數(shù)字電視視頻服務器的設計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞： 視頻服務器 , 數(shù)字電視

數(shù)字電視是從電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)的新一代電視。它具有可實現(xiàn)雙向交互業(yè)務、抗干擾能力強、頻率資源利用率高等優(yōu)點。  

視頻服務器是數(shù)字電視的關(guān)鍵技術(shù)之一。視頻服務器類型可分為基于通用計算機的服務器、基于高級工作站的服務器、基于專用硬件平臺的服務器、分布式層次結(jié)構(gòu)服務器等 幾類。分布式視頻服務器結(jié)構(gòu)對每個播出服務器的性能要求不是很高,因此,可以將大量廉價的服務器結(jié)合起來,通過合理的控制和調(diào)度達到一個高性能服務器的功能。本文討論了一種分布式視頻服務器的設計與實現(xiàn)。

1 分布式視頻服務器的設計

1.1 數(shù)字電視視頻服務器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

本文設計的分布式視頻服務器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。它可以完成從播出計劃、節(jié)目存儲、播出管理、碼流復接等一系列工作。   

  
圖1 數(shù)字電視視頻服務器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖  

1.2 分布式視頻服務器的功能構(gòu)成
  
節(jié)目單服務器的功能是生成電子節(jié)目單。它提供人機交互功能,可以根據(jù)播出計劃生成電子節(jié)目單,并可對已有的電子節(jié)目單進行編輯、查詢等操作。此外它還可以對每一個節(jié)目提供附加信息,如節(jié)目簡介等。當電子節(jié)目單發(fā)生變化時通知節(jié)目單代理服務器。  

鏈表,例如根據(jù)節(jié)目是否重播,是否在多個視頻服務器上播放相同的節(jié)目等。節(jié)目單代理服務器根據(jù)更新的節(jié)目單生成相應的PSI/SI各種表復接到TS流中播發(fā)出去。由節(jié)目單數(shù)據(jù)庫形成播出系統(tǒng)的基本指令是數(shù)字電視特有的系統(tǒng)流程,是網(wǎng)絡化播出的基礎(chǔ),它使流媒體高效連續(xù)的自動化播出得以實現(xiàn)。  

播出服務器根據(jù)節(jié)目單代理服務器提供的播放列表維護節(jié)目的播放狀態(tài),實現(xiàn)自動播出。播出服務器一般由多個服務器組成,由節(jié)目單代理服務器調(diào)度。節(jié)目單代理服務器和播出服務器通過底層套接字通信。節(jié)目單代理服務器向播出服務器發(fā)送消息,然后播出服務器解釋該消息以便決定要執(zhí)行什么操作,如在特定的時間播出特定的節(jié)目。節(jié)目播控是數(shù)字電視節(jié)目平臺播控系統(tǒng)中重要的組成部分,它的正確、穩(wěn)定、高效運行是節(jié)目播出,安全、優(yōu)質(zhì)的保證。整個節(jié)目播出過程為自動播出無須人工干預,但可以通過客戶端對播出過程進行調(diào)整。  

2 視頻服務器實現(xiàn)的關(guān)鍵問題   

視頻服務器涉及的技術(shù)很多,如流調(diào)度、磁盤I/O、磁盤存儲、VCR功能實現(xiàn)等。本文重點從磁盤和文件調(diào)度與節(jié)目流調(diào)度策略兩個方面討論提高數(shù)字電視視頻服務器的整體性能的技術(shù)。  

2.1視頻服務器的磁盤和文件調(diào)度   

數(shù)字電視視頻服務器與普通操作系統(tǒng)的磁盤調(diào)度不同,需采用帶有在規(guī)定時間限制內(nèi)完成的實時調(diào)度算法。適合流媒體的調(diào)度算法有EDF、RM、DSr等。LMD(Least Missed Deadline)算法是對服務超時限數(shù)作為優(yōu)化對象的實時調(diào)度算法。本文采用一種稱為貪婪LMD的調(diào)度算法GLMD。GLMD算法的核心為:(1)精確地計算服務每一個請求的時間,提高優(yōu)化結(jié)果的可信度;(2)尋找服務超時限數(shù)最小的服務隊列為最佳隊列;(3)在滿足服務時限的請求時,利用SCAN算法服務處在其移動路線上的請求。  

設原服務隊列為?鄢q,新加入的服務請求為?鄢r,best_Deadline為原最佳服務隊列超時限數(shù),new_Deadline為插入新請求后服務隊列超時限數(shù),best_time為原最佳服務隊列總服務時間,new_time為插入新請求后服務隊列總服務時間,具體的GLMD算法如下所示:   

void sbull_request(request_queue * q,request * r)
{
best_Deadline=+∞;
new_time=+∞;
while(1) 　
{for(i=0;i　add_queue( * r,i); / * 把請求插入隊列i的位置 * / 　
int new_Deadline=compute_Deadline( * q);/ * 計算當前 　
/ * 超限數(shù)Deadline * / 　
if(new_Deadline　{best_queue= * q;/ * 當小于原服務超時限數(shù),該服務 * / 　best_Deadline=new_Deadline;}/ * 隊列為最佳服務隊列 * / 　
if(new_Deadline==best_Deadline) 　
{new_time=compute_time( * q);/ * 計算當前總服務時間 * / 　
if(new_ time　{best_queue= * q;/ * 當小于原服務時間,該服務隊列 * / 　
best_Deadline=new_Deadline;}/ * 為最佳服務隊列 * /
} } } }   

函數(shù)compute_Deadline( * q)主要計算當前隊列是否有請求超時限以及有多少個請求超時限。函數(shù) compute_time( * q)主要計算磁頭尋道延時、磁盤旋轉(zhuǎn)延時、數(shù)據(jù)傳輸延時、總線傳輸延時和命令處理延時五部分。總線傳輸延時和命令處理延時大小相對穩(wěn)定;數(shù)據(jù)傳輸延時由磁盤讀取帶寬和數(shù)據(jù)大小決定;磁頭尋道模型有加速、勻速、減速和定位四個階段,其中加速和減速的加速度恒定。當磁頭尋道的距離d為1～4個磁道時,僅有定位階段;當磁頭尋道的距離d(磁道數(shù))為4400時,磁頭尋道有加速、勻速、減速和定位四個階段。磁頭尋道延時計算公式如下:   

  

磁盤旋轉(zhuǎn)延時為旋轉(zhuǎn)等待時間,可取其數(shù)據(jù)期望值,即磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時間的一半。  


  在Windows平臺實現(xiàn)時,有二種途徑:(1)寫一個lower filter掛在disk.sys下,GLMD算法在lower filter中實現(xiàn)。(2)直接改寫DISK.SYS,其中DISK.SYS的源代碼可以由Microsoft的DDK(Windows Driver Development Kit)得到。在Unix平臺實現(xiàn)時,磁盤設備屬于區(qū)塊設備, GLMD算法主要改寫區(qū)塊設備request等相關(guān)函數(shù),磁盤設備的驅(qū)動程序在drivers/ide/下,區(qū)塊設備的驅(qū)動程序的request方法定義在linux/blkdev.h中。  

為了檢驗GLMD算法的效果,找到單個服務器吞吐量上限(調(diào)度條件),本文做了大量實驗,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。   

表1 GLMD算法實驗數(shù)據(jù)  

播出節(jié)目為同一個節(jié)目,平均帶寬為4.2MB,每一路節(jié)目為該節(jié)目的一個備份,所得結(jié)果為12h和24h檢測到的超時限次數(shù)。服務器硬件配置為:PⅢ Xeon 800/512MB內(nèi)存/SCSI硬盤/100MB自適應網(wǎng)卡。  

2.2 節(jié)目流調(diào)度策略  

MPEG碼流不是碼率恒定的。本文實現(xiàn)的視頻服務器采用內(nèi)存緩沖平滑策略:每次磁盤訪問連續(xù)讀取相對大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)首先緩存于內(nèi)存中,平滑MPEG碼流的突發(fā)碼流,并減少磁盤訪問次數(shù)。在實際處理時,針對不同的視頻流碼率和當前總輸出緩沖區(qū)的情況,對每一個視頻流確定一個讀取文件的輸入緩沖區(qū)。總輸出碼率與所有數(shù)據(jù)文件的總碼率有關(guān)。  

2.2.1 視頻流文件讀取   

實驗表明,通過讀取大的請求(64KB),一次讀取磁盤上的若干數(shù)據(jù)塊,繞過文件系統(tǒng)作緩存可以使處理器開銷減小一個數(shù)量級,從以前的每字節(jié)兩個機器指令減少到每字節(jié)0.2個機器指令。對于所有大于8KB的請求,無緩沖的順序讀取達到了磁盤傳輸率的極限,并且磁盤控制器的預取機制起到了流水線的并行作用,使驅(qū)動器讀操作可以達到內(nèi)部傳輸率的極限。經(jīng)過實驗,本文選擇了每隔0.3s進行連續(xù)文件訪問,每次I/O操作讀取數(shù)據(jù)為64KB的讀取方式。  

2.2.2 輸入緩沖區(qū)   

輸入緩沖區(qū)操作根據(jù)2個閾值進行,即大于A%為滿,小于B%為空。A、B這兩個閾值的選擇很重要。每次進行輸入緩沖區(qū)操作前,檢測輸入緩沖區(qū)的狀態(tài)。當緩沖區(qū)快滿時,暫停并等待下一次進行輸入緩沖區(qū)操作;同樣,每次完成輸入緩沖區(qū)操作后,檢測輸入緩沖區(qū)的狀態(tài)。當緩沖區(qū)快空時,重復輸入緩沖區(qū)操作,防止緩沖區(qū)出現(xiàn)下溢,處理更多的傳輸流分組。具體操作如下。   

(1)輸入緩沖區(qū)操作

while(!EndOfFile){ 　
每隔0.3s處理如下操作
if(緩沖區(qū)的狀態(tài)＜A%){
do{進行緩沖區(qū)操作} until (緩沖區(qū)的狀態(tài)＞B%) 　
}
}

(2)參數(shù)選擇

輸入緩沖區(qū)參數(shù)選擇:A=65,B=35,主要依賴于表2實驗數(shù)據(jù)。   

  
表2 輸入緩沖區(qū)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)  

(3)輸入緩沖區(qū)操作舉例
  
當三個輸入流的緩沖區(qū)占用情況分別為圖2所示的50%、71%、32%時,若此時正處于0.3s輸入緩沖區(qū)操作周期,對于流A和C進行輸入緩沖區(qū)操作,對于流B暫停并等待下一次進行輸入緩沖區(qū)操作;若此時剛完成輸入緩沖區(qū)操作,則對于流A和B暫停并等待下一次輸入緩沖區(qū)操作,對于流C重復輸入緩沖區(qū)操作,如圖2所示。   

  
圖2 輸入緩沖區(qū)操作舉例  

2.2.3 輸出緩沖區(qū)   

MPEG傳輸流的時間信息保存在PCR中,MPEG節(jié)目流音視頻的時間信息保存在視頻、音頻流中攜帶的PTS、DTS中。所以視頻服務器需要進行計算得到輸出碼流中每一路節(jié)目的分碼率,并根據(jù)每一路節(jié)目的分碼率進行輸出緩沖區(qū)操作,把每一路節(jié)目的輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)加上時間信息(PCR)發(fā)送到輸出緩沖區(qū)。 　  

  
由于視頻服務器的輸出速率基本恒定,所以視頻服務器還需要根據(jù)傳輸速率與每一路節(jié)目的分碼率總和的差向輸出緩沖區(qū)加入空的數(shù)據(jù)包。這樣輸出緩沖區(qū)就可以按照恒定的傳輸速率發(fā)送數(shù)據(jù)。  

本文提出的數(shù)字電視視頻服務器設計方案已成功應用于遼寧鞍山數(shù)字電視系統(tǒng)中,收到了良好的經(jīng)濟和社會效益。該設計也可以推廣應用到分布式視頻服務器、視頻點播服務器(VOD)、準視頻點播服務器(NVOD)中。這樣對每個視頻服務器的性能要求不是很高,可以將大量廉價的服務器結(jié)合起來,通過合理的控制和調(diào)度,完成一個高性能數(shù)字電視視頻服務器集群的功能。