構建支持IPv6的視頻服務系統
——百萬冊數字圖書系統IPv6技術升級視頻服務功能

文/楊春玲　張建偉　王勇超

構建支持IPv6的視頻服務系統
——百萬冊數字圖書系統IPv6技術升級視頻服務功能

文/楊春玲1張建偉2王勇超1

通過對P2P網絡性能的研究與優化，包括對Track算法和P2P網絡激勵機制的研究,實現了百萬冊數字圖書系統中視頻服務子功能的升級。

原百萬冊數字圖書系統中的視頻服務是采用傳統的C/S架構的視頻服務系統，其并發量受視頻服務器接入帶寬限制，實踐表明，不能提供大規模（并發量＞1000）視頻服務；而目前支持IPv6的P2P視頻服務系統，實效性和可控性太差；基于CDN的視頻服務，需要構建一定量的內容分發服務器，實現難度較大。為實現IPv6下，大規模可控可擴展的視頻服務系統，不同的團隊做出了不同的嘗試。例如， 北郵王振華等通過P2P和CDN相結合的方式在CNGI-CERNET2上實現了大規模視頻點播與直播系統，并且至少在7所高校部署了10～15臺內容發布服務器。然而為了與百萬冊數字圖書資源系統保持一致，跨學校部署服務器的方案并不適合浙江大學。我們通過對P2P網絡性能的研究與優化，實現了百萬冊數字圖書系統中視頻服務子功能的升級。

關鍵技術

當前主流的P2P視頻服務系統是基于BitTorrent的，我們在對基于BitTorrent的VOD系統進行分析之后，開展了對基于BitTorrent的P2P網絡的深入研究。我們的研究主要在兩個方面，一個是對本文提到的管理服務器的重要組成部分Track算法的研究；另一個是對P2P網絡激勵機制的研究，這項研究可應用于媒體源服務器。

UC-track算法

在基于BitTorrent的P2P系統中，Tracker算法決定了節點間連接網絡的生成，進而影響系統的整體性能。針對Tracker算法的改進對于BitTorrent視頻服務系統效率的提升至關重要。我們提出UC-track算法使得在上傳帶寬接近的節點之間形成一定程度聚焦的同時，在上傳帶寬差別較大的節點間保持一定數量的隨機連接。這個算法可以使播放同一個視頻的終端之間的連接具有小世界網絡的特點，即低的平均最短路徑和較高的聚焦系數，使得部分高帶寬節點直接與視頻源相連，快速獲取視頻片段為其余節點提供服務，有利于數據交互效率的提高。如圖 1所示，使用UC-track算法，可使視頻終端和視頻源構成的傳輸拓撲有最大的聚集系數、最大的鄰居集合大小和最小的平均路徑長度，其數據傳輸性能最優。

圖1　UC-track不同參數以及原track性能對比

PU機制

在大多數基于BitTorrent的視頻服務系統中，都假定種子節點也就是我們系統中的視頻源自始至終提供服務。然而，在這種策略下，視頻源的帶寬消耗隨所服務的視頻文件量的增多呈線性增長，極大地限制了系統的服務能力。針對此，我們重構了激勵機制，稱為“等比例上傳機制”簡稱PU（Proportional Uploading）機制。

PU機制由帶寬限制策略和帶寬分配策略兩部分組成。帶寬限制策略作用在視頻源服務器上，當多個用戶點播同一個文件時，為充分利用播放終端的上傳帶寬，視頻源服務器使用如下上傳帶寬控制策略：在由播放同一個視頻的終端構成的連接網絡中，源服務器上傳帶寬Us隨著連接網絡中視頻文件副本數據的增多以λ的比例下降，直到降為一個下限Umin，Umin可以保證一次傳送周期能傳輸一個完整的視頻片段。特別的，在連接網絡中視頻文件的副本小于1時，視頻服務器使用smartseed片選算法，以使該連接網絡中盡早擁有1個視頻文件副本。帶寬分配策略作用于所有播放該視頻的終端，即一個特定的終端在連接網絡中獲取的下載帶寬和它的上傳帶寬在該網絡終端上傳帶寬的總和正相關，這使得該終端的視頻播放體驗和其接入網絡正相關。采用按比例上傳機制能夠在保證終端視頻質量的同時有效降低服務器帶寬。

圖2　系統架構拓撲

系統架構

整個系統如圖2 所示，分為媒體源、管理服務器、Web服務器、視頻終端四個部分，視頻服務由媒體源、管理服務器和Web服務器聯動提供服務，用戶使用各類終端享用服務。用戶通過瀏覽Web門戶獲取視頻宣傳信息和索引信息，對感興趣的視頻進行訪問操作，此時激活該視頻的索引信息，用戶終端相應程序解讀索引信息并與管理服務器聯系，管理服務器據該視頻屬性協調媒體源及終端的通信，向用戶提供所需的視頻服務。

媒體源意為各類視頻的源頭，是視頻資源生成和存儲的總和，包括直播源和點播源。直播源又分為實時直播和重播兩大類。實時直播源為錄制待直播活動的攝像機，重播源和點播源均為完整的視頻文件，由視頻服務器統一系統管理。

管理服務器有兩個職能，其一是提供視頻文件的索引服務，其二是統計視頻服務流量，主要是當前連接數，各個視頻下載量等。

Web服務器上承載了視頻服務的門戶，屬于百萬冊圖書IPv6系統的子門戶。

CNGI示范應用

我們將部署好的系統置于“百萬冊數字圖書服務系統IPv6技術升級”域名下面，成為該系統的一個子功能。該系統有“高清影片”和“傳統影片”兩個頻道，分別對應了基于P2P的和基于傳統CS的兩種服務方式。CS的服務方式源于我們對原服務系統的IPv6升級。這使得原有系統的視頻服務不僅完成了從IPv4到IPv4/IPv6雙棧服務的升級，還完成了從傳統的CS架構到現在的P2P和CS雙重架構的架構升級。

（作者單位：1為浙江大學圖書與信息中心， 2為浙江大學計算機科學與技術學院）