面向電信專用視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的成本評(píng)估

蒲音舒,葉德建,姜秀艷,劉 新

(1.復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院,上海201203;2.網(wǎng)絡(luò)信息安全審計(jì)與監(jiān)控教育部工程研究中心,上海201203)

面向電信專用視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的成本評(píng)估

蒲音舒1,2,葉德建1,2,姜秀艷1,2,劉 新1,2

(1.復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院,上海201203;2.網(wǎng)絡(luò)信息安全審計(jì)與監(jiān)控教育部工程研究中心,上海201203)

電信運(yùn)營商專用視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)是未來承擔(dān)智能電視視頻分發(fā)的主力,但急劇上升的成本嚴(yán)重制約電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)該情況,從成本控制角度對(duì)電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的分發(fā)策略進(jìn)行評(píng)估。提出成本相關(guān)的評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù),以上海電信網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)為例分析實(shí)際用戶行為,構(gòu)建大規(guī)模視頻內(nèi)容分發(fā)仿真系統(tǒng),進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)間的定量關(guān)系,該分發(fā)策略能夠使系統(tǒng)成本最小,為電信運(yùn)營商選擇內(nèi)容分發(fā)策略提供理論依據(jù)。

智能電視;網(wǎng)絡(luò)電視;內(nèi)容分發(fā);成本控制;性能評(píng)估;用戶行為

1 概述

電視作為家庭娛樂的中心,將成為下一代智能化的主力。由于電視本身的特性,視頻業(yè)務(wù)將是智能電視的核心業(yè)務(wù)之一。相比互聯(lián)網(wǎng)視頻,智能電視視頻業(yè)務(wù)在速度、質(zhì)量和穩(wěn)定性等方面都有更高的要求。因此,大部分智能電視視頻業(yè)務(wù)都采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network,CDN)[1]進(jìn)行內(nèi)容傳輸,以保證服務(wù)質(zhì)量。

相比普通CDN,電信運(yùn)營商CDN通常是建立在單一運(yùn)營商自營的底層網(wǎng)絡(luò)之上,不需要租賃帶寬,且對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)有全面的了解,能進(jìn)行更緊密的耦合,更易于對(duì)內(nèi)容分發(fā)進(jìn)行優(yōu)化。因此,電信運(yùn)營商CDN可能成為主導(dǎo)面向智能電視視頻專用CDN的重要力量。

本文根據(jù)電信運(yùn)營商視頻CDN系統(tǒng)實(shí)際情況,從成本控制角度,對(duì)電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)策略進(jìn)行了評(píng)估。將內(nèi)容分發(fā)策略抽象成易于調(diào)控的參數(shù),計(jì)算各分發(fā)策略對(duì)應(yīng)所需的成本,以成本作為主要指標(biāo)評(píng)估內(nèi)容分發(fā)。為了使評(píng)估具有實(shí)際意義,對(duì)電信運(yùn)營商視頻CDN系統(tǒng)真實(shí)用戶行為進(jìn)行了分析,用真實(shí)數(shù)據(jù)激勵(lì)仿真系統(tǒng)。

2 相關(guān)工作

電信運(yùn)營商視頻CDN是典型的“核心+區(qū)域+邊緣”3級(jí)內(nèi)容分發(fā)架構(gòu),如圖1所示。雖然相比其他CDN擁有一定的成本優(yōu)勢(shì),但成本控制在電信運(yùn)營商視頻CDN中也非常重要。因?yàn)殡S著系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大,邊緣節(jié)點(diǎn)的容量和數(shù)量都需要不斷提高,部署成本和運(yùn)營成本都急劇增加,極大地限制了系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1 電信運(yùn)營商視頻CDN系統(tǒng)架構(gòu)

為保證電信運(yùn)營商視頻CDN系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,希望通過減小邊緣節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)配置而減小系統(tǒng)成本。但減小邊緣節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)勢(shì)必引起區(qū)域節(jié)點(diǎn)到邊緣節(jié)點(diǎn)的流量增加,導(dǎo)致帶寬成本增加。如何找到邊緣節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和區(qū)域節(jié)點(diǎn)到邊緣節(jié)點(diǎn)帶寬配置的平衡點(diǎn),使系統(tǒng)總成本最小,是需要解決的問題。

CDN技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,針對(duì)CDN進(jìn)行性能評(píng)估和優(yōu)化的研究也不少。文獻(xiàn)[2]從下載速度方面對(duì)目前最大的商用CDN系統(tǒng)Akamai進(jìn)行了性能評(píng)估。文獻(xiàn)[3]對(duì)IPTV CDN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層流量進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[4]從成本和性能兩方面考慮,設(shè)計(jì)了一種高效的算法來計(jì)算內(nèi)容文件在多個(gè)CDN中的分配。文獻(xiàn)[5]通過優(yōu)化緩存管理策略使緩存利用最大化,從而減小帶寬成本。這些研究都嘗試評(píng)估和優(yōu)化CDN系統(tǒng)的性能表現(xiàn),減小帶寬成本,但它們大部分都是針對(duì)普通CDN的。

電信運(yùn)營商CDN由于在近年來才開始興起,針對(duì)其的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[6]評(píng)估了不同內(nèi)容放置策略和路由策略對(duì)電信運(yùn)營商CDN流量的影響。文獻(xiàn)[7]證明了通過不同電信運(yùn)營商CDN之間的合作,可以減小系統(tǒng)成本。

混合架構(gòu)也是提升CDN性能表現(xiàn)的一個(gè)重要研究方向。文獻(xiàn)[8-9]都建立了P2P CDN架構(gòu)來評(píng)估和提升分發(fā)性能。但是根據(jù)筆者之前的研究,這種架構(gòu)目前還不適用于電信視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)[10]。

綜上所述,目前并沒有從成本控制角度直接對(duì)單個(gè)電信運(yùn)營商CDN進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化的研究。

3 主要評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)

目前大部分研究都是從性能表現(xiàn)和用戶體驗(yàn)等方面進(jìn)行評(píng)估。而本文則從電信運(yùn)營商角度提出了他們真正關(guān)心的成本相關(guān)的指標(biāo)以及影響評(píng)估指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)。

3.1 主要評(píng)估指標(biāo)

希望在保證用戶體驗(yàn)的前提下減小電信運(yùn)營商視頻CDN系統(tǒng)的成本,因此,本文提出了2種類型的評(píng)估指標(biāo):性能指標(biāo)和成本相關(guān)指標(biāo)。可以利用性能指標(biāo)反映系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn),通過成本相關(guān)指標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)的成本。

邊緣命中率(EHR):性能指標(biāo),由邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行服務(wù)的請(qǐng)求數(shù)與總請(qǐng)求數(shù)的比例。邊緣命中率代表了邊緣節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力,可以從側(cè)面反映用戶體驗(yàn)。所提出的優(yōu)化分發(fā)策略必須滿足系統(tǒng)對(duì)邊緣命中率的要求。

峰值流量:成本相關(guān)指標(biāo),從區(qū)域節(jié)點(diǎn)到邊緣節(jié)點(diǎn)的最大流量,單位為千兆比特每秒(Gb/s)。峰值流量反映了系統(tǒng)對(duì)帶寬的實(shí)際需求,對(duì)系統(tǒng)成本有很大影響。

峰值存儲(chǔ):成本相關(guān)指標(biāo),邊緣節(jié)點(diǎn)的最大存儲(chǔ),單位為千兆字節(jié)(GB)。峰值存儲(chǔ)反映了邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)存儲(chǔ)的實(shí)際需求,對(duì)系統(tǒng)成本有很大影響。

3.2 相關(guān)參數(shù)

電信視頻CDN系統(tǒng)分發(fā)策略可分為2個(gè)部分:

(1)下拉策略:邊緣節(jié)點(diǎn)會(huì)首先嘗試滿足用戶請(qǐng)求,若不能滿足,則由更高層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)。如果邊緣節(jié)點(diǎn)中未存儲(chǔ)影片的請(qǐng)求次數(shù)超過了一定閾值,則將該影片從區(qū)域節(jié)點(diǎn)下拉到邊緣節(jié)點(diǎn)。

(2)刪除策略:在邊緣節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的影片如果一段時(shí)間內(nèi)未被請(qǐng)求,則會(huì)被刪除。

根據(jù)以上分發(fā)策略,本文總結(jié)了一些對(duì)評(píng)估指標(biāo)有影響的且易于調(diào)控的參數(shù),電信運(yùn)營商可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來優(yōu)化分發(fā)策略,主要參數(shù)包括:

(1)下拉閾值:根據(jù)下拉策略,為邊緣節(jié)點(diǎn)中未存儲(chǔ)影片的請(qǐng)求閾值,單位為次。

(2)刪除閾值:根據(jù)刪除策略,為影片在邊緣節(jié)點(diǎn)中的保存時(shí)長,單位為天。

4 真實(shí)用戶行為分析

用戶行為對(duì)內(nèi)容分發(fā)表現(xiàn)有很大影響,有必要對(duì)系統(tǒng)實(shí)際用戶行為進(jìn)行分析。關(guān)于用戶行為分析的研究已有很多[11-12],但每個(gè)系統(tǒng)都是不相同的,必須根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況對(duì)內(nèi)容分發(fā)策略進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。上海電信IPTV系統(tǒng)采用上海電信專用視頻CDN,擁有近200萬付費(fèi)用戶,是國內(nèi)規(guī)模較大的電視視頻CDN系統(tǒng)。獲取上海電信IPTV系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù),用以分析電信視頻CDN的典型情況。

收集了上海電信IPTV系統(tǒng)近期的用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)每天的用戶請(qǐng)求超過12萬次,被播放的影片超過2萬部。

將一部影片一天中播放的次數(shù)定義為影片熱門度。發(fā)現(xiàn)影片熱門度符合M-Zip分布[13],如圖2所示。

圖2 影片熱門度分布

在M-Zip分布中,影片i被播放的可能性為:

其中:

其中,N是影片數(shù)量;α是斜率;q代表曲線頭部的平坦程度。根據(jù)擬合,α=0.9,q=18.5。

用戶觀看時(shí)長分布如圖3所示。發(fā)現(xiàn)用戶觀看時(shí)長具有長尾效應(yīng)[14]。超過半數(shù)用戶觀看時(shí)長不超過3 min,只有5%用戶的觀看時(shí)長超過1h。

圖3 用戶觀看時(shí)長分布

還分析了用戶的到達(dá)量與時(shí)間的關(guān)系,如圖4所示。用戶到達(dá)的峰值為20:00～22:00,這時(shí)的平均到達(dá)速率超過180人/min。

圖4 用戶到達(dá)量分布

5 仿真實(shí)驗(yàn)

電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)涉及到底層環(huán)境、用戶行為等復(fù)雜情況,難以用簡單的理論模型對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。為此,實(shí)現(xiàn)了電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)仿真系統(tǒng),進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn),可以獲得評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)間的定量關(guān)系,評(píng)估各分發(fā)策略的表現(xiàn)。

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)第4節(jié)所得的真實(shí)數(shù)據(jù)設(shè)置仿真條件,主要仿真條件如下:

(1)構(gòu)建了一個(gè)3級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),用戶數(shù)量約為300萬;

(2)可點(diǎn)播影片總數(shù)量為120 000部;

(3)每天被點(diǎn)播影片數(shù)量為20 000部;

(4)影片時(shí)長為60 min;

(5)影片碼率為1.3 Mb/s。此碼率為影片存儲(chǔ)碼率,影片傳輸時(shí)會(huì)加入一些冗余因素,因此傳輸碼率在此基礎(chǔ)上增加20%;

(6)影片熱門度符合M-Zipf分布,根據(jù)第4節(jié)的擬合,設(shè)定α=0.9,q=18.5;

(7)用戶觀看影片時(shí)長設(shè)置如圖3所示;

(8)用戶到達(dá)速率設(shè)置如圖4所示,利用泊松分布[15]模擬用戶到達(dá)。

5.2 相關(guān)參數(shù)對(duì)評(píng)估指標(biāo)的影響

改變下拉閾值和刪除閾值的值,觀察它們對(duì)峰值存儲(chǔ)、峰值流量以及邊緣命中率的影響,如圖5～圖7所示。

圖5 相關(guān)參數(shù)對(duì)峰值存儲(chǔ)的影響

圖6 相關(guān)參數(shù)對(duì)峰值流量的影響

圖7 相關(guān)參數(shù)對(duì)邊緣命中率的影響

當(dāng)下拉閾值上升時(shí),峰值存儲(chǔ)減小、峰值流量和邊緣命中率上升。這是因?yàn)橄吕撝档纳仙瓜吕竭吘壒?jié)點(diǎn)影片的數(shù)量減少,更多的請(qǐng)求需要由區(qū)域節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)。而當(dāng)下拉閾值持續(xù)上升時(shí),峰值存儲(chǔ)的減小幅度放緩。根據(jù)第4節(jié),影片熱門度存在長尾效應(yīng),下拉閾值越大,該請(qǐng)求次數(shù)所對(duì)應(yīng)的影片數(shù)量越少,峰值存儲(chǔ)的減小幅度放緩。

當(dāng)刪除閾值上升時(shí),峰值存儲(chǔ)增加,峰值流量和邊緣命中率變動(dòng)幅度很小。峰值存儲(chǔ)增加是因?yàn)檫吘壒?jié)點(diǎn)所能保存的影片數(shù)量增大。峰值流量和邊緣命中率變動(dòng)幅度很小是因?yàn)橹挥胁シ糯螖?shù)超過下拉閾值并且未在邊緣節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的影片才會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生影響,而由于在相對(duì)較短時(shí)間段內(nèi)每天的總請(qǐng)求數(shù)和影片熱門度基本保持不變,這部分影片的數(shù)量非常小,因此對(duì)峰值流量和邊緣命中率的影響很小。而如果將刪除閾值設(shè)置較大的話會(huì)導(dǎo)致邊緣存儲(chǔ)量劇增,與電信運(yùn)營商減小邊緣存儲(chǔ)、平衡資源配置的初衷相違背。

5.3 內(nèi)容分發(fā)成本評(píng)估

在5.2節(jié)中,得了評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)間的定量關(guān)系,但這并不是最終目的。希望從成本控制的角度對(duì)內(nèi)容分發(fā)策略進(jìn)行評(píng)估,有了成本相關(guān)指標(biāo)和參數(shù)間的定量關(guān)系,就可以計(jì)算相應(yīng)分發(fā)策略參數(shù)設(shè)置下系統(tǒng)所需的成本。

假設(shè)采用最簡單的成本計(jì)算方式:

當(dāng)C1=20 000元/(Gb·s-1),C2=5 000元/TB時(shí),獲得的成本曲線如圖8所示。發(fā)現(xiàn)刪除閾值越大,總成本越高。

隨著下拉閾值上升時(shí),曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn),而這個(gè)拐點(diǎn)就意味著存儲(chǔ)和帶寬配置的平衡點(diǎn),意味著總成本的最小值。在圖8中,當(dāng)下拉閾值為4,刪除閾值為5時(shí),獲得了總成本的最小值10.72萬元,將此時(shí)的設(shè)置看作是最優(yōu)化的內(nèi)容分發(fā)參數(shù)設(shè)置。

在實(shí)際系統(tǒng)中,除了系統(tǒng)成本,還需要考慮系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。用邊緣命中率來代表系統(tǒng)的性能表現(xiàn),因?yàn)檫@個(gè)指標(biāo)可以反映用戶請(qǐng)求得到響應(yīng)的及時(shí)程度,從而從側(cè)面反映出用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)總成本最小(下拉閾值為4,刪除閾值為5)時(shí),邊緣命中率為80%左右,此時(shí)運(yùn)營商可以根據(jù)他們的實(shí)際需求判斷該分發(fā)策略配置是否可行。

圖8 相關(guān)參數(shù)對(duì)總成本的影響

本文所提出的評(píng)估指標(biāo)都是電信運(yùn)營商切實(shí)關(guān)心的,相關(guān)參數(shù)都是根據(jù)實(shí)際內(nèi)容分發(fā)策略抽象出且易于運(yùn)營商進(jìn)行配置的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是建立在大量真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。電信運(yùn)營商可以參考本文的研究進(jìn)行分發(fā)策略選擇和配置。當(dāng)然,實(shí)際中邊緣存儲(chǔ)和帶寬都會(huì)存在限制、成本的計(jì)算方式也更復(fù)雜,運(yùn)營商可以根據(jù)實(shí)際需求做細(xì)節(jié)調(diào)整。

6 結(jié)束語

智能電視發(fā)展十分迅速。可擴(kuò)展的、成本可控的分發(fā)策略是智能電視大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。為此,從成本角度評(píng)估了電信運(yùn)營商專用視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)分發(fā)策略的表現(xiàn)。為了使研究具有實(shí)際意義,本文提出了運(yùn)營商真正關(guān)心的成本相關(guān)的評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù),分析了電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的真實(shí)用戶行為,并構(gòu)建大規(guī)模電信運(yùn)營商視頻內(nèi)容分發(fā)仿真系統(tǒng),以真實(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜陀脩粜袨榧?lì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)獲得了評(píng)估指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)間的定量關(guān)系,提出了使內(nèi)容分發(fā)總成本最小的分發(fā)策略。本文為電信運(yùn)營商優(yōu)化內(nèi)容分發(fā)策略、設(shè)置分發(fā)參數(shù)提供了理論依據(jù)。

下一步工作還會(huì)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究,如建立更全面的用戶模型,對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化等。

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編輯 顧逸斐

Cost Evaluation for Telecom Special Video Content Distribution System

PU Yinshu1,2,YE Dejian1,2,JIANG Xiuyan1,2,LIU Xin1,2
(1.Software School,Fudan University,Shanghai 201203,China;
2.Engineering Research Center of Cyber Security Auditing and Monitoring,Ministry of Education,Shanghai 201203,China)

Telecom operators’special video content distribution system may become the main-stream video content distribution system for smart TV.In order to ensure continuing development of telecom video content distribution system, this paper evaluates content distribution strategies from the perspective of cost.It proposes cost-related metrics and primitives,builds actual user behaviors model of Shanghai Telecom Interactive Personality TV(IPTV)system,and implements a large-scale simulation system of telecom video content distribution system and conducts some simulation experiments based on actual user behaviors.Experimental results show the quantity relationships between metrics and related parameters,and get the optimized distribution strategy which minimizes the cost.This paper contributes to the telecom operators’decision-making in choosing distribution strategies and setting parameters.

smart TV;Interactive Personality TV(IPTV);content distribution;cost control;performance evaluation; user behavior

蒲音舒,葉德建,姜秀艷,等.面向電信專用視頻內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的成本評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)工程,2015, 41(2):263-267.

英文引用格式:Pu Yinshu,Ye Dejian,Jiang Xiuyan,et al.Cost Evaluation for Telecom Special Video Content Distribution System[J].Computer Engineering,2015,41(2):263-267.

1000-3428(2015)02-0263-05

:A

:TP37

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.02.050

“核高基”重大專項(xiàng)(2009ZX01039-003-002-003);上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(09511500902)。

蒲音舒(1989-),女,碩士,主研方向:網(wǎng)絡(luò)多媒體;葉德建,副教授;姜秀艷、劉 新,講師。

2014-04-11

:2014-05-12E-mail:11212010024@fudan.edu.cn