CN104410509A - 一种基于质量评价的多路径数据传输方法 - Google Patents

一种基于质量评价的多路径数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：首先，不同的客户端按照就近原则连接到不同的媒体服务器，然后当主叫客户端向被叫客户端发起音视频通信时，主叫客户端和被叫客户端之间先通过第0通道进行连接，据转发给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；在主叫客户端和被叫客户端之间通过第0通道连接的同时，主叫客户端和被叫客户端之间还启动另外三条通道进行连接，并选择网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。与现有技术相比，本发明提供的方法解决了两个客户端之间的接通速度问题，同时还对不同路径的网络路径质量进行动态管理，以最优网络路径进行音视数据的传输。

Description

一种基于质量评价的多路径数据传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于质量评价的多路径数据传输方法。
背景技术
在IP网络下进行实时的音视频传输可以使用多种路径，包括通过媒体服务器转发、点对点传输等。通过媒体服务器转发的好处是，无需进行点对点穿透的复杂操作，通信两端的音视频数据可以直接互通，接通成功率几乎能达到100％、接通速度快；通过媒体服务器转发的缺点是通信整体流量瓶颈受到媒体服务器接入网络的带宽约束，媒体服务器侧也有流量成本。点对点传输刚好相反，其优势是整体通信流量不依赖于媒体服务器接入网络的带宽，媒体服务器成本低；缺点是需要进行点对点穿透的操作，接通速度慢，而且有可能接不通，简单点对点传输方法接通成功率大概为90％。
关于媒体服务器转发和点对点传输的传输质量，有时候这个好有时候那个好。比如，当两个通信客户端接入在同一个网络服务提供商环境下，点对点的传输效果往往比媒体服务器转发好，尤其是两个客户端在同一个局域网内，点对点的效果大多数是很好的。又如，当两个通信客户端分别通过不用运营商网络接入互联网，如果媒体服务器部署在多线机房(即同一个机房同时接入不同运营商网络)，媒体服务器转发效果往往优于点对点传输。但这些分析只能大致上进行预测，实际的网络质量应该根据实际测试来得出结论。
附图1展示了一种媒体服务器转发模式的结构，客户端1和客户端2分别通过路由器接入运营商网络，媒体服务器部署在公网上；两个客户端的数据直接通过媒体服务器转发到达对方。
附图2展示了一种点对点传输的机制，这是一种最简单的点对点网络穿透方法，其中STUN服务器具有公网地址，通过路由器接入的客户端可通过公网地址访问到它，客户端1尝试向STUN服务器发探测包时，路由器的NAT功能会将客户端1的内网地址翻译为公网IP地址加端口，公网上其它网元向这个地址和端口发送的数据将被转到这个客户端1，STUN服务器会将这个公网IP地址加端口发给客户端2，因此如果两个客户端同时向得到公网地址和端口发数据，大多数情况是能够通的。正如这个过程所描述，点对点传输机制需要经过一个探测过程，接通时间必然长，同时由于路由器的差异性，上述机制不能100％穿透市面上各种路由器。
基于上述技术现状，目前出现了一种技术标准ICE(Interactive ConnectivityEstablishment,RFC5245)可综合上述两种传输模式的好处，既能尝试进行点对点传输，如果点对点传输不通，则进行服务器转发，以确保成本和穿透能力。ICE实际上只是结合了点对点传输和媒体服务器转发等各种传输模式，它并不是一种全新的解决方案，其主要问题是接通速度慢，而且也没有对各种传输通道进行质量管理，导致无法得到最佳的通信质量体验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种接通速度快、接通成功率高、并且有效考虑网络成本的基于质量评价的多路径数据传输方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：
首先，不同的客户端按照就近原则连接到不同的媒体服务器，然后当主叫客户端向被叫客户端发起音视频通信时，主叫客户端和被叫客户端之间先通过第0通道进行连接，而与主叫客户端连接的最近的媒体服务器称为主叫端媒体服务器，与被叫客户端连接的最近的媒体服务器称为被叫端媒体服务器，第0通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将被叫音视频数据转发给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
然后，在主叫客户端和被叫客户端之间通过第0通道进行连接的同时，主叫客户端和被叫客户端之间还启动如下通道进行连接：
第1通道，第1通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
第2通道，第2通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
第3通道，第3通道的数据传输路径为：主叫客户端与被叫客户端之间进行点对点传输机制；
最后，当第0通道、第1通道、第2通道和第3通道这四种个传输路径均建立后，主叫客户端或/和被叫客户端同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行探测，进而分别得到上述四个通道的网络路径质量得分，最后主交客户端和被叫客户端之间选取网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。
作为改进，主叫客户端和被叫客户端之间当前应用的通道的网络质量探测包为在主叫音视频数据或被叫音视频数据前加的自定义数据包头，该自定义数据包头包含包头类型、通道编号、序列号、时间戳、数据流类型；而其他三个通道发送的网络质量探测包包含前述自定义数据包头加IP/UDP数据包头。
再改进，主叫客户端或/和被叫客户端向四个通道发送的网络质量探测包是同时发送的，并且向四个通道同时发送的四个网络质量探测包的总大小不超过主叫音视频数据或被叫音视频数据的5％。
较好的，前述自定义数据包头的大小为5个字节，而IP/UDP数据包头为55个字节。
再改进，主叫客户端或/和被叫客户端间隔一固定时间同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行重新探测，进而分别得到上述四个通道新的网络路径质量得分，主交客户端和被叫客户端之间则选取新的网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。
再改进，网络路径质量得分由以下公式获得：
score＝factor(path)*(clip3(0,100,Yd)*clip3(0,100,Yl))/100
其中score为网络路径质量得分，clip3为一个限定函数，即确保输出值在0到100之间，factor(path)为连接模式的加权因子，根据服务器成本大小，不同的连接模式的factor(path)提前设置；
而Yd＝-19.58ln(delay)+149.58，其中delay为不同通道下的相对单向路径延时，并且delay＝Td(n)–Td_min+rtt_min/2，n＝0、1、2、3；
Td(0)表示第0通道的单向路径延时，Td(0)＝T0–t0-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T0为主叫客户端通过第0通道发送主叫音视频数据的时刻，t0为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(1)表示第1通道的单向路径延时，Td(1)＝T1–t1-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T1为主叫客户端通过第1通道发送主叫音视频数据的时刻，t1为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(2)表示第2通道的单向路径延时,Td(2)＝T2–t2-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T2为主叫客户端通过第2通道发送主叫音视频数据的时刻，t2为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(3)表示第3通道的单向路径延时,Td(3)＝T3–t3-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T3为主叫客户端通过第3通道发送主叫音视频数据的时刻，t3为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td_min＝min(Td(0),Td(1),Td(2),Td(3))；
rtt_min＝min(rtt(0),rtt(1),rtt(2),rtt(3))，而rtt(0)表示第0通道的往返路径延时；rtt(1)表示第1通道的往返路径延时；rtt(2)表示第2通道的往返路径延时；rtt(3)表示第3通道的往返路径延时；
Yl＝-29.43ln(PLR)-29.637；PLR为不同通道下的数据丢包率。
如果不考虑成本因素，factor(path)恒等于1，如果考虑媒体服务器的转发成本，可将所述媒体服务器转发模式的加权因子设为1，主叫端媒体服务器转发模式和被叫端媒体服务器转发模式的加权因子均设为2，点对点模式的加权因子设为4。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的方法解决了两个客户端之间的接通速度问题，同时还对不同路径的网络路径质量进行动态管理，以最优网络路径进行音视数据的传输。
附图说明
图1为现有技术中媒体服务器转发模式的结构框图；
图2为现有技术中点对点传输的机制的结构框图；
图3为本发明实施例中第0通道的连接框图；
图4为本发明实施例中第1通道的连接框图；
图5为本发明实施例中第2通道的连接框图；
图6为本发明实施例中第3通道的连接框图；
图7为本发明实施例中自定义数据包头结构图；
图8为本发明实施例中相对单向路径延时的计算框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的基于质量评价的多路径数据传输方法，首先解决了接通速度问题，即：不同的客户端按照就近原则连接到不同的媒体服务器，然后当主叫客户端向被叫客户端发起音视频通信时，主叫客户端和被叫客户端之间先通过第0通道进行连接，而与主叫客户端连接的最近的媒体服务器称为主叫端媒体服务器，与被叫客户端连接的最近的媒体服务器称为被叫端媒体服务器，第0通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将被叫音视频数据转发给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；参见图3所示；这种方式实现了主叫客户端与被叫客户端之间最快速度的连接；
然后，然后，在主叫客户端和被叫客户端之间通过第0通道连接的同时，主叫客户端和被叫客户端之间还启动如下通道进行连接：
第1通道，第1通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
第2通道，第2通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
第3通道，第3通道的数据传输路径为：主叫客户端与被叫客户端之间进行点对点传输机制；
最后，当第0通道、第1通道、第2通道和第3通道这四种个传输路径均建立后，主叫客户端或/和被叫客户端同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行探测，进而分别得到上述四个通道的网络路径质量得分，最后主交客户端和被叫客户端之间选取网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。
在第0通道、第1通道、第2通道和第3通道这四种个传输路径均建立后，主叫客户端和被叫客户端之间当前应用的通道的网络质量探测包为加在主叫音视频数据或被叫音视频数据前的5个字节的自定义数据包头，参见图7所示，该自定义数据包头包含包头类型Type、通道编号Path、序列号Seqno、时间戳Timestamp、数据流类型Streamtype；而其他三个通道发送的网络质量探测包包含前述自定义数据包头加IP/UDP数据包头，IP/UDP数据包头的定义是常规技术，这里不再详述，其他三个通道发送的网络质量探测包大小为60个字节，并且主叫客户端或/和被叫客户端向四个通道发送的网络质量探测包是同时发送的，向四个通道同时发送的四个网络质量探测包的总大小不超过主叫音视频数据或被叫音视频数据的5％，这种方式能实现非常快速质量状态更新频率，容易理解，如果探测数据量小了，必然降低对网络路径监测频率，对网络信号质量变化的敏感度会降低。传统的RTP/RTCP对网络质量监控没有考虑连续性和数据相关性，监测功能的独立性较高，导致质量状态更新频率很低，尤其是纯音频通信，如果对每个通道单独进行RTCP的质量统计，而同时满足不超过总流量的5％的约束条件，在保证统计精度的情况下，最差情况更新周期长达34秒左右，本实施例提供的方法，同时对四个通道发送网络质量探测包，并且四个网络质量探测包的总大小不超过主叫音视频数据或被叫音视频数据的5％，可以使得更新周期提高到11倍左右的效率，即在相同流量和相同精度情况下，最差情况更新周期只需要约3秒，在发送更大的音视频码率情况下，本发明以最高每秒1次的频率进行质量状态更新，此时探测包的冗余量要远低于5％。
另外，主叫客户端或/和被叫客户端间隔一固定时间同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行重新探测，进而分别得到上述四个通道新的网络路径质量得分，主交客户端和被叫客户端之间则选取新的网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。
最后，本发明还解决了四个通道单个方向的延时估计问题，传统RTCP的做法只能计算通路的往返路径延时rtt(Round-Trip Time，),计算方法为现有技术中的常规方法，通路的往返路径延时rtt包含发送方和接收方两个方向的延时总和，因此无法准确的评价单个方向的延时，本发明可以得到四个通道上单个方向的相对延时，得到4条通路单个方向的质量状态以便于做出最佳选择，具体的：网络路径质量得分由以下公式获得：
score＝factor(path)*(clip3(0,100,Yd)*clip3(0,100,Yl))/100
参见图8所示，其中score为网络路径质量得分，clip3为一个限定函数，即确保输出值在0到100之间，factor(path)为连接模式的加权因子，根据服务器成本大小，不同的连接模式的factor(path)提前设置；
而Yd＝-19.58ln(delay)+149.58，其中delay为不同通道下的相对单向路径延时，并且delay＝Td(n)–Td_min+rtt_min/2，n＝0、1、2、3；
Td(0)表示第0通道的单向路径延时，Td(0)＝T0–t0-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T0为主叫客户端通过第0通道发送主叫音视频数据的时刻，t0为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(1)表示第1通道的单向路径延时，Td(1)＝T1–t1-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T1为主叫客户端通过第1通道发送主叫音视频数据的时刻，t1为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(2)表示第2通道的单向路径延时,Td(2)＝T2–t2-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T2为主叫客户端通过第2通道发送主叫音视频数据的时刻，t2为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(3)表示第3通道的单向路径延时,Td(3)＝T3–t3-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T3为主叫客户端通过第3通道发送主叫音视频数据的时刻，t3为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td_min＝min(Td(0),Td(1),Td(2),Td(3))；
rtt_min＝min(rtt(0),rtt(1),rtt(2),rtt(3))，而rtt(0)表示第0通道的往返路径延时；rtt(1)表示第1通道的往返路径延时；rtt(2)表示第2通道的往返路径延时；rtt(3)表示第3通道的往返路径延时；
本发明消除了两个客户端的时间差deltaT，得到4条通路的相对单向延时delay,并且Td_min和rtt_min是通过统计窗口不断迭代更新的，本发明的另一个好处是只需要根据每个通道的一条数据，就能得到结果，大大节省了探测包流量；
Yl＝-29.43ln(PLR)-29.637；PLR为不同通道下的数据丢包率。
如果不考虑成本因素，factor(path)恒等于1，简单考虑服务器的转发成本，可以设第0通道的加权因子为1，第1通道和第2通道的加权因子均为2，第3通道的加权因子为4。总之，可根据服务器成本大小，服务客户重要性，动态的调整factor(path)。

Claims (7)

1.一种基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：
首先，不同的客户端按照就近原则连接到不同的媒体服务器，然后当主叫客户端向被叫客户端发起音视频通信时，主叫客户端和被叫客户端之间先通过第0通道进行连接，而与主叫客户端连接的最近的媒体服务器称为主叫端媒体服务器，与被叫客户端连接的最近的媒体服务器称为被叫端媒体服务器，第0通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，被叫端媒体服务器再将被叫音视频数据转发给主叫端媒体服务器，主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端；
然后，在主叫客户端和被叫客户端之间通过第0通道连接的同时，主叫客户端和被叫客户端之间还启动如下通道进行连接：
第1通道，第1通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端，参见图4所示；
第2通道，第2通道的数据传输路径为：主叫客户端将主叫音视频数据发送给被叫端媒体服务器，然后被叫端媒体服务器将主叫音视频数据转发给被叫客户端；同样的，被叫客户端将被叫音视频数据发送给主叫端媒体服务器，然后主叫端媒体服务器将被叫音视频数据转发给主叫客户端，参见图5所示；
第3通道，第3通道的数据传输路径为：主叫客户端与被叫客户端之间进行点对点传输机制，参见图6所示；
最后，当第0通道、第1通道、第2通道和第3通道这四种个传输路径均建立后，主叫客户端或/和被叫客户端同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行探测，进而分别得到上述四个通道的网络路径质量得分，最后主交客户端和被叫客户端之间选取网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。因此本发明提供的方法可以支持同时在多条通道发送媒体数据，这种模式适用于路径的瓶颈不在终端的接入侧，而在路径中间部位时能增加单条路径的传输吞吐量。
2.根据权利要求1所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：主叫客户端和被叫客户端之间当前应用的通道的网络质量探测包为在主叫音视频数据或被叫音视频数据前加的自定义数据包头，该自定义数据包头包含包头类型、通道编号、序列号、时间戳、数据流类型；而其他三个通道发送的网络质量探测包包含前述自定义数据包头加IP/UDP数据包头。
3.根据权利要求2所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于主叫客户端或/和被叫客户端向四个通道发送的网络质量探测包是同时发送的，并且向四个通道同时发送的四个网络质量探测包的总大小不超过主叫音视频数据或被叫音视频数据的5％。
4.根据权利要求2所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：前述自定义数据包头的大小为5个字节，而IP/UDP数据包头为55个字节。
5.根据权利要求1所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：主叫客户端或/和被叫客户端间隔一固定时间同时对上述四个通道发送网络质量探测包，从而对上述四个通道的网络质量进行重新探测，进而分别得到上述四个通道新的网络路径质量得分，主交客户端和被叫客户端之间则选取新的网络路径质量得分最高的通道进行音视数据的传输。
6.根据权利要求1所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：网络路径质量得分由以下公式获得：
score＝factor(path)*(clip3(0,100,Yd)*clip3(0,100,Yl))/100
其中score为网络路径质量得分，clip3为一个限定函数，即确保输出值在0到100之间，factor(path)为连接模式的加权因子，根据服务器成本大小，不同的连接模式的factor(path)提前设置；
而Yd＝-19.58ln(delay)+149.58，其中delay为不同通道下的相对单向路径延时，并且delay＝Td(n)–Td_min+rtt_min/2，n＝0、1、2、3；
Td(0)表示第0通道的单向路径延时，Td(0)＝T0–t0-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T0为主叫客户端通过第0通道发送主叫音视频数据的时刻，t0为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(1)表示第1通道的单向路径延时，Td(1)＝T1–t1-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T1为主叫客户端通过第1通道发送主叫音视频数据的时刻，t1为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(2)表示第2通道的单向路径延时,Td(2)＝T2–t2-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T2为主叫客户端通过第2通道发送主叫音视频数据的时刻，t2为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td(3)表示第3通道的单向路径延时,Td(3)＝T3–t3-deltaT,deltaT为主叫客户端与被叫客户端的时间差，T3为主叫客户端通过第3通道发送主叫音视频数据的时刻，t3为被叫客户端时刻收到主叫音视频数据的时刻；
Td_min＝min(Td(0),Td(1),Td(2),Td(3))；
rtt_min＝min(rtt(0),rtt(1),rtt(2),rtt(3))，而rtt(0)表示第0通道的往返路径延时；rtt(1)表示第1通道的往返路径延时；rtt(2)表示第2通道的往返路径延时；rtt(3)表示第3通道的往返路径延时；
Yl＝-29.43ln(PLR)-29.637；PLR为不同通道下的数据丢包率。
7.根据权利要求6所述的基于质量评价的多路径数据传输方法，其特征在于：所述媒体服务器转发模式的加权因子为1，主叫端媒体服务器转发模式和被叫端媒体服务器转发模式的加权因子均为2，点对点模式的加权因子为4。
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