流媒體服務(wù)器大比拼

網(wǎng)絡(luò)流媒體服務(wù)在最近已經(jīng)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(guān)注，眾多的廠商和技術(shù)機構(gòu)都對此投入了比較深入的研究，國內(nèi)運營商早在1996年開始就進行了有關(guān)VOD實驗，目前其技術(shù)已經(jīng)成熟，一旦有關(guān)運營的游戲規(guī)則制定，寬帶用戶接入全面鋪開，網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用將在短時間內(nèi)掀起多媒體應(yīng)用的颶風。為此，天極服務(wù)器欄目特地策劃了運營級網(wǎng)絡(luò)視頻流服務(wù)器系列專題，從介紹運營級網(wǎng)絡(luò)視頻流服務(wù)器（以下簡稱視頻服務(wù)器）的結(jié)構(gòu)入手，分別介紹有線網(wǎng)絡(luò)（HFC）、ATM網(wǎng)絡(luò)、IP網(wǎng)絡(luò)運營級流媒體服務(wù)的綜合解決方案，最后對國內(nèi)目前視頻服務(wù)器做了評述。本文是此系列專題的最后一篇，主要介紹了目前主流流媒體服務(wù)器并對這些產(chǎn)品的各方面做了比較。

　　目前，高性能的流媒體服務(wù)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(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性能，系統(tǒng)流媒體應(yīng)用的參數(shù)指標等方面對它們進行比較，最后給出了各款產(chǎn)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。

常見流媒體服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)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服務(wù)器產(chǎn)品，由于其第二代流媒體服務(wù)器nCUBE3(MediaCUBE系列)已經(jīng)停產(chǎn)，這里不再介紹，有關(guān)介紹可參考前面HFC網(wǎng)絡(luò)流媒體解決方案中的說明，這里只介紹nCUBE4。

　　 nCUBE4采用了單節(jié)點機箱型設(shè)計,每個機箱是一個服務(wù)節(jié)點，稱為MediaHUB，每個MediaHUB內(nèi)部有一個PII CPU,4條Ultra2SCSI存儲總線，5個用于外部網(wǎng)絡(luò)吞吐的PCI網(wǎng)卡插槽，可配置IP,ATM和DVB-ASI網(wǎng)卡，一個專門用于節(jié)點間互連的向量加速處理（HAVOC）芯片，這個芯片就相當于用于節(jié)點互連的路由器（Router），該芯片掛在每個節(jié)點的PCI總線上，并有8條全雙工1Gbps的鏈路用于連接其它節(jié)點上的HAVOC，各個HAVOC之間的互連采用超立方體(Hypercube)連接方式，最高可達到8維超立方體結(jié)構(gòu)，共計2**8=256個節(jié)點（MediaHUB）的規(guī)模。圖1給出了32個節(jié)點（5維）情況下的拓補結(jié)構(gòu)圖，一個路由器掛一個節(jié)點，圖中僅畫出了向量處理芯片(HAVOC)部分，其上連接的節(jié)點省略。

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　　 圖1：32個節(jié)點的nCUBE4拓補結(jié)構(gòu)圖

　　 所有的節(jié)點采用MPP方式互連，MPP方式使系統(tǒng)具有很高的可擴展性，由于其MPP是采用多地址空間的完全分布式系統(tǒng)，因此系統(tǒng)可編程性能變得比較差。nCUBE服務(wù)器從其工作行為來看應(yīng)屬于多計算機體系結(jié)構(gòu),屬于大規(guī)模并行處理計算機（MPP），這種結(jié)構(gòu)的并行計算機就像多個計算機（節(jié)點）通過一個無阻塞交換式互連網(wǎng)絡(luò)組成的一個節(jié)點集合，每個節(jié)點都可以完成所有的應(yīng)用功能（全職功能），但也可以根據(jù)需要完成某些特定的功能，如系統(tǒng)引導(dǎo)，重新啟動，特定的I/O功能等，節(jié)點內(nèi)部（局部）的內(nèi)存、I/O可直接訪問、但節(jié)點之間（全局）的內(nèi)存、I/O不可直接訪問，節(jié)點之間的內(nèi)存和I/O訪問通過特定的通信協(xié)議進行交互。這種計算機通過任務(wù)平均分攤的機制實現(xiàn)了集中式調(diào)度管理和分布式任務(wù)處理，使得任何應(yīng)用都被極為平均的分攤到各個節(jié)點上去完成。

　　nCUBE的系統(tǒng)軟件是其自身開發(fā)的基于u9fs文件系統(tǒng)的Transit操作系統(tǒng),用于系統(tǒng)中非視頻文件的訪問和對視頻播放進程的管理。.該系統(tǒng)是基于AT&T的Plan 9派生出來的,是類UNIX操作系統(tǒng)，所有的指令都幾乎和傳統(tǒng)的Unix雷同。Transit是一個輕量級的并行操作系統(tǒng)，具有最小化的內(nèi)存消耗,nCUBE公司專門對這個系統(tǒng)進行了面向視頻應(yīng)用的優(yōu)化，使得Transit成為了一個量身定制的系統(tǒng),顯得很小,這也使得系統(tǒng)對硬件資源的消耗可以最大限度的降低.這也為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性提供了更高的保障.

　　Transit提供了一個超文本的系統(tǒng)設(shè)置界面和在線系統(tǒng)幫助,使得系統(tǒng)配置顯得十分簡單和方便!

　　Transit具有以下特征:

　　 (1) 流水線化的內(nèi)部代碼路徑

　　 (2) HyperCube通信驅(qū)動軟件

　　 (3) 硬件級別的算法優(yōu)化

　　 (4) 類 Unix操作環(huán)境

　　 (5) 專門針對視頻的應(yīng)用優(yōu)化

　　 (6) 可靠性和高性能

　　nCUBE使用了Oracle Video Server(OVS, Version3.1)作為視頻播放軟件,提供了大范圍

　　增強性特征，如簡化的啟動和系統(tǒng)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(shù)和DVB支持，以及健壯的為分發(fā)成百上千個并發(fā)視頻流而設(shè)計的解決方案。nCUBE具有在OVS上進行5000個并發(fā)流實際運行超過72小時的測試經(jīng)驗。

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1.2 SGI Origin

　　 SGI的Origin系列服務(wù)器是在其收購了Cray公司之后，兩強聯(lián)手的力作，這一款產(chǎn)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(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。這一款產(chǎn)品推出后的不久，SGI公司又推出了積木化（Brick）設(shè)計的Origin3000系列，這兩款高性能服務(wù)器都可以作為流媒體服務(wù)器使用，以下分別介紹其體系結(jié)構(gòu)。

　　（1） Origin2000系列

　　Origin2000和nCUBE4在結(jié)構(gòu)上有一些類似，但有部分差異，Origin2000的節(jié)點采用了雙CPU設(shè)計，節(jié)點內(nèi)采用了X-bar交換式總線設(shè)計，如圖2所示：?
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　圖2：Origin2000,3000節(jié)點拓補結(jié)構(gòu)

　　對于Origin2000，一個節(jié)點就相當于兩個獨立的計算機，節(jié)點間的互連和nCUBE的節(jié)點間互連方式不同，nCUBE4有8個端口用于互連，Origin2000的路由器只有6個端口，其中2個用于連接節(jié)點，只有4個可以用于互連，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個端口，兩款路由器每個端口的帶寬為全雙工1.6GB（采用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(jié)構(gòu)，但在第5維開始，Origin2000采用了厚超立方體結(jié)構(gòu)，如圖3所示：?
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　　圖3：64節(jié)點（128CPU）的Origin2000拓補結(jié)構(gòu)圖

　　圖中與節(jié)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(jié)構(gòu)是SGI與nCUBE體系結(jié)構(gòu)細微差別的地方,可以看出，SGI的設(shè)計比nCUBE更加密集。

　　在節(jié)點物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，SGI采用了將4個節(jié)點（8CPU）為一個機柜/臺式單元的設(shè)計，其中每個節(jié)點有1.6GB的系統(tǒng)存儲帶寬用于連接I/O設(shè)備，每兩個節(jié)點公用6個XIO設(shè)備（用于HiPPI到PCI 32/64總線或VME總線轉(zhuǎn)換的適配），整個機柜單元有12個XIO插槽，用于插網(wǎng)卡或存儲設(shè)備卡。

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（2） Origin3000系列

　　 Origin3000系列的體系結(jié)構(gòu)在origin2000的基礎(chǔ)上進行了革命性的設(shè)計，將CPU,存儲，網(wǎng)絡(luò)輸出，XIO到PCI/VME的轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)部節(jié)點間互連設(shè)計成一個個功能單元，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求任意定制，這就是積木式結(jié)構(gòu)，有以下幾種積木式結(jié)構(gòu)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端口的路由器是用于路由器之間進行互連的中間路由器，每個路由器端口的速率為全雙工3.2GB，這將Origin2000的路由器端口性能提高了一倍。

　　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(nèi)存插槽，支持512M,1G,2G 3種內(nèi)存條，支持4路插頁式內(nèi)存組織，整個模塊有3.2GB的內(nèi)存通信速率。

　　I-Brick: 輸入輸出(I/O)模塊，提供2個USB和100Base-T接口，1個IEEE1394和串口，一個FC通道，用于磁盤驅(qū)動器的接口，提供2個66M(64位)和3個33M（64位）的PCI總線插槽,總帶寬2.4GB/s。

　　P-Brick::PCI擴展模塊，提供12個66M(64位)的PCI總線插槽，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’’磁盤，存儲帶寬為200MB,單盤磁盤容量為18,36,73GB

　　G-Brick: 圖形處理模塊，用于圖形處理工作站onyx3000系列，這是用于SGI的圖形處理服務(wù)器，與流媒體服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)系不大。

　　Origin3000采用了更高密度的節(jié)點和節(jié)點連接設(shè)計，內(nèi)部總線的設(shè)計和Origin2000類似，但總線帶寬除了用于I/O處理的XIO部分是2.4GB/s以外，其余的帶寬都變?yōu)镺rigin2000的兩倍，達到3.2GB/s，如圖2右上圖所示，每個節(jié)點配置了4片CPU，同時將4個節(jié)點連接在一個路由器上，Origin3000的路由器增加了一款8個端口的路由器，其中4個用于連接節(jié)點，有4個可以用于互連，用于路由器之間的互連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個端口，兩款路由器每個端口的帶寬為全雙工3.2GB（采用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(jié)構(gòu)，但在第5維開始，Origin3000采用了厚超立方體結(jié)構(gòu)，如圖4所示：

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圖4：128節(jié)點（512CPU）的Origin3000系統(tǒng)拓補圖

　　 Origin的體系結(jié)構(gòu)促使SGI開發(fā)出了順應(yīng)SMP結(jié)構(gòu)的可編程性好，也同時體現(xiàn)其多處理器結(jié)構(gòu)的計算機的特性的內(nèi)存組織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)就是分布式共享內(nèi)存（DSM）ccNUMA體系結(jié)構(gòu)，在基于ccNUMA的Origin系統(tǒng)中，分布式內(nèi)存相連接形成單一內(nèi)存，內(nèi)存與內(nèi)存之間沒有頁面復(fù)制或數(shù)據(jù)復(fù)制，也沒有軟件消息傳送。ccNUMA只有一個單一內(nèi)存空間，存儲部件利用硬件進行物理連接，這樣一來，整個系統(tǒng)具有所有內(nèi)存直接尋址，所有I/O直接尋址的功能特性。系統(tǒng)不需要軟件來保持多個數(shù)據(jù)拷貝的一致性，也不需要軟件來實現(xiàn)操作系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。,ccNUMA結(jié)構(gòu)必須解決高速緩存的一致性問題，因為所有內(nèi)存都被當作一個邏輯上的全局內(nèi)存來處理,而這個內(nèi)存可以被所有的CPU訪問,因此必然要處理內(nèi)存訪問沖突的問題,這就需要一種全局內(nèi)存管理機制，即需要一段專門的內(nèi)存用來維持高速緩存目錄的一致性。總的來說，分布式共享內(nèi)存通過附加的解決訪問沖突的內(nèi)存開銷和通信協(xié)議,換來了極大的內(nèi)存訪問靈活性,使得內(nèi)存對CPU來說是完全可訪問的,CPU不用太多關(guān)心內(nèi)存的實際物理位置(在哪個節(jié)點),這種全局可尋址特性使得資源可以在不通過復(fù)制的情況下就被訪問，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(jié)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(jié)構(gòu)（SSMP）。

　　 SGI的系統(tǒng)軟件是其自己開發(fā)的基于xfs文件系統(tǒng)的IRIX6.5，IRIX是一種UNIX操作系統(tǒng)的版本，最初IRIX是SGI為其圖形工作站而設(shè)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，同時也去掉了其用于圖形處理的許多功能，但不管怎么說，IRIX是一個很龐大的系統(tǒng)，由于其面向通用目的的特性，在某些專門的應(yīng)用中實際上順帶引入了很多額外的資源開銷，造成了部分硬件資源的不必要浪費。

　　SGI最初自行開發(fā)了一款流媒體服務(wù)軟件MediaBase，但從使用效果來看，MediaBase遠遠沒有將其硬件性能發(fā)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件全面轉(zhuǎn)向了OVS，和nCUBE不同的是，SGI是集成的ThirdSpace公司的OVS視頻播放軟件，因此，從軟件上說，兩家公司已經(jīng)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(yōu)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服務(wù)器，盡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，所以其服務(wù)器僅僅是基于工作站的服務(wù)器，其MediaHwak是基于SMP體系結(jié)構(gòu)的計算機，采用模塊化設(shè)計，一個服務(wù)器單元稱為交互式視頻模塊（IVM），每個模塊帶自己的CPU，以及網(wǎng)絡(luò)輸出接口，稱為一個數(shù)字視頻組(VA)，每個IVM可具有存儲通道，用于連接磁盤陣列。兩個VA的組合稱為DVA。在組建更大的系統(tǒng)時，就需要多個獨立的DVA/VA進行疊加，這些DVA/VA之間通過100M以太網(wǎng)連接，用TCP/IP方式通信和交換數(shù)據(jù)，是一種完全松散的系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，DVA之間的數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)在系統(tǒng)級共享。Mediahawk2000的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示：

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圖5：MediaHawk2000的結(jié)構(gòu)

　　 MediaHawk2000系統(tǒng)軟件采用專門的嵌入式實時操作系統(tǒng)，視頻應(yīng)用軟件也是自己開發(fā)，其服務(wù)器視頻播放軟件的獨特之處就實支持可變幀大小（VFS）技術(shù)，支持變位速率(VBR)編碼數(shù)據(jù)以降低消耗并提供連續(xù)的視頻流。MediaHawk視頻服務(wù)軟件包括MediaHawk Video Pump（視頻泵）用于從磁盤讀取視頻數(shù)據(jù)向前端網(wǎng)絡(luò)輸出，包括MediaHawk Video Manager用于控制視頻流分配到各個Video Pump上去。

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1.4 體系結(jié)構(gòu)點評

　　 nCUBE公司和SGI公司的流媒體服務(wù)器都代表了未來運營級流媒體應(yīng)用的方向，不同的是，nCUBE公司的系統(tǒng)是一個專門為流媒體系統(tǒng)定制的系統(tǒng)，而SGI的服務(wù)器除了流媒體應(yīng)用外，還可以用于事務(wù)處理和科學(xué)計算領(lǐng)域，對并行公司的服務(wù)器而言，由于是SMP體系結(jié)構(gòu)，并采用松散耦合，基于SMP部門級應(yīng)用的定位，其服務(wù)器不適宜作大規(guī)模應(yīng)用的組網(wǎng)，就體系結(jié)構(gòu)而言，以下是對這幾款服務(wù)器的印象評分：

　　nCUBE4： ★★★★★

　　SGI Origin2000：★★★★★

　　SGI Origin3000：★★★★★

　　MediaHawk：★★★