视频云服务质量（Qos）之抗丢包策略

视频云服务质量（Qos）之抗丢包策略

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/zvayivqt0ufji/article/details/141339265

在实时通信和流媒体传输中，服务质量（QoS）是确保数据传输稳定性和可靠性的关键。其中，抗丢包策略是QoS的重要组成部分，常见的策略包括NACK（Negative Acknowledgment）和TWCC（Transport Wide Congestion Control）。本文将详细介绍这两种机制的工作原理和应用场景。

NACK生成策略

NACK是一种反馈机制，当接收端检测到丢包时，会向发送端发送一个NACK消息，请求重新发送丢失的数据包。具体来说，NACK通过RTCP（Real-time Transport Control Protocol）包进行反馈，包类型为205，反馈类型为1。

如图所示，接收端在收到报文4之后发现报文2、3未到达，会将报文2、3放入丢失NACK列表。当超过一定乱序阈值，或者超过一定抖动时间（根据RTT计算），接收端会向发送端请求重传丢失的报文2、3。

对于NACK来说，需要维护一个NACK数组来存储NACK信息。NACK数组包含以下字段：

• params: NACK参数
• seqNum: 丢包RTP序列号
• bornAt: NACK信息生成时间
• tries: 此NACK包发送次数
• lastNACKedAt: 最后一次NACK的时间

SFU（Selective Forwarding Unit）在处理数据流时，会检查每个RTP包的序列号。如果发现序列号之间存在间隙，SFU会识别出这些潜在的丢包，并构建相应的NACK数据，存储在NACK数组中。一旦接收到NACK数组中序列号对应的RTP包，SFU会将对应的NACK数据从数组中移除。此外，SFU会定期检查NACK数组，如果数组中的元素保存时间超过了20毫秒的阈值，会主动向发送端发送NACK报文，并记录该RTP报文的尝试次数，最多不超过10次。

TWCC策略

TWCC是一种拥塞控制机制，旨在减少网络拥塞和丢包。它通过RTP传输层的扩展和RTCP反馈消息，基于丢包和延迟估算带宽占用是否有拥塞，从而调整媒体流的发送速率。TWCC主要的估算和决策在发送方，采用了线性回归和最小二乘法。

到达时间模型

在WebRTC中，可以通过延迟梯度来衡量网络状况。延迟梯度不是一个个包来计算的，而是通过将包分组，然后计算这些包组之间的延迟，这样做可以减少计算次数，同时减少误差。

recv delta

recv delta长度为一个字节或两个字节，是RTCP Feedback Message中的字段，记录每个包与之前收到的包的间隔时间。它是250us的倍数，reference_time是当前包组第一个packet到达的时间。

基于延迟的拥塞控制算法

TWCC的工作流程可以概括为以下几个步骤：

1. 在发送端，每个RTP数据包都会被赋予一个独一无二的序列号（Seq）并记录发送时间send_time。
2. 接收端在捕获到RTP数据包时，会记录每个包的到达时间arrive time。通过分析这些时间数据，接收端能够计算出数据包的到达时间间隔recv delta。然后，接收端会定期将这些数据汇总，并通过TWCC反馈包的形式发送回发送端。
3. 发送端接收到TWCC反馈后，会利用这些延迟信息来评估当前的网络状况。发送端计算发送时间间隔send_delta=g(i)-g(i-1)（表示第i个报文的发送时间）。
4. 计算当前时刻时延变化和累计时延变化。
5. 将累积延迟变化进行指数平滑。
6. 以到达时间为横轴，延迟变化为纵轴进行线性回归，计算其拟合出的趋势线的斜率。
7. 将计算出来的斜率与一个动态阈值进行比较，来发现是否发生拥塞。如果观察到拥塞，此时发送端会相应地降低其数据发送速率。相反，则表明网络状况较为顺畅，发送端则可以适度增加发送速率，以优化传输效率。
8. 根据以上检测结果，调整带宽估计速率，GCC采用AIMD算法。针对速率控制分为两部分，一个是基于丢包的带宽估计，一个是上述所说的基于延迟的带宽估计，最终会综合比较两者之间的值，取两者之间的最小值作为带宽估计结果。

总结

NACK与TWCC是QoS中的重要策略之一。NACK机制只重传丢失的数据包，这意味着它不需要像前向纠错（FEC）那样在发送端添加额外的冗余数据。因此，NACK在带宽使用上更为高效，减少了不必要的带宽消耗。通过及时重传丢失的数据包，NACK机制能够减少音频、视频通话中的卡顿和中断现象，从而提升用户的通话体验。

对于TWCC，其中的核心是带宽估计。带宽估计如图所示。

从图表中可以明显观察到，可用带宽与预估带宽之间展现出了高度的一致性。尽管在调整过程中偶尔会出现轻微的过冲现象，但TWCC策略以其出色的收敛能力迅速调整，确保了网络状态的稳定。这种快速收敛的能力主要得益于TWCC策略的延迟敏感性。TWCC通过接收端发送的RTCP包，例如TWCC报告，来实时监测并评估网络状况。这些反馈信息包括数据包的到达时间和丢包状态等关键指标，为TWCC提供了及时的拥塞检测能力。

这种机制使得TWCC能够及时捕捉到网络状态的变化，并迅速采取相应的拥塞控制措施。通过这种方式，TWCC能够避免网络拥塞的进一步恶化，提高通信的稳定性。正是基于TWCC策略的这些优势，我们在自主研发的SFU中主要采用TWCC策略。