基于冲突识别的远程教育录播系统备保切换的设计与仿真

丁玲　王孟阳

摘 要： 为了应对远程教育中微格录播系统数据传输过程中产生冲突导致数据中断的问题，保证系统工作的流畅进行，设计了冲突监测方案和备保切换模块，可实现实时监测系统，在产生冲突后快速切换至备保服务器继续传输数据。通过仿真证实系统可快速切换备保服务器，且切换时间与主机程序重启时间较短，可在保证用户录播视频质量的同时使微格录播系统满足数据传输要求。

关键词： 录播； 数据传输； 冲突识别； 备保切换

中图分类号： TN919?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0073?04

Abstract： In order to solve the problem of data interruption caused by conflict produced during data transfer of microformat record/play?back system in remote education to ensure smooth working of the system， the conflict monitoring scheme and protection switching module was designed to achieve the real?time monitoring system， which can quickly switch to the backup server to continue the data transmission when conflict occurs. The simulation result confirms that the system can quickly switch to the backup security server， and the switching time is short same as the host program restart time. It can ensure the users′ video record/play?back quality while the microformat record/play?back system meets the data transmission requirements.

Keywords： record and play back； data transmission； conflict recognition； protection switching

0 引 言

时代发展日新月异，各行各业对于多媒体的依靠也越来越多，其中录播系统作为一种新型的展示平台，因其具有快速传递信息的能力而被广泛接受。录播系统指以具有特定需求的人为对象，将制录像修改、浓缩成短时间内的展示内容，以课堂形式展现给观众。录播系统对配套软硬件设备要求较高。通过硬件如摄像录音设备，以及软件如视频处理和音频处理软件将授课录制成的数字视频通常较大，而录播的展示平台要求具有连续性和时效性，要保证每个用户均可享受服务，就务必保证数字信号传输的稳定性以及足够带宽。但往往硬件条件满足时，亦会出现多用户分段传输过程中，冲突情况的出现，造成网络传输冲突。为网络传输冲突，必须针对特定的硬件条件配合具体算法来对系统进行优化。

1 录播系统系统构成介绍

录播系统由大量软件及硬件构成，根据不同的需求也有不同的定制方案，但就完整的录播系统应该具有输入输出，过程监控，品质保障以及备份等功能。就硬件来说录播系统包括控制间以及展示室两部分。

控制间里布置了大量设备，这些设备包括服务器、主控计算机、高清摄像头、录像机、监控台、监视器以及功放设备等[1]。主控室对展示室设备工作进行监视和控制。通过安装在展示室的摄像装置，采集环境情况。并实现播放。

展示室包括主要包括监控摄像头，视频音频设备，用户分控器等。展示室内计算机可上传请求给主控室，亦可呼叫主控室，并与主控室进行沟通。展示室也可以自行控制位于本区域的监控设备，音频视频设备，收集录制展示室的声音和图像，作为后续的分析和评估资料。 分控机可以选择数据库课程资源，并控制显示设备，音频设备的播放、暂停、停止、速度调节等功能[2]。

2 展示室录播系统冲突分析

因为展示室录播具有远程控制，传输数据量大以及节点多等特点，使得其系统较为复杂，为保证多个任务同时工作，需采用同步和多线程技术[3]。但多线程工作容易产生阻塞形成冲突，影响系统工作效率。

冲突是数据传输过程中数个等待进程下载服务器共享资源产生冲突而形成的互相等待现象，这种等待使得进程请求阻塞，需借助其他程序或认为控制解除。由于服务器CPU工作的分时性，所以节点请求资源传输是互斥操作，为了提高系统性能和数据传输吞吐量需引入防冲突机制[4]，锁也对系统高效和安全运行具有明显作用，但产生冲突后，节点请求无法满足会产生停滞反而会影响系统工作。数据传输冲突原理图如图1所示。

通信冲突是一种程序错误，是大系统工作很难避免的现象。冲突的种类非藏多，操作系统内核源码有上千万行，冲突具有大量产生点，在现有技术条件下，不可能避免冲突的产生[5]。所以在数据传输中应采用有效方式，应对冲突。

3 备保传输系统设计

为了避免传输过程中冲突影响播放流畅性，在此设计了冲突的识别模块，提出一种快速地冲突识别机制。当识别到冲突后，系统即使报告检测信息。由于解冲突过程较为困难，会导致系统无法传输信息，此处构建备保服务器进行数据传输，克服了冲突以及解冲困难。下面分工作流程以及冲突识别模块两方面介绍分析系统。

3.1 备保系统的设计

首先，控制系统会将目标视频分成若干数据包，数据包大小依据服务器与用户网络传输速度而定，网速越，数据包可设置越大。另外也要考虑用户数量，数量较多时需设置较小的数据包，避免单个用户传输时间过长，以保证用户下载的同步性。

数据包的分割要遵循视频文件的时序，不可措置时间，而且要掌握视频信息与音频信息时间对应，数据包同时也被严格按时间先后编号。

备保传输流程如图2所示，在控制端设置与主机功能相近的服务器作为主机的备保，在主机工作过程中，引入冲突识别模块，对数据包传输中冲突进行识别。如若传输正常，则多线程继续用户传输，如若发现冲突，则启动备保，并重启主机程序，从而消冲突，重启程序后的主机为备保，交替工作。

此时备保机为达到视频信号传输同步需查找用户接收数据包时序信息，传输下一时刻数据包。其工作原理同主机工作相同。在传输过程依然引入冲突识别模块，一旦发现冲突立即切换至已经重启的主机继续传输。

3.2 冲突识别算法的设计

互斥进程同时请求服务器服务时，在同一时刻只能有一个线程访问该对象。如果一个进程已经将资源锁定，就会使传输序列冲突，导致了另外的用户服务请求进程不停地循环，无法获取服务，进而产生冲突。

如图3所示，主机传输停止并重启传输程序后产生短暂数据传输中断，备保机正常工作后数据传输恢复正常，由于2个服务器配置相同带宽不变，视频传输质量未受影响。证明系统可正常进行传输切换并保证数据传输。

为保证视频流畅性，主要关注识别到冲突后备保切换的时间对数据传输的影响以及对视频质量的影响。表1为6次备保切换的用时，冲突机的传输程序重启时间，和切换时间用户最小视频质量。

切换耗时平均值为38.3 ms，最快37.9 ms，最慢40.2 ms；重启耗时平均值为68.1 ms，最快时间为60.5 ms，最慢时间80.7 ms；切换备保机期间最小播放质量为1 024 Kb/s。备保切换与服务器传输程序重启时间均为ms级，且视频播放稳定在512 Kb/s，表明系统工作稳定可以支持录播系统工作。

表1 备保切换品质参数表

5 结 论

录播系统对数据传输稳定性要求较高，但易产生冲突导致系统卡滞。本文针对这个问题，分析了录播系统的构成，并设计与之配套的冲突识别方案，同时设计了备保传输系统，可在产生冲突后切换至备保服务器传输数据。最后通过仿真证实系统工作正常，并在短时间内完成备保切换和主机程序重启，可满足录播系统的要求。

参考文献

[1] 李晋，葛敬国.Linux下互斥机制及其分析[J].计算机应用研究，2005（8）：72?77.

[2] 彭正文，徐新爱.基于SMP的Linux内核自旋锁分析[J].江西师范学院学报：综合版，2005（3）：23?28.

[3] COFFMAN E G， ELPHICK M， SHOSHANI A. System deadlocks [J]. ACM Comput Surv， 1971， 3（2）： 67?78.

[4] HAVELUND K， PRESSBURGER T. Model checking Java programs using Java pathfinder [J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer， 2000， 2（4）： 366?381.

[5] 宋淑彩.面向Web的数据挖掘技术在网站优化中的个性化推荐方法的研究与应用[J].科技通报，2012，28（2）：118?119.

[6] HOVEMEYER D， PUGH W. Finding bugs is easy [J]. ACM SIGPLAN Notice， 2004， 39（12）： 92?106.

[7] 夏惠芬，董卫民. 基于关联规则的Web挖掘技术研究[J].现代电子技术，2011，34（16）：100?102.

首先，控制系统会将目标视频分成若干数据包，数据包大小依据服务器与用户网络传输速度而定，网速越，数据包可设置越大。另外也要考虑用户数量，数量较多时需设置较小的数据包，避免单个用户传输时间过长，以保证用户下载的同步性。

数据包的分割要遵循视频文件的时序，不可措置时间，而且要掌握视频信息与音频信息时间对应，数据包同时也被严格按时间先后编号。

备保传输流程如图2所示，在控制端设置与主机功能相近的服务器作为主机的备保，在主机工作过程中，引入冲突识别模块，对数据包传输中冲突进行识别。如若传输正常，则多线程继续用户传输，如若发现冲突，则启动备保，并重启主机程序，从而消冲突，重启程序后的主机为备保，交替工作。

此时备保机为达到视频信号传输同步需查找用户接收数据包时序信息，传输下一时刻数据包。其工作原理同主机工作相同。在传输过程依然引入冲突识别模块，一旦发现冲突立即切换至已经重启的主机继续传输。

3.2 冲突识别算法的设计

互斥进程同时请求服务器服务时，在同一时刻只能有一个线程访问该对象。如果一个进程已经将资源锁定，就会使传输序列冲突，导致了另外的用户服务请求进程不停地循环，无法获取服务，进而产生冲突。

如图3所示，主机传输停止并重启传输程序后产生短暂数据传输中断，备保机正常工作后数据传输恢复正常，由于2个服务器配置相同带宽不变，视频传输质量未受影响。证明系统可正常进行传输切换并保证数据传输。

为保证视频流畅性，主要关注识别到冲突后备保切换的时间对数据传输的影响以及对视频质量的影响。表1为6次备保切换的用时，冲突机的传输程序重启时间，和切换时间用户最小视频质量。

切换耗时平均值为38.3 ms，最快37.9 ms，最慢40.2 ms；重启耗时平均值为68.1 ms，最快时间为60.5 ms，最慢时间80.7 ms；切换备保机期间最小播放质量为1 024 Kb/s。备保切换与服务器传输程序重启时间均为ms级，且视频播放稳定在512 Kb/s，表明系统工作稳定可以支持录播系统工作。

表1 备保切换品质参数表

5 结 论

录播系统对数据传输稳定性要求较高，但易产生冲突导致系统卡滞。本文针对这个问题，分析了录播系统的构成，并设计与之配套的冲突识别方案，同时设计了备保传输系统，可在产生冲突后切换至备保服务器传输数据。最后通过仿真证实系统工作正常，并在短时间内完成备保切换和主机程序重启，可满足录播系统的要求。

参考文献

[1] 李晋，葛敬国.Linux下互斥机制及其分析[J].计算机应用研究，2005（8）：72?77.

[2] 彭正文，徐新爱.基于SMP的Linux内核自旋锁分析[J].江西师范学院学报：综合版，2005（3）：23?28.

[3] COFFMAN E G， ELPHICK M， SHOSHANI A. System deadlocks [J]. ACM Comput Surv， 1971， 3（2）： 67?78.

[4] HAVELUND K， PRESSBURGER T. Model checking Java programs using Java pathfinder [J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer， 2000， 2（4）： 366?381.

[5] 宋淑彩.面向Web的数据挖掘技术在网站优化中的个性化推荐方法的研究与应用[J].科技通报，2012，28（2）：118?119.

[6] HOVEMEYER D， PUGH W. Finding bugs is easy [J]. ACM SIGPLAN Notice， 2004， 39（12）： 92?106.

[7] 夏惠芬，董卫民. 基于关联规则的Web挖掘技术研究[J].现代电子技术，2011，34（16）：100?102.

首先，控制系统会将目标视频分成若干数据包，数据包大小依据服务器与用户网络传输速度而定，网速越，数据包可设置越大。另外也要考虑用户数量，数量较多时需设置较小的数据包，避免单个用户传输时间过长，以保证用户下载的同步性。

数据包的分割要遵循视频文件的时序，不可措置时间，而且要掌握视频信息与音频信息时间对应，数据包同时也被严格按时间先后编号。

备保传输流程如图2所示，在控制端设置与主机功能相近的服务器作为主机的备保，在主机工作过程中，引入冲突识别模块，对数据包传输中冲突进行识别。如若传输正常，则多线程继续用户传输，如若发现冲突，则启动备保，并重启主机程序，从而消冲突，重启程序后的主机为备保，交替工作。

此时备保机为达到视频信号传输同步需查找用户接收数据包时序信息，传输下一时刻数据包。其工作原理同主机工作相同。在传输过程依然引入冲突识别模块，一旦发现冲突立即切换至已经重启的主机继续传输。

3.2 冲突识别算法的设计

互斥进程同时请求服务器服务时，在同一时刻只能有一个线程访问该对象。如果一个进程已经将资源锁定，就会使传输序列冲突，导致了另外的用户服务请求进程不停地循环，无法获取服务，进而产生冲突。

如图3所示，主机传输停止并重启传输程序后产生短暂数据传输中断，备保机正常工作后数据传输恢复正常，由于2个服务器配置相同带宽不变，视频传输质量未受影响。证明系统可正常进行传输切换并保证数据传输。

为保证视频流畅性，主要关注识别到冲突后备保切换的时间对数据传输的影响以及对视频质量的影响。表1为6次备保切换的用时，冲突机的传输程序重启时间，和切换时间用户最小视频质量。

切换耗时平均值为38.3 ms，最快37.9 ms，最慢40.2 ms；重启耗时平均值为68.1 ms，最快时间为60.5 ms，最慢时间80.7 ms；切换备保机期间最小播放质量为1 024 Kb/s。备保切换与服务器传输程序重启时间均为ms级，且视频播放稳定在512 Kb/s，表明系统工作稳定可以支持录播系统工作。

表1 备保切换品质参数表

5 结 论

录播系统对数据传输稳定性要求较高，但易产生冲突导致系统卡滞。本文针对这个问题，分析了录播系统的构成，并设计与之配套的冲突识别方案，同时设计了备保传输系统，可在产生冲突后切换至备保服务器传输数据。最后通过仿真证实系统工作正常，并在短时间内完成备保切换和主机程序重启，可满足录播系统的要求。

参考文献

[1] 李晋，葛敬国.Linux下互斥机制及其分析[J].计算机应用研究，2005（8）：72?77.

[2] 彭正文，徐新爱.基于SMP的Linux内核自旋锁分析[J].江西师范学院学报：综合版，2005（3）：23?28.

[3] COFFMAN E G， ELPHICK M， SHOSHANI A. System deadlocks [J]. ACM Comput Surv， 1971， 3（2）： 67?78.

[4] HAVELUND K， PRESSBURGER T. Model checking Java programs using Java pathfinder [J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer， 2000， 2（4）： 366?381.

[5] 宋淑彩.面向Web的数据挖掘技术在网站优化中的个性化推荐方法的研究与应用[J].科技通报，2012，28（2）：118?119.

[6] HOVEMEYER D， PUGH W. Finding bugs is easy [J]. ACM SIGPLAN Notice， 2004， 39（12）： 92?106.

[7] 夏惠芬，董卫民. 基于关联规则的Web挖掘技术研究[J].现代电子技术，2011，34（16）：100?102.