面向电视直播系统的负载均衡动态组网系统及方法转让专利
申请号 : CN202011482451.5
文献号 : CN112533020B
文献日 : 2021-10-22
发明人 : 杨灿 , 孙天立 , 韩楚
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,其特征在于,包括以下步骤:S1.1在每个网络节点构造并维护一张节点域状态信息表,该表包括这些属性:节点所在网络域ID、频道状态、当前上行带宽、当前下行带宽、频道码率对应可用上行带宽、可用下行带宽,网络节点包括终端设备;
S1.2每个网络节点向边缘负载均衡监控单元定期报告包含网络域状态信息的节点域状态信息表;
S1.3主控服务系统根据所有节点当前节点域状态信息表的数据内容,发现并通知关联目标域节点,按负载均衡策略与链式均衡法则,对边缘网络进行域间负载均衡动态组网,并基于该动态组建的网络拓扑传输单频道流、多频道流以及单频道流与多频道流混合的音视频流式数据;
基于上述步骤S1.1~S1.3,对单频道流构成的电视直播系统进行网络域间负载均衡;
基于上述步骤S1.1~S1.3,对多频道流组合构成的电视直播系统进行网络域间负载均衡;
基于上述步骤S1.1~S1.3,对单频道流与多频道流混合构成的电视直播系统进行网络域间负载均衡;
对于存在多频道流参与的电视直播系统,多频道流的频道组成随时隙发生更新,由此可实现网络域间负载均衡;
其中,负载均衡策略包括平均分配策略、负载最小优先分配策略和按权均衡分配策略;
平均分配策略是指将目标频道流数据平均分配给可供分享节点所在的域,权重分配系数为λi=1/n,1≤i≤n;
负载最小优先分配策略是指将目标频道流数据优先分配给上行带宽负载最小的域,权重分配系数为λ1=1,λi=0,2≤i≤n;
按权均衡分配策略指将目标频道流数据按各个域的负载比例,分配给可供分享的域,使得分配后各个域的上行带宽趋向于平衡;
如果可供分享域都为0,则采用平均分配策略;如果存在一个域为0,则采用负载最小优先分配策略;否则,权重分配系数为其中,n为可供分享域的个数;
按链式均衡法则进行负载均衡,包括:A1、边缘终端节点离开当前频道,边缘网络负载均衡控制模块获取监视模块信息表中数据分享节点列表,构建为一个链式重分配队列;
A2、边缘网络负载均衡控制模块通知队头节点进行负载均衡重分配,并根据监视模块中最新的网络节点状态,按自定义负载均衡策略构造并发送UPDATE信令,队头节点根据信令进行源节点及对应权重系数调整;
A3、队头节点出队,检查链式重分配队列节点是否为空,若否,执行步骤A1‑A2。
2.一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,应用于一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网系统,其特征在于,包括以下步骤:S1、边缘终端节点启动,向主控服务系统发送节点初始化消息,以使边缘网络流量监视模块更新监视模块信息,向所述边缘终端节点发送所述监视模块信息;
S2、边缘终端节点向主控服务系统发送频道请求,以使频道流热度统计单元更新频道流热度排行表,判断所述主控服务系统是否达到多频道流机制启动阈值,若达到阈值,主控服务系统开启多频道流机制,以及向所述边缘终端节点返回控制信令;
S3、边缘终端节点接收到边缘负载均衡监控单元的控制信息和节点信息,根据所述控制信息和所述节点信息获取目标频道流数据;
S4、边缘终端节点开始解码所述目标频道流数据并播放目标频道流视频数据;
S5、边缘终端节点定时向主控系统发送心跳包,边缘负载均衡监控单元更新节点信息;
其中所述面向电视直播系统的负载均衡动态组网系统,包括中心服务器和边缘终端节点;
所述中心服务器由集群搭建而成,部署主控服务系统,所述主控服务系统包括:频道流内容发布单元,用于负责向所述边缘终端节点传输包含节点请求频道内容的音视频流;
频道流热度统计单元,用于统计当前时隙下所述边缘终端节点观看频道请求信息,维护频道热度排行表;
边缘负载均衡监控单元,包括边缘网络流量监视模块与边缘网络负载均衡控制模块;
所述边缘网络流量监视模块,用于监视边缘网络流量情况,维护包含节点域状态信息表的监视模块信息;
所述边缘网络负载均衡控制模块,用于感知节点状态变化,根据监视模块信息,发现并通知关联目标域节点,按负载均衡策略与链式均衡法则,对边缘网络进行域间负载均衡动态组网,并基于该动态组建的网络拓扑传输单频道流、多频道流以及单频道流与多频道流混合的音视频流式数据;在多频道流机制下,多频道流的频道组成会随时隙发生更新,因而导致边缘网络域间负载均衡;
所述步骤S3具体包括以下步骤:
S31、主控服务系统未开启多频道流机制,边缘终端节点从中心服务器获取所述目标频道流,进入步骤S4;
S32、主控服务系统已开启多频道流机制,但边缘终端节点未缓存最新多频道流数据,边缘终端节点将根据收到的控制信息与节点信息,从中心服务器、本域其他节点或其他域节点获取多频道流数据,若所述多频道流数据不包含目标频道流数据,则进入步骤S33,否则进入步骤S4;
S33、主控服务系统已开启多频道流机制,但边缘终端节点缓存的多频道流数据不包含所述目标频道流数据,边缘终端节点将根据收到的控制信息与节点信息,从中心服务器、本域其他节点或其他域节点获取目标频道流数据,进入步骤S4。
3.根据权利要求2所述的一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,其特征在于,所述负载均衡动态组网方法还包括以下步骤:S6、当多频道流机制开启且达到多频道流更新时隙,主控服务系统检查频道流热度统计单元的信息,若多频道流成分发生变化,主控服务系统则向边缘终端节点发送多频道流变更控制信息,进入步骤S32;
S7、当边缘终端节点发生频道切换时,边缘终端节点向主控服务系统发送停止接收当前频道请求,主控服务系统的边缘网络负载均衡控制模块检查边缘网络流量监视模块中信息,找到与所述边缘终端节点关联的目标域并向目标域节点发送工作带宽分配通知,关联节点从主控服务系统的边缘网络流量监视模块获取最新的网络节点信息,并按负载均衡策略与链式均衡法则生成的控制信息进行负载均衡;边缘终端节点向主控服务系统发送新频道请求,进入步骤S2;
S8、当边缘终端节点关闭时,边缘终端节点向主控服务系统发送停止接收当前频道请求,主控服务系统的边缘网络负载均衡控制模块会检查监视模块中信息,找到所述边缘终端节点关联的目标域并向目标域节点发送工作带宽分配通知;关联节点从主控服务系统监视模块获取最新的网络节点信息,并按负载均衡策略与链式均衡法则生成的从控制模块接收的控制信息进行负载均衡;主控服务系统更新边缘负载均衡监控单元信息,更新频道流热度统计单元信息,当频道流热度统计单元的信息达到多频道流机制关闭阈值时,关闭多频道流机制,所有边缘终端节点向主控服务系统获取频道流数据。
4.根据权利要求2所述的一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,其特征在于,所述控制信息包括节点状态信息变更信令,所述节点状态信息变更信令的结构为
5.根据权利要求3所述的一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,其特征在于,所述负载均衡策略包括平均分配策略、负载最小优先分配策略和按权均衡分配策略;
平均分配策略是指将目标频道流数据平均分配给可供分享节点所在的域,权重分配系数为λi=1/n,1≤i≤n;
负载最小优先分配策略是指将目标频道流数据优先分配给上行带宽负载最小的域,权重分配系数为λ1=1,λi=0,2≤i≤n;
按权均衡分配策略指将目标频道流数据按各个域的负载比例,分配给可供分享的域,使得分配后各个域的上行带宽趋向于平衡;
如果可供分享域都为0,则采用平均分配策略;如果存在一个域为0,则采用负载最小优先分配策略;否则,权重分配系数为其中,n为可供分享域的个数。
6.根据权利要求3所述的一种面向电视直播系统的负载均衡动态组网方法,其特征在于,按链式均衡法则进行负载均衡,包括:A1、边缘终端节点离开当前频道,边缘网络负载均衡控制模块获取监视模块信息表中数据分享节点列表,构建为一个链式重分配队列;
A2、边缘网络负载均衡控制模块通知队头节点进行负载均衡重分配,并根据监视模块中最新的网络节点状态,按自定义负载均衡策略构造并发送UPDATE信令,队头节点根据信令进行源节点及对应权重系数调整;
A3、队头节点出队,检查链式重分配队列节点是否为空,若否,执行步骤A1‑A2。
说明书 :
面向电视直播系统的负载均衡动态组网系统及方法
技术领域
背景技术
计算性能与接入带宽方面得到了大幅提升,为改善网络电视用户的观看体验提供了很好的
基础。根据第45次《中国互联网络发展状况统计报告》显示,2019年12月100Mbps及以上宽带
用户占比85.4%,平均固定带宽接入速度为37.69Mbps,接入端宽带网络的提升,使得网络电
视用户的覆盖率不断提升。截止2020年3月,我国网民规模达到9.04亿,其中使用电视上网
方式的网民比例为32%。
数据解码三部分组成,节点发现时间是指边缘请求节点向目录服务器获取边缘可供分享节
点列表;数据传输时间是指内容服务器经过骨干网向边缘请求节点,或边缘可供分享节点
向边缘请求节点的频道流数据传输时间;数据解码时间是指当节点设备缓冲区数据达到可
播放阈值时,进行解码操作并在显示设备展现第一帧画面的时间。
热门频道,使得用户切换至热门频道的时间压缩至本地设备数据解码时长。由于对等网络
本质是建立在互联网上的一种分布式覆盖网络,边缘终端节点依据ISP、地理位置等信息划
分为多个节点域进行协同工作和资源共享。随着边缘终端节点数量的增加以及接入宽带网
络利用率的提升,不均衡的跨域流量分配会容易造成少数节点域的域间网络带宽占用过
高,对域间设备进出口宽带的要求提升,以及节点加入离开对等网络的不稳定等问题,边缘
网络负载均衡成为了一大挑战。
发明内容
组网;在多频道流机制下,多频道流的组成会随时隙发生更新,因而导致边缘网络负载均
衡。
用下行带宽,网络节点包括但不限于终端设备;
组网,并基于该动态组建的网络拓扑传输单频道流、多频道流以及单频道流与多频道流混
合的音视频流式数据;
均衡;基于上述步骤S1.1~S1.3, 对单频道流与多频道流混合构成的电视直播系统进行网
络域间负载均衡;
主控服务系统开启多频道流机制,以及向所述边缘终端节点返回控制信令;
域节点获取多频道流数据,若所述多频道流数据不包含目标频道流数据,则进入步骤S33,
否则进入步骤S4;
器、本域其他节点或其他域节点获取目标频道流数据,进入步骤S4。
道流变更控制信息,进入步骤S32;
中信息,找到与所述边缘终端节点关联的目标域并向目标域节点发送工作带宽分配通知,
关联节点从主控服务系统的边缘网络流量监视模块获取最新的网络节点信息,并按负载均
衡策略与链式均衡法则生成的控制信息进行负载均衡;边缘终端节点向主控服务系统发送
新频道请求,进入步骤S2;
缘终端节点关联的目标域并向目标域节点发送工作带宽分配通知;关联节点从主控服务系
统监视模块获取最新的网络节点信息,并按负载均衡策略与链式均衡法则生成的从控制模
块接收的控制信息进行负载均衡;主控服务系统更新边缘负载均衡监控单元信息,更新频
道流热度统计单元信息,当频道流热度统计单元的信息达到多频道流机制关闭阈值时,关
闭多频道流机制,所有边缘终端节点向主控服务系统获取频道流数据。
据信令进行源节点及对应权重系数调整;
量骨干网络的拥塞情况,同时保持边缘节点对热门频道的快速切换,提高用户的QoE体验。
附图说明
仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例,对于本领域的技术人员而言,在
无需付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获取到其他附图。
具体实施方式
图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。对于以下
实施例中的步骤编号,其仅为了便于阐述说明而设置,对步骤之间的顺序不做任何限定,实
施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作,因此不能理解为对本发明的限制。
第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所
指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
含义。
流。当多频道流机制启动时,除了节点请求单频道流,还会根据频道流热度统计单元的统计
信息向节点传输若干个热门频道组成的多频道流。
息等;控制模块,用于感知包括新节点加入系统、节点请求频道数据、旧节点离开系统等节
点状态变化,根据监视模块信息,发现并通知关联目标域节点,边缘网络按自定义负载均衡
策略与链式均衡法则进行负载均衡动态组网。在多频道流机制下,多频道流的组成会随时
隙发生更新以保证用户对最新热门频道的快速切换,因此导致边缘网络负载均衡,同样由
边缘负载均衡监控单元负责。
信息,并向节点发送这些信息。
主控服务系统开启多频道流机制。主控服务系统控制模块向边缘节点返回控制信令。
若多频道流不包含目标频道流数据,则进入步骤S3‑3,否则进入步骤S4。
取目标频道流数据,进入步骤S4。
更控制信息,进入步骤3‑2。
发送工作带宽分配通知。关联节点从主控服务系统监视模块获取最新的网络节点信息,并
按自定义负载均衡策略与链式均衡法则生成的从控制模块接收的控制信息进行负载均衡;
边缘节点向主控服务系统发送新频道请求,进入步骤S2。
带宽分配通知。关联节点从主控服务系统监视模块获取最新的网络节点信息,并按自定义
负载均衡策略与链式均衡法则生成的从控制模块接收的控制信息进行负载均衡;主控服务
系统更新边缘负载均衡监控单元信息,更新频道流热度统计单元信息,当频道流热度统计
单元的信息达到多频道流机制关闭阈值时,关闭多频道流机制,系统内所有节点直接向主
控服务系统获取频道流数据。
的目标频道流数据的来源节点列表,数据分享节点是指从该节点缓冲区获取目标频道流的
节点列表,频道状态使用BitField表示各个频道流的可供分享情况,如001表示该节点已缓
冲且可分享频道1数据。
频道、节点调整频道流来源。
化,以及系统进入多频道流更新时隙等。
频道流与其他频道组成的单频道流,边缘网络负载均衡控制模块工作时机,包括:
载均衡控制信息。
链式均衡法则向关联节点发出负载均衡控制信息。
选方案:
点域。
策略;如果存在一个域为0,则采用负载最小优先分配策略;否则,权重分配系数为
。
束:
稳定。
结果。
对应权重系数调整。
塞情况,同时保持边缘节点对热门频道的快速切换,提高用户的QoE体验。
值,从而降低对边缘域间传输设备对最大上行带宽的要求,节约设备成本。
模块工作流程图如图3与图4所示。
个边缘节点,D(D=4)个域,C(C=3)个频道,多频道流启动条件为系统中节点数量达到N(N=
10),多频道流关闭条件设为系统中节点数低于N‑1(启动条件控制严格于关闭条件能有效
避免多频道流机制与单频道流机制之间的频繁切换),多频道流由M(M=1)个热门频道组成,
多频道流的更新时隙为T(T=40)分钟一次,可供分享域数量阈值,冗余因子s(s=1),一个频
道流的码率为ɑ(ɑ=6Mbps,如1080P的视频码率约6Mbps),边缘节点用于域间数据传输的最
大上下行带宽分别为50Mbps、100Mbps。
R2 U3 D1 C1 2020‑01‑01 07:52:43 2020‑01‑01 08:59:43
R3 U4 D2 C3 2020‑01‑01 07:52:44 2020‑01‑01 08:29:44
R4 U5 D2 C2 2020‑01‑01 07:53:41 2020‑01‑01 08:59:42
R5 U6 D2 C1 2020‑01‑01 07:53:45 2020‑01‑01 08:35:45
R6 U7 D3 C2 2020‑01‑01 07:54:40 2020‑01‑01 08:12:33
R7 U8 D3 C1 2020‑01‑01 07:55:39 2020‑01‑01 08:59:39
R8 U9 D3 C1 2020‑01‑01 07:56:38 2020‑01‑01 08:59:38
R9 U10 D3 C2 2020‑01‑01 07:57:37 2020‑01‑01 08:59:37
R10 U11 D4 C2 2020‑01‑01 08:00:36 2020‑01‑01 08:18:33
R11 U1 D1 C1 2020‑01‑01 08:01:35 2020‑01‑01 08:09:30
R12 U1 D1 C2 2020‑01‑01 08:09:35 2020‑01‑01 08:59:36
R13 U7 D3 C3 2020‑01‑01 08:12:35 2020‑01‑01 08:59:48
R14 U11 D4 C3 2020‑01‑01 08:18:35 2020‑01‑01 08:59:47
频道流数据,R9记录产生后,边缘网络流量监视模块所维护的信息如图5所示,其中节点ID
为U0用于标识中心服务器。
息如附图6和图7所示,系统运行的主要过程描述如下:
频道流数据并开始播放;监视模块更新信息,频道热度统计单元信息更新,系统活跃节点数
量达到10,启动多频道流机制,选取1个热门频道C1组成多频道流;除节点域D4外均已缓存
多频道流,故控制模块按平均分配策略生成控制信令IN②,节点U11从节点域D1、D2、D3分别
按1/3、1/3、1/3的权重分配获取多频道流。
点获取多频道流,不产生域间流量;U1发起C1频道请求,C1包含于多频道流,故直接切换至
C1频道开始播放。
节点U1从节点域D2、D3、D4分别按1/3、1/3、1/3的权重分配获取C2频道流数据并开始播放。
据监视模块信息,返回信令IN⑦,节点U7从D1、D2分别按1/2、1/2的权重分配获取C3频道流
数据并开始播放。
制根据监视模块信息,返回信令IN⑩,节点U1从D1、D2、D3分别按1/3、1/3、1/3的权重分配获
取C3频道流数据并开始播放。
后从链式重分配队列中出队;U4停止从中心服务器接收C3频道数据,控制模块生成OUT⑬信
令;U4从系统中退出,监视模块更新节点信息表,系统活跃节点数10>8,维持多频道流机制
开启。
生成UPDATE⑭返回给U11,使其从D1与D3获取多频道流;U6停止从中心服务器接收C1频道数
据,控制模块生成OUT⑮信令;为了保证D2域内维持多频道流,任意选取域内活跃节点,从其
他域中获取多频道流数据,此处,控制模块生成IN⑯返回给U5节点,U5开始缓冲多频道流数
据;U6从系统中退出,监视模块更新节点信息表,系统活跃节点数9>8,维持多频道流机制开
启。
发送关于最新多频道流的IN⑰信令,所有域发送接收过期多频道流数据信令OUT⑱,所有边
缘节点比对自身节点状态并停止接收除正在观看的频道流外的多频道流数据,即U11、U5将
不再从其他域获取{C1}频道流数据。
配策略单域峰值为14Mbps,即此时间段边缘网络域间设备最大上行带宽要求为14Mbps。此
外,在系统的运行,中心负载工作带宽,随着边缘网络的负载均衡与节点数据分享,逐步降
低。
上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外,在本发明的流程图中所呈现和
描述的实施例以示例的方式被提供,目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不
限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的,其中各种操作的顺序被
改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
中,或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理
解的是,有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说,考
虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下,在工程师的
常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此,本领域技术人员运用普通技术就能够在无
需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是,所公开的特
定概念仅仅是说明性的,并不意在限制本发明的范围,本发明的范围由所附权利要求书及
其等同方案的全部范围来决定。
对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计
算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个
人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read‑Only Memory)、随机存取存
储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执
行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设
备而使用。就本说明书而言,“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传
输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装
置。
(ROM),可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器),光纤装置,以及便携式光盘只读存
储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的
介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行编辑、解译或必要时以其
他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序,然后将其存储在计算机存储器中。
或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下
列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路
的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场
可编程门阵列(FPGA)等。
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语
的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或
者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。