運營商CDN系統(tǒng)視頻內(nèi)容存儲調(diào)度策略探討

洪一帆

運營商CDN系統(tǒng)視頻內(nèi)容存儲調(diào)度策略探討

洪一帆

（中移（杭州）信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311114）

為了提升網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)的體驗度，各大運營商建立了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提供了電視視頻服務(wù)。由于視頻內(nèi)容和用戶數(shù)量的日益增加，相應(yīng)擴大了視頻建設(shè)需求。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊緣節(jié)點比較多，且不同節(jié)點的存儲能力差異大，必須精細(xì)化管理邊緣節(jié)點內(nèi)容的存儲和調(diào)度。基于內(nèi)容管理，探討分析了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)視頻內(nèi)容的存儲策略，以期全面提升邊緣節(jié)點調(diào)度頻率和服務(wù)優(yōu)質(zhì)性。

運營商；內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；視頻內(nèi)容；存儲調(diào)度

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的過程中，視頻業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增長，在新型視頻業(yè)務(wù)發(fā)展的同時，運營商數(shù)據(jù)流量明顯增長，視頻流量已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)流量激增的主要原因。當(dāng)前，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)接入普及率提升，硬件計算性能得以優(yōu)化，相應(yīng)提升了用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求。用戶希望在短時間內(nèi)通過互聯(lián)網(wǎng)獲得內(nèi)容服務(wù)，視頻服務(wù)的大流量導(dǎo)致服務(wù)存在質(zhì)量安全問題。

為了改善互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，需要合理應(yīng)用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化配置寬帶流媒體內(nèi)容，促使用戶能夠就近訪問所需內(nèi)容，從根本上提升網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)速度。

1 CDN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及內(nèi)容存儲需求

在電信運營中，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是承載網(wǎng)絡(luò)，既可以承載多種業(yè)務(wù)，還需要對終端用戶提供服務(wù)。借助于城域網(wǎng)，將視頻內(nèi)容分發(fā)服務(wù)提供給寬帶用戶?，F(xiàn)階段，寬帶業(yè)務(wù)城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括業(yè)務(wù)接入控制層、核心層。部分大型城域網(wǎng)還包含匯聚層路由器，不同城域網(wǎng)核心路由器直接連接骨干網(wǎng)路由器。

視頻內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠提升組網(wǎng)靈活性，立足于網(wǎng)絡(luò)實況，聯(lián)合用戶發(fā)展，建設(shè)多層次化的組網(wǎng)架構(gòu)。當(dāng)前，電信運營商的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多以省級為單位，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的視頻服務(wù)。通過該系統(tǒng)，可以實時管理和控制各類設(shè)備，并且在中心層建立內(nèi)容副本。中心層主要是為用戶提供服務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大，邊緣節(jié)點會將內(nèi)容服務(wù)請求下發(fā)給省級單位，相應(yīng)增加了省級的壓力。在中心層、邊緣節(jié)點之間設(shè)置區(qū)域中心，以此管理和控制區(qū)域。同時存儲內(nèi)容副本，確保邊緣層能夠直接訪問。

1.1 省中心節(jié)點

該節(jié)點是內(nèi)容源中心，隸屬于省內(nèi)業(yè)務(wù)，能夠為內(nèi)容提供商、運營商提供平臺支持，還能夠接收省內(nèi)業(yè)務(wù)，存儲業(yè)務(wù)內(nèi)容源。如果內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)能夠支持定向調(diào)度，中心節(jié)點需要面向用戶提供服務(wù)；如果內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能夠支持中繼調(diào)度方式，則不能向用戶提供服務(wù)。

1.2 區(qū)域中心節(jié)點

其具備內(nèi)容存儲與分發(fā)功能，并可為區(qū)域提供服務(wù)，確保熱點內(nèi)容存儲的安全性。同時，還能夠為用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)，通過內(nèi)容分發(fā)至邊緣節(jié)點實現(xiàn)。當(dāng)用戶邊緣訪問不成功時，如果內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持定向的方式，則由區(qū)域中心點直接將業(yè)務(wù)服務(wù)提供給用戶；如果內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持中繼方式，會導(dǎo)致區(qū)域中心節(jié)點不斷向省中心節(jié)點回源。

1.3 邊緣節(jié)點

該節(jié)點面向用戶，將業(yè)務(wù)服務(wù)節(jié)點提供給不同終端，例如下載服務(wù)、流業(yè)務(wù)服務(wù)。邊緣節(jié)點只可以對熱門內(nèi)容進(jìn)行存儲，該業(yè)務(wù)服務(wù)方式是一種基于網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)，因此，能提供推流服務(wù)、存儲服務(wù)、點播業(yè)務(wù)。如果用戶訪問邊緣不成功，且內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持定向方式，則通過邊緣節(jié)點向上級節(jié)點發(fā)送用戶請求；當(dāng)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持中繼方式，則邊緣節(jié)點會向上一級節(jié)點回源。

在對節(jié)點所在位置、功能特點進(jìn)行分析后，電信運營商可以指令省級中心電存儲兩份以上實體文件，深入分析存儲容量問題。省級中心節(jié)點主要是進(jìn)行全量內(nèi)容存儲，邊緣節(jié)點主要是對高熱度點播內(nèi)容、時移內(nèi)容、全量內(nèi)容進(jìn)行存儲。對于提供視頻業(yè)務(wù)的地區(qū)，則應(yīng)當(dāng)布設(shè)省級中心；針對存在內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)系統(tǒng)需求的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)布設(shè)區(qū)域中心節(jié)點，確保點播請求命中率可以達(dá)到100%。如果進(jìn)行邊緣節(jié)點部署，則必須將點播請求命中率提升到80%，此時就會出現(xiàn)大量邊緣節(jié)點。為了確保在邊緣節(jié)點服務(wù)器上滿足用戶的服務(wù)請求，應(yīng)提升命中率，確保用戶視頻業(yè)務(wù)體驗度不斷提升。同時，邊緣節(jié)點還能夠集約化處理存儲能力，降低了邊緣節(jié)點的投資成本。為了實現(xiàn)以上功能要求，必須根據(jù)視頻內(nèi)容熱度，對中心節(jié)點全量內(nèi)容存儲進(jìn)行分析和研究?；诓煌卣鞣植?、更新頻率、內(nèi)容規(guī)模，應(yīng)當(dāng)對邊緣節(jié)點存儲容量進(jìn)行深入研究，通過各項有效措施提升命中率，實現(xiàn)內(nèi)容存儲替換，對視頻內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)化管理和調(diào)度。

2 內(nèi)容精細(xì)化存儲調(diào)度策略研究

2.1 存儲策略的因素分析

視頻媒體具備延時性、敏感性、交互性等特點，內(nèi)容數(shù)據(jù)流量比較大。內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)主要借助于邊緣節(jié)點，不斷提升用戶的優(yōu)質(zhì)服務(wù)體驗。但針對視頻內(nèi)容增長速度，還應(yīng)當(dāng)處理好邊緣節(jié)點內(nèi)容存儲問題，這對邊緣節(jié)點服務(wù)器的緩存內(nèi)容和空間要求比較高。內(nèi)容存儲策略的有效性會直接影響用戶體驗度以及節(jié)目投資力度。內(nèi)容存儲策略可以有效處理存儲空間和內(nèi)容問題，充分考慮到視頻內(nèi)容流行性問題。如果多次請求同一個視頻內(nèi)容，則應(yīng)當(dāng)將該視頻放入邊緣節(jié)點當(dāng)中。如果某一個視頻內(nèi)容長期未被請求，則邊緣節(jié)點不再緩存該內(nèi)容。用戶訪問次數(shù)和請求時間間隔等行為會直接影響視頻內(nèi)容的請求程度。

2.2 Zipf分布

分析用戶視頻內(nèi)容的請求歷史數(shù)據(jù)能夠看出，其占據(jù)視頻總數(shù)量的比例比較低。當(dāng)大量用戶請求同一個視頻時，就會使其成為熱門內(nèi)容，相應(yīng)降低其他片源請求率。對于熱播片源來說，當(dāng)片源請求度降低時，就不再屬于熱播片源，此時新的片源會躋身熱播視頻內(nèi)容行列。片源熱度=單部片源請求次數(shù)/總點播次數(shù)。根據(jù)計算與分析能夠看出，片源熱度滿足Zipf分布規(guī)律。

2.3 內(nèi)容精細(xì)化存儲調(diào)度策略

Zipf分布中的二八原則屬于理想化狀況，在大樣本數(shù)量下進(jìn)行推演，然而由于受到多種因素的影響，無法有效實現(xiàn)該目標(biāo)。此時，就需要不斷探索節(jié)點邊緣的精細(xì)化內(nèi)容，按照用戶請求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在應(yīng)用具體的存儲策略時，必須全面考慮到片源點播熱度問題。

對于單部片源來說，新片上映會通過視頻系統(tǒng)推薦和廣告宣傳提升曝光率，相應(yīng)增加用戶請求量和關(guān)注度，不斷增加影片的熱度。用戶在觀看過影片之后就會相應(yīng)降低關(guān)注度，片源點播熱度也會趨于平衡。不同影片均具有不同的熱度變化過程，所以在TV視頻業(yè)務(wù)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)按照影片熱度變化情況及時調(diào)節(jié)邊緣節(jié)點的存儲。

對于視頻內(nèi)容調(diào)度管理策略，則應(yīng)當(dāng)考慮到片源特點和用戶行為習(xí)慣，注重用戶點擊率和關(guān)注度。如果根據(jù)傳統(tǒng)方式將排名前20%的片源納入到邊緣節(jié)點服務(wù)器當(dāng)中，這會導(dǎo)致多數(shù)視頻內(nèi)容已經(jīng)被用戶所觀看，極易出現(xiàn)回放和點播行為，相應(yīng)降低了片源的播放率和點擊率，從而影響了點擊率分布的均勻性。所以，在應(yīng)用此種存儲服務(wù)時，雖然可以提升邊緣命中率，但是卻無法有效控制邊緣節(jié)點的存儲空間，極易出現(xiàn)存儲空間浪費問題，無法充分規(guī)劃和應(yīng)用邊緣節(jié)點存儲空間，只可以通過固定緩存片源前綴對存儲空間進(jìn)行合理規(guī)劃。然而，一部影片當(dāng)中常常具有多個高潮點，為了將高潮點合理存儲到邊緣節(jié)點服務(wù)器中，必須合理應(yīng)用片源自身特性、用戶訪問行為的媒體分段方法。

對于片源熱度，在收看高熱度片源、低熱度片源期間，用戶在觀看開頭片段時，兩者的歡迎程度上具備一致性，主要是在中間段落和結(jié)尾段落出現(xiàn)不同的觀看分布情況。所以，在精細(xì)化運營期間，需要針對該項問題進(jìn)行探究，按照命中率計算公式“邊緣節(jié)點命中內(nèi)容長度÷用戶請求長度”計算。所以，對于熱度比較低的片源來說，所應(yīng)用的存儲策略為存儲影片開頭段落，盡管能縮短播放啟動時間，但這卻無法提升命中率。針對熱度比較高的片源，用戶可能不會完整觀看整個影片。當(dāng)片源熱度比較低時，也不能確保用戶不觀看到整個影片，所以需要對片源進(jìn)行切片存儲處理。按照用戶訪問習(xí)慣，對不同熱度的片源進(jìn)行調(diào)整，將最佳切片存儲在邊緣節(jié)點。建立用戶請求模型，在運營期間對視頻內(nèi)容切片進(jìn)行動態(tài)化刪減，還應(yīng)對存儲策略進(jìn)行優(yōu)化，全面提升邊緣節(jié)點的命中率，而非只對邊緣節(jié)點存儲容量進(jìn)行擴充。

3 結(jié)束語

綜上所述，運營商在提供視頻內(nèi)容服務(wù)時，可以應(yīng)用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)，將系統(tǒng)片源存儲于中心節(jié)點服務(wù)器。對于邊緣節(jié)點服務(wù)器來說，其功能在于存儲區(qū)域內(nèi)的用戶請求、片源副本。由于中心節(jié)點服務(wù)器、邊緣節(jié)點服務(wù)器的存儲職能不一致，通過應(yīng)用中心節(jié)點服務(wù)器可以明確存儲量，通過應(yīng)用邊緣節(jié)點服務(wù)器則無法明確存儲量。邊緣節(jié)點服務(wù)器存儲容量會對地區(qū)用戶體驗度造成影響，還會決定系統(tǒng)投資建設(shè)的力度。此次研究詳細(xì)介紹了視頻內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)模式，明確了不同節(jié)點所處的位置和功能，提出在制訂邊緣節(jié)點存儲策略時需要考慮的各項因素、合理有效的內(nèi)容調(diào)度方法，充分考慮了片源特性和用戶行為習(xí)慣因素。通過分析用戶行為習(xí)慣，需要建立高熱度、低熱度片源的不同存儲策略，并不斷提升邊緣節(jié)點存儲空間的利用率，以此降低系統(tǒng)建設(shè)成本，從根本上提升服務(wù)命中率。

［1］張鐵楠.云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制的研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2019，15（25）：11-12，17.

［2］張錦輝，鄧茜，李振宇.網(wǎng)絡(luò)編碼與多路徑傳輸在互聯(lián)網(wǎng)視頻直播中的應(yīng)用研究［J］.計算機科學(xué)，2019，46（8）：171-177.

TP393.02

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.059

2095－6835（2020）01－0145－02

〔編輯：張思楠〕