第 5 期 高曼颖等: 基于 RTP 速率控制单元的无线视频传输控制 ·712· 基 于 RTP 速 率 控 制 单 元 的 无 线 视 频 传 输 控 制 * ( 1. 武汉大学 计算机学院, 湖北 武汉 430079; 2. 武汉大学 多媒体网络通信工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430079) 高曼 颖1 , 李 明 2, 胡瑞敏 1 摘 要: 第 三代 无线 移动 通信 中视 频传 输成 为重要 的业 务。 提出 了 一 种有 线 网 络与 无 线 网络 边 界 的 RTP 速 率 控制 单元 方案 , 实 现了 在无 线流 媒体传 输中 有效 区分 拥 塞丢 包 与 无 线 网 络信 道 丢 包 。通 过 仿 真 实 验 证明 , 此 方 案能 够较 好地 判断网 络状 态, 合 理地进 行速 率控 制和 鲁棒 性控 制, 为无 线视 频传 输提 供较 高的 QoS 保障。 关键 词: 无 线视 频; RTP 速 率控 制单 元; 拥塞 控制 ; 差错 控制 中图 法分 类号 : TP393. 02 文 章编 号: 1001- 3695( 2005) 05- 0217- 02 文 献标 识码 : A Transmission Control with RTP Rate Control Unit for Wireless Video Streaming ( 1. School of Computer Science, Wuhan University, Wuhan Hubei 430079, China; 2. Key Laboratory for Multimedia & Network Communication Engineering of Hubei Province, Wuhan University, Wuhan Hubei 430079, China) GAO Man-ying1, LI Ming2, HU Rui-min1 Abstract: In this paper, the RTP rate control unit which lie midway between wired networks and wireless radio links is pro- posed. This scheme can efficiently distinguish quality degradation caused by network congestion from that caused by wireless radio link errors during the multimedia streaming transmission. Simulation results show this scheme can better decide the net- work condition and improve service quality by controlling the transmission rate and robustness against packet loss. Key words: Wireless Video; RTP Rate Control Unit; Congestion Controls; Error Control 1 引言 在第三代移动通信业务中, 多媒体业务量将远远超过传统 的业务。面向无线通信的视频 编码和 传输问 题已经 形成了 新 的研究热点。由于多径衰落、时 延扩展、噪声 影响和 多址干 扰 等原因, 无线信道的误码率远远高于有线网络。有线网络中丢 包被认为仅由于网络拥塞造成的, 如路由器的缓存空间被耗尽 时, IP 分组被丢 弃 [ 1] 。然而 无线 网络中 由于 上 述原 因存 在 大 量的信道丢包和延迟, 如果不区分拥塞丢包和无线信道衰落丢 包, 简单地针对丢包采取 降低发 送端速 率来调 整, 会 造成网 络 吞吐量等网络性能的严重下降 [ 2] 。 因此必须正确地判断无线网络状况, 分离差错控制和拥塞 控制才能对实 时流 媒体 提 供较 高的 QoS 保障。 目前, 在 分 离 方面也有一定的研究成果, 大多集中在区分拥塞丢包与信道误 码丢包机制的研究上 [ 3] , 如各种 显式拥 塞通知 ( ECN) 、显式 丢 包通知( ELN) 、分离 连接( Split-connection) 以 及各 种隐 式的 丢 包行为判断机制等。 文献[ 4] 提出的 Split TCP 方 法是在 无线和 有线网 络边 界 上设置中介点代替接收端反馈 RTCP, 但忽略 了无线 网络条 件 和接收端的最终媒体质量。中 继点上 的转码 方法能 够提高 鲁 棒性, 但是增加了 附加 的 延迟 并 涉及 版权 问 题。ELN 方 法 [ 5] 提出在 TCP 的 ACK 包头设置丢 包原因 标志, 能够区 分误码 丢 包和拥塞, 但需要频繁的 TCP 反馈, 并且当 两者同时 发生时 不 能进行任何速率控制。 收稿日期: 2004- 05- 23; 修返日期: 2004- 07- 20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 60272097) 根据文献[ 6] 提 出一种 设置 于无 线网 络与 有线 网络 边 缘 的 RTP 速率控制单 元 ( Rate Control Unit, RCU) 来区 分网 络 丢 包的原因, 并给出了系统结构、算法描述和仿真结果, 以及给出 调整服务器发送速率的拥塞控制策略和差错控制重传策略。 2 RCU 与无线视频系统结构分析 在无线流媒体的应用中, 视频数据自媒体服务器经由有线 网络和无线链路传输至移动终端设备。我们 将一个 RTP 速 率 控制单元设置于无线网络和有线网络的边界如基站上, 它能够 提供网络状况信息给源端, 并使得源端能够正确地决定网络拥 塞状态。其无线视频点播系统模型结构如图 1 所示。 MediaServer WiredCore Network RTPMediaStream RCUTeedbackReports RTCPReceiverReports BaseStation RadioLink RTPRateControl Unit RateControl ReceiveClient 图 1 利用 RTP 速率控制单元的无线流媒体 QoS 控制结构 RCU 的 功 能 是 接 收 RTP 包 到 达 基 站 时 的 信 息 并 发 送 RTCP 反馈给媒体服务器。RCU 并不打断 RTP 流的传输, 仅 仅 是接收每一个流的 RTP 包信息并统计包丢 失、抖动、延迟等 信 息, 它利用 IP 地址 和 UDP 端 口号 来标 志每 个业 务流, 仅 对 特 定的某业务流实施监控和反 馈, 不 影响其 他业务 流, 这样可 以 避免媒体服务器端由于不可预料的反馈而引起故障。 在 RCU 接收到 RTP 包后, 按时间 戳和包 序号统 计接收 信 息并检查是否是发送 RTCP 包 的时 间。如果 是, 则进 入 RTCP 包 的创建和发送模块。在建立 RTCP 头部和加入 SSRC 同步源 

·812· 计算机应用研究 2005 年 标志后, 为每个 SSRC 建 立接 收报 告块, 包 括最 近发 送方 报 告 的时间戳、自最近发送方报告后的延迟、扩展的最大顺序号、丢 线网络状态。表示不同网络状态的两种点被很好地分开, 媒体 服务器能够以此很容易地决定网络拥塞状态。 包率、累计丢包数、间隔 到达 抖动, 然 后建 立 SDES 包, 最 后 根 据应用程序要 求建 立 APP 包。如 果会 话成 员要 求离 开 会话, 则建立 BYE 包。将这 些 不同 类型 的 RTCP 包 构成 一 个 RTCP 组合包发送到会话目标站点列表中的所有成员。 媒体服务器端对接收到的各种类型 的 RTCP 包分别分析、 处理, 以 SSRC 标志符和 CNAME 来区分 RCU 和接收端分 别发 回的反馈报告, 统计报告 块中的 丢包率、抖动 等参数 及计算 往 返时间 RTT。将统计参数通知应用程序, 由应用层按照一定的 控制算法对发送方的发送速率进行调整。 由于 RCU 的反馈报告只 显示了 有线 网络 条件, 视 频服 务 器能够有效确定网络拥塞 状态并 进行合 适的速 率控制。另 一 方面, 如果判断丢包是由 于无线 信道状 况引起 的, 视 频服务 器 将不进行速率控制工作而采取鲁棒性控制。因此, 视频服务器 需要从两个 RTCP 报告中 评估 出无 线网 络状 态。无线 网络 上 的包丢失率 P radio 可以按如下公式计算: P radio = ( Pc lient - PRCU) /( 1 - P RCU) 其中, Pclient是接收端观察到的包丢失率, PRCU是 RCU 上观 察到 的包丢失率。 3 仿真性能分析 3. 1 仿真的网络配置 我们使用 NS2 [ 7] 作为有 线和无 线网络 环境的 模拟 仿真 工 具, 测试了前文的网络状态裁决策略, 并与没 有 RTP 速率控 制 单元作为监控的 RTP 视频流进行了比较。 仿真网络拓扑结构如图 2 所示。节点 0 为视 频服 务器 发 送端, 节点 4 为视频接收端。节点 0, 3 之间的应用层是采 用的 基于 UDP 的 CBR 视频 传输 服务。 节点 1 是 作 为背 景业 务 流 的 TCP 业务流源端。根 据目前 CDMA1X 的下 行速 率, 无线 连 接速率设置为 156 kbps。节点 2 为有线网络中的 路由器, 节点 3 为 RTP 速率控制单元, 源节点至节点 3 之间的有线网络 被分 配了足够的带宽。改变背景业 务流的 发送速 率能够 获得不 同 的拥塞状态。延时为 0ms ～20ms 的 一个随机 值, RTCP 包大 小 为 40B, 节点 0 发送的每个 RTP 包大 小为 1 000B, RCU 和 客户 端每 5s 传送一个 RTCP 反馈报告给节点 0。 3. 2 区分丢包原因的仿真结果 首先, 我们验证当改变背景流发送速率和无线信道误码率 的时候, RCU对区分 有线 网络 拥塞 丢包 和无 线 网络 信道 丢 包 的作用。我们将视频业务流速率设置为 60 kbps。分两种 情况 进行测试: ①背景业务流发送速率 128kbps, 无线信道误码率为 0, 这种设置表示有线网络拥塞程度高, 同时无线信道状况很好 的状态。②背景 业务 流 发送 速率 64kbps, 无 线信 道误 码 率 为 5% , 这种情况表示无线信道丢包严重, 网络拥塞情况较轻的状 态。在运行 1 000s 后 停止。图 3 显示 了仅 由 客户 端 的 RTCP 报告得到的延迟抖动和包 丢失率 分布图。可 以看出 这些点 大 量地交迭, 源端不能从无线丢包中区分出网络拥塞状态。 图 5 显示了根据接收 端的 RTCP 与 RCU 的 RTCP 的差 值 得到的抖动和包丢失分布。相对图 5, 三角形点 的包丢失率 高 于菱形点的, 这是因为两个 RTCP 反馈报告的差 值恰好反映 了 无线网络的状态。因此, 媒体服务器通过对比两个反馈报告能 够很容易地判断无线信道丢包。 4 分级速率控制 以 RTP 监控代理的 包丢 失率 报告为 基 础, 我们 利用 分 级 转换视频文件来执行发送 速率控 制。 由于点 播级别 的视频 服 务是编码和传输相分离, 服务器预先编码四个比特率级别的文 件, 128kbps, 96kbps, 64kbps, 32kbps, 当平 均 包丢 失率 超 过 1% 时视频服务器选择降低一个级别的文件发送。 背景流 128kbps, 误码率 0 背景流 64kbps, 误码率 5% 3 RadioLink156kVideo 4 Client 0.160.140.120.10.080.060.040.020 VideoServer RTPMedia Flow 0 2 Router Background Traffic RTPRate ControlUnit 1 TCP Resourse 图2 仿真网络拓扑结构 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 图 4 利用 RCU 反馈得到 背景流 128kbps, 误码率 0 背景流 64kbps, 误码率 5% 的丢包率与抖动分布 0.02 Jitter(s) 0.01 0.03 0.01 0.02 Jitter(s) 0 图 3 仅接收端RTCP 反馈 得到的丢包率与抖动分布 0.03 0.160.140.120.100.080.060.040.020.00 背景流 128kbps, 误码率 0 背景流 64kbps, 误码率 5% -0.02 -0.040 -0.010-0.0050.0000.0050.010 图5 接收端与 RCU 的 RTCP 反 馈差值得到的丢包率与抖动分布 Jitter(s) 平均包丢失率 Pavg - RCU由如下公式计算: Pavg - RCU←Pavg - RCU + ( PRCU - Pavg - RCU) /ω 其中, ω是权重参数, 每收到接收端的 RTCP 后 ω增加 1。当媒 体服务器选择了不同的 比特率 文件后 ω被 重置 为 1。 这里 引 入 ω是为了保持传输速率的稳定, 因为当收到的 RTCP 增多时 最后的改变量在平均值中 所占权 重应该 是减少 的。 当平均 包 丢失率少于 0. 1% 并且 ω达 最大 值 Maxω时 视 频服 务器 选 择 高一个级别的文件。这里我们根据经验设最大值 ω为 8。 5 差错控制策略 对 MPEG- 4 的 FGS 分层 编码, 基本 层的 传 输如 果出 现 比 特错误, 错误会向增强 层扩散。如 前面所 述, 流 媒体错 误控 制 最主要是要防止错误扩散。而且对于某一帧来说, 如果基本层 的数据没有收到, 即使收 到了增 强层的 数据也 是无法 解码的。 我们对错误控制的办法是采取对基本层数据的选择性重发。 接收端发现第 n 个包 丢失 以后, 根 据该 包的 解码 时间 T, 如 果平均的传输延迟 L、重发请求传输延迟 Lr 等时间因素之和 小于 T, 表明重传的基本层 包会 在解 码之 前到 达, 就发 出重 传 请求。否则就将该帧直接丢弃。 6 结论 图 4 显示了根据 RCU反馈的 RTCP 得 到的抖动 和包丢 失 分布。相同的条 件下, 菱 形 点显 示了 比 三角 形 点高 的包 丢 失 率, 这是因为 RCU反馈的信息只显示了拥塞状态, 而不显 示无 随着无线移动网络的飞速发展, 多媒体业务成为第三代移 动通信平台之上最重要的业务之一, 人们已不再满足于传统的 话音业务, 集音频、视频、图像、数据为一体的 ( 下转 第 221 页 ) 

第 5 期 邓智群等: 网络隔离体系结构研究 ·122· 过要考虑到系统的吞吐量。作 为网络 隔离技 术的参 考模型 主 要是从以下几点进行考虑: 发展方向, 那就是信息的 共享、数据 的高速 传输, 所 以隔 离 技术也必然要求能够提供 信息的 共享和 数据的 高速传 输。 这 ( 1) 能够进行内外网络的隔离; ( 2) 能够保护内部网络, 免遭攻击和内部信息的泄漏; ( 3) 能够进行高速数据 交换, 如应 用 ASIC( FGPA) 芯片 就 是考虑这一点, 因为隔离 设备本 身因为 隔离, 速度必 然受到 影 响, 所以必须利用其他办法提高系统的吞吐量; ( 4) 能够进行内容审查; ( 5) 隔离系统的底层———操作系统是安全的; ( 6) 能够进行身份认证, 防止非法用户访问秘密信息。 这种网络隔离技术参考模型还需要在实际中进一步检验, 并需要不断改进。同时这种模型应当考虑人的因素, 网络隔离 是内外网络的隔离, 不同 的系统 管理员 权限的 隔离, 不同密 级 的信息的隔离等。 在满足用户现有要求的前提下, 新的网络隔离体系结构应 该向更安全、更智能化的方向发展。在这种网络隔离体系规范 中应当具备的功能包括: ( 1) 客户端具有防下载的功能, 防止内 部用户通 过客户 端 下载重要数据而导致的信息泄漏; ( 2) 具有网络状态自动检测功 能, 能够 对客户端 的计算 机 是否安全作出正确判断, 并进行相应处理; ( 3) 具有用户身份 认证 功能, 通 过口 令 等认 证手 段, 防 止 非法用户通过接近客户端进入内部网络; ( 4) 能够对用户进出内外网进 行日志记录, 做到 用户访 问 有案可查, 一旦出现异常 事件, 可以结 合用户 身份认 证技术 进 行查证; ( 5) 具有审计功 能, 能够 对用户 日志 自 动进 行安 全 检查, 以发现可能存在的安全隐患; ( 6) 作为内容审查, 在 网络 速度 允许 的 情况 下, 应当 能 进 行病毒审查和内容过滤。 6 网络隔离技术展望 种技术还综合了防火墙技术、入侵检测技术、内容审查技术、 访问控制技术、病毒防范 技术及 身份认 证技术 等。隔 离技 术 研究的本身实际是各种网 络安全 技术的 综合, 而不 应当单 独 的看待它。 目前许多其他的安全产品都有自己的体系结构模型, 也有 自己的标准, 这里作为具有 数据交 换功能 的网络 隔离技 术, 同 其他信息安全产品一样也 应当有 自己的 规范。本文 提出了 该 技术的参考模型, 作为网络隔离技术进一步研究开发的一个参 考。 7 结束语 网络隔离并非单单是一项简单的技术, 它也是综合了其他 技术的成果来增强整个系 统的安 全。 当然网 络隔离 技术还 存 在不足之处, 具体体现在: 由于 网络隔 离技术 是对网 络数据 的 严格审查, 并经历了协议审查、身份认证和内容审查等, 所以对 网络的传输速率必然造成影响, 这是在我们以后的研究开发中 需要解决的一个问题。 参考文献: [ 1] 国家保 密局 . 计 算机信 息系 统 国际 联 网 保密 管 理 规 定[ EB / OL] . http: / / www. cnnic. net. cn/ html/ Dir/ 2003 / 11 / 27 / 1482. htm, 2000- 01. [ 2] Net Gap WebSite. Products Security Platform[ EB/ OL] . http: / / www. spearheadsecurity. com/ site / products / netgap_201. html, 2003. [ 3] E- Gap WebSite. Products and Technology: e-Gap Application Fire- wall[ EB / OL] . http: / / www. whalecommunications. com, 2003. 作者简介: 邓 智群 ( 1976 - ) , 男, 博 士 生, 主 要 研 究 方 向 为 网 络 安 全、计 算 机 网络 ; 刘 福( 1961- ) , 男 , 高 级 工 程 师 , 主 要 研 究 领 域 为 检 测 与 控 制、信 息 安 全 ; 慕德俊 ( 1963 - ) , 男, 教授 , 博 士生 导师 , 主要 研 究 领域 为 网 络 安全 、 并 行计 算; 唐三 平 ( 1972- ) , 男 , 高 级 工 程 师, 主 要 研 究 方 向 为 网 络 安 作为网络隔离技术的发展方向, 应当符合 Internet 网络的 全 。 ( 上 接第 218 页) 多媒体 信息 正通过 移动 通信 网络, 以 不可 阻 挡之势, 冲 击着 全球 的每 个角落, 包 括每 个家 庭甚 至每 个人。 本文对无线移动网络的视频传输控制机制进行了详细的分析, 在此基础上, 为了能够合 理地控 制发送 速率并 提高鲁 棒性, 我 们提出了一种改进 RTP 速率控制单元的 方案。通过仿真实 验 证明, 利 用 RTP 速率控 制单元 的反馈 信息可 以较好 地区分 拥 塞状况和链路错 误, 避 免错 误的 拥 塞控 制导 致 网络 性能 的 下 降。基于此方案之上的拥塞控 制和差 错控制 效率得 到了较 大 提高, 为无线网络 中多 媒 体信 息 QoS 保 障的 进 一步 研究 提 供 了重要的参考。 参考文献: 探讨[ J] . 计 算机工 程, 2001, 27( 8 ) : 104-106. [ 4] A Bakre, B R Badrinath. I-TCP: Indirect TCP for Mobile Hosts[ C] . Proceedings of the 15 th International Conference on Distributed Com- puting Systems, 1995. 136-143 . [ 5] Wenqing Ding, A Jamalipour. Anew Explicit Loss Notification with Acknowledgment for Wireless TCP[ C] . 12th IEEE International Sym- posium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2001. [ 6] T Yoshimura, T Ohya, T Kawahara, et al. Rate and Robustness Control with RTP Monitoring Agent for Mobile Multimedia Streaming [ C] . IEEE International Conference on Communications, lume 4 , 2002 . 2513-2517. ICC 2002, vo- [ 7] NS Home Page[ EB/ OL] . http: / / www. isi. edu / nsnam/ ns/ . [ 1] 任丰 原, 林 闯, 刘 卫 东. IP 网 络 中 的 拥 塞 控 制 [ J] . 计 算 机 学 报, 作者简介: 2003, 26( 9) : 1025-1034. [ 2] 张敬 辕, 谢 剑英 , 王明中 . 无线 网络中 TCP 拥 塞控制 算法的 性能 分析 [ J] . 通信 技术 , 2002, ( 3) : 21-23. 高 曼颖( 1979 - ) , 女, 天 津 人, 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 多 媒体 、网 络 通 信 ; 李明( 1975- ) , 男 , 湖 北 武 汉 人 , 博 士 研 究 生, 研 究方 向 为 多 媒 体 网 络 通信 ; 胡 瑞敏 ( 1964 - ) , 男, 湖 北 武 汉 人, 副 院 长, 教授 , 博 士 生 导师 , [ 3] 徐昌 彪, 隆克 平. 无线 网络中 差错 控制与 拥塞 控制策 略的分 析与 研 究方 向为多 媒体 通信技 术。