把视频纠错搬进网卡: 让低时延视频服务更流畅

研究团队

公倩昀, 文静静, 许佳培, 苑新婧, 蒲凌君：南开大学计算机学院

师建新：南开大学密码与网络空间安全学院

樊小毅, 张聪：深圳北理莫斯科大学

引用本文

Gong Q Y, Shi J X, Fan X Y, et al. SmartFEC: adaptive SmartNIC-enabled forward error correction for low-latency video services. Sci China Inf Sci, 2026, 69(9): 190306, https://doi.org/10.1007/s11432-025-5014-9

研究意义

直播、视频会议、云游戏等低时延视频服务已经成为日常通信和娱乐的重要形式。这类应用不仅要求画面清晰，还要求交互过程足够流畅。例如，云游戏需要快速响应用户操作，视频会议需要尽量减少语音和画面的等待时间。然而，在5G、Wi-Fi等移动网络中，瞬时拥塞和突发丢包仍然较为常见，容易造成视频卡顿、画面质量下降甚至解码失败。

现有低时延视频系统通常依赖前向纠错技术来抵抗丢包。前向纠错会在原始视频包之外加入一定数量的冗余包，使接收端即使丢失部分数据也能恢复视频内容。该方法能够减少重传等待，但也带来了新的问题：前向纠错编码会消耗服务器CPU资源，并引入额外处理时延。当用户数量增加或视频分辨率提高时，服务器负载会快速上升，进而影响视频服务质量。

智能网卡是一类具备可编程能力及硬件卸载能力的新型网络设备。它不仅能够处理高速数据包，还能提供更靠近网络设备侧的队列状态和流量信息。因此，智能网卡为低时延视频系统提供了新的设计空间：将部分视频传输和纠错功能从主机CPU下沉到网卡侧执行，从而降低服务器负载，并利用更实时的网络状态进行自适应控制。

本文工作

针对低时延视频服务中的丢包恢复、服务器计算开销和端到端时延问题，本文提出了SmartFEC，一个基于智能网卡的自适应前向纠错框架。SmartFEC将冗余编码、带宽预测和冗余控制等关键功能部署到智能网卡侧，使视频系统能够在靠近数据包输入输出的位置完成实时处理。

SmartFEC 主要包括三个部分。第一，本文重新设计了智能网卡上的数据包处理流水线。该流水线结合DMA零拷贝传输、多线程异步调度和网卡侧FEC编码，使视频包可以在智能网卡中高效完成解析、编码和转发。第二，本文设计了轻量化带宽预测模型BWformer。该模型融合智能网卡队列状态和应用层反馈信息，用于更准确地预测网络带宽，并通过结构化剪枝降低模型在智能网卡上的推理开销。第三，本文提出了约束感知的自适应冗余控制模块CARC。该模块能够根据网络状态、编码开销和恢复能力，动态选择FEC算法、编码分组大小和冗余比例，从而在视频质量、时延、带宽和计算资源之间进行平衡。

本文的创新点如下：

(1) 提出了面向低时延视频服务的智能网卡FEC框架，将冗余控制和FEC编码直接部署到网络设备侧，降低主机CPU负载和跨层处理时延。

(2) 设计了适配智能网卡的数据包处理流水线，结合DMA零拷贝、多线程异步调度、协议解析和网卡侧FEC编码，提高低时延视频数据包处理效率。

(3) 提出了轻量化带宽预测模型BWformer，融合智能网卡队列状态与应用层RTCP 反馈，并采用非对称损失和两阶段结构化剪枝，以适配智能网卡有限计算资源。

(4) 提出了约束感知的自适应冗余控制模块CARC，可联合配置FEC算法、编码分组大小和冗余比例，在带宽、时延和计算资源约束下提升视频传输质量。

实验结果

本文在NVIDIA BlueField-2智能网卡上实现了SmartFEC原型系统，并基于 WebRTC构建低时延视频传输实验平台。同时，实验使用P4可编程Tofino交换机构建可控网络环境，用于模拟动态带宽变化、丢包和抖动等真实网络现象。

实验结果表明，与现有先进方法相比，SmartFEC在多个关键指标上均取得明显提升。总体而言，SmartFEC将丢包率降低23.68%，将99分位端到端时延降低 29.3%，并将PSNR提高8.9%。视频质量方面，SmartFEC在不同网络场景下保持了更稳定的PSNR和SSIM，说明其能够在低时延视频传输中同时兼顾流畅性、可靠性和画面质量。

综上，SmartFEC展示了智能网卡在低时延视频服务中的应用潜力。通过将纠错编码和自适应控制下沉到网络设备侧，SmartFEC为直播、视频会议、云游戏等实时交互应用提供了一种更高效、更稳定的视频传输方案。