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东北大学硕士学位论文 i p t v 视频点播系统中负载均衡策略的研究与实现 摘要 随着宽带网络的普及，人们对于视频的需求越来越迫切。但是，目前的广播 电视技术不能满足用户期待交互式的，实现互动点播模式的需求；另一方面，宽 带用户数经过几年的快速增长，已走到了一个临界点，广大的系统运营商又在迫 切寻找新的业务增长点。口t v 视频点播系统的提出顺应了市场发展的需求，不但 可以满足用户实现互动点播的要求还可以为运营商提供新的增加利润的空间。 对于一个规模较大的视频服务系统而言，不仅拥有大量用户，同时还拥有大 量的节目，于是均衡各服务器之间的负载，避免仅有少量服务器提供服务以至超 载而其他服务器处于空闲状态，平衡各服务器之间的文件分配，尽量使用户连接 上提供最佳服务质量的服务器，成为系统的一个关键问题。 本文分析了服务器负载均衡的技术和常见实现策略，并根据视频点播系统的 特点，提出了一种负载均衡策略。该策略既考虑了大量用户请求的调度问题，同 时还根据用户访问的特点，对大量的视频文件进行了合理的分配，来提高服务质 量。该负载均衡策略包括以下算法：播放服务器选择算法，用于分配大量的用户 请求；文件平衡算法，用于根据文件点播率对文件进行动态的调整。 目前，该系统已经通过模拟现场运行验收，系统实际运行和相关性能测试表 明：本文所设计和实现的负载均衡策略平衡了各服务器间的负载，达到系统所需 功能。 关键词负载均衡m t v 视频点播服务质量 东北大学硕士学位论文 a b s t i t a c t t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f l o a db a l a n c ei n ? t vv i d e o - o nd e m a n ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no f b r o a d b a n dn e t w o r k ，t h ed e m a n d sf o rt h ev i d e oa r cm o r e a n dm o r eu r g e n t b u tp r e s e n tb r o a d c a s tt vt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h er e q u e s tt h a t 1 1 s e l sl o o k e df o r w a r dt oi n t e r a c 垃v e , c o m m u t a t i v em e d eo fv i d e o o nd e m a n d ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h r o u g haf e wy e a r s f a s tg r o w t h ，t h en u m b e ro fu s e r so fb r o a d b a n dn e t w o r k h a sr e a c h e dac r i t i c a lp o i n t b u tm o s to ft h es y s t e mp r o v i d e r sa r el o o k i n gf o rt h en e w p r o f i ti n c r e a s i n gp o i n t t h ea d v e n to f 坤t vv i d e o o nd e n m n ds y s t e mc o m p l i e sw i t h t h ed e m a n df o rm a r k e td e v e l o p m e m t h i ss y s t e mc a nn o to n l ys a t i s f yt h en e e do f c l i e n t s t or e a l i z ei n t e r a c t i v ed e m a n d , b u ta l s oc r e a t en e w p r o f i ts p a c ef o rs y s t e mp r o v i d e r s 。 t oal a r g e rv i d e o o nd e m a n ds y s t e m ，i tc a nn o to n l yh a sal a r g en u m b e ro fu s e r s ， b u ta l s oh a sm a n yp r o g r a m s i no r d e rt oa v o i do n l yaf e ws e l w c r sp r o v i d i n gs e r v i c ea n d o t h e rs e r v e r si ni d l es t a t ew h i c hl e a dt oo v e r l o a d s i ti s 龃i m p o r t a n tp r o b l e mt ob a l a n c e e a c hs e r v e r sl o a da n df i l e sd i s t r i b u t i o n , w h i e hc 髓c o n n e c tt h eu s e r sw i t ht h es e r v e rt h a t p r o v i d i n g t h eb e s ts g i c e 、 t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h et e c h n o l o g ya n dc o m m o nr e a l i z e ds t r a t e g i e so fl o a d b a l a n c e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fv i d e o - o nd e m a n d ，al o a db a l a n c es t r a t e g yi s b r o u g h tf o r w a r d i no r d e rt oi m p r o v eq u a l i t yo fs e r v i c e , t h i ss t r a t e g yn o to n l yc o n s i d e r s t h ea s s i g n m e n to fu s e rr e q u e s t s ，b u ta l s oc o n s i d e r sh e wt od i s 伍b u t et h ef i l e sb a s e do n c l i e n t sa c c e s s t h i ss t r a t e g yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga l g o r i t h m s ：m e d i as e r v e rs e l e c t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hi st oa s s i g n1 k 始rr e q u e s t s ；f i l eb a l a n c ea l g o r i t h m , w h i c hi st oa d j u s t f i l ed i s t r i b u t i o nb a s e do nr e q u e s t i n gr a t e a tp r e s e n t , t h i ss y s t e mh a sp a s s e ds i m u l a t i o ns c e n e s o p e r a t i o nt e s t t h r o u g h r e l e v a n tp e r f o r m a n c et e s t sa n dp r a c t i c a lo p e r a t i o n , t h ed e s i g no fl o a db a l a n c ec a n c o m p l e t ei t sf u n c t i o ns u c c e s s f u l l y k e yw o r d sl o a db a l a n c e ，i p t v , v i d e o - o nd e m a n d ，q o s 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 、。k 学位论文作者签名：c 磲 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： j ， 瑷 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着宽带网络的普及，用户对网络的使用和信息的需求，己不仅仅停留在信 息查询和静态的文本内容上，开始向娱乐，影视欣赏等方向转移，对流媒体的应 用需求也从简单的了解信息向视听欣赏上转变。人们对于视频的需求越来越迫切。 例如，在远程教育中，学员们分布比较分散，他们希望在家中通过网络实时地观 看远程教育中心站点的直播课堂，并能通过网络进行实时提问：在娱乐方面，人 们希望通过网络实现视频点播，享受在家中通过网络看大片的乐趣。但是传统的 基于i p 网络的视频服务不能提供用户类似于广播电视的高质量图像信息，另一方 面，目前的广播电视技术又不能满足用户期待交互式的，实现互动点播模式的需 求。 宽带用户数经过几年的快速增长，已走到了一个临界点，许多城市在投入巨 资建设城域网之后，并没有获得高的宽带用户接入率，挖掘新的用户增长方式和 业务量增长方式成为固网运营商关心的首要问题。i p t v ( 交互式网络电视) 作为 一种革命性的宽带使用方式，其对宽带市场强烈的拉动作用，已经得到业界的公 认【”。 “t v 视频点播系统”的提出顺应了市场发展的趋势。它通过一台机顶盒接 入宽带网络，显示终端既可以是p c 机，也可以是电视机，这就决定了本系统的适 用范围相当广阔，凡是有电视机的家庭，即使不懂有关电脑与网络的知识，都能 通过加一台机顶盒接入互联网，享受丰富多彩的网络业务。 “毋t v 视频点播系统”基于宽带网络，把各种宽带应用业务发布到最接近用 户的“网络边缘”，使用户可以就近取得所需内容，提高用户访问内容的响应速度， 以此解决由于用户访问量大，服务器分布不均带来的网络拥塞问题，同时可以提 高用户访问流媒体内容的访问范围和响应速度【2 】。 1 2 课题的提出 网络现在已经成为人们生活中必不可少的一部分。通过网络，我们可以进行 学习、交流、娱乐等活动。但是，目前的网络能提供的服务内容仍以文字，图片 为主要形式，人们对于视频的需求越来越迫切。近年来，计算机和通信技术的发 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 展使得视频点播服务成为可能，而且很快就会成为高速网络中最重要的服务方式 之一1 3 1 。 但是视频数据非常占用网络资源，在大规模视频点播系统中单个视频服务器 可同时服务的客户数十分有限而且很难承担系统负担，使系统可以同时服务大量 用户，有效地利用机器资源是一些大规模视频点播系统面临的主要问题。在犬规 模的视频点播系统中，为了提高服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，服务提供商大都采 用多台服务器组成服务器机群( 集群技术) 【4 】对外提供服务，这样简单的增加新的低 档服务器就可以升级系统以适应更大的业务量，并不会带来高额成本投入和资源 浪费j 突发事件分担到多台服务器上不易造成单一设备失效，还可以临时增加服 务器来处理突发事件；把节目文件复制到各个视频服务器中来提高系统总的i o 带 宽。 采用多台服务器结构同样存在需要解决的问题，比如要避免不是仅有少量服 务器提供服务以至超载而其他服务器处于空闲状态，要避免当前为某用户提供服 务的服务器与该用户之阀的网络状况太差。于是，均衡各服务器之间的负载，尽 量使用户连接上能为该用户提供最佳服务质量的服务器，就成为多服务器结构下 网络应用服务的一个关键问题【5 】。另方面，对于一个规模较大的视频服务系统而 言，不仅拥有大量用户，同时还拥有大量的节目。而音视频节目文件所需的存储 空间是巨大的，例如一部9 0 分钟的删格式的电影所需磁盘空间将近7 0 0 m ， 显然在这种情况下将所有节目复制到各个视频服务器中的方式可行性较差。为此， 本文将要研究的就是一种负载均衡策略，该负载均衡策略包括两个方面的内容： 一方面是为用户选择提供最佳服务的播放服务器的策略；另一方面是基于文件的 点播概率对其进行动态的调整策略。 1 3 研究意义 综上所述，多媒体应用是网络发展的方向。多用户，大并发流和高质量是视 频点播发展的趋势1 6 ，而目前许多的视频点播系统还不能很好的适应这一发展趋 势。因此，如何均衡各个服务器的负载，可以同时服务大量用户，有效地利用机 器资源，提高服务响应时间是实现视频点播系统的一个关键问题，同时也是如今 构造i n t e r a e t i n t t 麓n e t 应用、w e b 应用和其它应用系统的关键。 视频点播最初目的是为用户提供实时的视频、音频流，以便用户接收观赏。 但现在v o d 技术并不只限于家庭娱乐。随着i n t e r n e t 的网络速度不断提高，视频、 音频信息的实时传输已成为可能，将来v o d 技术将进入商业、教育等领域。例如： 2 东北大学项士学位论文 第一章绪论 展使得视频点播服务成为可能，而且很快就会成为高速网络中最重要的服务方式 之- - ”。 但是视频数据非常占用网络资源，在大规模视频点播系统中单个视频服务器 可同时服务的客户数十分有限而且很难承担系统负担，使系统可以同时服务大量 用户，有效地利用机器资源是一些大规模视频点播系统面临的主要问题。在大规 模的视频点播系统中，为了提高服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，服务提供商大都采 用多台服务器组成服务器机群( 集群技术) 【4 】对外提供服务，这样简单的增加新的低 档服务器就可以升级系统以适应更大的业务量，并不会带来高额成本投入和资源 浪费：突发事件分担到多台服务器上不易造成单一设备失效，还可以临时增加服 务器来处理突发事件；把节目文件复制到各个视频服务器中来提高系统总的y o 带 宽。 采用多台服务器结构同样存在需要解决的问题比如要避免不是仅有少量服 务器提供服务以至超载而其他服务器处于空闲状态，要避免当前为某用户提供服 务的服务器与该用户之间的网络状况太差。于是，均衡各服务器之间的负载，尽 量使用户连接上能为该用户提供最佳服务质量的服务器。就成为多服务器结构下 网络应用服务的一个关键问题【5 j 。另一方面，对于一个规模较大的视频服务系统而 言，不仅拥有大量用户，同时还拥有大量的节目。而音视频节目文件所需的存储 空间是巨大的，例如一部9 0 分钟的w m v 格式的电影所需磁盘空间将近7 0 0 m ， 显然在这种情况下将所有节目复制到各个视频服务器中的方式可行性较差。为此， 本文将要研究的就是一种负载均衡策略，该负载均衡策略包括两个方面的内容： 一方面是为用户选择提供最佳服务的播放服务器的策略：另一方面是基于文件的 点播概率对其进行动态的调掊策略。 1 3 研究意义 综上所述，多媒体应用是网络发展的方向。多用户，大并发流和高质量是视 频点播发展的趋势嘲，而目前许多的视频点播系统还不能很好的适应这一发展趋 势。因此，如何均衡各个服务器的负载，可以同时服务大量用户，有效地利用机 器资源，提高服务响应时间是实现视频点播系统的一个关键问题，同时也是如今 构造i n t e m o f f i n t r a n e t 应用、w e b 应用和其它应用系统的关键。 视频点播最初目的是为用户提供实时的视频、音频流，以便用户接收观赏。 但现在v o d 技术并不只限于家庭娱乐。随着i n t e m e t 的网络速度不断提高，视频、 音频信息的实时传输已成为可能，将来v o d 技术将进入商业、教育等领域。倒如： 音频信息的实时传输已成为可能，将来v o d 技术将进入商业、教育等领域。饲如： 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 现在一些大的公司已经在自己的网站上，通过视频、音频信息来展示自己的新产 品，同时一些公司通过v o d 对员工进行新技能的培训。但我们认为v o d 更为重 要的意义在于教育上的应用，我国是发展中国家，教育水平相对落后，科教兴国 是我国的一项长期方针。远程教育是现有教育手段的一个重要补充，它有助于落 后地区的教育发展和人们的终身教育。v o d 为远程教育系统提供了实时播放视频、 音频文件的能力，是远程教育系统的一个重要组成部分。 1 4 论文结构 本文结构如下： 第一章绪论 第二章系统中服务器的负载均衡技术及其分类，以及一些实现负载均衡的策 略，并列举和分析了衡量服务器负载的一些参数。 第三章“m t v 视频点播系统”中应用的概念和技术。 第四章“礤t v 视频点播系统”的总体设计。 第五章“t v 视频点播系统”中负载均衡策略的设计和实现。 第六章结论。对全文进行概括性总结，指出未来的研究工作。 3 东北走学硕士学位论文 第二章负载均衡技术概述 第二章负载均衡技术概述 2 1 负载均衡技术介绍 随着当今网络的不断增长，无论在企业网、园区网还是在广域网，业务量的 发展都超出了过去的估计，企业对网络的依赖性越来越强。当企业为用户提供服 务时，随着访问者数量的快速增加，网络服务器需要具备提供大量并发访问服务 的能力。其数据流量和计算强度之大，使得单一设备根本无法承担；另一方面， 如何在完成同样功能的多个网络设备之间实现合理的业务量分配，使之不致于出 现一台设备过忙、而别的设备却未充分发挥处理能力的情况，也是迫切需要解决 的问题。负载均衡机制就是在这种情况下产生的。 负载均衡主要完成以下任务： ( 1 ) 解决拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性。 ( 2 ) 为用户提供更好的访问质量。 ( 3 ) 提高服务器响应速度。 ( 4 ) 提高服务器及其他资源的利用效率。 ( 5 ) 避免了关键部位出现单点失效。 2 1 1 负载均衡技术分类 ( 1 ) 软件腰件负载均衡 软件负载均衡指在一台或多台服务器上安装附加软件来实现负载均衡。软件 负载均衡技术的优点是能基于特定环境，配置简单，使用灵活，成本低廉，能满 足一般的负载均衡需求：其缺点是运行额外软件会消耗额外的系统资源，操作系 统的不安全性容易引起系统安全问题。 硬件负载均衡指在服务器和外部网络之间安装负载均衡设备。硬件负载均衡 技术的优点是负载均衡设备独立于服务系统，整体性能高，能达到较佳的负载均 衡需求；其缺点是难以应用于服务器地理位置较分布的系统，且硬件负载均衡设 备价格昂判”。 ( 2 ) 本地全局负载均衡 本地负载均衡指对本地的服务器群使用负载均衡，需要进行负载均衡的各服 务器在地理位置上相邻。本地负载均衡技术能有效地解决数据流量过大、网络负 4 东北大学硕士学位论文 第二章负载均衡技术概述 荷过重的问题。 全局负载均衡指对分布在不同的地理位置，具有不同网络结构的服务器( 群) 所采取的负载均衡。全局负载均衡技术能够实现地理位置的无关性，能避免数据 中心、交换设备或者网络线路的单点失效，还能解决网络拥塞问题。 ( 3 ) 静态，动态负载均衡 静态负载均衡指根据网络结构、各服务器的性能参数与位置分布、全球p 地 址分布等参数来确定用户请求连接系统时得到的服务器地址。静态负载均衡技术 不用消耗额外的服务器资源，速度较快，缺点是没有考虑服务器的运行状况，对 网络突发事件和系统故障情况的处理能力弱。 动态负载均衡指实时监控各服务器的运行状况，使用户连接上当前性能最好 的服务器。动态负载均衡技术实时性好，应对突发事件和系统故障的能力强，缺 点是要消耗额外的系统资源，且消耗量随系统规模增大而增大。 ( 4 ) 不同网络层次上的负载均衡 链路层的负载均衡技术将多条物理链路作为一条聚合的逻辑链路使用嗍，网络 数据流量由逻辑链路中所有的物理链路共同承担，这样在逻辑上增大了链路的容 量，能满足带宽增加的需求。 网络层的负载均衡技术将一个有效的网络服务地址映射为多个合法的p 地 址，服务请求被分发到使用不同口地址的服务器上执行。这种技术对资源消耗 较大。一般用于地域分布广的系统【9 】。 传输层的负载均衡技术将一个i n t e r a c t 上的合法口地址映射为多个内部网的 网络地址，服务请求被分发到使用不同内部网络地址的服务器上执行。这种技术 广泛应用于传输层交换机中。 应用层的负载均衡技术控制应用层服务的内容，提供一种对访问流量的高层 控制方式。应用层的负载均衡需要特定协议的支持，常见应用层协议中只有h t t p 协议支持，而检查h t t p 报头会占用大量系统资源，所以实际很少采用这种负载均 衡方式【l 们。 2 1 2 常见的负载均衡策略 ( 1 ) 轮循算法( r o u n dr o b i n ) 每一次来自网络的请求轮流分配给内部中的每台服务器，从i 至n 然后重新 开始。此种均衡算法适合于服务器组中的所有服务器都有相同的软硬件配置并且 平均服务请求相对均衡的情况。 5 东北大学硕士学位论支 g _ - 章负载均衡技术概述 ( 2 ) 比率算法( r a t i o ) 【l l j 按照管理员事先分配好的比率进行分配。 ( 3 ) 响应速度算法( r e s p o n s et i m e ) 1 1 2 j 负载均衡设备对内部各服务器发出一个探测请求( 例如p i n g ) ，然后根据内部 中各服务器对探测请求的最快响应时间来决定哪一台服务器来响应客户端的服务 请求。此种均衡算法能较好地反映服务器的当前运行状态，但最快响应时问仅仅 指的是负载均衡设备与服务器阃的最快响应时间，而不是客户端与服务器间的最 快响应时间。 ( 4 ) 最少连接算法( l e a s tc o n n e c t i o n ) 客户端的每一次请求服务在服务器停留的时闻都可能会有较大的差异，随着 工作时间的加长，如果采用简单的轮循或随机均衡算法，每一台服务器上的连接 进程可能会产生极大的不同，这样的结果并不会达到真正的负载均衡。最少连接 数均衡算法对内部中有负载的每一台服务器都有一个数据记录，记录的内容是当 前该服务器正在处理的连接数量，当有新的服务连接请求时。将把当前请求分配 给连接数最少的服务器，使均衡更加符合实际情况，负载更加均衡。此种均衡算 法适合长时间处理的请求服务。 最少连接算法分发请求时将选择连接数最小的服务节点，所以能提供很好的 负载均衡特性。但是，由于该算法它不知道客户请求的内容信息，所以每台服务 器都有可能接收到相同内容的请求，它们里面的内容也基本相同。由于硬盘容量 大小的限制，每一个服务器不可能将全部内容都放到本机中，这样就导致了内容 的命中率很低，即请求要求的内容在本播放服务器可能找不到，只能从上级服务 器中下载。而数据下载延时很大，使整个服务的延时加大。 ( 5 ) u r lh a s h i n g 算法州 一囚 后端曝彝暑 徊 图2 1u r lh a s h i n g 算法原理圈 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f u r lh a s h i n g u r lh a s h i n g 根据内容来决定请求的分发( 如图2 1 所示) 。把相同内容请求 6 东北大学硕士学位论文 第二章负裁均衡技术概述 分发到相同的服务器上，这就是所谓的相同内容服务位置一致性( l o c a l i t y ) “4 】au r l h a s h i n g 算法就是专门为了实现高的相同内容请求服务位置一致性而设计的。它的 思想是建记录内容和播放服务器节点的一一对应关系，这样就能实现高的相同内 容请求服务位置一致性。 可以知道，根据这种算法分发请求，将会导致负载不均衡。例如很多用户都 对同一个内容感兴趣，那么这个内容的请求就特别多，根据u r lh a s h i n g 算法， 这么多的请求都集中分到了一台节点上，而另外一些节点却没有请求到达，处于 空闲状态，这样负载就很不均衡了。 通过对以上负载均衡策略的分析与比较，可以发现有的策略仅考虑了服务器 负载，有的仅考虑了请求的内容。本系统在对用户请求进行分配时，综合考虑了 这两方面的因素，是一个既考虑本地性又考虑负载均衡的面向内容的分发算法。 基本原则是将同一目标的所有的请求分发到相同的服务器上，只要它的利用率低 于给定的闽值。这样做的目的是使得客户请求的内容尽可能在服务器的中找到。 为了避免服务器的过载，对服务器利用率的检查是必要的。当一个服务器的利用 率达到了某一给定的门限值，将请求分发到载荷较低的服务器。 该策略是一种知道请求内容的算法，它能在分配请求之前获取请求的内容信 息，然后根据内容来分发请求。其特点是能同时实现好的负载均衡性和高的相同 内容请求服务位置一致性。 2 2 系统负载的衡量参数 2 2 1 主机负载与负载能力的衡量 主要从服务器硬件性能上衡量主机负载和负载能力： ( 1 ) c p u 使用率“叫 用于衡量系统计算资源的使用情况。衡量c p u 使用率的时间尺度小能接近当 前的运行情况，但容易受当前进程对资源消耗的影响，时间尺度大则能接近平均 情况。c p u 使用率太高表示系统能承受新的计算请求的能力差。 f 2 1 内存使用率【l 副 用于衡量系统内存的使用情况。缓存、内存和虚存的使用对计算性能的作用 相差很大，内存使用率反应快速计算空间的大小和系统富余的处理能力。内存使 用率太高表示系统接受新的计算请求会带来数据交换的频繁与低效。内存使用率 的指标包括虚存大小、内存使用高峰值、内存使用增量等。 7 东北犬学硕士学位论文 第二章负载均衡技术概述 ( 3 ) i o 吞吐率 衡量系统的i o 性能。i o 包括读写硬盘和读写网络，有的网络服务占用硬盘 空间严重( 如文件服务) ，所以硬盘剩余空间大小有时也可以作为i o 吞吐率的有 效指标。 这些指标比较精确，能赢接反应服务器的处理速度，获取这些数据一般也很 简单。但是这些数据比较原始，由于不同的服务考虑的侧重点不同，就还需要对 它们进行分析和综合计算，另外，不同的服务器和操作系统对这些指标的控制策 略也有差别，导致平台间的对比和选择存在困难。 2 2 2 服务性能参数和服务能力 对于特定的网络服务，每个服务器存在与服务相关的衡量参数； ( 1 ) 服务吞吐率 指单位时间内服务器能完成的服务数量。如果当前的服务数量达到或超过服 务器的服务吞吐率，表示该服务器接受新的服务请求后将不能保证为用户提供高 质量的服务。 ( 2 ) 客户连接数 特定应用的客户连接数能反应服务器正在为多少用户提供服务，即当前服务 器的服务数量。不同的服务统计客户端连接数的方式存在不同，如按照t c p 连接 数或会话连接数统计。 ( 3 ) 请求响应时间 指服务器完成一个请求任务所用的时间。一种获取方法是对完成真实任务记 录时间，能真实反应系统运行状况，但可能不利于服务器之间的比较，另一种获 取方法是对不同服务器发送相同的服务请求并记录时间，虽然不一定符合实际应 用，但具有横向比较的价值。 服务性能参数与具体应用的结合紧密，通用性不好，但这些参数使用简单， 平台的差异也已经综合在这些参数中。 2 2 3 网络分布与网络状况的衡量 ( 1 ) 网络距离，跳数( h o p - c o u n t ) 网络距离一般指两个网络节点间的链路所跨越的机器数目，将跨越的机器数 目加一称为跳数。因为被跨越的机器大多是路由器，如果具有特殊权限，系统可 以获得路由器上的路由信息从而得到网络拓扑结构，就能精确的计算出用户与服 8 东北大学硕士学位论文第二章负载均衡技术概速 务器之间的跳数。然而，一般系统无法拥有这样的权限，收集跳数信息需要采用 其它方式如探测路由【l “。 网络距离参数较为稳定，具有较长的时效性，能一定程度地反应网络延迟， 但测量费时，不适合于实时性的应用场合。 ( 2 ) 网络延迟( l a t e n c y ) 网络延迟指一个节点发送一个数据包到另一节点的时间。因为两个节点上的 时间难以同步，测量网络延迟一般通过测量从一个节点到另一节点再返回的总时 间，采用p i n g 命令就能测到这种网络延迟。 测量得到的往返时间还包括对方节点的处理时间，它受对方节点性能的影响， 所以往返时间不能纯粹的反应网络延迟。另外，网络延迟只能反应短时间的网络 状况，时效性较差，使用这个参数需要即测即用。 ( 3 ) 带宽( b a n d w i d t h ) 网络基本带宽指节点间能获得的最大带宽，由节点间各个链路中带宽最小的 链路的带宽决定，其中带宽最小的链路称为瓶颈链路。基本带宽被当前链路上的 所有通信共同占用，单个通信任务的可用带宽一般比基本带宽小。测量可用带宽 可以连续发送包然后测量前后到达时间的总间隔，所有包的大小除以总时间间隔 就可以认为是可用带宽。 对具体应用来说，有用的参数是可用带宽，它被基本带宽大小、共享基本带 宽的通信任务数量和网络拥塞情况等多个因素影响，时效性较差，使用这个参数 也需要即测即用。 9 东北大学硕士学位论文 第三章i p t v 视点系统中的概念与技术 第三章i p t v 视频点播系统中的概念与技术 为了更好的了解“i p t v 视频点播”系统，以下对系统中使用的关键技术作一 些简单的介绍。 3 1i p t v 概述 目前全球的宽带发展已经进入一个高速增长的时期，全球宽带用户数也在成 倍的增长，接入技术也在不断的提升，宽带已经成为一种成熟的产业在全球各地 推行。在宽带产业化的同时，多媒体技术也在蓬勃发展，数字内容依托宽带平台 已形成一种良性循环。 和传统的数字电视机顶盒不同，口t v 的数据传输和接收完全依靠i p 网络，这 决定了产品可以彻底的实现内容和用户之间的互动。 产品连接如图3 1 所示。 3 1 1i p t v 的简要定义 图3 1i p t v 产品连接的示意图 f i g 3 1c o n n e c t i o no f l p t vp r o d u c t s p t v 即交互式网络电视，是一种利用宽带网络，集互联网、多媒体、通讯等 多种技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技 术。用户在家中可以有两种方式享受i p t v 服务：( 1 ) 计算机( 2 ) 网络机顶盒+ 普通电视机。 3 1 2i p t v 的特点及应用 i p l v 是利用宽带网的基础设施，以家用电视机作为主要终端电器，通过机顶 1 0 东北大学硕士学位论文 第三章i p t v 视点系统中的概念与技术 盒连接网络来提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。可以实现多种业务， 如表3 1 所示。 表3 1i g r v 提供的相关服务 t 曲l e3 1r e l e v a n ts e r v i c e st h a ti p t vo f i e f s 为莓 文字图像音频视频数据 传递 网页浏览 视频点播 音乐点播 单向传递为主在线购物 视频直播股票 音乐频道 电子邮件 家庭监控 双向传递交流即时信息聊天 v 0 1 p 可视通信在线互动游戏 特点表现在： ( 1 ) 用户可以得到高质量( 接近d v d 水平的) 数字媒体服务。 ( 2 ) 用户可有极为广泛的自由度选择宽带网上各网站提供的视频节目。 ( 3 ) 实现媒体提供者和媒体消费者的实质性互动。i p t v 采用的播放平台将是新 一代家庭数字媒体终端的典型代表，它能根据用户的选择配置多种多媒体服务功 能，包括数字电视节目，可视m 电话，d v d v c d 播放，互联网游览，电子邮件， 以及多种在线信息咨询、游戏、娱乐、教育及商务功能。 ( 4 ) 为网络发展商和节目提供商提供了广阔的新兴市场。 3 2 流媒体技术概述 流媒体技术就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后存放到视频传送服 务器上，由视频传送服务器把节目传送到网络，用户在客户端通过播放器就可实 时观看节目。在网络上传送的一系列相关的数据包称为“流”。使用流媒体技术， 用户可以一边传输一边观看、收听，不需要下载整个多媒体文件，不仅不会占用 大量的磁盘空间，而且提高了数据传输效率。 3 2 1 流媒体的概念 流媒体是与传统的下载播放方式相对应的。传统的媒体播放方式的优点是播 放与下载分开，因此播放与网络速度无关，可以重现发送端的质量，还可以一次 末北太学硕士学位论文第三章i p t v 视点系统中的概惫与技术 下载多次播放。流媒体则是使用流传输技术，通过网络实时传输多媒体数据。流 化( s t r e a m i n g ) 把数据分成适当大小的分组，然后在服务器和客户端之间传输。 实时数据的处理流程分解成传输、解码和播放等几个流程。客户端可以在播放一 个分组的时候。解码下一个分组，同时接收后续分组，类似于流水线操作 1 8 l 。通 常，流应用通过重复使用缓冲区来存储到达的分组。因此，用户的等待时间大大 减少，只需要较少的缓存。 3 2 2 流媒体文件格式 把普通的视频文件格式转化成流媒体文件格式需要经过特殊编码，编码过程 如图3 2 所示。视频文件首先进行编码处理，并分割成一个个适于在网络上传播的 数据包。另外在编码时还需要在数据包中加入一些附加信息，如计时、压缩和 版权信息，最终彤成流媒体文件。 常用的流媒体编码技术标准有：m p e g l 、2 、4 、7 ，h l2 6 3 ；r e a l n e t w o r k s 公司 的r e a l v i d e o ，r e a l a u d i o 编码技术；微软公司的w i n d o w sl j e d i a 和w i n d o w sa u d i o 编码技术等【l q 。 唏臼 漉数据 _一_- 亡= 一一 蹦燃撇 勰献黼式 图3 2 媒体文件编码过程 f i g p 3 2e n c o d i n gp r o c e o f s t r e a m i n gm e d i a 目前在流媒体市场上主要有微软、r e a l n e t = k s 和苹果电脑等三家公司，它们 的产品分别是w i n d o w s m e d i a ，r e a ls y m c m 和q u i c k t i m e 。表3 2 n 出了这三家公 司使用的流媒体文件格式刚。 1 2 东北大学硕士学位论文 第三章i p t 7 视点系统中的概念与技术 表3 2 媒体文件格式 t a b l e3 2f i l ef o r m a to f s t r e a m i n gm e d i a 公司文件格式扩展名媒体类型与名称 微软 a s fa d v a n c e ds t r e a mf o r m a t w m v w i n d o w sm e d i av i d e o a w 佃d o w sm e d i aa u d i o r e a i n e t w o r k smr e a lv i d e o r a r e a la u d i o 苹果电脑公司 m o v 0 u i c k t i m em o v i e 3 2 3 流媒体的传输方式 不同的流媒体应用需要不同的传输方式，而不同的传输方式带给网络不同的 影响。流媒体在网络中的传输方式有三种。 3 2 3 1 单播 单播即点对点的连接，客户端和服务器之间建立一个单独的数据通道。从一 台服务器传送出的数据包只能由一个客户端接收。这种传输方式增加了服务器的 负担，响应时间长，只适用于客户端数量较少的情况，如视频点播。 3 2 3 2 多播 多播也称组播，是一种多地址广播。发送源和接收端是点对多点的关系。对 于内容相同的数据包，服务器向一组特定的用户只发送一次，组中的各个用户可 以共享，而组外的用户接收不到。使用多播的优势在于原来由服务器承担的数据 重复分发工作转到路由器中完成，由路由器负责将数据包向所连接的子网转发， 每个子网只有一个多播流。这样就减少了网络上所传输信息包的总量，使网络利 用率大大提高，成本大为降低。多插更适用于现场直播。 3 2 3 3 广播 在广播的传输方式中，一个单独的数据包拷贝发送给网络上所有用户。客户 端对媒体流不具有任何的控制，不论是否需要，只能被动接收媒体流，造成了网 络带宽的浪费。 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章i p t v 视点系统中的概念与技术 3 2 4 系统的开发工具- - w i n d o w sm e d i as e r v i c e 3 241w i n d o w sm e d i a 的特点 w i n d o w sm e d i as e r v i c e 是m i c r o s o f t 提出的流信息播放方案，其主要目的是在 i n t e m e t 和i n t r a n e t 上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流信息的传输。随着 流媒体的广泛应用，w i n d o w sm e d i a 推出了整套的流媒体制作、发布和播放产品， 其服务器端的w i n d o w sm e d i as e r v e r 产品在w i n d o w sn ts e r v e rp a c k 4 上可以安 装，并且集成在w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 中。w i n d o w sm e d i a 产品的一大特点是：其 制作、发布和播放软件与w i n d o w sn t 2 0 0 0 9 x 集成在一起，不需要额外购买。微 软的流视频解决方案在微软视窗平台上是免费的，制作端与播放器的视、音频质 量都上佳，而且易于使用。 3 242w i n d o w sm e d i as e r v i c e 的组成 w i n d o w sm e d i as e r v i c e 系统包括三大部分：制作、发布和播放。 ( 1 ) w i n d o w sm e d i a t 具计算机 w i n d o w sm e d i a _ - e 具计算机用于流的制作与生成。它包括了一系列的工具，供 发布服务器使用，可以实时向发布服务器提供流，提供实时的多媒体信息发布服 务。 f 2 ) w i n d o w sm e d i a 服务器 w i n d o w sm e d i a j 1 务器对外提供流式媒体的网络发布服务，包括两大基本服务 模块：u n i c a s ts e r v i e e 和s t a t i o ns e r v i c e 。其中u n i c a s t 为客户提供了点对点连接方式 的服务，s t a t i o n 对# l - 提供了广播式服务。而u n i c a s t 服务又可以按用户的参与程度分 为两种，一是o n - d e m a n du n i e a s t ，这种方式下，用户建立和发布服务器的点对点 连接可以控制播放的过程，包括开始、暂停、快进等；另一种是b r o a d c a s tu n i e a s t ， 这种方式下，用户也和发布服务器建立点对点连接，但是处于一种被动接收状态， 只能观看播放，正如在广播服务方式下一样。 ( 3 ) w i n d o w sm e d i a 客户机 w i n d o w sm e d i a 客户机可以独立使用，也可以方便的以a e t i v e xc o n t r o l 的形式 嵌入到浏览器或其它应用程序中。它既可以播放u n i c a s ts e r v i c e 提供的内容，也可 以播放s t a t i o ns e r v i c e 提供的广播内容。另外，它还支持多种常见的多媒体文件格 式，如a v i ，q u i e k t i m e ，m p e g 等。 图3 3 是采用w i n d o w m e d i a 技术为用户提供服务的示意图： 1 4 东北大学硕士学位论文 第三章i p t v 视点系统中的概念与技术 图3 3 使用w m d o w sm e d i a 技术向用户提供视频服务 f i g 3 3p r o v i d i n gv i d e os e r v i c eu s i n gw m d o w sm e d i at e c h n o l o g y 从图中可以看出，用户通过在网页上单击链接来请求内容。w e b 服务器将请 求重新定向到w m d o w sm e d i a 服务器，并在用户的计算机上打开播放机。此时， w e b 服务器在流式播放媒体过程中不再充当角色，w m d o w sm e d i a 服务器与播放 机建立直接连接，并开始直接向用户传输内容。 3 3c 捍技术 3 3 1 n e tf r a m e w o r k n e tf r a m e w o r k 为创建和运行n e t 应用程序提供了必要的编译时和运行时 基础【2 l 】。它的主要组件是公共语言运行库( c l r ，c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e 简单 地说“运行库”) 和n e tf r a m e w o r k 类库( f c l ，f r a m e w o r kc l a