4.4.9.2 Протокол реального времени RTP
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

В начале 90-х годов были сделаны первые попытки использовать Интернет для передачи голоса в реальном масштабе времени (VocalTek). В настоящее время IP-телефония стала обычным видом услуг. Более того, она сыграла определяющую роль в снижении телефонных тарифов. Появились регулярные музыкальные программы. На подходе подключение к этому виду сервиса всех мобильных коммуникаций и цифрового телевидения. Этому способствовала разработка алгоритмов MPEG-1 ÷ -4 и прикладных программ, реализующих эти алгоритмы.

С решением проблемы транспортировки мультимедиа связан бум в разработке протоколов, обеспечивающих данный процесс. Главной целью разработчиков была организация процедуры формирования групп слушателей/зрителей и передача им, запрошенных мультимедийных потоков.

Специфическим для мультимедиа является использование для транспортировки протокола UDP (без установления соединения и без гарантии доставки). В случае передачи голоса или изображения повторная передача дейтограммы становится бессмысленной.

В Интернет, также как и в некоторых других сетях, возможна потеря пакетов изменение их порядка в процессе транспортировки, а также вариация времени доставки в достаточно широких пределах. Мультимедийные приложения накладывают достаточно жесткие требования на транспортную среду. Для согласования таких требований с возможностями Интернет был разработан протокол RTP. Протокол RTP (См. RFC-2205, -2209, -2210, -1990, -1889,-3550, -3551, -3989, -3952; "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications" H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson) базируется на идеях, предложенных Кларком и Тенненхаузом [1], и предназначен для доставки данных в реальном масштабе времени (например, аудио- или видео). При этом определяется тип поля данных, производится нумерация посылок, присвоение временных меток и мониторирование доставки. Приложения обычно используют RTP поверх протокола UDP для того, чтобы использовать его возможности мультиплексирования и контрольного суммирования. Но RTP может использоваться и поверх любой другой сетевой транспортной среды. RTP поддерживает одновременную доставку по многим адресам, если мультикастинг поддерживается нижележащим сетевым уровнем.

Правильный порядок выкладки информации может быть обеспечен принимающей стороной с помощью порядковых номеров пакетов. Такая возможность крайне важна практически всегда, но особое внимание этому уделяется при восстановлении передаваемого изображения.

На практике протокол RTP не отделим от протокола RTCP (RTP control protocol). Последний служит для мониторинга qos и для передачи информации об участниках обмена в ходе сессии.

RTP гибкий протокол, который может доставить приложению нужную информацию, его функциональные модули не образуют отдельный слой, а чаще встраиваются в прикладную программу. Протокол RTP не является жестко регламентирующим.

При организации аудио-конференции каждый участник должен иметь адрес и два порта, один для звуковых данных, другой для управляющих RTCP-пакетов. Эти параметры должны быть известны всем участникам конференции. При необходимости соблюдения конфиденциальности информация и пакеты управления могут быть зашифрованы. При аудио конференциях каждый из участников пересылает небольшие закодированные звуковые фрагменты длительностью порядка 20 мсек. Каждый из таких фрагментов помещается в поле данных RTP-пакета, который в свою очередь вкладывается в UDP-дейтограмму.

Заголовок пакета RTP определяет, какой вид кодирования звука применен (PCM, ADPCM или LPC), что позволяет отправителю при необходимости сменить метод кодирования, если к конференции подключился новый потребитель с определенными ограничениями или сеть требует снижения скорости передачи.

Так как участники конференции могут появляться и исчезать по своему усмотрению, полезно знать, кто из них присутствует в сети в данный момент, и как до них доходят передаваемые данные. Для этой цели периодически каждый из участников транслирует через порт RTCP мультикастинг-сообщение, содержащее имя участника и диагностические данные. Узел-участник конференции шлет пакет BUY (RTCP), если он покидает сессию.

Если в ходе конференции передается не только звук но и изображение, они передаются как два независимых потока с использованием двух пар UDP-портов. RTCP-пакеты посылаются независимо для каждой из этих двух сессий.

На уровне RTP не существует какой-либо взаимосвязи между аудио- и видео сессиями. Только RTCP-пакеты несут в себе одни и те же канонические имена участников.

В некоторых случаях можно столкнуться с ситуацией, когда один из участников конференции подключен к сети через узкополосный канал. Было бы не слишком хорошо требовать от всех участников перехода на кодировку, соответствующую этой малой полосе. Для того чтобы этого избежать, можно установить преобразователь, называемый смесителем, в непосредственной близости от узкополосной области.

Смеситель преобразует поток аудио-пакетов в последовательность пакетов, которая соответствует возможностям узкополосного канала. Эти пакеты могут быть уникастными (адресованными одному получателю) или мультикастными. Заголовок RTP включает в себя средства, которые позволяют мультиплексорам идентифицировать источники, внесшие вклад. Так что получатель может правильно идентифицировать источник звукового сигнала.

Некоторые участники конференции, использующие широкополосные каналы, не доступны для IP-мультикастинга (например, находятся за Firewall). Для таких узлов смесители не нужны, здесь используется другой RTP-уровень передачи, называемый трансляцией. Устанавливается два транслятора по одному с каждой из сторон Firewall. Внешний транслятор передает мультикастинг-пакеты по безопасному каналу внутреннему транслятору. Внутренний же транслятор рассылает их подписчикам локальной сети обычным образом.

Смесители и трансляторы могут выполнять и другие функции, например, преобразование IP/UDP пакетов в ST-II при видео конференциях.

Определения

Поле данных RTP: Информация, пересылаемая в пакете RTP, например фрагменты звука или сжатые видео данные.

Пакет RTP: Информационный пакет, содержащий фиксированный заголовок. Один пакет транспортного нижнего уровня, например UDP, обычно содержит один RTP-пакет, но это требование не является обязательным. Поле источников информации может быть пустым.

Пакет RTCP: Управляющий пакет, содержащий фиксированный заголовок сходный с RTP, за которым следуют структурные элементы, зависящие от типа RTCP-пакета. Обычно несколько RTCP-пакетов посылаются как составной RTCP-пакет, вложенный в дейтограмму нижележащего уровня.

Транспортный адрес: Комбинация сетевого адреса и порта, которая идентифицирует конечную точку канала (например, IP-адрес и UDP-порт). Пакеты следуют от транспортного адреса отправителя к транспортному адресу получателя.

Сессия RTP: Период с момента установления группы участников RTP-обмена до ее исчезновения. Для каждого из участников сессия определяется конкретной парой транспортных адресов (сетевой адрес и номера портов для RTP и RTCP). Транспортный адрес места назначения может быть общим для всех участников сессии. Допускается реализация нескольких сессий для каждого из участников одновременно.

Источник синхронизации (SSRC): Источник потока RTP-пакетов, определяется 32-битным числовым SSRC-идентификатором, который записывается в заголовок RTP-пакета и не зависит от сетевого адреса. Все пакеты от источника синхронизации образуют часть с идентичной временной привязкой и нумерацией. Эти данные используются принимающей стороной при воспроизведении. Источниками синхронизации могут служить источники первичного сигнала (микрофоны или видеокамеры), а также RTP-смесители. SSRC-идентификатор представляет собой случайное число, которое является уникальным для данной RTP-сессии. Участник сессии не должен использовать один и тот же SSRC-идентификатор для всех RTP-сессий мультимедийного набора. Если участник формирует несколько потоков в рамках одной RTP-сессии (например, от нескольких видеокамер), каждый участник должен быть снабжен уникальным SSRC-идентификатором.

Информационный источник CSRC (contributing source): Источник потока RTP-пакетов, который вносит вклад в общий поток, формируемый RTP-смесителем. Смеситель вставляет список SSRC-идентификаторов, которые идентифицируют парциальные источники, в заголовок RTP-пакетов. Этот список называется CSRC-списком. Примером приложения может быть аудио-конференция, где смеситель отмечает всех говорящих, чей голос порождает исходящие пакеты. Это позволяет принимающей стороне идентифицировать говорящего, хотя все пакеты имеют один и тот же SSRC-идентификатор.

Оконечная система: Приложение, которое генерирует или воспринимает данные, посылаемые в виде RTP-пакетов. Оконечная система может выступать в качестве одного или нескольких источников синхронизации для конкретной сессии.

Смеситель: Промежуточная система, которая получает RTP-пакеты от одного или нескольких источников, при необходимости меняет их формат, объединяет и пересылает их адресатам. Так как временная привязка входных пакетов может отличаться, смеситель осуществляет их синхронизацию и генерирует свой собственный поток RTP-пакетов. Таким образом все посылаемые пакеты имеют в качестве источника синхронизации смеситель.

Транслятор: Промежуточная система, которая переадресует RTP-пакеты, не изменяя их идентификаторы источника синхронизации. Такие устройства используются для преобразования системы кодирования, перехода от мультикастинг- к традиционной уникаст-адресации или при работе с Firewall.

Монитор: Приложение, которое получает RTCP-пакеты, посланные участниками RTP-сессии, в частности диагностические сообщения, производит оценку состояния связи, копит долгосрочную статистику обмена.

Все целочисленные поля передаются в соответствии c сетевым порядком, т.е. старший байт следует первым (big-endian). Порядок передачи описан подробно в работе [3]. Если не оговорено обратного все цифровые константы являются десятичными. Все поля заголовка выравниваются по их естественным границам, т.е. 16-битовые поля имеют четное смещение, а 32-битные имеют адрес, кратный 4. Октеты-заполнители содержат нули.

Абсолютное время представляется с помощью временных меток в соответствии с форматом NTP (network time protocol), который характеризует время в секундах от начала суток (UTC) 1 января 1900 [4]. Полное разрешение временной метки NTP определяется 64-битовым числом с фиксированной запятой без знака. Целочисленная часть задается первыми 32 битами, а дробная часть последними. В некоторых полях, где допустимо более компактное представление, используются только средние 32 бита (16 бит целочисленная часть и 16 бит дробная).

Заголовок RTP-пакета имеет следующий формат (см. рис. 4.4.9.2.1).

Рис. 4.4.9.2.1. Заголовок пакета RTP

Первые 12 октетов присутствуют во всех RTP-пакетах, в то время как список CSRC-идентификаторов присутствует только, когда пакет формируется смесителем. Поля имеют следующие назначения:

v (Версия): 2 бита

Это поле идентифицирует версию протокола RTP. В настоящее время в это поле записывается код 2. Значение 1 использовалось в опытной версии RTP, а код 0 - в аудио приложении "vat".

p (Заполнитель): 1 бит

Если Р=1, пакет содержит один или более дополнительных октетов-заполнителей в конце поля данных (заполнители не являются частью поля данных). Последний октет заполнителя содержит число октетов, которые должны игнорироваться. Заполнитель нужен при использовании некоторых алгоритмов шифрования при фиксированном размере блоков или при укладке нескольких RTP-пакетов в один UDP.

x (Расширение): 1 бит

Если бит Х=1, далее следует фиксированный заголовок, за которым размещается одно расширение заголовка.

CC(CSRC count - число CSRC): 4 бита

Число CSRC содержит код количества csrc-идентификаторов, которые записаны в пакете.

M (маркер): 1 бит

Интерпретация маркера определяется профайлом. Предполагается разрешить выделять в потоке пакетов существенные события, такие как границы кадра. Профайл может определить дополнительные маркерные биты или специфицировать отсутствие маркерных битов путем изменения числа битов в поле PT.

PT(Тип данных): 7 бит

Это поле идентифицирует формат поля данных RTP-пакета и определяет интерпретацию его приложением. Могут быть определены дополнительные коды типа данных. Исходный набор кодов по умолчанию для аудио и видео задан в профайле Internet-draft draft-ietf-avt-profile, и может быть расширен в следующих редакциях стандарта assigned numbers (RFC-1700) [5].

Номер по порядку: 16 бит

Номер по порядку инкрементируется на 1 при посылке очередного RTP-пакета данных, этот код может использоваться получателем для регистрации потерь пакетов и для восстановления истинного порядка присланных фрагментов. Начальное значение кода является случайным. Алгоритм генерации таких кодов рассмотрен в [6].

Временная метка: 32 бита

Временная метка соответствует времени стробирования для первого октета в информационном RTP-пакете. Время стробирования должно быть получено от часов, показания которых увеличиваются монотонно и линейно, чтобы обеспечить синхронизацию и вычисление временного разброса. Разрешающая способность часов должна быть достаточной для обеспечения приемлемой точности синхронизации (одного тика на видео кадр обычно не достаточно). Частота часов зависит от формата данных и задается статически в профайле, в спецификации поля данных, или динамически средствами, выходящими за пределы спецификации протокола RTP. Если RTP-пакеты генерируются периодически, используется временная привязка, определенная задающим генератором стробирования, а не показаниями системных часов.

Начальное значение временной метки является случайным. Несколько последовательных RTP-пакетов могут иметь идентичные временные метки, если логически они генерируются одновременно (например, относятся к одному и тому же видео кадру).

SSRC: 32 бита

Поле SSRC идентифицирует источник синхронизации. Этот идентификатор выбирается случайным образом, так чтобы в пределах одной RTP-сессии не было двух равных SSRC-кодов. Все приложения должны быть способны выявлять случаи равенства SSRC-кодов. Если отправитель изменяет свой транспортный адрес, он должен также сменить и SSRC-идентификатор.

CSRC-список: от 0 до 15 элементов, по 32 бита каждый

CSRC-список идентифицирует источники информации, которые внесли свой вклад в поле данных пакета. Число идентификаторов задается полем CC. Если число источников больше 15, только 15 из них могут быть идентифицированы.

Для эффективной реализации протокола число точек мультиплексирования должно быть минимизировано. В RTP, мультиплексирование осуществляется по транспортным адресам мест назначения, которые определены RTP-сессией. Использование пакетов с различным типом поля данных но с идентичным ssrc создает определенные проблемы:

1. Если один из типов данных будет изменен в ходе сессии, нет универсальных средств для определения, какое из старых значений следует заменить на новое.

2. ssrc определено для идентификации одного пространства номеров и временных меток. Совместное использование нескольких типов данных в общем потоке может потребовать разных средств синхронизации и разной нумерации, чтобы определять, какой из типов пакетов потерян.

3. RTCP-сообщения отправителя и получателя могут описать только одно пространство номеров и временных меток для каждого SSRC и не имеют поля типа данных.

4. RTP-смеситель не сможет объединять перекрывающиеся потоки при условии их несовместимости.

5. Работа со многими средами в пределах одной RTP-сессии предполагает: использование различных сетевых путей или разного размещения сетевых ресурсов; приема только одного субнабора, например аудио, когда видео недоступно из-за недостатка широкополосности.

Использование различных ssrc для каждого вида среды, при посылке их в пределах одной RTP-сессии позволяет преодолеть первые три проблемы.

Хотя существующие RTP-заголовки позволяют решать широкий круг проблем, предусмотрена возможность их модификации с помощью профайлов. При этом сохраняется возможность контроля и мониторирования с использованием стандартных средств.

• Бит маркера и поле типа данных содержат информацию, задаваемую профайлом, но они размещаются в стандартном заголовке, так как нужны многим приложениям. Октет, где размещаются эти поля, может быть переопределен профайлом. При любом числе маркерных битов один должен размещаться в старшем разряде октета, так как это необходимо для мониторирования потока.
• Дополнительная информация, которая необходима для конкретного формата поля данных, такая как тип видео-кодирования, должна транспортироваться в поле данных пакета. Это может быть заголовок, присутствующий в начале поля данных.
• Если конкретное приложение нуждается в дополнительных возможностях, которые не зависят от содержимого поля данных, профайл данного приложения должен определить дополнительные фиксированные поля, следующие непосредственно после поля SSRC существующего заголовка пакета. Эти приложения смогут получить доступ к этим дополнительным полям, при этом сохраняются все стандартные средства контроля и мониторинга, так как они базируются на первых 12 октетах заголовка.

В протоколе RTP предусмотрен механизм расширений заголовка, который позволяет модифицировать заголовок и экспериментировать с новыми форматами поля данных. Этот механизм устроен так, что расширения заголовка могут игнорироваться приложениями, которые не нуждаются в расширениях.

Расширения заголовка предназначены для ограниченного использования. И многие приложения лучше реализовать, используя профайл. Формат реализации расширений показан на рис. 4.4.9.2.2.

Рис. 4.4.9.2.2. Формат расширения заголовка

Если бит x в RTP-заголовке равен 1, то к заголовку добавлено расширение переменной длины, за которым может следовать список csrc. Расширение заголовка содержит 16-битовое поле длины, определяющее число 32-битных слов в расширении, исключая 4-октета заголовка расширения (т.о. значения поля длина, равное нулю вполне допустимо). Информационный заголовок RTP может иметь только одно расширение. Для того чтобы обеспечить работу различных приложений с различными расширениями заголовка или чтобы обеспечить работу с более чем одним типом расширений, первые 16 бит расширения заголовка остаются свободными для выбора идентификаторов или параметров. Формат этих 16 бит определяется спецификацией профайла, с которым работает приложение.

Кроме оконечных систем RTP поддерживает трансляторы и смесители, которые рассматриваются как промежуточные системы на уровне RTP.

RTP транслятор/смеситель соединяет две или более области на транспортном уровне. Обычно каждая область определяется сетью и транспортным протоколом (например, ip/udp), мультикаст-адресом или парой уникаст-адресов, а также портом назначения транспортного уровня. Одна система может служить транслятором или смесителем для нескольких RTP сессий.

Для того чтобы исключить зацикливание при использовании транслятора или смесителя следует придерживаться следующих правил:

• Каждая из областей, соединенных транслятором или смесителем, участвующих в одной RTP-сессии должна отличаться от всех других, по крайней мере, одним параметром (протоколом, адресом, портом) или должна быть изолирована от других на сетевом уровне.
• Следствием первого правила является то, что области не должны быть соединены более чем одним смесителем или транслятором.

Аналогично все оконечные системы RTP, которые взаимодействуют через один или более трансляторов или смесителей, принадлежат одной и той же ssrc-области, т.е., ssrc-идентификаторы должны быть уникальными для задействованных оконечных систем. Существует большое разнообразие трансляторов и смесителей, спроектированных для решения различных задач и приложений. Некоторые служат для шифрования/дешифрования несущих дейтограмм.

Различие между смесителями и трансляторами заключается в том, что последние пропускают через себя потоки данных, при необходимости их преобразуя, а смесители объединяют несколько потоков в один.

Транслятор. Переадресует RTP-пакеты, не изменяя их SSRC-идентификаторы. Это позволяет получателям идентифицировать отдельные источники, даже если пакеты от всех источников проходят через один общий транслятор и имеют сетевой адрес транслятора. Некоторые типы трансляторов передают данные без изменений, другие кодируют данные и соответственно изменяют коды типа данных и временные метки. Приемник не может заметить присутствия транслятора.

Смеситель. Принимает потоки RTP-данных от одного или нескольких источников, может изменять формат данных, определенным образом объединяет потоки и затем формирует из них один общий поток. Так как объединяемые потоки не синхронизованы, смеситель производит синхронизацию потоков и формирует свою собственную временную шкалу для исходящего потока. Смеситель является источником синхронизации. Таким образом, все пакеты данных, переадресованные смесителем, будут помечены SSRC-идентификатором смесителя. Для того чтобы сохранить информацию об источниках исходных данных, смеситель должен внести свои SSRC-идентификаторы в список CSRC-идентификаторов, который следует за фиксированным RTP-заголовком пакета. Смеситель, который, кроме того, вносит в общий поток свою составляющую, должен включить свой собственный SSRC-идентификатор в CSRC-список для данного пакета.

Для некоторых приложений смеситель может не идентифицировать источники в CSRC-списке. Однако это создает опасность того, что петли, включающие эти источники, не смогут быть выявлены.

Преимуществом смесителя перед транслятором для аудио- приложений является то, что выходная полоса не превосходит полосы одного источника, даже когда в сессии на входе смесителя присутствуют несколько участников. Недостатком является то, что получатели с выходной стороны не имеют никаких средств для контроля того, какой из источников передает данные даже в случае наличия дистанционного управления смесителем.

Рис. 4.4.9.2.3 Пример RTP сети с оконечными системами, смесителями и трансляторами

Некоторый набор смесителей и трансляторов представлен на рис. 4.4.9.2.3. Здесь показано их влияние на SSRC и CSRC-идентификаторы. Оконечные системы обозначены символами ES и выделены желтым цветом. Трансляторы обозначены буквами TRS (на рисунке овалы голубого цвета) и смесители обозначены как MUX (прямоугольники сиреневого цвета). Запись "M1:13(1,17)" обозначает пакет отправленный смесителем MUX1, который идентифицируется случайным значением SSRC 13 и двумя CSRC-идентификаторами 1 и 17, скопированными с SSRC-идентификаторов пакетов оконечных систем ES1 и ES2.

Оба вида петель и столкновения приводят к тому, что пакеты приходят с тем же самым SSRC-идентификатором, но с разными транспортными адресами, которые могут принадлежать оконечной или какой-то промежуточной системе. Следовательно, если источник меняет свой транспортный адрес, он должен также выбрать новый SSRC-идентификатор с тем, чтобы ситуация не была интерпретирована, как зацикливание. Петли или столкновения, происходящие на дальней стороне транслятора или смесителя, не могут быть детектированы с использованием транспортного адреса источника, если все копии пакетов идут через транслятор или смеситель. Однако, столкновения могут быть детектированы, когда фрагменты двух RTCP SDES пакетов содержат равные SSRC-идентификаторы, но разные коды CNAME (см. описание протокола RTCP).

Для того чтобы детектировать и устранять конфликты, реализации RTP должны содержать алгоритм, аналогичный описанному ниже. Он игнорирует пакеты от нового источника, которые входят в противоречие с работающим источником. Алгоритм разрешает конфликты с SSRC-идентификаторами участников путем выбора нового идентификатора и посылки RTCP BYE для старого. Однако, когда столкновение вызвано зацикливанием собственных пакетов участников сессии, алгоритм выбирает новый идентификатор только раз и после этого игнорирует пакеты от транспортного адреса, вызвавшего зацикливание. Это требуется для того, чтобы избежать потока пакетов BYE.

Этот алгоритм зависит от равенства транспортных адресов для RTP и RTCP пакетов источника. Алгоритм требует модификации приложений, которые не отвечают этому ограничению.

Этот алгоритм требует наличия таблицы транспортных адресов источников, упорядоченных по их идентификаторам. В таблицу заносятся адреса, откуда данный идентификатор был впервые получен. Каждый SSRC или CSRC идентификатор, полученный с информационным или управляющим пакетом ищется в этой таблице, для того чтобы корректно обработать полученные данные. Для управляющих пакетов каждый элемент с его собственным SSRC, например, фрагмент SDES, требует отдельного просмотра. SSRC в сообщениях-отчетах составляют исключение. Если SSRC или CSRC не найдены, создается новая запись в таблице. Эти записи в таблице удаляются, когда приходит пакет RTCP BYE с соответствующим кодом SSRC, или когда достаточно долго не приходит вообще никаких пакетов.

Для того чтобы отслеживать зацикливание собственных пакетов участников, необходимо также завести отдельный список транспортных адресов источников, которые считаются конфликтными. Заметим, что это должен быть короткий список, обычно пустой. Каждый элемент этого списка хранит адрес источника и время, когда был получен последний конфликтный пакет. Элемент может быть удален из списка, когда за время 10 периодов посылки RTCP сообщений-отчетов не прибыло ни одного конфликтного пакета.

Предполагается, что собственные идентификаторы и состояния участников записаны в таблицу идентификаторов источников.

IF SSRC или CSRC-идентификатор не найден в таблице идентификаторов источников:

THEN создать новую запись и внести туда транспортный адрес источника и SSRC или
CSRC вместе с кодом состояния.
CONTINUE (продолжить) обычную процедуру обработки.
Идентификатор найден в таблице
IF транспортный адрес источника из пакета совпадает с одним из записанных в таблице:
THEN CONTINUE Продолжить обычную процедуру обработки.
Обнаружено столкновение идентификаторов или зацикливание
IF идентификатор источника не совпадает с собственным идентификатором участника:
THEN IF идентификатор источника совпадает с тем, что содержится в фрагменте RTCP SDES содержащем элемент CNAME, который отличается от CNAME из рекорда таблицы:
THEN (опционно) Случилось столкновение посторонних идентификаторов.
ELSE (опционно) Случилось зацикливание.
ABORT Прервать обработку информационного или управляющего пакета.
Столкновение для идентификатора участника или зацикливание его пакетов
IF транспортный адрес найден в списке конфликтных адресов:
THEN IF идентификатор источника не найден во фрагменте RTCP SDES, содержащем CNAME, или если CNAME принадлежит участнику:
THEN (опционно) случилось зацикливание собственного трафика.
Записать текущее время в соответствующую запись таблицы конфликтных адресов.
ABORT (прервать) обработку информационного или управляющего пакета.
Зафиксировать факт столкновения.
Внести новую запись в таблицу конфликтных адресов и зафиксировать время записи.
Послать пакет RTCP BYE с идентификатором SSRC.
Выбрать новый идентификатор.
Внести новую запись в таблицу идентификаторов источников со старым SSRC, транспортным адресом источника обработанного пакета.
CONTINUE Продолжить обычную процедуру обработки.

В этом алгоритме все пакеты от вновь конфликтующих источников будут игнорироваться, а пакеты от исходного источника будут приниматься. Если в течение достаточно протяженного периода времени пакеты от исходного источника не приходят, соответствующая запись в таблице будет аннулирована.

Когда из-за столкновения выбран новый SSRC-идентификатор, кандидат-идентификатор должен быть сверен с содержимым таблицы идентификаторов. Если такой код там уже имеется, должен быть выбран другой кандидат и процедура сверки повторена.

Зацикливание информационных мультикастинг-пакетов может вызвать сильную перегрузку сети. Все смесители и трансляторы должны реализовывать алгоритм детектирования зацикливания с тем, чтобы немедленно прервать этот опасный процесс. Это должно уменьшить лишний трафик. Однако, в крайних случаях, где смеситель или транслятор не прерывают зацикливание, может быть необходимо для оконечных систем прервать передачу.

Когда необходимо шифрование RTP или RTCP, все октеты будут инкапсулированы в одну дейтограмму нижележащего уровня и зашифрованы как единое целое. Для RTCP в начало последовательности перед шифрованием добавляется 32-битное случайное число, чтобы предотвратить возможные атаки. В случае RTP никаких префиксов не требуется, так как порядковый номер и временная метка и без того являются случайными числами.

Алгоритмом шифрования по умолчанию является DES (Data Encryption Standard), работающий в режиме CBC (Cipher Block Chaining), как это описано в RFC 1423 [9], за исключением того, что используется заполнение кратное 8 октетам. Инициализационный вектор равен нулю, так как для RTP-заголовка используются случайные числа. Более подробно о векторах инициализации можно прочесть в [10]. Приложения, которые используют шифрование должны поддерживать алгоритм DES в режиме CBC. Этот метод выбран потому, что он показал на практике свою эффективность при работе с аудио и видео приложениями в Интернет. Возможно применение и других криптографических средств.

В качестве альтернативы шифрованию на уровне RTP, можно определить дополнительные типы поля данных для шифрованных полей данных в профайлах. Этот метод позволяет шифровать только данные, в то время как заголовки остаются незашифрованными. Это может оказаться полезным для реализации шифрования и дешифрования.

Для обеспечения демультиплексирования RTP полагается на нижележащий протокольный уровень. Для UDP и сходных с ним протоколов, RTP использует четные номера портов, а соответствующие RTCP-потоки используют нечетные номера портов. Если приложению предлагается использовать нечетный номер RTP-порта, этот номер должен быть заменен на ближайший четный меньше исходного.

Информационные RTP-пакеты не имеют поля длины или каких-либо других средств ограничения размеров пакета, по этой причине RTP полагается на нижележащий протокол при задании размера поля данных. Максимальная длина RTP-пакетов ограничена размером используемых транспортных пакетов (например, UDP).

Если RTP-пакеты переносятся посредством протокола, который поддерживает поточный метод передачи, должен быть определен механизм вложения. Механизм вложения должен быть детализован и в случае, когда транспортный протокол использует в поле данных заполнители.

Механизм вложения может быть определен в профайле даже в случае, когда для транспортировки RTP используется не поточный протокол, это позволяет укладывать несколько RTP-пакетов в одну дейтограмму транспортного протокола (например, UDP). Передача нескольких RTP-пакетов в одном транспортном уменьшает издержки, связанные с заголовком и может упростить синхронизацию различных потоков.

Константы, определяющие тип данных (PT) RTP-пакета, задаются профайлом а не самим протоколом. Однако, значение октета RTP-заголовка, который содержит бит(ы) маркера не должно ни при каких обстоятельствах равняться 200 и 201 (десятичные), для того чтобы отличить RTP-пакеты от RTCP-пакетов типа SR и RR.

Использование протокола RTP в различных приложениях может предъявлять различные требования. Адаптация протокола к этим требованиям осуществляется путем выбора определенных параметров, использования различных расширений (см. рис. 4.4.9.2.2) или путем вариации формата на основе профайлов. Типовое приложение использует только один профайл. Спецификация формата поля данных определяет то, например, как, закодированный видеосигнал (H.261) должен переноситься RTP-пакетами.

В рамках RTP-стандарта определены следующие элементы поля данных (этот список не следует рассматривать, как окончательный):

Заголовок поля данных RTP. Октет RTP заголовка, содержащий маркер тип поля данных, может быть переопределен с помощью профайла (например, можно изменить число маркерных битов).

Типы поля данных. Профайл обычно определяет набор форматов поля данных (напр., типов кодирования исходных данных) и соответствие между этими форматами и кодами типа поля данных. Для каждого описанного типа поля данных должна быть определена частота временных меток.

Дополнения к заголовку RTP. К стандартному RTP-заголовку могут быть добавлены новые поля, расширяющие функциональность приложения.

Расширения заголовка RTP. Структура содержимого первых 16 бит расширения RTP-заголовка должна быть определена профайлом (см. рис. 4.4.9.2.2).

Безопасность. Профайл может специфицировать, какие услуги и алгоритмы безопасности должно обеспечить приложение.

Установка соответствия между строкой и ключом. Профайл может специфицировать, какому ключу шифрования соответствует введенный пользователем пароль.

Нижележащий протокол. Определяется нижележащий транспортный протокол, который служит для пересылки RTP-пакетов.

Транспортное соответствие. Соответствие RTP и RTCP адресам транспортного уровня, например, UDP-портам.

Инкапсуляция. Инкапсуляция RTP-пакетов может быть определена для того, чтобы позволить транспортировку нескольких RTP-пакетов в одной дейтограмме нижележащего протокола.

Не предполагается, что для каждого приложения требуется свой профайл. В пределах одного класса приложений целесообразно использовать расширения одного и того же профайла. Простое расширение, такое как введение дополнительного типа поля данных или нового типа RTCP-пакета, может быть выполнено путем регистрации их через комитет по стандартным числам Интернет и публикации их описаний в приложении к профайлу.

Алгоритмы работы отправителя и получателя RTP-пакетов описаны в RFC-1889 на примере кодов, написанных на языке СИ.

Нижеприведенные определения заимствованы целиком из RFC, ссылка на который приведена в начале данного раздела. Все цифра представлены в формате, где первым является старший октет. Предполагается, что битовые поля размещаются без заполнителей в том же порядке, что и октеты.

/*
* rtp.h -- Файл заголовка RTP (RFC 1889)
*/
#include <sys/types.h>
/*
* Нижеприведенные определения предполагают 32-битовое представление, а в случаях
* 16- или 64-битового представлений необходимы соответствующие модификации.
*/
typedef unsigned char u_int8;
typedef unsigned short u_int16;
typedef unsigned int u_int32;
typedef short int16;
/*
* Текущая версия протокола.
*/
#define RTP_VERSION 2
#define RTP_SEQ_MOD (1<<16)
#define RTP_MAX_SDES 255 /* максимальная длина текста для SDES */
typedef enum {
RTCP_SR = 200,
RTCP_RR = 201,
RTCP_SDES = 202,
RTCP_BYE = 203,
RTCP_APP = 204
} rtcp_type_t;
typedef enum {
RTCP_SDES_END = 0,
RTCP_SDES_CNAME = 1,
RTCP_SDES_NAME = 2,
RTCP_SDES_EMAIL = 3,
RTCP_SDES_PHONE = 4,
RTCP_SDES_LOC = 5,
RTCP_SDES_TOOL = 6,
RTCP_SDES_NOTE = 7,
RTCP_SDES_PRIV = 8
} rtcp_sdes_type_t;
/*
* Заголовок RTP-пакета
*/
typedef struct {
unsigned int version:2; /* версия протокола */
unsigned int p:1; /* флаг заполнителя */
unsigned int x:1; /* Флаг расширения заголовка */
unsigned int cc:4; /* число CSRC */
unsigned int m:1; /* Бит маркера */
unsigned int pt:7; /* тип поля данных */
u_int16 seq; /* номер по порядку */
u_int32 ts; /* временная метка */
u_int32 ssrc; /* источник синхронизации */
u_int32 csrc[1]; /* опционный список CSRC */
} rtp_hdr_t;
/*
* Общее слово RTCP-заголовка
*/
typedef struct {
unsigned int version:2; /* версия протокола */
unsigned int p:1; /* флаг заполнителя */
unsigned int count:5; /* варьируется в зависимости от типа пакета */
unsigned int pt:8; /* тип пакета RTCP */
u_int16 length; /* Длина пакета в словах */
} rtcp_common_t;
/*
* Маска версии, бита заполнителя и типа пакета
*/
#define RTCP_VALID_MASK (0xc000 | 0x2000 | 0xfe)
#define RTCP_VALID_VALUE ((RTP_VERSION << 14) | RTCP_SR)
/*
* Блок отчета о приеме
*/
typedef struct {
u_int32 ssrc; /* Источник, для которого составлен отчет */
unsigned int fraction:8; /* доля потерянных пакетов с момента последнего SR/RR */
int lost:24; /* полное число потерянных пакетов */
u_int32 last_seq; /* номер последнего полученного пакета */
u_int32 jitter; /* разброс времени прихода пакетов */
u_int32 lsr; /* последний SR-пакет от этого источника */
u_int32 dlsr; /* задержка с момента последнего SR пакета */
} rtcp_rr_t;
/*
* элемент SDES
*/
typedef struct {
u_int8 type; /* тип элемента (rtcp_sdes_type_t) */
u_int8 length; /* Длина элемента (в октетах) */
char data[1]; /* текст */
} rtcp_sdes_item_t;
/*
* One RTCP packet
*/
typedef struct {
rtcp_common_t common; /* общий заголовок */
union {
/* sender report (SR) */
struct {
u_int32 ssrc; /* Отправитель, генерирующий этот отчет */
u_int32 ntp_sec; /* временная метка NTP */
u_int32 ntp_frac;
u_int32 rtp_ts; /* временная метка RTP */
u_int32 psent; /* послано пакетов */
u_int32 osent; /* послано октетов */
rtcp_rr_t rr[1]; /* список переменной длины */
} sr;
/* Отчет о приеме (RR) */
struct {
u_int32 ssrc; /* приемник, формирующий данный отчет */
rtcp_rr_t rr[1]; /* список переменной длины */
} rr;
/* описание источника (SDES) */
struct rtcp_sdes {
u_int32 src; /* первый SSRC/CSRC */
rtcp_sdes_item_t item[1]; /* список элементов SDES */
} sdes;
/* BYE */
struct {
u_int32 src[1]; /* список источников */
/* can't express trailing text for reason */
} bye;
} r;
} rtcp_t;
typedef struct rtcp_sdes rtcp_sdes_t;
/*
* Информация состояния источников
*/
typedef struct {
u_int16 max_seq; /* наибольший зарегистрированный номер */
u_int32 cycles; /* shifted count of seq. number cycles */
u_int32 base_seq; /* основной порядковый номер */
u_int32 bad_seq; /* последний 'плохой' порядковый номер + 1 */
u_int32 probation; /* sequ. packets till source is valid */
u_int32 received; /* пакетов получено */
u_int32 expected_prior; /* пакет, ожидаемый в последнем интервале */
u_int32 received_prior; /* пакет, полученный за последний интервал */
u_int32 transit; /* относительное время передачи для предыдущего пакета */
u_int32 jitter; /* оценка временного разброса */
/* ... */
} source;

Получатель RTP-пакета должен проверить корректность заголовка. Здесь следует учитывать, что пакет может быть зашифрован. Если пакет не пройдет данную проверку (например, неверно дешифрован, ошибка в адресе или обнаружен неизвестный тип поля данных), должно быть выработано соответствующее сообщение. Ограниченная проверка допустима только для нового источника:

• В поле версии RTP должен быть записан код 2.


• Тип поля данных должен быть из числа известных, в частности он не должен быть равным SR или RR.


• Если бит P=1, тогда последний октет пакета должен содержать правильное число октетов, в частности оно должно быть меньше полной длины пакета минус размер заголовка.


• Бит X должен быть равен нулю, если профайл не указывает на использование механизма расширения. В противном случае длина поля расширения должна быть меньше полной длины пакета минус длина стандартного заголовка вместе с заполнителем.


• Длина пакета должна согласовываться с CC и типом поля данных (если длина поля данных известна).

Последние три проверки достаточно сложны и не всегда возможны. Если SSRC-идентификатор в пакете соответствует одному из полученных ранее, тогда пакет вероятно корректен и следует проверить то, что его порядковый номер лежит в нужном диапазоне. Если SSRC-идентификатор ранее не встречался, тогда данный пакет может рассматриваться некорректным до тех пор, пока не будет получено несколько таких последовательно пронумерованных пакетов.

Программа update_seq, приведенная ниже гарантирует, что источник декларирован правильно после получения MIN_SEQUENTIAL последовательно пронумерованных пакетов. Она также проверяет номера пакетов SEQ и актуализует состояние источника пакетов в структуре, на которую указывает S.

Когда новый источник дает о себе знать впервые (т.е. его SSRC-идентификатор отсутствует в таблице), и для описания его состояния выделено место в памяти, S->probation должно быть сделано равным числу последовательных пакетов, которые должны быть зарегистрированы до того, как источник будет объявлен легальным (параметр MIN_SEQUENTIAL ), а переменной s->max_seq присваивается значение SEQ-1. s->probation помечает источник как еще нелегальный, так что описание его состояния может быть выброшено после короткой выдержки.

После того как источник признан легальным, номер по порядку считается корректным, если он не больше чем на MAX_DROPOUT впереди S->max_seq и не больше на MAX_MISORDER после.

В противном случае возвращается нуль, что означает неудачу проверки, а плохой последовательный номер запоминается. Если номер очередного полученного пакета имеет следующий номер по порядку, то он рассматривается как начало новой последовательности (возможно источник рестартовал). Так как при этом теряется много циклов, статистика потерь пакетов сбрасывается.

Приведенные типовые значения параметров базируются на максимальном времени сбоя нумерации равном 2 секундам при скорости 50 пакетов/сек и времени таймаута 1 минута. Параметр таймаута MAX_DROPOUT должен соответствовать небольшой доле от 16-битового диапазона нумерации. Таким образом, после рестарта новый номер пакета с большой вероятностью не должен попасть в допустимый диапазон.

void init_seq(source *s, u_int16 seq)
{
s->base_seq = seq - 1;
s->max_seq = seq;
s->bad_seq = RTP_SEQ_MOD + 1;
s->cycles = 0;
s->received = 0;
s->received_prior = 0;
s->expected_prior = 0;
/* other initialization */
}
int update_seq(source *s, u_int16 seq)
{
u_int16 udelta = seq - s->max_seq;
const int MAX_DROPOUT = 3000;
const int MAX_MISORDER = 100;
const int MIN_SEQUENTIAL = 2;
*
* Источник нелегален до тех пор, пока не будет получено MIN_SEQUENTIAL пакетов
* с последовательно нарастающими номерами.
*/
if (s->probation) {
/* пакет соответствует последовательности */
if (seq == s->max_seq + 1) {
s->probation--;
s->max_seq = seq;
if (s->probation == 0) {
init_seq(s, seq);
s->received++;
return 1;
}
} else {
s->probation = MIN_SEQUENTIAL - 1;
s->max_seq = seq;
}
return 0;
} else if (udelta < MAX_DROPOUT) {
/* в порядке, с допустимым зазором */
if (seq < s->max_seq) {
/*
* Порядковый номер переполнен - начинаем новый 64K цикл.
*/
s->cycles += RTP_SEQ_MOD;
}
s->max_seq = seq;
} else if (udelta <= RTP_SEQ_MOD - MAX_MISORDER) {
/* порядковый номер изменился слишком сильно */
if (seq == s->bad_seq) {
/*
* Два последовательных пакета - предполагается, что другая сторона рестартовала, не
* предупредив нас об этом. re-sync (т.е., считаем, что получили первый пакет).
*/
init_seq(s, seq);
}
else {
s->bad_seq = (seq + 1) & (RTP_SEQ_MOD-1);
return 0;
}
} else {
/* задублированные пакеты или пакеты с перепутанным порядком прихода */
}
s->received++;
return 1;
}

Проверка корректности может быть и жестче, требуя более двух пакетов с последовательными номерами подряд. Недостатком такого подхода будут трудности, связанные с каналами, где вероятность потери пакета велика. Однако, так как проверка корректности заголовка RTCP-пакета достаточно строга, можно ограничиться требованием двух последовательных информационных пакетов. Если начальная потеря данных в течение нескольких секунд приемлема, приложение может выбрасывать все информационные пакеты до тех пор, пока не будет получен от источника корректный RTCP-пакет.

В зависимости от приложения и используемого кодирования для проверки можно использовать дополнительную информацию о структуре поля данных. Например, для типов данных, где используются временные метки, можно с некоторой точностью предсказывать очередное значение метки на основании знания предыдущей и разности номеров пакетов.

Для того чтобы посчитать частоту потерь пакетов, нужно знать ожидаемое и реально полученное число пакетов для каждого из источников. Число полученных пакетов получается простым их подсчетом с учетом возможного дублирования и запаздывания. Ожидаемое число пакетов может быть подсчитано получателем как разность между наибольшим порядковым номером пакета (s->max_seq) и номером первого пакета в последовательности (S->base_seq). При этом нужно учитывать то, что номера имеют 16 бит, и по этой причине могут переполниться (число переполнений хранится в переменной s->cycles).

extended_max = s->cycles + s->max_seq;
expected = extended_max - s->base_seq + 1;

Число потерянных пакетов определяется как разность между ожидаемым и реально полученным числом пакетов:

lost = expected - s->received;

Доля потерянных пакетов за отчетный период (с момента посылки предыдущего SR или RR пакета) вычисляется из разности ожидаемого и реально полученного числа пакетов за отчетный период, где expected_prior и received_prior представляют собой значения, записанные в момент подготовки предыдущего отчета:

expected_interval = expected - s->expected_prior;
s->expected_prior = expected;
received_interval = s->received - s->received_prior;
s->received_prior = s->received;
lost_interval = expected_interval - received_interval;
if (expected_interval == 0 || lost_interval <= 0) fraction = 0;
else fraction = (lost_interval << 8) / expected_interval;

Результирующее значение доли равно 8-битовому числу с фиксированной запятой, расположенной слева.

/*
* Генерация псевдослучайного 32-битового числа.
*/
#include <sys/types.h> u_long */
#include <sys/time.h> /* gettimeofday() */
#include <unistd.h> /* get..() */
#include <stdio.h> /* printf() */
#include <time.h> /* clock() */
#include <sys/utsname.h> /* uname() */
#include "global.h" /* from RFC 1321 */
#include "md5.h" /* from RFC 1321 */
#define MD_CTX MD5_CTX
#define MDInit MD5Init
#define MDUpdate MD5Update
#define MDFinal MD5Final
static u_long md_32(char *string, int length)
{
MD_CTX context;
union {
char c[16];
u_long x[4];
} digest;
u_long r;
int i;
MDInit (&context);
MDUpdate (&context, string, length);
MDFinal ((unsigned char *)&digest, &context);
r = 0;
for (i = 0; i < 3; i++) {
r ^= digest.x[i];
}
return r;
} /* md_32 */
/*
* Полученный результат - 32-битовое число без знака. Используйте аргумент 'type' если вам
* нужно получить несколько разных величин подряд.
*/
u_int32 random32(int type)
{
struct {
int type;
struct timeval tv;
clock_t cpu;
pid_t pid;
u_long hid;
uid_t uid;
gid_t gid;
struct utsname name;
} s;
gettimeofday(&s.tv, 0);
uname(&s.name);
s.type = type;
s.cpu = clock();
s.pid = getpid();
s.hid = gethostid();
s.uid = getuid();
s.gid = getgid();
return md_32((char *)&s, sizeof(s));
} /* random32 */

Библиография