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V1.0 |
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RTP协议分析初稿 |
彭令鹏 |
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RTP协议分析
第1章. RTP概述
1.1. RTP是什么
RTP全名是Real-time Transport Protocol（实时传输协议）。它是IETF提出的一个标准，相应的RFC文档为RFC3550（RFC1889为其过期版本号）。RFC3550不仅定义了RTP，并且定义了配套的相关协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol，即实时传输控制协议）。RTP用来为IP网上的语音、图像、传真等多种须要实时传输的多媒体数据提供端到端的实时传输服务。RTP为Internet上端到端的实时传输提供时间信息和流同步，但并不保证服务质量，服务质量由RTCP来提供。
1.2. RTP的应用环境
RTP用于在单播或多播网络中传送实时数据。它们典型的应用场合有例如以下几个。
简单的多播音频会议。语音通信通过一个多播地址和一对port来实现。一个用于音频数据（RTP），还有一个用于控制包（RTCP）。
音频和视频会议。假设在一次会议中同一时候使用了音频和视频会议，这两种媒体将分别在不同的RTP会话中传送，每个会话使用不同的传输地址（IP地址＋port）。假设一个用户同一时候使用了两个会话，则每个会话相应的RTCP包都使用规范化名字CNAME（Canonical Name）。与会者能够依据RTCP包中的CNAME来获取相关联的音频和视频，然后依据RTCP包中的计时信息(Network time protocol)来实现音频和视频的同步。
翻译器和混合器。翻译器和混合器都是RTP级的中继系统。翻译器用在通过IP多播不能直接到达的用户区，比如发送者和接收者之间存在防火墙。当与会者能接收的音频编码格式不一样，比方有一个与会者通过一条低速链路接入到快速会议，这时就要使用混合器。在进入音频数据格式须要变化的网络前，混合器将来自一个源或多个源的音频包进行重构，并把重构后的多个音频合并，採用还有一种音频编码进行编码后，再转发这个新的RTP包。从一个混合器出来的全部数据包要用混合器作为它们的同步源（SSRC，见RTP的封装）来识别，能够通过贡献源列表（CSRC表，见RTP的封装）能够确认谈话者。
1.3. 相关概念
1.3.1. 流媒体
流媒体是指Internet上使用流式传输技术的连续时基媒体。当前在Internet上传输音频和视频等信息主要有两种方式：下载和流式传输两种方式。
下载情况下，用户须要先下载整个媒体文件到本地，然后才干播放媒体文件。在视频直播等应用场合，因为生成整个媒体文件要等直播结束，也就是用户至少要在直播结束后才干看到直播节目，所以用下载方式不能实现直播。
流式传输是实现流媒体的关键技术。使用流式传输能够边下载边观看流媒体节目。因为Internet是基于分组传输的，所以接收端收到的数据包往往有延迟和乱序（流式传输构建在UDP上）。要实现流式传输，就是要从减少延迟和恢复数据包时序入手。在发送端，为减少延迟，往往对数据传输进行预处理（减少质量和高效压缩）。在接收端为了恢复时序，採用了接收缓冲；而为了实现媒体的流畅播放，则採用了播放缓冲。
使用接收缓冲，能够将接收到的数据包缓存起来，然后依据数据包的封装信息（如包序号和时戳等），将乱序的包又一次排序，最后将又一次排序了的数据包放入播放缓冲播放。
为什么须要播放缓冲呢？easy想到，因为网络不可能非常理想，而且对数据包排序须要处理时耗，我们得到排序好的数据包的时间间隔是不等的。假设不用播放缓冲，那么播放节目会非常卡，这叫时延抖动。相反，使用播放缓冲，在開始播放时，花费几十秒钟先将播放缓冲填满（比如PPLIVE），能够有效地消除时延抖动，从而在不太损失实时性的前提下实现流媒体的顺畅播放。
到眼下为止,Internet 上使用较多的流式视频格式主要有下面三种:RealNetworks 公司的RealMedia ,Apple 公司的QuickTime 以及Microsoft 公司的Advanced Streaming Format (ASF) 。
上面在谈接收缓冲时，说到了流媒体数据包的封装信息（包序号和时戳等），这在后面的RTP封装中会有体现。另外，RealMedia这些流式媒体格式仅仅是编解码有不同，但对于RTP来说，它们都是待封装传输的流媒体数据而没有什么不同。
第2章. RTP具体解释
2.1. RTP的协议层次
2.1.1. 传输层的子层
RTP（实时传输协议），顾名思义它是用来提供实时传输的，因而能够看成是传输层的一个子层。图 1给出了流媒体应用中的一个典型的协议体系结构。
图 1 流媒体体系结构
从图中能够看出，RTP被划分在传输层，它建立在UDP上。同UDP协议一样，为了实现事实上时传输功能，RTP也有固定的封装形式。RTP用来为端到端的实时传输提供时间信息和流同步，但并不保证服务质量。服务质量由RTCP来提供。这些特点，在第4章能够看到。
2.1.2. 应用层的一部分
不少人也把RTP归为应用层的一部分，这是从应用开发人员的角度来说的。操作系统中的TCP/IP等协议栈所提供的是我们最经常使用的服务，而RTP的实现还是要靠开发人员自己。因此从开发的角度来说，RTP的实现和应用层协议的实现没不同，所以可将RTP看成应用层协议。
RTP实现者在发送RTP数据时，需先将数据封装成RTP包，而在接收到RTP数据包，须要将数据从RTP包中提取出来。
2.2. RTP的封装
一个协议的封装是为了满足协议的功能需求的。从前面提出的功能需求，能够猜測出RTP封装中应该有同步源和时戳等字段，但更为完整的封装是什么样子呢？请看图2。
图 2 RTP的头部格式
版本号号（V）：2比特，用来标志使用的RTP版本号。
填充位（P）：1比特，假设该位置位，则该RTP包的尾部就包括附加的填充字节。
扩展位（X）：1比特，假设该位置位的话，RTP固定头部后面就跟有一个扩展头部。
CSRC计数器（CC）：4比特，含有固定头部后面跟着的CSRC的数目。
标记位（M）：1比特,该位的解释由配置文档（Profile）来承担.
载荷类型（PT）：7比特，标识了RTP载荷的类型。
序列号（SN）：16比特，发送方在每发送完一个RTP包后就将该域的值添加1，接收方能够由该域检測包的丢失及恢复包序列。序列号的初始值是随机的。
时间戳：32比特，记录了该包中数据的第一个字节的採样时刻。在一次会话開始时，时间戳初始化成一个初始值。即使在没有信号发送时，时间戳的数值也要随时间而不断地添加（时间在流逝嘛）。时间戳是去除抖动和实现同步必不可少的。
同步源标识符(SSRC)：32比特，同步源就是指RTP包流的来源。在同一个RTP会话中不能有两个同样的SSRC值。该标识符是随机选取的 RFC1889推荐了MD5随机算法。
贡献源列表（CSRC List）：0～15项，每项32比特，用来标志对一个RTP混合器产生的新包有贡献的全部RTP包的源。由混合器将这些有贡献的SSRC标识符插入表中。SSRC标识符都被列出来，以便接收端能正确指出交谈两方的身份。
2.3. RTCP的封装
RTP须要RTCP为其服务质量提供保证，因此以下介绍一下RTCP的相关知识。
RTCP的主要功能是：服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播组中成员的标识。在RTP会话期 间，各參与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，各參与者能够利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。
从图 1能够看到，RTCP也是用UDP来传送的，但RTCP封装的不过一些控制信息，因而分组非常短，所以能够将多个RTCP分组封装在一个UDP包中。RTCP有例如以下五种分组类型。
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类型 |
缩写表示 |
用途 |
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200 |
SR（Sender Report） |
发送端报告 |
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201 |
RR（Receiver Report） |
接收端报告 |
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202 |
SDES（Source Description Items） |
源点描写叙述 |
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203 |
BYE |
结束传输 |
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204 |
APP |
特定应用 |
表 1 RTCP的5种分组类型
上述五种分组的封装大同小异，以下仅仅讲述SR类型，而其他类型请參考RFC3550。
发送端报告分组SR（Sender Report）用来使发送端以多播方式向全部接收端报告发送情况。SR分组的主要内容有：对应的RTP流的SSRC，RTP流中最新产生的RTP分组的时间戳和NTP，RTP流包括的分组数，RTP流包括的字节数。SR包的封装如图3所看到的。
图 3 RTCP头部的格式
版本号（V）：同RTP包头域。
填充（P）：同RTP包头域。
接收报告计数器（RC）：5比特，该SR包中的接收报告块的数目，能够为零。
包类型（PT）：8比特，SR包是200。
长度域（Length）：16比特，当中存放的是该SR包以32比特为单位的总长度减一。
同步源（SSRC）：SR包发送者的同步源标识符。与相应RTP包中的SSRC一样。
NTP Timestamp（Network time protocol）SR包发送时的绝对时间值。NTP的作用是同步不同的RTP媒体流。
RTP Timestamp：与NTP时间戳相应，与RTP数据包中的RTP时间戳具有同样的单位和随机初始值。
Sender’s packet count：从開始发送包到产生这个SR包这段时间里，发送者发送的RTP数据包的总数. SSRC改变时，这个域清零。
Sender`s octet count：从開始发送包到产生这个SR包这段时间里，发送者发送的净荷数据的总字节数（不包含头部和填充）。发送者改变其SSRC时，这个域要清零。
同步源n的SSRC标识符：该报告块中包括的是从该源接收到的包的统计信息。
丢失率（Fraction Lost）：表明从上一个SR或RR包发出以来从同步源n(SSRC_n)来的RTP数据包的丢失率。
累计的包丢失数目：从開始接收到SSRC_n的包到发送SR,从SSRC_n传过来的RTP数据包的丢失总数。
收到的扩展最大序列号：从SSRC_n收到的RTP数据包中最大的序列号，
接收抖动（Interarrival jitter）：RTP数据包接受时间的统计方差预计
上次SR时间戳（Last SR,LSR）：取近期从SSRC_n收到的SR包中的NTP时间戳的中间32比特。假设眼下还没收到SR包，则该域清零。
上次SR以来的延时（Delay since last SR,DLSR）：上次从SSRC_n收到SR包到发送本报告的延时。
2.4. RTP的会话过程
当应用程序建立一个RTP会话时，应用程序将确定一对目的传输地址。目的传输地址由一个网络地址和一对port组成，有两个port：一个给RTP包，一个给RTCP包，使得RTP/RTCP数据可以正确发送。RTP数据发向偶数的UDPport，而相应的控制信号RTCP数据发向相邻的奇数UDPport（偶数的UDPport＋1），这样就构成一个UDPport对。 RTP的发送步骤例如以下，接收过程则相反。
1) RTP协议从上层接收流媒体信息码流（如H.263），封装成RTP数据包；RTCP从上层接收控制信息，封装成RTCP控制包。
2) RTP将RTP 数据包发往UDPport对中偶数port；RTCP将RTCP控制包发往UDPport对中的接收port。
第3章. 相关的协议
3.1. 实时流协议RTSP
实时流协议RTSP（Real-Time Streaming Protocol）是IETF提出的协议，相应的RFC文档为RFC2362。
从图 1能够看出，RTSP是一个应用层协议（TCP/IP网络体系中）。它以C/S模式工作，它是一个多媒体播放控制协议，主要用来使用户在播放流媒体时能够像操作本地的影碟机一样进行控制，即能够对流媒体进行暂停/继续、后退和前进等控制。
3.2. 资源预定协议RSVP
资源预定协议RSVP(Resource Reservation Protocol)是IETF提出的协议，相应的RFC文档为RFC2208。
从图 1能够看出，RSVP工作在IP层之上传输层之下，是一个网络控制协议。RSVP通过在路由器上预留一定的带宽，能在一定程度上为流媒体的传输提供服务质量。在某些试验性的系统如网络视频会议工具vic中就集成了RSVP。
第4章. 常见的疑问
4.1. 如何重组乱序的数据包
能够依据RTP包的序列号来排序。
4.2. 如何获得数据包的时序
能够依据RTP包的时间戳来获得数据包的时序。
4.3. 声音和图像怎么同步
依据声音流和图像流的相对时间（即RTP包的时间戳），以及它们的绝对时间（即相应的RTCP包中的RTCP），能够实现声音和图像的同步。
4.4. 接收缓冲和播放缓冲的作用
如1.3.1所述，接收缓冲用来排序乱序了的数据包；播放缓冲用来消除播放的抖动，实现等时播放。
第5章. 实现方案
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ID |
Protocol |
Captured contents |
||||||
|
Account |
password |
Local telephone number |
Opponents Telephone Number |
audio |
login |
logout |
||
|
36 |
Rtp |
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√ |
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表 2 协议分析要求
表 2给出了协议分析要求。easy看出要获取RTP音频包中的音频信息非常easy，直接将RTP包的包头去掉就可以。当然，要成功地播放解码获取到的音频流，须要知道其编码，这可从RTP包包头的有效载荷类型字段（PT）获得。
第6章. 參考资料
[1] RFC文档：RFC3550相应RTP/RTCP，RFC2362相应RTSP，RFC2208相应RSVP
[2] http://www.faqs.org/rfcs/，上面有全面的英文RFC文档
[3] http://www.cnpaf.net/，有不少协议分析文档，也有中文RFC文档，但质量不是特别高。