視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)故障研究

李玉行

[摘要]視頻業(yè)務(wù)的使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)視頻圖像卡頓、花屏等問題，根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其中80%的問題為承載網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致，最主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)中存在丟包問題。本文將從視頻業(yè)務(wù)的特征出發(fā)探討如何解除網(wǎng)絡(luò)丟包問題對(duì)視頻業(yè)務(wù)的不良影響。

[關(guān)鍵詞]視頻 網(wǎng)絡(luò) 丟包

隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)的不斷加快，視頻業(yè)務(wù)（如視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等）憑借快捷、便利、靈活、高效等特點(diǎn)取得了快速的發(fā)展，在日常辦公、部隊(duì)管理、作戰(zhàn)指揮中已經(jīng)被廣泛的接受和應(yīng)用，取得了良好的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是在視頻業(yè)務(wù)的使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)視頻圖像卡頓、花屏等問題，產(chǎn)生此類問題的因素可能涉及到前端攝像頭、編碼器、網(wǎng)絡(luò)、媒體單元、解碼器等，根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其中80%的問題為承載網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致。本文將從視頻業(yè)務(wù)的特征出發(fā)探討如何解除網(wǎng)絡(luò)問題對(duì)視頻業(yè)務(wù)的不良影響。

一、視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)特征

通常網(wǎng)絡(luò)側(cè)引起視頻卡頓、花屏等現(xiàn)象的最主要原因就是網(wǎng)絡(luò)中存在丟包，要確定原因在哪里，首先需要了解視頻流量的特點(diǎn)。

1、高帶寬。與語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)相比，視頻業(yè)務(wù)所占帶寬是最高的。一方面單路視頻的分辨率和碼率在不斷提高，一路H.264編碼720P的高清視頻占用2M左右?guī)挘慌c此同時(shí)，視頻接入點(diǎn)不斷增加，匯聚起來，也會(huì)形成洶涌的干流帶寬。

2、流量突發(fā)。依據(jù)視頻圖像壓縮算法，視頻流量由一系列的I幀和P幀組成，I幀傳遞一副圖像的完整信息，P幀傳遞每副圖像之間的差異信息。顯然I幀占用更多的IP包，并瞬時(shí)形成報(bào)文突發(fā)，高清視頻相對(duì)于CIF格式，此現(xiàn)象會(huì)更為明顯。另外，當(dāng)前各廠家所生產(chǎn)的前端或局端單元普遍沒有采用碼流平滑技術(shù)，通常所宣稱的碼率（例如720P，4M/S），實(shí)際上是以秒為單位的平均流量大小，但是通過實(shí)際抓包分析視頻流量特點(diǎn)，能發(fā)現(xiàn)視頻流量的瞬時(shí)帶寬，能夠達(dá)到28M/S，也就是說峰值流量是平均流量的7倍，如下圖所示。

如下圖示例，當(dāng)這種帶有突發(fā)特征的多路視頻流疊加在一起時(shí)就會(huì)累積形成更大的突發(fā)流量。

3、丟包敏感。由于視頻業(yè)務(wù)輸出數(shù)據(jù)的高壓縮比，在報(bào)文丟失的影響方面存在放大效應(yīng)。對(duì)于每幀報(bào)文，如果出現(xiàn)一個(gè)丟包，整幀報(bào)文重組都將失敗，如果I幀出現(xiàn)報(bào)文丟失，整個(gè)1秒鐘的圖像都會(huì)受到影響。普通IP業(yè)務(wù)一般丟包率控制在1%～2%以內(nèi)，但對(duì)于視頻業(yè)務(wù)來說這個(gè)控制指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要考慮更嚴(yán)格的0%～0.05%網(wǎng)絡(luò)端到端丟包率設(shè)計(jì)。

二、視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)故障技術(shù)分析

既然視頻流量具有這樣的特征，那么在網(wǎng)絡(luò)傳輸中是否一定會(huì)出現(xiàn)丟包呢？解答此問題，需要了解網(wǎng)絡(luò)在什么情況下會(huì)產(chǎn)生丟包，才能針對(duì)給出解決辦法。

1.信道質(zhì)量差，數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。此問題較為常見，通常也較好排查，通過查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口計(jì)數(shù)器是否存在錯(cuò)誤報(bào)文持續(xù)增長(zhǎng)，即可定位。

2.網(wǎng)絡(luò)端口協(xié)商出現(xiàn)問題，例如速率、雙工等模式協(xié)商出現(xiàn)異常。此問題經(jīng)常出現(xiàn)在視頻前端或局端接入網(wǎng)絡(luò)處。特別需要注意的是，如果視頻前端或局端配置100M全雙工模式，交換機(jī)端口是auto，這時(shí)交換機(jī)端口上會(huì)協(xié)商成100M半雙工，在這種情況中網(wǎng)絡(luò)就會(huì)出現(xiàn)丟包等問題。需要手動(dòng)把交換機(jī)端口設(shè)置成100M全雙工，與視頻前端或局端匹配，問題就會(huì)得到解決。

3.網(wǎng)絡(luò)擁塞。此問題通常較難排查，因?yàn)槲覀兺ǔ２榭淳W(wǎng)絡(luò)接口帶寬利用率，可能只有30%，但實(shí)際上由于視頻流量突發(fā)特征，可能端口在瞬時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生擁塞并導(dǎo)致了丟包。某些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在接口計(jì)數(shù)方面存在缺陷，不能夠直觀顯示出由于網(wǎng)絡(luò)擁塞所導(dǎo)致的丟包，導(dǎo)致問題定位排查較為復(fù)雜。

基于網(wǎng)絡(luò)擁塞較難排查，接下來分析此問題如何處理。

對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基于設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)原理，不會(huì)在端口入方向產(chǎn)生擁塞，也不會(huì)在端口入方向產(chǎn)生擁塞丟包，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只可能在兩種流量模型（高低速模型和匯聚模型，如下圖所示）才會(huì)在端口出方向產(chǎn)生擁塞。高低速模型，指的是從高帶寬端口發(fā)送流量到低帶寬端口；匯聚模型指的是多個(gè)端口向一個(gè)相同速率的端口發(fā)送流量。那么是否網(wǎng)絡(luò)中只要存在這樣的節(jié)點(diǎn)，就一定會(huì)出現(xiàn)擁塞丟包。這里分析的是設(shè)備接口帶寬，但是網(wǎng)絡(luò)中是否產(chǎn)生了擁塞，需要結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行分析，需要考慮在每條鏈路上，當(dāng)前具體傳輸?shù)牧髁繋捰卸啻螅逯涤卸啻螅逯盗髁砍掷m(xù)時(shí)間有多長(zhǎng)，以此來判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在產(chǎn)生擁塞的可能。潛在擁塞點(diǎn)找到了，網(wǎng)絡(luò)中可能也確實(shí)產(chǎn)生了擁塞，那么網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否一定會(huì)產(chǎn)生丟包。通常網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口出方向都具備一定的緩存能力，根據(jù)設(shè)備、板卡類型、軟件版本不同，緩存能力也存在差別。如果瞬時(shí)突發(fā)流量在端口緩存能力范圍內(nèi)，那么不會(huì)出現(xiàn)丟包情況，突發(fā)的流量會(huì)暫時(shí)緩存起來，待線路空閑時(shí)，再將緩存流量發(fā)送出去。反之，網(wǎng)絡(luò)中就產(chǎn)生丟包。

定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否出現(xiàn)擁塞丟包，可以采用以下兩種方法：1.對(duì)于部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以通過查看接口計(jì)數(shù)器，觀察discard參數(shù)是否持續(xù)增長(zhǎng)，此參數(shù)代表接口擁塞丟包數(shù)量。2.對(duì)于部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于芯片限制，不能通過接口計(jì)數(shù)器直接查看接口是否存在擁塞丟包。此時(shí)接口計(jì)數(shù)器雖然也有discard參數(shù)，但是并不能反映實(shí)際擁塞丟包情況，此時(shí)可以通過抓包來進(jìn)行分析。

三、視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)故障解決方案

通過以上分析，對(duì)視頻流量特征有了清晰的認(rèn)識(shí)，也對(duì)如何定位視頻承載網(wǎng)丟包問題有了一個(gè)明確的處理思路。基于視頻業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)問題處理經(jīng)驗(yàn)，在業(yè)務(wù)處理過程中提出以下建議：1.視頻前端或局端支持碼流平滑功能。很多時(shí)候，承載網(wǎng)是固定的，給視頻業(yè)務(wù)提供的帶寬也是確定的，如果能夠支持碼流平滑功能，將極大的提升視頻產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。2.視頻流量增強(qiáng)抗丟包功能，建議采用編碼時(shí)增加冗余方式來實(shí)現(xiàn)。雖然很多視訊產(chǎn)品宣稱支持5%的丟包率，但從實(shí)際使用來看，部分前端丟包0.1%情況下，視頻圖像就會(huì)出現(xiàn)問題。3.承載網(wǎng)建議采用輕載方式，帶寬利用率建議在40%左右，避免出現(xiàn)鏈路利用率過高導(dǎo)致視頻傳輸性能下降情況。4.網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差的情況下，例如視頻會(huì)議網(wǎng)絡(luò)中存在丟包場(chǎng)景，可以嘗試拔掉交換機(jī)上不必要的網(wǎng)絡(luò)連接，保證會(huì)議的網(wǎng)絡(luò)帶寬，或者在終端設(shè)備上設(shè)置低接入會(huì)議帶寬，保證會(huì)議暢通。5.在帶寬資源允許的條件下，保證承載網(wǎng)的帶寬需求，提高視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量。

結(jié)束語：視頻業(yè)務(wù)的音視頻效果與承載網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量緊密相關(guān)。在大型視頻業(yè)務(wù)系統(tǒng)組網(wǎng)中，由于傳輸設(shè)備及傳輸線路極為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入的問題可能性就更大，丟包、亂序、擁塞等問題時(shí)有發(fā)生。為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，人們通常習(xí)慣使用Ping命令進(jìn)行測(cè)試，而PRT與ICMP協(xié)議原理不同，Ping命令無法測(cè)試網(wǎng)絡(luò)傳輸PTR碼流的真實(shí)情況。處理問題時(shí)，首先要采用分段分塊、化繁為簡(jiǎn)的方法將測(cè)試系統(tǒng)最小化并將故障復(fù)現(xiàn)；其次要考慮每一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、每一個(gè)設(shè)備端口甚至每一根網(wǎng)線所造成的影響；最后要選用專業(yè)的測(cè)試軟件和測(cè)試方法來進(jìn)行分析，只要理清思路，最終一定能夠準(zhǔn)確的定位問題并找到解決問題的方法。