• WebRTC源码分析 nack详解

    1、Nack过程

    1.1 nack是什么

    丢包重传(NACK)是抵抗网络错误的重要手段。NACK在接收端检测到数据丢包后，发送NACK报文到发送端；发送端根据NACK报文中的序列号，在发送缓冲区找到对应的数据包，重新发送到接收端。NACK需要发送端，发送缓冲区的支持。

    1.2 nack流程

    发送端发送rtp，到达接收端时，发现丢包，接收端发送nack请求，发送端会从历史队列中取出数据重发。

    2、Nack协议实现

    2.1 rfc协议

    在rfc4585协议中定义可重传未到达数据的类型有二种：

    1）RTPFB：rtp报文丢失重传（nack）。

    2）PSFB：指定净荷重传，指定净荷重传里面又分如下三种（关键帧请求）：

    1、PLI (Picture Loss Indication) 视频帧丢失重传。

    2、SLI (Slice Loss Indication) slice丢失重转。

    3、RPSI (Reference Picture Selection Indication)参考帧丢失重传。

    在创建视频连接的SDP协议里面，会协商以上述哪种类型进行NACK重转。以webrtc为例，会协商两种NACK，一个rtp报文丢包重传的nack（nack后面不带参数，默认RTPFB）、PLI 视频帧丢失重传的nack。

    rtcp包格式

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    nack rtcp报文格式如上图所示，pt=205。Packet identifier(PID) 为丢包起始参考值，Bitmap of Lost Packets(BLP)为16位的bitmap，对应为1的为表示丢包数据，具体如下抓包分析：

    Packet identifier(PID)为176。Bitmap of Lost Packets(BLP)：0x6ae1。解析的时候需要按照小模式解析，0x6ae1对应二进制：110101011100001倒过来看1000 0111 0101 0110。按照1bit是丢包，0bit是没有丢包解析，丢失报文序列号分别是：176 177 182 183 184 186 188 190 191与wireshark解析一致，当然pid和blp可以有多个。

    3、发送流程

    3.1 数据流

    以视频为例

    3.2 调用堆栈 

    1.  H264EncoderImpl::Encode
    2.  VideoStreamEncoder::OnEncodedImage
    3.  VideoSendStreamImpl::OnEncodedImage
    4.  RtpVideoSender::OnEncodedImage
    5.  RTPSenderVideo::SendEncodedImage
    6.  RTPSenderVideo::SendVideo
    7.  RTPSenderVideo::LogAndSendToNetwork
    8.  RTPSender::EnqueuePackets
    9.  pacer //
    10.  RtpSenderEgress::SendPacket
    11.  //放入队列
    12.  RtpPacketHistory::PutRtpPacket

    3.3 RtpPacketHistory

    RtpPacketHistory 负责缓存历史数据，有nack请求时，从此队列发送

    4、视频Nack过程

    4.1 rtp接收数据流程

     

    4.2 nack对报序号的管理

    接收到rtp数据包后，会调用nack模块对报序号进行记录，同时检测是否需要nack请求
    看代码

    1. int NackRequester::OnReceivedPacket(uint16_t seq_num,
    2.                                     bool is_keyframe,
    3.                                     bool is_recovered) {
    4.   RTC_DCHECK_RUN_ON(worker_thread_);
    5.   bool is_retransmitted = true;
    6.  
    7.   if (!initialized_) {
    8.     newest_seq_num_ = seq_num;
    9.     if (is_keyframe)
    10.       keyframe_list_.insert(seq_num);
    11.     initialized_ = true;
    12.     return 0;
    13.   }
    14.  
    15.   // Since the `newest_seq_num_` is a packet we have actually received we know
    16.   // that packet has never been Nacked.
    17.   if (seq_num == newest_seq_num_)
    18.     return 0;
    19.   //如果接收的报序号小于之前接收到的，可能是乱序的包，可能是重传包
    20.   //如果nack列表有，则清除
    21.   if (AheadOf(newest_seq_num_, seq_num)) {
    22.     // An out of order packet has been received.
    23.     auto nack_list_it = nack_list_.find(seq_num);
    24.     int nacks_sent_for_packet = 0;
    25.     if (nack_list_it != nack_list_.end()) {
    26.       nacks_sent_for_packet = nack_list_it->second.retries;
    27.       nack_list_.erase(nack_list_it);
    28.     }
    29.     if (!is_retransmitted)
    30.       UpdateReorderingStatistics(seq_num);
    31.     return nacks_sent_for_packet;
    32.   }
    33.  
    34.   // Keep track of new keyframes.
    35.   //保留最新的关键帧包
    36.   if (is_keyframe)
    37.     keyframe_list_.insert(seq_num);
    38.  
    39.   // And remove old ones so we don't accumulate keyframes.
    40.   auto it = keyframe_list_.lower_bound(seq_num - kMaxPacketAge);
    41.   if (it != keyframe_list_.begin())
    42.     keyframe_list_.erase(keyframe_list_.begin(), it);
    43.  
    44.   if (is_recovered) {
    45.     recovered_list_.insert(seq_num);
    46.  
    47.     // Remove old ones so we don't accumulate recovered packets.
    48.     auto it = recovered_list_.lower_bound(seq_num - kMaxPacketAge);
    49.     if (it != recovered_list_.begin())
    50.       recovered_list_.erase(recovered_list_.begin(), it);
    51.  
    52.     // Do not send nack for packets recovered by FEC or RTX.
    53.     return 0;
    54.   }
    55.  
    56.   AddPacketsToNack(newest_seq_num_ + 1, seq_num);
    57.   newest_seq_num_ = seq_num;
    58.  
    59.   // Are there any nacks that are waiting for this seq_num.
    60.   //获取nack序号，如果有则触发nack
    61.   std::vector<uint16_t> nack_batch = GetNackBatch(kSeqNumOnly);
    62.   if (!nack_batch.empty()) {
    63.     // This batch of NACKs is triggered externally; the initiator can
    64.     // batch them with other feedback messages.
    65.     nack_sender_->SendNack(nack_batch, /*buffering_allowed=*/true);
    66.   }
    67.  
    68.   return 0;
    69. }

    这部分逻辑主要是收到包，查一下是不是乱序的，可能是网络造成乱序，也可能是重发过来的，收到了就把nack list里面的记录删掉

    1. void NackRequester::AddPacketsToNack(uint16_t seq_num_start,
    2.                                      uint16_t seq_num_end) {
    3.   // Called on worker_thread_.
    4.   // Remove old packets.
    5.   //kMaxPacketAge=1000,删除超出队列数量，删除最老的
    6.   auto it = nack_list_.lower_bound(seq_num_end - kMaxPacketAge);
    7.   nack_list_.erase(nack_list_.begin(), it);
    8.  
    9.   // If the nack list is too large, remove packets from the nack list until
    10.   // the latest first packet of a keyframe. If the list is still too large,
    11.   // clear it and request a keyframe.
    12.   //nack_list 的最大容量为 kMaxNackPackets = 1000, 
    13.   //如果满了会删除最后一个 KeyFrame 之前的所有nacked 序号, 
    14.   //如果删除之后还是满的那么清空 nack_list 并请求KeyFrame
    15.   uint16_t num_new_nacks = ForwardDiff(seq_num_start, seq_num_end);
    16.   if (nack_list_.size() + num_new_nacks > kMaxNackPackets) {
    17.     while (RemovePacketsUntilKeyFrame() &&
    18.            nack_list_.size() + num_new_nacks > kMaxNackPackets) {
    19.     }
    20.  
    21.     if (nack_list_.size() + num_new_nacks > kMaxNackPackets) {
    22.       nack_list_.clear();
    23.       RTC_LOG(LS_WARNING) << "NACK list full, clearing NACK"
    24.                              " list and requesting keyframe.";
    25.       keyframe_request_sender_->RequestKeyFrame();
    26.       return;
    27.     }
    28.   }
    29.  
    30.   for (uint16_t seq_num = seq_num_start; seq_num != seq_num_end; ++seq_num) {
    31.     // Do not send nack for packets that are already recovered by FEC or RTX
    32.     if (recovered_list_.find(seq_num) != recovered_list_.end())
    33.       continue;
    34.     NackInfo nack_info(seq_num, seq_num + WaitNumberOfPackets(0.5),
    35.                        clock_->TimeInMilliseconds());
    36.     RTC_DCHECK(nack_list_.find(seq_num) == nack_list_.end());
    37.     nack_list_[seq_num] = nack_info;
    38.   }
    39. }

    我们可以看到AddPacketsToNack()函数主要实现了：

    nack_list 的最大容量为 kMaxNackPackets = 1000, 如果满了会删除最后一个 KeyFrame 之前的所有nacked 序号, 如果删除之后还是满的那么清空 nack_list 并请求KeyFrame。

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    获取需要nack的

    1. std::vector NackRequester::GetNackBatch(NackFilterOptions options) {
    2.   // Called on worker_thread_.
    3.   //只考虑根据序列号获取nacklist
    4.   bool consider_seq_num = options != kTimeOnly;
    5.   //只考虑根据时间戳获取nacklist
    6.   bool consider_timestamp = options != kSeqNumOnly;
    7.   //当前时间
    8.   Timestamp now = clock_->CurrentTime();
    9.   std::vector nack_batch;
    10.   auto it = nack_list_.begin();
    11.   //遍历nack
    12.   while (it != nack_list_.end()) {
    13.     //初始化rtt为重发延时间隔
    14.     TimeDelta resend_delay = TimeDelta::Millis(rtt_ms_);
    15.     //如果使用了nack的配置
    16.     if (backoff_settings_) {
    17.       //设置最大的重发延时间隔
    18.       resend_delay =
    19.           std::max(resend_delay, backoff_settings_->min_retry_interval);
    20.      // 如果重试次数超过了1次，则重新计算幂指后的重发延迟间隔（避免重试频繁）
    21.      //每次延时增大25%，1.25的n次幂
    22.       if (it->second.retries > 1) {
    23.         TimeDelta exponential_backoff =
    24.             std::min(TimeDelta::Millis(rtt_ms_), backoff_settings_->max_rtt) *
    25.             std::pow(backoff_settings_->base, it->second.retries - 1);
    26.         resend_delay = std::max(resend_delay, exponential_backoff);
    27.       }
    28.     }
    29.    // 判断当前包seq_num是否该发送了（即超过了最大发送延迟时间）
    30.     bool delay_timed_out =
    31.         now.ms() - it->second.created_at_time >= send_nack_delay_ms_;
    32.     // 判断基于rtt延迟时间时是否该发送了（即超过了重发延迟时间）
    33.     bool nack_on_rtt_passed =
    34.         now.ms() - it->second.sent_at_time >= resend_delay.ms();
    35.     // 判断基于序列号时是否该发送了（即超过了重发延迟时间）
    36.     bool nack_on_seq_num_passed =
    37.          // 初次发送时有效，避免重复重发
    38.         it->second.sent_at_time == -1 &&
    39.         // 当前包序列号比较老
    40.         AheadOrAt(newest_seq_num_, it->second.send_at_seq_num);
    41.     // 如果该发送了
    42.     if (delay_timed_out && ((consider_seq_num && nack_on_seq_num_passed) ||
    43.                             (consider_timestamp && nack_on_rtt_passed))) {
    44.        // 当前包seq_num加入到nack list
    45.       nack_batch.emplace_back(it->second.seq_num);
    46.       ++it->second.retries; // 累积重试次数
    47.         // 设置发送时间
    48.       it->second.sent_at_time = now.ms();
    49.       // 超过最大重试次数了则从nack_list_移除
    50.       if (it->second.retries >= kMaxNackRetries) {
    51.         RTC_LOG(LS_WARNING) << "Sequence number " << it->second.seq_num
    52.                             << " removed from NACK list due to max retries.";
    53.         it = nack_list_.erase(it);
    54.       } else {
    55.         ++it;
    56.       }
    57.       continue;
    58.     }
    59.     ++it;
    60.   }
    61.   return nack_batch;
    62. }

    1、delay_timed_out ：加入nacklist的时间大于要发送nack的延时

    2、nack_on_rtt_passed ：该序号上次发送NACK的时间到当前时间要超过前面计算出来的延时。

    3：nack_on_seq_num_passed ：确定有最新的包序号比这个大，是被丢失的

    4.3 nack的触发时机

    逻辑图

    有两个地方触发nack，用红方框框出来了

    • 1 当收到rtp数据，nack模块会记录包序号，包类型
    • 2 线程定期检测是否存在丢包，需要nack请求

    5、nack响应

    5.1 rtcp数据流

    5.2 源码

    1. void ModuleRtpRtcpImpl2::OnReceivedNack(
    2.     const std::vector& nack_sequence_numbers) {
    3.   if (!rtp_sender_)
    4.     return;
    5.  
    6.   if (!StorePackets() || nack_sequence_numbers.empty()) {
    7.     return;
    8.   }
    9.   // Use RTT from RtcpRttStats class if provided.
    10.   int64_t rtt = rtt_ms();
    11.   if (rtt == 0) {
    12.     rtcp_receiver_.RTT(rtcp_receiver_.RemoteSSRC(), NULL, &rtt, NULL, NULL);
    13.   }
    14.   //取得rtt，把请求和rtt时间调用rtp补包
    15.   rtp_sender_->packet_generator.OnReceivedNack(nack_sequence_numbers, rtt);
    16. }
    1. void RTPSender::OnReceivedNack(
    2.     const std::vector<uint16_t>& nack_sequence_numbers,
    3.     int64_t avg_rtt) {
    4.   //设置历史队列rtt，取包时根据rtt计算
    5.   packet_history_->SetRtt(5 + avg_rtt);
    6.   for (uint16_t seq_no : nack_sequence_numbers) {
    7.     const int32_t bytes_sent = ReSendPacket(seq_no);
    8.     if (bytes_sent < 0) {
    9.       // Failed to send one Sequence number. Give up the rest in this nack.
    10.       RTC_LOG(LS_WARNING) << "Failed resending RTP packet " << seq_no
    11.                           << ", Discard rest of packets.";
    12.       break;
    13.     }
    14.   }
    15. }
    1. int32_t RTPSender::ReSendPacket(uint16_t packet_id) {
    2.   // Try to find packet in RTP packet history. Also verify RTT here, so that we
    3.   // don't retransmit too often.
    4.   absl::optional stored_packet =
    5.       packet_history_->GetPacketState(packet_id);
    6.   if (!stored_packet || stored_packet->pending_transmission) {
    7.     // Packet not found or already queued for retransmission, ignore.
    8.     return 0;
    9.   }
    10.  
    11.   const int32_t packet_size = static_cast(stored_packet->packet_size);
    12.   const bool rtx = (RtxStatus() & kRtxRetransmitted) > 0;
    13.  
    14.   std::unique_ptr packet =
    15.       packet_history_->GetPacketAndMarkAsPending(
    16.           packet_id, [&](const RtpPacketToSend& stored_packet) {
    17.             // Check if we're overusing retransmission bitrate.
    18.             // TODO(sprang): Add histograms for nack success or failure
    19.             // reasons.
    20.             std::unique_ptr retransmit_packet;
    21.             if (retransmission_rate_limiter_ &&
    22.                 !retransmission_rate_limiter_->TryUseRate(packet_size)) {
    23.               return retransmit_packet;
    24.             }
    25.             if (rtx) {
    26.               retransmit_packet = BuildRtxPacket(stored_packet);
    27.             } else {
    28.               retransmit_packet =
    29.                   std::make_unique(stored_packet);
    30.             }
    31.             if (retransmit_packet) {
    32.               retransmit_packet->set_retransmitted_sequence_number(
    33.                   stored_packet.SequenceNumber());
    34.             }
    35.             return retransmit_packet;
    36.           });
    37.   if (!packet) {
    38.     return -1;
    39.   }
    40.   packet->set_packet_type(RtpPacketMediaType::kRetransmission);
    41.   packet->set_fec_protect_packet(false);
    42.   std::vector> packets;
    43.   packets.emplace_back(std::move(packet));
    44.   paced_sender_->EnqueuePackets(std::move(packets));
    45.  
    46.   return packet_size;
    47. }

    主要看一下RtpPacketHistory::GetPacketAndMarkAsPending 函数
    有两个调用：

    1. GetStoredPacket //按照序列号拿到packet
    2. VerifyRtt //距离上次发送，超过rtt时间才能再次发送
    1. bool RtpPacketHistory::VerifyRtt(const RtpPacketHistory::StoredPacket& packet,
    2.                                  int64_t now_ms) const {
    3.   if (packet.send_time_ms_) {
    4.     // Send-time already set, this check must be for a retransmission.
    5.     if (packet.times_retransmitted() > 0 &&
    6.         now_ms < *packet.send_time_ms_ + rtt_ms_) {
    7.       // This packet has already been retransmitted once, and the time since
    8.       // that even is lower than on RTT. Ignore request as this packet is
    9.       // likely already in the network pipe.
    10.       return false;
    11.     }
    12.   }
    13.  
    14.   return true;
    15. }

    6、注意

    nack请求次数限制，kMaxNackRetries ，不会一直请求，超过10次就不在请求

    nack间隔越来越大， 如果重试次数超过了1次，则重新计算幂指后的重发延迟间隔（避免重试频繁），每次延时增大25%，1.25的n次幂

    nack最大数量是1000，大于的不会重传 kMaxPacketAge

    nack线程会间隔20ms检测一次， kProcessIntervalMs 默认为20ms，

    发送端收到nack请求后，检测距离上次时间超过rtt才能再次发送

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