引　言

數(shù)字視頻傳輸是下一代互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用[1 ] 。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)上的視頻應(yīng)用向高品質(zhì)、高實(shí)時(shí)性方向發(fā)展。 高清晰度視頻HDV (high definition video) 因其高的分辨率和圖像質(zhì)量成為網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用發(fā)展的一種趨勢(shì)。 HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻的應(yīng)用主要有兩大類(lèi):一類(lèi)基于MPEG2 或H.264 壓縮方式[2 、3 ] ;一類(lèi)是非壓縮方式。 前者的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)占用帶寬相對(duì)較小，但是延遲較大;后者實(shí)時(shí)性好，但是所需網(wǎng)絡(luò)帶寬較大(幾百M(fèi)bp s 到1. 5 Gbp s 不等) 。 在適用范圍上，非壓縮高清視頻用于實(shí)時(shí)性和保真度要求較高的情況，如遠(yuǎn)程醫(yī)療等，但由于其對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的高要求，只能夠在專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用。

基于壓縮方式的HDV 視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬占用相對(duì)較小，在目前的高速網(wǎng)以及正在發(fā)展的下一代網(wǎng)絡(luò)(如CERNET2) 上是能夠?qū)嵱玫?，但與普通質(zhì)量的視頻相比較，其單路視頻占用帶寬仍然很大(20～100 Mbp s 不等) ，屬于大數(shù)據(jù)流量的應(yīng)用。

與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用不同，HDV 視頻本身的單路大數(shù)據(jù)量會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生明顯的影響而反過(guò)來(lái)影響應(yīng)用本身的質(zhì)量。 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， HDV 視頻的質(zhì)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景的變化有相關(guān)性，但其相關(guān)性與普通質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻有所不同。 因此通過(guò)定量的測(cè)量和分析，研究HDV 應(yīng)用性能和網(wǎng)絡(luò)性能的相互影響規(guī)律，對(duì)于深入了解大流量的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求以便更好地提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和提高HDV 傳輸質(zhì)量有積極意義。

目前，基于IPv6 的高清視頻系統(tǒng)在IPv6 網(wǎng)上的應(yīng)用還很少，實(shí)現(xiàn)基于IPv6 的高清視頻系統(tǒng)并研究其網(wǎng)絡(luò)性能，對(duì)下一代互聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用的實(shí)用化和推廣具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IPv6 的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用到國(guó)內(nèi)和國(guó)際的IPv6 主干網(wǎng)。同時(shí)針對(duì)該應(yīng)用設(shè)計(jì)了測(cè)量子系統(tǒng)，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)條件下HDV 視頻質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)性進(jìn)行研究。

高清視頻系統(tǒng)構(gòu)架與實(shí)現(xiàn)

高清視頻系統(tǒng)基本模塊與實(shí)現(xiàn)

基于壓縮編碼的HDV 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)包括6 個(gè)基本的模塊———視頻采集、壓縮編碼、發(fā)送引擎、網(wǎng)絡(luò)傳輸、接收與組幀、解碼顯示。 本文設(shè)計(jì)的HDV 視頻傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。 虛線框所包含的部分為性能測(cè)量子系統(tǒng)。

HDV 視頻傳輸系統(tǒng)基本功能模塊實(shí)現(xiàn)如下:

(1) 視頻采集:采用Sony-FX1 (1080i) 或JVC-HDR(720p) 作為視頻源，視頻信號(hào)通過(guò)1394 線輸入視頻壓縮卡。

(2) 視頻壓縮與編碼:本系統(tǒng)采用MPEG2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻壓縮編碼。

(3) 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送引擎:對(duì)壓縮編碼后的MPEG2 數(shù)據(jù)流進(jìn)行打包發(fā)送，數(shù)據(jù)包包頭按RTP 包頭填充，記錄時(shí)間戳、序列號(hào)等。 在發(fā)送引擎中，以48 kbp s大小的Sample 數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行發(fā)送，每個(gè)Sam-ple 被分為43 個(gè)包，同一Sample 內(nèi)的包打相同的時(shí)間戳，并以序列號(hào)標(biāo)識(shí)先后順序。

(4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸:數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時(shí)支持IPv4/IPv6 地址，傳輸網(wǎng)絡(luò)為支持IPv4/ IPv6 的雙棧環(huán)境。

(5) 網(wǎng)絡(luò)接收與組幀引擎:接收端計(jì)算機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)包根據(jù)時(shí)間戳和序列號(hào)進(jìn)行合并組幀。

(6) 解碼與顯示:解碼和顯示部分先要對(duì)視頻和音頻進(jìn)行分離，然后分別送到顯示設(shè)備和音頻設(shè)備進(jìn)行播放。 需要指出的是，720p 和1080i 在音頻視頻同步方面有所區(qū)別，720p 在音頻和視頻方面有相同的PID ，而1080i 則不同，需要分別處理。

HDV 性能測(cè)量子系統(tǒng)

HDV 系統(tǒng)性能測(cè)量子系統(tǒng)是對(duì)基本功能的擴(kuò)展。 利用此子系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HDV 視頻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并記錄系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以作分析用。 除數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出接口，子系統(tǒng)還預(yù)留了基于參數(shù)測(cè)量的控制接口。 可以在這些控制接口實(shí)施優(yōu)化調(diào)度算法，以達(dá)到控制HDV 視頻質(zhì)量的目的。測(cè)量子系統(tǒng)為圖1 中虛線框內(nèi)部分。

(1) 發(fā)送引擎監(jiān)測(cè):在發(fā)送端記錄發(fā)送數(shù)據(jù)包的序列號(hào)和時(shí)間戳;同時(shí)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的包數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)包速率。

(2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)量:測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送端與接收端之間鏈路的擁塞狀況。 此功能是通過(guò)定時(shí)發(fā)送一定數(shù)量的ICMP 報(bào)文然后統(tǒng)計(jì)應(yīng)答報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以得到網(wǎng)絡(luò)層丟包率等參數(shù)。

(3) 接收組幀引擎監(jiān)測(cè):監(jiān)測(cè)接收組幀引擎接收數(shù)據(jù)包與解包( depacketize) 的情況，解包后可以得到各包的序列號(hào)和時(shí)間戳;在多種時(shí)間粒度下作統(tǒng)計(jì)，可以得到應(yīng)用層丟包率等參數(shù)。需要指出，在統(tǒng)計(jì)丟包率時(shí)要首先定義統(tǒng)計(jì)的時(shí)間粒度。 時(shí)間粒度的選取不僅要注意應(yīng)盡可能精確以利于編程計(jì)算丟包率，同時(shí)要注意，由于相同Sample 的43 個(gè)包被認(rèn)為是邏輯上同時(shí)產(chǎn)生的，它們的時(shí)間戳是相同的，分開(kāi)統(tǒng)計(jì)既不符合邏輯規(guī)律也不符合實(shí)際的物理組幀規(guī)律。 考慮到這一點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)丟包的時(shí)間單位的劃分時(shí)刻必須選在Sample 的邊界上。

高清視頻系統(tǒng)在IPv6 網(wǎng)上的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)IPv6 網(wǎng)上的應(yīng)用

2004 年3 月19 日，基于IPv6 的HDV 視頻系統(tǒng)首次在國(guó)內(nèi)IPv6 試驗(yàn)網(wǎng)CERNET2 上試用，視頻源采用JVC-HDR 攝像頭(720p) ，視頻發(fā)送地點(diǎn)為清華大學(xué)，視頻接收點(diǎn)為北京國(guó)際會(huì)議中心的演示大廳。 網(wǎng)絡(luò)線路為帶寬100 Mbp s 的共享線路;在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，圖像基本流暢。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上其他應(yīng)用較多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)丟包和抖動(dòng)。

在國(guó)際IPv6 網(wǎng)上的應(yīng)用

2005 年3 月，清華大學(xué)和韓國(guó)KAIST 大學(xué)之間通過(guò)國(guó)際互聯(lián)的IPv6 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了HDV 的對(duì)傳試驗(yàn)，兩端點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)連接配置如圖2 所示。

雙方發(fā)送和接收端地址如表1 所示。 該試驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)跨越了中韓兩國(guó)，國(guó)際互聯(lián)帶寬為155 Mbps ，途經(jīng)的路由器均支持IPv4/ Ipv6 雙棧協(xié)議。 由于中間網(wǎng)絡(luò)條件比較復(fù)雜，試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了馬賽克和抖動(dòng)現(xiàn)象。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致丟包率大過(guò)一定閾值時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間停滯。

表1 　中韓HDV 系統(tǒng)IPv6 測(cè)試收發(fā)端地址

高清視頻系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景流量的依賴(lài)性和敏感性

HDV 系統(tǒng)的性能可通過(guò)觀察接收端的視頻質(zhì)量感受，如是否流暢、是否出現(xiàn)抖動(dòng)或馬賽克等。 利用測(cè)量子系統(tǒng)，對(duì)HDV 系統(tǒng)在接收端的視頻質(zhì)量和丟包率進(jìn)行了比較。 結(jié)果表明，接收端看到的視頻質(zhì)量(主觀) 與系統(tǒng)的丟包率(即客觀測(cè)量得到的應(yīng)用層丟包率) 有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即系統(tǒng)的丟包率越大，視頻質(zhì)量的下降越明顯。 因此作者可以以系統(tǒng)的丟包率來(lái)反映接收端視頻質(zhì)量的下降，以丟包率的平均值反映接收端視頻質(zhì)量下降的平均水平，丟包率的方差和峰值反映接收端視頻質(zhì)量的波動(dòng)(偏離平均水平的程度) 。

為定量分析HDV 系統(tǒng)性能對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景流量的依賴(lài)性和敏感性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)背景流量逐級(jí)增加的試驗(yàn):用流量發(fā)生器逐級(jí)注入流量，同步記錄HDV 傳輸系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)載荷增加各時(shí)刻的丟包率。 根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制網(wǎng)絡(luò)背景流量和丟包率關(guān)系圖。

圖3 表示系統(tǒng)平均丟包率與注入網(wǎng)絡(luò)背景流量的關(guān)系，圖4 表示系統(tǒng)丟包率方差(a) 和丟包率峰值(b) 與注入網(wǎng)絡(luò)背景流量的關(guān)系。

從圖3 可以看出，網(wǎng)絡(luò)背景流量增加時(shí)，系統(tǒng)的平均丟包率相應(yīng)增加。 二者近似為線性單調(diào)關(guān)系，符合一般的規(guī)律。

由圖4 (a) 可以看出，隨著人為網(wǎng)絡(luò)背景流量的增加，系統(tǒng)丟包率方差并不是單調(diào)增加的。 在背景流量超過(guò)35 Mbps (此時(shí)網(wǎng)絡(luò)載荷接近飽和) 以后，系統(tǒng)的丟包率方差曲線呈現(xiàn)波動(dòng)性狀。 即背景流量降低并不意味著丟包率方差的降低，此時(shí)丟包率方差反可能升高，體現(xiàn)出和平均丟包率不同的性態(tài)，主觀感覺(jué)就是視頻圖像偏離平均水平的變壞程度(停頓或花屏) 并不會(huì)因?yàn)楸尘傲髁康慕档投档停沁^(guò)了一定背景流量閾值后就有著較高的丟包率方差(丟包峰值表現(xiàn)類(lèi)似，見(jiàn)圖4 ( b) ) 。 這種性態(tài)顯示了高清視頻傳輸?shù)膩G包率方差和丟包率峰值對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景流量的改變不敏感，可從HDV 應(yīng)用本身流量載荷較大的角度去理解。 同時(shí)可看出當(dāng)注入的背景流量超過(guò)一定閾值后(圖中為35 Mbps) ，平均丟包率和丟包率方差會(huì)顯著增加。

HDV應(yīng)用性能與網(wǎng)絡(luò)性能相關(guān)性

由于HDV 應(yīng)用本身大數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中， HDV 在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載中往往占有很大比例，會(huì)出現(xiàn)HDV 視頻流傳輸前網(wǎng)絡(luò)帶寬空余較大， 而HDV 加入后網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞并反過(guò)來(lái)影響應(yīng)用本身，即所謂的既是網(wǎng)絡(luò)擁塞的產(chǎn)生者，又是網(wǎng)絡(luò)擁塞的受害者的現(xiàn)象。 如第3 章所闡述， HDV 的大流量使得其對(duì)網(wǎng)絡(luò)背景變化的反應(yīng)表現(xiàn)出自身獨(dú)有的特點(diǎn)。 那么HDV 應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞所表現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層丟包和與此同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)本身的丟包之間的關(guān)系會(huì)是怎樣的呢? 本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)兩者的關(guān)系進(jìn)行了定量分析。 選擇了兩個(gè)代表性參數(shù)———反映HDV系統(tǒng)視頻傳輸性能的應(yīng)用層丟包率和反映網(wǎng)絡(luò)背景的網(wǎng)絡(luò)層丟包率，進(jìn)行了同步測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄。 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，得到了一些結(jié)論。

圖5 中的兩條曲線分別是HDV 系統(tǒng)在擁塞情況下運(yùn)行時(shí)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和應(yīng)用層丟包率曲線。 從圖中可以看到:兩條統(tǒng)計(jì)曲線的模態(tài)比較接近但不重合。 對(duì)該圖對(duì)應(yīng)的兩個(gè)參數(shù)序列作相關(guān)性計(jì)算，可得到兩者的相關(guān)系數(shù)為0. 840 71。 改變統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)度和測(cè)量顆粒度進(jìn)行重復(fù)的試驗(yàn)，得到的圖線關(guān)系與圖5 類(lèi)似。 根據(jù)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的兩個(gè)丟包率序列的相關(guān)系數(shù)大都介于0. 81 與0. 85 之間。 相關(guān)系數(shù)在0. 83 左右的事實(shí)表明HDV 應(yīng)用的性能和網(wǎng)絡(luò)層性能雖然正相關(guān)但離完全相關(guān)有一定的距離。 二者的變化步調(diào)一致程度不夠高從另一個(gè)角度說(shuō)明視頻質(zhì)量隨網(wǎng)絡(luò)流量變化的靈敏性不高，這個(gè)結(jié)論和第3 章的結(jié)論是一致的。

結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于IPv6 的高清視頻系統(tǒng)，并應(yīng)用到IPv6 的國(guó)內(nèi)外主干網(wǎng)上。 同時(shí)設(shè)計(jì)了測(cè)量子系統(tǒng)，對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)條件下的HDV 視頻質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能的相互影響進(jìn)行了研究。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，高清視頻系統(tǒng)的性能隨網(wǎng)絡(luò)狀況變化，平均意義上近似為線性關(guān)系，但是在表征波動(dòng)敏感性的方差值和表征同步靈敏性的相關(guān)系數(shù)方面，則表現(xiàn)出一定的慣性(不靈敏) 。 該結(jié)果對(duì)于下一代互聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)流應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能和行為分析有重要意義。