CDN技术应用及VOD系统设计

文章由LinuxBoy分享于2019-03-23 11:03:03热评（488）

CDN技术应用及VOD系统设计

1、CDN的提出

随着目前宽带网络建设的迅猛发展，其应用越来越丰富，使得宽带用户迅速增加，对骨干网构成了极大的压力。其中，占用网络带宽最大的流媒体应用和软件下载业务占了很大比重，且该比例还会随着宽带的普及而迅速增长。对于当前应用而言，减少访问流量的拥塞及用户的访问响应时间，是一个亟待解决的问题。于是，CDN内容分发网络）网络出现了。

传统的访问模式存在几个严重影响用户访问效率和质量的环节：

●传统的DNS解析过程在将主机域名转换为IP地址时，并不预先判断该服务器是否正常工作，若该服务器已停机，便会造成服务中断。

●互联网缺乏一个专门的中央管理结构，以及产品和技术标准。因此，不同网络间的兼容以及不同网络运营商／ISP之间的传输瓶颈等问题使得数据的流通受到限制。

●现有的互联网以数据包传输为基础，任何一个数据包的丢失或出错都必须重新发送，从而导致延迟。

●现有的路由技术以路由器工作状态的历史数据为依据来确定当前数据包的传输路径，这往往会导致数据传输所经过的路径并不是当前最佳路径。

CDN系统通过在网络各处放置节点服务器，构成在现有互联网基础之上的智能虚拟网络层，能尽量避开互联网上可能影响数据传输速度和稳定性等瓶颈问题，使内容传输的更快、更稳。CDN系统能够实时地根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离、响应时间等综合信息，将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。对用户来说，通过CDN系统，不但使得到响应的时间被大大缩短，而且连接质量也大大提高，从而有效提高了上网访问的总体性能。对于网络运营商而言，则大大的减小骨干网的压力，将对骨干网压力最大的流媒体内容和下载业务放置到网络的边缘。

2、CDN的关键技术

1）双重认证技术

系统中提供了基于流媒体服务内核的认证插件，以验证用户是否有效登录。每当用户请求某个节目流时，在流媒体服务内核上，就会对用户身份进行一次确认，如果用户是从正常途径访问的，则可播出该节目流，否则，流服务器将拒绝为用户提供该节目流。利用基于流媒体服务内核的认证插件，可有效地防止用户利用StreamBox等工具来下载流媒体内容。

2）负载均衡

包括本地服务器和广域网上各个CDN节点之间的负载均衡，根据实际的流量和负荷状况，将用户的请求在不同服务器之间合理分配。

系统通过节目的自动发布、分发和调度，将一些热门的节目内容分布到多台视频服务器上，用户在登录时，就近访问视频服务器，以达到平摊负载的目的。在系统的应用服务器上，将实时登记各台视频服务器当前的网络流量，并根据其他一些用户定义的策略，计算出各视频服务器当前的负载加权指数，该指数说明了服务器当前的负载情况，应用服务器对多台视频服务器的另权指数进行排序。当用户访问宽频网站并进行点播时，通过相应认证后，应用服务器开始为用户分配视频服务器资源。此时，优先选择负载最轻的服务器为用户服务。

3）内容分发

为使节目的分布合理，使尽可能多的用户点播能够路由到用户最近的媒体终端，CDN系统可提供如下的节目分布策略：按点播率的大小分布、根据节目的更新时间、推荐度进行分发和淘汰，也可支持管理员进行指定文件的分布。

3、CDN的网络结构

对于宽带信息源网络建设的结构，必须着重考虑应用的布局合理性，尽量将应用推向用户端旁路应用的数据流量，避免造成骨干网络的拥塞。

宽带应用网络支撑平台CDN可简单的分为核心层和接入层。

1）核心层

核心层作为CDN网络层次结构中的顶端，核心节点是整个CDN网络运行、管理和维护的核心，所有的用户内容请求都会由核心节点进入CDN网络，并由CDN网络根据用户和网络的实际情况，为用户指定一个合理的CDN接入层节点进行服务。

作为CDN网络的核心节点可不直接参与对用户的服务，而是作为CDN运作的中枢，完成如下的主要功能：

a）负责所有用户的内容请求根据用户的信息做出准确的用户就近性判断，并根据判断的结果，将用户的请求分发到指定的分节点。

b）负责CDN的内容分发管理把需要服务的内容通过合适的格式和方式，分发到所有的骨干CDN节点。

2）接入层

接入层作为CDN网络的边缘层，强调对用户的分布式服务，主要完成的功能包括：

●流媒体平台的缓存节点，提供分区高速内容缓存；

●广播业务分布点，提供两级应用广播服务；

●部分应用前端分布节点；

●通过分布的服务机制，提高服务能力，实现对客户服务的需求。

4、CDN的业务功能

a）静态内容发布　向网络用户提供迅速、可靠的内容发布服务，对访问用户的请求就近响应。

b）改善网站服务质量　CDN系统中先进的内容路由及网管系统实时将网站的每位用户引导至最佳的一个服务节点，网站的内容则由该节点传达给网络用户。

c）缓解数据风暴　CDN可有效减少网站服务器的负荷，防止网站热点信息内容被频繁点击时出现问题。

d）稳定的服务性能　通过先进的负载均衡技术，CDN可确保其系统运行在最优化状态。

此外，先进的网管系统可对服务器进行实时检测，确保其随时处于正常、健康的工作状态。如有问题发生，则立即切换至备份服务器，以保证用户的连续访问，为解决故障赢得宝贵的时间。

5、CDN的业务应用

1）VOD视频点播系统

VOD是视频点播技术的简称，也称交互式电视点播系统，可根据用户的需要播放相应的视频节目，从根本上改变用户过去被动式看电视的不足。

系统提供基于流媒体方式的点播业务，流媒体的后台支持如MPEG1／2／4、REAL SERVER和微软的MEDIA SERVER，用户在进行视频点播时，可很方便地实现按类别的节目浏览、各类关键字进行节目查询、查看节目排行表、输入自己的影评、查看别人的影评、进行节目预览等操作。

2）远程教学系统

在CDN应用平台上，可利用直播功能实现同步教学内容的网上直播，同时提供自动录播功能录制成课件；也可制作多媒体课件并发布到课件点播服务器上，实现基于多媒体系统的远程教育。此外，还可提供网络互动交流功能，方便学生和教师进行文字、语音、视频等多媒体交流。

3）远程医疗系统

在CDN应用平台上，利用直播功能实现中心医院与基层医院就疑难病症进行会诊、指导治疗与护理、对基层医务人员的医学培训等。远程医疗对于一些中、小医院有着重要的意义，即可同时得到大医院的医学专家的咨询和会诊。

4）多媒体互动广告插播

多媒体广告插播功能对于一个商业化运营的系统极为重要，可作为VOD业务的支撑手段和重要补充。在CDN应用平台中，提供完善的广告插播功能，包括流媒体广告插播、文字广告插播、FLASH广告插播等。

除此之外，它还有其他具有行业特色的应用，如大型网站新闻发布、大型游戏网站分布、大型活动网上直播系统等。

图1　中心节点组网图

6、VOD系统设计

1）核心节点系统设计

核心包括以下子系统：WEB服务子系统、认证服务器、CDN调度／下载服务器、流媒体播出服务子系统、DRM认证服务子系统、数据库服务子系统、后备存储NAS系统、内部管理服务子系统等。

1）WEB服务器主要是为用户提供宽带内容网站WEB服务。

2）CDN资源调度服务器是CDN调度的核心，通过该服务器将网络存储设备上的节目分发到各个视频服务器上。

3）视频服务器可根据不同的应用需要提供不同的并发能力，以同时服务本地的宽带用户。

a）内存要求　服务器上需要至少30MB的预留内存，另外视频每Kbit/s流量至少需要12KB的内存。250并发节目流的视频需要的最少内存为：30MB+12KB×250×500Kbit/s=1.53GB，因此需配置2GB，以为将来扩展留出余量。按500Kbit/s流速率播出节目时，每小时节目需要的磁盘存储容量为500Kbit/s×3600秒/8/1000=225MB。在每台视频服务器上，若配置了4×73GB=292GB的磁盘阵列，能存储1300小时的节目。

b）网卡配置　若节目采用MEDIA格式的流媒体传输，传输流速率为28.8Kbit/s到10Mbit/s，当传输流速率在500Kbit/s左右时能提供达到SVCD质量的视频传输效果，并且能方便ADSL客户进行点播。250个500Kbit/s的节目流需占用250×500Kbit/s=125Mbit/s的网络带宽，但在网络传输时，效率一般只有70%左右，因此，需要在视频服务器上配置1块1000M以太网卡。

c）带宽需求　若核心节点采用10台视频服务器，提供10×250=2500个并发节目流的服务能力。按各节目流500Kbit/s计算，核心节点实际进行视频码流输出所需网络带宽为500K×2500=1.25G。

4）DRM认证服务器主要负责对同时在线访问的用户进行身份验证。本系统中，采用数字版权管理DRM），主要用以对流媒体节目的内容进行保护。在以往，当系统不采用DRM保护时，用户通过各种途径盗用媒体资源链接或下载媒体内容后，便可免费使用媒体内容，或进行再次分发，造成运营商的巨大损失。而采用DRM系统后，DRM打包机器将根据系统的加密算法和密钥对媒体内容进行加密，此后再将媒体内容通过各种载体如CD-ROM、媒体服务器等）进行发布；当用户得到加密的媒体内容后，必须先到发放节目的供应商的认证中心进行身份认证和缴纳相应的费用，才可得到授权的解密密钥，媒体播放器利用这个解密密钥将媒体内容进行解密后，便可以播放了。

由于DRM对媒体内容的加密可包括静态的文件或动态的节目流，因此，十分便于在各种场合应用，可对在线的视频直播和点播节目进行管理。同时，也可提供加密节目下载，但只有授权的用户才能解开节目进行观看。

5）数据库服务器用于用户的信息资料存储，并能同时满足用户对数据库的并发访问。

6）NAS网络存储设备解决服务器存储方式下带来的存取等瓶颈问题。它将信息存储设备与服务器分开，网络用户可通过网络实现对存储设备的直接存取访问，把存储设备当作标准网络设备，进行直接存取。

在各视频服务器上，配置的SCSI磁盘阵列，按照80/20的比例，将这部分空间用于存储全系统中20%左右的热门节目，而剩下的80%的冷门节目则由网络存储设备存储，只有在需要时，才会被调度到各视频服务器上去。因此，网络存储设备的要求主要是容量大，对I／0输出等则要求不高，主要用于后备节目的存放，并通过CDN调度服务器分发到各个流服务器上。

2）分发节点设计

在边缘分发节点，提供500个500 K的并发节目流输出，因此，需要两台视频服务器。每台视频服务器提供250个并发节目流，需要250×500K=125Mbit/s的网络带宽资源，至少需要配置2FE。

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