基于網(wǎng)格技術(shù)的校園VOD系統的研究

摘要：提出了一種基于網(wǎng)格技術(shù)的校園VOD系統的實(shí)現框架，描述了系統的硬件構成和軟件層次體系結構，提出了一種對點(diǎn)播任務(wù)的自適應調度算法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格VOD校園VOD網(wǎng)格

目前各個(gè)高校都已建立好了自己的校園網(wǎng)絡(luò )平臺。由于校園網(wǎng)絡(luò )平臺硬件設施的不斷更新發(fā)展，使得校園視頻點(diǎn)播服務(wù)VOD(Video On Demand)也迅速發(fā)展起來(lái)。VOD系統利用了網(wǎng)絡(luò )和視頻技術(shù)的優(yōu)勢，為廣大師生提供了在線(xiàn)的新聞、教學(xué)、資料、娛樂(lè )等節目的點(diǎn)播和廣播服務(wù)，并提供了大型會(huì )議和活動(dòng)的直播服務(wù)。然而還存在一些具體技術(shù)問(wèn)題的困擾，如流量難以控制，無(wú)法保證服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)器集群如何布局，資源該如何共享等。網(wǎng)格技術(shù)就是將各種計算機資源連接起來(lái)，以實(shí)現真正意思上的資源共享。網(wǎng)格技術(shù)的應用可以解決校園V0D系統中所存在的一些問(wèn)題。

1 網(wǎng)格技術(shù)的應用研究
網(wǎng)格是構筑在互聯(lián)網(wǎng)上的一組新興技術(shù)，是信息社會(huì )的一種網(wǎng)絡(luò )基礎設施。將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機、大型數據庫、遠程設備等融為一體，可以提供更多的資源，實(shí)現真正意義上的資源共享。網(wǎng)格是目前越來(lái)越重要的研究領(lǐng)域，被稱(chēng)為是下一代的Internet。隨著(zhù)網(wǎng)格計算研究的深入，人們越來(lái)越發(fā)現網(wǎng)格體系結構的重要性，提出了一種新型網(wǎng)格體系結構——開(kāi)放網(wǎng)格體系結構OGSA(Open Grid Services Architecture)。

OGSA是Global Grid forum 4的重要標準，是當前獲得廣泛支持的一種網(wǎng)絡(luò )體系結構。OGSA是GT3的設計原型，重點(diǎn)在于把Globus思想和Web service結臺起來(lái)。在OGSA框架中，可以將一切資源(包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數據資源等)都抽象為服務(wù)。利用OGSA，有利于通過(guò)統一的標準接口來(lái)管理和使用網(wǎng)格。Web Service提供了一種基于服務(wù)的框架結構。但是，Web Service面對的一般都是永久服務(wù)，而在網(wǎng)格應用環(huán)境中，大量的服務(wù)是臨時(shí)性的短暫服務(wù)，如一個(gè)計算任務(wù)的執行等?？紤]到網(wǎng)格環(huán)境的具體特點(diǎn)，OGSA在原來(lái)Web Service服務(wù)概念的基礎上，提出了網(wǎng)格服務(wù)(Grid Service)的概念，用于解決服務(wù)發(fā)現、動(dòng)態(tài)服務(wù)創(chuàng )建、服務(wù)生命周期管理等與l臨時(shí)服務(wù)有關(guān)的問(wèn)題。

2 基于網(wǎng)格技術(shù)的校園VOD系統
校園VOD系統的服務(wù)對象是全體使用校園網(wǎng)的普通用戶(hù)。由于用戶(hù)的層次較多．計算機水平各異，因此校園VOD一般采用基于瀏覽器的Web收看方式。在網(wǎng)絡(luò )上傳輸音／視頻多媒體信息目前主要采用流式傳輸方案。這種在Intemet／Intranet中使用流式傳輸技術(shù)的連續時(shí)基媒體稱(chēng)為流媒體。然而在現有的大多數VOD系統的點(diǎn)播傳輸方式中，視頻內容仍需經(jīng)由服務(wù)器到客戶(hù)端的整個(gè)端到端的路徑。由于視頻流傳輸需要很高的傳輸帶寬，且單個(gè)視頻的傳輸時(shí)間很長(cháng)，一般在120min左右，這就要求解決一些技術(shù)問(wèn)題：多種資源的合理調度和協(xié)調工作等；一些實(shí)時(shí)性的要求要盡快解決；對于不斷擴大的視頻服務(wù)的需求還要求解決地理上分布于校園內部的各個(gè)孤立的VOD服務(wù)系統的統一管理和調度_。網(wǎng)格將突破傳統Web的局限性，將校園網(wǎng)內所有資源(包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數據資源、信息資源、知識資源等)連成一個(gè)邏輯整體，就像一臺超級計算機一樣，為用戶(hù)提供一體化信息和應用服務(wù)(計算、存儲、訪(fǎng)問(wèn)等)。而虛擬組織在這個(gè)虛擬環(huán)境下將最終實(shí)現資源共享和協(xié)同工作，徹底消除資源“孤島”。這樣，人們使用網(wǎng)格上的資源就像用電一樣簡(jiǎn)單，為校園VOD系統提供了更加可靠的保障。

校園VOD網(wǎng)格解決方案的指導思想是采用OGSA。對于系統平臺中各個(gè)網(wǎng)格服務(wù)器之問(wèn)的數據傳輸，采用現在國際上公認的符合OGSA規范的Globus的網(wǎng)格計算協(xié)議作為數據之間的傳輸協(xié)議。Globus是一個(gè)構成網(wǎng)格基礎設施的平臺，它的作用相當于網(wǎng)格操作系統，擔負管理網(wǎng)格資源的重任，但它距離具體應用還相對較遠。如果直接基于Globus編寫(xiě)應用程序，則會(huì )像直接使用底層API編寫(xiě)windows程序一樣麻煩。因此Globus和應用程序間還需有一個(gè)橋梁，即Cactus(仙人掌)。有了Caetus的支持，編寫(xiě)應用程序幾乎不需要考慮網(wǎng)格的具體問(wèn)題，甚至以前的應用程序可以不加修改就能使用。Cactus是一種集成的、通用的、開(kāi)放源碼的計算科學(xué)與工程問(wèn)題解決環(huán)境。Cactus允許用戶(hù)將原來(lái)在個(gè)人計算機上開(kāi)發(fā)的程序(不管它們原來(lái)是用C語(yǔ)言、C++寫(xiě)的，還是用Fortran、Java語(yǔ)言編寫(xiě)的)，轉換成能夠在虛擬的網(wǎng)格計算機上運行的并行程序；Cactus提供了簡(jiǎn)單、抽象的API調用接口，屏蔽了系統的復雜特性，從而簡(jiǎn)化了用戶(hù)界面，獲得了很強的可移置性；Cactus能夠在不同體系結構的機器上運行，如單處理器、集群計算機和其他體系結構的并行計算機。這樣對于那些分散在校園各處．采用不同應用程序的VOD服務(wù)器，都可以在caetus的支持下直接使用。

基于網(wǎng)格技術(shù)的校園VOD系統主要是利用網(wǎng)格的方法將校園網(wǎng)格內的多個(gè)VOD服務(wù)及其他相關(guān)信息加以整合，為用戶(hù)提供統一、透明的視圖。用戶(hù)只需選取其喜歡的視頻，系統便會(huì )自動(dòng)為用戶(hù)提供最佳的視頻資源供用戶(hù)使用。而這一切對用戶(hù)來(lái)說(shuō)都是透明的，用戶(hù)無(wú)需關(guān)注到底是哪個(gè)VOD主機為其提供視頻服務(wù)，更不需要關(guān)注系統后臺復雜的技術(shù)實(shí)現。

3 關(guān)鍵問(wèn)題
3．1 系統硬件構成
系統的構建是基于地理上分布于校園網(wǎng)中的以各個(gè)VOD服務(wù)器為中心的網(wǎng)格VOD子系統的若干資源，如圖1所示。這些網(wǎng)格子系統在網(wǎng)絡(luò )拓撲、軟硬件體系結構、安全和認證策略等方面都不盡相同。各個(gè)VOD服務(wù)器之間利用多個(gè)路由器等網(wǎng)絡(luò )設備通過(guò)校園寬帶網(wǎng)互聯(lián)起來(lái)，而在網(wǎng)格子系統內的其他一些計算機則作為視頻服務(wù)器，可以對用戶(hù)透明。每個(gè)視頻服務(wù)器都掛接著(zhù)獨立的大容量磁盤(pán)陣列，還有高速緩存和控制管理單元。另外在系統中至少還要設置一臺與所有VOD服務(wù)器都連通的網(wǎng)格管理服務(wù)器，提供與管理有關(guān)的全局動(dòng)、靜態(tài)Web Service服務(wù)信息，例如，在線(xiàn)的用戶(hù)數、帶寬的占用率、帶寬限制、視頻所在服務(wù)器的地址等。網(wǎng)格管理服務(wù)器與用戶(hù)和VOD服務(wù)器之間所傳送的只是查詢(xún)、控制等信息，而沒(méi)有流媒體數據，帶寬要求比較低。

網(wǎng)格管理服務(wù)器主要承擔網(wǎng)格檢索信息服務(wù)GIIS(Grid Index Informafion Service)，具體講就是對VOD網(wǎng)格中的一些用戶(hù)信息(髟視材料)的整理和安全保密等綜合信息的索引。而視頻服務(wù)器主要對媒體數據實(shí)現壓縮和存儲、根據用戶(hù)的請求讀取存儲器上的節目、實(shí)時(shí)地向用戶(hù)端進(jìn)行軟件傳輸。此外，每臺視頻服務(wù)器還要啟動(dòng)若干信息提供者負責將播放的一些信息及各硬件資源的負載狀況等提交給本地的VOD服務(wù)器中的網(wǎng)格資源信息服務(wù)GRIS(Grid Resource Information Service)，以便于動(dòng)態(tài)選擇負載較輕、響應較快的視頻服務(wù)器來(lái)提供資源。網(wǎng)格路由器的運行機制類(lèi)似于IP路由器，不同之處在于網(wǎng)格路由器既可以接收或轉發(fā)資源定位請求，同時(shí)也可以存儲物理服務(wù)到虛擬服務(wù)的映射關(guān)系。為防止信息泛洪和路由回路，可對資源請求的傳播距離——轉發(fā)跳數規定上限。此外還可以限定資源匹配的數量來(lái)減少網(wǎng)格路由器間的通信量，提高資源定位的性能。

3．2 系統軟件體系結構
網(wǎng)格VOD系統的軟件體系結構主要由三個(gè)層次構成，如圖2所示。