基于云計(jì)算的電視會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊波

摘 要： 當(dāng)高清化、高負(fù)載成為電視會(huì)議發(fā)展的主流，傳統(tǒng)的技術(shù)保障方式使得服務(wù)器遭遇到技術(shù)瓶頸，急需新的技術(shù)手段來(lái)保證會(huì)議系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此，在介紹電視會(huì)議和云計(jì)算相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，提出了一種基于云計(jì)算的電視會(huì)議系統(tǒng)方案，該方案使用集群管理的方式來(lái)避免宕機(jī)事件的發(fā)生。采用該方案能減少電視會(huì)議系統(tǒng)建設(shè)成本，提高工作效率，進(jìn)一步加快部隊(duì)信息化建設(shè)的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞： 電視會(huì)議； 云計(jì)算； 服務(wù)器； 集群管理； ZooKeeper

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）09-25-03

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電視會(huì)議市場(chǎng)也出現(xiàn)了較大的突破。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，電視會(huì)議技術(shù)日趨成熟，電視會(huì)議系統(tǒng)已經(jīng)成為企事業(yè)單位系統(tǒng)建設(shè)的“標(biāo)配”。電視會(huì)議能讓身處異地的與會(huì)者不受時(shí)間、空間、網(wǎng)絡(luò)的限制，獲得語(yǔ)音、視頻、圖片、文件的自由通訊，方便單位內(nèi)部人員的溝通協(xié)作，降低通訊成本。但是，當(dāng)高清化成為市場(chǎng)的主流，電視會(huì)議服務(wù)器越來(lái)越不堪重負(fù)，電視會(huì)議系統(tǒng)大容量負(fù)載、大規(guī)模用戶(hù)并發(fā)請(qǐng)求的通信要求使得傳統(tǒng)電視會(huì)議技術(shù)遇到了瓶頸。如果采用升級(jí)硬件平臺(tái)或是添加服務(wù)器的方法，不僅投入過(guò)于昂貴，而且不能根本性地解決問(wèn)題[1]。

云計(jì)算的出現(xiàn)，為這一問(wèn)題的解決提供了較好的途徑。順應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，可擴(kuò)展電視會(huì)議系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并部署于云計(jì)算平臺(tái)之上。云會(huì)議采用分布式部署，這使得資源的調(diào)度將更加便捷。而電視會(huì)議對(duì)于畫(huà)面的高清要求，也可以通過(guò)分布式部署來(lái)加以滿足。成熟的云計(jì)算技術(shù)將為電視會(huì)議提供優(yōu)質(zhì)高效的保障。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 電視會(huì)議

電視會(huì)議是一種交互的多媒體（語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)）通信手段，是音視頻技術(shù)、壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、交換技術(shù)等手段的綜合應(yīng)用，建立在通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上。電視會(huì)議的目的是將圖像、聲音和數(shù)據(jù)盡可能不失真地傳送到目的地。傳輸方式主要有雙絞線傳輸、同軸電纜傳輸、微波傳輸、衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸?shù)鹊萚2]。

電視會(huì)議系統(tǒng)中傳輸?shù)膱D像是用戶(hù)最為關(guān)心的指標(biāo)，影響圖像的因素有終端設(shè)備的硬件編解碼器、傳輸速率和視頻編碼格式。終端圖像編碼器將從攝像機(jī)得到的圖像進(jìn)行編碼傳輸，并將得到的圖像信號(hào)解碼到視頻輸出設(shè)備，直接影響到圖像的質(zhì)量。足夠的傳輸速率是圖像傳輸?shù)谋ＷC，通信線路的發(fā)展使圖像傳輸?shù)玫搅顺浞值谋ＷC。當(dāng)傳輸速率達(dá)到384Kbps以上時(shí)，用戶(hù)就可以得到清晰流暢的視頻圖像。現(xiàn)在電視會(huì)議系統(tǒng)比較常用的傳輸速率在768K-4096Kbps，這樣的傳輸速率可以保證比較流暢的圖像質(zhì)量[3]。

1.2 集群管理

分布式應(yīng)用系統(tǒng)通常部署在一個(gè)有多臺(tái)服務(wù)器的集群環(huán)境中，當(dāng)集群規(guī)模達(dá)到一定程度后，宕機(jī)事件極易發(fā)生。對(duì)于一個(gè)高可用系統(tǒng)，必須能夠容忍一定數(shù)量的機(jī)器故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，其他機(jī)器應(yīng)該可以感知到并作出相應(yīng)處理。ZooKeeper是Apache Hadoop開(kāi)源項(xiàng)目中的子項(xiàng)目，提供了一個(gè)分布式的協(xié)調(diào)服務(wù)框架。ZooKeeper本身部署在2N+1（N>0）臺(tái)機(jī)器的集群系統(tǒng)中，可以容忍N(yùn)臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，在保證高可用性同時(shí)還支持高性能的寫(xiě)操作。用戶(hù)構(gòu)建的分布式應(yīng)用可以使用ZooKeeper提供的namespace數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)用戶(hù)集群的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶(hù)集群中有機(jī)器宕機(jī)時(shí)，ZooKeeper可以提供通知機(jī)制，應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求處理宕機(jī)事件。圖1給出了采用namespace數(shù)據(jù)模型描述的某個(gè)集群結(jié)構(gòu)。

該集群由3臺(tái)機(jī)器組成，分別對(duì)應(yīng)namespace模型中g(shù)roup節(jié)點(diǎn)下的3個(gè)子節(jié)點(diǎn)，這些子節(jié)點(diǎn)是瞬時(shí)順序節(jié)點(diǎn)。瞬時(shí)表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命不會(huì)超過(guò)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程的壽命，當(dāng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程結(jié)束時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)刪除，其他在該節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了Watcher的進(jìn)程會(huì)收到通知；順序表示每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)序號(hào)，該序號(hào)是單調(diào)遞增的。利用節(jié)點(diǎn)的這種特性，集群中每臺(tái)機(jī)器對(duì)應(yīng)一個(gè)瞬時(shí)順序節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某臺(tái)機(jī)器宕機(jī)后，其他機(jī)器中的進(jìn)程可以收到該節(jié)點(diǎn)被刪除的通知，這樣每臺(tái)機(jī)器都可以感知集群中機(jī)器的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)了集群管理[4]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 會(huì)議系統(tǒng)構(gòu)成

電視會(huì)議系統(tǒng)主要由電視會(huì)議終端、多點(diǎn)控制單元和傳輸網(wǎng)絡(luò)三部分組成。如圖2所示。

電視會(huì)議終端主要功能是完成音視頻信號(hào)的輸入和輸出，并且傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。電視會(huì)議終端將音視頻信號(hào)和數(shù)據(jù)、指令等數(shù)字信號(hào)處理成數(shù)字碼流，再將它轉(zhuǎn)變成與網(wǎng)絡(luò)接口兼容的信號(hào)格式以信道幀結(jié)構(gòu)送入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。當(dāng)兩個(gè)終端之間需要召開(kāi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)會(huì)議的時(shí)候，使用終端里的撥號(hào)功能就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。而多個(gè)終端之間要參加會(huì)議的時(shí)候，就需要MCU（多點(diǎn)控制單元）。多點(diǎn)控制單元能實(shí)現(xiàn)電視會(huì)議終端多點(diǎn)間的音視頻互通和數(shù)據(jù)交換。它將處理后的音視頻信號(hào)分配給對(duì)應(yīng)連接的信道。實(shí)際上多點(diǎn)控制單元是一臺(tái)多媒體數(shù)據(jù)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的連接，具備音視頻廣播、多畫(huà)面合成、信息交換等功能，實(shí)現(xiàn)各會(huì)議終端的連接與切換。它的作用就像電話交換系統(tǒng)，按照用戶(hù)的需求進(jìn)行多點(diǎn)間的語(yǔ)音傳輸。多點(diǎn)控制單元為擁有多個(gè)分會(huì)場(chǎng)的會(huì)議召開(kāi)提供了理想的解決方案。MCU的可堆迭結(jié)構(gòu)使得會(huì)議容量具有可擴(kuò)展性，可根據(jù)終端的增加來(lái)增加MCU的數(shù)量。在多點(diǎn)會(huì)議系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)閘具有非常重要的作用。網(wǎng)關(guān)使符合不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻終端之間的視頻會(huì)議成為現(xiàn)實(shí)。網(wǎng)關(guān)能提供不同標(biāo)準(zhǔn)終端之間的呼叫信號(hào)翻譯、控制信道信息、音頻編碼翻譯和多路復(fù)用技術(shù)。網(wǎng)閘是構(gòu)建成功的IP電話或多媒體網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組件。通過(guò)網(wǎng)閘，網(wǎng)絡(luò)管理員可配置、監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)管理員控制網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬），限制區(qū)域內(nèi)最高帶寬和終端占用的帶寬，優(yōu)化IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)的音頻、視頻和數(shù)據(jù)會(huì)議。

2.2 電視會(huì)議集群管理的實(shí)現(xiàn)

在電視會(huì)議系統(tǒng)中，需要對(duì)計(jì)算集群進(jìn)行管理。電視會(huì)議的所有服務(wù)器構(gòu)成該集群，當(dāng)集群中任何一臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)時(shí)，應(yīng)用程序可以得到通知，及時(shí)處理相應(yīng)的事件。由于每個(gè)應(yīng)用程序需要在每臺(tái)服務(wù)器上部署，當(dāng)應(yīng)用程序的配置改變時(shí)，需要修改每臺(tái)機(jī)器的配置。當(dāng)集群規(guī)模大時(shí)，手工完成勞動(dòng)量會(huì)很大，這時(shí)我們就要用到ZooKeeper。

ZooKeeper提供了構(gòu)建分布式應(yīng)用時(shí)通用的底層基礎(chǔ)設(shè)施，利用這些基礎(chǔ)設(shè)施，分布式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)配置管理、集群管理等核心功能，這些功能可以通過(guò)對(duì)ZooKeeper提供的namespace數(shù)據(jù)模型（一種類(lèi)似文件系統(tǒng)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)）進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鞫鴮?shí)現(xiàn)。Namespace數(shù)據(jù)映像模型上的操作包括創(chuàng)建、刪除、修改等，這些操作具有順序一致性、原子性、單一系統(tǒng)映像（Single System Image）、可靠性、及時(shí)性（Timeliness）等特性，同時(shí)數(shù)據(jù)模型上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)還支持安裝觸發(fā)器（Watcher）。我們可以利用ZooKeeper提供的數(shù)據(jù)模型（namespace）保存配置文件，當(dāng)配置有變動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)用程序可以得到通知，及時(shí)處理配置變更。

應(yīng)用服務(wù)器（App Server）被作為ZooKeeper集群的客戶(hù)端接入集群中，同時(shí)，它們又被作為用戶(hù)直接訪問(wèn)的服務(wù)器。每個(gè)App Server在接入ZooKeeper集群時(shí)會(huì)向集群注冊(cè)自己，這樣可以利用ZooKeeper的集群管理功能，使得App Server能夠快速響應(yīng)集群的變化。為了達(dá)到上述目的，App Server需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)集群管理器。集群管理器的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)主要的類(lèi)封裝ZooKeeper的功能即可，如圖3所示。

GroupManager在應(yīng)用程序中作為一個(gè)單獨(dú)模塊，向上提供集群管理API，應(yīng)用程序通過(guò)集群管理API可以“實(shí)時(shí)”感知集群信息，同時(shí)也“實(shí)時(shí)”上傳自己的負(fù)載信息到集群中被其他機(jī)器感知。GroupManager使用ZooKeeper對(duì)象（ZooKeeper Client）與ZooKeeper Server中對(duì)應(yīng)的znode。GroupManager在集群目錄上設(shè)置了Watcher，于是ZooKeeper向GroupManager發(fā)送節(jié)點(diǎn)變更通知，GroupManager根據(jù)集群管理對(duì)外提供的抽象功能，對(duì)事件進(jìn)行處理，向上層應(yīng)用程序提供宕機(jī)事件通知。在電視會(huì)議系統(tǒng)中，部署在多個(gè)機(jī)器上的應(yīng)用程序需要感知整個(gè)集群的狀態(tài)，以及某個(gè)機(jī)器的信息，并在機(jī)器狀態(tài)變化時(shí)觸發(fā)自己的事件處理程序，所以在每個(gè)應(yīng)用程序中都有一個(gè)集群管理器的實(shí)例，應(yīng)用程序通過(guò)集群管理器訪問(wèn)/管理集群。部分程序代碼如下：

Case SyncConnected：

{ switch（type）

{ case NodeChildrenChanged：

{ //集群節(jié)點(diǎn)有變化

int size=getSize（）；

ListChildren=getALLMachines（）；

If（size

{ //宕機(jī)，找到宕機(jī)地址

ListdownMachines=findDownMachines

（children，curMachines）；

…

}

在集群中部署的應(yīng)用程序都有自己的配置，有些配置是某個(gè)進(jìn)程獨(dú)有的，有些是不同物理機(jī)上所有進(jìn)程共享的。通常分布式應(yīng)用程序在多臺(tái)物理機(jī)上部署時(shí)，大部分配置都是一致的，可以將一致的部分抽取出來(lái)放在ZooKeeper Server的namespace中作為共享配置，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程修改共享配置時(shí)，其他進(jìn)程會(huì)收到ZooKeeper提供的通知，做出相應(yīng)的處理。

應(yīng)用程序的配置完全由配置管理器來(lái)管理，配置管理器可以將應(yīng)用程序的配置存放在ZooKeeper znode中，并且保證對(duì)于共享配置的修改是同步的。當(dāng)應(yīng)用的某個(gè)進(jìn)程在修改共享配置時(shí)，其他進(jìn)程不可讀取/修改共享配置；在進(jìn)程修改配置結(jié)束后，其他進(jìn)程會(huì)收到共享配置更新的通知，然后做相應(yīng)的處理，所以事實(shí)上配置管理器還需要一個(gè)分布式鎖Lock來(lái)完成同步，即當(dāng)應(yīng)用程序（進(jìn)程）讀共享配置時(shí)，對(duì)共享配置加讀（共享）鎖，允許其他進(jìn)程加讀鎖，但不允許加寫(xiě)（排他）鎖；當(dāng)進(jìn)程寫(xiě)共享配置時(shí)，對(duì)共享配置加寫(xiě)鎖，此時(shí)不允許其他進(jìn)程加讀鎖；對(duì)共享配置訪問(wèn)完成后釋放相應(yīng)的鎖。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

編寫(xiě)TEST類(lèi)對(duì)電視會(huì)議集群管理進(jìn)行測(cè)試。服務(wù)器啟動(dòng)后其配置管理模塊自動(dòng)連接到ZooKeeper Server上，然后執(zhí)行寫(xiě)配置過(guò)程，測(cè)試中隨機(jī)輸入兩個(gè)數(shù)字作為配置數(shù)據(jù)，寫(xiě)配置時(shí)，ConfigManager輸出日志表示申請(qǐng)到了寫(xiě)鎖，然后更改了數(shù)據(jù)，釋放寫(xiě)鎖；接著測(cè)試讀配置功能，先申請(qǐng)讀鎖，讀取數(shù)據(jù)，釋放讀鎖，最后打印出讀取的配置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算的電視會(huì)議系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集群管理的概念應(yīng)用到電視會(huì)議當(dāng)中，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。下一步還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的大量測(cè)試，研究并解決系統(tǒng)運(yùn)行中的偶發(fā)故障，逐步使該系統(tǒng)完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑亮，陳榮.深入淺出云計(jì)算[M].清華大學(xué)出版社，2012.

[2] 黎連業(yè)，王安，李龍.云計(jì)算基礎(chǔ)與實(shí)用技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 孫濤.面向云的視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2011.

[4] 沈旭磊，蔣瓊燕.UT斯達(dá)康基于云計(jì)算的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2011.10：83-85