腾讯视频P2P带宽节省率持续提升之路
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要想提升P2P帶寬節(jié)省率，最直接的方式當然是壓縮CDN帶寬，但簡單粗暴的減少CDN下載勢必會帶來播放體驗問題。騰訊視頻數(shù)據(jù)傳輸研發(fā)高級工程師嚴華梁在LiveVideoStackCon 2019深圳的演講中詳細介紹了騰訊視頻針對P2P帶寬節(jié)省的最新探索與實踐。
文 / 嚴華梁
整理 / LiveVideoStack
PART1/P2P技術(shù)項目背景
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P2P實際上是利用用戶之間互相分享視頻的數(shù)據(jù)，來減少從CDN下載數(shù)據(jù)的量，從而達到帶寬節(jié)省的效果。
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一般情況下，在使用P2P進行帶寬節(jié)省的基礎(chǔ)上，服務所需帶寬的計算公式如上圖所示：帶寬 = 播放量平均碼率 *平均播放時長(1-P2P帶寬節(jié)省率)。觀看視頻的用戶除了從平臺服務器上調(diào)用數(shù)據(jù)，還會從其他用戶那里來調(diào)用數(shù)據(jù)。
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騰訊視頻業(yè)務在過去幾年迎來了高速的發(fā)展，用戶規(guī)模不斷提高，無論是播放量還是視頻平均碼率都有明顯的提升。此時擺在我們面前的一大挑戰(zhàn)就是：如何持續(xù)提升P2P帶寬節(jié)省率，并做到CDN帶寬成本保持較少增長？
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上圖展現(xiàn)了我們提升P2P帶寬節(jié)省率的思路。結(jié)合之前的帶寬計算公式我們可知，如果需要降低CDN的帶寬成本，最簡單粗暴的方式就是減少CDN的下載，但這樣會帶來諸如卡頓的音視頻體驗問題。我們的思路是首先系統(tǒng)性地優(yōu)化P2P網(wǎng)絡的傳輸效率。由于P2P網(wǎng)絡是一個對端網(wǎng)絡，因此需要從下載端與上傳端兩個方面綜合看待該項命題。那么在完成對P2P的系統(tǒng)優(yōu)化之后，在此基礎(chǔ)上我們還需要考慮更少的CDN下載，接下來我們就分階段思考如何實現(xiàn)這一目標。
PART2/如何提升P2P帶寬節(jié)省率？
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若想實現(xiàn)更快的P2P下載，需要做的第一件事情便是傳輸協(xié)議的優(yōu)化。眾所周知，在TCP中存在一個慢啟動閾值，為了優(yōu)化擁塞控制算法我們需要對慢啟動閾值進行動態(tài)設(shè)定，算法策略其實就是經(jīng)典的ssthresh=max(BDP, cwndα/10)。在此基礎(chǔ)之上我們又引入兩個策略：丟包避免與丟包過濾。丟包避免從降低丟包率入手，也就是最近RTT大于rttMin+(rttMax-rttMin) β/100，cwnd不增加；丟包過濾從提高吞吐率入手，也就是最近RTT小于rttMin+(rttMax-rttMin)* γ/100， cwnd不退避。上圖展示了我們自研的P2P擁塞控制算法與TCP Cubic的對比結(jié)果，紅線代表TCP Cubic而藍色則代表我們自研的P2P CC。從數(shù)據(jù)中可以看到當出現(xiàn)網(wǎng)絡抖動時，TCP Cubic對丟包和時延比較敏感，滑動窗口抖動非常劇烈，而P2P CC則相對平穩(wěn)許多。
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TCP的擁塞控制盡管已經(jīng)演化多年，但仍舊存在較多問題。這告訴我們一個道理：沒有一種擁塞控制算法能夠適應所有的業(yè)務場景或者說網(wǎng)絡場景。因此我們希望通過結(jié)合應用場景來實現(xiàn)個性化的擁塞控制。
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所謂的個性化擁塞控制其實就是依據(jù)播放時間線進行差異化傳輸。如上圖所示，播放時間線從播放點開始梳理，播放點往后開始讀取數(shù)據(jù)。那么離播放點越近的數(shù)據(jù)則會被優(yōu)先讀取到，即優(yōu)先級較高。于是在這一區(qū)間段內(nèi)我們采用比較激進的擁塞控制參數(shù)，盡可能保證傳輸?shù)男识鴵p失一部分丟包重傳的優(yōu)化；在距離播放點較遠的區(qū)段內(nèi)，采用另外一種策略—— 優(yōu)先考慮丟包率和重傳率并降低吞吐率。上圖展示的是新舊算法P2P下載速度的對比，我們可以看到相對于固定閾值的舊算法，新算法尤其是在FAST與MEDIUM檔有明顯提升。在網(wǎng)絡下載效率方面，優(yōu)化后的整體重復下載率較之前有非常明顯的提升。
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解決完擁塞控制的相關(guān)命題，接下來面對的是如何進行有效選種并高效利用。最關(guān)鍵的一點便是如何評估種子的質(zhì)量。
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這里我們引入一套完整的基于QoS的選種淘汰機制：第一項考察的指標是數(shù)據(jù)完整度，例如在PC客戶端的磁盤內(nèi)存在一些緩存，PC客戶端上的數(shù)據(jù)相對更加完整，這樣便可在整個視頻播放的過程中提供更高質(zhì)量的上傳數(shù)據(jù)；第二項考察的指標為是否斷連；第三項是數(shù)據(jù)接收成功率，其中包括丟包率；最后一項指標是被凍結(jié)次數(shù)，也就是當連接上一個比較好的種子之后，對上傳效率的影響是積極的。但如果進行一次數(shù)據(jù)交互之后對端提供的反饋信令結(jié)果是忙碌，那么可能是因為種子質(zhì)量出色而連接的對象有些多。在這種情況下，該時間段內(nèi)負載已經(jīng)達到較為滿負荷的狀態(tài)，有可能超過了硬件可承載的水平。當有新的請求過來時，會反饋忙碌的狀態(tài)，從而控制下載請求。但由于該種子質(zhì)量出色，因此服務器會選擇對該鏈路進行凍結(jié)處理，暫時不向該端請求數(shù)據(jù)傳輸，并保留對接的端口，待該端不再忙碌之后繼續(xù)請求下載數(shù)據(jù)。
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隨著智能路由器的普及，NAT類型被限制得越來越嚴格，P2P想找到一個質(zhì)量出色的種子并成功連接的概率越來越低、難度越來越大，因此設(shè)計這樣的保護機制可以確保種子物盡其用。
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選種之后面臨的問題是選片。在P2P傳輸中，一個流媒體文件會被做切片處理，從而更充分地利用UDP進行傳輸。UDP本身發(fā)送一個數(shù)據(jù)包會受MTU的影響，例如以64K為一片，切片一段文件，并以不同顏色表示若干個文件片段的下載狀態(tài)。每一片應當分配給哪一個種子來實現(xiàn)P2P下載？這是我們在選片算法當中需要考慮的問題。
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結(jié)合時間線，我們提出了一個被稱為集中式協(xié)同選片算法的策略。按照時間軸進行梳理，離播放點近的數(shù)據(jù)是即將被播放的，下載優(yōu)先級最高。這里的“集中式”就是指集中下載優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)，從而保證整體播放的流暢。“協(xié)同”則是指多個種子對優(yōu)先級高的某一區(qū)域數(shù)據(jù)進行協(xié)同下載，例如前面幾片分配給一個種子，后面幾片分配給另外一個種子。如果簡單粗暴地讓64K數(shù)據(jù)直接向某一個種子提出下載請求，那么一旦該種子下線或?qū)木W(wǎng)絡中斷，那么64K的數(shù)據(jù)相當于被整體丟包，假如丟包的數(shù)據(jù)處于距離播放點較近的位置，短時間內(nèi)又無法高效地下載，就會出現(xiàn)播放的中斷。
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為了做到集中式協(xié)同下載，我們引入了兩個隊列：可下載塊隊列與正在下載塊隊列。在P2P中，通過種子之間的位圖交換，我們可以獲知應當下載哪些塊，這便是可下載塊隊列。正在下載塊隊列的大小是相對固定的，也就是說對于任何一個種子，如果在選片時發(fā)現(xiàn)正在下載的塊沒有完整下載完畢，那么就會優(yōu)先下載這一部分。例如一個種子開始下載，此時系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其他種子超時，那么系統(tǒng)不會重新下載別的分片而是繼續(xù)下載該種子后面的分片，從而利用這種集中式協(xié)同的思路，盡可能完整地下載某一塊數(shù)據(jù)。我們知道UDP的數(shù)據(jù)傳輸沒有TCP那樣嚴格依賴順序，而集中式協(xié)同的設(shè)計主要是為了按順序盡可能快地將距離播放點比較近的數(shù)據(jù)下載下來，從而實現(xiàn)P2P下載效率與播放體驗的精準平衡。
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全平臺的視頻介質(zhì)統(tǒng)一至關(guān)重要，大家知道廣播電視行業(yè)需要牌照，這樣影視作品才能在TV端合法上線。但騰訊沒有這方面的牌照資質(zhì)，因此我們需要尋求外部牌照方合作。而第三方合作就存在一個問題：對方會要求在TV端播放時必須顯示牌照方的水印，而不能顯示騰訊視頻自己的水印。
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一般情況下，水印會被直接編碼在原視頻數(shù)據(jù)當中，稱為“硬水印”。為了做到全平臺統(tǒng)一，我們則使用了軟水印技術(shù)，也就是將視頻內(nèi)容與水印分開。同一個視頻內(nèi)容在不同的平臺上，介質(zhì)完全一樣而水印顯示則根據(jù)場景改變，從而滿足不同場景的水印需求。
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我們構(gòu)建了一套系統(tǒng)性的種子質(zhì)量提升方案：在第一層，系統(tǒng)會對一些無效的種子做過濾處理，這里的“無效種子”更多的是指在一些限制條件下對種子的篩選擇優(yōu)，如ISP過濾（以避免對運營商網(wǎng)絡不友好的跨運營商傳輸）、NAT類型過濾（常規(guī)手段實現(xiàn)NAT穿透較為困難，我們會盡可能選用對稱型以減少在穿透方面的損耗）、平臺過濾（更多考慮移動端，因為移動端存在運營商網(wǎng)絡的限制）、連接數(shù)過濾。
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結(jié)束第一層過濾之后，我們會根據(jù)一些屬性，使用多屬性權(quán)重打分決策算法對其進行處理。這里的屬性主要有在線時長（能否提供穩(wěn)定的在線上傳）、上傳能力（如100M、200M帶寬等）、NAT類型與地域就近。完成加權(quán)打分之后，我們會對種子進行一個質(zhì)量等級的劃分。隨后優(yōu)先返回評分較高的種子，這樣可充分改善客戶端的種子建連與下載效率。
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為實現(xiàn)更多的P2P上傳，我們還需優(yōu)化上傳控制。在P2P網(wǎng)絡傳輸?shù)脑缙?#xff0c;例如大家在大學時可能用過BT下載，如果宿舍里面有一個人正在進行BT下載，那么其他人可能連常規(guī)的互聯(lián)網(wǎng)訪問都無法正常進行。也就是說如果控制不好P2P的上傳過程，實際上會對TCP的ACK等普通網(wǎng)絡傳輸過程帶來不利影響，因此我們希望實現(xiàn)更加出色的上傳控制。這里的優(yōu)化借鑒了類BBR的思路，也就是通過周期性地動態(tài)測速，對每個P2P信道實時計算上行帶寬累加，并作為限速值進行上傳動態(tài)限速控制，限速機制采用TCP中勻速發(fā)送的機制，從而降低瞬時大數(shù)據(jù)包對網(wǎng)絡傳輸鏈路的沖擊。
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對于客戶端來說，通過信道連接不同種子，我們這里測量的是不同信道的帶寬情況，并累加作為整體上傳的限速值。上圖右側(cè)可視化圖表展示了動態(tài)測速方案的效果，我們可以看出其整體波動均勻集中。用戶在使用客戶端訪問服務時可能會同時進行一些其他的上網(wǎng)行為，例如看視頻時點擊某個網(wǎng)頁。測速圖表中的“PC空閑時間”就是指用戶未使用鼠標、鍵盤的時間，如果偵測到鼠標、鍵盤使用，那么我們則認為用戶在訪問互聯(lián)網(wǎng)其他服務。根據(jù)測速結(jié)果我們可以看到，隨著空閑時間不斷增加，動態(tài)測速呈現(xiàn)一個緩慢上升的趨勢，也就是說動態(tài)測速可以感知并自適應用戶其他訪問互聯(lián)網(wǎng)的行為，并確保視頻服務的可用。
在完成對P2P下載與上傳的優(yōu)化之后，我們還需實現(xiàn)更少的CDN下載。我們所做的第一件事就是優(yōu)化http下載，對此我們并未采用過于高深莫測的算法，而更多采用的是策略優(yōu)化+擁塞控制優(yōu)化（QUIC、BBR）。
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策略上的優(yōu)化，總體思想其實是多元——第一項是MSS也就是IP直出和域名兜底。IP直出是為了減少DNS解析所帶來的耗時，域名兜底則主要是為了適應運營商的切換，如用戶從中國電信的Wi-Fi網(wǎng)絡切換到中國聯(lián)通的4G移動網(wǎng)絡，此時原電信服務器的IP需要切換至聯(lián)通服務器下的IP之上，我們會對域名進行解析并實現(xiàn)兜底。
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第二項是多IP競速連接，之前IP直出決定了有多個IP待選，這里我們使用了多IP競速連接以提高速度。
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第三項是多鏈接加速，現(xiàn)在大家提到比較多的一個是MP TCP，也就是實現(xiàn)WiFi網(wǎng)卡與運營商網(wǎng)卡的組合加速。
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在策略優(yōu)化的基礎(chǔ)上，我們進行了擁塞控制優(yōu)化，如使用QUIC、BBR等。
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若想實現(xiàn)更少的CDN下載，除了優(yōu)化http，必不可少的一項舉措是合理利用CDN資源。
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結(jié)合業(yè)務特性，我們進行了系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)化：首先嘗試深度整合業(yè)務，例如用戶訪問騰訊視頻，如果是非會員那么會在正片開始之前看到一段時間較長的廣告。在廣告播放期間系統(tǒng)就可利用P2P網(wǎng)絡預先下載正片數(shù)據(jù)，在此期間CDN并未被使用。除此之外在播放專輯畫面時，如果專輯中上一集即將播放結(jié)束，那么下一集即可開始預加載。當然還有一種情況是用戶退出當前正片之后，可能需要重新點擊打開重復觀看，此時系統(tǒng)會對播放點數(shù)據(jù)做緩存處理，從而實現(xiàn)當用戶想要再次打開觀看時，系統(tǒng)可快速從本地加載數(shù)據(jù)并快速開始播放。
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當然，如果是會員無廣告的情況，為了保證播放體驗我們還是會優(yōu)先選擇CDN下載數(shù)據(jù)，從而保證快速啟動播放。在這里我們構(gòu)建了一套網(wǎng)絡預測模型，結(jié)合歷史下載速度、實時下載速度與當前視頻碼率綜合做出決策，判斷啟動播放究竟需要多長時間，并盡可能降低CDN的下載時長。例如當用戶使用光纖網(wǎng)絡時，由于網(wǎng)絡帶寬資源充裕，下載速度較高，即便沒有P2P，CDN也可快速下載所需數(shù)據(jù)并實現(xiàn)快速啟動播放。
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除以上兩點之外，我們還會從用戶行為入手。上圖右側(cè)圖線是我們與香港中文大學進行的聯(lián)合研究的結(jié)果：不同的媒體類型如電影、電視劇、綜藝等，其視頻用戶中斷播放的位置也不盡相同。對于不同類型的視頻用戶在某一個時間段離開的概率不同，且存在一定規(guī)律。通過數(shù)據(jù)分析我們可以基于此在下載的時長控制方面進行一些針對性處理。
實現(xiàn)更少CDN下載的最后一點是多源體系建設(shè)。由于CDN價格高昂，因此我們應當科學調(diào)配內(nèi)容與承載網(wǎng)絡類型之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)產(chǎn)品服務與成本控制的精準平衡。
上圖左側(cè)展示了CDN的大概拓撲結(jié)構(gòu)，從上到下依次是距離用戶比較遠的服務器、城市或社區(qū)的機房、家用路由器與用戶終端，與用戶之間的距離由遠及近。隨著5G時代的到來，大家經(jīng)常提到的一個詞是移動邊緣計算也就是MEC，未來5G基站即可承擔一部分機房的角色。大家總是強調(diào)5G技術(shù)的高帶寬低延時，如果未來我們的視頻內(nèi)容直接下沉到基站，借助5G網(wǎng)絡訪問就可達到類似于局域網(wǎng)的效果，其所能達到的速度是驚人的。如果CDN距離用戶較遠，那么本身就存在一個傳輸鏈路上的損耗；我們嘗試盡可能縮短用戶與內(nèi)容之間的距離，進一步突破互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)對用戶體驗的桎梏。
PART3/總結(jié)
P2P節(jié)省率=P2P帶寬/ (P2P帶寬 + CDN帶寬)， 要想提升P2P帶寬節(jié)省率，最直接的方式當然是直接壓縮CDN帶寬，如減少CDN下載；但是簡單粗暴的減少CDN下載勢必會帶來播放體驗問題，所以我們的思路是先優(yōu)化P2P網(wǎng)絡， 在P2P網(wǎng)絡優(yōu)化下載的效率和穩(wěn)定性提升之后，再來合理的減少CDN下載。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的腾讯视频P2P带宽节省率持续提升之路的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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