楊佳鑫，潘沛生

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上視頻流所使用的數(shù)據(jù)量趨于大幅增加。根據(jù)思科視覺網(wǎng)絡(luò)索引(CVNI)[1]，互聯(lián)網(wǎng)視頻數(shù)據(jù)將占所有互聯(lián)網(wǎng)流量的大約54%，并且數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)將持續(xù)增加。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)用戶在內(nèi)容消費(fèi)方面正朝著另一個(gè)方向發(fā)展。除了簡(jiǎn)單的通信之外，用戶傾向于使用支持互聯(lián)網(wǎng)的通信設(shè)備來傳輸他們想要的內(nèi)容并共享數(shù)據(jù)。因此，學(xué)者們基于用戶消費(fèi)趨勢(shì)提出了新的通信架構(gòu)[2-4]。其中最受關(guān)注的是內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)CCN[5](content-centric network)。受到互聯(lián)網(wǎng)未來需求的啟發(fā)，CCN采用基于內(nèi)容名稱的路由而不是基于IP地址的路由，重點(diǎn)在于分發(fā)和獲取內(nèi)容而不是與終端主機(jī)通信。為了促進(jìn)高效的內(nèi)容獲取，CCN中部署了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存，允許傳輸?shù)膬?nèi)容緩存在中間路由器。這使得后續(xù)用戶能夠從更近的路由器獲得這些內(nèi)容副本而無需訪問原始數(shù)據(jù)源，從而減少了網(wǎng)絡(luò)中可能發(fā)生的重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸并減少了數(shù)據(jù)傳輸路徑的長(zhǎng)度，從而保證了更快的響應(yīng)時(shí)間。

CCN網(wǎng)絡(luò)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一定的緩存功能。一般來說，CCN的緩存研究主要是兩個(gè)方面，一個(gè)是緩存放置策略，另一個(gè)是緩存替換策略。緩存放置策略決定內(nèi)容在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存，而緩存替換策略決定了當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的緩存內(nèi)容滿了之后，如何緩存新到達(dá)的內(nèi)容。常見的緩存放置策略有ProbCache(cache with probability)、Betw(cache based on betweeness)等[6-7]。它們都在一定程度上減少了內(nèi)容傳輸路徑上的緩存冗余，在緩存命中率和獲取內(nèi)容的平均跳數(shù)方面都有了較好的性能體現(xiàn)。但它們的研究對(duì)象都是一般的文件內(nèi)容。對(duì)于多路復(fù)用一組有序內(nèi)容例如視頻片段，需要重新考慮緩存管理方案。文中針對(duì)采用可伸縮視頻編碼(scalable video coding，SVC)[8]技術(shù)的可擴(kuò)展視頻流的特點(diǎn)，結(jié)合分層視頻標(biāo)題的流行度[9]與內(nèi)容塊的流行度，提出了一種新的緩存方案。

1 基于SVC的視頻流緩存機(jī)制

1.1 可伸縮視頻編碼

可伸縮視頻編解碼是一種能將視頻流分割為多個(gè)分辨率、質(zhì)量和幀速率層的技術(shù)，SVC是對(duì)規(guī)定設(shè)備如何對(duì)多層視頻流進(jìn)行編碼和解碼的H.264視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，被稱為H.264/SVC[10]。H.264/SVC是H.264/AVC的可擴(kuò)展部分，其輸出被添加到與H.264標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中。

當(dāng)使用SVC編碼和解碼視頻時(shí)，視頻編碼的輸出可以分成不同的層。編碼文件不僅包含具有重要信息的基礎(chǔ)層，還包含用于提高質(zhì)量的信息的增強(qiáng)層?；緦拥臄?shù)據(jù)可以使解碼器完全正常地解碼出基本視頻內(nèi)容，但是基本層的數(shù)據(jù)獲得的視頻圖像可能幀率較低，分辨率較低，或者質(zhì)量較低。在信道受限或信道環(huán)境復(fù)雜時(shí)，可以保證解碼端能夠接收到可以觀看的流暢視頻圖像。當(dāng)信道環(huán)境良好或信道資源豐富時(shí)，可以傳遞增強(qiáng)層數(shù)據(jù)，以提高幀率，或分辨率，或視頻質(zhì)量?；A(chǔ)層和增強(qiáng)層之間是強(qiáng)相互依賴的，要想對(duì)增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，必須以基礎(chǔ)層作為起點(diǎn)。圖1顯示了當(dāng)使用由一個(gè)基本層和三個(gè)增強(qiáng)層組成的SVC數(shù)據(jù)時(shí)的解碼過程。

1.2 設(shè)計(jì)思想

在CCN網(wǎng)絡(luò)中，已有多種基于H.264/SVC的視頻流緩存方案。例如，文獻(xiàn)[11]提出了基于重用時(shí)間(reuse time，RT)的緩存策略，是對(duì)MIN算法的改進(jìn)。RT緩存策略在視頻流中利用請(qǐng)求流模式的周期性，通過了解每個(gè)用戶觀看該視頻的開始播放時(shí)間，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)視頻片段的重用時(shí)間。但是，預(yù)測(cè)每個(gè)視頻片段的重用時(shí)間的開銷是否得到優(yōu)化并沒有直接說明。文獻(xiàn)[12-13]提出了Greedy-dual(GD)-size和Mix這兩種方案，都只考慮了視頻標(biāo)題的流行度，而忽視了內(nèi)容片段的重用概率。文中方案則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將內(nèi)容片段可能重用的概率也考慮了進(jìn)去。

CCN中是根據(jù)內(nèi)容的名稱來發(fā)起請(qǐng)求的，使用的名稱結(jié)構(gòu)是分層式結(jié)構(gòu)。比如/Prefix/Videoi/Contentj。因此，假定CCN中所請(qǐng)求的視頻塊的名稱包括視頻標(biāo)題名稱i和序列號(hào)j，用于區(qū)分該視頻的不同段。序號(hào)j是根據(jù)視頻播放時(shí)間排序的。定義視頻文件fi由一組視頻片段{Ci,1，Ci,2，…，Ci,j…}組成，它們按其序號(hào)j排序,并且請(qǐng)求一個(gè)視頻片段必須從開頭直到結(jié)尾。基于視頻片段的自然線性時(shí)間結(jié)構(gòu)，視頻內(nèi)每個(gè)片段的流行度指的是未來請(qǐng)求該內(nèi)容的概率。根據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容標(biāo)題的流行度，CS(content store)中每個(gè)視頻的存儲(chǔ)空間分配需要快速響應(yīng)請(qǐng)求率的動(dòng)態(tài)變化，因此，計(jì)算每個(gè)標(biāo)題的請(qǐng)求比率Reqi，并計(jì)算在CS中緩存的視頻標(biāo)題i的實(shí)時(shí)占用率Rcsi，以便在高速緩存替換時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整每個(gè)視頻的緩存大小。Reqi和Rcsi的計(jì)算公式如下：

(2)

其中，Recij∈{0,1,2,…}表示單個(gè)時(shí)間單位內(nèi)用戶對(duì)內(nèi)容Ci,j發(fā)起請(qǐng)求的次數(shù)；m,n分別表示所請(qǐng)求的視頻標(biāo)題的數(shù)量和所請(qǐng)求的視頻片段的數(shù)量。根據(jù)內(nèi)容流行度的量化定義，內(nèi)容流行度是對(duì)一個(gè)內(nèi)容在請(qǐng)求周期內(nèi)請(qǐng)求次數(shù)的估值，這樣Reqi就代表了視頻文件fi的動(dòng)態(tài)流行度。

在式2中，Rcsij∈{0,1}，代表的是CS的存儲(chǔ)空間占有率。K是該節(jié)點(diǎn)的緩存大小。當(dāng)Rcsij取值為0時(shí)，代表內(nèi)容Ci,j不在CS中緩存，值為1時(shí)，則緩存在該節(jié)點(diǎn)的CS中。實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是分配與內(nèi)容流行度成比例的緩存大小，即Reqi=Rcsi。ReqiRcsi時(shí)，該節(jié)點(diǎn)則需要緩存更多的視頻內(nèi)容以滿足請(qǐng)求比例，以提高CS的利用率。

1.3 緩存替換策略

內(nèi)容請(qǐng)求者根據(jù)內(nèi)容序列號(hào)j的順序請(qǐng)求視頻片段，因此后續(xù)片段在將來被請(qǐng)求的概率較大。例如，如果CCN路由器接收到對(duì)內(nèi)容Ci,6的請(qǐng)求，那么隨后的比如Ci,7，Ci,8等后續(xù)的片段被請(qǐng)求的概率將非常大。因此，在CS中緩存的這些后續(xù)片段中的任何一個(gè)將具有比先前內(nèi)容更高的請(qǐng)求機(jī)會(huì)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存已滿的時(shí)候，該算法將選擇具有最小序列號(hào)j的片段剔除，留下空間給隨后需要緩存的片段。

如圖2所示，當(dāng)一個(gè)CCN路由器接收到一個(gè)視頻內(nèi)容Ci,j時(shí)，首先將標(biāo)題的流行度Reqi和CS存儲(chǔ)空間占用率Rcsi進(jìn)行比較。如果ReqiRcsi,說明視頻文件fi的更多視頻片段需要緩存在該節(jié)點(diǎn)，所以fi的任一片段都不會(huì)被刪除，相反，將CS中請(qǐng)求速率最小的文件fk中具有最小序列號(hào)的Ck,p刪除。整個(gè)算法流程如圖3所示。

圖2 PBCSA緩存替換策略

圖3 PBCSA緩存替換實(shí)例

2 仿真模擬與分析

將PBCSA策略與3種常用的塊級(jí)緩存替換策略LRU,LFU,FIFO在圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行對(duì)比，并且通過ndnSIM[14]實(shí)現(xiàn)了CCN模型的仿真，將得到的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab軟件中進(jìn)行處理，得到仿真模擬圖，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

圖4 PBCSA仿真拓?fù)?/p>

為了在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中評(píng)估每個(gè)緩存替換策略的性能，視頻提供者和請(qǐng)求者都連接到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪吘?。在模擬器中設(shè)置了25個(gè)不同的提供者，并且每個(gè)視頻標(biāo)題都不一樣，每個(gè)視頻文件由800個(gè)視頻片段組成，這樣總共就有20 000個(gè)視頻片段。同樣的，設(shè)置了100個(gè)視頻請(qǐng)求者，并且不同視頻文件的流行度遵循Zipf[15]分布，并假定α=1.2。請(qǐng)求者從不同的時(shí)間開始請(qǐng)求他們的目標(biāo)視頻，并且按照從該視頻的開始到視頻序列號(hào)j的順序請(qǐng)求，只有當(dāng)全部20 000個(gè)片段已經(jīng)被其相應(yīng)的請(qǐng)求者成功接收，每個(gè)模擬才會(huì)停止。

圖5是在不同的CS緩存容量下，100位視頻請(qǐng)求者全部接收完所請(qǐng)求視頻的總時(shí)間。可以看到，PBCSA算法的完成時(shí)間明顯少于其他三種常用的緩存替換方法。因?yàn)樵撍惴ń档土苏?qǐng)求者和目標(biāo)內(nèi)容之間的平均傳輸距離，從而減少了每個(gè)視頻內(nèi)容的平均傳輸時(shí)間。因此，緩存性能得到了大幅提升。圖6和圖7分別是請(qǐng)求者獲取到目標(biāo)內(nèi)容的平均跳數(shù)和緩存平均命中率。由于在CS較小時(shí)，兩者較其他3種緩存方案都呈現(xiàn)出了優(yōu)越性，會(huì)出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。PBCSA方案降低了平均跳數(shù)并提高了平均緩存命中率。這表明該方案提高了緩存空間的利用率，以便請(qǐng)求者可以從更近的路由器獲取視頻內(nèi)容。無論從獲取內(nèi)容的平均跳數(shù)和緩存命中率還是總傳輸時(shí)間，都有力地驗(yàn)證了該方案的優(yōu)越性。

圖5 緩存總時(shí)間

圖6 獲取內(nèi)容平均跳數(shù)

圖7 緩存的平均命中率

3 結(jié)束語

考慮到視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出了一種緩存替換策略PBCSA。介紹了PBCSA模型和策略，并考慮了標(biāo)題和內(nèi)容級(jí)別的受歡迎程度。通過和LRU,LFU,FIFO三種替換策略的比較，證實(shí)了PBCSA提高了緩存命中率，減少了平均跳數(shù)，并且對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景表現(xiàn)出了很好的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。在接下來的研究中，將著重于提高實(shí)用性和節(jié)能潛力，從而制定更為合理的緩存策略，以便更好地提升緩存性能。