疫情期间在线教育平台访问性能研究

　　新冠疫情发生以来，我国各行各业都在为打赢这场战"疫"群策群力，教育行业也用自己的方式发挥着作用。受疫情影响，全国各地各级院校陆续宣布延期开学，为确保学生学业不脱节，院校纷纷依托各类在线教育平台推出线上课程，实现"停课不停教、停课不停学"。

　　在线教育视频具有占用带宽资源多、实时性要求高的特点，其使用可能会受宽带接入速率、DNS解析服务、基础网络、网站信源等多个环节影响。对新冠疫情期间的在线教育平台网络视频开展测量分析，客观评价在线教育平台视频服务质量与问题，有助于推动资源配置优化，促进学生线上学习体验，提升我国疫情期间的复课复学效能。

　　本文依托中国信息通信研究院全球互联监测分析平台（以下简称信通院平台），选取具有代表性的在线教育平台，对全国31个省份的超过18万友好测试用户进行采样测试，采集有效样本量近50万条，并以此为基础对各教育平台的访问性能开展研究。本文首先简述了国内外视频质量测试的研究历程及此次测量的三类视频体验评价指标的含义，然后从不同平台、运营商、区域三个维度对测量数据进行统计分析，最后深入讨论和分析了宽带接入速率、基础网络、网站信源三个环节对中小学生观看在线课程体验的影响，并进行总结。

　　在线教育视频质量监测概述

　　疫情期间，中小学生在家中观看在线教育视频时对视频的质量体验与观看商业类网站视频（如腾讯视频、优酷视频）类似，会重点关注视频的等待时间、播放流畅度、视频清晰度、播放成功率等指标的体验感受，任一指标性能下降都会直接影响用户的体验。

　　在早期研究中，研究人员尝试通过合理配置网络QoS参数来提高用户观看视频体验，如国际电信联盟（ITU）在G.1010建议[1]中从用户角度建立了主流多媒体服务对QoS参数（时延、丢包率等）的容忍度模型。然而随着用户对视频服务质量要求的不断提高，视频质量评估重点从以网络为中心的QoS向以用户为中心的QoE演进。2008年，视频质量专家组（VQEG）首次制定了用户主观评测的详细计划，并完成了Multimedia PhaseI（多媒体第一阶段）报告[2]，但同时存在成本高、测试环境受限、无法实时评测等缺点。随后，Yanjiao Chen[3]等提出了基于目标QoS参数的客观质量模型来间接预测QoE的方法，并指出基于大数据驱动和数据挖掘技术的QoE模型将成为未来视频质量评估的发展方向。2016年，Hyunwoo Nam[4]等通过开发YouSlow视频检测插件，采集了全球100多个国家和地区超过四十万条YouTube测试样本，研究分析了首次缓冲时间、卡顿率、卡顿次数、视频比特率变化四类指标对视频观看体验的影响程度。

　　本文根据国际标准组织、机构研究成果及中国通信标准化协会（CCSA）对在线视频体验质量[5]的标准要求，基于大数据统计分析和数据挖掘技术，使用客观QoE的评价方法，选取并测试了首次缓冲时间、视频卡顿率、视频播放成功率三项指标（如图1所示），用于我国在线教育平台的视频服务质量评估。

图1 视频体验指标定义

　　1、首次缓冲时间

　　指从中小学生用户开始点播在线教育视频到视频开始播放的等待时延，单位为毫秒（ms）。根据CCSA标准要求，当首次缓冲时间大于5秒时，对应MOS得分<2，用户体验较差。

　　2、卡顿率

　　又称卡顿时间比，指中小学生用户在视频观看时间内，视频播放出现重新缓冲加载的等待缓冲总时延占观看时间的比例。根据CCSA标准要求，当卡顿率大于2%时，对应MOS得分<2，以一堂课40分钟计算，视频卡顿率2%意味着每堂课平均存在48秒卡顿，用户体验较差。

　　3、视频播放成功率

　　指中小学生用户在观看在线教育视频时，视频成功播放的次数与总点击访问次数的比值。

　　根据全国中小学生在线教育平台使用情况调研，本文选取了用户范围最广、最具代表性的四家全国性中小学在线教育平台，国家中小学网络平台、腾讯课堂、学而思网校、清北网校，基于友好测试用户的真实在线教育平台访问测试，开展端到端视频体验与多个环节联动分析。

　　在线教育平台视频体验监测分析

　　根据2020年4月获取的监测统计结果（如表1所示），四家在线教育平台的首次缓冲时间均优于商业视频网站，其中清北网校的首次缓冲时间性能最优，为465.25ms；卡顿率方面，四家平台的卡顿率低于十万分之二，均优于商业视频网站；视频播放成功率方面，腾讯课堂和清北网校的成功率优于商业视频网站。

表1 各在线教育平台视频质量统计结果

　　根据2020年4月运营商监测结果（如表2所示），我国三大运营商（中国电信、中国联通、中国移动）的宽带用户访问在线教育平台整体性能较为优秀，平均首次缓冲时间为538.34ms，平均卡顿率低于万分之一，平均视频播放成功率为92%。教育网、广电等其他运营商用户访问在线教育视频的首次缓冲时间和卡顿率略差于三大运营商，视频播放成功率优于三大运营商。

表2 各运营商在线教育视频体验情况

　　根据2020年4月不同区域的监测结果（如表3所示），中部的首次缓冲时间性能最优，为509.15ms；中部、西部的视频卡顿率性能最优，均低于十万分之一，略优于东部；西部的视频播放成功率性能最优，为94.83%。

表3 各区域在线教育视频体验情况

　　中小学生发起一次在线教育视频访问的全过程，通常由多个环节构成（如图2所示），包括宽带接入速率、DNS解析服务、基础网络、网站信源等，任何环节出现问题都可能影响观看网上课程的体验。

图2 在线教育视频访问关键环节

　　宽带接入速率：用户的宽带接入网络速率直接影响在线教育视频的体验效果。宽带接入速率主要受限于运营商配置带宽，同时家庭上网环境也会对接入速率产生影响，如网课终端性能（平板电脑、计算机等）、WiFi信号强弱、是否存在多机联网等[6]。

　　DNS解析服务：用户访问在线教育视频时，首先要通过DNS解析服务器对视频网站进行域名解析[7]，DNS解析性能通常采用DNS解析时延进行量化。据监测，用户在观看在线教育视频时99%的DNS解析时延低于200ms，可以满足用户使用需求。但如果DNS解析系统发生故障，则会严重影响互联网访问。

　　基础网络：从用户接入段到在线教育视频网站节点之间经过的运营商网络，通常访问节点越靠近用户，视频观看体验越好。三大运营商部署的CDN及缓存资源较为丰富，其网内用户观看在线教育视频时大部分直接访问到省内节点，但其他运营商用户会出现更多的跨网访问情况。

　　网站信源：网站信源是用户访问在线教育视频的目的点，主要包括网站服务器、CDN内容节点、运营商内容缓存镜像等。信源部署数量、不同信源节点服务差异都可能影响在线教育视频的观看效果。

　　由于正常情况下DNS解析服务可以满足中小学生观看在线教育视频的体验需求，本章将重点分析宽带接入速率、基础网络、网站信源对在线课程观看体验的影响。

　　1、宽带接入速率与在线教育视频体验相关性分析

　　为研究宽带接入速率对学生用户观看在线教育视频的影响，通过对比分析在线教育平台监测数据，建立了接入速率与首次缓冲时间、卡顿率、视频播放成功率的关系。需要说明的是，以下接入速率数据由家庭无线路由器测试所得，排除多机等家庭上网环境影响，反映了用户实际接入速率情况。

　　首次缓冲时间与接入速率关系如图3所示，从图中可以看出，首次缓冲时间与接入速率呈负相关性，即接入速率越大，首次缓冲时间越小，但当接入速率超过10Mbps后，首次缓冲时间不再出现特别显著的降低。

图3 首次缓冲时间与宽带接入速率关系

　　视频卡顿率与接入速率关系如图4所示，从图中可以看出，卡顿率与接入速率相关性不大，只有在接入速率极低（<2Mbps）时，个别样本卡顿率增大，但在其他接入速率下，也会出现卡顿情况。从整体测试情况看，除个别样本外四家在线教育平台卡顿率均低于万分之一，用户接入速率基本不会影响视频卡顿率。

图4 视频卡顿率与宽带接入速率关系

　　视频播放成功率与接入速率关系如图5所示，从图中可以看出，视频播放成功率与接入速率相关性不大，任何接入速率下都会出现视频播放不成功的情况，用户接入速率基本不影响视频播放成功率。

图5 视频播放成功率与宽带接入速率关系

　　综上，宽带接入速率仅影响用户观看在线教育视频的首次缓冲时间，也就是用户从请求视频到视频开始播放的等待时间，但当接入速率达到10Mbps以上，首次缓冲时间受接入速率的影响减弱。

　　2、基础网络与在线教育视频体验相关性分析

　　为提高网络信息的响应速度，降低源站负载压力，提升用户体验[8][9]，近年来CDN加速技术被广泛应用。本次测试的四家在线教育平台均使用了第三方云平台或CDN服务商的内容分发服务，服务商包括网宿、腾讯云、金山云、百度云等。此外，一些运营商也会将热点内容缓存到本地，实现用户就近访问。据监测，目前99%以上的用户请求可以同网就近访问，64.97%的访问直接在省内完成（如图6、表4所示）。

表4 各在线教育平台访问位置比例

图6 在线教育视频访问位置比例统计

　　根据访问信源节点的位置不同，从用户接入段到网站信源之间途径的基础网络也不同。为研究基础网络对学生用户观看在线教育视频的影响，通过对分析在线教育平台及网络监测数据，分"同网同省、同网跨省、跨网"三类访问位置，建立了基础网络与首次缓冲时间、卡顿率、视频播放成功率的关系。为排除宽带接入速率影响，在分析首次缓冲时间时仅计算接入速率大于10Mbps的测试样本。

　　从表5、图7可以看出，用户访问同网同省的信源节点时，首次缓冲时间、视频播放成功率性能明显较优，访问同网跨省节点时性能次之，访问跨网节点时性能相对较差。以上三种情况中，在线教育平台的卡顿率均低于万分之一，无明显变化。

表5 2020 年 4 月我国基础网络性能监测结果

图7 视频体验指标与访问位置关系

　　综上，大部分在线教育视频访问直接在省内完成，不必绕转运营商骨干网络，CDN及缓存技术的广泛使用进一步减弱了运营商骨干网对视频访问体验的影响。从测试情况看，访问的信源节点越靠近用户，视频观看体验越好，用户访问同网同省节点时，

　　首次缓冲时间、视频播放成功率性能出现显著提升。从各在线教育平台测试情况看，腾讯课堂的同网同省访问比例偏低，首次缓冲时间、视频播放成功率性能可能受到影响。

　　3、网站信源与在线教育视频体验相关性分析

　　为研究网站信源数量对学生用户观看在线教育视频的影响程度，通过对比分析在线教育平台监测数据，建立了分省信源数量与首次缓冲时间、卡顿率、视频播放成功率的关系。同样为排除接入速率影响，在分析首次缓冲时间时仅计算接入速率大于10Mbps的测试样本。

　　从图8(a)可以看出，首次缓冲时间与信源节点数量整体呈负相关，随信源数量增加，首次播放时延先快速下降，而后缓慢递减。当信源数量高于80后，首次播放时延不再出现显著降低。从图8(b)-(c)可以看出，卡顿率和视频播放成功率与信源数量相关性不大，随信源数量增加，卡顿率和视频播放成功率没有明显变化。

图8(a) 首次缓冲时间与信源数量关系

图8(b) 卡顿率与信源数量关系

图8(c) 视频播放成功率与信源数量关系

　　除信源数量外，用户访问不同信源节点的视频观看体验也不尽相同。为研究不同信源节点对学生用户观看在线教育视频的影响程度，通过对比分析在线教育平台监测数据，建立了各信源节点与首次缓冲时间、卡顿率、视频播放成功率的关系。为排除宽带接入速率和基础网络影响，只统计了同网同省访问数据，同时在分析首次缓冲时间时仅计算接入速率大于10Mbps的测试样本。

　　首次缓冲时间与网站信源关系如图9所示，从图中可以看出，同一在线教育平台不同信源节点的首次缓冲时间差距较大，最大达到秒级。

图9 各信源节点首次缓冲时间对比

　　卡顿率与网站信源关系如图10所示，从图中可以看出，仅学而思网校个别信源节点卡顿率略高，其余平台节点卡顿率均在万分之一以下，不同信源节点的卡顿率相差不大。

图10 各信源节点卡顿率对比

　　视频播放成功率方面，同一在线教育平台不同信源节点的视频播放成功率差距较大，国家中小学网络平台和学而思网校多个信源节点成功率偏低，个别节点成功率为0，无法为用户提供服务。

　　综上，网站信源数量仅影响用户观看在线教育视频的首次缓冲时间，当信源数量高于80后，首次缓冲时间受节点数量的影响减弱。此外，用户访问不同信源节点观看体验差异性明显，首次缓冲时间差距可达到秒级，个别节点无法提供服务。从各在线教育平台测试情况看，学而思网校不同信源节点的首次缓冲时间、视频播放成功率差异偏大，国家中小学网络平台不同信源节点的视频播放成功率差异偏大。

　　总体而言，根据信通院平台监测数据，四家在线教育平台的性能水平能够保证中小学生流畅观看在线课程，有效保障了学生疫情期间的正常学习，但个别平台也存在视频播放成功率偏低的问题。在线教育视频体验影响环节方面，本文分析了宽带接入速率、基础网络、网站信源三个环节对首次缓冲时间、卡顿率、视频播放成功率三类视频体验指标的影响。

　　为达到最佳的线上课程观看体验，宽带接入速率宜在10Mbps以上，同时应关注家庭上网环境影响，使用无线接入时避免多机联网；在线教育平台在选择CDN节点时不仅要关注节点数量，还应关注节点覆盖范围，建议腾讯课堂进一步拓展CDN覆盖范围，提升用户同网同省访问比例；第三方云平台或CDN服务商应优化节点调度策略，确保用户就近访问，同时应持续监测信源节点服务性能，做好负载均衡，当某一节点压力过大或出现故障时，及时将流量调度到备份节点，保障用户正常使用；运营商应持续优化基础网络性能，加大各类在线教育平台信源引入力度，为广大中小学生在线学习保驾护航。此外，研究中也观察到一些在线教育平台正在使用视频切片等技术，未来将进一步探讨此类技术对在线教育视频体验的影响。

　　参考文献

　　[1]ITURecommendation.End-usermultimediaQoScategories：G.1010[S]，2001.[2]VideoQualityExpertsGroup.MultimediaPhaseI[R].(2008-9-12)[2020-5-12].https：//www.its.bldrdoc.gov/vqeg/projects/multimediaphase-i/multimedia-phase-i.aspx.

　　[3]Y.Chen，K.WuandQ.Zhang，"FromQoStoQoE：ATutorialonVideoQualityAssessment，"inIEEECommunicationsSurveys&Tutorials，vol.17，no.2，pp.1126-1165，Secondquarter2015，doi：10.1109/COMST.2014.2363139.

　　[4]NamH，KimKH，SchulzrinneH.QoEmattersmorethanQoS：Whypeoplestopwatchingcatvideos[C]//IEEEINFOCOM2016-The35thAnnualIEEEInternationalConferenceonComputerCommunications.IEEE，2016：1-9.

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　　[6]谢玉琴，胡志涛，陈帆.家庭宽带业务质差投诉分析与路由器解决方案[J].电信技术，2019，000(002)：69-71.

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　　[8]刘国栋.广电网络中CDN技术分析与运用探讨[J].电视技术，2019，43(04)：18-21.

　　[9]陈健法.CDN技术的主要机制和关键技术研究[J].无线互联科技，2019，16(16)：147-148.

　　本文刊载于《中国教育网络》杂志2020年6月刊，作者为李原、王一雯、杨哲、张子飞，作者单位为中国信息通信研究院。责编：项阳。

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