這篇文章是一篇綜述性的文章。對IPTV的緩存設計，還是有一定的提示作用。
流媒體代理緩存技術研究
標準版
(信息科學與技術學院,2002(4)班,00263146號)
[摘 要] 隨着流媒體技術在互聯網上的廣泛應用，原有用於加速Web內容分發的代理緩存技術也被應用於流媒體內容分發領域。然而，由於流媒體對象的一些獨特特點，需要在傳統Web緩存技術的基礎上提出適用於流媒體對象的緩存技術。本丈分析了基於代理緩存的流媒體分發中的關鍵問題和技術挑戰，對現有的各種流媒體緩存方案進行了綜述、分類和比較，最後對流媒體代理緩存的未來發展方向進行了展望。
[關鍵詞] 流媒體 代理緩存 Web內容分發
1 引言
圖1 部署代理緩存的網絡體系結構
代理緩存技術最初是用在Web內容的分發上。然而研究發現，流媒體內容在多個方面呈現出與普通Web內容不同的特徵。第一，流媒體需要佔用比普通Web內容更大的存儲空間，如果對流媒體對象進行類似於Web一樣的整體緩存，少數視頻流媒體對象就可以消耗掉所有的緩存容量，將大大降低緩存的利用率和命中率。第二，流媒體的分發需要在一段時間持續佔用巨大的磁盤I/O帶寬和網絡帶寬，以網絡爲主要研究場景時降低帶寬的消耗成爲主要考慮的技術目標之一。第三，用戶通常會在流媒體播放過程中進行交互式操作，可能導致同一個會話中的流接入速率在不同時刻有所不同，對緩存的管理帶來困難。第四，與無播放質量要求的傳統Web內容不同，用戶對於流媒體內容有一定的播放質量（如響應時延、畫面抖動）需求，需要對從代理服務器播放的視頻流和從媒體服務器播放的視頻流採用一定的調度策略。
如何針對流媒體對象的特點研製新型緩存機制，是目前多媒體分發技術發展所迫切需要解決的問題。本文對近年來提出的流媒體代理緩存技術的各類方法進行了全面綜述和分析。後文組織如下：第2節對現有的代理緩存技術進行綜述，第3節對各種算法進行分類分析和比較，最後對代理緩存技術的發展趨勢進行展望。
2 幾種典型的流媒體緩存算法
2.1選擇緩存算法
在用戶接入帶寬資源有限的情況下，保證正常的媒體播放速率成爲媒體緩存算法的主要設計目標。有一類緩存算法，根據帶寬情況對影響媒體播放的關鍵數據或者內容有選擇地緩存，我們把這類緩存算法稱爲選擇緩存算法(Selective Caching)。
Miao等人以保證正常媒體播放爲前提，在考慮磁盤容量的約束條件下，提出了兩種媒體數據幀選取緩存算法(Frame-Selected Caching)[1]，分別針對骨幹鏈路有無QoS保證時的情形。當骨幹鏈路有QoS保證時，幀選取的原則是使得骨幹鏈路的帶寬需求和客戶端播放緩存需求最小；當骨幹鏈路無QoS保證時，幀選取的原則是使得代理緩存可以爲客戶端播放緩存提供儘可能多的幀，以提高網絡擁塞時媒體播放的魯棒性。
同樣以降低骨幹鏈路帶寬需求爲目標，Zhang提出不以媒體數據幀爲緩存對象，而以部分超速率數據爲對象的速率分段緩存算法(Rate-Staged Caching)[2]。該算法針對VBR流式傳輸，對高於指定數據傳輸閾值的媒體數據部分進行緩存。類比於時域上的前綴緩存，速率分段緩存算法也存在如何選取截斷速率的問題。文[2]的研究表明，在磁盤容量和網絡帶寬兩個約束下，確定優化的速率是一個揹包問題。
2.2基於間隔的緩存算法
用戶請求具有高度時域鄰近性(Temporal locality)的情況下，對同一媒體對象的兩個連續播放請求的間隔內容做緩存，可以顯著降低服務器的吞吐量。該類緩存算法稱爲基於間隔的緩存(Interval Caching)，最初的思想由Dan提出[3]。當存在對媒體對象相同部分的兩個連續請求時，則連續請求的間隔部分將隨着播放過程被緩存。該算法目前已經有多種衍生版本，最具代表性的是Tewari提出的基於資源的緩存(Resource Based Caching，RBC)算法[4]。RBC算法以每個媒體對象對緩存空間和傳輸帶寬的需求爲約束條件，提出了一種啓發式的算法選擇媒體對象的緩存粒度進行選擇，其粒度可以是一個滑動間隔、一系列鄰近間隔的組合(文[4]稱爲遊程，run)，甚至是完整的媒體對象。
2.3基於分段的緩存
基於間隔的緩存算法，其有效性依賴於用戶請求在時域上的有效性。當到來請求的時間間隔較長時，其性能有可能退化到全對象緩存。爲此，研究人員開始考慮選取部分的媒體關鍵內容進行緩存，例如由Sen等提出的前綴緩存(Prefix Caching)[5]，是將媒體內容分成前綴(Prefix)和後綴(Suffix)兩個片段部分，並且優先緩存前綴。前綴緩存可以有效地降低用戶播放媒體對象時的啓動時延，是目前應用較爲廣泛的流媒體緩存技術。其不足之處在於媒體前綴部分的長度不容易確定。Jin等人的研究[8]表明，在有限的網絡資源的約束下，爲達到指定的啓動時延的前綴緩存，其部署是一個部分揹包問題(Fractional Knapsack)。
2.4結合編碼轉換的緩存算法
然而，隨着網絡使用的普遍化，用戶接入網絡呈現出多樣化的發展趨勢，用戶的終端環境、接入帶寬以及允許獲得的服務質量各不相同，因此請求的視頻質量也可能各不相同。爲了適應接入網絡帶寬的不同需求，需要根據用戶的請求和帶寬狀況，動態地改變緩存內容質量和傳輸速率。結合編碼轉換技術，其緩存算法可以利用向不同用戶提供不同版本的媒體內容來滿足不同用戶的需求，有兩種簡單方案：(1)緩存媒體的完整版本(Full Version Only，FVO)，每次根據用戶請求由代理服務器進行編碼轉換。這種方式對代理服務器的CPU資源提出了很高的要求，無法很好地爲不同的網絡用戶服務。(2)僅緩存經過編碼轉換後的流媒體(Transcoded Version Only，TVO)，編碼轉換預先由媒體服務器完成。這樣的存儲方式難以滿足所有用戶對流媒體質量的不同要求，而且會對網絡帶寬帶來較大壓力。
爲了解決這兩種方案之間的矛盾，Xueyan Tang等人提出了一種自適應的緩存方式[9]。該算法根據代理服務器CPU資源和網絡帶寬資源的狀況，動態地決定是緩存原始版本還是緩存編碼轉換後的版本。這種方法的缺點在於可能會對同一個視頻對象緩存多個版本，對緩存空間提出了較高的要求。
Masahirok[10]等人則建議只爲每個媒體對象緩存所得到的最高質量的版本，但是代理服務器可以靈活地採用最大申請(根據網絡帶寬)、平均申請(根據一段時間內用戶申請質量的最大值與網絡帶寬比較，取較小值)和等同申請(按照用戶請求的質量申請)三種不同的策略向媒體服務器請求所需內容。這種算法在緩存空間受限的情況下對緩存效率改善明顯。然而，由於代理緩存可向服務器申請不同質量的流媒體版本，媒體服務器仍然必須爲此承擔編碼的負載。
爲了降低媒體服務器的編碼負擔，Bo Shen等人[11]提出了一種可編碼轉換的緩存系統，採用降低比特速率(bit-rate reduction)和降低空間分辨率(spatial resolution reduction)兩種編碼轉換技術在網絡邊緣完成質量自適應。根據緩存版本數量和緩存命中後的行爲，文獻提出了TEC-11、TEC-12和TEC-2三種緩存策略。TEC
隨着編碼理論和信號處理技術的發展，編碼轉換技術幾乎可以達到實時的效果[20]，大大增加了此類技術的實用性。
2.5結合可擴展編碼的緩存算法
結合可擴展編碼的緩存算法同結合編碼轉換技術的緩存、算法一樣，可以很好地滿足不同接入速率要求，但是它利用的是緩存對象採用的可擴展編碼的屬性。可擴展編碼通常也稱爲分層編碼，採用分層的比特流結構對媒體數據進行壓縮。第l層稱爲基本層，可以被獨立解碼；其餘層稱爲增強層，其解碼依賴於基本層；獲得的數據層次越多，解碼出來的質量越高，所佔用的帶寬也越大[12]。結合可擴展編碼的緩存技術的主要思路是通過向不同的客戶提供編碼數據的不同層次子集來達到質量白適應。
Jussi Kangasharju首先提出了以層爲單位Revenue緩存算法[13]。該算法以網絡帶寬和緩存空間爲約束，以總體緩存受益爲優化目標，將層次作爲基本粒度，一旦滿足條件，視頻對象的一層都將整體被緩存。緩存層次的選擇建模爲一個隨機揹包問題，採用啓發式算法來決定爲每個視頻選擇什麼數量的緩存層次。該算法充分考慮了約束條件對緩存效率的影響，但是其以整層作爲緩存粒度不夠精細，緩存空間的利用率有待提高。
Reza Rejaie等人則將每一層劃分爲等長片段[14]，當緩存內容的質量高於用戶的請求(即所緩存的層數高於用戶請求的層數)時，代理服務緩存只需要向媒體服務器預取那些同層次或低層次缺失的片段數據。反之，如果緩存內容的質量低於用戶的請求，則代理服務器緩存還需要對缺失的高層次數據進行預取。
Stefan Podlipnig等人[15]進一步改進了可擴展編碼算法中的置換策略部分，提出了一個新的性能評價指標——質量權重命中率，用來衡量請求命中率與緩存質量之間的平衡程度。並在原有水平和垂直的置換策略的基礎上，提出了改進的垂直與水平相結合的置換策略，如圖2所示。
實驗發現，垂直與水平相結合的置換策略可以在改善字節命中率(byte-hit-rate，BHR)與提高質量命中率(quality-hit-rate，QHIT)之間取得較好的平衡且有良好的適應性。
M.Zink等人則對可擴展編碼緩存算法中的預取算法進行了研究，提出一種無窗口大小
圖2 置換策略[15] 文中所插入的圖應統一連續標號（如：圖1 XXX、圖2 YYY）, 圖號與圖題之間空1個西文空格，在正文中應對圖有引用或說明的部分（例如：如圖2所示）。圖中符號正常設爲“小五號，宋體或Times New Roman體”。圖應居中。
限制的預取算法，該算法通過預取消除同一層次的裂縫來達到降低緩存內容層次波動的目的。他們提出的Polishing算法[16]從質量變化頻率和幅度兩個方面對緩存內容進行了描述，緩存算法的目標是使譜函數值最小的情況下，將儘可能多的緩存片段傳送給用戶。
隨着可擴展編碼技術的發展，Jiangchun Liu等人針對採用MPEG-4FGS編碼的媒體提出了FGS緩存算法[17]。該算法在粒度劃分上進一步克服了原有算法不夠精細的缺點，可以將視頻對象以任意速率進行傳輸。該算法以在骨幹鏈路帶寬消耗和媒體傳輸質量之間獲得最優折衷爲目標，設計了一個良好的緩存管理框架，但預取和置換方案還有待討論和實現。
3 各種緩存算法的分析和比較
根據是否考慮代理服務器和客戶端之間網絡帶寬的差異性，本文將目前的流媒體緩存技術分爲針對同構網絡用戶和針對異構網絡用戶的兩類代理緩存技術，下面我們分別對其進行了分析和比較。
上文提到的選擇緩存算法、基於間隔的緩存算法和基於分段的緩存算法均屬於針對同構網絡用戶的範疇。這類算法中，代理服務器所服務的用戶終端一般具有相同或者類似的處理能力和接入帶寬，緩存算法的設計難點在於媒體數據緩存部分的選取。我們對其中具有代表性的算法從實現複雜度、算法擴展性以及在時延和帶寬方面的性能進行了比較，如表1所示。
由表1可見，這類算法普遍存在兩方面的矛盾。一方面，代理緩存算法存在低複雜度和高擴展性之間的矛盾。例如，基於間隔的緩存中，Interval Caching易於實現，但是其擴展性有限，無法對時間臨近度較低的用戶請求做出反應；RBC提出的多種粒度的間隔緩存提高了算法的擴展性，但是實現：複雜度也相應增加。又如選擇緩存中，Rate-Staged緩存易於實現，但是其算法擴展性受到閾值選取優化問題的困擾;Framc-Selected緩存提出的在網絡服務質量和緩存容量的約束條件下的幀選取算法具有較高的擴展性，但其實現複雜度也相應提高。比較而言，基於片段的緩存算法的複雜度和擴展性適中，因此獲得了廣泛的研究者關注。
另一方面，代理緩存算法性能在降低用戶體驗時延和節省骨幹鏈路帶寬的兩個性能之
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表1 針對同構網絡用戶的代理緩存技術比較 | ||||||
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算法類別 |
算法名稱 |
緩存數據的選取 |
算法 複雜度 |
算法 擴展性 |
時延性 能改進 |
帶寬 節省 改進 |
|
選擇緩存 |
Frame-Selected Caching[1] |
部分數據幀 |
高 |
高 |
中等 |
高 |
|
Rate-Staged Caching[2] |
超出速率閾值的數據 |
中等 |
中等，速率閾值的選 取與場景有關 |
中等 |
局 | |
|
基於間隔的緩存 |
Interval Caching[3] |
滑動間隔 |
低 |
低，在請求到來時域 稀疏時性能低 |
高 |
中等 |
|
Resource based Caching[4] |
滑動間隔／滑動 間隔的組合／整 個媒體 |
中等 |
高 |
高 |
中等 | |
|
基於分段的緩存 |
Prefix Caching[5] |
媒體初始前綴 數據 |
低 |
中等，前綴長度的選 取與場景有關 |
高 |
中等 |
|
Exponential Segment Caching[6] |
長度指數增加 的媒體片段 |
中等 |
高 |
高 |
中等 | |
|
Adaptive and Lazy Caching[7] |
長度相等的媒體片段 |
高 |
高 |
高 |
高 | |
間存在着折衷。例如，基於間隔的緩存算法和選擇型緩存算法分別以兩個性能之一作爲各自主要的性能考量，卻對另一個性能的改進不明顯。對基於片段的緩存算法而言，由於片段劃分策略通常支持前綴緩存，因此在降低用戶啓動時延方面有明顯優勢。片段緩存的性能這兩個性能之間也存在着明顯的權衡關係[11]。
文中所插入的表格應統一連續標號（如：表1 XXX、表2 YYY）, 每個表格應有表題，表號與表題之間空1個西文空格，在正文中應對錶有引用或說明的部分（例如：如表2所示）。單元格內容儘量對齊， 表題內容設定爲居中，表中符號正常設爲“小五號，宋體或Times New Roman體”。表格應居中。
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表2 結合編碼轉換技術的緩存方案比較 | |||||||
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算法名稱 |
策略名稱 |
緩存質量依據 |
同目標緩存 版本數量 |
編碼轉換的位置 |
對異構網 絡的支持 |
資源需求 | |
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CPU |
存儲空間 | ||||||
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Adaptive Caching[9] |
Adaptive Caching |
S-P帶寬和CPU資源 共同決定 |
多個 |
代理緩存 |
高 |
中 |
中 |
|
Quality Adaptive Caching[10] |
QA(max) |
S-P帶寬 |
1個 最高質量 |
原始服務器／代 理緩存 |
中 |
高 |
低 |
|
QA(avg) |
C-P和S-P帶寬大小 |
1個 最高質量 |
原始服務器／代 理緩存 |
中 |
高 |
低 | |
|
QA(same) |
C-P帶寬大小 |
1個 最高質量 |
原始服務器／代 理緩存 |
中 |
高 |
低 | |
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Transcoding Enabled Caching[11] |
TEC—11 |
C-P帶寬大小 |
1個 最高質量 |
代理緩存 |
中 |
高 |
低 |
|
TEC-12 |
C-P帶寬大小 |
1個 最低質量 |
代理緩存 |
中 |
低 |
低 | |
|
TEC-2 |
C-P帶寬大小 |
多個 |
代理緩存 |
高 |
中 |
高 | |
而結合可擴展編碼的緩存技術則是通過向用戶提供不同編碼層次集合來滿足用戶不同接人速率要求，不同粒度下的預取和置換方案是其主要的研究內容。我們對目前該技術採用的典型方案從緩存粒度、預取和置換算法、緩存目標等方面進行了比較，結果如表3所示。
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表3 可擴展編碼緩存技術方案比較 | ||||
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算法名稱 |
緩存粒度 |
預取方案 |
置換順序 |
目標 |
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Revenue Cache[13] |
層 |
—— |
垂直置換 |
節省S-P帶寬 |
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Segment-grained layering Cache[l4] |
片段 |
窗口式 |
水平置換 |
提高緩存內容的連續性和完整性 |
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Combined replacement Cache[15] |
片段 |
窗口式 |
水平與垂直相結合 |
在字節命中率和質量命中率間取得最佳平衡 |
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Polishing Cache[16] |
片段 |
無窗口大小限制 |
水平置換 |
降低緩存內容質量變化的幅度和頻率 |
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FGS Cache[17] |
任意大小 |
—— |
—— |
節省S-P帶寬，提高發送質量 |
可擴展編碼技術可以通過發送不同層次的子集來進行靈活的質量自適應，具有緩存空間需求小等優點；但是該技術也具有對包丟失敏感、同等質量下比單一層次編碼需要更多帶寬等缺點。編碼轉換技術則可以擁有良好的容錯性，但是對於緩存系統，該技術對緩存空間提出了較高的要求。
由於結合可擴展編碼的緩存技術和結合編碼轉換的緩存技術都具有各自的優勢，在不同的比較場景下的比較結果往往不同。
文[18]在較簡單的情況下對異構網絡環境下代理緩存技術進行了性能的比較，它將結合編碼轉換的緩存策略分爲僅緩存高質量或僅緩存低質量兩個策略，分層編碼採用2層編碼。仿真結果表明：高質量版本緩存總是可以得到最好的視頻質量，但是需要付出較高的網絡和時延代價；低質量版本緩存雖然擁有較低的網絡負載和播放時延，但是始終無法得到較好的視頻質量；只有採用分層編碼的緩存技術在這三者當中取得了較好的平衡。文[17]考慮5種質量版本，採用MPDC-4精細粒度編碼作爲可擴展編碼技術，從骨幹網帶寬消耗和代理服務器計算效率兩個方面對兩種緩存技術進行了深入比較，進一步驗證了結合可擴展編碼緩存技術的優越性。
但是，採用分層編碼，爲達到同樣的視頻質量，需要比單一層次編碼佔用更多的存儲空間，在這個額外負載很大的情況下，將極大降低採用分層編碼緩存技術的效率。文[28]針對該問題，提出只有採用可擴展編碼和編碼轉換技術的混合緩存策略，纔可以很好地應對額外負載大小變化對緩存效率的影響。而文[19]在一個易丟包的環境下再次對上述兩種技術進行比較，發現在中等的包丟失率和骨幹鏈路帶寬足夠的環境下，結合編碼轉換技術的緩存策略是最佳選擇。
因此，異構網絡環境下采用哪一種緩存策略，需要結合代理服務器的使用環境、用戶特點等諸多方面加以綜合考慮。
4 結論與展望
代理緩存可以有效降低流媒體分發時的用戶體驗時延和骨幹鏈路帶寬需求。本文根據代理服務器和用戶終端之間用戶接入網絡情況的不同，從同構網絡用戶和異構網絡用戶兩種情況，對現有的各種流媒體代理緩存策略進行了分類比較，重點介紹了不同緩存策略面臨的問題、解決的思路和侷限性。
流媒體代理緩存技術除了自身仍然面臨着衆多的選擇和折衷，在其他很多方向上還有很多問題有待解決。
首先，隨着無線網絡的不斷髮展，針對無線信道傳輸可靠性差、誤碼率高、用戶移動等特點，建立有效的緩存策略，使得部署在傳統Internet與無線網絡邊緣的代理服務器爲無線用戶提供高效的流媒體服務，是目前研究的一個熱點。
其次，現有的緩存策略的研究都是將Web對象與流媒體對象分開考慮，這與大多數實際情況不符，如何建立高效的混合緩存策略也是需要研究的問題。
[參考文獻]：黑體，五號，頂格，加粗，固定行間距爲 空2行
期刊文獻格式：[編號]作者.文章題目.期刊名.出版年,期數:頁碼區間. 楷體，小五號，固定行間距
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Survey on Proxy Caching Technologies for Streaming Media
Biao Zhunban
[Abstract] With the widespread uses of the streaming technology over Internet, proxy caching has been introduced to the area of streaming media from that of Web content distribution. Due to some distinct characteristics of streaming media object, novel caching techniques for streaming media are required to replace the traditional Web caching techniques. The critical issues and challenges of proxy caching strategies for streaming media are reviewed in this paper. We survey, classify, and compare the state-of-art various proxy caching solutions for streaming media. Finally, the future research issues in this field are outlined.
[Keywords] Streaming media Proxy caching Web content distribution
紙張類型爲A4；
2．中文題目：黑體，二號，居中，題目中出現西文數字等統一Times New Roman體，行間距取固定值
3．姓名：楷體，小四號，加粗，居中；作者班級等信息：楷體，五號，居中；
4．[摘 要]：黑體，小五號，加粗；摘要內容：楷體，小五號，懸掛縮進4字符，固定行間距
5．[關鍵詞]：黑體，小五號，加粗；關鍵詞內容：楷體，小五號，關鍵詞之間空1格，不用標點符號；
6．正文內容：中文統一宋體，英文統一Times New Roman體，小四號，首行縮進2個字符，固定行間距
7．一級標題：黑體，小三號，頂格，行間距固定值
8．二級標題：宋體，小四號，加粗，首行縮進2個字符，固定行間距爲
9．文中所插入的圖應統一連續標號（如：圖1 XXX、圖2 YYY）， 圖號與圖題之間空1個西文空格，在正文中應對圖有引用或說明的部分（例如：如圖2所示）。圖中符號正常設爲“小五號，宋體或Times New Roman體”。圖應居中；
10．文中所插入的表格應統一連續標號（如：表1 XXX、表2 YYY）， 每個表格應有表題，表號與表題之間空1個西文空格，在正文中應對錶有引用或說明的部分（例如：如表2所示）。單元格內容儘量對齊， 表題內容設定爲居中，表中符號正常設爲“小五號，宋體或Times New Roman體”。表格應居中；
11．圖和表的前一段落在格式/段落中設置段後空一行，後一段落在格式/段落中設置段前空一行；
12．[參考文獻]：黑體，五號，頂格，加粗，固定行間距爲
13．期刊文獻格式：[編號]作者.文章題目.期刊名.出版年,期數:頁碼區間.楷體，小五號，固定行間距
14．英文題目：Times New Roman體，二號，加粗，居中，除連接詞外所有單詞首字符用大寫字符，縮寫符號的所有字符均要求用大寫字符；英文姓名：Times New Roman體，小四號，加粗，居中，用漢語拼音表示姓名，姓在前，名在後，多字名的漢語拼音連寫，姓與名的首字符用大寫字符，姓與名之間空1個西文空格；[Abstract]：Times New Roman體，小五號，頂格，加粗；英文摘要內容：Times New Roman體，小五號，懸掛4個字符，文中用西文標點，固定行間距
15．頁眉：宋體，小五號，居中。
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