数字电视TS码流协议简要分析

唐文昊 廖斌兰 唐霓云 莫东海

一、IP封装的TS码流

TS码流经过IP打包后能被网络设备转发和交换，通过光纤、卫星、微波等方式接入各个台站。信源交换机的监控口静态绑定了码流的组播地址，使监控口始终转发码流。通过抓包可以观察到标准网络帧结构。每个帧长为1358字节，包括MAC头（14字节）、IP头（20字节）、UDP头（8字节）和7个码流包（每个188字节）共1358字节。一个帧最多封装七个码流包，否则会超过以太帧的最大长度上限1518字节而无法传输。

如图1所示，抓包工具Wireshark中显示的帧结构，有七个以ISO/IEC开头的行，每行标识一个标准码流包。PID和CC是码流包头部中的两个重要参数：包ID和连续计数。

图1 卫星接收机发出的被封装的TS码流

二、TS码流包及其头部

TS码流传输使用了IP组播技术，组播地址为IP报文的目的地址，一份码流能同时被转发到多个设备（如IP复用器、码流记录仪、分析仪、自台监控服务器等），只需给接收设备添加组播地址加入组播组即可。分析时根据逻辑连接进行过滤，把光纤信源中央八套节目码流（12.171.30.93:2560->239.171.30.5:4000）分离出来，再将各底层头部剥除，留下应用层的码流包。码流包长度为188字节，包含4字节头部和184字节载荷。载荷既可以是音视频编码数据，也可以是控制信息表PSISI。图2为光纤信源中央八套节目TS码流中的“空”码流包。

图2 光纤信源中央八套节目TS码流中的“空”码流包

TS码流包中的数据是大尾（big-endian）字节序，数据的低位保存在内存的高地址，与Windows系统相反。“空”码流包的载荷部分全部是0xff，只有头部有数据。4字节的头部包含了8个参数，分别是同步字节、传输误码指示符、有效荷载单元起始指示符、传输优先级、PID、传输加扰控制、自适应控制和连续计数器。第一个字节是固定的0x47，‘G’的ASCII码，标识码流包起始位置，错误或丢失将产生290一级错误中的同步字节错误或同步丢失错误。PID（Packet ID）用中间的13个比特表示，标识此码流包的类型，即数据载荷解析的方式，标识此包是音、视频还是信息表。PID为0x1ffff时为“空”包，载荷不需要解析。连续计数用末尾的4个比特标识，同类型的下一个包的计数值会递增，计数值累计到0xf之后再回到0。组播的传输层是UDP协议，没有保证可靠交付，网络不良时会使连续计数乱序、丢失，从而产生一级错误中的连续计数错误。

三、PSI（节目专用信息）

TS码流中还存在其他控制信息PSI和SI（业务信息）。PSI定义了4种表（有资料说5种），SI定义了9种表。PSI的作用是从码流中定位节目的音视频流，是必备的。SI根据业务功能不同是可选的。PSI中用于定位节目音视频流的表有两种：PAT（节目关联表）和PMT（节目映射表）。定位过程如下。

1.PAT的PID固定为0，可从码流中直接找出PAT，一个码流只有一个PAT流；

2.PAT中包含一或多个PMT的PID，可根据PAT找出码流中所有的PMT，码流中有多少个节目就有多少个PMT流；

3.PMT中包含节目的音、视频流的PID，可根据PMT找出码流中的音视频流并提取出PES（打包的基本流）；

4.由PES解包出ES（基本流）再送入解码器解码。

在光纤信源中央八套节目码流中，每秒传输5个PAT包。其数据载荷是一样的，只有头部的连续计数在递增。光纤信源中央八套节目TS码流PAT包的头部如图3所示。包头以0x47开头，PID为0，数据载荷作为PAT解析。第三项Payload Unit Start Indicator:1，说明这是PAT的第一个码流包，如果表很大，会被分到多个码流包中。

图3 光纤信源中央八套节目TS码流PAT包的头部

如图4，PSI的第一个码流包中，头部之后的一字节（第5个字节）表示指针域（也叫适配域长度），指出到PAT还有多少字节。这里为0，所以PAT从第6个字节开始，再根据PAT第四项表示的长度45字节（从此项之后开始算），PAT到第54个字节结束，只占用一个码流包，之后用0xff填充。

图4 光纤信源中央八套节目TS码流PAT包

PAT前8字节的结构固定，第4、5字节表示码流ID，占16bit，理论上一个连接可以传输65535个码流。从第9字节开始，是包含九个元素的数组，每个元素4字节，共36字节。每个元素包含2字节的节目号和2字节的PMT的PID，PID用低13位标识，但第一个元素是例外，它的节目号为0，PID是NIT（网络信息表）的PID（固定的0x10）。之后的八个元素对应了中央八套节目。以第二个元素为例，节目号为0x12d，它的PMT的PID是0x101，如图5所示。

图5 节目号0x12d的PMT包

每秒钟有3、4个同节目的PMT包传输。PMT表从第6个字节开始，前12个字节的结构固定。第11、12字节的低12位表示节目的描述信息长度，这里为5，此后紧跟5字节的描述信息。信息类型由第1字节的tag决定，这里是最大传输比特率。描述信息之后紧接着多个流信息，流信息前5个字节的结构是固定的。此PMT中总共包含两个流信息，第1字节表示流的类型，值分别为0x42和0x6，表示AVS视频和AC3音频。第2、3字节的低13位表示流的PID，值分别为0x200和0x28a。第4、5字节的低12位表示流描述信息总长度。因为描述信息本身含有长度，所以可以判断出每个描述信息的位置。第一个流信息包含2个描述信息，第二个流信息则包含4个描述信息。描述信息包括流ID、最大比特率、注册信息、网络层信息等。至此，节目的AVS视频流PID=0x200、AC3音频流PID=0x28a已找出。

四、时钟与节目名称

PCR是节目参考时钟，由编码器生成，供解码器解码时进行同步。PMT开头第9、10字节低13位标识PCR存在的PID，在图5中是0x200。也就是说，这里的PCR只穿插在视频流中，音频流中没有（PCR可以插入音频流，也可以使用自己独立的PID）。带有PCR的视频流包每秒有5个。PCR存在于视频流中的适配域，头部之后的第5字节指针域（适配域长度）在PAT、PMT中为0，而带有PCR的视频流包中是7。7字节中的第1字节是8个标志位，PCR标志置1。后6字节是参考时钟，参考时钟会有规律地递增。实际上PCR只用了42位，包括33位基础位和9位扩展位。扩展位是基础位的低位，表达更精细的数值，最大值是300而不是512，超过300归零并给基础位加1。除了PCR，PES层中还有两个同步信息DTS和PTS，同步机制比较复杂，这里不详细展开。

SDT（服务描述表）中包含了节目的类型、名称等信息，它的PID是固定的0x11。SDT表起始的11个字节的头部也是固定的。在中央八套节目TS码流的SDT中，头部之后跟着的是8个服务（节目）描述信息。第一个描述信息描述了节目号为0x12d的节目。在描述信息的服务名字段中，可以看到节目名称为CCTV-1。

五、总结

ISO13818-1码流标准已经使用了十几年，它详细地定义了音视频流及其控制信息，是一套非常成熟的传输标准。标准中定义的TS流不但能单独传输，也容易被TCP/IP等网络承载。码流的使用者只要了解重要的部分，借助码流分析仪或码流分析软件，就能迅速地判断码流信号质量的高低，分析码流质量变差的原因，找到问题根源，对码流进行恢复。