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WebRTC 基础技术 | RTP 包序列号的回绕处理

简介: 本文是 WebRTC 基础技术 第 1 篇

作者:泰一
来源:码神说公众号

  • 导读
  • 序列号回绕
    • ForwardWrap
    • BackwardWrap
  • 源码分析
    • IsNewer 函数
    • Unwrap 函数
  • 测试用例
    • 测试 1
    • 测试 2
  • 总结

导读

在诸多的网络通信协议中,都会有序列号字段 sequence number ,这个字段主要用于丢包、乱序的处理。比如, RTP 包的头部序列号字段长度为 16 bits,取值范围为 [0, 65535]。

现在有这样一个问题:对于两个 RTP 包,如何比较哪一个包才是最新的包?

比如,序列号为 0 的包一定比序列号为 65535 的包小,是旧的包吗?再如,序列号为 65535 的包一定比序列号为 255 的包大,是最新的包吗?

当然不是这样,因为在判断序列号的连续性时要考虑回绕问题,不能直接根据数学意义上的大小进行比较。本篇将介绍 WebRTC 中与序列号回绕处理相关的算法。

序列号回绕

序列号的回绕方式有两种,分别是向前回绕和向后回绕。

ForwardWrap

向前回绕发生时,有如下特点:

  1. 包号呈向前递增趋势。
  2. 当前的包号很小,而前一个包号很大。
  3. 从上一个包号向前跨越包号 0 到当前的包号。
  4. 包号之间的距离小于包号类型能表示的数字个数的一半。
  5. 认为当前的包号是更大的包号,即当前包是更新的包。

下图展现了向前回绕的这些特点:

image.png

向前回绕

BackwardWrap

向后回绕发生时,有如下特点:

  1. 包号呈向后递减趋势。
  2. 当前的包号很大,而前一个包号很小。
  3. 从上一个包号向后跨越包号 0 到当前的包号。
  4. 包号之间的距离大于包号类型能表示的数字个数的一半。
  5. 一般情况下,认为当前的包号是更小的包号,即当前包是旧的包。

下图展现了向后回绕的这些特点:
image.png

向后回绕

源码分析

基于 WebRTC M71 版本。

IsNewer 函数

该函数实现了数字(序列号、时间戳)的比较算法。输入当前数字和之前的数字,如果当前数字是更新的数字则返回 true,否则返回 false

注意,执行该算法的数字的类型必须是无符号类型。

template <typename U>
inline bool IsNewer(U value, U prev_value) {
  constexpr U kBreakpoint =
    (std::numeric_limits<U>::max() >> 1) + 1;

  if (value - prev_value == kBreakpoint)
    return value > prev_value;

  return value != prev_value &&
    static_cast<U>(value - prev_value)
      < kBreakpoint;
}

假设有两个 U 类型的无符号数字:valueprev_value,那么,该数字比较算法的原理如下:

  1. 定义常量 kBreakpointU 类型可表示的数字数量值的一半。
    比如,对于 uint16_t 类型,kBreakpoint 为 0x8000,对于 uint32_t 类型,kBreakpoint 为 0x80000000。

在 RFC 1982: Serial Number Arithmetic[1] 中定义了 2^(SERIAL_BITS - 1),即为 kBreakpoint

  1. 当 value = prev_value 时,认为 value 不是更新(更大)的数字。
  2. 当 value != prev_value 时,有如下两种情况:
    • 当 value > prev_value 且 value - prev_value 等于 kBreakpoint,认为 value 是更新(更大)的数字。
    • 当 value 和 prev_value 之间的距离小于 kBreakpoint,认为 value 是更新(更大)的数字,距离用代码表示如下:
      distance(value, pre_value) =
      static_cast<U>(value - prev_value);

Unwrap 函数

该函数用于展开回绕的数字,得到更大类型的真正的数字,其核心逻辑通过调用 UnwrapWithoutUpdate 函数实现。

Unwrap 函数相较于 UnwrapWithoutUpdate 函数的唯一区别是:Unwrap 函数会更新 last_value_ 值,这个变量记录了上一次展开回绕后的数字的值。

在实际的流媒体场景中,包号或者时间戳所代表的的数字都是连续的,而且会发生回绕。如果有特殊的应用场景,需要得到回绕展开后的包号或者时间戳,则可以使用该函数。

template <typename U>
class Unwrapper {
public:
  int64_t Unwrap(U value);
  int64_t UnwrapWithoutUpdate(U value) const;
private:
  absl::optional<int64_t> last_value_;
};

下面讲一下该函数展开回绕数字的原理:

  • 计算当前数字与之前数字的差值 delta。

计算 valuelast_value_ 的差值 delta 以及比较二者的大小时,二者的类型需要保持一致。

即输入的数字 value 的类型为 U,那么同样要将 last_value_ 转换为 U 类型值,得到截断值 cropped_last

U cropped_last =
  static_cast<U>(*last_value_);
int64_t delta = value - cropped_last;
  • 调用 IsNewer 函数处理向前回绕与向后回绕,更新 delta 值
if (IsNewer(value, cropped_last)) {
  if (delta < 0)
    delta += kMaxPlusOne;
} elseif (delta > 0 &&
  (*last_value_ + delta - kMaxPlusOne) >= 0) {
    delta -= kMaxPlusOne;
}
  1. 如果 value 是更新的数字,且 delta < 0,那么需要处理向前回绕,delta 值加上 kMaxPlusOne。
  2. 否则,value 是旧的数字,如果此时 delta > 0,那么需要处理向后回绕,delta 值减去 kMaxPlusOne。

kMaxPlusOneU 类型能表示的最大值再加上 1。比如对于 uin16_t 类型,kMaxPlusOne = 65536。

  • 返回展开回绕后的数字
return *last_value_ + delta;

测试用例

下面以类型为 uint16_t 的 RTP 序列号作为数字样本进行测试。

测试 1

本测试使用 IsNewerSequenceNumber 函数判断当前包是否是最新的 RTP 包。

该测试覆盖了包号相等、包号无回绕、包号向前回绕、包号向后回绕、包号距离为临界值(32768)这五种场景,测试输出如下:
image.png

测试输出_1

其中,value-prev_value 代表包号之间的距离,kBreakpoint 为比较算法中包号距离的临界值。result = 1 表示包号为 value 的包是新的包,result = 0 表示包号为 value 的包是旧的包。

结合上文对于序列号比较算法以及向前回绕、向后回绕的特点的描述,这几组序列号的比较应该不是难事。

测试 2

本测试使用 Unwrapper 类展开回绕的序列号。该测试覆盖了包号向前回绕、包号向后回绕这两种场景,测试输出如下:
image.png

测试输出_2

在向前回绕的测试中,包号从 0 开始向前增长,直至为 131068。当包号从 65534 跨越 0 并增长到 32765 时,发生了向前回绕。此时 32765 是新的包,展开回绕后的包号是 32765 + 65536 = 98301。

在向后回绕的测试中,包号从 131068 开始向后回退,直至为 0。当包号从 32765 跨越 0 并回退到 65534 时,发生了向后回绕。此时 65534 不是新的包而是旧的包,展开回绕后,包号从 98301 减小到 65534。

总结

通过上面的介绍,我们知道了如何比较两个数字的大小,也知道了如何展开回绕的数字。

其实,无论是序列号 sequence number 还是时间戳 timestamp,它们都是数字。只要是数字,便都适用于上述比较算法和回绕展开算法。因此,时间戳的回绕处理与序列号的回绕处理原理一致,这里不再赘述。

最后,上文介绍的 RTP 包序列号的回绕处理函数,在 WebRTC 中有以下应用场景:

  1. 应用于 jitter buffer 模块的丢包处理。

保存上一次收到的最新的 RTP 包号,并确保当前 RTP 包是最新的包,而不是重传包或者乱序包。

  1. 应用于 send-side BWE 中接收端缓存 RTP 包的到达时间。

RTP 扩展头部携带的 transport-wide sequence number 的取值范围是 [1, 65535],接收端需要对 transport-wide sequence number 进行解回绕处理,得到 int64_t 类型的包号,与到达时间一并存储到 map 中。

至此,WebRTC 中与 RTP 序列号回绕处理相关的算法就介绍完了,感谢阅读。

参考资料

[1]Serial Number Arithmetic: https://tools.ietf.org/html/rfc1982

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