一、前言
 
HTTP ABR (Adaptive Bit Rate)是目前最熱門的OTT (Over-The-Top)傳輸技術，典型的有Apple HLS (HTTP Live Streaming)、Microsoft Smooth Streaming、Adobe Zeri Streaming和DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)。
 
HTTP ABR是以HTTP/TCP協議進行無損傳輸，且會根據網絡帶寬自動調整視頻碼率的視頻技術，與傳統的UDP承載或廣電廣播網絡承載的有損傳輸視頻業務有很大區別。在網絡性能變化，如路由器擁塞丟包時，傳統的MOS-V等圖像質量指標對于HTTP ABR卻保持不變，失去了指標的意義。因此HTTP ABR業務需要全新的一套測量體系來進行視頻傳輸質量測量。Spirent針對該業務所設計的以AS Score為代表的一套指標體系已成為該業務測量的新標桿，并即將成為IETF標準。
 
二、為什么傳統的IPTV視頻質量分析方法不適用于HTTP ABR業務？
 
有損傳輸的視頻與HTTP ABR視頻對比
 
傳統的網絡視頻IPTV業務主要是基于UDP承載視頻流的，UDP承載的特點是實時性好，但出現丟包則不會重傳，抖動和時延過大的包會被丟棄，對視頻流而言是一種有損傳輸。所以當網絡損傷出現時，解碼后視頻質量會出現劣化，導致馬賽克、圖像模糊等問題，見下圖1。



　　圖1、UDP承載視頻流出現馬賽克和圖像模糊
 
HTTP ABR視頻業務是基于TCP承載視頻流的，TCP承載的特點是可靠連接，無損傳輸。丟包后會進行重傳，抖動和延時會被客戶端的下載緩沖所消化，一般情況下客戶不會感知。只有緩沖區的視頻播放完又沒有及時下載到新的視頻片段時，才會出現畫面等待并緩沖，見下圖2。


　　
　　圖2、TCP承載視頻流
 
傳統的網絡視頻質量分析指標是針對視頻畫面損傷時對視頻質量評估的，而當網絡性能劣化，例如有路由器出現擁塞導致丟包時，HTTP承載的視頻業務是不會丟失媒體包的，畫面質量跟發送端是完全一致的，那原有的一些分析指標是否還適用呢？
 
有損傳輸的視頻質量常用測量指標是否適用HTTP ABR業務？
 
基于UDP的IPTV視頻業務，或廣電廣播網絡的視頻業務常用于衡量視頻質量的指標常用有如下幾種，Spirent VQA視頻質量測量方案均已支持：
 
MOS-V
 
MOS-V原本是指通過觀測者人眼觀察視頻質量，進行主觀1-5分的打分，參見ITU-T P.910（04/2008）。目前廣泛在視頻質量測試中所使用的MOS-V指標，即通過算法分析客戶端所收到的視頻編碼、幀率、丟包分布、以及圖像組結構等，通過算法換算得出等效于人眼主觀評價測量的MOS-V得分。
 
MOS-V適用于HTTP ABR業務嗎？
 
只適用于進行實時視頻編碼階段，對于網絡傳輸則失去意義。
 
如前所分析的，ABR業務采用TCP無損傳輸，已編好碼的視頻流（如H.264碼流）進入網絡（如CDN）后，發送端發出的媒體片段和接收端收到的片段是完全一致的。傳輸過程中TCP丟包會重傳，對于視頻流而言即不存在丟包，所以MOS算法所計算的丟包分布是無意義的。即在出現網絡層面的丟包時，對于TCP承載的視頻業務而言，MOS值是不會改變的。
 
所以MOS在ABR業務中，充其量只能適用于視頻發送前進行視頻編碼的階段，即做初步的編碼器編碼質量對比。
 
在某些特殊場合，在傳輸網絡中有實時視頻轉碼的網元情況下，MOS也可用于單獨衡量轉碼設備的編碼質量。但對于HTTP ABR業務而言，本身就具備提供多種不同的碼率碼流，適應不同的用戶情況，客戶端自動選擇下載碼率，在網絡上再做實時轉碼并不經濟，所以該場景在HTTP ABR業務中并不常見。
 
要特別指出的是，視頻傳輸質量測量目的是以儀表模擬大量用戶訪問，衡量網絡在大流量情況下的服務質量。而編碼質量則取決于編碼算法，與用戶量或網絡狀態是無關的。例如VOD業務，它是編碼軟件離線編碼后，把文件以非實時的方式送入網絡存儲（如CDN），再由網絡向用戶提供服務的。
 
關鍵是，對于運營者最關心的傳輸網絡上各個網元的服務質量，例如出現丟包、抖動、延時等，由于不存在視頻損傷，MOS指標保持不變。即網絡質量變化，用戶感知發生變化時，MOS指標無法反應，失去了指標的意義。
 
MDI
 
MDI:DF延遲因素指標，指示被測試視頻流的延遲和抖動狀況。DF單位是ms。DF將視頻流抖動的變化換算為對視頻傳輸和解碼設備緩沖的需求。
 
MDI:MLR媒體丟包率指標，網絡傳輸過程中每秒媒體包丟失數，指示媒體包丟失情況。
 
MDI適用于HTTP ABR業務嗎？
 
完全不適用。
 
MDI:DF本意是為了指示對解碼設備緩沖的需求，特別是電視機頂盒的緩沖有限，緩沖時間通常是毫秒級的。而對于HTTP ABR業務而言解碼設備主要是PC和手機等智能終端，它是下載媒體片段的，終端本身就要求有容納大量文件的緩沖空間，緩沖時間起碼是分鐘級。MDI:DF指標失去意義了。
而TCP的重傳機制本身保證了不會有媒體層面的丟包， MDI:MLR必然為0，失去意義。
 
VSTQ
 
視頻服務傳輸質量指標。伴隨MOS而出現的，重點關注網絡傳輸中的視頻質量，對于TCP無損傳輸而言是不適用的。
 
另外還有PSNR峰值信噪比，也是同樣，不再累述。
 
I/B/P幀統計
 
本意是統計在網絡損傷下，視頻編碼的I/B/P幀分別的接收和丟失情況。同樣由于TCP的重傳機制，視頻編碼的I/B/P幀都是100%傳送，不會丟失，統計失去意義。
 
小結
 
傳統的視頻質量分析是基于有損傳輸的，MOS等指標本意是進行初步的綜合的視頻質量指示，以便做服務質量對比，再進一步做深入的指標分析，例如分析媒體流損傷情況、網絡層丟包、抖動、延時等問題，最終找到影響用戶體驗的原因，并予以解決。
 
但由于HTTP ABR的特殊性，不存在圖像損傷，網絡丟包、抖動、延時等網絡問題都無法影響到MOS指標，而HTTP ABR業務中，由于網絡損傷而真正影響用戶體驗的主要問題，緩沖等待時間、等待次數、視頻碼率降低等都無法反應出來。
 
那么HTTP ABR業務需要怎樣的視頻質量測量體系呢？
 
三、需要怎樣的指標體系來測量HTTP ABR業務？
 
HTTP ABR視頻傳輸質量測量體系分為三個層面，Spirent測試方案對應給出了測試的方法和指標：
 
用戶感知層面
 
Adaptive Streaming Score
 
Spirent提供了一個綜合評估用戶體驗的，專門針對HTTP ABR設計的指標Adaptive Streaming (AS) score。AS score指示了有多少比例的用戶收到最高速率的碼流，并持續播放。AS score的范圍是0-100，極端情況下“0” 表示所有用戶都在最低碼率下， “100”表示所有用戶都在服務器能提供的最高碼率下。
 
該指標綜合指示了用戶實際感知：碼率包含了分辨率、幀率、色階、清晰度等圖像細節信息，而持續播放與否也反應了網絡和服務器原因導致的延遲、丟包、抖動等傳輸情況。AS反應了用戶在HTTP ABR業務中的 QoE。該指標便于測試者作為測試分析的入口。也便于將不同的測試結果進行對比。
 
在下圖的例子中，視頻被編碼成多個碼率，最低碼率是64K，最高碼率的1.5M。一開始用戶都集中在64K最低碼率，隨時間推移有更多用戶從低碼率跳到了高碼率的視頻，在播放一分鐘后，所有用戶都在使用1.5Mbps的碼率視頻，對應的Adaptive Streaming Score也從0一直上升到了100。


 
圖3、Adaptive Streaming Score
 
媒體服務層面
 
Adaptive Streaming Buffering Wait Times
 
在線的HTTP ABR媒體流Buffer等待時間，Buffer等待時間是指在這個時間內視頻處于圖像靜止的Loading狀態。
 
Adaptive Streaming Avg. Fragment Response & Download Time
 
媒體文件片段平均響應時間（從發出GET到收到第一個數據字節）和下載時間（收到第一個字節數據到最后一個字節數據），統計顯示兩個時間之和，并檢查該文件片段是屬于哪個視頻碼率段的，對該碼率段的所有響應和下載時間取均值。該指標是指示在某個碼率段中文件片段的響應和下載時間。
 
Adaptive Streaming Active Video Channels
 
實時顯示在線的HTTP ABR媒體流在各個碼率段分布情況


 
圖4、HTTP ABR媒體流的碼率分布
 
Fragment Run Statistic
 
Abort Fragment Request下載文件片段中斷次數
 
Buffer Underrun Fragment用戶等待視頻下載才能播放的次數，除了用戶剛發起新的視頻請求播放的之外，在播放過程中該指標在網絡理想情況下應為0，出現額外的Underrun則表示有卡頓。
 
Pre-Cached Fragment 預下載的文件片段數量
 
Bitrate Shift
 
碼率向上升速的次數Total Upshifts、碼率向下降速的次數Total Downshifts、碼率維持不變的次數Total Rate Maintaining
 
其他統計計數
　　Sessions、Channels、Http Requests、Manifest Requests、Fragment Requests的計數統計
 
網絡層面
 
網絡流量、TCP連接統計、TCP SYN/ACK時間統計、Round Trip時間統計、TCP重傳超時統計、TCP收到第一個數據包的時間統計、估算服務器響應時間統計、TCP Checksum fail、Bad header length、Bad data length、Duplicate、Out of sequence、Timeout統計等等網絡參數，以分析網絡層面的抖動、時延、丟包、錯包等各種問題。
 
ABR Scores測量體系正在成為IETF標準
 
Spirent針對HTTP ABR業務所設計的整套ABR測量指標體系是業界領先的測量體系，已成為該業務測量的新標桿，并已提交IETF即將成為IETF標準。
 
注1：Spirent是The Internet Engineering Task Force (IETF 互聯網工程組)的重要成員，先后制定過很多如RFC 2544等測量領域重要的標準文檔。
 
ITU等標準組織現有的測量標準主要針對的是有損傳輸的應用場景，目前還沒有針對HTTP ABR這種OTT Internet業務的已發布標準。
 
附錄A：HTTP ABR傳輸機制說明

 
圖8、HTTP ABR視頻分發機制
視頻源內容經編碼器編碼形成不同碼率的視頻文件，一個視頻文件包含了一串文件片段和對應的列表。由客戶端根據下載的速率情況選擇下載什么碼率的視頻文件。以下以一個文件名為sample的視頻文件在Apple HTTP Live Streaming服務器上播放為例說明其碼率選擇機制。見圖9。

 
圖9、碼率選擇機制
 
客戶端向服務器發起GET請求獲取sample.m3u8文件列表，服務器回復200 OK并將文件列表發給客戶端。文件列表包含了sample視頻所能提供的幾種播放碼率。
 
客戶端根據自身設置的策略決定是先從最小碼率開始，還是從最大，或者從中間碼率開始獲取視頻。本例是設置了從最小碼率開始，于是客戶端向服務器請求64K碼率的文件列表。服務器回復64K碼率視頻的文件串列表。
 
客戶端根據收到的文件串列表請求獲取第1個文件片段TS文件。
 
到達一定的時間間隔后，客戶端自動計算第一個文件片段的下載速率，得知當前下載速率較高，例如下載速率達到500Kbps，則根據第一次所獲取的碼率列表，改為向服務器請求256K的文件列表，服務器返回256K碼率視頻的文件串列表。
 
客戶端請求256K文件串列表中的第2個文件片段TS文件
 
再經過一定時間間隔后，客戶端再次計算該文件片段的下載速率，并決定是否改變碼率。
 
注：客戶端參考的標準版本
• Microsoft IIS Smooth Streaming Client 1.1
• Apple HTTP Live Streaming draft-pantos-http-live-streaming-06, IETF
• Adobe Flash Video Specification 10.1