第 4 章流媒体服务器技术

第4章流媒体服务器技术

本章结构 流媒体服务器技术

学习目标 • 1．知识目标： • --理解流媒体服务器的概念与特点， • --掌握流媒体服务器系统的硬件体系结构， • --了解不同类型的流媒体服务器， • --掌握流媒体服务器的关键技术。 • 2．能力目标：能根据实际需要选配流媒体服务器及相关设备。 • 3．素质目标：知道互联网中哪些服务是由网络流媒体服务器提供的。

4.1 流媒体服务器概述 • 4.1.1 流媒体服务器的概念 • 4.1.2 流媒体服务器的特点 • 4.1.3 流媒体服务器的功能

4.1.1 流媒体服务器的概念 • 流媒体服务器是一种对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用计算机设备，采用流媒体的压缩格式，在符合技术指标的情况下对数据进行压缩编码，以满足存储和传输的要求。 • 流媒体服务器可为用户提供的服务包括广播、准视频点播和视频点播。

4.1.1 流媒体服务器的概念 • 广播方式是将节目按一定的顺序播放，用户没有选择的权利，也不能控制节目的播放，因此这种方式非常像电视台节目播出的方式。 • 准视频点播（NVOD）方式使用多个广播流将同一个节目按固定间隔时间陆续播放。 • 视频点播与准视频点播不同，它应用户的要求发送节目，每个用户独占一个流，视频服务器必须实时响应用户命令。

4.1.2 流媒体服务器的特点 • 1）将多通道、录制与播放等功能集于一体。 • 2）用硬盘作为记录媒体，具有非线性特点，因而具有非线性设备所有的优点。 • 3）节目记录在硬盘还未形成完整文件时，便可由输出通道调出播放。 • 4）流媒体服务器容易实现向前或向后的变速播放。 • 5）具有巨大的存储能力。 • 6）使用流式数据传输方式。

4.1.3 流媒体服务器的功能 • 流媒体服务器是一种压缩、存储、处理视音频数据的专用计算机 • 它由视音频压缩编码器、大容量存储设备SCSI/FC接口(高速SATA/SAS/PCI-E接口)、输入/输出通道、网络接口、视音频接口、RS-232/422/485串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成

4.1.3 流媒体服务器的功能 流媒体服务器和组网结构图

4.2 流媒体服务器的分类 • 4.2.1 基于体系结构分类 • 4.2.2 基于结构的扩展性分类 • 4.2.3 硬件工艺结构分类

4.2.1 基于体系结构分类 • 1. 基于通用计算机的服务器 • 这类服务器采用PC 服务器级别的高档PC等通用计算机作为主机，以硬盘为主要存储介质，处理能力有限，一般适用于卡拉OK歌厅系统、酒店系统等小型应用系统，提供的并发视频流数目一般在300左右。

4.2.1 基于体系结构分类 • 2. 基于高级工作站的服务器 • 这一类视频服务器采用的是并行计算机，如SGI Origin 2x00、Origin 3x00等，在设计时主要的目的是面向商业计算、事务处理和图形生成。 • 基于高级工作站的视频服务器充分利用已有计算机结构和硬件性能，可以支持中等规模的网络需求，其缺点是价格昂贵。 • 这类服务器具有较好的可扩展性能。

4.2.1 基于体系结构分类 • 3. 基于专用硬件平台的服务器 • 这类服务器厂商提供全面的网络视频服务解决方案，其产品为网络视频服务量身定做，专门面向商业化网络视频应用。这种服务器其存储、网络I/O等完全针对视频应用而设计，针对不同的接入网络和系统需求，提供以太网服务模块、ATM接口服务模块、DVB-ASI接口服务模块、QAM接口服务模块等，并提供操作系统和网络视频应用软件。美国nCUBE4服务器

4.2.1 基于体系结构分类 • 4. 分布式结构服务器 • 分布式结构服务器的设计思想是将视频服务器的功能分布到网络中去，例如把输入/输出负载能力和存储能力分布到网络中，这样就可以解决单机型视频服务器设计中可能出现的瓶颈。

4.2.1 基于体系结构分类 • 经过分析统计发现，各个节目被访问的概率相差很大，即2-8规则：热门的节目点播或下载的人数多，而大部分节目点击率低，存在很大的不平衡 • 采用集中管理、分级分布存储的方法，把点击率高的放在高速存储器上，把点击率次高的放在中速存储器上，把点击率低的放在低档存储器上，系统根据点击率的变化，自动动态调整，其原理如图4-1所示。

4.2.1 基于体系结构分类 低速存储高速存储集中控制和调度

4.2.2 基于结构的扩展性分类 • 1.通用可扩展（升级）结构 • 通用可扩展计算机结构大体上基于以下思路，由单个或几个CPU组成单个节点，每个节点是一个功能处理单元，节点之间通过路由器实现互连，路由器通过可扩展内部互连规则组成一个具有一定拓扑结构的内部无阻塞网络。

4.2.2 基于结构的扩展性分类 • 2.不可扩展结构 • 不可扩展结构视频服务器是指一些低端PC 服务器级网络视频服务产品，这些服务器基于单CPU或SMP结构，网络视频处理能力比普通PC强大，但系统对可升级性的支持很差。 • 不可升级结构的视频服务器处理能力很小，主要应用于宾馆、酒店、用户数目较少的居民小区VOD应用系统；若系统只开放NVOD应用，则可配置多个这种服务器用于大区域系统。

4.2.3 硬件工艺结构分类 • 根据节点的扩展方法，主要有插槽式结构、积木式结构和混合结构三类。 • 1.插槽式结构 • 插槽式结构的视频服务器具有一个大的机架，根据型号不同提供若干个扩展插槽，每个插槽可插入一个扩展模块，每个模块带有一个或两个节点。

4.2.3 硬件工艺结构分类 • 2. 积木式结构 • 积木式结构的视频服务器将整个系统的功能块分成一个个硬件模块，如CPU块、电源块、路由块、存储块、I/O块等，这些功能块可以根据需要自由组合，如需要高处理能力，可以多配置CPU块；如需要高存储能力，可多配置存储块。

4.2.3 硬件工艺结构分类 • 3. 混合式结构 • 这种视频服务器的特点是节点的扩展采用积木式，节点内的存储、I/O扩展采用插槽式。 • 可升级结构的视频服务器可适应多种应用，系统媒体数据存储可线性扩展，系统输出能力可线性扩展，一般比较合适用于城域、跨地区等广域VOD系统。

4.3 流媒体服务器系统硬件体系结构 • 4.3.1 星型和树型结构 • 4.3.2 网格（Mesh）结构 • 4.3.3 Torus结构 • 4.3.4 n维超立方体结构

4.3 流媒体服务器系统硬件体系结构 • 流媒体服务器是采用多个处理节点（或称模块，以下在未特殊说明时不加区分）的分布式互连体系结构模块的基本结构如图 4-2所示。

4.3 流媒体服务器系统硬件体系结构

4.3流媒体服务器系统硬件体系结构 • 模块化的设计注定了流媒体服务器采用分布式体系结构，多个处理模块之间通过内部互连I/O实现高带宽、低时延的无级互连，以达成系统的高度可扩展性，如图4-3所示。

4.3 流媒体服务器系统硬件体系结构

4.3.1 星型和树型结构 • 星型和树型结构是常见的互连结构，分别如图4-4（a）、图4-4（b）所示。

4.3.2 网格（Mesh）结构 • 网格（Mesh）连接方式中路由器连接成为网格状，以4×4网格为例，如图4-5所示。很容易计算出，一个二维N×N的网格一共有2（N-1）N条链路。

(a) 2-D Mesh（4×4） (b) 3-D Mesh（4×4）×4 4.3.2 网格（Mesh）结构 • 网格连接方式具有较高的灵活性和可扩展性。

4.3.3 Torus结构 • 由于Mesh结构的边缘路由器具有连接度较小的缺点，因此诞生了Torus结构，它能将对应的边缘节点也连接起来，如图4-6所示。

4.3.4 n维超立方体结构 • 超立方体互连是一种具有较高连接度的互连结构。在这种结构中，节点连接成为多维立方体形状，如图4-7所示。 • 连接度高（自愈性） • 最大路径短 • 可扩展性较差（不灵活）

4.4 流媒体服务器技术 • 4.4.1 服务器的RASUM衡量标准 • 4.4.2 流媒体服务器的关键技术

4.4 流媒体服务器技术 • 服务器的构成与微机基本相似，有处理器、硬盘、内存、系统总线等，它们是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在着较大差异。 • 服务器性能指标以系统响应速度和作业吞吐量为代表。 • 响应速度是指用户从输入信息到服务器完成任务给出响应的时间。 • 作业吞吐量是整个服务器在单位时间内完成的任务量。性能调整就是根据应用要求和服务器具体运行环境和状态，改变各个用户和访问程序所分配的系统资源，充分发挥系统能力，用尽量少的资源满足用户要求，达到为更多用户服务的目的。

4.4.1 服务器的RASUM衡量标准 • 对服务器的评估通常采用RASUM或RUMA评价体系。 • RASUM为以下指标首字母的缩写：Reliability（可靠性）、Availability（可用性）、Scalability（可扩展性）、Usability（易用性）、Manageability（可管理性）， • RUMA则为以下指标首字母的缩写：Scalability（可扩展性）、Usability（易用性）、Manageability（易管理性）、Availability（可用性）。

4.4.1 服务器的RASUM衡量标准 • 1. 可靠性 • 可靠性是指服务器必须具备高速运算处理能力和处理效率，以满足海量数据处理和密集客户请求响应。 • 简单来说，可靠性就是要求服务器必须运行正常、数据必须正确、能容错，其关键在于操作系统与硬件设备的协作。

4.4.1 服务器的RASUM衡量标准 • 2.可用性 • 可用性是指服务器必须具有高稳定性，尽量少出现停机待修现象。可用性以设备处于正常运行状态的时间比例作为平衡量指标，例如99.9％的可用性表示每年有8 小时的时间设备不能正常运行。

4.4.1服务器的RASUM衡量标准 • 3.可扩展性 • 可扩展性是指服务器的硬件配置，可以在原有的基础上方便地根据需要来扩展。它主要表现在两个方面：一是留有富余的机箱可用空间，二是充裕的I/O 带宽。

4.4.1服务器的RASUM衡量标准 • 4．易用性 • 易用性表现在是否能够让系统管理员轻松地确定故障部件、完成更换或配置服务器，以及远程管理界面是否友好等。 • 5. 易管理性 • 易管理性旨在利用特定的技术和产品来提高系统的可靠性，降低系统的购买、使用、部署和支持费用。最显著的作用体现在减少维护人员的工时占用和避免系统停机带来的损失。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • 1. 多处理器技术与并行技术 • 并行计算机是由一组处理单元组成的，这组处理单元通过相互之间的通信与协作，以更快的速度共同完成一项大规模的计算任务。视频服务器中常用的并行处理技术是SMP和DSM。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • 1）SMP • SMP是指在一个计算机上汇集了一组处理器（多CPU），各CPU之间共享内存子系统以及总线结构，如图4-8所示。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • （1）SMP 的特征 • ① 对称式共享存储。 • ② 单一的操作系统映像。 • ③ 局部高速缓存及其数据一致性。 • ④ 低通信延迟。 • ⑤ 共享总线带宽。 • ⑥ 支持消息传递、共享存储并行程序的设计。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • （2）SMP 的缺点 • ① 欠可靠。 • ② 可扩展性较差。

4.4.2流媒体服务器的关键技术 • 2）DSM • DSM使用分布式存储器模式，如图4-9所示，所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器。它的思路是将SMP和集群的优势结合起来，由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成系统，各个节点可以是单个的CPU或是一个SMP系统。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • DSM 较好地改善了SMP 并行机的可扩展能力，具有如下特征： • （1）并行机以结点为单位； • （2）物理上分布存储； • （3）单一的内存地址空间； • （4）NUMA模式； • （5）单一的操作系统映像； • （6）基于高速缓存的数据一致性； • （7）低通信延迟与高通信带宽； • （8）DSM 并行机可扩展到上百个结点； • （9）支持消息传递、共享存储并行程序的设计。

4.4.2流媒体服务器的关键技术 • 2.数据存储模型 • 1）数据存储模型 • 数据存储模型有分布式存储和集中式存储两种。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • （1）分布式存储 • 分布式存储采用磁盘阵列在多个节点间以分布的方式来存储媒体数据，如图4-10所示。 • 由于节点之间通过互连I/O来进行通信，因此，这些磁盘阵列中存储的数据从物理上来看虽然挂接在某个特定的节点，但对所有的节点来说，都是可以互相远程访问的。

4.4.2 流媒体服务器的关键技术 • （2）集中式存储 • 集中式存储是将现有的SAN或NAS系统作为视频服务器的存储部分，如图4-11所示。每个节点可以通过FC交换机直接访问所有的数据而不需要经过其他节点，因此，数据的读取可以不通过节点之间的内部高速互联网络。 • 从网络吞吐型应用来说，采用这种方式的视频服务器体系结构更加合理，系统可以在线升级和加入新的存储设备。

第 4 章 流媒体服务器技术