面向智慧社區的云分支服務器設計與實現

段小紅，潘國峰，楊　帆，華　中

(1. 河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401；2. 天津鉑創國茂電子科技發展有限公司，天津300384)

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面向智慧社區的云分支服務器設計與實現

段小紅1，潘國峰1，楊帆1，華中2

(1. 河北工業大學 電子信息工程學院，天津300401；2. 天津鉑創國茂電子科技發展有限公司，天津300384)

摘要：根據我國智慧社區的最新發展和需求，設計了一種功能強大的云分支服務器(Embed Cloud Branch Server，ECBS)。通過在社區合理布置云分支服務器，從而實現社區無線網絡覆蓋，居民通過終端設備連接上網并使用智能服務軟件，實現了社區管理和服務的智能化。并提出一種基于節點負載權值的調度算法，實現云分支服務器數據的存儲與更新，保證集群系統負載均衡。經應用測試表明，該云分支服務器性能穩定，應用效果好，具有一定的推廣價值，符合未來智慧社區的發展趨勢。

關鍵詞：智慧社區；云分支服務器；負載均衡；集群

智慧社區服務體系，是以智慧社區各類軟硬件設施為依托，以社區主體為服務對象，以社區智慧服務為主要內容，以滿足社區居民多方面生活需求、提升社區居民生活質量為目標[1]。目前，我國智慧社區研究正逐步推進，但主要側重于概念、內涵及技術分析等方面的探索，智慧社區產品與技術方案尚不成熟，智慧應用處于初級階段[2]，服務系統共享性較差。

基于云分支服務器的智慧社區服務系統，可實現社區無線網絡覆蓋，功能包括新聞瀏覽、影視播放、外賣點餐、商家推薦、智能家居、智能繳費等；用戶通過連接WiFi即可實現上網并訪問云分支服務器，使用智能服務和軟件，節省人力及其他成本；社區管理中心利用系統提供的后臺管理軟件自行更新社區內云分支服務器的資源；社區內所有云分支服務器通過將本地數據上傳到中心服務器實現數據的存儲。將多功能一體化的云分支服務器合理分布在社區，實現了終端融合、網絡融合、平臺融合、服務融合，是社區未來發展的必然趨勢[3]。本文提出的面向智慧社區的云分支服務器為智慧社區建設提供了一個全面智能化建設和部署的參考依據，使居民享受更方便、更舒適、更智能的新型服務。

1總體架構

社區內布置多臺云分支服務器，實現了區域WiFi覆蓋，居民實現用戶登錄認證；視頻點播、直播；在線新聞和本地新聞公告；APK下載；在線支付；自主后臺管理和商戶產品推廣；在線活動以及第三方應用服務等。如圖1所示，云分支服務器應用在社區并接入網絡，手機等終端設備通過云分支服務器構建的局域網實現上網，并通過訪問云分支服務器使用服務軟件；中心服務器可控制管理云分支服務器的配置并對其數據資源進行存儲和更新。

本文的工作重心為面向智慧社區應用的云分支服務器的實現，具體包含：云分支服務器設計；云分支服務器端數據存儲與更新算法實現。

2云分支服務器設計

2.1硬件設計

云分支服務器CPU采用華為開發的Hi3716C芯片，該芯片采用了ARM公司先進的Cortex A9架構的處理器，高速處理能力可以滿足未來業務需求。 Hi3716C內置2路以太網，2路USB，1SATA/eSATA和1路PCIe接口，提供靈活的連接方案。并支持MPEG-2/H.264/AVS/RealVideo/VC-1等多種格式的高清視頻解碼，滿足多媒體播放的要求。提供音頻和視頻的輸入接口，滿足可視通信的要求。設計實現的Web路由器采用Realtek8192芯片作為USB-WiFi網絡接口芯片，Realtek8192芯片符合802.11n規范、高度集成MIMO Wireless LAN (WLAN) USB 2.0網絡接口，結合MAC，基帶和射頻2T2R，為無線客戶端提供了高吞吐量性能的完整解決方案。云分支服務器通過連接USB-WiFi實現WiFi功能；并通過外圍SATA3.0 Host接口外擴2 Tbyte固態硬盤空間以存儲數據資源。云分支服務器功能硬件設計原理如圖2所示。

云分支服務器由于是利用嵌入式技術，因而比一般傳統服務器有功耗低，可靠性高，噪聲小，壽命長等優點。云分支服務器工作環境參數指標如表1。

2.2軟件設計

云分支服務器軟件部分主要包括Web服務設計、WiFi路由器以及數據處理模塊兩大部分。

2.2.1Web服務器模塊

移植sqlite3+httpd2.2.7+php5.2.13到Hi3716C ARM板并進行相應配置，搭建Web服務器。從運行的角度看，httpd2.2.7版本比老版本更加強大，更具可擴展性。支持多線程操作模塊；并提高了代理服務器的性能；同時，增加了加強安全和可管理性的模塊[4]。而php5.2.13支持對php等網頁文件的加密、解密功能，保證了網頁文件的安全性和可靠性。

2.2.2WiFi路由器模塊

通過開發內核，交叉編譯與移植hostapd、dnsmasq、驅動等文件，以及修改相應配置等并移植，實現局域網無線路由器功能。用戶通過手機等移動設備可搜索到構建的無線WiFi并連接，通過點擊自動跳轉到瀏覽器登錄界面，點擊“免費登錄”跳轉實現上網功能。

2.2.3數據處理程序設計

數據處理程序實現了將本地端瀏覽記錄和額外數據進行處理包括壓縮、加密等，然后上傳到中心服務器端進行保存，并刪除本地數據以釋放內存；同時實現了從中心服務器端下載數據庫和服務軟件等進行數據更新。如圖3所示。

3數據存儲與更新算法

實現數據存儲和更新的智慧社區云分支服務與中心服務器可構成一個虛擬的集群服務器系統，通過網絡進行數據文件的傳輸，實現數據存儲與更新。在實際傳輸過程中，當多個云分支服務器同時向中心服務器發出數據傳輸請求時，中心服務器應如何進行調度選擇，保證集群系統平均負載最小是關鍵所在[5]。

3.1數據存儲與更新系統

集群服務器系統架構如圖4所示。

中心服務器：智慧社區管理中心，連接多個更新服務器，并對所有更新服務器分類管理，將需要更新的數據或應用程序按照類別下載至相應的更新服務器；存儲云分支服務器端的大量數據，控制實現云分支服務器端數據更新與獲取。

更新服務器：更新服務器通過網絡與所述中心服務器和云分支服務器連通，每個更新服務器用于存儲不同類別的數據內容，包括社區內各種服務、軟件和數據庫等；所述更新服務器的標識以及所存儲的數據類別信息都記錄在中心服務器。

云分支服務器：合理分布在社區內，保存了大量數據包括電視節目列表，用戶認證數據， 用戶功能配置數據， 用戶功能使用記錄數據，音視頻多媒體文件，云分支服務器應用程序等；云分支服務器需要將這些數據上傳到中心服務器端進行存儲以釋放本地資源，并從中心服務器端下載最新數據以實現本地更新。

3.2基于節點負載權值的算法

3.2.1節點負載

假設集群(社區)中云分支服務器的總數為N(N>0)，集群中節點i代表云分支服務器，其中0

(1)

式中：ri是各個指標的權重因子。那么獲得節i上云分支服務器的性能指標表示如下

Ci=r1×P(cpui)+r2×P(memi)+r3×P(ioi)

i=1，2，…，N

(2)

式中：P(cpui)為節點CPU的相對值；P(memi)為節點內存相對值；P(ioi)為節點網絡吞吐量。

目前主要是根據集群的實際應用場合評價服務器節點負載，因此，本文根據CPU、以及網絡流量的使用率計算節點負載情況，并針對不同情況適當增加或減少指標。為了具備可比性，對負載參數進行詳細描述。

節點的CPU使用率為C(cpui)；內存使用率為C(memi)；假設在時刻t1(單位ms)節點i接受的字節數是k1，發送的字節數是g1，運行到時刻t2，此時接收到的數據字節大小是k2，發送的數據字節大小是g2，那么網絡流量使用率可以表述為

i=1，2，…，N

(3)

最后，根據實際情況動態調整引入的權值r，計算集群節點負載參數Li，表示如下

(4)

式中：ri是各個指標的權重因子，表示不同應用環境下這些指標對節點的影響程度。

本文通過節點性能和負載狀況兩個方面來計算節點的處理能力，如何通過這兩個指標合理調度響應節點的請求使得數據傳輸效率最高是當前需要解決的難點。所以，本文引入節點分配權值ωi的概念，依據上述計算所得的節點參數，計算節點調度權值，計算方法如下

(5)

說明節點被調度響應的概率與節點負載成反比，即節點負載越大，被調度的概率越小，節點云分支服務器的處理能力越差，反之亦然。

3.2.2基于負載權值的算法

本文算法的設計思想是：首先根據集群系統中各節點云分支服務器的性能，計算得到相應的性能參數；然后根據實際運行情況，動態獲得節點各個指標的運行狀態，節點任一指標超過閾值則被排除，并選擇符合負載要求的節點；最后計算各節點負載參數，計算得到節點的分配權值。其具體描述如下：

步驟1，設定最大值即閾值δ；

步驟2，當多個節點同時進行請求時，中心服務器最初調度響應的節點j滿足如下條件

ωj=min{ωi}j=1，2，…，N

(6)

如果其他節點滿足如下條件

ωj≤min{ωm}+δm=1，2，…，N

(7)

則將節點j分配到可選節點集合中。

步驟3，計算可選節點集合中節點被調度的概率Hk

(8)

步驟4，根據集合中節點被調度的概率選擇云分支服務器進行數據傳輸。計算集群平均負載P

(9)

集群系統平均負載越小，說明集群系統越穩定，性能越好。

3.3實驗結果及分析

為了測試該算法的有效性，測試環境為一臺計算機作為中心服務器，一臺作為程序執行的計算機，一臺網絡負載均衡器和一臺數據庫服務器。參考文獻[7]提出的算法，計算集群綜合負載參數，如表2所示。

測試每臺云分支服務器用戶訪問量為500，網絡帶寬分別為1Mbit/s，10Mbit/s和100Mbit/s環境下，調度節點的響應時間。并發連接數為100～1 000，采用本算法和傳統算法相比，調度節點的時間結果如表3所示。

由表3可知，經多次測試，隨著請求節點個數即集群中云分支服務器個數的增加，無論集群網絡環境帶寬多大，通過本算法得到的調度節點時間比傳統算法明顯縮短。

表3節點調度時間比較

在數據傳輸過程中，時刻監測集群平均負載情況。在采用該算法進行節點調度選擇過程中，測試集群系統的平均負載情況如圖5所示。

由圖5可知，隨著請求個數即云分支服務器的增加，集群系統平均負載呈現上升趨勢。但與傳統算法本文基于節點負載權值的算法有效降低了集群系統的平均負載，提高系統的性能。說明智慧社區內的云分支服務器進行數據存儲與更新過程中，基于節點負載權值的算法有效降低了社區服務系統的負載，提高了社區服務系統的性能和運行速度，大大節省了居民使用服務的人力和時間。

4小結

本文設計的云分支服務器功能廣泛、性能穩定、體積小且成本低，已廣泛應用于多省社區內，每臺云分支服務器最多支持800用戶同時訪問，其功能和性能指標得到廣泛認可，應用前景非常廣闊。文中給出了基于該云分支服務器的數據存儲與更新方法，能夠實時存儲和更新本地數據資源，與傳統算法相比，本文算法能夠有效降低智慧云分支服務器系統的負載，提高了智能服務系統的性能和穩定性。

參考文獻：

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[4]安峰. 搭建Web服務的嵌入式WebServer[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2014， 14(3)：43-45.

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[7]孫峻文， 周良， 丁秋林. 基于退火算法的動態負載均衡研究[J]. 計算機科學， 2013， 40(5)：89-92.

段小紅(1990— )，女，碩士生，主研集成電路工程；

潘國峰(1968— )，教授，碩士生導師，主要研究方向為應用電子技術、電子信息薄膜、敏感器件研究等，為本文通訊作者；

楊帆(1966— )，教授，博士生導師，主要研究方向為半導體自動檢測、圖像處理與模式識別、多傳感器信息融合及電子器件缺陷識別等。

責任編輯：時雯

Implementation and design of ECBS for intelligent community

DUAN Xiaohong1，PAN Guofeng1，YANG Fan1，HUA Zhong2

(1.SchoolofInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300401，China；2.TianjinBotroElectronicalTech.Co.，Ltd.，Tianjin300384，China)

Key words：intelligent community； ECBS； load balancing；cluster

Abstract：A powerful Embed Cloud Branch Server(ECBS) is designed to meet the needs of the latest development of Chinese intelligence community. The ECBS can provide WiFi service for community through the extensive layout of ECBS in the community. Community users can visit Internet and use the intelligent service and software with a WiFi connection， which realized the intelligence of community management and service. This paper proposed a scheduling algorithm based on node load weight for storing and updating data of ECBS and it can keep the cluster system of intelligence community load balancing. Proved by application test， it has a good application effect and the performance of ECBS is stable. The product has a certain value of promotion and in line with the development trend of the future intelligence community.

中圖分類號：TN915.5

文獻標志碼：B

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.013

基金項目：國家科技重大專項課題項目(2009ZX02308—004)；國家自然科學基金項目(60972106)

作者簡介：

收稿日期：2015-08-16

文獻引用格式：段小紅，潘國峰，楊帆，等. 面向智慧社區的云分支服務器設計與實現[J].電視技術，2016，40(1)：67-71.

DUAN X H，PAN G F，YANG F，et al. Implementation and design of ECBS for intelligent community[J].Video engineering，2016，40(1)：67-71.