基于多码率视频点播服务的高效HLS媒体服务器的研究

张书晨

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210000)

基于多码率视频点播服务的高效HLS媒体服务器的研究

张书晨

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210000)

社交媒体和移动服务的增长以及客户端设备的多样性大大增加了媒体服务器的存储成本和网络流量。针对多码率视频点播服务(VOD)提出了一个能耗低、存储高效的HTTP直播流媒体服务器(HLS)。该媒体服务器考查用户的视频模式，利用实时转码提供高效的存储空间管理。实验结果表明,与之前的HLS服务器相比，文中提出的服务器存储效率更高。当用户请求的媒体质量的分布是正态分布时，该HLS服务器能减少25%的存储空间；当分布是帕累托分布时，存储空间能减少30%。提高存储效率同样也会提高功率效率，此HLS服务器的功耗能降低9.9%。

媒体服务；视频点播服务；实时传输编码

0 引言

随着社交媒体和移动服务的增长，存储在媒体服务器中视频的数量急剧增加；此外由于客户端设备的类型和功能多样化，需要提供不同质量(比特率)[1]的视频流。这些使媒体服务器的存储成本和视频点播服务的网络流量不断增加。对于无缝流媒体服务，研究表明可以根据网络条件选择视频流来调整网络流量。基于HTTP的自适应流媒体解决方案[2]是根据消费者的带宽变化来调整视频流的质量，例如基于HTTP的动态自适应流媒体(DASH)、苹果的HLS、Adobe的HTTP动态流(HDS)，以及微软的平滑流等。特别是HLS[3]，在各种媒体服务器和广播器中得到广泛支持。这些技术创建和存储了多个不同分辨率的视频文件，需要大量的媒体服务器存储空间。目前基于提高媒体服务器的存储和功率效率已有多项研究[4-5]。本文提出的HLS媒体服务器，考虑消费者的使用模式，利用实时转码[6-7]提高了存储和功率效率。其工作原理是把一个视频分割成不同比特率的片段,其中每个比特率代表了不同的质量水平。用户不经常使用的比特率片段通过实时传输编码来获取,而不是将它们存储在一个存储单元中。实验结果表明，该HLS媒体服务器存储效率更高。

1 相关工作

HLS是由苹果公司发明的HAS解决方案。HAS是一个基于HTTP的自适应流媒体技术,基于可用带宽为每一个客户选择一个适当的视频质量版本。HLS服务器将视频分割成不同数据速率的片段并将它们存储在一个存储单元中。用户通过HTTP从服务器下载视频片段。与传统的流媒体技术相比,HLS有以下几个优点：HLS能够穿越防火墙和支持标准HTTP流量的代理服务器；它允许视频片段被代理缓存,从而减少源服务器上的负载,提高访问下载速度。

在HLS中，客户端通过参考服务器的manifest文件，请求适合当前网络环境的视频片段，然后播放从服务器下载的片段。在下载过程中，客户端测量传输时间，并且基于测量时间和片段下载的容量探测当前的网络状况。根据服务器的manifest文件，客户端决定下一个视频片段的质量等级。客户端通过这种方式相应地调整视频流的质量来适应网络条件。与现有的流媒体技术相比,HLS降低了服务器的负载,同时支持到客户端的无缝流媒体服务。

目前对消费者的视频使用模式也进行了大量研究[8]。分析YouTube网站的视频播放模式,显示前10%最受欢迎的视频占总视频的80%。此外,视频播放时间服从对数正态分布,用户往往只看视频的第一个或最后一个部分，而不是观看整个视频。分析视频流量[9]，显示最受欢迎的前16%的视频流量占总流量的90%。

2 使用实时转码的HLS媒体服务器

本文中HLS媒体服务器的基本思想是实时转码不太受欢迎的视频片段，从而减少空间和功率损耗。此HLS媒体服务器由存储单元、转码服务器、Web服务器组成。不同于之前存储所有可能比特率的视频片段,此HLS媒体服务器仅存储较受欢迎的视频以及该视频片段所需的所有比特率。至于剩下的视频,该服务器只存储比特率最高的视频片段。这种策略背后的基本原理是客户端的请求高度集中在最受欢迎的视频上。而存储一大部分客户端很少请求的视频片段浪费存储空间。所以可以通过检测视频的优先级，然后基于它们的优先级选择存储，这样媒体服务器的存储空间可以得到有效利用。

当接收到一个客户端对于特定比特率的视频片段的请求时,Web服务器首先检查这些片段是否存储在存储单元中。如果是,Web服务器从存储单元中检索出它们，将其发送给客户端。否则,Web服务器发送一个请求到转码服务器，转码服务器从存储单元中检索所需片段的高比特率片段，然后实时转码生成所需比特率的视频片段。然后发送给Web服务器,Web服务器再交付给客户端。

3 实验结果及分析

本实验主要是比较实时转码的HLS媒体服务器和传统HLS媒体服务器之间存储和功率效率的差别。为了便于表述,把利用实时转码的HLS媒体服务器称为RTHS,把之前的 HLS媒体服务器称为HS。RTHS有5个网络附加存储(NAS)设备作为存储单元,一台电脑作为转码服务器和Web服务器。HS有5个NAS设备存储单元和一台电脑作为Web服务器。

实验中用到视频质量等级(Q1～Q5)，其中Q1分辨率最高而Q5最低。本次实验中流媒体视频请求的实验条件和参数，分别设置为请求时间间隔服从泊松分布，流行程度服从类Zipf分布，视频播放时间服从方差=1.54、均值=2.767 28的对数正态分布。请求各个质量等级的概率服从正态分布，其中概率分布为P(Q1)=0.1,P(Q2)=0.25,P(Q3)=0.3,P(Q4)=0.25,P(Q5)=0.1；请求各个质量等级的概率服从帕累托分布,其中P(Q1)=0.45,P(Q2)=0.23,P(Q3)=0.15,P(Q4)=0.12,P(Q5)=0.09，并且假设视频的流行与视频的类型无关。此外,不考虑视频受欢迎程度的变化。实验中使用3个倍率(1、0.5和0.25)创建客户端的视频请求数量，称为“视频请求多样化”。

(1)

(1)请求视频质量是正态分布时的实验结果

表1和表2展示当客户端请求的视频质量是正态分布时，RTHS存储率(与存储减少率相关的服务拒绝率)可以下降25%且不会恶化。表3是按照视频请求倍率变化的RTHS和HS的功率效率。与HS相比，当RTHS的存储空间下降了20%时，RTHS 需要 5个NAS存储空间来提供13 750个视频为流媒体服务，而HS却需要6个NAS 存储空间来提供这么多视频。显然与HS相比，RTHS的功率效率改善了4.8%～9.9%，而且随着视频请求倍率的减少，功率效率明显提高。

(2)视频请求质量遵循帕累托分布时的实验结果

由表4和表5可知当客户端的视频请求质量是帕累托分布时，和HS相比，RTHS的存储效率提高了30%，并且请求高质量等级视频的概率也提高了。表6结果表明，与HS相比，RTHS的功耗减少了9.3%。

表1 请求质量服从正态分布时，HS的存储效率

表2 请求质量服从正态分布时，RTHS的存储效率

表3 请求质量服从正态分布时，RTHS和HS的功耗

表4 请求视频质量服从帕累托分布时，HS的存储效率

表5 请求视频质量服从帕累托分布时，RTHS的存储效率

表6 请求视频质量服从帕累托分布时，RTHS和HS的功率效率

4 结论

本文提出的用于多码率视频点播服务的HLS 媒体服务器,实时转码的同时考虑客户端的请求模式，可以提高存储效率和功率效率。正如实验结果表明的那样,该服务器可以在保持QoS级别的同时减少存储器的使用。在能耗方面,当NAS服务器的功耗更为重要时，此媒体服务器也更适用。

[1] 马华东.多媒体技术原理及应用[M]. 北京:清华大学出版社,2011.

[2] SHIN I, KOH K. Hybrid transcoding for QoS adaptive video-on-demand services[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004,50(2):732-736.

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Study of efficient HLS media server based on multi-bitrate VOD services

Zhang Shuchen

(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210000, China)

The growth of social media and mobile services, and the diversity of client devices have greatly increased media servers’ storage costs and network traffic. This paper introduces an HTTP live streaming(HLS) media server for multi-bitrate video on-demand(VOD) services that is efficient in terms of power consumption and storage space. The media server takes the user's video streaming pattern into consideration and exploits real-time transcoding to provide efficient storage space management. The experimental results show that the storage of the proposed server is more efficient than the previous HLS servers. When the distribution of video qualities requested by users is in the form of a normal distribution, this proposed HLS server can reduce 25% of the storage space, while the distribution is pareto distribution, storage space can be reduced by 30%. Improving storage efficiency will also increase power efficiency, and the HLS server will reduce the required power consumption by 9.9%.

media server; VOD service; real-time transcoding

TP37

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.012

张书晨.基于多码率视频点播服务的高效HLS媒体服务器的研究[J].微型机与应用，2017,36(23)：41-43.

2017-05-01)

张书晨(1991-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：卫星通信技术。E-mail：15365134367@163.com。