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基于计算机集群的网络流媒体系统设计 摘要 互联网作为一种新的信息流动承载平台，正在深刻地改变着人们的交流和思 维方式。宽带网络的建设、网络用户的大量增加以及人们对感观享受的追求为网 络多媒体系统的发展带来了新的发展契机。 本论文针对多媒体网络播放平台，针对多媒体服务器高负荷的特性，提出了 集群解决方案，系统采用一种动态自适应的负载均衡算法平衡集群内部节点间的 负载。另外，本文提出了一种文件下载本地播放与流媒体播放结合的节目播放模 式，实现了服务器平台对客户端播放的控制，即可以减轻网络带宽带来的压力以 及网络传输带来的不稳定性。 本文对整个系统的需求分析、功能设计与模块开发做了详细描述，并针对系 统进行了详细的测试，结果表明，系统运行情况良好，达到了最初的设计要求， 是一个很好的网络多媒体系统应用。 关键词:互联网，多媒体，服务器，集群，负载均衡，播控模式 大学硕士论文 Abstract AsanewinformationeommunieationPla加rm， InternetehangesPeoPIe，s waysofthinkingandeommunieation.ThedeveloPofbroadbandnetwork，the inereasingofinternetusersandPeoPle’ 5enjoymentdesiring，multi一media networksystem15faeinganewdeveloPmentoPPortunity， Inthisthesis， weProPoseaeomPutereluster50}utiontosolvehighIoad 5ituationofmultimediasystem， andthesystememPloysadynamieadaPtive aIgorithmasitssolutionforIoadbalaneing.Furthermore， weProPoseda strategywhicheombinesnetworkfiledownloading一 loealPlayingandstream mediaPlaying， andweaehjevetheeontrollingfromservertoelient.T卜15 strategyeanredueethetransmissionPressureandinstability. Thethesisdeseribesrequirementsanalysisoftheentiresystem，funetion designingandmoduledeveloPingthorough!y.ThesystemPerformsverywell inourtesting， andthedeveloPedfunetionsmatehwithourorjginalintention Perfeetly.It15indeedanoutstandingaPPlieationofmultimediasystem， Keywords:Internet，Multimedia，Serve几Cluste几 Loadbalaneing，Play mode

目录 摘要.......................................................……工 Abstract...................................................……工I 目录.....................................................……工H 1.绪论 .....................................................……1 1.1课题研究背景.........................................……1 1.2国内外流媒体服务发展与应用现状.......................……2 1.3课题主要工作.........................................……2 1.4文章的组织结构.......................................……3 2.流媒体与计算机集群相关技术概述......……，................……4 2.1音视频编解码技术，.……，..…，......................……4 2.1.1视频编码技术....................................……4 2.1.2音频编码技术....................................……5 2.2流媒体技术..................……，..................……6 2.2.1流媒体定义......……，...............……，...……6 2.2.2流媒体传输方式..................................……6 2.2.3流媒体播放方式..................................……7 2.2.3.1单播......................................……7 2.2.3.2组播..…，..…:..........……，.........……8 2.2.3.3广播...............……，................……9 2.2.3.4PZP传输 ...................................……9 2.2.4流媒体相关技术协议.............................……10 2.2.4.1实时传输协议RTP与 RTCP...................……10 2.2.4.2实时流协议 RTSP...........................……n 2.2.4.3资源预订协议 RSVP.........................……12 2.2.4.4微软媒体服务器协议 MMS....................……13 2.2.4.5超文本传输协议 HTTP.......................……13 2.3计算机集群系统......................................……14 2.3.1计算机集群分类.................................……14 2.3.2集群技术的发展趋势.............................……15 3.系统分析设计及若干关键问题的研究..........................……17 3.1系统分析与总体设计..................................……17 3.2服务器端系统结构方案的研究与设计....……，.........……19 3.2.1集群解决方案的意义.............................……19 3.2.2计算机集群设计考虑因素.........................……20 3.2.3常用集群体系结构.........................……几..…22 3.2.3.1无共享体系结构…‘.......................……22 3.2.3.2共享磁盘体系结构 .........................……22 3.2.3.3共享存储器体系结构.......................……23 3.2.4一种无共享集群体系结构的设计.，.................……24 3.2.4.1服务节点的加入二，........................……25 江大学硕士论文 3.2.4.2服务节点的退出........................……‘二26 3.2.4.3服务节点信息的更新.......................……27 3.2.4.4服务节点的异常处理.......................……27 3.3集群负载均衡方案的研究与设计........................……28 3.3.1负载均衡实现层次 ...............................……28 3.3.2常用负载均衡算法...............................……29 3.3.3基于节点实时性能的动态自适应负载均衡算法.......……32 3.3.3.1算法的提出...............................……32 3.3.3.2算法的描述 ...............................……33 3.3.3.3算法的详细设计分析以及设计因素的考量.....……35 3.4播放方案的研究与设计................................……38 4.系统实现和性能测试.......................................……40 4.1系统开发环境........................................……40 4.1.1微软 SQLSERVER2005数据库.....................……40 4.1.2WTL界面库.....................................……40 4.1.3DirectShow技术...............................……41 4.2服务器主要模块设计与实现.…‘.......................……42 4.2.1服务器集群交互模块的实现.......................……42 4.2.1.1通讯协议的选择...........................……42 4.2.1.2通信规约的制定...........................……拐 4.2.1.3交互模块的具体实现.......................……45 4.2.2服务器集群负载均衡模块的实现 ...................……46 4.2.2.1参数采集的实现...........................……46 4.2.2.2权值以及通信的实现.......................……48 4.2.3流媒体服务模块的设计与实现.....................……49 4.2.3.1流媒体控制协议的选择.....................……49 4.2.3.2流媒体的实现 .............................……49 4.2.4文件下载服务模块的设计与实现...................……52 4.2.5客户端管理控制模块的实现.......................……53 4.3客户端主要模块设计与实现............................……55 4.3.1嵌入式平台的选择 ...............................……55 4.3.2播放模块的实现.................................……56 4.3.2.1本地文件播放的实现.......................……57 4.3.2.2流播放的实现.............................……58 4.3.3本地视频文件管理模块的实现.....................……58 4.4系统测试与分析......................................……61 4.4.1系统测试平台的构建.............................……61 4.4.2单节点流媒体服务器的测试.......................……63 4.4.3流媒体集群测试.................................……64 4.4.3.1流媒体集群服务故障稳定性测试.............……64 4.4.3.2流媒体集群负载均衡性能测试...............……65 4.4.4FTP本地文件下载与客户端管理模块测试...........……67 5.总结与展望.............................-..................……72 5.1总结 ................................................……72 江大学硕士论文 Q左乙几︻了‘叮才叮‘7.5.2展望二 参考文献..…......................................…… 致谢…… 第1章绪论 1.1课题研究背景 互联网作为一种新的信息流动承载平台，正在深刻地改变着人们的交流和思 维方式。目前，互联网宽带接入和应用业务正处于良胜互动的高速发展阶段。全 球网民的人数在急剧增加，越来越多的人不再满足于浏览文本和图片组成的信 息，而是通过互联收看电影电视节目和收听网络电台广播。随着宽带网络的建设， 充分利用网络带宽将是宽带网络发展基本动力，同时也是效益来源。基于中、高 速网络的流媒体技术由此诞生，它的诞生和发展推动了互联网整体架构的革新， 同时赋予宽带应用更多的娱乐性和互动性。同时，随着无线网络的升级，第三代 通讯技术(3G)在全球网络的不断发展，无线网络的带宽增长使得无线网络中传 播音视频变得非常实际。可以想像，网络的带宽增加必然带来一系列需要高带宽 传输的产业的发展，而多媒体技术讲成为带宽增加的最大受益者。流媒体音视频 技术本身带来仅有的文本、图像这类简单的信息所不具备的强大的娱乐性，毫无 疑问的将吸引广大用户。 流媒体带来更大的用户娱乐性，宽带网络的发展以及网络运行者对新利润增 长的需求，使得流媒体迎来了良好的发展契机。流媒体纵深到人们生活的各个方 面，将成为网络经济的新增长点。纵观流媒体的发展，必然给人们生活和宽带网 络的发展带来一次飞跃。 作为新一代互联网应用的标志，流媒体技术在近几年得到了飞速的发展。互 联网技术的发展和普及，流媒体作为一种新型的满足用户对网络高质量媒体文件 需求的解决方案，深入到互联网生活的各个角落，但流媒体技术要求存储大容量， 传输实时高效的特性，使得单个的流媒体服务器越来越不堪重负，其技术的瓶颈 尤其反映在媒体文件的所要求的海量存储，文件传输所需求的高速网络带宽，合 法用户请求的快速响应等方面。如果还是采用传统的方法依靠硬件平台和服务器 的升级，不仅代价昂贵而且也不能解决实际问题。针对这种情况，利用计算机集 群提供流媒体服务将是问题较好的解决方案。 浙江大学硕士论文 1.2国内外流媒体服务发展与应用现状 到目前为止，工nternet上使用较多的流媒体格式主要有 RealNetworkS公司 的 Realsystem、Mierosoft公司的 WindowsMediaTeehnology和Apple公司的 QuickTime，创门是流媒体传输系统的三大主流技术方案。 RealSystem由媒体内 容制作工具 RealProduCer、服务器端Rea1Server、客户端软件(ClientS。ftware) 三部分组成，轻松在网上实现视音频和三维动画的回放，是现今被广泛使用的流 媒体技术。 windowsMediaTechnOI。gy是Micr。S。ft提出的信息流式播放方案， 其主要目的是在工nternet和工ntranet上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流 信息的传输。wind。 wsMediaTechn。1。gy由MediaT。。15、 MediaServer和Media Player工具构成。凭借其与wind。ws操作系统捆绑，快速占领了大量市场份额。 APPle公司于1991年开始发布QuickTime，它几乎支持所有主流的个人计算平台和 各种格式的静态图像文件、视频和动画格式，具有内置Web浏览器插件(Plug一in) 技术。目前 QulckTime在国外应用较多国内则相对较少。除了上述三种主要解决 方案外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有Macromedia的Sh。ckwave技 术和MeataCreati。n公司的 MetaStream技术。 国内外流媒体在视频监控、网络视频点播服务、视频会议、远程教育等方面 都得到了大量的应用。流媒体产业链逐渐成熟，技术标准化和市场规模快速发展。 最显著的是，视频网站在过去几年发展迅速。国外以YouTube为代表，国内现在 则存在包括悠视网、土豆网、优酷网等多家视频网站。视频网站发展模式目前大 致分为两类，一类是视频分享类(uGC)，另一类是以PZP技术为基础的网络电视。 1.3课题主要工作 基于人们对流媒体感观享受的需求，整个系统设计充分考虑到用户的实际需 求，结合系统技术复杂度，实现成本等各种实际因素，对系统的设计方案进行了 详细分析和考察。 考虑到网络流媒体面对同一时刻大量的用户请求以及服务，单机己经远远不 能满足用户的响应性以及服务要求，系统将采用计算机集群技术解决服务器端高 性能的要求。 浙江大学硕士论文 系统功能模块主要由以下几个方面的内容组成: (1)视频流媒体服务器的设计与实现。包括流媒体压缩编解码方案，传输 协议的选择与实现。 (2)多台服务器组成的服务器集群的设计与实现。包括服务器在负载均 衡、扩展性以及稳定性方面的设计与实现。 (3)服务器端对客户端进行远程播放控制的设计与实现。 本课题设计的视频播放平台不仅可以满足本项目的应用需要，通过少量改进 设计之后同样也可以容易应用于其它多媒体视频点播服务。因此，本课题的研究 具有非常直接的应用价值和社会意义。通过本课题的实现与研究，实现了一个高 性能的视频流媒体服务解决方案。对多台服务器组成的服务器集群提供流媒体服 务时如何进行负载均衡，实现高扩展性和稳定性方面都进行了相关研究，提出了 较好的解决方案。 .4文章的组织结构 本文共分成5章，组织结构如下: 第2章对流媒体服务相关的技术以及计算机集群进行了大致的介绍。流媒体 服务相关技术介绍主要内容包括音视频的编解码技术，网络传输技术，流媒体控 制协议。计算机集群技术主要针对计算机集群的概念以及发展趋势进行了相关介 绍 第3章对系统流媒体服务、服务器集群的设计与实现进行了详细的分析与论 证。在已有算法的基础上，提出了新的服务器集群的负载均衡算法，设计了高可 扩展性的服务器集群策略。 第4章介绍了系统的实现细节以及测试方法，并对测试结果进行了分析与小 结。 第5章对本文的研究课题进行总结，对系统未来可以完善之处进行了展望。

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