吉高卿 秦景 馮英偉 張連連 葛宇 吳峰 劉俊

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上視頻播放系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量要求也日益提高。為解決網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器負(fù)載不均狀態(tài)等問題的的出現(xiàn)，本文提出了一種基于云計(jì)算技術(shù)和CDN技術(shù)的視頻播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中心服務(wù)器，邊沿服務(wù)器，客戶端電腦組成，中心服務(wù)器和邊沿服務(wù)器的設(shè)計(jì)采用了云計(jì)算和CDN技術(shù)結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好的解決網(wǎng)絡(luò)視頻播放負(fù)載不均及網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

關(guān)鍵詞：服務(wù)器;云計(jì)算;CDN;負(fù)載不均;網(wǎng)絡(luò)擁塞

中圖分類號(hào)：TP31? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）01-0218-02

Design of Video System Based on Cloud Computing and CDN

JI Gao-qing1， QIN Jing1，F(xiàn)ENG 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(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上視頻播放系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量要求也日益提高，但是當(dāng)某一時(shí)刻，假如突然新增了大量用戶，就可能會(huì)出現(xiàn)某一臺(tái)服務(wù)器承受了絕大多數(shù)負(fù)載，而其他服務(wù)器卻處于幾乎空閑狀態(tài)的情況，視頻播放服務(wù)器就會(huì)無法正常工作，無法保證客戶端的服務(wù)質(zhì)量，出現(xiàn)所謂的負(fù)載不均狀況。為解決網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器負(fù)載不均狀態(tài)的出現(xiàn)，本文提出了一種基于云計(jì)算技術(shù)和CDN技術(shù)的視頻播放系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地解決負(fù)載不均問題。

1 云計(jì)算技術(shù)

1.1 云計(jì)算技術(shù)介紹

云計(jì)算技術(shù)基于分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)，并將這些技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成一種全新的資源存儲(chǔ)和資源訪問模式，采用這種新的模式為視頻服務(wù)器中存放的海量視頻資源的處理帶來了新的發(fā)展機(jī)遇[1]。

云計(jì)算具有按需即用，物美價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。利用云計(jì)算技術(shù)，客戶可以按照使用量付費(fèi)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(jì)算資源共享池，這些資源可以包括云存儲(chǔ)，云網(wǎng)絡(luò)，云端服務(wù)器等。

云計(jì)算技術(shù)發(fā)展到當(dāng)今階段，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1） 服務(wù)彈性化。即云端提供的服務(wù)是可以快速伸縮的，既可以用在對(duì)資源需求比較大的公司，又可以適用于對(duì)資源需求量較小的個(gè)人用戶。這樣，就可以避免因?yàn)榉?wù)器過載造成的服務(wù)質(zhì)量下降，或者服務(wù)器空閑造成的云計(jì)算資源浪費(fèi)情況的出現(xiàn)。

2） 服務(wù)資源池化。云計(jì)算端提供的資源都是采用虛擬化技術(shù)[2]，以統(tǒng)一的方式進(jìn)行管理的，這樣可以實(shí)現(xiàn)在把云端資源提供給不同用戶的同時(shí)，將資源的放置位置，管理方式，管理策略等信息對(duì)用戶透明化。

3） 終端多樣化。用戶可以通過各種智能設(shè)備，例如臺(tái)式電腦，筆記本電腦，智能手機(jī)的多種多樣的終端設(shè)備，隨時(shí)隨地的享受云計(jì)算端所提供的服務(wù)資源。

1.2 云計(jì)算視頻服務(wù)器

由于用戶使用網(wǎng)絡(luò)資源的不確定性， 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)有些視頻服務(wù)器負(fù)載太大，而另外的一些視頻服務(wù)器卻處在空閑狀態(tài)的情況，利用云計(jì)算技術(shù)，可以較好地解決視頻服務(wù)器負(fù)載不均現(xiàn)象的產(chǎn)生。

云計(jì)算視頻服務(wù)器系統(tǒng)的可以分為核心服務(wù)層，用戶接口層以及服務(wù)管理層三部分。

核心服務(wù)層是指將云端的硬件設(shè)備，操作系統(tǒng)等統(tǒng)一作為一個(gè)抽象層進(jìn)行處理。核心服務(wù)層還可以進(jìn)一步分為三個(gè)子層：基礎(chǔ)設(shè)施子層，平臺(tái)子層，軟件子層。

用戶接口層指實(shí)現(xiàn)云計(jì)算服務(wù)的訪問方式，通?？梢园钚性L問，網(wǎng)頁訪問，APP訪問等不同的訪問方式。用戶不僅可以通過傳統(tǒng)的電腦桌面方式實(shí)現(xiàn)云端訪問，還可以通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的接入云端。為此，英特爾，思科等云端提供商倡導(dǎo)開發(fā)統(tǒng)一的云端計(jì)算接口，實(shí)現(xiàn)在全球環(huán)境下，不同用戶可以無縫的利用云計(jì)算技術(shù)工作。

服務(wù)管理層的主要作用是對(duì)核心服務(wù)層提供安全保障，包括云計(jì)算服務(wù)質(zhì)量的保障和安全管理方面的保障等。由于云計(jì)算需要面對(duì)千千萬萬的不同用戶[3]，因此其平臺(tái)的規(guī)模十分龐大，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，這樣就很難滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量，以及安全等方面的要求。為此，必須通過服務(wù)管理對(duì)云計(jì)算端進(jìn)行個(gè)方面的綜合管理，才能最大限度地發(fā)揮其作用。

2 CDN技術(shù)

2.1 CDN技術(shù)介紹

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，視頻點(diǎn)播（IPTV）業(yè)務(wù)已經(jīng)成了互聯(lián)網(wǎng)上最有市場價(jià)值的應(yīng)用之一。據(jù)2017年亞太地區(qū)在線消費(fèi)報(bào)告顯示，全球互聯(lián)網(wǎng)用戶平均每人每月收看在線視頻的時(shí)長達(dá)到926分鐘。網(wǎng)絡(luò)視頻的巨大點(diǎn)擊量已經(jīng)成了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商面臨的主要挑戰(zhàn)之一。CDN技術(shù)的發(fā)展主要就是為了解決網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器在巨大訪問量時(shí)不能正常工作的問題。

CDN是Content Delivery Network的縮寫，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。CDN技術(shù)的基本思想是盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有可能影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，基本方法是在互聯(lián)網(wǎng)的每個(gè)局域網(wǎng)中放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量，節(jié)點(diǎn)信息等情況，使用離最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)的智能虛擬化。將CDN技術(shù)運(yùn)用到視頻播放系統(tǒng)中，會(huì)大大提高服務(wù)器在承受突然大量訪問時(shí)工作效率和穩(wěn)定性，緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠的狀況。

2.2 CDN技術(shù)優(yōu)化

CDN雖然經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是仍在以下方面可以進(jìn)行優(yōu)化處理：

用戶需求的獲取。由于網(wǎng)絡(luò)視頻的觀看者人數(shù)非常多，而每個(gè)人的喜好不同，因此運(yùn)營商應(yīng)該根據(jù)用戶的不同需求去制定特色化的服務(wù)。用戶需求的獲取方法有不同的方式，運(yùn)用比較廣泛的是基于可拓?cái)?shù)據(jù)挖掘的關(guān)聯(lián)挖掘方法。該方法的原理是通過粒子群算法[5]，并結(jié)合可拓原理，去獲取到全新的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

與P2P方式的結(jié)合。P2P技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同客戶端之間的視頻內(nèi)容的傳輸，這樣就能夠使用戶從最近的地方獲取視頻服務(wù)，從而降低了對(duì)服務(wù)器資源的依賴性。P2P技術(shù)具有很好的容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性，可以作為CDN網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，這樣在不改變CDN模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的條件下，可以更好地發(fā)揮CDN的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供更加高效，高質(zhì)量的服務(wù)。

資源調(diào)度的優(yōu)化。任何結(jié)構(gòu)的CDN系統(tǒng)中，資源調(diào)度模塊都是最核心的部分，資源調(diào)度一般是通過DNS解析來實(shí)現(xiàn)的，因此需要在進(jìn)行DNS解析時(shí)，盡可能的高效完成。進(jìn)行DNS解析時(shí)需要考慮到非常多的因素，比如客戶所處地址，線路，請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，成本等等，因此在實(shí)現(xiàn)DNS解析算法時(shí)需要設(shè)計(jì)出一種合理的因素權(quán)重確定方案。

3 基于云計(jì)算和CDN技術(shù)的視頻播放系統(tǒng)

基于以上分析，設(shè)計(jì)了一種將云計(jì)算技術(shù)和CND技術(shù)相結(jié)合的視頻服務(wù)器系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩種技術(shù)的互補(bǔ)，可以最大限度地為客戶提供高可靠性，高質(zhì)量的視頻播放服務(wù)。

基于云計(jì)算和CDN技術(shù)的視頻播放系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由三部分組成：中心服務(wù)器，邊沿服務(wù)器和客戶端電腦。

中心服務(wù)器的作用是當(dāng)客戶端電腦訪問視頻資源時(shí)，請(qǐng)求首先到達(dá)中心服務(wù)器，由中心服務(wù)器通過路由，計(jì)算出距離該用戶最近的邊沿服務(wù)器，并將請(qǐng)求告知該節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)

存放有所需的視頻節(jié)目，則傳送給用戶，否則由距離較近的其他邊沿服務(wù)器去完成該任務(wù)。中心服務(wù)器需要完成較大計(jì)算工作，可以用云計(jì)算服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)以較低的經(jīng)濟(jì)成本去實(shí)現(xiàn)較高，較可靠的服務(wù)質(zhì)量。中心服務(wù)器的工作流程圖如圖2所示。

邊沿服務(wù)器的作用是存儲(chǔ)大量視頻節(jié)目，并且能夠根據(jù)接收到的中心服務(wù)器的指令，將相應(yīng)的視頻節(jié)目傳送到客戶端電腦或者其他邊沿服務(wù)器。邊沿服務(wù)器應(yīng)布置在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，并且可以采用重定向策略，從而將用戶需求轉(zhuǎn)向距用戶最近的邊緣服務(wù)器。邊沿服務(wù)器的工作流程圖如圖3所示。

客戶端電腦用戶收看視頻節(jié)目，為了緩解邊沿服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)擁擠出現(xiàn)時(shí)的壓力，系統(tǒng)采用了P2P技術(shù)，利用該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同客戶端的視頻節(jié)目的相互傳送。

4 測(cè)試及結(jié)論

以一臺(tái)中心服務(wù)器，三臺(tái)邊沿服務(wù)器，100臺(tái)客戶端電腦為測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明在同一時(shí)間，100臺(tái)客戶端電腦可以同時(shí)收看視頻節(jié)目，并不會(huì)出現(xiàn)由于網(wǎng)絡(luò)擁塞致使節(jié)目播放不流暢現(xiàn)象的產(chǎn)生。說明該系統(tǒng)可以較好地解決網(wǎng)絡(luò)視頻播放負(fù)載不均及網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

參考文獻(xiàn)：

[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(guān)鍵技術(shù)[N].人民郵電，2015年05月26日

[3] 郭紅方.視頻點(diǎn)播內(nèi)容分發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012，11

[4] 徐悅.構(gòu)建大型CDN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，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.