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WebRTC::FEC
[TOC]
Tags: WebRTC FEC
- WebRTC对FEC进行恢复处理的动作对RTCP的统计是透明的.
- WebRTC对FEC的冗余度计算是动态的, 会根据丢包情况和网络带宽估计(BWE)的结果动态调整冗余度,
内部会维护一个静态的冗余度表. 冗余度范围: 0-255.(255相当于100%冗余度)
ULPFEC
ULPFEC: Uneven Level Protection FEC.
将需要保护的媒体流按照重要性分成若干区域（section），
不同的区域使用不同的保护级别（levels），每个ulpfec可以携带多个级别的保护区域。
Packet A #####################
: :
Packet B ############### :
: :
ULP FEC Packet #1 @@@@@ :
: :
Packet C ########### :
: :
Packet D ###################################
: :
ULP FEC Packet #2 @@@@@@@@@@@@@@
: : :
:<-L0->:<--L1-->:
Figure 1: Unequal Level Protection
Payload packet # | ULP FEC packet that protects at level
| L0 L1
---------------------+---------------------------------------
A | #1 #2
B | #1 #2
C | #2 #2
D | #2 #2FEC Packet Structure
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| RTP Header (12 octets or more) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FEC Header (10 octets) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FEC Level 0 Header |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FEC Level 0 Payload |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FEC Level 1 Header |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| FEC Level 1 Payload |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Cont. |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Figure 2: FEC Packet StructureFEC Header
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|E|L|P|X| CC |M| PT recovery | SN base |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| TS recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| length recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+E（Extension）：0
L（Long Mask）：使用使用long mask，0:16 bits mask、1:48 bits mask
P、X、CC、M、PT （Recovery field）：对主流的RTP header使用保护算法计算后得到
SN base：被保护的主流的RTP包中最小的序号，通过结合 level header中的mask来表示该fec保护的主流的包的序号
TS recovery：对主流的RTP header中的 TS使用保护算法计算后得到
Length recovery：用于验证恢复的包的payload长度，由被保护的rtp包的长度使用保护算法计算后得到
ULP Level Header：
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Protection Length | mask |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| mask cont. (present only when L = 1) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+fec level header长度为 4字节（L=0）或8字节（L=1）
Proctection Length：fec level 负载的长度
Mask：bit i = 1 则该fec保护的包的序号包括 SN base + i，mask决定了该levle 保护了主流的哪些包。
设置原则：
- 一个媒体包只能被大于0的level 保护一次，可以被level 0保护多次。（多重保护的开销太大）
- 一个媒体包被 level p 保护，那么肯定的也会被 level p-1 保护，且 levle p 与 p-1 可能不是同一个fec包。（含有不同levle 的fec包）
- 一个fec包如果有 levle p 保护区，那么也肯定有 levle =p-1 且 level p 与 p-1 可能保护着不同的packet（变长媒体包）
FEC的两种传输方式:
(1) 以分开的一路流传输
使用另外一路 M 行来表示 fec, 并使用 mid 和 group 来绑定 FEC 流和被保护的流
v=0
o=adam 289083124 289083124 IN IP4 host.example.com
s=ULP FEC Seminar
t=0 0
c=IN IP4 224.2.17.12/127
a=group:FEC 1 2
a=group:FEC 3 4
m=audio 30000 RTP/AVP 0
a=mid:1
m=application 30002 RTP/AVP 100
a=rtpmap:100 ulpfec/8000
a=mid:2
m=video 30004 RTP/AVP 31
a=mid:3
m=application 30004 RTP/AVP 101
c=IN IP4 224.2.17.13/127
a=rtpmap:101 ulpfec/8000
a=mid:4(2) FEC 作为冗余编码传输(Chrome)
使用RED封装 被保护的主流和 FEC 流.
m=audio 12345 RTP/AVP 121 0 5 100
a=rtpmap:121 red/8000/1
a=rtpmap:100 ulpfec/8000
a=fmtp:121 0/5/100平时的主流使用 RED+RTP封装, 当产生FEC时可使用 RED + FEC封装格式传输FEC流. FEC 流跟在Marker后面, 使用跟Marker一样的TS.
FLEXFEC
flexible 主要体现在可以自由选择对行还是列(RTP包组成的数组)来生成fec包, 也可以选择直接重传某个包.
也体现在保护的源RTP包个数没有ulpfec中的 Long Mask = 1 (48bit)的限制, flexfec可以使用 f bit来表示使用变长的mask bit,还是固定长度mask
(即使是固定长度mask bit, 也是可自定义 M(column), N(raw))
1-D Parity FEC protection
非交错 1-D 失败的情况（连续丢包）：
+---+ +---+ +===+
| 1 | X X | 4 | |R_1|
+---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
| 5 | | 6 | | 7 | | 8 | |R_2|
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
| 9 | | 10| | 11| | 12| |R_3|
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
交错 1-D 失败的情况（定时丢包）：
+---+ +---+ +---+
| 1 | X | 3 | | 4 |
+---+ +---+ +---+
+---+ +---+ +---+
| 5 | X | 7 | | 8 |
+---+ +---+ +---+
+---+ +---+ +---+ +---+
| 9 | | 10| | 11| | 12|
+---+ +---+ +---+ +---+
+===+ +===+ +===+ +===+
|C_1| |C_2| |C_3| |C_4|
+===+ +===+ +===+ +===+
2-D Parity FEC protection：
+---+ +---+ +===+
X X | 3 | | 4 | |R_1|
+---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
| 5 | | 6 | | 7 | | 8 | |R_2|
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +===+
| 9 | X X | 12| |R_3|
+---+ +---+ +===+
+===+ +===+ +===+ +===+
|C_1| |C_2| |C_3| |C_4|
+===+ +===+ +===+ +===+
2-D 失败的情况（特定定时连续丢包）
+---+ +---+ +===+
| 1 | X X | 4 | |R_1|
+---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
| 5 | | 6 | | 7 | | 8 | |R_2|
+---+ +---+ +---+ +---+ +===+
+---+ +---+ +===+
| 9 | X X | 12| |R_3|
+---+ +---+ +===+
+===+ +===+ +===+ +===+
|C_1| |C_2| |C_3| |C_4|
+===+ +===+ +===+ +===+FlexFEC Header
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|R|F| P|X| CC |M| PT recovery | length recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| TS recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SSRCCount | reserved |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SSRC_i |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SN base_i |k| Mask [0-14] |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|k| Mask [15-45] (optional) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|k| |
+-+ Mask [46-108] (optional) |
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| ... next in SSRC_i ... |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+R：0：repair packet、1：retransmision
F：0：flexible mask、1：offset M and N
P、X、CC、M、PT （Recovery field）：对主流的RTP header使用保护算法计算后得到
Length recovery：用于验证恢复的包的payload长度，由被保护的rtp包的长度使用保护算法计算后得到、TS recovery：对主流的RTP header中的 TS使用保护算法计算后得到
SSRCCount：被fec保护的SSRC 个数，0：非法
Reserved: 0
SSRC_i、SN base_i: 分别描述fec 所保护的包的 SSRC、SN base
如果 F = 1 则使用固定长度描述被保护的包信息
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|1|0| P|X| CC |M| PT recovery | length recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| TS recovery |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SSRCCount | reserved |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SSRC_i |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SN base_i | M (columns) | N (rows) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| ... next in SSRC_i ... |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+M > 0 and N = 0 Row Fec
M > 0 and N = 1 Row Fec + colum FEC follow
M > 0 and N > 1 Column FEC
如果 R=1 、F=1 则表示使用 Retransmision
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|1|1| P|X| CC |M| PT recovery | sequence number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| timestamp |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| SSRC |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Retransmission |
: payload :
| |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+FlexFEC in Offer、Answer
multiplexed on different SSRCs
Required
rate: RTP timestamp clock rate
repair-window: 主流与fec包的时间跨度
Optional:
L： columns
D：rows
ToP: 0：1-D interleaved FEC 1：1-D non-interleaved FEC 2:2-D parity FEC 3：reserved
v=0
o=ali 1122334455 1122334466 IN IP4 fec.example.com
s=2-D Parity FEC with no in band signalling Example
t=0 0
m=video 30000 RTP/AVP 100 110
c=IN IP4 233.252.0.1/127
a=rtpmap:100 MP2T/90000
a=rtpmap:110 flexfec/90000
a=fmtp:110 L:5; D:10; ToP:2; repair-window:200000
a=ssrc:1234
a=ssrc:2345
a=ssrc-group:FEC-FR 1234 2345ssrc-group:FEC-FR定义在 RFC 5956 (FEC grouping semantics in the SDP)
用于描述 source 和 repair 的对应关系.
Encode ulpfec
modules/rtp_rtcp/source/ulpfec_genrator.h
class UlpfecGenerator中定义了ulpfec的编码实现
设置 fec相关参数:
WebRTC 中对视频帧类型为 KeyFrame 和 DeltaFrame 分开设置 FEC 相关参数, 均使用 FecProtectionParams 结构
// Struct containing forward error correction settings.
struct FecProtectionParams {
int fec_rate;//fec的冗余度, The range is between 0 and 255,
//where 255 corresponds to 100% overhead
int max_fec_frames;//fec保护的码流的最大帧数
//(比如视频时max_fec_frames = 30表示在30帧时必须生成fec包)
FecMaskType fec_mask_type;//fec的mask bitflag 使用模式, 分为随机和突发模式.
};编码FEC包
使用 AddRtpPacketAndGenerateFec 传入需要保护的packet.
然后使用emphasized text 获取生成的 fec包数量
然后使用 GetUlpfecPacketsAsRed 可获取 RED封装的FEC包
内部细节:
传入的 RTP 的包数量最多为ulpfec的最大bitflag长度(48), 内部会检测RTP的Marker位用于检测保护的流的帧数
生成fec的条件:
1) marker = 1
2) 保护的帧数达到了 params中的max_fec_frames 或者 fec的开销和最小媒体包数量达到要求
生成的 fec 存放在 generated_fec_packets_ , 使用 NumAvailableFecPackets 可获取其数量PS：
ulpfecGenerator内部使用的是ForwarErrorCorrection对象 fec_ 来实现 ulpfecmodules tp_rtcpsourceforward_error_correction.h 这里是fec更底层的实现,
fec_.EnbcodeFec 可以指定更多的编码参数。
-
fec_factor, 也就是创建Generator时指定的 fec_rate(0-255), 255表示100%冗余度, 即多少个包就用多少个fec
-
num_important_packets, 用于指定这一帧中重要的包的个数(前面多少个包较重要),
当使用UEP(Unequal Protection)时使用, 这些包会使用level比较高的保护
-
use_unequal_protection, 是否使用 UEP(Generator中就默认不使用UEP)
-
fec_mask_type, (这里同Generato中的 mask type)
Decode ulpfec
class UlpfecReceiver 定义了 ulpfec 接收和恢复相关接口, 具体实现在子类 calss UlpfecReceiverImpl 中.
modules tp_rtcpincludeulpfec_receiver.h
modules tp_rtcpsourceulpfec_receiver_impl.h
基本步骤
- 创建ulpfec receiver,
UlpfecReceiver::Create()
这里可以指定一个 基类为RtpData(defined in rtp_rtcp_defines.h)的对象, 内部定义了回调接口OnRecoveredPacket当媒体包得到恢复时会回调上来. - 将收到的 RED 包(包括媒体包和FEC包)传入
UlpfecReceiver::AddReceivedRedPacket - 使用
UlpfecReceiver::ProcessReceivedFec()进行恢复处理, 然后使用UlpfecReceiver::GetPacketCounter可获取 receiver 中的媒体包/fec/恢复的包 的个数.恢复的包会使用创建 Receiver 时指定的 RtpData的回调到上层
动态 FEC 冗余度
详见 VideoCoding::protection_bitrate_calculator 用于动态计算 FEC / NACK 可使用的发送 bitrate
WebRTC 中将 NACK 和 FEC 的动态发送bitrate 处理逻辑放在一起实现, 相关类包括: ProtectionBitrateCalculator
为了动态得到FEC/NACK的发送bitrate, 跟其相关的参数一共包括如下. 这些参数有些是直接从对端信令得到, 比如丢包率, RTT等信息,有些是自己根据本端实际发送数据得到, 比如实际发送 framerate, BitRatePerFrame, PacektNumPerFrame 等等.
1.struct VCMProtectionParameters {
2. int64_t rtt;
3. float lossPr;
4. float bitRate;
5. float packetsPerFrame;
6. float packetsPerFrameKey;
7. float frameRate;
8. float keyFrameSize;
9. uint8_t fecRateDelta;
10. uint8_t fecRateKey;
11. uint16_t codecWidth;
12. uint16_t codecHeight;
13. int numLayers;
14.};当使用 Nack 和 Fec 混合模式时有如下逻辑:
1.// Thresholds for hybrid NACK/FEC
2.// common to media optimization and the jitter buffer.
3.const int64_t kLowRttNackMs = 20;
当前 RTT < kLowRttNackMs = 20ms, 使用 NACK, 此时FEC仅用于保护 关键帧.
当前 RTT > kHightRttNackMs 时仅使用 FEC, 关闭 NACK ( WebRTC 暂时未启用 )
当前 RTT > kLowRttNackMs =20ms, 混合使用 NACK 和 FEC.
当前每帧画面平均发送的BitRate 太低则会关闭 FEC, 此时不关心当前丢包率. 相关的几个阈值如下:
1. enum { kUpperLimitFramesFec = 6 };
2. // Thresholds values for the bytes/frame and round trip time, below which we
3. // may turn off FEC, depending on |_numLayers| and |_maxFramesFec|.
4. // Max bytes/frame for VGA, corresponds to ~140k at 25fps.
5. enum { kMaxBytesPerFrameForFec = 700 };
6. // Max bytes/frame for CIF and lower: corresponds to ~80k at 25fps.
7. enum { kMaxBytesPerFrameForFecLow = 400 };
8. // Max bytes/frame for frame size larger than VGA, ~200k at 25fps.
9. enum { kMaxBytesPerFrameForFecHigh = 1000 };
单位为 kb/s, 并且这个 每帧平均bitrate 有自己的计算方法.关键帧和非关键帧使用分开的 FEC 冗余度, 并且根据 effective rate(bits/frame) 每帧平均bitrate 和 丢包率 一起决定查表索引,静态表定义如下:
1.// Table for Protection factor (code rate) of delta frames, for the XOR FEC.
2.// Input is the packet loss and an effective rate (bits/frame).
3.// Output is array kFecRateTable[k], where k = rate_i*129 + loss_j;
4.// loss_j = 0,1,..128, and rate_i varies over some range.
5.
6.static const int kFecRateTableSize = 6450;
7.static const unsigned char kFecRateTable[kFecRateTableSize]表中最大冗余度为 127, 相当于 WebRTC 最大FEC冗余为 50%, 255相当于100%冗余度.
关键帧的 FEC 冗余度还与 关键帧的每帧平均包数 跟 非关键帧的每帧平均包数的比值相关,
会重新计算查表索引得到自己的冗余度
由于每个参数都会经过一些数学算法计算, 但是本人无法看出这么处理的意义, 就不详细讲其处理算法了.
上述逻辑源码位置:
modulesvideo_codingprotection_bitrate_calculator.cc
modulesvideo_codingmedia_opt_util.cc
FlexFEC in WebRTC
FlexFEC 跟 UlpFEC实现有较大区别.
ulpfec 是在
VideoReceiveStream中解析RED后判断 PT 再 将 RTP 包添加到UlpfecReceiver 中,
处理完再回调回来(分别使用AddReceivedPacketOnRecoveredPackt).FlexFEC 是新建一个类似VideoReceiveStream的流: FlexfecReceiveStream. 处理完成后将恢复的包再通过VideoReceiveStream::OnRtpPacket进行处理.
创建 FlexfecReceiveStream
FlexfecReceiveStream* Call::CreateFlexfecReceiveStream(const FlexfecReceiveStream::Config& config)
receive_stream = new FlexfecReceiveStreamImpl(
&video_receiver_controller_, config, recovered_packet_receiver,
call_stats_->rtcp_rtt_stats(), module_process_thread_.get());
RecoveredPacketReceiver* recovered_packet_receiver = this;在 webrtcvideoengine.cc 中判断flexfec是否开启后再创建并启动 FlexfecReceiveStream
recovered_packet_receiver用于传入 FlexfecReceiveStreamImpl 中, 某个包恢复之后用于回调到 Call 这层.
创建 FlexfecReceiver
在 FlexfecReceiveStream 中会创建 FlexfecReceiver(属于RtpRtcp模块), 也会创建自己的 RtpRtcp 实例.
FlexfecReceiver 用于处理处理收到的 flexfec 包.
增加 Sink 到 RtpStreamReceiverController
会使用 RtpStreamReceiverController创建 Receiver, 同时将 this( FlexfecReceiveStream::OnPacket)作为
Sink 传入 controller, 在sink中收到 RTP 包后传入 FlexfecReceiver 中处理.
controller 增加sink时也会传入 SSRC, 可以收取指定ssrc的 rtp 包.
在FlexfecReceiver 中处理 flexfec 包
通过 Sink::OnPacket 传入到 FlexfecReceiver::OnPacket后在
在 FlexfecReceiver::AddReceivedPacket 中判断包的负载长度要求以及ssrc
flexfec负载要求最小长度为 20byte.
最后使用 FlexfecReceiver::ProcessReceivedPackets进行flexfec 解码获取恢复出来的包
然后使用 recovered_packet_receiver::OnRecoveredPacket 回调到上层(Call).