流媒體服務器大比拼

網絡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，一旦有關運營的游戲規則制定，寬帶用戶接入全面鋪開，網絡流媒體應用將在短時間內掀起多媒體應用的颶風。為此，天極服務器欄目特地策劃了運營級網絡視頻流服務器系列專題，從介紹運營級網絡視頻流服務器（以下簡稱視頻服務器）的結構入手，分別介紹有線網絡（HFC）、ATM網絡、IP網絡運營級流媒體服務的綜合解決方案，最后對國內目前視頻服務器做了評述。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器并對這些產品的各方面做了比較。

　　目前，高性能的流媒體服務器有美國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，最后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。

常見流媒體服務器體系結構比較

1.1 nCUBE4

　　nCUBE4是美國nCUBE公司在1999年秋季推出的第三代流媒體服務器產品，由于其第二代流媒體服務器nCUBE3(MediaCUBE系列)已經停產，這里不再介紹，有關介紹可參考前面HFC網絡流媒體解決方案中的說明，這里只介紹nCUBE4。

　　 nCUBE4采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存儲總線，5個用于外部網絡吞吐的PCI網卡插槽，可配置IP,ATM和DVB-ASI網卡，一個專門用于節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點互連的路由器（Router），該芯片掛在每個節點的PCI總線上，并有8條全雙工1Gbps的鏈路用于連接其它節點上的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芯片(HAVOC)部分，其上連接的節點省略。

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　　 圖1：32個節點的nCUBE4拓補結構圖

　　 所有的節點采用MPP方式互連，MPP方式使系統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，因此系統可編程性能變得比較差。nCUBE服務器從其工作行為來看應屬于多計算機體系結構,屬于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絡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布式任務處理，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的系統軟件是其自身開發的基于u9fs文件系統的Transit操作系統,用于系統中非視頻文件的訪問和對視頻播放進程的管理。.該系統是基于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成為了一個量身定制的系統,顯得很小,這也使得系統對硬件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具有以下特征:

　　 (1) 流水線化的內部代碼路徑

　　 (2) HyperCube通信驅動軟件

　　 (3) 硬件級別的算法優化

　　 (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)作為視頻播放軟件,提供了大范圍

　　增強性特征，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并發視頻流而設計的解決方案。nCUBE具有在OVS上進行5000個并發流實際運行超過72小時的測試經驗。

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1.2 SGI Origin

　　 SGI的Origin系列服務器是在其收購了Cray公司之后，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，這兩款高性能服務器都可以作為流媒體服務器使用，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的節點采用了雙CPU設計，節點內采用了X-bar交換式總線設計，如圖2所示：?
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　圖2：Origin2000,3000節點拓補結構

　　對于Origin2000，一個節點就相當于兩個獨立的計算機，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構，但在第5維開始，Origin2000采用了厚超立方體結構，如圖3所示：?
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　　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采用了將4個節點（8CPU）為一個機柜/臺式單元的設計，其中每個節點有1.6GB的系統存儲帶寬用于連接I/O設備，每兩個節點公用6個XIO設備（用于HiPPI到PCI 32/64總線或VME總線轉換的適配），整個機柜單元有12個XIO插槽，用于插網卡或存儲設備卡。

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（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，網絡輸出，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制，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接口，1個IEEE1394和串口，一個FC通道，用于磁盤驅動器的接口，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的圖形處理服務器，與流媒體服務系統的關系不大。

　　Origin3000采用了更高密度的節點和節點連接設計，內部總線的設計和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個端口的路由器，其中4個用于連接節點，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構，但在第5維開始，Origin3000采用了厚超立方體結構，如圖4所示：

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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，這種結構就是分布式共享內存（DSM）ccNUMA體系結構，在基于ccNUMA的Origin系統中，分布式內存相連接形成單一內存，內存與內存之間沒有頁面復制或數據復制，也沒有軟件消息傳送。ccNUMA只有一個單一內存空間，存儲部件利用硬件進行物理連接，這樣一來，整個系統具有所有內存直接尋址，所有I/O直接尋址的功能特性。系統不需要軟件來保持多個數據拷貝的一致性，也不需要軟件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沖突的問題,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，分布式共享內存通過附加的解決訪問沖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),這種全局可尋址特性使得資源可以在不通過復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的系統軟件是其自己開發的基于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，由于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，造成了部分硬件資源的不必要浪費。

　　SGI最初自行開發了一款流媒體服務軟件MediaBase，但從使用效果來看，MediaBase遠遠沒有將其硬件性能發揮出來，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件全面轉向了OVS，和nCUBE不同的是，SGI是集成的ThirdSpace公司的OVS視頻播放軟件，因此，從軟件上說，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服務器，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，所以其服務器僅僅是基于工作站的服務器，其MediaHwak是基于SMP體系結構的計算機，采用模塊化設計，一個服務器單元稱為交互式視頻模塊（IVM），每個模塊帶自己的CPU，以及網絡輸出接口，稱為一個數字視頻組(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以太網連接，用TCP/IP方式通信和交換數據，是一種完全松散的系統組織結構，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：

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圖5：MediaHawk2000的結構

　　 MediaHawk2000系統軟件采用專門的嵌入式實時操作系統，視頻應用軟件也是自己開發，其服務器視頻播放軟件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并提供連續的視頻流。MediaHawk視頻服務軟件包括MediaHawk Video Pump（視頻泵）用于從磁盤讀取視頻數據向前端網絡輸出，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 體系結構點評

　　 nCUBE公司和SGI公司的流媒體服務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制的系統，而SGI的服務器除了流媒體應用外，還可以用于事務處理和科學計算領域，對并行公司的服務器而言，由于是SMP體系結構，并采用松散耦合，基于SMP部門級應用的定位，其服務器不適宜作大規模應用的組網，就體系結構而言，以下是對這幾款服務器的印象評分：

　　nCUBE4： ★★★★★

　　SGI Origin2000：★★★★★

　　SGI Origin3000：★★★★★

　　MediaHawk：★★★