NALU数据打RTP包流程详解

时间：2023-03-08 23:20:40
NALU数据打RTP包流程详解

最近在看RTP发送H264数据的文章，感觉很乱，没有比较清晰易懂的教程，自己整理了一下各种资料，备忘!

--------Part A  ----

先说说H264数据，H264在网络传输的是NALU（NAL单元），NALU的结构是：NAL头+RBSP，实际传输中的数据流如图所示：

NALU头用来标识后面的RBSP是什么类型的数据，他是否会被其他帧参考以及网络传输是否有错误。

NALU头结构为1个字节,既 forbidden_bit(1bit) + nal_reference_bit(2bit) + nal_unit_type(5bit),如下

1.forbidden_bit: 禁止位，初始为0，当网络发现NAL单元有比特错误时可设置为1，以便接收方纠错或丢掉该单元。

2.nal_reference_bit：nal重要性指示，标志该NAL单元的重要性，值越大，越重要，解码器在解码处理不过来的时候，可以丢掉重要性为0的NALU

3.nal_unit_type：NALU类型取值如下表所示:

H264的NALU头里面.nal_unit_type的有效值只会是1~23,在打RTP包时，在某些情况下我们会填24-31,后面我们会解释,如下：

图3(打RTP包时会用到的扩展类型)

对H264数据打RTP包而言，我们了解这些基础知识就ok了，深入了解H264，请查阅其它资料.

--------Part B  ----

发送RTP数据报时，需要设置头部（Header）和负载（Payload）两部分，也就是“数据头+数据”这样的形式。先来看下Header。

V版版号（2bit），

P填充位（1bit），

X扩展位（1bit），

CC是CSRC的计数位（4bits）；

M标记位（1bit）;

PT有效载荷的类型（7bits）,比如h264视频对应的值就是PT= 96；

sequence number（2Bytes）,RTP包的发送序号；

timestamp时间戳位（4Bytes）；

SSRC同步标识位（4Bytes);

CSRC不是RTP必须的（4Bytes）。

这样的话，用一个结构体来存储RTP的Header数据，如下,

typedef struct
{
/**//* 1byte (0) */
unsigned char csrc_len:4; /* expect 0, csrc计数器，没啥用*/
unsigned char extension:1; /* expect 1, see RTP_OP below ,扩展位,不用关心*/
unsigned char padding:1; /*expect 0 , 填充位,不用关心*/
unsigned char version:2; /* expect 2,版本号，固定为2 */
/**//* 1byte (1) */
unsigned char payload:7; /* RTP_PAYLOAD_RTSP , 负载类型*/
unsigned char marker:1; /* expect 1，是否是尾包,后面解释 */
/**//* 2bytes (2, 3) */
unsigned short seq_no; /* RTP包序号，比如100,101,102，类推 */
/**//* 4bytes (4-7) */
unsigned long timestamp; /* 时间戳位 */
/**//* 4bytes (8-11) */
unsigned long ssrc; /* stream number is used here. 在本RTP会话中全局唯一就行*/
// CSRC(4Bytes)不是RTP必须的,因此不定义它
} RTP_FIXED_HEADER;

在讲负载（Payload）前，我们先看看RTP以UDP发送h264数据时的3种打包情况。

由于UDP数据报长度超过1500字节时(俗称MTU)，会自动拆分发送，增大了丢包概率，那么去除UDP数据报头以及RTP的Header部分，一般设置Payload部分最大长度为1400字节即可，那么对H264的NALU单元打RTP就意味着3种情况.

第一：RTP包里只包含一个NALU,(它的数据小于1400字节)

第二：RTP包里只包含N个NALU,(N个NALU的数据累加小于1400字节)

第三：NALU数据大于1400字节, (比如5400字节，5400/1400>3.8,要拆分分4个RTP包)

但是我们处理H264数据时，一般是对NALU逐一进行处理的,因此我们只考虑第一和第三种情况。

我们来看第一种情况，RTP包里只包含一个NALU的情况，这时的RTP负载（Payload）部分如下图

从内存分布上可以理解为 RTP PlayLoad = [PlayLoad_head] + [RBSP]

我们知道一个 NALU = [NAL_head] + [RBSP]

我们还发现，PlayLoad_head 和 NAL_head 都是一个字节，结构相同，如下

在这种情况下，PlayLoad_head 和 NAL_head的结构和值都是一样的，因此

RTP PlayLoad = NALU= [NAL_head] + [RBSP]

假如一个H264的NALU是这样的：[00 00 00 01 67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ... ]

这是一个序列参数集NAL单元。[00 00 00 01]是四个字节的开始码，67是NALU头，42开始的数据是NALU内容(RBSP)，封装成RTP包将如下：  [RTP HEADER] + [67 42 A0 1E 23 56 0E 2F ...]

发送单一NALU单元的伪代码如下:

{
RTP_FIXED_HEADER *rtp_hdr;
rtp_hdr =(RTP_FIXED_HEADER*)&sendBuf[0];
rtp_hdr->payload = H264; //也就是96
rtp_hdr->version = 2;
rtp_hdr->marker = 0;
rtp_hdr->ssrc = htonl(10); //全局唯一就行

if(nalu_t->len<=MAX_RTP_PKT_LENGTH)
{
rtp_hdr->marker = 1; //一个Nalu单元只用了一个RTP包，当然也算尾包
rtp_hdr->seq_no = htons(seq_num ++); //序号+1

nalu_payload = &sendBuf[12]; //RTP头就12字节
// nalu_t->buf第一个字节就是NALU_head
memcpy(nalu_payload, nalu_t->buf, nalu_t->len);

ts_current=ts_current+timestamp_increse; //时间戳
rtp_hdr->timestamp = htonl(ts_current);
bytes = nalu_t->len + 12 ;

::send(socketFd, sendBuf, bytes, 0);
}

我们来看第三种情况，一个NALU拆分为N个RTP包的情况，这时的RTP负载（Payload）部分如下图

这种模式叫分片封包模式,其中 FU Indicator和FU header都是1个字节，结构如下：

我们发现FU Indicator的结构和NALU头结构是一样的，不过值不完全一样

U Indicator->F    = NALU头结构-> F
FU Indicator->NRI  = NALU头结构->NRI
FU Indicator->Type  = 28 (也就是扩展类型,FU-A)
另外

FU header->Type = NALU头结构->Tpye
FU header->S = 开始位,设置成1,指示分片NAL单元的开始,也就是开始包
FU header->D = 结束位,设置成1,指示分片NAL单元的结束,也就是尾包
FU header->R = 保留位必须设置为0

分包模式下的RTP包如下：

[RTP HEADER] + [FU Indicator] + [FU header] + [RBSP]

分包模式的伪代码如下：

RTP_FIXED_HEADER *rtp_hdr;
rtp_hdr =(RTP_FIXED_HEADER*)&sendBuf[0];
rtp_hdr->payload = H264; //
rtp_hdr->version = 2;
rtp_hdr->marker = 0;
rtp_hdr->ssrc = htonl(10);

int k=0,l=0;
k = nalu_t->len/MAX_RTP_PKT_LENGTH; // 比如k为7，表示有7个完整RTP包+1个尾包
l = nalu_t->len%MAX_RTP_PKT_LENGTH; // 比如l为126，表示尾包的RBSP为126个字节
int t=0;
ts_current = ts_current+timestamp_increse; //时间戳
rtp_hdr->timestamp = htonl(ts_current);

while(t<=k)
{
rtp_hdr->seq_no = htons(seq_num ++); //序列号累加
if(!t) //第一包
{
rtp_hdr->marker=0; // 不是尾包
fu_ind =(FU_INDICATOR*)&sendBuf[12];
fu_ind->F=nalu_t->forbidden_bit;
fu_ind->NRI=nalu_t->nal_reference_idc>>5;
fu_ind->TYPE=28;

fu_hdr =(FU_HEADER*)&sendBuf[13];
fu_hdr->E=0;
fu_hdr->R=0;
fu_hdr->S=1;
fu_hdr->TYPE=nalu_t->nal_unit_type;

nalu_payload=&sendBuf[14];
memcpy(nalu_payload,nalu_t->buf+1,MAX_RTP_PKT_LENGTH);

bytes=MAX_RTP_PKT_LENGTH+14;
::send( socketFd, sendBuf, bytes, 0 );
t++;
}
else if(k==t) // 尾包的情况
{
rtp_hdr->marker=1; // 尾包
fu_ind =(FU_INDICATOR*)&sendBuf[12];
fu_ind->F=nalu_t->forbidden_bit;
fu_ind->NRI=nalu_t->nal_reference_idc>>5;
fu_ind->TYPE=28;

fu_hdr =(FU_HEADER*)&sendBuf[13];
fu_hdr->R=0;
fu_hdr->S=0;
fu_hdr->TYPE=nalu_t->nal_unit_type;
fu_hdr->E=1;

nalu_payload=&sendBuf[14];
memcpy(nalu_payload,nalu_t->buf+t*MAX_RTP_PKT_LENGTH+1,l-1);
bytes=l-1+14;
::send( socketFd, sendBuf, bytes, 0 );
t++;
}
else if(t<k&&0!=t) // 注意，头包，中间包，尾包，fu_hdr->R，fu_hdr->S，fu_hdr->E 的值不一样
{
rtp_hdr->marker=0;
fu_ind =(FU_INDICATOR*)&sendBuf[12];
fu_ind->F=nalu_t->forbidden_bit;
fu_ind->NRI=nalu_t->nal_reference_idc>>5;
fu_ind->TYPE=28;

fu_hdr =(FU_HEADER*)&sendBuf[13];
fu_hdr->R=0;
fu_hdr->S=0;
fu_hdr->E=0;
fu_hdr->TYPE=nalu_t->nal_unit_type;

nalu_payload=&sendBuf[14];
memcpy(nalu_payload,nalu_t->buf+t*MAX_RTP_PKT_LENGTH+1,MAX_RTP_PKT_LENGTH);
bytes=MAX_RTP_PKT_LENGTH+14;
::send( socketFd, sendBuf, bytes, 0 );
t++;
}
}

这里只列出了FU-A(Type = 28)的分包模式，FU-B的分包模式没测试过，应该差不多

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