基于Winpcap的網(wǎng)絡流媒體識別算法研究與實現(xiàn)
隨著計算機網(wǎng)絡、視頻壓縮等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡流媒體技術(shù)目前已成為繼文字和圖片之后，互聯(lián)網(wǎng)信息傳播的主要形式。通過網(wǎng)絡流媒體技術(shù)，用戶可以方便地存取、查閱和播放網(wǎng)絡上的流媒體數(shù)據(jù)。如何從海量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中快速發(fā)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)，是進行網(wǎng)絡視頻服務質(zhì)量監(jiān)測、網(wǎng)絡流量統(tǒng)計、網(wǎng)絡視頻用戶行為分析及視頻內(nèi)容監(jiān)管等服務的前提和基礎。
網(wǎng)絡流媒體服務為應用層服務，其數(shù)據(jù)傳輸主要采用專有應用層協(xié)議RTP／RTCP。因此，對網(wǎng)絡視頻數(shù)據(jù)流的發(fā)現(xiàn)首先是識別應用層協(xié)議。針對應用層協(xié)議的識別，文獻提出了一種以協(xié)議中出現(xiàn)頻率最高的字段作為特征串來識別協(xié)議的方法，且采用一個特征串來標識一種協(xié)議。文獻提出了基于簽名字串的方法來識別應用層協(xié)議，其主要針對的是P2P協(xié)議的范圍，且需要對整個報文通過匹配多個特征串來識別一種P2P協(xié)議，時間效率偏低。文獻提出了基于先分類后分組的識別應用層協(xié)議及流量的方法，但此方法的本質(zhì)還是基于某些固定端口的，若對于通過隨機選擇端口而實現(xiàn)的應用層協(xié)議，此方法就缺乏準確性和靈活性。
本文通過分析網(wǎng)絡流媒體交互過程的特征，以應用層傳輸協(xié)議對應的關(guān)鍵特征字串為判斷依據(jù)，設計了一種基于Winpcap的網(wǎng)絡視頻流識別算法，實現(xiàn)了對網(wǎng)絡流媒體的發(fā)現(xiàn)，并通過實驗對本文設計的算法性能進行了分析和驗證。
1 Winpeap簡介
Winpcap是由伯克利分組捕獲庫派生而來的分組捕獲庫，它在Windows操作平臺上實現(xiàn)對底層包的截取過濾。
Winpcap是BPF模型和Libpcap函數(shù)庫在Windows平臺下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包捕獲和網(wǎng)絡狀態(tài)分析的一種體系結(jié)構(gòu)，這個體系結(jié)構(gòu)是由一個核心的包過濾驅(qū)動程序，一個底層的動態(tài)連接庫Packet．dll和一個高層的獨立于系統(tǒng)的函數(shù)庫Libpcap組成。底層的包捕獲驅(qū)動程序?qū)嶋H為一個協(xié)議網(wǎng)絡驅(qū)動程序，通過對NDIS中函數(shù)的調(diào)用為Windows 95／98／NT／2000提供一類似于UNIX系統(tǒng)下Berkeley Packet Filter的捕獲和發(fā)送原始數(shù)據(jù)包的能力。Packet．dll是對這個BPF驅(qū)動程序進行訪問的API接口，同時它有一套符合Libpcap接口(UNIX下的捕獲函數(shù)庫)的函數(shù)庫。
Winpcap包括三部分：第一個模塊NPF(NetgroupPacket Filter)，是一個虛擬設備驅(qū)動程序文件。它的功能是過濾數(shù)據(jù)包，并把這些數(shù)據(jù)包原封不動地傳給用戶態(tài)模塊，這個過程中包括了一些操作系統(tǒng)特有的代碼。第二個模塊Packet．dll為Win32平臺提供了一個公共的接口。不同版本的Windows系統(tǒng)都有自己的內(nèi)核模塊和用戶層模塊。Packet．dll用于解決這些不同。調(diào)用Packet．dll的程序可以運行在不同版本的windows平臺上，而無需重新編譯。第三個模塊wpcap．dll是不依賴于操作系統(tǒng)的，它提供了更加高層、抽象的函數(shù)。
Winpcap提供了一套標準的編程接口，與libpcap兼容，可使得原來許多UNIX平臺下的網(wǎng)絡分析工具快速移植過來便于開發(fā)各種網(wǎng)絡分析工具，充分考慮了各種性能和效率的優(yōu)化，包括對于NPF內(nèi)核層次上的過濾器支持，支持內(nèi)核態(tài)的統(tǒng)計模式，提供了發(fā)送數(shù)據(jù)包的能力。
2 應用層協(xié)議RTP／RTCP
RTP／RFCP是一種應用型的傳輸層協(xié)議，它沒有連接的概念，既可以建立在面向連接的底層協(xié)議上，又可以建立在面向無連接的底層協(xié)議上，因此RTP對傳輸層是獨立的。由于網(wǎng)絡流媒體的傳輸實時性要求較高，UDP的傳輸延時低于TCP，能與音頻和視頻流很好地匹配，所以，在實際應用中，RFP／RTCP／UDP是流媒體傳輸?shù)闹饕獏f(xié)議，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。
實時傳輸協(xié)議RTP是為實時數(shù)據(jù)提供端到端傳遞服務的協(xié)議，能夠傳遞時間信息和實現(xiàn)流同步。但RTP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳輸機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTP控制協(xié)議RTCP配合實現(xiàn)控制服務。在RTP會話期間，各參與者周期性地交互RTCP包，RFCP包中含有己發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，會話方可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效型。RTP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖2所示。
從圖2可以看出，RTP數(shù)據(jù)包由12個字節(jié)的固定RTP頭和不定長的連續(xù)多媒體數(shù)據(jù)組成，其中的多媒體數(shù)據(jù)可以是壓縮后數(shù)據(jù)。
其中比較重要的幾個域及其意義如下：
版本(V)：2b，此域定義了RTP的版本，此協(xié)議定義的版本是2。
填料(P)：1b，填料可能用于某些具有固定長度的加密算法，或者在底層數(shù)據(jù)單元中傳輸多個RTP包。
擴展(X)：1b，若設置擴展比特，表示固定頭(僅)后面跟隨一個頭擴展。
CSRC計數(shù)(CC)：4b，CSRC計數(shù)包含了跟在固定頭后面CSRC識別符的數(shù)目。
標志(M)：1b，標志用來允許在比特流中標記重要的事件，如幀范圍。
負載類型(PT)：7b，此域定義了負載的格式，由具體應用決定其解釋。協(xié)議可以規(guī)定負載類型碼和負載格式之間一個默認的匹配。其他的負載類型碼可以通過非RTP方法動態(tài)定義，RTP發(fā)射機在任意給定時間發(fā)出一個單獨的RTP負載類型。
序列號(SN)：16b，每發(fā)送一個RTP數(shù)據(jù)包，序列號加一，接收機可以據(jù)此檢測丟包和重建包。序列號的初始值是隨機的。
時間標志：32b，時間標志反映了RTP數(shù)據(jù)包中第一個比特的抽樣瞬間。時間標志的起始值是隨機的。
SSRC：32b，SSRC域用以識別同步源。標識符被隨機生成，以使在同一個RTP會話期中沒有任何兩個同步源有相同的SSRC識別符。
CSRC列表：0～15項，每項32b。CSRC列表識別在此包中負載的有貢獻源。識別符的數(shù)目在CC域中給定。
通過對RTP協(xié)議的分析，總結(jié)出以下幾條“流特征”：
(1)UDP負荷頭兩個比特是0x10(RTP的版本號是2)。
(2)RTP流負載類型PT值保持不變。即同一流媒體數(shù)據(jù)包RTP頭的9～15b的值保持不變。
(3)RTP流的SN值為遞增。
(4)RTP包的SSRC值為定值，同一流媒體數(shù)據(jù)各包的SSRC值保持不變。
3 算法實現(xiàn)
首先通過Winpcap過濾器對數(shù)據(jù)包進行捕獲，識別其中的握手數(shù)據(jù)包，然后分析呼叫信令的內(nèi)容，獲取傳輸流媒體的源、目的地址和端口號，再通知給過濾器針對該源、目的地址和端口號進行數(shù)據(jù)捕捉；識別其中的UDP數(shù)據(jù)包進行分析，根據(jù)“流特征”進行分析，確定所要捕捉的RTP數(shù)據(jù)流。
采用以上4條作為判斷RTP流量的必要條件，當對每一個UDP數(shù)據(jù)流，如能連續(xù)檢出4個包符合上述策略，則認定其滿足為RTP數(shù)據(jù)流的充分條件。
經(jīng)過大量實際數(shù)據(jù)的測試，該算法可以有效識別網(wǎng)絡流媒體。
4 結(jié)語
在分析網(wǎng)絡流媒體傳輸協(xié)議的基礎上，利用Winpcap實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡流媒體識別算法。經(jīng)試驗證明，該算法能夠有效識別流媒體，對網(wǎng)絡流媒體的應用具有積極的作用。
下載文檔
