流媒體伺服器大比拼

流媒體伺服器大比拼

網路流媒體服務在最近已經成為非常熱門的一個話題，無論是電信、廣電、還是新興的ISP/ICP部門都對此非常關注，眾多的廠商和技術機構都對此投入了比較深入的研究，國內運營商早在1996年開始就進行了有關VOD實驗，目前其技術已經成熟，一旦有關運營的遊戲規則制定，寬頻用戶接入全面鋪開，網路流媒體應用將在短時間內掀起多媒體應用的颶風。為此，天極伺服器欄目特地策劃了運營級網路視頻流伺服器系列專題，從介紹運營級網路視頻流伺服器（以下簡稱視頻伺服器）的結構入手，分別介紹有線網路（HFC）、ATM網路、IP網路運營級流媒體服務的綜合解決方案，最後對國內目前視頻伺服器做了評述。本文是此系列專題的最後一篇，主要介紹了目前主流流媒體伺服器並對這些產品的各方面做了比較。

　　目前，高性能的流媒體伺服器有美國nCUBE公司的nCUBE4，SGI公司的Origin2000和Origin3000系列，以及并行（Concurrent）公司的MediaHawk2000，以下從體系結構，系統性能，系統流媒體應用的參數指標等方面對它們進行比較，最後給出了各款產品各項指標的綜合評分，以便大家對其綜合性能有一個粗略的了解。

常見流媒體伺服器體系結構比較

1.1 nCUBE4

　　nCUBE4是美國nCUBE公司在1999年秋季推出的第三代流媒體伺服器產品，由於其第二代流媒體伺服器nCUBE3(MediaCUBE系列)已經停產，這裡不再介紹，有關介紹可參考前面HFC網路流媒體解決方案中的說明，這裡只介紹nCUBE4。

　　 nCUBE4採用了單節點機箱型設計,每個機箱是一個服務節點，稱為MediaHUB，每個MediaHUB內部有一個PII CPU,4條Ultra2SCSI存儲匯流排，5個用於外部網路吞吐的PCI網卡插槽，可配置IP,ATM和DVB-ASI網卡，一個專門用於節點間互連的向量加速處理（HAVOC）晶元，這個晶元就相當於用於節點互連的路由器（Router），該晶元掛在每個節點的PCI匯流排上，並有8條全雙工1Gbps的鏈路用於連接其它節點上的HAVOC，各個HAVOC之間的互連採用超立方體(Hypercube)連接方式，最高可達到8維超立方體結構，共計2**8=256個節點（MediaHUB）的規模。圖1給出了32個節點（5維）情況下的拓補結構圖，一個路由器掛一個節點，圖中僅畫出了向量處理晶元(HAVOC)部分，其上連接的節點省略。

                                                     

　　 圖1：32個節點的nCUBE4拓補結構圖

　　 所有的節點採用MPP方式互連，MPP方式使系統具有很高的可擴展性，由於其MPP是採用多地址空間的完全分散式系統，因此系統可編程性能變得比較差。nCUBE伺服器從其工作行為來看應屬於多計算機體系結構,屬於大規模并行處理計算機（MPP），這種結構的并行計算機就像多個計算機（節點）通過一個無阻塞交換式互連網路組成的一個節點集合，每個節點都可以完成所有的應用功能（全職功能），但也可以根據需要完成某些特定的功能，如系統引導，重新啟動，特定的I/O功能等，節點內部（局部）的內存、I/O可直接訪問、但節點之間（全局）的內存、I/O不可直接訪問，節點之間的內存和I/O訪問通過特定的通信協議進行交互。這種計算機通過任務平均分攤的機制實現了集中式調度管理和分散式任務處理，使得任何應用都被極為平均的分攤到各個節點上去完成。

　　nCUBE的系統軟體是其自身開發的基於u9fs文件系統的Transit操作系統,用於系統中非視頻文件的訪問和對視頻播放進程的管理。.該系統是基於AT&T的Plan 9派生出來的,是類UNIX操作系統，所有的指令都幾乎和傳統的Unix雷同。Transit是一個輕量級的并行操作系統，具有最小化的內存消耗,nCUBE公司專門對這個系統進行了面向視頻應用的優化，使得Transit成為了一個量身定製的系統,顯得很小,這也使得系統對硬體資源的消耗可以最大限度的降低.這也為系統的穩定性和系統的可靠性提供了更高的保障.

　　Transit提供了一個超文本的系統設置界面和在線系統幫助,使得系統配置顯得十分簡單和方便!

　　Transit具有以下特徵:

　　 (1) 流水線化的內部代碼路徑

　　 (2) HyperCube通信驅動軟體

　　 (3) 硬體級別的演演演演演算法優化

　　 (4) 類 Unix操作環境

　　 (5) 專門針對視頻的應用優化

　　 (6) 可靠性和高性能

　　nCUBE使用了Oracle Video Server(OVS, Version3.1)作為視頻播放軟體,提供了大範圍

　　增強性特徵，如簡化的啟動和系統管理，完全的VCR控制支持，專門的可視化瀏覽和Oracle8I進行了完美的集成，還有專門的實時RAID技術和DVB支持，以及健壯的為分發成百上千個併發視頻流而設計的解決方案。nCUBE具有在OVS上進行5000個併發流實際運行超過72小時的測試經驗。

 

1.2 SGI Origin

　　 SGI的Origin系列伺服器是在其收購了Cray公司之後，兩強聯手的力作，這一款產品是將SGI公司的卓越的圖形處理能力和Cray的并行互連技術緊密結合的產物。這一款產品推出后的不久，SGI公司又推出了積木化（Brick）設計的Origin3000系列，這兩款高性能伺服器都可以作為流媒體伺服器使用，以下分別介紹其體系結構。

　　（1） Origin2000系列

　　Origin2000和nCUBE4在結構上有一些類似，但有部分差異，Origin2000的節點採用了雙CPU設計，節點內採用了X-bar交換式匯流排設計，如圖2所示： 
                                               

　圖2：Origin2000,3000節點拓補結構

　　對於Origin2000，一個節點就相當於兩個獨立的計算機，節點間的互連和nCUBE的節點間互連方式不同，nCUBE4有8個埠用於互連，Origin2000的路由器只有6個埠，其中2個用於連接節點，只有4個可以用於互連，這種路由器之間的互連被SGI稱為CrayLink，此外Origin2000還有一種路由器專門用來進行路由器之間的互連，稱為中間路由器(Meta-router)，具有4個埠，兩款路由器每個埠的帶寬為全雙工1.6GB（採用HiPPI6400互連標準），每個方向為800MB。所有的路由器的連接和nCUBE有微細的差別，在0~4維時都是超立方體結構，但在第5維開始，Origin2000採用了厚超立方體結構，如圖3所示： 
                                           

　　圖3：64節點（128CPU）的Origin2000拓補結構圖

　　圖中與節點相接的路由器有32個，而中間路由器有8個，這種厚超立方體結構是SGI與nCUBE體系結構細微差別的地方,可以看出，SGI的設計比nCUBE更加密集。

　　在節點物理結構的設計上，SGI採用了將4個節點（8CPU）為一個機櫃/台式單元的設計，其中每個節點有1.6GB的系統存儲帶寬用於連接I/O設備，每兩個節點公用6個XIO設備（用於HiPPI到PCI 32/64匯流排或VME匯流排轉換的適配），整個機櫃單元有12個XIO插槽，用於插網卡或存儲設備卡。

 

（2） Origin3000系列

　　 Origin3000系列的體系結構在origin2000的基礎上進行了革命性的設計，將CPU,存儲，網路輸出，XIO到PCI/VME的轉換，以及內部節點間互連設計成一個個功能單元，系統可根據用戶的需求任意定製，這就是積木式結構，有以下幾種積木式結構單元：

　　R-Brick: 路由器模塊，提供6端，8端，4端3種型號的路由器，4埠的路由器是用於路由器之間進行互連的中間路由器，每個路由器埠的速率為全雙工3.2GB，這將Origin2000的路由器埠性能提高了一倍。

　　C-Bricks: 處理器（CPU）模塊，可插2或4片R12000或R14000處理器，提供4個內存插槽，支持512M,1G,2G 3種內存條，支持4路插頁式內存組織，整個模塊有3.2GB的內存通信速率。

　　I-Brick: 輸入輸出(I/O)模塊，提供2個USB和100Base-T介面，1個IEEE1394和串口，一個FC通道，用於磁碟驅動器的介面，提供2個66M(64位)和3個33M（64位）的PCI匯流排插槽,總帶寬2.4GB/s。

　　P-Brick::PCI擴展模塊，提供12個66M(64位)的PCI匯流排插槽，帶寬峰值為3.1GB/s.

　　XIO-Brick: HiPPI適配插槽，提供4個XIO槽，總帶寬1.6GB/s

　　D-Brick: 存儲模塊，具有66Mhz的1Gb帶寬的FC通道，支持SAN，可接12個3.5』』磁碟，存儲帶寬為200MB,單盤磁碟容量為18,36,73GB

　　G-Brick: 圖形處理模塊，用於圖形處理工作站onyx3000系列，這是用於SGI的圖形處理伺服器，與流媒體服務系統的關係不大。

　　Origin3000採用了更高密度的節點和節點連接設計，內部匯流排的設計和Origin2000類似，但匯流排帶寬除了用於I/O處理的XIO部分是2.4GB/s以外，其餘的帶寬都變為Origin2000的兩倍，達到3.2GB/s，如圖2右上圖所示，每個節點配置了4片CPU，同時將4個節點連接在一個路由器上，Origin3000的路由器增加了一款8個埠的路由器，其中4個用於連接節點，有4個可以用於互連，用於路由器之間的互連SGI稱為NUMALink，此外Origin3000同樣有一種路由器專門用來進行路由器之間的互連，稱為中間路由器(Meta-router)，具有4個埠，兩款路由器每個埠的帶寬為全雙工3.2GB（採用HiPPI6400互連標準），每個方向為1.6GB。所有的路由器的連接和nCUBE有微細的差別，在0~4維時都是超立方體結構，但在第5維開始，Origin3000採用了厚超立方體結構，如圖4所示：

                                      

圖4：128節點（512CPU）的Origin3000系統拓補圖

　　 Origin的體系結構促使SGI開發出了順應SMP結構的可編程性好，也同時體現其多處理器結構的計算機的特性的內存組織結構，這種結構就是分散式共享內存（DSM）ccNUMA體系結構，在基於ccNUMA的Origin系統中，分散式內存相連接形成單一內存，內存與內存之間沒有頁面複製或數據複製，也沒有軟體消息傳送。ccNUMA只有一個單一內存空間，存儲部件利用硬體進行物理連接，這樣一來，整個系統具有所有內存直接定址，所有I/O直接定址的功能特性。系統不需要軟體來保持多個數據拷貝的一致性，也不需要軟體來實現操作系統與應用系統的數據傳輸。,ccNUMA結構必須解決高速緩存的一致性問題，因為所有內存都被當作一個邏輯上的全局內存來處理,而這個內存可以被所有的CPU訪問,因此必然要處理內存訪問衝突的問題,這就需要一種全局內存管理機制，即需要一段專門的內存用來維持高速緩存目錄的一致性。總的來說，分散式共享內存通過附加的解決訪問衝突的內存開銷和通信協議,換來了極大的內存訪問靈活性,使得內存對CPU來說是完全可訪問的,CPU不用太多關心內存的實際物理位置(在哪個節點),這種全局可定址特性使得資源可以在不通過複製的情況下就被訪問，帶來了極大的編程靈活性，將SMP的編程性好的特點和MPP的可擴展性好的特點結合在一起，而將SMP可擴展性差和MPP可編程性差的弱點丟棄，這就是可擴展對稱多處理機結構（SSMP）。

　　 SGI的系統軟體是其自己開發的基於xfs文件系統的IRIX6.5，IRIX是一種UNIX操作系統的版本，最初IRIX是SGI為其圖形工作站而設計，為將IRIX移植到Origin上，SGI特意為IRIX做了并行化處理等許多工作，同時也去掉了其用於圖形處理的許多功能，但不管怎麼說，IRIX是一個很龐大的系統，由於其面向通用目的的特性，在某些專門的應用中實際上順帶引入了很多額外的資源開銷，造成了部分硬體資源的不必要浪費。

　　SGI最初自行開發了一款流媒體服務軟體MediaBase，但從使用效果來看，MediaBase遠遠沒有將其硬體性能發揮出來，市場和用戶的反映也不是很好，因此，SGI在最近也將視頻流播放軟體全面轉向了OVS，和nCUBE不同的是，SGI是集成的ThirdSpace公司的OVS視頻播放軟體，因此，從軟體上說，兩家公司已經走到同一起跑線上了，但Third Space公司的OVS和nCUBE公司的OVS都是從Oracle公司購買得到的，兩者的性能優劣目前還沒有定論。

1.3 MediaHawk2000

　　MediaHawk2000是美國并行公司推出的部門級流媒體伺服器，儘管并行公司有悠久的歷史，但其計算機離超級計算機還有很長的距離，所以其伺服器僅僅是基於工作站的伺服器，其MediaHwak是基於SMP體系結構的計算機，採用模塊化設計，一個伺服器單元稱為互動式視頻模塊（IVM），每個模塊帶自己的CPU，以及網路輸出介面，稱為一個數字視頻組(VA)，每個IVM可具有存儲通道，用於連接磁碟陣列。兩個VA的組合稱為DVA。在組建更大的系統時，就需要多個獨立的DVA/VA進行疊加，這些DVA/VA之間通過100M乙太網連接，用TCP/IP方式通信和交換數據，是一種完全鬆散的系統組織結構，DVA之間的數據沒有實現在系統級共享。Mediahawk2000的體系結構如圖5所示：

                                                                           

圖5：MediaHawk2000的結構

　　 MediaHawk2000系統軟體採用專門的嵌入式實時操作系統，視頻應用軟體也是自己開發，其伺服器視頻播放軟體的獨特之處就實支持可變幀大小（VFS）技術，支持變位速率(VBR)編碼數據以降低消耗並提供連續的視頻流。MediaHawk視頻服務軟體包括MediaHawk Video Pump（視頻泵）用於從磁碟讀取視頻數據向前端網路輸出，包括MediaHawk Video Manager用於控制視頻流分配到各個Video Pump上去。

 

1.4 體系結構點評

　　 nCUBE公司和SGI公司的流媒體伺服器都代表了未來運營級流媒體應用的方向，不同的是，nCUBE公司的系統是一個專門為流媒體系統定製的系統，而SGI的伺服器除了流媒體應用外，還可以用於事務處理和科學計算領域，對并行公司的伺服器而言，由於是SMP體系結構，並採用鬆散耦合，基於SMP部門級應用的定位，其伺服器不適宜作大規模應用的組網，就體系結構而言，以下是對這幾款伺服器的印象評分：

　　nCUBE4： ★★★★★

　　SGI Origin2000：★★★★★

　　SGI Origin3000：★★★★★

　　MediaHawk：★★★