基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

曾　帥，高宗彬，趙國鋒

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

曾帥，高宗彬，趙國鋒

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

設(shè)計(jì)了一種基于Tilera眾核平臺高強(qiáng)度的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構(gòu)，其主要包括：系統(tǒng)界面管理模塊、服務(wù)承載模塊和流媒體流量發(fā)生模塊。系統(tǒng)以流媒體用戶行為模型為基礎(chǔ)，針對Tilera眾核平臺進(jìn)行合理的任務(wù)并行的劃分，進(jìn)而完成系統(tǒng)整體框架的并行化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際測試驗(yàn)證，該系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的流媒體流量在不同情景下具有網(wǎng)絡(luò)吞吐率高、并發(fā)用戶數(shù)多、流媒體流量更為真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，可以對科研人員的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能測試、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議評估等提供更好的支持。

Tilera眾核平臺；并行處理；流媒體用戶行為；流媒體流量

0　引言

互聯(lián)網(wǎng)屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的領(lǐng)域，相關(guān)的研究成果只有在經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證后才會被廣泛接受。因此，研究人員需要網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床來驗(yàn)證新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、協(xié)議、服務(wù)等。但是由于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床無法接入實(shí)際的互聯(lián)網(wǎng)，在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中很難產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)流量，進(jìn)而研究人員無法對實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、協(xié)議、服務(wù)等進(jìn)行有效的測試。因此,作為用于產(chǎn)生大量網(wǎng)絡(luò)流量的流量發(fā)生器在網(wǎng)絡(luò)性能研究、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量研究、新協(xié)議的測試與部署、網(wǎng)絡(luò)安全性研究等領(lǐng)域具有不可或缺的作用［1］。

由于流媒體類型的網(wǎng)絡(luò)流量是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)總流量的主要組成部分之一，而且近年來其所占比重正在不斷

增長。從全球范圍來看，思科公司預(yù)測2016年流媒體內(nèi)容將會占去全部網(wǎng)絡(luò)流量的54%。在移動互聯(lián)網(wǎng)方面，截止到2014年底，移動視頻流量在移動數(shù)據(jù)總流量中的比例增長到55%。預(yù)計(jì)到2019年，接近四分之三的全球移動數(shù)據(jù)流量將為視頻流量［2］，并且隨著嵌入式眾核處理器的發(fā)展，在眾核處理器上的應(yīng)用開發(fā)也進(jìn)入了新的時代。本文設(shè)計(jì)了一種基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)，進(jìn)而對科研人員的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能測試、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議評估等提供更好的支持。

1　硬件平臺選擇

隨著嵌入式眾核處理器的發(fā)展，在眾核處理器上的應(yīng)用開發(fā)也進(jìn)入了新的時代。例如：西安電子科技大學(xué)研究的網(wǎng)絡(luò)安全測試設(shè)備［3］、H.264多線程并行編碼［4］、浙江大學(xué)研究的 3G服務(wù)器視頻轉(zhuǎn)碼軟件設(shè)計(jì)［5］、西安工程大學(xué)研究的NetFlow的P2P協(xié)議識別與檢測系統(tǒng)［6］等。

本系統(tǒng)所選擇的 Tilera Gx36系列眾核平臺的處理器架構(gòu)如圖1所示。其特征性能有：新一代64位處理器核心、增強(qiáng)的SIMD指令擴(kuò)展、集成高性能DDR3內(nèi)存控制器、硬件加速引擎、網(wǎng)絡(luò)包處理加速器。

圖1　Tilera Gx系列處理器架構(gòu)圖

2　流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文對流媒體用戶行為轉(zhuǎn)移模型的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　流媒體用戶行為轉(zhuǎn)移模型圖

將流媒體用戶觀看視頻的狀態(tài)分為：Init、Ready和Playing 3種狀態(tài)，采用馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型進(jìn)行流媒體用戶行為轉(zhuǎn)移的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)RTSP協(xié)議來模擬用戶觀看流媒體視頻的行為。該RTSP流媒體協(xié)議中包含PLAY、PAUSE、TERDOWN等相關(guān)指令，客戶端RTSP請求通過構(gòu)造這些指令來模擬流媒體用戶觀看視頻的行為。系統(tǒng)約定模擬的流媒體用戶在每個時刻只能采用一個交互式動作，該動作僅僅依賴于前一個狀態(tài)。表1描述了“消息—狀態(tài)”的相關(guān)性。

表1　消息—狀態(tài)相關(guān)性

2.2流媒體流量產(chǎn)生方式的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模擬產(chǎn)生流媒體流量方式的設(shè)計(jì)如圖3所示。

本系統(tǒng)以上述設(shè)計(jì)的流媒體用戶行為模型為基礎(chǔ)，針對Tilera眾核平臺進(jìn)行任務(wù)的并行劃分并對互聯(lián)網(wǎng)中的流媒體服務(wù)器中的視頻等資源并行地發(fā)起大量RTSP流媒體請求，進(jìn)而使得互聯(lián)網(wǎng)中的流媒體服務(wù)器返回的大量真實(shí)的流媒體流量途經(jīng)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。

圖3　流媒體流量產(chǎn)生方式圖

2.3系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3部分組成，包括系統(tǒng)界面管理模塊、服務(wù)承載模塊和眾核平臺上流媒體流量發(fā)生模塊。流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

FPGA電路接收雷達(dá)系統(tǒng)的高穩(wěn)定、高精度時鐘信號，利用其內(nèi)部鎖相環(huán)分頻產(chǎn)生滿足時間分辨率要求(一般取μs級)的內(nèi)部計(jì)數(shù)用時鐘信號，在計(jì)算機(jī)模塊下發(fā)對時開始時刻，該計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)。對于對時開始時刻，設(shè)相對時間為零，則該計(jì)數(shù)器的實(shí)時計(jì)數(shù)值即是相對于對時開始時刻的實(shí)時相對時間。如圖3所示，計(jì)算機(jī)模塊通過PCI總線讀取FPGA電路計(jì)數(shù)產(chǎn)生的實(shí)時相對時間，與對時開始時刻的絕對時間累加，即是系統(tǒng)的實(shí)時時間。對時開始時刻的絕對時間由計(jì)算機(jī)模塊通過解析串口或網(wǎng)絡(luò)接收的授時數(shù)據(jù)報(bào)文獲得。設(shè)計(jì)采用FPGA接收20 MHz的雷達(dá)系統(tǒng)時鐘。

圖4　流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構(gòu)

2.4系統(tǒng)界面管理模塊

該模塊為系統(tǒng)用戶提供了一個易操作且友好的Web網(wǎng)頁界面，支持系統(tǒng)用戶對不同情景下的流媒體流量的參數(shù)進(jìn)行配置，并將配置參數(shù)下發(fā)到服務(wù)承載模塊。

2.5服務(wù)承載模塊

服務(wù)承載模塊包括 Web server子模塊和 MYSQL數(shù)據(jù)庫模塊，其中 Web server子模塊又分為配置文件承載子模塊、通信承載子模塊和數(shù)據(jù)庫操作承載子模塊。

2.6流媒體流量發(fā)生模塊

流媒體流量發(fā)生模塊負(fù)責(zé)接收服務(wù)承載模塊下發(fā)的相應(yīng)命令來完成不同情景參數(shù)下的流媒體流量模擬產(chǎn)生的功能。該模塊包含N個流媒體流量發(fā)生子模塊，分別對應(yīng)分布式的 Tilera眾核平臺設(shè)備 1～N，通過利用分布式的架構(gòu)使得該 N臺 Tilera眾核平臺設(shè)備相互配合從而產(chǎn)生更大更逼真的流媒體網(wǎng)絡(luò)流量。

單臺Tilera眾核平臺上的流媒體流量發(fā)生模塊的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　流媒體流量發(fā)生模塊的架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)將該模塊劃分為Streaming并行訪問請求模塊、Streaming數(shù)據(jù)接收模塊、日志記錄模塊和流量分析處理模塊四個子模塊。將Tilera眾核平臺上的多個處理器核以每四個為一個并行任務(wù)組，將每臺Tilera眾核平臺又劃分成了多個并行的任務(wù)組進(jìn)行并行工作來模擬產(chǎn)生更多的流媒體并發(fā)用戶數(shù)，其中每個并行任務(wù)組中的4個處理器核對應(yīng)流媒體流量發(fā)生模塊中的4個子模塊，即每一個子模塊運(yùn)行在一個處理器核中，以提高系統(tǒng)整體的并行處理能力。其中將每臺Tilera眾核平臺上的多個處理器核中的某個核單獨(dú)拿出來作為主控核，該主控核負(fù)責(zé)與服務(wù)承載層進(jìn)行實(shí)時交互通信并接收服務(wù)承載層下發(fā)的相應(yīng)命令，并且控制及協(xié)調(diào)每臺 Tilera眾核平臺上的所有正在運(yùn)行的并行任務(wù)組聯(lián)合工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶對本系統(tǒng)所模擬產(chǎn)生的流媒體流量的過程具有可管可控的功能。

2.6.1流媒體流量反饋機(jī)制的設(shè)計(jì)

Tilera眾核平臺上的主控核定期檢測分析該臺Tilera眾核設(shè)備上的流媒體流量發(fā)生模塊整體模擬產(chǎn)生的流量信息，檢測模擬的整體流量在一定時間內(nèi)是否符合該配置參數(shù)情景下流媒體流量的整體波形變化情況，若與網(wǎng)絡(luò)流量的整體波形的誤差大于0.5%，則該主控核就按照預(yù)先設(shè)計(jì)的相應(yīng)策略對正在運(yùn)行的并行任務(wù)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到誤差小于0.5%為止，進(jìn)而確保對不同情景下的流媒體網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行有效逼真的模擬。

2.6.2RTSP請求保活機(jī)制的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用線程池技術(shù)來設(shè)計(jì)RTSP的并行請求。如圖6所示，由于RTSP連接是有狀態(tài)鏈接，為了保持請求的連接的活躍狀態(tài)，系統(tǒng)在線程池中設(shè)置一個心跳掃描線程定時對系統(tǒng)模擬的流媒體并發(fā)用戶數(shù)所建立的RTSP連接進(jìn)行檢測，在某個模擬的流媒體并發(fā)用戶所建立的連接距上次發(fā)送心跳包間隔時長超過 100 s時，通知RTSP心跳包線程發(fā)送心跳包，進(jìn)而維持較多的流媒體并發(fā)用戶數(shù)。

圖6　RTSP請求?；顧C(jī)制

3　系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

依據(jù)本文提出的基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個實(shí)際的測試系統(tǒng)。由于所在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制（2 Mb/s）不能夠產(chǎn)生所需要的大流量，因此在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)(千兆局域網(wǎng))內(nèi)部搭建一臺流媒體服務(wù)器，并進(jìn)行了系統(tǒng)測試。

該測試系統(tǒng)的流媒體參數(shù)配置界面如圖7所示。

圖7　流媒體參數(shù)配置界面

該界面支持科研人員針對不同的流媒體情景進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)控制多臺流媒體流量發(fā)生模塊聯(lián)合模擬產(chǎn)生不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)流量的功能。

Hurst指數(shù)是度量網(wǎng)絡(luò)流量自相似程度的重要指標(biāo)，Hurst指數(shù)的計(jì)算方法主要有7種［7］：聚合方差法、R/S分析法(R/S method)、周期圖法、絕對值法、殘差方差法、小波分析法、Whittle法。本文采用時間方法和R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)。

如圖8所示，流量產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的流量具有很強(qiáng)的自相似性，這與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)流量相一致，表明本系統(tǒng)對不同情景下模擬的流媒體流量具有較高的真實(shí)性。

圖8　流量產(chǎn)生系統(tǒng)流量自相似性檢測

如圖9所示，在單臺Tilera眾核平臺上采用兩個CPU處理器核來模擬 2 000左右的流媒體并發(fā)用戶數(shù)時，系統(tǒng)帶寬占用隨著并發(fā)用戶數(shù)的增加而增加，并且達(dá)到了最高點(diǎn)1 Gb/s，表明本系統(tǒng)可以模擬產(chǎn)生較大的流媒體流量吞吐量。

圖9　Tilera眾核平臺模擬流量與資源開銷

4　結(jié)論

本文提出了一種在B/S及分布式系統(tǒng)架構(gòu)模式下基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，包括Tilera眾核平臺硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)。本系統(tǒng)針對Tilera眾核平臺進(jìn)行并行任務(wù)的劃分與設(shè)計(jì)，采用線程池技術(shù)并以流媒體用戶行為模型為依據(jù)并行地發(fā)起RTSP請求誘使互聯(lián)網(wǎng)中真實(shí)的流媒體服務(wù)器在途經(jīng)的試驗(yàn)網(wǎng)中產(chǎn)生大規(guī)模流媒體網(wǎng)絡(luò)流量，并設(shè)計(jì)了流量反饋機(jī)制。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以模擬較大的流媒體流量吞吐率、較多的流媒體并發(fā)用戶數(shù)和不同情景下更逼真的流媒體流量，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具備較好的易操作性和可擴(kuò)展性。

［1］BOTTA A，DAINOTTI A，PESCAPé A.A tool for the generation of realistic network workload for emerging networking scenarios［J］.Computer Networks，2012，56(15)：3531-3547.

［2］Cisco VNI Mobile.視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)測更新2014-2019年報(bào)［DB/OL］.(2015).http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.

［3］李晨.基于多核的網(wǎng)絡(luò)安全測試設(shè)備的通用框架設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［4］張超.基于 TILE64的 H.264多線程并行編碼［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［5］韓笑.基于TILE Pro6多核處理器的3G服務(wù)器視頻轉(zhuǎn)碼軟件設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［6］楊三勝.Tilera多核環(huán)境下基于 NetFlow的 P2P協(xié)議識別與檢測［D］.西安：西安工程大學(xué)，2011.

［7］陳建，譚獻(xiàn)海，賈真.7種Hurst系數(shù)估計(jì)算法的性能分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006，26(4)：945-950.

Design of streaming media traffic generation system based on Tilera many-core platform

Zeng Shuai，Gao Zongbin，Zhao Guofeng
(School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

A new system architecture of streaming media traffic generator based on Tilera many-core platform is proposed,it includes module about system interface of management,service loading module and traffic module about streaming media.This system takes advantage of the powerful parallel processing ability and efficient network throughput features of Tilera platform,combined with user behavior of streaming media and parallel technology on Multi-core.After a large number of tests,it proved that the system could generate enough streaming traffic and number of concurrent users under different scenarios,at the same time,the network traffic generated by this system is more real.And the system could provide better support for the study of scientific research personnel about the testing of network equipment performance and evaluation of network protocols,etc.

Tilera many-core platform；parallel processing；user′s behavior of streaming media；traffic of streaming media

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.016

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500429)；江蘇省未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院未來網(wǎng)絡(luò)前瞻性研究項(xiàng)目(BY2013095-5-07，BY2013095-2-03)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB315806)

（2015-12-22）

曾帥（1982-），男，博士，講師，主要研究方向：未來網(wǎng)絡(luò)。

高宗彬（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：未來網(wǎng)絡(luò)，E-mail：1193447587@qq.com。

趙國鋒（1972-），男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：未來網(wǎng)絡(luò)。

中文引用格式：曾帥，高宗彬，趙國鋒.基于 Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：56-59.

英文引用格式：Zeng Shuai，Gao Zongbin，Zhao Guofeng.Design of streaming media traffic generation system based on Tilera manycore platform［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：56-59.