李峰泉，张 啸（西安外事学院工学院；西安外事学院人文学院，陕西西安，70077）

基于流媒体的可伸缩系统中流媒体服务原理研究

李峰泉1，张 啸2
（1西安外事学院工学院；2西安外事学院人文学院，陕西西安，710077）

本文针对可伸缩系统中流媒体的服务原理进行探讨，对CDN网络架构、P2P网络架构下的流媒体服务原理以及可靠冗余保障技术原理、周期分段的流媒体调度原理做了分析和阐述，结合分析和实际研究项目的应用给出了各自相应的优点结论。

流媒体；可伸缩；服务原理

0 引言

随着编码技术和网络技术的发展，流媒体技术得以飞跃性的发展。当前流媒体服务成为分布式媒体服务的主流。流媒体服务不需要将媒体数据完全下载到本地后才可以进行播放，它通过编码技术和分段技术实现边下载边播放，减少了用户的等待时间，节约了客户端的存储空间，同时可以有效地支持直播。图1是一种典型的流媒体服务模型。

图1　 一种典型的流媒体服务模型

本文主要针对实际可伸缩系统研究项目中应用的几种关键流媒体服务技术原理进行研究阐述。

1 基于CDN网络架构的流媒体服务原理

基于CDN（Content Delivery Network—内容分发）方式的流媒体服务是C/S模式的一种增强，它将代理服务技术和缓存思想引入流媒体服务中。基本原理是通过在媒体服务器和客户端之间增设基于内容的分发服务器（Proxy），可以将热点媒体的数据片断存储在代理服务器，解决了快速接入问题，同时通过代理服务器的媒体服务器的服务选择可以屏蔽具体对特定客户端进行媒体服务，有效提高了系统的扩容的灵活性和容错性。CDN 优点在于可以有稳定的服务架构，客户端针对索取的服务的服务器也比较固定，客户端配置简单，由于服务器比较固定，因而无论是媒体服务具有连续性、实时性、时序性服务质量还是针对故障的处理，提供可靠服务保证方面也是可以保证的。

正是因为CDN方式在提供一定服务质量保证的基础上具有良好的服务扩展能力，很多系统的可伸缩能力主要依赖CDN网络架构的相关技术来予以保证，因而它成为提供高服务的流媒体服务的一种选择。图2给出了基于CDN架构的流媒体服务网络示意图。

图2　 基于CDN架构的流媒体服务网络

2 基于P2P网络架构的流媒体服务原理

在P2P网络架构下，网络节点间根本不存服务器（Server）和客户端（Client）关系，所有节点之间都是对等关系，即位于网络上的每一个用户都是一个对等实体（Peer），它们彼此独立又可以互相协作，也就是说它们既是服务提供者又是服务的享用者。对于P2P流媒体服务系统，观看同一媒体的客户节点组成一个P2P网络，客户节点不仅接收来自服务器和其它Peer节点的数据，而且它也向其它请求同一媒体服务的客户节点提供媒体数据。在P2P流媒体服务架构下，信息的传输和服务无需中间环节和服务器的介入，可以直接在Peer结点之间进行，从而避免了系统潜在的瓶颈。同时由于相关Peer节点也参与到系统媒体数据的提供中，Peer节点也贡献了自身的服务能力，因而系统具有很高的性价比。由于流媒体服务对于数据时序要求的特殊性，基于P2P流媒体的服务在实现当中对于Peer节点的选择上，以及P2P网络的构建上和数据的存储和转发策略上都有特殊的要求。

基于P2P流媒体服务的优势的发挥需要有大量的Peer节点参与，而在企业网内在线用户数将是一个问题。图3给出了借用存储技术来弥补Peer节点数量上的不足的问题，从而实现了系统能力的灵活伸缩。

3 可靠冗余保障技术原理

系统的可用性直接影响到用户对服务系统的使用评价，良好健壮的系统应当对用户的使用有良好的感知，即用户不会感知到系统某一节点的故障或者是虽然感知到系统某一节点的故障但是其服务还可以继续进行，而不是服务的中断或者是成果的丢失。系统的可用性主要涉及到关键数据的同步和恢复策略上，其服务原理是在系统服务过程中，会将系统/用户的关键数同步到一个指定的地方，而在服务节点出现故障时则将先前同步的关键数据恢复到服务替代节点上，从而继续提供后续服务。通常的数据同步和恢复策略的实现分为以下两种方式。

检查点-恢复策略：在该策略下依赖系统的MTTR，节点对系统设计的检查点进行周期性的检查，根据检查结果作出故障裁决或者故障的预测。对于故障的节点或者预测将要发生故障的节点，可以将服务全部服务或者部分服务迁移到其它服务节点上以提供连续的容错服务。

复制策略：在该策略下，调度器将客户端的服务请求分配到某个服务节点的同时，也会将该请求在其它服务节点复制一份或多份，而在服务节点故障的时候，其它服务节点通过复制的请求信息恢复对客户端的服务，继续进行后续的服务。这主要通过冗余处理以及远程日志（redundant processing，remote logging）等方式完成。

图3　 借助存储技术的P2P流媒体的服务原理示意图

4 基于周期分段的流媒体调度原理

流媒体调度可以解决视频服务器、网络资源、Peer节点间的资源匹配问题，实现服务能力最大化。在具体的实现过程中由于侧重点不同实现原理也不同。当前的媒体流调度方式广义上可以分为以用户为中心和以据为中心这两种方式。

在以用户为中心的方式中，对于客户的每个请求，服务器将专门为此客户端分配网络资源用于此客户端的数据服务。在此模式下，当用户向服务器进行媒体服务请求时，用户的请求将立即得到响应，用户没有等待时间。但是由于服务器和网络为每个用户专门分配专有服务资源，系统资源复用率不高，系统容量有限。

在数据为中心的方式中，资源的分配方式是依据媒体对象为中心，而不是依据客户端的请求。服务器可以将一个时间段内到达的针对同一个媒体的请求，作为一个组播组进行服务。充分利用当前网络的特点允许客户端共享一个组播的数据流来提高网络和磁盘IO的利用率。通过组播技术可以实现节目流的多路复用从而提高流媒体在网络中的发送效率、节省网络带宽资源提高系统服务容量，因而以数据为中心的流媒体服务调度的研究成为热点。

周期分段广播方法是以服务器为中心的视频流发送方法，它通过将视频节目分成若干数据段，对每一段使用一条数据流进行周期广播发送。该方法要求用户端设备具有较高的本地存储能力，并配合服务器端能超过实际播放速率的接受能力同时从多个并行的广播流中接收不同数据段得数据。理论上该类方法可以承载任意数目的用户点播，特别适合对热门视频节目的播出，并且该类方法的实现和服务器对视频流的播出管理也较简单易行。目前，分段广播算法以及改进算法也比较多，这些方案的差别主要在于：文件被分为多少个数据段以及每个分段的大小；客户端需要同时接受的分段数。如采用摩天大楼算法数据分段规则如下：

通过以上算法，我们可以得到以下的数列：［1， 2， 2， 5， 5，12， 12， 25， 25， 52， 52， ...］。这样第一个分段的长度是一个数据单元，第二个数据分段是2个数据单元长度，第三个数据分段同样也是2个数据分段长度。第三个数据段将是5个数据单元的长度。要求客户端同时在2个信道上同时接收媒体数据，则可以保证媒体播放的连续性。

由于IP组播技术上的限制，其无法在广域网上大规模的应用，因而分段广播技术的应用也就有其局限性。但是为了减少Peer节点间的无序的媒体检索请求，并结合企业网内系统相对稳定的特点，在P2P网络中借用周期分段的思想来规划和设定Peer之间数据服务单位，一方面减少了服务检索请求数量，一方面保证了系统服务的稳定性。

5 结束语

随着网络技术和流媒体技术的不断发展，基于流媒体的可伸缩系统在互联网上的应用必将是越来越广泛，各种网络架构下的流媒体服务技术原理也将会不断的被研究和更新，应用其各自的优势来更好地为流媒体系统服务也必将成为互联网应用的主要趋势之一。

毛莉花.自适应转码技术在网上直播系统中的研究与应用［D］.苏州：苏州大学2009.

李峰泉，（1977-），男（汉族），河南鹤壁浚县人，讲师/硕士，主研领域：图像处理、计算机网络技术。

张啸，（1977-），男（汉族），甘肃兰州市人，硕士，主研领域：web应用。

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

本文是西安外事学院2013年度自然科学课题《基于流媒体的可伸缩的智能培训系统》（2013XKZ01）的研究成果之一。