基于流媒體的可伸縮系統中流媒體服務原理研究

李峰泉，張 嘯（西安外事學院工學院；西安外事學院人文學院，陜西西安，70077）

基于流媒體的可伸縮系統中流媒體服務原理研究

李峰泉1，張 嘯2
（1西安外事學院工學院；2西安外事學院人文學院，陜西西安，710077）

本文針對可伸縮系統中流媒體的服務原理進行探討，對CDN網絡架構、P2P網絡架構下的流媒體服務原理以及可靠冗余保障技術原理、周期分段的流媒體調度原理做了分析和闡述，結合分析和實際研究項目的應用給出了各自相應的優點結論。

流媒體；可伸縮；服務原理

0 引言

隨著編碼技術和網絡技術的發展，流媒體技術得以飛躍性的發展。當前流媒體服務成為分布式媒體服務的主流。流媒體服務不需要將媒體數據完全下載到本地后才可以進行播放，它通過編碼技術和分段技術實現邊下載邊播放，減少了用戶的等待時間，節約了客戶端的存儲空間，同時可以有效地支持直播。圖1是一種典型的流媒體服務模型。

圖1　 一種典型的流媒體服務模型

本文主要針對實際可伸縮系統研究項目中應用的幾種關鍵流媒體服務技術原理進行研究闡述。

1 基于CDN網絡架構的流媒體服務原理

基于CDN（Content Delivery Network—內容分發）方式的流媒體服務是C/S模式的一種增強，它將代理服務技術和緩存思想引入流媒體服務中。基本原理是通過在媒體服務器和客戶端之間增設基于內容的分發服務器（Proxy），可以將熱點媒體的數據片斷存儲在代理服務器，解決了快速接入問題，同時通過代理服務器的媒體服務器的服務選擇可以屏蔽具體對特定客戶端進行媒體服務，有效提高了系統的擴容的靈活性和容錯性。CDN 優點在于可以有穩定的服務架構，客戶端針對索取的服務的服務器也比較固定，客戶端配置簡單，由于服務器比較固定，因而無論是媒體服務具有連續性、實時性、時序性服務質量還是針對故障的處理，提供可靠服務保證方面也是可以保證的。

正是因為CDN方式在提供一定服務質量保證的基礎上具有良好的服務擴展能力，很多系統的可伸縮能力主要依賴CDN網絡架構的相關技術來予以保證，因而它成為提供高服務的流媒體服務的一種選擇。圖2給出了基于CDN架構的流媒體服務網絡示意圖。

圖2　 基于CDN架構的流媒體服務網絡

2 基于P2P網絡架構的流媒體服務原理

在P2P網絡架構下，網絡節點間根本不存服務器（Server）和客戶端（Client）關系，所有節點之間都是對等關系，即位于網絡上的每一個用戶都是一個對等實體（Peer），它們彼此獨立又可以互相協作，也就是說它們既是服務提供者又是服務的享用者。對于P2P流媒體服務系統，觀看同一媒體的客戶節點組成一個P2P網絡，客戶節點不僅接收來自服務器和其它Peer節點的數據，而且它也向其它請求同一媒體服務的客戶節點提供媒體數據。在P2P流媒體服務架構下，信息的傳輸和服務無需中間環節和服務器的介入，可以直接在Peer結點之間進行，從而避免了系統潛在的瓶頸。同時由于相關Peer節點也參與到系統媒體數據的提供中，Peer節點也貢獻了自身的服務能力，因而系統具有很高的性價比。由于流媒體服務對于數據時序要求的特殊性，基于P2P流媒體的服務在實現當中對于Peer節點的選擇上，以及P2P網絡的構建上和數據的存儲和轉發策略上都有特殊的要求。

基于P2P流媒體服務的優勢的發揮需要有大量的Peer節點參與，而在企業網內在線用戶數將是一個問題。圖3給出了借用存儲技術來彌補Peer節點數量上的不足的問題，從而實現了系統能力的靈活伸縮。

3 可靠冗余保障技術原理

系統的可用性直接影響到用戶對服務系統的使用評價，良好健壯的系統應當對用戶的使用有良好的感知，即用戶不會感知到系統某一節點的故障或者是雖然感知到系統某一節點的故障但是其服務還可以繼續進行，而不是服務的中斷或者是成果的丟失。系統的可用性主要涉及到關鍵數據的同步和恢復策略上，其服務原理是在系統服務過程中，會將系統/用戶的關鍵數同步到一個指定的地方，而在服務節點出現故障時則將先前同步的關鍵數據恢復到服務替代節點上，從而繼續提供后續服務。通常的數據同步和恢復策略的實現分為以下兩種方式。

檢查點-恢復策略：在該策略下依賴系統的MTTR，節點對系統設計的檢查點進行周期性的檢查，根據檢查結果作出故障裁決或者故障的預測。對于故障的節點或者預測將要發生故障的節點，可以將服務全部服務或者部分服務遷移到其它服務節點上以提供連續的容錯服務。

復制策略：在該策略下，調度器將客戶端的服務請求分配到某個服務節點的同時，也會將該請求在其它服務節點復制一份或多份，而在服務節點故障的時候，其它服務節點通過復制的請求信息恢復對客戶端的服務，繼續進行后續的服務。這主要通過冗余處理以及遠程日志（redundant processing，remote logging）等方式完成。

圖3　 借助存儲技術的P2P流媒體的服務原理示意圖

4 基于周期分段的流媒體調度原理

流媒體調度可以解決視頻服務器、網絡資源、Peer節點間的資源匹配問題，實現服務能力最大化。在具體的實現過程中由于側重點不同實現原理也不同。當前的媒體流調度方式廣義上可以分為以用戶為中心和以據為中心這兩種方式。

在以用戶為中心的方式中，對于客戶的每個請求，服務器將專門為此客戶端分配網絡資源用于此客戶端的數據服務。在此模式下，當用戶向服務器進行媒體服務請求時，用戶的請求將立即得到響應，用戶沒有等待時間。但是由于服務器和網絡為每個用戶專門分配專有服務資源，系統資源復用率不高，系統容量有限。

在數據為中心的方式中，資源的分配方式是依據媒體對象為中心，而不是依據客戶端的請求。服務器可以將一個時間段內到達的針對同一個媒體的請求，作為一個組播組進行服務。充分利用當前網絡的特點允許客戶端共享一個組播的數據流來提高網絡和磁盤IO的利用率。通過組播技術可以實現節目流的多路復用從而提高流媒體在網絡中的發送效率、節省網絡帶寬資源提高系統服務容量，因而以數據為中心的流媒體服務調度的研究成為熱點。

周期分段廣播方法是以服務器為中心的視頻流發送方法，它通過將視頻節目分成若干數據段，對每一段使用一條數據流進行周期廣播發送。該方法要求用戶端設備具有較高的本地存儲能力，并配合服務器端能超過實際播放速率的接受能力同時從多個并行的廣播流中接收不同數據段得數據。理論上該類方法可以承載任意數目的用戶點播，特別適合對熱門視頻節目的播出，并且該類方法的實現和服務器對視頻流的播出管理也較簡單易行。目前，分段廣播算法以及改進算法也比較多，這些方案的差別主要在于：文件被分為多少個數據段以及每個分段的大小；客戶端需要同時接受的分段數。如采用摩天大樓算法數據分段規則如下：

通過以上算法，我們可以得到以下的數列：［1， 2， 2， 5， 5，12， 12， 25， 25， 52， 52， ...］。這樣第一個分段的長度是一個數據單元，第二個數據分段是2個數據單元長度，第三個數據分段同樣也是2個數據分段長度。第三個數據段將是5個數據單元的長度。要求客戶端同時在2個信道上同時接收媒體數據，則可以保證媒體播放的連續性。

由于IP組播技術上的限制，其無法在廣域網上大規模的應用，因而分段廣播技術的應用也就有其局限性。但是為了減少Peer節點間的無序的媒體檢索請求，并結合企業網內系統相對穩定的特點，在P2P網絡中借用周期分段的思想來規劃和設定Peer之間數據服務單位，一方面減少了服務檢索請求數量，一方面保證了系統服務的穩定性。

5 結束語

隨著網絡技術和流媒體技術的不斷發展，基于流媒體的可伸縮系統在互聯網上的應用必將是越來越廣泛，各種網絡架構下的流媒體服務技術原理也將會不斷的被研究和更新，應用其各自的優勢來更好地為流媒體系統服務也必將成為互聯網應用的主要趨勢之一。

毛莉花.自適應轉碼技術在網上直播系統中的研究與應用［D］.蘇州：蘇州大學2009.

李峰泉，（1977-），男（漢族），河南鶴壁浚縣人，講師/碩士，主研領域：圖像處理、計算機網絡技術。

張嘯，（1977-），男（漢族），甘肅蘭州市人，碩士，主研領域：web應用。

Research on streaming media service principle in scalable system based on Streaming Media

Li Fengquan1，Zhang Xiao2
（1.College of technology，Xi'an International University；2 College of Humanities，Xi'an International University Xi'an，710077，Shaanxi，China）

AbstractIn this paper，midstream and scalable system services to explore the principles of the media，for CDN network architecture，streaming media services under the principle of P2P network architecture and reliable redundancy protection technology principle，the principle of streaming media scheduling cycle segments were analyzed and described，in combination analysis and practical application of research projects presented their respective advantages conclusions.

Streaming media；Scalability；Service principle

2014—06—24

本文是西安外事學院2013年度自然科學課題《基于流媒體的可伸縮的智能培訓系統》（2013XKZ01）的研究成果之一。