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分析RTP码流卡顿问题的工具

2018-07-11
coderhuo

在基于RTP的实时码流传输过程中,经常会遇到音视频卡顿、花屏的现象。对于这类问题,如何定位?
下面这个工具可以帮助分析类似问题:

https://github.com/sigusr1/rtp_parse_from_pcap

一、实现思路

从传输的角度看,造成卡顿、花屏的常见原因如下:

  1. 接收端收到的帧不完整(可能是发送方发的就不完整,也可能是传输过程中丢失)
  2. 帧和帧之间的传输间隔太久,超过了接收端的缓存时间

     注:当然也有其他原因导致的,比如码流兼容性问题,或者编码端/解码端处理流程有问题(我们曾经遇到过解码端处理SEI不当导致的花屏问题),不过这些原因导致的问题一般都是必现的,问题会贯穿在整个视频播放过程中。而传输过程导致的问题,则有很大的随机性。
    

定位这类问题,最快捷的方式是通过wireshark或者tcpdump抓包,然后进行分析。这样可以看出到底是发送端的问题还是接收端的问题,缩小排查范围。 由于我实际工作中使用的都是rtp over rtsp(也就是TCP传输方式),下面的讨论仅针对rtp over rtsp进行,该工具也是针对这种场景开发的。

总体思路就是对抓包文件进行回放,回放过程中解析报文,分析RTP信息和帧间隔。 处理过程中需要考虑以下问题:

  1. TCP的乱序、重传如何处理?
  2. 抓包工具漏抓报文怎么办?(数据量较大时,很常见的一种现象)
  3. 预览过程中抓的包怎么处理?这种报文不仅没有rtsp交互,更没有TCP三次握手过程,也就是说如何跟踪这条会话。
  4. 必须保留每个报文的时间戳,这样才能分析传输过程中的耗时情况。

基于以上思路,可以用下面的数据处理流程来实现: 数据处理流程图

  1. libpcap可以对抓包文件进行回放,从抓包文件中逐条提取报文并保留报文的时间戳信息。问题4得以解决。
  2. libpcap的输出直接输入到libnids中,对TCP流进行分析处理,解决问题1、2、3。
  3. libnids的输出就是原始的TCP字节流了,我们可以直接对其进行RTP解析。

二、使用方法

  1. 进入rtp_parser/bin目录
  2. 执行./rtp_parser rtsp.pcap 其中rtsp.pcap为抓包文件名。
  3. 命令执行完毕,即可在当前目录生成形如src[192.168.43.252[554]]–dst[192.168.43.1[39535]].txt的解析文件。 该文件是以src[源IP[源端口]]--dst[目的IP[目的端口]].txt的形式命名的。 如果抓包文件中包含多条流,每条流都会生成一个独立的解析文件。
  4. 文件内容如下所示: 其中 Frm_Interval代表相邻帧的时间间隔,取值为:
    本帧帧尾时间 减去 上一帧帧尾时间
    下图最后一行的Frm_Interval计算过程为:1514774319.466358s - 1514774318.891198s = 575160us

    示例文件

  5. rtp_parser/bin目录下的analyse.py脚本可以对解析出来的txt文件进行分析

    a. 它会以图表的形式展示传输过程中的抖动情况。
    b. 如果帧间隔过大(超过100ms),命令行会有相应提示
    c. 如果RTP序号不连续,命令行也会有相应提示

    执行 pyhton analyse.py src[192.168.43.252[554]]--dst[192.168.43.1[39535]].txt可得到下图所示分析结果。图中横坐标代表帧,纵坐标代表帧间隔,单位是us。如下图所示,有一个帧间隔达到了500多ms,肯定会导致卡顿现象。
    解析结果

    同时命令行会有如下输出,提示帧间隔过大。最后一行对应的就是图中的波峰:

    警告

    从上面的txt解析文件中可以看出,问题应该出在RTP序号18492 ~ 18500之间。
    分析抓包文件,可以看到RTP序号18492和18493之间有个500多ms的间隔(18492和18491在同一个TCP报文中,wireshark并未显示出18492),而这期间接收端的窗口都是OK的,也就是说发送端导致了这个间隔。排查发送端代码,果然有个分支会sleep 500ms,某些情况会走到该分支。

    抓包截图

三、编译方法

该工具依赖开源库libpcap(本工程中的源码版本为1.8.1,未做任何修改)和libnids(本工程中的源码基于1.24做了相关修改)。 正常情况下,如无特殊需要,不需执行第1步和第2步。

  1. 进入目录libpcap, 编译生成静态库libpcap.a,拷到rtp_parser/lib目录:

    a. 执行./configure, 如果依赖库不存在,请根据提示下载安装对应的依赖组件
    b. 执行make,生成libpcap.a
    c. 将libpcap.a拷到rtp_parser/lib目录。

  2. 进入文件夹libnids,编译libnids,该库经过相应的修改,可通过git日志查看相关修改内容:

    a. 执行下面命令生成makefile:
    ./configure --with-libpcap=../libpcap --enable-tcpreasm --disable-libglib --disable-libnet

     其中--enable-tcpreasm选项是允许跟踪不完整的tcp连接,使能了这个选项,即使抓包文件中没有tcp连接的三次握手过程,也跟踪这条tcp数据流。  
    

    b. 执行make,生成libnids.a.
    c. 将libnids.a拷到rtp_parser/lib目录。

  3. 进入文件夹rtp_parser,编译可执行文件rtp_parser:

    a. 执行make即可在bin目录下生成可执行文件rtp_parser。
    b. 在bin目录下执行./rtp_parser rtsp.pcap(rtsp.pcap为抓包文件)即可生成解析文件

目前rtp_parser的实现比较简单,可根据需要自行修改,然后执行上面第3步的编译即可。

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