CN113747254B - 一种基于带内网络遥测的视频流调度方法和调度系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于带内网络遥测的视频流调度方法和调度系统，该方法运用带内遥测技术将细粒度的网络信息运载到服务器上，服务器能够掌握整个链路的拥塞情况，并对视频流进行调度，在网络拥塞时及时降低视频流的比特率，以降低网络资源的使用量。本发明解决了传统客户端自适应视频流算法因网络情况估计不准而请求过高质量视频的问题，降低了网络资源使用量，提升了用户观看视频的体验质量。

Description

一种基于带内网络遥测的视频流调度方法和调度系统
技术领域
本发明涉及带内网络遥测技术，特别涉及一种基于带内网络遥测的视频流调度方法和调度系统。
背景技术
视频流量在互联网中占据大量份额，其中视频点播流媒体流量占了主要部分。网络用户日益增加但网络资源十分有限，因此如何将有限的网络资源更合理地分配给多个设备尽可能地维护用户体验的公平性和避免网络资源滥用成为了视频流研究的难点，需要在保证用户观看体验的同时尽可能地降低总的网络开销。其中，视频比特率自适应算法是一种能够根据客户端估计的网络情况自适应地选择视频的编码率来调整视频质量，由于其具备较大的灵活性，被视频流领域广泛采用。
然而，比特率自适应算法在实际部署时存在一定问题：客户端估计网络状况是通过连续几个视频块的下载质量或通过检测缓冲区存有的视频内容量来判断当前网络情况。这需要的时间对于瞬息万变的网络来说延迟太大，对于视频比特率自适应算法的决策来说十分不利，可能会高估了网络情况而选择了较高的比特率，导致网络拥塞和不必要的资源开销，甚至会使视频无法及时下载而卡顿。带内网络遥测会触发数据包传输路径上的每个交换机，并嵌入遥测信息。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种基于带内网络遥测的视频流调度方法和调度系统，该调度方法和调度系统能够在保证提高用户体验的公平性的同时有效减少网络资源消耗。
为实现上述目的，本发明采用以下方案实现：
一种基于带内网络遥测的视频流调度方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：客户端向服务器请求下载视频块，服务器发回相应的视频块，视频块以数据包的形式在网络中传输，数据包经过交换机时，以预设的概率选取部分交换机，这些交换机通过带内网络遥测收集数据包通过链路的网络拥塞信息，将这些信息插入数据包的头部，再将数据包传给客户端；
步骤二：所述客户端接收数据包后，将网络拥塞信息存入新的视频块请求中，并将新的视频块请求发送给服务器；部署在所述服务器中的视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息判断链路是否拥塞，如果拥塞，则根据服务器中创建的包括各条链路的链路号以及对应的链路拥塞情况的链路图快速定位拥塞链路位置，并查询服务器内预先构建的视频清晰度降级表，获得降低视频清晰度的概率，并以该概率降低视频清晰度，以减少网络流量，提高用户体验的公平性。
进一步地，所述步骤一中，采用细粒度网络拥塞信号评估网络链路的拥塞情况，具体收集链路的信息包括数据包通过的网络链路的标记号Link ID、端口的速率类型B、时间戳TS、交换机端口发送的总字节数txBytes、队列的长度qLen、标记数据包来自服务器还是客户端的srcType。
进一步地，所述视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息，在服务器端计算出链路拥塞信号Inflight Bytes，判断链路是否拥塞的具体过程如下：
(1)根据如下公式计算得到输出速率txRate
Figure GDA0003594300570000021
其中，txBytes1是当前请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数，txBytes0是上一个请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数；ts1是当前请求所携带遥测信息的交换机时间戳，ts0是上一个请求所携带遥测信息的交换机时间戳；
(2)通过如下公式计算第j条链路的Inflight Bytes的数量Ij
Ij＝qlen+txRate×T
其中，T为网络传输往返时延；qlen为队列长度；
(3)根据如下公式计算得到第j条链路的链路占用率Uj，当Uj＞η时，说明链路已经过载，Uj接近于0说明链路处于空闲状态；其中η为给定阈值；
Figure GDA0003594300570000022
其中，Bj为第j条链路上的B，Uj范围从0到1；
进一步地，所述存放带内遥测信息的数据包的格式为数据包首部、遥测信息、视频数据。
一种基于带内网络遥测的视频流调度系统，该系统包括服务器、客户端以及实现客户端和服务器之间通信的若干个交换机；
所述客户端部署自适应比特率算法，所述客户端根据估计的网络情况向服务器请求一定质量的视频块；所述客户端收到服务器传来的视频数据包后，将数据包内部的带内网络遥测信息取出，并将该信息封装到新的视频请求中，在把该请求发送给服务器；
所述交换机为支持INT信息收集的交换机，其内置INT信息收集模块，用于修改数据包包头的字段，并将交换机的信息插入到数据包包头中，并以一定的概率执行INT；
所述服务器部署视频流调度器和拓扑监视器，以及视频清晰度降级表；所述拓扑监视器用于将视频请求中的带内遥测信息获取出来，并根据该带内遥测信息计算出该带内遥测信息采集链路的网络拥塞信息Uj，并将Uj更新到拓扑监视器中；
所述视频清晰度降级表为包含频清晰度等级及其对应的降级概率；
所述视频流调度器根据视频请求中的INT信息获取所采集链路的链路号，根据该链路号查询拓扑监视器以获取该链路的拥塞信息Uj，一旦Uj大于预先给定的阈值η，则判定该链路发生了拥塞；对于拥塞的链路，视频流调度器查询拓扑监视器，并根据请求中的视频清晰度等级查询视频清晰度降级表，获得该等级对应的降级概率，再根据该降级概率对请求的视频清晰度进行降级；未发生拥塞的链路则不处理。
进一步地，所述链路图由数据结构Sketch存储，Sketch将链路图的空间复杂度O(n)降低至O(h)，其中，其中n为拓扑图中链路的数量，h为服务器配置的Sketch的存储单元个数。
进一步地，所述视频清晰度降级表中，对于比特率级别i，1≤i≤n，对应的降级概率pi的计算公式如下：
pi＝p×ei-1
Figure GDA0003594300570000031
其中，e为欧拉数，n为最高级别的比特率等级。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的调度方法通过预设的概率选取交换机，收集其所在链路的网络拥塞信息，存入数据包的头部后再传给客户端，改变了传统的数据包经过的每个交换机都为数据包嵌入遥测信息的情况，从而减少资源消耗和通信开销；
(2)本发明的调度方法和调度系统，通过带内网络遥测将细粒度的网络拥塞信息提供给服务器，服务器上的视频流调度器利用该网络拥塞信息快速判断链路的拥塞情况，并对视频流进行调度，从而减少了不必要的网络资源使用，缓解了网络拥塞，提高了视频的传输的流畅程度和公平性。该方法效率高、设计简单，实用性强。
附图说明
图1为基于带内网络遥测的视频流调度系统的示意图；
图2为基于带内网络遥测的视频流调度系统的带内遥测数据包的格式图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的带内网络遥测的视频流调度系统包括服务器、客户端以及实现客户端和服务器之间通信的若干个交换机。
客户端部署自适应比特率算法，所述客户端根据估计的网络情况向服务器请求一定质量的视频块；所述客户端收到服务器传来的视频数据包后，将数据包内部的带内网络遥测信息取出，并将该信息封装到新的视频请求中，再把该请求发送给服务器。在客户端，带内遥测信息保持不变，这样服务器获得的链路中的网络状况指标是实时的。
交换机为支持INT信息收集的交换机，其内置INT信息收集模块，用于修改数据包包头的字段，并将交换机的信息插入到数据包包头中，并以一定的概率执行INT。带内遥测技术以一定概率对视频数据包添加细粒度网络拥塞信息，以及降低存储开销。
服务器部署视频流调度器和拓扑监视器，以及视频清晰度降级表。拓扑监视器用于将视频请求中的带内遥测信息获取出来，并根据该带内遥测信息计算出该带内遥测信息采集链路的网络拥塞信息Uj，并将Uj更新到拓扑监视器中；拓扑监视器根据细粒度的带内遥测信息维护了一个链路图，该链路图记录了链路号及其对应的网络拥塞信息Uj。链路图由数据结构Sketch存储，Sketch将链路图的空间复杂度O(n)降低至O(h)，其中，其中n为拓扑图中链路的数量，h为服务器配置的Sketch的存储单元个数。
所述视频清晰度降级表为包含频清晰度等级及其对应的降级概率；降级表中比特率级别为i(0≤i≤n)，其相应降级概率pi应满足以下约束条件：
(1)p0＝0(2)pi≥0，1≤i≤n(3)
Figure GDA0003594300570000041
pi-1≤pi，1≤i≤n
在本发明一实施例中，所述降级表中比特率等级i(1≤i≤n)对应的降级概率的计算方式为
pi＝p×ei-1
Figure GDA0003594300570000042
其中，e为欧拉数，n为最高级别的比特率等级。
所述视频流调度器根据视频请求中的INT信息获取所采集链路的链路号，根据该链路号查询拓扑监视器以获取该链路的拥塞信息Uj，一旦Uj大于预先给定的阈值η，则判定该链路发生了拥塞；对于拥塞的链路，视频流调度器查询拓扑监视器，并根据请求中的视频清晰度等级查询视频清晰度降级表，获得该等级对应的降级概率，再根据该降级概率对请求的视频清晰度进行降级；未发生拥塞的链路则不处理。
采用带内遥测技术能够让服务器实时获得细粒度的网络情况，缓解了客户端自适应视频比特率算法由于网络情况估计不准确而导致的视频比特率误选择问题，有效提高用户体验的公平性。此外，根据带内遥测技术收集的细粒度网络信息维护了一张链路图，可以了解全网的链路拥塞情况，快速定位拥塞链路。使用离线构建的降级表使得服务器只需查表获取概率，并以该概率对视频比特率降级，快速调度视频流。
本发明的基于带内网络遥测的视频流调度方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：客户端向服务器请求下载视频块，服务器发回相应的视频块，视频块以数据包的形式在网络中传输，数据包经过交换机时，以预设的概率选取部分交换机，这些交换机通过带内网络遥测收集数据包通过链路的网络拥塞信息，将这些信息插入数据包的头部，再将数据包传给客户端。
其中，评估网络链路的拥塞情况是利用细粒度网络拥塞信号，具体收集链路的信息包括数据包通过的网络链路的标记号Link ID、端口的速率类型B、时间戳TS、交换机端口发送的总字节数txBytes、队列的长度qLen、标记数据包来自服务器还是客户端的srcType。在本发明一实施例中，所述带内遥测技术收集链路的具体信息在数据包中的存储格式如说明书附图2所示。在数据包中的存放顺序为数据包首部、遥测信息、视频数据，其中遥测信息大小为100比特，用于存放遥测收集的链路信息，其中LinkID占16比特，B占3比特，TS占32比特，txBytes占32比特，qLen占16比特，srcType占1比特。
步骤二：客户端接收数据包后，将网络拥塞信息存入新的视频块请求中，并将新的视频块请求发送给服务器；部署在服务器中的视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息判断链路是否拥塞，如果拥塞，则根据服务器中创建的包括各条链路的链路号以及对应的链路拥塞情况的链路图快速定位拥塞链路位置，并查询服务器内预先构建的视频清晰度降级表，获得降低视频清晰度的概率，并以该概率降低视频清晰度，以减少网络流量，提高用户体验的公平性。
其中，视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息，在服务器端计算出链路拥塞信号Inflight Bytes，判断链路是否拥塞的具体过程如下：
(1)根据如下公式计算得到输出速率txRate
Figure GDA0003594300570000051
其中，txBytes1是当前请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数，txBytes0是上一个请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数；ts1是当前请求所携带遥测信息的交换机时间戳，ts0是上一个请求所携带遥测信息的交换机时间戳；
(2)通过如下公式计算第j条链路的Inflight Bytes的数量Ij
Ij＝qlen+txRate×T
其中，T为网络传输往返时延；qlen为队列长度；
(3)根据如下公式计算得到第j条链路的链路占用率Uj，当Uj＞η时，说明链路已经过载，Uj接近于0说明链路处于空闲状态；其中η为给定阈值。
Figure GDA0003594300570000061
其中，Bj为第j条链路上的B，Uj范围从0到1。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于带内网络遥测的视频流调度方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：客户端向服务器请求下载视频块，服务器发回相应的视频块，视频块以数据包的形式在网络中传输，数据包经过交换机时，以预设的概率选取部分交换机，这些交换机通过带内网络遥测收集数据包通过链路的网络拥塞信息，将这些信息插入数据包的头部，再将数据包传给客户端；
步骤二：所述客户端接收数据包后，将网络拥塞信息存入新的视频块请求中，并将新的视频块请求发送给服务器；部署在所述服务器中的视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息判断链路是否拥塞，如果拥塞，则根据服务器中创建的包括各条链路的链路号以及对应的链路拥塞情况的链路图快速定位拥塞链路位置，并查询服务器内预先构建的视频清晰度降级表，获得降低视频清晰度的概率，并以该概率降低视频清晰度，以减少网络流量；
所述视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息，在服务器端计算出链路拥塞信号Inflight Bytes，判断链路是否拥塞的具体过程如下：
(1)根据如下公式计算得到输出速率txRate
Figure FDA0003635962760000011
其中，txBytes1是当前请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数，txBytes0是上一个请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数；ts1是当前请求所携带遥测信息的交换机时间戳，ts0是上一个请求所携带遥测信息的交换机时间戳；
(2)通过如下公式计算第j条链路的Inflight Bytes的数量Ij
Ij＝qlen+txRate×T
其中，T为网络传输往返时延；qlen为队列长度；
(3)根据如下公式计算得到第j条链路的链路占用率Uj，当Uj＞η时，说明链路已经过载，Uj接近于0说明链路处于空闲状态；其中η为给定阈值；
Figure FDA0003635962760000012
其中，Bj为第j条链路上的B，B为数据包通过的网络链路的端口的速率类型；Uj范围从0到1；qlenj表示第j条链路上数据包所在交换机的队列长度；txRatej表示第j条链路上数据包所在交换机的端口输出速率。
2.根据权利要求1所述的基于带内网络遥测的视频流调度方法，其特征在于，所述步骤一中，采用细粒度网络拥塞信号评估网络链路的拥塞情况，具体收集链路的信息包括数据包通过的网络链路的标记号Link ID、端口的速率类型B、时间戳TS、交换机端口发送的总字节数txBytes、队列长度qLen、标记数据包来自服务器还是客户端的srcType。
3.根据权利要求1所述的基于带内网络遥测的视频流调度方法，其特征在于，存放带内遥测信息的数据包的格式为数据包首部、遥测信息、视频数据。
4.一种基于带内网络遥测的视频流调度系统，其特征在于，该系统包括服务器、客户端以及实现客户端和服务器之间通信的若干个交换机；
所述客户端部署自适应比特率算法，所述客户端根据估计的网络情况向服务器请求一定质量的视频块；所述客户端收到服务器传来的视频数据包后，将数据包内部的带内网络遥测信息取出，并将该信息封装到新的视频请求中，在把该请求发送给服务器；
所述交换机为支持INT信息收集的交换机，其内置INT信息收集模块，用于修改数据包包头的字段，并将交换机的信息插入到数据包包头中，并以一定的概率执行INT；
所述服务器部署视频流调度器和拓扑监视器，以及视频清晰度降级表；所述拓扑监视器用于将视频请求中的带内遥测信息获取出来，并根据该带内遥测信息计算出该带内遥测信息采集链路的网络拥塞信息Uj，并将Uj更新到拓扑监视器中；
所述视频清晰度降级表为包含频清晰度等级及其对应的降级概率；
所述视频流调度器根据视频请求中的INT信息获取所采集链路的链路号，根据该链路号查询拓扑监视器以获取该链路的拥塞信息Uj，一旦Uj大于预先给定的阈值n，则判定该链路发生了拥塞；对于拥塞的链路，视频流调度器查询拓扑监视器，并根据请求中的视频清晰度等级查询视频清晰度降级表，获得该等级对应的降级概率，再根据该降级概率对请求的视频清晰度进行降级；未发生拥塞的链路则不处理；
所述视频流调度器根据数据包携带的链路拥塞信息，在服务器端计算出链路拥塞信号Inflight Bytes，判断链路是否拥塞的具体过程如下：
(1)根据如下公式计算得到输出速率txRate
Figure FDA0003635962760000021
其中，txBytes1是当前请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数，txBytes0是上一个请求所携带遥测信息的交换机端口发送的总字节数；ts1是当前请求所携带遥测信息的交换机时间戳，ts0是上一个请求所携带遥测信息的交换机时间戳；
(2)通过如下公式计算第j条链路的Inflight Bytes的数量Ij
Ij＝qlen+txRate×T
其中，T为网络传输往返时延；qlen为队列长度；
(3)根据如下公式计算得到第j条链路的链路占用率Uj，当Uj＞η时，说明链路已经过载，Uj接近于0说明链路处于空闲状态；其中n为给定阈值；
Figure FDA0003635962760000031
其中，Bj为第j条链路上的B，B为数据包通过的网络链路的端口的速率类型；Uj范围从0到1；qlenj表示第j条链路上数据包所在交换机的队列长度；txRatej表示第j条链路上数据包所在交换机的端口输出速率。
5.根据权利要求4所述的基于带内网络遥测的视频流调度系统，其特征在于，所述链路图由数据结构Sketch存储，Sketch将链路图的空间复杂度O(n)降低至O(h)，其中，n为拓扑图中链路的数量，h为服务器配置的Sketch的存储单元个数。
6.根据权利要求5所述的基于带内网络遥测的视频流调度系统，其特征在于，所述视频清晰度降级表中，对于比特率级别i，1≤i≤n，对应的降级概率pi的计算公式如下：
pi＝p×ei-1
Figure FDA0003635962760000032
其中，e为欧拉数，n为最高级别的比特率等级。
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