導讀：近日，艾媒咨詢發布了《2021年中國泛娛樂行業體驗共享專題報告》，首次提出「體驗共享」將成為泛娛樂行業日后發展的重要方向。針對該趨勢，網易云信推出「體驗共享」技術專題，從?QoS 策略、WE-CAN 全球智能路由網絡、視頻、音頻等維度解讀一起聽、一起看、一起唱、一起玩等場景背后的技術支持。本篇文章是該系列的第一篇。

文｜王任

網易云信資深音視頻引擎開發工程師

隨著移動網絡的普及和發展，視頻會議、互動直播等音視頻交互式應用迎來了爆發式的增長，為滿足人們對音視頻高品質、低延時、極致流暢體驗的要求，網絡 QoS（Quality of Service，服務質量）策略提供了對數據傳輸通道的基礎保障。

音視頻網絡傳輸常見的問題和挑戰有：擁塞、延時抖動、丟包等。當網絡出現擁塞，對擁塞的處理不當，會導致網絡延時不斷變大，嚴重時甚至會出現丟包，最終導致音視頻播放延時久、卡頓等。擁塞控制是網絡 QoS 非常重要的部分，本文主要介紹網易云信的擁塞控制技術和策略。

?什么是網絡擁塞和擁塞控制

網絡擁塞是指對網絡資源(包括鏈路帶寬、存儲空間和處理器能力等)的使用超過了固有的處理能力和容量，造成網絡傳輸性能下降的情況。擁塞控制的目的是通過控制發送端發送數據的速率，避免出現網絡擁塞，以及出現擁塞之后，進行擁塞消除，從而提升網絡吞吐量。

如果把網絡中傳輸的數據比喻為道路交通中的車輛，網絡擁塞就如同交通擁塞，擁塞控制策略就像是交通秩序管理和疏通措施。

網絡擁塞產生的原因與網絡分類

在 WIFI 網絡中，信號強度和傳輸能力隨著傳輸距離的增加而下降，物理遮擋、信號干擾、接入設備眾多等原因都會導致鏈路的可用傳輸帶寬受到限制。

移動通信網絡中，同樣也會受到移動網絡信號強度以及基站接入容量的限制。

有線網絡中，如果分配的是共享帶寬，而不是獨享帶寬，上網高峰期間同樣也有可能存在帶寬的限制。

無論是哪種物理類型的網絡，根據擁塞后不同的表現現象，可把網絡大致分為兩類，淺緩沖區（shallow buffers）網絡：幾乎沒有網絡節點 buffers，擁塞后直接表現為丟包，丟包前延時不增加或增加不明顯；深緩沖區（depth buffers）網絡：有較大的網絡節點 buffers，擁塞后最先表現為延時增加，只有當網絡節點 buffers 消耗殆盡時，才會產生丟包。

擁塞控制策略介紹

擁塞控制策略，主要包括實時帶寬估計算法、碼率分配策略以及平滑發送。

?融合的帶寬估計算法?

采用融合算法，分別使用基于延時變化（delay-based）的算法和基于丟包（loss-based）的算法，對網絡擁塞狀態、丟包趨勢進行檢測，并結合 ACK 碼率，計算得到帶寬估計值。

算法流程如下：

• 發送端平滑發送數據，接收端周期性反饋收包情況，包括每個包是否到達，以及具體的到達時間。

• 發送端在接收到反饋信息后，把包到達時間以及包大小輸入，計算給定時間窗內（通常是數百 ms）接收方接收碼率的樣本值，并通過貝葉斯估計算法（使用當前估計值和新的樣本碼率計算得到新的估計值。與當前估計值相差甚遠的樣本，被賦予較小的權重，因為它們被認為更有可能是與擁塞無關的延遲峰值造成的）計算接收方的接收碼率（以下稱為 ACK 碼率），網絡出現擁塞時，把ACK碼率作為估計帶寬值的參考值。

• delay-based 算法進行帶寬估計時，首先把發送數據包進行分組（burst group）處理，并計算得到相鄰包組的傳輸延時變化值，然后把它作為輸入，通過趨勢線性（trendline）算法，對網絡負載情況進行估計。一共有三種網絡狀態：擁塞（overuse）、正常（normal）、低負載（underuse）。

• loss-based 算法根據反饋信息，計算得到樣本丟包率，然后把它和發送碼率一起輸入，通過濾波算法對丟包率趨勢做出判定，有三種趨勢狀態：LossIncr、LossHold、LossDecr。

• 首先根據網絡負載狀態、丟包趨勢狀態以及 ACK 碼率，進行碼率計算（Rate Control），有三種狀態：RC Decr、RC Hold、RC Incr，得到 RC 估計值。再結合當前丟包率和丟包趨勢狀態，計算得到最終的帶寬估計值（Bandwidth Estimate）。

丟包率小于設定的閾值（低），取 θ*RC 估計值為最終估計值（θ 取值大于1.0，根據 RTT 動態調整，RTT 越大，越接近1.0）；丟包率大于設定的閾值（高）且處于 LossIncr 狀態持續超過閾值，取 ACK 碼率為最終估計值；其他情況，取 RC 估計值為最終估計值。

對于深緩沖區網絡，當網絡出現擁塞時，傳輸延時呈現逐漸增加的趨勢，所以 delay-based 算法能夠及時檢測網絡處于擁塞狀態，從而可以準確計算得到帶寬估計值，并進行擁塞控制。

而對于淺緩沖區網絡，當網絡出現擁塞時，延時沒有增加或增加不明顯，delay-based 算法無法或無法及時檢測到網絡處于擁塞狀態。此時，需結合丟包率和丟包趨勢進行估計。

網絡帶寬變化時，根據實時帶寬估計值動態調整編碼碼率，如下：

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?碼率分配?

通常，我們把帶寬估計值的上限設置為視頻的最大推薦碼率（由視頻質量控制 VQC 模塊，根據采集分辨率和幀率等計算得到）。當網絡沒有丟包時，帶寬估計的所有碼率，全部分配用于編碼；當網絡存在丟包時，采用前向糾錯（FEC）+丟包重傳（NACK）的策略，進行丟包恢復。因此，帶寬碼率分配時，需保證帶寬估計值等于 FEC 碼率+重傳碼率+編碼碼率三者之和，才不會導致網絡擁塞。可見，丟包情況下，FEC 和重傳碼率會擠占編碼碼率，視頻質量會有一定程度上的下降。

動態碼率上限策略

根據過去一段時間統計的發送總碼率與編碼碼率的比值，得到當前的帶外系數樣本值，經濾波平滑處理（取觀察窗口內的均值）后，得到最終的帶外系數，用它乘以編碼最大推薦碼率，作為新的帶寬估計上限。上限值的更新采取快升慢降的策略。

通過動態上限機制，即通過計算帶外系數，把帶寬估計值的上限進行提升，在可用帶寬足夠的情況下，使 FEC 和重傳碼率占用帶外碼率，提升編碼碼率。

70%丟包+2Mbps帶限VS 70%丟包不限帶寬，視頻清晰度提升效果明顯：

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70 loss+2m

VS

70 loss

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?平滑發送?

平滑發送（Paced Send）通過令牌桶限速機制來實現對發送速度的控制。所有待發送的 RTP 數據包（包括編碼、FEC、重傳包），都先放入優先級隊列中進行管理，定時器根據帶寬估計值和 Pacer 系數定期更新預算。當預算不為零時，直接發送隊列中的數據并消耗預算，預算消耗完，暫停發送數據。

由 Pacer 系數控制平滑力度，若 Pacer 系數等于1.0，則表示嚴格按照帶寬估計值發送數據，此時對網絡的突發沖擊最小，有利于提升帶寬利用率和穩定性，但可能會引入一定的幀發送延時（Pacer 延時）。

在音視頻應用中，由于以下原因，往發送隊列中添加數據的速率存在波動:

• 周期性的 I 幀、場景變化等導致編碼器輸出的幀大小、幀碼率不均勻;

• 應對突發丟包而增加的 FEC 、重傳碼率。

一方面要通過平滑減少碼率波動峰值對網絡造成的擁塞，避免引入大的擁塞延時導致卡頓；另一方面要減少較大幀的幀發送耗時，兩者不可兼得。因此平滑系數的設置顯得尤其重要，這實際上是 Pacer 延時、擁塞延時、帶寬利用率、卡頓率等 QoE 評價指標之間的平衡。

動態 pacer 系數策略

設計原則：在帶寬受限時，把平滑系數盡量設置小一些，并根據排隊延時動態增減；在帶寬不受限時，把平滑系數設置大一些，結合當前帶寬估計值和過去一段時間內的網絡擁塞狀態（觀察窗口期），判定帶寬是否受限。

結語

本文主要介紹了云信網絡 QoS 中的擁塞控制策略，包括帶寬估計算法、碼率分配以及平滑發送策略。擁塞控制應用到具體的音視頻業務中，實際是各種 QoE （Quality of Experience，體驗質量）指標之間的平衡。算法的改進通常不是一蹴而就的，需要通過實驗室弱網模擬結合線上灰度觀察關鍵指標來驗證，采用數據驅動的方式，幫助打磨出最合適的擁塞控制策略和參數，在保障端到端低播放延遲、低卡頓率的同時，擁有高帶寬利用率，為打造極致流暢的高品質音視頻體驗保駕護航。

?作者介紹?

王任，網易云信資深音視頻引擎開發工程師，主要負責網絡引擎的QoS算法開發，在流媒體傳輸協議、弱網對抗、擁塞控制算法設計方面有豐富的經驗。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的极致流畅体验的密码：网易云信 QoS 策略介绍 | 体验共享技术专题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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