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 ...

源 ? 我侷 們靽 的 方 法 是 將 影 片 依 其 需 求俠 的 服 務 品 質 加 以

分 類詑 , 目 前 所 考 慮 的 服 務 品 質 有 影 片 的 畫 質 ( 頻

寬 )、 影 片 的 起 始 延 遲 、 影 片 的 讀 取 率 、 影 片 讀 取 成

功 率 等 ( 在 實 際 的 VOD 系倐 統 中 這 些 服 務 品 質 應 反 應

在 計 價 公 式 上 ), 需 求俠 相 近 的 影 片 聚 集 在 一 起 , 稱 之

為 影 片 叢 集 (video cluster), 一 個鞄 video cluster 即佘 對

應 一 個鞄 LVS。LVS 所 預 留 的 資 源 ( 空 間 、 通 道 數 、 通

道 頻 寬 ) 必 須 要 能 滿 足倦 video cluster 的 服 務 品 質 。

下 一 個鞄 問 題覹 是 LVS 的 資 源 應 如 何 配 置 於 VS 間 ?

LVS 資 源 應 配 置 於 那倴 些 VS 間 , 從 放 映 的 角倞 度 而 言借 VS

的 配 置 並 無 任 何 差韤 別低 , 但伽 從 整 體 資 源 使 用 情 形侫 上 來

看 , 則 須 做 全 盤 考 量 。 消顆 極 的 來 說 , 一 些 使 用 不 平 衡

的 狀 況 應 予 以 避 免佊 , 例 如 某 些 VS 頻 寬 幾 乎 用 盡 , 而

尚 餘 大 量 空 間 ; 亦 或 空 間 所 剩 無 幾 , 但伽 頻 寬 仍 閒 置 許

多 。 因 此 在 每俟 次 決俩 定 LVS 資 源 預 留 時頗 , 我侷 們靽 盡 可 能 的

遵 循 以 下 簡 單 的 法 則 , 即佘 所 有 的 VS 盡 可 能 的 保 持 相

同 的 頻 寬 與 空 間 使 用 率 , 如 此 一 來 , 更俐 多 的 影 片 可 以

納 入 系倐 統 中 , 也 減 少 影 片 蒐 尋 失 敗 , 而 必 須 自 archive

server 中 下 載 的 機 率 。 詳 細 的 分 析 可 參 閱 [Tong97b]。

另 外 一 個鞄 重 要 的 策 略 會 影 響 系倐 統 效頒 能 的 是 如 果 有 影 片

自 archive server 中 載 入 , 而 系倐 統 資 源 已 滿 , 則 必 需 自

原鞝 有 VS 中 刪 除 掉 那倴 些 影 片 , 以 存 新 進 影 片 ? 我侷 們靽 希侣

望 這 種 取 代 對 未 來 系倐 統 效頒 能 的 負 面 影 響 減 至 最 低佂 的 程

度 。 這 方 面 的 研 究倏 尚 在 進 行 中 。

3.2 磁 碟 機 層 與 磁 區 層

由 於 此 二 層 的 資 料頔 輪 置 息韵 息韵 相 關詉 , 我侷 們靽 將 一 併

討 論 。Video clip 在 VS 中 會 進 一 步俞 分 割 成 等 大 小 的

video segment, 然 後 以 round-robin 的 方 式 輪 置 於 磁 碟

機 。 中 。 為 了 節 省 VS 中 記 憶 體 的 耗 用 量 , 真 正 自 磁

碟 機 中 讀 取 的 資 料頔 單 元 並 非 video segment, 而 是 將

video segment 進 一 步俞 的 切 割 成 更俐 小 的 video block, 使

得 磁 碟 機 在 讀 出 目 前 的 video block 的 同 時頗 , 系倐 統 可 以

傳 送 上 一 個鞄 已 完侖 整 讀 出 的 video block。

每俟 一 次 video block 的 讀 取 , 磁 碟 機 讀 寫 頭 必 須 移

動 位 置 到 video block 的 起 始 位 址佼 , 然 後 才 開 始 讀 的 動

作伿 , 這 個鞄 過 程 十 分 耗 時頗 , 因 此 如 何 安 排 video block 所

擺 放 的 位 置 , 以 致 於 能 減 少 讀 寫 頭 來 回 地 移 動 , 便 成

了 提 升 磁 碟 機 效頒 能 的 重 要 設 計 。 最 常 採 用 的 方 法 就 是

“constrained allocation”, 基 本 上 將 磁 碟 機 的 磁 碟 上 區

分 成 幾 個鞄 環 形侫 區 域 , 稱 之 為 “ 磁 區 ”, 然 後 將 video

block 依 次 輪 置 於 其 間 , 讀 寫 頭 朝 一 個鞄 方 向 移 動 , 每俟 移

動 到 一 個鞄 磁 區 , 一 組 video block 就 被 取 出 , 每俟 一 個鞄

video block 對 應 一 道 資 料頔 流 , 讀 寫 頭 反 覆 此 種 掃 描 動

作伿 , 數 道 資 料頔 流 因 而 形侫 成 。

除 此 之 外 , 目 前 市 面 上 較 先 進 的 磁 碟 機 , 在 構

造 上 為 了 要 提 升 磁 碟 容韕 量 , 往 往 事 先 將 磁 碟 規 劃 成 幾

個鞄 資 料頔 密 度 相 等 的 環 形侫 磁 區 , 在 固 定 的 磁 碟 轉視 速 下 ,

導 致 外 圍 磁 區 有 著 較 內 圍 磁 區 高 的 傳 輸 速 率 , 且 高 低佂

比 率 差韤 異 相 超 過 20%, 這 個鞄 設 計 增 加 了 資 料頔 輪 置 與 讀

取 的 複 雜覮 度 。 為 了 解 決俩 這 個鞄 問 題覹 , 我侷 們靽 採 用 fixed-π

演 算 法 , 磁 碟 重 新 規 畫 成 數 個鞄 等 “ 磁 區 容韕 量 / 傳 輸 速

率 ” 比 率 的 磁 區 , 而 video block 也 依 磁 區 容韕 量 的 大 小 有

所 調 整 , 如 此 一 來 , 磁 區 容韕 量 與 傳 輸 速 率 皆 能 接 近

100% 的 被 利 用 。

另 一 個鞄 實 際 的 問 題覹 是 有 關詉 於 聯 結 磁 碟 機 的 SCSI

bus , 由 於 SCSI bus 所 採 用 的 access protocol 為

contention-based, 也 就 是 說 有 可 能 同 時頗 有 一 個鞄 以 上 的

磁 碟 機 同 時頗 企 圖 傳 送 資 料頔 , 而 只 有 優 先 權 較 高 的 磁 碟

機 能 夠 成 功 , 這 樣 的 設 計 當 交 通 量 過 於 頻 繁 時頗 , 會 導

致 SCSI bus 效頒 能 降 低佂 至 70% 左 右 。 回 過 頭 來 看 , 不 同

的 磁 區 產 生 不 同 的 資 料頔 傳 輸 速 率 , 如 果 磁 碟 機 彼 此 不

加 以 約 束俑 , 則 很 可 能 產 生 瞬 間 的 高 資 料頔 量 , 因 此 限 制

了 SCSI bus 的 效頒 能 , 為 解 決俩 這 個鞄 問 題覹 , 我侷 們靽 採 用 所 謂

的 Skewed Zone-major Round Robin(SZRR) 輪 置 演 算

法 ( 如 圖 五 )。 基 本 的 原鞝 理 為 規 律 地 錯 開 相 鄰 磁 碟 機

資 料頔 擺 放 的 磁 區 位 址佼 , 使 得 在 任 何 時頗 間 所 有 磁 碟 機 輸

出 頻 寬 總 合 趨 近 一 個鞄 常 數 值靹 。 經 過 實 驗 的 驗 證訥 ,5 部

磁 碟 機 使 用 SCSI-II bus(20Mbps) 串 聯 , 可 提 供 到 70

道 1.5Mbps 的 MPEG-1 視 訊 資 料頔 流 。 詳 細 的 討 論 請 參

閱 [Tong97a]。

4 與 其 它 相 關詉 系倐 統 之 比 較

以 往 的 研 究倏 文 獻詿 提 出 不 少 的 視 訊 檔 案頥 系倐 統 , 以

下 僅 對 其 中 幾 個鞄 具 有 類詑 似 於 本 系倐 統 所 提 的 分 散 式 與 層

次 資 料頔 輪 置 設 計 的 系倐 統 做 一 比 較 , 首靫 先 Microsoft Tiger

系倐 統 [Bolosky96] 提 出 將 資 料頔 輪 置 於 磁 碟 機 與 伺 服 器 的

架 構 , 伺 服 器 間 藉 由 高 速 ATM 網 路 聯 結 , 伺 服 器 ( 磁

碟 機 ) 必 需 具 備 相 同 硬 體 架 構 , 輪 置 的 資 料頔 單 元 大 小

必 需 一 致 (64K~1Mbytes), 因 此 僅 能 提 供 單 一 服 務 品

質 視 訊 , 由 於 資 料頔 單 元 相 對 的 較 小 , 在 資 料頔 讀 取 時頗 ,

伺 服 器 間 要 求俠 較 精 確 的 同 步俞 , 為 此 伺 服 器 間 另 配 置 一

個鞄 專 屬 控 制 網 路 , 負 責 控 制 信 號 的 交 換 。

University of Minnesota [Hsieh95] 研 究倏 由 許 多

RAID-3 磁 碟 機 陣 列 所 組 成 的 高 效頒 能 伺 服 器 , 提 出 了

application level 、 logical volume 、single byte-striped

RAID-3 等 不 同 的 層 次 資 料頔 輪 置 , 其 中 application level

與 DHS-FS 中 的 LVS 機 制 類詑 似 , 可 以 彈 性 的 針 對 應 用

程 式 組 成 所 需 的 資 源 , 但伽 其 動 機 與 DHS-FS 稍 有 不

同 , 且 對 application level 資 源 分 配 的 問 題覹 並 無 深 入 討

論 。 其 它 兩 層 則 著 重 在 如 何 在 多 重 RAID-3 的 環 境 中

輪 置 資 料頔 , 主 機 則 為 高 效頒 能 工 作伿 站 。

UC Berkeley[Brubeck96, Rowe95] 提 出 了 Distributed

VOD System(DVS), 該 系倐 統 架 構 上 是 採 分 散 式 的 策

略 , 系倐 統 中 同 時頗 存 在 數 個鞄 video server 與 archive

server, 但伽 彼 此 獨 立 ,video server 內 部 構 造 並 未 詳 述 ,

video server 之 server 與 archive server 之 間 的 互 動 關詉 係 ,

希侣 望 減 低佂 必 須 到 archive server 下 載 資 料頔 的 機 率 。

5. 結 論

一 個鞄 適 合 Video-On-Demand 的 檔 案頥 系倐 統 , 為 了 因

應 能 即佘 時頗 點 播 影 片 的 需 求俠 , 需 要 大 量 的 儲 存 空 間 與 頻

寬 , 為 達 此 目 的 data striping 不 失 為 一 個鞄 值靹 得 考 慮 的 技侻

術 , 主 要 的 原鞝 理 為 結 合 一 群 設 備 , 實 施 輪 流 短 暫 服 務

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