VoIP流技術(shù)，一種測量視頻網(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，需要對終端進行測量并監(jiān)控抖動、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，重點介紹了如何評價緩沖器和網(wǎng)絡(luò)的邊界限制對視頻質(zhì)量的影響。

VoIP技術(shù)的傳輸要通過具有視頻流的交換包網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)今針對VoIP的標準還不多，因此要測量VoIP流的質(zhì)量問題。在確定測量內(nèi)容前，必須對定義VoIP流質(zhì)量的基本特性有一個充分的了解。

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

設(shè)計用來傳送視頻流的網(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流的類型也會對影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)淖钚』蜃畲筮吔缣卣?，并且整個系統(tǒng)必須與終端的視頻流質(zhì)量保持一致。

測量及監(jiān)控這些流將涉及對第三層、協(xié)議層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包到達時間、這些到達時間的平均時間及瞬時時刻的測量，并最終通過解碼第7層的一部分及MPEG-2內(nèi)容來測量系統(tǒng)邊界。與系統(tǒng)緩沖器限制相結(jié)合的MPEG-2內(nèi)容會對傳輸邊界造成影響。本文以視頻點播（VoD）為實例，討論目前VoIP技術(shù)，然后看看VoD系統(tǒng)每一個階段會面臨的問題，以及對哪一部分的質(zhì)量需要進行測量。最終我們將會找到在VoIP視頻流的終端確定視頻流質(zhì)量的關(guān)鍵字節(jié)，這個過程采用了對網(wǎng)絡(luò)性能測定的系統(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時或通過IP網(wǎng)絡(luò)瀏覽視頻內(nèi)容的技術(shù)。雖然有多種基于IP移動視頻內(nèi)容的應(yīng)用，最普遍的VoIP流的實例是一種服務(wù)，該服務(wù)由被稱為VoD的電視公司所提供，VoD通過IP網(wǎng)絡(luò)得以實現(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IP網(wǎng)絡(luò)點播由遙遠位置所提供的電影。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是一個簡化的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，然后最終進入用戶家庭。對該技術(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題：如何知道視頻信號在用戶的電視上能夠正確顯示？如果存在錯誤的話，錯誤原因又是什么？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？視頻流故障會持續(xù)多久？且不提可能被問及的有關(guān)縮放比例的問題，如果一些家庭的幾個用戶在同一時間購買了幾臺電視，又會發(fā)生什么問題？用戶的鄰居如果正在觀看視頻點播的電影，這會影響用戶的視頻質(zhì)量嗎？

影響VoIP質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)

開始回答這些問題時，我們需要簡化以上實例的模型，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別3.75Mb的數(shù)據(jù)，MPEG-2數(shù)據(jù)包容許的抖動是±500ns。由于VoD服務(wù)器的每個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包由7 個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，以簡化終端的3.75 Mb/s接收電路設(shè)計。

由于在該系統(tǒng)中有多重時鐘域，緩沖有助于平滑時鐘并加速變化。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，但會利用緩沖器的容量。無論緩沖器容量為多少，均會出現(xiàn)使緩沖器過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例將確定有效的緩沖器容量及/或達到質(zhì)量要求的VoIP視頻流的傳輸行為。

為了確保VoIP傳送質(zhì)量，建議對五種特性進行測試和監(jiān)控：

1） 造成延遲的數(shù)據(jù)包間到達抖動

2） 造成突發(fā)錯誤的數(shù)據(jù)包間到達抖動

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)包間到達平均漂移/偏差。

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

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

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

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包長期速率變化也會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)包間時隙造成MPEG視頻速率小于3.75 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率時，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)包保持數(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)錯誤的以太網(wǎng)抖動可能造成緩沖器溢出，由于數(shù)據(jù)丟失會在網(wǎng)絡(luò)上的若干點上出現(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，下一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包就會在網(wǎng)絡(luò)中丟失，這既可能是某種傳輸問題也可能是潛在的帶寬問題，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)幀錯誤，因此測量TV顯示的質(zhì)量不可能反映出錯的原因。當(dāng)由于數(shù)據(jù)包突發(fā)導(dǎo)致的溢出引起丟包時，無論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，是因為MPEG解碼器的緩沖器間歇地耗盡，且某些MPEG數(shù)據(jù)包幾乎沒有進入解碼器的緩沖器。因此，實際上可能存在上溢（overflow）和下溢（underflow）同時出現(xiàn)在編碼器/服務(wù)器和解碼器之間的路徑上，與最后一個實例相似，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包長期速率變化會造成緩沖器上溢，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，這是一個觀察其效果的簡單例子，如果數(shù)據(jù)沒有到達，它將會導(dǎo)致視頻質(zhì)量變差。

在所有的實例中，均有一個對MPEG質(zhì)量如何理解的重要問題。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)量均會遭到損失。此外，還要考慮網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性及其對視頻流的影響。由于以太網(wǎng)是一個共享網(wǎng)絡(luò)，視頻流越多，網(wǎng)絡(luò)交換元件不得不緩沖、重調(diào)流量的機會就越大，從而產(chǎn)生抖動、延遲、突發(fā)和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。

本文小結(jié)

VoIP是一種尚無標準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)量需要測量并監(jiān)控抖動、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，可能需要對沿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所分布的幾個點進行測量和監(jiān)控，同時也需要對網(wǎng)絡(luò)行為和MPEG質(zhì)量都進行測量和監(jiān)控。

有幾種對這種模型進行觀察的方法，這種測量VoIP終端視頻質(zhì)量的系統(tǒng)方法重點在于視頻及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)置，MPEG速率越快，對網(wǎng)絡(luò)的邊界的限制就更多。由于對網(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)抖動及數(shù)據(jù)包間到達時間漂移。一個30ms的抖動/延遲可能對DVD不會造成影響，因為緩沖器的耗盡率比硬盤（HD）小。由于高清晰度質(zhì)量會對緩沖器進行處理（如耗盡）的速度快得多，相同的網(wǎng)絡(luò)抖動/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，它確實對網(wǎng)絡(luò)傳送造成了實際限制和行為輪廓，同樣地，對緩沖器容量的設(shè)定也有相同的影響。事實上，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HD MPEG-2間的速率都增加相同的因子，那么，行為差異將會最小化。注意，在服務(wù)器中和/或貫穿整個網(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IP網(wǎng)運行，但對系統(tǒng)測量與監(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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