CN106303704A - 一种基于代理服务器的dash流媒体直播系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统及方法，所述系统包括：DASH服务器；代理服务器，向DASH服务器请求视频分片并存储，增加码率重要性表，用来合并客户端的视频请求；客户端，向代理服务器发送视频分片请求，客户端使用码率切换方法来选择视频分片以更高效利用当前带宽以及缓存。本发明设计了新的基于代理服务器的网络拓扑模式，在客户端给出了适应当前带宽的DASH直播系统的码流切换方法，并在代理服务器端提出了动态缓存方法。本发明解决了DASH直播系统中码流切换过于频繁的问题，减小了网络的负载压力，从而提高了DASH协议在直播环境应用中的QoE性能和网络性能方面的表现。

Description

一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统及方法

技术领域

本发明涉及一种流媒体领域的方法，具体是一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统及方法。

背景技术

移动互联网的快速发展带来了视频服务的繁荣，但是与桌面设备相比，移动视频服务需要解决带宽不稳定的问题。传统的基于UDP的流媒体传输方法限制了一个固定的码率，极大地限制了其在移动环境下的使用，此外，传统的基于UDP的流媒体技术还面对着诸多不兼容的问题，比如NAT和防火墙的不兼容。以上种种使得基于UDP的流媒体技术成为了一种过时的解决方案。新的基于HTTP的技术应运而生，这就是MPEG-DASH(DynamicAdaptive Streaming over HTTP)鸡蛋糊，自从MPEG-DASH发布以来(2011年)，许多的科研人员致力于提高DASH协议的表现，并取得了斐然的成绩。

但是DASH协议的诞生更多是为了解决点播过程中的技术瓶颈，DASH的类点播的性质使它在直播中有着一些缺陷，比如时延过高的问题。随后有研究表明，通过减少单一分片的时间可以有效解决DASH的高时延问题，此外，如果使用更密集的码率分布，可以获得更为流畅的播放，但是未经优化直接使用传统的切换方法，则会出现其他的问题，集中在表现在两个方面：第一，不同码率的码流的频繁切换，研究证明这反过来将会降低用户的主观体验，第二，过多的码率点将会降低边缘服务器缓存命中率，降低主干网效率。

发明内容

本发明为了解决码率的频繁切换以及边缘服务器缓存命中率下降的问题，提出了一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统及方法，使用使得播放的过程更为平滑，同时并不增加主干网的负载压力。

根据本发明的第一方面，提供一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，包括：

DASH服务器：用于提供多种多码率视频分片，将DASH视频流编码成多个码率点；

代理服务器：向DASH服务器请求视频分片并存储，所述代理服务器中采用动态缓存方法，即在现有DASH网络的边缘服务器的基础上增加码率点重要性表，用来合并客户端的视频请求，从而减轻主干网压力，码率点重要性表会随着不同时间视频分片的请求不断更新；

客户端：向代理服务器发送视频分片请求，客户端使用码率切换方法来选择视频分片以更高效利用当前带宽以及缓存。

优选地，所述代理服务器，具有如下特征：

代理服务器遵循DASH协议，即DASH分片的码率信息能被代理服务器获得并统计的；

代理服务器根据DASH请求维护了一张各码率点重要性表，代理服务器将只缓存码率点重要性表中前n重要的码率点，其中n为缓存数，该参数提前设定，以平衡网络效率和视频质量表现；

代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在码率点重要性表中进行向下搜索，取最近码率点返回。

更优选地，所述代理服务器一直缓存最低码率点作为保险码率点。

优选地，所述码率点重要性表是各码率点重要性的描述，各点的重要性增量值会在代理服务器每次响应DASH请求的时候，根据DASH请求的具体内容计算所得；

每次增量之后，需对表进行归一化，使码率点重要性表的总体和为恒定值。

优选地，所述重要性增量值，利用修正的正态分布进行估计，使其与客户端数目相关联，其中标准正态分所述布密度函数Q：

$Q=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(I-I_{req})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

修正之后的概率密度函数为

其中C₃ ^u用来使小于本次所请求码率的部分所占比重更大，即码率小于本次所请求码率时u＞0，另外：

$\mathrm{\σ}=\frac{C_{2}N}{3}$

其中：n为最大缓存数量；I_req为DASH请求的码率点编号；I_next为下一次可能被请求的码率点编号；为第I个码率点的重要性；为重要性的增量；C₂为方差修正因数；C₃为倾斜因数；C₄为修正因数；N为总码率点；m为总用户数。

根据本发明的第二方面，提供一种上述所述系统的客户端使用的码率切换方法，所述码率切换方法的切换由当前的缓冲区满溢程度决定，下一个分片的码率理论最高值r_i+1MAX由下面的公式决定，在编码器中产生的所有码率点中选择比r_i+1MAX小但是最接近的一个；其中T是一个视频分片的时间，bl_i由之前所取得的视频分片所确定，表示当前缓冲区的空白程度，即bl_i越大，缓冲区可用的空间越大；

使用下面的公式对带宽估计进行修正，的获得是基于SFT的，它是带宽估计的滑动平均值，通过如下公式获得：

该公式中，SFT表示当前时刻的带宽估计值，是下载一个视频分片所需要的时间，通过调用系统的时间模块来获得；是前一个分片时刻的带宽估计的滑动平均值，C₁是加权参数，i表示所请求的第i个时间段的视频分片。

根据本发明的第三方面，提供一种上述系统的代理服务器端使用的动态缓存方法：包括如下步骤：

(1)客户端根据当前带宽及缓存情况向代理服务器发送视频分片请求；

(2)代理服务器会根据DASH请求维护一张各码率点重要性表，代理服务器将只缓存表中前n重要的码率点，其中n为缓存数，需要提前设定，以平衡网络效率和质量表现；

(3)代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在表中进行向下搜索，取最近码率点，如果代理服务器中有这个请求的码率点，那么将把它直接返回，如果没有，代理服务器将向DASH服务器请求码率分片；

(4)当请求下一视频分片时将重复上述步骤，同时各码率点重要性表将更新。

根据本发明的第四方面，提供一种基于代理服务器的DASH流媒体直播方法，包括如下步骤：

(1)客户端根据当前带宽及缓存情况向代理服务器发送视频分片请求；

(2)代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在码率重要性表中进行向下搜索，取最近码率点。如果代理服务器中有这个请求的码率点，那么将把它直接返回，如果没有，代理服务器将向DASH服务器请求码率分片；

(3)客户端使用改进的码率切换方法来决定要请求的下一视频分片的码率，然后重复上面的过程。

本发明上述DASH流媒体直播方法中的客户端、代理服务器具体的特征与上述代理服务器系统中各部分对应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明改进的系统结构使得有些码率点直接存储在代理服务器中，如果客户端请求的码率点在这些码率点里面，那么就可以直接返回。这样就有效降低了源服务器直接处理的请求数；

本发明适应DASH直播系统的码流切换方法有效降低了客户端不同码率的切换次数，提升了用户的观看质量体验(QoE)；

本发明在代理服务器端中使用的动态缓存方法会合并相似的视频分片请求，从而在降低了源服务器直接处理的请求数的基础上进一步降低了源服务器方面主干网的压力，使服务器负载方面得到优化。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例中基于代理服务器的DASH流媒体直播系统结构图；

图2是本发明一实施例中客户端码流切换方法在低时延场景下的测试性能图；

图3是本发明一实施例中代理服务器的缓存情况测试性能图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，包括：

DASH服务器：用于提供多种多码率视频分片，使用较短时间的视频分片(比如2秒左右)，以保证端到端时延；为了保证用户体验，在原始DASH服务器中将DASH视频流编码成多个码率点(比如8个以上)；

代理服务器：部署在本地，向DASH服务器请求视频分片并存储在代理服务器中；在现有网络的普通边缘服务器的基础上增加码率重要性表功能，用来合并客户端的视频请求，从而减轻主干网压力。

客户端：各个客户端在局域网中，在相似的网络状况，它们的视频请求将被代理服务器接受，客户端使用改进的码率切换方法(以下具体说明)来选择更合适的视频分片以更高效利用当前带宽以及缓存。

上述系统是一种基于代理服务器的DASH网络拓扑模式，在上述系统中，客户端中使用适应DASH直播系统的改进的码率切换方法，代理服务器端中使用动态缓存方法。

同时，本发明根据上述系统，还对应提出了一种基于代理服务器的DASH流媒体直播方法，具体步骤如下：

(1)客户端根据当前带宽及缓存情况向代理服务器发送视频分片请求；

(2)代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在码率重要性表中进行向下搜索，取最近码率点。如果代理服务器中有这个请求的码率点，那么将把它直接返回，如果没有，代理服务器将向DASH服务器请求码率分片；

(3)客户端使用改进的码率切换方法来决定要请求的下一视频分片的码率，然后重复上面的过程。

以下对上述系统和方法的实施细节进行详细的介绍：

1.基于代理服务器的系统拓扑结构：

系统架构图1所示。视频内容编码成几个不同的码率输出，它们代表了不同质量的视频，然后将其分割成片。本发明把分段视频放在服务器上，使用一个传统的静态服务器就可以充当视频服务器。客户端在不同的带宽条件下可能要求不同的视频片段。整个选择工作是由客户端完成，DASH标准文件没有指定的码率点标准，不过可以确定的是，本发明需要更多的码率点来匹配不同的终端，从台式机，平板电脑到其他的移动设备。

根据本发明的研究，使用更多的码率点可能带来如下的可能性：服务器通过特定的HTTP GET请求可以更准确地估计客户状态；视频播放过程中，多码率点之间的频繁切换可能会造成主观视频质量的下降；多码率点对于编码器是一个很大的考验；需要更精确的码率切换方法；降低了缓存服务器的效率。

基于上述的考虑，本发明设计一个智能的代理服务器，并将其部署到现有的体系结构之中，如图1所示。代理服务器能够根据HTTP GET请求的具体内容重写客户端的请求。客户端不需要意识到代理服务器的存在。同时，因为有更多的码率点，借助客户端具体的HTTP GET请求代理服务器可以了解客户端的带宽条件，从而代理服务器能够维护一张各码率点重要性表，来描述不同码率点的重要性，并缓存其中的某些码率点。

2.改进的码率切换方法：

码率切换方法是DASH系统的关键组成部分。目前的码率切换方法两个主要类别分别是基于带宽的和基于缓存的。通常，使用基于缓存的方法可以得到更大的总体带宽吞吐量，采用基于带宽的方法可以更直接反映出带宽波动情况。

因为接收缓冲区和分片时间是端到端延迟时间的主要贡献者，所以在直播环境中，需要减少这两者的值，然而这对于切换方法而言，相当于带宽条件变得更为严苛。基于带宽的方法的切换次数将增长到一个不可接受的水平。在研究中，模拟了一个典型的基于缓存的方法，分别设置分片时间等于2秒和10秒。在1000秒的仿真时间内，切换频率从4.6次切换/分钟(分片时间为10秒)增长到20.1次切换/分钟(分配时间为2秒)。基于缓存方法工作原理是基于渐进式下载机制，这保证了缓存区的利用率会相当高，但是对于带宽变化不会特别敏感。

为此，本发明设置了一个新的码率切换方法，以解决在低分片时间下的切换次数剧增的问题，方法的具体内容如下：

(1)码率切换方法运行在客户端，切换由当前的缓冲区满溢程度决定，下一个分片的码率理论最高值r_i+1MAX由下面的公式决定，在编码器中产生的所有码率点中选择比r_i+1MAX小但是最接近的一个。其中T是一个视频分片的时间，bl_i由之前所取得的视频分片所确定，表示了当前缓冲区的空白程度，即bl_i越大，缓冲区可用的空间就越大。

(2)同时使用下面的公式对带宽估计进行修正，的获得是基于SFT的，它是带宽估计的滑动平均值，通过如下公式获得：

该公式中，SFT表示了当前时刻的带宽估计值，是下载一个分片所需要的时间，通过调用系统的时间模块来获得。是前一个分片时刻的带宽估计的滑动平均值，C₁是加权参数，典型值为0.5。

仿真结果如图2所示。该图2中能够看出该效果优于现有技术，跟传统的基于缓存的方法(图中的原始方法曲线)相比，本发明尽量减少不同质量视频分片的切换次数，改进方法曲线也一直在贴合网络带宽曲线，这样做因为切换次数过多会降低用户的观看体验，同时保证带宽以及缓存利用率。

3.代理服务器的动态缓存方法：

为了解决码率的频繁切换以及边缘服务器缓存命中率下降的问题，本发明还提出了一种上述的基于代理服务器的DASH直播系统和方法的代理服务器端中使用的动态缓存方法。该方法的使用使得播放的过程更为平滑，同时并不增加主干网的负载压力。

根据上述的阐述，DASH直播系统和方法中使用的代理服务器的特征如下：DASH代理服务器能够遵循DASH协议，亦即DASH分片的码率信息是可以被DASH代理服务器获得并统计，借此，DASH代理服务器根据DASH请求维护了一张各码率点重要性表，DASH代理服务器将只缓存表中前n重要的码率点，其中n为缓存数，需要提前设定，以平衡网络效率和质量表现，比如在一实施例中，设定n＝5，即代理服务器端在一段时间内持有五个不同码率的视频分片。为了满足本发明的需求，代理服务器响应DASH请求的时候，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在表中进行向下搜索，取最近码率点返回。值得说明的是：为了保证播放的连续性，避免中断，代理服务器将一直缓存码率最低点作为保险码率点。

具体的方法实现形式表述如下：

重要性是对于各码率点重要性的描述，各点的重要性增量值会在代理服务器每次响应DASH请求的时候，根据DASH请求的具体内容计算所得；每次增量之后，需要对表进行归一化，使表的总体和为恒定值；重要性增量值的计算利用了修正的正态分布进行估计，使其与客户端数目相关联。实验结果如图3所示。其中曲线代表不同客户端的带宽情况，直线对应的数字则是代理服务器选择储存的码率点的码率值，客户端再根据自己的网络以及缓存情况在这些码率值对应的切片中选择适应当前情况的视频分片。

在计算重要性时，标准正态分布密度函数为

$Q=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(I-I_{req})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

本发明修正之后的概率密度函数为

其中C₃ ^u用来使小于本次所请求码率的部分所占比重更大一些，即码率小于

本次所请求码率时u＞0，另外：

$\mathrm{\σ}=\frac{C_{2}N}{3}$

其中各个符号的意义如下表：

综上所述，本发明提出了一种新的基于代理服务器的网络拓扑模式，在客户端给出了适应当前带宽的DASH直播系统的码流切换方法，并在代理服务器端提出了动态缓存方法，本发明解决了DASH直播系统中码流切换过于频繁的问题，减小了网络的负载压力，从而提高了DASH协议在直播环境应用中的QoE性能和网络性能方面的表现。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，其特征在于：包括：

DASH服务器：用于提供多种多码率视频分片，将DASH视频流编码成多个码率点；

代理服务器：向DASH服务器请求视频分片并存储，所述代理服务器中采用动态缓存方法，即在现有DASH网络的边缘服务器的基础上增加码率点重要性表，用来合并客户端的视频请求，从而减轻主干网压力，码率点重要性表会随着不同时间视频分片的请求不断更新；

客户端：向代理服务器发送视频分片请求，客户端使用码率切换方法来选择视频分片以更高效利用当前带宽以及缓存。

2.根据权利要求1所述的基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，其特征在于：所述代理服务器，具有如下特征：

代理服务器遵循DASH协议，即DASH分片的码率信息能被代理服务器获得并统计的；

代理服务器根据DASH请求维护了一张各码率点重要性表，代理服务器将只缓存码率点重要性表中前n重要的码率点，其中n为缓存数，该参数提前设定，以平衡网络效率和视频质量表现；

代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在码率点重要性表中进行向下搜索，取最近码率点返回。

3.根据权利要求2所述的基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，其特征在于：所述代理服务器一直缓存最低码率点作为保险码率点。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，其特征在于：所述码率点重要性表是各码率点重要性的描述，各点的重要性增量值会在代理服务器每次响应DASH请求的时候，根据DASH请求的具体内容计算所得；

每次增量之后，需对表进行归一化，使码率点重要性表的总体和为恒定值。

5.根据权利要求4所述的基于代理服务器的DASH流媒体直播系统，其特征在于：所述重要性增量值，利用修正的正态分布进行估计，使其与客户端数目相关联，其中标准正态分所述布密度函数Q：

$Q=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(I-I_{req})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})$

修正之后的概率密度函数为

其中C₃ ^u用来使小于本次所请求码率的部分所占比重更大，即码率小于本次所请求码率时u＞0，另外：

$\mathrm{\σ}=\frac{C_{2}N}{3}$

其中：n为最大缓存数量；I_req为DASH请求的码率点编号；I_next为下一次可能被请求的码率点编号；为第I个码率点的重要性；为重要性的增量；C₂为方差修正因数；C₃为倾斜因数；C₄为修正因数；N为总码率点；m为总用户数。

6.一种权利要求1-5任一项所述系统的客户端使用的码率切换方法，其特征在于，所述码率切换方法的切换由当前的缓冲区满溢程度决定，下一个分片的码率理论最高值r_i+1MAX由下面的公式决定，在编码器中产生的所有码率点中选择比r_i+1MAX小但是最接近的一个；其中T是一个视频分片的时间，bl_i由之前所取得的视频分片所确定，表示当前缓冲区的空白程度，即bl_i越大，缓冲区可用的空间越大；

使用下面的公式对带宽估计进行修正，的获得是基于SFT的，它是带宽估计的滑动平均值，通过如下公式获得：

该公式中，SFT表示当前时刻的带宽估计值，是下载一个视频分片所需要的时间，通过调用系统的时间模块来获得；是前一个分片时刻的带宽估计的滑动平均值，C₁是加权参数，i表示所请求的第i个时间段的视频分片。

7.一种权利要求1-5任一项所述系统的代理服务器端使用的动态缓存方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)客户端根据当前带宽及缓存情况向代理服务器发送视频分片请求；

(2)代理服务器会根据DASH请求维护一张各码率点重要性表，代理服务器将只缓存表中前n重要的码率点，其中n为缓存数，需要提前设定，以平衡网络效率和质量表现；

(3)代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在表中进行向下搜索，取最近码率点，如果代理服务器中有这个请求的码率点，那么将把它直接返回，如果没有，代理服务器将向DASH服务器请求码率分片；

(4)当请求下一视频分片时将重复上述步骤，同时各码率点重要性表将更新。

8.一种基于代理服务器的DASH流媒体直播方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)客户端根据当前带宽及缓存情况向代理服务器发送视频分片请求；

(2)代理服务器响应DASH请求时，由于只有部分码率点被缓存，代理服务器能重写DASH请求，对请求的码率点在码率重要性表中进行向下搜索，取最近码率点；如果代理服务器中有这个请求的码率点，那么将把它直接返回，如果没有，代理服务器将向DASH服务器请求码率分片；

(3)客户端使用改进的码率切换方法来决定要请求的下一视频分片的码率，然后重复上面的过程。