【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的視頻會(huì)議、數(shù)字電視產(chǎn)品、交耳式的電視以及視頻監(jiān)視系統(tǒng) ，這樣對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求很高的應(yīng)用程序需要分布式系統(tǒng)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)。 多媒體應(yīng)用程序需要在有限時(shí)間內(nèi)將多媒體數(shù)據(jù)流傳輸?shù)娇蛻舳恕Ｒ纛l和視頻數(shù)據(jù)流被實(shí)時(shí)地生成和消耗，同時(shí)應(yīng)用程序完整性的實(shí)質(zhì)是實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)元素 (音頻采樣，視頻幀 )，簡(jiǎn)單說， 多媒體系統(tǒng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng) 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 分布式多媒體系統(tǒng) 它必須按照外部決定的調(diào)度方案執(zhí)行任務(wù)和傳輸結(jié)果。底層系統(tǒng)達(dá)到這些要求的程度便是應(yīng)用程序擁有的 服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。 實(shí)時(shí)系統(tǒng)所執(zhí)行任務(wù)的特征和多媒體應(yīng)用程序的特征不同。前者通常處理相對(duì)小的數(shù)據(jù)量相對(duì)少的硬時(shí)間限制，但是如果超過了時(shí)間限制，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的結(jié)果。 這種情況下，解決辦法是充分估計(jì)所需要的資源并為其指定固定的調(diào)度計(jì)劃，這樣可以保證在最壞的情況下滿足其要。 為了滿足多媒體和其他應(yīng)用程序的需要而進(jìn)行的有計(jì)劃的資源分配和資源調(diào)度，這被稱為 服務(wù)質(zhì)量管理 。 大多數(shù)當(dāng)前的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)并沒有包含支持多媒體應(yīng)用程序所需要的 QoS管理設(shè)施。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 服務(wù)質(zhì)量管理 當(dāng)多媒體應(yīng)用程序運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，它與運(yùn)行著應(yīng)用程序的工作站 (處理器周期、主線周期、緩沖區(qū)容量 )和網(wǎng)絡(luò) (物理傳輸連接、開關(guān)、網(wǎng)關(guān) )競(jìng)爭(zhēng)資源。 工作站和網(wǎng)絡(luò)可能必須同時(shí)支持多個(gè)多媒體程序和傳統(tǒng)應(yīng)用程序 。 在多媒體和傳統(tǒng)應(yīng)用程序間就有競(jìng)爭(zhēng)，在不同的多媒體應(yīng)用程序之間甚至在單個(gè)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流之間都可能有競(jìng)爭(zhēng)。 在多任務(wù)操作系統(tǒng)和共享網(wǎng)絡(luò)中，物理資源都是可以被并發(fā)使用的。在多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，中央處理器在每一時(shí)刻只處理一個(gè)任務(wù) (或進(jìn)程 )， 一個(gè)輪轉(zhuǎn)或其他調(diào)度方法的調(diào)度程序負(fù)責(zé)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)處理器資源的任務(wù)中選出一個(gè)，并調(diào)度它到處理器上運(yùn)行。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)是被設(shè)計(jì)用來使不同來源的信息進(jìn)行交流的 ， 它允許多個(gè)虛擬通道存在于同一個(gè)物理通道上 。 以太網(wǎng)這一主要的局域網(wǎng)技術(shù)以最優(yōu)的方式來管理共享的傳輸介質(zhì) 。 當(dāng)通道上是平靜時(shí) ， 任何結(jié)點(diǎn)都可以使用這一通道 。 但是這樣可能會(huì)發(fā)生信息包沖突 ， 當(dāng)發(fā)生沖突時(shí) ， 結(jié)點(diǎn)會(huì)等待隨機(jī)的一段時(shí)間 ， 然而重發(fā)包 ， 這樣可以防止沖突 。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí) ， 很容易發(fā)生包沖突 ， 但是這一發(fā)送方案在這種情況發(fā)生時(shí) ， 不能提供關(guān)于帶寬和延遲的任何保證 。 其資源分配方案特點(diǎn)： 當(dāng)對(duì)資源的需求增加時(shí) ， 它們將資源更稀疏地分配給每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)資源的任務(wù) 。 共享處理器周期和網(wǎng)絡(luò)帶寬的輪轉(zhuǎn)和其他方法都不能滿足多媒體應(yīng)用程序的需要 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 顯而易見 ， 它們不能實(shí)時(shí)地處理和傳輸多媒體數(shù)據(jù)流 。 遲到的傳輸數(shù)據(jù)是沒有價(jià)值的 。 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸 ， 應(yīng)用程序需要保證在需要的時(shí)候能得到必要的資源 ， 為了提供這一保障而進(jìn)行的資源管理和分配 被稱為服務(wù)質(zhì)量管理 。 1）服務(wù)質(zhì)量協(xié)商 為了在應(yīng)用程序和它底層的系統(tǒng)之間進(jìn)行 QoS協(xié)商，應(yīng)用程序必須向 QoS管理指定自己的 QoS需求，它是通過傳遞一個(gè)參數(shù)集實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)處理和傳輸多媒體數(shù)據(jù)時(shí)，有 3個(gè)參數(shù)非常重要，它們是： 帶寬、延遲和丟失率 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 為數(shù)據(jù)流設(shè)定 QoS： 如攝像輸出流需要帶寬 50Mbps,延時(shí) 150ms,丟失率在幀 10中少于 1幀 流量調(diào)整 : 流量調(diào)整是用來描述使用輸出緩沖來使數(shù)據(jù)元素流平滑這一方法的術(shù)語 。 多媒體數(shù)據(jù)流的帶寬參數(shù)通常給出發(fā)生在數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)對(duì)實(shí)際傳輸模式的理想化近似 。 實(shí)際的傳輸模式越接近這一描述 ，系統(tǒng)就能越好地處理傳輸流量 ， 特別是在系統(tǒng)使用為周期性請(qǐng)求設(shè)計(jì)的調(diào)度方法時(shí) ， 這一特點(diǎn)就會(huì)越顯著 . 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 協(xié)商過程 : 對(duì)分布式多媒體應(yīng)用程序，一個(gè)數(shù)據(jù)流的組件可能位于多個(gè)結(jié)點(diǎn)上。在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上有一個(gè) QoS管理器。直接的 QoS協(xié)商辦法是從源端到目的端一直跟隨著數(shù)據(jù)流。源端組件通過向本地 QoS管理器發(fā)送一個(gè) 流規(guī)范來啟動(dòng)協(xié)議過程 。 這個(gè) QoS管理器可以檢查數(shù)據(jù)庫中記錄的可用資源并決定所請(qǐng)求的 QoS是否能滿足。如果應(yīng)用程序涉及到其他系統(tǒng)，流規(guī)范被傳送到下一需要資源的結(jié)點(diǎn)。這一流規(guī)范傳輸過所有的結(jié)點(diǎn)，直到它最終到達(dá)目的端，然后系統(tǒng)可得出此 QoS請(qǐng)求是否能滿足的結(jié)論，并將該信息傳輸回源端。這種簡(jiǎn)單的協(xié)商方法可滿足多種目的，但它沒有考慮到在不同結(jié)點(diǎn)上的并發(fā) QoS協(xié)商之間可能會(huì)發(fā)生沖突。 為了徹底解決問題，需要一個(gè)分布事務(wù)式的 QoS協(xié)商過程。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 2） 許可控制 許可控制 管理對(duì)資源的訪問 ， 以避免資源過載 ， 并防止資源接收不可能實(shí)現(xiàn)的請(qǐng)求 。 它涉及關(guān)掉那些與當(dāng)前的 QoS保證沖突的資源清求 。 一個(gè)許可控制方案是 基于整個(gè)系統(tǒng)容量和每個(gè)應(yīng)用程序產(chǎn)生的負(fù)載這兩方面的知識(shí)的 。 一個(gè)應(yīng)用程序的帶寬需求規(guī)范可能是應(yīng)用程序需要的最大帶寬 、 保證其運(yùn)行的最小帶寬 ， 或者是它們之間的平均值 。 相應(yīng)地 ， 許可控制方案可以基于這些值之一進(jìn)行資源分配 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 如果所有的資源只由一個(gè)分配器控制 ， 那么許可控制是直接的 。 如果資源分布在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上 ， 例如許多局域網(wǎng)環(huán)境 ， 其可以使用一個(gè)集中式的訪問控制 ， 也可以使用一個(gè)分布式的許可控制算法 ， 由它避免并發(fā)許可控制的沖突 。 工作站的總線仲裁算法屬于這一類 ；然而執(zhí)行帶寬分配的多媒體系統(tǒng)并不控制總線許可 ， 因?yàn)榭偩€帶寬并不在內(nèi) 。 帶寬預(yù)留 保證多媒體數(shù)據(jù)流某 QoS級(jí)別的普通方法是預(yù)留一部分的資源帶寬以便由它獨(dú)占使用 。 為了在任一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的需求 ， 需要為它預(yù)留最大帶寬 。 這是提供給應(yīng)用程序有保障 QoS惟一可能的方法 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 統(tǒng)計(jì)的多路技術(shù) 因?yàn)橄到y(tǒng)中可能存在潛在的未被利用的資源 ， 這在超額預(yù)留資源的情況下常發(fā)生 。 而一些保證技術(shù)可提供使用這些資源的一些可能性 ， 這些保證通常被稱為統(tǒng)計(jì)保證或軟保證 ， 它與前面介紹的硬保證技術(shù)不同 。 因?yàn)椴豢紤]最壞的情況 ， 統(tǒng)計(jì)性保證技術(shù)可以提供更高的資源利用率 。 但是如果僅僅只依據(jù)最小或平均需求來分配資源 ， 那么短期的負(fù)載高峰可能會(huì)導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量的下降；應(yīng)用程序必須能應(yīng)付這樣的服務(wù)質(zhì)量降低 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 統(tǒng)計(jì)的多路技術(shù)是基于這樣一個(gè)假設(shè)： 對(duì)大量數(shù)據(jù)流來說 ， 雖然單個(gè)的數(shù)據(jù)流可能會(huì)發(fā)生變化 ， 但這些數(shù)據(jù)流需要的總帶寬相對(duì)穩(wěn)定 。 它假設(shè)當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送大量的數(shù)據(jù)時(shí) ， 就有可能有另一個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送的數(shù)據(jù)量較小 ， 這樣總帶寬需求保存平衡 。 當(dāng)然這些數(shù)據(jù)流之間應(yīng)該是沒有聯(lián)系的 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 資源管理 為了向應(yīng)用程序提供一定等級(jí)的 QoS服務(wù)，系統(tǒng)不僅需要充分的資源 (執(zhí)行 )，還需要在應(yīng)用程序需要時(shí)有能力將這些資源提供給程序使用 (調(diào)度 )。 資源調(diào)度 系統(tǒng)需要根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來為其分配資源。 資源調(diào)度器根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)來決定進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。 在傳統(tǒng)的分時(shí)系統(tǒng)中， CPU調(diào)度進(jìn)程基于程序的響應(yīng)時(shí)間以及公平原則來指定優(yōu)先級(jí)： I／ O量大的進(jìn)程會(huì)獲得高優(yōu)先級(jí)，這樣可以保證對(duì)用戶做出快速響應(yīng)，與 CPU聯(lián)系緊密的任務(wù)獲得低優(yōu)先級(jí)，并且系統(tǒng)平等對(duì)待同一優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 多媒體系統(tǒng)也可以使用這一標(biāo)準(zhǔn) ，但是傳輸單個(gè)多媒體數(shù)據(jù)元素的時(shí)間限制改變了調(diào)度問題的特性。為解決這一問題，系統(tǒng)可以使用 實(shí)時(shí)調(diào)度算法 。因?yàn)槎嗝襟w系統(tǒng)必須處理離散的和連續(xù)的媒體，因此在不引起離散媒體訪問和其他交互應(yīng)用程序饑餓的情況下，可以為實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)流提供充分的服務(wù)。 調(diào)度算法必須管理 (或協(xié)同 )影響多媒體應(yīng)用程序的所有資源。 在通常的情況下，系統(tǒng)從磁盤上讀取多媒體數(shù)據(jù)流，并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康臋C(jī)器，在目的機(jī)器上，該數(shù)據(jù)流和其他來源的數(shù)據(jù)流同步合成起來，并最終顯示。在這個(gè)例子中，系統(tǒng)需要的資源包括磁盤、網(wǎng)絡(luò)、 CPU以及內(nèi)存和總線。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 1） 公平調(diào)度 如果有多個(gè)數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)同一資源 ， 系統(tǒng)必須考慮到公平性 ， 防止不正常的數(shù)據(jù)流占用過多的帶寬 。 保證公平性的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是對(duì)同一優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度方法 ， 稱為公平排隊(duì) 。 2） 實(shí)時(shí)調(diào)度 人們已經(jīng)開發(fā)出來一些實(shí)時(shí)調(diào)度算法來滿足應(yīng)用程序如：航空工業(yè)過程控制的 CPU調(diào)度需要 。 假設(shè) CPU資源并沒有被過度分配 (這是 QoS管理器的任務(wù) )， 調(diào)度算法將CPU時(shí)間片以某種方式分配給多個(gè)進(jìn)程 ， 而這種方式必須使進(jìn)程能及時(shí)地完成任務(wù) 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法十分適合規(guī)則的連續(xù)多媒體數(shù)據(jù)流模型 。 最早時(shí)間限制優(yōu)先 (EDF)調(diào)度算法幾乎是這些方法的同義詞 。 一個(gè) EDF調(diào)度器根據(jù)每個(gè)工作項(xiàng)的時(shí)間限制來決定下一個(gè)要處理的工作項(xiàng)：具有最早時(shí)間限制的工作項(xiàng)優(yōu)先處理 。在多媒體應(yīng)用程序中 ， EDF調(diào)度策略被證明在基于時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)分配單個(gè)資源方面是最優(yōu)的 。 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 分布式系統(tǒng)與 WEB服務(wù) 7. 5 . 4 實(shí)例研究： Tiger視頻文件服務(wù)器 提供多個(gè)并發(fā)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流的視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)被看作為支持面向消費(fèi)者的多媒體應(yīng)用程序的一個(gè)重要的系統(tǒng)組件。人們已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)這種類型的程序原型，并且其中的一些已經(jīng)形成了產(chǎn)品， Tiger視頻文件服務(wù)器（微軟研究院） 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下： 1. 適用于大量用戶的視頻點(diǎn)播 應(yīng)用程序是向點(diǎn)播的用戶提供電影的服務(wù)器。系統(tǒng)從大容量的數(shù)據(jù)電影庫中選擇電影。客戶應(yīng)在發(fā)送點(diǎn)播請(qǐng)求的數(shù)秒鐘內(nèi)就能獲得電影圖像的第一個(gè)幀，并且他還應(yīng)該能隨心所欲地執(zhí)行暫停、回退和快進(jìn)操作。