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1、基于基于IPv6的高清视频系统实现与性能分析的高清视频系统实现与性能分析张 轩 赵庆国清华大学信息网络工程研究中心 2005-11-03目录目录1 HDV视频传输概述视频传输概述 2 HDVS系统构架和实现系统构架和实现3 HDVS系统在系统在IPv6网上的应用网上的应用4 网络背景流量对网络背景流量对HDVS系统性能影响系统性能影响 5 HDVS应用层性能与网络层性能相关性分析应用层性能与网络层性能相关性分析 1 HDV视频传输概述视频传输概述1.1 互联网应用的挑战互联网应用的挑战Killer application (NGI)High Definition Video over Inte
2、rnetHigh Quality Video Service-协同环境协同环境/远程医疗远程医疗/网络虚网络虚拟环境拟环境1.2 HDV网络传输的两大类型和特点网络传输的两大类型和特点压缩压缩(compressed)方式方式压缩格式：压缩格式：Mpeg2;h.264 占用带宽小：占用带宽小：20Mbps720pmpeg2 但是有延迟但是有延迟(主要是编解码延迟主要是编解码延迟)，秒级秒级.非压缩非压缩(uncompressed)方式方式占用带宽大占用带宽大(1.2G1080i)；需要专用网保障；需要专用网保障QoS延迟小，基本实时，适用于一些实时性要求高的应用延迟小，基本实时，适用于一些实时性
3、要求高的应用1 HDV视频传输概述视频传输概述(2)1.3 国外的相关研究国外的相关研究University of WashingtonInternet HDTV:2.5GbpsReal-time Gigabit HDTV Transmissions Show Value of Next-Gen Internets，March 11,2002 USC Information Sciences Institue Experiments with Delivery of HDTV over IP Networks,Pittsburgh,April 2002.2.NTT Innovation Lab
4、oratories:Uncompressed HDTV transmission System over Internet20 kilometers away(Chofu City also in Tokyo)1.5G，In October 2001 Kaist Univ,KoreaHDTVS：HDTV Transport System;20031.4 HDTV over Internet分类与参数分类与参数(表表1)分类：按分辨率、分类：按分辨率、是否压缩是否压缩网络传输参数：带宽、延迟网络传输参数：带宽、延迟表表1：HDTV over Internet OverviewResolution
5、BandwidthDelaySuper HDTV3840 x2048200400Mbps?HDTVUncompressed1080i(1920 x1080 30fps)720p(1280 x720 60fps)1.2Gbps100 msec.(?)HDCAMCODEC220Mbps300 msec.MPEG220MbpsSeveral seconds(?)DTVUncompressed480i(720 x480 30fps)200Mbps(?)100 msec.(?)DV30Mbps200 msec.(?)MPEG256Mbps34 seconds2.HDVS系统构架和实现系统构架和实现 图1
6、 HDVS总体框架图2.1 HDVS实现总体框架实现总体框架 由由HDVS主系统与测量子系统主系统与测量子系统(虚线内虚线内)两部分组成，如图两部分组成，如图1:2.2 HDVS主系统功能模块主系统功能模块视频采集：视频采集：采用采用Sony-FX1(1080i)或或JVCHDR(720p)作为视频源，视频信号通过作为视频源，视频信号通过1394线输入视频压缩卡。线输入视频压缩卡。视频压缩与编码：视频压缩与编码：系统采用系统采用MPEG2标准进行视频压缩编码。标准进行视频压缩编码。网络发送引擎：网络发送引擎：对压缩编码后的对压缩编码后的MPEG2数据流进行打包发送，数据包包头按数据流进行打包发
7、送，数据包包头按RTP包头填充，包头填充，记录时间戳，序列号等。同一记录时间戳，序列号等。同一Sample内的包打相同的时间戳，并以序列号内的包打相同的时间戳，并以序列号标识先后顺序。在套接字发送前切分包，保证标识先后顺序。在套接字发送前切分包，保证packet sizeMTU网络传输：网络传输：数据发送支持数据发送支持IPv4/IPv6及组播地址，传输网络为支持及组播地址，传输网络为支持IPv4/IPv6的双栈环境。的双栈环境。UDP传输，传输，IPv6最大数据尺寸最大数据尺寸 Tsinghua Univ.1 1 ms 1 ms KAIST 1 1 ms *1 ms 2001:250:e00
8、0:7000:1 2 1 ms 1 ms 1 ms 2001:250:c000:20:2 3 1 ms 1 ms 1 ms 2001:250:0:2:2 4 161 ms 100 ms 100 ms 3ffe:8140:101:2 5 120 ms 119 ms 119 ms 3ffe:8140:101:4 6 118 ms 119 ms 118 ms apii- 3ffe:8140:101:16:105 7 86 ms *85 ms 3ffe:8140:101:1a:161 8 86 ms *86 ms 2001:220:400:200:1 9 85 ms *543 ms 2001:220:
9、800:1 10 86 ms 85 ms 85 ms 2001:220:802:2 KAIST sender :2001:220:802:4 Tsinghua Univ.receiver :2001:250:f011:1:19Tsinghua Univ.sender:2001:250:f011:1:5c06:cbf8:6a82:27d2 KAIST receiver :2001:220:802:34 网络背景流量对网络背景流量对HDVS系统性能影响系统性能影响 4.1 问题的提出：问题的提出：理想网络情况图象质量流畅理想网络情况图象质量流畅(局域网环境或交叉线局域网环境或交叉线)网络扰动或拥塞
10、时视频质量会下降网络扰动或拥塞时视频质量会下降(直观直观)：马赛克：马赛克(图图3)或抖或抖动动系统的丢包率越大，视频质量的下降越明显。系统的丢包率越大，视频质量的下降越明显。4.2 度量指标定义度量指标定义:HDVS系统应用层丢包率系统应用层丢包率plr（packet loss rat:对应接收端视对应接收端视频质量的下降频质量的下降丢包率的期望均值丢包率的期望均值 E(plr):接收端视频质量下降的平均水平，接收端视频质量下降的平均水平，丢包率的方差丢包率的方差MSE(plr):接收端视频质量的波动接收端视频质量的波动(偏离均值偏离均值)的程的程度度丢包率峰值丢包率峰值Max(plr):反
11、映接收端视频质量的波动反映接收端视频质量的波动(偏离均值偏离均值)的的最大程度最大程度 图图3 网络不稳定时接收端的马赛克现象网络不稳定时接收端的马赛克现象4.3 网络背景流量对应用系统丢包影响的实验设计网络背景流量对应用系统丢包影响的实验设计为定量分析为定量分析HDV系统性能对网络背景流量的依赖性和敏感性，系统性能对网络背景流量的依赖性和敏感性，设设计了一个网络背景流量逐级增加的实验，用流量发生器逐级注入计了一个网络背景流量逐级增加的实验，用流量发生器逐级注入流量流量(如图如图4所示：所示：)同步记录同步记录HDV传输系统在网络载荷增加各时刻的丢包率传输系统在网络载荷增加各时刻的丢包率根据记
12、录的数据绘制网络背景流量和丢包率关系图根据记录的数据绘制网络背景流量和丢包率关系图图4 流量发生图图图5 平均丢包率与网络背景流量关系图平均丢包率与网络背景流量关系图 人为背景流量增加时，平均丢包率增加。人为背景流量增加时，平均丢包率增加。图图6 背景流量增加时背景流量增加时(a)丢包率方差丢包率方差（b）丢包率峰值）丢包率峰值 当当 人为背景流量较大时，丢包率方差也比较大，但两者没有单调关人为背景流量较大时，丢包率方差也比较大，但两者没有单调关系。丢包率峰值也表现为类似性态。系。丢包率峰值也表现为类似性态。4.4 背景流量增加对应用性能影响分析背景流量增加对应用性能影响分析平均丢包率与背景流
13、量关系平均丢包率与背景流量关系 从图从图5可以看出：网络背景流量增加时，系统的平均丢包率相应增加。可以看出：网络背景流量增加时，系统的平均丢包率相应增加。二者近似为线性单调关系，符合一般规律二者近似为线性单调关系，符合一般规律丢包率方差丢包率方差(或峰值或峰值)与背景流量关系与背景流量关系从图从图6结果看，随着人为网络背景流量的增加，系统丢包率方差并不是结果看，随着人为网络背景流量的增加，系统丢包率方差并不是单调增加的，在背景流量超过单调增加的，在背景流量超过35M(此时网络载荷接近满载此时网络载荷接近满载)以后，系统以后，系统的丢包率方差曲线不是单调线性的，而呈现波动性状，即背景流量降低的丢
14、包率方差曲线不是单调线性的，而呈现波动性状，即背景流量降低并不意味着丢包率方差的降低，有可能反而升高。主观感觉就是视频图并不意味着丢包率方差的降低，有可能反而升高。主观感觉就是视频图象偏离平均水平的变坏程度象偏离平均水平的变坏程度(停顿或花屏停顿或花屏)并不会因为背景流量的增加而并不会因为背景流量的增加而单调增加。单调增加。这种性态显示了高清视频传输的丢包率方差和峰值丢包率对网络背景流这种性态显示了高清视频传输的丢包率方差和峰值丢包率对网络背景流量的改变不敏感（可从量的改变不敏感（可从HDV应用本身流量载荷较大的角度去理解应用本身流量载荷较大的角度去理解)同时可看出当注入的背景流量超过一定阈值
15、后同时可看出当注入的背景流量超过一定阈值后(图中为图中为35M)，平均丢包，平均丢包率和丢包率方差会显著增加。率和丢包率方差会显著增加。5 HDVS应用层性能与网络层性能相关性分析应用层性能与网络层性能相关性分析 5.1 HDVS应用与网络性能的相互影响应用与网络性能的相互影响HDVS在网络负载中往往占有很大比例，会出现在网络负载中往往占有很大比例，会出现HDV视频流传输前视频流传输前网络带宽空余较大，而网络带宽空余较大，而HDV加入后网络出现拥塞并反过来影响应用加入后网络出现拥塞并反过来影响应用本身，即所谓的既是网络拥塞的产生者，又是网络拥塞的受害者的本身，即所谓的既是网络拥塞的产生者，又是
16、网络拥塞的受害者的现象现象 HDVS的大流量使得其对网络背景变化的反应表现出自身独有的特点，的大流量使得其对网络背景变化的反应表现出自身独有的特点，那么那么HDVS应用使网络产生拥塞所表现的网络层丢包和同时的应用系应用使网络产生拥塞所表现的网络层丢包和同时的应用系统本身的丢包之间的关系会是怎样的呢统本身的丢包之间的关系会是怎样的呢,二者之间是否有相关性，相二者之间是否有相关性，相关性如何？关性如何？5.2 实验设计：实验设计：对反映对反映HDV系统视频传输性能的应用层丢包率和反映网络背景的网系统视频传输性能的应用层丢包率和反映网络背景的网络层丢包率，进行了同步测量和数据记录络层丢包率，进行了同
17、步测量和数据记录HDVS应用丢包率由应用丢包率由HDVS性能监测子系统得到。性能监测子系统得到。网络层丢包率由自己实现的基于网络层丢包率由自己实现的基于ICMP回显报文统计的网络层丢包率回显报文统计的网络层丢包率测量程序得到测量程序得到 图图7 网络层和应用层丢包率关系图网络层和应用层丢包率关系图5.3 实验结果实验结果相关性分析相关性分析图图7表现了网络层丢包率表现了网络层丢包率(实线实线)和应用层丢包率和应用层丢包率(虚线虚线)在同样时间测度下在同样时间测度下的变化曲线图的变化曲线图(同步测量同步测量)。直观上看出，二者变化并不很一致。直观上看出，二者变化并不很一致。对该图对应的网络层和应
18、用层丢包率序列作相关性计算，得到相关系数为对该图对应的网络层和应用层丢包率序列作相关性计算，得到相关系数为0.84071。改变统计时间长度和测量颗粒度进行多次重复的实验，得到的图线关系与改变统计时间长度和测量颗粒度进行多次重复的实验，得到的图线关系与图图5类似，根据这些实验数据计算得到的相关系数基本介于类似，根据这些实验数据计算得到的相关系数基本介于0.81与与0.85之间。之间。(图图8为另一时间测量颗粒度，相关系数为为另一时间测量颗粒度，相关系数为0.815)充分考虑时间测量误差情况，对应用层或网层丢包的时间坐标在时间误差充分考虑时间测量误差情况，对应用层或网层丢包的时间坐标在时间误差范围
19、内作正负平移，相关系数没有提高，表明相关性不够高不是测量时间范围内作正负平移，相关系数没有提高，表明相关性不够高不是测量时间同步误差导致的。同步误差导致的。相关系数均值在相关系数均值在0.83左右，表明左右，表明HDVS应用的性能和网络层性能虽然正相应用的性能和网络层性能虽然正相关但离完全相关关但离完全相关(相关系数为相关系数为1)有一定的距离。二者的变化步调一致程度不有一定的距离。二者的变化步调一致程度不够高从另一个角度说明视频质量随网络流量变化的灵敏性不高，表现了一够高从另一个角度说明视频质量随网络流量变化的灵敏性不高，表现了一定惯性。定惯性。该结论和第该结论和第4部分应用层丢包率方差和峰值对网络背景流量变化的不敏感部分应用层丢包率方差和峰值对网络背景流量变化的不敏感在性态上表现出某种内在的一致性。在性态上表现出某种内在的一致性。图图8 不同时间颗粒度下的网络和应用层丢包率关系图不同时间颗粒度下的网络和应用层丢包率关系图