基于多碼率視頻點(diǎn)播服務(wù)的高效HLS媒體服務(wù)器的研究

張書晨

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

基于多碼率視頻點(diǎn)播服務(wù)的高效HLS媒體服務(wù)器的研究

張書晨

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

社交媒體和移動(dòng)服務(wù)的增長以及客戶端設(shè)備的多樣性大大增加了媒體服務(wù)器的存儲(chǔ)成本和網(wǎng)絡(luò)流量。針對多碼率視頻點(diǎn)播服務(wù)(VOD)提出了一個(gè)能耗低、存儲(chǔ)高效的HTTP直播流媒體服務(wù)器(HLS)。該媒體服務(wù)器考查用戶的視頻模式，利用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼提供高效的存儲(chǔ)空間管理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與之前的HLS服務(wù)器相比，文中提出的服務(wù)器存儲(chǔ)效率更高。當(dāng)用戶請求的媒體質(zhì)量的分布是正態(tài)分布時(shí)，該HLS服務(wù)器能減少25%的存儲(chǔ)空間；當(dāng)分布是帕累托分布時(shí)，存儲(chǔ)空間能減少30%。提高存儲(chǔ)效率同樣也會(huì)提高功率效率，此HLS服務(wù)器的功耗能降低9.9%。

媒體服務(wù)；視頻點(diǎn)播服務(wù)；實(shí)時(shí)傳輸編碼

0 引言

隨著社交媒體和移動(dòng)服務(wù)的增長，存儲(chǔ)在媒體服務(wù)器中視頻的數(shù)量急劇增加；此外由于客戶端設(shè)備的類型和功能多樣化，需要提供不同質(zhì)量(比特率)[1]的視頻流。這些使媒體服務(wù)器的存儲(chǔ)成本和視頻點(diǎn)播服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)流量不斷增加。對于無縫流媒體服務(wù)，研究表明可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件選擇視頻流來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)流量。基于HTTP的自適應(yīng)流媒體解決方案[2]是根據(jù)消費(fèi)者的帶寬變化來調(diào)整視頻流的質(zhì)量，例如基于HTTP的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體(DASH)、蘋果的HLS、Adobe的HTTP動(dòng)態(tài)流(HDS)，以及微軟的平滑流等。特別是HLS[3]，在各種媒體服務(wù)器和廣播器中得到廣泛支持。這些技術(shù)創(chuàng)建和存儲(chǔ)了多個(gè)不同分辨率的視頻文件，需要大量的媒體服務(wù)器存儲(chǔ)空間。目前基于提高媒體服務(wù)器的存儲(chǔ)和功率效率已有多項(xiàng)研究[4-5]。本文提出的HLS媒體服務(wù)器，考慮消費(fèi)者的使用模式，利用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼[6-7]提高了存儲(chǔ)和功率效率。其工作原理是把一個(gè)視頻分割成不同比特率的片段,其中每個(gè)比特率代表了不同的質(zhì)量水平。用戶不經(jīng)常使用的比特率片段通過實(shí)時(shí)傳輸編碼來獲取,而不是將它們存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該HLS媒體服務(wù)器存儲(chǔ)效率更高。

1 相關(guān)工作

HLS是由蘋果公司發(fā)明的HAS解決方案。HAS是一個(gè)基于HTTP的自適應(yīng)流媒體技術(shù),基于可用帶寬為每一個(gè)客戶選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)囊曨l質(zhì)量版本。HLS服務(wù)器將視頻分割成不同數(shù)據(jù)速率的片段并將它們存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中。用戶通過HTTP從服務(wù)器下載視頻片段。與傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)相比,HLS有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：HLS能夠穿越防火墻和支持標(biāo)準(zhǔn)HTTP流量的代理服務(wù)器；它允許視頻片段被代理緩存,從而減少源服務(wù)器上的負(fù)載,提高訪問下載速度。

在HLS中，客戶端通過參考服務(wù)器的manifest文件，請求適合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的視頻片段，然后播放從服務(wù)器下載的片段。在下載過程中，客戶端測量傳輸時(shí)間，并且基于測量時(shí)間和片段下載的容量探測當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況。根據(jù)服務(wù)器的manifest文件，客戶端決定下一個(gè)視頻片段的質(zhì)量等級(jí)。客戶端通過這種方式相應(yīng)地調(diào)整視頻流的質(zhì)量來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件。與現(xiàn)有的流媒體技術(shù)相比,HLS降低了服務(wù)器的負(fù)載,同時(shí)支持到客戶端的無縫流媒體服務(wù)。

目前對消費(fèi)者的視頻使用模式也進(jìn)行了大量研究[8]。分析YouTube網(wǎng)站的視頻播放模式,顯示前10%最受歡迎的視頻占總視頻的80%。此外,視頻播放時(shí)間服從對數(shù)正態(tài)分布,用戶往往只看視頻的第一個(gè)或最后一個(gè)部分，而不是觀看整個(gè)視頻。分析視頻流量[9]，顯示最受歡迎的前16%的視頻流量占總流量的90%。

2 使用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼的HLS媒體服務(wù)器

本文中HLS媒體服務(wù)器的基本思想是實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼不太受歡迎的視頻片段，從而減少空間和功率損耗。此HLS媒體服務(wù)器由存儲(chǔ)單元、轉(zhuǎn)碼服務(wù)器、Web服務(wù)器組成。不同于之前存儲(chǔ)所有可能比特率的視頻片段,此HLS媒體服務(wù)器僅存儲(chǔ)較受歡迎的視頻以及該視頻片段所需的所有比特率。至于剩下的視頻,該服務(wù)器只存儲(chǔ)比特率最高的視頻片段。這種策略背后的基本原理是客戶端的請求高度集中在最受歡迎的視頻上。而存儲(chǔ)一大部分客戶端很少請求的視頻片段浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。所以可以通過檢測視頻的優(yōu)先級(jí)，然后基于它們的優(yōu)先級(jí)選擇存儲(chǔ)，這樣媒體服務(wù)器的存儲(chǔ)空間可以得到有效利用。

當(dāng)接收到一個(gè)客戶端對于特定比特率的視頻片段的請求時(shí),Web服務(wù)器首先檢查這些片段是否存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中。如果是,Web服務(wù)器從存儲(chǔ)單元中檢索出它們，將其發(fā)送給客戶端。否則,Web服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請求到轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，轉(zhuǎn)碼服務(wù)器從存儲(chǔ)單元中檢索所需片段的高比特率片段，然后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼生成所需比特率的視頻片段。然后發(fā)送給Web服務(wù)器,Web服務(wù)器再交付給客戶端。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)主要是比較實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼的HLS媒體服務(wù)器和傳統(tǒng)HLS媒體服務(wù)器之間存儲(chǔ)和功率效率的差別。為了便于表述,把利用實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼的HLS媒體服務(wù)器稱為RTHS,把之前的 HLS媒體服務(wù)器稱為HS。RTHS有5個(gè)網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)(NAS)設(shè)備作為存儲(chǔ)單元,一臺(tái)電腦作為轉(zhuǎn)碼服務(wù)器和Web服務(wù)器。HS有5個(gè)NAS設(shè)備存儲(chǔ)單元和一臺(tái)電腦作為Web服務(wù)器。

實(shí)驗(yàn)中用到視頻質(zhì)量等級(jí)(Q1～Q5)，其中Q1分辨率最高而Q5最低。本次實(shí)驗(yàn)中流媒體視頻請求的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，分別設(shè)置為請求時(shí)間間隔服從泊松分布，流行程度服從類Zipf分布，視頻播放時(shí)間服從方差=1.54、均值=2.767 28的對數(shù)正態(tài)分布。請求各個(gè)質(zhì)量等級(jí)的概率服從正態(tài)分布，其中概率分布為P(Q1)=0.1,P(Q2)=0.25,P(Q3)=0.3,P(Q4)=0.25,P(Q5)=0.1；請求各個(gè)質(zhì)量等級(jí)的概率服從帕累托分布,其中P(Q1)=0.45,P(Q2)=0.23,P(Q3)=0.15,P(Q4)=0.12,P(Q5)=0.09，并且假設(shè)視頻的流行與視頻的類型無關(guān)。此外,不考慮視頻受歡迎程度的變化。實(shí)驗(yàn)中使用3個(gè)倍率(1、0.5和0.25)創(chuàng)建客戶端的視頻請求數(shù)量，稱為“視頻請求多樣化”。

(1)

(1)請求視頻質(zhì)量是正態(tài)分布時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1和表2展示當(dāng)客戶端請求的視頻質(zhì)量是正態(tài)分布時(shí)，RTHS存儲(chǔ)率(與存儲(chǔ)減少率相關(guān)的服務(wù)拒絕率)可以下降25%且不會(huì)惡化。表3是按照視頻請求倍率變化的RTHS和HS的功率效率。與HS相比，當(dāng)RTHS的存儲(chǔ)空間下降了20%時(shí)，RTHS 需要 5個(gè)NAS存儲(chǔ)空間來提供13 750個(gè)視頻為流媒體服務(wù)，而HS卻需要6個(gè)NAS 存儲(chǔ)空間來提供這么多視頻。顯然與HS相比，RTHS的功率效率改善了4.8%～9.9%，而且隨著視頻請求倍率的減少，功率效率明顯提高。

(2)視頻請求質(zhì)量遵循帕累托分布時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4和表5可知當(dāng)客戶端的視頻請求質(zhì)量是帕累托分布時(shí)，和HS相比，RTHS的存儲(chǔ)效率提高了30%，并且請求高質(zhì)量等級(jí)視頻的概率也提高了。表6結(jié)果表明，與HS相比，RTHS的功耗減少了9.3%。

表1 請求質(zhì)量服從正態(tài)分布時(shí)，HS的存儲(chǔ)效率

表2 請求質(zhì)量服從正態(tài)分布時(shí)，RTHS的存儲(chǔ)效率

表3 請求質(zhì)量服從正態(tài)分布時(shí)，RTHS和HS的功耗

表4 請求視頻質(zhì)量服從帕累托分布時(shí)，HS的存儲(chǔ)效率

表5 請求視頻質(zhì)量服從帕累托分布時(shí)，RTHS的存儲(chǔ)效率

表6 請求視頻質(zhì)量服從帕累托分布時(shí)，RTHS和HS的功率效率

4 結(jié)論

本文提出的用于多碼率視頻點(diǎn)播服務(wù)的HLS 媒體服務(wù)器,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼的同時(shí)考慮客戶端的請求模式，可以提高存儲(chǔ)效率和功率效率。正如實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明的那樣,該服務(wù)器可以在保持QoS級(jí)別的同時(shí)減少存儲(chǔ)器的使用。在能耗方面,當(dāng)NAS服務(wù)器的功耗更為重要時(shí)，此媒體服務(wù)器也更適用。

[1] 馬華東.多媒體技術(shù)原理及應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[2] SHIN I, KOH K. Hybrid transcoding for QoS adaptive video-on-demand services[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004,50(2):732-736.

[3] 朱倩. 新一代流媒體HLS關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué)，2011.

[4] 王小燕.一種高效點(diǎn)播流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2010,3(2):118-120.

[5] 余學(xué)濤.基于云計(jì)算背景下高效流媒體服務(wù)器的研究和實(shí)現(xiàn)[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[6] 魯云，韓賓，程錦發(fā)，等. 基于Hi3516A的H265碼流實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015,34(20):42-44.

[7] 虞俊杰.面向移動(dòng)流媒體的動(dòng)態(tài)多碼率轉(zhuǎn)碼技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[8] AMANN N, GOUTA A, HONG D, et al. Louedec largescale analysis of http adaptive streaming over the mobile networks[J]. Algorithmiques Telecommunications, 2013,14(3): 1-10.

[9] 朱敏，李俊.視頻點(diǎn)播中視頻流行度的建模與分析[J].電子技術(shù)，2016,9(9): 40-43.

Study of efficient HLS media server based on multi-bitrate VOD services

Zhang Shuchen

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210000, China)

The growth of social media and mobile services, and the diversity of client devices have greatly increased media servers’ storage costs and network traffic. This paper introduces an HTTP live streaming(HLS) media server for multi-bitrate video on-demand(VOD) services that is efficient in terms of power consumption and storage space. The media server takes the user's video streaming pattern into consideration and exploits real-time transcoding to provide efficient storage space management. The experimental results show that the storage of the proposed server is more efficient than the previous HLS servers. When the distribution of video qualities requested by users is in the form of a normal distribution, this proposed HLS server can reduce 25% of the storage space, while the distribution is pareto distribution, storage space can be reduced by 30%. Improving storage efficiency will also increase power efficiency, and the HLS server will reduce the required power consumption by 9.9%.

media server; VOD service; real-time transcoding

TP37

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.012

張書晨.基于多碼率視頻點(diǎn)播服務(wù)的高效HLS媒體服務(wù)器的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：41-43.

2017-05-01)

張書晨(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星通信技術(shù)。E-mail：15365134367@163.com。