VoIP流技術(shù)，一種測(cè)量視頻網(wǎng)絡(luò)性能的新方法

VoIP是一種正在形成的嶄新技術(shù)，為了提高視頻流的質(zhì)量，需要對(duì)終端進(jìn)行測(cè)量并監(jiān)控抖動(dòng)、數(shù)據(jù)包丟失及有效載荷的質(zhì)量，本文介紹了幾種觀察的方法，重點(diǎn)介紹了如何評(píng)價(jià)緩沖器和網(wǎng)絡(luò)的邊界限制對(duì)視頻質(zhì)量的影響。

VoIP技術(shù)的傳輸要通過(guò)具有視頻流的交換包網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)今針對(duì)VoIP的標(biāo)準(zhǔn)還不多，因此要測(cè)量VoIP流的質(zhì)量問(wèn)題。在確定測(cè)量?jī)?nèi)容前，必須對(duì)定義VoIP流質(zhì)量的基本特性有一個(gè)充分的了解。

與通過(guò)IP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，視頻流質(zhì)量需在現(xiàn)場(chǎng)，并且是在TV終端進(jìn)行測(cè)量。終端視頻的質(zhì)量既非僅指網(wǎng)絡(luò)帶寬的某個(gè)功能也非僅指MPEG-2的某個(gè)功能。事實(shí)上，許多有關(guān)終端視頻質(zhì)量的問(wèn)題是MPEG-2質(zhì)量與確定性的IP包網(wǎng)絡(luò)傳輸水平的結(jié)合問(wèn)題。這一點(diǎn)與數(shù)據(jù)通信不同，數(shù)據(jù)通信通過(guò)穩(wěn)定吞吐量的速度測(cè)量質(zhì)量，而較少關(guān)注負(fù)載的特性，視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送的的要求更高。

設(shè)計(jì)用來(lái)傳送視頻流的網(wǎng)絡(luò)必須考慮它們所能傳送的有效載荷，此外正在被傳送的MPEG-2流的類型也會(huì)對(duì)影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖钚』蜃畲筮吔缣卣?，并且整個(gè)系統(tǒng)必須與終端的視頻流質(zhì)量保持一致。

測(cè)量及監(jiān)控這些流將涉及對(duì)第三層、協(xié)議層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間、這些到達(dá)時(shí)間的平均時(shí)間及瞬時(shí)時(shí)刻的測(cè)量，并最終通過(guò)解碼第7層的一部分及MPEG-2內(nèi)容來(lái)測(cè)量系統(tǒng)邊界。與系統(tǒng)緩沖器限制相結(jié)合的MPEG-2內(nèi)容會(huì)對(duì)傳輸邊界造成影響。本文以視頻點(diǎn)播（VoD）為實(shí)例，討論目前VoIP技術(shù)，然后看看VoD系統(tǒng)每一個(gè)階段會(huì)面臨的問(wèn)題，以及對(duì)哪一部分的質(zhì)量需要進(jìn)行測(cè)量。最終我們將會(huì)找到在VoIP視頻流的終端確定視頻流質(zhì)量的關(guān)鍵字節(jié)，這個(gè)過(guò)程采用了對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)定的系統(tǒng)論方法。

基于IP的MPEG傳送流

什么是VoIP流？VoIP流是一種客戶可以接近實(shí)時(shí)或通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)瀏覽視頻內(nèi)容的技術(shù)。雖然有多種基于IP移動(dòng)視頻內(nèi)容的應(yīng)用，最普遍的VoIP流的實(shí)例是一種服務(wù)，該服務(wù)由被稱為VoD的電視公司所提供，VoD通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)，是VoIP流最典型的例子。

在VoD系統(tǒng)中，用戶可在其客廳通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播由遙遠(yuǎn)位置所提供的電影。電視圖像（磁盤服務(wù)器提供）被產(chǎn)生并包裹在用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）/IP數(shù)據(jù)包中，然后傳送到用戶的家中供觀看。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化的VoD網(wǎng)絡(luò)方框圖，該圖從位于電纜服務(wù)器設(shè)備開始到當(dāng)?shù)仉娎|集線器，然后最終進(jìn)入用戶家庭。對(duì)該技術(shù)的概括了解，我們可探究系統(tǒng)的重要參數(shù)。

人們可以提出許多問(wèn)題：如何知道視頻信號(hào)在用戶的電視上能夠正確顯示？如果存在錯(cuò)誤的話，錯(cuò)誤原因又是什么？是MPEG出現(xiàn)了故障，還是交換丟失了數(shù)據(jù)包或造成視頻流出錯(cuò)？視頻流故障會(huì)持續(xù)多久？且不提可能被問(wèn)及的有關(guān)縮放比例的問(wèn)題，如果一些家庭的幾個(gè)用戶在同一時(shí)間購(gòu)買了幾臺(tái)電視，又會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題？用戶的鄰居如果正在觀看視頻點(diǎn)播的電影，這會(huì)影響用戶的視頻質(zhì)量嗎？

影響VoIP質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)

開始回答這些問(wèn)題時(shí)，我們需要簡(jiǎn)化以上實(shí)例的模型，圖1同樣顯示了基于千兆以太網(wǎng)的視頻流的概念模型。

來(lái)自VoD服務(wù)器的MPEG-2數(shù)據(jù)被打包并以恒定的MPEG-2 TS速率傳送，該速率與MPEG-2 TS的比率相一致。例如，電影1是以3.75 Mb/s編碼的MPEG-2視頻流，意味著視頻解碼器必須每秒識(shí)別3.75Mb的數(shù)據(jù)，MPEG-2數(shù)據(jù)包容許的抖動(dòng)是±500ns。由于VoD服務(wù)器的每個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包由7 個(gè)MPEG-2 TS組成，并且（理論上）以平均和連續(xù)的速率將這一數(shù)據(jù)包發(fā)送出以太網(wǎng)端口，以簡(jiǎn)化終端的3.75 Mb/s接收電路設(shè)計(jì)。

由于在該系統(tǒng)中有多重時(shí)鐘域，緩沖有助于平滑時(shí)鐘并加速變化。圖2顯示了VoIP視頻流質(zhì)量的基本流程圖。作為來(lái)自VoD服務(wù)器和交換網(wǎng)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，MPEHG-2 TS 數(shù)據(jù)包被緩沖并以平穩(wěn)的3.75 Mb/s速率流向解碼器，然后MPEG-2被解碼并顯示在電視上。這種模型不執(zhí)行特定的緩沖器大小，但會(huì)利用緩沖器的容量。無(wú)論緩沖器容量為多少，均會(huì)出現(xiàn)使緩沖器過(guò)流或下溢的傳輸狀況，從而導(dǎo)致由于MPEG-2數(shù)據(jù)包丟失而造成的視頻質(zhì)量變差。在這種模型中，理解流的行為很重要，觀察最小和最大的實(shí)例將確定有效的緩沖器容量及/或達(dá)到質(zhì)量要求的VoIP視頻流的傳輸行為。

為了確保VoIP傳送質(zhì)量，建議對(duì)五種特性進(jìn)行測(cè)試和監(jiān)控：

1） 造成延遲的數(shù)據(jù)包間到達(dá)抖動(dòng)

2） 造成突發(fā)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包間到達(dá)抖動(dòng)

3） 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包丟失

4） 由MPEG-2數(shù)據(jù)傳輸率得到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包間到達(dá)平均漂移/偏差。

5） 由于網(wǎng)絡(luò)、MPEG-2編碼錯(cuò)誤或MPEG-2數(shù)據(jù)包丟失產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包中斷對(duì)MPEG-2質(zhì)量的影響。

解釋上述測(cè)量對(duì)象的最好方式是從測(cè)量的角度出發(fā)以圖表來(lái)反映對(duì)系統(tǒng)的影響，圖3表明這五個(gè)特性對(duì)終端視頻質(zhì)量的影響。

造成大量延遲的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包抖動(dòng)會(huì)造成終端緩沖器資源耗盡，產(chǎn)生解碼器沒(méi)有內(nèi)容可解的時(shí)段，這會(huì)導(dǎo)致電視上所見(jiàn)的視頻質(zhì)量下降。在許多情況下，電視會(huì)顯示大量塊狀視頻或顯示的僅僅是空白。包括交換機(jī)服務(wù)質(zhì)量（QoS）設(shè)置、交換匯聚和/或服務(wù)器問(wèn)題在內(nèi)的問(wèn)題均會(huì)造成抖動(dòng)延遲。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)期速率變化也會(huì)造成緩沖器以相同的方式資源耗盡。當(dāng)平均以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包間時(shí)隙造成MPEG視頻速率小于3.75 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)，在此情形下，假定服務(wù)器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)外的MPEG以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包保持?jǐn)?shù)據(jù)率為3.50 Mb/s，那么，緩沖器資源將最終被耗盡。

與前一例類似，造成數(shù)據(jù)包突發(fā)錯(cuò)誤的以太網(wǎng)抖動(dòng)可能造成緩沖器溢出，由于數(shù)據(jù)丟失會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上的若干點(diǎn)上出現(xiàn)，且形成原因有著顯著的不同，這種情形更難以監(jiān)控。在這種情況下，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包造成緩沖器溢出的速度更快，下一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中丟失，這既可能是某種傳輸問(wèn)題也可能是潛在的帶寬問(wèn)題，可能正在突發(fā)以太網(wǎng)幀或網(wǎng)絡(luò)擁塞的服務(wù)器正造成網(wǎng)絡(luò)交換單元開始突發(fā)幀錯(cuò)誤，因此測(cè)量TV顯示的質(zhì)量不可能反映出錯(cuò)的原因。當(dāng)由于數(shù)據(jù)包突發(fā)導(dǎo)致的溢出引起丟包時(shí)，無(wú)論MPEG解碼器的緩沖能力如何，都可能導(dǎo)致MPEG編碼器溢出。之所以如此，是因?yàn)镸PEG解碼器的緩沖器間歇地耗盡，且某些MPEG數(shù)據(jù)包幾乎沒(méi)有進(jìn)入解碼器的緩沖器。因此，實(shí)際上可能存在上溢（overflow）和下溢（underflow）同時(shí)出現(xiàn)在編碼器/服務(wù)器和解碼器之間的路徑上，與最后一個(gè)實(shí)例相似，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)期速率變化會(huì)造成緩沖器上溢，從而導(dǎo)致MPEG數(shù)據(jù)包丟失。

圖4中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中丟失，這是一個(gè)觀察其效果的簡(jiǎn)單例子，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有到達(dá)，它將會(huì)導(dǎo)致視頻質(zhì)量變差。

在所有的實(shí)例中，均有一個(gè)對(duì)MPEG質(zhì)量如何理解的重要問(wèn)題。如果MPEG編碼不當(dāng)或MPEG有效載荷在傳輸路徑的任何一個(gè)地方被破壞，包括直接由RAID所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷，視頻質(zhì)量均會(huì)遭到損失。此外，還要考慮網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)視頻流的影響。由于以太網(wǎng)是一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)，視頻流越多，網(wǎng)絡(luò)交換元件不得不緩沖、重調(diào)流量的機(jī)會(huì)就越大，從而產(chǎn)生抖動(dòng)、延遲、突發(fā)和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。

本文小結(jié)

VoIP是一種尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)定論且正處于形成階段的嶄新技術(shù)，由于它與系統(tǒng)中的緩沖器極限有關(guān)，VoIP流的終端質(zhì)量需要測(cè)量并監(jiān)控抖動(dòng)、數(shù)據(jù)包丟失及有效載荷質(zhì)量，因而該技術(shù)成為一種測(cè)量視頻網(wǎng)絡(luò)性能的新方法。

要確保傳送質(zhì)量，可能需要對(duì)沿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所分布的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，同時(shí)也需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為和MPEG質(zhì)量都進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。

有幾種對(duì)這種模型進(jìn)行觀察的方法，這種測(cè)量VoIP終端視頻質(zhì)量的系統(tǒng)方法重點(diǎn)在于視頻及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)置，MPEG速率越快，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的邊界的限制就更多。由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求完全不同， 采用相同的緩沖器終端的DVD質(zhì)量的MPEG-2與具有的高清晰度質(zhì)量的MPEG-2的差異可能很大。實(shí)際情況就是如此，即使數(shù)據(jù)率的增加仍在以太網(wǎng)的邊界范圍內(nèi)。

DVD質(zhì)量的MPEG-2速率約為3.75 Mb/s，高清晰度質(zhì)量的MPEG-2速率約為19.3Mb/s。這一速率約為網(wǎng)速的5倍，并表示緩沖器能夠處理1/5的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)及數(shù)據(jù)包間到達(dá)時(shí)間漂移。一個(gè)30ms的抖動(dòng)/延遲可能對(duì)DVD不會(huì)造成影響，因?yàn)榫彌_器的耗盡率比硬盤（HD）小。由于高清晰度質(zhì)量會(huì)對(duì)緩沖器進(jìn)行處理（如耗盡）的速度快得多，相同的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)/延遲就可能是不可接受的。

給定緩沖器的耗盡率就其本身而言，有利有弊，然而，它確實(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送造成了實(shí)際限制和行為輪廓，同樣地，對(duì)緩沖器容量的設(shè)定也有相同的影響。事實(shí)上，就網(wǎng)絡(luò)傳輸而言，耗盡率和緩沖器有著直接的關(guān)系，例如，如果上例中緩沖器容量與DVD MPEG-2對(duì)HD MPEG-2間的速率都增加相同的因子，那么，行為差異將會(huì)最小化。注意，在服務(wù)器中和/或貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的其它系統(tǒng)參數(shù)都可能受到較快或較慢的視頻流的影響。

由此可以推斷，隨著這一技術(shù)的不斷成熟，更多的視頻流將能夠通過(guò)IP網(wǎng)運(yùn)行，但對(duì)系統(tǒng)測(cè)量與監(jiān)控的要求也必須予以考慮以確保終端的視頻產(chǎn)品質(zhì)量。

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