CDN技術(shù)應(yīng)用及VOD系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2007/05/29
CDN的提出
隨著目前寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用越來越豐富，使得寬帶用戶迅速增加，對骨干網(wǎng)構(gòu)成了極大的壓力。其中，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬最大的流媒體應(yīng)用和軟件下載業(yè)務(wù)占了很大比重，且該比例還會隨著寬帶的普及而迅速增長。對于當(dāng)前應(yīng)用而言，減少訪問流量的擁塞及用戶的訪問響應(yīng)時(shí)間，是一個(gè)亟待解決的問題。于是，CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了。
傳統(tǒng)的訪問模式存在幾個(gè)嚴(yán)重影響用戶訪問效率和質(zhì)量的環(huán)節(jié)：
- 傳統(tǒng)的DNS解析過程在將主機(jī)域名轉(zhuǎn)換為IP地址時(shí)，并不預(yù)先判斷該服務(wù)器是否正常工作，若該服務(wù)器已停機(jī)，便會造成服務(wù)中斷。
- 互聯(lián)網(wǎng)缺乏一個(gè)專門的中央管理結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，不同網(wǎng)絡(luò)間的兼容以及不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商／ISP之間的傳輸瓶頸等問題使得數(shù)據(jù)的流通受到限制。
- 現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)包傳輸為基礎(chǔ)，任何一個(gè)數(shù)據(jù)包的丟失或出錯(cuò)都必須重新發(fā)送，從而導(dǎo)致延遲。
- 現(xiàn)有的路由技術(shù)以路由器工作狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)來確定當(dāng)前數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，這往往會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸所經(jīng)過的路徑并不是當(dāng)前最佳路徑。
CDN系統(tǒng)通過在網(wǎng)絡(luò)各處放置節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，構(gòu)成在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的智能虛擬網(wǎng)絡(luò)層，能盡量避開互聯(lián)網(wǎng)上可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性等瓶頸問題，使內(nèi)容傳輸?shù)母�、更穩(wěn)。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、響應(yīng)時(shí)間等綜合信息，將用戶的請求重新導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上。對用戶來說，通過CDN系統(tǒng)，不但使得到響應(yīng)的時(shí)間被大大縮短，而且連接質(zhì)量也大大提高，從而有效提高了上網(wǎng)訪問的總體性能。對于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，則大大的減小骨干網(wǎng)的壓力，將對骨干網(wǎng)壓力最大的流媒體內(nèi)容和下載業(yè)務(wù)放置到網(wǎng)絡(luò)的邊緣。
CDN的關(guān)鍵技術(shù)
（1）雙重認(rèn)證技術(shù)
系統(tǒng)中提供了基于流媒體服務(wù)內(nèi)核的認(rèn)證插件，以驗(yàn)證用戶是否有效登錄。每當(dāng)用戶請求某個(gè)節(jié)目流時(shí)，在流媒體服務(wù)內(nèi)核上，就會對用戶身份進(jìn)行一次確認(rèn)，如果用戶是從正常途徑訪問的，則可播出該節(jié)目流，否則，流服務(wù)器將拒絕為用戶提供該節(jié)目流。利用基于流媒體服務(wù)內(nèi)核的認(rèn)證插件，可有效地防止用戶利用StreamBox等工具來下載流媒體內(nèi)容。
�。�2）負(fù)載均衡
包括本地服務(wù)器和廣域網(wǎng)上各個(gè)CDN節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載均衡，根據(jù)實(shí)際的流量和負(fù)荷狀況，將用戶的請求在不同服務(wù)器之間合理分配。
系統(tǒng)通過節(jié)目的自動發(fā)布、分發(fā)和調(diào)度，將一些熱門的節(jié)目內(nèi)容分布到多臺視頻服務(wù)器上，用戶在登錄時(shí)，就近訪問視頻服務(wù)器，以達(dá)到平攤負(fù)載的目的。在系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器上，將實(shí)時(shí)登記各臺視頻服務(wù)器當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)流量，并根據(jù)其他一些用戶定義的策略，計(jì)算出各視頻服務(wù)器當(dāng)前的負(fù)載加權(quán)指數(shù)，該指數(shù)說明了服務(wù)器當(dāng)前的負(fù)載情況，應(yīng)用服務(wù)器對多臺視頻服務(wù)器的另權(quán)指數(shù)進(jìn)行排序。當(dāng)用戶訪問寬頻網(wǎng)站并進(jìn)行點(diǎn)播時(shí)，通過相應(yīng)認(rèn)證后，應(yīng)用服務(wù)器開始為用戶分配視頻服務(wù)器資源。此時(shí)，優(yōu)先選擇負(fù)載最輕的服務(wù)器為用戶服務(wù)。
（3）內(nèi)容分發(fā)
為使節(jié)目的分布合理，使盡可能多的用戶點(diǎn)播能夠路由到用戶最近的媒體終端，CDN系統(tǒng)可提供如下的節(jié)目分布策略：按點(diǎn)播率的大小分布、根據(jù)節(jié)目的更新時(shí)間、推薦度進(jìn)行分發(fā)和淘汰，也可支持管理員進(jìn)行指定文件的分布。
CDN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
對于寬帶信息源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的結(jié)構(gòu)，必須著重考慮應(yīng)用的布局合理性，盡量將應(yīng)用推向用戶端旁路應(yīng)用的數(shù)據(jù)流量，避免造成骨干網(wǎng)絡(luò)的擁塞。
寬帶應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)支撐平臺CDN可簡單的分為核心層和接入層。
（1）核心層
核心層作為CDN網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中的頂端，核心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理和維護(hù)的核心，所有的用戶內(nèi)容請求都會由核心節(jié)點(diǎn)進(jìn)入CDN網(wǎng)絡(luò)，并由CDN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，為用戶指定一個(gè)合理的CDN接入層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行服務(wù)。
作為CDN網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)可不直接參與對用戶的服務(wù)，而是作為CDN運(yùn)作的中樞，完成如下的主要功能：
a）負(fù)責(zé)所有用戶的內(nèi)容請求根據(jù)用戶的信息做出準(zhǔn)確的用戶就近性判斷，并根據(jù)判斷的結(jié)果，將用戶的請求分發(fā)到指定的分節(jié)點(diǎn)。
b）負(fù)責(zé)CDN的內(nèi)容分發(fā)管理把需要服務(wù)的內(nèi)容通過合適的格式和方式，分發(fā)到所有的骨干CDN節(jié)點(diǎn)。
（2）接入層
接入層作為CDN網(wǎng)絡(luò)的邊緣層，強(qiáng)調(diào)對用戶的分布式服務(wù)，主要完成的功能包括：
- 流媒體平臺的緩存節(jié)點(diǎn)，提供分區(qū)高速內(nèi)容緩存；
- 廣播業(yè)務(wù)分布點(diǎn)，提供兩級應(yīng)用廣播服務(wù)；
- 部分應(yīng)用前端分布節(jié)點(diǎn)；
- 通過分布的服務(wù)機(jī)制，提高服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)對客戶服務(wù)的需求。
CDN的業(yè)務(wù)功能
a）靜態(tài)內(nèi)容發(fā)布 向網(wǎng)絡(luò)用戶提供迅速、可靠的內(nèi)容發(fā)布服務(wù)，對訪問用戶的請求就近響應(yīng)。
b）改善網(wǎng)站服務(wù)質(zhì)量 CDN系統(tǒng)中先進(jìn)的內(nèi)容路由及網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)時(shí)將網(wǎng)站的每位用戶引導(dǎo)至最佳的一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)站的內(nèi)容則由該節(jié)點(diǎn)傳達(dá)給網(wǎng)絡(luò)用戶。
c）緩解數(shù)據(jù)風(fēng)暴 CDN可有效減少網(wǎng)站服務(wù)器的負(fù)荷，防止網(wǎng)站熱點(diǎn)信息內(nèi)容被頻繁點(diǎn)擊時(shí)出現(xiàn)問題。
d）穩(wěn)定的服務(wù)性能 通過先進(jìn)的負(fù)載均衡技術(shù)，CDN可確保其系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)化狀態(tài)。
此外，先進(jìn)的網(wǎng)管系統(tǒng)可對服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，確保其隨時(shí)處于正常、健康的工作狀態(tài)。如有問題發(fā)生，則立即切換至備份服務(wù)器，以保證用戶的連續(xù)訪問，為解決故障贏得寶貴的時(shí)間。
CDN的業(yè)務(wù)應(yīng)用
（1）VOD視頻點(diǎn)播系統(tǒng)
VOD是視頻點(diǎn)播技術(shù)的簡稱，也稱交互式電視點(diǎn)播系統(tǒng)，可根據(jù)用戶的需要播放相應(yīng)的視頻節(jié)目，從根本上改變用戶過去被動式看電視的不足。
系統(tǒng)提供基于流媒體方式的點(diǎn)播業(yè)務(wù)，流媒體的后臺支持如MPEG1／2／4、REAL SERVER和微軟的MEDIA SERVER，用戶在進(jìn)行視頻點(diǎn)播時(shí)，可很方便地實(shí)現(xiàn)按類別的節(jié)目瀏覽、各類關(guān)鍵字進(jìn)行節(jié)目查詢、查看節(jié)目排行表、輸入自己的影評、查看別人的影評、進(jìn)行節(jié)目預(yù)覽等操作。
（2）遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)
在CDN應(yīng)用平臺上，可利用直播功能實(shí)現(xiàn)同步教學(xué)內(nèi)容的網(wǎng)上直播，同時(shí)提供自動錄播功能錄制成課件；也可制作多媒體課件并發(fā)布到課件點(diǎn)播服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)基于多媒體系統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育。此外，還可提供網(wǎng)絡(luò)互動交流功能，方便學(xué)生和教師進(jìn)行文字、語音、視頻等多媒體交流。
（3）遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)
在CDN應(yīng)用平臺上，利用直播功能實(shí)現(xiàn)中心醫(yī)院與基層醫(yī)院就疑難病癥進(jìn)行會診、指導(dǎo)治療與護(hù)理、對基層醫(yī)務(wù)人員的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)等。遠(yuǎn)程醫(yī)療對于一些中、小醫(yī)院有著重要的意義，即可同時(shí)得到大醫(yī)院的醫(yī)學(xué)專家的咨詢和會診。
（4）多媒體互動廣告插播
多媒體廣告插播功能對于一個(gè)商業(yè)化運(yùn)營的系統(tǒng)極為重要，可作為VOD業(yè)務(wù)的支撐手段和重要補(bǔ)充。在CDN應(yīng)用平臺中，提供完善的廣告插播功能，包括流媒體廣告插播、文字廣告插播、FLASH廣告插播等。
除此之外，它還有其他具有行業(yè)特色的應(yīng)用，如大型網(wǎng)站新聞發(fā)布、大型游戲網(wǎng)站分布、大型活動網(wǎng)上直播系統(tǒng)等。
圖1 中心節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)圖
VOD系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）核心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
核心包括以下子系統(tǒng)：WEB服務(wù)子系統(tǒng)、認(rèn)證服務(wù)器、CDN調(diào)度／下載服務(wù)器、流媒體播出服務(wù)子系統(tǒng)、DRM認(rèn)證服務(wù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)子系統(tǒng)、后備存儲NAS系統(tǒng)、內(nèi)部管理服務(wù)子系統(tǒng)等。
1）WEB服務(wù)器主要是為用戶提供寬帶內(nèi)容網(wǎng)站W(wǎng)EB服務(wù)。
2）CDN資源調(diào)度服務(wù)器是CDN調(diào)度的核心，通過該服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備上的節(jié)目分發(fā)到各個(gè)視頻服務(wù)器上。
3）視頻服務(wù)器可根據(jù)不同的應(yīng)用需要提供不同的并發(fā)能力，以同時(shí)服務(wù)本地的寬帶用戶。
a）內(nèi)存要求 服務(wù)器上需要至少30MB的預(yù)留內(nèi)存，另外視頻每Kbit/s流量至少需要12KB的內(nèi)存。250并發(fā)節(jié)目流的視頻需要的最少內(nèi)存為：30MB+12KB×250×500Kbit/s=1.53GB，因此需配置2GB，以為將來擴(kuò)展留出余量。按500Kbit/s流速率播出節(jié)目時(shí)，每小時(shí)節(jié)目需要的磁盤存儲容量為500Kbit/s×3600秒/8/1000=225MB。在每臺視頻服務(wù)器上，若配置了4×73GB=292GB的磁盤陣列，能存儲1300小時(shí)的節(jié)目。
b）網(wǎng)卡配置 若節(jié)目采用MEDIA格式的流媒體傳輸，傳輸流速率為28.8Kbit/s到10Mbit/s，當(dāng)傳輸流速率在500Kbit/s左右時(shí)能提供達(dá)到SVCD質(zhì)量的視頻傳輸效果，并且能方便ADSL客戶進(jìn)行點(diǎn)播。250個(gè)500Kbit/s的節(jié)目流需占用250×500Kbit/s=125Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬，但在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，效率一般只有70%左右，因此，需要在視頻服務(wù)器上配置1塊1000M以太網(wǎng)卡。
c）帶寬需求 若核心節(jié)點(diǎn)采用10臺視頻服務(wù)器，提供10×250=2500個(gè)并發(fā)節(jié)目流的服務(wù)能力。按各節(jié)目流500Kbit/s計(jì)算，核心節(jié)點(diǎn)實(shí)際進(jìn)行視頻碼流輸出所需網(wǎng)絡(luò)帶寬為500K×2500=1.25G。
4）DRM認(rèn)證服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對同時(shí)在線訪問的用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。本系統(tǒng)中，采用數(shù)字版權(quán)管理（DRM），主要用以對流媒體節(jié)目的內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)。在以往，當(dāng)系統(tǒng)不采用DRM保護(hù)時(shí)，用戶通過各種途徑盜用媒體資源鏈接或下載媒體內(nèi)容后，便可免費(fèi)使用媒體內(nèi)容，或進(jìn)行再次分發(fā)，造成運(yùn)營商的巨大損失。而采用DRM系統(tǒng)后，DRM打包機(jī)器將根據(jù)系統(tǒng)的加密算法和密鑰對媒體內(nèi)容進(jìn)行加密，此后再將媒體內(nèi)容通過各種載體（如CD-ROM、媒體服務(wù)器等）進(jìn)行發(fā)布；當(dāng)用戶得到加密的媒體內(nèi)容后，必須先到發(fā)放節(jié)目的供應(yīng)商的認(rèn)證中心進(jìn)行身份認(rèn)證和繳納相應(yīng)的費(fèi)用，才可得到授權(quán)的解密密鑰，媒體播放器利用這個(gè)解密密鑰將媒體內(nèi)容進(jìn)行解密后，便可以播放了。
由于DRM對媒體內(nèi)容的加密可包括靜態(tài)的文件或動態(tài)的節(jié)目流，因此，十分便于在各種場合應(yīng)用，可對在線的視頻直播和點(diǎn)播節(jié)目進(jìn)行管理。同時(shí)，也可提供加密節(jié)目下載，但只有授權(quán)的用戶才能解開節(jié)目進(jìn)行觀看。
5）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于用戶的信息資料存儲，并能同時(shí)滿足用戶對數(shù)據(jù)庫的并發(fā)訪問。
6）NAS網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備解決服務(wù)器存儲方式下帶來的存取等瓶頸問題。它將信息存儲設(shè)備與服務(wù)器分開，網(wǎng)絡(luò)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對存儲設(shè)備的直接存取訪問，把存儲設(shè)備當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，進(jìn)行直接存取。
在各視頻服務(wù)器上，配置的SCSI磁盤陣列，按照80/20的比例，將這部分空間用于存儲全系統(tǒng)中20%左右的熱門節(jié)目，而剩下的80%的冷門節(jié)目則由網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備存儲，只有在需要時(shí)，才會被調(diào)度到各視頻服務(wù)器上去。因此，網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備的要求主要是容量大，對I／0輸出等則要求不高，主要用于后備節(jié)目的存放，并通過CDN調(diào)度服務(wù)器分發(fā)到各個(gè)流服務(wù)器上。
（2）分發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在邊緣分發(fā)節(jié)點(diǎn)，提供500個(gè)500 K的并發(fā)節(jié)目流輸出，因此，需要兩臺視頻服務(wù)器。每臺視頻服務(wù)器提供250個(gè)并發(fā)節(jié)目流，需要250×500K=125Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，至少需要配置2FE。
中國聯(lián)通網(wǎng)站
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