【文章內容簡介】 ，因此 CDN 網(wǎng)絡 將逐步發(fā)展成可以實現(xiàn)應用分布，并徹底改變現(xiàn)有 Inter 網(wǎng)絡的架構。 目前，內容分發(fā)技術在國際上已被廣泛應用。 2022 年的雅典奧運會已經(jīng)在歐洲采用 CDN 服務對整個奧運進行了網(wǎng)上直播，日本 Bitmedia 和日本ANCL(Adhoc Network Computing Laboratory)共同開發(fā)出了利用 CDN 來進行網(wǎng)上電視直播的 “ShareCast”系統(tǒng)并已經(jīng)得到廣泛應用 [17]。同時，跟據(jù) Forrester研究機構調查： 網(wǎng)站的頁面訪問量達到約 6 億次／天，其中 48％的頁面訪問是由其租 用 Akamai 公司的緩存服務器來完成的 [18]。 而 Akamai公司在全球 1000 多個網(wǎng)絡中部署了超過 20220 個節(jié)點，分布在 71 個國家。這些節(jié)點實時監(jiān)測網(wǎng)絡流量，偵測網(wǎng)絡擁塞， 并 利用這些網(wǎng)絡實時監(jiān)測信息來 優(yōu)化服務， 從而 為全球在線內容和在線商務提供先進的服務。 Akamai 公司不單只是加速基本頁面的下載性能，更提供了全球最大的分布式計算平臺用于各種應用和內容分發(fā)， 目前， Akamai 平臺的每天處理整個 Inter 流量的20%，每天超過 10 億次點擊 [19]。 由此可見， CDN 不僅給采用此技術的網(wǎng)站帶來 訪問 速度上 的優(yōu)勢，而且也為提供此項增值服務的 IDC 服務供應商帶來可觀的經(jīng)濟效益。 國 內 的發(fā)展情況 流媒體在中國的寬帶網(wǎng)建設中被列為最主要的應用之一，越來越多的運營商開始采用網(wǎng)絡視頻媒體服務解決 方案， 增強在網(wǎng)絡服務上的優(yōu)勢。目前 ,國內已經(jīng)建立了各種流媒體典型應用 ，例如 :中央電視臺采用 Real Networks公司的流媒體解決方案實現(xiàn)了視聽在線系統(tǒng) ； 湖南衛(wèi)視等采用 Oracle 公司的OVS 系統(tǒng)（支持機頂盒）實現(xiàn)視頻點播 ； 北京郵電大學采用 Cisco 公司的 IPTV 系統(tǒng)實現(xiàn)遠程教育系統(tǒng)等 [20]； 中國電信的“互聯(lián)星空 ”及中國網(wǎng)通的“寬帶中國”也相繼推出了基于流媒體服務為主的 VOD 視頻點播、網(wǎng)絡電視等眾多寬帶應用服務 [21]。 同時， 隨著 CDN 技術的不斷完善，電信運營商的網(wǎng)絡建設不斷的加大投入， 并且 國際知名廠商、 SP、 CP 和企業(yè)用戶紛紛進入市場，在 、流媒體網(wǎng)站、電子商務、游戲類網(wǎng)站等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的帶動下， 2022 年，中國 CDN 市場規(guī)模 達到 億元人民幣，與 2022 年相比，獲得了 83%的增哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 5 長率 ，而 2022 年中國 CDN 市場規(guī)模將達到 3 億美元 。 市場需求的旺盛，極大地刺激國內 CDN 服務商的快速發(fā)展，在國內已經(jīng) 形成了以中國網(wǎng)通、中國電信為首的電信級 CDN 平臺，同時也促生了諸如 ChinaCache、網(wǎng)宿等一批企業(yè)級 CDN 服務平臺。目前 ,ChinaCache 在全國有 70 多個 CDN 節(jié)點，已經(jīng)成為國內最大的 CDN 運營商 ,為政府、門戶網(wǎng)站、電子商務網(wǎng)站、新聞媒體和跨國企業(yè)提供高效、穩(wěn)定、安全的內容和應用分布服務。 而 2022 年成立的我樂網(wǎng)（ ）是國內一家以原創(chuàng)視頻為核心的大型視頻分享網(wǎng)站，每天的播放量達到 5000 萬次，頁面瀏覽量 6000 萬次，新產(chǎn)生的視頻（包括錄制、上傳、相冊視頻等）高達 30 萬個，并為用戶免費提供 15G 的視頻空間。除了網(wǎng)站的部分內容使用 ChinaCache 的服務外，該公司其余內容均依靠自己建設的 CDN 節(jié)點加速，努力在中國復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中，保證網(wǎng)站的快速訪問和高質量的視頻瀏覽及分享業(yè)務 [22]。 今年的 春節(jié)晚會網(wǎng)上直播 也 是一個 基于 CDN 的流媒體 服務成功應用的例子。據(jù)統(tǒng)計，在除夕夜，有近五十萬人次通過 央視國際網(wǎng)站觀看了春節(jié)晚會。這次央視國際網(wǎng)站與 China Cache 合作，將春節(jié)聯(lián)歡晚會直播視頻流通過 ChinaCache 分布于全國各地骨干網(wǎng)上的節(jié)點發(fā)送出去，使網(wǎng)友無論身處何處，都可以通過訪 問央視國際網(wǎng)站，點擊相關視頻直播連接，快捷地收看中央電視臺的春節(jié)聯(lián)歡晚會現(xiàn)場直播。根據(jù)實時監(jiān)控的結果統(tǒng)計，在春節(jié)聯(lián)歡晚會直播的 9 個小時內，同時在線人數(shù)最高達到了 萬人，全網(wǎng)帶寬使用峰值達到 ，共有 47 萬人次在網(wǎng)上觀看直播，點擊量 億，訪問頁次 1582 萬次，讓全國各地的網(wǎng)民都欣賞到了一個完整流暢的春節(jié)聯(lián)歡晚會，并能實時參與電視節(jié)目的互動 [23]。 本文的主要研究內容 本 文 主要 針對 CDN 技術進行研究，目的是設計開發(fā) 具有智能分發(fā)和負載均衡 功能的流媒體管理軟件 ， 在 Inter 網(wǎng)絡環(huán)境 中構建高可用、高服務質量的分布式流媒體內容服務系統(tǒng) ， 實現(xiàn) 實時處理 流媒體業(yè)務流量 將用戶的請求導向最近的服務節(jié)點上， 使 用戶就近取得所需的內容，從而解決網(wǎng)絡擁塞 問題 。 本論文的內容包括以下幾個部分： 哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 6 第 1 章緒論，簡要描述課題的 背景及研究目的，以及目前國內外 CDN技術的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 第 2 章 介紹了流媒體的基本概念和 CDN 技術。分析了流媒體存在的問題和影響 流媒體 QoS 的主要因素，論述了基于 CDN 的解決方案特點及內容分發(fā)和負載均衡策略。 第 3 章 對系統(tǒng)的需求進行分析，提出了系統(tǒng)總體架構的設計， 對 系統(tǒng)功能模塊進行了有 效地劃分，并對各功能模塊的作用進行了簡單的介紹。然后進行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的詳細設計。 第 4 章詳細介紹了 系統(tǒng) 內容分發(fā)、負載均衡等 主要模塊的實現(xiàn)過程。 第 5 章著重描述了系統(tǒng)中各主要功能測試結果。 論文的結論部分，總結了論文的研究方法和成果 以及 系統(tǒng)存在的問題 ，并 展望了今后改進 的 方向。 哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 7 第 2 章 基于 CDN 的流媒體 QoS 解決 方案 引言 前文主要對 流媒體 管理系統(tǒng)以及本論文涉及到的 CDN 技術和 流媒體 系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀進行了概述，可以看出 CDN 技術 在 流媒體領域 有 著 廣泛地應用。 接下來本章將通過 對存在問題 和 CDN 技術 原理的分析，說明開發(fā)基于CDN 的流媒體管理系統(tǒng) 的原因，并介紹 系統(tǒng) 的 內容分發(fā)和負載均衡策略 。 流媒體 服務 質量分析 目前， 隨著寬帶業(yè)務的發(fā)展， 黑龍江鐵通公司寬帶接入用戶已經(jīng)達到 23萬， 同時， 為 了給寬帶用戶 提供流媒體業(yè)務，黑龍江鐵通各地市分公司都紛紛搭建了 簡單的視頻點播 平臺 ， 使用 Real Helix Server 或 Http 進行流媒體 內容 發(fā)布， 提供流媒體服務。但是， 訪問流媒體需要高而穩(wěn)的 數(shù)據(jù) 傳輸，寬帶網(wǎng)絡和流媒體服務器必須確保高效的處理能力， 而目前 這些點播平臺性能和管理能力 較 差，使得服務器和帶寬資源沒有得到充 分利用，經(jīng)常出現(xiàn) 流媒體內容 緩沖、斷線的情況， QoS 無法得到保證 ，很難滿足用戶觀看高質量影片的要求 。 因此， 為提高流媒體服務質量，需要 進一步 分析流媒體自身特點和系統(tǒng)存在問題，從而制定 有針對性的 解決方案。 流媒體 的 QoS 要求 隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展和用戶需求的驅動，流媒體（ streaming media）應用得到了迅速發(fā)展。但是， 流媒體在數(shù)據(jù)量 、 QoS 要求等方面與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)有著顯著區(qū)別， 數(shù)據(jù) 傳輸需要較為嚴格的 QoS 保證 [24]。 而 Inter 的“盡力而為”無連接轉發(fā)機制主要是為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸設計的 ， Inter 具有的延遲、抖動、丟包、帶寬變化以及網(wǎng)絡的異構性 不能保證 流媒體 服務的 QoS， 因此，哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 8 流媒體應用面臨 著 重要挑戰(zhàn) [25]。 而 從用戶角度看，流媒體 QoS 主要有以下 因素組成： ? 媒體質量（ Media Quality） 媒體質量是衡量流媒體服務的重要指標，對于視頻或音頻媒體，可用峰值信噪比 PSNR（ Peak Signal Noise Ratio）進行衡量。 PSNR 越大，說明媒體質量越高 [26]。另外，如果連續(xù)幀的質量變化較大，也會影響到用戶觀看的視覺效果，對整個媒體質量的影響也較大 [27]。因此流媒 體需要針對網(wǎng)絡狀況進行適應，以便得到比較平滑的質量。 ? 啟動延遲（ Startup Latency） 啟動延遲是指用戶發(fā)出請求到接收服務之間的延遲 [28]。 ? 抖動（ Jitter） 抖動是流媒體服務中特有的 QoS 問題。流媒體的時間相關性很強，幀間的時間限制必須嚴格遵循，否則用戶將明顯感覺到視頻不連貫 [29]。 影響 流媒體 QoS 的因素 流媒體從 編碼、傳輸?shù)讲シ?，需要?jīng)過前端系統(tǒng)、網(wǎng)絡以及終端系統(tǒng)，因此這些 系統(tǒng)的性能對流媒體 QoS 有著重要的影響。 （ 1） 流媒體的前端系統(tǒng) 流媒體的前端系統(tǒng)負責生成媒體流， 它包括視頻服務器、流媒體代理服務器等。媒體流的生成涉及編碼（如實時直播）、解碼（如代碼轉換）、碼流分析（如代理服務器）、信道編碼（如無線網(wǎng)關）以及打包、傳輸調度等操作，這些操作均需消耗大量的計算與存儲資源 [30]。為了提高系統(tǒng)服務能力，很多流媒體前端系統(tǒng)需要同時支持大量用戶，從而使得系統(tǒng)資源調度成為一個重要問題。前端系統(tǒng)中的資源 主要 包括存儲資源、服務器 I/O 資源、服務器計算資源等 [31]。 （ 2） 網(wǎng)絡系統(tǒng) 網(wǎng)絡系統(tǒng)負責流媒體的傳輸，其影響流媒體 QoS 的因素很多，如帶寬、丟包率、誤碼率、網(wǎng)絡異構性以及網(wǎng)絡延 遲等 [32]。 網(wǎng)絡帶寬是影響流媒體 QoS 的重要因素。實際網(wǎng)絡帶寬隨時間變化而改變。由于流媒體平均碼率較大，流媒體傳輸時間也較長，因 此 需要有足夠且穩(wěn)定的網(wǎng)絡帶寬作保障 [33]。然而，目前 Inter 尚未采用 RSVP 等資源預哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 9 留協(xié)議 為流媒體提供 QoS 保證， 網(wǎng)絡 鏈路帶寬和路由器都可能造成帶寬瓶頸，從而使端到端的有效帶寬不能滿足流媒體的需求 [34]。 丟包率是 Inter 的一個特性 [35]。由于 Inter 的盡力 而為 特性，當網(wǎng)絡繁忙時， 如果 路由器不能處理到達隊列中的所有數(shù)據(jù) ，那么就會 丟棄新到達 的數(shù)據(jù)，從而引起流媒體的媒體質量下降，甚至在嚴重情況下導致終端無法解碼播放。而高度壓縮的流媒體對錯誤又非常敏感，特別是采用預測編碼和變長編碼的碼流（如 MPEG 碼流），即使少量的錯誤也可能傳播和積累 并造成嚴重的媒體質量下降。為了降低丟包、誤碼對媒體質量的影響，需要配置 ARQ（ Automatic Repeat reQuest）或 FEC 等 糾錯 策略 [36]。 網(wǎng)絡異構性是流媒體應用面臨的重要挑戰(zhàn) [37]。隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展，Inter 的接入手段非常豐富，但是不同接入技術的差異性較大。而流媒體傳輸往往需要跨 越不同子網(wǎng) 和接入網(wǎng)絡 ，其 QoS 協(xié)商等問題非常突出。 網(wǎng)絡延遲是由流媒體跨越多個子網(wǎng)和路由器而造成的 [38]。一種延遲是端到端的網(wǎng)絡延遲，它對不同流媒體應用的影響也不盡相同。端到端的網(wǎng)絡延遲造成 會 點播類型應用的啟動延遲，但在服務過程中用戶對端到端延遲并不敏感。另一類延遲是突發(fā)性網(wǎng)絡延遲。路由器接收突發(fā)流量時可導致突發(fā)性網(wǎng)絡延遲，對于流媒體，突發(fā)性延遲可造成抖動問題 [39]。 （ 3） 終端系統(tǒng) 終端系統(tǒng)負責接收流媒體并完成解碼、播放等操作 [40]。終端系統(tǒng)影響流媒體 QoS 的主要因素是系統(tǒng)資源。目前， 普遍 采用 PC 作為終端， 目前 PC 的 CPU、內存和硬盤 配置都比較高， 幾乎不會影響流媒體的QoS。但隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展，各種無線終端往往缺乏大容量內存，其處理器的性能也非常有限，從而限制了很多典型的流媒體算法的應用，影響流媒體的 QoS。另外，終端系統(tǒng)的差異性也增加了流媒體系統(tǒng)的復雜性。 哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文 10 基于 CDN 的 流媒體服務質量解決方案 解決方案 概 述 目前， 為了實現(xiàn) Inter 上流媒體 的 QoS 保障主要有兩種思路。 一種思路是以網(wǎng)絡為中心，通過綜合服務模型（ IntServ）或區(qū)分服務模型（ DiffServ）來保障網(wǎng)絡的 QoS；另一種思路是改進端系統(tǒng)，通過應用層協(xié)議實現(xiàn)流媒體傳輸?shù)?QoS 保障功能。 但是， 以網(wǎng)絡為中心的思路需要改變整個網(wǎng)絡的設備，實現(xiàn)難度較大，而以端系統(tǒng)為中心的思路只需要采用一些應用層的質量控制機制來解決傳輸中的問題，實現(xiàn)相對方便 ， 最常用的方式 就 是 采用 CDN技術 。 采用 CDN 傳輸流媒體的優(yōu)點主要包括三個方面：第一是通過應用層的內容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡的流量， 并可 實現(xiàn) 基于應用層的組播傳輸（即利用主機構建獨立于網(wǎng)絡層的邏輯組播樹， 采用主機上的應用層軟件進行組播轉發(fā)）；第二是通過分布在網(wǎng)絡邊緣的流媒體代理服務器，避免 了擁塞鏈路，改善了流媒體傳輸?shù)馁|量和啟動延遲；最后，通過 CDN 能夠有效地提高整個流媒體系統(tǒng)的擴展性，降低對流媒體服務器的性能要求。目前，利用 CDN 傳輸流媒體是大規(guī)模流媒體應用的發(fā)展趨勢。 內容分發(fā)網(wǎng)絡 CDN 實現(xiàn)的兩個基本功能是內容的分發(fā)和傳遞，“分發(fā)”是將多媒體內容從原始服務器傳輸?shù)竭吘壏掌?的 過 程 ，“傳遞” 則 是 多媒體內容 從邊緣服務器到用戶的 傳輸 過程。 一個典型 CDN 網(wǎng)絡主要由五部分組成，分別是： 原始服務器：一般是一個流媒體服務器或由多個流媒