基于云計算的電視會議系統(tǒng)設(shè)計

楊波

摘 要： 當(dāng)高清化、高負載成為電視會議發(fā)展的主流，傳統(tǒng)的技術(shù)保障方式使得服務(wù)器遭遇到技術(shù)瓶頸，急需新的技術(shù)手段來保證會議系統(tǒng)的正常運行。為此，在介紹電視會議和云計算相關(guān)概念的基礎(chǔ)上，提出了一種基于云計算的電視會議系統(tǒng)方案，該方案使用集群管理的方式來避免宕機事件的發(fā)生。采用該方案能減少電視會議系統(tǒng)建設(shè)成本，提高工作效率，進一步加快部隊信息化建設(shè)的進程。

關(guān)鍵詞： 電視會議； 云計算； 服務(wù)器； 集群管理； ZooKeeper

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）09-25-03

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，電視會議市場也出現(xiàn)了較大的突破。經(jīng)過多年的發(fā)展，電視會議技術(shù)日趨成熟，電視會議系統(tǒng)已經(jīng)成為企事業(yè)單位系統(tǒng)建設(shè)的“標(biāo)配”。電視會議能讓身處異地的與會者不受時間、空間、網(wǎng)絡(luò)的限制，獲得語音、視頻、圖片、文件的自由通訊，方便單位內(nèi)部人員的溝通協(xié)作，降低通訊成本。但是，當(dāng)高清化成為市場的主流，電視會議服務(wù)器越來越不堪重負，電視會議系統(tǒng)大容量負載、大規(guī)模用戶并發(fā)請求的通信要求使得傳統(tǒng)電視會議技術(shù)遇到了瓶頸。如果采用升級硬件平臺或是添加服務(wù)器的方法，不僅投入過于昂貴，而且不能根本性地解決問題[1]。

云計算的出現(xiàn)，為這一問題的解決提供了較好的途徑。順應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式轉(zhuǎn)變的趨勢，可擴展電視會議系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并部署于云計算平臺之上。云會議采用分布式部署，這使得資源的調(diào)度將更加便捷。而電視會議對于畫面的高清要求，也可以通過分布式部署來加以滿足。成熟的云計算技術(shù)將為電視會議提供優(yōu)質(zhì)高效的保障。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 電視會議

電視會議是一種交互的多媒體（語音、圖像、數(shù)據(jù)）通信手段，是音視頻技術(shù)、壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、交換技術(shù)等手段的綜合應(yīng)用，建立在通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上。電視會議的目的是將圖像、聲音和數(shù)據(jù)盡可能不失真地傳送到目的地。傳輸方式主要有雙絞線傳輸、同軸電纜傳輸、微波傳輸、衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸?shù)鹊萚2]。

電視會議系統(tǒng)中傳輸?shù)膱D像是用戶最為關(guān)心的指標(biāo)，影響圖像的因素有終端設(shè)備的硬件編解碼器、傳輸速率和視頻編碼格式。終端圖像編碼器將從攝像機得到的圖像進行編碼傳輸，并將得到的圖像信號解碼到視頻輸出設(shè)備，直接影響到圖像的質(zhì)量。足夠的傳輸速率是圖像傳輸?shù)谋ＷC，通信線路的發(fā)展使圖像傳輸?shù)玫搅顺浞值谋ＷC。當(dāng)傳輸速率達到384Kbps以上時，用戶就可以得到清晰流暢的視頻圖像。現(xiàn)在電視會議系統(tǒng)比較常用的傳輸速率在768K-4096Kbps，這樣的傳輸速率可以保證比較流暢的圖像質(zhì)量[3]。

1.2 集群管理

分布式應(yīng)用系統(tǒng)通常部署在一個有多臺服務(wù)器的集群環(huán)境中，當(dāng)集群規(guī)模達到一定程度后，宕機事件極易發(fā)生。對于一個高可用系統(tǒng)，必須能夠容忍一定數(shù)量的機器故障，當(dāng)故障發(fā)生時，其他機器應(yīng)該可以感知到并作出相應(yīng)處理。ZooKeeper是Apache Hadoop開源項目中的子項目，提供了一個分布式的協(xié)調(diào)服務(wù)框架。ZooKeeper本身部署在2N+1（N>0）臺機器的集群系統(tǒng)中，可以容忍N臺機器宕機，在保證高可用性同時還支持高性能的寫操作。用戶構(gòu)建的分布式應(yīng)用可以使用ZooKeeper提供的namespace數(shù)據(jù)模型來表達用戶集群的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶集群中有機器宕機時，ZooKeeper可以提供通知機制，應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求處理宕機事件。圖1給出了采用namespace數(shù)據(jù)模型描述的某個集群結(jié)構(gòu)。

該集群由3臺機器組成，分別對應(yīng)namespace模型中g(shù)roup節(jié)點下的3個子節(jié)點，這些子節(jié)點是瞬時順序節(jié)點。瞬時表示每個節(jié)點的壽命不會超過創(chuàng)建節(jié)點的進程的壽命，當(dāng)創(chuàng)建節(jié)點的進程結(jié)束時，這些節(jié)點會自動刪除，其他在該節(jié)點上設(shè)置了Watcher的進程會收到通知；順序表示每個進程創(chuàng)建節(jié)點都有一個序號，該序號是單調(diào)遞增的。利用節(jié)點的這種特性，集群中每臺機器對應(yīng)一個瞬時順序節(jié)點，當(dāng)某臺機器宕機后，其他機器中的進程可以收到該節(jié)點被刪除的通知，這樣每臺機器都可以感知集群中機器的狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)了集群管理[4]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 會議系統(tǒng)構(gòu)成

電視會議系統(tǒng)主要由電視會議終端、多點控制單元和傳輸網(wǎng)絡(luò)三部分組成。如圖2所示。

電視會議終端主要功能是完成音視頻信號的輸入和輸出，并且傳輸數(shù)據(jù)信號。電視會議終端將音視頻信號和數(shù)據(jù)、指令等數(shù)字信號處理成數(shù)字碼流，再將它轉(zhuǎn)變成與網(wǎng)絡(luò)接口兼容的信號格式以信道幀結(jié)構(gòu)送入網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。當(dāng)兩個終端之間需要召開點對點會議的時候，使用終端里的撥號功能就可以實現(xiàn)互聯(lián)互通。而多個終端之間要參加會議的時候，就需要MCU（多點控制單元）。多點控制單元能實現(xiàn)電視會議終端多點間的音視頻互通和數(shù)據(jù)交換。它將處理后的音視頻信號分配給對應(yīng)連接的信道。實際上多點控制單元是一臺多媒體數(shù)據(jù)交換機，實現(xiàn)多點間的連接，具備音視頻廣播、多畫面合成、信息交換等功能，實現(xiàn)各會議終端的連接與切換。它的作用就像電話交換系統(tǒng)，按照用戶的需求進行多點間的語音傳輸。多點控制單元為擁有多個分會場的會議召開提供了理想的解決方案。MCU的可堆迭結(jié)構(gòu)使得會議容量具有可擴展性，可根據(jù)終端的增加來增加MCU的數(shù)量。在多點會議系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)閘具有非常重要的作用。網(wǎng)關(guān)使符合不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻終端之間的視頻會議成為現(xiàn)實。網(wǎng)關(guān)能提供不同標(biāo)準(zhǔn)終端之間的呼叫信號翻譯、控制信道信息、音頻編碼翻譯和多路復(fù)用技術(shù)。網(wǎng)閘是構(gòu)建成功的IP電話或多媒體網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組件。通過網(wǎng)閘，網(wǎng)絡(luò)管理員可配置、監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)管理員控制網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬），限制區(qū)域內(nèi)最高帶寬和終端占用的帶寬，優(yōu)化IP網(wǎng)絡(luò)上實時的音頻、視頻和數(shù)據(jù)會議。

2.2 電視會議集群管理的實現(xiàn)

在電視會議系統(tǒng)中，需要對計算集群進行管理。電視會議的所有服務(wù)器構(gòu)成該集群，當(dāng)集群中任何一臺服務(wù)器宕機時，應(yīng)用程序可以得到通知，及時處理相應(yīng)的事件。由于每個應(yīng)用程序需要在每臺服務(wù)器上部署，當(dāng)應(yīng)用程序的配置改變時，需要修改每臺機器的配置。當(dāng)集群規(guī)模大時，手工完成勞動量會很大，這時我們就要用到ZooKeeper。

ZooKeeper提供了構(gòu)建分布式應(yīng)用時通用的底層基礎(chǔ)設(shè)施，利用這些基礎(chǔ)設(shè)施，分布式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)配置管理、集群管理等核心功能，這些功能可以通過對ZooKeeper提供的namespace數(shù)據(jù)模型（一種類似文件系統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)）進行適當(dāng)?shù)牟僮鞫鴮崿F(xiàn)。Namespace數(shù)據(jù)映像模型上的操作包括創(chuàng)建、刪除、修改等，這些操作具有順序一致性、原子性、單一系統(tǒng)映像（Single System Image）、可靠性、及時性（Timeliness）等特性，同時數(shù)據(jù)模型上的每個節(jié)點還支持安裝觸發(fā)器（Watcher）。我們可以利用ZooKeeper提供的數(shù)據(jù)模型（namespace）保存配置文件，當(dāng)配置有變動時，相應(yīng)的應(yīng)用程序可以得到通知，及時處理配置變更。

應(yīng)用服務(wù)器（App Server）被作為ZooKeeper集群的客戶端接入集群中，同時，它們又被作為用戶直接訪問的服務(wù)器。每個App Server在接入ZooKeeper集群時會向集群注冊自己，這樣可以利用ZooKeeper的集群管理功能，使得App Server能夠快速響應(yīng)集群的變化。為了達到上述目的，App Server需要實現(xiàn)一個集群管理器。集群管理器的設(shè)計非常簡單，只需要一個主要的類封裝ZooKeeper的功能即可，如圖3所示。

GroupManager在應(yīng)用程序中作為一個單獨模塊，向上提供集群管理API，應(yīng)用程序通過集群管理API可以“實時”感知集群信息，同時也“實時”上傳自己的負載信息到集群中被其他機器感知。GroupManager使用ZooKeeper對象（ZooKeeper Client）與ZooKeeper Server中對應(yīng)的znode。GroupManager在集群目錄上設(shè)置了Watcher，于是ZooKeeper向GroupManager發(fā)送節(jié)點變更通知，GroupManager根據(jù)集群管理對外提供的抽象功能，對事件進行處理，向上層應(yīng)用程序提供宕機事件通知。在電視會議系統(tǒng)中，部署在多個機器上的應(yīng)用程序需要感知整個集群的狀態(tài)，以及某個機器的信息，并在機器狀態(tài)變化時觸發(fā)自己的事件處理程序，所以在每個應(yīng)用程序中都有一個集群管理器的實例，應(yīng)用程序通過集群管理器訪問/管理集群。部分程序代碼如下：

Case SyncConnected：

{ switch（type）

{ case NodeChildrenChanged：

{ //集群節(jié)點有變化

int size=getSize（）；

ListChildren=getALLMachines（）；

If（size

{ //宕機，找到宕機地址

ListdownMachines=findDownMachines

（children，curMachines）；

…

}

在集群中部署的應(yīng)用程序都有自己的配置，有些配置是某個進程獨有的，有些是不同物理機上所有進程共享的。通常分布式應(yīng)用程序在多臺物理機上部署時，大部分配置都是一致的，可以將一致的部分抽取出來放在ZooKeeper Server的namespace中作為共享配置，當(dāng)某個進程修改共享配置時，其他進程會收到ZooKeeper提供的通知，做出相應(yīng)的處理。

應(yīng)用程序的配置完全由配置管理器來管理，配置管理器可以將應(yīng)用程序的配置存放在ZooKeeper znode中，并且保證對于共享配置的修改是同步的。當(dāng)應(yīng)用的某個進程在修改共享配置時，其他進程不可讀取/修改共享配置；在進程修改配置結(jié)束后，其他進程會收到共享配置更新的通知，然后做相應(yīng)的處理，所以事實上配置管理器還需要一個分布式鎖Lock來完成同步，即當(dāng)應(yīng)用程序（進程）讀共享配置時，對共享配置加讀（共享）鎖，允許其他進程加讀鎖，但不允許加寫（排他）鎖；當(dāng)進程寫共享配置時，對共享配置加寫鎖，此時不允許其他進程加讀鎖；對共享配置訪問完成后釋放相應(yīng)的鎖。

2.3 系統(tǒng)測試

編寫TEST類對電視會議集群管理進行測試。服務(wù)器啟動后其配置管理模塊自動連接到ZooKeeper Server上，然后執(zhí)行寫配置過程，測試中隨機輸入兩個數(shù)字作為配置數(shù)據(jù)，寫配置時，ConfigManager輸出日志表示申請到了寫鎖，然后更改了數(shù)據(jù)，釋放寫鎖；接著測試讀配置功能，先申請讀鎖，讀取數(shù)據(jù)，釋放讀鎖，最后打印出讀取的配置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試結(jié)果如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于云計算的電視會議系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集群管理的概念應(yīng)用到電視會議當(dāng)中，通過實際測試，系統(tǒng)運行情況良好，符合系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。下一步還要對系統(tǒng)進行長期的大量測試，研究并解決系統(tǒng)運行中的偶發(fā)故障，逐步使該系統(tǒng)完善。

參考文獻：

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