基于NetMagic的流媒体传输延时抖动均方差估计

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摘 要：提出并实现了一个报文转发和控制平台netmagic，截取报文的前64字节，加上本地时间戳信息，产生摘要报文，在外部控制主机上实现流媒体传输延时的抖动估计。在主机与平台之间实现了NMAC协议，利用以太网传输控制命令，简化了系统体系结构。 测试结果表明，摘要报文既能反映流媒体传输延时的抖动特性，也能提供其他五元组分析功能。

关键词：流媒体; 传输延时; 均方差; 时间戳

中图分类号：

TN919-34； TP393

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2012)05

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Streaming media transfer delay jitter MSE estimation based on NetMagic

MAO Xi-long, CHENG Hui

(School of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：

A forward and control platform is presented and completed, which is used to cut the first 64 bytes of the received packet, add the local timestamp to form a new abstract packet, and estimate the transfer delay jitter of the streaming media on the external host computer. A NMAC protocol is implemented between the host and platform, it transfers the control commands over Ethernet packets and simplifies the system structure simultaneously. The test results show that the abstract packets can carry the jitter characters of streaming media transfer delay and provide other five-tuple analysis functions.

Keywords： streaming media; transfer delay; MSE; timestamp

收稿日期：2011-10-28

基金项目：国家973计划资助项目(2009CB320503)

0 引 言

随着“三网融合”技术的发展，流媒体数据在Internet上传输占的比例日益增大。数据从播出机房开始需要经过多种异构设备的转换才能到达用户端，期间不仅带来了传输延迟，还造成了延时的抖动［1-2］。调查表明，用户可以容忍一个固定的、短的传输延时，但对于视频抖动的敏感度远大于短暂丢包造成的视频质量下降。在当前复杂的网络环境中要实时和准确地检测传输延时抖动是比较困难的，因为多数交换机和路由器并不具备此类功能［3-4］。通过接收端的流量控制机制和缓冲策略可以减小流媒体传输延时，提高QoS性能，但都需要占用接收端一定的处理资源［5-7］。

LDA(Lossy Difference Aggregator)方法通过比较发送报文和接收报文的时间分布计算报文的延时特性［8］，其主要问题是需要占用一定的传输带宽，难以实现以流为粒度的延时测量。RLI(Reference Latency Interpolation)方法在设备入口端插入一段带时间戳的参考报文，在出口端提取参考报文并测量其延时，而位于参考报文间的其他报文的延时可通过插值的方式估算［9］，这种方法测量的是设备某一对端口间的转发延迟，而且需要对设备硬件和软件做某些修改［10］。

为解决这些问题，用FPGA作为核心处理器件，构建了一个NetMagic平台，用于报文传输延时抖动的测量。FPGA的灵活处理能力使得这个平台还具备了其他许多方面的功能。

1 NetMagic平台体系结构

NetMagic平台类似一个八口的交换机，既可以实现普通的二层转发，也可以实现IP层转发［11］。NetMagic的结构如图1所示。

图1 NetMagic平台结构

FPGA采用Altera公司的芯片EP2AGX45，内嵌3 435 Kb RAM。PHY采用Vitesse 公司的芯片VSC8224，支持4个千兆RJ 45电口。FPGA还可以直接通过4路SerDes信号与千兆光模块相连。NetMagic平台包含一个512 Mb的DDR2 SDRAM，用来缓冲报文。JTAG接口用于对FPGA编程。

在FPGA完成常规的二层和三层转发的同时，外部控制主机还可以通过自定义的NMAC协议对平台的功能进行配置［11］。NMAC协议的核心思想是Configuration Over Ethernet，即利用以太网传输配置命令，实现控制与转发分离，将传统路由器上CPU的控制功能转移到外部主机上进行。

NMAC协议的访问控制命令如表1所示。

NMAC协议采用三次握手方式在主机和FPGA之间建立连接，将所有命令和数据封装在IP报文的payload中。

2 延时抖动测量

延时抖动测量的基本原理如下：将NetMagic平台串接在待测链路上，流媒体报文由某个端口输入，经过FPGA的快速调度后复制到指定端口输出，同时产生一个摘要报文送往外部控制主机。为了准确测量延时的抖动值，需要尽量减小平台自身的插入延时，同时设计合适的摘要报文格式，以携带报文的到达时间等信息。延时抖动测量的处理模型如图2所示。

图2 延时抖动测量处理模型

NetMagic自身带来的延时分为传输延时和调度延时两部分，并且与端口数目和内部工作频率等参数有关。对于单链路测试而言，端口数目为2，内部工作频率在125 MHz以上，总的插入延时在μs级［11］。统计结果表明，报文的到达时间差通常在ms级，因此NetMagic的插入延迟相对来说是可以忽略的，这样也可以简化报文的转发流程。

FPGA事先利用内部时钟产生一个连续的32位计数器。当流媒体报文到达时，截取报文的前64个字节，并将当前计数器的值作为报文到达时间戳，与物理端口号等其他信息一起，组成一个48位的域，替换源MAC地址。地址被替换的64字节报文，加上重新计算的CRC值，形成摘要报文，从特定端口送往外部控制主机处理。

外部控制主机在Linux环境下调用libpcap函数，对摘要报文进行捕获，并形成本地文件。这个文件包含了待测链路上每个报文的到达时间戳和五元组等信息，可以很方便地进行延时抖动分析。

假设第Pi个采样报文到达的时间为ti，那么定义到达时间差τi为:

τi=ti－ti－1

(1)

这里1

τi的大小和变化速率体现了视频流的抖动特性，如果τi的值在一个较大的范围内波动，反映链路可能出现了拥塞，从而会影响流媒体数据的传输。

为了准确评估流媒体传输时延的特性，这里引入两个参数：抖动平均值e和抖动均方差δ，以综合反映流媒体的时延特性。定义如下：

e=1n∑ni=1τi

(2)

δ=1n－1∑ni=1(τi－e)2

(3)

在式(3)中，取因子为n-1是因为报文是样本报文，因此计算的是样本方差。这里连续采样了15 494个报文，每100个报文计算一次抖动平均值e和抖动方差δ的值，共计算10个采样周期，然后得出曲线，如图3所示。

从图3的曲线可以看出，抖动平均值在 7.5～17.5 ms之间，抖动方差的值在1.3～5.4 ms之间。在第4次采样周期中，抖动平均值和抖动方差的值都在均线范围之上，表示这段时间报文的传输延时出现了不稳定。

3 结 语

影响流媒体传输质量的因素有很多，包括延时、带宽、缓冲区大小、应用层协议等各方面，其中传输延时作为一个主要参数对流媒体传输质量有较大影响。正常传输过程中的报文是不含报文到达和发送时间的，因此NetMagic平台提供的报文时间戳等信息为延时参数的评估提供了很好的基础，并且易于实现。由于NetMagic平台截取了报文的前64字节，包含了源IP地址、目的IP地址、协议类型、源端口号、目的端口号等五元组信息，因此还可以提供流条目统计、报文过滤、流量控制等功能，这些也是以后将要研究的内容。

参 考 文 献

［1］CISCO Systems. Optimizing video transport in your IP triple play network \[DB/OL\]. \[2011-10-15\]. .

［2］Bell Canada. Utilizes cisco systems technology to help deliver surgical grade network to power historic telerobotics assisted surgery \[DB/OL\]. \[2003-03-04\]. www.ece.mcmaster.ca/~teds/PAPERS_folder/Cisco-Bell-Canada-Historic-Operation.pdf.

［3］IETF RFC-3393. IP packet delay variation \[S\]. USA:CARLO Demichelis, Philip Chimento, 2002.

［4］XIAO Yang, DU Xiao-jiang, ZHANG Jing-yuan, et al. Internet protocol television (IPTV): the killer application for the next-generation internet \[J\]. IEEE Communication Magazine, 2007, 45(11): 126-134.

［5］赵正德，孙培君.一种减小3G流媒体网络延迟的方法［J］.计算机工程,2011,37(12):76-78.

［6］王慧，孙志刚.大规模流媒体多播系统中动态流量控制机制［J］.通信学报,2010，31(10):88-89.

［7］钟琳华，江何.IPTV终端视频缓冲控制策略的设计与实现［J］.计算机工程与设计,2007,28(24):5880-5886.

［8］KOMPELLA R, LEVCHENKO K, SNOEREN A C, et al. Every microsecond counts: tracking fine-grain latencies with a lossy difference aggregator \[C\]// Proceedings of the ACM SIGCOMM 2009 on Data Communication. New York, USA:ACM, 2009: 255-266.

［9］LEE Myungjin, DUFFIELD N, KOMPELLA R. Not all microseconds are equal:fine-grained per-flow measurements with reference latency interpolation \[C\]// Proceedings of the ACM SIGCOMM 2010 on Wireless and Measurement. New York, USA:ACM, 2010: 27-38.

［10］NUDT Netmagic Research Group. Implementing RLI architecture on the netmagic platform \[DB/OL\]. \[2011-05-10\].省略/data/documents/presentations/RLI%20Demo.pdf.

［11］NUDT Netmagic Research Group. Netmagic: an open platform for network innovation \[DB/OL\]. \[2010-10-10\].省略/introduction.htm.

作者简介：

毛席龙 男，1970年出生，湖南桃源人，副研究员，硕士生导师。主要研究方向为无线网络与路由器体系结构。

程 辉 男，1982年出生，山东潍坊人，硕士研究生。主要研究方向为网络测量。