智能电视操作系统服务性能与资源调度关键技术研究

中国科学技术大学博士学位论文智能电视操作系统服务性能与资源调度关键技术研究姓名：王海威申请学位级别：博士专业：网络传播系统与控制指导教师：倪宏;朱明2011-04-20摘要I摘要随着“三网融合”的全面推进，各种融合业务不断涌现，推动了能够承载融合业务的融合终端的发展，智能电视成为继智能手机、平板电脑之后融合终端领域的又一研究热点，受到了科研、运营机构和生产部门的关注。智能电视具备多种网络接入能力，支持应用程序的动态下载、安装及多任务并行，以满足融合业务服务能力的支撑需求。然而，出于成本、功耗等方面的考虑，智能电视通常硬件能力和可用资源受限，因此，对智能电视操作系统服务性能和资源进行优化，以有效保障并行业务的服务质量，保证并提升用户使用效果和服务体验成为目前急需解决的重要问题。优化内容可以分为两个层面：在系统层面，优化系统资源的管理和调度，实现任务间资源的合理分配；在应用层面，结合终端特点，优化应用逻辑设计，提高应用性能和资源使用效率，以较少的资源保障较高的服务性能。本文以“十一五”国家科技支撑计划“支持跨区域、多运营商的新一代广播电视服务系统”课题为依托，基于以上两个层面，分别从智能电视资源调度和基本网络传输应用（文件下载服务、流媒体服务）等方面，对系统资源管理框架的设计、资源分配算法、多媒体文件传输协议以及流媒体码流平滑等智能电视操作系统服务性能优化的关键问题展开研究，以提升系统服务性能，节省资源消耗，改善用户体验。本文的主要工作和创新点如下：1)针对智能电视资源受限、任务缺乏有效的QoS保障等问题，提出一种智能电视任务的QoS模型，通过QoS合同和QoS映射，建立任务QoS等级与资源间的映射关系。基于任务QoS模型，构建了具有QoS保障的资源管理框架，对不同资源类型进行区分处理和调度，并基于Linux动态链接库实现资源分配算法的动态加载和替换，使其具有良好的可扩展性。最后提出一种基于优先级的资源调度策略，以任务QoS模型为指导进行资源分配，保障任务的QoS需求，验证了QoS模型的有效性。2)针对智能电视操作系统多任务环境下的资源分配问题，结合任务QoS模型，建立了以系统效用最大化和资源占用最小化为优化目标的资源分配模型，将该模型规划为多维多选择背包问题，并提出一种启发式资源分配算法RA_GHEU。RA_GHEU算法优先选择单位资源下产生较大效用的资源分配方案，能够同时从系统效用和资源消耗两个方向寻优，并通过引入资源消耗总额的概念，均衡系统各种资源的负载。RA_GHEU算法的时间复杂度为O(n2)，与复杂度为O(Nn)的回溯法相比，可在极短的时间内求出接近最优的解，适合用于智能电视操作系统实时的资源分配决策。摘要II3)针对智能电视数据接收能力和可用资源受限的问题，提出一种高效的面向智能电视的大尺寸多媒体文件传输协议SMFTP。SMFTP底层基于UDP协议，具有较小的协议开销；通过统一重传的差错恢复机制，避免数据传输过程中接收端频繁的重传请求，降低接收端维护定时器和指针寻址定位的开销；发送端采用基于带宽探测的递减式加增乘减速率控制算法，根据接收端定期反馈的数据接收情况，及时调节发送速率，提高跟踪网络和终端资源状态变化的灵敏度，从而保证高效的传输性能和接收端较低的资源需求。实验表明，在有效带宽100Mbps的实验环境下，与FTP和UDT协议相比，SMFTP文件传输时间分别缩短17%和3%，接收端CPU占用率降低42.3%和50.3%，内存占用率分别降低了4%和15%。4)针对智能电视终端接收VBR流媒体视频突发流量时的上溢问题，提出一种在终端最大接收速率和缓冲区容量约束下的码流平滑算法RBCBS，以有限的资源保障流媒体应用的服务质量。该算法在缓冲区容量的约束下，以尽可能接近受限速率的速度传输数据，从而充分利用可用的缓冲区资源。RBCBS算法的时间复杂度为O(N)，与传统的速率受限码率平滑算法RCBS相比，在同样的实验环境和资源约束下，码流传输过程中码率变化次数平均降低11.9%，码率变化率平均降低12.6%，数据传输更为平稳，降低了对终端的压力。关键词：智能电视，智能电视操作系统，资源管理，资源分配，网络协议，流量控制，码流平滑AbstractIIIAbstractWiththedevelopmentof“theintegrationoftelecommunicationsnetworks,cableTVnetworksandtheInternet”,variousintegrationservicesandterminalsemergecontinually.SmartTVbecomesthenewresearchfocusintheintegrationterminalfields,thusattractingtheattentionofresearchers,serviceprovidersandtelevisionmanufacturers.However,duetothelimitednatureofhardwareresourcesinembeddedsystem,SmartTVcannotfulfillresourcerequirementsofeveryconcurrentservice.Inordertoguaranteethequalitiesofconcurrentservicesandachievebetteroverallperformance,itiscrucialtooptimizeresourcemanagementandschedulinginSmartTV.Performanceoptimizationcanbedoneintwolayers:Systemlayer.Itisnecessarytooptimizethemanagementandschedulingoftheresourcesandmakeappropriateallocationsamongtasks.Applicationlayer.Itisnecessarytoconsiderthecharacteristicsoftheterminaltooptimizetheapplicationlogicdesign,thusimprovingapplicationcapabilitiesandefficienciesoftheresourcesusage.UnderthesupportoftheNationalKeyTechnologyR&DProgram“newgenerationofradioandtelevisionservicesystemsupportingcross-regionalandmulti-service-providers”,thisdissertationwilldiscussseveralkeyissuesrelatedtoSmartTVperformanceoptimizationbasedonthetwo-layersdivisionabove,includingthedesignofsystemresourcemanagementframework,resourceallocationalgorithm,multi-mediafiletransferprotocolandstreamingmediaratesmoothingetc.,inordertoimprovethecapabilitiesofSmartTVserviceswhichresultinbettercustomers’satisfaction.Themaincontributionsandinnovationsareasfollows:1)RecognizingthelackofeffectivemeanstoguaranteeQoSofSmartTVservicesunderrestrictedresources,aQoSmodel,whichestablishesthemappingbetweenQoSlevelsandresourcerequirementsofservices,isproposed.BasedontheQoSmodel,aQoSguaranteeresourcemanagementframeworkisbuilt,whichdistinguishesdifferenttypesofresources,allocatesandschedulesresourcesinordertoguaranteetheservices’QoS.TheframeworkusesLinuxDLLtorealizedynamicloadingandreplacementofalgorithms,andhasagoodexpansibility.Finally,apriority-basedresourceschedulingalgorithmispresentedtoguaranteetheQoSofconcurrentservices.AbstractIV2)AutilitybasedresourceallocationmodelwiththeobjectivesofsystemutilitymaximizationandresourceconsumptionminimizationisestablishedforSmartTVoperatingsystemresourceallocation.Thismodelisplannedasmultiple-choiceandmultiple-dimensionknapsackproblem,andthenaheuristicalgorithmRA_GHEUisproposed.Thisalgorithmpreferstochooseallocationschemeswithhighutilityperresourceunit,andseeksforoptimizationfrombothsystemutilityaspectandresourceconsumptionaspectsimultaneously.Comparedwithback-tracingalgorithmwithatimecomplexityofO(Nn),RA_GHEUwhosetimecomplexityisO(n2),canobtainnear-optimalsolutioninanextremeshorttime,andissuitableforsmartTVoperatingsystemreal-timeresourceallocation.3)AtransportprotocolSMFTPforthelargemulti-mediafiletransferontheSmartTVisproposed.BuiltontopofUDP,SMFTPusesauniformretransmissionstrategytohandleerrorrecovery,thusavoidingretransmissionsduringtheprocessofdatatransferandreducingthecostoftimerandpointeraddressingonthereceiverside.ThesenderusesDAIMD(AdditiveIncreaseMultiplicativeDecreasewithDecreasingIncreases)ratecontrolalgorithmtoadjustsendingrateintimeaccordingtoperiodicfeedbacksfromthereceiver,whichimprovesresponsivenesstochangesinnetworkandterminalresources.SMFTPcanensur