音频传输之Jitter Buffer设计与实现

在语音通信中Jitter Buffer（下面简称JB）是接收侧一个非常重要的模块，它是决定音质的重要因素之一。一方面它会把收到的乱序的语音包排好序放在buffer里正确的位置上，另一方面它把接收到的语音包放在buffer中缓冲一些时间使播放的更平滑从而获得更好的语音质量。下图是JB在接收侧软件框图中的位置。

从上图可以看出，从网络上收到的语音包会放在JB里（这个操作叫做PUT），在需要的时候便从JB里取出来（这个操作叫做GET）解码直到播放出来。JB有两种模式：adaptive（自适应的）和fixed（固定的）。Adaptive是指buffer的大小可以根据网络环境的状况自适应的调整；fixed是指buffer的大小固定不变。自适应的模式实现难度大，要求高，fixed相对简单，现在基本上都用adaptive的模式。JB在生命周期里也有两种状态：prefetching（预存取）和 processing（处理中），只有在processing时才能从JB中取到语音帧。初始化时把状态置成prefetching，当在JB中的语音包个数达到指定的值时便把状态切到processing。如果从JB里取不到语音帧了，它将又回到prefetching。等buffer里语音包个数达到指定值时又重新回到processing状态。

首先看PUT操作。RTP包有包头和负载（payload），为了便于处理，将包头和payload在buffer中分开保存，保存包头中相关属性的叫attribute buffer，保存payload的叫payload buffer。下图是JB里存RTP包的buffer关系图：

要明确哪几种类型的RTP包会被PUT进JB，我最初设计JB时类型有G711/G722/G729/SID(静音包)/RFC2833（DTMF包）。G711/G722十毫秒payload是80个字节，G729十毫秒payload是10个字节，当VAD使能时十毫秒payload是2个字节（G729 VAD是内置的）或0个字节（DTX），一个SID包payload是1个或11个字节，一个RFC2833包payload是4个字节，明确这些是为了确定payload buffer中一个block的大小（取这些类型中最大的，80个字节），attribute buffer中一个block的大小是固定的，即要保存的属性的个数（这些属性主要用于控制payload的存放和读取，有media type(G711/G722/G729/SID/RFC2833)，sequence number，timestamp，ssrc，payload size，相对应的存放payload的buffer block指针等。每个RTP的包头占一个attribute buffer block，但每个RTP的payload有可能占几个payload buffer block，这跟media type 和packet time有关，例如一个packet time为20ms的G711包，就需要两个payload buffer block，attribute buffer block和payload buffer block之间有一个映射关系。将attribute buffer block和payload buffer block个数都定为256（index从0到255，设定256是为了早到的包绝不会把前面的包给覆盖掉，如果block个数小了则有可能），这样JB 里最少可以存2560ms的语音数据。

至于JB里最多能放多少个包（即容量capacity），这取决于media type和packet time。如果media type是G711/G722， capacity = 256*10/packet time，例如当packet time为20ms时，capacity是128，即最多放128个包。这样attribute buffer和payload buffer的映射关系如下图：

如果media type是G729，考虑到packet time 通常不会超过160ms, 就设定一个G7299包的payload占2个block（160个字节，一般是存不满的），这样capacity就是128（256/2）。至于SID和RFC2833包，payload只有几个字节，为了处理简单，它们的payload占几个block是跟着语音包走的，比如一个20ms的G711语音包payload占2个block，SID包和RFC2833包的payload也会占2个block。

从网络上来的RTP包有可能是乱序的，PUT操作要把这些乱序的包（attribute & payload）放在buffer里正确的block里，这主要依靠attribute里的sequence number和timestamp做判断。RTP协议里sequence number数据类型是unsigned short，范围是0~65535，就存在从65535到0的转换，这增加了复杂度。对于收到的RTP包，首先要看它是否来的太迟（相对于上一个已经取出的包），太迟了就要把这个包主动丢弃掉。设上一个已经取出的包的sequence number为 last_got_senq，timestamp 为last_got_timestamp，当前收到的将要放的包的sequence number为 cur_senq，timestamp 为cur_timestamp，当前包的sequence number与上一个取走的sequence number的gap为delta_senq，则delta_senq可以根据下面的逻辑关系得到。

如果delta_senq小于1，就可以认为这个包来的太迟，就要主动丢弃掉。由于我们的buffer足够大（256个block），如果包早到了也会被放到对应的position上，不会把相应位置上的还没取走的覆盖掉。

接下来看怎么把包放到正确的位置上。对于收到的第一个包，它的位置（position，范围是0 ~ capacity-1）是sequence number % capacity。后面的包放的position依赖于它上一个已放好的包的position。设上一个已放好的包的sequence number为 last_put_senq，timestamp 为last_put_timestamp，position为last_put_position，当前收到的将要放的包的sequence number为 cur_senq，timestamp 为cur_timestamp，position为cur_position，当前的包的sequence number与上一个放好的sequence number的gap为delta_senq，则cur_position可以根据下面的逻辑关系得到。

得到了当前包的position后就可以把包头里的timestamp等放到相应的attribute buffer block里了，payload根据算好的占几个block放到相应的那几个block上（有可能填不满block，不过没关系，取payload时是根据index取的）。如果放进对应block时发现里面已经有包了并且sequence number一样，说明这个包是重复包，就要把这个包主动丢弃掉。

再来看GET操作。每次从JB里不是取一个包，而是取1帧（能编解码的最小单位，通常是10ms，也有例外，比如AMR-WB是20ms），这主要是因为播放loop是10ms一次（每次都是取一帧语音数据播放）。取时总是从head上取，开始时head为第一个放进JB的包的position，每取完一个包（几帧）后head就会向后移一个位置。如果到某个位置时它的block里没有包，就说明这个包丢了，这时取出的就是payload大小就是0，告诉后续的decoder要做PLC。不同类型的包取法不一样，下面分别加以介绍。

对于G711/G722，每次从payload buffer里取10ms数据（一个block, 80个字节），一个包取完后取下一个包。对于G729，每次从payload buffer里取10ms数据（10个字节或2个字节（VAD使能后的静音payload）或0个字节（DTX）），一个包取完后取下一个包。至于VAD使能后取10个字节还是2个字节还是0个字节，要取决于当前包以及上一包的payload size。这处理好能显著提高G7229 VAD使能场景下的语音质量MOS值。以packet time为20ms为例，如果上一个包的payload size是20个字节，当前包的payload size是12个字节，在取时前10ms取10个字节，后10ms取2个字节。如果上一个包的payload size是12个字节，当前包的payload size是10个字节，在取时前10ms取0个字节（DTX），后10ms取10个字节。

对于SID包，每次都是从当前包中取相同的payload一直到发现JB里这个SID包后面又有包并且timestamp又大于等于这个包的timestamp，下一次就会从这个新包里取payload。对于RFC2833包，包里有个duration attribute，当前RFC2833包和上一个RFC2833包的duration相减再除以80就是当前包的packet time，根据这算是从这个包里取得次数，次数到后就从下一个包取。

上面说过现在JB一般都是用adaptive的mode，即buffer size（缓存包的个数）根据网络环境自适应的调整大小。那怎么来实现呢？JB初始化时会设定一个缓存包的个数值（叫prefetch），并处于prefetching状态，这种状态下是取不到语音帧的。JB里缓存包的个数到达设定的值后就会变成processing状态，同时可以从JB里取语音帧了。在通话过程中由于网络环境变得恶劣，GET的次数比PUT的次数多，GET完最后一帧就进入prefetching状态。当再有包PUT进JB时，先看前面共有多少次连续的GET，从而增大prefetch值，即增大buffer size的大小。如果网络变得稳定了，GET和PUT就会交替出现，当交替出现的次数达到一定值时，就会减小prefetch值，即减小buffer size的大小，交替的次数更多时再继续减小prefetch值。

再来看一下在哪些情况下需要reset JB，让JB在初始状态下开始运行。

1）当收到的语音包的媒体类型（G711/G722/G729，不包括SID/RFC2833等）变了，就认为来了新的stream，需要reset JB。

2）当收到的语音包的SSRC变了，就认为来了新的stream，需要reset JB。

3）当收到的语音包的packet time变了，就认为来了新的stream，需要reset JB。

前面说过JB是语音通信接收侧最重要的模块之一，当然它也是容易出问题的模块之一。出问题不怕，关键是怎么快速定位问题。对于JB来说，需要知道当前的运行状态以及一些统计信息等。如果这些信息正常，就说明问题很大可能不是由JB引起的，不正常则说明有很大的可能性。这些信息主要如下：

1）JB当前运行状态：prefetching / processing

2）JB里有多少个缓存的包

3）从JB中取帧的head的位置

4）缓冲区的capacity是多少

5）网络丢包的个数

6）由于来的太迟而被主动丢弃的包的个数

7）由于JB里已有这个包而被主动丢弃的包的个数

8）进prefetching状态的次数（除了第一次）

上面就是JB设计的主要思想，在实现时还有很多细节需要注意，这里就不一一详细说了。我第一次设计实现JB是在2011年，当时从设计实现到调试完成（指标是：bulk call > 10000次，long call time > 60 小时，各种场景下的各种codec的语音质量要达标）总共花了近三个月，还是在对JB有基础的情况下，要是没基础花的时间更多。从设计到能打电话时间不长，主要是后面要过bulk call/long call/voice quality。有好多情况设计时没考虑到，这也是一个迭代的过程，当调试完成了设计也更完整了。最初设计时只支持G711/G722/G729这三种codec，但是机制定了。后来系统要支持AMR-WB，JB这部分根据现有的机制再加上AMR-WB特有的很快就调好了。

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