一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存方法及评估方法

1.本发明属于计算机网络技术领域，尤其涉及一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存方法及评估方法。


背景技术：

2.随着网络视频流业务的日益增多，视频流服务正在成为互联网上最热门的业务。根据思科的预测，到2021年底，视频流服务的所花费的流量在所有网络流量中的占比将达到82％。然而，由于具有不同偏好和限制的用户之间在分辨率、帧速率和比特深度等方面存在网络异构性，因此有效地传送视频内容仍然是一项具有挑战性的工作。
3.视频点播服务质量的两个重要的评判标准是视频响应时延以及占用带宽。视频响应时延直接影响到用户观看视频时的体验，视频的响应时延越短，用户在观看该视频的时候越能获得更加舒适的体验，从而提高该视频点播服务的服务器质量。视频占用带宽影响到视频在传输中消耗的网络资源，如果视频占用带宽过多，当在一个区域内出现大量视频点播请求的时候可能会造成网络拥塞，影响到视频传输的时延和稳定性，降低该区域内所有视频点播用户的观看体验。
4.为了提供高质量的视频点播服务，当下视频提供商总是采用内容交付网络cdn来提供点播视频。cdn是在现有网络中增加一层新的网络架构，将源站的内容发布和传送到最靠近用户的边缘地区，使用户可以就近访问想要的内容，从而提高用户访问的响应速度。cdn的基本原理是依靠放置在各地的缓存服务器，通过全局调度以及内容分发等功能模块，将用户需要的那部分内容部署到最贴近用户的地方，降低用户在进行视频点播服务时由于物理距离所产生的时延，将原本低效、不可靠的网络转变成高效、可靠的智能网络，满足用户对内容访问质量的更高要求，改善互联网网络拥塞问题，提高用户访问网站的响应速度。此外，在网络边缘采用视频内容缓存设备的性能与在网络中间节点采用的性能相当。
5.然而，随着新兴的短视频平台的普及以及用户对视频服务需求的增长，互联网内的视频流量出现了爆炸式的增长，传统的cdn技术越来越难以满足用户对视频服务日益严苛的需求，此时提出了边缘缓存的概念。传统网络将内容(视频、网页等)部署在数据中心或区域cdn缓存服务器中，存在内容获取端到端延时长、回传带宽受限、低效冗余传输等问题，无法满足5g及未来应用低延时等需求。移动边缘缓存的核心思想是将内容下沉至网络接入单元(如5g基站、路基单元等)，实现一跳式就近内容服务，可以显著降低端到端延时、提高网络传输效率。


技术实现要素：

6.由于边缘缓存的容量有限，如何能最大程度的利用有限的缓存空间为视频点播用户提供高质量视频服务是一个问题。
7.为解决上述问题，本发明公开了一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存方法，svc-bec(svc based on edge caching)，
8.包括以下步骤：
9.s1、在一个边缘设备上收集该设备收到的区域内的视频请求信息；
10.s2、收集到的视频请求信息按请求时间，请求视频号，请求视频码率分类；
11.s3、在一个规定时间片结束时，统计包括该时间片在内的过去若干个时间片每种视频码率的请求数量；
12.s4、通过请求数量计算每种视频码率的缓存性价比；
13.s5、根据缓存性价比的大小顺序，调整该设备在下一个时间片内缓存的视频内容。
14.本发明进一步优选：其中所述步骤s1中，具体包括以下：
15.s11，选取一个正常运行的边缘缓存设备，确定其缓存空间大小；
16.s12，统计该设备所能提供的视频缓存服务，设计收集请求信息的数据结构；
17.s13，在实际环境下进行数据采集，记录其请求时间。
18.本发明进一步优选：其中所述步骤s2中，具体包括以下：
19.s21，将收集到的信息按照请求时间，请求视频号，请求视频码率分类；
20.s22，根据先前的设计将收集到的数据分类放入数据结构中；
21.s23，将分类完成的数据信息存入设备。
22.本发明进一步优选：步骤s3中，具体包括以下：
23.s31，设计好时间片长度，在一个时间片结束时暂停视频请求回应；
24.s32，统计过去计包括该时间片在内的过去若干个时间片每种视频码率的请求数量；
25.s33，将统计完成的数据根据视频种类和码率进行分类。
26.本发明进一步优选：步骤s4中，具体包括以下：
27.s41，根据时间局限性，认为视频请求数量可以近似表示视频热度；
28.s42，提取文件中的每种视频的每种码率过去m个时间片的请求数量并求和；
29.s43，用热度除以缓存视频所占空间，得出该视频在过去m个时间片的缓存性价比；
30.s45，将每种视频每种码率的缓存性价比存入文件。
31.本发明进一步优选：所述s41具体为：
32.s411，调取存有视频请求信息的文件；
33.s412，检查其中每种视频在过去m个时间段内是否收到过来自用户的请求；
34.s43，若一个视频的一种码率在过去m个时间片内被请求过，那么就需要统计其热度。
35.本发明进一步优选：步骤s5中具体包括以下：
36.s51，将所有在过去请求过的视频的缓存性价比从高到低排序；
37.s52，从缓存性价比最高的视频开始存入当前边缘缓存设备；
38.s53，在置入过程中，如果发现当前视频i已经被放入设备，如果已经存入的视频i的码率高于当前处理的码率，那么就跳过当前码率版本，如果已经存入的码率低于当前处理的视频i的码率，那么就将当前处理的视频i的对应码率覆盖之前存入的视频i；
39.s54，重复此过程直到设备d存储的视频所占空间达到存储上限。
40.本发明的一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存质量评估方法，具体包括一下步骤：
41.s6、由于峰值信噪比psnr和视频码率成正比，用视频码率的对数表示峰值信噪比，近似表示用户从该视频中获得的体验得分；
42.s7、计算过去一个时间段内该设备内缓存的所有视频提供的用户体验得分总和；
43.s8、将总和除以过去一个时间段内的用户请求数量来进行标准化，获得过去一个时间段内该设备的缓存方案用户体验得分s。
44.本发明进一步优选：其中步骤s7中具体包括以下：
45.s71，对于一个视频码率，将用户请求数乘以psnr值即码率的对数得到视频得分s；
46.s72，统计所有种类视频码率的得分s之和；
47.s73，统计过去一个时间片内请求的视频的得分之和s。
48.本发明进一步优选：其中步骤s8中，若s越大，则说明过去一个时间片内该设备为用户提供视频服务的质量越高；若s越小，则统说明过去一个时间片内该设备为用户提供视频服务的质量越低
49.本发明的有益效果:针对视频点播服务，利用可伸缩性编码在存储方面的优点，基于时间局限性原理，能够有效提升边缘设备的缓存质量，并且能够通过用户得分来进行评估。
附图说明
50.图1示意性示出了本发明实施例提供的统计方法流程图；
51.图2示意性示出了本发明实施例提供的视频请求信息收集结构图；
52.图3示意性示出了本发明实施例提供的缓存内容更替流程图。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
54.图1所示，本发明实施例提供了一种基于可伸缩性编码的边缘设备缓存方法，包括：
55.s1、在一个边缘设备上收集该设备收到的区域内视频请求信息。图2示意性示出了信息采集结构图，参阅图2，以下为具体说明。
56.具体实施内容为：
57.首先，选取边缘设备，记录其缓存空间大小d，在边缘设备上部署探针以获取用户请求信息，硬件上使用多网卡采集，由交换机通过负载均衡技术将原始请求流量分流到各个网卡上，以满足信息采集需求。
58.然后，对网卡缓冲区施行双缓冲区机制，通过时间片来控制缓冲区的生效顺序，这样可以保证网卡一直处于可用状态。当某个网卡缓冲区满时，工作线程会将缓冲区地址传递给可重入的数据收集接口。
59.最后，为了能够并行采集所有网卡的请求数据，采用多线程技术。在采集服务器上部署dpdk套件，其快速数据包处理功能经过调整即可用于信息采集；采集服务器将用户的
视频请求信息传入存储区。
60.s2、将收集到的视频请求信息按请求时间，请求视频号，请求视频码率分类；
61.具体实施内容为：从存储区中提取收集到的视频请求信息；将收集到的信息按照请求时间，请求视频号，请求视频码率分类；统计每个时间片总共请求视频内容的次数；根据先前的设计将收集到的数据分类放入数据结构中。
62.s3、在一个规定时间片结束时，统计包括该时间片在内的过去若干个时间片每种视频每种码率的热度。具体实施步骤表述如下：
63.首先，对于一种视频i的一种码率j，提取其在过去m个时间片内被用户请求的次数c
ij
。
64.然后，为了消除请求次数多的时间片和请求次数少的时间片之间的区别，将提取到的特定视频码率的请求次数除以对应的每个时间片的总请求次数rt,，从而进行标准化。
65.最后，将标准化过后的m个数据相加得到该视频码率在过去m个时间片内的热度，即
66.将以上操作重复用在所有在过去m个时间片内被请求过的视频码率上。
67.s4、通过请求数量计算每种视频码率的缓存性价比；
68.由于时间局限性原理，过去热度高的视频在未来热度也一定会高，也即会收到较多的用户请求，但是由于设备缓存空间有限，如果缓存过大的视频会减少能够缓存的总的视频数量，导致该设备整体的请求命中率下降，所以为了提高缓存设备的整体缓存质量，计算每种视频码率的缓存性价比并以此为依据来选择缓存视频。
69.对于过去m个时间片来说，定位在该时间段内的所有视频码率热度信息文件；读取文件，提取文件中的所有视频码率的热度值c
ij
′
，将热度值除以该视频版本的码率v
ij
，代表该视频所占空间大小，从而得到该视频版本的缓存性价比w
ij
。
70.s5、根据缓存性价的的大小顺序，调整该设备在下一个时间片内缓存的视频内容。
71.对于所有视频的所有码率版本，将w
ij
从大到小排序，从第一位开始存入边缘设备，在置入过程中，如果发现当前视频i已经被放入设备，如果已经存入的视频i的码率高于当前处理的码率，那么就跳过当前码率版本，如果已经存入的码率低于当前处理的视频i的码率，那么就将当前处理的视频i的对应码率覆盖之前存入的视频i，重复此过程直到设备d存储的视频所占空间达到存储上限m，该过程具体示例见图3
72.本发明还提供一种缓存质量评估方法，包括：
73.s6、由于峰值信噪比psnr和视频码率成正比，用视频码率的对数表示峰值信噪比，近似表示用户从该视频中获得的体验得分，即认为s
ij
＝psnr
ij
＝lgv
ij
表示用户从一次请求视频i的码率j版本的命中时获得的体验得分；
74.s7、计算过去一个时间段内该设备内缓存的所有视频提供的用户体验得分总和。即对于一个视频码率，将用户请求数乘以psnr值即码率的对数得到视频得分s；统计所有种类视频码率的得分s之和；统计过去一个时间片内请求的视频的得分之和s；
75.s8、将总和除以过去一个时间段内的用户请求数量来进行标准化，即从而获得过去一个时间段内该设备的缓存方案用户体验得分s。
若s越大，则说明过去一个时间片内该设备为用户提供视频服务的质量越高；若s越小，则统说明过去一个时间片内该设备为用户提供视频服务的质量越低。
76.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。