基于CDN的視頻獨立隊列緩存策略研究

賀青+劉偉海

【摘要】 視頻服務器緩存管理對視頻質量有重要影響。為提高視頻服務器資源利用率、提高客戶端節目播放質量和流暢性，本文提出一種視頻獨立隊列緩存管理算法。該算法通過建立一個獨立隊列模型對該算法進行分析，可節省緩存資源，有效防止緩存上溢或下溢，為客戶端提供高質量視頻感知，描述了詳盡的算法，并驗證了其可行性和有效性。

【關鍵詞】 視頻緩存獨立隊列

一、引言

隨著移動互聯網的飛速發展，用戶對互聯網技術應用的需求不斷提高，CDN技術[1]將網站的內容發布到最接近用戶的網絡“邊緣"，使用戶可以就近取得所需的內容。視頻業務是4GLTE網絡和有線寬帶網絡的核心應用之一。傳統的CDN視頻緩存技術[2]基于用戶訪問熱點資源進行緩存，存在緩存盲區，為了提高視頻節目在客戶端播放的質量，必須以一定的機制對視頻服務器緩存資源進行有效管理。

緩存管理策略[3]的選擇對視頻緩存系統的性能有很重要的影響。視頻緩存服務器的緩存管理包括兩個部分：視頻服務器從視頻硬盤上獲取了節目的數據塊后必須先將其存放到一定的緩存區中，然后才能向網絡傳送；客戶端在接收到數據塊后必須將其放人緩存區，進行平滑處理之后才能播放顯示。本文主要研究視頻服務器的緩存管理。

二、視頻緩存原理

視頻點播服務器的工作是周期性的，在每一個服務周期中，服務器從視頻硬盤上獲取各用戶點播節目的數據塊，并存放到相應的緩存區中。數據塊以一定的速率從緩存區向網絡發送，從而保證節目在客戶端的流暢播放。

2.1獨立隊列緩存模型

緩存管理策略決定以靜態還是動態方式分配緩存；不同的視頻流是擁有各自獨立的緩存還是共享緩存；同一視頻流在不同周期獲取的數據塊是存放在不同的緩存區還是后來者覆蓋先到者等等。由于緩存是視頻服務器相當寶貴的資源，緩存管理策略的選擇首先應當考慮節省緩存資源，從而保證支持更多用戶的可用性。其次，盡可能避免緩存上溢或者下溢，防止出現異常。

每個進入緩存服務器的視頻流都擁有一個獨立的緩存隊列，從視頻硬盤上獲取的視頻數據塊存放在動態分配的緩存塊內。如圖1所示。

2.2算法分析

針對緩存盲區，通過優化緩存隊列熱點上報策略（建立獨立隊列、差異化設定上報周期和隊列長度），優先將熱點信息上報給視頻調度服務器、觸發緩存資源服務器回源。

三、熱點視頻獨立隊列緩存應用

3.1應用方案制定

通過對現網視頻緩存服務器隊列上報信息進行自動統計分析，如表1所示為對SAS上報隊列信息一周的監控情況：

根據視頻緩存服務流量統計結果，騰訊、優酷、愛奇藝視頻流量占比最高，為騰訊、優酷和愛奇藝這三個熱門視頻應用優先配置獨立緩存隊列，可以減少熱點視頻資源積壓，從而增加緩存命中率，提升視頻緩存服務流量。

3.2應用方案配置

通過統計現網騰訊、優酷、愛奇藝日均緩存流量，評估獨立隊列配置所需服務器數量，具體統計結果如表2所示：

以騰訊為例，獨立隊列配置如下：

3.3應用效果分析

從騰訊、優酷、愛奇藝隊列上報信息中可以看到，上報最低點擊數均控制在20左右，表明絕大部分熱點視頻資源的流量通過了緩存。統計優化后各視頻流量及命中率如表3所示：

可以看到隊列調優之后，騰訊、優酷和愛奇藝緩存命中率顯著上升，均達到了90%以上，通過緩存的流量日均為8Gbps以上，顯著提升了緩存效率。統計優化后各視頻撥測質量情況如表4所示：

四、結束語

本文提出一種新穎的視頻獨立隊列緩存管理算法用于視頻點播服務器的緩存管理。該算法節省緩存資源，減少了緩存上溢或下溢的可能性，同時為客戶端流暢地播放節目提供了必要條件，下一步可分析更多的熱點業務，對這些熱點業務配置獨立隊列，提升緩存服務流量和質量。

參 考 文 獻

[1]雷葆華，孫穎，王峰，陳曉益等.CDN技術詳解.電子工業出版社.2012年6月.

[2]中國移動通信集團.中國移動內容網絡設備規范-邊緣服務節點分冊.2015年8月

[3]余圣發，陳曾平，莊釗文.針對網絡視頻應用的視頻轉碼技術綜述.通信學報，2007，28（1）111一118.