數(shù)字電視視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)現(xiàn)雙向交互業(yè)務(wù)、抗干擾能力強(qiáng)、頻率資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

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

1 分布式視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字電視視頻服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的分布式視頻服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它可以完成從播出計(jì)劃、節(jié)目存儲(chǔ)、播出管理、碼流復(fù)接等一系列工作。

圖1 數(shù)字電視視頻服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 分布式視頻服務(wù)器的功能構(gòu)成

節(jié)目單服務(wù)器的功能是生成電子節(jié)目單。它提供人機(jī)交互功能,可以根據(jù)播出計(jì)劃生成電子節(jié)目單,并可對已有的電子節(jié)目單進(jìn)行編輯、查詢等操作。此外它還可以對每一個(gè)節(jié)目提供附加信息,如節(jié)目簡介等。當(dāng)電子節(jié)目單發(fā)生變化時(shí)通知節(jié)目單代理服務(wù)器。

鏈表,例如根據(jù)節(jié)目是否重播,是否在多個(gè)視頻服務(wù)器上播放相同的節(jié)目等。節(jié)目單代理服務(wù)器根據(jù)更新的節(jié)目單生成相應(yīng)的PSI/SI各種表復(fù)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(luò)化播出的基礎(chǔ),它使流媒體高效連續(xù)的自動(dòng)化播出得以實(shí)現(xiàn)。

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

2 視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題

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

2.1視頻服務(wù)器的磁盤和文件調(diào)度

數(shù)字電視視頻服務(wù)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(shí)間限制內(nèi)完成的實(shí)時(shí)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(wù)超時(shí)限數(shù)作為優(yōu)化對象的實(shí)時(shí)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(jì)算服務(wù)每一個(gè)請求的時(shí)間,提高優(yōu)化結(jié)果的可信度;(2)尋找服務(wù)超時(shí)限數(shù)最小的服務(wù)隊(duì)列為最佳隊(duì)列;(3)在滿足服務(wù)時(shí)限的請求時(shí),利用SCAN算法服務(wù)處在其移動(dòng)路線上的請求。

設(shè)原服務(wù)隊(duì)列為?鄢q,新加入的服務(wù)請求為?鄢r,best_Deadline為原最佳服務(wù)隊(duì)列超時(shí)限數(shù),new_Deadline為插入新請求后服務(wù)隊(duì)列超時(shí)限數(shù),best_time為原最佳服務(wù)隊(duì)列總服務(wù)時(shí)間,new_time為插入新請求后服務(wù)隊(duì)列總服務(wù)時(shí)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(duì)列i的位置 * /
　int new_Deadline=compute_Deadline( * q);/ * 計(jì)算當(dāng)前
　/ * 超限數(shù)Deadline * /
　if(new_Deadline　{best_queue= * q;/ * 當(dāng)小于原服務(wù)超時(shí)限數(shù),該服務(wù) * /
　best_Deadline=new_Deadline;}/ * 隊(duì)列為最佳服務(wù)隊(duì)列 * /
　if(new_Deadline==best_Deadline)
　{new_time=compute_time( * q);/ * 計(jì)算當(dāng)前總服務(wù)時(shí)間 * /
　if(new_ time　{best_queue= * q;/ * 當(dāng)小于原服務(wù)時(shí)間,該服務(wù)隊(duì)列 * /
　best_Deadline=new_Deadline;}/ * 為最佳服務(wù)隊(duì)列 * /
} } } }

函數(shù)compute_Deadline( * q)主要計(jì)算當(dāng)前隊(duì)列是否有請求超時(shí)限以及有多少個(gè)請求超時(shí)限。函數(shù) compute_time( * q)主要計(jì)算磁頭尋道延時(shí)、磁盤旋轉(zhuǎn)延時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)、總線傳輸延時(shí)和命令處理延時(shí)五部分?？偩€傳輸延時(shí)和命令處理延時(shí)大小相對穩(wěn)定;數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)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(gè)階段,其中加速和減速的加速度恒定。當(dāng)磁頭尋道的距離d為1～4個(gè)磁道時(shí),僅有定位階段;當(dāng)磁頭尋道的距離d(磁道數(shù))為4400時(shí),磁頭尋道有加速、勻速、減速和定位四個(gè)階段。磁頭尋道延時(shí)計(jì)算公式如下:

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

在Windows平臺(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí),有二種途徑:(1)寫一個(gè)lower filter掛在disk.sys下,GLMD算法在lower filter中實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí),磁盤設(shè)備屬于區(qū)塊設(shè)備, GLMD算法主要改寫區(qū)塊設(shè)備request等相關(guān)函數(shù),磁盤設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序在drivers/ide/下,區(qū)塊設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的request方法定義在linux/blkdev.h中。

為了檢驗(yàn)GLMD算法的效果,找到單個(gè)服務(wù)器吞吐量上限(調(diào)度條件),本文做了大量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

播出節(jié)目為同一個(gè)節(jié)目,平均帶寬為4.2MB,每一路節(jié)目為該節(jié)目的一個(gè)備份,所得結(jié)果為12h和24h檢測到的超時(shí)限次數(shù)。服務(wù)器硬件配置為:PⅢ Xeon 800/512MB內(nèi)存/SCSI硬盤/100MB自適應(yīng)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(shí)現(xiàn)的視頻服務(wù)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(shí)際處理時(shí),針對不同的視頻流碼率和當(dāng)前總輸出緩沖區(qū)的情況,對每一個(gè)視頻流確定一個(gè)讀取文件的輸入緩沖區(qū)?？傒敵龃a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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí),從以前的每字節(jié)兩個(gè)機(jī)器指令減少到每字節(jié)0.2個(gè)機(jī)器指令。對于所有大于8KB的請求,無緩沖的順序讀取達(dá)到了磁盤傳輸率的極限,并且磁盤控制器的預(yù)取機(jī)制起到了流水線的并行作用,使驅(qū)動(dòng)器讀操作可以達(dá)到內(nèi)部傳輸率的極限。經(jīng)過實(shí)驗(yàn),本文選擇了每隔0.3s進(jìn)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(gè)閾值進(jìn)行,即大于A%為滿,小于B%為空。A、B這兩個(gè)閾值的選擇很重要。每次進(jìn)行輸入緩沖區(qū)操作前,檢測輸入緩沖區(qū)的狀態(tài)。當(dāng)緩沖區(qū)快滿時(shí),暫停并等待下一次進(jìn)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(dāng)緩沖區(qū)快空時(shí),重復(fù)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(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)輸入緩沖區(qū)操作舉例

當(dāng)三個(gè)輸入流的緩沖區(qū)占用情況分別為圖2所示的50%、71%、32%時(shí),若此時(shí)正處于0.3s輸入緩沖區(qū)操作周期,對于流A和C進(jìn)行輸入緩沖區(qū)操作,對于流B暫停并等待下一次進(jìn)行輸入緩沖區(qū)操作;若此時(shí)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(fù)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(shí)間信息保存在PCR中,MPEG節(jié)目流音視頻的時(shí)間信息保存在視頻、音頻流中攜帶的PTS、DTS中。所以視頻服務(wù)器需要進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(shí)間信息(PCR)發(fā)送到輸出緩沖區(qū)。

由于視頻服務(wù)器的輸出速率基本恒定,所以視頻服務(wù)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(wù)器設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用于遼寧鞍山數(shù)字電視系統(tǒng)中,收到了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該設(shè)計(jì)也可以推廣應(yīng)用到分布式視頻服務(wù)器、視頻點(diǎn)播服務(wù)器(VOD)、準(zhǔn)視頻點(diǎn)播服務(wù)器(NVOD)中。這樣對每個(gè)視頻服務(wù)器的性能要求不是很高,可以將大量廉價(jià)的服務(wù)器結(jié)合起來,通過合理的控制和調(diào)度,完成一個(gè)高性能數(shù)字電視視頻服務(wù)器集群的功能。