為隨選視訊而設計之分散式層次輪置檔案伺服器隨選視訊而設計之 ...

pohl.david58

為隨選視訊而設計之分散式層次輪置檔案伺服器隨選視訊而設計之 ...

迫 切 且 極 富 挑 戰 性 的 工 作伿 。

本 文 將 描 述 一 套鞽 適 用 於 分 散 式 環 境 的 視 訊 檔 案頥

系倐 統 架 構 , 稱 之 為 “ 分 散 式 層 次 輪 置 檔 案頥 系倐 統

( Distributed Hierarchical Striping File System or

DHS-FS)”。 該 系倐 統 運 作伿 在 網 路 環 境 , 將 多 重 伺 服 器 的

資 源 依 影 片 服 務 品 質 的 需 求俠 , 重 新 分 配 成 不 同 的 邏 輯

伺 服 器 , 以 供 使 用 者 端 讀 取 使 用 , 這 個鞄 架 構 的 特顠 色 在

於 將 如 何 分 配 資 源 以 滿 足倦 影 片 服 務 品 質 與 實 際 的 伺 服

器 的 資 源 分 開 考 量 , 例 如 某 群 影 片 對 應 於 某 個鞄 邏 輯 伺

服 器 , 它 需 要 某 些 頻 寬 與 容韕 量 來 滿 足倦 特顠 定 的 服 務 品 質

需 求俠 ( 如 : 起 始 延 遲 上 限 、blocking 機 率 、 解 析 度 等 ),

而 這 些 頻 寬 與 容韕 量 則 可 取 自 於 任 何 伺 服 器 中 ; 相 對

的 , 一 部 伺 服 器 的 資 源 亦 可 與 數 個鞄 邏 輯 伺 服 器 共 享 。

在 此 架 構 下 伺 服 器 資 源 可 以 更俐 有 效頒 的 被 整 合 利 用 , 資

料頔 更俐 新 時頗 對 系倐 統 的 影 響 度 減 小 , 不 同 能 力 的 伺 服 器 可

以 隨 意 地 整 合 , 同 時頗 提 供 優 越 的 系倐 統 擴 充 性 。

同 時頗 該 系倐 統 為 了 提 升 頻 寬 與 容韕 量 的 使 用 率 , 同

時頗 確 保 整 個鞄 系倐 統 負 載 均佾 衡 , 在 不 同 的 系倐 統 層 次 運 用 了

資 料頔 輪 置 (data striping) 的 技侻 術 , 首靫 先 一 部 影 片 切 割 成

數 段 video clip, 長 度 約 數 分 鐘 , 輪 置 於 邏 輯 伺 服 器 所

屬 的 伺 服 器 間 ;video clip 再 進 一 步俞 切 割 成 video

segment, 長 度 約 數 十 秒 , 輪 置 於 伺 服 器 內 的 磁 碟 機

間 ; 最 後 video segment 切 割 成 video block, 長 度 約 數

秒 , 輪 置 於 磁 碟 機 內 的 磁 區 間 。 在 我侷 們靽 先 導 的 研 究倏

[Tong97a] 中 , 以 SCSI-II 為 架 構 的 PC 級 伺 服 器 為 例 ,

提 出 了 一 套鞽 稱 之 為 “Skewed Zone-major Round Robin

(SZRR)” 的 資 料頔 輪 置 演 算 法 , 運 用 該 演 算 法 後 , 單 一

伺 服 器 ( 聯 結 5 台 磁 碟 機 ) 最 多 能 提 供 約 70 道 1.5Mbps

的 MPEG-1 視 訊 流 。 我侷 們靽 預 測 在 DHS-FS 的 架 構 下 ,

結 合 數 十 台 類詑 似 功 能 的 伺 服 器 , 只 要 網 路 頻 寬 足倦 夠 ,

提 供 上 千 道 MPEG-1 視 訊 流 實 際 上 應 屬 可 行 。

在 以 下 的 文 章 中 , 我侷 們靽 討 論 的 重 點 在 於 系倐 統 如

何 在 分 散 式 的 環 境 中 運 作伿 與 相 關詉 的 資 料頔 輪 置 演 算 法 。

我侷 們靽 將 於 第 二 節 中 首靫 先 對 DHS-FS 的 工 作伿 原鞝 理 、 系倐 統

架 構 做 一 介 紹 。 在 第 三 節 中 將 討 論 各 系倐 統 層 次 資 料頔 輪

置 的 實 際 設 計 考 量 , 同 時頗 描 述 資 料頔 輪 置 演 算 法 。 第 四

節 中 我侷 們靽 將 與 其 它 相 關詉 系倐 統 做 一 比 較 , 第 五 節 中 以 報

告佨 目 前 系倐 統 發 展韙 現 況 與 未 來 的 發 展韙 做 為 最 後 的 結 論 。

2. 層 次 輪 置 檔 案頥 系倐 統 (DHS-FS)

2.1 工 作伿 原鞝 理

整 個鞄 系倐 統 可 能 的 架 構 如 圖 一 所 示 , 數 個鞄 伺 服 器

(video server or VS)、 管 理 站 (manager) 與 高 容韕 量 儲

存 設 備 (archive server or AS)( 如 : 磁 帶 櫃 、 光 碟 櫃 )

同 時頗 連 接 上 高 速 網 路 , 伺 服 器 將 視 訊 流 透 過 網 路 送 抵

用 戶 端 , 用 戶 端 可 以 是 PC, 配 有 SET-TOP BOX 的

TV, 或 者 經 由 分 配 器 (dispatcher) 將 信 號 送 至 幅 員鞬 更俐

廣 的 區 域 。 較 常 點 選 的 影 片 則 常 駐 於 伺 服 器 中 , 如 果

用 戶 點 選 的 影 片 在 伺 服 器 中 無 備 份 , 則 系倐 統 必 需 至 高

容韕 量 儲 存 設 備 下 載 全 部 資 料頔 , 然 後 才 能 供 用 戶 端 點

選 。

我侷 們靽 將 伺 服 器 的 資 源 重 新 配 置 成 數 個鞄 邏 輯 視 訊

伺 服 器 (logical video server or LVS), 邏 輯 視 訊 伺 服

器 是 一 個鞄 抽 象 觀 念 , 係 由 許 多 伺 服 器 所 組 成 , 就 用

戶 端 而 言借 , 它 是 一 個鞄 儲 存 設 備 實 體 , 邏 輯 視 訊 伺 服

器 配 有 “ 通 道 (stream channel)”, 通 道 的 總 數 即佘 代 表

該 邏 輯 視 訊 伺 服 器 最 多 可 同 時頗 支 援 視 訊 流 的 總 數 ,

通 道 可 能 實 際 散 置 於 數 伺 服 器 間 , 所 有 儲 存 於 同 一

邏 輯 伺 視 訊 服 器 內 的 影 片 稱 之 為 影 片 叢 集 (video

cluster), 它 們靽 具 有 相 同 的 服 務 品 質 要 求俠 ( 如 : 起 始 延

遲 上 限 、blocking 機 率 、 解 析 度 等 ), 而 儲 存 的 方 式

是 將 每俟 部 影 片 切 割 成 固 定 大 小 的 video clip, 然 後 輪

置 於 通 道 間 。 舉 例 而 言借 , 如 圖 一 的 系倐 統 中 , 有 兩 個鞄

邏 輯 視 訊 伺 服 器 LVS X、LVS Y, 分 別低 儲 存 了 影 片 叢

集 Cluster X、Cluster Y,Cluster X 的 影 片 較 熱 門 但伽 數

量 少 , 共 需 3Gbytes 的 空 間 與 5 個鞄 通 道 , 系倐 統 將 VS A

的 4 個鞄 通 道 與 VS B 的 一 個鞄 通 道 配 置 給 LVS X, 因 此

佔 用 了 VS A 2.4GB 與 VS B 0.6GB 的 空 間 ; 而 Cluster

Y 的 影 片 較 冷位 門 但伽 數 量 多 , 共 需 5Gbytes 的 空 間 與 兩

個鞄 通 道 , 系倐 統 自 VS B 與 C 中 各 保 留 一 個鞄 通 道 配 置 給

LVS Y, 因 此 佔 用 了 VS B 與 C 各 2.5GB 的 空 間 。

Video clip 對 VS 而 言借 是 一 個鞄 個鞄 獨 立 的 視 訊 檔 案頥

( 相 繼 的 video clip 若 位 於 同 一 台 VS 上 , 則 事 實 上 可

連 結 成 一 個鞄 檔 案頥 , 因 此 在 同 一 LVS 中 , 各 所 屬 VS 中

的 檔 案頥 大 小 不 一 定 相 等 ),VS 會 將 video clip 再 次 切

割 成 大 小 相 等 的 video segment, 輪 置 於 磁 碟 機 間 ,

video segment 再 依 磁 區 的 容韕 量 與 頻 寬 配 置 切 割 成 大 小

不 盡 相 等 的 video block, 然 後 輪 置 於 磁 碟 機 的 磁 區

間 。

當 影 片 實 際 播 放 時頗 ,LVS 會 負 責 時頗 間 排 程 的 管

理 , 依 特顠 定 的 時頗 間 啟 動 有 關詉 的 VS, 將 資 料頔 以 資 料頔 流 的

方 式 送 至 用 戶 端 , 也 就 是 說 用 戶 所 看 到 無 間 斷 的 影

片 , 事 實 上 可 能 來 自 數 個鞄 VS。 這 個鞄 架 構 有 以 下 幾 個鞄 優

點 :




邏 輯 視 訊 伺 服 器 有 效頒 的 將 伺 服 器 資 源 整 合 運

用 , 彈 性 的 提 供 了 各 種 不 同 規 模 的 系倐 統 的 建 構

方 式 , 同 時頗 能 夠 滿 足倦 各 種 不 同 的 服 務 品 質 需

求俠 。

分 散 式 的 架 構 有 效頒 的 將 系倐 統 負 載 平 均佾 於 機 器

間 , 提 升 了 系倐 統 效頒 能 , 同 時頗 提 供 較 佳 的 容韕 錯

性 。

不 同 層 次 的 資 料頔 輪 置 , 充 分 的 發 揮 平 行 輸 出 的

優 點 , 滿 足倦 了 VOD 環 境 中 所 期 盼 的 高 輸 出 頻

寬 。

2.2 系倐 統 設 計

本 節 我侷 們靽 將 討 論 本 系倐 統 的 設 計 , 概 略 介 紹 各

process 間 的 功 能 與 交 互 關詉 係 , 整 個鞄 系倐 統 組 成 包 含佳 了

五 種 process, 分 別低 為 用 client、manager、logical video

server、video server 與 archive processes, 其 主 要 功 能

分 述 如 后 :


Client process: 為 視 訊 流 的 接 收 端 , 一 般 執

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