公网传输技术之SRT协议解析（下）
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了公网传输技术之SRT协议解析（下）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
作者：张博力
编辑：Alex
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摘 要： 本文从SRT协议的工作流程谈起，着重介绍和解析了SRT协议的数据包结构，并举例说明如何利用Wireshark抓包软件进行链路故障分析，从而解决实际工作中的问题。
引 言
SRT（Secure Reliable Transport）协议即安全可靠传输协议，是一种新兴的视音频传输协议，能够在公共互联网环境下实现高质量低延时的实时视音频传输。
公网传输技术之SRT协议解析（上）着重讨论了如何衡量SRT协议的可靠程度，以及如何在不同应用场景下配置SRT链路的参数。本文作为下篇，将从SRT协议的工作流程入手，对SRT协议的数据包结构进行解析，之后举例介绍如何利用Wireshark软件进行抓包分析，从而排除链路故障或者获取链路信息。
1、SRT协议工作流程
SRT协议中最常用的工作模式为**“呼叫-监听”（Caller-Listener）**模式，监听方（Listener）会持续监听本方的固定UDP端口，呼叫方（Caller）通过访问监听方的公网IP地址和该固定端口来建立SRT连接。呼叫和监听的角色主要在SRT协议握手阶段起作用，无论是编码端还是解码端都可以担任呼叫者或监听者的角色。
图1表示了SRT协议的工作流程，整个流程包括握手、参数交换、数据传输、连接关闭等步骤。另外在传输有效数据时，双方会发送控制数据来完成丢包恢复、连接保持等功能。
图1 SRT协议工作流程
2、SRT数据包结构
SRT协议根据 UDT协议（UDP-based Data Transfer Protocol） 改进而来，已经在2020年3月10日向IETF提交了RFC草案，这也表示SRT协议进入了比较稳定的发展轨道。
众所周知，SRT的传统优势领域是点对点的实时音视频传输，而近两年，SRT协议在上行推流方面有了迅速的发展，很多主流平台和公司都支持使用SRT协议来代替RTMP协议进行上行推流，其中的关键点就是SRT的StreamID功能，而StreamID功能就包含在SRT握手数据包的配置扩展模块中。
总的来说，SRT协议中包含两类数据包：信息数据包（Data Packet）和控制数据包（Control Packet），他们通过SRT首部的最高位（标志位）来区分，0代表信息数据包，1代表控制数据包。控制数据包又包含了 握手（Handshake）、肯定应答（ACK）、否定应答（NAK）、对肯定应答的应答（ACKACK），保持连接（Keepalive）、关闭连接（Shutdown） 等多种类型。
2.1 信息数据包结构
图2展示了SRT信息数据包的结构，其承载了需要传输的有效数据。SRT首部长度为16字节，最高位为标志位，SRT信息数据包首部包含四个区域：数据包序列号、报文序号、时间戳、目的地端套接字ID。
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数据包序列号：SRT使用基于序列号的数据包发送机制，发送端每发送一个数据包，数据包序列号加1。
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报文序号：报文序号独立计数，在它之前设置了四个标志位（见图2）。
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时间戳：以连接建立时间点（StartTime）为基准的相对时间戳，单位为微秒。
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目的地端套接字ID：在多路复用时用来区分不同的SRT流。
图2 SRT信息数据包
2.2 握手数据包结构
握手数据包分为HSv4版本（SRT版本<1.3）和HSv5版本（SRT版本>=1.3），图3为HSv5版本握手数据包的结构，HSv5握手数据包主要包含五个区域：SRT首部、握手控制信息（cif.hsv5）、握手请求/响应扩展模块（hsreg/hsrsp）、加密扩展模块（kmreg/kmrsp）、配置扩展模块（config）。这里重点介绍前三个区域，握手数据包的结构参见图3:
图3 HSv5握手数据包
1. 所有SRT控制数据包的首部是基本相同的，均包含四个区域：控制类型和保留区域、附加信息、时间戳、目的地端套接字，其中控制类型字段为0代表握手数据包。
2. 握手控制信息区域（cif.hsv5）中比较重要的字段如下：
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ISN：随机生成的数据包初始序列号，之后所有的信息数据包以此为基准计数。
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握手类型：该字段第一个作用是表示该握手数据包所处的握手阶段（以“呼叫-监听”模式为例，其握手分为诱导阶段Induction和结尾阶段Conclusion），第二个作用对于用户来说更为重要，在握手失败后“握手类型”字段会显示相应的错误码，错误码所对应的错误类型见表1。
错误码 | 错误类型 | 错误码 | 错误类型 |
1000 | 未知原因 | 1008 | 对端版本过旧 |
1001 | 系统功能错误 | 1009 | 集合模式套接字冲突 |
1002 | 对端拒绝 | 1010 | 密码错误 |
1003 | 资源分配问题 | 1011 | 需要密码 |
1004 | 握手中的错误数据 | 1012 | Stream标志位冲突 |
1005 | 监听方Backlog溢出 | 1013 | 拥塞控制类型冲突 |
1006 | 内部程序错误 | 1014 | 包过滤器冲突 |
1007 | 该套接字已关闭 | 1015 | 组冲突 |
表1 错误码和错误类型对应表1
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SRT套接字ID：该字段需要和SRT首部中的目的地端套接字ID加以区分，该字段只作用于握手阶段，而目的地端套接字ID作用于数据传输全过程。
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同步cookie：在“呼叫-监听”模式下，出于防止DoS攻击的目的，只由监听方生成同步cookie，该cookie由监听方的主机、端口和当前时间生成，精确度为1分钟。
3. 握手请求扩展模块（HSREG）中比较重要的字段如下：
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SRT版本：只要有任何一方的SRT版本低于1.3，双方就会以HSv4版本握手方式来建立连接，HSv4方式握手会有三次或四次往返，而最新的HSv5握手只需要两次往返。出于兼容性的考虑，即使双方的SRT版本都高于1.3，第一个握手请求信息也是HSv4格式。
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SRT标志位：共有8位标志位，来实现SRT的不同模式和功能。
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发送方向延时和接收方向延时：SRT协议1.3版本实现了双向传输功能，双向传输可以分别设定不同方向的固定延时。对于常规的单向传输，假设A向B发送数据，该方向的延时量Latency应该是A的发送方向延时（PeerLatency）和B的接收方向延时（RecLatency）的最大值，该延时量在握手阶段就已由双方协商确定。在单向传输时，有一些编解码器将它的PeerLatency和RecLatency设置成统一的值，这种简易设置方法并不会影响单向传输的工作。
4. 加密扩展模块KMREQ和配置扩展模块CONFIG
- 由于篇幅的原因，最后两个非必需的扩展模块不再详细讨论。其中加密扩展模块（KMREQ）主要负责SRT的AES128/AES192/AES256加密功能的实现。而配置扩展模块（CONFIG）包含了四种：SRT_CMD_SID、SRT_CMD_CONGESTION、SRT_CMD_FILTER、SRT_CMD_GROUP，其中SRT_CMD_SID扩展模块就是负责SRT上行推流中不可或缺的StreamID功能，有兴趣的朋友可以自行抓包查看。
2.3 ACK数据包结构
ACK数据包是由SRT接收端反馈给发送端的肯定应答，发送端收到ACK后便会认为相应数据包已经成功送达。ACK数据包中还包含了接收端估算的链路数据，可以作为发送端拥塞控制的参考。ACK数据包结构见图4，其中几个比较重要的字段如下：
图4 ACK控制数据包
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控制类型：该字段等于2便表示ACK数据包。
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附加信息：其中包含了独立计数的ACK序列号，该序列号主要用于ACK包和ACKACK包的一一对应。
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最近一个已接收数据包的序列号+1：该字段的值等于最近一个已收到的信息数据包的序列号加1，例如ACK包中该字段为6，便表示前5个数据包均已收到，发送端可以将它们从缓冲区中踢出。需要注意本字段是和数据包序列号有关，与ACK序列号无关。
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往返时延RTT估值：通过ACK数据包和ACKACK数据包估算出的链路往返时延。
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往返时延RTT估值的变化量：该变化量能够衡量RTT的波动程度，数值越大表示链路RTT越不稳定。
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接收端可用缓冲数据：表示目前接收端缓冲区有多少缓冲数据可供解码，该数值越大越好，其最大值由延时量参数（Latency）决定。
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链路带宽估值：对本次链路带宽的估算值。
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接收速率估值：接收端下行网络带宽的估算值。
2.4 NAK数据包结构
当SRT接收端发现收到的数据包序列号不连续时，便会判断有数据包丢失，并立刻向发送方回复否定应答（NAK）数据包。此外SRT接收端还会以一定间隔发送周期NAK报告，其中包括了间隔期的所有丢失包序列号，这种重复发送NAK的机制主要为了防止NAK数据包在反向传输中丢失。NAK数据包结构见图5，其控制类型字段等于3，包内含有丢失数据包的序列号列表。
图5 NAK控制数据包
2.5 ACKACK数据包结构
ACKACK的主要作用是用来计算链路的往返时延（RTT），而RTT作为重要的链路信息会包含在ACK数据包中，ACKACK数据包结构参见图6。首先ACK数据包和ACKACK数据包都包含有精准的时间戳和ACK序列号，当发送端传输给接收端ACK数据包时，接受端会立刻返回一个ACKACK数据包，之后发送端会根据“ACK序列号”将ACK包和ACKACK包一一对应起来，并通过将他们的时间戳相减从而得到链路的往返时延（RTT）。
图6 ACKACK数据包结构
2.6 连接保持和连接关闭数据包结构
SRT中最后两个数据包类型是连接保持（Keepalive）数据包和连接关闭（Shutdown）数据包，它们的数据包结构参见图7和图8。
图7 连接保持数据包结构
图8 连接关闭数据包结构
3、Wireshark抓包分析
Wireshark是被业界广泛使用的开源数据包分析软件，它可以截取各类网络数据包，并显示数据包的详细信息。随着广电行业IP化的不断推进，Wireshark的使用也越来越频繁，其重要性可类比于波形监视器对于SDI信号的作用，以及码流分析仪对于TS流信号的作用。
下面列举了两个利用Wireshark软件进行链路分析的例子：
3.1 场景一 连接失败
在SRT链路的搭建过程中，难免会遇到连接失败的情况，其原因是多种多样的，这时我们便可以利用Wireshark的抓包分析功能来判断错误的类型。
图9是连接失败后的抓包数据，抓包视频可参见下方视频。首先可以观察到双方在不停的交换握手数据包，说明握手没有成功，但另一方面也说明IP地址和端口号是设置正确的，双方能够正常通信。
在双方SRT版本都高于1.3的情况下，SRT握手过程需要两次往返，既有四个握手数据包，并且第一个握手数据包一定是HSv4版本握手数据包，由此我们可以定位出第一个握手数据包。接着观察到第四个握手数据包的“Handshake Type”字段是1002-Reject，含义是“对端拒绝”，这表示双方可能在某个参数上不匹配而导致了握手失败。
我们接着查看第二个握手包，这是监听方发给呼叫方的响应，其中“Encryption Field”区域为AES-128，即要求对方以AES-128的方式响应加密。再查看第三个握手包，这是呼叫方发给监听方的，其中“Extended Field”区域的KMREQ模块为NOT，表示该握手包没有加密扩展模块，即没有响应对方的加密要求。
经过以上的分析，我们可以得知这次连接失败是因为Listener方要求对端以AES-128的方式响应加密要求，而Caller方并没有做出加密的响应。如果要成功连接，我们就需要获知Listener方的加密密码，并在Caller方选择AES-128的加密方式。
图9 场景一：通过抓包分析找出故障原因
3.2 场景二 获取链路信息
互联网链路中单次往返时延（RTT-Round Trip Time） 表示了数据在发送端和接收端之间往返一次花费的时间。链路的RTT值以及RTT的波动程度决定了SRT链路延时量参数的设置，但实际工作中由于防火墙等原因往往难以直接获得RTT值，这时我们可以通过Wireshark软件对ACK数据包进行分析来获得相应信息。
通过图10可以看到，链路的RTT是20.61毫秒，而RTT的变化量是9.786毫秒，这也说明了该条链路的RTT并不稳定，而RTT波动意味着丢包重传需要的时间也会随之波动，从而带来整条SRT链路差错控制能力的波动，这也意味着我们必须依照该条链路的特性进行参数调整。
图10 场景二：RTT估值和RTT估值的变化量
总 结
SRT协议由于其优异的性能、较低的软硬件要求、开源免费的特性，在各个领域的应用越来越广泛，最近两年在上行推流方面也有了长足的发展。掌握好SRT协议的数据包结构能够帮助我们使用抓包软件进行故障分析和判断，从而快速准确地解决实际工作中出现的问题，希望本文能够给大家带来一些帮助，也欢迎大家讨论和交流。
参考文献:
［1］https://datatracker.ietf.org/doc/html/draft-sharabayko-mops-srt/
［2］SRT Protocol Technical Overview［M/OL］.(2018-10) [2020-07]. https://www3.haivision.com/e/38322/srt-tech/8mwjcv/1293755769?h=XZ8B52VndjJ2-4BgYxY0yd2XSxpPXDU78YojBOTOmMs
［3］https://github.com/Haivision/srt/blob/master/docs/API.md
［4］SRT Deployment Guide,v1.1,Issue 01［M/OL］.(2018-10) [2020-07].www3.haivision.com/srt-alliance-guide.
延伸阅读：
作者简介：
张博力，安徽广播电视台工程师。
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