一種分布式媒體處理的智適應(yīng)框架設(shè)計(jì)

萬(wàn)暢 李劍鋒 金晶

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 廣東省珠海市 519090 2.廣工揭陽(yáng)理工學(xué)院（籌） 廣東省揭陽(yáng)市 522000）

（3.珠海市斗門區(qū)文化廣電旅游體育局旅游促進(jìn)室 廣東省珠海市 519090）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)音視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)不斷提出新的功能需求，甚至提出新的部署設(shè)想，從而導(dǎo)致音視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能、媒體處理方式和系統(tǒng)部署形式不斷發(fā)生變化，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)、控制、媒體面集中處理的模式早已不能跟上新業(yè)務(wù)的發(fā)展速度和需求，因此很多音視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)也在不斷地學(xué)習(xí)軟交換甚至IMS(IP Multimedia Subsystem)的架構(gòu)模式，功能網(wǎng)元不斷實(shí)體化、網(wǎng)元不斷分布化，將業(yè)務(wù)、控制、媒體徹底分離，以達(dá)到最大的架構(gòu)靈活性。

本項(xiàng)目中的音視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)正是一個(gè)基于IMS 架構(gòu)形式的音視頻綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)，將上層業(yè)務(wù)分解為很多功能內(nèi)聚的應(yīng)用服務(wù)器AS（Application Server），底層媒體由統(tǒng)一的媒體處理服務(wù)器MRS(Media Resource Server)處理，其中MRS 內(nèi)部又按控制與媒體分離進(jìn)一步細(xì)化為MRFC(Multimedia Resource Function Control) 網(wǎng)元和多個(gè)分布的MRFP(Multimedia Resource Function Processor)網(wǎng)元。為了將來(lái)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一拓展，抽象定義了MRS 和AS 間的業(yè)務(wù)控制接口，使所有AS 都可按統(tǒng)一的接口訪問(wèn)和使用媒體資源，并向AS 屏蔽了底層具體媒體處理的細(xì)節(jié)，將媒體處理與業(yè)務(wù)控制徹底解耦，最大可能適應(yīng)上層業(yè)務(wù)、或底層媒體處理硬件設(shè)備（或板卡）的變化。然而在該分層架構(gòu)設(shè)計(jì)中，MRFC 作為一個(gè)中間子網(wǎng)元，不僅要適應(yīng)上層業(yè)務(wù)（AS）的快速發(fā)展變化，也要不斷適應(yīng)底層媒體處理設(shè)備（MRFP）快速發(fā)展變化，因此對(duì)MRFC 網(wǎng)元的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都提出了極高可擴(kuò)展的要求。本文檔主要描述該項(xiàng)目中如何在MRFC 網(wǎng)元上設(shè)計(jì)靈活的業(yè)務(wù)框架，以滿足整個(gè)音視頻指揮調(diào)度系統(tǒng)對(duì)上述擴(kuò)展性的需求。

本系統(tǒng)中主要參考業(yè)界已成熟應(yīng)用的X/Open DTP 分布式事務(wù)模型，以及當(dāng)前軟件業(yè)界流行的微服務(wù)架構(gòu)、智適應(yīng)和組件化思想，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)分布式事務(wù)模型進(jìn)行適度的改進(jìn)，提出了一套具有一定智適應(yīng)的媒體處理框架，并使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在項(xiàng)目實(shí)施中取得了滿意的效果。

2 框架思想

本系統(tǒng)中主要參考業(yè)界已成熟應(yīng)用的X/Open DTP 分布式事務(wù)模型，以及當(dāng)前軟件業(yè)界流行的微服務(wù)架構(gòu)、智適應(yīng)和組件化思想，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)分布式事務(wù)模型進(jìn)行了適度的改進(jìn)。

2.1 X/Open DTP[1]

圖1

X/Open DTP（X/Open Distributed Transaction Processing Reference）是X/Open 組織織 (即現(xiàn)在的 OpenGroup)定義的一套被廣泛接受的分布式事務(wù)處理模型，在X/Open DTP 模型中定義了如下三類角色：

AP(Application Program)：應(yīng)用程序，主要是定義事務(wù)邊界以及那些組成事務(wù)的特定于應(yīng)用程序的操作。RM(Resouces Manager)：資源管理器，管理一些共享資源的自治域，如提供對(duì)諸如數(shù)據(jù)庫(kù)之類的共享資源的訪問(wèn)。TM(Transaction Manager)：事務(wù)管理器，管理全局事務(wù)，協(xié)調(diào)事務(wù)的提交或者回滾，并協(xié)調(diào)故障恢復(fù)。其中AP 通過(guò)TX 接口與TM 交互，開始或提交全局事務(wù)，TM給事務(wù)分配標(biāo)識(shí)符，與RM 間使用XA 規(guī)范（X/Open 提出的分布式事務(wù)處理規(guī)范，分布事務(wù)處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），通過(guò)兩階段提交協(xié)議（2PCP,two Phase Commit Protocol）來(lái)完成一個(gè)全局事務(wù)。2PCP由兩個(gè)階段組成，準(zhǔn)備階段和提交階段，其基本思想是：當(dāng)且僅當(dāng)全部子事務(wù)均提交時(shí)，全局事務(wù)才能提交，如果有任何一個(gè)子事務(wù)不能正常提交，則全部子事務(wù)都要終止。

2.2 微服務(wù)架構(gòu)(Microservice architecture)[2]

微服務(wù)是一種新型架構(gòu)風(fēng)格，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。微服務(wù)提倡將應(yīng)用程序劃分為一組細(xì)粒度的服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)解決方案的解耦，服務(wù)間采用輕量級(jí)的通信機(jī)制進(jìn)行交互，通常，這些細(xì)粒度的微服務(wù)是具有單一職責(zé)的小程序，能夠被獨(dú)立地開發(fā)、測(cè)試、部署和擴(kuò)展。

與傳統(tǒng)單體架構(gòu)相比，微服務(wù)架構(gòu)具有高維護(hù)性、高擴(kuò)展性、高適應(yīng)性、去中心化、容器化的運(yùn)行環(huán)境等特征，能滿足大規(guī)模分布式應(yīng)用對(duì)可擴(kuò)展性、去耦合的需求，近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本質(zhì)上，微服務(wù)架構(gòu)思想來(lái)源于面向服務(wù)的架構(gòu)（Service Oriented Architecture, SOA）[6]，是對(duì)SOA 架構(gòu)的二次迭代，其目的是去除SOA 中不必要的復(fù)雜程度，進(jìn)一步專注于實(shí)現(xiàn)單一功能的細(xì)粒度服務(wù)。SOA 將服務(wù)端應(yīng)用視為多個(gè)粗粒度服務(wù)的組合，各個(gè)服務(wù)可以分布部署在不同地理位置的容器中，服務(wù)間通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線進(jìn)行通信組合并共享同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；微服務(wù)架構(gòu)則服務(wù)端應(yīng)用視為多個(gè)細(xì)粒度微服務(wù)的組合，每個(gè)微服務(wù)是高內(nèi)聚的小程序，可擁有自己私有的數(shù)據(jù)庫(kù)并在其獨(dú)立的容器中運(yùn)行，微服務(wù)間通過(guò)輕量級(jí)協(xié)議進(jìn)行通信。

2.3 組件化[3]

組件化是一種高效的處理復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)，更好地明確各功能模塊的作用的設(shè)計(jì)、開發(fā)方式，其目的也是為了更好地進(jìn)行功能解耦，把復(fù)雜系統(tǒng)拆分成多個(gè)功能內(nèi)聚的組件，分離組件責(zé)任和邊界，便于獨(dú)立升級(jí)和維護(hù)。單體架構(gòu)的組件化是通過(guò)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，而微服務(wù)架構(gòu)的組件化通過(guò)高度解耦的細(xì)粒度微服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 框架設(shè)計(jì)

3.1 框架結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目中，MRFC 網(wǎng)元以X/Open DTP 事務(wù)模型為基礎(chǔ)，將該模型中的事務(wù)管理器（TM）和資源管理器（RM）抽象化為處理框架，并進(jìn)一步將微服務(wù)和組件化思想應(yīng)用于資源管理器部分，把各種媒體處理功能組件化。分布式事務(wù)處理部分分為4 層，資源和組件管理層包括資源管理器、媒體組件代理工廠、媒體組件代理；事務(wù)管理層即分布式事務(wù)管理包括事務(wù)管理工廠、事務(wù)管理器、事務(wù)存儲(chǔ)器；協(xié)議層用于處理分布式通信協(xié)議，包括業(yè)務(wù)接口自解析容器、媒體組件接口自解析、XML 通用協(xié)議、JSON 通用協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層包括TCP、UDP 協(xié)議等。

為最大可能地實(shí)現(xiàn)框架的可擴(kuò)展性，滿足不同AS（應(yīng)用服務(wù)器）、不同媒體組件的擴(kuò)展或更新，框架中“業(yè)務(wù)接口自解析容器”、“媒體組件接口自解析容器”、“媒體組件代理工廠”、“媒體組件代理”功能支持通過(guò)注冊(cè)方式進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)這幾個(gè)模塊的配合，既能滿足AS 網(wǎng)元和媒體組件的擴(kuò)展，也能滿足其上接口功能的擴(kuò)展。其中事務(wù)管理器完成事務(wù)子任務(wù)的分解，按兩階段提交協(xié)議的思想提交任務(wù)：首先將子任務(wù)提交給合適的媒體組件代理進(jìn)行預(yù)處理，媒體組件代理能夠根據(jù)媒體組件具體實(shí)現(xiàn)方式，將子任務(wù)進(jìn)一步分解為一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作，并將這些動(dòng)作反向登記到事務(wù)存儲(chǔ)中；每個(gè)子任務(wù)登記成功后，事務(wù)管理器正式通知對(duì)應(yīng)的媒體組件代理執(zhí)行該子任務(wù)，此時(shí)媒體組件代理會(huì)將此子任務(wù)分解的動(dòng)作轉(zhuǎn)的為合適的媒體組件接口協(xié)議向各媒體組件發(fā)送動(dòng)作請(qǐng)求，并將各動(dòng)作執(zhí)行結(jié)果反饋給事務(wù)管理器，由事務(wù)管理器根據(jù)事務(wù)規(guī)則判斷事務(wù)執(zhí)行結(jié)果。

3.2 本框架相對(duì)X/Open DTP模型的改進(jìn)點(diǎn)和優(yōu)化點(diǎn)

在此項(xiàng)目中，考慮到項(xiàng)目業(yè)務(wù)方的實(shí)際需求和設(shè)計(jì)要求，對(duì)X/Open DTP 模型進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）對(duì)事務(wù)管理按層級(jí)進(jìn)行細(xì)化[6]，擴(kuò)展出Task(子任務(wù))、Action（動(dòng)作）概念，以Task(子任務(wù))為單位進(jìn)行兩階段提交，同時(shí)允許同一個(gè)Action 歸屬于不同的Task（子任務(wù)），以便于外部媒體組件靈活處理，極大地增加了媒體處理設(shè)備（板卡）的接口靈活性，減少耦合，提高可擴(kuò)展性。

在圖1 中，動(dòng)作(Action)1、動(dòng)作(Action)2、動(dòng)作(Action)3 同時(shí)歸屬在不同的子任務(wù)(Task)1、子任務(wù)(Task)2、子任務(wù)(Task)3 中。

（2）對(duì)事務(wù)失敗結(jié)果的判定規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)[5]。根據(jù)項(xiàng)目的需要，以及AS 業(yè)務(wù)接口協(xié)議的設(shè)計(jì)要求，將事務(wù)(Transaction)中各子任務(wù)(Task)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系適度進(jìn)行弱化，保留各子任務(wù)(Task)間的順序依賴性，但去除整個(gè)事務(wù)(Transaction)的原子性要求，即允許事務(wù)中的前面部分子任務(wù)執(zhí)行成功，MRFC 網(wǎng)元向上層AS 網(wǎng)元返回執(zhí)行成功的子任務(wù)個(gè)數(shù)。這種改進(jìn)可以給上層AS 提供更靈活的子任務(wù)組織方式，也給上層AS 提供更大的失敗處理策略。

（3）將X/Open DTP 模型中的AP(Application Program)應(yīng)用程序部分向上層AS 網(wǎng)元遷移，同時(shí)將MRFC 網(wǎng)元與這些AS 網(wǎng)元間的接口抽象化、容器化，最大地提供框架的擴(kuò)展性。后續(xù)可以根據(jù)與AS 網(wǎng)元間的協(xié)議擴(kuò)展，在此容器部分增加或修改對(duì)應(yīng)的事務(wù)(Transaction)、子任務(wù)(Task)定義和協(xié)議自解析功能代碼，即能提供新的業(yè)務(wù)接口功能。

（4）結(jié)合微服務(wù)和組件化思想，將媒體處理設(shè)備（板卡）組件化，框架中只提供抽象的資源管理處理框架，具體的媒體處理設(shè)備可以通過(guò)相應(yīng)的組件工廠和組件代理注冊(cè)到資源管理部分中，以實(shí)現(xiàn)資源組件的擴(kuò)展。

（5）智適應(yīng)：本框架通過(guò)“業(yè)務(wù)接口自解析容器”、“媒體組件自解析容器”、“媒體組件代理工廠”、“媒體組件代理”等模塊結(jié)合，一起提供一套抽象的事務(wù)、子任務(wù)、動(dòng)作處理流程，使本框架能夠透明地處理媒體事務(wù)，也即使框架能夠具備一定的智適應(yīng)能力，能夠適配各種具體的業(yè)務(wù)接口和媒體組件接口，達(dá)到上下接口的智適應(yīng)和自擴(kuò)展效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

X/Open DTP 分布式事務(wù)模型、微服務(wù)和組件化等思想都是業(yè)界比較成熟的軟件思想和技術(shù)，通過(guò)將這些成熟的思想和技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目中，并針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際需求進(jìn)行合理的優(yōu)化、改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一套具有一定智適應(yīng)能力的媒體事務(wù)處理框架，并在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中取得了很好的效果，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，為項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展作出了極大的貢獻(xiàn)，也達(dá)到了一定的經(jīng)濟(jì)效果，值得進(jìn)一步在實(shí)際應(yīng)用中研究探索;當(dāng)然，在實(shí)施過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，需要我們繼續(xù)不斷地加以完善改進(jìn)。