实时视频应用之QoS关键技术分析

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随着WebRTC标准的逐步推广，实时音视频通讯技术受到越来越多公司和技术人员的关注。对于交互式音视频应用而言，稳定、低延时、通话质量清晰可靠是其基本需求。在互联网环境下，音视频的通话质量与以下因素有关：一是编码码率、帧率和分辨率等编码因素；二是网络的接入类型和接入设备性能；三是对丢包、抖动、乱序以及网络拥塞的自适应调整能力，即QoS（Quality of Service，服务质量）。容联云通讯是国内最早且通讯能力最全的PaaS服务商，在推出音视频通话这一关键能力时，更加注重保证QoS（Quality of Service，服务质量），提升用户体验。本文主要介绍为保证QoS，在音视频传输和处理过程中采用的关键技术。

　　交互式实时视频应用通常采用RTP协议进行音视频传输，RTP头部提供了诸如负载类型、时间戳、序列号和同步源等信息保证基本的音视频传输需求。但与TCP不同，RTP协议底层采用不可靠的UDP传输层协议，当网络过载或拥塞，无法实现对丢包、抖动、乱序以及网络拥塞的自适应调整。与音频相比，视频传输由于所占的带宽更大，更易受到网络环境变化的影响，因此以下将以视频为例分析Qos提升途径。

一、处理丢包

　　对与实时视频来说，网络出现丢包将直接导致接收端画面出现马赛克和花屏。有多种策略可以解决，包括：基于NACK反馈的丢包重传，前向纠错FEC和参考帧选择RPS，这些策略通常与编解码端的容错技术（如：帧内刷新和错误隐藏）配合使用。

　　基于NACK反馈的丢包重传方法：接收端循环检查接收缓冲，当发现丢包后使用RTCP NACK反馈报文将丢包信息反馈给发送端；发送端接收NACK反馈并解析后从发送缓存取出对应RTP包，并再次发送给接收端。该方法的缺点是增大了端到端的延迟，尤其在丢包大量发生时更为明显。

　　前向纠错FEC：FEC机制是在接收端根据视频帧的重要性（参考帧或非参考帧）发送冗余的视频RTP包，在接收端如果检测到丢包则利用冗余包进行恢复，否则将冗余包丢弃。该方法的优点是视频无延迟，但发送冗余包占用了额外的带宽资源。

　　更为可行的方案是是混合NACK／FEC模式，接收端根据帧大小和接收时延估计可用带宽，发送端根据可用带宽、丢包和RTT等反馈计算分配保护开销（protection overhead，包括FEC bitrate、NACK bitrate）和视频编码码率各占的比率。具体来说，FEC的保护级别（protection level）取决于往返时间RTT，当RTT较小时，丢包重传的延时不会导致明显的视频卡顿，因此可以相应减少FEC包的数量；当RTT较大时，时延对视频流畅度影响明显，因此要相应增加FEC包的数量。此外，可以使用多帧FEC和结合时域分层信息的FEC，二者都可以在减小保护开销的同时，提供更低的渲染抖动、更低的端到端延迟和更高的视频质量。

二、拥塞控制与自适应带宽调整

　　拥塞控制技术的提出由来已久，TCP协议栈默认实现了对网络的拥塞控制以保证可靠传输。但在一些场合TCP并不适用，如：无线传输信道，高速长距传输网络、实时通讯应用等。为此，IETF RMCAT（RTP MediaCongestion Avoidance Techniques）工作组提出了一系列针对实时通讯应用的拥塞控制算法需求，包括：能有效控制端到端时延、能有效控制丢包、与其他应用的流共享链路带宽、能够与TCP长连接流公平竞争可用链路带宽等。Google、Cisco和Ericsson等公司相继提出了各自的适用于实时交互应用的拥塞控制算法，开源工程WebRTC的内部实现采用Google提出的算法：Google Congestion Control，简称GCC。

　　GCC算法是一种混合了基于丢包和基于时延的方法，原理如下：

• 发送端根据丢包调整目标带宽，具体来说：低丢包率（小于2%）时增加目标码率，高丢包率（大于10%）时减小目标码率，丢包率介于二者之间时目标码率保持不变；

• 接收端根据时延估计最大带宽，由三个模块组成：排队时延估计、链路过载检测和最大带宽估计模块，三个模块间的关系为：当排队时延小于阈值（根据网络状态自适应调整）时，链路检测结果为underuse；当排队时延大于阈值时，链路检测结果为overuse；介于二者之间时，链路检测结果为normal；最大带宽估计模块的实现是一个表示当前链路状态（Increase、Hold、Decrease）的有限状态机，初始状态为Hold，根据链路检测结果进行状态迁移，并根据迁移后的链路状态和当前接收码率估计最大带宽remb。

　　上述两个过程的结合之处：接收端计算的remb值通过RTCP REMB反馈到发送端，发送端最终的目标码率应不超过remb值。

三、关键帧请求

　　关键帧也叫做即时刷新帧，简称IDR帧。对视频来说，IDR帧的解码无需参考之前的帧，因此在丢包C严重时可以通过发送关键帧请求进行画面的恢复。关键帧的请求方式分为三种：RTCP FIR反馈（Full intra frame request）、RTCP PLI 反馈（Picture Loss Indictor）或SIP Info消息，具体使用哪种可通过协商确定。

四、其他

　　除上述几种方法外，还可以通过视频预处理模块对视频内容进行分析，如：运动复杂程度、纹理复杂程度等，与拥塞控制模块一起进行自适应帧率和自适应分辨率的调整。

　　综上所述，在互联网上为实时交互式音视频应用提供QoS保证仍是一项挑战，需要音视频编码器、传输、预处理等多模块的协作配合，或利用现有网络协议和设备的支持，才能提供给客户更多的选择和服务保证。