一种面向边缘环境的视频传输系统及其传输方法转让专利
申请号 : CN202010654575.0
文献号 : CN111770362B
文献日 : 2021-07-02
发明人 : 甘让兴 , 王晓亮 , 陆桑璐 , 张明明 , 夏飞 , 宋浒 , 巫乾军 , 陈宇航 , 俞俊
申请人 : 南京大学 , 国网江苏省电力有限公司信息通信分公司 , 国电南瑞科技股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种面向边缘环境的视频传输系统,其特征在于,该系统包括移动设备、视频服务器、控制器和边缘设备,其中,
移动设备用于运行视频客户端,向控制器发送接入点查询请求,连接控制器返回的接入点边缘设备;
视频服务器用于存储视频,并将视频内容切分成固定大小的视频块;
控制器用于通过缓存策略将视频块缓存在边缘设备上;响应移动设备的接入点查询请求,根据边缘设备CPU负载模型为移动设备选择负载最低的边缘设备作为接入点;以及通过在线部署算法得出部署边缘设备集合,并下发流表项到该集合中的部署边缘设备以控制视频流量的转发,其中所述边缘设备CPU负载模型为:其中, 表示数据包通过网络功能的计算开销, 表示数据包在网络功能间传输的通信开销,符号 表示对视频流量进行检查的由若干个网络功能组成的服务链,符号 和符号 分别表示流入和流出部署网络功能nf的VNF实例的数据包速率,符号ξnf表示数据包流过部署网络功能nf的VNF实例导致的CPU计算开销和CPU通信开销的比率;
边缘设备用于运行对视频流量进行检查的VNF实例,并缓存视频块。
2.根据权利要求1所述的面向边缘环境的视频传输系统,其特征在于,所述移动设备周期性向控制器发送接入点查询请求,并根据控制器返回的负载最低的边缘设备进行接入点切换。
3.根据权利要求1或2所述的面向边缘环境的视频传输系统,其特征在于,所述移动设备向控制器发送接入点查询请求时,将当前移动设备的位置信息、通信半径信息发送给控制器,控制器为移动设备选择在该移动设备的通信半径内负载最低的边缘设备作为接入点。
4.根据权利要求1所述的面向边缘环境的视频传输系统,其特征在于,所述缓存策略为:控制器根据边缘设备上存储的视频块信息集合,当移动设备请求视频的视频块未存储在边缘设备上,且边缘设备存储空间可用时,直接将所述视频块分散缓存在边缘设备上;当边缘设备存储空间不可用时,根据LRU算法找到最近最少被访问的视频块,释放该视频块占用的存储空间,直到有足够空间存储被请求的视频块。
5.一种面向边缘环境的视频传输方法,其特征在于,涉及移动设备、视频服务器、控制器和边缘设备,包括以下步骤:
1)视频服务器存储视频内容,并将视频内容切分成固定大小的视频块,控制器通过缓存策略将视频块缓存在各边缘设备上;
2)移动设备运行视频客户端,向控制器发送包含当前移动设备的位置信息、通信半径信息的接入点查询请求,控制器根据边缘设备CPU负载模型计算边缘设备的负载,为移动设备选择通信半径内负载最低的边缘设备作为接入点,移动设备连接控制器返回的接入点边缘设备,其中所述边缘设备CPU负载模型为:其中, 表示数据包通过网络功能的计算开销, 表示数据包在网络功能间传输的通信开销,符号 表示对视频流量进行检查的由若干个网络功能组成的服务链,符号 和符号 分别表示流入和流出部署网络功能nf的VNF实例的数据包速率,符号ξnf表示数据包流过部署网络功能nf的VNF实例导致的CPU计算开销和CPU通信开销的比率;
3)控制器响应移动设备的接入点查询请求,通过在线部署算法得出部署边缘设备集合,将流表项下发到该集合内的部署边缘设备以控制视频流量的转发,并部署VNF实例于部署边缘设备集合上以实现对视频流的检查;
4)边缘设备将被请求的视频块传输给移动设备内的视频客户端,由控制器缓存策略进行视频块的更新。
6.根据权利要求5所述的面向边缘环境的视频传输方法,其特征在于,所述在线部署算法包括:
a)查找当前边缘环境下满足用户观看视频的时延约束lr的路径集合P1,即路径集合P1中任意源节点到目标节点的最短路径时延和小于时延约束lr,所述源节点为存储有视频块的边缘设备,所述目标节点为移动设备所接入的边缘设备;
b)选择路径集合P1内的路径p来部署服务链;
c)将服务链的网络功能按照指定部署策略部署在路径p内的边缘设备上,这些边缘设备称为部署边缘设备。
7.根据权利要求5所述的面向边缘环境的视频传输方法,其特征在于,所述步骤4)包括:当边缘设备存储有视频客户端请求的视频块时,该边缘设备直接将该视频块传输给视频客户端;当边缘设备未缓存有请求的视频块时,该边缘设备从视频服务器下载视频客户端所请求的视频块,传输给视频客户端,同时更新缓存。
说明书 :
一种面向边缘环境的视频传输系统及其传输方法
技术领域
背景技术
求。边缘计算和网络功能虚拟化技术的发展,使得越来越多的企业将服务部署在边缘,以满
足用户对低时延服务的需求。企业通过这些服务也能对边缘环境内的流量进行检查。
的实现并没有很好的应对移动设备的移动性:当移动设备远离原有的边缘环境接入点时,
将断开原有的连接,导致观看视频中断。用户通过边缘设备在移动设备上观看视频时,其观
看体验还面临以下挑战:
负载较低的边缘设备。
发明内容
看视频的时延要求。
通过在线部署算法得出部署边缘设备集合,并下发流表项到该集合中的部署边缘设备以控
制视频流量的转发;
负载最低的边缘设备作为接入点。
能组成的服务链,符号 和符号 分别表示流入和流出部署网络功能nf的VNF实
例的数据包速率,符号ξnf表示数据包流过部署网络功能nf的VNF实例导致的CPU计算开销和
CPU通信开销的比率。
视频块分散缓存在边缘设备上;当边缘设备存储空间不可用时,根据LRU(Least Recently
Used)算法找到最近最少被访问的视频块,释放该视频块占用的存储空间,直到有足够空间
存储被请求的视频块。
动设备选择通信半径内负载最低的边缘设备作为接入点,移动设备连接控制器返回的接入
点边缘设备;
部署边缘设备集合上以实现对视频流的检查;
频块的边缘设备,所述目标节点为移动设备所接入的边缘设备;
设备从视频服务器下载视频客户端所请求的视频块,传输给视频客户端,同时更新缓存。
的时间开销。且连接接入点的选择和边缘设备CPU负载模型的建立都在控制器进行,没有增
加移动设备的计算开销。
量,这种细粒度的边缘设备CPU负载建模利于边缘设备间的负载均衡。
量走不同路径,平衡了边缘设备间的CPU负载。
附图说明
具体实施方式
路由器、网关、IoT设备等),具有一定的存储和计算能力;移动设备在用户侧,运行着能观看
视频的视频客户端;控制器是一台服务器,其通过基站对基站覆盖范围内的边缘设备进行
管理。具体而言,系统各组成部分功能如下:
备的能力。
过缓存策略将视频块缓存在边缘设备上。
备集合带来的时间开销。且连接接入点的选择和边缘设备CPU负载模型的建立都在控制器
进行,没有增加移动设备的计算开销。移动设备周期性地向控制器查询接入点边缘设备,控
制器根据边缘设备CPU负载模型计算出负载最低的接入点,进行切换,并重新运行服务链在
线部署算法,引导视频流量走不同路径,平衡了边缘设备间的CPU负载。以下详述具体的工
作过程。
多个接入点边缘设备的特性。可以将边缘环境抽象为无向图G(V,E),其中,集合V代表边缘
设备集合,边集合E代表通信信道,符号l(v,v′)代表边缘设备v和v′的时延。假设移动设备
请求的视频大小为M,单个视频块的大小为m,则一共有 块视频块,其分配在
个边缘设备上。缓存策略为:控制器根据边缘设备上存储的视频块信息集合,当移动设备请
求视频的视频块未存储在边缘设备上,且边缘设备存储空间可用时,直接将所述视频块分
散缓存在边缘设备上;当边缘设备存储空间不可用时,根据LRU(Least Recently Used)算
法找到最近最少被访问的视频块,释放该视频块占用的存储空间,直到有足够空间存储被
请求的视频块。移动设备对视频的请求符号化为r,并将对该视频流量进行检查的服务链符
号化为 存储视频块的边缘设备集定义为sr,i(i=1,2,…,K),简称为源节点集,某源节点
内视频块的大小为br,i。移动设备的接入点边缘设备定义为dr,简称为目标节点。因此,控制
器将主动触发视频块从源节点流转到目标节点,并下发流表项到边缘设备上控制视频流量
的流转,同时在视频流转的过程中会通过一些对视频流量进行检查的VNF实例,如防火墙、
入侵检测系统等。
在该边缘设备上运行的VNF实例,箭头上方数字代表视频流量的大小。VNF实例内的标号i,j
代表服务链 第i个网络功能的VNF实例编号为j。从该示例图中可以看出,VNF实例 和
VNF实例 有通信关系,而和VNF实例 没有通信关系。
改变通过的流量,因此,部署服务链 第i个网络功能的VNF实例j的入口流量和出口流量的
关系为:
VNF实例的出口流量之和:
通信二值变量表明关注的是视频流具体通过了哪些VNF实例。将时间维度划
分为若干个时间间隔,在时间间隔t内,部署服务链 第i个网络功能的VNF实例j的入口流
量和边缘设备v的关系可以表示为:
间隔t内,部署服务链 第i个网络功能的VNF实例j的出口流量和边缘设备v的关系可以表
示为:
CPU负载的边缘设备作为移动设备的接入点。
节点的最短路径时延和)。为了统一时延约束表示,系统规定服务链添加两个不增加负载的
网络功能 和 并将其置于服务链的首端和尾端,而且认为规定部署网络功能
的VNF实例运行在所有源节点上,部署网络功能 的VNF实例必须运行在目标节点上。
引入时延二值变量 当 时,表示在时间间隔t内,有通信关系
的部署服务链 第i‑1个网络功能的VNF实例j和部署服务链 第i个网络功能的VNF实例k
运行在不同的边缘设备v和v′上;否则 显然,时延二值变量 和设
备二值变量 满足如下约束不等式:
所示,包括:
入点边缘设备,通过下发流表项到在线算法框架Ω得出的部署边缘设备中来控制视频流量
的转发。边缘设备是承载网络功能的载体,运行着对视频流量进行检查的VNF实例,并且能
缓存视频块。移动设备运行视频客户端,能够观看视频。视频服务器将视频切分为若干个固
定大小的视频块,由控制器的缓存策略将这些视频块缓存在边缘设备上。具体工作流程如
下:
结果给移动设备,然后通过在线部署算法框架Ω得出部署边缘设备集合,部署边缘设备集
合是路径p内所有边缘设备组成集合的子集,控制器通过下发流表项到某些边缘设备上控
制视频流从源节点sr,i流转到目标节点dr的过程中完整走过路径p,并部署VNF实例于部署
边缘设备集合上以实现对视频流的检查;
则控制器在运行完在线部署算法后,促使这些边缘设备将视频块传输给视频客户端(通过
步骤2的流程);否则,这些边缘设备从视频服务器下载视频客户端所请求的视频块,传输给
视频客户端,同时更新缓存。