校園網多媒體視頻網格系統的資源管理

【摘要】本文通過分析多媒體視頻教學技術在校園網應用中存在的問題，指出構建多媒體視頻網格應用系統是改善校園網多媒體視頻服務質量的有效方法。網格應用系統中的資源管理是整個校園網格系統的關鍵和基礎，文中較詳細的介紹了網格環境下資源的分類方法，資源信息的存儲方式及資源的調度方法。

【關鍵詞】校園網，多媒體視頻，網格技術，資源管理

【中圖分類號】G434

【文獻標識碼】B

【論文編號】1009—8097（2006）04—0052—05

一、校園網多媒體視頻網格系統的構建

目前大學校園內普遍開展了運用多媒體視頻技術的教學活動。常見的有：精品課程在線直播、教學視頻點播、遠程教育、實時視頻會議等。然而這些教學活動常受到網絡帶寬、服務器性能、節目來源、建設費用等因素的制約^[1]， 具體表現為：

1、通常情況下，學校將各種教學視頻數據集中存儲在網絡中心機房的服務器中，當校園網中出現大量視頻訪問請求時，會造成網絡中心數據訪問量的巨增，容易引發網絡擁塞，影響網絡中心其它網絡服務的開展。

2、因資金等原因，網絡中心常會將大量多媒體視頻資源存放在一臺或有限的幾臺服務器上。這樣會造成因網絡中心服務器性能有限，無法滿足大量校園網用戶對高質量視頻服務的需求。

3、通常各個學院存有與自己直接相關的多媒體資源，如果單純地采用拷貝到網絡中心集中管理的方式，必然造成信息更新較慢，占用空間較大等缺點。但是簡單的分散管理又不利于校園內資源的共享。

為了解決存在的問題，我們構建了基于網格技術的多媒體應用平臺如圖1所示，利用網格技術能將校園網內地理上異構分布的各種高性能計算機、數據服務器、大型檢索存儲系統等通過網絡連接集成，對所有資源統一調配和使用，實現計算資源、數據資源和服務資源的有效聚合及共享，是解決制約校園網多媒體視頻應用的有效方法^[2]。目前主要的網格體系結構分為兩種：一種是五層沙漏結構，它的主要思想是以協議為中心，強調物理資源的共享^[3]。另一種是開放網格服務體系結構(Open Grid Services Architecture)，在OGSA中，定義了“網格服務”(Grid Service)概念^[4]，并將計算機資源、存儲資源、程序、數據庫等看作網格服務，服務提供了一組接口，這些接口將解決服務發現、動態服務創建、生命周期管理、通知等問題。用不同方式聚合起來的網格服務可以滿足校園內不同部門的需求，完成不同的任務。

圖1 多媒體視頻網格應用平臺

校園網多媒體視頻網格應用平臺是基于OGSA架構的網格應用平臺，主要由分散在學校各院、系及網絡中心的多媒體集群服務器組成。應用平臺為校園網用戶提供統一的WEB訪問接口。用戶的訪問經過身份論證，并獲得訪問權限后，訪問將被轉發到資源調度服務器，在資源調度服務器中將完成資源的查找、動態服務的創建、資源的調度、訪問資源的定位、生命周期管理等工作。最后用戶將根據此動態訪問實例對多媒體資源進行訪問。網格平臺可以充分利用校園內的各種現存網絡資源，分散訪問請求，避免網絡擁塞，提高服務質量。

二、校園網多媒體視頻網格系統資源管理的架構設計

多媒體視頻網格資源管理是整個校園網網格系統中基礎和關鍵的部分。它為網格的上層應用提供底層支持。根據我院多媒體視頻應用的具體情況，構建了如圖2所示的多媒體視頻網格系統資源管理的架構。

圖2 校園網多媒體視頻網格系統資源管理模型

校園網多媒體視頻網格系統資源管理模型的調度過程：

1、用戶經過身份論證，通過網格資源訪問接口向資源調度模塊發出一個訪問請求。

2、請求被插入到用戶請求隊列中，此時用戶還沒有真正獲得網格資源的分配。

3、資源調度模塊在完成一個資源調度分配周期后，將從隊列中接收新的訪問請求，并對其進行資源分配。在資源分配過程中主要有以下幾個環節。

l首先在資源目錄服務模塊中查找待分配資源的信息。如果查找成功，將進入下一步；如果失敗將返回錯誤信息給用戶并結束本次資源分配調度。

l由于在網格環境中，可能查詢到不只一個網格節點能對用戶的訪問提供服務，例如有多個網格節點能提供英文在線視頻服務。為了提高服務質量（QOS），資源調度模塊將根據網格節點的服務連接數、網格節點的權值進行負載均衡。

l經過負載均衡處理后的訪問將被定位到一個具體的網格節點。資源配置模塊將進一步完成動態資源訪問請求中涉及到的其它相關配置，如生命周期的確定、服務器URL參數的確定等工作。最后成一個針對具體服務節點的訪問請求實例，并將其插入到訪問實例請求隊列中，完成此次資源的分配流程。

4、用戶將根據資源訪問實例中的信息通過校園網對資源

進行訪問。

三、校園網多媒體視頻網格系統的資源分類方法

校園網網格環境下的多媒體資源通常是以網格節點的形式提供服務，其服務能力受服務器性能高低的影響，存在較大的差異。對網格節點進行有效的分類，是資源管理與調度的基礎，也將直接影響到整個系統的服務質量。節點上服務器的CPU性能、內存的大小、Cache的大小、網卡的速率、網絡接入的帶寬等因素將直接影響網格服務質量。然而這些屬性不存在必然的直接聯系，很難用一定的線性數學模型來對其進行描述。因此在這里我們引入模糊數學方法來對其進行分類。這種分類方法使結果更自然，更符合實際。主要步驟是：

1、確定對象

設 R = {R1 ， R2 ， R3 ，．．．，Rn}為待分類的校園網多媒體資源，其中每一個對象代表一個Grid Node，對象Ri由網格節點上服務器的性能參數組成：Ri = {Ni1 ， Ni2 ， Ni3 ，．．．．．．，Nij}(i，j = 1，……，n)。我們選擇表1中的參數作為分類指標。

2、建立模糊相似矩陣

在此我們利用網格節點參數Ri 建立模糊相似矩陣R=（N），其中Nij = Nji ，Nii = 1，在確定Nij時可采用：相關系數法、最大最小法、算術平均最小法、幾何平均最小

表1節點服務器性能參數表

法、絕對指數法等方法。我們在考慮到校園網的具體情況后選擇算術平均最小法來確定Nij 的值，即

=

在實際處理過程中，R的收斂速度是比較快的。為進一步加快收斂速度，我們采取如下處理方法：R→R2→R4→R8→…→R2k 。即先將R自乘改造為R2，再自乘得R4，如此繼續下去，直到某一步出現R2k=Rk= R*。此時R*滿足了傳遞性， 于是模糊相似矩陣R就被改造成了一個模糊等價關系矩陣R*。

為了描述Ri 與Rj 的相關程度，我們采用相似系數R，RijIcirc;^[0，1]來衡量?？紤]到服務器的CPU與CPU個數對服務影響較大。故選擇 0.9468 < α < 1；此時可獲得布爾矩陣Rα，由于布爾矩陣為對稱陣，此時我們可以只考慮矩陣中的左下部分元素，即:

3、資源的分類

用橫線和豎線與主對角線上的1連接，以此可將網格節點按服務器的性能的高低分為三類：A{ Grid Node1}、B{ Grid Node2， Grid Node3}、C{ Grid Node4}。其中Grid Node1服務器性能最好，故分配權值為4。Grid Node2與Grid Node3服務器性能次之，故分配權值3，Grid Node4分配權值2。此權值將作為網格節點事務調度的依據。

四、校園網多媒體視頻網格系統資源管理目錄組織結構

從圖1中我們可能看出，資源目錄服務是多媒體應用網格平臺的重要組成部分，它主要負責管理網格環境下節點資源的注冊、發現、查找、更新等服務，它為信息的查詢與任務的分配提供支持。在此我們選擇資源目錄樹的方式來對多媒體資源進行組織和管理。資源目錄樹如圖3所示。

圖3 網格資源目錄組織結構

為此我們構建資源樹中的網格節點數據結構：

TypedefstructGrid_R_Node

{

StringNode_Resource_tpye ; //表示節點中多媒體資源類型如：如英語多媒體視頻//資源、數學多媒體視頻資源等

IntNode_Resource_weight ; //節點資源的權值，表示當前網格節點的服務能力

UnsignedResource_IP ; //資源節點的的IP地址

StructGrid_R_node*Node_first_child， *

Node_nextsibling ;

//指向該節點中第一個孩子的節點和后繼

IntNode_parent ; //節點的雙親

IntNode_OS_type ;//節點操作系統信息

StringNode_Computer_name ;//節點計算機名

IntGlobe_Computer_resourceID;//節點的全局惟一資源編號

} G_Node， * G_new_Node

網格資源的注冊函數：

Void grid_resour_register(G_node* T_root_node ，

G_nodeR)

{

G_Node*T_node ;

//T_root_node 為指向資源樹根節點的指針

T_node=T_root_node->Node_first_child ;

DO{

If(T_node -> Node_Resource_tpye = = R. Node_Resource_tpye)break ;

Else T_node = T_node -> Node_nextsibling ;

}

while(T_node! = 1) ;

//將網格節點插入到以Node_Resource_weight為權值的子樹中

New_Node_insert( Grid_temp_node ，R) ;

}

VoidNew_Node_insert(G_node *Tree_node ， G_nodeR){

……

G_node*Insert_node， Father_Node ;

Father_Node = Tree_node ;

Insert_node = Insert_node -> Node_first_child ;

//已到達樹的葉子節點

If(Insert_node = = 1){

While(Insert_node-> Node_nextsibling! = 1)

Insert_node = Insert_node ->Node_nextsibling ;

//為插入節點分配資源

G_new_Node = (Grid_R_Node) malloc (sixeof(G_Node)) ;

//初始化節點點信息

G_new_Node -> Node_Resource_tpye=R. Node_Resource_tpye ;

G_new_Node -> Node_Resource_weight=R. Node_Resource_weight ;

G_new_Node -> Resource_IP=R. Resource_IP ;

G_new_Node -> Nod_parent=R. Nod_parent ;

G_new_Node -> Nod_OS_type=R. Nod_OS_type ;

G_new_Node ->Globe_Computer_resourceID = R. Globe_Computer_resourceID;

G_new_Node -> Node_Computer_name=R. Node_Computer_name ;

G_new_Node -> Node_nextsibling=1 ;

Insert_node -> Node_nextsibling=G_new_Node ;

……

}

五、校園網多媒體視頻網格系統的資源調度

校園網多媒體視頻網格環境下資源的調度與負載均衡也是直接影響網格服務質量的重要因素。在實際運用中，我們編寫了一種基于最小連接數的加權輪叫調度算法^[5]，如圖4所示。該算法基于服務器最小連接數與網格節點的權值進行綜合調度。它不僅考慮到服務器權值對服務器性能的影響，還將同一權值下的服務器的最小連接數作為調度的影響因素。多媒體視頻網格資源調度模塊將維護一張當前各個網格節點上服務器連接數的表格。在進行資源定位時，調度算法將查詢這張表格。并從候選節點中選擇出當前連接數最小的服務器為用戶提供服務，從而實現資源調度的負載均衡。

圖4 網格資源調度流程圖

w(Si)為服務器Si 的權值，gw表示當前調度的權值，g_max(S)表示網格節點服務器集合N中最大權值，gcd(N)表示集合N中所有權值的最大公約數。變量i初始化為-1，gw初始化為零。集合S = {S0， S1， …， Sn-1}表示權值相同但在線連接數不同的待選服務器集群。調度算法如下所示：

while (true) {

i = (i + 1) mod n;

if (i = = 0) {

gw = gw - gcd(S);

if (gw <= 0) {

gw = g_max(S);

if (gw = = 0)

return NULL;

}

}

if (w(Si) >= gw){

//在同等權值的條件下考慮服務器的連接數，m為在線連接數不同的待選擇的服務器數，//C(Si)表示服務器Si的當前連接數。

for(k=1;k

if(C(Si)<=C(Sk))

m=i;

}

returnSm;

}

}

六、結論與展望

在校園多媒體視頻網格系統中，資源管理是一個基礎和

核心的模塊。我院通過運用多媒體視頻網格資源管理系統實現了對學院多媒體視頻資源的統一調配和使用，建立了面向網絡服務的通用支撐環境，實現了計算機資源、數據資源和服務資源的有效聚合及共享^[6]。隨著網格技術的完善與發展，網格技術在校園網中的應用將會更加普遍和深入，并將進一步改進和推動校園網的各種應用服務，為學院教學提供更好的支撐平臺。

參考文獻

[1] 視頻服務網格系統結構設計：[南京大學計算機科學與技術系技術報告]．2003

[2] Foster and C. Kesselman， The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure， Morgan Kaufmann， San Fransisco， CA， 1999. http://mkp.com/grids， http://www.gridforum.org/，http://www.ccgrid.org/

[3] IAN FOSTER， “Internet Computing and the Emerging Grid” Nature Web Matters， 7 December 2000， http://www.nature.com/nature/webmatters/grid/grid.html

[4] 徐志偉，馮百明，李偉．網格計算技術[M]．北京：電子工業出版社，2004

[5] http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs4.html

[6] 李三立，都志輝，陳渝等．網格計算[M]．北京：清華大學出版社，2002：25-27

The Resource Management of Multimedia Video in Campus Network Based on Grid System

Yang Mu1Hu Yanmei2Shu Hui1

1、Department of Educational Technology， Chengdu Medical College， Chengdu Sichuan， 610083

2、Chengdu Medical College， Chengdu Sichuan， 610083

Abstract: In this paper we analyzed the problem of multimedia video teaching technology in the campus network application and pointed out constructing the multimedia video application system based on grid technology is an effective way to improve the campus network multimedia video quality of service. Resource management is the key and fundamental part in the campus grid system. In this paper we described the method of resource sort， resource information storage and resource instance dynamic scheduling in the grid system in detail.

Keywords: Campus Network， Multimedia Video， Grid Technology， Resource Management

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