一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，首先设计一个综合考虑视频播放质量和网络吞吐量的效用值计算方法，然后以最大化一个节点所有请求的视频片段效用值为目标，得到最大化的视频片段效用值，最后利用最大化的视频片段效用值，采用数据调度贪心算法，以一个节点缓存窗口内所有请求的视频片段效用值最大化为目标，基于发送节点可用带宽，对视频片段进行调度规划，即完成对等网络流媒体播放系统中的数据调度；该算法以近似达到最大化视频播放质量和最大化网络吞吐量两个优化目标，有效的提高对等网络流媒体播放系统中的视频播放质量和网络吞吐量，提高系统服务质量和降低服务器带宽开销。

【技术实现步骤摘要】
一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法
本专利技术涉及计算机网络、对等网络技术、流媒体
，具体一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法。
技术介绍
随着宽带网络的发展和普及，用户通过互联网观看视频的需求日益增长。互联网视频主要采用流媒体技术进行传输，在将流媒体视频由服务器传输到广大客户端时，早期的流媒体播放系统陆续采用了客户端/服务器(C/S，Client/Server)模式、内容分发网络(CDN，ContentDeliveryNetwork)模式。由于用户规模的剧增，C/S模式或CDN模式存在服务器性能的瓶颈，无法满足扩展性的要求。而对等网络(Peer-to-Peer，简称P2P)技术能免费利用每个节点提供的资源提升系统的服务能力。因此，基于对等网络技术的流媒体播放系统获得了广泛部署和应用。基于对等网络技术的流媒体播放系统，包含两个核心模块：一个是覆盖网构造，建立节点之间的传输路径；一个是数据调度，决定视频数据在哪些节点之间传输。本专利技术主要针对基于对等网络技术的流媒体播放系统的数据调度模块。在P2P流媒体播放系统中，每个节点所需的流媒体视频片段来自于邻居节点或服务器。当一个节点的邻居节点无相应流媒体视频片段时，才会向服务器请求。这样就节省了服务器带宽，利用了每个节点的资源。目前，一些数据调度算法以最大化网络吞吐量为目标进行构建，以最大化利用节点的资源，降低服务器带宽开销。在最大化网络吞吐量时，视频片段的稀有性是重要影响因素。还有一些数据调度算法以最大化视频播放质量为目标，视频片段的紧急性和视频片段质量属性是重要考虑因素。然而，最大化网络吞吐量与最大化视频播放质量往往会产生冲突。如果一个视频片段是稀有的，那么该视频片段对网络吞吐量影响较高，需要优先传输。但是，该视频片段有可能紧急性较低，或者其对播放质量的影响较低，无需优先传输。这就产生了冲突。因此，最大化网络吞吐量并不一定能保证最大化视频播放质量，反之亦然。于是，在数据调度过程中，仅仅满足单一优化目标(最大化网络吞吐量或最大化视频播放质量)，并不能达到最佳性能。为此，需要设计一种能尽量同时满足最大化视频播放质量和最大化网络吞吐量两个优化目标的数据调度算法，使得系统的视频播放质量与网络吞吐量都接近最优，以提高系统服务质量和降低服务器端带宽开销。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，以近似达到最大化视频播放质量和最大化网络吞吐量两个优化目标，提高系统服务质量和降低服务器带宽开销。实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，首先设计一个综合考虑视频播放质量和网络吞吐量的效用值计算方法，然后以最大化一个节点所有请求的视频片段效用值为目标，得到最大化的视频片段效用值，最后利用最大化的视频片段效用值，采用数据调度贪心算法，以一个节点缓存窗口内所有请求的视频片段效用值最大化为目标，基于发送节点可用带宽，对视频片段进行调度规划，即完成对等网络流媒体播放系统中的数据调度。所述的效用值计算方法，是综合考虑视频片段的紧急性、稀有性和视频质量，根据一个视频片段节点的邻居节点缓存所请求视频片段的数量及内容的不同，对视频片段的三个属性进行加权求和，令视频片段j的效用值定义为：公式(1)中，rq、re和rr分别表示视频片段的视频质量、紧急性和稀有性的系数，且rq+re+rr＝1。所述的紧急性，是衡量所请求视频片段距离播放截止时间的远近，计算方式为：上述公式(2)中，j为每段视频的序号；δ表示缓存窗口的大小，即每个调度周期一个接收节点请求缺失的δ秒长度的视频片段；tcurr是当前播放时间；dj是视频片段j的播放截止时间，其计算方式公式为：上述公式(3)中，vf是视频的帧速率，NGOP为每段视频的帧数。所述的稀有性，表示一个接收节点所请求的片段被邻居节点拥有的多寡，一个接收节点请求的视频片段可能被多个邻居节点同时拥有，也可能只被一个邻居节点拥有，甚至可能没有被任何邻居节点拥有；一个接收节点请求的视频片段被越少的邻居节点拥有，该视频片段的稀有性越高。稀有性与拥有所请求视频片段邻居节点的数量成负相关；设置为拥有该视频片段邻居节点数量的负相关函数，稀有性的计算公式为：上述公式(4)中,M表示一个接收节点拥有的邻居节点总数，表示拥有片段j的邻居节点数，的计算公式为：上述公式(5)中，i表示邻居节点编号，j为每个视频片段的编号，Q为节点i和其邻居节点构成的用户集合，ai,j表示邻居节点是否拥有视频片段j，ai,j＝1表示邻居节点i拥有视频片段j，ai,j＝0则相反。所述的视频质量，视频质量的属性是基于PSNR值衡量视频片段的图片质量，该属性定义为所请求视频片段的所有视频帧的峰值信噪比(PSNR)的平均值，每个视频片段都是由特定数目的视频帧组成，不同的视频帧具有的PSNR值不同，在进行流媒体数据调度时，优先请求PSNR值较高的片段能给用户带来更好的观看体验，视频片段j的视频质量定义为：上述公式(6)中，PSNRj表示视频片段j的视频质量，PSNRmin表示缓存窗口中所有视频片段的峰值信噪比的最小值，PSNRmax表示缓存窗口中所有视频片段的峰值信噪比的最大值。所述的视频片段的视频质量、紧急性和稀有性的系数，还根据拥有一个接收节点请求视频片段的邻居节点数目不同，效用值计算方法中各属性的系数会发生变化，对应的计算公式也不相同，若没有邻居节点拥有该片段j，视频质量、紧急性以及稀有性的系数rq、re和rr均为零，则视频片段j的效用值wj＝0；若拥有该片段j的邻居节点数大于0且不大于3，视频质量、紧急性以及稀有性的系数rq、re和rr分别为0.1、(0.9-rr)和rr，则视频片段j的效用值若拥有该片段j的邻居节点数大于3，视频质量、紧急性以及稀有性的系数rq、re和rr分别为0.4、0.5、0.1，则视频片段j的效用值wj＝0.4·pqjuality+0.5·pejmergency+0.1·prjarity。所述的最大化的视频片段效用值，是根据视频片段效用值计算方法和流媒体播放系统中需考虑的约束条件，视频片段效用值的最大化被抽象为一个数学模型，该数学模型通过最大化每个发送周期内接收流媒体视频片段的效用值，以获得较好的播放质量和网络吞吐量。所述的数学模型，由视频片段的效用值和四个约束条件综合构成，数学模型的表达式为：所述的四个约束条件为：约束条件1：保证发送每个片段的发送节点不超过1个；约束条件2：确保发送节点在每个发送周期内不过载，其中sj是视频片段j的长度，τ是发送周期，bi是发送节点的上行带宽；约束条件3：xi,j≤ai,j,限定每个发送节点只能发送自己拥有的片段；约束条件4：xi,j∈{0,1},用来限定该问题的解是离散的。所述的数据调度贪心算法，包括如下步骤：1)计算缓存窗口内每个视频片段的效用值wj；2)按照效用值wj降序排列视频片段，得到有序视频片段列表order_list_video；3)对有序视频片段列表order_list_video的每个视频片段j，执行第四步到第九步；4)对视频片段j的每个邻居节点i，计算其传输已有视频片段所需时间tsendi；5)按照tsendi值对邻居节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，首先设计一个综合考虑视频播放质量和网络吞吐量的效用值计算方法，然后以最大化一个节点所有请求的视频片段效用值为目标，得到最大化的视频片段效用值，最后利用最大化的视频片段效用值，采用数据调度贪心算法，以一个节点缓存窗口内所有请求的视频片段效用值最大化为目标，基于发送节点可用带宽，对视频片段进行调度规划，即完成对等网络流媒体播放系统中的数据调度。

【技术特征摘要】
1.一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，首先设计一个综合考虑视频播放质量和网络吞吐量的效用值计算方法，然后以最大化一个节点所有请求的视频片段效用值为目标，得到最大化的视频片段效用值，最后利用最大化的视频片段效用值，采用数据调度贪心算法，以一个节点缓存窗口内所有请求的视频片段效用值最大化为目标，基于发送节点可用带宽，对视频片段进行调度规划，即完成对等网络流媒体播放系统中的数据调度。2.根据权利要求1所述的一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，所述的效用值计算方法，是综合考虑视频片段的紧急性、稀有性和视频质量，根据一个视频片段节点的邻居节点缓存所请求视频片段的数量及内容的不同，对视频片段的三个属性进行加权求和，令视频片段j的效用值定义为：公式(1)中，rq、re和rr分别表示视频片段的视频质量、紧急性和稀有性的系数，且rq+re+rr＝1。3.根据权利要求2所述的一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，所述的紧急性，是衡量所请求视频片段距离播放截止时间的远近，计算方式为：上述公式(2)中，j为每段视频的序号；δ表示缓存窗口的大小，即每个调度周期一个接收节点请求缺失的δ秒长度的视频片段；tcurr是当前播放时间；dj是视频片段j的播放截止时间，其计算方式公式为：上述公式(3)中，vf是视频的帧速率，NGOP为每段视频的帧数；所述的稀有性，表示一个接收节点所请求的片段被邻居节点拥有的多寡，一个接收节点请求的视频片段可能被多个邻居节点同时拥有，也可能只被一个邻居节点拥有，甚至可能没有被任何邻居节点拥有；一个接收节点请求的视频片段被越少的邻居节点拥有，该视频片段的稀有性越高。稀有性与拥有所请求视频片段邻居节点的数量成负相关；设置为拥有该视频片段邻居节点数量的负相关函数，稀有性的计算公式为：上述公式(4)中,M表示一个接收节点拥有的邻居节点总数，表示拥有片段j的邻居节点数，的计算公式为：上述公式(5)中，i表示邻居节点编号，j为每个视频片段的编号，Q为节点i和其邻居节点构成的用户集合，ai,j表示邻居节点是否拥有视频片段j，ai,j＝1表示邻居节点i拥有视频片段j，ai,j＝0则相反；所述的视频质量，视频质量的属性是基于PSNR值衡量视频片段的图片质量，该属性定义为所请求视频片段的所有视频帧的峰值信噪比(PSNR)的平均值，每个视频片段都是由特定数目的视频帧组成，不同的视频帧具有的PSNR值不同，在进行流媒体数据调度时，优先请求PSNR值较高的片段能给用户带来更好的观看体验，视频片段j的视频质量定义为：上述公式(6)中，PSNRj表示视频片段j的视频质量，PSNRmin表示缓存窗口中所有视频片段的峰值信噪比的最小值，PSNRmax表示缓存窗口中所有视频片段的峰值信噪比的最大值。4.根据权利要求2所述的一种基于效用值的对等网络流媒体系统数据调度算法，其特征在于，所述的视频片段的视频质量、紧急性和稀有性的系数，还根据拥有一个接收节点请求视频片段的邻居节点数目不同，效用值计算方法中各属性的系数会发生变化，对应的计算公式也不相同，若没有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平山，范雅晴，熊肖一，黄桂敏，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45