剖析短视频分发过程中的用户体验优化技术点

深圳云栖大会已经圆满落幕，在3月29日飞天技术汇-弹性计算、网络和CDN专场中，阿里云CDN高级技术专家周哲为我们带来了《海量短视频极速分发》的主题分享，带领我们从视频内容采集、上传、存储和分发的角度介绍整体方案，并且重点讲解短视频加速的注意事项和用户体验优化要点。

讲解从三个部分展开：短视频应用场景，阿里云短视频解决方案，阿里云对短视频用户体验优化的相关优化。

短视频应用场景


短视频比图片和文字包含更多的信息，在移动互联网普及的今天，短视频应用场景非常广泛。
一、    社群分享场景
用户可以录制视频，进行特效编辑处理，上传到服务器，通过社区的方式分享给好友。
二、 电商场景
商家可以快速拍摄、制作商品的短片，把商品的介绍视频发给消费者，这样可以提高购买转化率。
二、    IM聊天场景
在交流过程中，通过随拍随传的短视频，用户可以更生动的表达观点，更真实的传递情感
三、    新媒体场景
区别于传统、单一的图文展示形态，短视频可以快速收集及发布新闻，一键呈现世界
四、    体育赛事场景
集成短视频SDK后，用户可以在现场实时拍摄和剪辑，生成具有传播价值的短视频，通过分享来全网同步赛事  

阿里云针对短视频的业务场景，提供了一整套技术解决方案。在主播端，提供了视频上传SDK和短视频SDK，在观众端提供视频播放SDK，在服务器端提供点播服务、OSS存储和CDN加速。

对于开发者来说，短视频解决方案的使用流程是这样的：首先主播端使用短视频SDK对用户的视频进行录制、特效处理和剪辑，然后将视频通过上传SDK上传到服务器端，在服务器端先通过点播服务进行转码以及视频处理，然后把处理好的视频存储到OSS上，做持久化保存。在播放端集成播放器SDK，播放器会向CDN请求资源，CDN如果有缓存会把缓存的数据发给客户端。如果CDN缓存没有数据会去OSS中拉取数据，在返回给客户端，并把数据缓存到CDN上。开发者使用这些技术组件，可以快速的开发短视频业务。



下面，我们逐一介绍解决方案的能力与特点。

解决方案中的视频SDK，包括短视频、上传和播放三个。短视频SDK包含人脸贴图、高级美颜的功能，在用户录制视频之后先进行本地美颜再进行上传，同时也提供专业滤镜、MV特效和裁剪压缩、添加音乐的功能，使视频剪辑大众化；上传SDK通过快速通道可以把视频传输到服务器端，支持断点续传、后台上传、多文件管理等功能；播放器SDK支持Android、IOS、flash、H5等多个平台、加密播放和安全下载等。

点播和存储服务，点播服务提供视频管理相关的功能，比如视频转码，窄带高清可以在相同的用户观感体验下，节约30%的带宽；云剪辑功能可以在线对视频进行编辑处理；同时点播服务提供丰富的数据统计，开发者利用阿里云提供的API访问实时数据。

同时，阿里云也在视频领域开放了AI技术，包括内容审核，降低违规风险；智能封面，对视频结构化处理和算法选取最优视频帧作为视频封面；标签预测，通过AI来识别视频中文字、图像、人物等信息，自动生成视频标签等。
基于短视频业务产生的海量数据，阿里云也提供了高可靠、强安全、低成本的存储服务。



为了应对短视频大规模的业务需求，阿里云CDN建设了大量的基础设施。
首先，阿里云CDN拥有全球1200多个节点，分布在全球各个国家和地区，贴近用户部署，使用户更快速的访问视频内容，使视频体验更好。同时，为了面对业务的突发流量，阿里云提供了超过80TB的带宽储备，为持续增长的业务保驾护航。并且，单节点缓存容量超过1PB，通过提供更大的缓存空间，来提升用户访问速度。


介绍完了解决方案之后，周哲老师又为大家介绍了阿里云在短视频领域的一些优化技术。

短视频用户体验的关键指标有首屏时间、播放卡顿和播放错误。

首屏时间是指在视频稳定播放期间，从用户点击播放到视频开始播放之间的时间差。首屏时间越长，会导致用户提前结束播放。
播放卡顿是指在播放过程中的不流畅情况，会严重影响用户体验。
播放错误是指用户播放视频时没有成功播放，或出现异常导致提前中断。


用户体验优化剖析

为了解决这些问题，我们对整个架构进行剖析。
首先，终端用户使用阿里云提供的视频SDK来请求调度服务器，调度服务器返回对应的节点IP，然后播放器通过CDN的节点IP来请求资源，CDN的边缘节点如果有缓存的话可以从本地发给播放器，如果没有缓存就去二级节点进行访问，二级节点没有缓存会去OSS或者用户源站拉取数据。



阿里云CDN有一级节点、二级节点的缓存，二级节点的作用是：
第一，做资源收敛，避免相同请求同时回源，减少源站压力
第二，离边缘节点接近，在边缘节点没命中的时候，能够更快的从二级节点获取到数据
第三，提供更大的存储空间，提高命中。

同时，阿里云对于整个播放过程，进行一些用户体验相关的数据打点，通过这些数据来进行分析，得到了一些优化点。

第一就是播放器，播放器是否优化决定了终端用户的观看质量。首先，我们对播放器SDK做了相关优化，比如，通过减少首次缓冲时间，可以设置在受到视频第一个P帧就开始解码播放；提供动态缓存大小，当出现网络抖动的时候，可以动态增加缓存大小，对数据进行预加载，通过这种方式来降低卡顿率；针对播放错误，播放器SDK实现了网络重试机制，来提供播放成功率。

第二个优化是针对调度系统，用户在访问边缘节点的时候，访问调度服务器，调度服务器返回的IP地址是不是最优的网络链路，这个很大程度上影响用户对于视频的下载速度。阿里云自研了智能调度系统，可以选择用户到边缘节点的最优链路，来反馈给客户端。

第三是阿里云提供非常多的网络节点覆盖，让边缘节点距离用户更近，来提升用户访问速度。

第四个优化点是在用户向CDN服务器获取数据时，当出现网络抖动的时候，会有下载速度降低情况产生，阿里云CDN针对TCP协议栈进行优化，通过更高效的协议栈算法来提升下载速度。

第五个优化点是开发者可以使用阿里云提供的窄带高清功能，来降低播放视频的带宽。

第六是用户在访问边缘节点的时候，如果请求在边缘节点MISS会直接回源，应时间变慢，而如果边缘节点命中，用户的下载的速度就和边缘节点缓存服务器的性能具有强关联性了，阿里云针对缓存服务器的性能做了很多优化，通过加大边缘服务器的空间和智能优化，来提升访问速率。

第七，阿里云也支持全链路监控，来提早发现问题，针对性优化，确保稳定服务

智能调度系统优化


这里详细介绍一下智能调度的优化，针对调度系统，阿里云做了五个方面的优化：


第一个是精准的IP数据库会持续更新，基于第三方IP库数据、whois平台和淘宝手机用户在访问数据时的一些经纬度信息，会对IP库进行主动探测，基于这些维度的数据，进行计算和生成。IP库数据的准确性会对调度系统提供数据支撑。

第二个是提供HTTPDNS服务，用户通过localdns请求调度服务器，会遇到第一个问题是：localdns和用户ip位置有不匹配问题，会出现基于localdns调度时，调度系统看到的客户端ip和用户真实ip不一致，导致调度不准确；第二个问题是：用户查询dns服务器时，在查询过程中会出现dns结果被串改的情况。通过httpdns服务，可以解决由于localdns和ip地址不匹配问题，同时也可以做到dns结果防串改，使调度更精准。播放器基于httpdns对dns查询做预加载，并对结果做缓存，减少dns查询查询带来的首屏时间慢。

第三点是基于用户体验的自动化调度，会基于用户的客户端IP以及用户到每个节点的网络情况、当前各个节点的状态，来进行计算，通过一些机器学习的方式，来预测用户到哪个节点的网络链路为最优。这样就确保给用户IP地址返回最优的网络链路。

第四个是大数据分析，选择最优节点。通过当前节点覆盖情况和用户访问流量趋势，进行数据预测，去选择在哪里建点，并且去计算这些节点覆盖哪些用户的网络质量是最优的，为调度系统提供数据支撑。

最后一点是基于内容调度，通过302做内容粒度的调度，把相同URL调度到同一台机器上，提高命中率。


缓存性能优化


阿里云CDN针对缓存系统也做了很多优化。


通过自研的缓存系统，开发基于裸盘的缓存系统。使用内存、SSD、SATA三级缓存架构，把最热的资源存储到内存中，次热的资源存储在SSD中，冷的资源存储在SATA中，并且通过热点迁移的方式，把SATA中热的资源迁移到内存和SSD中，再通过淘汰算法，把内存和SSD中的冷的资源淘汰到SATA    盘中。通过这种方式，提供内存和SSD的命中率，降低SATA盘的IO读写情况，来存储更多的冷资源，提高边缘节点利用率。同时，自研的文件系统对IO操作做了很多优化，比如说合并IP对齐写入功能，避免内存碎片和磁盘碎片带来的IO性能严重下降。对大文件进行切片存储，分片存储到不同磁盘中，避免因单个视频文件过热导致磁盘性能下降。


通过以上的优化措施，缓存的平均命中率在95%以上，首字节时间低于10ms。

基于用户体验的TCP协议栈优化

第一个优化点是基于时间序的丢包发现机制，主要是在TCP协议栈里去分析TCP发包的时间序列，然后能够识别出哪些包丢掉了，快速发现丢包和快速重传。
第二个优化点是主动丢包发现机制，是指我们在发现包的时候去主动探测，避免通过超时来发现丢包，减少丢包发现的时间，提高进行重传
第三个是自适应的初始化窗口，针对不同业务场景使用不同初始化窗口大小。
第四个是更激进的拥塞避免算法，针对网络不好的情况，在协议栈中识别状态，使用更激进的发包策略，解决下载速度慢的问题。
第五个优化点是使用更小的链接超时时间，来更早的发现丢包。

基于以上的优化，我们使用第三方检测平台，对某短视频业务1.2M文件，和其他CDN厂商做性能对比测试，相同文件大小从内容下载时间上看，使用阿里云CDN有2%-6%的性能提升。其余数据也表现优异。




欢迎大家来使用阿里云点播服务、CDN和OSS存储，来搭建短视频应用。