保障视频体验，家宽智能管道提速探讨

刘 红，张正源

保障视频体验，家宽智能管道提速探讨

刘 红，张正源

本文通过分析影响视频业务体验的关键因素，提出了基于TCP协议优化及DAA提速的一体化解决方案，详细描述了TCP协议优化及DAA提速的技术原理，以及在现网的实践结果，对运营商视频业务运营及用户体验提升有重要的借鉴意义。

视频体验；TCP协议；DAA 提速；4K视频

1 引言

近年来，互联网应用爆发式增长，彻底改变了人们的生活、消费、购物、理财方式。智慧家庭、NB-IOT、5G技术成熟，万物互联的时代也即将到来。随着4K视频的普及，基于内容和应用的差异体验，是运营商提供更优质服务的基础。

网络带宽是视频业务体验的影响因素之一，作为运营商，既要兼顾建网周期，保障正常情况下的用户体验，同时还要考虑在特殊情况导致用户体验劣化时，能够及时进行优化，为网络的建设和维护争取时间。本文主要从网络带宽的智能提速方面进行探讨。

2 视频业务对网络需求分析

4K视频从分辨率、色彩空间、刷新率方面为用户带来更极致的体验。如图1所示，相比于HD视频，4K视频的分辨率提升4倍，色彩空间提升2.1倍，刷新率提升1倍。相比于高清视频和标清视频，对带宽和存储的要求都成倍增加。

图1 4K业务的数据传输要求

2.1 4K视频业务对网络带宽的需求分析

视频通常基于HLS的流媒体，无论直播还是点播，突变的码流都被相对平滑的TCP下载行为改造成了较为平滑的网络下载流量，所以相比RTP的IPTV直播（VBR编码）对网络处理突发的要求大大降低。

通常OTT采用VBR ，相对于CBR，VBR压缩效率高，可自适应网络质量。4K业务对网络可用带宽的要求和建议，如图2所示。

图2 4K业务的数据传输要求

所以，CDN出口最大发流速度＜=平均码流的1.5倍，以降低TCP下载初始阶段的突发，避免丢包；网络实际物理带宽＞=平均码率的1.5倍，客户端到CDN服务器的E2E物理带宽建议至少也要达到平均码率的1.5倍。

4K视频对网络的要求如图3所示，

图3 4K等视频业务的带宽需求对比

2.2 4K业务对双向时延和丢包率的要求

端到端TCP吞吐量受双向时延和丢包率影响，仍存在不满足4K业务需求的风险。所以4K业务对网络的双向时延和丢包率也有要求。

根据公式（1），端到端的TCP吞吐量受接入物理带宽BW，拥塞窗口CWND，双向时延RTT，报文长度MSS，丢包率P等参数的影响。

为保障不小于25M码率的4K视频流畅播放，要求达到不小于38M的网络吞吐量，通常机顶盒TCP接收滑动窗口能支持到256K，则最大E2E双向时延必须小于45ms。考虑源和终端时延预留10ms，则网络的双向时延必须小于35ms。

由此可以看出，网络的带宽、时延、丢包都会对TCP的通量造成影响，最终影响4K业务的体验。而针对用户进行TCP加速或者提升用户带宽都能有效的帮助用户提升体验。

3 基于网络带宽的智能提速解决方案

用户带宽智能提速主要包括TCP加速技术及智能管道带宽提速技术，下文主要针对这两种带宽提速方案进行深入探讨。

3.1 TCP加速技术

TCP加速技术的核心是设计高效的拥塞控制算法，在不丧失TCP公平性和友好性的前提下，尽量提升TCP流的吞吐率。拥塞控制的基本思路是发送端根据从网络获得的拥塞反馈信息调整TCP的发送速率，基于根据何种拥塞反馈信息可以将TCP加速技术分为三类：基于隐式信息反馈的TCP加速技术、基于显式信息反馈的TCP加速技术和基于智能数据分析的TCP加速技术。

3.1.1 基于隐式信息反馈的TCP加速技术

利用传输过程中获取的反馈作为隐式拥塞指示，典型反馈信息主要分为丢包事件和往返时延，并在发送端做出相应的拥塞控制策略。

丢包事件是最能直观反映网络拥塞的行为，目前大多数TCP加速技术都选择将丢包事件作为拥塞反馈，主要包括：Reno，S-TCP，HSTCP，H-TCP，BIC，CUBIC等。往返时延能够更加及时地反应网络拥塞，将往返时延作为拥塞反馈的TCP加速技术包括：TCP Vegas和FAST TCP等。

基于隐式信息反馈的TCP加速技术依赖于丢包事件和往返时延等信息对网络拥塞判定的精确度，无论是拥塞丢包和随机丢包的判断错误，还是轻载网络时延的判定错误，都会给TCP的拥塞控制产生负面影响，因此依靠简单的隐式拥塞信息反馈来调整TCP拥塞控制难以满足应用的高吞吐率需求。

3.1.2 基于显式信息反馈的TCP加速技术

利用路由器配合进行显式拥塞反馈，由路由器主动向发送端通告网络的拥塞状况，发送端据此调整发送速率.比较典型的主要有：XCP和VCP等。

该类技术对网络设备支持的依赖程度非常高，因此协议可扩展性很差。

3.1.3 基于智能数据分析的智能TCP加速技术

针对每一条TCP流收集与该流相关的来自于应用和网络等多个维度的信息，通过设计智能数据分析引擎，将来自应用的真实需求信息和来自网络的真实状态信息分析处理成智能标识拥塞控制信息，指导算法更加精确地判断网络拥塞程度。

基于智能数据分析的智能TCP加速有以下技术优势：

3.1.3.1 快速到达峰值，速率精准可控

现有的TCP加速技术对应用层是完全封闭的，由于TCP调整拥塞窗口的策略没有明确的目标和方向，如图4所示，拥塞控制算法的工作状态始终介于“盲目试探”和“错误调整”状态之间，导致TCP的实际吞吐率的下降。

图4 TCP吞吐量与CWND关系曲线图

为了解决上述问题，智能TCP加速算法提出了目标吞吐率的概念，通过将TCP面向应用层开放接口，让业务直接参与拥塞窗口的调整过程。根据目标吞吐率和往返时延计算得到的当前目标窗口，根据目标窗口与当前拥塞窗口CWND的差值可以计算窗口增幅β。通过目标吞吐率，智能TCP加速算法能够在慢启动和拥塞避免阶段实现窗口的快速精准增长，在达到目标窗口后，β能够将拥塞窗口稳定在目标吞吐率所需求的窗口位置。

3.1.3.2 区分真假拥塞，智能调整窗口

通过设置智能数据分析引擎，从5个子维度综合分析本地TCP流的网络信息：当前丢包事件、当前往返时延、历史丢包事件、历史往返时延和历史吞吐率，根据上述信息估计网络轻载的往返时延。根据数据分析引擎的输出判定引起丢包的原因，并将判定结果作为计算窗口降幅的输入。如图5所示。将智能数据分析技术引入TCP加速技术，克服了传统TCP加速技术对网络状况判断不准确的缺陷，真正能够做到：窗口快速增长（Rapid）、目标速率可调（Adjustable）、丢包智能甄别（Clever）和自适应调整窗口达到高通量（Efficient）。

图5 分析本地TCP流的网络信息

3.2 智能管道带宽提速

4K视频的流畅播放对网络带宽的需求达到30M～50M，而从最新的2016年第二季度《互联网发展状况报告》可以看出，全球平均连接速度达到6.1Mb/s，年度同比增幅达14%，虽然中国平均网速年增52%远高于全球平均增幅，但绝对值平均仅为8M左右，相比4K视频流畅播放对网络带宽的需求（达到30M～50M），仍然存在较大差距。

智能管道带宽提速方案，需要在现有的城域网增加策略控制平台，作为智能管道的控制核心，负责对BRAS的动态提速能力进行统一控制和封装，并提供API接口，供上层的业务平台灵活按需调用。与BOSS进行对接，实现用户基础信息的同步，并向计费系统提供提速业务的话单数据。增加能力开放平台，负责互联网合作业务平台的统一管理，实现互联网合作业务的发放、计费、对账。通过智能提速平台和OTT业务平台之间相互配合，实现带宽保障和视频业务互动，确保用户端到端体验。

3.2.1 原理应用

智能管道灵活调用网络能力，可以有效支持“用户自助提速”和“后向应用提速”。通过策略控制平台调用BRAS的BoD、DAA动态带宽调整能力。

BoD（Bandwidth on Demand）是用户通过Web Portal、手机/PC客户端点击提速按钮实现按需带宽提速技术。

DAA（Destination Address Accounting）是一种根据用户访问的目的地址进行计费、限速和优先级调度的技术。

3.2.2 提速方案

3.2.2.1 用户触发的提速

⊙ 用户在电视屏的操作界面选择“智能提速”。

⊙ 顶盒上运行的APK软件接收到提速请求，并发送到业务服务器，业务服务器通过API，向智能提速平台下发用户提速请求。

⊙ 智能提速平台向BRAS下发策略模板和策略参数。

⊙ BRAS根据收到的策略模板实现智能提速。

⊙ 机顶盒自适应网络带宽，播放高清码流片源。

⊙ 用户在电视屏的操作界面选择“停止提速”。

⊙ 机顶盒上运行的APK软件接收到停止提速请求，并发送到业务服务器，业务服务器通过API，向智能提速平台下发用户停止提速请求。

⊙ 智能提速平台向BRAS下发取消策略模板和策略参数。

⊙ BRAS针对特性用户和特定业务取消提速。

3.2.2.2 定向自动提速

⊙ 用户在营业厅申请“定向自动提速”套餐。

⊙ BOSS系统将用户套餐信息同步到智能提速平台。

⊙ 用户上线，智能提速平台判断是否为套餐用户，自动向BRAS下发策略模板和策略参数。

⊙ BRAS根据收到的策略模板实现智能提速。

⊙ 机顶盒自适应网络带宽，播放高清视频对应码流的片源。

3.2.2.3 时长提速

⊙ 用户在电视屏的操作界面选择“包时提速”。

⊙ 机顶盒上运行的APK软件接收到提速请求，并发送到业务服务器，业务服务器通过API，向智能提速平台下发用户提速请求。

⊙ 智能提速平台向BRAS下发策略模板和策略参数。

⊙ BRAS根据收到的策略模板实现智能提速。

⊙ 机顶盒自适应网络带宽，播放高清码流片源。

⊙ 智能提速平台启动定时器，如果时长套餐包已经到期，自动向BRAS取消用户业务提速，用户无需额外操作。

4 智能提速实践介绍

通过实验室和现网实践，验证了以上两种智能提速方案的实际应用效果，介绍如下：

4.1 TCP加速实践

智能TCP加速算法只有在网络端到端的丢包和时延处于一个区间内才能明显的提升TCP通量，超出该区间时无效果。我们在实验室通过参数遍历测试，获得了智能TCP加速算法的有效范围，如图6、图7、图8、图9所示。黄色区域为有效区域，智能TCP加速算法效果明显，绿色区域和红色区域为无效区域无加速效果。

图6 智能TCP加速算法的有效范围-百兆有线接入/40M码率4K视频

图7 智能TCP加速算法的有效范围-百兆有线接入/16M码率4K视频

为验证TCP加速算法有效范围及应用效果，通过建立用户体验情况模型进行了验证，建模如下：

视频体验劣化用户275人次（包含OTT视频，OTT视频质差人次占比50%左右），最大丢包率2.257%，最大时延93毫秒，体验劣化用户在绿色、黄色、红色区域均有分布，如图8所示。

图8 体验劣化用户体验建模MOS值分布图

经对比发现对于处于有效区域的用户（丢包率0.08%，时延12毫秒），在观看12M左右码率的视频时，出现卡顿，经智能TCP加速后，吞吐量提升明显，峰值速率从10M左右，提升到14M左右，如图9、图10所示。智能TCP加速算法提升峰值带宽39%。

图9 加速前实时流量曲线图

图10 加速后实时流量曲线图

对于处于无效区域的用户，经过实际测试发现并无加速效果，这个结论与前期的理论和测试结果吻合。

加速效果主要影响因素包括：端到端网络质量（丢包、时延）、片源码率、服务器端视频流化突发模型，现网验证结果和实验室测试确定的有效边界相吻合。

4.2 DAA提速实践

通过搭建测试环境，并模拟用户观看，对于DAA智能提速进行了实践验证。

DAA智能提速测试环境由能力开放服务器、BOSS，AAA，BRAS，OLT，ONT及用户终端搭建，如图11所示。

图11 DAA智能提速测试环境组网图

能力开放服务器配置OTT TV的带宽保障DAA提速模板和4K高清的带宽保障DAA提速模板。配置成功后，能力开放服务器根据用户订购的业务类型，在用户上线时，自动捕捉用户上线报文，自动下发提速模板给BRAS，BRAS为用户绑定DAA提速模板。同时，BRAS要支持DAA策略和计费抄送功能，并配置radius server组、绑定能力开放服务器IP地址、在ACL限制流中设置待访问的目的IP地址。

当用户访问OTT视频或4K高清视频时，基于目的地址生效的DAA模板将为用户提供带宽保障，提升用户观看体验。

DAA智能提速业务可以根据需要应用在各个场景，例如营业厅基础带宽+10M OTT_TV场景、营业厅基础带宽+50M 4K高清提速场景、VIP用户DAA 100M带宽提速场景。

5 结束语

当前家庭宽带业务中视频业务占比增加，4K视频业务的发展随着技术的进步和硬件成本的降低，必将飞速发展。在现有运营平台提供纯宽带的传统型业务情况下，无法满足业务的多样化需求。而通过引入TCP加速和DAA提速，可以在现有网络快速提升用户的带宽和通量，通过低成本的方案支撑4K视频业务的发放，帮助运营商抓住视频时代的发展契机。

Discussion on Guaranteeing Video Experience and Accelerating Home Broadband Smart Pipes

Liu Hong, Zhang Zhengyuan

This document analyzes key factors that affect the video service experience, provides an integrated solution based on TCP protocol optimization and DAA acceleration, describes the technical principles behind TCP protocol optimization and DAA acceleration, and analyzes the live network test results. These are all critical factors for business operations and improving user experience.

video experience; TCP protocol; DAA acceleration; 4K video

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.005

TN915文献标示码：A

1672-7274（2017）03-0016-05