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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(jìn)行測量并監控抖動(dòng)、數據包丟失及有效載荷的質(zhì)量，本文介紹了幾種觀(guān)察的方法，重點(diǎn)介紹了如何評價(jià)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(guò)具有視頻流的交換包網(wǎng)絡(luò )，當今針對VoIP的標準還不多，因此要測量VoIP流的質(zhì)量問(wèn)題。在確定測量?jì)热萸�，必須對定義VoIP流質(zhì)量的基本特性有一個(gè)充分的了解。 與通過(guò)IP傳輸的數據不同，視頻流質(zhì)量需在現場(chǎng)，并且是在TV終端進(jìn)行測量。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 )傳輸水平的結合問(wèn)題。這一點(diǎn)與數據通信不同，數據通信通過(guò)穩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。 設計用來(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(lèi)型也會(huì )對影響網(wǎng)絡(luò )數據包傳輸的最小或最大邊界特征，并且整個(gè)系統必須與終端的視頻流質(zhì)量保持一致。 測量及監控這些流將涉及對第三層、協(xié)議層的以太網(wǎng)數據包到達時(shí)間、這些到達時(shí)間的平均時(shí)間及瞬時(shí)時(shí)刻的測量，并最終通過(guò)解碼第7層的一部分及MPEG-2內容來(lái)測量系統邊界。與系統緩沖器限制相結合的MPEG-2內容會(huì )對傳輸邊界造成影響。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系統每一個(gè)階段會(huì )面臨的問(wèn)題，以及對哪一部分的質(zhì)量需要進(jìn)行測量。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，這個(gè)過(guò)程采用了對網(wǎng)絡(luò )性能測定的系統論方法。 基于IP的MPEG傳送流 什么是VoIP流？VoIP流是一種客戶(hù)可以接近實(shí)時(shí)或通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )瀏覽視頻內容的技術(shù)。雖然有多種基于IP移動(dòng)視頻內容的應用，最普遍的VoIP流的實(shí)例是一種服務(wù)，該服務(wù)由被稱(chēng)為VoD的電視公司所提供，VoD通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )得以實(shí)現，是VoIP流最典型的例子。 在VoD系統中，用戶(hù)可在其客廳通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )點(diǎn)播由遙遠位置所提供的電影。電視圖像(磁盤(pán)服務(wù)器提供)被產(chǎn)生并包裹在用戶(hù)數據報協(xié)議(UDP)/IP數據包中，然后傳送到用戶(hù)的家中供觀(guān)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)器設備開(kāi)始到當地電纜集線(xiàn)器，然后最終進(jìn)入用戶(hù)家庭。對該技術(shù)的概括了解，我們可探究系統的重要參數。 人們可以提出許多問(wèn)題：如何知道視頻信號在用戶(hù)的電視上能夠正確顯示？如果存在錯誤的話(huà)，錯誤原因又是什么？是MPEG出現了故障，還是交換丟失了數據包或造成視頻流出錯？視頻流故障會(huì )持續多久？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(hù)在同一時(shí)間購買(mǎi)了幾臺電視，又會(huì )發(fā)生什么問(wèn)題？用戶(hù)的鄰居如果正在觀(guān)看視頻點(diǎn)播的電影，這會(huì )影響用戶(hù)的視頻質(zhì)量嗎？ 影響VoIP質(zhì)量的關(guān)鍵參數 開(kāi)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數據被打包并以恒定的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(zhù)視頻解碼器必須每秒識別3.75Mb的數據，MPEG-2數據包容許的抖動(dòng)是±500ns。由于VoD服務(wù)器的每個(gè)以太網(wǎng)數據包由7 個(gè)MPEG-2 TS組成，并且(理論上)以平均和連續的速率將這一數據包發(fā)送出以太網(wǎng)端口，以簡(jiǎn)化終端的3.75 Mb/s接收電路設計。 由于在該系統中有多重時(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)數據包，MPEHG-2 TS 數據包被緩沖并以平穩的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 )出現使緩沖器過(guò)流或下溢的傳輸狀況，從而導致由于MPEG-2數據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(guān)察最小和最大的實(shí)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(jìn)行測試和監控： 1) 造成延遲的數據包間到達抖動(dòng) 2) 造成突發(fā)錯誤的數據包間到達抖動(dòng) 3) 以太網(wǎng)數據包丟失 4) 由MPEG-2數據傳輸率得到的以太網(wǎng)數據包間到達平均漂移/偏差。 5) 由于網(wǎng)絡(luò )、MPEG-2編碼錯誤或MPEG-2數據包丟失產(chǎn)生的數據包中斷對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(lái)反映對系統的影響，圖3表明這五個(gè)特性對終端視頻質(zhì)量的影響。 造成大量延遲的以太網(wǎng)數據包抖動(dòng)會(huì )造成終端緩沖器資源耗盡，產(chǎn)生解碼器沒(méi)有內容可解的時(shí)段，這會(huì )導致電視上所見(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。包括交換機服務(wù)質(zhì)量(QoS)設置、交換匯聚和/或服務(wù)器問(wèn)題在內的問(wèn)題均會(huì )造成抖動(dòng)延遲。 以太網(wǎng)數據包長(cháng)期速率變化也會(huì )造成緩沖器以相同的方式資源耗盡。當平均以太網(wǎng)數據包間時(shí)隙造成MPEG視頻速率小于3.75 Mb/s數據傳輸率時(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)數據包保持數據率為3.50 Mb/s，那么，緩沖器資源將最終被耗盡。 與前一例類(lèi)似，造成數據包突發(fā)錯誤的以太網(wǎng)抖動(dòng)可能造成緩沖器溢出，由于數據丟失會(huì )在網(wǎng)絡(luò )上的若干點(diǎn)上出現，且形成原因有著(zhù)顯著(zhù)的不同，這種情形更難以監控。在這種情況下，以太網(wǎng)數據包造成緩沖器溢出的速度更快，下一個(gè)以太網(wǎng)數據包就會(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(kāi)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。當由于數據包突發(fā)導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數據包幾乎沒(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)數據包長(cháng)期速率變化會(huì )造成緩沖器上溢，從而導致MPEG數據包丟失。 圖4中以太網(wǎng)數據包在網(wǎng)絡(luò )中丟失，這是一個(gè)觀(guān)察其效果的簡(jiǎn)單例子，如果數據沒(méi)有到達，它將會(huì )導致視頻質(zhì)量變差。 在所有的實(shí)例中，均有一個(gè)對MPEG質(zhì)量如何理解的重要問(wèn)題。如果MPEG編碼不當或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所導致的數據中斷，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、重調流量的機會(huì )就越大，從而產(chǎn)生抖動(dòng)、延遲、突發(fā)和數據包丟失現象。 本文小結 VoIP是一種尚無(wú)標準定論且正處于形成階段的嶄新技術(shù)，由于它與系統中的緩沖器極限有關(guān)，VoIP流的終端質(zhì)量需要測量并監控抖動(dòng)、數據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，可能需要對沿系統結構所分布的幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量和監控，同時(shí)也需要對網(wǎng)絡(luò )行為和MPEG質(zhì)量都進(jìn)行測量和監控。 有幾種對這種模型進(jìn)行觀(guān)察的方法，這種測量VoIP終端視頻質(zhì)量的系統方法重點(diǎn)在于視頻及網(wǎng)絡(luò )傳輸的設置，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(shí)際情況就是如此，即使數據率的增加仍在以太網(wǎng)的邊界范圍內。 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)及數據包間到達時(shí)間漂移。一個(gè)30ms的抖動(dòng)/延遲可能對DVD不會(huì )造成影響，因為緩沖器的耗盡率比硬盤(pán)(HD)小。由于高清晰度質(zhì)量會(huì )對緩沖器進(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)對網(wǎng)絡(luò )傳送造成了實(shí)際限制和行為輪廓，同樣地，對緩沖器容量的設定也有相同的影響。事實(shí)上，就網(wǎng)絡(luò )傳輸而言，耗盡率和緩沖器有著(zhù)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(huì )最小化。注意，在服務(wù)器中和/或貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的其它系統參數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(zhù)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)運行，但對系統測量與監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。 |
