面向应用层的流媒体性能测量指标

面向应用层的流媒体性能测量指标摘要介绍了一种从流媒体接收者的角度对流媒体性能进行测量的方法，提出了相应的应用层评价指标。利用已有的商业化流媒体服务软件，通过改变网络环境在不同的条件下对指标进行测量，最后通过实验数据来验证这些指标的有效性。引言流媒体是指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续媒体，如音频、视频、动画或其他多媒体文件。它的内容可以是预先经过编码处理、存放在一个或多个服务器上的媒体文件，也可以是实时的音/视频媒体。传统的Internet应用需要可靠的数据传输，对延迟和抖动不是很敏感，但是在流媒体应用中情况则完全不同。流媒体应用能够容忍一定程度的包丢失，但是对延迟和抖动却很敏感。由于各种原因，在以IP协议为核心的互联网上提供流媒体服务时，流媒体的性能经常随着网络和时间的变化而变化，不能满足用户的需求。为此，除了采用一些内部机制保证业务质量外，还需要从外部对流媒体业务性能进行测量，了解流媒体应用的瓶颈，从而提高性能。同时，为了推动流媒体新的网络协议的设计和开发，必须有一套能够衡量媒体接收端的媒体质量标准。早些时候，研究者也提出过各自的媒体性能衡量指标，有些是基于传输层的，通过测量传输层的参数进行媒体性能评估；有些关注于接收者观看时的生理反应或者需要人为参与。实践证明这些方法均能够在一定程度上反映流媒体的性能，但这些方法部署起来复杂，而且结果也易受主观因素的影响。本文引入了一套面向应用层的流媒体性能衡量指标，测量方法相对简单，并且能够直观反映流媒体的接收质量。最后在RealNetworks公司的流媒体系统中，通过改变网络环境来验证这些指标的有效性。1相关工作1.1主观评价国际电信联盟（ITU）在ITU－RBT.500－11中推荐使用平均主观得分法（MOS）来评价接收者感知的媒体质量。做法通常是给接收者播放一段视频（约8~10s），接收者采用5分制评价。其中5分为很好（excellent），4分为好（good），3分为中（fair），2分为差（poor），1分为不可接收（unsatisfactory）。记录他们的评分，然后对所有评论者的评分进行统计，得出平均分作为评价结果。MOS为接收媒体质量提供了定量指标，但是对流媒体而言，这种评价方法存在着弊端。MOS的特性使得必须有接收者参与（评分），这将花费大量的人力和时间，并且这种方法不能避免主观因素的影响。另外在ITU－RBT.500－7标准定义了两种主观的评价方法，即双刺激连续质量分级法（DSCQS）和单刺激连续质量评价方法（SSCQE），不过这些方法已经被ITU－RBT.500－11所取代。1．2客观测量客观测量基于仿人眼视觉模型的原理对图像质量进行客观评估，并给出客观评价分。近几年，随着人们对人眼视觉系统研究的深入，客观测量的方法和工具不断被开发出来，其测量结果也与主观评价较吻合。国际上成立了ITU－R视频质量专家组（VideoQualityExpertsGroup，VQEG）专门研究和规范图像质量客观测量的方法和标准。VQEG规定了两个简单的技术参数，即峰值信噪比(PSNR)和均方差(MSE)；此外还有许多图像质量模型，这些模型在测量图像质量时都基于人眼视觉特性。一些研究者认为，当发生丢包或者低速率传输媒体时，这种测量方法不能很好地工作，而且也不能刻画应用层的一些关键信息，如再缓冲次数、平均缓冲时间、帧率（FPS）等。2应用层媒体性能测量指标2.1媒体播放器的播放原理当前主流的商业流媒体播放产品主要有Real公司的RealPlayer、Microsoft公司的MediaPlayer、Apple公司的QuickTime。它们虽然属于不同的公司，但是播放流式媒体的基本原理是相同的。图1给出了以视频点播和广播为例考察用户获取流媒体服务的典型流程。社接收笔者和剑服务爹器之篮间需烧要通猾过三裹次交颠互才华能获搂得流森媒体钉内容屡。监首先迫是用鄙户浏球览器东和蚊We候b磁服务惊器（坛流媒莲体内路容的爬发布式点）串交互年，以贸获取昼具体呆的流践媒体辰内容时定位颗信息中（媒丛体源陪文件保的重UR垫L亲）。钓然后录，用毯户浏敬览器库通过财内容裂定位杂信息更获得畜具体冠的媒份体源怪文件紧。该数源文歇件通送常是揭一个叼SM贝IL脆或者困XM勤L闸格式剧的媒视体同隶步和遭控制赠文件扁，包丸含了蜘具体设的流较媒体广内容桶的位项置（侦UR李L诉）和胡控制途方法工。话然后嚼，密在客盖户端篮，她流媒伯体的海源文掀件触羞发用侧户端着的媒泛体播肿放器冶。车最后景，烦媒体妻播放锣器根帮据源唇文件触的要迈求安兆排媒朽体流赌，同纲时根垂据媒爬体流牙的衣UR怪L蜓请求泰流媒絮体内砌容传坏输。骂2谨．盏2黎流媒丢体播缩放器扰的相芦关特刚性缘大惭多数赏的媒千体播众放器挪在播棒放流毒媒体领之前骡，媒俭体数休据先穴要在投接收献端缓胶冲，衬其主蹦要作久用是裹平滑撤媒体特数据斯传输美波动贵，提浅高播嫩放质钩量。仁缓冲顷区的量大小易和利景用百拒分比豆决定静了播句放过灿程中轧接收哗者的瓦接收缠质量求。在金播放爱过程晓中，阁如果铅缓冲晌的数决据不涉够甚止至传栏输中涨断，朋播放叹器会悄进行愈重缓灾冲，旷重缓膀冲会答严重垄影响稿服务拉质量芒、降蛋低收脂看效阔果。砖Re稀al本Ne支tw览or速ks柜公司梯的驼Re怜al喜Pl涛ay睬er陆是使肢用较纯多的寺几个峡流媒怒体播窗放器未之一供，本叠文选味用它立作为橡播放倦器。呆首先裹介绍答几个化相关季的特名性：墓流技多术。娃Re惜al拜Pl召ay密er缠能够厉从流搁媒体婚服务五器接馅收流点化的豆媒体科内容啄。这哨期间倦要用瑞到一鹊些相效关的让传输己协议公，如耍RT碎SP由等。削当然立也可黎以选舰择贼TC半P执、幼UD袖P奶、至HT阻TP否等协立议。底自适中应带蹈宽。怖Re伙al暖S棋ys秩te撤m版采用炊Su虎re朋S随tr怜ea递m怀，通豆过测随量网木络的所当前宁状况命调整厕流媒樱体的艰比特制率来扇适应填网络眼，使蜘用户势获得炕更好拨的效屿果。亮Mi太cr扬os疫of急t威公司峰的扛in歪te君ll赠ig窑en抬t绝st友re汤am感in荷g侍也可涂以达锦到同杂样的浅效果恢。要堆达到胀自适县应带均宽的扔目的湾，还辆需要披多比至特编叹码（篮多层理编码胃）技市术支构持。拌缓冲毫区初浮始化质。嗓Re幼al态Pl周ay遮er灾需要挪初始披化播示放器量缓冲亭区，哑消除锅媒体证服务皇器与尺播放斗器之供间的脖网络摩延迟恢带来余的负香面影锯响。来设置弹大的费缓冲弊区可凤以容寨忍更狗大的半网络迫延迟游，同判时也谜增加帮了播声放延尸迟，目因此题缓冲云区并抵不是箱越大慈越好壮。响d蜜）秀再缓糊冲。凭当网津络条编件恶腔化时每，盼Re斜al跪Pl致ay校er慎有可历能耗糠尽缓告冲区往内的众媒体竞数据肾。这繁时播贱放器认不得点不停义止播熄放（悉没有狐数据杯），模等待肤新的事数据眉填充三缓冲恐区。谅2牙．争2熟性能稿测量朋指标抛快根据寨以上树分析遍，本山文提拌出了俊面向浓应用电层的滩测量似指标此：微缓冲榆时间颜。聪从流任媒体沙数据违到达雾播放怖器到保开始独播放起的时脏间。洗这个抹时间丸与缓锣冲区雾大小肝、网号络环图境有趟关。四缓冲付时间辰可以俗衡量敌媒体庄流数夫据传养输的冤延迟令和延趴迟抖叹动等溪性能百，对槐流媒农体播胞放的渐性能熟有直匆接影诵响。决播放博速率张。堪由帧拢率、逼画面沈分辨枕率、拦色彩遵深度网、编民码方伞式等档诸多群因素柄决定知，是傲直接瑞影响纵性能疲的重映要因矮素。猛由于晕自适喘应带揉宽技猜术的偶存在验，播绵放速挂率还拔受到杰网络杜环境不的影巷响。耕再缓洁冲次毛数和订时间蔑。饺在播剖放过义程中层，缓哑冲区隔中的示媒体祖数据狱耗尽你，流冻媒体深数据议不能帮达到童播放答的要渡求，炭需要螺重新挎进行径缓冲虏。再最缓冲弟的时寿间和杀次数烘可以扣描述警流媒策体在震播放草过程病中的音质量程，客拦观来轨讲，稀这是梯影响章流媒窗体性撇能最搬重要姥的指损标。涛帧率集。追人的繁眼睛鱼由于淘生理今原因廉会产酱生视矮觉停扛留，酒电影裂胶片绝就是惰利用网这个免原理障。但营是当喂每个尺画面挥停留改时间菌过长各时，腥眼睛怖就会凭觉察顺到不拘是连默续的扰情景情，这郑就意剃味着追用户婚看到沈的是畅一个帖个画昏面，瘦导致颗媒体飘的质凯量下杯降。低3外流媒容体性弓能测亿量沫3划．吐1萌实验势平台医以上欣讨论诊的均染是能右够反寒映流捏媒体济性能欣的应跨用层箭指标饺。本揪文通诞过改傻变传残输过拖程中齿的网你络环辆境来厕研究贫能否增使用牢这些扯指标骄评估辱流媒龄体性校能。及媒体蓝播放阅器位贼于应晋用层剩，因熟此本晒文的帮应用碎层测丽量主签要是哗从这仆些应明用程炭序中默提取何流媒族体的稍性能室特征伸。实杜验采爷用亏Re匀al乏Ne奔tw数or薯ks慢公司占的流查媒体女系统诞，包极括流挖媒体矩服务匹器（乓He戚li山x获Se桂rv驶er常）、店流媒织体编穷码器兴（州Re信al被Pr择od恩uc线er仔）、仔流媒句体播乘放器遵（诸Re贿al也Pl荐ay冤er逗）几跪部分哑，如递表陵1价所示婶。宫网络袋环境玩改变摄是利迷用沟Ni耗st妨Ne担t伐来实南现的是。淡Ni紧st宁Ne塘t醉是运曾行在福Li景nu范x凭下的唇IP场网络溪环境坛模拟市工具听，可秩以把兽一台彩装有例Li粒nu吧x们的惊PC斑机作仪为路裕由器劈，从替而达练到改勒变网痛络环夸境的腔目的诉。愁Ni县st祥Ne溉t医能模彼拟包慌括可密调包逢分发点延迟归、拥凳塞、刮带宽体限制抬、包竟乱序乞等网蹈络环唇境，社这些仅都是哈影响斩流媒差体性裂能的甘重要灿参数高。实叨验中山通过队改变级网络属环境荷来观咐察应耻用层叔的流惧媒体铲性能僵改变午。整启个实损验系务统的沈结构锡如图嘉2乱所示闸。亭桶流媒鼠体服画务器冤安装跟在园HP舒P飞ro索Li蔬an矿t暗ML月15寿0栽；垂Ni鲁st这Ne饶t猪安装钉在一眼台普歇通的疑装有膝Re需d脸Ha伞t宫Li迫nu习x翁的狮PC页机上扯，内翁核为捏2.谅4.蒸20暖－鸡8罢，作标为路哥由器廉，启土动了抄路由改功能肝；流粪媒体估播放鲜器安辞装在嘉一台涝普通撇PC将机上誓，操述作系望统为式Wi过nd射ow仅s津XP辰。利跟用伴Re胜al愉Pr收od由uc坛er废P唐lu殿s笋编码鱼器对裤一段阿长度悔为疏4尿mi自n1该4盈s感的肥MV废进行假两次轻编码揭作为寄媒体左源，狂一次撤编码狮是单左一比衡特率竟45妨0盟kb因ps赶编码颤；一继次是钟使用悼了即Su欠re留St懒re捷am白技术剩的多兔比特帅率编有码，孕分别将为蹄64并、死15浪0泡、讽25骑6戚、吃38漏4瞎、串51版2姜kb店ps临。蜡3另．椅2攀网络火环境令变化独下的巾流媒句体性追能喉1认）改池变带货宽带毯宽是愚影响焰流媒棵体性蜓能最法重要枝的因合素之唇一，禾因此鸟实验诞的第阅一个哄网络售环境谣变化桑就是洽对带宁宽的冷改变黄。实舟验中役，选妥取多哗比特败率编阶码的盟MV券作为额媒体纯源。液播放恳60缩s丘时，就利用嚷Ni勿st左Ne泄t甜对带将宽限壳制到桌24形0下kb嗽ps指，垦12家0筋s民时恢幅复。鹊其间拐观察煌媒体辅播放普情况渣，并睬测量稀播放氏速率掀和帧筑率；掏实验劲重复刷20蚕次，遭选取邻其中很10秒次作粉为测叠量数夹据。凡播放击速率毅变化外如图武3医所示个。臣从图院中可航看出卵，胳60名s败时，屋Re符al水Pl顿ay雪er泉检测晚到可列用带遭宽的淘改变第，通透知流商媒体校服务练器改徐变发粮送的铃媒体满服务多速率饰，从用原来扫的魂45膏0询降到轧15秧0胃kb仪ps局左右渐。但灯是流娇媒体鸟服务救器检铺测到来数据的包丢怠失率局较高剑，便誓继续洽降低券发送下的媒怖体服屈务速淹率，匹直到敏10逝0凭kb咐ps愿。烛怕带宽窝不足滑以播业放最队优质乞量流旁媒体尊时，这媒体丝服务倒器除岁了降个低媒名体服浴务速积率外并，也删会定派期检驴测带渠宽。恒因此菊在趁12顺0匠s健带宽扛限制嗽取消恶时，槐媒体赔服务悬器在讯14睛0s柿左右摸检测骄到可道用带游宽增储加，涨随即石增加丛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