QoE驅(qū)動(dòng)的基于CDN緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法

葛志輝,譚猛,李陶深,葉進(jìn)

(廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西南寧530004)

0 引言

近年來，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的成熟和5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，流媒體應(yīng)用不僅適用于在PC端，移動(dòng)用戶終端也成為流媒體應(yīng)用發(fā)展的的重要平臺(tái)之一，隨著流媒體應(yīng)用戶量的成倍增長(zhǎng)，基于HTTP自適應(yīng)流媒體[1](dynamic adaptive streaming over HTTP , DASH)已經(jīng)成為流媒體業(yè)務(wù)的核心標(biāo)準(zhǔn)。由于流媒體用戶廣泛分布于世界各地，流媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展離不開內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)[2](content delivery network, CDN)技術(shù)的支持，CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為流媒體應(yīng)用不可或缺的一部分。在流媒體應(yīng)用中，CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)能夠提高服務(wù)器響應(yīng)用戶請(qǐng)求速率和用戶的體驗(yàn)質(zhì)量[3](quality of experience, QoE)。

在流媒體應(yīng)用中，CDN緩存的命中率是影響用戶QoE的關(guān)鍵因素之一。在視頻播放過程中，用戶關(guān)心視頻的流暢度和清晰度，當(dāng)帶寬波動(dòng)時(shí)，碼率會(huì)隨著切變。在碼率切變的過程中，用戶卻無法感知是CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)高速緩存直接響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，還是由源服務(wù)器資源間接響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。如何區(qū)別響應(yīng)用戶請(qǐng)求的服務(wù)器是CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)還是源服務(wù)器，對(duì)如何提高用戶QoE提供了可行性研究。

隨著流媒體應(yīng)用的發(fā)展，如何提高流媒體業(yè)務(wù)的QoE已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一?？蛻舳瞬荒軈^(qū)分其感知到的網(wǎng)絡(luò)吞吐率變化是由CDN緩存不命中的不連續(xù)性還是由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生了變化所引起，如果客戶端不加控制地進(jìn)行碼率向上切變或者向下切變，很可能導(dǎo)致乒乓效應(yīng)[4]，并可能影響其他客戶端的正常播放。降低乒乓效應(yīng)的算法優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行主動(dòng)吞吐量測(cè)量，充分利用現(xiàn)有的代理緩存，通用性較好。其缺點(diǎn)是對(duì)乒乓效應(yīng)的檢測(cè)時(shí)延較長(zhǎng)，客戶端仍會(huì)保持低碼率的請(qǐng)求狀態(tài)，該算法碼率切換較為保守，基本不請(qǐng)求高碼率的切片，不能充分利用緩存和帶寬。

1 相關(guān)研究

在大部分的開源播放器中都內(nèi)置了相應(yīng)的碼率自適應(yīng)算法[5]，b站上的內(nèi)置開源播放器(ijkplayer)，在該播放器中，主要是通過檢測(cè)客戶端的網(wǎng)絡(luò)流量來調(diào)整碼率請(qǐng)求參數(shù)；EasyDarwin是面向企業(yè)的流媒體框架，對(duì)比ijkplayer，EasyDarwin主要是通過推流的方式發(fā)送資源給客戶端，客戶端的網(wǎng)絡(luò)差異性是其算法的局限性，容易造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)(open source media framework, OSMF)是Adobe公司的一個(gè)開源流媒體框架，該框架相比前兩個(gè)框架除了本身項(xiàng)目的耦合度比較低以外，在碼率選擇算法中除了有相應(yīng)的檢測(cè)機(jī)制外，同時(shí)設(shè)置不同的緩存閥值來達(dá)到碼率自適應(yīng)的效果[6]。但是在流媒體業(yè)務(wù)中，影響碼率自適應(yīng)策略的因素除了客戶端還有服務(wù)端，以上的算法所考慮的因素過于局限[7]，用戶的QoE依然相對(duì)比較低。

1.1 流媒體業(yè)務(wù)介紹

CDN節(jié)點(diǎn)的主要作用是降低中心服務(wù)器的壓力，提高終端用戶請(qǐng)求響應(yīng)的速率[8]。在CDN節(jié)點(diǎn)中，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要考慮其緩存的熱度，提高用戶的QoE。由于流媒體業(yè)務(wù)本身需要大量的帶寬資源，在流媒體業(yè)務(wù)中，關(guān)于MPEG-DASH自適應(yīng)算法是根據(jù)帶寬的波動(dòng)而調(diào)整不同的碼率請(qǐng)求,所以流媒體業(yè)務(wù)不僅要考慮視頻本身的熱度問題,而且大眾用戶的碼率波動(dòng)范圍更應(yīng)該被重視。 最大化頁面緩存命中率[9]，減少通信的成本，降低初始延。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻繁波動(dòng)時(shí)，易造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。當(dāng)碼率切變時(shí)，若預(yù)測(cè)出碼率波動(dòng)的范圍，就能提高 CDN緩存的命中率，從而降低終端用戶請(qǐng)求時(shí)延，最終提升用戶的QoE。

流媒體業(yè)務(wù)是一個(gè)極其耗費(fèi)帶寬的業(yè)務(wù)，在維護(hù)CDN節(jié)點(diǎn)和原服務(wù)器內(nèi)容一致性時(shí)，除了耗費(fèi)帶寬以外，還會(huì)增加用戶訪問的延遲，降低用戶的QoE。服務(wù)器端不可用消息[10](server invalidation)是一種完全由根服務(wù)器在服務(wù)對(duì)象改變前向CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出通知，維護(hù)數(shù)據(jù)一致性的方法。由于網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)對(duì)象是一個(gè)寫多個(gè)讀的模式，在服務(wù)器上對(duì)于請(qǐng)求的每一個(gè)對(duì)象都存儲(chǔ)一個(gè)緩存服務(wù)器列表(如服務(wù)器的IP地址)，當(dāng)該對(duì)象在服務(wù)器上發(fā)生修改時(shí)，服務(wù)器對(duì)于該列表中的所有緩存服務(wù)器發(fā)送一條不可用的消息，緩存服務(wù)器收到該消息后將緩存中該對(duì)象設(shè)置為不可用，并返回一個(gè)確認(rèn)消息，源服務(wù)器收到所有的確認(rèn)消息后完成修改。在以上過程中，客戶端必須直接或間接與服務(wù)器交互，這也是降低CDN緩存命中率的因素之一。

1.2 CDN 緩存命中率的局限性分析

隨著流媒體業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，CDN緩存優(yōu)化仍然是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[11]。流媒體業(yè)務(wù)有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、資源被訪問的頻率高、服務(wù)器承接流量大等特點(diǎn)，因此，在整個(gè)CDN體系結(jié)構(gòu)中，緩存節(jié)點(diǎn)優(yōu)化策略有共性也必須有差異性優(yōu)化，本文主要針對(duì)服務(wù)器中的流媒體內(nèi)容被訪問的頻率給出相應(yīng)的緩存優(yōu)化策略。

在流媒體業(yè)務(wù)中，對(duì)于CDN來說，節(jié)點(diǎn)本身有限的緩存量也是制約業(yè)務(wù)發(fā)展的條件之一，除此之外，另一方面還需要保障視頻在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的流暢播放[12]。從以上分析可以看出，CDN緩存優(yōu)化策略是不可能百分百地提高CDN緩存命中率，也不能僅僅考慮某個(gè)單一條件，必須兼顧多個(gè)因素的優(yōu)化策略。

2 基于CDN緩存命中率的QoE模型

2.1 參數(shù)分析

從影響用戶QoE的因素來分析，以下幾個(gè)指標(biāo)是影響用戶QoE的關(guān)鍵指標(biāo)[13]：

①視頻初始延遲過長(zhǎng)；

②客戶端緩存殆盡，視頻暫停播放；

③帶寬波動(dòng)，碼率切變頻繁；

④碼率切變遲延過高，未能充分利用帶寬。

客戶端是用戶直接感受業(yè)務(wù)質(zhì)量的直接窗口，除此之外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、DNS服務(wù)器解析速度、CDN節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的緩存優(yōu)化策略、源服務(wù)器的推流策略等也會(huì)間接影響用戶QoE。本文主要研究CDN節(jié)點(diǎn)緩存命中率對(duì)用戶QoE的影響，提出關(guān)于CDN緩存命中率的初始延遲、客戶端緩存變化量、碼率切變事件的QoE模型。關(guān)于CDN緩存命中率、初始延遲、客戶端緩存量、碼率切變的關(guān)系式如式(1)所示：

(1)

其中，η表示CDN緩存的命中率，SQoE表示在一定CDN緩存命中率下，初始延遲、緩存量變化、碼率切變對(duì)用戶QoE的損傷值。其中Si表示在視頻初始時(shí)用戶QoE的損傷值，β表示在視頻播放過程中客戶端向CDN服務(wù)器請(qǐng)求視頻片段命中緩存時(shí)QoE損傷權(quán)值，Sm表示CDN客戶端緩存波動(dòng)時(shí)用戶QoE的損傷值，δ表示在視頻播放過程中網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)引起的碼率切變事件引起的QoE損傷權(quán)值，Sc表示碼率切變時(shí)用戶QoE的損傷值。其中β和δ滿足條件為0≤β≤1，0≤δ≤1，β+δ=1。

關(guān)于QoE的研究，學(xué)術(shù)界采用平均意見得分[16](mean opinion score, MOS)測(cè)試方法。通過調(diào)整視頻首個(gè)片段端在CDN節(jié)點(diǎn)中的命中率，得到的大量結(jié)果顯示用戶QoE與CDN節(jié)點(diǎn)命中率和初始延遲的關(guān)系式如式(2)所示：

(2)

其中，d表示初始延遲，t表示網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)率，ω表示視頻首個(gè)片段在CDN緩存中的命中率。

在整個(gè)視頻播放的過程中，緩沖的次數(shù)和緩沖的時(shí)間長(zhǎng)度成為衡量視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量的直接標(biāo)準(zhǔn)[16]。當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)起對(duì)應(yīng)片段的請(qǐng)求不命中時(shí)，延遲會(huì)相應(yīng)的增加。QoE與緩存變化的關(guān)系式如式(3)所示：

(3)

其中，t表示網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)頻率，Pfre表示視頻緩沖的次數(shù)，Tavg表示平均緩沖的時(shí)間，ε表示緩沖閥值。

碼率自適應(yīng)算法的目標(biāo)是根據(jù)帶寬的波動(dòng)和緩存的變化調(diào)整對(duì)應(yīng)的碼率請(qǐng)求參數(shù)，所以碼率的切變對(duì)用戶 QoE的影響不可避免。網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)大致分為逐步往上波動(dòng)、逐步向下波動(dòng)、突然震蕩波動(dòng)；總的可以分為一致性波動(dòng)和非一致性波動(dòng)，一致性波動(dòng)就是帶寬的吞吐量在逐漸降低或者上升；非一致性波動(dòng)就是網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)一兩次之后又會(huì)恢復(fù)到原來帶寬水平。所以帶寬波動(dòng)系數(shù)、碼率切變的次數(shù)和碼率切變的幅度也成為評(píng)價(jià)用戶QoE的關(guān)鍵指標(biāo)。用戶的QoE和以上參數(shù)的關(guān)系式如式(4)所示：

(4)

其中，t表示網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)頻率，bavg表示緩存的平均量，Vi表示碼率切變時(shí)對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間，ki表示相應(yīng)碼率切變時(shí)對(duì)用戶QoE的損傷權(quán)值。

2.2 解決方案

基于以上問題的分析，筆者將文獻(xiàn)[14]的策略再進(jìn)一步優(yōu)化，提出基于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平均等級(jí)的緩存替換策略。該策略主要分為兩部分，第一部分是以CDN節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，研究如何提高用戶請(qǐng)求碼率片段的命中率；另外一部分以客戶端為中心，結(jié)合CDN緩存的命中率指標(biāo)及客戶端的帶寬和緩存參數(shù)，提出基于CDN緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法。

在流媒體業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，將傳統(tǒng)的CDN緩存優(yōu)化策略進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。優(yōu)化策略如算法1所示。

算法1CDN服務(wù)器緩存優(yōu)化算法

輸入：碼率請(qǐng)求參數(shù)N集合

輸出：區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平均等級(jí)q

Step 1:模塊化CDN緩存。

Step 2:初始化CDN緩存。

Step 3:設(shè)置網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)閥值t。

Step 4:獲取客戶端的碼率請(qǐng)求參數(shù)集合N。

Step 5:計(jì)算出區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的平均等級(jí)y。

Step 6:使用貝葉斯公式P(A|B)=P(B|A)P(A)/P(B)計(jì)算出對(duì)應(yīng)碼率切片在緩存命中率m序列集合。

Step 7:根據(jù)切片的緩存命中率m逐次淘汰命中率低的緩存切片。

Step 8:判斷區(qū)域網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方差是否大于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)閥值t，若是轉(zhuǎn)step 9，否則轉(zhuǎn)step 4。

Step 9:以區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等級(jí)y對(duì)應(yīng)的碼率切片等級(jí)替換CDN緩存切片。

傳統(tǒng)的CDN緩存優(yōu)化策略只考慮到服務(wù)器端的優(yōu)化，僅采用推送的機(jī)制并未考慮到客戶端的影響。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的條件下，本文提出的算法1策略，可根據(jù)用戶的碼率請(qǐng)求參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的擁堵情況決定CDN緩存如何更新，該策略的關(guān)鍵步驟是在用戶的請(qǐng)求碼率參數(shù)中選取適應(yīng)該網(wǎng)絡(luò)的碼率切片參數(shù)，被選的碼率參數(shù)在所有碼率請(qǐng)求參數(shù)中具有較高比例，并以此碼率切片參數(shù)指標(biāo)作為更新CDN緩存的碼率指標(biāo)，以此提高組內(nèi)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的速度，減少節(jié)點(diǎn)與源服務(wù)器的通信，提高CDN緩存節(jié)點(diǎn)的命中率。

基于HTTP自適應(yīng)碼率算法[15]僅考慮客戶的因素，主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)情況和客戶端緩存的變化等條件減少視頻播放的初始時(shí)延和碼率切變時(shí)的時(shí)延，提高用戶的QoE。除了以上因素會(huì)降低用戶的QoE外，還有其他諸多因素也會(huì)降低用戶的QoE。本文提出基于CDN節(jié)點(diǎn)緩存的自適應(yīng)碼率算法，主要解決當(dāng)客戶端改變碼率請(qǐng)求時(shí)，降低整個(gè)通信周期的時(shí)延。現(xiàn)在的流媒體應(yīng)用已經(jīng)離不開CDN節(jié)點(diǎn)的支持。當(dāng)碼率切變時(shí)，時(shí)延會(huì)增加,這里所產(chǎn)生的時(shí)延除了客戶端的因素之外，還有一個(gè)因素就是CDN節(jié)點(diǎn)中沒有對(duì)應(yīng)的緩存響應(yīng)請(qǐng)求，則CDN節(jié)點(diǎn)服務(wù)器必須向源服務(wù)器發(fā)起相應(yīng)的請(qǐng)求，在無形中增加了響應(yīng)請(qǐng)求時(shí)間。在本文中，前面已經(jīng)根據(jù)用戶的碼率請(qǐng)求參數(shù)優(yōu)化了CDN節(jié)點(diǎn)的緩存替換策略，提高用戶請(qǐng)求在CDN緩存中響應(yīng)的命中率。接下來將介紹客戶端中基于CDN節(jié)點(diǎn)緩存命中的自適應(yīng)算法，具體流程如算法2所示。

算法2基于CDN緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法

輸入：客戶端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)p和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等級(jí)參數(shù)q

輸出：客戶端碼率請(qǐng)求參數(shù)S

Step 1:初始化客戶端緩存閥值m。

Step 2:取3 s內(nèi)帶寬抖動(dòng)的均方差作為閥值threshold。

Step 3:判斷當(dāng)前帶寬相對(duì)前1 s的波動(dòng)差是否大于threshold，若是則轉(zhuǎn)step4，否則轉(zhuǎn)step 6。

Step 4:判斷緩存量是否小于緩存閥值m,若是轉(zhuǎn)step5,否則轉(zhuǎn)step8。

Step 5:判斷客戶端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)p是否大于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等級(jí)參數(shù)q，若是轉(zhuǎn)step8，否則轉(zhuǎn)step7。

Step 6:保持當(dāng)下客戶端碼率請(qǐng)求參數(shù)S不變。

Step 7:客戶端碼率請(qǐng)求參數(shù)S為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等級(jí)對(duì)應(yīng)的碼率切片等級(jí)。

Step 8:客戶端碼率請(qǐng)求參數(shù)S為客戶端網(wǎng)絡(luò)等級(jí)對(duì)應(yīng)的碼率切片等級(jí)。

結(jié)合以上客戶端碼率選擇算法和CDN緩存的優(yōu)化算法能最大程度的提高用戶的QoE,降低CDN緩存命中率、初始延遲、緩存量變化、碼率切變對(duì)用戶QoE的損傷值SQoE。由于初始時(shí)的閥值碼率低于平均閥值，能夠達(dá)到快速啟動(dòng)的效果，從而降低用戶的初始延遲和降低初始化引起的損傷值Si；通過搜集碼率請(qǐng)求的參數(shù)找出只適合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的碼率參數(shù),優(yōu)化CDN節(jié)點(diǎn)的緩存,從而降低QoE的損傷值Sm,客戶端通過分別取3 s內(nèi)和前后2 s內(nèi)的帶寬變化,計(jì)算出相應(yīng)的帶寬波動(dòng)閥值，降低碼率切變的頻率，從而降低QoE的損傷值Sc。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在本文中，筆者對(duì)CDN節(jié)點(diǎn)的緩存進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)CDN緩存節(jié)點(diǎn)的緩存優(yōu)化策略調(diào)整客戶端的碼率自適應(yīng)算法,使用基于MPEG-DASH標(biāo)準(zhǔn)的開源庫libdash和自建的CDN節(jié)點(diǎn)在不同的場(chǎng)景下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和原生客戶端碼率自適應(yīng)算法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)率頻率較高，波動(dòng)幅度比較大，且網(wǎng)絡(luò)吞吐量也不穩(wěn)定。本算法旨在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)條件下提高用戶的QoE,所以本實(shí)驗(yàn)均在4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行。在源服務(wù)器中放置視頻不同碼率的片段，以平均碼率為參數(shù)初始化CDN緩存。

實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1主要是以本文提出的碼率自適應(yīng)算法與現(xiàn)有的開源平臺(tái)中的碼率自適應(yīng)算法和其他學(xué)者提出的算法作相應(yīng)的對(duì)比(圖1)；實(shí)驗(yàn)2以CDN緩存命中率、數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間RTT、丟包率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)基于緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法(CDNODR)和擁有傳統(tǒng)的CDN緩存優(yōu)化策略的libdash內(nèi)置碼率自適應(yīng)算法的(CDNOT)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比并分析(圖2)；實(shí)驗(yàn)3采用QoE的MOS評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，獲取基于緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法(CDNODR)和擁有傳統(tǒng)的CDN緩存優(yōu)化策略的libdash內(nèi)置碼率自適應(yīng)算法的MOS值進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)。

實(shí)驗(yàn)1主要與已有的開源平臺(tái)和其他學(xué)者提出的算法進(jìn)行性能上的分析與比較。分別對(duì)本文提出的CDNODR算法與ijkplayer、EasyDarwi、Open Source Media Framework(OSMF)的算法碼率選擇穩(wěn)定性、RTT時(shí)延和CDN緩存命中三個(gè)性能指標(biāo)作比較(圖1)。

從圖1中可以看出，目前的碼率自適應(yīng)算法基本都沒考慮到CDN節(jié)點(diǎn)命中率對(duì)應(yīng)用性能的影響。把對(duì)應(yīng)的算法應(yīng)用到CDN節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的碼率自適應(yīng)算法ijkplayer、EasyDarwi和OSMF在網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的時(shí)候?qū)Υa率的切變幅度明顯比CDNODR算法的碼率切變幅度大。從圖2和圖3中可以看出，由于CDNODR算法是根據(jù)CDN緩存的優(yōu)化而進(jìn)一步優(yōu)化而來，所以該算法相比其他三種算法，RTT延遲有明顯的降低。

實(shí)驗(yàn)2共分為4組，4組分別取不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，每組找10個(gè)志愿者進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)志愿者向服務(wù)器發(fā)起5次請(qǐng)求，每次請(qǐng)求持續(xù)60 s。第1組的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為靠近基站且沒有高大建筑物遮擋；第2組讓測(cè)試者走在街道上；第3組為用戶坐在行駛的公交車上；第4組為測(cè)試者坐在行駛的地鐵上。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄對(duì)應(yīng)碼率片段在CDN緩存中是否命中、RTT時(shí)延和初始時(shí)延，最后取平均值。

圖1 各算法的碼率選擇等級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics on the bit rate selection level of each algorithm

圖2 各算法 RTT時(shí)延對(duì)比圖Fig.2 Comparison chart of RTT delay of each algorithm

圖3 CDN緩存命中率的對(duì)比圖(實(shí)驗(yàn)1)Fig.3 Comparison of CDN cache hit ratio (experiment 1)

實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果如表1所示，第1組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明在網(wǎng)絡(luò)較好時(shí)，兩種算法的性能比較接近。在第2組～第4組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出在網(wǎng)絡(luò)條件比較差的條件下，結(jié)合CDN緩存命中率策略的碼率自適應(yīng)算法相比于傳統(tǒng)的libdash內(nèi)置的碼率自適應(yīng)算法，前者和后者的各項(xiàng)參數(shù)都有一定的降低，都受到了不同程度的影響，但是CDN緩存的命中率卻有明顯的提高，并且RTT時(shí)延和視頻的初始時(shí)延隨著CDN緩存的命中率的提升都有相應(yīng)的縮短。

實(shí)驗(yàn)2中，與基于碼率平均等級(jí)的CDN緩存優(yōu)化策略對(duì)比的是三級(jí)式CDN緩存優(yōu)化策略。三級(jí)式CDN緩存優(yōu)化策略是文獻(xiàn)[14]針對(duì)流媒體應(yīng)用提出的CDN緩存優(yōu)化策略，該策略根據(jù)用戶的訪問方式，把緩存分為三個(gè)不同的模塊和優(yōu)先級(jí)別，采用末尾淘汰制替換相應(yīng)緩存片段。在開始階段，基于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平均等級(jí)緩存優(yōu)化策略的CDN服務(wù)器和三級(jí)式CDN緩存優(yōu)化策略的服務(wù)器緩存命中率均保持在58 %左右，隨著在線用戶的增加，前者的CDN緩存命中率的提升至78 %左右。其原因在于前者考慮CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的平均等級(jí)，大部分用戶能直接從CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中獲取到相應(yīng)的碼率切片。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明基于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平均等級(jí)的CDN緩存優(yōu)化策略在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

其標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。邀請(qǐng)40位參與者觀看視頻，讓40位參與者均勻分成四組進(jìn)入對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境，每個(gè)人觀看視頻時(shí)間為3 min，最后統(tǒng)計(jì)平均MOS值。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比(實(shí)驗(yàn)2)Tab.1 Comparison of experimental parameters in different network environments(experiment 2)

表2 MOS評(píng)分表Tab.2 MOS score sheet

表3 MOS評(píng)分對(duì)比Tab.3 Comparison of MOS score

實(shí)驗(yàn)3的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，基于CDN緩存的碼率自適應(yīng)算法的MOS值相比于傳統(tǒng)libdash中內(nèi)置的碼率自適應(yīng)算法具有明顯的提高。當(dāng)CDN緩存的命中率提高后，CDN節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器的通信量自然隨著降低，從而降低時(shí)延，提高用戶QoE。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)CDN緩存策略進(jìn)行優(yōu)化，提出基于CDN緩存命中率的碼率自適應(yīng)算法?？偨Y(jié)出影響用戶QoE的因素可以分為5個(gè)方面，客戶端啟動(dòng)延遲、客戶端緩存、CDN緩存命中率、帶寬波動(dòng)頻率和用戶的主觀評(píng)價(jià)這6個(gè)方面來綜合評(píng)價(jià)用戶的QoE。在文中進(jìn)一步分析CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的情況，分析影響CDN緩存命中率過低的因素，調(diào)整服務(wù)器端推流策略和優(yōu)化CDN緩存策略，提高CDN服務(wù)器的緩存命中率。該算法主要根據(jù)用戶的RRT波動(dòng)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)以判斷相應(yīng)的用戶請(qǐng)求在CDN節(jié)點(diǎn)中是否命中，調(diào)整碼率請(qǐng)求參數(shù)，提高用戶QoE。