流媒体传输协议浅析（三）可靠UDP传输方案

一、引言

从流媒体的业务特征和TCP，UDP各种特点，UDP在媒体传输方面具有很大优越性，但UDP可靠性需要业务开发这投入大量的人力；相反 tcp 技术成熟，可以复用已稳定的http 服务器技术，不需要投入人力和技术解决可靠性问题，成熟，开发简单，拿来即用。故TCP在传统的流媒体协议还是广泛存在。但实际的网络拥塞，带宽不足，信号衰减会造成tcp 传输的音视频体验很糟糕。对稳定性，实时性，抗弱网抖动性的要求高的场景，UDP媒体传输技术正在崛起。

二、UDP传输常见使用场景：

1）视频监控

在视频监控场景，无论是RTSP，还是gb28181，媒体都是UDP承载（也存在通过TCP承载RTSP封装RTP媒体流，但这种用法不多，不符合国标用法和通用做法）

2）IPTV电视

在IPTV中，无法是点播还是直播，都是UDP承载电视节目码流。

3）会议电视

在传统的会议电视，信令协议从h323过度到主流的sip,但媒体承载还是UDP封装的RTP流

4）音视频通话

无论是传统的VoIP还是目前互联网上流行的webrtc，也都是UDP承载的RTP码流

三、可靠性的UDP传输方案

既然udp是音视频传输的理想方案，但udp可靠性工作需要投入大量工作，技术门槛高，小团队几乎望而却步。那有没有一种可用的开源技术即具备tcp的可靠性，又具备udp的低延迟性？答案是肯定的。类似的sctp,quic,kcp的可靠UDP传输方法某些大厂开始引入媒体传输中，下面介绍几种目前比较流行的可靠UDP技术。

１）UDT(UDP-based Data Transfer Protocol)

　UDT的主要目的是支持高速广域网上的海量数据传输，所以除了在UDP之上实现类似TCP的协议和算法之外，UDT还对TCP的拥塞算法做了一些细节上的调整，包括Negative-ACK(NAK)、ACK to ACK(ACK2)、基于对数的动态AIMD等。不过UDT的重传效率较低，无效报文，实际效果并不理想。

参考实现：https://git.dorkbox.com/dorkbox/UDT/src/branch/master/src

２）KCP

KCP是一个很简单的ARQ的实现，包括选择重传和快重传等机制，对上层提供一个可靠的字节流。应用层可以使用多流复用的框架来实现对多个流的支持。另外，KCP增加了可配置启用的加密和FEC选项，FEC用的是Reed-Solomon纠删码，例如可以配置发送10%的冗余数据，来减少丢包时需要的重传，从而降低数据传输的延时。

参考实现：https://github.com/skywind3000/kcp

３）QUIC

QUIC是Google实现的一种可靠UDP传输协议，并且已经被选择作为HTTP/3的基础。它的特点有：

ａ）内建安全性，集成TLS

ｂ）连接建立过程和TLS协商过程合并，减少往返请求次数，提高连接速度

ｃ）集成多种拥塞算法，包括最新的BBR

ｄ）多流支持，每个流有独立的拥塞控制，避免单个流中的丢包阻塞其它所有流（Head-of-line Blocking问题），更好的支持类似HTTP/2中的乱序请求

ｅ）连接迁移：QUIC可以通过连接ID来唯一标识一个连接，当用户在有线、无线、移动网络之间切换时，可以保持上层连接的有效性，不需要再进行重连。

另外，早期的QUIC还使用了一种基于异或的FEC算法，不过在新版本中已经去掉。该协议已经在chromium中实现，参考获取方法：https://www.chromium.org/quic/playing-with-quic

４）uTP

uTP是BitTorrent中新增加的一种UDP传输协议，主要特点是使用了LEDBAT（Low Extra Delay Background Transport）拥塞算法。这种算法基于延时来检测网络拥塞，可以更早的探测到拥塞和更早的以及更大幅度的进行避让，从而避免影响用户上网操作的进行，保持后台下载跟前台操作的和平共处。

参考实现：https://github.com/bittorrent/libutp

５）SCTP（Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议）

准确的说，SCTP不是一种可靠UDP协议，而是一种跟TCP/UDP平级的传输层协议，是IETF在2000年指定的标准协议。目前Linux和部分UNIX已经集成，Windows和Mac需要使用第三方包来实现。SCTP最初主要用于电信系统，它的特点有：

ａ）跟TCP一样面向连接，提供可靠传输

ｂ）跟UDP一样面向消息

ｃ）多流支持

ｄ）每个流可以配置成接受有序或无序的消息

ｅ）Multi-Homing：可以配置多个地址，利用多条网络传输通道

ｆ）更好的安全性：要求四次握手，避免TCP的SYN Flooding攻击

注意webrtc的sctp不是跟tcp和UDP平级的传输层协议，它是基于UDP的开发实现，详见webrtc代码或https://github.com/sctplab/usrsctp

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/68466363

四、总结

以上基于UDP的可靠性传输技术在某些领域已经有成功的应用案例。在音视频传输领域可以根据业务需求，移植过来替换已有协议底层的TCP或UDP接口，改善传输性能。