郭書耀+李孟晃

摘 ?要： 影音媒體具高帶寬及實時特性，因此影音串流系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量的提升端賴影音服務(wù)器的有效管理。在此提出一套Video replication及Access request distribution的算法，藉由將熱門影音分散到各影音服務(wù)器以及影音存取的分散，以達到各影音服務(wù)器系統(tǒng)負載平衡的效果。在此比較了3個不同的算法的負載平衡的狀況，經(jīng)實例驗證，提出的算法確能達到影音服務(wù)器負載平衡的效果，承載更多的系統(tǒng)服務(wù)要求。該系統(tǒng)構(gòu)建在Smart?iTV的IPTV系統(tǒng)臺，并討論了實作的相關(guān)技術(shù)。

關(guān)鍵詞： IPTV; 負載平衡; 影音串流; 影音備份; 隨選視訊

中圖分類號： TN964?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0022?06

IPTV system with load balance among replica servers

GUO Shu?yao， LI Meng?huang

（Department of Information Technology and management， Shih Chien University， Taipei 104， Taiwan， China）

Abstract： Since the video media has wide band width， the improvement of QoS （quality of service） of IPTV system depends on effective management of video servers. A video replication and access request distribution algorithm to implement a load balanced IPTV system with replica servers is proposed in this paper. The proposed algorithm is based on the more replicas for hot program and load distribution among replica servers. By comparing with two other algorithms， the proposed algorithm features better load balance effects. System practices demonstrate that the access requests can be evenly distributed among replica servers such that a better streaming service can be provided. The proposed algorithm has been implemented on an IPTV system platform. The relative technical issues for the implementation are discussed.

Keyword： IPTV; load balance; video streaming; video replica; video on demand

0 ?引 ?言

在VOD（Video on Demand）的系統(tǒng)規(guī)劃上或是Video Replication and Placement的研究上，或是CDN（Content Delivery Network）系統(tǒng)建置的成本問題探討上，storage capacity的需求是很明確的，就是各Video program的檔案總和（也就是各Video program的program duration總和）。然而network bandwidth的需求的估算就比較困難[1?3]。論文以“worst?case demand”作為network bandwidth配置的參考參數(shù)，從而決定系統(tǒng)建置所需的storage capacity、網(wǎng)絡(luò)光纖及交換設(shè)備的容量。Worst?case demand即是peak usage demand，在peak usage period的時候，使用者的數(shù)目達到最高峰，這些使用者所使用的network bandwidth總和即是worst?case demand，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的配置必須依據(jù)此最高峰的network bandwidth需求來設(shè)定，以確保其服務(wù)質(zhì)量。而在文獻[1?3]的論文中，則以replication的方式來分散單一Origin server的負荷，在此架構(gòu)中，Replica servers用來儲存許多熱門的影音內(nèi)容，各影音內(nèi)容依其viewing request probability來決定影音replication的份數(shù)，從而分散這些熱門影音內(nèi)容被點選時的網(wǎng)絡(luò)流量帶寬，以得到最佳成本的系統(tǒng)建置。 雖然上述論文有數(shù)學(xué)模式來描述worst?case demand的估量方法，然而還是無法精確地估量系統(tǒng)的worst?case demand，尤其Replica servers對worst?case demand估量的影響，文獻[1?3]的分析模式有其適用性的問題與困難。除了文獻[1?3]的研究外，文獻[4?8]等研究的replication策略， 都是依各影音的熱門程度，給予不同備份數(shù)的影音檔，藉此來分散掉該影音在Origin Server的負荷。比如若A影片的熱門程度是B影片的3倍的話，若B影片在replica servers有2個replicas的話，那么A影片就會有6個replicas安置在replica servers。而上述影音的熱門程度的決定，在文獻[4?8]等的研究會以影片的access rate或access probability或popularity來界定該影音的熱門程度。

本文以圖1的架構(gòu)探討具有replica servers的IPTV系統(tǒng)架構(gòu)的video replication及access request distribution。如何將Origin Server里的影音replicated至replica server，此即video replication的問題;當一個access request要求服務(wù)時，如何將此access request distribute各replica servers，此即access request distribution的問題。此IPTV系統(tǒng)是架構(gòu)在Smart?iTV的系統(tǒng)平臺，提供以遙控器為輸入設(shè)備的IPTV服務(wù)[9]，亦能提供匯流IPTV、PC及mobile device的數(shù)字匯流影音服務(wù)[10]。

圖1 具有replica servers的VOD系統(tǒng)架構(gòu)

1 ?Video replication algorithm和Access

request distribution algorithm

為了方便探討，本文假設(shè)此IPTV系統(tǒng)的每個影音檔案都具有同樣的大小以及播放的帶寬。因此對于Replica Server j的空間容量Cj系以可以儲存多少個影片來表示;而Replica Server j的帶寬容量Bj 則以可以同時播放多少個影片來表示。本文以αj來代表Replica Server j的replication風(fēng)險值，此值是探討Video replication algorithm的重要參考值。

表1 理論模式中所提及的符號

以下列的Test Case來比較不同算法的優(yōu)劣，此Test Case為：v1，v2，v3，v4，v5，v6，v8，v10，v12。假設(shè)有9部影音分別為v1每1 s被點播1次;v2每2 s被點播1次;v3每3 s被點播1次;v4每4 s被點播1次;v5每5 s被點播1次;v6每6 s被點播1次;v8每8 s被點播1次;v10每10 s被點播1次;v12每12 s被點播1次，共9部影音。此時有一部Origin Server以及三部replica servers為Replica Server I，Replica Server Ⅱ，Replica Server Ⅲ來建構(gòu)此9部影音的播放服務(wù);每當有一影音被點播，則該影音第一次被播放時是Origin Server來提供，此時該影音將被備份至3部replica servers中的某一臺，之后該影音要再度被點播時則由存放該影音的replica server來提供;此處亦假設(shè)每部replica server的Bj為3，Cj為4。以下分別以算法一、算法二、算法三來探討不同算法的優(yōu)劣。

算法1：Video replication algorithm：選擇最不常使用的replica server作為video replication的replica server。Access request distribution algorithm： 端視access request的影音座落在哪個replica server，即由該replica server執(zhí)行該影音的播放。

根據(jù)上述algorithms，Test case在各時間的video replication及access request distribution如圖2所示。第1 s時v1由Origin Server播放，此時三部replica servers總共播放次數(shù)皆為0，則依順序從Origin Server中將v1影音復(fù)制至Replica Server I，此時Replica Server I的存放影音個數(shù)為1。第2 s時v1由Replica Server I執(zhí)行v1的播放，此時v2由Origin Server被播放，同時v2將從Origin Server被復(fù)制，此時Replica Server Ⅱ，Replica Server Ⅲ尚無提供影音的播放，則依順序從Origin Server中將v2影音復(fù)制至Replica Server Ⅱ ，此時Replica Server Ⅱ的存放影音個數(shù)為1。于第8 s時，Replica Server Ⅲ的存放影音個數(shù)為4，已達到replica server最大儲存空間Cj上限4。而在第10 s時，由于Replica Server Ⅲ影音總共播放次數(shù)最少，因而從Origin Server將v10復(fù)制至Replica Server Ⅲ，但Replica Server Ⅲ儲存影音空間Cj已達上限4，因此將發(fā)生v10無法被復(fù)制及播放問題。

圖2 算法1的仿真結(jié)果

算法2：Video replication algorithm：選擇較低的αj的Replica Server j執(zhí)行video replication;Access request distribution algorithm：端視access request的影音座落在哪個replica server，即由該replica server執(zhí)行該影音的播放。

根據(jù)上述algorithms，Test case在各時間的video replication及access request distribution如圖3所示。第1 s時v1由Origin Server播放，此時v1將被復(fù)制，同時三部replica server之αj值皆為[03]，則依順序從Origin Server中將v1備份至Replica Server I，此時Replica Server I的存放影音個數(shù)為1。第2 s時v1由Replica Server I執(zhí)行v1的播放，同時v2從 Origin Server中被播放，此時Replica Server Ⅱ，Replica Server Ⅲ之αj值皆為[03]，則依順序從Origin Server中將v2備份至Replica Server Ⅱ，此時Replica Server Ⅱ的存放影音個數(shù)為1。第3 s時v1由Replica Server I執(zhí)行v1的播放，同時v3從Origin Server中被播放，此時Replica Server Ⅲ之αj值為[03]，則從Origin Server中將v3備份至Replica Server Ⅲ，此時Replica Server Ⅲ的存放影音個數(shù)為1。依此程序持續(xù)將v1，v2，v3，v4，v5，v6，v8，v10，v12備份在Replica Server I、Replica Server Ⅱ、Replica Server Ⅲ上，雖然與演算一比較后每個影音都能均勻分布在各個replica server上，但未考慮各個影音熱門程度問題，因此各個replica server處理影音播放工作量不平衡，可得知Replica Server I播放影音總共次數(shù)比Replica Server Ⅱ及Replica Server Ⅲ多，但未達到負載平衡成效。

圖3 算法2的仿真結(jié)果

算法3：Video replication algorithm：選擇較低的αj的Replica Server j執(zhí)行video replication;并將熱門的影音備份到更多的replica servers。Access request distribution algorithm：當有多個replica servers具有access request所需的影音時，選擇負荷最小的replica server，執(zhí)行該影音的播放。

根據(jù)上述algorithms，Test case在各時間的video replication及access request distribution如圖4所示。

事先設(shè)定每5 s會去查詢單位時間內(nèi)影音被播放的狀況以得知5 s內(nèi)被點播次數(shù)最多的影音，設(shè)定為熱門影音，即備份至其他的replica servers，以平均分擔(dān)各個replica server的負載。本算法在將影音備份到各個replica servers的過程，具皆與算法二一致，亦即以αj值作重要的參考參數(shù)。當在第5 s時v1被播放，系統(tǒng)每5 s查詢各影音被播放之狀況，發(fā)現(xiàn)v1于5 s內(nèi)被播放次數(shù)達到4次。相較于目前所被播放的影音v2，v3，v4都來得熱門許多，因此啟動v1備份。由于Replica Server Ⅱ、Replica Server Ⅲ之αj值皆為[13]，則依順序?qū)1備份至Replica Server Ⅱ。至于access request distribution的運作，以圖4的第120 s為例，在此時間，Test Case的9個影音都需播放，由于v3，v4，v5，v6，v8，v10，v12均只有一份影音在特定的replica server，所以這些影音只能在此些replica server上播放。亦即Replica Server I播放v4，v6，v10;Replica Server Ⅱ播放v5，v8，v12;Replica Server Ⅲ播放v1，v3，v5;如是Replica Server I為滿載負荷，Replica Server Ⅱ、Ⅲ相對負荷較小。由于v2在Replica Server Ⅱ、Ⅲ均有備份，v1則在Replica Server I、Ⅱ、Ⅲ均有備份，所以擇定v2在Replica Server Ⅱ播放，v1在Replica Server Ⅲ播放，如此可以得到3部replica servers的負載平衡。

圖4 算法3的仿真結(jié)果

圖4與圖3相較，皆能符合系統(tǒng)影音服務(wù)需求，圖4經(jīng)由將熱門影音備份在更多的replica servers，而有較佳的負載平衡，其負載比例為1∶1∶0.9，而圖3的負載比例為1∶0.5∶0.3。因此，本文即以算法3作為實踐此一具有負載平衡的IPTV串流系統(tǒng)。

2 ?系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 ?前臺系統(tǒng)架構(gòu)

由于本文是修改Smart?iTV系統(tǒng)平臺，以成為一個具負載平衡的影音串流系統(tǒng)，所以本論文勢必須對Smart ?iTV系統(tǒng)做詳盡的剖析，才能在此系統(tǒng)內(nèi)嵌此負載平衡的模塊。攸關(guān)本論文的Smart?iTV系統(tǒng)為其前臺系統(tǒng)，此前臺系統(tǒng)概分為影音選單頁面、影音介紹頁面、以及影音播放頁面，如圖5所示。

影音選單頁面的選項可能為影音內(nèi)容的選項或是另一個影音選單頁面，若是該選項屬于影音內(nèi)容的選項，當該選項被點選時，系統(tǒng)即呈現(xiàn)該影音內(nèi)容的影音介紹頁面，該頁面會有一觸發(fā)影音播放的關(guān)鍵點，當使用者啟動觸發(fā)影音播放關(guān)鍵點時，該影音內(nèi)容即內(nèi)嵌在影音播放頁面做串流播放，并且將該影音的播放次數(shù)記錄在Smart?iTV的數(shù)據(jù)庫里。

圖5 Smart?iTV影音選單頁面到影音播放頁面的流程關(guān)系

2.2 ?具平衡負載的串流系統(tǒng)架構(gòu)分析

為達串流負載平衡的串流系統(tǒng)，本論文提出Original video replication、Hot video replication 及Access request distribution這三個模塊的實作，如圖6所示。當使用者點播某部影音時，Original video replication module將查詢使用者所點選的影音過去曾被播放過，若不曾被播放過，則由Origin Server提供影音播放服務(wù)，并依照算法3，將所被點播的影音備份至αj值較低的Replica Server j;若曾被播放過，則Access requests distribution process將至Smart?iTV數(shù)據(jù)庫查詢哪些replica servers有該影音的備份，并依算法3選擇負載較低的replica server，來執(zhí)行此影音播放的服務(wù)。Hot video replication process是一個back?ground process，每單位時間內(nèi)去查詢Smart?iTV數(shù)據(jù)庫中被點播次數(shù)最多的影音，判定為熱門影音，并選擇αj值較低的replica server，將此熱門的影音備份到該replica server。圖6的Replica Server I、Ⅱ兩個replica servers，在Smart?iTV的Original video replication module及Hot video replication process會各自與replica server的Peer video replication共同完成video replication的任務(wù)。

圖6 具平衡負載的串流系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 ?系統(tǒng)實作

由于本系統(tǒng)是架構(gòu)Smart?iTV上，所以會引用部分Smart?iTV數(shù)據(jù)表及相關(guān)字段，并增加部分的數(shù)據(jù)表及數(shù)據(jù)表字段，為使這些信息能夠被清楚檢視，茲整理如表2所示。

表2 影音播放相關(guān)數(shù)據(jù)表

參照圖7，當使用者進入影音選單頁中所呈現(xiàn)的影音選項來自步驟0.1的CategoryTemplate數(shù)據(jù)表中Cate_Name值，而使用者點選某一影音選項時則可能導(dǎo)向步驟0.2或步驟0.3，步驟0.2根據(jù)使用者所點選之Cate_Name值找出其對應(yīng)的Cate_ShowMode值，當Cate_ShowMode為‘3時則又是另一組影音選單頁，當Cate_ShowMode值為‘1時直接進入步驟0.3同時將Cate_UID值傳至影音介紹頁，依照Cate_UID值根據(jù)步驟0.4找到相符合的ML_PID值所對應(yīng)的ML_UID域值及ML_Content及影音文件名。當使用者于影音介紹頁中啟動觸發(fā)影音播放的關(guān)鍵點時，及執(zhí)行步驟0.5將ML_Content值傳至影音播放頁，影音播放頁串流服務(wù)是透過mms的協(xié)議來達成的，此即mms：//IP address of a replica server/Media Service的發(fā)行端點/被點播的影音檔名，被點播的影音檔名即步驟0.5的ML_Content值。同時執(zhí)行步驟0.6將View_ContentID值記錄至View_Content_Log數(shù)據(jù)表，以記錄像音的播放次數(shù)?；谏鲜鏊懻摰腟mart?iTV的架構(gòu)，本論文在影音播放頁內(nèi)嵌了Original video replication module及Access request distribution process的模塊、在Smart?iTV的系統(tǒng)安置了Hot video replication process的background job、以及記錄各replica servers規(guī)格的Replica_Server_Profile數(shù)據(jù)表、記錄各replica servers存放影音文件的Replication_Log數(shù)據(jù)表、記錄各影音在各replica servers播放次數(shù)的View_Count，如圖7所示。圖7的0.1～0.6步驟，為上述Smart?iTV既有影音播放的流程;步驟1.1～1.4是Original video replication module的步驟流程;步驟2.1～2.5是Access request distribution process的步驟流程;步驟3.1～3.7是Hot video replication process的步驟流程。當有一影音被點播，Original video replication module將查詢View_Content_Log及MediaListTemplate檢視該影音過去是否有被播放過，如步驟1.1;若不曾被播放過，此時依照圖6情境由Original Server提供影音播放，隨即啟動video replication將影音備份至最小αj（從Replica_Server_Profile得到）的Replica Server j，并更新Replica_Server_Profile的Replica Server j存放的影音數(shù)及記錄備份影音數(shù)據(jù)至Replication_Log，如步驟1.2、1.3、1.4;若不曾被播放過即啟動Access request distribution process，選擇Origin Server播放，同時標記該影音已表示該影音被播放過，若曾被播放過至Replication_Log查詢該影音備存放在哪一Replica Server j，挑選該Replica Server j播放，并記錄其播放該影音次數(shù)，如步驟2.1、2.2;若于Replication_Log中查詢到有兩個Replica Server j皆擁有該影音檔案，則依步驟2.3查詢View_Count_Stat_On_Replica數(shù)據(jù)表根據(jù)播放影音量最少的Replica Server j來播放，并記錄Replica Server j播放次數(shù)，如步驟2.4、2.5。

圖7 具負載平衡之IPTV系統(tǒng)實作架構(gòu)

步驟3.1、3.2單位時間內(nèi)Hot video replication process將去查詢View_Count_Log數(shù)據(jù)表被播放次數(shù)最高的影音，設(shè)定為熱門影音，如步驟3.3;即啟動video replication將影音備份至最小αj（同步驟1.2）的Replica Server j，如步驟3.4;并更新Replica_Server_Profile的Replica Server j存放的影音數(shù)及記錄Replication_Log備份影音數(shù)據(jù)，如步驟3.5、3.6;每當Hot video replication process完成video replication動作時，即更新View_Count_Log重置影音播放次數(shù)，如步驟3.7。

圖8 具負載平衡之IPTV影音串流系統(tǒng)實作

圖8為圖7的細部流程及對應(yīng)的數(shù)據(jù)表的關(guān)系圖。使用者要點播影音vi，可從View_Content_Log及MediaListTemplate中計算ML_UID次數(shù)，即可判斷vi是否曾經(jīng)被點播過，若不曾點播過vi，則Origin Server播放vi，并將vi備份至最小αj（從Replica_Server_Profile計算CurrVideoNum/Bandhwidth得αj）的Replica Server j并更新Replica_Server_Profile的CurrVideoNum值及記錄Replication_Log的Video_Name值為vi，同時于記錄MediaListTemplate的ML_PlayBack值，表示已被Origin Server播放過。若vi曾被點播過（從MediaListTemplate的ML_PlayBack知道），則從Replication_Log數(shù)據(jù)表可知，是否有兩部以上replica servers存放vi。若為false，即從Replication_Log挑選存放vi的Replica Server j播放，并于View_Count_Stat_On_Replica中記錄Replica Server j播放vi次數(shù);若為true，即從View_Count_Stat_On_Replica數(shù)據(jù)表中，搜尋存放vi的replica servers播放影音量最少的Replica Server j來播放vi，同時于View_Count_Stat_

On_Replica中記錄Replica Server j播放vi次數(shù)。而Hot video replication process則是每單位時間內(nèi)計算View_Count_Log中影音放次數(shù)最高的影音，并設(shè)定為熱門影音，并查詢最小αj的Replica Server j，將此熱門影音備份至更多的replica servers，同時更新Replica_Server_Profile的CurrVideoNum值及記錄Replication_Log的Video_Name值為vi。

4 ?結(jié) ?論

本文提出在Smart?iTV平臺上建構(gòu)一個具負載平衡的IPTV影音串流系統(tǒng)的video replication及access request distribution algorithms，并以O(shè)riginal video replication，Access request distribution及Hot video replication等3個模塊來實作此algorithms。除了比較與驗證相關(guān)算法之外，本文已分析系統(tǒng)實作的方式及可行性。經(jīng)實例驗證，此系統(tǒng)確能達到replica servers負載平衡的效果，以能承載更多的系統(tǒng)服務(wù)要求。

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On_Replica中記錄Replica Server j播放vi次數(shù)。而Hot video replication process則是每單位時間內(nèi)計算View_Count_Log中影音放次數(shù)最高的影音，并設(shè)定為熱門影音，并查詢最小αj的Replica Server j，將此熱門影音備份至更多的replica servers，同時更新Replica_Server_Profile的CurrVideoNum值及記錄Replication_Log的Video_Name值為vi。

4 ?結(jié) ?論

本文提出在Smart?iTV平臺上建構(gòu)一個具負載平衡的IPTV影音串流系統(tǒng)的video replication及access request distribution algorithms，并以O(shè)riginal video replication，Access request distribution及Hot video replication等3個模塊來實作此algorithms。除了比較與驗證相關(guān)算法之外，本文已分析系統(tǒng)實作的方式及可行性。經(jīng)實例驗證，此系統(tǒng)確能達到replica servers負載平衡的效果，以能承載更多的系統(tǒng)服務(wù)要求。

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On_Replica中記錄Replica Server j播放vi次數(shù)。而Hot video replication process則是每單位時間內(nèi)計算View_Count_Log中影音放次數(shù)最高的影音，并設(shè)定為熱門影音，并查詢最小αj的Replica Server j，將此熱門影音備份至更多的replica servers，同時更新Replica_Server_Profile的CurrVideoNum值及記錄Replication_Log的Video_Name值為vi。

4 ?結(jié) ?論

本文提出在Smart?iTV平臺上建構(gòu)一個具負載平衡的IPTV影音串流系統(tǒng)的video replication及access request distribution algorithms，并以O(shè)riginal video replication，Access request distribution及Hot video replication等3個模塊來實作此algorithms。除了比較與驗證相關(guān)算法之外，本文已分析系統(tǒng)實作的方式及可行性。經(jīng)實例驗證，此系統(tǒng)確能達到replica servers負載平衡的效果，以能承載更多的系統(tǒng)服務(wù)要求。

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