VoIP視頻流質量的測量和監控的實例

關鍵詞： VoIP , 測量 , 監控 , 視頻流 , 質量

VoIP是一種正在形成的嶄新技術，為了提高視頻流的質量，需要對終端進行測量并監控抖動、數據包丟失及有效載荷的質量，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絡的邊界限制對視頻質量的影響。

VoIP技術的傳輸要通過具有視頻流的交換包網絡，當今針對VoIP的標準還不多，因此要測量VoIP流的質量問題。在確定測量內容前，必須對定義VoIP流質量的基本特性有一個充分的了解。

與通過IP傳輸的數據不同，視頻流質量需在現場，并且是在TV終端進行測量。終端視頻的質量既非僅指網絡帶寬的某個功能也非僅指MPEG-2的某個功能。事實上，許多有關終端視頻質量的問題是MPEG-2質量與確定性的IP包網絡傳輸水平的結合問題。這一點與數據通信不同，數據通信通過穩定吞吐量的速度測量質量，而較少關注負載的特性，視頻對網絡傳送的的要求更高。

設計用來傳送視頻流的網絡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絡數據包傳輸的最小或最大邊界特征，并且整個系統必須與終端的視頻流質量保持一致。

測量及監控這些流將涉及對第三層、協議層的以太網數據包到達時間、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內容來測量系統邊界。與系統緩沖器限制相結合的MPEG-2內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，然后看看VoD系統每一個階段會面臨的問題，以及對哪一部分的質量需要進行測量。最終我們將會找到在VoIP視頻流的終端確定視頻流質量的關鍵字節，這個過程采用了對網絡性能測定的系統論方法。

基于IP的MPEG傳送流

什么是VoIP流？VoIP流是一種客戶可以接近實時或通過IP網絡瀏覽視頻內容的技術。雖然有多種基于IP移動視頻內容的應用，最普遍的VoIP流的實例是一種服務，該服務由被稱為VoD的電視公司所提供，VoD通過IP網絡得以實現，是VoIP流最典型的例子。

在VoD系統中，用戶可在其客廳通過IP網絡點播由遙遠位置所提供的電影。電視圖像(磁盤服務器提供)被產生并包裹在用戶數據報協議(UDP)/IP數據包中，然后傳送到用戶的家中供觀看。圖1是一個簡化的VoD網絡方框圖，該圖從位于電纜服務器設備開始到當地電纜集線器，然后最終進入用戶家庭。對該技術的概括了解，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？視頻流故障會持續多久？且不提可能被問及的有關縮放比例的問題，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量嗎？

影響VoIP質量的關鍵參數

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的視頻流的概念模型。

來自VoD服務器的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數據包容許的抖動是±500ns。由于VoD服務器的每個以太網數據包由7 個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送出以太網端口，以簡化終端的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視頻流質量的基本流程圖。作為來自VoD服務器和交換網的以太網數據包，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，但會利用緩沖器的容量。無論緩沖器容量為多少，均會出現使緩沖器過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/或達到質量要求的VoIP視頻流的傳輸行為。

為了確保VoIP傳送質量，建議對五種特性進行測試和監控：

1) 造成延遲的數據包間到達抖動

2) 造成突發錯誤的數據包間到達抖動

3) 以太網數據包丟失

4) 由MPEG-2數據傳輸率得到的以太網數據包間到達平均漂移/偏差。

5) 由于網絡、MPEG-2編碼錯誤或MPEG-2數據包丟失產生的數據包中斷對MPEG-2質量的影響。

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

造成大量延遲的以太網數據包抖動會造成終端緩沖器資源耗盡，產生解碼器沒有內容可解的時段，這會導致電視上所見的視頻質量下降。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。包括交換機服務質量(QoS)設置、交換匯聚和/或服務器問題在內的問題均會造成抖動延遲。

以太網數據包長期速率變化也會造成緩沖器以相同的方式資源耗盡。當平均以太網數據包間時隙造成MPEG視頻速率小于3.75 Mb/s數據傳輸率時，在此情形下，假定服務器發送到網絡外的MPEG以太網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。

與前一例類似，造成數據包突發錯誤的以太網抖動可能造成緩沖器溢出，由于數據丟失會在網絡上的若干點上出現，且形成原因有著顯著的不同，這種情形更難以監控。在這種情況下，以太網數據包造成緩沖器溢出的速度更快，下一個以太網數據包就會在網絡中丟失，這既可能是某種傳輸問題也可能是潛在的帶寬問題，可能正在突發以太網幀或網絡擁塞的服務器正造成網絡交換單元開始突發幀錯誤，因此測量TV顯示的質量不可能反映出錯的原因。當由于數據包突發導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)同時出現在編碼器/服務器和解碼器之間的路徑上，與最后一個實例相似，以太網數據包長期速率變化會造成緩沖器上溢，從而導致MPEG數據包丟失。

圖4中以太網數據包在網絡中丟失，這是一個觀察其效果的簡單例子，如果數據沒有到達，它將會導致視頻質量變差。

在所有的實例中，均有一個對MPEG質量如何理解的重要問題。如果MPEG編碼不當或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所導致的數據中斷，視頻質量均會遭到損失。此外，還要考慮網絡動態特性及其對視頻流的影響。由于以太網是一個共享網絡，視頻流越多，網絡交換元件不得不緩沖、重調流量的機會就越大，從而產生抖動、延遲、突發和數據包丟失現象。

本文小結

VoIP是一種尚無標準定論且正處于形成階段的嶄新技術，由于它與系統中的緩沖器極限有關，VoIP流的終端質量需要測量并監控抖動、數據包丟失及有效載荷質量，因而該技術成為一種測量視頻網絡性能的新方法。

要確保傳送質量，可能需要對沿系統結構所分布的幾個點進行測量和監控，同時也需要對網絡行為和MPEG質量都進行測量和監控。

有幾種對這種模型進行觀察的方法，這種測量VoIP終端視頻質量的系統方法重點在于視頻及網絡傳輸的設置，MPEG速率越快，對網絡的邊界的限制就更多。由于對網絡的要求完全不同， 采用相同的緩沖器終端的DVD質量的MPEG-2與具有的高清晰度質量的MPEG-2的差異可能很大。實際情況就是如此，即使數據率的增加仍在以太網的邊界范圍內。

DVD質量的MPEG-2速率約為3.75 Mb/s，高清晰度質量的MPEG-2速率約為19.3Mb/s。這一速率約為網速的5倍，并表示緩沖器能夠處理1/5的網絡抖動及數據包間到達時間漂移。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。由于高清晰度質量會對緩沖器進行處理(如耗盡)的速度快得多，相同的網絡抖動/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，它確實對網絡傳送造成了實際限制和行為輪廓，同樣地，對緩沖器容量的設定也有相同的影響。事實上，就網絡傳輸而言，耗盡率和緩沖器有著直接的關系，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，在服務器中和/或貫穿整個網絡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，隨著這一技術的不斷成熟，更多的視頻流將能夠通過IP網運行，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品質量。