网易实战分享｜实时音视频会议场景下QoS策略

后端 3年前 0 4.0K

背景

科技的进步以及通讯基建的高速开展，使得人们对沟通的形式要求越来越即时，对沟通内容要求越来越具象，这些要求催化着内容交流形式的不断开展，从传统的函件，到短信电话再到互联网场景z L n F h V b下的微信T ; 5 9语音、抖音短视频、视频直播及实时{ T 7 V / a 5 F ~音视频通话。随着5G正式商用元年的实在到来，更加即时与具象的实时音视频通讯将被更广泛的应用。实时音视频体系，是一个相对比较杂H N e 0 a B g Y乱的内容传输体系，从大的流程上来讲，体系掩盖音视频收集、音视频编码、音视频传输、音视频解码、音视频制作。想要做到高质量的音视频通话，每个环节都需求丰富的手法才干进行0 B K各种场景及设备的适配与作用提优。

实时音视频的最明显h Q 4 r & ; ? 5的特点是低推迟，也就是说实时音视频关于网络的要求是十分高的，乃至能够说是矛盾的。一方面它为了寻求低推迟，它能够允许网络传输中的丢包，另一方面由于视频编解码的I , , Y [ 4 )传递参阅性，任n g 4 ; A t O $ u何的丢包都会形成很大的视频质& 7 q n K ! w –量的损失，终究将下降实时通话的QoE评价，所以又不能忍受网络传输中的丢包。为此建立一个高质量实时音视频体系，尤其是多方参与的会议体系，应关于参与R V s I ) % r &通话各方上下行网络杂乱性（带宽受限/丢包/颤动/高时延）的传输QoS战略的规划是十分有必要的。本文就会议场景下，服务器端的QoS战略，做一些详细的共享。

会议场景分段QoS

会议场景的通话，决定了参与通话的各方都要经过中转的流媒体分发服务器进行传输内容的交流。会话传输链路能够划分为实时通话发送端到流媒体分发服务器的上行传输链路，以及流媒体分发服务器到实时通话接受端的下行传输链路。上下行传输链路，从服务器视点而言其承当传输人物是不同的，传输战略作用轻重亦不相同，为此针关于这种多人会议场景，需求拟定上下行独立的QoS传输计划，去保证上下行的传输质量。咱们称之为分段QoS战略。

上行QoS

网易云信的规划里，QoS的强操控权都交由发送端。接纳端做被6 g / j 2 k动的接受信息反应和丢包恳求与康复。针关于上行QoS的战略，服务器端作为接纳端，规划了一系列的QoS手法，k B (进行高牢靠的链路传输。包含但不局限于：丢包重传P K 1 t 2恳求（NACK）R : B、前向纠错（f q ] g y K 8 ;FEC）、关键帧恳求（PLI/FIR）、接受信息反应（FeedBack）等手法。这儿选取两个抗丢包手法做. * U e一些深化的讲解。

丢包重传恳求

丢包重传恳求，简单的完结就是服务器作为接纳端，在实时接纳传输的流媒体的时分，进行传输层媒体包序的接连性检查，当呈现非接连包呈现的时分，经过必定的超时时间（7 r [ Z E Y y 9考虑到实时音的低时延要求往往这个超时时间会设置的比较短），便会向发? z :送端进行丢掉包的重传恳求。由于丢包的不确定性，丢掉的包序的散布也会呈现出不确定性。为此咱们需求规划出F 1 W P z D V一个适宜的重传协议来e I _ + A K 4 ^掩盖丢包的各种散布状况，到达重传恳求的D Y |最小带宽占用的目的。

咱们规划了灵活NACK恳求协议，其协议规划能够很好的处理上述状况：

协议允许单个NACK恳求包对多个流，进行不同丢包状况的重传恳求。

前向纠错

前向纠错（FEC）其实是一种冗余过错康复的算法。应用Q 1 ^在网络传输中，首要是用来抵抗网络丢包导致的信源过错。其详细的做法就是将原始的信源数据进行可逆的运算，生成额定的冗余包，在实践发送的时分会将原始包和冗余包分为一组发送到网络上。在网络呈现丢包的时6 d j o Y . k a ~分_ c 5 $，接纳端能够经过同一分组的原始包和冗余包进行逆运算去复原所丢掉的原始包( * A。当然这儿的复原是有条件的，复原的成功率跟咱们冗余算法的冗余度巨细有关，一般状况下成正相关。但过多的冗余包会占有许多的发送流量，这样其实是不S 5 x利于正常的媒体传输的。

关于w j – o E 6 S冗余算法的选取在服务器端也是十分重要的一个课题，u – H e . 3首要涉及到两点：

一、2 l ? } k l r ;冗余度在算法层面是否支撑动态h A O F W V %调整二、核算杂乱度能否满足服务器功能要求。

第一点很简单了解，由于网络丢包是杂乱多变的，固定冗余度的算法要么会带来带宽的糟蹋要么康复作用不理想。

第二点的话，源自于实时音视频服务器首& ? s +要的人物是做媒体分发的，其底子要求是分发的高效，一旦FEC的算法杂乱度过高，在高并发高I/O吞吐的^ R G状况下，势必会下降服务器并发功能，乃至会引进额定的端到端的delay。现在现已完结的FEC算法许多，简单有依据异或的完结，杂乱的有依据矩阵运算的，以及一些其他的算法，这儿就不详细描绘了。

网易云信实践

以上简单的介绍了丢包重传恳求和前向纠错的战] 2 [ ~ ( * # e 7略。这两种机制是常见的抗丢包战略。在详细的应2 e S y F W W P用上，各个音视频W W s s k @ V R厂商，仅仅在协议完结和算法选取上略有不同` ; t I j i 1罢了。已然ARQ和FEC都是为了对立丢包而拟定出来的战略，那么在网易云信中咱们怎L R 8 8 F 6 _ l T样做最优的战略选取的呢？

首先在做战略选取之前，咱们先回忆一下两种战略对立丢包的不同思路。

第一种丢包重l _ u ) m ~ X `传战略（ARQ），处理的是当时丢包现已发作，1 } 0 % ( ~ Y ?需求做时间短的时延牺牲（即做丢包重传的时分会形成Jitter），) ] n C m + ! ) M来对立丢包，其长处明显，即不会实时的占用信道带宽，缺点就是引进的Delay，一些不妥的NACK恳求战略的规划乃至会形成流量尖刺。

第二种FEC战略，其作用作M A k 3 9用是实时观测丢包率的变q J ; J化，做丢包率的预估，实时产生冗余C ; D . o数据来对立可能呈现的丢包。其Z w !长处在根本不需求牺牲时延，能够做快速的丢包康复。但其缺点亦很明显，即n r _ F x 6依赖于丢包猜测的精确度，过高的冗余会6 ; O G q #形成带宽流量的糟蹋，乃至揉捏正常的信源的传输，导致一R 6 x 9 /个不健康的信道传输状况。

下7 y g z u面介绍一下网易云信对这两种战略组合的使用办法f m U q C i p d。

树立网络状况的观测器。

其首要监控当时网络的丢包率、颤动、时延、拥塞状况。观测器的树立质量好坏会很大程度的反应到咱们的抗丢包作用上去，在丢包率上咱们会依据关怀的阈值去做不同区间的采样标本，做多个细分丢包率的观测0 1 h p c U f , W和预估。这儿的丢包率有均匀RTT内的丢包率，有去颤动的丢包率，以及跟NACK恳求相关的丢包重传超! ] ~ G时时间相关的丢包率。观测器首要的作用是进行网络可数据化的状况侦测。为后侧的战略供给网g B ]络类型的分析，并供给确切的目标，供中心调控模块来调理自适应的参数。

2. ARQ手法先行，FEC手法做兜底。

详细的意思是咱们会依据预设的最大端到端Delay（这个Delay跟用户设置形式有关，能够动态调理），再依据观测器观测出来的相关网络目标去核算ARQ的成功率，剩余的失败率由FEC做兜底。详细算法如下：假设当时L 7 ~选取的网络均匀丢包为L，当时Rtt为R，咱们能忍受的最大Delay时间为Dr d R * J M _，最小NACk恳求距离为I，则单个包能够进行Z / d s ` , W FNACK的恳求次数C = (D-R) / I,那么经过重传之后，单个包仍处于丢掉的概率为：XL = L * LC= L(C+1)，那么FEC冗余率规划的参阅丢包率TL = a * XL + b * BL，其中a为增益系数，归于自适应调整参数，BL是依据观测器得到的网络根本（最( { *小）丢包率，b为调理系数（b 小于等于1.0），一般在网络带宽不受限的状况下，将b设置为 1.0。此外依据丢包率怎样去选取冗余度，有许多核算办法，这儿就不展开了。

3. 依据接纳端反应以及模块自检的战略调整。

服务器作为接纳端会树立抗丢包作用评价模块，详细到目标有NACK成功率，NACK响应时长，FEC 成功率等。发送端会依据此类的{ x ] Q j H反应，以及两个模块自身的相关统计| ! %数据，如Rtx（重传B j b J包）、FEC流量与原始信源的流量占比，以及拥塞操控模块的拥c r 8 a M x塞状况等，进行模块内战略相关的参数（D、I% l ! A、a、b等）r 0 B L V U ^ :的动态的调整。

网络自身是杂乱的，需求有一个合理的调度器来操控m a 3 E K . ( gARQ和FEC抗丢包模块的协同作用，要做到详细网络状况做详细的调g o W m理，咱们的抗丢包战[ e !略不该形成过多的网络信道的揉捏，进而反向压制了信源的质量，乃至导致拥塞的时而发作，这样将会和咱们的抗丢包战略规划的初衷各走各路。

下行QoS

相比较a 1 G s J k l上行QoS，服务器在下行QoS能够做的战略能够更多，上文提到了咱们的QoS规划里更多的操; 0 0 X / 4控权是交由发送方，关于下行QoS服务器人物就是发送方。除去抗丢包手法之外，服务器~ G A A s @ U H $需求做的几个重要的QoS相关的作业在于：

规划出下行接纳端可: f i { o t @ + y弹性接纳流组合的计划。
精确的勘探出用户实在的下行带宽。
拟定合理的带宽分配计划
进行流量的滑润发送以及拥塞操控

下行QoS模块操控总图

规划合理的接纳端可弹性接纳的计划，是整个下行QoS的规划基础。一个完好的拥塞操控体系，其必定要完结两个根v ? n f – k本的作业，第一点是要感知当时信道的传输状况，这个状况能够是信道的最大带宽，也能够是当时适宜传输速度。第二点是能够依据这个状况对发送信源进行调理，将信源的码率操控在可接受范围之内。所以，关于服务器端下行拥塞操控而言道理也是一样。服务器规划了多流+SVC的机制进行下行流量的操控。来完结对下行传输链路的操控，应关于用户不同的下行状况，做到最佳的QoE作用。

多流机制

咱们的多流机制选取巨细双流4 i a 9 e 3的计划，为了给服务器下行调理最大空间，以及考虑实践体会作用，这儿的巨细流的分辨率也不是固定的，会随着服务器调理的V i $ g U 0 x码率，做弹D { B = /性的f 5 X 9伸缩。针关于多流而言，上行用户能够依9 ) r , 1 G {据自己的网络才干做不同流的发布，下行用户能够依据自身的需求以及网络带宽，做符合自身才干的流的) W W z S } # w订阅。别的辅助SVC的战略，服务器能够做到最大的调理空间，充分利用用户的下行网络带宽，做到用户接纳的最佳体会。这儿发送端弹性分辨率的双流机制以及SVC计划，服务器就不做过多的描绘了，感兴趣的同学能够继续关注咱们网易云信的相关技能共享Z 9 S ; : !。

带宽勘探

带宽勘探。这个模块完结的好坏，直接影响到下行QoS的作用。关于拥塞操控而言，开源的完结有GCC, j @ B _ / 6 R 1，PCC，BBR及其他的拥塞操控办法。网易云信服务器下行QoS是依据Google的BBR算法，在0 R % L 2 o ` o实时音视频场景下做了很多的优化，进而树立了完好的拥塞操控计划。

选取BBR算法两个最首要的原因：

1、依据可测量的精确带宽。

2、算法层面的最大带宽利用率。& 4 K D j 2 n 9

服务器下行和客户端上行拥塞操控的本质区别在于，下行要求的带宽大。客户端上行能够经过滑润的调整信源做到最佳的发送速率，而服务器仅仅依据现有上行流的转发，要做到滑润的信源调理十分困难。所以客户端的拥塞操控一般使用GCC比较多，原因在于GCCj # R 7更侧重于发送码率的动态调理来进行拥塞操控。BBR自身的算法这儿就不详细描绘了，Webrtc对BBR在是视音频场景下的应用也有代码的完结，处于测验阶段。

在网易云信实践运用BBR做下行带宽勘探的时分，咱们做了许多优化，这儿罗列一些笔者认为在实时音场景下，尤其在服务器端做带宽勘探，BBR主d ~ * w W @ 2 ! h张做相应优化的点：

Probe_RTT 阶段的躲藏弱化
上行网络丢包带宽补偿
上行网络RTT突变以及高Jitter场景优化
下行链路颤动以及丢包的优化
Padding流量的优化
快速上探机制的完结

这儿的上下行网络，是针关于BBR网络带宽b a | &勘探端而言的。经过咱们一系列的优化，根本将带宽勘探的精确度做到95%左右。

900kbps + 15c r `% loss + 100jitter

带宽分配战略

带宽N B k S n [分配战略。带宽分配模块要做的事情，其T ) ! I i实就是结P 2 h y Q @ U t合下行用户的勘探出来的带宽，以及下行用户的原有的订阅关系，帮用户智能的选取最佳接纳流的组合。在介绍详细介绍带宽分配战略之前，/ W } v s Q %简单回忆一下咱们下行QoS的规划基础，即多流+ SVC的机制：用户上行的多流中的每条流都会在发布的时分把自己的可调控码率空间信息，即档位信息告知发布V ! U : e t % @ R订阅管理器。经过这样的完结，服务器便可拟定灵活的带宽分配计划。

依据此完结，那么关于服务器下行接纳而言，能做的手法有两种：

源端无感知的，接纳端巨细流切换
源端Z T 2 ; r 9 Q ) I配合的流内码率（档位）调整

这两种手法都交由一致的带宽分配战略来操控，V b , V R 8 `详细的思路有两点：

1. 尽可能不去反向压制发送端的编码码率，在依据可选取的巨细9 . #流的基础上做最佳接纳流的组合，来匹y X G a H W A )配用户下行可实践接纳的带宽。

2. 反向压制发送端编码码率需求树立在接纳端用户举手表决的基础上进行成果裁定。

滑润发送及拥塞操控

滑润发送及拥塞操控。前面几个模块讲的是用户怎样接纳的问题，终究怎样操控下行的发送，交由这个模块来管理。这个模块的规划的每个细节i x # 5 _ O e u和用户体会休戚相关= h 8 T = B。大的思路有如下几点：

滑润发送。就滑润发送而言，咱们首要的完x N L J m ; N结是创建Pacer对象，在单独的发送线程中，起高2 0 $ 5 { 7 8 L精定时器，进行发送的X y X w X g % @滑润，f X v O T u = [让网络流量不会在调查区间内有Q a 1 % @Burst的现象。
依据流等级的优先级战略以及可选择性发送战略。缓冲在发送队列的流，2 s 9 k J a会有不同的优先级。在咱们的默许规划里U 0 y优先` N 3 J ~ `级次序为重传包 > 音频包 > 大于视频包 >| m 8 7 D d 被切掉的流 > Padding包。L 7 a g ( 7 { B别的也规划了用户态的流的优先级。整体战略是用户态优先级最高，然后再参阅QoS自身的优先级。可选择性发送战略的规划首要依据SVC，调查Pacer的堆积状况，以及对应流的堆积状况，进行转发分层的选取。
拥塞避免。这个模块的完结，首要是从BBR带宽勘探模块获取主张的发送码率，并且严厉依照码率发送，在某些场景下如实在媒体数据不足的状况，乃至能够削减发送码率。当然这些行为都能够让带宽勘探模块获感知到。
拥塞缓解。这儿的拥塞缓解更多是模块内部拥塞状况的缓解。首要的办法是经过获取发送队列的堆积状况，来进行i v w o n H !模块内部拥塞状况的判别。一旦源端超发或者带宽分配模块调理没那么灵敏，导致J G m l S模块呈现v f A P拥塞状况。那么就] 1 J要及时的进行堆积的处理，而不是把数据放到网b = ~ Z ~ c W d络上，形成网络的拥塞，带来更多不确定要素。这儿堆积? . | I *判别，首要依据TreA , W u ^ J F Lndline 配合肯定Delay的固定阈值。

如图，在^ w m 3 t0时间，Delay超过了咱们的肯定阈值，可是核算出来的Trend . x ! % ? A并不高，既不是一个继续拥塞的状况，反而它可能是一个拥塞缓解的状况。在t1时间这儿咱们看到Trend值现已很高，并且Delay现已超过咱们的阈值。那么t1时间是咱们需求进行拥塞缓解的时间。拥塞缓解的详细做法就是依据流的优先级进行选择性的丢掉。所以，在进行拥塞缓解的时分，咱们判别拥塞的状况必定要谨慎，一旦自动代替网络丢包，那么用户体会肯定会受影响。

滑润发送及拥塞操控总图

总结

以上从大的框架上叙述网易云信建立的音视频服务，在服务器端完结的一些QoS计划的介绍，其中细节许多，很难逐个描绘，但往往是细节能决定终究的通话质量。音视频通讯自身一个杂乱的通讯体系，本文最初也提到了，QoS的规划也仅仅其中的一环，想要到达最佳的通话作用，每个环节做到环节内的最优，环节间也要树立有用的反应调理机制。才干将整个端到端的体会做到的最优，这样才干z S 9 b W l P得到用户的认可。

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