经典ABR算法介绍：BBA (SIGCOMM ‘14) 设计与代码实现

前言

BBA（buffer-based algorithm）是DASH点播视频中最经典的ABR算法之一，也是基于缓冲区的（Buffer-based）ABR算法的代表作。BBA在稳定阶段仅基于播放器缓冲区水平来进行视频块的码率选择。本文基于BBA原论文和复现代码来介绍BBA的算法设计和实现逻辑。

BBA论文：A Buffer-Based Approach to Rate Adaptation: Evidence from a Large Video Streaming Service - SIGCOMM '14
BBA Python代码实现（来自Pensieve, SIGCOMM’ 17）：https://github.com/hongzimao/pensieve/blob/master/test/bb.py

一些值得注意的点：

• BBA的motivation来自于其团队之前的测量工作：当多个播放器竞争瓶颈链路时，ABR算法难以在应用层准确预测吞吐量。因此，BBA考虑仅基于播放器的缓冲区水平进行码率决策，不必依赖于吞吐量预测。
• 在BBA之前，已有同时利用吞吐量预测和缓冲区信息的方法（之后的集大成者则为MPC, SIGCOMM '15），但BBA是第一个仅基于缓冲区进行决策的方法。
• 实际上，BBA仅在视频流的稳定（steady-state）阶段才只使用缓冲区信息。这是因为启动（startup）阶段的缓冲区水平太低，还是需要依赖于吞吐量信息进行码率决策。类似地，同为Buffer-based类算法的BOLA和DYNAMIC也在起始阶段利用了视频块的吞吐量信息作为决策依据。
• BBA有多个不同的变体：BBA-0（基础版本）、BBA-1（针对VBR视频）、BBA-2（针对启动阶段）。大部分后续工作进行复现和评估时，仅使用的是其基础版本BBA-0。
• 尽管BBA-0非常简单，但其在真实场景中的码率和卡顿表现非常好（见Puffer的结果），甚至超越了后续的更为复杂的算法，比如MPC、Pensieve等。但BBA-0的问题在于其可能会导致非常频繁的码率切换。

BBA的不同变体

BBA分为三个不同的变体：（在之后的ABR研究工作中，主要对比的是BBA-0）

• BBA-0：基础BBA算法，假设视频为CBR（constant bit-rate），通过确定reservoir和cushion（见下文），建立buffer与码率之间的线性映射关系
• BBA-1：针对VBR（variable bit-rate）视频，将码率映射替换为视频块大小映射，即确定最小/最大视频块对应的buffer级别，建立线性决策函数，根据buffer水平和视频块大小决定所选码率（可能会导致频繁的码率切换）
• BBA-2：针对启动阶段，其思想类似于CC的慢启动，基于上一视频块的吞吐量进行判断
  • BBA-2的码率选择：假设VBR视频块最高码率是该质量平均码率的2倍（e=2）
    • 视频块启动时，仅当视频块的下载速度是其播放速度的8倍以上（下载时间是视频块时长的1/8，即吞吐量是视频块码率的8倍以上），BBA-2才会提高码率级别
    • 当buffer填满cushion后，仅当视频块的下载速度是其播放速度的2倍以上，BBA-2才会提高码率级别
    • 该速率比值的阈值随buffer增长线性下降
  • BBA-2退出条件：满足以下二者之一时，退出启动阶段，切换至BBA-1
    • buffer开始下降
    • BBA-1所选码率高于BBA-2所选码率

除此之外，论文中也描述了BBA-Others来缓解Buffer-Based的码率切换问题（类似于BOLA-O的作用）。
BBA-Others针对码率切换，向前看若干个视频块的大小变化，减少高码率请求以避免频繁的码率切换。具体而言：

• 若同一码率级别下一个小视频块后面跟随着若干个大视频块，BBA-1会为该小视频块选择较高的码率，但BBA-Others则不会请求更高的码率
• 向前看的视频块数量等同于buffer中的视频块数量

可以将BBA-Others看作是介于BBA-0与BBA-1之间的版本，若其不向前看，则为BBA-1；无限向前看，则为BBA-0。

BBA-0核心思想

算法设计

BBA-0的核心算法非常简单，可以看作是一个从缓冲区水平到码率级别的线性映射函数，如下图所示：

BBA-0设置了reservoir和cushion两个参数作为缓冲区水平的阈值，其决策逻辑为：

• 当缓冲区水平低于reservoir时，表明当前容易发生卡顿，则BBA-0选择最低码率级别（即图中的$R_{min}$）
• 当缓冲区水平高于reservoir+cushion时，表明当前缓冲区足以避免卡顿发生，则BBA-0选择最高码率级别（即$R_{max}$）
• 若缓冲区水平在这两个阈值之间，则BBA通过线性函数$f(B)$确定缓冲区水平对应的码率级别

*之后的Buffer-based算法BOLA改进了BBA的线性决策函数，将其通过李雅普诺夫优化替换为了阶梯状的分段决策函数，详见：BOLA (INFOCOM ’16) 论文阅读笔记。

代码实现

在Pensieve的BBA复现代码中，可以看出BBA-0的核心逻辑非常简单，一共不到10行代码：

if buffer_size < RESEVOIR:
    bit_rate = 0
elif buffer_size >= RESEVOIR + CUSHION:
    bit_rate = A_DIM - 1
else:
    bit_rate = (A_DIM - 1) * (buffer_size - RESEVOIR) / float(CUSHION)

bit_rate = int(bit_rate)

其中，buffer_size为当前缓冲区水平（单位为秒），A_DIM为总共的码率基本数量，RESEVOIR和CUSHION对应BBA论文中的两个参数，分别设置为5s和10s（与MPC的实验设置相同）。需要注意的是，CUSHION这个参数最好不要设置得太小，否则可能会引发频繁的码率切换，BOLA论文中提到过这一点。
也就是说，若缓冲区低于5s，BBA-0选择最低码率；若缓冲区高于15s，BBA-0选择最高码率；若缓冲区在二者之间，则按照线性函数计算对应的码率级别（取整）。