视频流和内容分发网(CDN)

参考资料是《计网·自顶向下(第七版)》，第 2.6 节。

前言

视频带来的挑战

事先录制的流式视频现在是北美住宅ISP的流量主体，Netflix和youtube在2015年分别消耗了住宅ISP流量的37%和16%。
高比特率是视频非常突出的特征，对于网络来说，这是巨大的流量和存储。
到目前为止，对流式视频最为重要的性能度量是平均端到端吞吐量，即：服务器怎么向百万用户同时提供流化视频内容？

质量等级

相同的视频可以通过压缩生成多个版本，每个版本对应不同的质量等级。例如，同一个视频我们可以生成3个版本，比特率为300kbps 1Mbps和3Mbps。然后使用3G的用户可能选择300kbps版本，而具有告诉因特网连接的用户选择3Mbps版本。

HTTP流和DASH

HTTP流

视频存储在HTTP服务器中作为一个普通的文件，每个文件有一个特定的url。当用户请求这个url时，服务器以底层网络协议和流量条件允许的尽可能快的速率，在一个HTTP响应报文中发送该视频文件。客户将字节收集在应用缓存中，一旦缓存的字节超过预先设定的门限，用户应用程序就开始播放，同时缓存该视频后面部分的帧。

DASH

既然已经有了HTTP流，为什么要有DASH呢？——尽管HTTP流在实践中已经得到广泛部署，但是有一个严重的缺陷，即所有用户接收到相同编码的视频。这个问题在DASH中迎刃而解。

DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）基于 HTTP流 研发，被称为经HTTP的动态适应性流。
在DASH中，视频编码为几个不同的版本，每个版本具有不同的比特率，对应于不同的质量水平，供用户根据当前的带宽选择。
每个视频版本存储在HTTP服务器中，每个版本都有一个不同的url。HTTP服务器中也有一个告示文件（ manifest file ），为每个版本提供了一个url及其比特率。
实际操作：

1. 用户首先请求告示文件得知各种各样的版本
2. 用户通过HTTP GET 请求报文中对每块指定一个url和一个字节范围，一次选择一块
3. 下载块的同时，用户测量接收带宽，并通过一个速率决定算法来选择下次请求的块（高/低比特率版本）

因此，DASH允许客户自由的在不同的质量等级之间切换。

内容分发网-CDN

几乎所有的视频流公司都利用内容分发网（Content Distribution Network, CDN）。CDN管理分布在多个地理位置上的服务器，在这些服务器上存储文件的副本，并且试图将每个用户请求定向到一个将提供最好服务的CDN位置。

CDN服务器安置原则

一、深入

通过在遍及全球的接入ISP中部署服务器集群来深入到ISP的接入网中。
目标是靠近端用户，通过减少端用户和CDN集群之间链路和路由器的数量，从而改善时延和吞吐量。

但由于这种高度分布式设计，维护和管理集群的任务成为挑战。

二、邀请做客

通过在少量关键位置建造大集群来邀请ISP做客。
这些CDN通常将他们的集群放在**因特网交换点（IXP）**中。与深入设计原则相比，邀请做客通常产生较低的维护、管理开销，但可能以对端用户较高的时延和吞吐量为代价。

CDN操作

当用户向一个视频URL发起请求的时候，CDN需要截获这个请求，以便能够：

1. 确定适合用于该用户的CDN服务器集群
2. 将用户的请求重定向到该集群的某台服务器

我们稍后讨论CDN是如何确定一个适当集群的。接下来，我们首先考察截获和重定向所依赖的机制：
大多数CDN利用DNS来截获和重定向。
我们举一个例子来说明：一个内容提供商NetCinema，雇佣了第三方CDN公司KingCDN来向其他用户分发视频。在NetCinema的web网页上，每个视频的url都包括字符串"video"。

实际的步骤是这样的：

1. 用户位于NetCinema的web网页
2. 用户点击链接 http://video.netcinema.com/6Y7B23V 时，用户主机发送了一个对 video.netcinema.com DNS请求
3. 用户本地服务器将请求中继到Netcinema权威服务器，该服务器观察到字符串“video”，于是返回一个KingCDN内容服务器的IP地址，为了将该DNS请求移交给KingCDN
4. LDNS（本地DNS服务器）向KingCDN发送请求，得到KingCDN内容服务器的IP
5. LDNS向用户主机转发该内容服务器的IP
6. 用户主机与内容服务器建立连接，发起HTTP GET请求...

集群选择策略

任何CDN部署，其核心是集群选择策略（cluster selection strategy），即动态地将用户定向到CDN中的某个服务器集群或数据中心的机制。
我们简单的介绍两个策略，并说明它们的优点和缺点：

1.指派用户到地理上最为临近的集群。

这样的方案对于大多数用户可以工作的很好，但是对于某些用户来说效果很差。因为就网络路径的跳数和长度来说，地理上最临近的不一定是网络上最临近的集群。
这种简单的策略忽略了时延和可用带宽随因特网路径时间而变化，总是为特定的用户指派相同的集群。

2.基于当前的流量条件，实时测量得出最适合用户的集群。

为了基于当前的流量条件为客户决定最好的集群，CDN能够对其集群和用户之间的时延和丢包性能执行周期性的实时测量。
例如，CDN能够让它的每个集群周期性的向位于全世界的所有LDNS发送探测分组（例如ping / DNS请求 /..）。这种方法的缺点是许多LDNS被配置为不会响应这些检测。