基于多码率视频点播服务的高效HLS媒体服务器的研究.doc

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摘要：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HTT卩直播流媒体服务器（HLS） o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%关键词：媒体服务;视频点播服务;实时传输编码;作者简介：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-mai 1:153651343676163. com收稿日期：2017-05-01Study of efficient HLS media server based on multi—bitrate VOD servicesZhang ShuchenCollege of Telecommunications and InformationEngineering, Nanjing University of Posts andTelecommunications;Abstract：The growth of social media and motile services, and the diversity of client devices have greatly increased media servers5 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 seiwers. 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 wi11 reduce the required power consumption by 9. 9%.Keyword：media server; VOD service; real-time transcoding;Received： 2017-05-010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）山的视 频流。

这些使媒体服务器的存储成木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來调整视频流的质 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HLSM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IILS媒体服务器，考虑消费者的使用模式，利用实时 转码41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IILS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H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宜分析You Tube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媒体服务器的基木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IIIS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，WM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，把利用实吋转码的IILS媒体服务器称为RTIIS, 把之前的HLS媒体服务器称为HSoRTHS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二1・54、均值二2. 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”存储空间的减少率(RR)使用公式(1)进行计算，其中门代表视频质量等级的 数量，在第k质量等级的受欢迎视频的总容量表示为％在第k质量等级的其余 视频的总容量表示为Pk。

在本次实验中，为了使存储率下降20%、25%、30%,可 以相应地调整流行视频的比率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%J4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IIS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I【S相比，RTIIS 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 下载原表表2请求质量服从正态分布时,RTHS的存储效率下载原表表3请求质量服从正态分布时，RTHS和HS的功耗下载原表表4请求视频质量服从帕累托分布时，HS的存储效率下载原表表5请求视频质量服从帕累托分布时,RTHS的存储效率下载原表表6请求视频质量服从帕累托分布时,RTIIS和IIS的功率效率下载原表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Qo S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参考文献[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 Qo S adaptive videoon-demand services[JI. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50[2] :732-736.[3] 朱倩•新一代流媒体HLS关键技术研处及实现[D]・大连:大连理工大学，2011.。