CN108833350B - 一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法 - Google Patents

一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，用基于状态的比特率自适应调整策略对流媒体数据传输进行自适应的调节；根据流媒体客户端的流连接数量采取比特率调整延迟策略，削弱具有多个流连接的流媒体客户端在比特率调整频率上的优势，平衡不同连接数量的用户的带宽获取能力。本发明通过引入基于状态的比特率自适应调整策略和比特率调整延迟策略，解决多服务器条件下采用并发流技术的动态自适应流媒体系统在同一带宽受限连接下多个用户带宽分配不公平的问题，同时保证系统数据传输的有效性和稳定性。

Description

一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法
技术领域
本发明属于基于HTTP协议的动态自适应流媒体传输领域，具体涉及一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法。
背景技术
随着互联网的发展，特别是以在线视频、网络直播等为代表的新兴互联网服务的发展，流媒体服务对带宽的需求逐渐成为互联网带宽的主要需求。流媒体技术逐渐从传统的面向连接协议发展到基于HTTP的无状态自适应流媒体协议。这种基于HTTP协议的流媒体方案相比于传统的流媒体方案有着诸多的优势，例如可复用已有的HTTP基础设施(包括服务器、代理和缓存)、可靠的传输以及轻松通过防火墙等等。
在现有的HAS(基于HTTP协议的自适应流)技术中，媒体内容(例如视频)被切分为一组媒体内容切片(chunks)，每一个媒体内容切片包含了若干秒的视频内容。这些媒体内容切片被编码成若干种比特率，并在客户端部署比特率自适应算法。该算法会根据客户端当前的可用带宽自适应地选择合适的比特率的媒体内容切片进行下载和播放。
但是通过观察和分析，我们发现目前已应用的自适应流技术在某些情况下性能依然存在不足。例如当多个用户在同一个带宽受限连接下享受流媒体服务的时候，就有可能出现影响用户体验的性能问题。现有系统的主要在以下三个方面表现不足：(1)公平性：在同一带宽受限连接下，多个播放器应该公平的分享该连接的带宽；(2)有效性：对于每一个播放器都应该以其能享受的最大带宽选择最优的比特率来下载流媒体数据，从而提高用户体验；(3)稳定性：每个播放器都应该保持一个相对稳定的流媒体比特率从而保证流畅且稳定的播放，减少播放的卡顿。
另一方面，随着互联网用户对高分辨率流媒体内容的需求越来越旺盛，互联网服务商越来越多地使用多服务器来代替单服务器，因为多服务器的方案在满足用户需求的同时可以提高服务的稳定性和可靠性。在多服务器自适应流媒体系统中，一个播放器可以同时向多个网络服务器请求和下载流媒体数据。显然，在多服务器系统中，当多个服务器在地理上是分散的时候，其应对互联网带宽变化的容错能力将大幅度提高。图1中展示了一个多服务器自适应流媒体系统的典型方案，其中用户B通过多个TCP连接同时从三台服务器获取流媒体数据，而这三台服务器同时将来自特定的内容提供商的同一个视频数据提供给用户B。与单服务器自适应流媒体系统类似，在多服务器自适应流媒体系统中也会存在多个播放器争夺同一带宽资源的情况。在图1的例子中，虽然用户A和用户C只从一个或者两个服务器上请求数据，但是依然与用户B共享同一个带宽受限连接。
通过广泛阅读已有的相关文献，我们分析认为已有的算法在多服务器的自适应流媒体系统中并不能保证公平性、有效性和稳定性。以公平性为例，当我们应用已有算法，每个播放器能占有的带宽将直接由其使用的TCP流连接决定。这样一来，当一个播放器通过建立多个流来请求数据，即可占有大量的带宽资源。而其他建立少量流的播放器将无法公平地获得它们应有的带宽。再次以图1为例，根据我们的猜想，用户B将获得1/2的带宽，而用户A和用户C将只能各自占有1/6和1/3的带宽。除此之外，在有效性和稳定性方面，现有算法在多服务器自适应流媒体系统中表现出的性能也不如人意。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，保证多个用户共享同一带宽受限连接时数据传输的公平性、稳定性和有效性。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，用基于状态的比特率自适应调整策略对流媒体数据传输进行自适应的调节；根据流媒体客户端的流连接数量采取比特率调整延迟策略，削弱具有多个流连接的流媒体客户端在比特率调整频率上的优势，平衡不同连接数量的用户的带宽获取能力。
较佳地，包括：步骤1，流媒体服务器用比特率组
Figure GDA0001779363500000031
中不同的比特率对所获取的流媒体内容进行编码、切片，生成媒体描述文件，其中Svec1为比特率组中的比特率个数；
步骤2，流媒体客户端从流媒体服务器获取媒体描述文件，并从媒体描述文件中解析出流媒体内容的存储位置；
步骤3，流媒体客户端依据步骤2所得的存储位置从最低比特率的媒体内容切片开始进行缓存；
步骤4，流媒体客户端依据步骤3的缓存时间，根据下载第i个媒体内容切片的比特率bi和切片的时长ti计算得切片的大小，然后除以下载该切片的时长
Figure GDA0001779363500000041
得到下载该切片时候的缓存速率
Figure GDA0001779363500000042
步骤5，流媒体客户端将当前媒体内容切片的比特率存入比特率数组，将当前媒体内容切片的带宽估计值存入带宽估计值数组；
步骤6，判断比特率数组和带宽估计值数组是否均已存满，若是，则计算平均带宽估计值和平均比特率，并进入步骤7，若否，则将当前比特率对应的媒体内容切片作为下载对象，并进入步骤9；
步骤7，依据所述步骤6所得结果选定下一次媒体内容切片的比特率，
Figure GDA0001779363500000043
其中li为第i个媒体内容切片比特率等级，ωi为下载第i个媒体内容切片时连接的带宽估计值，
Figure GDA0001779363500000044
为下载第i个媒体内容切片之后的平均带宽估计值，
Figure GDA0001779363500000045
为下载第i个媒体内容切片之后的平均比特率，p为预先设定的冗余参数，lincrease为比特率增长因子；
步骤8，选择步骤7所得比特率li+1相应的媒体内容切片作为下载对象；
步骤9，判断缓存区是否已满，若是，则待缓存区出现空缺时开始下载，若否，则直接进行下载；
重复步骤4至9，直至媒体内容的全部切片下载完成。
较佳地，比特率组
Figure GDA0001779363500000051
中
Figure GDA0001779363500000052
其中对于任意的i和j如果i＜j那么就有bi＜bj，然后将多种比特率的内容副本对齐切割成固定大小(2-10秒)的内容切片，然后将各个内容副本的比特率、切片长度、数据下载的URL等参数信息聚合在一起，形成媒体描述文件；
较佳地，步骤3中上一次媒体内容切片的缓存速率为上一次下载的媒体内容切片的大小和下载时长之比。
较佳地，带宽估计值为客户端的流连接最近n次下载切片的缓存速率vi的调和平均值，即
Figure GDA0001779363500000053
其中，n为人工经验参数。
较佳地，步骤6计算平均估计带宽和平均比特率的方法为：平均比特率为
Figure GDA0001779363500000054
平均带宽估计值为
Figure GDA0001779363500000055
其中，bi为比特率数组中的第i个元素，ωi为带宽估计数组中的第个元素，Svec1是比特率数组的大小，Svec2是带宽估计值数组的大小，取,Svec1＝Svec2＝m，其中m为客户端建立的流连接数量。
较佳地，比特率增长因子
Figure GDA0001779363500000056
其中，X表示当前媒体流的比特率，κb为人工设定的调整力度参数，m是客户端所建立的流连接数量。
较佳地，调整力度参数Kb为
Figure GDA0001779363500000061
本发明的有益效果在于：本发明通过引入基于状态的比特率自适应调整策略和比特率调整延迟策略，解决多服务器条件下采用并发流技术的动态自适应流媒体系统在同一带宽受限连接下多个用户带宽分配不公平的问题，同时保证系统数据传输的有效性和稳定性。本发明通过基于状态的比特率自适应调整策略和比特率调整延迟策略来提高多服务器自适应流媒体的数据传输性能，保证公平性，当多个用户共享同一带宽受限连接时可以公平的获得带宽资源，无论每个用户建立几条流连接；有效性，当网络带宽稳定或者发生波动时，客户端所选择的流媒体内容质量可以及时的跟随网络变化，并充分利用可用带宽播放尽可能高质量的媒体内容；稳定性，当网络带宽发生波动时，尽量保证媒体内容比特率的稳定，尽可能平滑的调节比特率，以避免频繁的内容质量波动影响用户体验。
附图说明：
图1为现有多服务器自适应流媒体系统的典型方案示意图；
图2为本发明实施例系统框架图；
图3为本发明实施例基于状态的比特率调整策略采用的是陡峭的比特率上升曲线和平滑的比特率下降曲线示意图；
图4为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本实施例的系统框架如图2所示，核心算法则主要包括基于状态的比特率自适应调整策略和比特率调整延迟策略两个部分，其流程如图4所示，具体的实施步骤如下：
步骤1，生成媒体描述文件MPD，在流媒体服务器会将流媒体内容提供商提供的媒体内容用不同的比特率进行编码，比特率组中各个比特率分别为
Figure GDA0001779363500000071
且
Figure GDA0001779363500000072
其中，对于任意的i和j，如果i＜j，则bi＜bj，然后将多种比特率的内容副本对齐切割成固定大小的内容切片，切片时长为2-10秒，然后将各个内容副本的比特率、切片长度、数据下载的URL等参数信息聚合在一起，形成媒体描述文件；
步骤2，媒体描述文件预下载：流媒体客户端在进行数据传输之前，先从服务器下载媒体描述文件，通过解析媒体描述文件来获取媒体内容的关键信息和储存位置；
步骤3，初始缓存：客户端在开始媒体内容缓存时，先选择最低比特率的媒体内容切片进行缓存，使得启动延时最低；
步骤4，计算缓存速率：根据下载第i个媒体内容切片的比特率bi和切片的时长ti计算得切片的大小，然后除以下载该切片的时长
Figure GDA0001779363500000073
得到下载该切片时候的缓存速率
Figure GDA0001779363500000074
步骤5，记录缓存速率和切片比特率：客户端设置两个数组容器，其大小由客户端的流连接数量决定。其中一个数组容器储存当前的流比特率，我们称之为比特率数组；另一个数组容器则储存评估的实际带宽，我们称之为带宽估计值数组。每当播放器完成一个媒体内容切片的下载，其就将当前的比特率和带宽估计分别添加到两个数组中，其中带宽估计值为客户端的流连接最近n次下载切片的缓存速率vi的调和平均值，由如下公式计算获得：
Figure GDA0001779363500000081
其中n为n为人工经验参数，其独立可调，用于平衡比特率稳定性和灵敏性。
步骤6，判断所述比特率数组和所述带宽估计值数组是否均已存满，若是，则计算平均带宽估计值和平均比特率，并进入步骤7，若否，则将当前比特率对应的媒体内容切片作为下载对象，并进入步骤9；计算平均估计带宽和平均比特率的方法为：平均比特率为
Figure GDA0001779363500000082
平均带宽估计值为
Figure GDA0001779363500000083
其中，bi为比特率数组中的第i个元素，ωi为带宽估计数组中的第个元素，Svec1是比特率数组的大小，Svec2是带宽估计值数组的大小，取,Svec1＝Svec2＝m，其中m为客户端建立的流连接数量。
步骤7，计算比特率选择标准：当获得这两个数据之后，我们会选择一个流连接，根据图3所示的策略调整比特率，具体的数学模型如下：
Figure GDA0001779363500000091
其中li为第i个媒体内容切片比特率等级，ωi为下载第i个媒体内容切片时的带宽估计值。
Figure GDA0001779363500000092
为下载第i个媒体内容切片之后的平均带宽估计值，
Figure GDA0001779363500000093
为下载第i个媒体内容切片之后的平均比特率。为了适应媒体内容切片大小的多样性，冗余参数p(＝0.85)提供了一个缓冲区大小的冗余。而其中比特率增长因子lincrease则由更详细的数学模型来确定。在流媒体应用中，视频内容被编码为多个不同的比特率。如步骤1所述，有Svec1种比特率分别为
Figure GDA0001779363500000094
而且
Figure GDA0001779363500000095
其中对于任意的i和j如果i＜j那么就有bi＜bj。用
Figure GDA0001779363500000096
来定义比特率增长模型，其中Y表示比特率增长等级，X表示当前媒体流的比特率。κb为人工设定的调整力度参数，是一个可调的参数，用于设置比特率调整的力度，一般来说我们会令
Figure GDA0001779363500000097
具体的，比特率增长因子由如下的公式确定：
Figure GDA0001779363500000098
步骤8，比特率选择：根据步骤7的计算结果选择相应的比特率进行下一个媒体内容切片作为下载对象，并进入步骤9；
步骤9，而下载开始的时间由缓存区的状态决定，如果缓存区满，则等待缓存区由于数据消费而出现空缺的时候开始下载由前述步骤确定的下载对象，如果缓存区有空缺则可以直接下载由前述步骤确定的下载对象。
重复步骤4至步骤9，直至完成该媒体内容所有切片的下载为止。
本实施例所采用技术方案具有以下优点：
区别于已有的自适应流媒体传输方法，考虑了多服务器并发流的引入对流媒体数据传输的影响，通过引入与流连接数量相关的比特率调整延迟策略，消除了具有多流的客户端在获取带宽资源时候的优势，保证了用户层面带宽分配的公平性；
如图3所示，本实施例中基于状态的比特率调整策略采用的是陡峭的比特率上升曲线和平滑的比特率下降曲线，这既保证了快速启动以及迅速的比特率上升，也使得比特率下降的速率足够平滑，从而提高比特率调整过程中的用户体验；
利用一定时间段内客户端网络吞吐量的调和平均数来估计该客户端的带宽资源，保证了带宽评估的准确性和平滑性，进一步结合基于状态的比特率调整策略，提高了多服务器自适应流媒体系统数据传输的有效性和稳定性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，其特征在于：用基于状态的比特率自适应调整策略对流媒体数据传输进行自适应的调节；根据流媒体客户端的流连接数量采取比特率调整延迟策略，削弱具有多个流连接的流媒体客户端在比特率调整频率上的优势，平衡不同连接数量的用户的带宽获取能力；
包括：
步骤1，流媒体服务器用比特率组
Figure FDA0002808794150000011
中不同的比特率对所获取的流媒体内容进行编码、切片，生成媒体描述文件，其中Svec1为比特率组中的比特率个数；
步骤2，流媒体客户端从所述流媒体服务器获取所述媒体描述文件，并从所述媒体描述文件中解析出所述流媒体内容的存储位置；
步骤3，所述流媒体客户端依据所述步骤2所得的所述存储位置从最低比特率的媒体内容切片开始进行缓存；
步骤4，所述流媒体客户端依据所述步骤3的缓存时间，根据下载第i个媒体内容切片的比特率bi和切片的时长ti计算得切片的大小，然后除以下载该切片的时长
Figure FDA0002808794150000012
得到下载该切片时候的缓存速率
Figure FDA0002808794150000013
步骤5，所述流媒体客户端将当前媒体内容切片的比特率存入比特率数组，将当前媒体内容切片的带宽估计值存入带宽估计值数组；
步骤6，判断所述比特率数组和所述带宽估计值数组是否均已存满，若是，则计算平均估计带宽和平均比特率，并进入步骤7，若否，则将当前比特率对应的媒体内容切片作为下载对象，并进入步骤9；
步骤7，依据所述步骤6所得结果选定下一次媒体内容切片的比特率，
Figure FDA0002808794150000021
其中li为第i个媒体内容切片比特率等级，ωi为下载第i个媒体内容切片时连接的带宽估计值，
Figure FDA0002808794150000022
为下载第i个媒体内容切片之后的平均带宽估计值，
Figure FDA0002808794150000023
为下载第i个媒体内容切片之后的平均比特率，p为预先设定的冗余参数，lincrease为比特率增长因子；
步骤8，选择所述步骤7所得比特率li+1相应的媒体内容切片作为下载对象；
步骤9，判断缓存区是否已满，若是，则待缓存区出现空缺时开始下载，若否，则直接进行下载；
重复步骤4至9，直至所述媒体内容的全部切片下载完成；
所述比特率组
Figure FDA0002808794150000024
中
Figure FDA0002808794150000025
其中对于任意的i和j如果i＜j那么就有bi＜bj，然后将多种比特率的内容副本对齐切割成固定大小(2-10秒)的内容切片，然后将各个内容副本的比特率、切片长度、数据下载的URL等参数信息聚合在一起，形成媒体描述文件；
所述步骤3中最近一次媒体内容切片的缓存速率为最近一次下载的媒体内容切片的数据大小和下载时长之比。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，其特征在于：所述带宽估计值为客户端的流连接最近n次下载切片的缓存速率vi的调和平均值，即
Figure FDA0002808794150000031
其中，n为人工经验参数。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，其特征在于：
所述步骤6计算平均带宽估计值和平均比特率的方法为：平均比特率为
Figure FDA0002808794150000032
平均带宽估计值为
Figure FDA0002808794150000033
其中，bi为比特率数组中的第i个元素，ωi为带宽估计数组中的第个元素，Svec1是比特率数组的大小，Svec2是带宽估计值数组的大小，取,Svec1＝Svec2＝m，其中m为客户端建立的流连接数量。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，其特征在于：所述比特率增长因子
Figure FDA0002808794150000034
其中，X表示当前媒体流的比特率，κb为人工设定的调整力度参数，m是客户端所建立的流连接数量。
5.根据权利要求4所述的一种适用于多服务器自适应流媒体系统的数据传输方法，其特征在于：调整力度参数Kb为
Figure FDA0002808794150000035
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