面向电信专用视频内容分发系统的成本评估

蒲音舒,叶德建,姜秀艳,刘 新

(1.复旦大学软件学院,上海201203;2.网络信息安全审计与监控教育部工程研究中心,上海201203)

面向电信专用视频内容分发系统的成本评估

蒲音舒1,2,叶德建1,2,姜秀艳1,2,刘 新1,2

(1.复旦大学软件学院,上海201203;2.网络信息安全审计与监控教育部工程研究中心,上海201203)

电信运营商专用视频内容分发系统是未来承担智能电视视频分发的主力,但急剧上升的成本严重制约电信运营商视频内容分发系统的可持续发展。针对该情况,从成本控制角度对电信运营商视频内容分发系统的分发策略进行评估。提出成本相关的评估指标和相关参数,以上海电信网络电视系统为例分析实际用户行为,构建大规模视频内容分发仿真系统,进行大量仿真实验。实验结果展示了评估指标和相关参数间的定量关系,该分发策略能够使系统成本最小,为电信运营商选择内容分发策略提供理论依据。

智能电视;网络电视;内容分发;成本控制;性能评估;用户行为

1 概述

电视作为家庭娱乐的中心,将成为下一代智能化的主力。由于电视本身的特性,视频业务将是智能电视的核心业务之一。相比互联网视频,智能电视视频业务在速度、质量和稳定性等方面都有更高的要求。因此,大部分智能电视视频业务都采用内容分发网络(Content Delivery Network,CDN)[1]进行内容传输,以保证服务质量。

相比普通CDN,电信运营商CDN通常是建立在单一运营商自营的底层网络之上,不需要租赁带宽,且对底层网络有全面的了解,能进行更紧密的耦合,更易于对内容分发进行优化。因此,电信运营商CDN可能成为主导面向智能电视视频专用CDN的重要力量。

本文根据电信运营商视频CDN系统实际情况,从成本控制角度,对电信运营商视频内容分发策略进行了评估。将内容分发策略抽象成易于调控的参数,计算各分发策略对应所需的成本,以成本作为主要指标评估内容分发。为了使评估具有实际意义,对电信运营商视频CDN系统真实用户行为进行了分析,用真实数据激励仿真系统。

2 相关工作

电信运营商视频CDN是典型的“核心+区域+边缘”3级内容分发架构,如图1所示。虽然相比其他CDN拥有一定的成本优势,但成本控制在电信运营商视频CDN中也非常重要。因为随着系统的不断扩大,边缘节点的容量和数量都需要不断提高,部署成本和运营成本都急剧增加,极大地限制了系统的进一步发展。

图1 电信运营商视频CDN系统架构

为保证电信运营商视频CDN系统的可持续发展,希望通过减小边缘节点的存储配置而减小系统成本。但减小边缘节点存储势必引起区域节点到边缘节点的流量增加,导致带宽成本增加。如何找到边缘节点存储和区域节点到边缘节点带宽配置的平衡点,使系统总成本最小,是需要解决的问题。

CDN技术已经发展得比较成熟,针对CDN进行性能评估和优化的研究也不少。文献[2]从下载速度方面对目前最大的商用CDN系统Akamai进行了性能评估。文献[3]对IPTV CDN系统网络层流量进行了分析和统计。文献[4]从成本和性能两方面考虑,设计了一种高效的算法来计算内容文件在多个CDN中的分配。文献[5]通过优化缓存管理策略使缓存利用最大化,从而减小带宽成本。这些研究都尝试评估和优化CDN系统的性能表现,减小带宽成本,但它们大部分都是针对普通CDN的。

电信运营商CDN由于在近年来才开始兴起,针对其的研究相对较少。文献[6]评估了不同内容放置策略和路由策略对电信运营商CDN流量的影响。文献[7]证明了通过不同电信运营商CDN之间的合作,可以减小系统成本。

混合架构也是提升CDN性能表现的一个重要研究方向。文献[8-9]都建立了P2P CDN架构来评估和提升分发性能。但是根据笔者之前的研究,这种架构目前还不适用于电信视频内容分发系统[10]。

综上所述,目前并没有从成本控制角度直接对单个电信运营商CDN进行评估和优化的研究。

3 主要评估指标和相关参数

目前大部分研究都是从性能表现和用户体验等方面进行评估。而本文则从电信运营商角度提出了他们真正关心的成本相关的指标以及影响评估指标的相关参数。

3.1 主要评估指标

希望在保证用户体验的前提下减小电信运营商视频CDN系统的成本,因此,本文提出了2种类型的评估指标:性能指标和成本相关指标。可以利用性能指标反映系统服务质量和用户体验,通过成本相关指标计算系统的成本。

边缘命中率(EHR):性能指标,由边缘节点进行服务的请求数与总请求数的比例。边缘命中率代表了边缘节点的服务能力,可以从侧面反映用户体验。所提出的优化分发策略必须满足系统对边缘命中率的要求。

峰值流量:成本相关指标,从区域节点到边缘节点的最大流量,单位为千兆比特每秒(Gb/s)。峰值流量反映了系统对带宽的实际需求,对系统成本有很大影响。

峰值存储:成本相关指标,边缘节点的最大存储,单位为千兆字节(GB)。峰值存储反映了边缘节点对存储的实际需求,对系统成本有很大影响。

3.2 相关参数

电信视频CDN系统分发策略可分为2个部分:

(1)下拉策略:边缘节点会首先尝试满足用户请求,若不能满足,则由更高层的节点进行响应。如果边缘节点中未存储影片的请求次数超过了一定阈值,则将该影片从区域节点下拉到边缘节点。

(2)删除策略:在边缘节点存储的影片如果一段时间内未被请求,则会被删除。

根据以上分发策略,本文总结了一些对评估指标有影响的且易于调控的参数,电信运营商可以通过调节这些参数来优化分发策略,主要参数包括:

(1)下拉阈值:根据下拉策略,为边缘节点中未存储影片的请求阈值,单位为次。

(2)删除阈值:根据删除策略,为影片在边缘节点中的保存时长,单位为天。

4 真实用户行为分析

用户行为对内容分发表现有很大影响,有必要对系统实际用户行为进行分析。关于用户行为分析的研究已有很多[11-12],但每个系统都是不相同的,必须根据系统的实际情况对内容分发策略进行评估和优化。上海电信IPTV系统采用上海电信专用视频CDN,拥有近200万付费用户,是国内规模较大的电视视频CDN系统。获取上海电信IPTV系统的真实数据,用以分析电信视频CDN的典型情况。

收集了上海电信IPTV系统近期的用户数据并进行分析。一个边缘节点每天的用户请求超过12万次,被播放的影片超过2万部。

将一部影片一天中播放的次数定义为影片热门度。发现影片热门度符合M-Zip分布[13],如图2所示。

图2 影片热门度分布

在M-Zip分布中,影片i被播放的可能性为:

其中:

其中,N是影片数量;α是斜率;q代表曲线头部的平坦程度。根据拟合,α=0.9,q=18.5。

用户观看时长分布如图3所示。发现用户观看时长具有长尾效应[14]。超过半数用户观看时长不超过3 min,只有5%用户的观看时长超过1h。

图3 用户观看时长分布

还分析了用户的到达量与时间的关系,如图4所示。用户到达的峰值为20:00～22:00,这时的平均到达速率超过180人/min。

图4 用户到达量分布

5 仿真实验

电信运营商视频内容分发涉及到底层环境、用户行为等复杂情况,难以用简单的理论模型对其进行评估。为此,实现了电信运营商视频内容分发仿真系统,进行大量仿真实验。通过仿真实验,可以获得评估指标和相关参数间的定量关系,评估各分发策略的表现。

5.1 仿真实验条件

根据第4节所得的真实数据设置仿真条件,主要仿真条件如下:

(1)构建了一个3级网络架构,用户数量约为300万;

(2)可点播影片总数量为120 000部;

(3)每天被点播影片数量为20 000部;

(4)影片时长为60 min;

(5)影片码率为1.3 Mb/s。此码率为影片存储码率,影片传输时会加入一些冗余因素,因此传输码率在此基础上增加20%;

(6)影片热门度符合M-Zipf分布,根据第4节的拟合,设定α=0.9,q=18.5;

(7)用户观看影片时长设置如图3所示;

(8)用户到达速率设置如图4所示,利用泊松分布[15]模拟用户到达。

5.2 相关参数对评估指标的影响

改变下拉阈值和删除阈值的值,观察它们对峰值存储、峰值流量以及边缘命中率的影响,如图5～图7所示。

图5 相关参数对峰值存储的影响

图6 相关参数对峰值流量的影响

图7 相关参数对边缘命中率的影响

当下拉阈值上升时,峰值存储减小、峰值流量和边缘命中率上升。这是因为下拉阈值的上升使下拉到边缘节点影片的数量减少,更多的请求需要由区域节点进行响应。而当下拉阈值持续上升时,峰值存储的减小幅度放缓。根据第4节,影片热门度存在长尾效应,下拉阈值越大,该请求次数所对应的影片数量越少,峰值存储的减小幅度放缓。

当删除阈值上升时,峰值存储增加,峰值流量和边缘命中率变动幅度很小。峰值存储增加是因为边缘节点所能保存的影片数量增大。峰值流量和边缘命中率变动幅度很小是因为只有播放次数超过下拉阈值并且未在边缘节点存储的影片才会对它们产生影响,而由于在相对较短时间段内每天的总请求数和影片热门度基本保持不变,这部分影片的数量非常小,因此对峰值流量和边缘命中率的影响很小。而如果将删除阈值设置较大的话会导致边缘存储量剧增,与电信运营商减小边缘存储、平衡资源配置的初衷相违背。

5.3 内容分发成本评估

在5.2节中,得了评估指标和相关参数间的定量关系,但这并不是最终目的。希望从成本控制的角度对内容分发策略进行评估,有了成本相关指标和参数间的定量关系,就可以计算相应分发策略参数设置下系统所需的成本。

假设采用最简单的成本计算方式:

当C1=20 000元/(Gb·s-1),C2=5 000元/TB时,获得的成本曲线如图8所示。发现删除阈值越大,总成本越高。

随着下拉阈值上升时,曲线出现了拐点,而这个拐点就意味着存储和带宽配置的平衡点,意味着总成本的最小值。在图8中,当下拉阈值为4,删除阈值为5时,获得了总成本的最小值10.72万元,将此时的设置看作是最优化的内容分发参数设置。

在实际系统中,除了系统成本,还需要考虑系统的整体性能表现。用边缘命中率来代表系统的性能表现,因为这个指标可以反映用户请求得到响应的及时程度,从而从侧面反映出用户体验和系统表现。发现当总成本最小(下拉阈值为4,删除阈值为5)时,边缘命中率为80%左右,此时运营商可以根据他们的实际需求判断该分发策略配置是否可行。

图8 相关参数对总成本的影响

本文所提出的评估指标都是电信运营商切实关心的,相关参数都是根据实际内容分发策略抽象出且易于运营商进行配置的,实验结果是建立在大量真实数据的基础上的。电信运营商可以参考本文的研究进行分发策略选择和配置。当然,实际中边缘存储和带宽都会存在限制、成本的计算方式也更复杂,运营商可以根据实际需求做细节调整。

6 结束语

智能电视发展十分迅速。可扩展的、成本可控的分发策略是智能电视大规模发展的关键。为此,从成本角度评估了电信运营商专用视频内容分发系统分发策略的表现。为了使研究具有实际意义,本文提出了运营商真正关心的成本相关的评估指标和相关参数,分析了电信运营商视频内容分发系统的真实用户行为,并构建大规模电信运营商视频内容分发仿真系统,以真实网络拓扑和用户行为激励仿真系统进行了大量实验。通过仿真实验获得了评估指标和相关参数间的定量关系,提出了使内容分发总成本最小的分发策略。本文为电信运营商优化内容分发策略、设置分发参数提供了理论依据。

下一步工作还会在此基础上继续深入研究,如建立更全面的用户模型,对仿真系统进行优化等。

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编辑 顾逸斐

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,叶德建,姜秀艳,等.面向电信专用视频内容分发系统的成本评估[J].计算机工程,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”重大专项(2009ZX01039-003-002-003);上海市科委科技攻关计划基金资助项目(09511500902)。

蒲音舒(1989-),女,硕士,主研方向:网络多媒体;叶德建,副教授;姜秀艳、刘 新,讲师。

2014-04-11

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