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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Terminierung von Wiedergabeanforderungen in Video-auf-Abruf-(VOD-)Systemen.
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In Video-auf-Abruf-Systemen werden
beliebte Videos (d. h. Filme oder andere Programme) häufig von
vielen Betrachtern angefordert. Um den Systemdurchsatz zu erhöhen, kann
an einige Betrachter, die denselben Videofilm anfordern, ein einziger
Videodatenstrom übertragen
werden (den sie sich folglich teilen). Dies wird in der Technik
als Stapelbetrieb (batching) bezeichnet.
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In Abhängigkeit von der Systembelastung kann
ein angeforderter Videofilm gegebenenfalls nicht sofort gestartet
werden. Während
der Betrachter gewöhnlich
eine geringe Wartezeit in Kauf nimmt, kann eine lange Wartezeit
zum Verlust (oder zum Absprung) von Betrachtern führen. Dies
kann beispielsweise geschehen, indem der Betrachter anzeigt (entweder
aktiv oder passiv), dass er nicht mehr daran interessiert ist, den
angeforderten Videofilm zu sehen.
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Ein herkömmlicher Ansatz zur Terminierung von
Videofilmen ist die Anwendung eines First-Come-First-Serve-(FCFS-)Verfahrens.
Bei diesem Verfahren werden alle Videoanforderungen in eine einzige
Anforderungswarteschlange gestellt. Die Anforderung am Anfang der
Warteschlange wird bedient, wenn die zur Bedienung der Anforderung benötigte Systemkapazität zur Verfügung steht. Wenn
der Stapelbetrieb unterstützt
wird, werden alle später
in die Warteschlange gestellten Anforderungen für denselben Videofilm wie die
bediente Anforderung ebenfalls aus demselben Signalstrom bedient.
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Eine Alternative zu dem vorstehenden
Ansatz besteht darin, eine getrennte Anforderungswarteschlange für jeden
Videofilm zu verwalten und den Videofilm mit der längsten Warteschlange
als den Videofilm auszuwählen,
der als Nächstes
gezeigt wird. Dies wird als "Longest-Queue-Length-First-(LQF-)Verfahren"
bezeichnet. Noch ein weiterer Ansatz besteht darin, die beliebtesten
Videofilme in regelmäßigen Abständen (beispielsweise
alle 5 Minuten) zu zeigen. Für
Anforderungen, die nicht durch in regelmäßigen Abständen erfolgende Wiedergaben
bedient würden,
kann ein anderes Terminierungsschema wie zum Beispiel FCFS verwendet
werden.
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Wie zuvor erwähnt wurde, kann ein Betrachter
mit einer wartenden Anforderung abspringen, wenn die Wartezeit die
Toleranzgrenze des Betrachters überschreitet.
Der Absprung von Betrachtern ist natürlich nicht erwünscht. Die
Wahl des Videoterminierungsverfahrens kann beträchtliche Auswirkungen auf den
Umfang des Stapelbetriebs und die Absprungrate haben. Beim FCFS-Verfahren
wird die Stapelgröße nicht
berücksichtigt.
Im Gegensatz dazu ignoriert das LQF-Verfahren die durch die wartenden Anforderungen
bereits entstandene Wartezeit. Eine in regelmäßigen Abständen erfolgende Wiedergabe (bei
alleiniger Nutzung) bietet gegebenenfalls nicht die Flexibilität, die notwendig
ist, um dynamische Lastschwankungen aufzufangen.
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In jüngster Zeit wurde von H. Shachnai
und P. Yu in "The Role of Wait Tolerance in Effective Batching:
A Paradigm for Multimedia Scheduling Schemes", IBM Research Report
RC 20038, April 1995, der durch Bezugnahme Bestandteil hiervon ist,
eine neue Vorgehensweise beim Stapelbetrieb vorgeschlagen. Bei dieser
Vorgehensweise wird die zusätzliche
Wartezeit, die Betrachter in Kauf nehmen, bevor sie abspringen,
zusätzlich
zu der jeweiligen Warteschlangenlänge eines Videofilms s berücksichtigt,
wenn Entscheidungen bezüglich
der Terminierung getroffen werden. Wenn Systemkapazitäten verfügbar werden,
terminiert der Scheduler (Terminierungssteuereinheit) den Videofilm
nicht sofort, sondern verzögert
vielmehr die Übertragung
des Videofilms bis kurz vor Ablauf der maximal tolerierten Wartezeit
bei der von den anstehenden Übertragungsanforderungen
am längsten
wartenden Anforderung. In der Zwischenzeit kommen möglicherweise weitere
Anforderungen für
die Übertagung
des Videofilms zur Warteschlange hinzu. Im Gegensatz zu LQF wird
für den
Videofilm mit der längsten
Warteschlange gegebenenfalls keine Terminierung vorgenommen, wenn
alle wartenden Anforderungen ziemlich neu sind. Dadurch wird verhindert,
dass die beliebtesten Videofilme die Videodatenstromkapazitäten voll
und ganz in Anspruch nehmen. Im Gegensatz zu FCFS wird ein besserer
Stapelbetrieb erreicht. Um diesen Algorithmus jedoch wirksam ausführen zu können, muss
man die Toleranzgrenze des Betrachters kennen. Diese Kenntnis ist
gegebenenfalls nicht ohne weiteres vorhanden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer ersten Erscheinungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 bereit.
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Gemäß einer zweiten Erscheinungsform stellt
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 6 bereit.
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Ein VOD-Scheduler verwaltet eine
Warteschlange mit anstehenden Wiedergaben für jeden Videofilm. Setzt man
das Konzept eines Warteschlangenauswahlfaktors um, wird ein Stapelverarbeitungsverfahren
ausgearbeitet, das den Videofilm mit dem höchsten Auswahlfaktor terminiert.
Auswahlfaktoren erhält
man, indem man unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf die angepassten
Warteschlangenlängen,
die zu jedem Videofilm gehören,
anwendet, wobei das Gewicht mit zunehmender Beliebtheit des jeweiligen
Videofilms abnimmt und die Länge
der Warteschlange angepasst wird, um der Absprungquote Rechnung
zu tragen.
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Zwei alternative Mittel für den Erhalt
von Warteschlangenauswahlfaktoren werden bereitgestellt. Der erste
Ansatz, der als "steady state approach" bezeichnet wird, ist für quasi-statische
oder gleichbleibende Umgebungen ausgelegt, in denen sich die relative
Anforderungshäufigkeit
der verschiedenen Videofilme sehr langsam (im Abstand von Stunden) ändert. Der
zweite Ansatz, der als "instantaneous approach" bezeichnet wird,
ist für
eine dynamischere Umgebung ausgelegt, in der sich die relative Anforderungshäufigkeit
der verschiedenen Videofilme rasch (im Abstand von Minuten) ändert.
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Beim "steady state approach" erhält man den Warteschlangenauswahlfaktor
eines Videofilms, indem man die angepasste Warteschlangenlänge der zugehörigen Warteschlange
des Videofilms durch die Quadratwurzel seiner relativen Anforderungshäufigkeit
teilt. Um der Auswirkung von Absprüngen (defections) Rechnung
zu tragen, wird die Länge
der Warteschlange entsprechend der Anzahl der Absprünge angepasst.
Das heißt,
dass der Scheduler bei der Berechnung des Auswahlfaktors die Anzahl
der Anforderungen für
einen Videofilm seit dessen letzter Terminierung durch die Länge der
Warteschlange ersetzt. Wenn beispielsweise ein hoher Prozentsatz der
Betrachter, der unbeliebten Videofilmen entspricht, sowieso abspringt,
erhöht
die Verwendung der Anzahl der Anforderungen seit der letzten Terminierung
(anstelle der Länge
der Warteschlange) folglich die Fairness des Systems.
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Eine Möglichkeit, die relative Häufigkeit
zu schätzen,
besteht in der Verwendung eines Schätzwertes für bewegte. Fenster (moving
window estimate). Diesen erhält
man, indem man für
jeden Videofilm die Anzahl der Anforderungen zählt, die in einem bewegten
Fenster der ummittelbaren Vergangenheit (zum Beispiel in einem Fenster
der vergangenen Stunde) vorgekommen sind. Glättungsverfahren können ebenfalls
zur Anwendung kommen, um gewichtete Mittelwerte aus früheren Schätzwerten
zu verwenden.
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Da unbeliebte Videofilme eine jeweils
geringere relative Anforderungshäufigkeit
aufweisen, sind die Quadratwurzeln des Kehrwerts ihrer relativen Häufigkeit
größer als
diejenigen der beliebten Videofilme. Somit erhält man die Warteschlangenauswahlfaktoren,
indem man unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf die angepassten
Warteschlangenlängen anwendet,
die die beliebteren Videofilme benachteiligen. Dadurch wird verhindert,
dass beliebte Videofilme die gesamten Videodatenstromkapazitäten in Anspruch
nehmen und häufige Stapel
kleiner Größe bilden
(was bei Verwendung des LQF-Verfahrens
geschieht).
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Beim "instantaneous approach" erhält man den
Warteschlangenauswahlfaktor eines Videofilms, indem man die angepasste
Länge seiner
Warteschlange mit der Zeitspanne multipliziert, die seit der letzten
Terminierung des Videofilms vergangen ist. Obgleich unbeliebte Videofilme
eine geringere Anforderungshäufigkeit
oder kürzere
Warteschlangen. aufweisen, nehmen ihre Auswahlfaktoren zu, je größer die
Zeitspanne wird, die seit ihrer letzten Terminierung verstrichen
ist. Dadurch werden wieder unterschiedliche Gewichtungsfaktoren
bereitgestellt, die die beliebteren Videofilme benachteiligen.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltbild eines Multimedia-Servers;
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2A und 2B sind Flussdiagramme von
Ereignissen, die im Maximum-Selection-Factor-(MSF-)Scheduler (Maximalauswahlfaktor-Scheduler)
verarbeitet werden; und
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3 ist
ein Flussdiagramm einer Videoanforderung, die vom MSF-Scheduler
abgewickelt wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist
ein Blockschaltbild eines Videoservers 100, bei dem Videodaten
(Filme oder andere bewegte visuelle oder audiovisuelle Darstellungen)
auf den Platten 102 gespeichert und auf Anforderung über das
Netzwerk 104 an die Client- Endstationen 103 übertragen
werden. Der Videoserver 100 enthält auch Platten (nicht gezeigt),
die Arbeitsdaten und den Programmcode für den Videoserver 100 speichern.
Andere Speichereinheiten wie zum Beispiel Videorecorder und Jukeboxen
(von denen Filme auf die Platten 102 geladen werden können) können optional
integriert werden.
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Der Programmcode für den Videoserver 100 enthält Prozesse
wie zum Beispiel das Server-Hauptsteuerprogramm, ein Video-Terminierungsprogramm,
ein Kundennutzung-Erfassungsprogramm und herkömmliche Kommunikations-, E/A-
und Pufferspeicher-Verwaltungsprozesse.
Der Videoserver 100 enthält einen Prozessor (d. h. CPU) 101,
der die vom Hauptsteuerprogramm gesteuerten Prozesse ausführt, und
einen Speicherpuffer 105, der zur Zwischenspeicherung von
Teilen der Videofilme dient (wodurch einige Benutzer statt von den
Platten 102 aus dem Speicherpuffer 105 bedient
werden können).
Der Speicherpuffer 105 kann auch zur Abwicklung von Pause/Wiederaufnahme-Anforderungen verwendet
werden, indem er für
Teile eines Videofilms, die von der Platte strömen, während ein Betrachter eine Pause
einlegt, einen Zwischenspeicherbereich bereitstellt. Im Unterschied
zum Scheduler 106 kann der Prozess herkömmlichen Typs sein, der gewöhnlich in
VOD-Systemen verwendet
wird und beispielsweise in "Design and analysis of a look-ahead
scheduling scheme to support pauseresume for video-on-demand applications"
von P. Yu u. a., Multimedia Systems (1995), und "DASD Dancing: A
Disk Load Balancing Optimization Scheme for Video-On-Demand Computer
Systems" von J. Wolf u. a., ACM Sigmetrics, Ottawa, Canada (1994),
beschrieben ist.
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Der Videoserver 100 kann
unter Verwendung eines beliebigen Prozessors realisiert werden,
der leistungsfähig
genug ist, um die zu unterstützende Anzahl
von Videodatenströmen
verarbeiten zu können.
Beispielsweise kann ein Videoserver geringer Kapazität unter
Verwendung eines Systems RISC System/6000 TM realisiert werden,
während
ein Server größerer Kapazität unter
Verwendung eines Systems ES/9000 TM realisiert werden könnte (beide Systeme
sind von der International Business Machines Corporation mit Sitz
in Armonk, New York lieferbar). Diese Platte 102 kann eine
beliebige herkömmliche
Platte oder Plattenanordnung sein. Das Kommunikationsnetzwerk 104 kann
beispielsweise ein Lichtwellenleiternetzwerk oder ein herkömmliches zweiseitig
gerichtetes Kabelnetzwerk sein. Die Client-Stationen 103 können jeweils
als Set-Top-Box (Aufsatzgerät)
ausgeführt
sein.
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Der Scheduler 106 führt mehrere
Tasks aus, die dazu führen,
dass die Wiedergabe angeforderter Videofilme terminiert wird. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt der Scheduler 106 (der
auf dem höchsten
Auswahlfaktor beruht) jede Anforderung in die entsprechende Videowarteschlange,
nachdem er Videoanforderungen von der Client-Station 103 empfangen hat.
Er erfasst den Zeitpunkt der letzten Terminierung eines jeden Videofilms,
die Anzahl der Absprünge seit
der letzten Terminierung und die relative Anforderungshäufigkeit
für jeden
Videofilm.
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Nehmen wir an, dass es N verschiedene
Videofilme gibt und für
jeden Videofilm eine getrennte Warteschlange verwaltet wird. Nehmen
wir weiter an, dass "qi" die Länge
der i-ten Videowarteschlange, "di" die Anzahl der Absprünge seit
der letzten Terminierung an der i-ten Videowarteschlange, "fi" die relative
Anforderungshäufigkeit
des i-ten Videofilms sind und "δti"
die Zeitspanne seit der letzten Terminierung des Videofilms i darstellen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird
das Konzept eines Warteschlangenauswahlfaktors umgesetzt und das
MSF-Verfahren ausgearbeitet, das den Videofilm mit dem höchsten Auswahlfaktor
terminiert. Den Warteschlangenauswahlfaktor erhält man, indem man unterschiedliche
Gewichtungsfaktoren auf die jeweiligen Warteschlangenlängen der
verschiedenen Videofilme anwendet, wobei die Gewichtung mit zunehmender
Beliebtheit des Videofilms abnimmt.
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Zwei alternative Möglichkeiten
für den
Erhalt eines Warteschlangenauswahlfaktors werden bereitgestellt.
Der "steady state approach" ist für eine quasi-statische oder
gleichbleibende Umgebung ausgelegt, in der sich die relative Anforderungshäufigkeit der
verschiedenen Videofilme nur sehr langsam (im Abstand von Stunden) ändert. Der
"instantaneous approach" ist für
eine dynamischere Umgebung ausgelegt, in der sich die relative Anforderungshäufigkeit der
verschiedenen Videofilme rasch (im Abstand von Minuten) ändern kann.
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Beim "steady state approach" erhält man den Warteschlangenauswahlfaktor
eines Videofilms, indem man die angepasste Länge der Warteschlange eines
Videofilms s durch die Quadratwurzel der relativen Anforderungshäufigkeit
des Videofilms s teilt. Die angepasste Länge der Warteschlange eines
Videofilms s ist die Anzahl der Anforderungen seit seiner letzten
Terminierung, verringert um die Anzahl der Absprünge seit dieser letzten Terminierung.
"wi", den Warteschlangenauswahlfaktor der i-ten Videowarteschlange,
erhält
man wie folgt:
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Ein Verfahren zur Schätzung der
relativen Anforderungshäufigkeit
besteht in der Verwendung eines Schätzwerts für bewegte Fenster, den man
erhält,
indem man für
jeden Videofilm die Anzahl der Anforderungen zählt, die in einem bewegten
Fenster eines vergangenen Zeitraums (zum Beispiel einem Fenster
der vergangenen Stunde) vorkommen. Glättungsverfahren zur Vorhersage
können
ebenfalls zur Anwendung kommen, um gewichtete Mittelwerte aus früheren Schätzwerten
zu verwenden (wie es beispielsweise von F. Hiller und 0. Lieberman
in Operations Research, Second Edition (1974), Holden-day, Seiten
522 bis 526 beschrieben ist).
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Da unbeliebte Videofilme eine geringere
relative Anforderungshäufigkeit
aufweisen, sind die Quadratwurzeln des Kehrwerts ihrer relativen
Häufigkeit
größer als
diejenigen der beliebten Videofilme. Somit erhält man die Warteschlangenauswahlfaktoren,
indem man unterschiedliche Gewichtungsfaktoren auf die angepassten
Warteschlangenlängen
anwendet, die die beliebteren Videofilme benachteiligen. Dadurch
wird verhindert, dass beliebte Videofilme die gesamten Videodatenstromkapazitäten in Anspruch
nehmen und häufige
Stapel kleiner Größe bilden
(was bei Verwendung des LQF- Verfahrens geschieht).
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Beim "instantaneous approach" erhält man den
Warteschlangenauswahlfaktor eines Videofilms, indem man die angepasste
Länge der
Warteschlange des Videofilms s mit der Zeitspanne multipliziert, die
seit der letzten Terminierung des Videofilms vergangen ist. Dies
wird wie folgt ausgedrückt: wi = (qi + di)δti
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Obgleich unbeliebte Videofilme eine
geringere Anforderungshäufigkeit
oder kürzere
Warteschlangen aufweisen, nehmen ihre Auswahlfaktoren zu, je größer die
Zeitspanne wird, die seit ihrer letzten Terminierung verstrichen
ist. Dadurch werden wieder unterschiedliche Gewichtungsfaktoren
bereitgestellt, die die beliebteren Videofilme benachteiligen.
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Als Nächstes wird geprüft, welche
Auswirkung das MSF-Terminierungsverfahren
auf die Fairness des Systems im Vergleich zum LQF-Verfahren hat.
Intuitiv misst die Funktion zur Ermittlung der Fairness des Systems
die Schwankungen in der Dienstgüte,
die über
verschiedene Videofilme hinweg bereitgestellt wird. LQF ist gegenüber den
unbeliebten Videofilmen ziemlich unfair, da die Warteschlange für einen
beliebten Videofilm gewöhnlich
viel schneller aufgebaut wird als die Warteschlange für einen
unbeliebten Videofilm. Die Verwendung des Warteschlangenauswahlfaktors
gleicht die unfaire Behandlung aus, indem den unbeliebten Videofilmen
der Vorzug gegeben wird. Somit ist das MSF-Verfahren wesentlich
fairer als das LQF-Verfahren.
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Die 2A und 2B sind Flussdiagramme von
Ereignissen, die im MSF-Scheduler verarbeitet werden. Jede der Tasks
kann für
verschiedene Anforderungen parallel ausgeführt werden. Der Videodatenstrom-Scheduler
ist vorzugsweise jedoch ein Serialisierungspunkt. Das heißt, der
Videodatenstrom-Scheduler kann vorzugsweise jeweils nur von einer
Task oder einem Ereignis aufgerufen werden, und sobald er einmal
aufgerufen wurde, wickelt er den Videodatenstrom vollständig ab.
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2A ist
ein Flussdiagramm der Abwicklung von Videoanforderungen durch den
MSF-Scheduler. Jedes Mal, wenn ein Betrachter eine neue Anforderung
für die
Wiedergabe eines Videofilms stellt, wird ihre Ankunft am VOD-System
vom Scheduler im Schritt 202 festgestellt. Als Nächstes,
im Schritt 204, ermittelt der Scheduler auf der Grundlage
des angeforderten Videofilms die entsprechende Warteschlange für die Anforderung
und stellt die Anforderung dementsprechend in die richtige Warteschlange.
Im Schritt 206 stellt der Scheduler dann fest, ob der Server über freie
Videodatenstromkapazität
verfügt. Wenn
keine Kapazität
verfügbar
ist, um die Anforderung zu bedienen, beendet der Scheduler den Prozess
im Schritt 208. An diesem Punkt kann die Anforderung erst
terminiert werden, wenn ein gerade laufender Videofilm zu Ende ist
und seine zugehörige
Videodatenstromkapazität
freigegeben wird. Wenn auf dem Server Videodatenstromkapazität verfügbar ist, ruft
der Scheduler im Schritt 210 die Videodatenstrom-Terminierungstask
von 3 auf.
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2B ist
ein Flussdiagramm einer vom MSF-Scheduler vorgenommenen Beendigung
eines Videofilms. Die Beendigung eines Videofilms wird vom Scheduler
im Schritt 212 festgestellt. Ein Videofilm kann entweder
beendet werden, indem die Wiedergabe am vorgesehen Ende der Laufzeit
des Videofilms abgeschlossen wird oder indem alle Betrachter des
Videofilms den Videofilm abbrechen (die Wiedergabe vorzeitig beenden).
Im Schritt 214 gibt der Scheduler die Videodatenstromkapazität frei,
indem er sie als "zur Verfügung
stehend" kennzeichnet (die Nutzung oder der Verfügbarkeitsstatus einer jeden Videodatenstromkapazität wird herkömmlicherweise vom
Video-Server mittels einer Status-Tabelle überwacht).
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Im Schritt 216 prüft der Scheduler
die Anforderungswarteschlangen, um festzustellen, ob sie leer sind
(d. h., in keiner der Video-Warteschlangen gibt es anstehende Anforderungen.)
Wenn alle Anforderungswarteschlangen leer sind, beendet der Scheduler
im Schritt 218 den Prozess. Andernfalls, wenn die Anforderungswarteschlangen
nicht leer sind (d. h., es gibt wartende Anforderungen), ruft der
Scheduler im Schritt 220 die Videodatenstrom-Terminierungstask von 3 auf.
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3 ist
ein Flussdiagramm von Videoanforderungen, die vom MSF-Scheduler
abgewickelt werden, um den Warteschlangenauswahlfaktor zu berechnen.
Der Scheduler 106 wird aufgerufen, wenn ein Videodatenstrom
verfügbar
wird oder wenn eine neue Videoanforderung eintrifft. Im Schritt 305 werden
W und S gleich Null gesetzt, wobei W den höchsten Auswahlfaktor unter
den abgefragten Videowarteschlangen und S den entsprechenden Index
der Videowarteschlange erfasst. Im Schritt 310 wird i auf den
Anfangswert 1 gesetzt, wobei i der laufende Index zur Abfrage aller
Videowarteschlangen ist.
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Im Schritt 315 prüft der Scheduler,
ob der Wert von i größer als
die Anzahl N der Videowarteschlangen ist. Dieser Schritt wird durchgeführt, um festzustellen,
ob alle Videowarteschlangen geprüft wurden.
Wenn nicht, schaltet der Scheduler zum Schritt 320. Wenn
qi im Schritt 320 ungleich 0 ist, wird der Warteschlangenauswahlfaktor
(wi) entweder im Schritt 325 oder im Schritt 325a (in
Abhängigkeit
davon, ob der "steady state approach" oder der "instantaneous approach"
zur Anwendung kommt) berechnet. Im Schritt 330 wird wi
mit W verglichen. Wenn wi größer ist,
setzt der Scheduler im Schritt 340 den Wert von W zurück, um den
größten bisher
abgefragten Warteschlangenauswahlfaktor zu erfassen, und er setzt
auch S zurück,
um anzuzeigen, dass die i-te Videowarteschlange den größten Warteschlangenauswahlfaktor
unter den ersten i Videowarteschlangen hat. Im Schritt 345 wird
i um 1 erhöht.
Anschließend
wird der Schritt 315 durchgeführt.
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Gemäß der Beschreibung des vorstehend dargelegten
Schrittes 315 wurden alle Videowarteschlangen geprüft, wenn
der Wert von i größer N ist. Im
Schritt 350 wählt
der Scheduler den Videofilm S zur Terminierung aus und beendet den
Prozess anschließend
im Schritt 360.
