WebRTC基于TransportCC和Trendline Filter的发送端码率估计(Sendside-BWE)
1引言
众所周知，WebRTC的拥塞控制和码率估计算法采用GCC算法[1]。该算法充分考虑了网络丢包和网络延迟对码率估计的不同影响，分别基于丢包率和网络延迟进行码率估计，最后综合这另种码率得出最优值。在算法实现上，基于丢包率的码率估计在发送端进行，基于网络延迟的码率估计在接收端进行。最后在发送端计算出最优值，作用于Codec和PacedSender模块。GCC算法能够较好地基于网络实时状况估计网络带宽，为网络实时通信应用打下坚实基础[2][3][4]。
然而，随着时间推移，在实际测试中发现GCC算法逐渐显出一些弊端，比如不能适应所有网络模型，应对网络峰值能力差，等等。为此，Google官方从M55版本引进最新的拥塞控制算法Sendside-BWE，把所有码率计算模块都移到发送端进行，并采用全新的Trendline滤波器取代之前的Kalman滤波器[5]。实测表明，新的算法实现能够更好更快地进行码率估计和网络过载恢复。
本文基于WebRTC的M66版本和相关RFC，深度分析学习最新Sendside-BWE算法的实现。
2 GCC算法回顾
关于GCC算法已经有很多分析和论述[6][7]，本文只回顾其算法框架，并分析其在实际应用中存在的问题。
图1 GCC算法整体结构
GCC算法分两部分：发送端基于丢包率的码率控制和接收端基于延迟的码率控制。基于丢包率的码率控制运行在发送端，依靠RTCP RR报文进行工作。WebRTC在发送端收到来自接收端的RTCP RR报文，根据其Report Block中携带的丢包率信息，动态调整发送端码率As。基于延迟的码率控制运行在接收端，WebRTC根据数据包到达的时间延迟，通过到达时间滤波器，估算出网络延迟m(t)，然后经过过载检测器判断当前网络的拥塞状况，最后在码率控制器根据规则计算出远端估计最大码率Ar。得到Ar之后，通过RTCP REMB报文返回发送端。发送端综合As、Ar和预配置的上下限，计算出最终的目标码率A，该码率会作用到Encoder、RTP和PacedSender等模块，控制发送端的码率。
发送端基于丢包率的码率估计计算公式：
图2 GCC发送端基于丢包率的码率估计
接收端基于延迟的码率估计计算公式：
图3 GCC接收端基于延迟的码率估计
GCC算法充分考虑丢包率和延迟对码率的影响，在实时通讯应用(如视频会议)中能够发挥良好效果。然而，在某些特定应用场景下(比如实时在线编辑)，GCC算法的表现不太让人满意，主要体现在它应对峰值流量的能力上，具体表现在：1）算法一开始基于Increase状态增加码率，当检测到Decrease状态时调用Ar[t(i)] = Alpha * Rr[t(i)]，这个时候实时码率Rr(ti)可能远小于Ar[t(i-1)]，这样在后续过程中Ar处于较低水平；此时若有视频关键帧冲击，则数据包大量在PacedSender的队列中排队，造成较大排队延迟。2）基于1）中论述的情况，码率估计模块反馈给Codec的编码码率很低，但编码器需要编码关键帧时，内部的码率控制模块控制出的最小码率仍然大于反馈码率。这两种情况都会造成较大的发送端排队延迟，进而在接收端造成较大的JitterBuffer延迟，最终导致端到端延迟到达500ms的水平，这在实时在线编辑应用中是无法容忍的。
基于此，Google官方从WebRTC M55开始引入新的码率估计算法，把所有码率计算模块都移动到发送端，并采用全新的Trendline滤波器，基于码率探测机制快速准确地估计出实时码率。
3 Sendside-BWE算法框架
从本节开始系统分析Sendside-BWE算法的框架和实现，图4显示该算法的基本实现框架，以及和GCC算法的对比。
图4 Sendside-BWE算法和GCC算法的实现和对比[8]
图4中棕色线是Sendside-BWE算法的数据控制流回路：发送端在发送RTP数据包时，在RTP头部扩展中设置传输层序列号TransportSequenceNumber；数据包到达接收端后记录该序列号和包到达时间，然后接收端基于此构造TransportCC报文返回到发送端；发送端解析该报文，并执行Sendside-BWE算法，计算得到基于延迟的码率Ar；最终Ar和基于丢包率的码率As进行比较得到最终目标码率，作用到PacedSender和Codec模块，形成一个完整的反馈回路。图4中红色线是GCC算法的数据控制流回路：发送端在发送RTP数据包时，在RTP头部扩展中设置绝对发送时间AbsSendTime；数据包到达接收端后记录该绝对到达时间，然后基于此执行GCC算法得到Ar，最后构造REMB报文把Ar发送回发送端；发送端基于Ar和As得到最终目标码率，作用到PacedSender和Codec模块，形成一个完整的反馈回路。
从中可以看出，Sendside-BWE算法充分复用GCC算法的框架和实现，整个反馈回路基本类似：发送端在RTP头部扩展中记录码率估计元数据，码率估计模块基于此元数据估计出码率As，在发送端基于丢包率计算Ar，发送端综合As和Ar得到最终目标码率，并作用于Codec和PacedSender模块。所不同的是：对于GCC算法，RTP报文头部添加AbsSendTime扩展，在接收端执行基于延迟的码率估计，网络延迟滤波器采用Kalman Filter，返回给发送端的是REMB报文；对于Sendside-BWE算法，RTP报文头部添加TransportSequenceNumber扩展，在发送端执行基于延迟的码率估计，网络延迟滤波器采用Trandline，返回给发送端的是TransportCC报文。表5总结出GCC算法和Sendside-BWE算法的异同。
表5 GCC和Sendside-BWE关键模块异同
需要注意的是，从WebRTC M55开始启用Sendside-BWE后，其GCC算法就只做前向兼容而没有进一步的功能开发、性能优化和bug修正。因此，GCC是过去，Sendside-BWE是未来。
4 Sendside-BWE算法实现
本节论述Sendside-BWE算法的实现细节，在论述上力求不过度注释代码，以免陷入细节无法自拔。本节按照如下顺序论述Sendside-BWE的实现细节：SDP协商，发送端发送RTP报文，接收端接受RTP报文及信息存储，接收端构造TransportCC报文，发送端解析TransportCC报文，发送端码率估计。
4.1 Sendside-BWE在SDP层协商
TransportCC和remb一样都是Codec的feedback params的一部分。为支持TransportCC，Codec在收集feedback params时需添加额外一条：
codec->AddFeedbackParam(FeedbackParam(kRtcpFbParamTransportCc, kParamValueEmpty));
其中，TransportCC在最终生成的SDP中体现为如下一条attribute：
a=extmap:5 http://www.ietf.org/id/draft-holmer-rmcat-transport-wide-cc-extensions-01
然后，SDP协商过程按照常规操作进行。
4.2 发送端发送RTP报文
发送端在发送RTP报文时，需要在RTP头部添加新的扩展TransportSequenceNumber，该扩展格式如图6所示。
图6 TransportSequenceNumber扩展格式
注意这里的传输层序列号，和RTP报文格式中的媒体层序列号不是同一个东西。传输层序列号关注数据的传输特性，主要作用是码率估计；媒体曾序列号关注数据的媒体特性，主要作用是组帧和抗丢包。它们的初始值不一样，赋值点也不一样，其中媒体层序列号在RTPSender::AssignSequenceNumber()处赋值，而传输层序列号在RTPSender::UpdateTransportSequenceNumber()处赋值。RTP报文在发送时构造该头部扩展的函数调用栈如下：
=> RTPSender::TimeToSendPacket();
=> RTPSender::PrepareAndSendPacket();
=> RTPSender::UpdateTransportSequenceNumber();
=> RTPSender::AddPacketToTransportFeedback();s
=> SendSideCongestionController::AddPacket();
然后RTP报文走正常的构造发送路径发送到网络。
4.3 接收端接收RTP并构造TransportCC报文
接收端worker线程在收到RTP报文后，解析并检查其头部扩展，根据其是否有TransportSN扩展，决定采用Sendside-BWE还是GCC，注意这两种拥塞控制器是互斥的。对于Sendside-BWE，接收端代理解析扩展拿到传输层序列号，并记录RTP报文的到达时间，构造(transport-sn，arrival_time_ms)键值对，存储在队列中。整个过程的函数调用栈如下：
=> Call::DeliverRtp();
=> NotifyBweOfReceivedPacket();
=> RtpPacketReceived::GetHeader();
=> ReceiveSideCongestionController::OnReceivedPacket();
=> RemoteEstimatorProxy::IncomingPacket();
=> OnPacketArrival(transport-sn, arrival_time_ms)：
Packet_arrival_times_[seq] = arrival_time;
RemoteEstimatorProxy作为Sendside-BWE在接收端的代理，其实现遵从WebRTC的模块机制，在Process线程以100ms为发送周期发送TransportCC报文[9]，发送周期会根据当前码率动态调整，其取值范围在[50ms, 250ms]之间，其本身可用的发送码率为当前可用码率的5%。TransportFeedback报文是一种RTP 传输层feedback报文(pt=205)，FMT为15。其格式如图7所示：
图7 TransportCC报文格式
TransportCC报文采用base + bitmap的思想，其各个字段的具体解释请参考文献[9]，一个TransportCC报文能最多携带16个RTP报文的有效信息，每个RTP报文信息包括其传输层序列号和包到达时间。TransportCC报文在发送端构造和发送的函数调用栈如下：
=> RemoteEstimatorProxy::Process();
=> RemoteEstimatorProxy::BuildFeedbackPacket();
=> TransportFeedback::AddReceivedPacket()
=> PacketRouter::SendTransportFeedback(fbpacket);
=> RTCPSender::SendFeedbackPacket(fbpacket);
然后按照常规RTCP报文流程发送到发送端。
4.4 发送端接收TransportCC报文并解析
接收端接收操作就是常规的RTCP接收、解析并回调的流程，在worker线程中：
=> WebRtcVideoChannel::OnRtcpReceived();
=> Call::DeliverRtcp();
=> RTCPReceiver::HandleTransportFeedback();
=> RTCPReceiver::TriggerCallbacksFromRtcpPacket();
=> TransportFeedbackObserver::OnTransportFeedback();
=> SendSideCongestionController::OnTransportFeedback();
然后就是Send-side BWE算法在发送端的核心实现。
4.5 SendSideCongestionController码率估计
SendSideCongestionController是Sendside-BWE算法在发送端的核心实现，关于其的分析全部是细节描述。本节限于篇幅，仅勾勒出其大致的函数调用栈和流程说明。
=> SendSideCongestionController::OnTransportFeedback();
=> AcknowledBitrateEstimator::IncomingPacketFeedbackVector();
=> DelayBasedBwe::IncomingPacketFeedbackVector();
=> BitrateControllerImpl::OnDelayBasedBweResult();
=> SendSideCongestionController::MaybeTriggerOnNetworkChanged();
=> ProbeController::RequestProbe();
在SendSideCongestionController的OnTransportFeedback()函数中，首先调用ALR码率估计器得到一个实时码率，然后以此为参数调用DelayBasedBwe计算得到最新的估计码率Ar，把Ar经过BitrateController对象和As综合，得到最新的目标码率。最后通过函数MaybeTriggerOnNetworkChanged()把最新目标码率作用到Codec和PacedSender模块。如果本次码率估计从网络过载中恢复，则调用ProbeController对象发起下一次码率探测。
DelayBasedBwe对象是真正实现码率估计的地方，其内部调用函数栈如下：
=> DelayBasedBwe::IncomingPacketFeedbackVector();
=> DelayBasedBwe::IncomingPacketFeedback();
=> InterArrival::ComputeDeltas();
=> TrendlineEstimator::Update();
=> DelayBasedBwe::MaybeUpdateEstimate();
=> ProbeBitrateEstimator::FetchAndResetLastEstimatedBitrateBps();
=> AimdRateControl::SetEstimator();
DelayBasedBwe首先调用IncomingPacketFeedback针对每个RTP报文信息进行码率估计，其内部逻辑和GCC算法的相关步骤一致，在此不再赘述。需要注意的是，其内部网络延迟滤波器采用TrendlineEstimator。然后DelayBasedBwe调用MaybeUpdateEstimate()根据本次判定的网络状态计算得到最终的Ar，如GCC算法一样。
Trendline滤波器的原理就是最小二乘法线性回归求得网络延迟波动的斜率，每个散列点表示为(arrival_time, smoothed_delay)，其中arrival_time为RTP包到达时间，smoothed_delay为平滑后的发送接收相对延迟。最后根据当前散列点集合，采用最小二乘法线性回归计算得到本次估计的网络延迟m(i)。其计算过程调用如下：
=> TrendlineEstimator::Update();
=> LinearFitSlope();
=> TrendlineEstimator::Detect();
=> TrendlineEstimator::UpdateThreshold();
至此，关于Sendside-BWE算法的实现初步分析完毕。
5 Sendside-BWE实测数据
实际测试表明，和GCC算法相比，Sendside-BWE算法在快速码率估计、码率估计准确性、抗网络抖动等方面都具有非常大改善。由于保密原因，此处不能发布内部测试数据，仅贴出一组公开渠道获得的快速码率估计比较图[10]。
图8 Sendside-BWE和GCC算法对比
该图表明，Sendside-BWE算法能够在第一次TransportCC报文返回时即估计出实时网络带宽，相比GCC算法更快速更准确。
6 总结
本文在总结对比GCC和Sendside-BWE算法基础上，深入学习Sendside-BWE算法的框架和实现细节，为进一步学习WebRTC拥塞控制算法和优化算法细节打下坚实基础。
参考文献
[1] A Google Congestion Control Algorithm for Real-Time Communication. draft-alvestrand-rmcat-congestion-03
[2] Understanding the Dynamic Behaviour of the Google Congestion Control for RTCWeb.
[3] Experimental Investigation of the Google Congestion Control for Real-Time Flows.
[4] Analysis and Design of the Google Congestion Control for Web Real-time Communication (WebRTC). MMSys’16, May 10-13, 2016, Klagenfurt, Austria
[5] WebRTC视频接收缓冲区基于KalmanFilter的延迟模型.http://www.jianshu.com/p/bb34995c549a
[6] WebRTC基于GCC的拥塞控制(上) - 算法分析 https://www.jianshu.com/p/0f7ee0e0b3be
[7] WebRTC基于GCC的拥塞控制(下) - 实现分析 https://www.jianshu.com/p/5259a8659112
[8] WebRTC的拥塞控制和带宽策略 https://mp.weixin.qq.com/s/Ej63-FTe5-2pkxyXoXBUTw
[9] RTP Extensions for Transport-wide Congestion Control
draft-holmer-rmcat-transport-wide-cc-extensions-01
[10] Bandwidth Estimation in WebRTC (and the new Sender Side BWE) http://www.rtcbits.com/2017/01/bandwidth-estimation-in-webrtc-and-new.html
作者：weizhenwei
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