保障視頻體驗，家寬智能管道提速探討

劉 紅，張正源

保障視頻體驗，家寬智能管道提速探討

劉 紅，張正源

本文通過分析影響視頻業(yè)務體驗的關鍵因素，提出了基于TCP協(xié)議優(yōu)化及DAA提速的一體化解決方案，詳細描述了TCP協(xié)議優(yōu)化及DAA提速的技術原理，以及在現(xiàn)網(wǎng)的實踐結果，對運營商視頻業(yè)務運營及用戶體驗提升有重要的借鑒意義。

視頻體驗；TCP協(xié)議；DAA 提速；4K視頻

1 引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)應用爆發(fā)式增長，徹底改變了人們的生活、消費、購物、理財方式。智慧家庭、NB-IOT、5G技術成熟，萬物互聯(lián)的時代也即將到來。隨著4K視頻的普及，基于內(nèi)容和應用的差異體驗，是運營商提供更優(yōu)質(zhì)服務的基礎。

網(wǎng)絡帶寬是視頻業(yè)務體驗的影響因素之一，作為運營商，既要兼顧建網(wǎng)周期，保障正常情況下的用戶體驗，同時還要考慮在特殊情況導致用戶體驗劣化時，能夠及時進行優(yōu)化，為網(wǎng)絡的建設和維護爭取時間。本文主要從網(wǎng)絡帶寬的智能提速方面進行探討。

2 視頻業(yè)務對網(wǎng)絡需求分析

4K視頻從分辨率、色彩空間、刷新率方面為用戶帶來更極致的體驗。如圖1所示，相比于HD視頻，4K視頻的分辨率提升4倍，色彩空間提升2.1倍，刷新率提升1倍。相比于高清視頻和標清視頻，對帶寬和存儲的要求都成倍增加。

圖1 4K業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸要求

2.1 4K視頻業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬的需求分析

視頻通?；贖LS的流媒體，無論直播還是點播，突變的碼流都被相對平滑的TCP下載行為改造成了較為平滑的網(wǎng)絡下載流量，所以相比RTP的IPTV直播（VBR編碼）對網(wǎng)絡處理突發(fā)的要求大大降低。

通常OTT采用VBR ，相對于CBR，VBR壓縮效率高，可自適應網(wǎng)絡質(zhì)量。4K業(yè)務對網(wǎng)絡可用帶寬的要求和建議，如圖2所示。

圖2 4K業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸要求

所以，CDN出口最大發(fā)流速度＜=平均碼流的1.5倍，以降低TCP下載初始階段的突發(fā)，避免丟包；網(wǎng)絡實際物理帶寬＞=平均碼率的1.5倍，客戶端到CDN服務器的E2E物理帶寬建議至少也要達到平均碼率的1.5倍。

4K視頻對網(wǎng)絡的要求如圖3所示，

圖3 4K等視頻業(yè)務的帶寬需求對比

2.2 4K業(yè)務對雙向時延和丟包率的要求

端到端TCP吞吐量受雙向時延和丟包率影響，仍存在不滿足4K業(yè)務需求的風險。所以4K業(yè)務對網(wǎng)絡的雙向時延和丟包率也有要求。

根據(jù)公式（1），端到端的TCP吞吐量受接入物理帶寬BW，擁塞窗口CWND，雙向時延RTT，報文長度MSS，丟包率P等參數(shù)的影響。

為保障不小于25M碼率的4K視頻流暢播放，要求達到不小于38M的網(wǎng)絡吞吐量，通常機頂盒TCP接收滑動窗口能支持到256K，則最大E2E雙向時延必須小于45ms?？紤]源和終端時延預留10ms，則網(wǎng)絡的雙向時延必須小于35ms。

由此可以看出，網(wǎng)絡的帶寬、時延、丟包都會對TCP的通量造成影響，最終影響4K業(yè)務的體驗。而針對用戶進行TCP加速或者提升用戶帶寬都能有效的幫助用戶提升體驗。

3 基于網(wǎng)絡帶寬的智能提速解決方案

用戶帶寬智能提速主要包括TCP加速技術及智能管道帶寬提速技術，下文主要針對這兩種帶寬提速方案進行深入探討。

3.1 TCP加速技術

TCP加速技術的核心是設計高效的擁塞控制算法，在不喪失TCP公平性和友好性的前提下，盡量提升TCP流的吞吐率。擁塞控制的基本思路是發(fā)送端根據(jù)從網(wǎng)絡獲得的擁塞反饋信息調(diào)整TCP的發(fā)送速率，基于根據(jù)何種擁塞反饋信息可以將TCP加速技術分為三類：基于隱式信息反饋的TCP加速技術、基于顯式信息反饋的TCP加速技術和基于智能數(shù)據(jù)分析的TCP加速技術。

3.1.1 基于隱式信息反饋的TCP加速技術

利用傳輸過程中獲取的反饋作為隱式擁塞指示，典型反饋信息主要分為丟包事件和往返時延，并在發(fā)送端做出相應的擁塞控制策略。

丟包事件是最能直觀反映網(wǎng)絡擁塞的行為，目前大多數(shù)TCP加速技術都選擇將丟包事件作為擁塞反饋，主要包括：Reno，S-TCP，HSTCP，H-TCP，BIC，CUBIC等。往返時延能夠更加及時地反應網(wǎng)絡擁塞，將往返時延作為擁塞反饋的TCP加速技術包括：TCP Vegas和FAST TCP等。

基于隱式信息反饋的TCP加速技術依賴于丟包事件和往返時延等信息對網(wǎng)絡擁塞判定的精確度，無論是擁塞丟包和隨機丟包的判斷錯誤，還是輕載網(wǎng)絡時延的判定錯誤，都會給TCP的擁塞控制產(chǎn)生負面影響，因此依靠簡單的隱式擁塞信息反饋來調(diào)整TCP擁塞控制難以滿足應用的高吞吐率需求。

3.1.2 基于顯式信息反饋的TCP加速技術

利用路由器配合進行顯式擁塞反饋，由路由器主動向發(fā)送端通告網(wǎng)絡的擁塞狀況，發(fā)送端據(jù)此調(diào)整發(fā)送速率.比較典型的主要有：XCP和VCP等。

該類技術對網(wǎng)絡設備支持的依賴程度非常高，因此協(xié)議可擴展性很差。

3.1.3 基于智能數(shù)據(jù)分析的智能TCP加速技術

針對每一條TCP流收集與該流相關的來自于應用和網(wǎng)絡等多個維度的信息，通過設計智能數(shù)據(jù)分析引擎，將來自應用的真實需求信息和來自網(wǎng)絡的真實狀態(tài)信息分析處理成智能標識擁塞控制信息，指導算法更加精確地判斷網(wǎng)絡擁塞程度。

基于智能數(shù)據(jù)分析的智能TCP加速有以下技術優(yōu)勢：

3.1.3.1 快速到達峰值，速率精準可控

現(xiàn)有的TCP加速技術對應用層是完全封閉的，由于TCP調(diào)整擁塞窗口的策略沒有明確的目標和方向，如圖4所示，擁塞控制算法的工作狀態(tài)始終介于“盲目試探”和“錯誤調(diào)整”狀態(tài)之間，導致TCP的實際吞吐率的下降。

圖4 TCP吞吐量與CWND關系曲線圖

為了解決上述問題，智能TCP加速算法提出了目標吞吐率的概念，通過將TCP面向應用層開放接口，讓業(yè)務直接參與擁塞窗口的調(diào)整過程。根據(jù)目標吞吐率和往返時延計算得到的當前目標窗口，根據(jù)目標窗口與當前擁塞窗口CWND的差值可以計算窗口增幅β。通過目標吞吐率，智能TCP加速算法能夠在慢啟動和擁塞避免階段實現(xiàn)窗口的快速精準增長，在達到目標窗口后，β能夠?qū)砣翱诜€(wěn)定在目標吞吐率所需求的窗口位置。

3.1.3.2 區(qū)分真假擁塞，智能調(diào)整窗口

通過設置智能數(shù)據(jù)分析引擎，從5個子維度綜合分析本地TCP流的網(wǎng)絡信息：當前丟包事件、當前往返時延、歷史丟包事件、歷史往返時延和歷史吞吐率，根據(jù)上述信息估計網(wǎng)絡輕載的往返時延。根據(jù)數(shù)據(jù)分析引擎的輸出判定引起丟包的原因，并將判定結果作為計算窗口降幅的輸入。如圖5所示。將智能數(shù)據(jù)分析技術引入TCP加速技術，克服了傳統(tǒng)TCP加速技術對網(wǎng)絡狀況判斷不準確的缺陷，真正能夠做到：窗口快速增長（Rapid）、目標速率可調(diào)（Adjustable）、丟包智能甄別（Clever）和自適應調(diào)整窗口達到高通量（Efficient）。

圖5 分析本地TCP流的網(wǎng)絡信息

3.2 智能管道帶寬提速

4K視頻的流暢播放對網(wǎng)絡帶寬的需求達到30M～50M，而從最新的2016年第二季度《互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展狀況報告》可以看出，全球平均連接速度達到6.1Mb/s，年度同比增幅達14%，雖然中國平均網(wǎng)速年增52%遠高于全球平均增幅，但絕對值平均僅為8M左右，相比4K視頻流暢播放對網(wǎng)絡帶寬的需求（達到30M～50M），仍然存在較大差距。

智能管道帶寬提速方案，需要在現(xiàn)有的城域網(wǎng)增加策略控制平臺，作為智能管道的控制核心，負責對BRAS的動態(tài)提速能力進行統(tǒng)一控制和封裝，并提供API接口，供上層的業(yè)務平臺靈活按需調(diào)用。與BOSS進行對接，實現(xiàn)用戶基礎信息的同步，并向計費系統(tǒng)提供提速業(yè)務的話單數(shù)據(jù)。增加能力開放平臺，負責互聯(lián)網(wǎng)合作業(yè)務平臺的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)合作業(yè)務的發(fā)放、計費、對賬。通過智能提速平臺和OTT業(yè)務平臺之間相互配合，實現(xiàn)帶寬保障和視頻業(yè)務互動，確保用戶端到端體驗。

3.2.1 原理應用

智能管道靈活調(diào)用網(wǎng)絡能力，可以有效支持“用戶自助提速”和“后向應用提速”。通過策略控制平臺調(diào)用BRAS的BoD、DAA動態(tài)帶寬調(diào)整能力。

BoD（Bandwidth on Demand）是用戶通過Web Portal、手機/PC客戶端點擊提速按鈕實現(xiàn)按需帶寬提速技術。

DAA（Destination Address Accounting）是一種根據(jù)用戶訪問的目的地址進行計費、限速和優(yōu)先級調(diào)度的技術。

3.2.2 提速方案

3.2.2.1 用戶觸發(fā)的提速

⊙ 用戶在電視屏的操作界面選擇“智能提速”。

⊙ 頂盒上運行的APK軟件接收到提速請求，并發(fā)送到業(yè)務服務器，業(yè)務服務器通過API，向智能提速平臺下發(fā)用戶提速請求。

⊙ 智能提速平臺向BRAS下發(fā)策略模板和策略參數(shù)。

⊙ BRAS根據(jù)收到的策略模板實現(xiàn)智能提速。

⊙ 機頂盒自適應網(wǎng)絡帶寬，播放高清碼流片源。

⊙ 用戶在電視屏的操作界面選擇“停止提速”。

⊙ 機頂盒上運行的APK軟件接收到停止提速請求，并發(fā)送到業(yè)務服務器，業(yè)務服務器通過API，向智能提速平臺下發(fā)用戶停止提速請求。

⊙ 智能提速平臺向BRAS下發(fā)取消策略模板和策略參數(shù)。

⊙ BRAS針對特性用戶和特定業(yè)務取消提速。

3.2.2.2 定向自動提速

⊙ 用戶在營業(yè)廳申請“定向自動提速”套餐。

⊙ BOSS系統(tǒng)將用戶套餐信息同步到智能提速平臺。

⊙ 用戶上線，智能提速平臺判斷是否為套餐用戶，自動向BRAS下發(fā)策略模板和策略參數(shù)。

⊙ BRAS根據(jù)收到的策略模板實現(xiàn)智能提速。

⊙ 機頂盒自適應網(wǎng)絡帶寬，播放高清視頻對應碼流的片源。

3.2.2.3 時長提速

⊙ 用戶在電視屏的操作界面選擇“包時提速”。

⊙ 機頂盒上運行的APK軟件接收到提速請求，并發(fā)送到業(yè)務服務器，業(yè)務服務器通過API，向智能提速平臺下發(fā)用戶提速請求。

⊙ 智能提速平臺向BRAS下發(fā)策略模板和策略參數(shù)。

⊙ BRAS根據(jù)收到的策略模板實現(xiàn)智能提速。

⊙ 機頂盒自適應網(wǎng)絡帶寬，播放高清碼流片源。

⊙ 智能提速平臺啟動定時器，如果時長套餐包已經(jīng)到期，自動向BRAS取消用戶業(yè)務提速，用戶無需額外操作。

4 智能提速實踐介紹

通過實驗室和現(xiàn)網(wǎng)實踐，驗證了以上兩種智能提速方案的實際應用效果，介紹如下：

4.1 TCP加速實踐

智能TCP加速算法只有在網(wǎng)絡端到端的丟包和時延處于一個區(qū)間內(nèi)才能明顯的提升TCP通量，超出該區(qū)間時無效果。我們在實驗室通過參數(shù)遍歷測試，獲得了智能TCP加速算法的有效范圍，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。黃色區(qū)域為有效區(qū)域，智能TCP加速算法效果明顯，綠色區(qū)域和紅色區(qū)域為無效區(qū)域無加速效果。

圖6 智能TCP加速算法的有效范圍-百兆有線接入/40M碼率4K視頻

圖7 智能TCP加速算法的有效范圍-百兆有線接入/16M碼率4K視頻

為驗證TCP加速算法有效范圍及應用效果，通過建立用戶體驗情況模型進行了驗證，建模如下：

視頻體驗劣化用戶275人次（包含OTT視頻，OTT視頻質(zhì)差人次占比50%左右），最大丟包率2.257%，最大時延93毫秒，體驗劣化用戶在綠色、黃色、紅色區(qū)域均有分布，如圖8所示。

圖8 體驗劣化用戶體驗建模MOS值分布圖

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)對于處于有效區(qū)域的用戶（丟包率0.08%，時延12毫秒），在觀看12M左右碼率的視頻時，出現(xiàn)卡頓，經(jīng)智能TCP加速后，吞吐量提升明顯，峰值速率從10M左右，提升到14M左右，如圖9、圖10所示。智能TCP加速算法提升峰值帶寬39%。

圖9 加速前實時流量曲線圖

圖10 加速后實時流量曲線圖

對于處于無效區(qū)域的用戶，經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn)并無加速效果，這個結論與前期的理論和測試結果吻合。

加速效果主要影響因素包括：端到端網(wǎng)絡質(zhì)量（丟包、時延）、片源碼率、服務器端視頻流化突發(fā)模型，現(xiàn)網(wǎng)驗證結果和實驗室測試確定的有效邊界相吻合。

4.2 DAA提速實踐

通過搭建測試環(huán)境，并模擬用戶觀看，對于DAA智能提速進行了實踐驗證。

DAA智能提速測試環(huán)境由能力開放服務器、BOSS，AAA，BRAS，OLT，ONT及用戶終端搭建，如圖11所示。

圖11 DAA智能提速測試環(huán)境組網(wǎng)圖

能力開放服務器配置OTT TV的帶寬保障DAA提速模板和4K高清的帶寬保障DAA提速模板。配置成功后，能力開放服務器根據(jù)用戶訂購的業(yè)務類型，在用戶上線時，自動捕捉用戶上線報文，自動下發(fā)提速模板給BRAS，BRAS為用戶綁定DAA提速模板。同時，BRAS要支持DAA策略和計費抄送功能，并配置radius server組、綁定能力開放服務器IP地址、在ACL限制流中設置待訪問的目的IP地址。

當用戶訪問OTT視頻或4K高清視頻時，基于目的地址生效的DAA模板將為用戶提供帶寬保障，提升用戶觀看體驗。

DAA智能提速業(yè)務可以根據(jù)需要應用在各個場景，例如營業(yè)廳基礎帶寬+10M OTT_TV場景、營業(yè)廳基礎帶寬+50M 4K高清提速場景、VIP用戶DAA 100M帶寬提速場景。

5 結束語

當前家庭寬帶業(yè)務中視頻業(yè)務占比增加，4K視頻業(yè)務的發(fā)展隨著技術的進步和硬件成本的降低，必將飛速發(fā)展。在現(xiàn)有運營平臺提供純寬帶的傳統(tǒng)型業(yè)務情況下，無法滿足業(yè)務的多樣化需求。而通過引入TCP加速和DAA提速，可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡快速提升用戶的帶寬和通量，通過低成本的方案支撐4K視頻業(yè)務的發(fā)放，幫助運營商抓住視頻時代的發(fā)展契機。

Discussion on Guaranteeing Video Experience and Accelerating Home Broadband Smart Pipes

Liu Hong, Zhang Zhengyuan

This document analyzes key factors that affect the video service experience, provides an integrated solution based on TCP protocol optimization and DAA acceleration, describes the technical principles behind TCP protocol optimization and DAA acceleration, and analyzes the live network test results. These are all critical factors for business operations and improving user experience.

video experience; TCP protocol; DAA acceleration; 4K video

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.005

TN915文獻標示碼：A

1672-7274（2017）03-0016-05