关于IPTV质量测试 RFC4445 MDI的原理和应用

IPTV视频传输质量测试标准 － RFC4445 MDI (Media Delivery Index)媒体传输质量指标详解

IneoQuest公司 黎致斌
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MDI(Media Delivery Index)媒体传输质量指标是由思科公司和IneoQuest共同提出的，对视频流在IP网络传输质量进行评估的测量指标。作为IP视频流传输质量测试 的行业标准，MDI测量指标广泛地应用于IPTV和IP有线数字电视网络质量评估和监测。

首先，本文对RFC4445 MDI的测试原理进行详细解析。 然后，介绍MDI的典型应用：IP视频流传输质量监测，视频服务器输出性能分析，网络设备视频流承载性能评估，机顶盒网络容忍能力分析。

RFC 4445 MDI参数定义

对IP视频流的传输质量用RFC 4445 MDI标识为： DF：MLR。

MDI包括了两个参数：

? Delay Factor（延迟因素，简称DF）：该数值表明被测试视频流的延迟和抖动状况。DF的单位是毫秒(ms)。DF将视频流抖动的变化换算为对视频传输和解 码设备缓冲的需求。被测视频流抖动越大，DF值越大。当网络设备和解码器的缓冲区容纳的视频内容时间不小于被测视频流DF读数时，将不会出现视频播放质量 的下降。因为网络节点需要分配不小于DF值的缓冲用于平滑视频流抖动，所以DF的最大值为视频内容通过该网络节点的最小延迟。

? Media Loss Rate（媒体丢包速率，简称MLR）：MLR的单位是每秒的媒体封包丢失数量。该数值表明被测试视频流的传输丢包速率。由于视频信息的封包丢失将直接影 响视频播放质量，理想的IP视频流传输要求MLR数值为零。因为具体的视频播放设备对丢包可以通过视频解码中进行补偿或者丢包重传，在实际测试中MLR的 阈值可以相应调整。

读者从IETF网站下载RFC 4445 MDI的标准文档： http://www.ietf.org/rfc/rfc4445.txt

 
IP网络对视频质量影响的因素

网络传输特性往往归纳为三个指标：延迟，抖动和丢包。

延迟

在视频传输应用中，恒定的延迟表现为视频观看时间的推迟。为了避免网络抖动而产生视频播放效果恶化，网络节点和视频解码器往往需要对视频流进行缓冲。实验数据表明，视频播放延迟不影响视频观看的质量。

抖动

抖动产生有多种原因：视频编码器/服务器性能变化，网络线路出现拥挤，网络设备性能变化都可以导致视频流的抖动变化。观测视频流的抖动变化可以帮助运维人员提前发现视频传输质量恶化的趋势。

丢包

丢包对视频播放质量有直接的影响。试验表明，无论视频丢包的类型（I, B, P帧），在没有适当的视频解码补偿或者丢包重传机制下，视频播放质量都会出现不同程度的下降。

 
MDI测量的原理

DF（延迟因素）

流媒体应用有实时性的特点。在流媒体通过IP网络传输的同时，终端解码器在消耗已接收到的媒体流信息。 IP网络传输媒体流出现的抖动表现为同一媒体流的IP封包传输的间隔不均匀。

在采样周期中，DF首先计算在测量点每个IP视频封包到达时间变化。然后，与预期的视频流速度对比得出。采样周期默认为1秒。DF的数值在每次采样周期完成后更新。具体DF的计算公式如下：

假设在测量点有虚拟缓存大小为X,
X = |接收到的字节数 – 解码所需的字节数|

接收到的字节数为实际测量得到；解码所需的字节数通过对媒体流解码分析得到。

那么,
DF = [最大值(X) – 最小值(X)] / 媒体流码率

媒体流码率单位是：字节/秒。最大值（X）和最小值（X）是在采样周期内所得数值。

DF的计算将网络抖动换算为对媒体流解码缓冲的需求。当解码器的缓存保存媒体信息不小于DF数值，解码器不会出现缓存内容耗尽的情形；因此，网络的抖动将不影响视频播放的质量。

DF期望值（Expected DF）是在理想状态下得到的MDI：DF数值。这个数值等于媒体流在没有拥挤的线路传输。可以看作设备把一个视频封包转移到下一节点或者视频解码器的同时，另外一个视频封包立刻到达缓冲区。

DF期望值 = IP封包的MPEG内容 / 媒体流码率

假设每个IP封包包括了7个MPEG-2 TS封包， 每个MPEG-2 TS封包为188字节，则该IP封包包括了1316字节的视频内容。 视频流码率为2Mbps CBR。则:

DF期望值 = 1316 * 8 / 2,000,000 = 5.26 ms

 

 
MLR（媒体丢包速率）

MLR计算媒体封包在采样周期内的丢失总数：

MLR = 媒体封包丢失总数 / 采样周期

默认采样周期为1秒。媒体封包在MPEG-2 TS封装格式是指有效的MPEG封包（不包括填充MPEG封包）。

 

MDI与其它测量参数的配合

MDI主要反应了视频流传输的抖动和丢包特性。但是，MDI：MLR不能反应丢包的持续性。
实验数据表明，连续小量的丢包比一次大量的丢包对视频观看质量有更明显的影响。因此，MLT－15（过去15分钟媒体丢失总数），MLT－24（过去24小时媒体丢失总数）可以帮助使用者看到测试时间内的累积丢包数目。

 

IneoQuest建议的MDI阈值

由于网络的复杂性，IneoQuest建议MDI的阈值应该通过实验室测试求取。因为，视频压缩标准，视频码率，并发视频流数目，机顶盒缓冲大小都影响MDI的阈值设定。

根据IneoQuest的经验，CBR视频流情况下，MDI：DF的最大值应该避免和平均值偏离超过50％。比如， 平均MDI：DF为100ms。当MDI：DF出现最大值为200ms时候，这意味着视频流传输抖动出现明显的变化。虽然没有立刻造成视频播放质量问题， 维护人员需要对抖动的变化趋势进行跟踪。

以下是IneoQuest公司的建议阈值：

MDI：DF ＝ 50 毫秒

MDI：MLR ＝ 8 个媒体封包/秒

MLT－15 ＝ 128 个媒体封包

MLT－24 ＝ 1024 个媒体封包

 

 
RFC4445 MDI实际的应用

目前，RFC4445 MDI 在IPTV，IP有线数字电视（IP-QAM）都有广泛的应用。下面结合IneoQuest的产品案例介绍MDI的不同应用：

 

IP视频流传输故障排查和长期质量监测

随着VOD和高清电视的日渐普及，IP网络为视频节目的传输提供了比传统传输模式更加灵活和经济的手段。但是，IP网络的视频质量传输保障是部署VOD和高清电视业务的一大挑战。

使用RFC4445 MDI进行视频质量测试的优点是：

? 支持大量视频流实时分析
? 快速定位出现问题的节点
? 能够对加密的视频流进行分析

下图为使用IneoQuest产品在不同监测点进行视频质量监测的示意图。

 
IPTV网络的视频质量监测
 
有线数字网络的视频质量监测

在图中的监测位置是根据IPTV的网络架构和运维部门的分工选取的。除了作为长期监测以外，在实际故障定位排除中也是重要的测试点。

比如：

视频头端：这是节目源质量的监测点。任何视频头端出现的质量问题将是全网的问题。

IP传输网入口：这是IPTV业务与其它业务（数据，语音等）混合前的入口。监测进入IP传输网前的视频质量，可以分辨是视频头端的问题或者传输过程产生的问题。据此，故障排查的工作将分配给不同的维护部门－IPTV业务部门，数据传输部门。

宽带接入网入口：这是骨干传输网和接入网的分界点。往往骨干传输网与宽带接入网属于不同的维护部门负责。

 
视频服务器输出性能分析

高性能和高稳定的视频服务器是IPTV成功部署的一个关键。除了视频流并发数目外，每路视频流的稳定性是一个重要考核指标。视频服务器的输出性能可以使用RFC 4445 MDI进行分析。

根据服务器的架构，视频服务器的性能受到各子系统的约束：磁盘阵列性能，CPU性能，总线带宽，内存容量，网卡的性能。从部署观点来看，服务器的性能可以表述为下面四个项目：

1） 最大并发流数目

2） 最大网络端口输出吞吐量

3） 对大量突发请求的响应特性

4） 每路流的稳定性：
a) MDI：DF：视频流的抖动特性。抖动越大，可支持的并发流数目相应减少。抖动突变表明服务器性能出现下降。
b) MDI：MLR：视频流的丢包。视频服务器不应该输出有丢包的视频流。

在视频点播服务器的实验室测试和性能评测中，IneoQuest建议至少对以下两个场景进行测试：

1） N个用户点选N部影片的最大并发量：该测试体现了视频点播服务器的最高性能。服务器的各个子系统的瓶颈都将影响该测试的结果。虽然，普遍认为 视频点播的客户行为是80/20分布（80％的用户点选20％的热门影片）。但是，最近的研究成果表明网络客户的行为具有长尾的特性（Long Tail Theory，每部影片无论热门与否都有可能被点选）。因此，N个用户点选N部影片是一个合理的测试场景。

2） 对大量用户突发请求的响应特性：在接受突发大量用户点播请求后，服务器需要多长时间完成视频流的稳定输出，以及在接收大量点播请求后，输出视频流的变化特性。该场景将检查服务器在黄金时段大量视频点播的处理能力。

 
网络设备视频流承载性能评估

在IPTV部署中，网络设备的承载视频能力是必须考虑的因素。视频流与传统数据流不同的地方在于承载视频流业务的网络节点会需要更长的时间处于线速处理的状态。因此，对网络设备的交换/路由能力需要进行实验室的测试。

RFC 4445 MDI不但可以作为视频流输出质量的测试指标，还可以作为视频流输入的参数。

通过使用专门的仪器模拟视频流输入可以得到精确的视频承载能力指标。以下是IneoQuest建议的视频流承载能力测试网络拓扑。

 
网络设备视频流承载能力测试

该测试能得到在特定网络设置下，被测试网络设备可以同时承受多少路指定速率的视频流，并且能够忍受多大视频流抖动（以MDI：DF描述）而不出现输出丢包。
 
机顶盒网络容忍能力分析

取决与机顶盒的缓冲大小，视频流传输机制，处理能力，机顶盒制造成本，机顶盒对接收视频流的质量有一定的要求。因此，有必要在大量部署机顶盒前，了解该型号/版本的机顶盒对IP视频流的容忍阈值。RFC 4445 MDI可以作为一个视频质量指标。

下图中，左侧的IneoQuest视频测试仪产生视频流并且模拟不同的损伤情形。比如，加大视频流抖动（MDI：DF），修改视频流IP速率，修改 视频流的PCR速率， 产生丢包等。通过这些损伤模拟，可以得到被测机顶盒对IP网络视频流的处理能力。同时，右侧的IneoQuest视频测试仪将用户提议的视频质量量化为 MDI数值。这样，维护人员可以设定合理的阈值，在出现明显的视频质量问题前及时处理。