（计算机应用技术专业论文）基于cdn的宽带流媒体视频点播系统的设计.pdf

摘要 视频点播服务作为i n t e m e t 应用的重要组成部分，在娱乐、教育、通信、制造业等领域得到广 泛应用。本文在研究视频点播技术的基础上，设计了基于内容分发网络( c d n ) 的宽带流媒体视频点 播系统( c d n v o d ) 。该系统从逻辑上分为三层，流媒体服务层、内容分发网络层和客户端应用层。 流媒体服务层是系统可运营的基础环节，是开展业务的主要模块；内容分发网络层是系统重要的服 务支撑环节，为视频点播和优化资源配置提供了保证；客户端应用层是与用户进行交互的重要组成 部分，分为视频点播管理终端和w e b 应用网站。 本文从算法设计、数据结构设计以及性能等其他需求设计，多方面阐述c d n v o d 系统的设计。 对于流媒体服务层，主要功能模块是用户认证、计费服务、支付服务，采用了w e bs e r v i c e 设计接 口，保证硬件和软件平台之间的无缝连接；对于内容分发网络层，主要实现流媒体内容分发服务， 采用了负载均衡、就近路由的性能优化技术，以及基于内容统计的智能主动分发技术；对于客户端 应用层，主要是系统客户端的用户操作界面，集成内容制作与发布、数字版权管理( d i g i t a lr i g h t s m a n a g e m e n t ，简称d r m ) 等内容，采用了m i c r o s o t t n e tf r a m e w o r k 技术、动态网页技术和c j 语言。 层次之间采用公用接口形式，设计中采用x m l m e s s a g eb u s 数据编码标准，方便了跨平台的数据交 换。 宽带流媒体视频点播系统是多项技术的综合应用，是一项系统工程，本文工作可为i n t e m e t 、网 络教育等领域提供宝贵的技术经验和工程建设方案依据。 关键词：视频点播、内容分发网络、流媒体、d r m a b s t r a c t w i 血t h ei n t e r a c td e v e l o p m e n t t h ei n t e m e ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oo u rd a i l yl i f e a s i m p o r t a n ti n t e m e ta p p l i c a t i o n s ，t h ev i d e oo nd e m a n d ( v o d ) a n dt h ev i d e ob r o a d c a s to b t a i n sw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n s i nt h ed o m a i n so fe n t e r t a i n m e n t ，e d u c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n 、a n di n d u s t r i a la u t o m a t i o n a f t e rs t u d y i n gc n r l e n tv o dt e c h n i q u e s ，w eb u i l daw i d e - b a n df l o wm e d i av o ds y s t e mb a s i n go i l c d n ( c a l l e dc d n v o d ) t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e el a y e r sl o g i c a l l y , t h ef l o wm e d i as e r v i c el a y e r , t h ec d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) n e t w o r ks u p p o r t i n gl a y e ra n dt h ec u s t o m e ra p p l i c a t i o nl a y e r t h e l a y e ro f f l o wm e d i as e r v i c ew i t hk e ya p p l i c a t i o ns e r v i c e si st h ek e r n e lo ft h es y s t e m t h el a y e ro fc o n t e n t d e l i v e r yn e t w o r kt os u p p o r tt h ev o da n dr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o ni st h ei n f h s n u c t u i 弓o ft h es y s t e m t h e l a y e ro fc u s t o m e ra p p l i c a t i o nw i t l lav o d t e r m i n a la n daw e bs i t ec l i e n ti si m p o r t a n tt ou s e ri n t e r a c t i o n w ed i s c u s st h ed e s i g no ft h ec d n v o ds y s t e m ，i n c l u d i n gt h er e l a t e da l g o r i t h md e s i g n ，d a t as t r u c t u r e d e s i g na n dp e r f o r m a n c ed e s i g n i nt h el a y e ro f m e d i as e r v i c e ，t h e r ea r et h em o d u l eo f u s e rc e r t i f i c a t i o n ，t h e m o d u l eo fa u d i t ，t h em o d u l eo fp a y m e n t ，a n de r e w eu t h et e c h n i q u eo fw e b - s e r v i c ei n t e r f a c ea m o n gt h e l a y e r st oe n s u r et h es e a m l e s sc o n n e c t i o no ft h er e l a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nf u n c t i o n so ft h e l a y e ro fc d na l ec o n t e n td e l i v e r ys e r v i c e ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n a n di n t e l l i g e n tf l o wm e d i a m a n a g e m e n t i nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h el a y e ro fc u s t o m e ra p p l i c a t i o n ，w e u s et h et e c h n i q u e so f m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k ，d r m ( d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ) ，d y n a m i cw e b p a g ea n dc 撑p r o g r a m m i n g t oj o i nt h et h r e el a y e r se f f i c i e n t l y , w eu s ex m lm e s s a g eb u sd a t ac o d es t a n d a r d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fav o ds y s t e mi sak i n do fs y s t e me n g i n e e r i n g w eh o p eo u rw o r k i nt h i sp a p e rw o u l dp r o v i d et h ee x p e r i e n c e sf o rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o m ea p p l i c a t i o n si nt h e i n t e r n e ta n dn e t w o r ke d u c a t i o nd o m a i n k e y w o r d s ：v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) ，w i d eb a n d ，f l o wm e d i a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：楚日期： 东南大学学位论文使用授权声明 f8 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：日期：炒”矿 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 流媒体是指采用流式传输的方式在i n t e r n e t 中进行媒体播放的媒体格式。流媒体技术首先出 现在美国，是宽带网络和信息技术发展的新应用，宽带流媒体视频点播应用已经成为i n t e r n e t 中最 广泛的应用之一。 由于宽带流媒体视频点播市场发展的广阔前景，各国运营商、应用提供商、内容提供商及网络 提供商纷纷利用各自的优势向该领域扩张。在国外，i b m 的媒体资产管理解决方案以内容管理器 ( c o n t e n tm a n a g e r ) 为基础，建立多级存储管理层，使媒体公司在多种媒体应用程序和系统之间实 现数字化资产的存储：获取、管理和发布。y a h o o 通过与c a r s e y w e r n e rd i s t r i b u t i o n 合作，提供 流媒体内容服务，在其站点上提供连续剧、名人访谈、电影以及音乐录像等内容，并计划举办在线 音乐会和播放在线烹饪录像等内容。韩国电信在运营流媒体业务方面为用户提供成人节目、教育节 目、电视剧点播而获利。 在国内，宽带流媒体市场已推出基于m p e g 一1 ，m p e g - 2 ，r e a l ，w m v ，q u i c k t i m e 等多种流媒体编 解码技术的产品，推动了宽带应用的发展曙1 。部分公司的流媒体平台已经在宽带网络上实现了应用， 同时，还推出了适合中国现阶段宽带网络的i p 机顶盒解决方案，以满足网络媒体在电视机终端上进 行播放的需要。 流媒体传输可以分为两种，顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 和实时流式传输( r e a l t i m e s t r e a m i n g ) 1 。由于标准的h t t p 服务器可发送顺序流式传输形式的文件，又被称作h t t p 流式传输。 实时流式传输与顺序流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议，比较适合现场事件， 也支持随机访问，用户可快进或后退观看前面或后面的内容。两种传输方式相比较，顺序流式传输 比较简单，对时延要求低，可支持高质量的流媒体数据传送，但其适应性较差，不支持交互，应用 范围有限；实时流式传输比较顺序流式传输，具有更为灵活的功能，对网络的适应能力较强，在传 输中，它需要专门的流媒体服务器，更为稳定的网络传输条件，在网络协议上一般采用h t t p t c p 传输控制信息，用r t p u d p 来传输实时数据信息。目前的流媒体技术主要集中于实时流式传输。 两种传输方式在实际传输过程中，都会产生如下问题： 1 、端到端带宽和服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称q o s ) 难以保证； 2 、网络通常不支持多播，广播型业务需要采用多个点对点传输，耗费大量的骨干网络带宽， 而且对中一c , h h 务点也构成较大的压力； 东南大学硕士学位论文 3 、一旦流媒体业务用户量和业务量加大，对现有网络的流量流向模型将造成较大冲击，严重时 将影响现有常规业务的开展； 4 、服务提供商( s e r v i c ep r o v i d e r ，简称s p ) 接入具有较大的局限，特别是在接入带宽、业务 访问能力等方面要求较高； 内容分发网络( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ，简称c d n ) 的核心思想是将媒体内容从中心推到 边缘靠近用户的地方，为了有效地保证服务质量，和减轻中心设备和骨干网络的压力，在流媒体传 输中通常引入内容分发网络，将内容服务从原来的单一中心服务结构变为分布式服务结构，其优势 主要表现在： 1 、促进视频点播业务服务点更靠近用户，可将服务点放在省网、本地网，甚至小区里，优化带 宽利用，较好地解决服务质量问题，达到视频的连续播放； 2 、将大多数的流媒体内容预先分发到网内其他流媒体服务器上，较好地利用网络带宽，大大缓 解对骨干网流量流向的冲击； 3 、实现广播流的树型分发和服务，实现“应用层”多播； 4 、流媒体业务服务器的分散和下放，可有效缓解对s p 接入的压力。 近年来，在v o d 应用的推动一f ，c d n 技术在国内外得到迅速发展，流媒体内容取代w e b 内容成 为内容分发网络主要承载的对象。 本文的工作重点就是研究基于c d n 的宽带流媒体视频点播系统。 1 2 研究意义 目前，中国的i n t e r n e t 用户已达2 亿左右，而且每年仍以较快的速度增长。随着i n t e r n e t 用户的 增加，i n t e r n e t 增值服务已成为各大网络运营商的主要开发内容，宽带流媒体视频点播系统就是其 中之一。中国i n t e r n e t 视频点播市场营业收入规模从2 0 0 5 开始连续两年增长率超过3 0 ，2 0 0 6 年达到 6 亿元，显示了良好的发展前景，具有较好的市场和商业价值。 受网络带宽和服务器限制，制约视频点播发展的主要原因是视频质量、响应速度和视频播放的 稳定性，如何化解这些瓶颈，是各大网络服务商亟待解决的难题，可以说准把这个问题解决得好， 谁就能掘到第一桶金，这也是近年来各种技术层出不穷，运营商们大手笔投入开发竞争的原因。 随着c d n 技术的不断成熟，依此来解决i n t e r n e t 网络拥塞状况，提高用户访问网站的响应速度， 从技术上解决网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题变为可能。 本文探讨开发开放的、可运营、可维护具有较大点播用户规模的宽带流媒体视频点播系统。本 系统既可作为独立的系统，应用到各行各业中，也可提供在线教育、体育赛事、电影、音乐娱乐服 务等，丰富人们的精神文明需求。 2 第一章绪论 1 3 主要研究内容 本文的研究内容来源于宁波成功多媒体通信有限公司的“成功宽带流媒体平台”s b 2 0 系统。 该公司主要为网络运营商提供宽带流媒体点播平台技术解决方案。近年来，随着软件技术不断向服 务转化的趋势，它与各运营商一起为全国宽带用户提供视频点播、远程教育、音像出租、视频会议、 网络电视、游戏平台、短信等多种宽带内容增值服务，在宽带应用平台产品基础上构建了一整套严 谨完善的研发、推广、销售和服务体系。 本文工作对进一步探讨建设开发可运营、可管理的视频点播平台有一定的借鉴作用。 本文主要探讨基于c d n 的宽带流媒体视频点播系统( 以下简称c d n v o d 系统) 的总体设计、以及 系统的流媒体服务层、内容分发网络层和客户端应片j 层的详细设计。 l 、总体设计 主要讨论c d n v o d 系统的总体框架、主要模块功能设计、网络拓扑设计和系统部署，特别讨论如 图l1 所示的c d n v o d 系统的二层结构总体框架。 2 、流媒体服务层设计 以c d n v o d 系统的总体设计为基础，描述流媒体服务层的各功能模块设计和实现，分别讨论用户 认证、计费管理、支付服务平台设计。 3 、内容分发网络层设计 讨论内容分发网络层的功能设计、数据结构设计、主动分发的接口设计和分发策略设计，并重 点讨论基于内容统计的智能主动分发算法设计。 4 、客户端应用层设计 主要涉及客户端流程、功能以及与之相关的界面设计等。 5 、系统实现 本文实现时采用模块化开发技术，在各个模块之间定义标准的接口，每个模块单独封装，并可 以分步实施，方便系统的升级更新和维护，同时使得系统逻辑结构非常清晰。 在流媒体服务层、内容分发网络层的实现上主要是使用c 并n e t 和v i s u a lc + + 语言进行开发， 在客户端应用层实现上主要是使用a s p n e t 进行开发，数据库为m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 。 本文对实现不作详细讨论，主要讨论系统的设计。2 0 0 6 年，本系统已应用在宁波市公众信息产 业有限公司的“东方热线”网站上，用户报告二 亏附后。 1 4 本文结构 本文共有七章。 3 东南人学硕+ 学位论文 第一章介绍本文工作的研究背景和主要工作内容。 第二章主要介绍i n t e r n e t 视频服务，包括相关技术和发展趋势，以作为本文r t 作的理论基础。 第三章主要阐述c d n v o d 系统的总体框架，主要模块功能设计、网络拓扑设计、系统部署、系统 设计的合理性和可行性等内容，以作为后续章：符的基础。 第四、五、六章基于第三章分别就流媒体服务层设计、内容分发网络层设计、客户端应用层设 计进行讨论，主要涉及相关的功能模块划分、算法设计、数据结构设计、接口设计以及界面设计等。 第七章是总结和展望。 4 第一二章视频点播服务 第二章视频点播服务 本文重点工作是研究基于c d n 的视频点播服务，因此本章讨论视频点播服务相关工作，以作为 本文工作的理论基础。首先介绍视频点播服务，然后介绍部署视频点播系统的主要技术，最后讨论 视频点播服务的发展趋势。 2 1 视频点播服务 视频( v i d e o ) 泛指将一系列的静态影像以电信号方式加以捕捉，进行记录、处理、存储、传送、 并重现的各种技术幅1 。随着数字技术、网络技术的不断发展，视频技术有了全新的发展。现在常见 的视频格式主要有影像格式( v i d e o ) 和流媒体( s t r e a mv i d e o ) 格式。其中，流媒体是指在数据网 络上按时间先后次序传输和播放的连续音视频数据流，它常以文件的形式存在于i n t e r n e t 上，并 可被接收与播放旧1 。 流媒体技术应用是宽带网络增值业务的重要组成部分，它改变了传统的视频娱乐方式，使人们 可以随时随地通过网络观看影片。流媒体技术还可广泛应用于新闻发布、视频直播、网络广告、电 子商务、视频点播、远程教育等多种领域，能够提供各种内容服务，在表现形式上更具娱乐性和互 动性。另一方面，流媒体技术结合i n t e r n e t 特点，还将推进应用更加多样化。 流媒体技术应用的最常见形式是视频点播服务，能够适应全网和局域网络的应用，小规模可以 在一家酒店，大规模可以扩展到千家万户。视频点播具有组网灵活、应用形式简单、功能强大等特 点，能够为用户提供全方位的视听服务。 新一代视频点播系统可由流媒体服务层、内容分发网络层和客户端廊用层三层组成n 引，具备信 息存储、身份验证、计费、客户服务、d r m 管理、内容分发等功能。其中，c d n 网络具有智能负载均 衡作用，它将根据需要，将中心服务器的流媒体内容推送到边缘服务器，就近为用户提供最优质的 视频点播服务；客户端应用层一般以网站形式展现给管理用户和点播用户，用户通过浏览网页，进 行管理和点播，后台能够获得用户点播的信息，并据此进行相关处理等嵋7 1 。 2 2 相关技术 视频点播系统开发是一项系统工程，是流媒体、c d n 、d r m 、网络、网页设计等多项技术的综 合应用。下面将以流媒体技术、c d n 技术和d r m 技术为重点进行介绍。 5 东南大学硕卜学位论文 2 2 1 流媒体技术 简单的说，流媒体技术( s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ) 是为解决以i n t e m e t 为代表的中低带宽 网络上多媒体信息( 以视频、音频信息为重点) 传输问题而产生发展起来的一种网络技术珏1 。 流媒体技术的关键包括流式传输、数据缓存和数据压缩三种技术。 l 、流式传输技术 流式传输技术就是把连续的声音和图像信息经过压缩处理后放到网站服务器上，让用户一边下 载一边收听观看，而不需要等待整个文件下载到自己的机器后才可以观看的网络传输技术。 流式传输的过程是：用户选择某一流媒体服务器后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交换控制信息；w e b 浏览器启动音视频客户程序，从w e b 服务器检索相关参数对音视频客户 程序初始化，这些参数包括目录信息、音视频数据的编码类型或与音视频检索相关的服务器地址等； 音视频客户程序及音视频服务器，交换音视频传输所需的控制信息，实时流协议提供执行播放、快 进、快倒、暂停及录制等命令的方法；音视频服务器将音视频数据传输给音视频客户程序，一旦音 视频数据抵达客户端，音视频客户程序即可播放输出h 引。 流式传输常采用的传输协议有：实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 、实时传输控 制协议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 0 1 ) 、实时流协议r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 、 预留资源协议r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v e p r o t o c 0 1 ) 、m m s 协议( m i c r o s o f t m e d i as e e r p r o t o c 0 1 ) 等。 下面主要介绐r t p 、r t c p 、r t s p 协议。 实时传输协议r t p 是用于i n t e r n e t 上多媒体数据流的一种传输协议。r t p 被定义为在一对一或 一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数据， 但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个 端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不 提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层 来实现，而是作为应用程序代码的一部分。 实时传输控制协议r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。在r t p 会话期间，各参与 者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有己发送的数据包数量、丢火的数据包数量等统计资料， 因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合 使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据n 训。 实时流协议r t s p 是由r e a l n e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如 何有效地通过网络传送流媒体数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。h t t p 与r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t s p 传送的是多媒体数据。 6 第二章视频点播服务 h t i p 请求由客户机发出，服务器作出响应；使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发出请求，即 r t s p 可以是双向的0 。 在本文所设计的系统中主要采用r t s p 传输协议。 2 、数据缓存技术 主要用在流式传输的实现上。在i n t e r n e t 中传输文件，首先把对它们进行“流化”，分解成许多 包进行断续的异步传输，由于网络是动态变化的，这就需要使用缓存系统米弥补。通常高速缓存使 用环形链表结构来存储数据，所需容量并不大，同时，缓存区通过丢弃已经播放的内容，流可以重 新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容n 利。 3 、数据压缩技术 流媒体中的音视频信息在传输前必须先经过编码器压缩编码成流，以减少对网络资源的占用 率，目前市场上常见的编码有m p e g l 2 、m p e g 4 、h 2 6 1 、h 2 6 4 、w m v 、r m v b 等。编码器所生成 的码流保存了解码所必需的信息，但不保存媒体间的同步、随即访问等系统信息，因此编码后的数 据还要被组织成为具有特定系统格式的流媒体文件，便于传输或存入磁盘中。 在运用流媒体技术时，压缩的音视频文件要采用既定的格式，不同格式的文件需要用不同的播 放器软件来播放。目前，主要有三大产品。 一是微软的a s f ( a d v a n c e ds t r e a mf o r m a t ) 。这类文件的后缀是a s f 和w m v ，与它对应的播放 器是微软公司的“m e d i ap l a y e r ”。用户可以将图形、声音和动画数据组合成一个a s f 格式的文件， 也可以将其他格式的视频和音频转换为a s f 格式，还可以通过声卡和视频捕获卡将诸如麦克风、录 像机等外设的数据保存为a s f 格式。 二是r e a l n e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a ，它包括r e a l a u d i o 、r e a l v i d e o 和r e a l f l a s h 三类文件，其 中r e a l a u d i o 用来传输接近c d 音质的音频数据，r e a l v i d e o 用来传输不间断的视频数据，r e a l f l a s h 则是r e a l n e t w o r k s 公司与m a c r o m e d i a 公司联合推出的一种高压缩比的动画格式。这类文件的后缀 是t i n ，文件对应的播放器是“r e a l p l a y e r ”。 三是苹果公司的q u i c k t i m e 。这类文件扩展名通常是m o v ，它所对应的播放器是“q u i c k t i m e 。” 此外，m p e g 、a v i 、d v i 、s w f 等都是适用于流媒体技术的文件格式。 在本文设计中主要采用微软的a s f 格式，同时为r e a l m e d i a 预留接口，以便将来的升级扩展。 2 2 2 内容分发网络技术 视频点播对流媒体服务的服务质量q o s 要求较高，一旦流媒体点播用户量和业务量加大，就会 对现有的系统造成冲击，导致系统过载，用户请求得不到响应，无法保证业务运营。为了保证热点 服务和解决系统过载问题，人们引入内容分发网络技术。 内容分发网络是一种新型的网络构建方式，是特别优化的网络覆盖层，是基丁网络传输的优化 7 东南大学硕十学位论文 解决方案。从广义上来说，是基于质量和网络优化传输服务的模式，通过对用户近邻的服务器性能 的判断，实现系统资源的合理化调配，减少服务热点过于集中对系统的冲击，提高系统容量。 内容分发网络技术的核心主要包括四个方面：内容路由技术、内容分发传输技术、内容存储技 术、内容管理技术陇1 。 l 、内容路由技术 内容路由技术的核心是负载均衡功能，它的主要作用是将用户的请求分派给整个内容分发网络 中的最佳节点和服务热点区域。内容路由技术是根据系统设置策略选择最佳传送点，如距离最近、 节点负载最轻、网络传输速度最佳等。负载均衡也是整个内容分发的核心，负载均衡的准确性和效 率直接决定整个内容分发网络的效率和性能。 通常负载均衡分为两个层次：全局( 远程) 负载均衡和本地负载均衡，全局负载均衡主要目的是 在整个网络范围内将用户的请求分派到最优的节点( 或区域) 。本地负载均衡则作用丁：局域范围，目 的是在局域范围内寻找一个最适合的节点为用户提供服务2 。 2 、内容分发技术 内容分发技术是将流媒体内容从中心服务器分发到边缘服务器的过程。目前，内容分发技术有 主动分发和被动分发两种。 主动分发由内容管理模块发起，将流媒体内容从中心服务器分发到各边缘服务器，主动分发的 内容一般是热点内容，这些内容通过主动分发方式预先分发到边缘服务器，可以实现有针对的内容 提供。主动分发的关键技术是分发策略，即在什么时候分发什么内容。主动分发可由管理员人工确 定，也可以基于内容点播统计量进行智能主动分发。 被动分发通常由用户请求发起，当用户请求的内容在本地边缘服务器上不存在时，系统启动被 动分发，从内容中心服务器或者其他边缘服务器上实时获取内容。 3 、内容存储技术 对于内容分发网络层而言，主要存在两方面的内容存储问题，即中心服务器和边缘服务器的内 容存储。 中心服务器由于内容的规模和吞吐量较大，通常采用海量存储架构。 边缘服务器的内容存储包括功能和性能两个方面：在功能上要支持多种内容格式和部分缓存， 在性能上要保证支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、稳定性等，特别是存储的可靠性。目前，一 般采用r a i d 技术进行存储。 4 、内容管理技术 内容管理主要针对边缘服务器进行，管理的主要目标是提高边缘服务器的存储效率和存储空间 的利用率。 8 第= 章视频点播m 筹 本文工作主要涉及内释路由技术和内容分发技术，这两个模块均采川软件方式设计，利用 c # n e t 语言进行编程实现。 2 2 3d p 0 1 加密技术 数字版权管理( d r m ) 是以一系列软硬件技术实现对数字内彝的保护，并免逼搞版的一种方 法。数字版权管理不仅指版权保护，同时它也提供数字内容在制作和发布过程中进行版权管理的一 整套解决方案，包含数字版权信息使埘，受版权保护的数字媒体山辑的管理雨1 分发。在视频点插服 务戌用中，d r m 管理作为重要的流媒体服务模块，月j 户可以下载加密的影片，但如果没有验证授 权，影片将无法捕放，通过这种方式可咀严格地保护节日的版权，保障i 薹营商和版权提供商的利赫。 d r m 技术的，l 作原理是通过已经建立的数字节日授权中心，对编码压缩后的数字竹目内容利 用密钥( k e y ) 进行加密保护( l o c k ) h p 在加密的数字节目头部存放k e y i d 和节日授权中心的u r l 。 当用户点橘时，各个肖目头部的k e y l d 干u r l 信息，在通过数字节日授权中心的验证授权后，送 出相关的密钥解密( u n l o c k ) ，只有通过解密的数字内容户才能够使h j 。 密钥一般分为两类，也就是公钥( p u b l i ck e y ) 和私钥( p r i v a t ek e y ) 公钥用于加密节日内容 本身，私钥用于节目的解密，私钥还可咀防止当住目头部有被改动喊破坏的情况，利朋密钥就可以 判断出来，从而阻止口目被非法使用。上述这种加密的方法，有一个明显的缺陷，就是当解密的密 钥在发送给崩户时，一旦被黑客获得密钥，就可方便解密目，从而不能真正确保目内容提供商 的实际版权利益。另一种更加安全的加密方法是把密钥分成两把一把存放在州户的p c 机上，另一 把放在验证站( a c c e s st i c k e t ) 。耍解密数字。口目，必须同时具备这两把密钥，方能解开数字节目。 这样当解密峦钥在发送给用户时，即使被窃取，也仍然无法解开加密的山容。典型的d r m 加密流 程图如图2 1 所示。 目2l 典型的数字漉媒体点播系统d r mt 作原 东南大学硕十学位论文 目前市场上使用较多的是w i n d o w sm e d i a 数字版权管理，该产品是一个非常灵活的平台，它可 以保护并安全地传递点播内容和订阅内容，以在计算机、便携设备或网络设备上播放。w i n d o w s m e d i ad r m1 0 可将内容无缝传递到几乎所有设备、为数字媒体提供最广泛的购买和租赁选择，并 确保收费内容在设备间传递时的安全性。 本文采用的就是w i n d o w sm e d i a 数字权限管理技术。 2 3 视频服务发展趋势 视频固有的特点决定了对计算机和网络资源消耗巨大，是影响点播系统发展的主要原因。目前 的主要技术研究是闱绕系统优化、存储、内容分发、负载均衡等技术的研究。w e b 2 0 概念的提出是 对 n t e m e t 本质的理性回归，用户参与 n t e r n e t 内容、带宽等资源内容的分享，其中的重要代表技术 是点到点通信( p 2 p ，p e e r t o p e e r ) n 耐陵3 。p 2 p 技术很好地解决了热点服务的过度集中问题，在用户 享受运营商提供的数字内容时，用户也把自己的资源分享给其他用户，系统内的所有用户资源累计 起来，就能够完成较大的传输和通信任务。但是，尽管p 2 p 技术拥有较多的优点，但与c d n 技术 相比较，也有它的缺陷，如在对内容版权的监管、提供服务的品质、用户的有效管理等方面，解决 方案都不够成熟。但不管怎样，基丁二p 2 p 技术或c d n m p 2 p 技术相结合的宽带流媒体视频点播系统 是将来研究的重要方向，也是未来发展的趋势。 2 4 本章小结 本章分析了视频点播服务及相关技术。这为下一章讨论基于c d n 的视频点播系统框架提供了 一定的理论基础。 1 0 第三章c d n v o d 系统的总体设计 第三章c d n v o d 系统的总体设计 本章将重点讨论c d n v o d 系统的总体设计。首先分析完成c d n v o d 系统的总体框架及信息 流向，并据此确定系统的功能模块、网络架构和接口设计，最后以实际案例进行系统部署。 3 1 总体框架设计 根据c d n v o d 系统目标、需求和可扩展要求，将系统设计为三层体系结构，包括：流媒体服 务层、内容分发网络层和客户端应用层1 ，总体框架设计如图3 1 所示。 节目制作点播管理 hm 。麓。，陴川，i 盅：嚣鼍羔蔫，l f v l da p l i c u t l u n ) r l ：一l1 一一一。ii 内容 分发 i i 。：i “ 鬣统监控 m s 主“l h ：i ：；枣国； ： li ，只 园囡 s t r 、t c e e ；：蔓：? 兰：= ：1il 于谈块 一一一一、l广一一一一 ：i ：* m * 善， i j m b o sm a n a p g c m f b t )曩函鳓趣 酗蝴蓦i l 运竹竹埠 | | | | | | | | | | 塑鲤蘸；| | | l 图3 1 系统总体框架图 在图3 1 中的各模块组成如下所示。 1 、d n v o d 系统组成如图3 2 所示。 客户端应用层 内容分发网络层 流媒体服务层 图3 2c d n v o d 系统组成图 东南大学硕十学位论文 2 、流媒体服务层组成如图3 3 所示。 图3 3 流媒体服务层组成图 在流媒体服务层中，主要有运营管理、运营管理模拟接口等模块，为系统提供用户认证、计费 管理和支付服务平台等功能，并通过运营管理平台接口，将计费信息记入用户帐户。为了与运营管 理系统相连，还设计了相应的运营管理模拟接口，如与电信的互联星空( v n e t ) 平台相连的接口。 3 、内容分发网络层组成如图3 4 所示。 图3 4 内容分发网络层组成图 在内容分发网络层中，主要有内容分发子模块、路由子模块和系统监控子模块，其中，内容分 发子模块主要完成内容的分发策略制定、分发控制和分发执行等功能，路由子模块完成资源定位、 计费插件等功能，系统监控为整个系统各个服务器软硬件的运行提供性能监控、系统告警等功能。 1 2 第三章c d n v o d 系统的总体设计 4 、客户端应用层组成如图3 5 所示。 图3 5 客户端应用层组成图 在客户端应用层，主要有点播管理、内容管理和节目制作等子模块，其中点播管理是与视频点 播用户直接沟通的桥梁，内容管理主要完成流媒体节目的提取、存放、控制分发等功能，节目制作 将音视频资料转换成适合m sm e d i as e r v i c e 发布的流媒体文件。 3 2 主要模块功能设计 本文设计的c d n v o d 系统除了具有用户点播、用户认证、服务定价、报表统计、故障自动处理、 支付、版权等功能，还包括内容的管理系统和内容分发网络，以及完整的客户端w e b 系统，用户界 面操作简单，用户无需安装客户端就可以通过i e 浏览运营商提供的点播服务。 本文采用模块化设计，因此，整个系统由若干个模块组成，每个模块由若干程序组件组成。相 关的主要模块及程序组件功能设计如下： 1 、点播管理功能模块如表3 1 所示。 表3 i 点播管理模块功能表 序号程序组件名 描述 完成的功能： 点播管理 1 采集用户点播信息，生成用户点播报表； m 1 1 2 发布状态更新：系统每隔一段时间自动进行影片的更新 ( v o d 0 1 ) 发布，如果发布成功，则在页面上显示，同时通过s a s 0 1 模块提供的接口实时地分发更新影片。 2 、内容管理功能模块如表3 2 所示。 1 3 东南大学硕十学位论文 表3 2 内容管理功能模块表 序号程序组件名描述 完成的功能： l 、节目发布管理：定价、审核、页面定位： m 2 1 内容管理( s v i 0 1 ) 2 、内容管理：影片库维护； 3 、v o d 报表管理。 3 、节目制作功能模块如表3 3 所示。 表3 3 节目制作功能模块表 序号程序组件名描述 d r m 加密组件完成的功能： m 3 1 ( d r m 0 1 )对流媒体影片进行d r m 加密处理。 节目编码组建完成的功能： m 3 2 ( d e c o d e c o n t r 0 1 )对视频：1 了目进行编码压缩处理。 4 、内容分发功能模块 分发子模块功能如表3 4 所示。 表3 4 分发子模块功能表 序号程序组件名 描述 m 4 1 分发策略组件完成的功能： ( s a s o i p o li c y )由管理员提供的内容分发计划，生成分发任务； 系统预先提供几套分发策略，由管理员进行选择，并根据 s a s 0 2 组件采集剑的系统状况，生成分发任务表，交由分发组 件进行分发操作。 k i 4 2 分发任务控制组完成的功能： 件根据策略组件生成的分发任务，对分发任务进行执行、控 ( s a s 0l c o n t r 0 1 )制。 对任务执行的状态进行更新，为s a s 0 2 资源定位提供准确 的数据。 m 4 3 任务执行组件完成的功能： ( s a s o 1 e e x c )每台服务器在接收到分发任务后，执行复制、移动、删除等操 作，并为分发控制提供任务状态查询服务。 1 4 第三章c d n v o d 系统的总体设计 路由子模块功能如表3 5 所示。 表3 5 路由子模块功能表 序号程序组件名描述 m 4 4 资源定位完成的功能： s a s 0 2 s e r vi c e 资源定位，根据负载均衡和就近路由原则，给资源选择最优 服务器，为点播用户认证提供依据。 m 4 5 计费插件完成的功能： s a s 0 2 m p l u g i n m sm e d i ap l a y e r 插件，进行用户二次认证和计费数据采集， 以客户端形式访问管理代理组件。 5 、系统监控功能模块如表3 6 所示。 表3 6 系统脏控功能模块表 序号程序组件名描述 m 5 1 状态获取组件完成的功能： ( m o n 0 1p i c k u p )接收收集组件查询指令，从本地机上获取服务器的各种参数， 并通过网络传送给状态收集组件，返回如c p u 负载、内存使用、 硬盘余量等参数。 m 5 2 状态收集组件完成的功能： ( m o n 0 2通过轮询操作，采集各个服务器系统状态参数。 c o ll e c t ) m 5 3 状态记录组件完成的功能： ( m o n 0 3 r e c o r d ) 将采集到的系统状态参数记录到数据库中，生成性能服务器变 化日志，供管理终端查询。 6 、认证计费管理模块如表3 7 所示。 表3 7 认证计费管理模块表 序号程序组件名描述 m 6 1用户服务( 本地)完成的功能： ( s b m 0 1 l o c a l )以点播用户为主要对象，实现基本的运营管理功能，包括用户 认证、支付服务、基本信息管理等。 m 6 2用户服务( 远程)完成的功能： ( s b m o i r e m o t e )用户认证。 m 6 3 业务服务( 本地) 完成的功能： ( s b m