基于QUIC协议的智能机顶盒终端应用系统设计与应用.pdf

78广播电视网络 2023 年第 7 期 总第 403 期歌华有线专栏聚焦运营商专栏基于 QUIC 协议的智能机顶盒终端应用系统设计与应用高静 邹海川 任光涛 北京歌华有线电视网络股份有限公司摘要：QUIC 协议融合了 UDP 协议的速度与性能以及 TCP 协议的安全与可靠，在丢包和网络延迟严重的情况下仍可提供可用的服务。本文主要介绍了歌华有线基于 QUIC 协议的智能机顶盒终端应用系统设计，包括浏览器、播放器、数据采集等模块，阐述了该系统在歌华有线直播业务中的应用及效果评价。关键词：QUIC 协议 浏览器 播放器 数据采集1 引言随着高画质、高带宽的 IP 化直播和点播服务的逐渐普及，用户对视频服务的交付质量要求越来越高。QUIC（Quick UDP Internet Connection）协议最早由 Google 提出，因其高效的传输效率和多路并发的能力，已成为 HTTP3的底层传输协议。QUIC 协议融合了UDP 协议的速度与性能特性以及 TCP协议的安全与可靠特性，支持数据传输 0-RTT（往返时间）延迟、前向纠错、自适应拥塞控制、丢包恢复、连接迁移等功能，从而降低了网络延迟，提高了传输性能，保证了数据传输的可靠性。目前，QUIC 协议在互联网行业广泛运用，如 Google 搜索、YouTube 视频、QQ 空间、B 站等。QUIC 协议的应用使企业的网站和应用程序可以更快地响应用户请求，极大程度提升了用户体验，为企业带来了收益与回报，也提高了企业的效率和竞争力。QUIC 协议应用在广电网络，可以提供更快的连接建立、更高的传输效率、更好的拥塞控制和错误恢复机制。这些优势可以提高用户的观看体验，减少等待和缓冲时间，保护用户的数据安全。因此，QUIC 协议在广电网络中具有广阔的应用前景。经过一段时间的技术探索和应用实践，北京歌华有线电视网络股份有限公司（以下简称“歌华有线”）已成功实现了基于QUIC 协议的智能机顶盒 IP 直播和点播业务服务。截至目前，覆盖 200 余万用户，有效提升了视频交付质量和用户体验。2 QUIC 协议简介QUIC 协议基于 UDP 协议，解决了 TCP 协议的拥塞控制和丢包恢复问题，旨在提高网络连接的速度和可靠性。QUIC 协议的分层模型如图 1 所示。TCP 协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。QUIC 协议与 TCP 协议的比较如下。（1）连接建立：QUIC 协议通过使用 UDP 协议实现了 0-RTT 连接建立，允许在首次连接时立即发送数据，减少了 TCP 协议三次握手建立连接的延迟，实现了更快的连接建立和握手过程。图 1 QUIC 协议的分层模型79歌华有线专栏广播电视网络 2023 年第 7 期 总第 403 期聚焦运营商（2）多路复用：在高延迟和丢包的网络环境下，多路复用可以提高性能和效率。QUIC 协议支持多路复用，允许在同一个连接上同时传输多个数据流，即可以同时发送和接收多个数据包。TCP 协议需要为每个数据流建立独立的连接。（3）拥 塞 控 制：QUIC 协 议 采用了基于延迟的拥塞控制机制，根据RTT和拥塞窗口大小来计算发送速率，通过控制发送速率来避免网络拥塞，以确保在网络拥塞时不会过度发送数据。TCP 协议使用基于丢包的拥塞控制机制，与 QUIC 协议相比，重传超时时间和拥塞窗口调整时间更长。（4）错误恢复：QUIC 协议使用基于重传定时器的错误恢复机制，支持单个数据包的重传，可以快速地检测和恢复丢失的数据包。TCP 协议依赖于有序传输和丢失检测，在发生数据包丢失时，需要等待确认 ACK 或超时后才能进行重传，这会导致一定的延迟。（5）安全可靠：QUIC 协议使用TLS 协议进行加密和安全传输，并通过减少连接握手次数和提供完整的身份验证，确保数据在传输过程中的保密性和完整性。TCP 协议没有内置的安全协议，需要使用额外的协议，如TLS 协议、SSL 协议等，来保证数据的可靠传输。QUIC 协议的核心逻辑在用户态，能灵活地修改连接参数和拥塞算法；而 TCP 协议的核心逻辑在内核态，修改需要改变内核参数。3 QUIC 终端应用系统的设计QUIC 终端应用系统将 QUIC 协议作为终端播放协议植入应用系统中，并与服务端完成对接，实现基于 QUIC协议的视频业务，增强端到端 IP 视频抗网络劣化能力，加快 IP 业务覆盖，为网络优化提供数据支撑。QUIC 终端应用系统架构如图 2 所示。QUIC 终端应用系统包括浏览器、播放器、数据采集等模块。歌华有线在智能机顶盒上，设计并开发了一个独立运行的 APK，其中内置了支持QUIC 协议的浏览器和播放器，不依赖于操作系统。3.1 浏览器浏览器网络层实现了对 QUIC 协议的支持，满足 Web 资源通过 QUIC协议通道下载和加速。客户端 UI 界面 以 Web 呈 现，通 过 JS 扩 展 对 象QuicMediaPlayer 完成对播放器的操作控制，以实现 UI 界面视频播放的全流程 QUIC 协议支持。由于 QUIC 协议在建立连接的同时进行加密和数据传输，减少了与TLS 协议握手的往返次数，从而降低了连接延迟并提高了性能。因此，将QUIC 协议应用于浏览器中可以提高网页加载的速度。浏览器集成了 Cronet 网络协议栈，用于实现 QUIC 协议。Cronet 是 Google Chrome 浏览器中使用的网络协议栈，它是基于开源项目 Chromium 的网络库。Cronet 协议栈使用了多线程和异步操作来实现高效的网络通信，并为开发人员提供了丰富的功能和 API，是一个高性能、灵活且易于使用的网络库。调用 Cronet 网络协议栈时，首先，配置 Cronet 库，添加依赖项，以便在应用程序中使用 Cronet 功能；其次，创建 CronetEngine 对象，负责处理网络请求，并设置 CronetEngine 的参数，包括代理设置、缓存策略、连接超时等，以支持 QUIC 协议；再次，创建 CronetExecutor 对象，用于执行各种任务，CronetRequest 请求的所有任务都在 CronetExecutor 中执行；最后，将执行结果通过 CronetCallback 异步接口的回调对象返回至客户端。QUIC 终 端 应 用 系 统 还 通 过Chromium 实现了 QuicMediaPlayer 对象，支持在Web页面中通过QuicMediaPlayer创建嵌入的小视频窗口播放视频。图 2 QUIC 终端应用系统架构80广播电视网络 2023 年第 7 期 总第 403 期歌华有线专栏聚焦运营商3.2 播放器播 放 器 支 持 基 于 QUIC 协 议 的HTTP、HLS、LL-HLS 等流媒体协议的解析和处理。播放器在应用层进行了优化，可以根据实际网络特点和头端播发规则，调整对应的播放器起播缓冲，以确保基于 QUIC 协议播放的连续性。播放器支持自适应流媒体协议，这样可以根据用户的网络条件动态调整流媒体内容的播放；播放器还支持从 UDP 组播到 QUIC 单播地址的切换，以避免因网速不稳定或带宽不足而导致的播放中断或卡顿。播放器业务架构如图 3所示。QUIC 协议用于实时视频流媒体应用，可以减少视频缓冲和播放延迟，提供更好的用户体验。针对歌华有线视频业务特点，选择了 ExoPlayer 播放器进行定制化二次开发，以支持 QUIC协议播放。ExoPlayer 是一个开源的Android音视频播放库，由Google开发，提供了丰富的功能和灵活的架构。播放器系统架构如图 4 所示。（1）媒 体 源（MediaSource）：播放器的最底层模块，负责提供媒体数据。（2）加载控制器（LoadControl）：负责控制媒体数据的加载和缓冲，可以根据当前网络和播放状态动态加载数据，以避免播放中断或卡顿。（3）渲染器（Renderer）：负责将媒体数据解码和渲染，支持视频渲染器、音频渲染器和文本渲染器等，这些渲染器协同工作，以实现音视频的同步播放。其中，硬件解码是通过硬件进行音视频的解码，主要由 GPU完成，以降低 CPU 的负荷和功耗。软件解码则是通过占用的 CPU 进行音视频的解码，因此 CPU 的负荷和功耗都会增加。（4）轨道选择器（TrackSelector）：用于选择要播放的媒体轨道，如视频轨道、音频轨道、字幕轨道等。它可以根据媒体源和设备能力选择合适的轨道。（5）播放控制器（ExoPlayer）：是整个播放器的核心模块，负责协调各个模块并提供控制播放器的接口，如播放控制、事件监听和错误处理等。3.3 数据采集数据采集模块负责数据信息的采集和上报，将 QUIC 终端应用系统中浏览器及播放器的运行数据、用户行为数据、网络情况等信息，通过 AIDL 接口传递给机顶盒中的数据采集模块，数据采集模块对采集到的数据信息进行拼接、转换、封装等操作，并定时上传给数据归集系统，以供汇总和分析使用。数据采集系统架构如图5所示。4 QUIC 终端应用系统的 应用和效果评价目前，QUIC 终端应用系统主要应用在歌华有线直播业务上。直播总体架构如图 6 所示，主要由直播源站系统、IPCDN 系统和 QUIC 终端应用系统等组成。其中，直播源站系统提供全频道 HLS 和 LL-HLS 格式的直播码流；IPCDN 系统提供 QUIC 的 IP 分发能力。4.1 技术效果评价首 先，使 用 基 于 QUIC 协 议 和TCP 协议的两个播放器，同时播放相同的视频，在网络良好、无丢包的情况下，两个播放器基本同步流畅、无卡顿和花屏。在视频服务器和两个播放器的网络之间，使用网络模拟工具增加丢包，通过对比发现，基于 QUIC协议的播放器在 20%丢包的情况下，仍可以较为流畅地播放视频，基本无卡顿。而基于 TCP 协议的播放器在6%8%丢包的情况下，就会出现明显的卡顿和花屏。并且，两个播放器在15%丢包的情况下，会出现 510s 的播放时间间隔。由此可见，在弱网环境下，QUIC 协议比 TCP 协议具有更好的传输性能。其次，在首帧的对比测试中，将每个数据包的延迟增加到 200ms，图 4 播放器系统架构图 3 播放器业务架构81歌华有线专栏广播电视网络 2023 年第 7 期 总第 403 期聚焦运营商图 6 直播总体架构图 5 数据采集系统架构两个播放器从同一帧开始播放。基于QUIC 协议的播放器首帧展示很快，而基于 TCP 协议的播放器画面明显滞后。最后，对 QUIC 终端应用系统进行性能测试，测试效果如表 1 所示。4.2 业务效果评价歌华有线通过终端探针方式可以收集并感知用户的收视质量，若探针汇报终端播放器缓冲区出现空的情况，则表示该用户收视出现了卡顿。对经常出现卡顿的用户进行专项抓包分析，发现出现卡顿时的主要诱因是接入网的随机丢包，一旦出现丢包，普通HTTP 分发的 HLS 和 LL-HLS 会重传并加剧网络负载，同时缩小 TCP 窗口，下载减速，恢复过程也需要一定时间。根据 QUIC 协议的工作原理，可以很好地改善此类情况。对100个试点用户进行对比分析，在使用普通HTTP分发进行IP直播时，统计一周数据，每天的平均卡顿总数为476 次。升级该 100 个试点用户的终端，切换为使用 QUIC 分发进行 IP 直播，统计一周数据，每天的平均卡顿总数为27 次，卡顿率降低了 94.3%。5 结语为了应对互联网时代的激烈市场竞争，中国广电积极推进“全国一网”和“广电 5G”的进程。面对 5G、全国互联、超高清内容以及全融合业务需求，QUIC 终端应用系统的设计与应用可以为广电用户提供更低的延迟、更可靠的数据传输和更高的安全性，提高服务质量，改善用户体验。未来，歌华有线将继续开发和升级 QUIC 终端应用系统并应用于回看、点播等业务，节省网络成本，缩短网络响应时间，提高网络整体利用率。RTN表 1 QUIC 终端应用系统性能测试效果序号测试模块测试功能点测试结果1启动时间冷启动1750ms2热启动400ms3响应速度内部请求响应时间320ms4设备状态变化到告警时间1.7s5CPU 占用率进入后台状态 CPU 占用率5%6基本操作时 CPU 占用率18%7业务繁忙时 CPU 占用率55%8耗电量进入后台状态正常9占用内存集成占用的内存120M10网络性能QUIC 连接建立时间56.3ms11QUIC 等待回应时间124.45ms12视频解码H.265/HEVC，4K60fps 解码支持13AVS2，4K60fps 解码支持14VP9，4K30fps 解码支持15H.264/AVC，4K60fps 解码支持16VP6/8，不低于 1080P60fps 解码支持17MPEG1，不低于 1080P60fps 解码支持18MPEG2，不低于 1080P60fps 解码支持19MPEG4，不低于 1080P60fps 解码支持20播放器启动播放时间1.4s21节目选时跳转时间750ms22播放节目时，不存在马赛克、明显跳动、停滞感现象正常23播放节目时，无唇音不同步现象正常24选时跳转时，图像帧显示清晰正常25暂停恢复到正常播放状态，无马赛克正常26音频或节目伴音正常播放正常27直播频道音量正常28初始音量值音量 1529切台时间320ms