云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗優(yōu)化研究課件

云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究熊永華張因生陳鑫吳敏云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究熊永華張因生陳鑫吳敏1概述傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷

遠(yuǎn)程傳輸困難鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高數(shù)據(jù)安全性和可靠性差難以對(duì)分散的監(jiān)控視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和決策分析概述傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷2云視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隨著云計(jì)算的發(fā)展，形成了一種視頻監(jiān)控即服務(wù)（videosurveillanceasaservice）的全新的云計(jì)算服務(wù)模式，即云視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本更強(qiáng)的可擴(kuò)充性和共享功能視頻數(shù)據(jù)更加安全可靠

云視頻監(jiān)控系統(tǒng)3云視頻監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心）的高能耗問題規(guī)模和數(shù)量的不斷增加眾多監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的持續(xù)運(yùn)行海量視頻數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心的管理和存儲(chǔ)日益增多的客戶瀏覽端的管理云視頻監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心）的高能耗問題4體系結(jié)構(gòu)與能耗分析

云監(jiān)控系統(tǒng)一般分為3個(gè)部分：監(jiān)控終端：數(shù)以萬(wàn)計(jì)的監(jiān)控終端攝像頭以及相關(guān)的線路和控制設(shè)備。監(jiān)控中心：云監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，包括接入控制服務(wù)器、虛擬機(jī)、數(shù)據(jù)中心等，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控和瀏覽節(jié)點(diǎn)的接入管理，通過龐大的虛擬機(jī)群來調(diào)度、運(yùn)行來自監(jiān)控端和客戶端的兩類任務(wù)。客戶端：指支持各種主流瀏覽器的視頻訪問端口，通常具備用戶識(shí)別、登錄以及視頻瀏覽、管理等功能。體系結(jié)構(gòu)與能耗分析云監(jiān)控系統(tǒng)一般分為3個(gè)部分：5云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗優(yōu)化研究課件6能耗優(yōu)化機(jī)理分析系統(tǒng)的能耗研究分層次，將云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究分為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、物理節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)等3個(gè)層次。

能耗優(yōu)化機(jī)理分析7監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗是云監(jiān)控系統(tǒng)眾多的監(jiān)控終端攝像頭在集成視頻的采集、編碼和傳輸過程中所產(chǎn)生的能耗。依據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)有源或無源(電池供電)，當(dāng)前在其能耗優(yōu)化方面的研究大致分為兩大類：基于有源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和基于無源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法8基于有源有源的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般是由市電轉(zhuǎn)化為適當(dāng)電壓的直流電直接進(jìn)行供電。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在如何提高視頻服務(wù)質(zhì)量,側(cè)重于以網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算能力等為約束,從視頻編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕嵌?或者研究多監(jiān)視端協(xié)同工作中的視頻重構(gòu)、分割等問題?；谟性?代表方法網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)實(shí)時(shí)視頻的傳輸方法，充分利用可用帶寬以最大化視頻質(zhì)量；運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)視頻編碼與無線傳輸?shù)姆椒ǎ换诒尘白R(shí)別的視頻壓縮方法,通過對(duì)單個(gè)視頻幀的自適應(yīng)平滑，提取單個(gè)視頻幀的圖像特點(diǎn),保留相關(guān)度高的圖像信息；基于位置的多視點(diǎn)視頻重構(gòu)合成的方法；代表方法10基于無源無源的視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般是由電池供電。對(duì)于無源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化研究主要集中在多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)中，從視頻傳感節(jié)點(diǎn)的分布、多目標(biāo)追蹤、編碼和傳輸?shù)确矫婵紤]如何降低能耗、延長(zhǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間等問題。

基于無源11延長(zhǎng)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

即在能量總量不變或者能耗有所減低的前提下，使視頻文件在網(wǎng)絡(luò)上的生存時(shí)間最大化。云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗優(yōu)化研究課件12代表算法有：基于網(wǎng)格編碼的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制；負(fù)載相似節(jié)點(diǎn)分布策略；多sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法；比例權(quán)值路由算法（ratio-W）與和權(quán)值路由算法（sum-W）；基于Inter-Flow網(wǎng)絡(luò)編碼的多Sink環(huán)境下編碼感知的交叉路徑任播路由協(xié)議CodeMesh；基于鏈路穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的組播路由協(xié)議等。代表算法有：13多目標(biāo)追蹤問題中的能耗優(yōu)化方法由于在進(jìn)行多目標(biāo)追蹤時(shí)，每幀圖像都要進(jìn)行前景對(duì)象檢測(cè)、分析和對(duì)多目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤等，導(dǎo)致監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能耗較高。針對(duì)這一問題的代表算法有：基于運(yùn)動(dòng)速度自適應(yīng)的能耗優(yōu)化方法；應(yīng)用于多重背景下視頻分割對(duì)象的閾值決策算法；建立基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制的協(xié)同任務(wù)分配的分布式約束滿足模型，并采用分布式隨機(jī)算法求解滿足約束條件的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟集合，以實(shí)現(xiàn)多動(dòng)態(tài)聯(lián)盟間協(xié)同的方法；多目標(biāo)追蹤問題中的能耗優(yōu)化方法14選擇合適的加密方式指在研究視頻傳感網(wǎng)絡(luò)的視頻流加密過程的基礎(chǔ)上，選擇一種合適的加密方式,通過減少加密所造成的額外開銷來降低視頻傳輸過程中的能耗的方法。代表方法有：基于信道意識(shí)的選擇性加密方法；混沌視頻加密算法；基于數(shù)據(jù)分割模式的視頻流選擇加密策略；分層加密的方法；選擇合適的加密方式15調(diào)整處理器電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器的工作電壓（和頻率等），使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求,從而在性能和能耗之間取得平衡。代表方法有：節(jié)點(diǎn)適時(shí)休眠的降低電壓的方法；動(dòng)態(tài)電壓分配法調(diào)整處理器電壓；在動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）的基礎(chǔ)上考慮增加節(jié)點(diǎn)緩沖器長(zhǎng)度或降低節(jié)點(diǎn)溢出概率，進(jìn)一步節(jié)省能耗等；調(diào)整處理器電壓16物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法云計(jì)算中虛擬機(jī)的主要載體可定義為物理節(jié)點(diǎn)（計(jì)算節(jié)點(diǎn)），主要運(yùn)行視頻監(jiān)控和瀏覽兩類虛擬機(jī)，其主要能耗來源有：服務(wù)器的磁盤、CPU、交換機(jī)、排風(fēng)扇等設(shè)備的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)；不恰當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)部署策略；不合理的任務(wù)接入和調(diào)度導(dǎo)致的虛擬機(jī)超載；為適應(yīng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化而采取的虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移等；物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法17根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的兩種能耗模型——比例模型和兩段模型，可以將物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法分為基于比例模型的方法和基于兩段模型的方法兩大類。基于比例模型比例模型假設(shè)節(jié)點(diǎn)能耗和設(shè)備（CPU、磁盤、交換機(jī)等）的利用率成正比，忽略設(shè)備空閑時(shí)的能耗。根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的兩種能耗模型——比例模型和兩段模型，可以18調(diào)整頻率和電壓

根據(jù)負(fù)載的變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU頻率和電壓。代表方法有：對(duì)服務(wù)器進(jìn)行功耗監(jiān)控基礎(chǔ)之上的基于最佳利用率的功率控制策略；基于服務(wù)器靜態(tài)特征參數(shù)的處理器能效最優(yōu)初始執(zhí)行頻率的計(jì)算方法；調(diào)整頻率和電壓19調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速磁盤動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速（dynamicrotationsperminute,簡(jiǎn)稱DPRM）調(diào)整策略可以使得磁盤可以在不同的訪問頻率下以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在滿足性能要求的同時(shí)盡可能地降低磁盤的能耗。動(dòng)態(tài)調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速的方法：研究固態(tài)盤的管理方式，使磁盤能夠在不同的負(fù)載下按照不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行的方法，實(shí)現(xiàn)能耗和設(shè)備性能成一定的比例，進(jìn)而降低電能消耗。調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速20基于兩段模型兩段模型是指計(jì)算機(jī)的能耗由固定能耗和可變能耗兩部分組成。固定能耗包括風(fēng)扇、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、二極管等一些只要開機(jī)就會(huì)運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)生的能耗；可變能耗指隨著CPU、磁盤、虛擬機(jī)負(fù)載等運(yùn)行任務(wù)的變化而變化的能耗，兩段模型認(rèn)為：計(jì)算機(jī)空閑的能耗不可忽略，沒有負(fù)載的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該掛起或者關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)節(jié)能?；趦啥文Ｐ?1虛擬機(jī)優(yōu)化部署指在虛擬機(jī)接入主機(jī)服務(wù)器之前，通過對(duì)后續(xù)任務(wù)的預(yù)測(cè)等手段選擇一定的部署策略，將虛擬機(jī)部署于合適的宿主機(jī)上，減少后續(xù)虛擬機(jī)的遷移，從而降低能耗。代表方法有：冗余配置虛擬機(jī)的方法；基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬機(jī)部署策略；基于多屬性層次分析的虛擬機(jī)部署方法；虛擬機(jī)優(yōu)化部署22虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移一種典型的基于兩段模型的方法，將處在不同物理節(jié)點(diǎn)上的虛擬機(jī)進(jìn)行聚集，從而直關(guān)?；蛐菝咭堰w空的物理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移23代表算法有：Murtazaev等人提出的服務(wù)器整合算法；基于內(nèi)存混合復(fù)制方式的虛擬機(jī)在線遷移機(jī)制；雙限定值的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的調(diào)度策略；基于服務(wù)器負(fù)荷和性能綜合考量的虛擬機(jī)遷移算法；將物理節(jié)點(diǎn)負(fù)載與虛擬機(jī)遷移損耗評(píng)估、多次觸發(fā)控制、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位三者有機(jī)結(jié)合的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)；虛擬機(jī)快速全系統(tǒng)在線遷移方法等；代表算法有：24任務(wù)接入和調(diào)度指通過對(duì)待接入的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度或?qū)⑻摂M機(jī)中的任務(wù)遷移到其他虛擬機(jī)中，實(shí)現(xiàn)資源的整合，減少虛擬機(jī)的數(shù)量，從而間接地達(dá)到減少物理節(jié)點(diǎn)數(shù)目、降低能耗的目的。代表方法有：多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算任務(wù)的分發(fā)部署及運(yùn)行框架策略；基于彈性云的負(fù)載均衡方法；優(yōu)先調(diào)度I/O任務(wù)的方法；基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的在線調(diào)度算法；任務(wù)接入和調(diào)度25存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法云視頻存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要是指構(gòu)成云計(jì)算環(huán)境下分布存儲(chǔ)的底層數(shù)據(jù)中心，是對(duì)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心是云視頻監(jiān)控中心的核心和主要組成部分，其能耗在整個(gè)系統(tǒng)能耗中占了相當(dāng)大的比重。LawrenceBerkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究指出：數(shù)據(jù)中心的電能消耗超過傳統(tǒng)辦公樓的40倍，但其中大部分服務(wù)器等IT設(shè)備的平均利用率卻只有20%~30%，而空閑狀態(tài)硬件設(shè)備的能耗通常占滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗的50%以上。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法26根據(jù)能耗優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)化層次的不同，研究方法主要分為兩大類：基于硬件的能耗優(yōu)化方法和基于軟件的能耗優(yōu)化方法?；谟布冈诒ＷC存儲(chǔ)性能和容量的情況下，通過使用低能耗存儲(chǔ)設(shè)備或低能耗服務(wù)器構(gòu)架等，從硬件的角度實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗降低。根據(jù)能耗優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)化層次的不同，研究方法主要分為兩大類27使用高性能存儲(chǔ)設(shè)備在數(shù)據(jù)中心使用低能耗閃存，在保證性能的情況下，能夠有效降低存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗。代表方法：基于頁(yè)組地址映射的閃存轉(zhuǎn)換層方案，能夠有效地減少數(shù)據(jù)讀、寫和擦除操作所消耗的能量；使用變速率磁盤減少傳統(tǒng)磁盤維持高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電能，在不同速率下減輕周期性擾動(dòng)；使用高性能存儲(chǔ)設(shè)備28使用低能耗服務(wù)構(gòu)架通過使用低能耗設(shè)備和相應(yīng)的存儲(chǔ)模式，也能夠在整體上降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗，代表方法：Lim等人使用低能耗機(jī)器構(gòu)成大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，通過內(nèi)存共享和基于閃存的磁盤高速緩存，提出一種專為數(shù)據(jù)中心計(jì)算環(huán)境而設(shè)計(jì)的服務(wù)器機(jī)架結(jié)構(gòu)，在相同的服務(wù)能力下，降低了存儲(chǔ)能耗；北京理工大學(xué)的劉靖宇等人提出一種由SSD固態(tài)盤與普通磁盤組成的混合S-RAID結(jié)構(gòu)等；使用低能耗服務(wù)構(gòu)架29基于軟件指通過一定的軟件策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)和管理，使部分不提供數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低能耗模式或者被關(guān)閉，進(jìn)而減少存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電能消耗的方法。基于軟件30靜態(tài)數(shù)據(jù)放置根據(jù)某一放置策略將數(shù)據(jù)在各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行分布存儲(chǔ)，且一般不改變分布位置，在提供一定容錯(cuò)性的前提下，利用系統(tǒng)中的冗余磁盤，使得部分時(shí)間內(nèi)某些節(jié)點(diǎn)不提供數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)服務(wù)，從而關(guān)閉或者掛起這些節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。靜態(tài)數(shù)據(jù)放置31主要方法有：斯坦福大學(xué)的Leverich等人提出的通過改善副本放置策略的方法；華南理工大學(xué)的林偉偉提出一種改進(jìn)Hadoop數(shù)據(jù)放置策略；把原始和冗余數(shù)據(jù)分開存放，將對(duì)數(shù)據(jù)的訪問集中到原始數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，通過關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能；主要方法有：32動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遷移根據(jù)數(shù)據(jù)訪問模式或頻度動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)存放的位置，把訪問頻度高的數(shù)據(jù)遷移到緩存或者部分節(jié)點(diǎn)上，使得其余節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)無訪問請(qǐng)求，并使其進(jìn)入低能耗狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遷移33主要方法有：通過數(shù)據(jù)遷移將節(jié)點(diǎn)按照負(fù)載分布進(jìn)行排序的方法；針對(duì)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的基于固定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)遷移方法；基于數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)遷移方法；熱點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遷移算法等；主要方法有：34總結(jié)與展望現(xiàn)有能耗優(yōu)化的不足：在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)層面，現(xiàn)有的相關(guān)研究存在側(cè)重于提高視頻質(zhì)量或應(yīng)用特殊場(chǎng)合，對(duì)節(jié)點(diǎn)性能要求較高，導(dǎo)致通用性和普適性不足等問題；在物理節(jié)點(diǎn)層面，現(xiàn)有的基于比例模型的相關(guān)方法節(jié)能效果較為有限，而基于兩段模型的方法在應(yīng)用于云視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)也存在局限性，如缺乏合適的虛擬機(jī)控制接入策略、無法保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等；總結(jié)與展望現(xiàn)有能耗優(yōu)化的不足：35在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)層面，基于硬件節(jié)能的方法成本太高，而基于軟件節(jié)能的方法也存在數(shù)據(jù)遷移代價(jià)較大、沒有合理的靜態(tài)數(shù)據(jù)分類方法等問題，難以直接應(yīng)用在云視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)層面，基于硬件節(jié)能的方法成本太高，而基于軟件節(jié)能的36未來研究展望由于云視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種全新的服務(wù)模式，當(dāng)前的研究正處于起步階段，還存在許多尚未解決的問題，尤其是在云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化方面，還沒有一種普適的、有效的方法。未來研究展望37保證視頻質(zhì)量的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般化節(jié)能方法需要針對(duì)云監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的處理能力、編碼方式、網(wǎng)絡(luò)接入方式異構(gòu)以及大規(guī)模分布等特點(diǎn)，研究一種適用于典型云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一般化節(jié)能方法，具體研究可以從基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的視頻質(zhì)量與綜合能耗模型、兼顧視頻質(zhì)量和綜合能耗的多目標(biāo)優(yōu)化方法、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)低能耗部署策略等3個(gè)方面展開；保證視頻質(zhì)量的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般化節(jié)能方法38基于虛擬機(jī)接入能力智能評(píng)價(jià)的物理節(jié)點(diǎn)節(jié)能方法可以從更為合理的任務(wù)接入調(diào)度的思想出發(fā)，針對(duì)云視頻監(jiān)控過程的特點(diǎn)，研究一種基于虛擬機(jī)接入能力智能評(píng)價(jià)的節(jié)能方法，具體研究可以從基于專家知識(shí)的虛擬機(jī)接入能力智能評(píng)價(jià)模型、基于虛擬機(jī)超載系數(shù)的評(píng)價(jià)模型動(dòng)態(tài)更新方法、面向負(fù)載均衡的虛擬機(jī)任務(wù)接入調(diào)度策略這3個(gè)方面展開；基于虛擬機(jī)接入能力智能評(píng)價(jià)的物理節(jié)點(diǎn)節(jié)能方法39融合靜態(tài)分類與動(dòng)態(tài)遷移的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)節(jié)能方法從基于軟件的靜態(tài)數(shù)據(jù)分類和動(dòng)態(tài)遷移方向著手，設(shè)計(jì)一種融合靜態(tài)分類與動(dòng)態(tài)遷移的方法?？梢愿鶕?jù)用戶對(duì)視頻數(shù)據(jù)的訪問頻度將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)分類、分級(jí)存儲(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，分析每一類數(shù)據(jù)的用戶訪問特征，研究一種適用于云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)定位遷移方法，把具有相同特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理遷移，進(jìn)一步集中存儲(chǔ),在最大限度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。融合靜態(tài)分類與動(dòng)態(tài)遷移的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)節(jié)能方法40云視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)前并沒有能夠進(jìn)行云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，且直接搭建基礎(chǔ)設(shè)施、軟硬件實(shí)物平臺(tái)等來進(jìn)行云監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化實(shí)驗(yàn)需要較大的成本，故可以研究先開發(fā)一個(gè)全面的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后再在針對(duì)系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上搭建一個(gè)典型的實(shí)物平臺(tái)：通過在仿真平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)的各種節(jié)能策略進(jìn)行初步測(cè)試，選出最佳策略部署于實(shí)物平臺(tái)，進(jìn)一步深入驗(yàn)證。云視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)41謝謝！謝謝！42云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究熊永華張因生陳鑫吳敏云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究熊永華張因生陳鑫吳敏43概述傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷

遠(yuǎn)程傳輸困難鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高數(shù)據(jù)安全性和可靠性差難以對(duì)分散的監(jiān)控視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和決策分析概述傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷44云視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隨著云計(jì)算的發(fā)展，形成了一種視頻監(jiān)控即服務(wù)（videosurveillanceasaservice）的全新的云計(jì)算服務(wù)模式，即云視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本更強(qiáng)的可擴(kuò)充性和共享功能視頻數(shù)據(jù)更加安全可靠

云視頻監(jiān)控系統(tǒng)45云視頻監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心）的高能耗問題規(guī)模和數(shù)量的不斷增加眾多監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的持續(xù)運(yùn)行海量視頻數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心的管理和存儲(chǔ)日益增多的客戶瀏覽端的管理云視頻監(jiān)控系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心）的高能耗問題46體系結(jié)構(gòu)與能耗分析

云監(jiān)控系統(tǒng)一般分為3個(gè)部分：監(jiān)控終端：數(shù)以萬(wàn)計(jì)的監(jiān)控終端攝像頭以及相關(guān)的線路和控制設(shè)備。監(jiān)控中心：云監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，包括接入控制服務(wù)器、虛擬機(jī)、數(shù)據(jù)中心等，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控和瀏覽節(jié)點(diǎn)的接入管理，通過龐大的虛擬機(jī)群來調(diào)度、運(yùn)行來自監(jiān)控端和客戶端的兩類任務(wù)?？蛻舳耍褐钢С指鞣N主流瀏覽器的視頻訪問端口，通常具備用戶識(shí)別、登錄以及視頻瀏覽、管理等功能。體系結(jié)構(gòu)與能耗分析云監(jiān)控系統(tǒng)一般分為3個(gè)部分：47云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗優(yōu)化研究課件48能耗優(yōu)化機(jī)理分析系統(tǒng)的能耗研究分層次，將云視頻監(jiān)控系統(tǒng)的能耗優(yōu)化研究分為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、物理節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)等3個(gè)層次。

能耗優(yōu)化機(jī)理分析49監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗是云監(jiān)控系統(tǒng)眾多的監(jiān)控終端攝像頭在集成視頻的采集、編碼和傳輸過程中所產(chǎn)生的能耗。依據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)有源或無源(電池供電)，當(dāng)前在其能耗優(yōu)化方面的研究大致分為兩大類：基于有源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和基于無源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法50基于有源有源的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般是由市電轉(zhuǎn)化為適當(dāng)電壓的直流電直接進(jìn)行供電。目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在如何提高視頻服務(wù)質(zhì)量,側(cè)重于以網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算能力等為約束,從視頻編碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕嵌?或者研究多監(jiān)視端協(xié)同工作中的視頻重構(gòu)、分割等問題?；谟性?1代表方法網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)實(shí)時(shí)視頻的傳輸方法，充分利用可用帶寬以最大化視頻質(zhì)量；運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)視頻編碼與無線傳輸?shù)姆椒ǎ换诒尘白R(shí)別的視頻壓縮方法,通過對(duì)單個(gè)視頻幀的自適應(yīng)平滑，提取單個(gè)視頻幀的圖像特點(diǎn),保留相關(guān)度高的圖像信息；基于位置的多視點(diǎn)視頻重構(gòu)合成的方法；代表方法52基于無源無源的視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般是由電池供電。對(duì)于無源監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化研究主要集中在多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)中，從視頻傳感節(jié)點(diǎn)的分布、多目標(biāo)追蹤、編碼和傳輸?shù)确矫婵紤]如何降低能耗、延長(zhǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間等問題。

基于無源53延長(zhǎng)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

即在能量總量不變或者能耗有所減低的前提下，使視頻文件在網(wǎng)絡(luò)上的生存時(shí)間最大化。云視頻監(jiān)控系統(tǒng)能耗優(yōu)化研究課件54代表算法有：基于網(wǎng)格編碼的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制；負(fù)載相似節(jié)點(diǎn)分布策略；多sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法；比例權(quán)值路由算法（ratio-W）與和權(quán)值路由算法（sum-W）；基于Inter-Flow網(wǎng)絡(luò)編碼的多Sink環(huán)境下編碼感知的交叉路徑任播路由協(xié)議CodeMesh；基于鏈路穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的組播路由協(xié)議等。代表算法有：55多目標(biāo)追蹤問題中的能耗優(yōu)化方法由于在進(jìn)行多目標(biāo)追蹤時(shí)，每幀圖像都要進(jìn)行前景對(duì)象檢測(cè)、分析和對(duì)多目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤等，導(dǎo)致監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能耗較高。針對(duì)這一問題的代表算法有：基于運(yùn)動(dòng)速度自適應(yīng)的能耗優(yōu)化方法；應(yīng)用于多重背景下視頻分割對(duì)象的閾值決策算法；建立基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制的協(xié)同任務(wù)分配的分布式約束滿足模型，并采用分布式隨機(jī)算法求解滿足約束條件的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟集合，以實(shí)現(xiàn)多動(dòng)態(tài)聯(lián)盟間協(xié)同的方法；多目標(biāo)追蹤問題中的能耗優(yōu)化方法56選擇合適的加密方式指在研究視頻傳感網(wǎng)絡(luò)的視頻流加密過程的基礎(chǔ)上，選擇一種合適的加密方式,通過減少加密所造成的額外開銷來降低視頻傳輸過程中的能耗的方法。代表方法有：基于信道意識(shí)的選擇性加密方法；混沌視頻加密算法；基于數(shù)據(jù)分割模式的視頻流選擇加密策略；分層加密的方法；選擇合適的加密方式57調(diào)整處理器電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器的工作電壓（和頻率等），使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求,從而在性能和能耗之間取得平衡。代表方法有：節(jié)點(diǎn)適時(shí)休眠的降低電壓的方法；動(dòng)態(tài)電壓分配法調(diào)整處理器電壓；在動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）的基礎(chǔ)上考慮增加節(jié)點(diǎn)緩沖器長(zhǎng)度或降低節(jié)點(diǎn)溢出概率，進(jìn)一步節(jié)省能耗等；調(diào)整處理器電壓58物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法云計(jì)算中虛擬機(jī)的主要載體可定義為物理節(jié)點(diǎn)（計(jì)算節(jié)點(diǎn)），主要運(yùn)行視頻監(jiān)控和瀏覽兩類虛擬機(jī)，其主要能耗來源有：服務(wù)器的磁盤、CPU、交換機(jī)、排風(fēng)扇等設(shè)備的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)；不恰當(dāng)?shù)奶摂M機(jī)部署策略；不合理的任務(wù)接入和調(diào)度導(dǎo)致的虛擬機(jī)超載；為適應(yīng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化而采取的虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移等；物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法59根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的兩種能耗模型——比例模型和兩段模型，可以將物理節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法分為基于比例模型的方法和基于兩段模型的方法兩大類?；诒壤Ｐ捅壤Ｐ图僭O(shè)節(jié)點(diǎn)能耗和設(shè)備（CPU、磁盤、交換機(jī)等）的利用率成正比，忽略設(shè)備空閑時(shí)的能耗。根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的兩種能耗模型——比例模型和兩段模型，可以60調(diào)整頻率和電壓

根據(jù)負(fù)載的變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU頻率和電壓。代表方法有：對(duì)服務(wù)器進(jìn)行功耗監(jiān)控基礎(chǔ)之上的基于最佳利用率的功率控制策略；基于服務(wù)器靜態(tài)特征參數(shù)的處理器能效最優(yōu)初始執(zhí)行頻率的計(jì)算方法；調(diào)整頻率和電壓61調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速磁盤動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速（dynamicrotationsperminute,簡(jiǎn)稱DPRM）調(diào)整策略可以使得磁盤可以在不同的訪問頻率下以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在滿足性能要求的同時(shí)盡可能地降低磁盤的能耗。動(dòng)態(tài)調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速的方法：研究固態(tài)盤的管理方式，使磁盤能夠在不同的負(fù)載下按照不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行的方法，實(shí)現(xiàn)能耗和設(shè)備性能成一定的比例，進(jìn)而降低電能消耗。調(diào)整磁盤轉(zhuǎn)速62基于兩段模型兩段模型是指計(jì)算機(jī)的能耗由固定能耗和可變能耗兩部分組成。固定能耗包括風(fēng)扇、機(jī)械驅(qū)動(dòng)、二極管等一些只要開機(jī)就會(huì)運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)生的能耗；可變能耗指隨著CPU、磁盤、虛擬機(jī)負(fù)載等運(yùn)行任務(wù)的變化而變化的能耗，兩段模型認(rèn)為：計(jì)算機(jī)空閑的能耗不可忽略，沒有負(fù)載的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該掛起或者關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)節(jié)能?；趦啥文Ｐ?3虛擬機(jī)優(yōu)化部署指在虛擬機(jī)接入主機(jī)服務(wù)器之前，通過對(duì)后續(xù)任務(wù)的預(yù)測(cè)等手段選擇一定的部署策略，將虛擬機(jī)部署于合適的宿主機(jī)上，減少后續(xù)虛擬機(jī)的遷移，從而降低能耗。代表方法有：冗余配置虛擬機(jī)的方法；基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬機(jī)部署策略；基于多屬性層次分析的虛擬機(jī)部署方法；虛擬機(jī)優(yōu)化部署64虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移一種典型的基于兩段模型的方法，將處在不同物理節(jié)點(diǎn)上的虛擬機(jī)進(jìn)行聚集，從而直關(guān)?；蛐菝咭堰w空的物理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移65代表算法有：Murtazaev等人提出的服務(wù)器整合算法；基于內(nèi)存混合復(fù)制方式的虛擬機(jī)在線遷移機(jī)制；雙限定值的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移的調(diào)度策略；基于服務(wù)器負(fù)荷和性能綜合考量的虛擬機(jī)遷移算法；將物理節(jié)點(diǎn)負(fù)載與虛擬機(jī)遷移損耗評(píng)估、多次觸發(fā)控制、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位三者有機(jī)結(jié)合的虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)；虛擬機(jī)快速全系統(tǒng)在線遷移方法等；代表算法有：66任務(wù)接入和調(diào)度指通過對(duì)待接入的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度或?qū)⑻摂M機(jī)中的任務(wù)遷移到其他虛擬機(jī)中，實(shí)現(xiàn)資源的整合，減少虛擬機(jī)的數(shù)量，從而間接地達(dá)到減少物理節(jié)點(diǎn)數(shù)目、降低能耗的目的。代表方法有：多虛擬機(jī)協(xié)同計(jì)算任務(wù)的分發(fā)部署及運(yùn)行框架策略；基于彈性云的負(fù)載均衡方法；優(yōu)先調(diào)度I/O任務(wù)的方法；基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的在線調(diào)度算法；任務(wù)接入和調(diào)度67存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法云視頻存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)主要是指構(gòu)成云計(jì)算環(huán)境下分布存儲(chǔ)的底層數(shù)據(jù)中心，是對(duì)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)中心是云視頻監(jiān)控中心的核心和主要組成部分，其能耗在整個(gè)系統(tǒng)能耗中占了相當(dāng)大的比重。LawrenceBerkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究指出：數(shù)據(jù)中心的電能消耗超過傳統(tǒng)辦公樓的40倍，但其中大部分服務(wù)器等IT設(shè)備的平均利用率卻只有20%~30%，而空閑狀態(tài)硬件設(shè)備的能耗通常占滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗的50%以上。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化方法68根據(jù)能耗優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)化層次的不同，研究方法主要分為兩大類：基于硬件的能耗優(yōu)化方法和基于軟件的能耗優(yōu)化方法?；谟布冈诒ＷC存儲(chǔ)性能和容量的情況下，通過使用低能耗存儲(chǔ)設(shè)備或低能耗服務(wù)器構(gòu)架等，從硬件的角度實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗降低。根據(jù)能耗優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)和優(yōu)化層次的不同，研究方法主要分為兩大類69使用高性能存儲(chǔ)設(shè)備在數(shù)據(jù)中心使用低能耗閃存，在保證性能的情況下，能夠有效降低存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的能耗。代表方法：基于頁(yè)組地址映射的閃存轉(zhuǎn)換層方案，能夠有效地減少數(shù)據(jù)讀、寫和擦除操作所消耗的能量；使用變速率磁盤減少傳統(tǒng)磁盤維持高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電能，在不同速率下減輕周期性擾動(dòng)；使用高性能存儲(chǔ)設(shè)備70使用低能耗服務(wù)構(gòu)架通過使用低能耗設(shè)備和相應(yīng)的存儲(chǔ)模式，也能夠在整體上降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的能耗，代表方法：Lim等人使用低能耗機(jī)器構(gòu)成大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，通過內(nèi)存共享和基于閃存的磁盤高速緩存，提出一種專為數(shù)據(jù)中心計(jì)算環(huán)境而設(shè)計(jì)的服務(wù)器機(jī)架結(jié)構(gòu)，在相同的服務(wù)能力下，降低了存儲(chǔ)能耗；北京理工大學(xué)的劉靖宇等人提出一種由SSD固態(tài)盤與普通磁盤組成的混合S-RAID結(jié)構(gòu)等；使用低能耗服務(wù)構(gòu)架71基于軟件指通過一定的軟件策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)和管理，使部分不提供數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低能耗模式或者被關(guān)閉，進(jìn)而減少存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電能消耗的方法?；谲浖?2靜態(tài)數(shù)據(jù)放置根據(jù)某一放置策略將數(shù)據(jù)在各個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行分布存儲(chǔ)，且一般不改變分布位置，在提供一定容錯(cuò)性的前提下，利用系統(tǒng)中的冗余磁盤，使得部分時(shí)間內(nèi)某些節(jié)點(diǎn)不提供數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)服務(wù)，從而關(guān)閉或者掛起這些節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。靜態(tài)數(shù)據(jù)放置73主要方法有：斯坦福大學(xué)的Leverich等人提出的通過改善副本放置策略的方法；華南理工大學(xué)的林偉偉提出一種改進(jìn)Hadoop數(shù)據(jù)放置策略；把原始和冗余數(shù)據(jù)分開存放，將對(duì)數(shù)據(jù)的訪問集中到原始數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上，通過關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能；主要方法有：74動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遷移根據(jù)數(shù)據(jù)訪問模式或頻度動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)存放的位置，把訪問頻度高的數(shù)據(jù)遷移到緩存或者部分節(jié)點(diǎn)上，使得其余節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)無訪問請(qǐng)求，并使其進(jìn)入低能耗狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遷移75主要方法有：通過數(shù)據(jù)遷移將節(jié)點(diǎn)按照負(fù)載分布進(jìn)行排序的方法；針對(duì)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的基于固定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)遷移方法；基于數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)遷移方法；熱