基于SDN和NFV的直播集群設(shè)計與實現(xiàn)

胡國強， 陳書軍，李　力

(西北農(nóng)林科技大學(xué)　a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心；b.林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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基于SDN和NFV的直播集群設(shè)計與實現(xiàn)

胡國強a， 陳書軍b，李力a

(西北農(nóng)林科技大學(xué)a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心；b.林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

針對當(dāng)前直播系統(tǒng)并發(fā)性能低下，結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速演進，在綜合考慮直播集群技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于SDN網(wǎng)絡(luò)和NFV技術(shù)架構(gòu)的Red5直播集群，并在實際環(huán)境中跟傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的Red5集群系統(tǒng)性能進行對比測試。測試結(jié)果表明，此直播集群系統(tǒng)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的Red5集群系統(tǒng)并發(fā)性高。

SDN；NFV；Red5；直播；集群

流媒體技術(shù)(Streaming Media Technology)是在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸多媒體的技術(shù)，旨在解決以Internet為代表的中低帶寬網(wǎng)絡(luò)上視頻、音頻數(shù)據(jù)流的傳輸問題。流媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用于視頻直播、點播，其核心是搭建流媒體服務(wù)器。大型現(xiàn)場直播時很多用戶通過PC和移動終端觀看，單臺流媒體直播服務(wù)器根本無法滿足需求。為了增加直播服務(wù)器的并發(fā)性能，利用集群技術(shù)將很多直播服務(wù)器集中起來進行并行計算，從而獲得很高的服務(wù)性能以滿足大規(guī)模直播的要求。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷增加，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)能力，仍然存在著對資源調(diào)度和配置的靈活性不足、新業(yè)務(wù)部署慢、對網(wǎng)絡(luò)運營維護的要求高等一系列問題[1]。在此背景下，以SDN和NFV為代表的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)進入快速變革時期。軟件化、集中化、虛擬化的思想、技術(shù)和靈活性、擴展性和簡單性將成為未來網(wǎng)絡(luò)的基本特性[2]，質(zhì)量可保證的虛擬網(wǎng)絡(luò)將成為未來網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對SDN下的流媒體開展了前瞻研究，文獻[3-5]研究了云平臺環(huán)境下部署流媒體集群；李晨在文獻[6]中探討了SDN和NFV的發(fā)展；鄭夢青在文獻[7]中對SDN的3D視頻編碼與傳輸技術(shù)進行了研究；文獻[8]實現(xiàn)了SDN網(wǎng)絡(luò)平臺面向組播業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)；文獻[9]將流媒體集群并發(fā)技術(shù)應(yīng)用到點直播系統(tǒng)中；文獻[10]設(shè)計了GENI電影，依靠SDN傳輸?shù)目缮炜s視頻直播服務(wù)；文獻[11] 研究并設(shè)計了基于開放流網(wǎng)絡(luò)的流媒體傳輸模型；文獻[12]用緩沖HTTP流媒體直播結(jié)合SDN的方法改善了5G無線網(wǎng)絡(luò)通信；文獻[13]提出了在SDN用分層自適應(yīng)的學(xué)習(xí)方法來傳輸視頻流；文獻[14]用SDN實現(xiàn)了服務(wù)器的負載均衡。針對流媒體直播服務(wù)器并發(fā)性低下和Red5集群不能均衡負載，采用集群技術(shù)結(jié)合SDN和NFV技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于SDN和NFV技術(shù)架構(gòu)的Red5直播集群。

1　基于SDN和NFV的直播集群設(shè)計方案

1.1關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1SDN架構(gòu)

SDN是Emulex網(wǎng)絡(luò)一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其創(chuàng)新之處在于網(wǎng)絡(luò)的可軟件編程，即用軟件動態(tài)地實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制層與數(shù)據(jù)層分離開來，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制[15]，在視頻直播時，可以將控制流和視頻流分開來，合理分配帶寬，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。其設(shè)計思想最初來自美國的未來互聯(lián)網(wǎng)計劃( Future Internet Network Design，F(xiàn)IND)，其最大優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制流和數(shù)據(jù)流的解耦合、網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用狀態(tài)控制的集中化、靈活的軟件編程能力，可以有效地解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)擴展性差、網(wǎng)絡(luò)組織靈活度低、應(yīng)用實施繁瑣、高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本高等問題，并極大降低了網(wǎng)管員的工作量和工作難度。

國際上對未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究主要包括美國的NewArch，F(xiàn)IND和GENI歐盟的FIRE等項目。IETF組織也參與了對下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。ONF是一家非盈利的組織機構(gòu)，致力于SDN的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，是當(dāng)前業(yè)界最活躍、規(guī)模最大的SDN標(biāo)準(zhǔn)組織。ONF針對SDN提出了SDN的架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1　SDN架構(gòu)

SDN將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)解耦合為應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)3層架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)不僅提供傳輸數(shù)據(jù)的功能，而且跟虛擬化后的計算、存儲資源一樣成為一種可動態(tài)調(diào)配的服務(wù)資源。這種服務(wù)資源經(jīng)過虛擬化后，將不再成為制約新業(yè)務(wù)應(yīng)用的瓶頸。

1.1.2NFV架構(gòu)

NFV是歐洲電信聯(lián)盟提出來的，ETSI網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化行業(yè)規(guī)范工作組由國外52家網(wǎng)絡(luò)運營商、電信設(shè)備供應(yīng)商、IT設(shè)備供應(yīng)商和技術(shù)供應(yīng)商聯(lián)合組建，其致力于NFV的研究，通過對NFV的研究使IT虛擬化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，讓更多不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備跟符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、交換機和存儲設(shè)備相互融合[16]。其通過使用x86等價格便宜、性能穩(wěn)定通用性硬件設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)的虛擬化技術(shù)，去實現(xiàn)很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。這樣可以節(jié)約購買昂貴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本。網(wǎng)絡(luò)機房里面存放大量的服務(wù)器、存儲設(shè)備，還有大量不同廠商生產(chǎn)的不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，維護起來成本高，部署起來復(fù)雜，新業(yè)務(wù)上線很慢，網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化解決了這個難題。NFV架構(gòu)上線后把所有功能挪到標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器上實現(xiàn)， NFV架構(gòu)如圖2所示。

圖2　NFV架構(gòu)

在圖2中，NFVI就是基礎(chǔ)設(shè)施，進行管理和虛擬化，目標(biāo)是為了在上面提供這些稱之為VNF的功能。這些功能單元運行在虛擬化出來的虛擬機或容器里。最右邊NFV MANO這一塊是整個系統(tǒng)的管理部分。

1.1.3Red5集群技術(shù)

集群(cluster)是由一組相互獨立的、通過高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的計算機組成的系統(tǒng)，其目的在于提高應(yīng)用系統(tǒng)性能、降低成本、提高可擴展性、增強可靠性，其任務(wù)調(diào)度則是集群系統(tǒng)中的核心技術(shù)。集群按照用途分為科學(xué)集群、高可用性集群、負載均衡集群。負載均衡集群可以利用計算機集群的計算機平攤處理接受的任務(wù)。接受的任務(wù)處理過程中的負載分為網(wǎng)絡(luò)流量負載和應(yīng)用程序處理負載，兩種負載方式均適合向使用同一應(yīng)用程序的大量用戶提供多線程并發(fā)服務(wù)。集群的每個節(jié)點都參與一定規(guī)模的處理負載，并且可以對集群的每個節(jié)點動態(tài)分配負載量，以達到負載均衡的目的[17]。使用網(wǎng)絡(luò)流量負載服務(wù)時，應(yīng)用系統(tǒng)接受了入網(wǎng)的大流量，就會發(fā)送給集群內(nèi)所有節(jié)點上運行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序來分擔(dān)處理。同時，還可以根據(jù)每個節(jié)點上不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、不同的可用資源進行優(yōu)化。Red5集群采用邊源服務(wù)器的模式，邊服務(wù)器(Edge Server)用來接受來自于客戶端的連接，并將多個相同用戶域的連接進行合并多路復(fù)用，統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)給源服務(wù)器(Origin Server)進行處理，在源服務(wù)器處理完數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)發(fā)給邊服務(wù)器，再由邊服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端用戶[18]。Red5集群由源服務(wù)器和邊服務(wù)器組成，架構(gòu)圖見圖3。

圖3　Red5集群架構(gòu)

Edge Server的主要作用是用SimpleMRTMPEdgeManager管理連接，Edge Server上不需要部署服務(wù)；其監(jiān)聽客戶端端口9035，此端口用于接收客戶端請求，并向Origin Server取數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端；Edge Server和客戶端之間建立長連接，故有連接數(shù)限制。Origin Server監(jiān)聽9035端口等待邊連接，一旦與邊服務(wù)器連接后注冊連接，將資源轉(zhuǎn)發(fā)給Edge Server。

1.2基于SDN和NFV的直播集群整體架構(gòu)

基于SDN和NFV的直播集群由采集設(shè)備、硬件編碼器、SDN網(wǎng)絡(luò)、NFV架構(gòu)的云平臺、Red5直播集群、接收用戶6部分組成。整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4　基于SDN和NFV的Red5直播集群整體架構(gòu)

如圖4所示，攝像機采集節(jié)目后發(fā)送到硬件編碼器進行壓縮編碼，硬件編碼器經(jīng)過SDN網(wǎng)絡(luò)將直播數(shù)據(jù)推流到Red5直播集群，Red5直播集群的所有服務(wù)器由基于NFV架構(gòu)的云平臺虛擬實現(xiàn)，基于NFV架構(gòu)的云平臺可以按照直播服務(wù)所需劃分虛擬機。采集的數(shù)據(jù)推流到Red5直播集群后發(fā)送到接收用戶。

2　方案各模塊實現(xiàn)

2.1節(jié)目數(shù)據(jù)采集設(shè)備和硬件編碼器

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要是攝像機，攝像機采集節(jié)目數(shù)據(jù)后通過高清晰度多媒體接口(High Definition Multimedia Interface，HDMI)發(fā)送給硬件編碼器。硬件編碼器輸入高清HDMI音視頻信號，經(jīng)ARM926EJ-S Core 600 MHz進行編碼處理，經(jīng)過C64x+TMDSP Cor2G DSP芯片壓縮處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)的TS網(wǎng)絡(luò)流，直接取代了傳統(tǒng)的采集卡或軟件編碼的方式，采用硬編碼方式，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，圖像質(zhì)量更好，由于支持移動推流，可以通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)快速地把高清視頻上傳至服務(wù)器。

2.2SDN網(wǎng)絡(luò)

SDN控制器采用銳捷網(wǎng)絡(luò)SDN控制器RG-SE04，RG-SE04支持ONF組織定義的業(yè)界通用的協(xié)議。利用Openflow協(xié)議進行流表下發(fā)，進而對網(wǎng)內(nèi)所有支持SDN的交換設(shè)備進行控制。目前支持到最新的Openflow版本V1.3.1，并且向下兼容V1.0。銳捷SDN控制器內(nèi)支持NFV功能，并且能夠利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)將多個不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供的功能進行抽離，例如虛擬防火墻、虛擬應(yīng)用網(wǎng)關(guān)等一起放入SDN控制器內(nèi)部進行運行。SDN交換機采用銳捷網(wǎng)絡(luò)RG-S6010-48GT4XS交換機，其支持Openflow v1.3協(xié)議。

2.3基于NFV架構(gòu)的云平臺

NFV技術(shù)就是將傳統(tǒng)的CT業(yè)務(wù)部署到云平臺上，通過實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化(虛擬化實現(xiàn)軟硬件分離)和云化(云化實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)隨業(yè)務(wù)量的伸縮部署和硬件資源的共享)，重新定義網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)開放、智能、敏捷。借助NFV，可改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的封閉特性，縮短業(yè)務(wù)創(chuàng)新周期、降低運營成本，實現(xiàn)從傳統(tǒng)語音、數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)向數(shù)字化服務(wù)的轉(zhuǎn)型?；贜FV技術(shù)的云資源服務(wù)平臺采用VMware Vcloud suite，計算資源平臺采用12臺DellPowerEdge G11 R815，網(wǎng)絡(luò)資源平臺采用支持Openflow的RG-S6010-48GT4XS交換機，存儲資源平臺采用IBM System Storage SAN Volume Contrller IBM Storwize V7000。4個平臺整合在一起形成云平臺，其負責(zé)劃分Red5直播服務(wù)器。

2.4Red5直播集群的實現(xiàn)

大規(guī)模直播時，連接數(shù)眾多，會增加服務(wù)器壓力，導(dǎo)致服務(wù)器響應(yīng)緩慢，此時需要許多直播服務(wù)器共同分流用戶?；谶呍茨Ｊ絉ed5集群可以分流用戶連接，其實現(xiàn)過程如下：

1)將所有的Server分別安裝Red5軟件，將安裝好的Red5服務(wù)器劃分為origin server與edge server。

2)配置edge server：對conf/ 目錄下的red5-edge.xml，red 5-edge-core.xml進行配置，其應(yīng)用于edge server的Spring bean 配置。通過配置reds-edge-core.xml中的mrtmpClient字段，來制定origin Server的地址和端口，即更新點到源服務(wù)。配置具體實現(xiàn)代碼：

class="org.red5.server.net.mrtmp.MRTMPClient" init-method="start" >

然后使用red5-edge.xml把red5.xml替換掉[19]。啟動服務(wù)./red5.sh。

3)配置origin server：打開 origin server 9035 端口，此端口用于邊和源的連接。將origin server中conf/目錄下的red5.xml替換為red5-origin.xml。

4)部署應(yīng)用到origin server的webapps/，啟動服務(wù)器./red5.sh。

3　方案的測試

3.1傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下并發(fā)性測試

測試設(shè)備選用普通千兆交換機和VMware Vcloud suite劃分虛擬機(2臺Red5 edge server、1臺Red5 origin server)。測試server配置中，CPU為AMD Opteron Processor 6376，內(nèi)存8 Gbyte。測試軟件為LoadRunner。測試環(huán)境為同一個交換機下構(gòu)建局域網(wǎng)測試，且多個用戶同時請求服務(wù)。測試目的是測試Red5集群可承受的最大并發(fā)。期望結(jié)果是對客戶端的請求隨并發(fā)用戶數(shù)的增加逐漸加快，到達一定峰值后不再上升，并開始下降。測試要素為并發(fā)用戶數(shù)，并發(fā)時間是3 min。最大并發(fā)數(shù)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下Red5集群并發(fā)圖

3.2SDN架構(gòu)下并發(fā)性測試

測試設(shè)備選用RG-SE04、RG-S6010-48GT4XS、VMware Vcloud suite劃分虛擬機(其中2臺Red5 edge server、1臺Red5 origin server)。測試sever配置中，CPU為AMD Opteron(tm) Processor 6376，內(nèi)存8 Gbyte。測試軟件為LoadRunner。測試環(huán)境為SDN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境測試，且多個用戶同時請求服務(wù)。測試目的為測試Red5集群的可負載的最大并發(fā)數(shù)。期望結(jié)果為對客戶端的請求隨并發(fā)用戶數(shù)的增加逐漸加快，到達一定峰值后不再上升，并開始下降。測試要素是并發(fā)用戶數(shù)，并發(fā)時間是3 min。SDN開啟負載均衡下最大并發(fā)數(shù)測試結(jié)果如圖6所示。

圖6　SDN和NFV架構(gòu)下Red5集群并發(fā)圖

由前文3.1節(jié)與3.2節(jié)的最大并發(fā)性測試結(jié)果可知，在SDN和NFV架構(gòu)下Red5集群最大并發(fā)數(shù)高于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下Red5集群最大并發(fā)數(shù)。分析原因，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下Red5集群負載均衡方式為網(wǎng)絡(luò)共享式；基于SDN和NFV架構(gòu)的Red5集群負載均衡方式可根據(jù)用戶所需動態(tài)調(diào)整。

4　結(jié)論

為了提高直播系統(tǒng)并發(fā)性，將SDN和NFV架構(gòu)應(yīng)用到現(xiàn)有的集群系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于SDN和NFV架構(gòu)的直播集群。在實際測試中驗證了基于SDN和NFV架構(gòu)的直播集群的并發(fā)性能，說明基于SDN和NFV架構(gòu)的直播集群是一種可行的提高并發(fā)性的方案。

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胡國強(1981— )，碩士，工程師，主研計算機網(wǎng)絡(luò)和機器學(xué)習(xí)；

陳書軍(1977— )，博士，助理研究員，主研生態(tài)水文學(xué)和森林生態(tài)學(xué)；

李力(1963— )，碩士，教授，主要研究電子技術(shù)與軟件工程。

責(zé)任編輯：許盈

Design and implementation of live broadcast clusters based on SDN and NFV

HU Guoqianga, CHEN Shujunb, LI Lia

(a.NetworkandEducationTechnologyCenter;b.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,ShaanxiYangling712100,China)

To solve the problem of poor concurrency performance of current live system and considering the rapid evolving of new network technologies such as SDN (Software Defined Networking) and NFV (Network Function Virtualization), the Red5 live broadcast cluster based on SDN and NFV technical framework is designed and realized with the technological advantages of live broadcast cluster taken into consideration. In addition, tests are conducted to compare the system performance of the designed cluster in real environment with that of the Red5 cluster constructed by traditional network. Test results show that the live broadcast cluster system designes boasts higher concurrency performance than the Red5 cluster constructed by traditional network.

SDN；NFV；Red5；live broadcast；clusters

TP393.02

A

10.16280/j.videoe.2016.09.007

陜西省自然科學(xué)基金項目(2014JM2-3029)

2016-02-23

文獻引用格式：胡國強，陳書軍，李力.基于SDN和NFV的直播集群設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(9)：36-40.

HU G Q, CHEN S J, LI L. Design and implementation of live broadcast clusters based on SDN and NFV [J].Video engineering，2016，40(9)：36-40.