基于可重構路由器上緩存的流媒體協作分發策略

何智聰，谷光昭，王新，趙進，薛向陽

(復旦大學 計算機科學技術學院 智能信息處理上海市重點實驗室，上海 201203)

1 引言

流媒體業務依靠互聯網的高速發展給自身提供了強大的市場動力，流媒體業務正變得日益流行。然而網絡流媒體爆炸式的發展給傳統互聯網帶來巨大的壓力，視頻服務耗費了大量的帶寬。目前視頻下載已經成為占用公眾互聯網帶寬資源的主要業務之一，但是網絡運營商從中獲益不多，他們不可能不計成本地擴展公眾互聯網的帶寬，因此網絡帶寬也制約著網絡視頻的發展。

事實上，多年來網絡一直沿著面向業務支撐的技術體系發展。為了滿足特性差異日益擴大的用戶業務承載需求以及大量差異化業務的規模化應用，面向服務提供的新型網絡技術體系也就是可重構網絡[1,2]開始被越來越多的人關注。路由器作為關鍵網絡設備，已經不能單純的追求提高設備性能，而是需要同步研究提高性能和擴展功能，這是實現多網融合、業務融合的迫切需要。基于可重構網絡的思想，劉強[3]等人提出了面向服務提供的可重構路由器。而為了緩解流媒體高帶寬、低延遲的要求，本文提出一種新穎的基于可重構路由器上緩存的流媒體協作分發策略，該策略利用邊緣路由器的計算和存儲資源對熱點視頻對象進行緩存與合作分發，從而減輕骨干網和服務器的負載，同時提高用戶的觀看體驗。

現有2種最主要的流媒體分發加速方法分別為CDN(content delivery network)分布式緩存[4,5]和P2P(peer-to-peer)客戶端緩存[6～8]。CDN分布式緩存方法通過在網絡邊緣部署大量服務器來提高系統的服務能力，然而部署大量服務器花費的代價很大，因此可擴展性受到限制；P2P緩存技術充分利用客戶端的資源協同合作來減輕服務器的負載，但它給ISP帶來巨大的負擔。CDN和P2P技術分別從服務器和客戶端的角度來加速流媒體的分發，而被忽略的路由器如今性能與功能也越來越強大，不僅僅滿足于傳統的存儲轉發，而是開始支持高層的業務處理。Cisco集成服務路由器上的應用擴展平臺(AXP, application extension platform)就提供了接口來實現分組分析、事件通知、網絡管理等托管應用程序。另外路由器上配備的內存容量也越來越大。

國內外學者對利用網絡中間設備來改善網絡性能的方法也有一定的研究。HUA K等[8]提出一種緩存多播協議（CMP），CMP利用路由器的磁盤空間提供一小段滑動窗口的視頻緩存來為接下來一段時間內到達的同一視頻請求直接提供服務，從而減輕服務器的負載。CMP主要用于直播系統中的多播技術，在視頻點播中的使用效率不高。文獻[9]中描述了本文的前期工作，僅僅提出使用路由器緩存為流媒體分發服務的思想；本文中對路由器加速流媒體分發的策略進行了延伸和具體闡述，從單個路由器擴展到多個路由器合作的方式，并且提出了路由器上適合流媒體應用的緩存算法以及多個路由器合作下的數據調度策略，最后還實現一個真實的原型系統，通過實驗證明文中提出策略的有效性。

本文第2節介紹基于可重構路由器上緩存的流媒體協作分發策略；第3節對關鍵算法以及調度策略進行研究；第4節給出原型系統測試結果并且進行性能評價；最后對本文的內容進行歸納并對未來的工作進行展望。

2 基于路由器緩存的流媒體協作分發

2.1 緩存架構

傳統CDN網絡用于流媒體分發主要通過CDN服務器集群緩存熱門視頻以滿足大量的用戶請求。不管怎樣，部署服務器集群的代價實在太高。而在基于路由器的流媒體緩存新架構中，本文增加一層路由器緩存。如圖1所示，CDN服務器和客戶端之間的多個路由器形成不同的本地緩存組，在 CDN服務器覆蓋下處于同一個自治域(AS)內的路由器會被劃分在同一個本地緩存組中。路由器緩存層會對本地熱門的視頻數據進行緩存，這樣局部大量訪問都集中在路由器緩存的熱門視頻上，從而數據在骨干網的傳輸量得到減少并且服務器的負載也得到減輕。當然不是所有路由器都參與流媒體的協作分發，只有那些處在網絡邊緣的路由器才可能被選中。一方面是因為核心路由器需要處理多處匯聚過來的大量數據分組，沒有剩余的存儲以及計算能力去處理額外的應用。而邊緣路由器的性能盡管比不上核心路由器，但是邊緣路由器承受的存儲轉發壓力會小很多，它擁有空閑的資源來存儲和分發流媒體數據。而且本文主要的目標之一是減輕骨干網絡的負載，如果在核心路由器上進行存儲，當多個核心路由器協作分發的時候不可避免地會造成數據在骨干網絡中的大量傳輸，這與本文的優化目標是背道而馳的。另一方面，核心路由器一般與用戶有一定的距離，而邊緣路由器離用戶最近，只有一跳或者兩跳的距離，因此在這些距離用戶最近的邊緣路由器上存儲分發流媒體，可以極大地降低用戶響應延遲以及數據傳輸延遲，從而提高用戶體驗。

圖1 基于路由器的流媒體緩存架構

2.2 分發方法

圖2 傳統CDN分發與基于路由器的分發

在傳統CDN分發方法中，用戶請求會被重定向到CDN服務器，然后由該CDN服務器提供服務，如圖2(a)所示。而在基于路由器緩存的協作分發策略中，緩存路由器距離用戶更近并且路由器之間不需要重定向。如圖2(b)所示，用戶請求會被距離該客戶端最近的邊緣路由器截取，該邊緣路由器稱為此客戶端的家路由器。家路由器截取用戶請求后，在緩存中查找用戶請求的視頻段，同時家路由器會向同一個本地緩存組中的合作路由器發送資源查詢命令，合作路由器接收到資源查詢命令后，會在自己的緩存列表中查找該視頻段的數據；隨后合作路由器會將查詢結果反饋給家路由器，同時向客戶端推送緩存命中的數據。對于家路由器來說，它不僅需要向客戶端推送數據，還需要收集合作路由器的反饋信息，根據這些反饋信息以及自身的存儲情況做出判斷，以決定是否需要向 CDN服務器請求額外的數據。如果整個本地緩存組中緩存的數據足以還原客戶端所需的視頻數據，則家路由器不會向 CDN服務器請求額外的數據；如果整個本地緩存組中緩存的數據不足以還原出客戶端請求的視頻數據，則家路由器會將請求轉發到 CDN管理中心，此時就像是家路由器代替客戶端向服務器發起了一個請求，以后的過程和一個普通客戶端請求服務沒有區別，首先該請求會被轉發到CDN管理中心，然后由CDN管理中心把該請求重定向到某個最合適的 CDN服務器，最后由該 CDN服務器協助視頻段的數據分發。與傳統 CDN分發不同的是，家路由器會根據自身的緩存策略對 CDN服務器分發的數據進行緩存，以便對該視頻段的同一請求提供服務。在CDN服務器和客戶端之間增加路由器緩存并且采用合適的緩存算法對熱門視頻數據進行緩存后，根據80/20原則（即80%的用戶訪問都集中于20%的熱門視頻），大部分的用戶訪問都不需要重定向到CDN服務器，而是直接由本地的緩存路由器組來提供服務，這極大地提高了用戶體驗。

在統計本地緩存組中所有緩存路由器上的數據時，家路由器只需要統計屬于該視頻段的塊數是否足夠，而不用考慮從哪個路由器節點獲取不同的數據，這主要得益于網絡編碼[10]的引入。通過對原始視頻數據進行網絡編碼得到不同的數據塊，這些不同的數據塊內容不相同，但是它們存儲的信息量是相當的而且地位是同等重要的。換言之，只需要足夠數量的任意塊編碼過的數據即可還原出原始視頻段，而不必關心具體是哪些數據塊。因此家路由器僅僅需要統計塊數是否足夠，而緩存路由器也只要向客戶端不斷推送該視頻段的數據塊直到客戶端不再需要數據向路由器發送剎車消息為止，這樣的策略大大簡化路由器上的處理以及數據的調度，關于如何對原始視頻段的數據進行網絡編碼將會在下一節詳細介紹。

3 關鍵算法與調度策略研究

為了能實現路由器參與流媒體的分發，本文設計了路由器鄰居節點選擇算法，路由器上的分組處理算法，并且研究討論路由器上合適的緩存替換算法來提高路由器緩存的利用率以及網絡編碼簡化數據調度的方法。

3.1 鄰居節點選擇算法

為了提高緩存路由器之間協作的性能，只有處在同一個本地緩存組中即同一個AS域內的路由器才會相互協作共同為用戶提供服務，而不是任意的緩存路由器之間都可以互相合作。如何為路由器選擇合適的鄰居節點將直接影響路由器之間緩存協作的性能。

一般情況下，同一個自治域內2個節點之間的傳輸延遲相對比較小，因此可以快速查詢到所需的視頻資源，然后為用戶提供服務，從而降低用戶的響應時間以及數據的平均傳輸時間。緩存路由器是根據其所在自治域的ASN（自治域號）來獲得鄰居節點列表的。當緩存路由器加入一個流媒體分發組中時，它首先向服務器進行注冊。在注冊過程中該路由器擁有的ASN會被記錄在服務器上，而服務器會將已經在該服務器上登記過擁有相同ASN的路由器節點作為鄰居節點告知新加入的緩存路由器，同時更新原有組中所有路由器的鄰居列表。由于路由器一般不會宕機也不會頻繁加入退出，因此不同的本地緩存組一旦形成以后就很少會發生變化。

3.2 路由器上分組處理算法

緩存路由器除了正常的存儲轉發功能之外，還需要處理的額外數據分組可以劃分為如表1所示的幾種類型。

表1 路由器上處理的數據分組類型

根據表1中數據分組的不同類型，緩存路由器只需要在接收到分組后做出相應的處理即可。比如路由器接收到BRAKING類型的數據分組后就停止向該客戶端推送緩存的數據。路由器上的分組處理如圖3所示。其中，PT表示數據分組的類型，Q表示數據分組隊列，N表示本地緩存組中存儲的當前請求視頻的總塊數，Threshold表示能夠還原出原始數據最少需要的編碼塊數。該算法實現后作為一個托管應用程序嵌入到每個緩存路由器中，因此路由器能夠輕松完成流媒體的分發。

圖3 路由器上分組處理算法

3.3 緩存替換算法

路由器上緩存是有限的，當緩存滿的時候，就需要根據一定的規則對緩存內容進行替換。這里需要說明的是緩存路由器本身運行系統以及完成路由等功能與流媒體數據緩存是共享內存的。而路由器上引入流媒體緩存不能影響路由器原有功能的運行，因此，在本方案中僅僅使用路由器上剩余的緩存資源（之前已經提及目前的路由器存儲容量可以很大，有能力完成除傳統存儲轉發之外的一些功能），本文以后提到的緩存都指路由器上運行原有功能后剩余的緩存資源。

目前比較流行的流媒體緩存算法是基于流行度的流媒體段緩存算法[11]，該算法通過分析視頻流行度分布，按照流行度從高到低依次緩存，如圖4(a)的一級隊列緩存所示。但是在緩存十分有限的情況下，僅僅存儲最熱門的幾部視頻并不能明顯提高流媒體系統的整體性能；而且據相關研究[12]用戶開始觀看的一段時間內最容易離開，因此存儲視頻開始部分的數據顯得更有意義。將傳統的一級隊列改進為兩級緩存隊列，分別為hot隊列和cold隊列，如圖 4(b)所示。hot隊列中存儲流行度最高的完整視頻數據并且hot隊列中存儲的視頻都必須達到一個訪問次數門限值，只有訪問次數達到該門限值的視頻才能存儲在hot隊列中；而cold隊列中存儲流行度次之的視頻開始部分數據，它們沒有訪問次數的限制，目的是為了能夠擴大路由器上存儲的視頻數范圍，從而降低用戶的平均初始響應延遲。

圖4 緩存算法改進

當路由器上接收到視頻數據并且需要進行緩存時，路由器首先會在2個隊列中查找，隊列中存儲的僅僅是緩存視頻內容的索引，而不是真正的數據。如果緩存命中，判斷該視頻是在哪個隊列中，如果是在hot隊列中，則只需要將該視頻訪問次數加1即可；如果該視頻在cold隊列命中，則需要判斷該視頻的訪問次數是否達到hot隊列的訪問次數門限值，如果訪問次數達到該門限值，則用該視頻替換hot隊列中效率值P最低的視頻，hot隊列中被替換的視頻并不會丟棄而是會被替換到 cold隊列中。其中，P=訪問次數/最久未被訪問時間，P值越高，視頻越不可能被替換。如果訪問次數未達到門限值，則該視頻僅僅存儲在cold隊列中并且只存儲開始的部分數據。如果緩存沒有命中，則按照hot到cold的順序查詢空位置進行插入操作，如果2個隊列都已滿則替換 cold隊列中最久未被訪問的視頻。該緩存算法結合了傳統基于流行度的緩存方法與用戶觀看行為的特點，能夠很好地提升整個訪問群體的用戶體驗。

3.4 調度算法

在流媒體數據調度中，網絡編碼被用于簡化調度。網絡編碼是一種融合了路由和編碼的信息交換技術，它是R.Ahlswede[10]等人在2000年提出的理論，它的核心思想是在網絡中各個節點上對多條信道上收到的信息進行線性或者非線性的處理，將多個數據分組做編碼“融合”在一起，然后轉發給下游節點，這樣就能夠提升整個網絡的吞吐率。本文的調度策略中引入隨機線性網絡編碼[13,14]后，所有編碼以后的數據塊將被一視同仁地對待，這樣可以簡單地實現基于push[15]策略的路由器協作傳輸，從而提升數據傳輸的效率；同時，網絡編碼可以降低路由器協作的調度復雜度。引入網絡編碼后的數據調度如圖5所示，首先在服務器上將視頻段進行分塊，假設每個視頻段分為k個數據塊，然后在有限域上隨機選取 N個線性無關的編碼向量（通常N>k），將N個編碼向量與k個數據塊通過有限域上的乘法得到N個新的編碼塊，然后這些編碼塊在第一次經過緩存路由器時會被緩存下來。當有用戶再次請求該視頻段的數據時，這些緩存路由器會直接向用戶push屬于該視頻段的編碼塊，而用戶只要收足任意k個編碼塊就可以解碼恢復出原始的k個數據塊。

圖5 網絡編碼簡化數據調度方法

引入網絡編碼后，不同緩存路由器上存儲的數據本質上都是相同的，而客戶端只需要得到足夠的編碼塊數就可以還原出原始的視頻數據，因此緩存路由器在向客戶端提供數據的時候只需要簡單地向客戶端push屬于該視頻段的編碼塊即可，從而簡化了路由器協作時的數據調度，降低了系統實現的復雜度。

4 性能評價

4.1 實驗環境初始化

為了評價基于路由器上緩存的流媒體協作分發策略的性能，本文實現了一個原型系統。在該原型系統中，路由器上緩存算法、分組處理等關鍵算法得以實現。另外，網絡編碼也被引入來簡化系統的復雜度。實驗環境為1臺源服務器和 1臺CDN服務器、3臺緩存路由器以及若干臺PC客戶端組成的原型系統。實驗的初始化設置以及部分參數如表2所示，實驗中共有20套視頻節目，這些視頻的熱門度分布服從θ=0.27的Zipf分布。原型系統中使用的路由器內存大小為8GB，而邊緣路由器的內存大小一般都不超過4GB，因此，在實驗中使用3GB的內存容量用于緩存視頻數據是可行的，即在保證不影響路由器處理傳統業務的基礎上使用剩余的內存來緩存視頻數據。實際上，除了使用內存來緩存視頻數據，路由器上也可以連接外部的大容量存儲器來擴展整個存儲空間，不過必然會帶來一定量的延遲。參數緩存比例R表示所有緩存路由器上的緩存大小之和占服務器上所有視頻內容總和的比例（本實驗中3個路由器上緩存總和占服務器上所有視頻總和的比例即為緩存比例R）。實驗中R從0變化到0.5，意味著每個路由器用于緩存視頻數據的內存容量從0增加到3GB，因為路由器之間是相互合作緩存的，所以整個本地緩存組的緩存大小將從0增加到9GB。其中，R=0表示沒有引入路由器緩存策略，為傳統普通CDN分發策略。

表2 實驗參數

4.2 實驗結果分析

4.2.1 服務器帶寬

圖6描述了路由器上的緩存大小對服務器帶寬的影響，實際上該服務器可以是內容提供商的內容服務器也可以是 CDN服務器，本文方案中的路由器位于網絡的邊緣，因此不管是內容提供商自己的服務器還是 CDN服務器都可以使用邊緣路由器對其減負。圖6中，隨著緩存比例R的增大(本地緩存組緩存從0到緩存50%)，很顯然服務器帶寬消耗呈現下降的趨勢。但并不是緩存越大越好，一方面路由器上的緩存空間有限，另一方面隨著緩存的增加，服務器帶寬消耗會趨向于一個穩定的值，因為即使全部視頻都存儲在路由器上，服務器還是需要消耗一定的帶寬來處理客戶端的連接、路由器的流量統計、數據重傳等事務。從圖6中用戶數N=500的曲線可以看出，當緩存比例R達到0.3的時候，服務器帶寬消耗(60Mbit/s)比不使用路由器緩存的傳統 CDN分發方案（服務器帶寬消耗 240Mbit/s)減少 75%左右，因此沒有必要無限增加緩存的大小，只需要緩存30%左右的數據即可。圖6中3條曲線分別描述了不同并發用戶數的情況下緩存大小對服務器帶寬消耗的影響。很明顯可以看到，當用戶數從100增加到500的過程中，在沒有路由器緩存即采用傳統 CDN分發方案的情況下，服務器帶寬消耗增加接近 200Mbit/s；而在緩存比例 R僅為0.1的情況下，服務器帶寬消耗只增加了115Mbit/s左右，比傳統方案增加的帶寬消耗要少的多。因此基于路由器上緩存的流媒體協作分發策略對流媒體系統的可擴展性有非常大的幫助，而且有利于開展大規模流媒體的分發服務。

圖6 緩存大小對服務器帶寬消耗的影響

4.2.2 平均初始響應時間

初始響應延遲是用戶體驗的一個重要指標之一。初始響應延遲為用戶點擊視頻請求到用戶可以觀看該視頻的一段緩沖時間。實驗中設置緩沖 60s的視頻數據。圖7分別描述了緩存大小和緩存策略對平均初始響應延遲的影響。如圖7(a)所示，隨著并發用戶從100增加到300再到500，在有路由器緩存策略的情況下，平均初始響應延遲都降低了至少50%，用戶體驗得到很大的提升。另外隨著并發用戶數的增加，在沒有路由器緩存的傳統 CDN分發策略下，平均初始響應時間增加的非常快，從22s增加到超過50s，增幅達到100%以上；而在有路由器緩存的情況，平均初始響應延遲增加的速度顯然要慢的多。因此，引入路由器緩存將會極大地提升用戶體驗，一方面得益于緩存路由器都位于網絡的邊緣，距離用戶非常近，在用戶請求后可以快速地給用戶提供服務；另一方面路由器上使用的是內存而且存儲的是編碼以后的數據塊，不像服務器需要從磁盤中讀出原始數據并且進行編碼。

圖7 不同緩存大小以及策略下平均響應延遲的變化

圖7(b)描述了改進后的緩存算法對平均初始響應延遲的影響。當緩存策略從一級隊列改進為hot、cold 兩級隊列緩存后，平均初始響應延遲得到很大的改善，原因在于 hot、cold兩級隊列緩存策略合理地運用了路由器上的有限緩存空間。通過cold隊列對次流行視頻開始部分的數據進行緩存，擴展了視頻存儲的范圍，增加了路由器上有限緩存服務的用戶數。

4.2.3 平均數據傳輸時間

數據傳輸延遲為數據從服務器(這里的服務器可能是緩存路由器，而客戶端是不知道的，路由器提供的是透明服務)傳輸到客戶端所用的時間。圖 8(a)描述了不同并發用戶數下路由器上的緩存大小對平均數據傳輸延遲的影響。整體上來看，隨著并發用戶數的增加，在無路由器緩存的傳統CDN分發策略下(R=0.0)，平均數據傳輸延遲在用戶數從300到500的時候有一個明顯的增加，說明用戶數達到 500的時候服務器和客戶端之間的鏈路存在一定的擁堵，導致數據傳輸時間的增加；而在有緩存的情況下(R=0.1或 R=0.2)，平均數據傳輸延遲都沒有出現明顯的增加，說明引入路由器緩存后，整個系統的性能以及服務能力均得到了提升。當并發用戶數相同的時候，可以明顯看出有緩存比沒有緩存的情況平均數據傳輸延遲降低了至少 50%，主要原因在于緩存路由器距離用戶比服務器更近，數據在本地緩存組中的路由器上緩存后，可以很快地分發給用戶而不需要較遠的服務器來分發。

圖8(b)描述了不同緩存策略對平均數據傳輸延遲的影響。與一級隊列緩存策略相比，盡管兩級隊列緩存策略中 cold隊列存儲了一些次熱門視頻的開始部分數據，而不是最熱門視頻數據，但是平均數據傳輸延遲并沒有太多的變化，說明 hot、cold兩級隊列緩存策略的引入不會帶來平均數據傳輸延遲的增加。

圖8 不同緩存大小以及策略下平均數據傳輸延遲的變化

4.2.4 存儲與計算開銷

迄今為止，本文只關注路由器上緩存所帶來的好處。不管怎樣，引入路由器緩存來加速流媒體的分發必然會給路由器帶來一定的開銷，主要包括存儲資源和計算資源的開銷。存儲資源消耗是顯而易見的，而計算資源的消耗如圖9所示。當并發用戶數增加的時候，路由器上的 CPU額外開銷也隨之增大，但增加的并不是很多，對于路由器來說5%以下的額外 CPU開銷完全是可以接受的。當并發用戶數相同時，路由器上緩存的增加并沒有帶來很多額外的 CPU資源消耗。總的來說，利用路由器上緩存協作分發流媒體的策略并沒有消耗路由器上太多的計算資源，完全在可接受范圍之內，而且該策略還對路由器上的剩余存儲資源進行了高效的利用。

圖9 引入緩存后路由器上額外的計算開銷

5 結束語

本文提出了一種基于可重構路由器上緩存的流媒體協作分發策略，通過將邊緣路由器組織成本地緩存組，本地緩存組中的路由器對熱門視頻數據進行主動緩存，在用戶進行請求時可以直接提供服務。通過對原型系統的實驗結果分析表明，邊緣路由器上緩存的方法可以明顯地減輕服務器負載，降低用戶的平均初始響應時間和數據傳輸時間，可以極大地提升用戶體驗。該基于路由器上緩存的流媒體協作分發策略可以適用于大規模流媒體的分發，對于構建下一代網絡有著積極的意義。

路由器上業務感知的方法以及對更多業務流的加速策略研究將是下一步工作的內容。通過對路由器上業務感知方法的深入研究來使得路由器可以支持更多的業務加速；另外雖然P2P給ISP帶來巨大的流量負載，但是P2P技術對服務器帶寬需求的降低做出了巨大的貢獻，利用邊緣路由器對P2P資源進行合理的整合以及優化，從而更好地改善網絡環境將是下一步工作的另一個思路。

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