CN101473651B - 用于性能知晓对等视频点播的接纳控制 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于在对等视频点播系统中执行接纳控制的方法及装置，其包括：确定是否存在足够的带宽以支持对于来自视频重放设备的新请求的领头的子剪辑的流式传送；确定是否存在足够的带宽以接纳所述请求而不牺牲对于现有请求的服务质量；如果两个确定动作都是肯定的，则接受所述新请求的接纳；以及如果所述确定动作中的任何一个是否定的，则拒绝接纳所述新请求。还描述了一种用于在对等视频点播系统中向视频重放设备提供内容的装置，该装置包括接纳控制单元和数据引擎组件。

Description

用于性能知晓对等视频点播的接纳控制

技术领域

本发明涉及对等(peer-to-peer)网络建立(networking)，更具体地涉及在服务器侧的对于视频点播服务的请求的接纳(admission)控制。

发明背景

传统上，使用客户端-服务器服务模型来提供流式传送(streaming)服务。客户端向服务器发送请求，如果服务器有足够的资源来对客户端的请求进行服务并且沿着(along)服务器和客户端之间的路径存在足够的带宽，则服务器随后将内容流式传送到客户端。

由于服务器处的有限计算和存储资源以及连接服务器和客户端的网络中的有限带宽，所以可扩展性(scalibility)已经成为伴随着客户端-服务器流式传送服务的问题。最近，流式传送服务中已经引入对等技术。对等体(peer)被实现为具有客户端和服务器的能力。对等网络通过主动地高速缓存(cache)内容和为其他对等体服务而减轻了施加在服务器上的工作负荷并且将带宽需求分布在网络上。研究表明对等技术大大改善了系统的可扩展性，使得系统能够服务多得多的用户。

已经进行了巨大的努力以使用对等网络建立来解决(address)在流式传送媒体服务中存在的可扩展性问题。可以将这些努力分类为两类，具体地(notably)，对等现场(live)流式传送和对等经存储视频流式传送或视频点播。尽管两个服务都力图在向用户提供好的观看质量的同时支持大量的用户，但是它们也面临不同的技术挑战。在点对点现场流式传送中，使启动(start-up)延迟最小而不牺牲系统可扩展性是挑战。在点对点视频点播服务中，允许不同时的用户共享是挑战。

点对点流式传送方案也通过不同的数据散布(dissemination)技术而区分它们自己。已经研究了两种数据散布方法，具体地，基于覆盖(overlay)的方法和数据驱动的方法。在基于覆盖的方法中，对等体形成网格(mesh)或树结构，其中在对等体之间形成父子关系。子对等体从其父亲(parent)接收数据。相比之下，数据驱动方法中的对等体没有固定的父子关系。对等体寻找缺失数据(missing data)，并且无论在哪里能够获得该缺失数据都取回(retrieve)该缺失数据。尽管在早期的对等努力中广泛地使用基于重叠的方法，但是数据驱动方法正变得更加流行，因为它有效地解决了扰动(churn)和不对称带宽问题。

虽然大多数现有技术的努力展示了良好的可扩展性并且与传统客户端-服务器服务模型相比支持更多数目的用户，但是现有技术方案在本质上是尽力而为的(best-effort)，并且对系统性能需求的支持还没有充分地研究。由于服务器处的有限带宽，如果服务器过度接纳(over-admit)客户端，则客户端侧的所感觉到的视频质量可能受损害。因此，为了提供所期望的服务质量(QoS)，接纳控制是必要的。

发明内容

一种相关的应用针对性能知晓(performance aware)对等视频点播服务。该应用将对等下载合并到传统的客户端-服务器视频点播服务模型中。该对等下载承载主要的数据传递负荷，从而显著地减少施加在服务器上的工作负荷。因此，服务器将其资源的大多数投入于提供紧急数据以满足性能需求。改善了在客户端端的所感觉到的性能。用所记住的(in mind)性能需求来设计对等下载算法。

视频点播服务允许用户在他们想要的任何时候通过网络选择并且观看视频内容。相关的应用包括分段的(segmented)对等视频共享模型，其允许视频点播设置中的内容共享。通过将性能知晓对等数据下载算法和服务器辅助(server-assisted)补充(complementary)流式传送合并来解决性能问题，所述性能知晓对等数据下载算法和服务器辅助补充流式传送共同实现与通过传统客户端-服务器服务模型所提供的性能相类似的性能，但是支持更多的用户。

本发明针对通过在服务器侧执行接纳控制来进一步改善客户端所感觉到的视频质量。服务器具有要执行的大量任务/服务，包括在对等网络中对领头的子剪辑(leading sub-clip)进行流式传送服务、执行补充流式传送、以及向客户端/用户上载内容。由于服务器处的有限带宽资源以及服务器提供各种服务和执行各种任务的责任，重要的是，执行接纳控制，使得客户端所感觉到的视频质量满足客户端的期望。

本发明的用于支持对于对等视频点播服务的接纳控制的方法和装置被设计用于在性能知晓视频点播服务环境中改善客户端所感觉到的视频质量。本发明的方法和装置监视当前带宽使用量和带宽使用量历史以确定是否可以将请求接纳到视频点播系统中。

描述了一种用于在对等视频点播系统中执行接纳控制的方法及装置，其包括：确定是否存在足够的带宽以支持对于来自视频重放设备的新请求的领头的子剪辑的流式传送，确定是否存在足够的带宽以接纳该请求而不牺牲对于现有请求的服务质量，如果两个确定动作都是肯定的则接受该新请求的接纳，而如果任一确定动作是否定的则拒绝接纳该新请求。还描述了一种用于在对等视频点播系统中向视频重放设备提供内容的装置，该装置包括接纳控制单元和数据引擎组件。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述中将最佳地理解本发明。附图包括下面简要描述的以下图，其中所述图上的相同标号表示类似的元件：

图1示出从服务器的观点看，在性能知晓(aware)对等视频点播服务环境中的带宽使用量(usage)。

图2是在对于视频点播的单个请求的服务中的带宽使用量的例子。

图3是从服务器侧进行的接纳控制处理的流程图。

图4是性能知晓对等流式传送服务器的接纳控制处理的架构的示意图。

具体实施方式

视频点播服务的用户在任何给定时刻观看视频的不同部分。为了允许用户之间的内容共享并且使通过对等网络传递的内容量最大，假设每个用户具有存储容量以高速缓存已经播放过的内容的部分副本和/或整个副本。假定由客户端/用户使用的(并且与客户端/用户同义的)视频重放设备的快速增长的存储容量，这是合理的假设。应当注意，视频重放设备是能够接收并重放视频(所存储的或现场的)的任何设备，包括但不限于计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)以及移动设备。对等网络不限于有线线路网络，并且可以是无线或有线线路网络或采用有线线路和无线连接两者的混合网络。

先前的研究表明网络带宽和存储装置(storage)带宽是流式传送服务器的潜在资源瓶颈。为了本发明的目的，假设很好准备了服务器，使得存储装置带宽不是瓶颈。在下面的讨论中，假设服务器侧网络带宽是有限的从而是瓶颈。

性能知晓对等流式传送服务环境中的服务器负责三种类型的服务：(i)流式传送领头的(leading)子剪辑以使得客户端能够立即开始重放，(ii)由服务器通过对等网络向客户端上载后续/随后的子剪辑的视频内容，以及(iii)当在子剪辑中存在缺失数据并且到达该子剪辑的截止时间(deadline)时，为向客户端进行子剪辑补充流式传送服务。

图1描绘了从服务器的观点看，在性能知晓对等视频点播流式传送服务环境中的带宽使用量。在此，BW用于表示总服务器带宽；BW_streaming用来表示用于流式传送领头的子剪辑的带宽；BW_{comp-streaming}用来表示用于补充流式传送的带宽；BW_p2puploading用来表示用于在对等网络中从服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容的带宽。如从图1中可以看出的那样，BW＝BW_streaming+BW_{comp-streaming}+BW_p2puploading。下表1列出重要符号的定义。

 

符号	定义
		BW	总服务器带宽
BWstreaming	用于流式传送领头的子剪辑的带宽使用量
		BWcomp-streaming	用于补充流式传送的带宽使用量
BWp2puploading	用于在对等网络中由服务器向客户端/用户/请求(request)上载内容的带宽
		comp-streaming	用于补充流式传送的平均带宽使用量
p2puploading	用于在对等网络中由服务器向客户端/用户/请求上载内容的平均带宽使用量
		σ	合计(aggregate)的补充流式传送带宽使用量的标准差
N	当前在系统中的用户/请求的总数量
		Nstresaming	接收来自服务器的被流式传送的领头的子剪辑的用户/请求的数量
Ncomp-streaming	可以向服务器请求补充流式传送的用户/请求的数量
		α	在更新用于补充流式传送的带宽使用量和用于由服务器向客户端/用户上载内容的带宽使用量的平均值中的权重
R	视频重放速率(rate)

表1

图2是在对于视频点播的单个请求的服务中的服务器带宽使用量的例子。该视频由四个子剪辑组成并且开始于时刻T₀。第一子剪辑的内容被流式传送。在每个随后的子剪辑的截止时间处，即在时刻T₁、T₂和T₃，以重放速率开始(initiate)补充流式传送以填充(fill in)缺失数据。在对等网络中由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容开始于开头T₀并且结束于最后的子剪辑的截止时间T₃。即，第一(领头的)子剪辑被流式传送到客户端。由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载后续/随后的子剪辑(子剪辑2到4)也开始于T₀。在T₁，如果对于子剪辑2存在任何缺失数据，则服务器开始该缺失数据的补充流式传送。在T₂，如果对于子剪辑3存在任何缺失数据，则服务器开始该缺失数据的补充流式传送。最后，在T₃，如果对于子剪辑4存在任何缺失数据，则服务器开始该缺失数据的补充流式传送。

首先描述不同带宽使用量的特性。然后描述估算这些带宽使用量的平均值(mean)和方差(variance)的方法。最后，提出本发明的接纳控制方案。

流式传送领头的子剪辑所需的带宽是通过下式给出的常数，

BW_streaming＝N_streaming*r         (1)

其中r是视频重放速率，N_streaming是当前接收流式传送服务的用户的数量。

支持补充流式传送所需的带宽是随机变量。当子剪辑到达其截止时间时，如果一些数据缺失，则客户端/用户/视频重放设备发出补充流式传送请求。如果存在足够的可用带宽，则服务器将执行缺失数据的补充流式传送。以重放速率向客户端发送/转发缺失数据。这保证在重放时刻之前可得到所有缺失数据。如果由于服务器带宽不够而导致不可能进行补充流式传送，则该子剪辑将在缺失数据的情况下被重放，降低了用户的观看质量。如图2所描绘的，可以通过柏努利(Bernoulli)随机变量来估计(approximate)补充流式传送带宽使用量。补充流式传送速率是r或零。

接纳控制器保持知晓对于每个子剪辑需要通过补充流式传送而发送的数据量。该数量由S_{comp-streaming}表示。用于这个子剪辑的平均补充流式传送数据速率是S_{comp-streaming}/T，其中T是子剪辑长度。接纳控制器保持平均补充流式传送带宽信息BW_{comp-streaming}。无论何时计算新的平均补充流式传送速率，都更新BW_{comp-streaming}的值。具体地，

BW_{comp-streaming}＝α·BW_{comp-streaming}+(1-α)·(S_{comp-streaming}/T)    (2)

权重α确定平均补充流式传送带宽使用量多快追上当前值。实验表明大约0.95的值提供良好的性能结果。

为了估算BW_{comp-streaming}的方差，使用用于估计补充流式传送带宽使用量的柏努利分布。BW_{comp-streaming}的方差可以如下计算：

Var(BW_{comp-streaming})＝(1-BW_{comp-streaming})*BW_{comp-streaming}     (3)

服务器也保持知晓已经通过对等网络发送给用户的数据量。在子剪辑的截止时间处更新平均服务器对等下载带宽BW_p2puploading。对于每个子剪辑上载的数据量被表示为S_p2puploading。因此，平均对等上载速率是S_p2puploading/T。对在一个子剪辑长度期间使用对等网络向用户传递的数据量进行的表示产生了：

BW_p2puploading＝α·BW_p2puploading+(1-α)·(S_p2puploading/T)         (4)

本发明的接纳控制处理忽略了用于在对等网络中由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容的带宽的方差。

如图3所示，接纳控制处理包括两个主要步骤。在第一步骤，接纳控制器确定服务器是否能够在接纳新的客户端请求的情况下向所有客户端提供良好的QoS。

●步骤1(在305)。确定是否存在用于领头的子剪辑的流式传送的足够带宽。

当新的客户端请求到达时，服务器必须有足够的带宽来支持领头的子剪辑的流式传送以便接纳该客户端。否则，该客户端将不能立即开始重放并且该请求必须被拒绝。因此，对于接纳的条件是：

BW-(BW_streaming+BW_{comp-streaming})>r         (5)

与流式传送和补充流式传送两者所需的带宽相比，用于在对等网络中由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容的带宽具有较低的优先级。对等网络包括许多客户端和服务器。即使没有来自服务器的贡献(contribution)，客户端仍然可以从其他对等体下载数据。因此，在接纳控制处理的这个步骤中可以忽略在对等网络中由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容所需的带宽的影响。然而，在第二步骤中考虑了用于在对等网络中由服务器向客户端/用户/视频重放设备上载内容的带宽，以确保客户端的所感觉到的质量是良好的并且数据错过(miss)其重放截止时间的可能性较低。

●步骤2(在310)。确定在接纳新的客户端请求的情况下客户端的所感觉到的QoS是否良好。

在第二步骤，对所收集的统计量(statistics)进行评估，并且确定是否可以接纳新的客户端请求而不降低客户端的观看质量。具体地，使用下面的方程式确定是否可以接纳新的客户端请求：

(BW_streaming+r)+N_{comp-streaming}(BW_{comp-streaming}+βσ)+NBW_{p2pdownloading}<BW(6)其中N_{comp-streaming}是需要补充流式传送服务的用户的数量，σ是总的补充流式传送带宽的标准差，β是标准差因子。

在方程式(6)的左手侧有三项。BW_streaming+r的值指示假设接纳新客户端的、支持领头的子剪辑的流式传送所需的带宽量。在第二项中，N_{comp-streaming}是可以请求补充流式传送的用户的数量。由于除了当前正在接收领头的子剪辑流式传送的用户以外的所有用户都可以要求补充流式传送，因此N_{comp-streaming}＝N-N_streaming。

合计的补充流式传送带宽使用量是N_{comp-streaming}个柏努利随机变量的和。根据中心极限(central limit)定理，可以通过正态分布来估计随机变量的和，并且由下面的方程式(7)决定(govern)其标准差。在接纳控制处理的第二步骤中(见方程式(6))，将β选择为3。对于标准正态分布，样本偏离其平均值多于三倍标准差的可能性小于0.005。

因此，具有高的可能性可以满足用户的补充流式传送请求。最后，第三项是对等上载服务所需要的总带宽。

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\mathrm{Var}\left({\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{BW}}}_{\mathrm{comp}-\mathrm{strea}\min g}\right)/N_{\mathrm{comp}-\mathrm{strea}\min g}}---\left(7\right)$

在第二步骤中，接纳控制器确保所需要的带宽以高的可能性小于可用带宽。因此，用户的观看质量将不会随着接纳新的客户端请求而降低。

如果步骤1(在305)或者步骤2(在310)失败(fail)，则在320拒绝(不接纳)该请求。如果步骤1(在305)和步骤2(在310)两者都成功/通过，则在315接纳该请求。

图4是本发明的具有接纳控制组件的性能知晓对等流式传送服务器的架构的示意图。数据引擎组件具有两个子组件——流式传送引擎和对等上载器。流式传送引擎处理流式传送服务，对等引擎处理对等上载服务。新的客户端请求首先被提供给接纳控制器(步骤1)。基于如图1所示的接纳控制器的结果，服务器向客户端返回决定(步骤2)。如果接纳该新的客户端请求，接纳控制单元将该决定通知给数据引擎组件(步骤3)。数据引擎组件开始通过流式传送领头的子剪辑(步骤4)并且经由对等下载器上载随后的子剪辑的数据(步骤5)而为该请求服务。

应当理解的是，可以以硬件、软件、固件、专用处理器、或者它们的组合的各种形式来实现本发明。优选地，作为硬件和软件的组合来实现本发明。而且，优选地作为在程序存储设备上有形地实施的应用程序来实现该软件。所述应用程序可以被上载到包括任何适合架构的机器并且由其执行。优选地，在计算机平台上实现该机器，该计算机平台具有诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)以及一个或多个输入/输出(I/O)接口之类的硬件。该计算机平台还包括操作系统和微指令代码。在此描述的各种处理和功能可以是通过操作系统执行的所述微指令代码的一部分或者应用程序的一部分(或者它们的结合)。另外，各种其他外设可以连接到该计算机平台上，例如另外的数据存储设备和打印设备。

还应当理解的是，因为在附图中描述的一些组成系统组件和方法步骤优选地以软件来实现，所以在所述系统组件(或处理步骤)之间的实际连接可以根据本发明被编排的方式而不同。给出这里的教导，相关领域的普通技术人员将能够想到本发明的这些和类似的实现或配置。

Claims (20)

1.一种用于在对等视频点播系统中执行接纳控制的方法，所述方法包括：

第一确定动作，用于确定是否存在足够的带宽以支持对于来自视频重放设备的新请求的领头的子剪辑的流式传送；

第二确定动作，用于确定是否存在足够的带宽以接纳所述请求而不牺牲对于现有请求的服务质量；

如果所述第一确定动作和第二确定动作两者都是肯定的，则接受接纳所述新请求；以及

如果所述第一确定动作和第二确定动作中的任何一个是否定的，则拒绝接纳所述新请求。

2.根据权利要求1的方法，其中所述第一确定动作还包括：

从总带宽中减去所述现有请求的领头的子剪辑的流式传送所需的带宽与所述现有请求的补充流式传送所需的带宽之和以产生一结果；

将所述结果与视频重放速率进行比较；

如果所述结果大于或等于所述视频重放速率，则返回存在足够的带宽的指示；以及

如果所述结果小于所述视频重放速率，则返回没有足够的带宽的指示。

3.根据权利要求2的方法，其中所述现有请求的领头的子剪辑的流式传送所需的所述带宽等于所述视频重放速率乘以从服务器接收被流式传送的子剪辑的现有请求的数量。

4.根据权利要求1的方法，其中所述第二确定动作还包括：

计算平均补充流式传送带宽；

计算所述平均补充流式传送带宽的标准差；

计算平均服务器对等上载带宽；

通过将来自所述服务器的领头的子剪辑的流式传送所需的所述带宽与所述视频重放速率相加，来计算第一数量；

通过将标准差因子乘以所述平均补充流式传送带宽的标准差以生成第一结果、将第一结果与所述平均补充流式传送带宽相加以生成第二结果、并且然后将第二结果乘以来自服务器的对子剪辑的补充流式传送服务的现有请求的数量，来计算第二数量；

通过将现有请求的总数量乘以所述平均服务器对等上载带宽来计算第三数量；

对所述第一数量、所述第二数量和所述第三数量求和以产生第四数量；并且

将所述第四数量与总带宽进行比较。

5.根据权利要求4的方法，其中所述平均补充流式传送带宽等于先前计算的平均补充流式传送带宽乘以第一权重与平均补充流式传送速率乘以第二权重之和。

6.根据权利要求5的方法，其中所述平均补充流式传送速率是对于每个子剪辑需要通过补充流式传送而发送的数据量除以子剪辑长度。

7.根据权利要求5的方法，其中所述第二权重是1减去所述第一权重的差。

8.根据权利要求4的方法，其中所述平均服务器对等上载带宽等于先前计算的平均服务器对等上载带宽乘以第一权重与平均对等服务器上载速率乘以第二权重之和。

9.根据权利要求8的方法，其中所述平均服务器对等上载速率是对于每个子剪辑需要上载的数据量除以子剪辑长度。

10.根据权利要求8的方法，其中所述第二权重是1减去所述第一权重的差。

11.根据权利要求4的方法，其中所述标准差是所述平均补充流式传送带宽的方差除以对于来自服务器的子剪辑的补充流式传送服务的现有请求的数量所得结果的平方根。

12.根据权利要求11的方法，其中所述平均补充流式传送带宽的所述方差是所述平均补充流式传送带宽乘以将1减去所述平均补充流式传送带宽所得的差。

13.一种用于在对等视频点播系统中执行接纳控制的装置，包括：

第一确定部件，用于确定是否存在足够的带宽以支持对于来自视频重放设备的新请求的领头的子剪辑的流式传送；

第二确定部件，用于确定是否存在足够的带宽以接纳所述请求而不牺牲对于现有请求的服务质量；

用于如果所述第一确定部件和第二确定部件两者都产生肯定结果则接受接纳所述新请求的部件；以及

用于如果所述第一确定部件和第二确定部件中的任何一个产生否定结果则拒绝接纳所述新请求的部件。

14.根据权利要求13的装置，其中所述第一确定部件还包括：

用于从总带宽中减去所述现有请求的领头的子剪辑的流式传送所需的带宽与所述现有请求的补充流式传送所需的带宽之和以产生一结果的部件；

用于将所述结果与视频重放速率进行比较的部件；

用于如果所述结果大于或等于所述视频重放速率则返回存在足够的带宽的指示的部件；以及

用于如果所述结果小于所述视频重放速率则返回没有足够的带宽的指示的部件。

15.根据权利要求14的装置，其中所述现有请求的领头的子剪辑的流式传送所需的所述带宽等于所述视频重放速率乘以从服务器接收被流式传送的子剪辑的现有请求的数量。

16.根据权利要求15的装置，其中所述第二确定部件还包括：

用于计算平均补充流式传送带宽的部件；

用于计算所述平均补充流式传送带宽的标准差的部件；

用于计算平均服务器对等上载带宽的部件；

用于计算第一数量的部件，其中，通过将来自所述服务器的领头的子剪辑的流式传送所需的所述带宽与所述视频重放速率相加来计算所述第一数量；

用于计算第二数量的部件，其中，通过将标准差因子乘以所述平均补充流式传送带宽的标准差以生成第一结果、将第一结果与所述平均补充流式传送带宽相加以生成第二结果、并且然后将第二结果乘以来自服务器的对子剪辑的补充流式传送服务的现有请求的数量来计算第二数量；

用于计算第三数量的部件，其中，通过将现有请求的总数量乘以所述平均服务器对等上载带宽来计算第三数量；

用于对所述第一数量、所述第二数量和所述第三数量求和以产生第四数量的部件；以及

用于将所述第四数量与总带宽进行比较的部件。

17.根据权利要求13的装置，其中所述装置是接纳控制单元。

18.一种用于在对等视频点播系统中向视频重放设备提供内容的装置，包括：

接纳控制单元，其中，所述接纳控制单元通过以下方式来对对于内容的新请求执行接纳控制：确定是否存在足够的带宽以支持对于来自视频重放设备的新请求的领头的子剪辑的流式传送；确定是否存在足够的带宽以接纳所述请求而不牺牲对于现有请求的服务质量；如果两个确定动作都是肯定的，则接受接纳所述新请求；并且如果所述确定动作中的任何一个是否定的，则拒绝接纳所述新请求；以及

数据引擎组件，所述数据引擎组件包括流式传送引擎以及对等上载器引擎。

19.根据权利要求18的装置，其中所述接纳控制单元进一步向所述视频重放设备返回指示所述对于内容的新请求的接受和拒绝中的一项的决定。

20.根据权利要求19的装置，其中如果接受所述对于内容的新请求，则所述数据引擎组件开始通过经由流式传送引擎向所述视频重放设备流式传送领头的子剪辑、并且经由对等上载器上载后续的子剪辑的数据，来为所述对于内容的新请求服务。

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