基于云計算和CDN的視頻播放系統設計

吉高卿 秦景 馮英偉 張連連 葛宇 吳峰 劉俊

摘要：隨著互聯網技術的發展，人們對互聯網上視頻播放系統的服務質量要求也日益提高。為解決網絡視頻服務器負載不均狀態等問題的的出現，本文提出了一種基于云計算技術和CDN技術的視頻播放系統。該系統由中心服務器，邊沿服務器，客戶端電腦組成，中心服務器和邊沿服務器的設計采用了云計算和CDN技術結合的設計思路。測試結果表明該系統可以較好的解決網絡視頻播放負載不均及網絡擁塞問題。

關鍵詞：服務器;云計算;CDN;負載不均;網絡擁塞

中圖分類號：TP31? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0218-02

Design of Video System Based on Cloud Computing and CDN

JI Gao-qing1， QIN Jing1，FENG Ying-wei1，ZHANG Lian-lian1，GE Yu1，WU Feng2， LIU Jun3

（1.HeBei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China; 2.First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou 075000，China;? 3. Hebei Zhangjiakou Jin Hong Compressed Natural Gas Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China ）

Abstract： With the development of Internet technology， the demand for the quality of service of the video playing system on the Internet is also increasing. In order to solve the problem of uneven load of network video servers， this paper proposes a video playback system based on cloud computing technology and CDN technology. The system is made up of central server， edge server and client computer. The design of central server and edge server adopts cloud computing and CDN technology. The test results show that the system can solve the problem of network video playing load uneven and network congestion.

Key words：servers; cloud computing; CDN; load uneven; network congestion

隨著互聯網技術的發展，人們對互聯網上視頻播放系統的服務質量要求也日益提高，但是當某一時刻，假如突然新增了大量用戶，就可能會出現某一臺服務器承受了絕大多數負載，而其他服務器卻處于幾乎空閑狀態的情況，視頻播放服務器就會無法正常工作，無法保證客戶端的服務質量，出現所謂的負載不均狀況。為解決網絡視頻服務器負載不均狀態的出現，本文提出了一種基于云計算技術和CDN技術的視頻播放系統，該系統可以有效地解決負載不均問題。

1 云計算技術

1.1 云計算技術介紹

云計算技術基于分布式處理、并行處理和網格計算等技術，并將這些技術結合起來，構成一種全新的資源存儲和資源訪問模式，采用這種新的模式為視頻服務器中存放的海量視頻資源的處理帶來了新的發展機遇[1]。

云計算具有按需即用，物美價廉的優點。利用云計算技術，客戶可以按照使用量付費的模式，獲得資源提供商的可配置，并且具有高性能，高可靠性的計算資源共享池，這些資源可以包括云存儲，云網絡，云端服務器等。

云計算技術發展到當今階段，具有以下幾個特點：

1） 服務彈性化。即云端提供的服務是可以快速伸縮的，既可以用在對資源需求比較大的公司，又可以適用于對資源需求量較小的個人用戶。這樣，就可以避免因為服務器過載造成的服務質量下降，或者服務器空閑造成的云計算資源浪費情況的出現。

2） 服務資源池化。云計算端提供的資源都是采用虛擬化技術[2]，以統一的方式進行管理的，這樣可以實現在把云端資源提供給不同用戶的同時，將資源的放置位置，管理方式，管理策略等信息對用戶透明化。

3） 終端多樣化。用戶可以通過各種智能設備，例如臺式電腦，筆記本電腦，智能手機的多種多樣的終端設備，隨時隨地的享受云計算端所提供的服務資源。

1.2 云計算視頻服務器

由于用戶使用網絡資源的不確定性， 有時會出現有些視頻服務器負載太大，而另外的一些視頻服務器卻處在空閑狀態的情況，利用云計算技術，可以較好地解決視頻服務器負載不均現象的產生。

云計算視頻服務器系統的可以分為核心服務層，用戶接口層以及服務管理層三部分。

核心服務層是指將云端的硬件設備，操作系統等統一作為一個抽象層進行處理。核心服務層還可以進一步分為三個子層：基礎設施子層，平臺子層，軟件子層。

用戶接口層指實現云計算服務的訪問方式，通常可以包括命令行訪問，網頁訪問，APP訪問等不同的訪問方式。用戶不僅可以通過傳統的電腦桌面方式實現云端訪問，還可以通過移動互聯網，實現隨時隨地的接入云端。為此，英特爾，思科等云端提供商倡導開發統一的云端計算接口，實現在全球環境下，不同用戶可以無縫的利用云計算技術工作。

服務管理層的主要作用是對核心服務層提供安全保障，包括云計算服務質量的保障和安全管理方面的保障等。由于云計算需要面對千千萬萬的不同用戶[3]，因此其平臺的規模十分龐大，并且內部結構也非常復雜，這樣就很難滿足用戶的服務質量，以及安全等方面的要求。為此，必須通過服務管理對云計算端進行個方面的綜合管理，才能最大限度地發揮其作用。

2 CDN技術

2.1 CDN技術介紹

隨著互聯網的普及，視頻點播（IPTV）業務已經成了互聯網上最有市場價值的應用之一。據2017年亞太地區在線消費報告顯示，全球互聯網用戶平均每人每月收看在線視頻的時長達到926分鐘。網絡視頻的巨大點擊量已經成了網絡運營商面臨的主要挑戰之一。CDN技術的發展主要就是為了解決網絡視頻服務器在巨大訪問量時不能正常工作的問題。

CDN是Content Delivery Network的縮寫，即內容分發網絡。CDN技術的基本思想是盡可能避開互聯網上有可能影響數據傳輸的環節，基本方法是在互聯網的每個局域網中放置一個節點服務器，系統可以實時的根據網絡流量，節點信息等情況，使用離最近的服務節點提供服務，從而實現了互聯網的智能虛擬化。將CDN技術運用到視頻播放系統中，會大大提高服務器在承受突然大量訪問時工作效率和穩定性，緩解網絡擁擠的狀況。

2.2 CDN技術優化

CDN雖然經過多年發展，技術已經比較成熟，但是仍在以下方面可以進行優化處理：

用戶需求的獲取。由于網絡視頻的觀看者人數非常多，而每個人的喜好不同，因此運營商應該根據用戶的不同需求去制定特色化的服務。用戶需求的獲取方法有不同的方式，運用比較廣泛的是基于可拓數據挖掘的關聯挖掘方法。該方法的原理是通過粒子群算法[5]，并結合可拓原理，去獲取到全新的關聯數據。

與P2P方式的結合。P2P技術可以實現不同客戶端之間的視頻內容的傳輸，這樣就能夠使用戶從最近的地方獲取視頻服務，從而降低了對服務器資源的依賴性。P2P技術具有很好的容錯性和可擴展性，可以作為CDN網絡的補充，這樣在不改變CDN模式的網絡結構的條件下，可以更好地發揮CDN的優勢，為用戶提供更加高效，高質量的服務。

資源調度的優化。任何結構的CDN系統中，資源調度模塊都是最核心的部分，資源調度一般是通過DNS解析來實現的，因此需要在進行DNS解析時，盡可能的高效完成。進行DNS解析時需要考慮到非常多的因素，比如客戶所處地址，線路，請求的優先級，成本等等，因此在實現DNS解析算法時需要設計出一種合理的因素權重確定方案。

3 基于云計算和CDN技術的視頻播放系統

基于以上分析，設計了一種將云計算技術和CND技術相結合的視頻服務器系統。該系統實現了兩種技術的互補，可以最大限度地為客戶提供高可靠性，高質量的視頻播放服務。

基于云計算和CDN技術的視頻播放系統的組成如圖1所示，主要由三部分組成：中心服務器，邊沿服務器和客戶端電腦。

中心服務器的作用是當客戶端電腦訪問視頻資源時，請求首先到達中心服務器，由中心服務器通過路由，計算出距離該用戶最近的邊沿服務器，并將請求告知該節點，如果該節點

存放有所需的視頻節目，則傳送給用戶，否則由距離較近的其他邊沿服務器去完成該任務。中心服務器需要完成較大計算工作，可以用云計算服務器實現，這樣就可以實現以較低的經濟成本去實現較高，較可靠的服務質量。中心服務器的工作流程圖如圖2所示。

邊沿服務器的作用是存儲大量視頻節目，并且能夠根據接收到的中心服務器的指令，將相應的視頻節目傳送到客戶端電腦或者其他邊沿服務器。邊沿服務器應布置在網絡的邊緣，并且可以采用重定向策略，從而將用戶需求轉向距用戶最近的邊緣服務器。邊沿服務器的工作流程圖如圖3所示。

客戶端電腦用戶收看視頻節目，為了緩解邊沿服務器在網絡擁擠出現時的壓力，系統采用了P2P技術，利用該技術，可以實現不同客戶端的視頻節目的相互傳送。

4 測試及結論

以一臺中心服務器，三臺邊沿服務器，100臺客戶端電腦為測試系統進行測試。測試結果表明在同一時間，100臺客戶端電腦可以同時收看視頻節目，并不會出現由于網絡擁塞致使節目播放不流暢現象的產生。說明該系統可以較好地解決網絡視頻播放負載不均及網絡擁塞問題。

參考文獻：

[1] Schwarzh H， Marpre D， Wiegand T. Overview of the scalable video coding extension of the H.264/AVC standard[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2014， 17（9）： 1103-1120.

[2] 楊明川.CDN的四大關鍵技術[N].人民郵電，2015年05月26日

[3] 郭紅方.視頻點播內容分發關鍵技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2012，11

[4] 徐悅.構建大型CDN網絡的關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2008，5.

[5] ITU-T Rec. H.222.0，“Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information： Systems，” May 2006; ISO/IEC 13818-1：2012.