第 4 章流媒体服务器技术

第 4 章流媒体服务器技术

流媒体服务器技术

本章结构


学习目标

1 ．知识目标：-- 理解流媒体服务器的概念与特点，-- 掌握流媒体服务器系统的硬件体系结构，-- 了解不同类型的流媒体服务器，-- 掌握流媒体服务器的关键技术。

2 ．能力目标：能根据实际需要选配流媒体服务器及相关设备。

3 ．素质目标：知道互联网中哪些服务是由网络流媒体服务器提供的。


4.1 流媒体服务器概述

4.1.1 流媒体服务器的概念

4.1.2 流媒体服务器的特点

4.1.3 流媒体服务器的功能



流媒体服务器是一种对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用计算机设备，采用流媒体的压缩格式，在符合技术指标的情况下对数据进行压缩编码，以满足存储和传输的要求。

流媒体服务器可为用户提供的服务包括广播、准视频点播和视频点播。



•广播方式是将节目按一定的顺序播放，用户没有选择的权利，也不能控制节目的播放，因此这种方式非常像电视台节目播出的方式。

•准视频点播（ NVOD ）方式使用多个广播流将同一个节目按固定间隔时间陆续播放。

•视频点播与准视频点播不同，它应用户的要求发送节目，每个用户独占一个流，视频服务器必须实时响应用户命令。


4.1.2 流媒体服务器的特点

1 ）将多通道、录制与播放等功能集于一体。 2 ）用硬盘作为记录媒体，具有非线性特点，因而

具有非线性设备所有的优点。 3 ）节目记录在硬盘还未形成完整文件时，便可由

输出通道调出播放。4 ）流媒体服务器容易实现向前或向后的变速播放。5 ）具有巨大的存储能力。 6 ）使用流式数据传输方式。



流媒体服务器是一种压缩、存储、处理视音频数据的专用计算机

它由视音频压缩编码器、大容量存储设备 SCSI/FC接口 ( 高速 SATA/SAS/PCI-E 接口 ) 、输入 / 输出通道、网络接口、视音频接口、 RS-232/422/485 串行接口、协议接口、软件接口、视音频交叉点矩阵等构成



流媒体服务器和组网结构图


4.2 流媒体服务器的分类

4.2.1 基于体系结构分类

4.2.2 基于结构的扩展性分类

4.2.3 硬件工艺结构分类



1. 基于通用计算机的服务器这类服务器采用 PC 服务器级别的高档 PC

等通用计算机作为主机，以硬盘为主要存储介质，处理能力有限，一般适用于卡拉 OK 歌厅系统、酒店系统等小型应用系统，提供的并发视频流数目一般在 300 左右。



2. 基于高级工作站的服务器这一类视频服务器采用的是并行计算机，如 SGI

Origin 2x00 、 Origin 3x00 等，在设计时主要的目的是面向商业计算、事务处理和图形生成。

基于高级工作站的视频服务器充分利用已有计算机结构和硬件性能，可以支持中等规模的网络需求，其缺点是价格昂贵。

这类服务器具有较好的可扩展性能。



3. 基于专用硬件平台的服务器这类服务器厂商提供全面的网络视频服务解决方案

，其产品为网络视频服务量身定做，专门面向商业化网络视频应用。这种服务器其存储、网络 I/O 等完全针对视频应用而设计，针对不同的接入网络和系统需求，提供以太网服务模块、 ATM 接口服务模块、 DVB-ASI 接口服务模块、 QAM 接口服务模块等，并提供操作系统和网络视频应用软件。

美国 nCUBE4 服务器



4. 分布式结构服务器分布式结构服务器的设计思想是将视频服务

器的功能分布到网络中去，例如把输入 / 输出负载能力和存储能力分布到网络中，这样就可以解决单机型视频服务器设计中可能出现的瓶颈。



经过分析统计发现，各个节目被访问的概率相差很大，即 2-8规则：热门的节目点播或下载的人数多，而大部分节目点击率低，存在很大的不平衡

采用集中管理、分级分布存储的方法，把点击率高的放在高速存储器上，把点击率次高的放在中速存储器上，把点击率低的放在低档存储器上，系统根据点击率的变化，自动动态调整，其原理如图 4-1 所示。



高速存储

低速存储

集中控制和调度



1. 通用可扩展（升级）结构通用可扩展计算机结构大体上基于以下思路，

由单个或几个 CPU 组成单个节点，每个节点是一个功能处理单元，节点之间通过路由器实现互连，路由器通过可扩展内部互连规则组成一个具有一定拓扑结构的内部无阻塞网络。



2. 不可扩展结构不可扩展结构视频服务器是指一些低端 PC 服务器

级网络视频服务产品，这些服务器基于单 CPU 或 SMP结构，网络视频处理能力比普通 PC强大，但系统对可升级性的支持很差。

不可升级结构的视频服务器处理能力很小，主要应用于宾馆、酒店、用户数目较少的居民小区 VOD 应用系统；若系统只开放 NVOD 应用，则可配置多个这种服务器用于大区域系统。



根据节点的扩展方法，主要有插槽式结构、积木式结构和混合结构三类。

1. 插槽式结构插槽式结构的视频服务器具有一个大的机架，根据

型号不同提供若干个扩展插槽，每个插槽可插入一个扩展模块，每个模块带有一个或两个节点。



2. 积木式结构积木式结构的视频服务器将整个系统的功能

块分成一个个硬件模块，如 CPU块、电源块、路由块、存储块、 I/O块等，这些功能块可以根据需要自由组合，如需要高处理能力，可以多配置 CPU块；如需要高存储能力，可多配置存储块。



3. 混合式结构这种视频服务器的特点是节点的扩展采用积

木式，节点内的存储、 I/O 扩展采用插槽式。可升级结构的视频服务器可适应多种应用，

系统媒体数据存储可线性扩展，系统输出能力可线性扩展，一般比较合适用于城域、跨地区等广域 VOD 系统。


4.3 流媒体服务器系统硬件体系结构

4.3.1 星型和树型结构4.3.2 网格（ Mesh ）结构4.3.3 Torus 结构4.3.4 n维超立方体结构



流媒体服务器是采用多个处理节点（或称模块，以下在未特殊说明时不加区分）的分布式互连体系结构模块的基本结构如图 4-2 所示。





模块化的设计注定了流媒体服务器采用分布式体系结构，多个处理模块之间通过内部互连I/O 实现高带宽、低时延的无级互连，以达成系统的高度可扩展性，如图 4-3 所示。




4.3.1 星型和树型结构

星型和树型结构是常见的互连结构，分别如图 4-4 （ a ）、图 4-4（ b ）所示。


4.3.2 网格（ Mesh ）结构

网格（ Mesh ）连接方式中路由器连接成为网格状，以 4×4 网格为例，如图 4-5 所示。很容易计算出，一个二维 N×N 的网格一共有 2 （ N-1 ） N条链路。


4.3.2 网格（ Mesh ）结构

网格连接方式具有较高的灵活性和可扩展性。

(a) 2-D Mesh （ 4×4）(b) 3-D Mesh （ 4×4 ） ×4


4.3.3 Torus 结构

由于 Mesh 结构的边缘路由器具有连接度较小的缺点，因此诞生了 Torus 结构，它能将对应的边缘节点也连接起来，如图 4-6 所示。


4.3.4 n维超立方体结构

超立方体互连是一种具有较高连接度的互连结构。在这种结构中，节点连接成为多维立方体形状，如图 4-7 所示。

连接度高（自愈性）最大路径短可扩展性较差（不灵活）


4.4 流媒体服务器技术

4.4.1 服务器的 RASUM衡量标准

4.4.2 流媒体服务器的关键技术


4.4 流媒体服务器技术

服务器的构成与微机基本相似，有处理器、硬盘、内存、系统总线等，它们是针对具体的网络应用特别制定的，因而服务器与微机在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面存在着较大差异。

服务器性能指标以系统响应速度和作业吞吐量为代表。响应速度是指用户从输入信息到服务器完成任务给出响应的时

间。作业吞吐量是整个服务器在单位时间内完成的任务量。性能调

整就是根据应用要求和服务器具体运行环境和状态，改变各个用户和访问程序所分配的系统资源，充分发挥系统能力，用尽量少的资源满足用户要求，达到为更多用户服务的目的。



对服务器的评估通常采用 RASUM 或 RUMA评价体系。

RASUM 为以下指标首字母的缩写： Reliability （可靠性）、 Availability （可用性）、 Scalability （可扩展性）、Usability （易用性）、 Manageability （可管理性），

RUMA则为以下指标首字母的缩写： Scalability （可扩展性）、 Usability （易用性）、 Manageability （易管理性）、 Availability （可用性）。



1. 可靠性可靠性是指服务器必须具备高速运算处理能力和处

理效率，以满足海量数据处理和密集客户请求响应。简单来说，可靠性就是要求服务器必须运行正常、

数据必须正确、能容错，其关键在于操作系统与硬件设备的协作。



2. 可用性可用性是指服务器必须具有高稳定性，尽量少出现

停机待修现象。可用性以设备处于正常运行状态的时间比例作为平衡量指标，例如 99.9％的可用性表示每年有8 小时的时间设备不能正常运行。



3. 可扩展性可扩展性是指服务器的硬件配置，可以在原有的基

础上方便地根据需要来扩展。它主要表现在两个方面：一是留有富余的机箱可用空间，二是充裕的 I/O 带宽。



4 ．易用性易用性表现在是否能够让系统管理员轻松地确

定故障部件、完成更换或配置服务器，以及远程管理界面是否友好等。

5. 易管理性易管理性旨在利用特定的技术和产品来提高系

统的可靠性，降低系统的购买、使用、部署和支持费用。最显著的作用体现在减少维护人员的工时占用和避免系统停机带来的损失。



1. 多处理器技术与并行技术并行计算机是由一组处理单元组成的，这组处理单

元通过相互之间的通信与协作，以更快的速度共同完成一项大规模的计算任务。视频服务器中常用的并行处理技术是 SMP 和 DSM 。



1 ） SMP

SMP 是指在一个计算机上汇集了一组处理器（多 CPU ），各CPU之间共享内存子系统以及总线结构，如图 4-8 所示。



（ 1 ） SMP 的特征

① 对称式共享存储。② 单一的操作系统映像。③ 局部高速缓存及其数据一致性。④ 低通信延迟。⑤ 共享总线带宽。⑥ 支持消息传递、共享存储并行程序的设计。



（ 2 ） SMP 的缺点

① 欠可靠。

② 可扩展性较差。



2 ） DSM

DSM 使用分布式存储器模式，如图 4-9 所示，所有节点中的处理器都可以访问全部的系统物理存储器。它的思路是将 SMP 和集群的优势结合起来，由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成系统，各个节点可以是单个的 CPU 或是一个 SMP 系统。





DSM 较好地改善了 SMP 并行机的可扩展能力，具有如下特征：（ 1 ）并行机以结点为单位；（ 2 ）物理上分布存储；（ 3 ）单一的内存地址空间；（ 4 ） NUMA 模式；（ 5 ）单一的操作系统映像；（ 6 ）基于高速缓存的数据一致性；（ 7 ）低通信延迟与高通信带宽；（ 8 ） DSM 并行机可扩展到上百个结点；（ 9 ）支持消息传递、共享存储并行程序的设计。



2. 数据存储模型

1 ）数据存储模型

数据存储模型有分布式存储和集中式存储两种。



（ 1 ）分布式存储分布式存储采用磁盘阵列在多个节点间以分

布的方式来存储媒体数据，如图 4-10 所示。

由于节点之间通过互连 I/O来进行通信，因此，这些磁盘阵列中存储的数据从物理上来看虽然挂接在某个特定的节点，但对所有的节点来说，都是可以互相远程访问的。





（ 2 ）集中式存储集中式存储是将现有的 SAN 或 NAS 系统作为视频

服务器的存储部分，如图 4-11 所示。每个节点可以通过FC交换机直接访问所有的数据而不需要经过其他节点，因此，数据的读取可以不通过节点之间的内部高速互联网络。

从网络吞吐型应用来说，采用这种方式的视频服务器体系结构更加合理，系统可以在线升级和加入新的存储设备。




2 ）数据存储的带宽对于视频服务器来说，数据存储的带宽是一个重要

指标，视频服务器的吞吐性能主要取决于存储 I/O 和网络接口速率，集中式存储和分布式存储对数据有着不同的访问方式。

无论是分布式存储还是集中式存储，必须保证存储I/O 的速度远远大于网络接口 I/O 的速度，即消除存储瓶颈，才能使网络接口以全速向外吐出数据。



3 ）媒体数据存储技术媒体数据的存储主要用到了数据分条（ Striping ）和校验

（ parity ）技术。



4 ）视频服务器组网技术FC光纤网可以作为视频服务器之间快速、实时复制和移动素

材的交换网络。



FC 具有如下特点：

（ 1 ）提供从 266Mbps~4Gbps 的传输带宽；（ 2 ）支持超过 10km 的传输距离；（ 3 ）高带宽对距离不敏感；（ 4 ）适用范围广，从点到点的小系统到超大型系统都能适用；（ 5 ）支持上述提到的多种高速通信协议，同时还由于 FC 将网络和设备的通信协议与传输物理介质隔离开，具备了多种协议在同一个物理连接上同时传送的特性。目前视频服务器中多采用 IP 协议；（ 6 ）支持各类传输介质。



3. 高性能存储技术1 ） SCSISCSI总线是一种小型计算机系统接口，经过多年的

改进已经成为服务器 I/O 系统最主要的标准，几乎所有服务器和外设制造商都在开发与 SCSI 接口连接的相关设备。 SCSI总线支持数据的快速传输，目前 SCSI总线传输速率达到 640MBps 。



SCSI 具有以下特性：（ 1 ） SCSI 接口是一个通用接口。（ 2 ） SCSI 是个多任务接口，设有母线仲裁功能（ 3 ） SCSI 接口可以同步或异步传输数据，同步

传输速率可以达到 10MB/s ，异步传输速率可以达到1.5MB/s 。

（ 4 ） SCSI 接口接到外置设备时．它的连接电缆可以长达 6m 。



2 ） RAID 独立磁盘冗余阵列RAID （ redundant array of independent disk ，独

立冗余磁盘阵列）技术是为了组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，同时希望磁盘失效时不会使对数据的访问受损失而开发出的数据保护技术

RAID 可以充分发挥出多块硬盘的优势，可以提升硬盘速度，增大容量，提供容错功能确保数据安全性，易于管理，在任何一块硬盘出现问题的情况下都可以继续工作，不会受到损坏硬盘的影响。



（ 1 ） RAID 的规范





还有 RAID 7 、 RAID 10 、 RAID 50 、 RAID 53 等，但是级别越高，价钱越昂贵，因此用得较多的还是 RAID 1~5 ， RAID 1~5之间的对比如表 4-1 所示。





有一定提高

有一定提高

磁盘并行 IO ，速度提高较大，比RAID0/1 稍慢 , 但比RAID0 更可靠，比RAID1 更划算

允许 1 个盘出错





（ 2 ） RAID 技术应用磁盘阵列可以分为软阵列和硬阵列两种。软阵列就是通过软件

程序来完成，要由计算机的处理器提供运算能力，只能提供最基本的 RAID 容错功能。硬阵列是由独立操作的硬件（阵列卡）提供整个磁盘阵列的控制和计算功能，卡上具备独立的处理器，不依靠系统的 CPU资源，所有需要的容错功能均可以支持。

使用磁盘 RAID 主要有两种方式：一种就是 RAID 适配卡，通过 RAID 适配卡插入 PCI插槽再接上硬盘实现硬盘的 RAID 功能；一种是直接在主板上集成 RAID 控制芯片，让主板能直接实现磁盘RAID 。



3 ） SAN

SAN （ Storage Area Network ，存储区域网络）是指通过一个单独的网络（通常是高速光纤网络）把存储设备和挂在 TCP/IP局域网上的服务器群相连。

（ 1 ） SAN 的系统构架从物理的角度看，存储区域网包括以下组件：用户平台、服务

器、存储设备与备份设备、网络连接设备。 SAN 的应用如图 4-19所示。





（ 2 ） SAN 的技术特点① 提高存储的效率与集中度② 可实现高速计算机与高速存储设备的高速互联 ③ 可实现灵活的存储设备配置要求④ 可实现数据快速备份 ⑤ 可以兼容以前的存储设备 ⑥ 提高数据的可靠性和安全性



4 ） NAS（ 1 ）概述NAS 是指将存储设备直接连接到现有的网络上，提供数据和

文件服务，它具备高容量、高效能、高可靠等主要特征。NAS 使用了传统以太网和 TCP/IP 协议，当进行文件共享时，

则利用了 NFS 和 CIFS 以沟通 NT 和 UNIX 系统。NAS 的性能特点是进行小文件级的共享存取。 NAS 提供各种

应用领域的异种文件共享和文件服务功能。它允许企业在不使服务器停机的前提下增加容量。 NAS 通常在一个 LAN上占有自己的节点。



（ 2 ） NAS 的特点

① 将 NAS 设备连接到网络上非常方便。②NAS 设备的安装、调试、使用和管理非常简单。

③ NAS 设备可以完全实现文件在不同操作系统平台下的共享，用户通过不同的网络协议可进入相同的文档。



④ NAS 设备采用集中式存储结构。 ⑤ NAS 设备内置优化的独立存储操作系统。 ⑥ NAS 设备一般会提供错误恢复系统，并会通过 E-mail 系统

将报警信息自动发给系统管理员，同时 NAS 设备会进行动态监测，并提供详细的日志报告，以求全面保护数据。



4. 其他技术

1 ）集群技术2 ） ISC

3 ） EMP

4 ） I2C总线5 ）智能输入 / 输出技术6 ）热插拔


4.5 流媒体服务器的选择

4.5.1 网络视频服务器的选择方法

4.5.2 典型的网络视频服务器


4.5.1 流媒体服务器的选择方法

由于网络视频应用对服务器硬件的占用情况比较复杂，因此，选择网络视频服务器需特别关注以下硬件资源。

1 ．处理器如果服务器的处理能力已满足要求，这时，增加更多的处理器

也不能明显提高服务器的吞吐量，虽然微软媒体服务可以从 1路扩展到 8路，但当超过 2 个 CPU 时，性能的增加幅度逐渐减小，投资回报比开始降低。

2 ．内存当 CPU 、磁盘和网络 I/O都不是系统的瓶颈时，给Windows

Media 服务器添加合适的内存，可以增加同时响应客户端的数量。但是，增加更多的内存无法解决因磁盘 I/O问题而产生的瓶颈。


4.5.1 流媒体服务器的选择方法

3 ．网络网络连接应该采用专用的交换式以太网，并考虑使用多网卡，

不同网卡负责不同功能，使得当客户网段流量出现饱和时，不会影响到对服务器的远程管理。

4 ．磁盘优化磁盘的“读”性能可采用高转速、低延迟硬盘组成的阵列

系统，增加磁盘阵列控制器上的缓存，提高控制器访问相同数据的性能。

5 ．模式以水平扩展模式为设计原则，由多台服务器来分担负载，避免

产生瓶颈，消除“单点故障”问题，提高系统的整体可靠性。在方案设计时，要考虑以下方面：计算流视频文件的动态大小，以满足后端存储适应点播的需求；数据存储流量对网络性能的影响；并发任务对系统平台的要求。


4.5.2 典型的流媒体服务器

SGI Origin 3000 高性能服务器采用 SGI NUMAflex结构，即 SGI新型模块化计算结构或称为第三代 NUMA架构。 SGI 3000 服务器可以从两个 64位的 MIPS RISC CPU 的最低配置扩展到 512 个 CPU 的共享存储的多处理器系统。

Origin3000 系列的性能和指标如表 4-2 、表 4-3 所示。






4.6 拓展学习

傅连仲 . 计算机网络系统集成与实践：第 7章服务器技术，电子工业出版社， 2005 。

常见流媒体服务器应用性能比较， http://www.flylar.com/zgcessc/knowledge/server/dianxingserver.htm

服务器技术详细介绍， http://www.51cto.com/art/200602/20166.htm

服务器基本入门知识，http://server.51cto.com/server-knowledge/

存储设计指南， http://www.sansky.net/category/newbook

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第 4 章 流媒体服务器技术

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