一種雲視頻的資源分配和開銷優化方法

2023-11-03 05:45:27

一種雲視頻的資源分配和開銷優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種雲視頻的資源分配和開銷優化方法，包括建立用於描述頻道分布、用戶帶寬分配、總運營成本以及服務質量(QoS)之間關係的數學模型；證明求解該模型是NP-hard難的；通過引進罰函數，將通過頻道複製和帶寬分配使得開銷最小的問題等價轉化為通過頻道複製和帶寬分配使得收益最大化的問題；提出一種雲數據中心中資源分配和開銷優化算法——DREAM，來解決雲平臺帶寬的預訂與分配問題以及確定雲數據中心頻道的副本布局；在資源分配和開銷優化算法中集成局部性原理，提出DREAM-L算法。與現有技術相比，本方法將使得雲系統能夠以低廉的價格為視頻點播服務提供令人滿意的觀影質量、訪問局部性和數據可用性。
【專利說明】一種雲視頻的資源分配和開銷優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雲視頻數據通信技術，更具體地，涉及一種雲視頻的資源分配和開銷優化方法。
【背景技術】
[0002]隨著雲計算與雲存儲的流行和推廣，很多視頻服務提供商開始把視頻數據和應用服務遷移到雲平臺上來。為使雲系統能夠廉價的為視頻點播服務提供令人滿意的觀影質量、訪問局部性和數據可用等特性。
[0003]雲平臺上通常有兩種資源優化調度方法:一種方法以雲伺服器為調度粒度，另一種方法以視頻頻道為調度粒度。前者注重調整雲伺服器或虛擬機(VM)的位置與其所擁有資源的數量，而後者則注重動態的管理視頻頻道與從這些頻道出發的視頻流。基於視頻頻道的方法可以更靈活地在雲平臺上管理雲數據中心的視頻頻道(相對於基於雲伺服器的調度算法)，但目前這種方法缺乏一種合理的資源調度策略來提高其數據可用性和局部訪問性。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的以上缺陷，本發明提出一種以視頻頻道為調度粒度的雲視頻的資源分配和開銷優化方法，其目的在於提高數據可用性和訪問局部性並優化價格，由此解決雲平臺中視頻點播服務帶寬分配以及視頻的副本放置等問題，能夠廉價地滿足視頻點播服務中的服務等級協議(Service Level Agreement)。
[0005]為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:基於視頻頻道的雲資源調度和開銷優化方法，包括建立用於描述頻道分布、用戶帶寬分配、總開銷以及服務質量(QoS)之間關係的數學模型；證明求解該模型是NP-hard難的；通過引進罰函數，將通過頻道複製和帶寬分配使得開銷最小的問題等價轉化為通過頻道複製和帶寬分配使得收益最大化的問題；提出一種雲數據中心中資源分配和開銷優化算法一DREAM，以解決雲平臺帶寬的預訂與分配問題以及確定雲數據中心頻道的副本布局；在資源分配和開銷優化算法中使用併集成已有的局部性原理，提出DREAM-L算法。
[0006]具體包括如下步驟(各個符號定義見表1):
[0007](I)建立數學模型:
[0008]定義Cst為下一時段的總操作開銷，得到等式⑴:
[0009]
【權利要求】
1.一種雲視頻的資源分配與開銷優化方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)建立總開銷的目標函數:
2.根據權利要求1所述的雲視頻的資源分配與開銷優化方法，其特徵在於，所述步驟(5)中資源分配和開銷優化算法實現過程如下: (5-1)雲數據中心Di (i = Ι,.,.,Μ)初始化本地變量，包括以下子步驟: (5-1-1)分別初始化矩陣X，Y，ce的第i行為O ; (5-1-2)初始化可用存儲空間eSi SSi,初始化可用帶寬數目MiSBi，其中Si和Bi表示雲數據中心Di的存儲容量和帶寬數目的上限；(5-1-3)初始化矩陣dQ和dVt為Q和Vt，其中dQ和dVt表示所有剩餘帶寬和可用性需求； (5-1-4)根據公式(12)第二項,定義函數Compute_mc計算複製一個頻道到雲數據中心的遷移開銷(Hicik)，得到矩陣me ；
(5-1-5)計算每一個 ceijk, i = I,..., M, j = I,..., N, k = I,..., W,初始化矩陣 ce ；(5-1-6)本雲數據中心Di通過一個集體通信操作all-reduce-max (send_msg, recv_msg)與其他所有雲數據中心一起計算出全局最大開銷效益cemax: 其中send_msg和recv_msg分別代表發送緩衝區和接收緩衝區，它們都有六個參數(cemax, i, j, k, xiJk, f),其中cemax是最大開銷收益,i, j, k是與Cemax相關的雲數據中心、用戶組和頻道的索引；為了使每一個雲數據中心Di都參與all-reduce-max過程，Di要確定自己本地的最大開銷效益cemax，分配的帶寬數目Xijk和f標誌；其中當為了使Di達到cemax而使得Vk必須被複製時f = 1，否則f = O ;在初始化階段如果cemax > O,則Vk必須被複製，亦即 f = I ; (5-2)循環迭代直到所有cemax ( O: (5-2-1)判斷若cemax > O，則執行(5-2-2)，否則結束； (5-2-2)當雲數據中心Di達到最大全局開銷效益時，則執行步驟(5-2-3)，否則只更新本地數據來跟蹤其他雲數據中心分配帶寬和存儲空間帶來的影響，執行(5-2-4)；
(5-2-3)當 f = 1，執行 Yik = 1
3.根據權利要求2所述的雲視頻的資源分配與開銷優化方法，其特徵在於，所述子步驟(5-1-5)中初始化矩陣ce的方法，具體如下: (al)根據公式(12)和(14)，在給定的雲數據中心Ditl下計算W維向量rci(l和rgi(l; (bl)根據公式(13)和(15)，初始化(腳)矩陣rcjPrg」 ； (Cl)用rgi與rCi中所有對應位置的元素相除得到開銷效益矩陣Cei。
4.根據權利要求2或3所述的雲視頻的資源分配與開銷優化方法，其特徵在於，所述子步驟(5-1-6)中計算全局最大開銷效益cemax步驟如下:
(a2)將(cemax, i, j, k, xiJk, f)放入 send_msg ； (b2)通過聯合通信操作，計算cemax的初始值，具體為:all-reduce-max (send—msg，recv—msg)；
(c2)recv_msg 得到一組(cemax, i』，j, k, x』 iJk, f),其中 i』 表示雲數據中心 Dr 有 cemax。
5.根據權利要求1至4任一項所述的雲視頻的資源分配與開銷優化方法，其特徵在於，所述方法還包括在資源分配和開銷優化算法中使用併集成局部性原理，使得用戶儘量從本地的雲數據中心獲取帶寬，包括以下步驟: (a3)定義Locality表示用戶組的局部性,具體如下:

6.如權利要求2至5任一項所述的雲視頻的資源分配和開銷優化方法，其特徵在於，所述步驟(5-3)中帶寬池
【文檔編號】H04L29/08GK103973780SQ201410171121
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】周可, 趙雨虹, 王樺, 黃志傑, 王衝, 鄒復好, 李春花, 鄭勝 申請人:華中科技大學