信息中心網(wǎng)絡(luò)中可伸縮視頻的分發(fā)緩存研究*

趙姝麗，唐俊華,2

0 引 言

信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information Centric Network，ICN）的基本設(shè)計(jì)思想是以信息的名稱為中心——內(nèi)容根據(jù)一定命名規(guī)則被進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)成為網(wǎng)絡(luò)信息；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行則針對這些信息進(jìn)行請求、路由和傳輸驅(qū)動(dòng)。ICN因其良好的可擴(kuò)展性、高效性、安全性、移動(dòng)性和多宿主性[1]，成為近年來的研究重點(diǎn)。

視頻分發(fā)方面，ICN由于具有文件大、客戶需求及時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通常會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中將一個(gè)視頻文件分為多個(gè)塊。MPEG-DASH（ISO/IEC 23009-1）作為多媒體、流媒體的分層編碼方法，可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的內(nèi)容分發(fā)策略，保證用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)的靈活性。其中，可縮放視頻編碼（Scalable Video Coding，SVC）在編碼期間將原始內(nèi)容分成不同的層。根據(jù)所使用的具體方法，這些層可以相互依賴或也可彼此獨(dú)立。用戶至少需要一層（在相互依賴的層的情況下，這層被稱為“基本層”），以成功解碼和顯示內(nèi)容。用戶可用的增強(qiáng)層越多，解碼內(nèi)容的質(zhì)量越好。這樣視頻軟件負(fù)責(zé)選擇適當(dāng)?shù)囊曨l層，從而實(shí)現(xiàn)在可用網(wǎng)絡(luò)資源下最優(yōu)地平衡用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)成本[2]。

緩存策略作為ICN視頻分發(fā)系統(tǒng)中的重要研究方向，直接影響系統(tǒng)成本和用戶體驗(yàn)。相關(guān)研究可以分為兩個(gè)方面：（1）存儲(chǔ)算法，決定請求路徑上哪些路由器應(yīng)該緩存相關(guān)內(nèi)容；（2）替換算法，決定在緩存已滿時(shí)怎樣替換緩存內(nèi)容。然而，現(xiàn)有研究并未涉及在SVC編碼下不同替換算法的用戶體驗(yàn)（QoE）和系統(tǒng)成本問題。

因此，本文首先結(jié)合ICN網(wǎng)絡(luò)分層視頻分發(fā)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)ICN分層視頻分發(fā)系統(tǒng)，并建立數(shù)學(xué)模型對用戶體驗(yàn)質(zhì)量和路由成本進(jìn)行刻畫；其次，通過在ndnSIM仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，分析不同緩存替換算法的性能特點(diǎn)；最后，進(jìn)行展望和總結(jié)。

1 背景及相關(guān)工作

1.1 信息中心網(wǎng)絡(luò)

隨著人們對各種信息資源需求的與日俱增，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸傾向于以信息為中心，因此產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)分發(fā)相關(guān)技術(shù)，如CDN（Content Distribution Network）、P2P（Peer to Peer）等。雖然它們都以信息為中心，但其作用都發(fā)揮于應(yīng)用層，存在著大量無用的數(shù)據(jù)需要占據(jù)傳輸資源的情況，導(dǎo)致資源利用率不高。

ICN從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)IP地址導(dǎo)向的格局，使網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備能夠很好地在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)解析信息、路由信息、數(shù)據(jù)高速緩存以及信息和其他功能的多播傳遞，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容與位置的分離，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置緩存功能等成果。

近年來，ICN得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，主要工作成果包括 TRIAD[3]、DONA[4]、4WARD[5]、CCN[6]和 NDN[7]等。

1.2 ICN緩存替換算法

ICN網(wǎng)絡(luò)因其路由節(jié)點(diǎn)的組成方式，緩存是其與生俱來的一部分。現(xiàn)有的關(guān)于緩存方面的研究主要集中在兩個(gè)方面：（1）內(nèi)容緩存策略：決定在數(shù)據(jù)路由路徑上在哪些節(jié)點(diǎn)緩存對象，主要成果包括在所有路由上留下拷貝（LCE）、只在命中路由的下游路由上留下拷貝（LCD）、在請求路徑上任意選擇一個(gè)路由留下拷貝（Rand）、在每個(gè)路由上以某固定概率留下拷貝（Prob）等。（2）緩存替換策略：緩存已滿時(shí)如何替換文件，主要成果包括最近使用的（LRU）、先進(jìn)先出（FIFO）、最不常用的（LFU）。

1.3 SVC（可縮放視頻）傳輸格式

ICN的架構(gòu)和原理確定了客戶端的流媒體采用pull數(shù)據(jù)調(diào)度策略。DASH作為采用pull策略的編碼方式，非常適用于ICN系統(tǒng)[5]。它建立在HTTP之上，并提供MPD（Media Presentation Description），描述整個(gè)碼流的構(gòu)成。MPD包含關(guān)于多媒體內(nèi)容的不同表示信息，客戶端以此判斷有多少表示可用，以及這些表示提供/需要哪種比特率。

目前，DASH默認(rèn)采用AVC/H.264格式進(jìn)行視頻傳輸。SVC作為另外一種傳輸格式，提供了將視頻內(nèi)容編碼成基礎(chǔ)層和多個(gè)增強(qiáng)層的可能性。增強(qiáng)層構(gòu)建在基礎(chǔ)層上，并在空間和/時(shí)間和/質(zhì)量域中提供可伸縮性[8]。相比于AVC，SVC可以有效減少視頻傳輸過程中的系統(tǒng)緩存開銷，優(yōu)化存儲(chǔ)問題，尤其適合當(dāng)前具有內(nèi)容龐大、用戶觀影需求分散特征的視頻分發(fā)系統(tǒng)。目前，SVC因其獨(dú)特優(yōu)勢，已成為DASH技術(shù)和視頻分發(fā)的研究熱點(diǎn)。它在ICN系統(tǒng)下的研究主要集中在路由策略上，對緩存策略的研究仍然很少。

1.4 視頻分發(fā)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)

自適應(yīng)流媒體的目標(biāo)是提高用戶感知質(zhì)量，也被稱為體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）。對于可靠的ICN傳輸，最有影響力的QoE因素是[9]播放質(zhì)量、啟動(dòng)延遲、播出停頓時(shí)間和視頻質(zhì)量變化的次數(shù)。對于SVC視頻系統(tǒng)，它的播放質(zhì)量可以通過客戶端收到的每段視頻的增強(qiáng)層情況進(jìn)行判斷。增強(qiáng)層越多，播放質(zhì)量越高，用戶體驗(yàn)越好。啟動(dòng)延遲和播出停頓是由于緩存加載引起的，整體可以通過緩存加載時(shí)間來衡量。加載時(shí)間長，則用戶體驗(yàn)差。視頻質(zhì)量變化的次數(shù)是指相鄰兩段視頻所得到的增強(qiáng)層情況不同而引起的播放效果變化。這種視覺上的變化對用戶體驗(yàn)也是一種傷害。

目前，關(guān)于QoE研究的主要成果集中在CNDs與ICN路由策略上，關(guān)于ICN下SVC視頻的研究很少。

2 ICN網(wǎng)絡(luò)中SVC視頻分發(fā)的緩存問題

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)ICN視頻分發(fā)系統(tǒng)主要由內(nèi)容服務(wù)器、路由器和客戶端構(gòu)成，內(nèi)容分發(fā)的驅(qū)動(dòng)力來自接收端，整個(gè)系統(tǒng)通過對興趣包（Interest Packet）和數(shù)據(jù)包（Data Packet）的生成、轉(zhuǎn)發(fā)、響應(yīng)滿足客戶的內(nèi)容需求。服務(wù)器根據(jù)信息中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和DASH協(xié)議，對系統(tǒng)中的視頻媒體進(jìn)行編碼，對編碼后的文件進(jìn)行存儲(chǔ)，并處理路由器發(fā)送的興趣包返回包含它請求的文件塊數(shù)據(jù)包；路由器對來自其連接的其他路由器或客戶端的興趣包進(jìn)行響應(yīng)或轉(zhuǎn)發(fā)，對來自其連接的其他路由器或服務(wù)器的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，并對路由經(jīng)過它的視頻文件塊進(jìn)行緩存算法指導(dǎo)下的相關(guān)操作；客戶端根據(jù)客戶的觀看行為發(fā)送相應(yīng)興趣包，并用于接收數(shù)據(jù)包并對其進(jìn)行譯碼操作。本文采用SVC傳輸格式，每個(gè)視頻都會(huì)被分為一個(gè)基礎(chǔ)層和兩個(gè)增強(qiáng)層。客戶端對所需視頻文件塊發(fā)送興趣包，最終的觀影效果由接收到的數(shù)據(jù)包決定。

例如，一個(gè)名為video1的視頻文件經(jīng)視頻文件編碼模塊編碼后，被分為10個(gè)2 s時(shí)長的子視頻文件，而每個(gè)文件被編碼為3層SVC結(jié)構(gòu)。其中，第一個(gè)文件塊的基礎(chǔ)層L0在系統(tǒng)中的命名為“/video1/K1/L0”，前綴video1表示視頻名稱，/K0表示對應(yīng)子文件，/L1表示對應(yīng)文件層。若當(dāng)前用戶正在觀看K1所對應(yīng)的視頻文件，客戶端請求當(dāng)前視頻進(jìn)度對應(yīng)的后4 s內(nèi)的其他文件塊，即2個(gè)基礎(chǔ)層文件塊“/video1/K2/L0”“/video1/K3/L0”。若1 s后已經(jīng)得到請求的文件塊，此時(shí)由于距離這2個(gè)文件塊的播放時(shí)間終點(diǎn)仍有3 s剩余時(shí)間，則客戶端繼續(xù)請求相應(yīng)的增強(qiáng)層文件塊“/video1/K2/L1”“/video1/K3/L1”。若仍有剩余時(shí)間，則請求對應(yīng)的L2增強(qiáng)層中的文件塊。該方式通過優(yōu)先保證基礎(chǔ)層的緩存，最大程度地避免了用戶的播放等待，且通過請求增強(qiáng)層的方式進(jìn)一步提升了用戶體驗(yàn)。

由于每個(gè)路由的大小都遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中存在的視頻總量，當(dāng)緩存空間已滿時(shí)，路由需要通過緩存替換策略決定將哪部分已存文件替換掉。系統(tǒng)中常見的替換方式有3種：最近使用的（LRU）、先進(jìn)先出（FIFO）、最不常用的（LFU）。當(dāng)替換算法為LRU時(shí)，路由會(huì)依據(jù)興趣包響應(yīng)記錄，將最近被響應(yīng)過的數(shù)據(jù)替換掉；當(dāng)用FIFO算法時(shí)，路由會(huì)依據(jù)緩存記錄，將最早緩存的數(shù)據(jù)替換掉；當(dāng)采用LFU算法時(shí)，路由會(huì)依據(jù)興趣包響應(yīng)記錄，將目前被請求最少的數(shù)據(jù)替換掉。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

用G=(V,E)表示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，V是所有點(diǎn)的集合，代表網(wǎng)絡(luò)中的緩存節(jié)點(diǎn)（用戶節(jié)點(diǎn)）；E是所有邊的集合，代表這些緩存節(jié)點(diǎn)之間的通信連接。對于每個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)v∈V，用Cv表示它的存儲(chǔ)容量。節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷則可以用兩節(jié)點(diǎn)之間通過的邊的總長度進(jìn)行衡量。需要經(jīng)過的邊越長，則開銷越大。

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中共存在N個(gè)在線用戶和K個(gè)視頻文件，每一個(gè)視頻文件經(jīng)過SVC編碼后都可以被等分為I個(gè)子文件塊，且有L個(gè)文件層（本文中會(huì)將每個(gè)視頻文件分為3層）。用Sik表示視頻文件k中的第i塊子文件，用slik表示第l層所占內(nèi)存空間大小，有：

式（1）表明，系統(tǒng)中任何一個(gè)緩存的容量都遠(yuǎn)不能滿足對所有文件的存儲(chǔ)需求。

2.3 用戶體驗(yàn)

為了評(píng)估視頻流應(yīng)用程序的性能，使用用戶滿意度模型[10]考慮視頻質(zhì)量、質(zhì)量變化和重啟事件所需時(shí)間。一個(gè)用戶在觀看由K個(gè)視頻文件組成的視頻時(shí)，用戶體驗(yàn)可以表示為：

其中，R表示可用的視頻體驗(yàn)（本文中，R={L0,L0+L1,L0+L1+L2}）；Ri表示客戶端視頻文件塊i的使用情況；q(Ri)表示一個(gè)視頻文件塊i的質(zhì)量，此處定義為相應(yīng)的平均顯示比特率；b(Ri)表示分層視頻文件塊i準(zhǔn)備播出前的緩沖秒數(shù)；λ和μ是非負(fù)參數(shù)，分別模擬視頻質(zhì)量變化和緩沖時(shí)間的特殊影響。

2.4 系統(tǒng)路由成本

當(dāng)系統(tǒng)的緩存大小固定后，系統(tǒng)的路由成本則可以表示為：

其中，集合u為緩存有路由v所請求的關(guān)于文件k中的第i塊子文件的路由集合；集合Nuik表示可以從節(jié)點(diǎn)u得到Sik的所有系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)的集合；q(Rvik)表示路由在請求文件k中的第i塊子文件的數(shù)據(jù)包時(shí)的比特率；duv表示節(jié)點(diǎn)v和節(jié)點(diǎn)u的溝通成本。系統(tǒng)中兩節(jié)點(diǎn)的溝通成本即路由成本，通常由距離和帶寬共同決定。

2.5 ICN視頻分發(fā)中的緩存問題

本文主要從兩個(gè)角度對緩存問題進(jìn)行探索。

一方面，在給定路由緩存大小的情況下，3種替換策略LRU、FIFO、LFU之間的性能比較。更加優(yōu)異的算法用戶體驗(yàn)，Q值更高或/和路由成本T的值更低。

另一方面，調(diào)整緩存大小，觀察3種替換策略的用戶體驗(yàn)Q和路由成本T的變化趨勢，如緩存的增大是否可以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)并減少路由成本；如果可以，程度如何。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

利用ndnSIM[11]仿真平臺(tái)，本文實(shí)現(xiàn)了圖1描述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡單替換算法性能比較與分析實(shí)驗(yàn)。圖1左側(cè)代表典型ISP接入網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)路由器和客戶端組成的自制系統(tǒng)（AS）。實(shí)驗(yàn)中，客戶使用視頻流應(yīng)用程序。客戶端的相關(guān)文件位于圖1右側(cè)的另一個(gè)AS中。由于這兩個(gè)自制系統(tǒng)沒有直接連接，因此必須通過網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行連接。假設(shè)客戶端與用戶路由之間的傳輸帶寬為1 Mb/s、1 ms延遲；不同用戶路由之間的帶寬為1 Mb/s、1 ms延遲；用戶路由1、3與網(wǎng)絡(luò)路由之間的帶寬都為1 Mb/s，延遲分別為10 ms與20 ms；網(wǎng)絡(luò)路由與服務(wù)器之間的帶寬為10 Mb/s，延遲為1 ms；各個(gè)連接之間的傳輸成本均為1個(gè)單位。

圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客戶端上的視頻流應(yīng)用通過動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體實(shí)現(xiàn)[10]。本實(shí)驗(yàn)選擇的數(shù)據(jù)集提供的視頻時(shí)長約為12 min，每個(gè)視頻文件時(shí)長為2 s，經(jīng)過SVC編碼后形成1個(gè)基礎(chǔ)層和2個(gè)增強(qiáng)層。基本層（L0）具有約625 kb/s的平均比特率，第一個(gè)增強(qiáng)層（L1）的比特率約為1 497 kb/s。為了以L1的質(zhì)量回放片段，必須獲取L0的相同片段，產(chǎn)生組合的多媒體比特率為L0+L1=2 122 kb/s。第二增強(qiáng)層（L2）具有約為2 986 kb/s的平均比特率。因此，觀看到第二增強(qiáng)層提供的視頻質(zhì)量需要的碼率為L0+L1+L2=5 108 kb/s。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，緩存大小分別設(shè)置為總文件體積的2%、4%、6%、8%、10%。客戶端每秒一個(gè)勻速請求視頻文件，客戶端最多緩存50 s的視頻。

圖2和圖3分別是在不同緩存大小下，對Fifo、Lfu、Lru 3種主流替換策略進(jìn)行的關(guān)于用戶體驗(yàn)（QoE）和路由成本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在計(jì)算QoE的過程中，選取λ=10和μ=6 000。

圖2 不同緩存容量和策略下QoE

圖3 不同緩存容量和策略下系統(tǒng)路由成本

總體來看，隨著緩存的增加，3種策略下的用戶觀影體驗(yàn)大致呈現(xiàn)改善。經(jīng)過分析，Lru的QoE存在一定程度的下降，是由于緩存增加雖然會(huì)帶來視頻質(zhì)量的上升，但同時(shí)視頻質(zhì)量的變化和緩沖時(shí)間的上升程度卻超越了視頻質(zhì)量上升帶來的體驗(yàn)改善。

路由成本方面，F(xiàn)ifo和Lru算法下的路由成本基本呈現(xiàn)下降趨勢，而Lfu的路由成本沒有得到優(yōu)化，具體原因仍待進(jìn)一步探索。

4 結(jié) 語

實(shí)現(xiàn)的小型ICN的SVC視頻傳輸系統(tǒng)中，不同緩存策略下，通過用戶體驗(yàn)質(zhì)量和路由成本的模擬比較，發(fā)現(xiàn)緩存的增加對系統(tǒng)體驗(yàn)和成本都有一定的優(yōu)化作用。但是，由于模擬實(shí)現(xiàn)較為簡單，優(yōu)化效果十分有限，一些算法的數(shù)據(jù)變化趨勢尚未得到充分理解，將在之后的相關(guān)工作中增加系統(tǒng)復(fù)雜性，進(jìn)一步探索緩存問題。

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