淺談流媒體內(nèi)容分發(fā)技術(shù)

朱宏興

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，浙江 杭州 310012）

1 Client-Server系統(tǒng)架構(gòu)

Client-Server拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)首先是Client向Server發(fā)出請(qǐng)求,Server收到請(qǐng)求后把數(shù)據(jù)直接發(fā)送到Client。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是具有集中管理的方便性。缺點(diǎn)也比較明顯，那就是當(dāng)Client連接數(shù)較多時(shí)，Server的網(wǎng)絡(luò)帶寬常不能滿足需求，并且并發(fā)和并行請(qǐng)求的處理也引起Server不堪負(fù)荷。

在這種架構(gòu)下，采用集中計(jì)算方式，客戶端和服務(wù)器存在著明顯的主從關(guān)系，具體來說C/S結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

1.1 該結(jié)構(gòu)模型以服務(wù)器為中心，各種各樣的資源、信息和數(shù)據(jù)等都存放在服務(wù)器的硬盤上，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)連到服務(wù)器上檢索、下載、上傳資料或請(qǐng)求運(yùn)算，只有服務(wù)器端具有控制能力，客戶端基本上充當(dāng)了一個(gè)高性能的I/O設(shè)備。

1.2 服務(wù)器性能決定了網(wǎng)絡(luò)的性能，每臺(tái)服務(wù)器所能提供的信息數(shù)量受到自身存儲(chǔ)空間的限制，而任意時(shí)刻它所能支持的客戶端訪問數(shù)量則既受到自身處理能力的限制也受到服務(wù)器所在網(wǎng)絡(luò)吞吐能力的限制。

1.3 被發(fā)布信息的分布與生存期十分穩(wěn)定。服務(wù)器只發(fā)布機(jī)器所有者想公之于眾的信息，這些信息將會(huì)在該服務(wù)器上穩(wěn)定地保存一段時(shí)間，并且該服務(wù)器通常也不間斷地運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上。

1.4 該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是被發(fā)布信息的存貯與管理比較集中、規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)安全性較高。

2 代理服務(wù)器技術(shù)

代理服務(wù)器 (Proxy Server)是一種特殊類型的Internet服務(wù)器。在傳統(tǒng)的Web應(yīng)用中，代理服務(wù)器用于擴(kuò)展用戶對(duì)Internet的數(shù)據(jù)訪問能力。為提高代理服務(wù)的系統(tǒng)效率，緩存(Cache)技術(shù)被引入到代理服務(wù)器中，代理服務(wù)器將一些頻繁訪問的數(shù)據(jù)存貯在內(nèi)存或硬盤中，當(dāng)用戶通過代理服務(wù)器用戶訪問時(shí)，如果數(shù)據(jù)在代理服務(wù)器的緩存中，代理服務(wù)器就無需訪問遠(yuǎn)程的服務(wù)器，而只需通過本地緩存為用戶服務(wù)。流媒體代理服務(wù)器的重要作用表現(xiàn)在：代理服務(wù)器承擔(dān)了一部分用戶訪問，有效的降低了主服務(wù)器的訪問負(fù)載；可以提高用戶訪問的響應(yīng)速度，降低啟動(dòng)延遲；代理服務(wù)器離用戶較近，網(wǎng)絡(luò)狀況較好，可以提供更好的流媒體服務(wù)；可以提高服務(wù)器的魯棒性及節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。

然而代理服務(wù)器的主要問題在于如何保證主服務(wù)器的內(nèi)容與代理緩存中的內(nèi)容的一致性。即當(dāng)服務(wù)器的內(nèi)容更新后，如何保證代理服務(wù)器中緩存的數(shù)據(jù)即時(shí)更新，對(duì)這些問題的研究就產(chǎn)生了更智能的CDN技術(shù)。

3 CDN技術(shù)

CDN(Content Delivery Network)，即互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)建立并覆蓋在互聯(lián)網(wǎng)(Internet)之上、由分布在不同區(qū)域的節(jié)點(diǎn)Server群組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)。CDN可以實(shí)現(xiàn)把Server的內(nèi)容高效、穩(wěn)定地發(fā)布到離Client最近的地方。其基本思路就是盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有一可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，使內(nèi)容傳輸?shù)母?、更穩(wěn)。通過在網(wǎng)絡(luò)各處放置節(jié)點(diǎn)Server所構(gòu)成的在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的一層智能虛擬網(wǎng)絡(luò)，CDN系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況以及到用戶的距離和響應(yīng)時(shí)間等綜合信息將用戶的請(qǐng)求重新導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)用戶來說，通過CDN系統(tǒng)，得到響應(yīng)的時(shí)間被大大縮短，連接質(zhì)量也大大提高，從而大大提高了上網(wǎng)訪問的總體性能。然而，CDN高昂的部署成本始終是一個(gè)問題。

流媒體CDN的核心問題主要集中在以下幾個(gè)方面，一是緩存代理服務(wù)器的緩存機(jī)制研究，包括緩存策略(全部緩存、分段緩存、頭部緩存等)、替換算法和預(yù)取算法等；一是針對(duì)部分緩存策略的分發(fā)技術(shù)研究以及多代理服務(wù)器間的協(xié)作等。CDN系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過將媒體緩存于距用戶較近的緩存代理服務(wù)器以提高客戶端的訪問質(zhì)量，同時(shí)減輕流媒體對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)上帶寬的消耗傳輸成本)，其緩存機(jī)制的設(shè)計(jì)、分發(fā)技術(shù)和多代理協(xié)作機(jī)制的研究等都是以此作為優(yōu)化目標(biāo)的。增加 CDN系統(tǒng)容量的方法：一是增加各代理的容量，但由于帶寬限制，其增加的空間極為有限，整個(gè)系統(tǒng)依然受到C/S架構(gòu)的因素的約束，并且其成本也不低；二是增加代理服務(wù)器的數(shù)量，但代理服務(wù)器的建設(shè)成本卻是極其昂貴的。另外，CDN對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸并不能起到作用。

4 IP組播技術(shù)

目前基于TCP/IP的Internet網(wǎng)絡(luò)主要有三種傳輸模式：?jiǎn)尾?、廣播和組播。

單播技術(shù)是一種單點(diǎn)到單點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，這種模式也是最常見的Internet通信方式。HTTP和FTP等應(yīng)用都采用這種單播模式。這種模式的缺點(diǎn)是如果多個(gè)用戶同時(shí)請(qǐng)求同一份數(shù)據(jù)，服務(wù)器必須通過網(wǎng)絡(luò)給每個(gè)用戶發(fā)送多份相同的數(shù)據(jù)。因?yàn)槎嗝襟w的數(shù)據(jù)量大，隨著客戶端數(shù)目的增加，很容易造成Server端的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

廣播技術(shù)是一點(diǎn)到所有主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式，服務(wù)器發(fā)送的一份數(shù)據(jù)，將被發(fā)送到連接在網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)。采用這種模式，服務(wù)器只需要發(fā)送一次數(shù)據(jù)，效率很高，但是由于發(fā)送模式的盲目性，數(shù)據(jù)會(huì)擴(kuò)散到所有的網(wǎng)段而不關(guān)心網(wǎng)段中的主機(jī)是否需要接收。如果多媒體通信采用廣播發(fā)送方式，則大量的數(shù)據(jù)將造成“廣播風(fēng)暴”，使網(wǎng)絡(luò)通信處于癱瘓。

組播技術(shù)融合了以上兩種傳輸模式的特點(diǎn)，可以將一份數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給一組特定的用戶，避免了數(shù)據(jù)的冗余又不會(huì)盲目地造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)，目前很多的流媒體應(yīng)用都采用這種傳輸模式。

IP組播方式在網(wǎng)絡(luò)上只有唯一的數(shù)據(jù)包在進(jìn)行傳輸，每個(gè)客戶端都能接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包，這極大地減輕了服務(wù)器的帶寬需求，并且減輕了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。在這種模型中，數(shù)據(jù)被有效地發(fā)送給對(duì)數(shù)據(jù)感興趣的接收者。在大規(guī)模的應(yīng)用中，組播技術(shù)能夠有效的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，然而IP組播技術(shù)有著其自身的問題。雖然研究人員對(duì)IP組播技術(shù)做了很多研究，并基于組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一些應(yīng)用，如視頻會(huì)議，然而在實(shí)際的部署中，IP組播技術(shù)仍然存在一些很重要的關(guān)鍵問題，主要包括：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)和終端系統(tǒng)的異構(gòu)性、組播的可靠性。

4.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性

IP協(xié)議在現(xiàn)實(shí)中能夠成功的應(yīng)用和流行，其中最重要的原因就是協(xié)議的簡(jiǎn)單性和健壯性。IP協(xié)議的設(shè)計(jì)遵循了端對(duì)端設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)單性原則，使Internet的核心網(wǎng)絡(luò)層保持簡(jiǎn)單、健壯并且易于理解，而讓其上層的協(xié)議提供其它復(fù)雜的服務(wù)。IP層只是簡(jiǎn)單地提供best effort的服務(wù)，而傳輸可靠性、擁塞控制和流量控制等都由上層負(fù)責(zé)。然而，組播要比單播復(fù)雜得多而難以部署。首先，組播模型中缺乏有效的組管理。Internet缺少對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層的訪問控制，導(dǎo)致任何匿名的用戶可以加入某些特定的會(huì)話組。任何用戶都可以通過給一些著名的組播會(huì)話中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一些無用的信息發(fā)起拒絕服務(wù)攻擊。雖然拒絕服務(wù)攻擊在單播服務(wù)中也存在，然而在組播系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)重得多。第二，路由器需要維護(hù)組播中每個(gè)session的狀態(tài)，這不但增加了路由的復(fù)雜性，同時(shí)也導(dǎo)致了路由的擴(kuò)展性。第三，組播要求給每個(gè)session分配一個(gè)全球唯一的組地址。組地址分配機(jī)制的缺乏將導(dǎo)致session間的地址沖突。第四，組播監(jiān)視和調(diào)試工具的缺乏導(dǎo)致難以管理。

4.2 網(wǎng)絡(luò)和終端系統(tǒng)的異構(gòu)性

雖然組播能夠有效地提高系統(tǒng)效率，很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能夠從組播服務(wù)中受益，然而Internet是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，在異構(gòu)環(huán)境中，組播仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)。異構(gòu)性表現(xiàn)在很多方面，包括網(wǎng)絡(luò)和終端。Internet的底層硬件平臺(tái)千差萬別，可以是以太網(wǎng)、ATM,FDDI、令牌環(huán)網(wǎng)、幀中繼、串行鏈路(PSTN,xDSL)、無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等，這些底層網(wǎng)絡(luò)具有不同的帶寬、硬件存取控制方式和時(shí)延特性，在多鏈路情況下，各鏈路的帶寬與代價(jià)也可能不同。另外，某些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)鏈路具有非對(duì)稱性，比如xDSL和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。終端主機(jī)的硬件處理能力和操作系統(tǒng)各不相同。就操作系統(tǒng)而言，主要操作系統(tǒng)包括UNIX,Windows,MacOS和OS2等以及各自不同的版本，對(duì)IP組播的支持程度和進(jìn)程調(diào)度與管理、TCP/IP的實(shí)現(xiàn)方式和API都存在差異。

此外，互聯(lián)設(shè)備具有差異性。路由器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在包轉(zhuǎn)發(fā)率、支持的路由協(xié)議的互操作性上存在差異。這些異構(gòu)性都導(dǎo)致了實(shí)現(xiàn)IP組播網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜性。由于多個(gè)用戶共享同一個(gè)通道，組播雖然在網(wǎng)絡(luò)效率上要遠(yuǎn)高于單播，然而單通道的組播的用戶只能接收同樣的數(shù)據(jù)，不能同時(shí)滿足不同用戶的不同需求，單通道組播缺少擴(kuò)展性。

4.3 組播的可靠性

在組播中，數(shù)據(jù)包的傳輸可靠性和單播中是一樣的，都只提供best effort服務(wù)，然而上層系統(tǒng)為組播提供可靠性傳輸、擁塞控制和流量控制等服務(wù)要比為單播提供這些服務(wù)復(fù)雜得多。在單播中，傳輸?shù)目煽啃?、有序性和擁塞控制等基本上都已?jīng)在TCP里實(shí)現(xiàn)了，而組播中，不同的應(yīng)用對(duì)可靠性、擁塞控制和流量控制有不同的需求，這就使實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)非常的復(fù)雜

[1]秀慧.《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全管理》清華大學(xué)出版社，2003

[2]H.Deshpande,M.Bawa,H.Garcia-Molina,etc.Streaming live media over peer-to-peernetwork.Technical report,Standford University,2001