（通信与信息系统专业论文）视频服务器及分布式视频点播系统.pdf

摘要 视频点播系统是一种典型的交互式多媒体信息系统，具有广阔的应用前景。为 提高系统性能，方面要考虑加强视频服务器的资源管理，以确保服务质量，另一 方面要列分布式环境下的应用进行研究和改进。本文对视频服务器中在线存储系统 的配置和动态资源管理，以及树型网络中的分布式应用及其效率模型进行了研究。 视频服务器是视频点播系统的核心，在保证q o s 的前提下提供尽量多的并发流 为尽量多的用户服务是其设计目标。为实现该目标，需要对视频服务器内的各种资 源进行合理地配置与管理。本文首先通过对多媒体数据实时特性的分析，给出了在 线存储系统的配置与系统性能之间的定量关系，解决了在线存储资源的静态配置问 题。为了更好地对动态资源进行管理，提出了资源向量的概念，进而利用统计方法 对服务器资源消耗进行自适应预测，提出了软资源预留机制，实现了对服务器动态 资源的管理：在结合网络状况进行q o s 调整的同时，提出了主动q o s 调整机制， 以保护系统资源的正常使用；上述机制被集成到中间件结构中，方便了系统设计与 维护。 视频节目的存储和传输需要消耗丈量的系统资源，为视频点播的大规模应用带 来了同难。本文结合h f c 网的网络特性，提出了一种以光节点为服务接入点的分布 式视频点播系统，给出了详细的系统描述；然后，针对其二级树型网络结构，讨论 了系统评估和优化策略。在成本模型的基础上，提出了以单位时间内单位容量可服 务的用户数为指标的效率模型，不仅实现了异构系统之间的性能比较，还为传输协 议的选择和片头文件容量的选择提供了优化途径。 论文的最后介绍了实验室开发的宽带多媒体应用平台，该平台以层次化存储结 构为中心，为节目制作、管理、传输和共享提供了高效的集成环境。 关键词：视频点播，视频服务器，在线存储系统，资源管理，中间件，分布式系统 效率模型 a b s t r a c t v i d e o o n d e m a n d ( v o d ) i sat y p i c a li n t e r a c t i v es y s t e mw i t hp r o m i s i n gp e r s p e c t i x ，e t o i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t w ok e yt e c h n o l o g i e ss h o u l db ec o n s i d e r e do n ei st h ev i d e o s e r v e rr e s o u r c em a n a g e m e n tw i t hw h i c ht h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) w i l lb eg u a r a n t e e d ，a n dt h e o t h e r1 st h ea p p l i c a t i o ni nt h ed i s i r i b u t e de n v i r o n m e n t i nt h i st h e s i s w cm a m l yf o c o so nt h e c o n f i g u r a t i o no ft h eo n l i n es t o r a g es y s t e m ，t h ed y n a m i cr e s o u r c em a n a g e m e n ta n do n es o l u t i o ni nt h e h i e r a r c h i c a ln e t w o r kw i 血1 t se f f i c i e n c ym o d e l v i d e os e r v e ri st h ec o r eo ft h ev o d s y s t e r nw h o s eg o a j1 st op r o v i d ec o n c u r r e n fs t r e a m sf o ra s m o r ea s p o s s i b l e u s e r sw i t ht h eq o sb e g u a r a n t e e d t o m e e tt h i s r e q u i r e m e n t ，w e n e e d a p p r o p r i a t ec o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h er e s o u r c e si nt h ev i d e os e n r e r t h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e c o n f i g u r a t i o n o ft h eo n l i n e s t o r a g es u b s y s t e m a n dt h e s y s t e m p e r f o r m a n c ei sp r e s e n t e db a s e do nt h ed i s c u s s i o nu n d e rt h er e a l t i m ec o n s t r a i no ft h em u l t i m e d i a s t r e a mw i t h 廿1 i sr e s u l t w ef i n das o l u t i o na b o u ts t a t i co n l i n e s t o r a g ec o n f i g u r a t i o nf i r s t l y s e c o n d l y , w ep r o p o s e dt h er e s o n r c ev e c t o rw i t hw h i c ht op r e d i c tt h ev i d e os e r v e rr e s o u r c e c o n s u m ev a l u eb ys t a t i s t i cm e a nt h es o f tr e s o u r c er e s e r v a t i o nm e c h a n i s mf o rab e t t e r m a n a g e m e n to f d y n a n c r e s o u r c e sa n dt h ea c t i v eq o s a d a p t a t i o nm e c h a n i s m t op r o t e c tt h es e r v e r f r o h io v e r l o a d e da r ep r e s e n t e dt h e s et w om e c h a n i s m sa r ee r i c a l ：) s u l a t e di n 血em i d d l e w a r e w h i c hm a k e ss y s t e r ne a s i e rt om a i n t a i na n dd e s i g n i ti sd i f f i c u l tf o rt h el a r g e - s c a l es y s t e mt os o l v et h ep r o b l e mo f g r e a tc o n s u m p t i o no fs y s t e m r e s o u r c e sb r o u g h tb ys t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o no fm a s sv i d e oc o n t e n t 0 t t ed i s t r i b u t e dv o d a r c h i t e c t u r e c o m b i n e db yt h ec h a r a c t e ro fh f cn e t w o r k w l t lt h eo p t i c a ln o d ea ss e r v i c ea c c e s s p o i n ti sp r e s e n t e d a n di t sa r c h i t e c t u r el sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e nw ee v a l u a t e da n do p t i m i z e dt h e s y s t e ma c c o r d i n gt oh i e r a r c h i c a ln e t w o r k o nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a lc o s tm o d e l ，w ep r o p o s e dt h e e f f i c i e n c ym o d e lw h i c ht r e a tt h eu s e rn u m b e r si nu n i tt i m ew i t hu n i te a p a c i t y 矗st h eo b j e c t i v ev a l u e n j sm o d e ln o to n l yr e a l i z e st h ec o s tc o m p a r i s o ni nt h ed i f f e r e n ts y s t e m sb u tm a k e si t p o s s i b l et o c h o o s et h et r a n s m i s s i o n p r o t o c o l sa n d t h ep r e f i xf i l el e n g t hp r o p e r l y a tl a s to ft h et h e s i s ，a ni n t e g r a t e db r o a d b a n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a t f o r md e v e l o p e db y t h el a b o r a t o r yi si n t r o d u c e d w i t ht h eh i e r a r c h i c a ls t o r a g ea r c h i t e c t u r ea st h ec e n t e r ，t h i sp l a t f o m l c a n p r o v i d e a g o o di n t e g r a t e d e n v i r o l m l e n tf o re f f i c i e n t c o n t e n t p r o d u c t i o n ，m a n a g e m e n t ， d e l i v e r ya n ds h a r i n g ， k e y w o r d s ：v i d e o o n d e m a n d ( v o d ) ，v i d e o s e r v e r ，o n l i n e s t o r a g es y s t e m ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t ，m i d d l e w a r e d i s t r i b u t e ds ”t e m ，e f f i c i e n c y m o d e l 北京邮电大学博士论文 缩略词 a d s l a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 非对称数字用户线路 a n s i a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e 美国国家标准委员会 a t ma s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 c a t v c a b l et e l e v i s i o n 冉线e | _ l 视 c c i t t i n t e r n a t i o n a lt e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e e 国际电话与电报顾问委员会 c c n u c o h e l e n t - c a c h e n o nu n i f o r m m e m o r y a c c e s s m a a r c h i t e c t u r e 高速缓存一致性非均匀存储器访问结构 c dc o m p a c t d i s c 激光唱盘 c o mc o m p o n e n lo b j e c tm o d u l e 组件对象模型 c o w c l u s t e ro f w o r k s t a t i o n s 计算机机群 d c o m d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d u l e 分布式组件对象模型 d c s d is t r i b u t e dc o n t e n ts e r v i c e s 分布式内容服务 d m d a t a b a s em i d d l e w a r e 数据库中问件 d m a d i r e c tm e m o r y a d d r e s s 直接存储器存取 d s d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e 区分联务 d s m d i s t r i b u t e ds h a r e dm e m o r y 分布式共享存储器 d v bd i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t 数字视频广播 d v id i g i t a lv i d e oi n t e r a c t i v e 交互式数字视频系统 d w d md e n s e w a v e d e v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 e d f e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t 最早期限优先 e d l e d i td e c is i o nl i s t 编辑列表 e j be n t e r p r i s ej a v a b e a n s 企业级j a v a b e a n f c f i b e rc h a n n e l 光纤通道 f c f s f i r s t c o m ef i r s t s e r v e d 先到先服务 f d m af r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 f g s f i n eg r a n u l a r i t ys c a l a b i l i t y 细粒度可伸缩性 f i f o f i r s t i nf i r s t - o u t 先入先出 f s kf r e q u e n c ys h i rk e y i n g 频移键控 g s s g r o u p e ds w e e p i n gs c h e d u l i n g 分组处理调度 h d t v h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 高清晰度电视 h f c h y b r i df i b e “c o a x 光纤垌轴电缆混台方式 h m s m h i e r a r c h i c a lm u l t i e a s ts t r e a mm e r g i n g 等级多播合并流 h r r p h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o 超文本传输协议 i e c i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c b n i c a lc o m m i s s m n 周际电1 二技术委员会 i e f t l n l e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e 管理i n t e m e t 的组织 i p i n t e r n e tp r o t o c o l i n t e m e l 协议 i s n t e g r s l e ds e n * i c e 练台服务 i s o i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n 国际标准化组织 北京邮电大学博卜论文 i t u i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n p v m p r o t e c t e dv i r t u a lm a c h i n e 国际屯信联盟 保护虚拟机 。 l a m bl ) 溅一a j h e a d m a x i m i z e b a t c h p v p p a r a l l e lv e c t o rp r o c e s s o r s 前向最大化批处理 并行向量处理机 l a n l o c a la r e an e t w o r k q a m q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i 。n 局域网 f 交幅度调制 m f q l m a x i m u mf a c t o rq u e u el e n p h o o sq u a l i t yo f s e r v i c e 最大i 越予队列长度 脓舞赝量 m i m dm u l t i p 。i n s t r u c t i o ns l r e a mm u l t i p l ed a t a q p s k q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g s t r e a m l j i 】相移相键控 多指令流多数据流 r a i d r e d u n d a n ta r r a yd f i n e x p e n s t v ed i s k s m i s dm u l t i p l ei n s t r u c t i o ns t r e a ms i n g l ed a t a 廉价冗余磁盘陴列 s t r e a m r f cr e q u e s tf o ；c o m m e n t s 多指令流单数据流 i e t f 建议 m o mm e a s a g 。一o r i e n t e dm i d d l e w a r e r m l r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n 面向消息的中间件 远程方法调用 m i e g 4 0 v i n gp l e t u r ee x p e r tg r o u p r p c r e m o t ep r o c e d ur ec a l l 运动酲像专家组 远程过程、调用 m p p m a s s i ”ep a r a l l e lp r o c e s s o r s r s v p r e g o n r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 大援摸并行处理机 资源预留协议 m q l m a x i m “”q u e u el e n g t h r t c p r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l 最天趴列长度 实时传输控制坼议 m s m qm i c r o s o f t m e s s a g e o o e u e s e r v e r r t pr e a i r l m e t r a n s p o r t p r o t o c o t 微软消息队列服务器 实时传输扔议 m t 5 m i c r o s o nt r a n s a c t i o ns e r v e r r t s p r e a l t l m es t r e a mp r o t o c o l 微软交易服务器 实时流协议 m n _ f m e a nt i m ee of a i l u r e s 2 m p s c a l a b l es h a r e dm e m o r y m u l t i p r o c e s s i n g i p 均故障对闻 可拶最共享缓存多处理机 n o d n e w so ”d e m a n d s a n s t o r a g ea r e an e v a o r k 新闻点播 存储 网络 n v o d n e a rv i d e o o n 。d e m 3 n d s c s i s m a l lc o m p u t e rs y s t e m si n t e r f a c e 准视频点揞 小型计算机系统接口 n u m a n o nu n i f o r mm e m o r ya c c e s sa r c h i t e c t u r e s d hs y n c h r o n o u sd i g i t h i e r a e h y 非均匀存惦器存取结构 局步数字系列 o l eo b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g s d i n s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e 、i s i o n 对象链接和嵌入 标准分辨率电视 o r bo b j e c tr e q u e s tb r o k e r a s i f s o o r c ei n p u tf o r m a t 对象请求健理 潍输入格式 p a l p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e s i m d s i n g l ei n s t r u c t i o ns t r e a mm u h i p l ed a t a 逐行倒相s t r e a m p s t n p u b l i cs w i t c h i n gt e l e p h o n en e t w o r k单指令流多数据流 公共交换电话网 北京邮电大学博士论文 s i s d s i n g l ei n s t r u c t i o ns t r e a ms i n g l ed a t as t r e a m 单指令流单数据流 s m ps y m m e t r i cm u r i p r o c e s s o r s 列称多处理机 s s t f s h o r t e s ts e e k m ef i r s t 最短目道时问优先 s t bs e t t o pb o x 机顶盒 t c p t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 t p m t r a n s a c t i o np r o c e s s i n gm i d d l e w a r e 事务处理中间件 t st t a n s p o r ts t r e a m 传输流 t v o d t r u ev i d e o o l l d e m a n d 视频点播 u d p v c d v c d v o d v s 彤4 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 v i d e oc o m p a c td i s c 视频高密光盘 v 】d e oc o n t e n td i s t r l b u t i o n 视频内容分发 v i d e o - o n d e m a n d 视频点播 v i d e os e r v e r 视频服务器 w i d ea r e an e t w o r k 广域网 w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x 波分复用 q 4 w o r l dw i d ew e b 万维删 北京邮电大学博士论文 1 1 多媒体技术概述 第一章绪论 在技术发展史上，计算机、通信和广播电视一直是三个互相独立的技术领域， 各自有着互不相同的技术特征和服务范围。但是，近几十年来，这三个原本各自 独立的领域相互渗透、相互融合，形成了一门崭新的技术多媒体 ( m u l t i m e d i a ) 。】9 8 7 年3 月，在国际第二届c d r o m 年会上展出了世界上第 一台多媒体计算机，这项技术后来定名为d v i ( d i 百t n v i d e oi n t e r a c t i v e ) 。这便 是多媒体技术的雏形。多媒体技术的出现，在世界范围内引起了强烈的反响，因 为它清楚地展现出信息处理和通信技术的革命性的发展方向。 多媒体技术的特点 人与媒体之间的交互是多媒体技术最基本的特征之一。收看电视台广播的节 日时，观众不能由自己的爱好来选择，更不能在看节目的时候随意快迸、快倒、 慢放以及暂停。而多媒体技术的出现改变了这种人与系统之间的非交互性操作， 使之能够对包括伴音在内的电视图像进行交互式的调取、处理与操作。例如，观 众可以通过指令任意地调出存在图像数据库中的电视节目，还可以从节目的指定 位置开始播放，观看存储在远距离以外系统上的节目如同操作录像机一样方便。 这种业务就是通常所说的点播电视v o d ( v i d e o o nd e m a n d ) 或称为视频点播。 多媒体技术的另一个技术特征是它的集成性。多媒体与多种媒体的含义完全 不同，多种媒体是各种媒体的总称。电视、电话、图文电视、会议电视、可视电 话等是多种媒体，其中的任何一种本身都不是多媒体：多媒体也不是它们的总称， 把它们融合为一体的技术才是多媒体技术。一方面，多媒体计算机已经不再是原 有意义上的计算机，它已经把计算机延伸到电视技术和通信技术领域：另一方面， 包括数字电视图像信号在内的电话、传真、图文电视、可视电话等媒体业务都可 以在台多媒体终端上得以实现，从而将通信、广播电视和计算机这三个原本各 自独立的技术领域融合到了一起，充分体现了“多”的含义。 媒体同步是多媒体技术所独有的技术特征，是由多媒体数据所具有的独特特 征而引发出的问题。有着严格时间关系的音频、视频等类型的媒体数据称为实时 媒体数据或连续媒体数据，其它类型的数据被称为非实时媒体数据、离散媒体数 据。多媒体数据是由内容上相互关联的文本、图形、图像、声音、动画、活动图 像等媒体数据所形成的复合数据。这一数据合成的过程是在计算机控制下完成 的，而且至少包含有一种实时数据和一种非实时数据。 多媒体应用可划分为两类：一类是基于实时媒体( l i v em e d i a ) 的应用，如 视频会议等，媒体数据从一端直接传输到另一端，具有实时性和不可重复性；另 北京邮电大学博士论文 一类是基于存储媒体( s t o r e dm e d i a ) 的应用，如v o d 等，媒体数据预先存储在 存储介质中，在需要的时候才调出使用。我们的研究重点是基于存储媒体的应用。 1 2 视频点播系统 1 2 1 系统构成 视频点播系统由多媒体服务器、宽带通信网络和用户点播终端组成。视频点 播系统的主要功能是响应用户的请求输出相应的视( 音) 频节目，它的设训目标 是为尽量多的用户服务，提供尽量好的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。与 传统的广播方式不同，多媒体点播系统提供的是一种交互式的服务。用户可以在 任何时候，调取系统中的任意节目，并可以象控制录像机或c d 机一样控制节目 的播放。视频点播结构示意图如图1 1 所示。 多媒体服务器 图1 - 1 视频点播系统 多媒体服务器是系统的核心，通常也称为视频服务器。它存储和管理着大量 的多媒体数据，如电视、电影和音乐节目等，并为众多网络用户提供多媒体点播 服务。多个用户可以同时向视频服务器请求他们喜爱的节目，视频服务器从存储 设备中同时读取视( 音) 频流，并通过网络发送到相应的用户终端。因此，视频 服务器需要巨大的系统资源，如存储空间、i o 带宽、网络带宽等，而且媒体的 播放有严格的时域约束。由于要为几百甚至更多的用户提供并发的视频流，因此 对视频服务器的处理能力和系统的伸缩性等都有很高的要求，所以如何有效地利 用视频服务器系统资源，是多媒体点播系统的关键。从功能上分，视频服务器可 分为三个部分：存储子系统、控制子系统和通信子系统“1 。 宽带通信网是连接视频服务器和用户终端的枢纽。通常情况下，多媒体宽带 通信网包括主干网和接入网。目前的主干网络都是由光纤网络，采用s d h 、 2 北京邮屯大学博士论文 d w d m 等技术进行传输；而目前的接入网是多种多样的，有基于i p 的局域网 ( l a n ) 接入，有基于a d s l 和光纤同轴电缆混合方式( h f c ，h s b i r d f i b e r c o a x ) 的接入，也有基于无线接入的方式等等。 视频点播用户终端主要包括两类，以多媒体计算机为平台的终端和以彩色电 视机为平台的终端。在多媒体计算机内附加上相关通信网对应的通信接口，就构 成了多媒体通信终端，它是一种能够承担综合业务的终端；传统的彩色电视机刚 加上机顶盒( s t b ，s e t t o pb o x ) 就构成了以彩色电视机为平台的通信终端，它 除了v o d 功能外，也可以用来进行多媒体信息查询，如电子购物等。这里所说 的机顶盒，内装有与相关通信网络对应的双向通信接口、能够将按m p e g 标准 压缩的视( 音) 频信号解压缩的解码器，以及用来实现点播操作的控制单元。从 长远的发展来看，这两种终端是不能互相取代的。 1 2 2 系统特点 做为个开放式的v o d 系统，必须具备以下特征： 1 服务器的吞吐能力能够模块化地扩展； 2 能够从多种信源向系统输入信号； 3 具备层次化存储结构； 4 与多媒体信息检索和查询业务相结合； 5 对不同终端的兼容性。 目前的视频点播系统可以分为两类：真正的视频点播( t v o d ，t r u e v o d ) 和准视频点播( n v o d ，n e a r v o d ) 。t v o d 具备开放式v o d 系统的特点，对 用户的服务质量很好，但成本较高；n v o d 则通过简化视频服务器功能、节省 线路改造费用以及利用流的批处理调度策略实现多播或广播等方法来降低成本。 在n v o d 中，如何减少用户的起始延时，以及提高对交互性操作的支持是两个 需耍解决的问题。 1 3 相关研究状况 视频点播系统是一种典型的交互式多媒体信启、系统，具有广泛的应用前景， 国内外研究人员对其进行了大量的研究。对于视频服务器，主要研究方向集中在 视频服务器资源的有效管理、存储的合理配置和通信协议的改进；对于大规模的 分布式多媒体应用，研究重点为选择合适的流传输与调度策略，合理地配置代理 视频服务器以及系统性能评研模型的建立。 1 3 1 视频服务器的资源管理 视频服务器的设计目标是在确保q o s 的前提下提供尽量多的并发流，这需 北京邮电大学博士论文 要服务器资源的有效支持。目前，视频服务器资源管理的研究方向主要有两个， 一是设计新的多媒体操作系统，另一个是设计适合于多媒体系统的中间件。 文献【3 ，4 总结了如何在u n i x 和w i n d o w s 等通用操作系统上进行改进以实 现实时业务，并指出目前的研究集中于c p u 资源调度、磁盘调度、缓存区管理、 文件系统等问题。文献 5 将经典的r m 算法用于多媒体操作系统的c p u 调度 算法中，并进行了自适应改进，提高了c p u 的使用效率；文献6 则在e d f 算 法基础上提出了一种新的c p u 层次调度算法，对不同任务进行分解，并考虑了 实时性要求：文献 7 提出了种针列v o d 的磁盘调度方法。但是资源的局部 优化显然不能很好地满足多媒体应用对数据流的实时可靠性要求，文献 8 】对 传统的操作系统虚拟机模型进行了改进，对每种资源进行更细分解并提供了应用 接口，提出了保护虚拟机( p v m ，p r o t e c t e dv i r t u a lm a c h i n e ) 结构；a q u a 结构 f 9 综合考虑了c p u 、网络带宽和总线带宽等多种资源；文献 1 0 则提出在支持 资源预留网络上开展多媒体业务时，将c p u 预留办考虑在内；在基于q o s 的资 源分配模型q r a m ”13 中，l e e 等建立了多资源多任务的m r m d 模型，考虑全 局最优解，并指出该模型为n p 不可解问题，利用整数规划方法求得了近似最优 解：文献 1 4 用任务进程图来描述每个应用，将其对应予每种资源，以保证应 用的实时性；文献 1 5 用q o s 资源图来描述每个应用需要预留的资源，进而利 用图论方法求最优解；文献f 1 6 ，1 7 分别提出了在操作系统内进行自适应资源管 理的软件解决方法。这些方法对通用操作系统进行了扩展，丰富了对应用层的支 持，但目前实现难度较大，所以实际应用的不多。 中间件技术可以在现有操作系统上实现，而且因为其具有良好的可移植性， 也可以应用于未来的多媒体操作系统，利用中间件实现资源管理还可以减少系统 设计和维护的复杂性，因此已经得到了较多的应用。文献【1 8 总结并评价了当 前成功的基于q o s 的中间件系统：文献 1 9 提出了一种资源管理的等级结构 r t a r m ，提出了等级分层资源管理的概念；文献 2 0 提出了一种对球网络上 v o d 应用的中间件结构m a s q ，在进行q o s 协商时充分考虑网络状况，在提供 服务时根据网络资源动态调整q o s 等级并监测服务器c p u 使用情况；在基于中 间件的流媒体解决方案n e t m e d i a 2 1 1 中，服务器和客户端软件都被很好地进行了 功能划分和封装，并对流同步等应用做了详细阐述。中间件技术是软件发展的必 然趋势，但其中功能的规划与组织是一个中间件性能优劣的关键因素之一。目前 报导的中间件结构在服务器资源管理方面主要存在两个不足：一是没有全面考虑 到系统资源对多媒体服务的支持，往往只考虑c p u 、磁盘带宽、网络带宽和缓 存容量中的一个或部分，而且监视状态的多，进行有效管理的少；二是对服务期 间动态资源的消耗考虑较少，多以经验的静态资源为参考对象，大大降低了资源 管理的有效性和准确性。 北京邮电大学博士论文 1 3 2 视频节目的存储 在视频点播系统中，视频服务器存储和管理着大量的视频节目，同时需要为 多个用户实时地提供多个并发流。自从廉价冗余硬盘阵列r a i d ( r e d u n d a n ta r r a y o f i n d e p e n d e n t d i s k s ) 被提出口2 后，人们对其高吞吐率高可靠性的特点如何更好 地应用于v o d 业务进行了大量研究口。文献 2 4 对服务器内存储系统的关键 技术进行了很好的总结和评价；文献 2 5 从数据i o 的角度指出，为提高视频 服务器的性能，应当在配置存储系统时顾及传输部件的数据吞吐能力：文献2 6 在1 2 0 ( i n t e l l i g e n ti o ) 的基础上，提出了一种基于r a i d0 的磁盘调度改进算 法，对先前的磁盘调度算法和1 2 0 规范有较好的总结；文献2 7 提出了一种对 r a i d5 的改进技术一s l d ，可以比r a i d5 更高效地纠错。 由于单一磁盘系统规模和容量的限制，选择层次化存储结构，成为存储海量 视频节目的一个理想选择。近年来对基于层次化存储结构视频点播系统的研究日 益增多。文献f 2 8 1 提出了一种分布的层次化存储的系统结构，该系统对视频流 服务器节目的缓存采用了优先级进行管理，并设定了门限来防止第二级存储和第 三级存储之间的频繁复制。文献 2 9 ，3 0 对三级存储设备进行了研究，讨论了系 统通信和存储的平衡设计问题，针对视频点播层次化存储系统的价格模型，讨论 了系统价格和系统性能之间的关系。由于三级存储系统给点播用户带来较大的点 播时延，文献3 1 ，3 2 把点播节目的一部分放置在二级存储设备上，其余部分存 储在三级设备上，以减少点播延时。文献 3 3 以系统支持的流数及其代价为参 数分别对基于磁盘的系统、层次化存储的系统以及s a n 进行了分析。文献【3 4 将硬盘中的r a i d 技术应用到三级存储设备中，提高了系统的容错能力。在文献 f 3 5 ，3 6 1 提出的层次化模型中，为两个子系统分别建立了排队模型，并以点播延 时为目标，根据设计要求，讨论了满足定时延要求的视频点播存储系统。层次 化存储模型的建立对存储系统的设计和评价具有重要的意义，如何合理地配置存 储系统，特别是以内存和磁盘阵列为主的在线存储系统，是提高视频服务器性能 的关键因素。目前文献对在线存储系统配置与系统性能之间缺少全面准确的定量 分析，从而为视频服务器的配置和评价带来了困难。 1 3 3 流调度与流合并算法 视频点播服务需要大量系统资源的支持，为了台理高效地利用资源，人们提 出了应用层多播c a p p l i c a i t i o i nl e v e lm u l t i c a s t ) 的概念。在服务器端将一定时间 段内对同一节目的请求进行合并，用一个多播或广播流同时为多个用户服务，这 样可以大大节省系统资源。在此基础上，人们提出了更多的流调度与流合并算法， 使有限的系统资源为尽可能多的用户提供服务。当前的研究可以分为以下三类： 基于批处理算法的流调度策略 北京邮电又学博士论文 批处理算法就是对一段时间内。请求点播同一个视频节目的用户请求进行批 处理，将他们汇聚为一个多播组，以便用一个多播节目流来服务。该类算法的实 现对系统的要求很低，但是这种资源共享的方法使系统的实时性能变差，用户的 点播等待时间加长，交互功能减弱或丧失。典型的批处理算法有f c f s 、m q l 、 m f q l 以及l a m b f 3 7 4 0 1 等。 基于周期广播的调度策略 周期广播【4 。48 】的基本思想是将视频节目进行分段后，映射到不同的广播通 道，同时保证用户接收的连续性。在广播协议中，最基本的是简单广播协议，也 称为错开广播协议f 4 ”。该协议在多个通道中按一定的时间间隔播放同一个节目， 用户选择时间最近的起始点收看节目。在上述协议基础上的改进协议，可以归为 金字塔广播协议族和和谐广播协议族两大类。金字塔广播协议族将每个视频节目 分为若干个递增顺序的数据块，在各自的通道中广播，由于第一个数据块很小， 广播的周期很短，从而使得用户的等待时延很小。基于排列的金字塔协议【4 ”、 快速广播协议5 4 3 1 、摩天大楼广播沩议删、宝塔广播协议1 46 从系统带宽利用和机 顶盒接收与存储的的角度，对金字塔协议进行了改进。和谐广播协议族将视频节 目分成若干大小相等的段，在不同的通道上以递减的带宽进行广播。该协议族主 要包括和谐广播协议( 4 4 3 及其改进协议如谨慎的和谐广播协议、准和谐广播仂、议 以及多和谐广播协议等m 4 ”。 基于补丁流的合并策略 该类算法根据用户请求的到达时间，按照一定的策略加入到已有的多播流 中，以达到节省带宽的目的。文献 4 9 】提出了一种自适应机载( p i g g y b a c k i n g ) 算法，通过加快用户单播流的播放速率( 如比正常播放速率加快5 ) 同时降低 多播流节目的播放速率达到流合并的目的。为了降低点播请求的延时，文献 5 0 提出了采用基本的补丁( p a t c h i n g ) 流的调度算法，该算法通过让用户同时接收 两个视频流以达到流合并的目的，从而使多个用户能够共享同一视频多播流，提 高系统资源利用效率。同补丁算法相似的算法为流t a p p i n g 算法p l j ；文献 5 2 对基本的补丁流算法作了进一步改进，减少了机顶盒接收数掘的带宽。在机顶盒 接收缓冲区较大时，文献讨论了补丁流算法中多播流的最佳多播门限，优化了补 丁流算法的系统带宽。 这些流调度算法的运用可以在一定程度上提高系统效率，但它们的引入毕竟 只适用于n v o d 的环境，为了更好地发挥系统性能，混合视频点播的思想被提 了出来 5 3 , 5 4 】。e r i c 5 3 1 等对热点节目使用批处理算法，而对非热点节目使用单播， 而且两种情况使用相同的缓存；l e e l 5 4 3 认为t v o d 是以追求服务质量最高为目 的，而n w o d 是以追求成本最低为目的，所以提出了u v o d ( u n i f i e d v o d ) 结 构以达到二者平衡。事实上，流调度策略不仅可以用在对单一视频点播系统的优 北京邮电大学博士论文 化上，还可以用于大规模分布式视频点播系统中。 1 3 4 代理视频服务器的研究 在大规模分布式视频点播应用中，代理视频服务器的引入