ストリーミング・プラットフォームは、多様なデバイスやネットワーク条件下で数百万人の同時視聴者に対応するため、効率的なABR（アダプティブ・ビットレート）ストリーミングが不可欠です。このブログ記事では、実装の詳細とパフォーマンスの最適化に焦点を当てながら、クライアントサイドからサーバーサイドへのABR移行の技術的側面を探ります。
アダプティブ・ビットレート・ストリーミングの基礎
アダプティブ・ビットレート・ストリーミングは具体的にどのように機能するのか？ステップごとに見ていこう。まず、ビデオコンテンツを複数のビットレート（500kbps、1Mbps、2Mbpsなど）でエンコードして準備し、これらの異なるレンディションを保存する。
HLSのM3U8やDASHのMPDのようなマニフェスト・ファイルには、利用可能なさまざまなビットレート・ストリームに関する情報が含まれています。
ユーザーが再生を開始すると、クライアント・デバイスはマニフェスト・ファイルをダウンロードし、利用可能なビットレート・オプションを確認します。クライアントは初期ビットレートを選択しますが、通常は起動を速くするために低いビットレートから開始します。
ビデオの再生中、クライアントデバイスはネットワークの状態と内部のバッファレベルを継続的に監視します。ネットワーク帯域幅が制限された場合、クライアントはリ バッファリングを防ぐために低いビットレートのチャンクを要求します。逆に、帯域幅が改善されると、クライアントはビデオ画質を向上させるためにより高いビットレートのチャンクを要求します。このビットレートの切り替えは、更新されたビットレートレベルで新しいビデオセグメントを要求することで行われる。
従来のアダプティブ・ビットレート・ストリーミング（クライアントサイドABR）の課題
従来、ABRストリーミングはクライアント側で管理され、ビデオを再生するデバイスが最適なビットレートを決定していた。しかし、この方法にはいくつかの課題がある。第一に、クライアント・デバイスの処理能力は千差万別である。古い携帯電話では、ビデオ画質を常に調整するために必要なすべてのコンピューティングを、新品の最高級モデルほどスムーズに処理できないかもしれない。そのため、携帯電話で番組を視聴しているときに、ビデオの画質が変動することがある。
もう1つの問題は、インターネット接続が短時間でも変化することだ。デバイスは常にその変化に対応しなければならないため、画質が著しく低下したり、解像度が頻繁に切り替わったりして、かなり不快な視聴体験になる可能性がある。特に、インターネットが不安定な地域にお住まいの方は、バッファリングや画質の低下が多く見られるかもしれません。
また、遅延の問題もある。接続が変わったことにデバイスが気づくのが遅れると、ビットレートが十分に調整されず、ストールや突然の品質低下につながる可能性がある。
最後に、常に調整することと潜在的な非効率性は、必要以上にデータを使用することにつながる可能性がある。これは、限られたモバイルデータプランを利用しているユーザーにとっては、現実的な問題となり得る。
サーバーサイドABRがこれらの課題を解決する方法
これらの問題を解決するために、SSABRはクライアント側で適切なビットレートの選択を決定する代わりに、サーバー側で選択を行う。
サーバサイド・アダプティブ・ビットレート・ストリーミングがどのように機能するかを説明しよう。まず、クライアントはマニフェスト ファイルに対する HTTP GET リクエストを送信します。このリクエストには、クライアントのメタデータ（デバイスの種類、画面の解像度、サポートされているコーデックなど）が含まれます。次に、サーバーはリクエストヘッダからクライアントのメタデータを解析し、いくつかの分析を行います（現在のCDNの負荷、クライアントまでの地理的距離、類似クライアントの過去のパフォーマンスなど）。その後、サーバーはクライアントの能力と現在のネットワーク状況に合わせたカスタムマニフェストファイルを生成し、クライアントに適していると考えられるビットレートのみを含めます。次にサーバーは、利用可能な帯域幅（RTTとスループットから推定）、コンテンツの複雑さ（Iフレームサイズ、モーションベクトル）、およびクライアントのバッファレベル（リアルタイムフィードバックで報告）に基づいて、最適なビットレートを選択します。次に、サーバーは選択されたビットレートでエンコードされたビデオセグメントをクライアントデバイスに配信し、クライアントデバイスはそれをデコードして再生する。最後に、サーバーはネットワーク状況と視聴者デバイスの能力を継続的に監視する。再生中に状況が変化した場合（例えば、ネットワークの輻輳が発生した場合）、サーバーは動的にビットレートを調整し、バッファリングや画質の劣化のないスムーズな再生を保証することができる。
このサーバーサイドのアプローチには非常に多くの利点があります。クライアント・デバイスが自分で適切なビットレートを選択する代わりに、サーバーはネットワーク状況、ビデオ・コンテンツの複雑さ、デバイスの能力などを総合的に把握することができます。これらの情報があれば、サーバーはビットレートの増減について、より適切な判断を下すことができます。つまり、異なる品質レベル間の移行がよりスムーズになり、視聴者にとっては全体的により一貫したバッファのないストリーミング体験が可能になるのです。
また、ビットレートの選択プロセスをサーバーにオフロードすることで、クライアント端末の処理負担も軽減される。これは、リソースに制約のあるデバイスにとって特に有益で、パフォーマンスとバッテリー寿命を向上させます。
サーバー側アダプティブ・ビットレート・ストリーミングのもう一つの利点は、サーバーがリアルタイムでネットワーク状況を継続的に監視し、クライアント側のアルゴリズムよりも正確かつ迅速にビットレートを調整できることです。そのため、接続速度が低下しそうなことを検知すると、不調を感じる前に積極的にビットレートを下げることができます。また、接続速度が再び上がると、すぐにその品質を引き上げることができます。さらに、ビデオコンテンツがどのような瞬間にどの程度複雑かを分析することもできます。アクションの多い動きの激しいシーンは、より高いビットレートでより高品質に、落ち着いたシーンはより低いビットレートでも見劣りすることなくストリーミングできます。
最後に、サーバー側のアダプティブ・ビットレート・ストリーミングは、ストリーミング・プロバイダーにとって非常に費用対効果が高い。より効率的なビットレート管理は、全体的な帯域幅コストの削減を意味します。ストリーミング・プロバイダーは、過剰なデータ転送料を負担することなく高品質のビデオを配信でき、ユーザーはデータ超過を心配することなくお気に入りのコンテンツを楽しむことができます。
一言で言えば、より高品質なストリーム、よりスムーズな再生、より優れたデバイス性能、そしてコスト削減が、サーバー側のアダプティブ・ビットレート・ストリーミングを検討し始める大きな理由です。
パフォーマンスの最適化
サーバーサイドABRの利点を最大化するために、実装を検討すべきパフォーマンス最適化がいくつかある。一つ目はエッジコンピューティングです。ABRロジックをエッジサーバーに導入することで、データの移動距離を大幅に短縮し、動画再生時の遅延を最小限に抑えることができます。エンドユーザーとの距離が近いため、バッファリングやタイムラグが少なく、スムーズなストリーミングが可能になるだけでなく、ビットレートの調整も迅速に行えます。さらに、中央サーバーへの負担を軽減することで、スケーラビリティとネットワーク全体の効率性が向上し、より高いトラフィック負荷に容易に対応できるようになります。
もう1つの重要なパフォーマンス最適化には、効果的なキャッシュ戦略の実装が含まれます。さまざまなビットレートで人気のある動画セグメントをインテリジェントにキャッシュすることで、サーバーの負荷を大幅に軽減し、ストリーミングのパフォーマンスを向上させることができます。これを実現するには、さまざまなセグメントの人気を効率的に追跡・予測するブルーム・フィルターなどの確率的データ構造を利用します。これにより、システムは頻繁にアクセスされるコンテンツをより迅速に保存・提供できるようになり、エンドユーザーの待ち時間を短縮し、オリジン・サーバーからデータを繰り返しフェッチする必要性を最小限に抑えることができる。さらに、このアプローチは帯域幅の使用を最適化するのに役立ち、よりスケーラブルで効率的なストリーミング・アーキテクチャにつながる。
ストリーミング体験のベンチマークとMonitoring
サーバーサイドのアダプティブ・ビットレート配信に移行した後は、ユーザー・エクスペリエンスとシステム効率の両方を測定する重要業績評価指標（KPI）を通じて、改善を定量化したいと思うでしょう。重要な主要業績評価指標がいくつかあります。
1つ目は起動時間で、ユーザーが再生要求をしてから最初のフレームがレンダリングされるまでの時間を測定します。長い遅延はユーザーの不満や離脱の増加につながるため、シームレスな体験には起動時間の短縮が不可欠です。もう1つの重要なKPIはリバッファー率で、リバッファー時間の合計を再生時間の合計で割り、100を乗じて算出します。この比率は、再生中に動画がバッファリングに費やす時間の割合を反映し、これを最小化することで中断のない視聴を保証します。ビットレート切り替え頻度は、1 分あたりの品質切り替え回数を追跡するもので、これも有用な指標です。過度のビットレート切り替えはユーザー体験を混乱させる可能性があるため、パフォーマンスと安定性のバランスを取ることが不可欠です。平均ビットレートは、セッションにわたって配信される平均ビットレートを測定し、ユーザーが体験する全体的なビデオ品質についての洞察を提供します。一般に、ビットレートが高いほど品質は高くなりますが、バッファリングを防ぐために、利用可能な帯域幅に合わせる必要があります。最後に、VMAFスコア（Video Multi-Method Assessment Fusion）は、配信された映像品質がABRアルゴリズムによって決定されたビットレートと一致していることを確認する知覚品質メトリクスです。VMAFスコアが高ければ、ビットレートに対する映像品質が良好であることを示し、高品質の視聴体験を保証します。
起動時間、リバッファ率、ビットレート切り替え頻度、平均ビットレート、VMAFスコアはすべて、ABRアルゴリズムを微調整し、ユーザー満足度を最適化するために使用できるKPIです。
結論
サーバーサイド・アダプティブ・ビットレート・ストリーミングは、従来のクライアントサイドABRの制限の多くに対処し、より効率的で一貫性のあるストリーミング体験を提供します。意思決定プロセスを一元化することで、サーバーサイドABRはパフォーマンスを向上させ、品質管理を強化し、データ使用量を最適化します。
このブログ記事では、クライアントサイドのABRの課題とサーバーサイドソリューションの魅力的な利点を探りました。もしあなたがストリーミング会社の開発者で、アダプティブ・ビットレート・ストリーミング・ソリューションの最適化についてもっと学びたいのであれば、このリンクからLinodeクレジットを最大5,000ドルまで受け取ることができます。
コメント