本文主要介紹RTP與RTCP協(xié)議。
author: ZJ 06-11-17
1．流媒體( Streaming Media)
1.1流媒體概念
流媒體技術(shù)是網(wǎng)絡技術(shù)和多媒體技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。術(shù)語流媒體既可以指在網(wǎng)上傳輸連續(xù)時基媒體的流式技術(shù),也可以指使用流式技術(shù)的連續(xù)時基媒體本身。在網(wǎng)上傳輸音頻、視頻等多媒體信息目前主要有兩種方式:下載和流式傳輸。采用下載方式,用戶需要先下載整個媒體文件,然后才能進行播放。由于網(wǎng)絡帶寬的限制,下載常常要花很長時間,所以這種處理方式延遲很大。而流媒體實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是流式傳輸。傳輸之前首先對多媒體進行預處理(降低質(zhì)量和高效壓縮) ,然后使用緩存系統(tǒng)來保證數(shù)據(jù)連續(xù)正確地進行傳輸。使用流式傳輸方式,用戶不必像采用下載方式那樣要等到整個文件全部下載完畢,而是只需經(jīng)過幾秒到幾十秒的啟動延時即可在客戶端進行播放和觀看。此時媒體文件的剩余部分將在后臺繼續(xù)下載。與單純的下載方式相比,這種對多媒體文件邊下載邊播放的流式傳輸方式不僅使啟動延時大幅度地縮短,而且對系統(tǒng)緩存容量的需求也大大降低。使用流式傳輸?shù)牧硪粋€好處是使傳輸那些事先不知道或無法知道大小的媒體數(shù)據(jù)(如網(wǎng)上直播、視頻會議等) 成為可能。
到目前為止,Internet 上使用較多的流式視頻格式主要有以下三種:RealNetworks 公司的RealMedia ,Apple 公司的QuickTime 以及Microsoft 公司的Advanced Streaming Format (ASF) 。
1.2支持流媒體的協(xié)議
多媒體應用的一個顯著特點是數(shù)據(jù)量大,并且許多應用對實時性要求比較高。傳統(tǒng)的TCP 協(xié)議是一個面向連接的協(xié)議,它的重傳機制和擁塞控制機制都是不適用于實時多媒體傳輸?shù)摹?span style="padding-bottom: 0px; margin: 0px; padding-left: 0px; padding-right: 0px; padding-top: 0px" lang="EN-US">RTP 是一個應用型的傳輸層協(xié)議,它并不提供任何傳輸可靠性的保證和流量的擁塞控制機制。RTP 位于UDP(User Datagram Protocol) 之上。UDP 雖然沒有TCP 那么可靠,并且無法保證實時業(yè)務的服務質(zhì)量,需要RTCP 實時監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸和服務質(zhì)量。但是,由于UDP 的傳輸時延低于TCP ,能與音頻和視頻很好地配合。因此,在實際應用中,RTP/ RTCP/ UDP 用于音頻/ 視頻媒體,而TCP 用于數(shù)據(jù)和控制信令的傳輸。目前,支持流媒體傳輸?shù)膮f(xié)議主要有實時傳輸協(xié)議RTP( Real-Time Transport Protocol) 、實時傳輸控制協(xié)議RTCP(Real-Time Transport Control Protocol) 和實時流協(xié)議RTSP(Real-Time Streaming Protocol) 等。下面分別對這三種協(xié)議作簡要介紹。流媒體協(xié)議棧如圖1 所示。
圖1 流媒體協(xié)議棧
2．實時傳輸協(xié)議RTP（Real-Time Transport Protocol）：
RTP是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議, 由IETF(Internet工程任務組)作為RFC1889發(fā)布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。
2.1 RTP工作機制
威脅多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€尖銳的問題就是不可預料數(shù)據(jù)到達時間。但是流媒體的傳輸是需要數(shù)據(jù)的適時的到達用以播放和回放。rtp協(xié)議就是提供了時間標簽,序列號以及其它的結(jié)構(gòu)用于控制適時數(shù)據(jù)的流放。在流的概念中”時間標簽”是最重要的信息。發(fā)送端依照即時的采樣在數(shù)據(jù)包里隱蔽的設(shè)置了時間標簽。在接受端收到數(shù)據(jù)包后,就依照時間標簽按照正確的速率恢復成原始的適時的數(shù)據(jù)。不同的媒體格式調(diào)時屬性是不一樣的。但是rtp本身并不負責同步，rtp只是傳輸層協(xié)議，為了簡化運輸層處理，提高該層的效率。將部分運輸層協(xié)議功能（比如流量控制）上移到應用層完成。同步就是屬于應用層協(xié)議完成的。它沒有運輸層協(xié)議的完整功能，不提供任何機制來保證實時地傳輸數(shù)據(jù)，不支持資源預留，也不保證服務質(zhì)量。rtp報文甚至不包括長度和報文邊界的描述。同時rtp協(xié)議的數(shù)據(jù)報文和控制報文的使用相鄰的不同端口，這樣大大提高了協(xié)議的靈活性和處理的簡單性。
rtp協(xié)議和udp二者共同完成運輸層協(xié)議功能。udp協(xié)議只是傳輸數(shù)據(jù)包，不管數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r間順序。 rtp的協(xié)議數(shù)據(jù)單元是用udp分組來承載的。在承載rtp數(shù)據(jù)包的時候，有時候一幀數(shù)據(jù)被分割成幾個包具有相同的時間標簽，則可以知道時間標簽并不是必須的。而udp的多路復用讓rtp協(xié)議利用支持顯式的多點投遞，可以滿足多媒體會話的需求。
rtp協(xié)議雖然是傳輸層協(xié)議但是它沒有作為osi體系結(jié)構(gòu)中單獨的一層來實現(xiàn)。rtp協(xié)議通常根據(jù)一個具體的應用來提供服務，rtp只提供協(xié)議框架，開發(fā)者可以根據(jù)應用的具體要求對協(xié)議進行充分的擴展。
2.2 RTP報文結(jié)構(gòu)
RTP頭格式如圖2所示：
開始12個八進制出現(xiàn)在每個RTP包中，而CSRC標識列表僅出現(xiàn)在混合器插入時。各段含義如下：
①版本（V）
2位，標識RTP版本。
②填充標識（P）
1位，如設(shè)置填充位，在包尾將包含附加填充字，它不屬于有效載荷。填充的最后一個八進制包含應該忽略的八進制計數(shù)。某些加密算法需要固定大小的填充字，或為在底層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中攜帶幾個RTP包。
③擴展（X）
1位，如設(shè)置擴展位，固定頭后跟一個頭擴展。
④CSRC計數(shù)（CC）
4位，CSRC計數(shù)包括緊接在固定頭后CSRC標識符個數(shù)。
⑤標記（M）
1位，標記解釋由設(shè)置定義，目的在于允許重要事件在包流中標記出來。設(shè)置可定義其他標示位，或通過改變位數(shù)量來指定沒有標記位。
⑥載荷類型（PT）
7位，記錄后面資料使用哪種 Codec ， receiver 端找出相應的 decoder 解碼出來。
常用 types：
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Payload Type |
Codec |
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0 |
PCM μ -Law |
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8 |
PCM-A Law |
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9 |
G..722 audio codec |
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4 |
G..723 audio codec |
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15 |
G..728 audio codec |
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18 |
G..729 audio codec |
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34 |
G..763 audio codec |
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31 |
G..761 audio codec |
⑦系列號
16位，系列號隨每個RTP數(shù)據(jù)包而增加1，由接收者用來探測包損失。系列號初值是隨機的，使對加密的文本攻擊更加困難。
⑧時標
32位，時標反映RTP數(shù)據(jù)包中第一個八進制數(shù)的采樣時刻，采樣時刻必須從單調(diào)、線性增加的時鐘導出，以允許同步與抖動計算。時標可以讓receiver端知道在正確的時間將資料播放出來。
由上圖可知，如果只有系列號，并不能完整按照順序的將data播放出來，因為如果data中間有一段是沒有資料的，只有系列號的話會造成錯誤，需搭配上讓它知道在哪個時間將data正確播放出來，如此我們才能播放出正確無誤的信息。
⑨SSRC
32位，SSRC段標識同步源。此標識不是隨機選擇的，目的在于使同一RTP包連接中沒有兩個同步源有相同的SSRC標識。盡管多個源選擇同一個標識的概率很低，所有RTP實現(xiàn)都必須探測并解決沖突。如源改變源傳輸?shù)刂罚脖仨氝x擇一個新SSRC標識以避免插入成環(huán)行源。
⑩CSRC列表
0到15項，每項32位。CSRC列表表示包內(nèi)的對載荷起作用的源。標識數(shù)量由CC段給出。如超出15個作用源，也僅標識15個。CSRC標識由混合器插入，采用作用源的SSRC標識。
3．實時傳輸控制協(xié)議RTCP(Real-Time Transport Control Protocol)
RTCP負責管理傳輸質(zhì)量在當前應用進程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。
3.1 RTCP工作機制
當應用程序開始一個rtp會話時將使用兩個端口：一個給rtp，一個給rtcp。rtp本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠rtcp提供這些服務。在rtp的會話之間周期的發(fā)放一些rtcp包以用來傳監(jiān)聽服務質(zhì)量和交換會話用戶信息等功能。rtcp包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。rtp和rtcp配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實時數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶間的數(shù)據(jù)傳輸反饋信息，可以制定流量控制的策略，而會話用戶信息的交互，可以制定會話控制的策略。
3.2 RTCP數(shù)據(jù)報
在RTCP通信控制中，RTCP協(xié)議的功能是通過不同的RTCP數(shù)據(jù)報來實現(xiàn)的，主要有如下幾種類型：
①SR:發(fā)送端報告，所謂發(fā)送端是指發(fā)出RTP數(shù)據(jù)報的應用程序或者終端，發(fā)送端同時也可以是接收端。
②RR:接收端報告，所謂接收端是指僅接收但不發(fā)送RTP數(shù)據(jù)報的應用程序或者終端。
③SDES:源描述，主要功能是作為會話成員有關(guān)標識信息的載體，如用戶名、郵件地址、電話號碼等，此外還具有向會話成員傳達會話控制信息的功能。
④BYE:通知離開，主要功能是指示某一個或者幾個源不再有效，即通知會話中的其他成員自己將退出會話。
⑤APP:由應用程序自己定義，解決了RTCP的擴展性問題，并且為協(xié)議的實現(xiàn)者提供了很大的靈活性。
4．資源預訂協(xié)議RSVP (Resorce Reservation Protocol)
由于音頻和視頻數(shù)據(jù)流比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡的延時更敏感，要在網(wǎng)絡中傳輸高質(zhì)量的音頻、視頻信息，除帶寬要求之外，還需其他更多的條件。RSVP是Internet上的資源預訂協(xié)議，使用RSVP預留部分網(wǎng)絡資源(即帶寬)，能在一定程度上為流媒體的傳輸提供QoS。
5．參考資料
[1]蔣愛權(quán)，流媒體技術(shù)的Java實現(xiàn)，計算機應用研究2002，10。
[2]吳國勇，網(wǎng)絡視頻流媒體技術(shù)與應用，北京郵電大學出版社，2001。
[3]臺灣國立中央大學電機工程系通訊專題報告VOIP
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