面向U-vMOS的移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和運(yùn)維建議白皮書(shū)

1 U-vMOS的標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求

1.1 U-vMOS評(píng)價(jià)體系介紹

視頻已成為網(wǎng)絡(luò)上的最主要流量，視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)已成為衡量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。伴隨著視頻分辨率的不斷提升(從360p/720p逐漸過(guò)度至4K/8K)，視頻業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也越來(lái)越高。如何評(píng)價(jià)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)下視頻業(yè)務(wù)的體驗(yàn)，對(duì)用戶和運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)意義越來(lái)越重大。

IP承載網(wǎng)是一個(gè)“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)占用帶寬資源較多、實(shí)時(shí)性要求較高，并且對(duì)分組丟失、時(shí)延、抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)特性非常敏感，尤其是時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)特性嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻質(zhì)量的監(jiān)控和反饋，可以調(diào)節(jié)編解碼器或信道的參數(shù)，改善傳輸視頻的服務(wù)質(zhì)量。因此，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，獲得反映用戶感受的視頻體驗(yàn)質(zhì)量。

早在2009年ITU-T就啟動(dòng)了針對(duì)視頻業(yè)務(wù)的vMOS標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目，并于2012年參考語(yǔ)音MOS指標(biāo)體系發(fā)布了第一個(gè)基于視頻體驗(yàn)的VMoS指標(biāo)，用于監(jiān)控視頻經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸后的質(zhì)量損失，關(guān)注點(diǎn)在于視頻QoE的檢測(cè)和問(wèn)題定位。這套指標(biāo)完全參考了語(yǔ)音MOS的定義，先定義影響因素Compression、packet-loss、rebuffering，自下而上地計(jì)算vMOS。出發(fā)點(diǎn)是為了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，用于視頻質(zhì)量監(jiān)控，只站在技術(shù)視角看問(wèn)題，沒(méi)有考慮消費(fèi)者對(duì)視頻體驗(yàn)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)是跨越視頻業(yè)務(wù)的全流程，也沒(méi)有站在最終消費(fèi)者體驗(yàn)的角度去橫向比較不同的分辨率帶給用戶的不同體驗(yàn)。因此也無(wú)法完整的指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

華為認(rèn)為在原有vMOS的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)以用戶體驗(yàn)為中心的評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)，用統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)評(píng)價(jià)不同網(wǎng)絡(luò)，不同屏幕，不同場(chǎng)景應(yīng)用下的視頻體驗(yàn)的好壞�；�于以上出發(fā)點(diǎn)，華為視頻研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合人體工程學(xué)實(shí)驗(yàn)，樣本調(diào)研和深入技術(shù)研究，提煉出適配全場(chǎng)景的視頻體驗(yàn)TOP3影響因子，即視頻質(zhì)量(sQaultiy)，互動(dòng)體驗(yàn)(sInteraction)和觀看體驗(yàn)(sView)。華為基于三大核心思想，設(shè)計(jì)了視頻體驗(yàn)衡量體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)U-vMOS，使TOP3視頻體驗(yàn)影響因子得以量化，使得視頻體驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系實(shí)現(xiàn)可采集、可評(píng)估、可演進(jìn)。據(jù)此，我們擬合出如下公式(其中，影響視頻質(zhì)量、操作體驗(yàn)和播放體驗(yàn)三個(gè)模塊的主要因素如圖2~4所示)。

圖1 U-vMOS建模方法

圖2 sQuality的影響因子

圖3 sInteraction的影響因子

圖4 sView 的影響因子

1.2 基于U-vMOS評(píng)價(jià)體系對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求

基于U-vMOS標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中的各項(xiàng)KQI進(jìn)一步分解，可以得出某一目標(biāo)U-vMOS得分的條件下，網(wǎng)絡(luò)需要提供的KPI：

基于U-vMOS 5分標(biāo)準(zhǔn)，分解出的網(wǎng)絡(luò)要求已經(jīng)大大超出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的能力，我們認(rèn)為，5分的標(biāo)準(zhǔn)需要依賴云/管/端革新的技術(shù)&方案才能達(dá)成。

中短期內(nèi)，U-vMOS達(dá)到4分已經(jīng)代表了較好的體驗(yàn)，我們將U-vMOS4分設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化達(dá)成的目標(biāo)。

2 面向U-vMOS的移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案介紹

從上一章節(jié)的介紹中我們知道，影響視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)要素，主要是三個(gè)：帶寬(更確切的說(shuō)是通量)、時(shí)延、以及丟包率。其中，丟包率往往由端到端的線路質(zhì)量決定，難以通過(guò)個(gè)別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的調(diào)整達(dá)到立竿見(jiàn)影的優(yōu)化效果;通量和時(shí)延則不然。如何在當(dāng)前移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)成本可控的優(yōu)化方案，保障移動(dòng)承載網(wǎng)的高通量和低時(shí)延，繼而提升每用戶的移動(dòng)視頻體驗(yàn)高質(zhì)量(U-vMOS>=4)，我們認(rèn)為可以參考如下的策略和應(yīng)對(duì)方案。

2.1 TCP加速技術(shù)

2.1.1 傳統(tǒng)TCP的不足

互聯(lián)網(wǎng)帶寬的高速發(fā)展增催生了各類高吞吐率應(yīng)用，典型如4K視頻播放，普通4K視頻片源的平均碼率基本都在25Mbps以上，峰值碼率甚至?xí)�達(dá)到50Mbps以上。雖然物理帶寬能夠通過(guò)擴(kuò)容來(lái)滿足4K視頻應(yīng)用的吞吐率需求，但是由于承載視頻傳輸?shù)腡CP協(xié)議的設(shè)計(jì)局限和不足，實(shí)際傳輸吞吐率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到物理帶寬，TCP可能會(huì)成為高吞吐率應(yīng)用的瓶頸。

TCP通過(guò)調(diào)節(jié)擁塞窗口CWND來(lái)控制數(shù)據(jù)發(fā)送的吞吐率，由于TCP并不了解應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為了避免盲目增長(zhǎng)窗口造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，傳統(tǒng)TCP協(xié)議采用比較保守的擁塞控制策略，例如Reno在擁塞避免階段采用的AIMD策略，窗口增長(zhǎng)采用緩和的線性方式，窗口降低采用激進(jìn)的指數(shù)方式，具體如圖5所示：

圖5 Reno窗口調(diào)整原理

a) 丟包時(shí)進(jìn)入快速重傳和快速恢復(fù)狀態(tài)，CWND減半;

b) 收到重傳報(bào)文的ACK后進(jìn)入擁塞避免狀態(tài)，每個(gè)RTT周期CWND增加一個(gè)MSS;

以100Mbps帶寬、60ms時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)為例，應(yīng)用傳統(tǒng)TCP技術(shù)，在吞吐率逼近100Mbps的情況下，單純發(fā)生一次丟包，吞吐率需要經(jīng)過(guò)約16.2秒才能重新恢復(fù)到丟包前的水平;如果丟包率為1/10000，那么實(shí)際吞吐率將只有23Mbps左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于物理帶寬。而在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨著終端設(shè)備接入的多樣化尤其是手機(jī)等無(wú)線設(shè)備的加入，網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)存在更高的隨機(jī)丟包率和時(shí)延抖動(dòng)，類似Reno的傳統(tǒng)TCP算法已經(jīng)無(wú)法滿足應(yīng)用高吞吐率的需求，提出一種高效的TCP加速技術(shù)勢(shì)在必行。

2.1.2 TCP加速技術(shù)演進(jìn)

TCP加速技術(shù)的核心是設(shè)計(jì)高效的擁塞控制算法，在不喪失TCP公平性和友好性的前提下盡量提升TCP流的吞吐率。擁塞控制的基本思路是發(fā)送端根據(jù)從網(wǎng)絡(luò)獲得的擁塞反饋信息調(diào)整TCP的發(fā)送速率，基于根據(jù)何種擁塞反饋信息可以將TCP加速技術(shù)分為三類：基于顯式信息反饋的TCP加速技術(shù)、基于隱式信息反饋的TCP加速技術(shù)和基于智能數(shù)據(jù)分析的TCP加速技術(shù)，本節(jié)將逐一分析三類技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

基于顯式信息反饋的TCP加速技術(shù)

部分TCP加速技術(shù)提出了利用路由器配合進(jìn)行顯式擁塞反饋，由路由器主動(dòng)向發(fā)送端通告網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，發(fā)送端據(jù)此調(diào)整發(fā)送速率。比較典型的主要有：XCP和VCP等。由于該類技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的依賴程度非常高，因此協(xié)議可擴(kuò)展性很差，這也是該類技術(shù)至今依然停留在理論，尚未在網(wǎng)絡(luò)中獲得大規(guī)模部署的原因。

基于隱式信息反饋的TCP加速技術(shù)

如果路由器不提供顯式的擁塞指示，那么TCP只能利用傳輸過(guò)程中獲取的反饋?zhàn)鳛殡[式擁塞指示，典型反饋信息主要分為丟包事件和往返時(shí)延，該類TCP加速技術(shù)通常根據(jù)其中一或兩個(gè)維度來(lái)判定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并在發(fā)送端做出相應(yīng)的擁塞控制策略。

丟包事件是最能直觀反映網(wǎng)絡(luò)擁塞的行為，目前大多數(shù)TCP加速技術(shù)都選擇將丟包事件作為擁塞反饋，然而，該類技術(shù)都面臨一個(gè)共通的問(wèn)題：對(duì)丟包事件判定不精確，無(wú)法區(qū)分擁塞丟包和隨機(jī)丟包。只要發(fā)生丟包事件就根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)降低窗口，這種做法會(huì)導(dǎo)致在隨機(jī)丟包較多的網(wǎng)絡(luò)中吞吐率很低。

與丟包時(shí)間相比，往返時(shí)延能夠更加及時(shí)地反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞，將往返時(shí)延作為擁塞反饋的TCP加速技術(shù)也有一些。該類技術(shù)的思路是：根據(jù)往返時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)時(shí)延的變化程度來(lái)調(diào)整窗口。該類技術(shù)所面臨的問(wèn)題是：時(shí)延測(cè)量的不公平性，例如網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)加入的TCP流測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)延偏高，這會(huì)導(dǎo)致該TCP流的擁塞窗口設(shè)置過(guò)大、占用過(guò)大的帶寬。

由上分析可知，基于隱式信息反饋的TCP加速技術(shù)依賴于丟包事件和往返時(shí)延等信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞判定的精確度，無(wú)論是擁塞丟包和隨機(jī)丟包的判斷錯(cuò)誤，還是輕載網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的判定錯(cuò)誤，都會(huì)給TCP的擁塞控制產(chǎn)生負(fù)面影響，因此依靠簡(jiǎn)單的隱式擁塞信息反饋來(lái)調(diào)整TCP擁塞控制難以滿足應(yīng)用的高吞吐率需求。

基于智能數(shù)據(jù)分析的TCP加速技術(shù)

針對(duì)上述兩類TCP加速技術(shù)的缺點(diǎn)，華為公司研究設(shè)計(jì)了新一代的基于智能數(shù)據(jù)分析的TCP加速技術(shù)——RACE(Rapid, Adjustable, Clever, Efficient)，針對(duì)每一條TCP流收集與該流相關(guān)的來(lái)自于應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)維度的信息，通過(guò)設(shè)計(jì)智能數(shù)據(jù)分析引擎，將來(lái)自應(yīng)用的真實(shí)需求信息和來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)信息分析處理成智能標(biāo)識(shí)擁塞控制信息，指導(dǎo)算法更加精確地判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞程度。華為公司提出的RACE首次將智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)引入TCP加速技術(shù)，克服了傳統(tǒng)TCP加速技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況判斷不準(zhǔn)確的缺陷，真正能夠做到：窗口快速增長(zhǎng)(Rapid)、目標(biāo)速率可調(diào)(Adjustable)、丟包智能甄別(Clever)和自適應(yīng)調(diào)整窗口達(dá)到高通量(Efficient)。

2.1.3 典型部署方案介紹

本節(jié)我們介紹一下，采用華為新一代TCP加速技術(shù)RACE的高通量路由器(High Throughput Router)，在實(shí)際部署中的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景。如下圖所示，通常我們會(huì)采用HTR旁路部署的方案，該方案對(duì)現(xiàn)網(wǎng)原有業(yè)務(wù)影響小，方案可靠性高，加速性能上無(wú)性能損失。如果客戶加速的流策略比較穩(wěn)定，沒(méi)有頻繁調(diào)整的需求，可作為現(xiàn)網(wǎng)部署的首選方案。

圖6 典型HTR部署方案

HTR旁路部署方案：

1. 將加速設(shè)備新增鏈路旁路署在EPC與公網(wǎng)鏈路之間;

2. 調(diào)整上下游設(shè)備的路由策略，針對(duì)要加速的視頻流量做ACL策略，讓相應(yīng)的需要加速的流量上下行都經(jīng)過(guò)加速設(shè)備;

3. 在HTR設(shè)備上啟用TCP加速功能，代理相應(yīng)的視頻流量，起到端到端加速的效果。

路由及引流策略：

1. 如果要針對(duì)某個(gè)網(wǎng)外IP內(nèi)容加速，在PE和EPC/PGW上可以匹配相應(yīng)IP段引流到HTR設(shè)備;

2. 如果要針對(duì)整個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)加速，在PE和EPC/PGW上以PGW的公網(wǎng)IP引流到HTR設(shè)備;

3. 如果要針對(duì)整個(gè)特定的用戶業(yè)務(wù)加速，要求用戶按固定的地址段映射公網(wǎng)IP，在PE和EPC/PGW上以該公網(wǎng)IP+端口范圍作策略引流到HTR設(shè)備。

2.2 CDN下沉方案

2.2.1 背景

隨著LTE在全球大規(guī)模部署，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量將以每年57%的速度增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)2019年移動(dòng)視頻流量占所有移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的超過(guò)70%。這種增長(zhǎng)主要將由用戶更加偏好視頻流服務(wù)，包括新聞、廣告與社交媒體等在線視頻內(nèi)容日益普及所驅(qū)動(dòng)，流量的快速增長(zhǎng)也對(duì)移動(dòng)承載網(wǎng)提出更高的帶寬要求。

各運(yùn)營(yíng)商之間的競(jìng)爭(zhēng)慢慢聚焦到用戶體驗(yàn)的競(jìng)爭(zhēng)，提供最佳體驗(yàn)的運(yùn)營(yíng)商才能持續(xù)獲得商業(yè)成功�，F(xiàn)階段，移動(dòng)視頻寬帶業(yè)務(wù)在高速發(fā)展，更高分辨率的視頻(1080P和4K)逐漸普及，人們觀看視頻也在追求極致體驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)E2E時(shí)延提出了新的挑戰(zhàn)。正是基于此，華為的CDN下沉方案將CDN內(nèi)容下沉到網(wǎng)絡(luò)各個(gè)不同位置，聚焦減少用戶訪問(wèn)內(nèi)容源的端到端時(shí)延，節(jié)省承載帶寬，保障用戶體驗(yàn)。

2.2.2 CDN下沉的多種方案

a) CDN下沉到基站

內(nèi)容下沉到eNodeB，“零”距離接近用戶，這種方案可最大程度節(jié)省RTT和承載帶寬，但是每個(gè)基站部署CDN-Edge，面臨部署成本高，維護(hù)難度大的問(wèn)題;另一方面，基站覆蓋的用戶少、訪問(wèn)分散，根據(jù)Cache熱點(diǎn)緩存的特性，CDN下沉到基站的命中率會(huì)稍低。

圖7 CDN下沉到基站

b) CDN下沉到EPC SGi口

內(nèi)容下沉到EPC SGi出口，部署成本可控，用戶訪問(wèn)量大，熱點(diǎn)效應(yīng)明顯。然而，這個(gè)方案無(wú)法節(jié)省MBH的承載帶寬，并且省干傳輸帶來(lái)RTT時(shí)延較大(3~5ms)，給體驗(yàn)帶來(lái)了一定的影響。

圖8 CDN下沉到EPC SGi口

c) CDN下沉到MBH

內(nèi)容下沉到MBH網(wǎng)絡(luò)，兼顧RTT時(shí)延(節(jié)省省干單向時(shí)延3-5ms、EPC單向時(shí)延4ms)、部署成本可承受(如地市PTN L2入L3節(jié)點(diǎn)2~7對(duì))、節(jié)省MBH網(wǎng)絡(luò)帶寬(引流的匯聚節(jié)點(diǎn)到EPC之間的鏈路)、用戶訪問(wèn)內(nèi)容熱點(diǎn)效應(yīng)明顯等特點(diǎn)，是綜合CDN下沉成本與節(jié)省時(shí)延效益的折衷考慮結(jié)果。

圖9 CDN下沉到MBH匯聚節(jié)點(diǎn)

3 面向U-vMOS的移動(dòng)視頻運(yùn)維方案介紹

3.1 現(xiàn)狀概述

圖10 移動(dòng)用戶的卡頓投訴維護(hù)難

最后，讓我們談?wù)勔苿?dòng)承載網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維過(guò)程中遇到的問(wèn)題。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，手機(jī)視頻流量在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的份額逐年上升。視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，然而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)手段只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)KPI，無(wú)法感知用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，往往會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)KPI很好，但用戶反映體驗(yàn)很差的情況;同時(shí)當(dāng)用戶投訴時(shí)，故障現(xiàn)象可能早已消失，造成問(wèn)題定位困難。實(shí)際上更為常見(jiàn)的是，最終用戶為了避免麻煩、不進(jìn)行任何投訴，選擇直接關(guān)閉應(yīng)用窗口。這在無(wú)形中造成了用戶忠誠(chéng)度的下降、繼而帶來(lái)用戶流失的風(fēng)險(xiǎn)。

本章節(jié)描述針對(duì)OTT移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)，如何實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶體驗(yàn)，并在用戶觀看移動(dòng)視頻發(fā)生卡頓時(shí)，能夠?qū)σ苿?dòng)承載網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定界定位的運(yùn)維方案。

3.2 方案描述

圖11 移動(dòng)視頻實(shí)時(shí)運(yùn)維方案

在承載網(wǎng)出口或Gi接口，通過(guò)分光或直通的方式部署SIG，SIG通過(guò)分析用戶報(bào)文直接監(jiān)控用戶體驗(yàn)。當(dāng)SIG監(jiān)測(cè)到用戶觀看視頻發(fā)生卡頓時(shí)，通告給uTraffic，uTraffic還原用戶視頻業(yè)務(wù)報(bào)文在承載網(wǎng)的傳輸路徑，并在傳輸路徑上部署管道IPFPM進(jìn)行故障的定界定位。

用戶視頻卡頓監(jiān)控

SIG通過(guò)觀察和分析用戶視頻報(bào)文，判斷視頻質(zhì)量是否發(fā)生了劣化。原理如下：

SIG實(shí)時(shí)計(jì)算獲取視頻流已經(jīng)下載的字節(jié)數(shù)、視頻播放的時(shí)間、播放器的播放碼率，如果播放碼率與視頻已播放時(shí)間大于已經(jīng)下載的字節(jié)數(shù)，則表明卡頓發(fā)生了。

網(wǎng)絡(luò)故障定位

uTraffic接收到SIG傳來(lái)的用戶卡頓信息后， 向承載網(wǎng)設(shè)備查詢用戶視頻報(bào)文傳輸?shù)穆窂健?在用戶視頻報(bào)文的傳輸路徑確定后，在各設(shè)備上部署IPFPM檢測(cè)設(shè)備的丟包率，最終精確定位故障的設(shè)備。

IPFPM是華為公司提出的隨流的性能監(jiān)控系統(tǒng)。它通過(guò)給報(bào)文的IP頭染色來(lái)提示沿路IPFPM測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行性能統(tǒng)計(jì)，不插入任何額外報(bào)文，并且具有高的精度， 能夠有效監(jiān)控用戶業(yè)務(wù)流的性能狀況。

通過(guò)此方案的部署，運(yùn)營(yíng)商維護(hù)人員可以在定位到故障設(shè)備后， 快速有效的進(jìn)行針對(duì)性排障， 保證用戶的視頻體驗(yàn)。