[网络协议]RTSP-RTP协议基本分析

1、介绍

实时流传输协议（RTSP：Real Time Streaming Protocol）是一种网络传输协议，旨在发送低延迟流。
该协议由RealNetworks，Netscape和哥伦比亚大学的专家在1996年开发。它定义了应如何打包流中的数
据以进行传输。

2、RTP

RTP协议原理，负责对流媒体数据进行封包并实现媒体流的实时传输，即它按照RTP数据包格式来封装流媒体数据，并利用与它绑定的协议进行数据包的传输。

RTP可以基于UDP和TCP两种方式传输，两种方式大致是一样的，下面主要都是基于UDP的分析：

RTP在端口号1025到65535之间选择一个未使用的偶数UDP端口号，而在同一次会话中的RTCP则使用下一个基数UDP端口号。

3、格式

RTP报文由两部分组成：报头和有效载荷。RTP报头格式如下图所示，其中：

V：RTP协议的版本号，占2位，当前协议版本号为2。

P：填充标志，占1位，如果P=1，则在该报文的尾部填充一个或多个额外的八位组，它们不是有效载荷
的一部分。

X：扩展标志，占1位，如果X=1，则在RTP报头后跟有一个扩展报头。
CC：CSRC计数器，占4位，指示CSRC 标识符的个数。

M: 标记，占1位，不同的有效载荷有不同的含义，对于视频，标记一帧的结束；对于音频，标记帧的开
始。

PT: 有效载荷类型，占7位，用于说明RTP报文中有效载荷的类型，如GSM音频、JPEM图像等。
序列号：占16位，用于标识发送者所发送的RTP报文的序列号，每发送一个报文，序列号增1。接收者
通过序列号来检测报文丢失情况，重新排序报文，恢复数据。

时戳(Timestamp)：占32位，时戳反映了该RTP报文的第一个八位组的采样时刻。接收者使用时戳来
计算延迟和延迟抖动，并进行同步控制。

同步信源(SSRC)标识符：占32位，用于标识同步信源。该标识符是随机选择的，参加同一视频会议的
两个同步信源不能有相同的SSRC。

特约信源(CSRC)标识符：每个CSRC标识符占32位，可以有0～15个。每个CSRC标识了包含在该RTP
报文有效载荷中的所有特约信源。

1 typedef struct _rtp_header_t
2 {
3 uint32_t v:2; /* protocol version */
4 uint32_t p:1; /* padding flag */
5 uint32_t x:1; /* header extension flag */
6 uint32_t cc:4; /* CSRC count */
7 uint32_t m:1; /* marker bit */
8 uint32_t pt:7; /* payload type */
9 uint32_t seq:16; /* sequence number */
10 uint32_t timestamp; /* timestamp */
11 uint32_t ssrc; /* synchronization source */
12 } rtp_header_t;

同步信源：是指产生媒体流的信源，例如麦克风、摄像机、RTP混合器等。它通过RTP报头中的一个32位数
字SSRC标识符来标识，而不依赖于网络地址，接收者将根据SSRC标识符来区分不同的信源，进行RTP报
文的分组。

特约信源：是指当混合器接收到一个或多个同步信源的RTP报文后，经过混合处理产生一个新的组合RTP报
文，并把混合器作为组合RTP报文的SSRC，而将原来所有的SSRC都作为CSRC传送给接收者，使接收者
知道组成组合报文的各个SSRC。

例如：
有三个信号源各发出一路rtp流，RTP1携带的SSRC是SSRC1，RTP2携带的SSRC是SSRC2，
RTP3携带SSRC3，这三路RTP流到达混合器时，混合器会将这三路流混合成一路流发出去，它会把这三
路流的SSRC记录下来，形成一个列表，叫CSRC表，在发送的混合RTP流中，SSRC域填充的字段是混合
器本身的SSRC4，而CSRC字段则会根据该包的负载的源来填入。

如当前的RTP包的负载是来自SSRC1的，那么在当前RTP包的CSRC字段填入SSRC1。
这样接收者就可以根据CSRC来区分不同的信源。

4、RTP打包H264

RTP的特点不仅仅支持承载在UDP上，这样利于低延迟音视频数据的传输，另外一个特点是它允许
通过其它协议接收端和发送端协商音视频数据的封装和编解码格式，这样固定头的playload type字
段就比较灵活。

H.264标准协议定义了两种不同的类型：一种是VCL即Video Coding Layer ， 一 种 是 NAL 即
Network Abstraction Layer。其中前者就是编码器吐出来的原始编码数据，没有考虑传输和存储
问题。后面这种就是为了展现H.264的网络亲和性，对VCL输出的slice片数据进行了封装为
NALUs(NAL Units)，然后再封装为RTP包进行传输。

NALU的基本格式是：NALU Header + NALU Data,其中NALU的头由一个字节组成如下所示：



一、
1-11就是NALU的单个包类型，但是一个NALU的大小是不一样的，如果是非视频数据的
SPS PPS才十几个字节，对于IDR帧，则有可能几十KB。
这样把NALU打包到RTP方式就很多，分为：
一个RTP包承载一个NALU；
多个NALU合并到一个RTP；
一个大的NALU切分成多个RTP。

二、
同时由于时间戳的问题，就有了24-29几种类型。
但是对于发送端组RTP包的一方来说，尽可能找简单的打包方式。对于接受端则需要适配各种发送
端的打包方式，因为无法决定输入源的打包方式。
（打包的时候不要搞太复杂的模式）

1. 我们对于NALU的长度<=1400（rtp payload size）的则采用的是单一NALU打包到单一的RTP
   包中；
2. 我们对于NALU的长度>1400的则采用了FU-A的方式进行了打包，这种就是把一个大的NALU进
   行了切分，最后接收方则进行了合并，把多个RTP包合并成一个完整的NALU即可；
3. 为什么NALU的长度大于1400字节就要进行FU-A切片，是因为底层MTU大小值一般为1500，从
   传输效率讲，使用1400作为切分条件。
   RTP最大数据包（包含RTP头部） = MTU - UDP首部 - IP 报文首部

4.1、H264打包方式之Single NAL Unit

一个RTP包打包一个单独的NALU方式，其实最好理解，就是在RTP固定头后直接填充NLAU
单元数据即可，即：
RTP Header + NALU Header + NALU Data; （不包括startcode）
文件中的SPS:

RTP包中的SPS:

4.2、H264打包方式之FU-A

需要了解两个数据包头即FU indicator和Fu header。

4.2.1、FU indication

这里面的的F和NRI就是NALU头的前面三个bit位，后面的
TYPE就是NALU的FU-A类型28，这样在RTP固定头后面第一字节的后面5bit提取出来就确认了该
RTP包承载的不是一个完整的NALU，是其一部分。

那么问题来了，一个NALU切分成多个RTP包传输，那么到底从哪里开始哪里结束呢？
可能有人说RTP包固定头不是有mark标记么，注意区分那个是以帧图像的结束标记，这里要确定是NALU结束
的标记，其次NALU的类型呢？那么就需要RTP固定12字节后面的Fu Header来进行区分。

4.2.2、FU header

字段解释：
S: 1 bit 当设置成1,开始位指示分片NAL单元的开始。当跟随的FU荷载不是分片NAL单元荷载的开
始，开始位设为0。

E: 1 bit 当设置成1, 结束位指示分片NAL单元的结束，即, 荷载的最后字节也是分片NAL单元的最后
一个字节，当跟随的FU荷载不是分片NAL单元的最后分片,结束位设置为0。
也就是说一个NALU切片时，第一个切片的SE是10，然后中间的切片是00，最后一个切片时11。

R: 1 bit
保留位必须设置为0，接收者必须忽略该位。

Type: 5 bits
此处的Type就是NALU头中的Type,取1-23的那个值，表示 NAL单元荷载类型定义。

4.2.3、第一个IDR帧的NALU第一个切片

FU indication：
十六机制：0x7C
二进制：0111 1100
FU header：
十六进制：0x85
二进制：1000 0101
这里的SE是10，则说明该RTP包承载的NALU的第一个切片。

4.2.4、第一个IDR帧的NALU第二个切片

FU indication：
十六机制：0x7C
二进制：0111 1100
FU header：
十六进制：0x05
二进制：0000 0101
这里的SE是00，则说明该RTP包承载的NALU的中间切片。

4.2.5、第一个IDR帧的NALU最后一个切片

FU indication：
十六机制：0x7C
二进制：0111 1100
FU header：
十六进制：0x45
二进制：0100 0101
这里的SE是01，则说明该RTP包承载的NALU的最后一个切片。

5、RTP打包AAC

过程：

1. 需要将aac的前7个（或9个）字节的ADTS去掉，即是跳过adts header。
2. 添加RTP Header。
3. 添加AU_HEADER_LENGTH。
4. 添加AU_HEADER。
5. 添加AU（去掉ADTS的aac数据）数据。

注意：一个RTP包中可以有一个AU-headers-length 和 n个AU-header和 n个AU（AU每包实际音频数据流）

5.1、AU-headers-length

头两个字节表示au-header的长度，单位是bit。 一个AU-header长度是两个字节（16bit）因为可以有多
个au-header所以AU-headers-length的值是 16的倍数，一般音频都是单个音频数据流的发送，所以
AU-headers-length的值是16
//AU_HEADER_LENGTH
bytes[12] = 0x00; //高位
bytes[13] = 0x10; //低位 只有一个AU_HEADER
因为单位是bit, 除以8就是auHeader的字节长度；又因为单个auheader字节长度2字节，所以再除以2就
是auheader的个数。
（注意：AU-header长度并不是固定为2字节，具体要看SDP）

5.2、AU-header

au-header的高13个bits就是一个au 的字节长度：
//AU_HEADER
bytes[14] = (byte)((len & 0x1fe0) >> 5); //高位
bytes[15] = (byte)((len & 0x1f) << 3); //低位
（注意：AU-header长度并不是固定为2字节，具体要看SDP）

5.3、AU

音频实际数据（去掉ADTS的aac数据）

5.4、RTSP/SDP中AAC相关配置

1 v=0
2 o=- 16128587303007558182 16128587303007558182 IN IP4 WINDOWS-75ID
U9Q
3 s=Unnamed
4 i=N/A
5 c=IN IP4 0.0.0.0
6 t=0 0
7 a=tool:vlc 3.0.5
8 a=recvonly
9 a=type:broadcast
10 a=charset:UTF-8
11 a=control:rtsp://192.168.2.195:8554/
12 m=audio 0 RTP/AVP 96
13 b=AS:128
14 b=RR:0
15 a=rtpmap:96 mpeg4-generic/22050
16 a=fmtp:96 streamtype=5; profile-level-id=15; mode=AAC-hbr; config
=138856e500; sizeLength=13; indexLength=3; indexDeltaLength=3; Pr
ofile=1;
17 a=control:rtsp://192.168.2.195:8554/trackID=4
18 m=video 0 RTP/AVP 96
19 b=AS:800
20 b=RR:0
21 a=rtpmap:96 H264/90000
22 a=fmtp:96 packetization-mode=1;profile-level-id=42c01e;sprop-para
meter-sets=Z0LAHtoCQKeX/8CgAJ/EAAADAZAAAF2qPFi6gA==,aM43IA==;
23 a=control:rtsp://192.168.2.195:8554/trackID=5

streamtype对于AAC, 固定为5。
profile-level-id固定为1。
config, SizeLength, IndexLength, IndexDeltaLength作用：
config是16进制的, 前两个字节 1388 , 表示采样率为22050, 1个channel。
前两个字节的为ios-14996-3中定义的AudioSpecificConfig, 前13个bits的格式为：

samplingFrequencyIndex的取值：

1388 转换成2进制为 0001 0011 1000 1000
audioObjectType为 00010 , 即 2
samplingFrequencyIndex为 0111 , 即 7 , 对应的采样频率为 22050
channelConfiguration为 0001 , 表示channel数量为1。

sizeLength=13; indexLength=3; indexDeltaLength=3涉及到音频的AU Header。

5.5、AU-Header数据段的格式

其它的值都是可选的, 如果sdp中没有出现相关的参数(或者为0), 则表示它们不出现。
以最简单的情况举例, 假设aac数据长度为200字节, 只有一个au-header。
200 的二进制为 0000011001000。 (补足为13 bits)
AU-headers-length 值为16, 因为只有一个au-header, au-header中
只有AU-size和AU-Index, 共占用16bits。

整个au-header数据段的内容为

0000 0000 0000 1000 0000011001000 000

如果一个rtp中只有一个aac包, 不需要加AU-Header, 那么sdp中的aac参数可以简化为

a=fmtp:96 streamtype=5; profile-level-id=1; mode=AAC-hbr; config=1
38856e500;