BRPI0621480A2 - programação centralizada para rede de fornecimento de conteúdo - Google Patents
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Abstract
PROGRAMAçãO CENTRALIZADA PARA REDE DE FORNECIMENTO DE CONTEúDO. Descreve-se um método para desempenho de programação centralizada de fornecimento de conteúdo incluindo desempenho para controle de admissão, localização de um servidor, que seja uma fonte de conteúdo, determinação de uma programação para fornecimento de conteúdo e re-ordenamento da programação de fornecimento de conteúdo para uma rede de fornecimento de conteúdo (CDN). Descreve-se ainda um método para desempenho do controle de admissão incluindo o re-ordenamento de uma fila de solicitações com ) base em solicitações compromissadas atendidas parcialmente por conteúdo e solicitações recém chegadas por conteúdo e determinando se a nova solicitação recém chegada por conteúdo pode ser admitida junto à fila de solicitações.
Description
"PROGRAMAÇÃO CENTRALIZADA PARA REDE DE FORNECIMENTO DE CON- TEÚDO"
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a uma rede de fornecimento de conteúdo (CDN) pro- porcionando serviços de descargas atrasados. Mais particularmente, a presente invenção volta-se a uma programação centralizada para uma rede de fornecimento de conteúdo.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
O estado anterior da técnica descreve um algoritmo de programação para um ser- vidor de conteúdo simples e um servidor cachê simples para serviços de descargas atrasa- dos. A tecnologia de rede de fornecimento de conteúdo (CDN) é utilizada tipicamente como um serviço de entrega do conteúdo solicitado podendo ser deixado para depois, com pos- tergação no prazo de tempo solicitado. O serviço de aluguel de filmes digitais pode ser um tipo de serviço típico.
A tecnologia CDN inclui dois componentes chaves: (1) alocação da fonte de distri- buição de conteúdo para servidores de ponta e (2) re-direcionamento de uma solicitação (solicitação-programação) para distribuição do conteúdo a partir de um servidor de ponta para um cliente. Nas redes de trabalho CDN convencionais, a solicitação-programação é feita junto a um servidor de ponta somente caso o conteúdo esteja disponível para um servi- dor de ponta.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção descreve um elemento de programação centralizada para uma rede de fornecimento de conteúdo com servidores de ponta/cachê para se chegar a um (1) balanceamento da carga em trânsito através da seleção dos trajetos de distribuição e (2) amenizar a carga em trânsito através da seleção das programações de distribuição em um controlador centralizado.
No CDN da presente invenção, a solicitação-programação pode ser feita para um servidor de ponta mesmo caso o conteúdo não esteja ainda disponível para um servidor de ponta. A habilidade de se selecionar um trajeto de servidores, que possam fornecer o conte- údo solicitado para o cliente é a função da solicitação-programação para o CDN da presente invenção. Ou seja, o elemento de programação centralizada do CDN da presente invenção identifica um trajeto no CDN1 através de onde o conteúdo solicitado será distribuído via uma programação da solicitação utilizando-se um elemento de programação centralizada da pre- sente invenção.
Um método para desempenhar a programação centralizada de fornecimento de conteúdo é descrito incluindo-se o desempenho do controle de admissão, localização de um servidor que seja a origem do conteúdo, determinação de uma programação para a entrega do conteúdo e re-ordenação da programação de fornecimento do conteúdo. Ainda descreve- se um método para executar-se o controle de admissão incluindo o re-ordenamento de uma fila de solicitações com base em solicitações compromissadas e atendidas parcialmente por conteúdos e solicitações recém chegadas por conteúdo e determinando se o pedido recém chegado por conteúdo pode ser admitido junto à fila de pedidos.
A presente invenção define o problema de programação de um sistema CDN com serviços de descargas atrasados e propõe um método heurístico para a solução do proble- ma de solicitação-programação utilizando (1) ordenação por taxa normalizada e (2) seleção de trajeto por seqüências.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 representa um diagrama esquemático de uma rede com entrega de con- teúdo ilustrando o problema resolvido pela presente invenção.
A Figura 2 representa um fluxograma detalhando o método de fornecimento mais oportuno à taxa normalizada (NRED) da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS
O método da presente invenção para otimização da admissão e estabelecimento de uma programação de fornecimento é baseado em uma abordagem centralizada. O CDN da presente invenção suporta serviços de descarga atrasados que podem ser generalizados como o problema descrito na Figura 1, que compreende de um diagrama esquemático de uma rede de fornecimento de conteúdo ilustrando o problema resolvido pela presente inven- ção.
A Figura 1 apresenta a internet carregada por um CDN junto a um servidor de con- teúdo, uma pluralidade de clientes Uil e uma pluralidade de servidores de ponta dos quais é recebido um conteúdo através dos usuários e ou clientes. O servidor com conteúdo recebe uma solicitação para programação do conteúdo (solicitação-programação R (t0)) para um cliente via um servidor de ponta em algum tempo à frente. O servidor de ponta pode não ter ainda disponível o conteúdo solicitado. O elemento de programação centralizada (residente no servidor de conteúdo) deve descobrir/determinar um conjunto de programações S(t0), de modo que o conteúdo solicitado esteje disponível para o cliente que tenha solicitado o con- teúdo no tempo ou após o tempo solicitado para entrega. O elemento de programação cen- tralizada deve levar em consideração outras solicitações pendentes por conteúdo, bem co- mo a situação de conexão B((rii,nJ,t) e a capacidade de conexão b((nj,nj),t) e a situação de cachê Cj(t) e a capacidade de cachê c,(t).
Os parâmetros utilizados na execução da programação centralizada de acordo com a presente invenção são como se segue:
N = {nj, j=0,...,J} - conjunto de nodos da rede, incluindo um servidor de conteúdo (j=0), os servidores de ponta I (J=1,...,l), e os clientes U (J=I+1,...,I+U=J).
Para cada nodo, ocorre um cachê correspondente. Ci(t) - sendo a capacidade de cachê, c„ caso o tamanho do cachê seja fixado.
Ci(t) - sendo o conjunto da situação de cachês no tempo t, com lista de conteúdos de cachês realizados.
L = {(ni,nj), ni_-nj ε N} - sendo o conjunto de conexão de rede, onde (ni,nj) é a cone- xão a partir do nodo ?, ao nodo Djl sendo que a capacidade de conexão pode ser variante com o tempo.
b((nj,nk),t) - sendo a capacidade de conexão, b(ni,nj), caso a capacidade de cone- xão seja uma constante.
B((nj,nk),t) - sendo a situação de conexão de (ni,nj) no tempo t, - com lista de conte- údos transmitidos.
A rede CN é definida como [ N, { cj(t)}, {b((nj,nk),t)}] compreendida por um conjunto de nodos com cachês e conexões.
R(t0)= {rq, q=1,...,Q }_~ sendo o conjunto de solicitações, representando todas as
solicitações feitas pelos clientes junto ao servidor de conteúdo ao tempo t = t0.
rq= (mq, dq, uq) - sendo uma solicitação representada pelo conteúdo ID, dado o tem- po e solicitação da ID do cliente.
mq= sendo a ID do conteúdo (identificação) com um tamanho de conteúdo \mq\ e uma taxa de alinhamento em tempo real, || mq ||.
dq -- sendo o prazo de tempo para a solicitação rq
uq -- sendo a ID do cliente para o cliente que tenha feito a solicitação, a partir de onde a localização geográfica possa ser identificada.
S(t0) = { Sq(DhDj), para todo (DilDj) e Lj - - sendo o conjunto de programação para o conjunto de solicitações R(t0),
Sq(ni,nj) -- sendo o tempo de programação (inicial) para a solicitação rq ser trans- portada na conexão (ni,nj) para a taxa de alinhamento \\mq\\ .
O problema de otimização a ser resolvido pela presente invenção é que a partir de um dado conjunto de solicitações, um conjunto de programação deve ser determinado. A qualquer oportunidade em que se chega uma nova solicitação, o conjunto de programação deve ser determinado para se obter a distribuição mais rápida do conteúdo solicitado. O pro- blema pode ser definido como se segue:
Dada uma rede [ N, {cj(t)},{b((nj,nk),t)}], um conjunto de solicitações R(t0), e a condi- ção inicial dos cachês {ci(t0), i=1,..,l} e conexões {B((nj,nk)t0), (nj,nk) e L } no tempo, t=t0, deve-se encontrar um conjunto de programação S(t0) ={ Sq(nj,nk); (nj,nk) e Lj de modo que seja minimizado o último tempo programado para todas as solicitações em todas as cone- xões, ou seja:
Minimizar [Max (Sq(nj,nk); (nj,nk) e L & rq e R(t0))] (1) Sujeito a :
(1) Restrições de prazo de tempo dq ≤ max [Sq(np,nk),(nj,nk)ɛL] para todo rq
(2) Restrições de cachê em qualquer tempo t >t0, |Ci(t)|=Σ m_qɛCi(t)|mq| ≤Ci,(t), i=1,...,| aonde |mq| compreende o tamanho do conteúdo para a solicitação rq, e
(3) Restrições de capacidade de conexão para qualquer tempo t > t0 |((nj,nk),t)=Σs_q(n_j,n_k)>o[g(t-sq(nj,nk))-g(t-eq(nj,nk))]||mq||≤b(nj,nk),t) onde g[x] é a função degrau. g[x]=1, x≥O, ou então, g[x]=0,e eq(nj,nk)=Sq(nj,nk) +|ma|/||mq|| é o tempo de conclusão da descarga do conteúdo para a solicitação rq. Assume-se que o conteúdo é fornecido em um espaço de tempo consecutivo à taxa de alinhamento.
Embora o objetivo seja servir o total do conjunto de solicitações tão logo quanto o possível, ou seja, provendo um tempo de programação tão cedo quanto possível, para um dado conjunto solicitado, pode ocorrer de muitas solicitações virem a satisfazer as restri- ções, o que incluí a utilização de diferentes trajetos e proceder ao fornecimento das solicita- ções em ordens diferentes. A complexidade para a seleção do trajeto é dada por O(pQ), aonde ρ compreende o número médio de trajetos entre o servidor de conteúdo e um cliente. A complexidade de seleção/atendimento das ordens pode ser de até O(Q!) no caso extremo.
O elemento de programação centralizada da presente invenção, inclui um método heurístico que utiliza as seguintes definições/regras:
1) Solicitar o ordenamento:
As solicitações são enfileirdas em uma ordem pré-determinada. Por exemplo, solici- tações podem ser ordenadas na ordem de chegada, ou seja, o primeiro a entrar é a primeira a ser servida (FIFO) ou na ordem do prazo de tempo devido. Uma modalidade preferida é uma ordem a taxa normalizada (NR), que é explicada como se segue:
A taxa normalizada para a solicitação rq no tempo t, que representa uma taxa que é requerida para fornecer o conteúdo para a solicitação rq antes do prazo de tempo dq é de- finida como |mq| /(dq-t).Por exemplo, caso uma solicitação seja por um conteúdo com tama- nho de 4GB com prazo de tempo 8PM, o tempo corrente sendo de 4PM, a taxa normalizada para a solicitação será de 4GB/4 horas=2,2Mbps, ou seja a taxa para completar o forneci- mento do conteúdo antes do 8PM ter início as 4PM. Caso o CDN sirva o conjunto de solici- tações R(t0) na ordem da taxa normalizada para t=t0, a probabilidade de uma solicitação ser ultrapassada pode ser minimizada. A complexidade de selecionar-se a ordem torna-se O(Q), sendo grandemente reduzida. 2) Seleção do trajeto seqüencial:
Muito embora as solicitações sejam organizadas em uma ordem, caso as seleções de trajetos por solicitações devam ser determinadas conjuntamente, a complexidade torna- se ainda bastante elevada, ou seja, 0(pQ). O problema pode ser enormemente simplificado através da utilização de um objetivo alternativo que busca um prazo de tempo mínimo para cada solicitação, uma a uma em uma dada ordem enfileirada, ou seja, para cada solicitação rq no R(t0).
Ou seja, o elemento de programação centralizada da presente invenção busca a
Minimizar [Max(sq(nj,nk); (nj,nk);(nj,nk)e L)] (2)
O conjunto de programações otimizados {sq(nj,nk); (nj,nk);(nj,nk)e L} será determinado para cada solicitação rq com base nos vetores de programação concebidos previamente, { Sx(HjlIik); x=0,...,q-1}. Uma vez que cada solicitação busca o melhor da sua própria progra- mação com base nas condições anteriores, a decisão quanto à programação é feita para cada solicitação independente de futuras solicitações. A complexidade torna-se O(pQ).
Processando-se as solicitações em forma seqüencial torna a programação de cada solicitação tão oportuna quanto possível. Na ordem normalizada, ao se processar as solici- tações de forma seqüencial, a programação é concebida tão logo quanto o possível. Este método é denominado como o método de fornecimento mais oportuno à taxa normalizada (NRED), podendo ser melhor descrito como se segue:
1. Listar o conjunto de solicitações R(t0) na forma de uma fila com ordem à taxa normalizada, ainda representada como R(t0). Permitir que a condição inicial de cachês e conexões sejam {Cj(t0), i=1,...,l}, {B((rij,Dk),t0),(npPk) ε L}, respectivamente.
2. Para (q=0 a Q, q++) ; onde Q representa o número total de solicitações recebi- das no tempo t.
3. Para a solicitação rq= (mq,dq,uq), determinar o trajeto mais curto que fornece o tempo de programação mínimo (equação 2) do conteúdo mq à uq,,através do seguinte pro- cedimento:
4. Inicializar a partir de um conjunto de servidores Hq aonde cada servidor η, ε Hq apresenta o conteúdo mq ε Ci(ti,q), aonde tiiq representa o cachê do tempo anterior no servi- dor ni que foi atualizado antes do rq ser processado.
5. Utilizar um algoritmo para trajeto mais curto de pontos de origens múltiplas (tal como o algoritmo de Dijkstra) para determinar o trajeto mais curto a partir de qualquer ser- vidor rij ε Hq à uq.
6. Encontrar o cachê programado (Sq(DjlIik), (IijlIik) ε L} e atualizado/" Cj(t,-q+i), η, ε Ν} para servidores nas ligações e trajeto mais curto {Β^ΠρΠκ), tiq+1), (IijlIik) ε L}, respectivamen- te, aplicando restrições na capacidade de conexão e capacidade de cachê.
7. Caso max[sq(tij,nk), (IijtIik) ε L]> dq, então o método terá falhado em encontrar um conjunto de programação para R(t0); O método tendo falhado, ocorrerá a rejeição resultante da chegada da mais recente solicitação de conteúdo no conjunto de solicitações R(t0).
8. Prosseguir para a solicitação seguinte, etapa 2.
As métricas para o algoritmo com o trajeto mais curto podem ser definidas, por e- xemplo, como se segue:
1) Tempo de programação mínimo: o trajeto que fornece o menor tempo de pro- gramação para uma solicitação. Esta métrica é referente à equação (2).
2) Número mínimo de saltos: o trajeto que fornece a menor carga para a rede. Esta métrica pode não fornecer com o melhor tempo de programação para cada solicitação indi- vidual, mas, no geral, virá a fornecer um bom resultado, sendo melhor ajustada pela equa- ção (1).
A Figura 2 compreende um fluxograma descrevendo o método de fornecimento mais oportuno à taxa normalizada (NRED) da presente invenção. A fila de solicitações é colocada na ordem normalizada em 205. A ordem normalizada constitui as condições inici- ais. Uma simples solicitação é retirada a partir da fila de solicitações em 210 na ordem. Em 215, o conjunto de servidores H que apresenta o conteúdo solicitado é localizado. O conjun- to de servidores inclui cada servidor n, que tenha previamente servido uma solicitação para um conteúdo solicitado e cujo conteúdo não tenha sido substituído por outro conteúdo. O trajeto mais curto é então determinado em 220 a partir de qualquer servidor n, no conjunto de servidores Hjunto ao usuário/cliente u, (via um servidor de ponta). O custo para o trajeto mais curto compreende o número de saltos ou o tempo de programação mais oportuno. Em 225, as programações, a situação de cachê e a capacidade de cachê para todas as cone- xões e servidores com o trajeto mais curto são determinados. As programações devem tam- bém determinar a capacidade de conexão e situação de conexão.
Para uma dada topologia CDN e um conjunto de solicitações atendidas parcialmen- te por conteúdo e novas solicitações por conteúdo, a fila de solicitações é re-ordenada com base nas solicitações compromissadas atendidas parcialmente e solicitações recém chega- das. Este procedimento é denominado controle de admissão. Novas solicitações por conte- údo são admitidas se possível (com anuência das fontes primárias). Especificamente, um servidor centralizado determina se uma nova solicitação por conteúdo pode ser admitida. O elemento de programação centralizada da presente invenção determina se pode ser desen- volvido uma programação que satisfaça a nova solicitação por conteúdo sem a retirada de uma solicitação já previamente aceita. Esta determinação é feita por emulação de serviço das solicitações compromissadas parcialmente atendidas juntamente com a mais recente solicitação retirada da fila de solicitação normalizada. Uma nova solicitação por conteúdo é rejeitada e removida da fila de solicitação caso não tenha sido desenvolvido nenhuma pro- gramação. O servidor centralizado da presente invenção envia comandos para servidores de ponta e clientes/usuários para acionar os processos de descarga de acordo com as progra- mações desenvolvidos em satisfação da solicitação mais recente por conteúdo admitida.
Em uma modalidade alternativa, o método da presente invenção pode utilizar tam- bém a eliminação desde que cada unidade de conteúdo retirada seja definida na forma de uma unidade simples de conteúdo. Uma solicitação por conteúdo retirado pode ser feita uti- lizando-se solicitações múltiplas, uma para cada unidade retirada e cada qual com a opção de algum prazo de tempo pré-taxado. Enquanto isto aumenta a complexidade geral do mé- todo, podendo resultar também em unidades de conteúdo fornecidas de maneira mais rápi- da, e, talvez, mesmo simultânea.
O método da presente invenção (NRED) amortiza, dessa forma, espacial e tempo- ralmente, as cargas em uma rede com distribuição de conteúdo e dessa forma fornece um número maior de conteúdos solicitados no tempo. Uma vez que as solicitações por conteúdo encontram-se freqüentemente congestionadas (freqüentemente advindas nos horários de pico e de pontos principais), sem a programação, a rede com distribuição de conteúdo pode acabar sobrecarregada durante alguns períodos de tempo e ficar sem utilização durante outros períodos de tempo.
Deve-se compreender que a presente invenção pode ser implementada com várias formas de hardwares, softwares, firmwares, e processadores com finalidades especiais, ou uma combinação dos mesmos. Preferencialmente, o software é implementado como uma combinação de hardware e software. Mais ainda, o software é preferencialmente implemen- tado na forma de um programa de aplicação tangivelmente representado em um dispositivo de armazenamento de programa. O programa de aplicação pode ser carregado, e executa- do por uma máquina compreendendo qualquer concepção adequada. Preferencialmente, a máquina é implementada em uma plataforma para computador apresentando hardware, na forma de uma ou mais unidades de processamento central (CPUs), uma memória de aces- so aleatório (RAM), e interface(s) de entrada/saída (l/O). A plataforma para computador in- clui também um sistema de operação e código com micro-instrução. As várias funções e processos aqui descritos podem tanto compreender partes do código com micro-instruções ou partes do programa de aplicação (ou uma combinação dos mesmos), que é executado via o sistema operacional. Em acréscimo, vários outros dispositivos periféricos podem ser conectados junto à plataforma para computador, tal como um dispositivo de armazenagem de dados adicional e um dispositivo de impressão.
Deve-se compreender ainda que, devido a alguns dos componentes do sistema constituído e etapas do método detalhadas nas figuras de acompanhamento serem prefe- rencialmente implementados em softwares, as conexões atuais entre os componentes do sistema ( ou as etapas do processo) podem diferir, dependendo da maneira pela qual a pre- sente invenção é programada. Dado os ensinamentos prestados no presente relatório des- critivo, um especialista da área será capaz de contemplar estas e outras implementações ou configurações semelhantes da presente invenção.
Claims (11)
1. Método para controle de admissão a uma fila de solicitações, o referido método CARACTERIZADO pelo fato de compreender: re-ordenamento de referida fila de solicitações com base em solicitações compro- missadas atendidas parcialmente por conteúdo e solicitações recém chegadas por conteú- do; e determinação se a referida solicitação recém chegada por conteúdo pode ser admi- tida junto a referida fila de solicitações.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da referi- da etapa de determinação compreender adicionalmente a emulação de serviço das referidas solicitações compromissadas atendidas parcialmente por conteúdo e referidas solicitações recém chegadas por conteúdo.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato da referi- da solicitação recém chegada por conteúdo ser a próxima solicitação seqüencial retirada da referida fila de solicitações re-ordenada.
4. Método para execução de uma programação centralizada de fornecimento de conteúdo através de uma rede de fornecimento de conteúdo, o referido método CARACTERIZADO pelo fato de compreender: execução do controle de admissão; localização de um servidor que seja uma fonte de conteúdo; determinação de uma programação de fornecimento de conteúdo; e re-ordenação da referida programação de fornecimento de conteúdo.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de com- preender ainda execução da referida programação de fornecimento de conteúdo re- ordenado.
6. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato da referi- da etapa de re-ordenamento compreender ainda otimização da referida programação de fornecimento de conteúdo.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de com- preender ainda: cálculo de uma taxa normalizada para cada unidade de conteúdo programada para fornecimento; e re-ordenamento da referida programação de fornecimento de conteúdo com base nas referidas taxas normalizadas calculadas.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO por cada uma das referidas taxas normalizadas ser um tamanho da referida unidade de conteúdo dividida por um tempo devido para fornecimento de conteúdo menos o tempo corrente.
9. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato da refe- rida etapa de determinação compreender ainda seleção do trajeto seqüencial para a referida rede de fornecimento de conteúdo.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato da sele- ção do trajeto seqüencial ser uma seleção de um trajeto a partir de um servidor de conteúdo para um cliente solicitando referido conteúdo através da minimização do tempo de progra- mação para cada solicitação por conteúdo seqüencialmente na ordem normalizada η .
11. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pela referida pro- gramação de fornecimento de conteúdo ser determinada através da determinação seqüen- ciai de um número mínimo de saltos em um trajeto a partir de um servidor de conteúdo para um cliente solicitando o referido conteúdo para cada solicitação por conteúdo em uma fila de solicitações.
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