面向電信專用視頻內容分發系統的成本評估

蒲音舒,葉德建,姜秀艷,劉 新

(1.復旦大學軟件學院,上海201203;2.網絡信息安全審計與監控教育部工程研究中心,上海201203)

面向電信專用視頻內容分發系統的成本評估

蒲音舒1,2,葉德建1,2,姜秀艷1,2,劉 新1,2

(1.復旦大學軟件學院,上海201203;2.網絡信息安全審計與監控教育部工程研究中心,上海201203)

電信運營商專用視頻內容分發系統是未來承擔智能電視視頻分發的主力,但急劇上升的成本嚴重制約電信運營商視頻內容分發系統的可持續發展。針對該情況,從成本控制角度對電信運營商視頻內容分發系統的分發策略進行評估。提出成本相關的評估指標和相關參數,以上海電信網絡電視系統為例分析實際用戶行為,構建大規模視頻內容分發仿真系統,進行大量仿真實驗。實驗結果展示了評估指標和相關參數間的定量關系,該分發策略能夠使系統成本最小,為電信運營商選擇內容分發策略提供理論依據。

智能電視;網絡電視;內容分發;成本控制;性能評估;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,視頻業務將是智能電視的核心業務之一。相比互聯網視頻,智能電視視頻業務在速度、質量和穩定性等方面都有更高的要求。因此,大部分智能電視視頻業務都采用內容分發網絡(Content Delivery Network,CDN)[1]進行內容傳輸,以保證服務質量。

相比普通CDN,電信運營商CDN通常是建立在單一運營商自營的底層網絡之上,不需要租賃帶寬,且對底層網絡有全面的了解,能進行更緊密的耦合,更易于對內容分發進行優化。因此,電信運營商CDN可能成為主導面向智能電視視頻專用CDN的重要力量。

本文根據電信運營商視頻CDN系統實際情況,從成本控制角度,對電信運營商視頻內容分發策略進行了評估。將內容分發策略抽象成易于調控的參數,計算各分發策略對應所需的成本,以成本作為主要指標評估內容分發。為了使評估具有實際意義,對電信運營商視頻CDN系統真實用戶行為進行了分析,用真實數據激勵仿真系統。

2 相關工作

電信運營商視頻CDN是典型的“核心+區域+邊緣”3級內容分發架構,如圖1所示。雖然相比其他CDN擁有一定的成本優勢,但成本控制在電信運營商視頻CDN中也非常重要。因為隨著系統的不斷擴大,邊緣節點的容量和數量都需要不斷提高,部署成本和運營成本都急劇增加,極大地限制了系統的進一步發展。

圖1 電信運營商視頻CDN系統架構

為保證電信運營商視頻CDN系統的可持續發展,希望通過減小邊緣節點的存儲配置而減小系統成本。但減小邊緣節點存儲勢必引起區域節點到邊緣節點的流量增加,導致帶寬成本增加。如何找到邊緣節點存儲和區域節點到邊緣節點帶寬配置的平衡點,使系統總成本最小,是需要解決的問題。

CDN技術已經發展得比較成熟,針對CDN進行性能評估和優化的研究也不少。文獻[2]從下載速度方面對目前最大的商用CDN系統Akamai進行了性能評估。文獻[3]對IPTV CDN系統網絡層流量進行了分析和統計。文獻[4]從成本和性能兩方面考慮,設計了一種高效的算法來計算內容文件在多個CDN中的分配。文獻[5]通過優化緩存管理策略使緩存利用最大化,從而減小帶寬成本。這些研究都嘗試評估和優化CDN系統的性能表現,減小帶寬成本,但它們大部分都是針對普通CDN的。

電信運營商CDN由于在近年來才開始興起,針對其的研究相對較少。文獻[6]評估了不同內容放置策略和路由策略對電信運營商CDN流量的影響。文獻[7]證明了通過不同電信運營商CDN之間的合作,可以減小系統成本。

混合架構也是提升CDN性能表現的一個重要研究方向。文獻[8-9]都建立了P2P CDN架構來評估和提升分發性能。但是根據筆者之前的研究,這種架構目前還不適用于電信視頻內容分發系統[10]。

綜上所述,目前并沒有從成本控制角度直接對單個電信運營商CDN進行評估和優化的研究。

3 主要評估指標和相關參數

目前大部分研究都是從性能表現和用戶體驗等方面進行評估。而本文則從電信運營商角度提出了他們真正關心的成本相關的指標以及影響評估指標的相關參數。

3.1 主要評估指標

希望在保證用戶體驗的前提下減小電信運營商視頻CDN系統的成本,因此,本文提出了2種類型的評估指標:性能指標和成本相關指標。可以利用性能指標反映系統服務質量和用戶體驗,通過成本相關指標計算系統的成本。

邊緣命中率(EHR):性能指標,由邊緣節點進行服務的請求數與總請求數的比例。邊緣命中率代表了邊緣節點的服務能力,可以從側面反映用戶體驗。所提出的優化分發策略必須滿足系統對邊緣命中率的要求。

峰值流量:成本相關指標,從區域節點到邊緣節點的最大流量,單位為千兆比特每秒(Gb/s)。峰值流量反映了系統對帶寬的實際需求,對系統成本有很大影響。

峰值存儲:成本相關指標,邊緣節點的最大存儲,單位為千兆字節(GB)。峰值存儲反映了邊緣節點對存儲的實際需求,對系統成本有很大影響。

3.2 相關參數

電信視頻CDN系統分發策略可分為2個部分:

(1)下拉策略:邊緣節點會首先嘗試滿足用戶請求,若不能滿足,則由更高層的節點進行響應。如果邊緣節點中未存儲影片的請求次數超過了一定閾值,則將該影片從區域節點下拉到邊緣節點。

(2)刪除策略:在邊緣節點存儲的影片如果一段時間內未被請求,則會被刪除。

根據以上分發策略,本文總結了一些對評估指標有影響的且易于調控的參數,電信運營商可以通過調節這些參數來優化分發策略,主要參數包括:

(1)下拉閾值:根據下拉策略,為邊緣節點中未存儲影片的請求閾值,單位為次。

(2)刪除閾值:根據刪除策略,為影片在邊緣節點中的保存時長,單位為天。

4 真實用戶行為分析

用戶行為對內容分發表現有很大影響,有必要對系統實際用戶行為進行分析。關于用戶行為分析的研究已有很多[11-12],但每個系統都是不相同的,必須根據系統的實際情況對內容分發策略進行評估和優化。上海電信IPTV系統采用上海電信專用視頻CDN,擁有近200萬付費用戶,是國內規模較大的電視視頻CDN系統。獲取上海電信IPTV系統的真實數據,用以分析電信視頻CDN的典型情況。

收集了上海電信IPTV系統近期的用戶數據并進行分析。一個邊緣節點每天的用戶請求超過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定義為影片熱門度。發現影片熱門度符合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是影片數量;α是斜率;q代表曲線頭部的平坦程度。根據擬合,α=0.9,q=18.5。

用戶觀看時長分布如圖3所示。發現用戶觀看時長具有長尾效應[14]。超過半數用戶觀看時長不超過3 min,只有5%用戶的觀看時長超過1h。

圖3 用戶觀看時長分布

還分析了用戶的到達量與時間的關系,如圖4所示。用戶到達的峰值為20:00～22:00,這時的平均到達速率超過180人/min。

圖4 用戶到達量分布

5 仿真實驗

電信運營商視頻內容分發涉及到底層環境、用戶行為等復雜情況,難以用簡單的理論模型對其進行評估。為此,實現了電信運營商視頻內容分發仿真系統,進行大量仿真實驗。通過仿真實驗,可以獲得評估指標和相關參數間的定量關系,評估各分發策略的表現。

5.1 仿真實驗條件

根據第4節所得的真實數據設置仿真條件,主要仿真條件如下:

(1)構建了一個3級網絡架構,用戶數量約為300萬;

(2)可點播影片總數量為120 000部;

(3)每天被點播影片數量為20 000部;

(4)影片時長為60 min;

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

(6)影片熱門度符合M-Zipf分布,根據第4節的擬合,設定α=0.9,q=18.5;

(7)用戶觀看影片時長設置如圖3所示;

(8)用戶到達速率設置如圖4所示,利用泊松分布[15]模擬用戶到達。

5.2 相關參數對評估指標的影響

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

圖5 相關參數對峰值存儲的影響

圖6 相關參數對峰值流量的影響

圖7 相關參數對邊緣命中率的影響

當下拉閾值上升時,峰值存儲減小、峰值流量和邊緣命中率上升。這是因為下拉閾值的上升使下拉到邊緣節點影片的數量減少,更多的請求需要由區域節點進行響應。而當下拉閾值持續上升時,峰值存儲的減小幅度放緩。根據第4節,影片熱門度存在長尾效應,下拉閾值越大,該請求次數所對應的影片數量越少,峰值存儲的減小幅度放緩。

當刪除閾值上升時,峰值存儲增加,峰值流量和邊緣命中率變動幅度很小。峰值存儲增加是因為邊緣節點所能保存的影片數量增大。峰值流量和邊緣命中率變動幅度很小是因為只有播放次數超過下拉閾值并且未在邊緣節點存儲的影片才會對它們產生影響,而由于在相對較短時間段內每天的總請求數和影片熱門度基本保持不變,這部分影片的數量非常小,因此對峰值流量和邊緣命中率的影響很小。而如果將刪除閾值設置較大的話會導致邊緣存儲量劇增,與電信運營商減小邊緣存儲、平衡資源配置的初衷相違背。

5.3 內容分發成本評估

在5.2節中,得了評估指標和相關參數間的定量關系,但這并不是最終目的。希望從成本控制的角度對內容分發策略進行評估,有了成本相關指標和參數間的定量關系,就可以計算相應分發策略參數設置下系統所需的成本。

假設采用最簡單的成本計算方式:

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

隨著下拉閾值上升時,曲線出現了拐點,而這個拐點就意味著存儲和帶寬配置的平衡點,意味著總成本的最小值。在圖8中,當下拉閾值為4,刪除閾值為5時,獲得了總成本的最小值10.72萬元,將此時的設置看作是最優化的內容分發參數設置。

在實際系統中,除了系統成本,還需要考慮系統的整體性能表現。用邊緣命中率來代表系統的性能表現,因為這個指標可以反映用戶請求得到響應的及時程度,從而從側面反映出用戶體驗和系統表現。發現當總成本最小(下拉閾值為4,刪除閾值為5)時,邊緣命中率為80%左右,此時運營商可以根據他們的實際需求判斷該分發策略配置是否可行。

圖8 相關參數對總成本的影響

本文所提出的評估指標都是電信運營商切實關心的,相關參數都是根據實際內容分發策略抽象出且易于運營商進行配置的,實驗結果是建立在大量真實數據的基礎上的。電信運營商可以參考本文的研究進行分發策略選擇和配置。當然,實際中邊緣存儲和帶寬都會存在限制、成本的計算方式也更復雜,運營商可以根據實際需求做細節調整。

6 結束語

智能電視發展十分迅速。可擴展的、成本可控的分發策略是智能電視大規模發展的關鍵。為此,從成本角度評估了電信運營商專用視頻內容分發系統分發策略的表現。為了使研究具有實際意義,本文提出了運營商真正關心的成本相關的評估指標和相關參數,分析了電信運營商視頻內容分發系統的真實用戶行為,并構建大規模電信運營商視頻內容分發仿真系統,以真實網絡拓撲和用戶行為激勵仿真系統進行了大量實驗。通過仿真實驗獲得了評估指標和相關參數間的定量關系,提出了使內容分發總成本最小的分發策略。本文為電信運營商優化內容分發策略、設置分發參數提供了理論依據。

下一步工作還會在此基礎上繼續深入研究,如建立更全面的用戶模型,對仿真系統進行優化等。

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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容分發系統的成本評估[J].計算機工程,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(2009ZX01039-003-002-003);上海市科委科技攻關計劃基金資助項目(09511500902)。

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

2014-04-11

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