基于视频图像传输网络结构设计及仿真研究.pdf

1 引言由于网络技术和多媒体技术的快速发展，网络已逐步从单一的数据传送向数据、语音和图像等多媒体信息的综合传输网演变1。多媒体信息的传输是网络传输中的关键业务，而多媒体信息传输的可靠性和质量保证是网络传输中的要考虑的关键问题2。但现实的网络环境中进行相关网络的设计和网络性能的研究不仅成本很高，而且在数据统计和数据收集分析等方面也有不小的难度，为了克服这些缺点，网络仿真工具的使用必不可少3。网络仿真是通过建立网络的设备以及网络链路的统计模型，模拟实际网络流量的传输，从而获取所需要的优化网络性能数据的一种高新的技术4。由于视频图像的数据量非常大，在应用当中，网络结构会对网络传输性能造成影响，最终影响视频传输业务的服务质量5。在现今多媒体网络的仿真分析上，如果要测试所提出的网络结构对多媒体数据传输效果的影响，必须使用影片去测试，但是使用影片涉及版权问题。为了解决这一问题，网络上有许多分享的video traffic trace 文件，可以用这些文件去进行多媒体分析，myEvalvid-NT 能够使用这些文件去做网络仿真6。乐元果基于 IP 网络构建了速率控制技术、视频信息组播传输技术与视频信息的压缩编码技术的网络传输模型7。赵雪彤采用差异化视频信息分类传递方法，引入速率调节机制，使得不同类型视频图像实现传输速率与带宽速率相匹配，达到差异化传输的目的8。陈春梅基于 NS2 网络对端到端网络的数据进行模拟仿真，实现网络结构模型的动态生成与传输9。本文利用网络模拟工具 NS2 和myEvalvid-NT 对多媒体图像传输的网络结构进行仿真和评估。首先通过创建一个融合有线网络和无线网络的混合网络，然后从网络上摘取共享的 videotraffic trace 文件用进行视频图像传输。2 相关设计概述2.1 网络结构设计本文设计的网络拓扑图如图 1 所示。图 1网络结构图本设计的无线信道主要采用 ns2 中的无线信道G-E 模型。在无线网络上传输数据封包时，会造成封包遗失的原因有两个：拥塞遗失和无线遗失10。前者发生的原因是网络传输时数据量太大，造成网络设备反应迟缓，队列的缓存空间不够，从而将数据包遗失。对于无线网络而言，数据包遗失的分布现象可以分成两种类型：连续型遗失以及分布式遗失11。当封作者简介院尤丽萍（1981-），女，福建南安人，硕士，讲师，研究方向：电子通信。收稿日期院2023-02-12基于视频图像传输网络结构设计及仿真研究尤丽萍泉州信息工程学院 电子与通信工程学院，福建泉州362000摘要：为了降低视频图像传输网络的设计和网络性能的研究成本和耗时，以典型的网络结构为研究对象，利用 NS2 仿真工具和myEvalvid-NT 工具建立多媒体图像在该网络中的传输的模型。将视频流的 Trace 文件引入 NS2 仿真环境进行模拟实际网络传送的视频流，并引入 RCU 丢包检测技术优化网络传输效率，通过分析数据封包时延、数据丢包率、网络吞吐量，可解画面比例和封包抖动评估网络结构对多媒体图像传输质量的影响。结果表明，该网络结构图像传输的效果良好，可满足视频传输的要求。关键词：网络仿真；NS2；myEvalvid-NT；视频传输中图分类号：TN919.8文献标识码：A文章编号：2095-7734（2023）03-0020-042023 年 6 月普洱学院学报Jun.2023第 39 卷第 3 期Journal of Puer UniversityVol.39No.320包遗失的分布情况为分散且平均的遗失时，则属于分布式类型，反之，如果发生遗失的情况都是以连续的情况居多，则属于连续型遗失。随机统一模型经常被用来作为分布式遗失的模型，而 G-E 模型则被用来作为连续性遗失模型12。在 G-E 模型中，当传输通道处于“好”状态（G）时，发生封包遗失的概率为PG；当传输通道处于“坏”状态（B）时，发生封包遗失的概率为 PB。PGB 代表传输通道由好变坏的概率，PBG 正好相反。在稳态情形下，传输通道处于“好”和“坏”的概率分别为：仔G=PBGPBG+PGB，仔B=PGBPGB+PBG（1）因此，对于 G-E 模型而言，整体的封包遗失概率为 Paverage=PG仔G+PB仔B。2.2 网络结构的实现2.2.1 网络结构视频服务器通过有线的方式接入无线接入点，其为一个基站节点，该基站相当于有线网络和无线网络的网关，并且它能够允许视频数据文件在这两个类型的网络中传输。最后视频数据将通过基站传输到视频接收器。因为有线网络的连接是有线，而有线的带宽及其他性能足够的好，所以可以假设无线的连接不会发生封包的遗失。而无线部分的连接为无线，由于无线的物理特性的原因，所以其传输性能没有有线的好，会发生封包遗失的状况，从而会导致视频图像的质量变差。2.2.2 节点配置（1）视频服务器（有线节点）配置 tcl 代码set W(0)$ns_ node 0.0.0设置服务器节点地址（2）基站（无线节点）的配置 tcl 代码set HA$ns_ node 1.0.0设置基站地址$A set X_ 100.0$HA set Y_ 100.0$HA set Z_ 0.0 设置基站位置（100.0，100.0）（3）无线节点设置代码set MH(0)ns_ node 1.0.1设置无线节点地址$MH(0)set X_ 80.0$MH(0)set Y_ 80.0$MH(0)set Z_0.0 设置无线节点位置（80.0，80.0）$ns_ node-config-mobileIP ON 移动 IP 协议开启2.2.3 链路配置链路采用 duplex 的双向的链路，分别连接了 W(0)有线节点和 HA 无线基站，并且设置了链路的带宽为 10Mb，链路的延迟为 10ms，链路的队列类型为 myfifo，队列的管理类型为 q1。2.2.4 代理配置本文主要采用 myUDP 为发送端的 Agent。采用myEvalvidsink 来接收由 myUDP 所传送出去的封包。并且记录接收时间、封包识别和封包负载大小，最后记录在 TCL Script 所设置的文件当中。2.3 仿真传输的实现通过结合 NS2 和 myEvalvid-NT，使用网络公开得到的 trace 文件，进行网络结构的研究及评估图形质量的好坏。仿真传输过程的流程如图 2 所示。图 2仿真传输过程的流程图2.3.1 影片的获取首 先 在 公 开 的 网 站 http:/trace.eas.asu.edu/TRACE/pics/FrameTrace/mp4/indexaa60.html 抓 取video traffic trace 文件（格式：.dat 文件，按照 MPEG编码标准和 GOP 形式生成，记录了影片画面的类型、大小、和播放顺序）。然后用 PSpad 软件打开此trace 文件，并将文件中描述性的字段删除，以免造成传输的错误，得到视频的最终仿真传输文件。2.3.2 NS2 实现传输在 NS2 的运行环境 Cygwin 中，对处理好的video traffic trace 文件进行仿真传输，过程执行TCL 代码，即用 NS2 仿真多媒体图像的传输。执行的代码为 ns sc.tcl 0 0 0.01 0 1 1024，具体传输参数如表 1 所示。尤丽萍：基于视频图像传输网络结构设计及仿真研究212.3.3 影片格式转换在影片评估前，需转换 trace 文件格式。利用awk 程序将.dat 格式的 trace 文件转换成.st 格式，这样才能被 et 数据分析程序用来分析，其中 awk 是NS2 自带的分析工具。Verbose_Jurassic.st 文件就是影片的记录文件，包含以下几个信息：帧的编号（从小到大）、帧的类型（H 帧（或称 I 帧）、P 帧、B 帧）、帧的大小（单位是字节）、封装成 UDP 封包的个数。本文设置 myUDP 数据段部分的长度是 1024 字节，即每一帧按 1024 字节进行分组，然后加上 8B 的UDP 首部形成 UDP 报文，再向下传输到 IP 层，加上 20B 的 IP 首部，形成 IP 报文然后传输。2.4 丢包检测机制为了缓解传感器网络特有的多对一、多跳通信方式导致网络拥塞、误码丢包和传输延迟等问题，本文在 NS2 上引入了速率控制（Rate Control Unit，RCU）丢包检测技术，即利用 RCU 和接收端的丢包率控制发送速率，从而降低无线网络的丢包率。Prasio=（Preceiver-PRCU）/（1-PRCU）（2）式中，Preceiver为接收端观察到的丢包率；PRCU为 RCU观察到的丢包率。RCU 的工作过程主要通过实时传输协议 RTP/RTCP 完成，RCU 丢包检测的工作流程如图 3 所示。图 3RCU 丢包检测的工作流程图3 结果分析3.1 网络吞吐量经过仿真网络传输后，得到的接收端记录文件rd，可以用 rd 文件来计算网络结构的吞吐量。对于吞吐量的计算，就是把所接收到的封包大小总和除以所花费的时间。该影片共传输了 3599 秒，由于是仿真网络的传输，所以并不需要这么长的时间去传输。该网络结构的平均吞吐量（average rate）为154267560.410607bps，最大吞吐量为347769184bps。3.2 网络丢包率为提高评估分析的仿真传输效果，使用 et 评估分析程序对比传输前后的传送端记录文件 sd、接收端记录文件 rd 以及影片记录文件。从 et.exe 程序得到数据统计结果：在仿真网络总共传输 381762 个封包，其中丢失的封包为 18139 个，网络丢包率为0.0475139。丢包率较小，网络传输的丢失相对较少。3.3 网络封包和画面延迟（a）网络封包（b）传输画面图 4 网络封包和画面延迟图如图 4 所示为网络封包和画面延迟图。在仿真网络的传输当中，网络封包的平均延迟为 6.795950s，而最大的网络封包延迟为 17.933812s。传输画面的平均延迟为 5.283780s，而最大的网络画面延迟为17.920706s。从图 4 可以看出，延迟波动较大，网络封包和画面延迟的稳定性很差，在谷值时几乎不延迟，而峰值达到 17s 左右。说明该网络的延迟比较表 1NS2 仿真传输的执行参数设置参数序号参数值在所代表的意义Opt（0）0信道始终处于“好”状态时，发生封包遗失的概率为 0Opt（1）0信道始终处于“坏”状态时，发生封包遗失的概率为 0Opt（2）0.01信道处于“好变坏”状态时，发生封包遗失的概率为 0.01Opt（3）0信道处于“坏变好”状态时，发生封包遗失的概率为 0Opt（4）1种子为 1Opt（5）1024把帧打包成多少字节的封包普洱学院学报22严重而且不稳定。3.4 可解画面比例可解画面比例是一个应用层上的用来评估图像质量的测量参数，在一个 GOP 的 I-frame 里，如果所有的属于这个 I-frame 的发送封包都被正确的接收到，则 I-frame 是可以被解码的。且此 P-frame所参考的之前的 I-frame 或者 P-frame 能被正确的解码时，则 P-frame 是可以被解码的。最后在 GOP中的 B-frame 所参考的之前和后来的 I-frame 或者P-frame 可以被正确解码时，则 B-frame 也是可译的。因此，当某个画面的所有的封包和这个画面用来参考的那些画面的封包都可以被正确接收时，则此画面是可解码的。可解画面比例的意义为：所有可以被译码的画面总数除以图像中的所有的画面总数。可解画面比例的值越大，则代表画面可被编码的数量越多，画面越清楚，画面的质量越高，传输的效果也更加理想。由测量的可解画面比例结果所示，最终得到可解画面比例的值为 0.747728，表示传输画面的质量为普通水平（可解画面比例越大画面的质量越好，可解画面比例的值超过 0.9 则画面的质量为优秀，低于 0.65 则画面的质量较差）。3.5 封包抖动率封包抖动率图的绘制如图 5 所示。封包的抖动率相对比较稳定，抖动的幅度不是很大。图 5封包抖动率图3.6 RCU 丢包检测控制优化结果通过 RCU 丢包检测技术的引入，合理控制数据传输速率，得到优化后的传输结果。从统计可知，RCU 丢包检测控制优化后丢包率由 0.0475139 降低至 0.0131600，网络传输平均延迟时长由 6.795950s 减小至 3.852781s。可见，该网络结构传输多媒体的效果中等，可以实现部分多媒体图像传输，通过 RCU 丢包检测技术优化后，网络结构传输效果有很大提升，验证该技术的可行性。4 结语总之，通过网络模拟工具 NS2 的基础上，运用myEvalvid-NT 工具对多媒体图像传输的网络结构进行仿真和评估。首先创建一个融合有线网络和无线网络的混合网络，运用 NS2 和 tcl 语言对网络结构的节点、链路、代理和网络层次进行设计，完成混合网络结构的创建。然后从网络上摘取共享的video traffic trace 文件用进行视频图像传输，分析传输过程的网络吞吐量、网络丢包率、网络封包和画面延迟、可解画面比例、封包抖动率等特性。通过RCU 丢包检测技术的引入，提升网络结构的传输效率，丢包率由 0.0475139 降低至 0.0131600，网络传输平均延迟时长由 6.795950s 减小至 3.852781s。参考文献:1胡晓艳,童钟奇,等.命名数据网络中的视频传输研究综述J.计算机研究与发展,2021,58(01):116-136.2肖奇飞.异构网络中视频流的可靠传输技术综述J.中国新通信,2020,22(04):85-86.3江卓,吴茜,李贺武,吴建平.互联网端到端多路径传输跨层优化研究综述J.软件学报,2019,30(02):302-322.4陈荣梅,胡诗玮.无线多跳自组网络视频传输研究的综述J.计算机与现代化,2009,(01):97-100.5赵立波.基于 IP 的视频传输技术浅析J.内蒙古石油化工,2008,(10):69-70.6江雍,林其伟.一种基于 Evalvid 的 H.264 视频 QoS 评估改进系统J.电视技术,2007,(10):59-61.7乐元果.基于 IP 网络的数字视频信息传输技术J.电子技术与软件工程,2021,(07):27-28.8赵雪彤.多媒体网络中差异化视频信息分类传递技术J.计算机仿真,2020,37(11):189-193.9陈春梅.基于 NS2 的网络仿真与性能分析J.通信技术,2010,43(08):48-50.10 谢佳,徐山峰,等.基于 MPEG 标准的多媒体网络传输效果分析与仿真J.火力与指挥控制,2015,40(03):112-115.11 徐劲松,等.一种改进的数据包标记追踪方案CDPMJ.计算机应用,2009,29(12):3185-3187+3200.12 蒋泽,顾朝志.无线信道模型综述J.重庆工学院学报,2005,(08):63-67.尤丽萍：基于视频图像传输网络结构设计及仿真研究23