廣電視頻點播系統(tǒng)存儲策略探討

毛紅衛(wèi)，陳海明，周忠瑞

（浙江省諸暨市融媒體中心，浙江 紹興 311800）

0 引言

視頻點播（Video on Demand，VOD）又稱為互動點播、在線點播，以實時性、交互性、自主性和直觀性等特點，越來越多地滲透到人們的日常生活娛樂中，內(nèi)容包括文字、圖片、視音頻等多種形式[1]。海量、超大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)影響運營過程中的數(shù)據(jù)調(diào)度、輸出寫入、數(shù)據(jù)恢復(fù)等一系列的系統(tǒng)效率，對此，存儲策略有多級存儲、內(nèi)部緩存、云存儲等多種方式，提高硬件的性能、優(yōu)化存儲結(jié)構(gòu)、采用多級Cache 緩存和智能調(diào)度（優(yōu)化算法）等多種手段，提升存儲系統(tǒng)的可靠性、可用性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性[2]。各級廣電單位（融媒體中心）根據(jù)社會效益、經(jīng)濟效益以及自身發(fā)展需要等多種因素綜合考量，建設(shè)基于廣電網(wǎng)絡(luò)的VOD 系統(tǒng)。本文將介紹一種基于智能網(wǎng)格推流系統(tǒng)的云分布式存儲策略。

1 廣電VOD 系統(tǒng)存儲模式

分布式存儲是把在地理位置上相對分散的存儲空間整合成一體，高度依賴網(wǎng)絡(luò)，把分散的存儲空間鏈接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、存儲和計算分開。在存儲磁盤中采用緊耦合節(jié)點互連方式進行分布式存儲，存儲陣列節(jié)點之間通過輸入/輸出（Input Output，I/O）互聯(lián)進行通信，系統(tǒng)通過訪問權(quán)限對存儲特定節(jié)點進行管理操作。分布式存儲的核心技術(shù)包括文件條帶化、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機制、存儲備份、存儲顆粒度和淘汰機制等。

在VOD 視頻服務(wù)領(lǐng)域不存在分布式計算的問題，實際需要重點解決的是分布式存儲問題[3]。隨著高清、超高清視頻的應(yīng)用，超大容量存儲要求越來越高。采用云分布式存儲的方法，可以支持萬級規(guī)模的用戶量的普及，甚至更高并發(fā)流信息共享，可以有效解決傳統(tǒng)集群架構(gòu)存儲不能共享、服務(wù)資源不能動態(tài)分配、擴容空間部署復(fù)雜等問題，將存儲功能從服務(wù)器系統(tǒng)主體中分離，具有強大的獨立存儲功能，海量數(shù)據(jù)緩存更專業(yè)高效[4]。

2 VOD 系統(tǒng)管理機制與存儲策略

2.1 本地緩存機制

VOD 視頻服務(wù)器具備本地緩存單元。存儲系統(tǒng)使用串行SCSI（Serial Attached SCSI，SAS）接口的機械磁盤或Flash 介質(zhì)磁盤作為緩存載體。本地物理存儲設(shè)備部件支持自動化熱插拔，減少人工干預(yù)。

2.2 分層緩存管理

VOD 視頻存儲系統(tǒng)采用分層緩存管理策略，按空間分配保存有所有文件分片數(shù)據(jù)的獨立的熱度統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]。熱度高的數(shù)據(jù)放在一級高速緩存中，熱度低的數(shù)據(jù)放在二、三級緩存中，根據(jù)熱度的實時變化，自動、實時遷移相應(yīng)的分片數(shù)據(jù)到相應(yīng)的緩存區(qū)域。分布式存儲系統(tǒng)通過特征數(shù)據(jù)分割提取實現(xiàn)分層管理，時序數(shù)據(jù)特征提取公式為

式中：i1、i2分別表示數(shù)據(jù)包的兩種特征相關(guān)度參數(shù)。根據(jù)特征標簽進行分割，引入緩存節(jié)點相對空間距離權(quán)重a計算數(shù)據(jù)包緩沖長度，計算公式為

式中：LI表示特征數(shù)據(jù)包緩沖長度，n為特征子數(shù)據(jù)包數(shù)量，ΔB為分布式緩存數(shù)據(jù)包平均容量。根據(jù)計算結(jié)果對特征數(shù)據(jù)包進行分布式多層緩存管理。分層緩存管理機制分為服務(wù)器緩存、代理緩存和客戶端緩存3 大層級。

服務(wù)器緩存采用隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）存儲方法，對VOD 系統(tǒng)服務(wù)器本地數(shù)據(jù)進行緩存，通過數(shù)據(jù)預(yù)取方法縮短點播視頻存儲延遲，分布式存儲節(jié)點分別對各自區(qū)域的存儲網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)頻處理。代理緩存是系統(tǒng)服務(wù)器磁盤硬存儲，針對存儲數(shù)據(jù)量大、局域網(wǎng)延時嚴重情況，啟動數(shù)據(jù)代理緩存，調(diào)動集中緩存中心數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄彺娲砉?jié)點，可有效減少I/O 路徑瓶頸頻率，提高服務(wù)器存儲系統(tǒng)負載能力?？蛻舳司彺婊邳c對點（Peer to Peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)資源擴容服務(wù)，以局部終端節(jié)點為中心，獲取相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，增強數(shù)據(jù)庫資源完整度，以提供更高效率的緩存與數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 緩存替換策略

采用三級Cache 緩存技術(shù)支持緩存替換，內(nèi)存Cache 實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存讀寫，加快響應(yīng)速度；硬盤Cache 實現(xiàn)數(shù)據(jù)從硬盤讀寫，調(diào)整緩存策略參數(shù)配置，硬盤與內(nèi)存組合存儲模式可進行互連數(shù)據(jù)讀寫替換。

根據(jù)VOD 系統(tǒng)規(guī)劃，邊緣緩存節(jié)點承擔本地80%的并發(fā)流量，20%并發(fā)來自網(wǎng)絡(luò)的存儲規(guī)則，分來源地對緩存文件分片進行哈希校驗，根據(jù)損壞處理機制（Intelligent Corruption Handling，ICH），存儲管理系統(tǒng)會從集群內(nèi)對文件分片數(shù)據(jù)的完整性進行校驗，哈希轉(zhuǎn)換公式為

式中：αi、βi分別表示緩存數(shù)據(jù)i的存儲節(jié)點向量和存儲空間向量。利用稀疏度計算選取最優(yōu)關(guān)聯(lián)度可替換數(shù)據(jù)，計算公式為

式中：XI(i)為稀疏度關(guān)聯(lián)可替換數(shù)據(jù)閾值，fm表示稀疏關(guān)聯(lián)密度值，ti為節(jié)點信息緩存時間。通過式（4）推斷損壞數(shù)據(jù)的可替換關(guān)聯(lián)參數(shù)，進行補償替換緩存。

ICH 機制重新調(diào)度緩存損壞的部分數(shù)據(jù)，對內(nèi)存緩存信息進行周期性備份，根據(jù)存儲日志邏輯，將獨立節(jié)點存儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為持久化緩存形式，調(diào)入存儲空間，剔除原有問題數(shù)據(jù)塊進行替換。

2.4 讀寫旁路與懶惰存儲

傳統(tǒng)的單一存儲方式受限于節(jié)點空間，當緩存出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，無法繼續(xù)將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行映射緩存，還會增加存儲空間的I/O 路徑時延情況。為滿足客戶端讀寫響應(yīng)需求，將存儲中心的讀寫旁路與懶惰緩存法結(jié)合，以保證存儲池數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。實現(xiàn)步驟如圖1 所示。

當客戶端請求通過I/O 路徑檢索關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否在數(shù)據(jù)庫中，在存儲池調(diào)動關(guān)鍵詞相關(guān)數(shù)據(jù)滿足客戶需求。若檢索發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫未能滿足客戶請求，將請求信息轉(zhuǎn)發(fā)到關(guān)聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進行讀寫旁路檢索，獲取缺失數(shù)據(jù)塊。當數(shù)據(jù)庫中某一數(shù)據(jù)塊訪問次數(shù)過多而產(chǎn)生大量運行緩存，可將該數(shù)據(jù)塊進行重用距離設(shè)置，采用懶惰緩存策略，避免多次訪問產(chǎn)生I/O 時延，增加存儲系統(tǒng)冗余緩存數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)多級存儲負載均衡控制

3.1 本地負載均衡策略

負載均衡能極大地降低網(wǎng)絡(luò)堵塞，提高終端訪問的有效命中率和服務(wù)節(jié)點的響應(yīng)速度，可以使用軟件實現(xiàn)也可以使用硬件實現(xiàn)，保證高效的資源調(diào)度和分發(fā)。為保證整個系統(tǒng)的負載均衡，系統(tǒng)采用全局負載均衡（Global Server Load Balance，GSLB）、本地負載均衡（Server Load Balance，SLB）相結(jié)合的方式，如圖2 所示。本地負載均衡是在全局負載均衡調(diào)度基礎(chǔ)上為終端選擇節(jié)點內(nèi)最優(yōu)的存儲單元提供服務(wù)。

圖2 多級負載均衡

本地負載均衡負責節(jié)點內(nèi)存儲單元之間的流量均衡，系統(tǒng)支持以下本地負載均衡策略：通過對終端發(fā)起的內(nèi)容請求和對節(jié)點內(nèi)視頻存儲單元的內(nèi)容分布，把終端請求指向到包含內(nèi)容的視頻存儲單元，這是本地負載均衡的內(nèi)容策略；通過對節(jié)點內(nèi)視頻存儲單元的流量、鏈接數(shù)等多重解析，把終端指向到節(jié)點負載情況較好、網(wǎng)絡(luò)狀況較好和負擔輕的單元，這是本地負載均衡邊緣存儲單元策略。

3.2 全局負載均衡策略

全局負載均衡方式是調(diào)度分發(fā)的過程，在眾多分散的資源站點中，為終端選擇一個最近的最優(yōu)節(jié)點作為服務(wù)站點，在節(jié)點與節(jié)點之間保證數(shù)據(jù)的基本平衡。系統(tǒng)支持以下3 個全局負載均衡策略。第一，通過對網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址段和單個IP 地址的解析，把終端發(fā)起的請求指向到終端物理位置最近的節(jié)點，這是全局負載均衡的就近策略；第二，通過對終端內(nèi)容請求解析，把終端發(fā)起的內(nèi)容請求指向到包含終端請求的節(jié)點，這是全局負載均衡的內(nèi)容策略；第三，通過對節(jié)點的流量、鏈接數(shù)等多重解析，把終端指向到節(jié)點負載情況較好、網(wǎng)絡(luò)狀況較好和負擔輕的節(jié)點，這是全局負載均衡節(jié)點策略。

4 結(jié)語

VOD 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。近幾年，以視頻為主的VOD 業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，應(yīng)用范圍越來越廣。本文介紹了海量VOD 數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)度方式，探究分布式存儲系統(tǒng)架構(gòu)、存儲策略和負載均衡機制，針對獨立存儲節(jié)點之間相互獨立的分布式緩存模式、讀寫旁路和懶惰存儲、分層管理機制與替換存儲等策略進行分析，證明分布式獨立的存儲單元的服務(wù)中斷不會影響系統(tǒng)整體的正常運轉(zhuǎn)，可以有效維護VOD 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲安全穩(wěn)定。