CN113315823A - 一种低延迟音视频传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低延迟音视频传输方法，包括：S1、客户端通过Websocket连接到信令服务器，用于交换信令信息；S2、客户端通过最优网络传输链路自适应选择算法，结合信令服务器、stun服务器、turn服务器以及SDP信令协商，建立相应的流媒体传输通道；S3、通过流媒体传输通道进行相应的流媒体数据传输。本发明利用最优网络传输链路自适应选择算法识别用户与用户间的网络连通性，如果两个用户在同个局域网，那么就会优先使用局域网络进行传输；如果两者能直接点对点连接，那么就直接进行点对点连接；最后如果上面2种网络方式都连接不通，则通过中转服务器进行中转；本发明具有传输速率高，延迟低，稳定好的特点，更适合音视频的低延迟，高分辨率传输。

Description

一种低延迟音视频传输方法
技术领域
本发明涉及网络数据传输技术领域，特别涉及一种低延迟音视频传输方法。
背景技术
随着网络质量不断发展，低延迟视频互动已经越来越普及。但是目前低延迟互动普遍存在的问题是低分辨率，和低码率。原因是一般的互动方案的数据传输是通过公网进行传输，为了数据的稳定性和实时性，只能减少传输带宽，从而牺牲了分辨率和码率。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提出一种低延迟音视频传输方法，客户端与客户端之间通过最优网络传输链路自适应选择算法结合信令服务器、stun服务器、turn服务器以及SDP信令协商构建相应的流媒体传输通道，通过流媒体传输通道进行相应的流媒体数据传输。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低延迟音视频传输方法，包括以下步骤：
S1、客户端通过Websocket连接到信令服务器，用于交换信令信息；
S2、客户端通过最优网络传输链路自适应选择算法，结合信令服务器、stun服务器、turn服务器以及SDP信令协商，建立相应的流媒体传输通道；
S3、通过上述流媒体传输通道进行相应的流媒体数据传输。
进一步的，所述信令信息包括candidate信息、SDP信息以及应用层控制协议。
进一步的，所述最优网络传输链路自适应选择算法为ICE算法。
进一步的，所述ICE算法的具体流程为：
A、从本机获取host地址，从stun服务器获取srvflx地址，从turn服务器获取relay地址；
B、使用ICE的offer和answer方式，通过信令服务使用SDP协商交换各自的candidate信息；
C、本端收到对端的candidate后，生成candidate pairs；
D、双方根据candidate pairs进行连通性性检查；
E、将连通性检查成功的candidate pair按照优先级排序进入连通列表中；
F、ICE在连通列表中，根据优先级最高选择最终传输地址。
进一步的，所述ICE算法具体为RFC5245ICE，网络地址的选择方法包括：
A、媒体传输的候选地址(candidate)：
候选地址用于组成candidate pair做点对点连通性检查确定传输路径；
B、候选地址分成4种类型：
host：从网卡中获取的本地传输地址
srvflx：从stun服务器获取的srvflx地址
relay：从turn服务器获取的relay地址
prflx：从对端发送Stun Binding请求获取的传输地址；
C、4种类型的网络地址优先级如下：
host＞prflx＞srvflx＞relay。
进一步的，所述网络地址的选择方法还包括：
D、候选地址优先级(candidate priority)计算方法：
priority＝(2∧24)＊(type preference)+(2∧8)＊(local preference)+(2∧0)＊(256-component ID)
type preference：取值范围为0-126，126优先级最高，0最低；host地址为126，prflx地址为100，srvflx地址为80，reply地址为60；
local preference：取值范围为0-65535；
component ID：取值范围为：1-256；
E、候选地址对(Candidate pair priority)：
由本端和远端的候选地址组成的pair，有自己的优先级；
pair优先级的计算取决candidate的priority；
F、优先地址对(candidate pair)优先级计算方法：
priority＝2∧32＊MIN(G，D)+2＊MAX(G，D)+(G＞D？1：0)
G：controlling candidate优先级
D：controlled candidate优先级。
进一步的，所述流媒体数据传输采用RTP over UDP、NACK、FEC、JitterBuffer、VBR以及VFR用于降低延迟。
进一步的，所述RTP over UDP，通过在应用层传输数据时，对无用数据进行丢失用于保证音视频的实时性以及降低延迟；所述NACK丢包反馈机制，通过在接收方定时把所有未收到的包序号通过反馈报文通知到发送方进行重传；所述FEC前向纠错，发送端将多媒体数据加上一定的冗余纠错码一起发送，在接收端根据FEC数据包和已接收数据包恢复丢失的数据包；所述JitterBuffer抖动缓冲器，当网络不稳定时，增加buffer的长度，多缓存一些数据，以应对将来可能发生的抖动；当网络稳定下来时，减小buffer的长度，少缓存一些数据，降低视频端到端的延迟，用于提高实时性；所述VBR以及VFR动态码率以及动态帧率，视频发送端会根据当前的网络情况，估算出发送的码率值，当网络比较好时，码率值会比较大，当网络比较差时，码率值会比较低；发送帧率根据当前的码率进行动态调整。
进一步的，所述流媒体数据传输采用h265视频编码，通过使用x265编码器在发送端把视频编码成h265编码，在解码端使用ffmpeg的hevc解码器解出相应的视频数据。
进一步的，当所述流媒体传输通道为p2p链路时，且客户端之间处于同一个局域网内，带宽为50Mbps-100Mbps，用于实现4K视频的传输。
有益效果：本发明利用了最优网络传输链路自适应选择算法，可以识别用户与用户间的网络连通性，如果两个用户在同个局域网，那么就会优先使用局域网络进行传输；如果两者能直接点对点连接，那么就直接进行点对点连接(P2P)；最后如果上面2种网络方式都连接不通，则通过中转服务器进行中转；在本发明的应用场景下，用户与用户如果在同一个局域网内，那么他们的数据将通过内部网络进行传输，不在公网内，由于内部网络具有传输速率高，延迟低，稳定好的特点，更适合音视频的低延迟，高分辨率传输。。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的低延迟音视频传输方法的实现架构图；
图2为本发明实施例所述的低延迟音视频传输方法的ICE算法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
参见图1-2：一种低延迟音视频传输方法，包括以下步骤：
S1、客户端通过Websocket连接到信令服务器，用于交换信令信息；
S2、客户端通过最优网络传输链路自适应选择算法，结合信令服务器、stun服务器、turn服务器以及SDP信令协商，建立相应的流媒体传输通道；
S3、通过上述流媒体传输通道进行相应的流媒体数据传输。
本实施例利用了智能网络发现(最优网络传输链路自适应选择算法)，可以识别用户与用户间的网络连通性，如果两个用户在同个局域网，那么就会优先使用局域网络进行传输；如果两者能直接点对点连接，那么就直接进行点对点连接(P2P)；最后如果上面2种网络方式都连接不通，则通过中转服务器进行中转；在本实施例的应用场景下，用户与用户如果在同一个局域网内，那么他们的数据将通过内部网络进行传输，不在公网内，由于内部网络具有传输速率高，延迟低，稳定好的特点，更适合音视频的低延迟，高分辨率传输。
具体的，所述信令信息包括candidate信息、SDP信息以及应用层控制协议。
在一具体的实例中，所述最优网络传输链路自适应选择算法为ICE算法，所述ICE算法的具体流程为：
A、从本机获取host地址，从stun服务器获取srvflx地址，从turn服务器获取relay地址；
B、使用ICE的offer和answer方式，通过信令服务使用SDP协商交换各自的candidate信息；
C、本端收到对端的candidate后，生成candidate pairs；
D、双方根据candidate pairs进行连通性性检查；
E、将连通性检查成功的candidate pair按照优先级排序进入连通列表中；
F、ICE在连通列表中，根据优先级最高选择最终传输地址。
本实施例可以应用在不同的场景，例如：当使用场景正常是几个摄像头在同一个地方(比如同一个酒店，同一栋楼)的不同地方拍摄，客户端与客户端之间的链接都是可以通过p2p方式进行流媒体数据的传输，并且可以在同一个局域网内，既少了一层服务器转发层，又可以直接点对点通过局域网传输，大大降低了延迟；需要说明的是，本实施例在不处于同一个局域网、p2p网络连接不通的情况下，流数据传输会通过turn服务器进行中转，保证了网络的可用性。
在一具体的实例中，所述ICE算法具体为RFC5245 ICE，网络地址的选择方法包括：
A、媒体传输的候选地址(candidate)：
候选地址用于组成candidate pair做点对点连通性检查，确定传输路径；
B、候选地址分成4种类型：
host：从网卡中获取的本地传输地址
srvflx：从stun服务器获取的srvflx地址
relay：从turn服务器获取的relay地址
prflx：从对端发送Stun Binding请求获取的传输地址；
C、4种类型的网络地址优先级如下：
host＞prflx＞srvflx＞relay。
进一步的，所述网络地址的选择方法还包括：
D、候选地址优先级(candidate priority)计算方法：
priority＝(2∧24)＊(type preference)+(2∧8)＊(local preference)+(2∧0)＊(256-component ID)
type preference：取值范围为0-126，126优先级最高，0最低；host地址为126，prflx地址为100，srvflx地址为80，reply地址为60；
local preference：取值范围为0-65535，本实施例可以设定为65535；
component ID：取值范围为：1-256，本实施例可以设定为1；
E、候选地址对(candidate pair priority)：
由本端和远端的候选地址组成的pair，有自己的优先级；
pair优先级的计算取决candidate的priority；
F、优先地址对(candidate pair)优先级计算方法：
priority＝2∧32＊MIN(G，D)+2＊MAX(G，D)+(G＞D？1：0)
G：controlling candidate优先级
D：controlled candidate优先级。
需要说明的是，ICE中的角色：
SDP发送Offer一方为controlling角色
SDP发送answer一方为controlled角色。
在一具体的实例中，所述流媒体数据传输采用RTP over UDP、NACK、FEC、JitterBuffer、VBR以及VFR用于降低延迟，所述RTP over UDP，通过在应用层传输数据时，对无用数据进行丢失用于保证音视频的实时性以及降低延迟；所述NACK丢包反馈机制，通过在接收方定时把所有未收到的包序号通过反馈报文通知到发送方进行重传；所述FEC前向纠错，发送端将多媒体数据加上一定的冗余纠错码一起发送，在接收端根据FEC数据包和已接收数据包恢复丢失的数据包；所述JitterBuffer抖动缓冲器，当网络不稳定时，增加buffer的长度，多缓存一些数据，以应对将来可能发生的抖动；当网络稳定下来时，减小buffer的长度，少缓存一些数据，降低视频端到端的延迟，用于提高实时性；所述VBR以及VFR动态码率以及动态帧率，视频发送端会根据当前的网络情况，估算出发送的码率值，当网络比较好时，码率值会比较大，当网络比较差时，码率值会比较低；发送帧率根据当前的码率进行动态调整。
需要说明的是，在低延迟的实现方法中，本实施例使用了RTP over UDP，NACK，FEC，JitterBuffer，VBR和VFR等技术来实现低延迟。
RTP over UDP：一般的流媒体传输是通过TCP传输协议进行数据传输，而TCP相对于流媒体传输的一个缺点是它的传输的″可靠性″：不能对已过时的数据进行丢弃。而UDP是不可靠传输，在应用层传输数据时，可以做更多的策略性行为，比如对已经过时的数据进行丢弃，这样保证了音视频的实时性。
NACK(Negative Acknowledgement)：本实施例使用NACK丢包反馈机制，在接收方定时把所有未收到的包序号通过反馈报文通知到发送方进行重传。相对于TCP的ACK机制，带来的好处是：减少反馈包的频率和带宽占用，同时也能比较及时地通知发送方进行丢包重传。
FEC(前向纠错)：在基于IP网络的多媒体传输系统中，网络丢包对多媒体通信质量有非常严重的影响，例如造成视频的马赛克，图像模糊等问题。在本发明中，对抗网络丢包除了上面的NACK技术外，还使用FEC技术。发送端将多媒体数据加上一定的冗余纠错码一起发送，在接收端根据FEC数据包和已接收数据包恢复丢失的数据包。
JitterBuffer(抖动缓冲器)：本实施例的JitterBuffer的实现原理是，当网络不稳定时(抖动发生)，增加buffer的长度，多缓存一些数据，以应对将来可能发生的抖动；当网络稳定下来时，减小buffer的长度，少缓存一些数据，降低视频端到端的延迟，提高实时性。
VBR和VFR(动态码率和动态帧率)：本实施例中，视频发送端会根据当前的网络情况，估算出发送的码率值。当网络比较好时，码率值会比较大，当网络比较差时，码率值会比较低。发送帧率也会根据当前的码率进行动态调整。如果不调整帧率，当网络条件比较好的时候，仅仅提升了视频质量，没有充分利用网络条件，提升实时性。当网络条件比较差的时候，码率降的比较低，若不降低帧率，视频质量会大幅度下降。
在一具体的实例中，所述流媒体数据传输采用h265视频编码，通过使用x265编码器在发送端把视频编码成h265编码，在解码端使用ffmpeg的hevc解码器解出相应的视频数据。
本实施例支持h265视频编码，在同样的码率和分辨率情况下，支持更高清晰的视频，同时本实施例的音频支持：opus。
在一具体的实例中，当所述流媒体传输通道为p2p链路时，且客户端之间处于同一个局域网内，带宽为50Mbps-100Mbps，用于实现4K视频的传输。
本实施例的流媒体传输在正常情况下可以通过客户端与客户端之间的p2p链路进行数据传输，这样减少服务器之间中转数据所带来的带宽消耗；并且如果两者之间在同一个局域网内的话，带宽可达到50M bps，甚至100M bps以上，可以轻松实现4K高分辨率视频的传输。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低延迟音视频传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、客户端通过Websocket连接到信令服务器，用于交换信令信息；
S2、客户端通过最优网络传输链路自适应选择算法，结合信令服务器、stun服务器、turn服务器以及SDP信令协商，建立相应的流媒体传输通道；
S3、通过上述流媒体传输通道进行相应的流媒体数据传输。
2.根据权利要求1所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述信令信息包括candidate信息、SDP信息以及应用层控制协议。
3.根据权利要求1所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述最优网络传输链路自适应选择算法为ICE算法。
4.根据权利要求3所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述ICE算法的具体流程为：
A、从本机获取host地址，从stun服务器获取srvflx地址，从turn服务器获取relay地址；
B、使用ICE的offer和answer方式，通过信令服务使用SDP协商交换各自的candidate信息；
C、本端收到对端的candidate后，生成candidate pairs；
D、双方根据candidate pairs进行连通性性检查；
E、将连通性检查成功的candidate pair按照优先级排序进入连通列表中；
F、ICE在连通列表中，根据优先级最高选择最终传输地址。
5.根据权利要求3所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述ICE算法具体为RFC5245 ICE，网络地址的选择方法包括：
A、媒体传输的候选地址：
候选地址用于组成candidate pair做点对点连通性检查确定传输路径；
B、候选地址分成4种类型：
host：从网卡中获取的本地传输地址
srvflx：从stun服务器获取的srvflx地址
relay：从turn服务器获取的relay地址
prflx：从对端发送Stun Binding请求获取的传输地址；
C、4种类型的网络地址优先级如下：
host＞prflx＞srvflx＞relay。
6.根据权利要求5所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述网络地址的选择方法还包括：
D、候选地址优先级计算方法：
priority＝(2∧24)＊(type preference)+(2∧8)＊(local preference)+(2∧0)＊(256-componentID)
type preference：取值范围为0-126，126优先级最高，0最低；
host地址为126，prflx地址为100，srvflx地址为80，reply地址为60；
local preference：取值范围为0-65535；
component ID：取值范围为：1-256；
E、候选地址对：
由本端和远端的候选地址组成的pair，有自己的优先级；
pair优先级的计算取决candidate的priority；
F、优先地址对优先级计算方法：
priority＝2∧32＊MIN(G，D)+2＊MAX(G，D)+(G＞D？1：0)
G：controlling candidate优先级
D：controlled candidate优先级。
7.根据权利要求1所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述流媒体数据传输采用RTP over UDP、NACK、FEC、JitterBuffer、VBR以及VFR用于降低延迟。
8.根据权利要求7所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述RTP over UDP，通过在应用层传输数据时，对无用数据进行丢失用于保证音视频的实时性以及降低延迟；所述NACK丢包反馈机制，通过在接收方定时把所有未收到的包序号通过反馈报文通知到发送方进行重传；所述FEC前向纠错，发送端将多媒体数据加上一定的冗余纠错码一起发送，在接收端根据FEC数据包和已接收数据包恢复丢失的数据包；所述JitterBuffer抖动缓冲器，当网络不稳定时，增加buffer的长度，多缓存一些数据，以应对将来可能发生的抖动；当网络稳定下来时，减小buffer的长度，少缓存一些数据，降低视频端到端的延迟，用于提高实时性；所述VBR以及VFR动态码率以及动态帧率，视频发送端会根据当前的网络情况，估算出发送的码率值，当网络比较好时，码率值会比较大，当网络比较差时，码率值会比较低；发送帧率根据当前的码率进行动态调整。
9.根据权利要求1所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，所述流媒体数据传输采用h265视频编码，通过使用x265编码器在发送端把视频编码成h265编码，在解码端使用ffmpeg的hevc解码器解出相应的视频数据。
10.根据权利要求1所述的低延迟音视频传输方法，其特征在于，当所述流媒体传输通道为p2p链路时，且客户端之间处于同一个局域网内，带宽为50Mbps-100Mbps，用于实现4K视频的传输。
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