一种信息中心网络系统及视频传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种信息中心网络系统及视频传输方法，系统中每个节点都包括控制层、传输层以及本地缓存；控制层包括相互连接的统计模块和控制模块；统计模块用于统计链路状态和请求信息；控制模块用于确定将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，以及更新当前节点本地缓存的更新策略；传输层包括视频块传输模块、请求包推送模块及本地缓存更新模块；视频块传输模块用于在视频块命中本地缓存时，将所请求的视频块返回至上游节点，或者将到达本地节点的视频块返回至上游节点；请求包推送模块用于将实际兴趣请求包推送至下游节点；本地缓存更新模块用于定期更新当前节点的本地缓存。本发明专利技术能够最大化总的用户请求速率，提升用户体验。

【技术实现步骤摘要】
一种信息中心网络系统及视频传输方法
本专利技术属于网络视频传输领域，更具体地，涉及一种信息中心网络系统及视频传输方法。
技术介绍
根据统计数据显示，2011至2017年间移动设备所产生的数据量增长了近25倍，其中视频流量的占比超过70％。此外，大量的网络视频设备(摄像头，监控设备等)所产生的海量视频数据对核心网络造成了巨大冲击，视频数据的广泛流行、用户(设备)数目的增加以及用户对于视频质量的要求提高都意味着核心网络需要更高的传输速率与之相匹配。然而，单纯增加链路带宽无法从根本上提升核心网络的数据承载能力。信息中心网络(ICN)作为一种基于信息内容实体(NDO)的新型网络架构，消除了IP地址的概念以及客户机—服务器的信息传输模式，网络中所有节点均具备存储与转发功能。信息中心网络利用节点本身的缓存功能，使得数据在任意网络节点可以进行复制、转发与缓存，从而实现网络数据的高效传输与快速获取。动态自适应流媒体技术使得客户端可以根据网络带宽变化对所传输视频的清晰度进行实时调节，提升用户体验。信息中心网络与动态自适应流媒体技术都是基于用户驱动的应用，同时数据都是基于块传输，因此具有天生的良好匹配性。然而在信息中心网络中大规模应用动态自适应流媒体技术仍然存在很大的挑战。首先，系统需要同时应对内容流行度，用户请求以及链路状态的变化，同时进行数据推送、缓存更新以及编码速率的调节。所有这些功能都必须集成于网络中任意一个节点，因为信息中心网络已经移除了客户—服务器的信息传输架构。这增加了新网络架构设计的复杂度。其次，现有的路由和缓存协议与信息中心网络架构无法兼容。因此需要对信息推送以及缓存更新策略进行重新设计。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了及视频传输方法，其目的在于，在网络稳定域内最大化总的用户请求速率，以缓解海量数据对于核心网络的冲击，并减小网络流媒体的传输时延，提升用户体验。为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种信息中心网络系统，包括多个节点，每个节点都包括：控制层、传输层以及本地缓存；本地缓存用于缓存多个视频块；控制层包括：统计模块，以及与统计模块相连的控制模块；统计模块用于统计链路状态和请求信息；控制模块用于根据统计模块所统计的信息确定将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，以及确定更新当前节点本地缓存的更新策略；传输层包括：视频块传输模块、请求包推送模块以及本地缓存更新模块；视频块传输模块用于在实际兴趣请求包所请求的视频块命中当前节点的本地缓存时，将所请求的视频块返回至上游节点，以响应实际兴趣请求包，或者在视频块被传输至当前节点时，将该视频块返回至上游节点；请求包推送模块用于按照先后顺序，根据推送路径，将未得到当前节点响应的实际兴趣请求包推送至下游节点；本地缓存更新模块用于以时隙为周期，定期根据更新策略更新当前节点的本地缓存；其中，每一种实际兴趣请求包对应一种用户请求，且实际兴趣请求包封装有请求种类、所请求视频块的ID以及视频清晰度，请求信息包括每一种到达当前节点的实际兴趣请求包的数量，上游节点为将实际兴趣请求包推送至当前节点的节点。进一步地，统计模块统计请求信息，包括：针对每一种用户请求分别创建一条虚拟兴趣请求包队列；当实际兴趣请求包到达当前节点时，生成一个或多个对应的虚拟兴趣请求包，每一个虚拟兴趣请求包均保存有该实际兴趣请求包的请求种类、所请求视频块的ID以及视频清晰度；将所生成的虚拟兴趣请求包加入对应的虚拟兴趣请求包队列；当实际兴趣请求包得到当前节点的响应或该实际兴趣请求包被推送至下游节点时，对应的虚拟兴趣请求包队列中减少一个或多个虚拟兴趣请求包；对于任意一种实际兴趣请求包，获得对应虚拟兴趣请求包队列的长度以统计其数量；其中，实际兴趣请求包达到当前节点时生成的虚拟兴趣请求包的数量，以及实际兴趣请求包得到当前节点的响应或该实际兴趣请求包被推送至下游节点时，对应的虚拟兴趣请求包队列中减少的虚拟兴趣请求包的数量，均可根据实际的应用需求进行调整，从而实现对虚拟兴趣请求包的生成速率和减少速率的控制，进而实现对用户请求速率的控制和优化，减小系统开销。进一步地，控制模块根据统计模块所统计的信息确定用于将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，包括：根据统计模块所统计的链路状态，获得与当前节点直接相连的节点；对于任意一个与当前节点直接相连的节点B，分别计算节点B与当前节点之间的链路AB上每一种实际兴趣请求包的推送速率；将推送速率最大的链路确定为将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径；在任意时隙t的开始时刻，任意请求n所对应的实际兴趣请求包在链路AB上的推送速率的计算公式如下：其中，为时隙t的开始时刻链路AB上与请求n相对应的实际兴趣请求包的推送速率，CAB为链路AB的传输容量，Z1为视频清晰度最低时实际兴趣请求包所请求视频块的大小，表示时隙t的开始时刻请求n所对应的实际兴趣请求包在链路AB上传输的权重差值，和分别为当前节点和节点B上与请求n相对应的虚拟兴趣请求包的数量，ωn为请求n的归一化参数，n*(t)表示时隙t的开始时刻使得链路AB上传输权重差值最大的请求种类，为中间变量，表示定义为，()+表示取非负运算；根据理论分析及实验结果，在任一时刻，位于推送队列最前端的实际兴趣请求包所对应的请求，极有可能就是请求数目积压较多的请求，因此，根据传输权重差值计算推送速率能够使得请求数目积压量较多的用户请求得到优先服务，确保用户请求的稳定，缓解拥塞，从而使网络中大多数用户的请求得到及时响应。进一步地，请求包推送模块按照先后顺序，根据推送路径，将未得到当前节点响应的实际兴趣请求包推送至下游节点，包括：维护一个推送队列，用于按先后顺序保存未得到当前节点响应且未推送至下游节点的实际兴趣请求包；对于推送队列最前端的实际兴趣请求包，根据控制模块所确定的推送路径，将该实际兴趣请求包从推送队列中移除并推送至下游节点；重复此步骤，以持续推送推送队列中的实际兴趣请求包，与此同时，若到达当前节点的实际兴趣请求包未得到当前节点本地缓存的响应，则将该实际兴趣请求包加入推送队列。进一步地，本专利技术所提供的信息中心网络系统还包括临时缓存，用于缓存当前时隙内到达当前节点的视频块；并且控制模块根据统计模块所统计的信息确定更新当前节点本地缓存的更新策略，包括：设置长度为T个时隙的滑动窗口，滑动窗口随着时间的推移而移动；在任意时隙t，获得滑动窗口内与视频块相对应的虚拟兴趣请求包的数量作为对应视频块的流行度，并分别计算临时缓存和本地缓存中视频块的流行度和体积之比；将临时缓存和本地缓存中的视频块按照流行度和体积之比从大到小的顺序进行排序，并根据本地缓存的容量确定存入本地缓存的多个视频块，用于更新本地缓存，以保证本地缓存所缓存的多个视频块为流行度和体积之比最大的多个视频块。进一步地，本地缓存更新模块以时隙为周期，定期根据更新策略更新该节点的本地缓存，包括：在每一个时隙，将控制模块所确定的用于更新本地缓存的多个视频块存入本地缓存，以更新本地缓存，并在本地缓存更新完成后清空临时缓存。按照本专利技术的第二方面，提供了一种基于本专利技术第一方面所提供的信息中心网络系统的视频传输方法，用于处理实际兴趣请求包，包括如下步骤：(S1)在未响应该实际兴趣本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信息中心网络系统，包括多个节点，其特征在于，每个节点都包括：控制层、传输层以及本地缓存；所述本地缓存用于缓存多个视频块；所述控制层包括：统计模块，以及与所述统计模块相连的控制模块；所述统计模块用于统计链路状态和请求信息；所述控制模块用于根据所述统计模块所统计的信息确定将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，以及确定更新当前节点本地缓存的更新策略；所述传输层包括：视频块传输模块、请求包推送模块以及本地缓存更新模块；所述视频块传输模块用于在实际兴趣请求包所请求的视频块命中当前节点的本地缓存时，将所请求的视频块返回至上游节点，以响应实际兴趣请求包，或者在视频块被传输至当前节点时，将该视频块返回至上游节点；所述请求包推送模块用于按照先后顺序，根据所述推送路径，将未得到当前节点响应的实际兴趣请求包推送至下游节点；所述本地缓存更新模块用于以时隙为周期，定期根据所述更新策略更新当前节点的本地缓存；其中，每一种实际兴趣请求包对应一种用户请求，且实际兴趣请求包封装有请求种类、所请求视频块的ID以及视频清晰度，所述请求信息包括每一种到达当前节点的实际兴趣请求包的数量，所述上游节点为将实际兴趣请求包推送至当前节点的节点。...

【技术特征摘要】
1.一种信息中心网络系统，包括多个节点，其特征在于，每个节点都包括：控制层、传输层以及本地缓存；所述本地缓存用于缓存多个视频块；所述控制层包括：统计模块，以及与所述统计模块相连的控制模块；所述统计模块用于统计链路状态和请求信息；所述控制模块用于根据所述统计模块所统计的信息确定将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，以及确定更新当前节点本地缓存的更新策略；所述传输层包括：视频块传输模块、请求包推送模块以及本地缓存更新模块；所述视频块传输模块用于在实际兴趣请求包所请求的视频块命中当前节点的本地缓存时，将所请求的视频块返回至上游节点，以响应实际兴趣请求包，或者在视频块被传输至当前节点时，将该视频块返回至上游节点；所述请求包推送模块用于按照先后顺序，根据所述推送路径，将未得到当前节点响应的实际兴趣请求包推送至下游节点；所述本地缓存更新模块用于以时隙为周期，定期根据所述更新策略更新当前节点的本地缓存；其中，每一种实际兴趣请求包对应一种用户请求，且实际兴趣请求包封装有请求种类、所请求视频块的ID以及视频清晰度，所述请求信息包括每一种到达当前节点的实际兴趣请求包的数量，所述上游节点为将实际兴趣请求包推送至当前节点的节点。2.如权利要求1所述的信息中心网络系统，其特征在于，所述统计模块统计请求信息，包括：针对每一种用户请求分别创建一条虚拟兴趣请求包队列；当实际兴趣请求包到达当前节点时，生成一个或多个对应的虚拟兴趣请求包，每一个虚拟兴趣请求包均保存有该实际兴趣请求包的请求种类、所请求视频块的ID以及视频清晰度；将所生成的虚拟兴趣请求包加入对应的虚拟兴趣请求包队列；当实际兴趣请求包得到当前节点的响应或该实际兴趣请求包被推送至下游节点时，对应的虚拟兴趣请求包队列中减少一个或多个虚拟兴趣请求包；对于任意一种实际兴趣请求包，获得对应虚拟兴趣请求包队列的长度以统计其数量。3.如权利要求2所述的信息中心网络系统，其特征在于，所述控制模块根据所述统计模块所统计的信息确定用于将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径，包括：根据所述统计模块所统计的链路状态，获得与当前节点直接相连的节点；对于任意一个与当前节点直接相连的节点B，分别计算所述节点B与当前节点之间的链路AB上每一种实际兴趣请求包的推送速率；将推送速率最大的链路确定为将实际兴趣请求包推送至下游节点的推送路径；在任意时隙t的开始时刻，任意请求n所对应的实际兴趣请求包在所述链路AB上的推送速率的计算公式如下：其中，为时隙t的开始时刻所述链路AB上与请求n相对应的实际兴趣请求包的推送速率，CAB为所述链路AB的传输容量，Z1为视频清晰度最低时实际兴趣请求包所请求视频块的大小，表示t时刻请求n所对应的实际兴趣请求包在所述链路AB上传输的权重差值，和分别为当前节点和所述节点B上与请求n相对应的虚拟兴趣请求包的数量，ωn为请求n的归一化参数，n*(t)表示t时刻使得所述链路AB上传输权重差值最大的请求种...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晶晶，贾日恒，喻莉，文朝埻，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42