一種應用于云媒體系統的群組帶寬管理優化方法
【專利摘要】本發明公開一種應用于云媒體系統的群組帶寬管理優化方法，包括：在帶有社交性質的云媒體系統中，進行群組的劃分，在各群組分別選一個協調者，各群組成員的代理虛擬機必須位于同一數據中心；將云媒體系統運行周期切割成若干個時間段；在各時間段，協調者獲取各群組信息；基于群組構建QoE模型，根據云媒體系統狀態信息及群組信息決策出帶寬分配方案；將帶寬分配決策信息寫入SDN交換機，進行帶寬劃分；根據帶寬劃分情況，群組中的協調者與多媒體服務器建立一條下載鏈路，下載內容通過P2P的方式在群組中分發。采用本方法來對云媒體系統的帶寬進行管理，有效的解決了多媒體數據中心下載鏈路擁擠，同時能夠提高下載帶寬實際利用效率。
【專利說明】-種應用于云媒體系統的群組帶寬管理優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及視頻流媒體技術和云計算資源管理領域，更具體地，涉及一種應用于 云媒體系統的群組帶寬管理優化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著近年來在線視頻產業、終端技術和網絡帶寬的高速發展，多媒體應用已經成 為人們生活中不可或缺的互聯網應用。另一方面，云計算技術的日趨成熟催生了 "瘦終 端-云"的服務模式，在這種模式下，用戶的終端設備與云端高性能計算資源互聯，并享受到 高質量的服務。將這種模式應用了多媒體環境滋生了一種新型的云計算服務--云媒體， 如圖1為云媒體系統的基本架構圖。
[0003] 其核心組件是云媒體數據中心，主要包括云媒體基礎設施層和多媒體應用層。從 基礎設施的層面來說，云媒體數據中心為每個用戶終端維持一個虛擬機，其作用類似于一 個高性能的代理服務器；從多媒體應用層面來說，云媒體數據中心為終端用戶提供多媒體 內容分發、處理（比如轉碼）和個性化廣告推送等服務。
[0004] 在云媒體系統中，多媒體應用請求（比如觀看一個視頻）由用戶終端發起。多媒 體應用請求分為單個用戶請求和群組用戶請求兩種，這是根據同步觀看同一個多媒體資源 的人數來界定的。實際上，這兩種請求廣泛并存于多媒體應用中：單個用戶請求常見于傳統 的多媒體應用（比如視頻點播網站）；群組請求常見于帶有社交性質的多媒體系統中（比 如社交電視）。
[0005] 在一個具有社交性質的云媒體系統中，當用戶終端發起一個多媒體應用請求時， 它的代理虛擬機會與多媒體內容服務器建立一條流式下載鏈路，實時地對多媒體流進行處 理（比如實時轉碼和廣告推送等），并按需地對多媒體內容進行緩存，最后把經過處理的多 媒體流發送給用戶終端。這種處理流程適應于處理單個用戶請求，但對于群組請求，如果群 組中每個成員的虛擬機都與內容服務器建立單獨的下載鏈路，那么會造成多媒體數據中心 下載鏈路擁擠以及下載帶寬實際利用效率不高的情況。
[0006] 綜上所述，在云媒體系統中，設計一種基于社交網絡關系的群組帶寬管理策略，來 應對群組請求帶來的流量高峰以及提高云媒體數據中心下載帶寬的實際利用效率是很有 必要的。
[0007] 現有主要的基于社交網絡關系的群組帶寬管理策略主要包括以下方式：
[0008] 1)每個群組用戶的代理虛擬機單獨建立與多媒體內容服務器的下載鏈路，從服務 器接收對應的媒體流（這個鏈路是唯一的，其它虛擬機不能占用），并且能夠對媒體進行開 始、停止、暫停或進度條拖動等操作。該虛擬機對這個多媒體流擁有控制權。
[0009] 這種技術要求群組中每個虛擬機各自連接服務器，服務器需要給每個虛擬機建立 單獨的數據流鏈路，對多媒體內容服務器的計算資源和網絡帶寬的需求都比較大。另一方 面，該方式也會造成云媒體數據中心的下載鏈路擁擠。
[0010] 2)群組用戶的代理虛擬機被動地接收媒體流。在這個過程中，虛擬機接收流，但 不能控制流，虛擬機不能進行開始、停止等操作。數據發送分為單播發送和廣播發送兩種方 式：使用單播發送時，服務器需要將數據包復制多個拷貝，以多個點對點的方式分別發送到 需要它的虛擬機，而使用廣播發送時，單一的數據包拷貝將發送給所有的虛擬機，而不管該 虛擬機是否需要這個數據包。
[0011] 在該技術中，不管采用哪種數據發送方式，都會非常浪費多媒體服務器的計算資 源和網絡帶寬。另一方面，該技術不能緩解群組請求給云媒體數據中心帶來的下載擁擠。
[0012] 3)該技術吸收了上述兩種方式的長處，克服了上述兩種技術數據發送方式的弱 點，將單一的數據包拷貝發送給請求的所有虛擬機。這種方式不會復制數據包的多個拷貝 傳輸到網絡上，也不會將數據包發給不需要它的虛擬機，保證了網絡上多媒體應用占用網 絡的最小帶寬。
[0013] 該技術不僅需要多媒體內容服務器的支持，更需要有多播路由器乃至整個網絡結 構的支持。另外，該技術方案也沒有解決群組請求所帶來的下載擁擠問題。
[0014] 4)該技術采用預留帶寬的策略解決群組請求帶來的下載擁堵問題。通過預測云媒 體系統同一時刻的群組請求個數以及群組的規模，計算出最大需求的帶寬并進行部署。
[0015] 該技術大大增加了云媒體系統的帶寬開銷，系統空閑時過剩的帶寬處于閑置狀 態，造成浪費。另一方面，云媒體系統的用戶行為是動態的，未來的群組請求個數以及規模 都是不能精確預測的，這會給預留帶寬的設定帶來困難。
【發明內容】
[0016] 為了克服現有的帶社交性質的云媒體系統處理群組請求的不足，本發明提出一種 應用云媒體系統中的群組帶寬管理優化方法。本方法充分利用群組請求的特征，單個群組 只與多媒體服務器建立一條下載鏈路，下載內容通過P2P的方式在群組中分發。對于云媒 體數據中心下載帶寬有限的情況，本發明通過建立基于群組的QoE模型，設計出基于群組 的帶寬分配方案，并通過SDN交換機將劃分的帶寬分配給對應的群組。
[0017] 為了實現上述目的，本發明的技術方案為：
[0018] 一種應用于云媒體系統的群組帶寬管理優化方法，包括以下步驟：
[0019] S1.在帶有社交性質的云媒體系統中，將用戶群進行群組的劃分，在各群組分別選 舉出一個協調者，其中各群組成員的代理虛擬機必須位于同一數據中心；
[0020] S2.將云媒體系統運行周期切割成若干個時間段；
[0021] S3.在每一個時間段里，通過各群組的協調者獲取各群組信息；
[0022] S4.基于群組構建QoE模型，根據云媒體系統狀態信息以及群組信息，動態的決策 出帶寬分配方案，該帶寬分配方案在云媒體系統運行周期內保證帶寬開銷最小，同時保證 用戶體驗質量大于一個給定閾值；
[0023] S5.將帶寬分配決策信息寫入SDN交換機，SDN交換機進行帶寬劃分；
[0024] S6.根據帶寬劃分情況，群組中的協調者與多媒體服務器建立一條下載鏈路，下載 內容通過P2P的方式在群組中分發。
[0025] 步驟S1中的各群組的協調者可以是群組發起者，協調者負責采集本群組各個成 員的信息，如是否付費用戶、需求碼率等。采用本方法來對云媒體系統的帶寬進行管理，有 效的解決了多媒體數據中心下載鏈路擁擠，同時能夠提高下載帶寬實際利用效率。
[0026] 在本發明中，系統運行期被分為一個個時間槽，本發明帶寬分配方案目標是"最小 化平均帶寬開銷（也就是運行期內產生的所有帶寬開銷除以時間槽的個數）"，并把"平均 用戶Q〇E值總和大于一個閾值"作為一個限制條件。
[0027] 更進一步的，步驟S4中狀態信息和群組信息包括單位帶寬開銷、云媒體系統中 群組的個數、各群組內的付費用戶的人數、各群組內的免費用戶的人數，以及每個用戶需求 的多媒體碼率。
[0028] 在多媒體系統中，QoE指標衡量了用戶對服務的滿意程度，是衡量一個系統最重要 的指標之一。則步驟S4基于群組構建QoE模型的具體方式為：
[0029] 1)計算單個用戶的QoE
[0030] 對于群組i中的用戶j，其QoE為：
[0031]
【權利要求】
1. 一種應用于云媒體系統的群組帶寬管理優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
51. 在帶有社交性質的云媒體系統中，將用戶群進行群組的劃分，在各群組中分別選出 一個協調者，其中各群組成員的代理虛擬機必須位于同一數據中心；
52. 將云媒體系統運行周期切割成若干個時間段；
53. 在每一個時間段里，通過各群組的協調者獲取各群組信息；
54. 基于群組構建QoE模型，根據云媒體系統狀態信息以及群組信息決策出帶寬分配 方案，該帶寬分配方案在云媒體系統運行周期內保證帶寬開銷最小，同時保證Q〇E大于一 個給定閾值；
55. 將帶寬分配決策信息寫入SDN交換機，SDN交換機進行帶寬劃分；
56. 根據帶寬劃分情況，群組中的協調者與多媒體服務器建立一條下載鏈路，下載內容 通過P2P的方式在群組中分發。
2. 根據權利要求1所述的優化方法，其特征在于，步驟S4中狀態信息和群組信息包括 單位帶寬開銷、云媒體系統中群組的個數、各群組內的付費用戶的人數、各群組內的免費用 戶的人數，以及每個用戶需求的多媒體碼率。
3. 根據權利要求2所述的優化方法，其特征在于，步驟S4基于群組構建QoE模型的具 體方式為： 1) 計算單個用戶的Q〇E 對于群組i中的用戶j，其QoE為：
其中，代表群組i分配得到的帶寬，代表群組i中用戶j請求的多媒體碼率，常 里 、七矛口 。，&iln￡i2 - ct q - 5 ； 用戶的QoE取值空間為[0,5]，QoE值隨著分配到其群組帶寬的大小變化而改變； 2) 計算同一時間點t所有群組的QoE值總和q(t)的方法：
其中，λ (t)表示t時刻云媒體系統中群組個數，nf表示群組i中免費用戶的人數， 表示群組i中付費用戶的人數，μ表示付費用戶的加權因子。
4. 根據權利要求3所述的優化方法，其特征在于，步驟S4中最小化帶寬開銷采用 Lyapunov方法優化，將狀態信息和群組信息作為該優化問題的已知條件，將群組QoE值作 為約束條件，并同時設置一個可容忍Q〇E的下界來保證用戶體驗質量QoE，然后解出最優解 作為決策結果。
5. 根據權利要求4所述的優化方法，其特征在于，為了使用Lyapunov優化框架，將基于 平均時間的約束條件轉化為基于隊列穩定性的條件，在這個優化問題中定義一個虛擬隊列 Q(t)：
其中ε表示單個用戶QoE的下屆閾值，λ表示λ (t)的平均值，也就是同一時刻平均 群組個數。；F表示單個群組的平均規模，?的大小取決于單個群組中用戶的個數以及付費 用戶的比例。隊列Q(t)衡量了實際QoE跟期望QoE閾值之差的累計； L(Q(t))用于衡量該隊列的大小，△ (Q(t))表示相鄰兩個時間段隊列數組的變化量， 艮P A(Q(t)) =L(Q(t+l))-L(Q(t)); 依據狀態信息和群組信息在每一個時間段內計算出滿足 min(A(Q(t))+V*C(d(t) ·!；))的帶寬部署策略d(t)和帶寬分配向量?(?)，完成本時間段 的決策； 帶寬分配向量通過求解GKP函數，使得其滿足min ( Λ (Q (t)))，即尋找一個帶寬分 配策略，使得它滿足max(q(t)); 上述V是一個可控參數，C(d(t) · I；)表示一個時間段內帶寬的開銷，其根據ISP的計 費方式得到。
6. 根據權利要求3所述的優化方法，其特征在于，還能通過對付費用戶的加權因子進 行調參，從而實現控制付費用戶QoE值對群組QoE總和的影響。
【文檔編號】H04N21/2385GK104104973SQ201410261841
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】吳迪, 薛政 申請人:中山大學