价方法。

综合可靠性评价的公式为

式中：R表示多媒体网络系统的总可靠性参数；DFi表示第i个探测包在周期；T时间内的时间延迟；M表示在一个周期内的平均时间延迟，其计算公式如式（4）所示；L表示在时间周期T内的丢包率（L为1时表示到达，L为0时表示丢包）；α1、α2及α3表示权值参数，可以根据多媒体网络的具体需求调整，其关系式如式（5）所示。

2.2 系统设计

本系统是采用客户端与服务器端模式来实现的，系统主要由视频采集端、流媒体服务器、网络模拟器、客户端组成。本系统的仿真整体结构布局如图2所示。

本系统主要实现的模块有RTP包分析处理模块、RT⁃CP包处理模块、统计分析模块、解码播放模块及可视化模块等4个部分。本系统的总体框架结构图如图3所示。

2.2.1 RTP包分析处理模块

RTP数据包的主要识别流程图如图4所示。为了实现对多媒体网络视频数据的实时远程播放，需要对识别过程中保存的RTP数据包进行还原，其实现流程如图5所示。

图4 RTP数据包的识别流程图

2.2.2 RTCP包处理模块

本系统客户端的RTCP包处理模块也是采用UDP的传输方式，其中接收及处理SR包的过程如图6所示。

图6 SR包识别流程图

2.2.3 可靠性统计分析模块

为了准确地分析多媒体网络的可靠性，首先要将存储在缓冲区内的RTP/RTCP数据包进行处理和统计分析，也就是对RTCP包的SR包及RR包进行拆分和统计；然后再通过综合可靠性分析评价方法，最后计算出多媒体网络可靠度，其主要流程图如图7所示。

图7 可靠性分析统计流程图

3 实验结果分析

3.1 测试环境

实验测试环境配置如表1所示。

表1 实验测试环境配置

实验测试的指标参数主要在两种极端条件下进行测试，即延迟时间为0 ms和200 ms这两种情况下，而丢包率控制在0～15%范围内。

3.2 测试结果

为了使实验结果更具有可信性，实验次数均为10次。实验测试详细参数如表2和表3所示。图8为实验所测得的曲线图，可以看到当丢包率在8%～12%之间时，多媒体网络的可靠度变化较大。客户端在对视频数据进行播放时出现了画面不清晰的情况，其效果如图9所示。

表2 时间延迟200 ms时实验测试结果

表3 时间延迟0 ms时实验测试结果

4 小结

本文通过对多媒体网络可靠性、基于MDI的视频质量分析模型以及RTP/RTCP协议的研究与分析，提出了综合可靠性分析算法，最终实现了多媒体网络可靠性分析系统。

本文实现的多媒体网络可靠性分析系统是基于主动测量的C/S模式下实现的，并且在MDI分析模型的基础上提出了一种新的算法，即综合可靠性分析算法，同时将其与视频主观评价方法相结合，得到了一个可以较为准确地分析多媒体网络可靠性的分析系统。

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[1]李崇东，李德梅.网络可靠性研究综述[J].科技信息，2009（19）：57-58.

[2]李达.基于流量采集与参数测量的网络可靠性分析系统的设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2009.

[3]ITU-T Recommendation P.10/G.100 Amendment 1,New appendix I definition of quality of experience(QoE)[S].2007.

[4]曲柳莺.流媒体传输协议的研究[D].成都：电子科技大学，2004.