基于云计算和CDN的视频播放系统设计

吉高卿 秦景 冯英伟 张连连 葛宇 吴峰 刘俊

摘要：随着互联网技术的发展，人们对互联网上视频播放系统的服务质量要求也日益提高。为解决网络视频服务器负载不均状态等问题的的出现，本文提出了一种基于云计算技术和CDN技术的视频播放系统。该系统由中心服务器，边沿服务器，客户端电脑组成，中心服务器和边沿服务器的设计采用了云计算和CDN技术结合的设计思路。测试结果表明该系统可以较好的解决网络视频播放负载不均及网络拥塞问题。

关键词：服务器;云计算;CDN;负载不均;网络拥塞

中图分类号：TP31         文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）01-0218-02

Design of Video System Based on Cloud Computing and CDN

JI Gao-qing1， QIN Jing1，FENG Ying-wei1，ZHANG Lian-lian1，GE Yu1，WU Feng2， LIU Jun3

（1.HeBei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China; 2.First Affiliated Hospital of Hebei North University，Zhangjiakou 075000，China;  3. Hebei Zhangjiakou Jin Hong Compressed Natural Gas Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China ）

Abstract： With the development of Internet technology， the demand for the quality of service of the video playing system on the Internet is also increasing. In order to solve the problem of uneven load of network video servers， this paper proposes a video playback system based on cloud computing technology and CDN technology. The system is made up of central server， edge server and client computer. The design of central server and edge server adopts cloud computing and CDN technology. The test results show that the system can solve the problem of network video playing load uneven and network congestion.

Key words：servers; cloud computing; CDN; load uneven; network congestion

随着互联网技术的发展，人们对互联网上视频播放系统的服务质量要求也日益提高，但是当某一时刻，假如突然新增了大量用户，就可能会出现某一台服务器承受了绝大多数负载，而其他服务器却处于几乎空閑状态的情况，视频播放服务器就会无法正常工作，无法保证客户端的服务质量，出现所谓的负载不均状况。为解决网络视频服务器负载不均状态的出现，本文提出了一种基于云计算技术和CDN技术的视频播放系统，该系统可以有效地解决负载不均问题。

1 云计算技术

1.1 云计算技术介绍

云计算技术基于分布式处理、并行处理和网格计算等技术，并将这些技术结合起来，构成一种全新的资源存储和资源访问模式，采用这种新的模式为视频服务器中存放的海量视频资源的处理带来了新的发展机遇[1]。

云计算具有按需即用，物美价廉的优点。利用云计算技术，客户可以按照使用量付费的模式，获得资源提供商的可配置，并且具有高性能，高可靠性的计算资源共享池，这些资源可以包括云存储，云网络，云端服务器等。

云计算技术发展到当今阶段，具有以下几个特点：

1） 服务弹性化。即云端提供的服务是可以快速伸缩的，既可以用在对资源需求比较大的公司，又可以适用于对资源需求量较小的个人用户。这样，就可以避免因为服务器过载造成的服务质量下降，或者服务器空闲造成的云计算资源浪费情况的出现。

2） 服务资源池化。云计算端提供的资源都是采用虚拟化技术[2]，以统一的方式进行管理的，这样可以实现在把云端资源提供给不同用户的同时，将资源的放置位置，管理方式，管理策略等信息对用户透明化。

3） 终端多样化。用户可以通过各种智能设备，例如台式电脑，笔记本电脑，智能手机的多种多样的终端设备，随时随地的享受云计算端所提供的服务资源。

1.2 云计算视频服务器

由于用户使用网络资源的不确定性， 有时会出现有些视频服务器负载太大，而另外的一些视频服务器却处在空闲状态的情况，利用云计算技术，可以较好地解决视频服务器负载不均现象的产生。

云计算视频服务器系统的可以分为核心服务层，用户接口层以及服务管理层三部分。

核心服务层是指将云端的硬件设备，操作系统等统一作为一个抽象层进行处理。核心服务层还可以进一步分为三个子层：基础设施子层，平台子层，软件子层。

用户接口层指实现云计算服务的访问方式，通常可以包括命令行访问，网页访问，APP访问等不同的访问方式。用户不仅可以通过传统的电脑桌面方式实现云端访问，还可以通过移动互联网，实现随时随地的接入云端。为此，英特尔，思科等云端提供商倡导开发统一的云端计算接口，实现在全球环境下，不同用户可以无缝的利用云计算技术工作。

服务管理层的主要作用是对核心服务层提供安全保障，包括云计算服务质量的保障和安全管理方面的保障等。由于云计算需要面对千千万万的不同用户[3]，因此其平台的规模十分庞大，并且内部结构也非常复杂，这样就很难满足用户的服务质量，以及安全等方面的要求。为此，必须通过服务管理对云计算端进行个方面的综合管理，才能最大限度地发挥其作用。

2 CDN技术

2.1 CDN技术介绍

随着互联网的普及，视频点播（IPTV）业务已经成了互联网上最有市场价值的应用之一。据2017年亚太地区在线消费报告显示，全球互联网用户平均每人每月收看在线视频的时长达到926分钟。网络视频的巨大点击量已经成了网络运营商面临的主要挑战之一。CDN技术的发展主要就是为了解决网络视频服务器在巨大访问量时不能正常工作的问题。

CDN是Content Delivery Network的缩写，即内容分发网络。CDN技术的基本思想是尽可能避开互联网上有可能影响数据传输的环节，基本方法是在互联网的每个局域网中放置一个节点服务器，系统可以实时的根据网络流量，节点信息等情况，使用离最近的服务节点提供服务，从而实现了互联网的智能虚拟化。将CDN技术运用到视频播放系统中，会大大提高服务器在承受突然大量访问时工作效率和稳定性，缓解网络拥挤的状况。

2.2 CDN技术优化

CDN虽然经过多年发展，技术已经比较成熟，但是仍在以下方面可以进行优化处理：

用户需求的获取。由于网络视频的观看者人数非常多，而每个人的喜好不同，因此运营商应该根据用户的不同需求去制定特色化的服务。用户需求的获取方法有不同的方式，运用比较广泛的是基于可拓数据挖掘的关联挖掘方法。该方法的原理是通过粒子群算法[5]，并结合可拓原理，去获取到全新的关联数据。

与P2P方式的结合。P2P技术可以实现不同客户端之间的视频内容的传输，这样就能够使用户从最近的地方获取视频服务，从而降低了对服务器资源的依赖性。P2P技术具有很好的容错性和可扩展性，可以作为CDN网络的补充，这样在不改变CDN模式的网络结构的条件下，可以更好地发挥CDN的优势，为用户提供更加高效，高质量的服务。

资源调度的优化。任何结构的CDN系统中，资源调度模块都是最核心的部分，资源调度一般是通过DNS解析来实现的，因此需要在进行DNS解析时，尽可能的高效完成。进行DNS解析时需要考虑到非常多的因素，比如客户所处地址，线路，请求的优先级，成本等等，因此在实现DNS解析算法时需要设计出一种合理的因素权重确定方案。

3 基于云计算和CDN技术的视频播放系统

基于以上分析，设计了一种将云计算技术和CND技术相结合的视频服务器系统。该系统实现了两种技术的互补，可以最大限度地为客户提供高可靠性，高质量的视频播放服务。

基于云计算和CDN技术的视频播放系统的组成如图1所示，主要由三部分组成：中心服务器，边沿服务器和客户端电脑。

中心服务器的作用是当客户端电脑访问视频资源时，请求首先到达中心服务器，由中心服务器通过路由，计算出距离该用户最近的边沿服务器，并将请求告知该节点，如果该节点

存放有所需的视频节目，则传送给用戶，否则由距离较近的其他边沿服务器去完成该任务。中心服务器需要完成较大计算工作，可以用云计算服务器实现，这样就可以实现以较低的经济成本去实现较高，较可靠的服务质量。中心服务器的工作流程图如图2所示。

边沿服务器的作用是存储大量视频节目，并且能够根据接收到的中心服务器的指令，将相应的视频节目传送到客户端电脑或者其他边沿服务器。边沿服务器应布置在网络的边缘，并且可以采用重定向策略，从而将用户需求转向距用户最近的边缘服务器。边沿服务器的工作流程图如图3所示。

客户端电脑用户收看视频节目，为了缓解边沿服务器在网络拥挤出现时的压力，系统采用了P2P技术，利用该技术，可以实现不同客户端的视频节目的相互传送。

4 测试及结论

以一台中心服务器，三台边沿服务器，100台客户端电脑为测试系统进行测试。测试结果表明在同一时间，100台客户端电脑可以同时收看视频节目，并不会出现由于网络拥塞致使节目播放不流畅现象的产生。说明该系统可以较好地解决网络视频播放负载不均及网络拥塞问题。

参考文献：

[1] Schwarzh H， Marpre D， Wiegand T. Overview of the scalable video coding extension of the H.264/AVC standard[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2014， 17（9）： 1103-1120.

[2] 杨明川.CDN的四大关键技术[N].人民邮电，2015年05月26日

[3] 郭红方.视频点播内容分发关键技术研究[D].郑州：郑州大学，2012，11

[4] 徐悦.构建大型CDN网络的关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2008，5.

[5] ITU-T Rec. H.222.0，“Information Technology — Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information： Systems，” May 2006; ISO/IEC 13818-1：2012.