【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，因此 CDN 網(wǎng)絡(luò) 將逐步發(fā)展成可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用分布，并徹底改變現(xiàn)有 Inter 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。 目前，內(nèi)容分發(fā)技術(shù)在國(guó)際上已被廣泛應(yīng)用。 2022 年的雅典奧運(yùn)會(huì)已經(jīng)在歐洲采用 CDN 服務(wù)對(duì)整個(gè)奧運(yùn)進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)上電視直播的 “ShareCast”系統(tǒng)并已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 [17]。同時(shí)，跟據(jù) Forrester研究機(jī)構(gòu)調(diào)查： 網(wǎng)站的頁面訪問量達(dá)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(wù)器來完成的 [18]。 而 Akamai公司在全球 1000 多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中部署了超過 20220 個(gè)節(jié)點(diǎn)，分布在 71 個(gè)國(guó)家。這些節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量，偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞， 并 利用這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息來 優(yōu)化服務(wù)， 從而 為全球在線內(nèi)容和在線商務(wù)提供先進(jìn)的服務(wù)。 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(jì)算平臺(tái)用于各種應(yīng)用和內(nèi)容分發(fā)， 目前， Akamai 平臺(tái)的每天處理整個(gè) Inter 流量的20%，每天超過 10 億次點(diǎn)擊 [19]。 由此可見， CDN 不僅給采用此技術(shù)的網(wǎng)站帶來 訪問 速度上 的優(yōu)勢(shì)，而且也為提供此項(xiàng)增值服務(wù)的 IDC 服務(wù)供應(yīng)商帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó) 內(nèi) 的發(fā)展情況 流媒體在中國(guó)的寬帶網(wǎng)建設(shè)中被列為最主要的應(yīng)用之一，越來越多的運(yùn)營(yíng)商開始采用網(wǎng)絡(luò)視頻媒體服務(wù)解決 方案， 增強(qiáng)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上的優(yōu)勢(shì)。目前 ,國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立了各種流媒體典型應(yīng)用 ，例如 :中央電視臺(tái)采用 Real Networks公司的流媒體解決方案實(shí)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(jī)頂盒）實(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播 ； 北京郵電大學(xué)采用 Cisco 公司的 IPTV 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)等 [20]； 中國(guó)電信的“互聯(lián)星空 ”及中國(guó)網(wǎng)通的“寬帶中國(guó)”也相繼推出了基于流媒體服務(wù)為主的 VOD 視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電視等眾多寬帶應(yīng)用服務(wù) [21]。 同時(shí)， 隨著 CDN 技術(shù)的不斷完善，電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷的加大投入， 并且 國(guó)際知名廠商、 SP、 CP 和企業(yè)用戶紛紛進(jìn)入市場(chǎng)，在 、流媒體網(wǎng)站、電子商務(wù)、游戲類網(wǎng)站等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的帶動(dòng)下， 2022 年，中國(guó) CDN 市場(chǎng)規(guī)模 達(dá)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(xué)工程碩士學(xué)位論文 5 長(zhǎng)率 ，而 2022 年中國(guó) CDN 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 3 億美元 。 市場(chǎng)需求的旺盛，極大地刺激國(guó)內(nèi) CDN 服務(wù)商的快速發(fā)展，在國(guó)內(nèi)已經(jīng) 形成了以中國(guó)網(wǎng)通、中國(guó)電信為首的電信級(jí) CDN 平臺(tái)，同時(shí)也促生了諸如 ChinaCache、網(wǎng)宿等一批企業(yè)級(jí) CDN 服務(wù)平臺(tái)。目前 ,ChinaCache 在全國(guó)有 70 多個(gè) CDN 節(jié)點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)最大的 CDN 運(yùn)營(yíng)商 ,為政府、門戶網(wǎng)站、電子商務(wù)網(wǎng)站、新聞媒體和跨國(guó)企業(yè)提供高效、穩(wěn)定、安全的內(nèi)容和應(yīng)用分布服務(wù)。 而 2022 年成立的我樂網(wǎng)（ ）是國(guó)內(nèi)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(dá)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(cè)視頻等）高達(dá) 30 萬個(gè)，并為用戶免費(fèi)提供 15G 的視頻空間。除了網(wǎng)站的部分內(nèi)容使用 ChinaCache 的服務(wù)外，該公司其余內(nèi)容均依靠自己建設(shè)的 CDN 節(jié)點(diǎn)加速，努力在中國(guó)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，保證網(wǎng)站的快速訪問和高質(zhì)量的視頻瀏覽及分享業(yè)務(wù) [22]。 今年的 春節(jié)晚會(huì)網(wǎng)上直播 也 是一個(gè) 基于 CDN 的流媒體 服務(wù)成功應(yīng)用的例子。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在除夕夜，有近五十萬人次通過 央視國(guó)際網(wǎng)站觀看了春節(jié)晚會(huì)。這次央視國(guó)際網(wǎng)站與 China Cache 合作，將春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)直播視頻流通過 ChinaCache 分布于全國(guó)各地骨干網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)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(guó)際網(wǎng)站，點(diǎn)擊相關(guān)視頻直播連接，快捷地收看中央電視臺(tái)的春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)現(xiàn)場(chǎng)直播。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)直播的 9 個(gè)小時(shí)內(nèi)，同時(shí)在線人數(shù)最高達(dá)到了 萬人，全網(wǎng)帶寬使用峰值達(dá)到 ，共有 47 萬人次在網(wǎng)上觀看直播，點(diǎn)擊量 億，訪問頁次 1582 萬次，讓全國(guó)各地的網(wǎng)民都欣賞到了一個(gè)完整流暢的春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)，并能實(shí)時(shí)參與電視節(jié)目的互動(dòng) [23]。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本 文 主要 針對(duì) CDN 技術(shù)進(jìn)行研究，目的是設(shè)計(jì)開發(fā) 具有智能分發(fā)和負(fù)載均衡 功能的流媒體管理軟件 ， 在 Inter 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 中構(gòu)建高可用、高服務(wù)質(zhì)量的分布式流媒體內(nèi)容服務(wù)系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)處理 流媒體業(yè)務(wù)流量 將用戶的請(qǐng)求導(dǎo)向最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上， 使 用戶就近取得所需的內(nèi)容，從而解決網(wǎng)絡(luò)擁塞 問題 。 本論文的內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 6 第 1 章緒論，簡(jiǎn)要描述課題的 背景及研究目的，以及目前國(guó)內(nèi)外 CDN技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。 第 2 章 介紹了流媒體的基本概念和 CDN 技術(shù)。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(diǎn)及內(nèi)容分發(fā)和負(fù)載均衡策略。 第 3 章 對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，提出了系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)， 對(duì) 系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了有 效地劃分，并對(duì)各功能模塊的作用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。然后進(jìn)行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。 第 4 章詳細(xì)介紹了 系統(tǒng) 內(nèi)容分發(fā)、負(fù)載均衡等 主要模塊的實(shí)現(xiàn)過程。 第 5 章著重描述了系統(tǒng)中各主要功能測(cè)試結(jié)果。 論文的結(jié)論部分，總結(jié)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(jìn) 的 方向。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)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(duì) 流媒體 管理系統(tǒng)以及本論文涉及到的 CDN 技術(shù)和 流媒體 系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，可以看出 CDN 技術(shù) 在 流媒體領(lǐng)域 有 著 廣泛地應(yīng)用。 接下來本章將通過 對(duì)存在問題 和 CDN 技術(shù) 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(nèi)容分發(fā)和負(fù)載均衡策略 。 流媒體 服務(wù) 質(zhì)量分析 目前， 隨著寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展， 黑龍江鐵通公司寬帶接入用戶已經(jīng)達(dá)到 23萬， 同時(shí)， 為 了給寬帶用戶 提供流媒體業(yè)務(wù)，黑龍江鐵通各地市分公司都紛紛搭建了 簡(jiǎn)單的視頻點(diǎn)播 平臺(tái) ， 使用 Real Helix Server 或 Http 進(jìn)行流媒體 內(nèi)容 發(fā)布， 提供流媒體服務(wù)。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(luò)和流媒體服務(wù)器必須確保高效的處理能力， 而目前 這些點(diǎn)播平臺(tái)性能和管理能力 較 差，使得服務(wù)器和帶寬資源沒有得到充 分利用，經(jīng)常出現(xiàn) 流媒體內(nèi)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(zhì)量影片的要求 。 因此， 為提高流媒體服務(wù)質(zhì)量，需要 進(jìn)一步 分析流媒體自身特點(diǎn)和系統(tǒng)存在問題，從而制定 有針對(duì)性的 解決方案。 流媒體 的 QoS 要求 隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和用戶需求的驅(qū)動(dòng)，流媒體（ streaming media）應(yīng)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(yán)格的 QoS 保證 [24]。 而 Inter 的“盡力而為”無連接轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制主要是為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的 ， Inter 具有的延遲、抖動(dòng)、丟包、帶寬變化以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性 不能保證 流媒體 服務(wù)的 QoS， 因此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 8 流媒體應(yīng)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(zhì)量（ Media Quality） 媒體質(zhì)量是衡量流媒體服務(wù)的重要指標(biāo)，對(duì)于視頻或音頻媒體，可用峰值信噪比 PSNR（ Peak Signal Noise Ratio）進(jìn)行衡量。 PSNR 越大，說明媒體質(zhì)量越高 [26]。另外，如果連續(xù)幀的質(zhì)量變化較大，也會(huì)影響到用戶觀看的視覺效果，對(duì)整個(gè)媒體質(zhì)量的影響也較大 [27]。因此流媒 體需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行適應(yīng)，以便得到比較平滑的質(zhì)量。 ? 啟動(dòng)延遲（ Startup Latency） 啟動(dòng)延遲是指用戶發(fā)出請(qǐng)求到接收服務(wù)之間的延遲 [28]。 ? 抖動(dòng)（ Jitter） 抖動(dòng)是流媒體服務(wù)中特有的 QoS 問題。流媒體的時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)，幀間的時(shí)間限制必須嚴(yán)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(luò)以及終端系統(tǒng)，因此這些 系統(tǒng)的性能對(duì)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(fù)責(zé)生成媒體流， 它包括視頻服務(wù)器、流媒體代理服務(wù)器等。媒體流的生成涉及編碼（如實(shí)時(shí)直播）、解碼（如代碼轉(zhuǎn)換）、碼流分析（如代理服務(wù)器）、信道編碼（如無線網(wǎng)關(guān)）以及打包、傳輸調(diào)度等操作，這些操作均需消耗大量的計(jì)算與存儲(chǔ)資源 [30]。為了提高系統(tǒng)服務(wù)能力，很多流媒體前端系統(tǒng)需要同時(shí)支持大量用戶，從而使得系統(tǒng)資源調(diào)度成為一個(gè)重要問題。前端系統(tǒng)中的資源 主要 包括存儲(chǔ)資源、服務(wù)器 I/O 資源、服務(wù)器計(jì)算資源等 [31]。 （ 2） 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(luò)異構(gòu)性以及網(wǎng)絡(luò)延 遲等 [32]。 網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響流媒體 QoS 的重要因素。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)帶寬隨時(shí)間變化而改變。由于流媒體平均碼率較大，流媒體傳輸時(shí)間也較長(zhǎng)，因 此 需要有足夠且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)帶寬作保障 [33]。然而，目前 Inter 尚未采用 RSVP 等資源預(yù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 9 留協(xié)議 為流媒體提供 QoS 保證， 網(wǎng)絡(luò) 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(gè)特性 [35]。由于 Inter 的盡力 而為 特性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)， 如果 路由器不能處理到達(dá)隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù) ，那么就會(huì) 丟棄新到達(dá) 的數(shù)據(jù)，從而引起流媒體的媒體質(zhì)量下降，甚至在嚴(yán)重情況下導(dǎo)致終端無法解碼播放。而高度壓縮的流媒體對(duì)錯(cuò)誤又非常敏感，特別是采用預(yù)測(cè)編碼和變長(zhǎng)編碼的碼流（如 MPEG 碼流），即使少量的錯(cuò)誤也可能傳播和積累 并造成嚴(yán)重的媒體質(zhì)量下降。為了降低丟包、誤碼對(duì)媒體質(zhì)量的影響，需要配置 ARQ（ Automatic Repeat reQuest）或 FEC 等 糾錯(cuò) 策略 [36]。 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性是流媒體應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn) [37]。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，Inter 的接入手段非常豐富，但是不同接入技術(shù)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(luò) ，其 QoS 協(xié)商等問題非常突出。 網(wǎng)絡(luò)延遲是由流媒體跨越多個(gè)子網(wǎng)和路由器而造成的 [38]。一種延遲是端到端的網(wǎng)絡(luò)延遲，它對(duì)不同流媒體應(yīng)用的影響也不盡相同。端到端的網(wǎng)絡(luò)延遲造成 會(huì) 點(diǎn)播類型應(yīng)用的啟動(dòng)延遲，但在服務(wù)過程中用戶對(duì)端到端延遲并不敏感。另一類延遲是突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)延遲。路由器接收突發(fā)流量時(shí)可導(dǎo)致突發(fā)性網(wǎng)絡(luò)延遲，對(duì)于流媒體，突發(fā)性延遲可造成抖動(dòng)問題 [39]。 （ 3） 終端系統(tǒng) 終端系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(nèi)存和硬盤 配置都比較高， 幾乎不會(huì)影響流媒體的QoS。但隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種無線終端往往缺乏大容量?jī)?nèi)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(yīng)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(fù)雜性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 10 基于 CDN 的 流媒體服務(wù)質(zhì)量解決方案 解決方案 概 述 目前， 為了實(shí)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(luò)為中心，通過綜合服務(wù)模型（ IntServ）或區(qū)分服務(wù)模型（ DiffServ）來保障網(wǎng)絡(luò)的 QoS；另一種思路是改進(jìn)端系統(tǒng)，通過應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)流媒體傳輸?shù)?QoS 保障功能。 但是， 以網(wǎng)絡(luò)為中心的思路需要改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，實(shí)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(yīng)用層的質(zhì)量控制機(jī)制來解決傳輸中的問題，實(shí)現(xiàn)相對(duì)方便 ， 最常用的方式 就 是 采用 CDN技術(shù) 。 采用 CDN 傳輸流媒體的優(yōu)點(diǎn)主要包括三個(gè)方面：第一是通過應(yīng)用層的內(nèi)容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡(luò)的流量， 并可 實(shí)現(xiàn) 基于應(yīng)用層的組播傳輸（即利用主機(jī)構(gòu)建獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)層的邏輯組播樹， 采用主機(jī)上的應(yīng)用層軟件進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā)）；第二是通過分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的流媒體代理服務(wù)器，避免 了擁塞鏈路，改善了流媒體傳輸?shù)馁|(zhì)量和啟動(dòng)延遲；最后，通過 CDN 能夠有效地提高整個(gè)流媒體系統(tǒng)的擴(kuò)展性，降低對(duì)流媒體服務(wù)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(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò) CDN 實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)基本功能是內(nèi)容的分發(fā)和傳遞，“分發(fā)”是將多媒體內(nèi)容從原始服務(wù)器傳輸?shù)竭吘壏?wù)器 的 過 程 ，“傳遞” 則 是 多媒體內(nèi)容 從邊緣服務(wù)器到用戶的 傳輸 過程。 一個(gè)典型 CDN 網(wǎng)絡(luò)主要由五部分組成，分別是： 原始服務(wù)器：一般是一個(gè)流媒體服務(wù)器或由多個(gè)流媒