构建支持IPv6的视频服务系统——百万册数字图书系统IPv6技术升级视频服务功能

文/杨春玲　张建伟　王勇超

构建支持IPv6的视频服务系统
——百万册数字图书系统IPv6技术升级视频服务功能

文/杨春玲1张建伟2王勇超1

通过对P2P网络性能的研究与优化，包括对Track算法和P2P网络激励机制的研究,实现了百万册数字图书系统中视频服务子功能的升级。

原百万册数字图书系统中的视频服务是采用传统的C/S架构的视频服务系统，其并发量受视频服务器接入带宽限制，实践表明，不能提供大规模（并发量＞1000）视频服务；而目前支持IPv6的P2P视频服务系统，实效性和可控性太差；基于CDN的视频服务，需要构建一定量的内容分发服务器，实现难度较大。为实现IPv6下，大规模可控可扩展的视频服务系统，不同的团队做出了不同的尝试。例如， 北邮王振华等通过P2P和CDN相结合的方式在CNGI-CERNET2上实现了大规模视频点播与直播系统，并且至少在7所高校部署了10～15台内容发布服务器。然而为了与百万册数字图书资源系统保持一致，跨学校部署服务器的方案并不适合浙江大学。我们通过对P2P网络性能的研究与优化，实现了百万册数字图书系统中视频服务子功能的升级。

关键技术

当前主流的P2P视频服务系统是基于BitTorrent的，我们在对基于BitTorrent的VOD系统进行分析之后，开展了对基于BitTorrent的P2P网络的深入研究。我们的研究主要在两个方面，一个是对本文提到的管理服务器的重要组成部分Track算法的研究；另一个是对P2P网络激励机制的研究，这项研究可应用于媒体源服务器。

UC-track算法

在基于BitTorrent的P2P系统中，Tracker算法决定了节点间连接网络的生成，进而影响系统的整体性能。针对Tracker算法的改进对于BitTorrent视频服务系统效率的提升至关重要。我们提出UC-track算法使得在上传带宽接近的节点之间形成一定程度聚焦的同时，在上传带宽差别较大的节点间保持一定数量的随机连接。这个算法可以使播放同一个视频的终端之间的连接具有小世界网络的特点，即低的平均最短路径和较高的聚焦系数，使得部分高带宽节点直接与视频源相连，快速获取视频片段为其余节点提供服务，有利于数据交互效率的提高。如图 1所示，使用UC-track算法，可使视频终端和视频源构成的传输拓扑有最大的聚集系数、最大的邻居集合大小和最小的平均路径长度，其数据传输性能最优。

图1　UC-track不同参数以及原track性能对比

PU机制

在大多数基于BitTorrent的视频服务系统中，都假定种子节点也就是我们系统中的视频源自始至终提供服务。然而，在这种策略下，视频源的带宽消耗随所服务的视频文件量的增多呈线性增长，极大地限制了系统的服务能力。针对此，我们重构了激励机制，称为“等比例上传机制”简称PU（Proportional Uploading）机制。

PU机制由带宽限制策略和带宽分配策略两部分组成。带宽限制策略作用在视频源服务器上，当多个用户点播同一个文件时，为充分利用播放终端的上传带宽，视频源服务器使用如下上传带宽控制策略：在由播放同一个视频的终端构成的连接网络中，源服务器上传带宽Us随着连接网络中视频文件副本数据的增多以λ的比例下降，直到降为一个下限Umin，Umin可以保证一次传送周期能传输一个完整的视频片段。特别的，在连接网络中视频文件的副本小于1时，视频服务器使用smartseed片选算法，以使该连接网络中尽早拥有1个视频文件副本。带宽分配策略作用于所有播放该视频的终端，即一个特定的终端在连接网络中获取的下载带宽和它的上传带宽在该网络终端上传带宽的总和正相关，这使得该终端的视频播放体验和其接入网络正相关。采用按比例上传机制能够在保证终端视频质量的同时有效降低服务器带宽。

图2　系统架构拓扑

系统架构

整个系统如图2 所示，分为媒体源、管理服务器、Web服务器、视频终端四个部分，视频服务由媒体源、管理服务器和Web服务器联动提供服务，用户使用各类终端享用服务。用户通过浏览Web门户获取视频宣传信息和索引信息，对感兴趣的视频进行访问操作，此时激活该视频的索引信息，用户终端相应程序解读索引信息并与管理服务器联系，管理服务器据该视频属性协调媒体源及终端的通信，向用户提供所需的视频服务。

媒体源意为各类视频的源头，是视频资源生成和存储的总和，包括直播源和点播源。直播源又分为实时直播和重播两大类。实时直播源为录制待直播活动的摄像机，重播源和点播源均为完整的视频文件，由视频服务器统一系统管理。

管理服务器有两个职能，其一是提供视频文件的索引服务，其二是统计视频服务流量，主要是当前连接数，各个视频下载量等。

Web服务器上承载了视频服务的门户，属于百万册图书IPv6系统的子门户。

CNGI示范应用

我们将部署好的系统置于“百万册数字图书服务系统IPv6技术升级”域名下面，成为该系统的一个子功能。该系统有“高清影片”和“传统影片”两个频道，分别对应了基于P2P的和基于传统CS的两种服务方式。CS的服务方式源于我们对原服务系统的IPv6升级。这使得原有系统的视频服务不仅完成了从IPv4到IPv4/IPv6双栈服务的升级，还完成了从传统的CS架构到现在的P2P和CS双重架构的架构升级。

（作者单位：1为浙江大学图书与信息中心， 2为浙江大学计算机科学与技术学院）