關于分布式視頻點播系統的研究

湯卓

摘 要 互聯網正從一個靜態數據內容（文本、圖像）占主導地位的階段快速地發展成為一個包含靜態媒體內容和連續媒體內容的綜合信息資源庫。視頻點播（VOD）業務是未來寬帶網中最有前途的業務之一。它可以讓用戶控制節目的播放，選擇播放時間和播放的形式，與傳統電視相比有著無可比擬的優點。在各種寬帶網絡上實現視頻點播業務成為當前多媒體和網絡領域的一個研究熱點。本文將針對分布式視頻點播系統展開研究。

關鍵詞 點播系統 分布式 系統研究

中圖分類號：TN948.63 文獻標識碼：A

VOD，它是英語VideoOnDemand的縮寫。視頻點播是近年來新興的一種網絡傳媒方式，它是計算機技術、網絡通信技術、多媒體技術、電視技術和數字壓縮技術等多學科、多領域融合交叉的產物。它可以根據用戶需要，隨時提供交互式視頻服務。

視頻點播從根本上改變了傳統的單向傳輸、用戶對視頻節目無權選擇的狀況，使用戶不僅能夠觀看固定節目，而且還可以自由選擇存放在視頻點播系統中的視頻信號，隨時點播自己想看的節目。VOD技術早在20世紀70年代就引起了人們的關注，但當時其應用范圍有很大的局限性。隨著“信息高速公路”的興起和發展，數字壓縮技術的出現，使視頻點播系統進入了新的領域，并且為行業用戶提供了多種解決方案，以滿足用戶的各種需求。

1視頻點播系統的體系結構

一個視頻點播系統，無論采用有線電視網絡還是計算機網絡作為媒體傳輸介質，主要由三部分組成：服務端系統（Server）、網絡系統（Network）、客戶端系統（Client）。

視頻服務器：負責視頻的存儲和視頻節目的傳送，以及節目的檢索和服務。它在整個系統中占很重要的地位，是影響整個系統設計的關鍵。

傳輸網絡：傳輸從服務器到用戶的媒體流和控制流。常采用的有窄帶電話線、寬帶有線電視網絡和計算機網絡。

客戶端：主要是用戶用來播放視頻的設備，一般有兩種方式：計算機、電視。計算機須裝備網絡接入設備，并安裝視頻播放軟件。用電視作為播放設備時須要裝備機頂盒（top-setbox）。

VOD系統中技術含量最高的視頻服務器。從計算機的技術角度來講，視頻服務器是一臺或一組提供媒體存儲和傳輸的計算機。其功能是存儲并傳輸媒體節目。之所以將視頻服務器的概念與普通計算機相區分，是因為視頻服務器在存儲和傳輸媒體節目的能力上明顯強于普通計算機，而媒體節目的存儲和傳輸是VOD系統功能實現的核心，VOD系統的服務能力幾乎完全是由視頻服務器服務能力來決定，因此學術界和產業界對VOD的研發重點都集中在視頻服務器上。

2分布式視頻點播系統的體系結構

根據計算機網絡拓撲結構的思想，在Berkeley視頻點播系統的基礎上，人們擴展了分布式層次性的體系結構的設計思想，將只針對視頻文件存儲的分布式層次結構擴展成為媒體文件存儲、媒體流傳輸、系統管理與服務的整體的分布式層次性體系結構。

擴展后的分布式層次結構視頻點播系統根據網絡的多級互聯特點，將檔案服務器、視頻文件服務器、管理服務器分布到網絡的多個層次中，協同完成視頻點播服務功能。點播系統中包含了連接在主干網上的中央視頻點播服務系統和分布在各接入網中的視頻點播服務子系統。中央視頻點播服務系統連接在主干網上，它由一臺全局管理服務器，多臺視頻文件服務器和檔案服務器構成。檔案服務器管理存放在三級存儲設備（磁帶、光盤）中的媒體文件，用于擴大視頻文件庫的容量，同時提供媒體文件的備份和恢復功能以保證系統的可靠性。視頻文件服務器為用戶提供媒體流，它連接著大容量、高并發吞吐速率的磁盤陣列，完成視頻數據的磁盤讀取、網絡發送和調度的功能。中央管理服務器上運行多個服務程序，完成用戶權限認證、記賬管理、節目查找與定位、系統性能監控、工作負載平衡等全局的管理功能。

視頻點播服務子系統分布在各級接入網中，它由本地管理服務器、一臺或多臺視頻文件服務器組成。子系統中的視頻文件服務器存儲中央服務系統中的所有視頻節目的一個子集，負責為本網段和下級接入網段內的用戶提供媒體流服務。本地管理服務器同樣也完成本級和下一級接入網中的管理功能。

利用分布式結構，將系統服務功能分散到多臺服務器，減小了服務器的工作負載，并為降低服務器的價格創造了條件。層次性的網絡傳輸將系統中的數據傳輸盡可能地限制在本地網段中，減輕了本級網絡與上一級網絡之間的網絡帶寬占用，使得整個系統可以承受的用戶數目增加，從而可以降低用戶的平均服務費用。層次性的系統管理可以減輕中央管理服務器的工作負擔，減少網絡傳輸延遲和服務器處理排隊等待時間，從而縮短用戶的響應時間。

分層式體系結構由于采用樹型結構擴大服務了服務范圍，并且分層的層次可以隨著服務范圍的大小而變化。但這種結構的缺點是一個節目可能要在許多個服務器上存有備份，造成存儲空間的浪費；而且用戶點播的節目不在葉子節點服務器上時，需要較長的響應時間；還有這種系統的設計管理難度很大，多用于大型和特大型網絡環境中。

3分布式系統管理服務器的主要實現內容

由于管理服務器是整個分布式系統的控制管理核心，它負責對整個系統進行管理和協調。它是一個純軟件系統，主要由作業調度和視頻服務器調度管理模塊、視頻流控制模塊、視頻數據管理模塊、用戶管理模塊以及系統監控模塊組成，各個功能模塊分工協調合作，控制分布式視頻點播系統的各項服務正常運作。下面將針對視頻節目管理、用戶管理、視頻流管理以及系統監控管理展開重點討論。

3.1視頻節目管理

視頻節目分布存放在各個視頻服務器上，每個視頻節目都可以由唯一的路徑來訪問，這對于系統管理員進行視頻數據文件的管理提供了極大的方便。視頻節目管理就是對這些分布存放在各個視頻服務器上的視頻數據文件進行管理，提供方便的接口和快速的存取。

向系統新增一個節目，系統需要做兩件事，一是節目的導入，即把視頻節目文件拷貝存放到系統中；二是管理員需要把該節目的相關信息添加到視頻信息庫中。新的節目文件存放在哪個視頻服務器上呢？可采用最小使用優先算法，也就是選擇磁盤剩余空間最大的視頻服務器存放新的節目，使各個視頻服務器上存儲的視頻文件盡可能均衡，從而達到提高磁盤I/0能力的目的。當某些節目不再被點播，或者需要騰出一部分空間存放新的節目時，管理員要刪除這些節目。與增加節目相對應，刪除節目包括刪除節目信息記錄和刪除節目文件兩部分。刪除節目信息記錄就是從視頻信息數據庫中刪除該節目的記錄。

3.2用戶管理

分布式視頻點播系統對最終用戶也提供管理接口。系統對最終用戶的管理內容相對比較簡單。用戶的所有信息存放在用戶數據庫中。系統通過數據庫提供增加新用戶、刪除己有用戶、修改用戶信息、查詢用戶信息的功能。除此之外，當用戶連接到系統請求服務時，系統必須提供對用戶訪問的合法性進行認證，因此用戶管理也包括用戶認證功能，用戶管理同時也提供記賬功能。當用戶在點播節目的時候，系統記錄用戶的點播信息，計算用戶的點播費用，并存放到數據庫中，作為用戶繳納費用的依據。

3.3視頻流管理

視頻流就是視頻服務器與用戶端之間傳送的數據流。一旦視頻服務器響應了用戶請求，將節目數據從磁盤讀出，并發送到用戶端，視頻流就建立起來了。當節目全部傳送完畢，或者由于用戶中途終止播放，視頻流也將終止。系統必須對系統中存在的、未被終止的視頻流進行監控和管理。系統對視頻流進行VCR控制的過程如下所示：包含視頻流全局編號和控制代碼；系統從用戶消息中提取視頻流全局編號和控制代碼；系統查找全局視頻流鏈表，找到播放該視頻流的視頻服務器；系統向該服務器發送視頻流編號和控制代碼；該服務器得到視頻流編號和控制代碼，對視頻流進行播放控制；若服務器控制成功，向系統返回新狀態，若不成功，返回錯誤信息；系統更新視頻流狀態，并反饋給用戶相應信息。

3.4系統監控管理

分布式視頻點播系統作為一個大型系統，它所包含的軟硬件資源是相當多的，如果系統不對這些軟硬件資源進行有效的監控，一旦某些部件失效，可能會影響到系統的正常運行。例如，如果一臺視頻服務器硬盤損壞，該臺服務器上存儲的數據將無法讀取，而系統并不知道，以為這些數據繼續有效，仍然將讀取數據的請求發送給它，這將造成讀取數據的客戶永久等待，形成死鎖。又如，系統中關鍵部分的負載應該受到監視，因為持續的高負載可能造成該部件的最終失效，例如，如果視頻服務器CPU負載過高，可能使服務器無法繼續響應請求。為了保證系統高效、可靠地運行，必須對整個系統進行監控。系統的監控包括以下幾個方面：硬件監控、視頻服務器狀態監控、系統視頻流監控和系統報警。