【摘要】本文通過分析多媒體視頻教學(xué)技術(shù)在校園網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題，指出構(gòu)建多媒體視頻網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)是改善校園網(wǎng)多媒體視頻服務(wù)質(zhì)量的有效方法。網(wǎng)格應(yīng)用系統(tǒng)中的資源管理是整個校園網(wǎng)格系統(tǒng)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，文中較詳細(xì)的介紹了網(wǎng)格環(huán)境下資源的分類方法，資源信息的存儲方式及資源的調(diào)度方法。

【關(guān)鍵詞】校園網(wǎng)，多媒體視頻，網(wǎng)格技術(shù)，資源管理

【中圖分類號】G434

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1009—8097（2006）04—0052—05

一、校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)建

目前大學(xué)校園內(nèi)普遍開展了運用多媒體視頻技術(shù)的教學(xué)活動。常見的有：精品課程在線直播、教學(xué)視頻點播、遠(yuǎn)程教育、實時視頻會議等。然而這些教學(xué)活動常受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器性能、節(jié)目來源、建設(shè)費用等因素的制約^[1]， 具體表現(xiàn)為：

1、通常情況下，學(xué)校將各種教學(xué)視頻數(shù)據(jù)集中存儲在網(wǎng)絡(luò)中心機房的服務(wù)器中，當(dāng)校園網(wǎng)中出現(xiàn)大量視頻訪問請求時，會造成網(wǎng)絡(luò)中心數(shù)據(jù)訪問量的巨增，容易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響網(wǎng)絡(luò)中心其它網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的開展。

2、因資金等原因，網(wǎng)絡(luò)中心常會將大量多媒體視頻資源存放在一臺或有限的幾臺服務(wù)器上。這樣會造成因網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器性能有限，無法滿足大量校園網(wǎng)用戶對高質(zhì)量視頻服務(wù)的需求。

3、通常各個學(xué)院存有與自己直接相關(guān)的多媒體資源，如果單純地采用拷貝到網(wǎng)絡(luò)中心集中管理的方式，必然造成信息更新較慢，占用空間較大等缺點。但是簡單的分散管理又不利于校園內(nèi)資源的共享。

為了解決存在的問題，我們構(gòu)建了基于網(wǎng)格技術(shù)的多媒體應(yīng)用平臺如圖1所示，利用網(wǎng)格技術(shù)能將校園網(wǎng)內(nèi)地理上異構(gòu)分布的各種高性能計算機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲系統(tǒng)等通過網(wǎng)絡(luò)連接集成，對所有資源統(tǒng)一調(diào)配和使用，實現(xiàn)計算資源、數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源的有效聚合及共享，是解決制約校園網(wǎng)多媒體視頻應(yīng)用的有效方法^[2]。目前主要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)分為兩種：一種是五層沙漏結(jié)構(gòu)，它的主要思想是以協(xié)議為中心，強調(diào)物理資源的共享^[3]。另一種是開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(Open Grid Services Architecture)，在OGSA中，定義了“網(wǎng)格服務(wù)”(Grid Service)概念^[4]，并將計算機資源、存儲資源、程序、數(shù)據(jù)庫等看作網(wǎng)格服務(wù)，服務(wù)提供了一組接口，這些接口將解決服務(wù)發(fā)現(xiàn)、動態(tài)服務(wù)創(chuàng)建、生命周期管理、通知等問題。用不同方式聚合起來的網(wǎng)格服務(wù)可以滿足校園內(nèi)不同部門的需求，完成不同的任務(wù)。

圖1 多媒體視頻網(wǎng)格應(yīng)用平臺

校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格應(yīng)用平臺是基于OGSA架構(gòu)的網(wǎng)格應(yīng)用平臺，主要由分散在學(xué)校各院、系及網(wǎng)絡(luò)中心的多媒體集群服務(wù)器組成。應(yīng)用平臺為校園網(wǎng)用戶提供統(tǒng)一的WEB訪問接口。用戶的訪問經(jīng)過身份論證，并獲得訪問權(quán)限后，訪問將被轉(zhuǎn)發(fā)到資源調(diào)度服務(wù)器，在資源調(diào)度服務(wù)器中將完成資源的查找、動態(tài)服務(wù)的創(chuàng)建、資源的調(diào)度、訪問資源的定位、生命周期管理等工作。最后用戶將根據(jù)此動態(tài)訪問實例對多媒體資源進(jìn)行訪問。網(wǎng)格平臺可以充分利用校園內(nèi)的各種現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)資源，分散訪問請求，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高服務(wù)質(zhì)量。

二、校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)資源管理的架構(gòu)設(shè)計

多媒體視頻網(wǎng)格資源管理是整個校園網(wǎng)網(wǎng)格系統(tǒng)中基礎(chǔ)和關(guān)鍵的部分。它為網(wǎng)格的上層應(yīng)用提供底層支持。根據(jù)我院多媒體視頻應(yīng)用的具體情況，構(gòu)建了如圖2所示的多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)資源管理的架構(gòu)。

圖2 校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)資源管理模型

校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)資源管理模型的調(diào)度過程：

1、用戶經(jīng)過身份論證，通過網(wǎng)格資源訪問接口向資源調(diào)度模塊發(fā)出一個訪問請求。

2、請求被插入到用戶請求隊列中，此時用戶還沒有真正獲得網(wǎng)格資源的分配。

3、資源調(diào)度模塊在完成一個資源調(diào)度分配周期后，將從隊列中接收新的訪問請求，并對其進(jìn)行資源分配。在資源分配過程中主要有以下幾個環(huán)節(jié)。

l首先在資源目錄服務(wù)模塊中查找待分配資源的信息。如果查找成功，將進(jìn)入下一步；如果失敗將返回錯誤信息給用戶并結(jié)束本次資源分配調(diào)度。

l由于在網(wǎng)格環(huán)境中，可能查詢到不只一個網(wǎng)格節(jié)點能對用戶的訪問提供服務(wù)，例如有多個網(wǎng)格節(jié)點能提供英文在線視頻服務(wù)。為了提高服務(wù)質(zhì)量（QOS），資源調(diào)度模塊將根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點的服務(wù)連接數(shù)、網(wǎng)格節(jié)點的權(quán)值進(jìn)行負(fù)載均衡。

l經(jīng)過負(fù)載均衡處理后的訪問將被定位到一個具體的網(wǎng)格節(jié)點。資源配置模塊將進(jìn)一步完成動態(tài)資源訪問請求中涉及到的其它相關(guān)配置，如生命周期的確定、服務(wù)器URL參數(shù)的確定等工作。最后成一個針對具體服務(wù)節(jié)點的訪問請求實例，并將其插入到訪問實例請求隊列中，完成此次資源的分配流程。

4、用戶將根據(jù)資源訪問實例中的信息通過校園網(wǎng)對資源

進(jìn)行訪問。

三、校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)的資源分類方法

校園網(wǎng)網(wǎng)格環(huán)境下的多媒體資源通常是以網(wǎng)格節(jié)點的形式提供服務(wù)，其服務(wù)能力受服務(wù)器性能高低的影響，存在較大的差異。對網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行有效的分類，是資源管理與調(diào)度的基礎(chǔ)，也將直接影響到整個系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。節(jié)點上服務(wù)器的CPU性能、內(nèi)存的大小、Cache的大小、網(wǎng)卡的速率、網(wǎng)絡(luò)接入的帶寬等因素將直接影響網(wǎng)格服務(wù)質(zhì)量。然而這些屬性不存在必然的直接聯(lián)系，很難用一定的線性數(shù)學(xué)模型來對其進(jìn)行描述。因此在這里我們引入模糊數(shù)學(xué)方法來對其進(jìn)行分類。這種分類方法使結(jié)果更自然，更符合實際。主要步驟是：

1、確定對象

設(shè) R = {R1 ， R2 ， R3 ，．．．，Rn}為待分類的校園網(wǎng)多媒體資源，其中每一個對象代表一個Grid Node，對象Ri由網(wǎng)格節(jié)點上服務(wù)器的性能參數(shù)組成：Ri = {Ni1 ， Ni2 ， Ni3 ，．．．．．．，Nij}(i，j = 1，……，n)。我們選擇表1中的參數(shù)作為分類指標(biāo)。

2、建立模糊相似矩陣

在此我們利用網(wǎng)格節(jié)點參數(shù)Ri 建立模糊相似矩陣R=（N），其中Nij = Nji ，Nii = 1，在確定Nij時可采用：相關(guān)系數(shù)法、最大最小法、算術(shù)平均最小法、幾何平均最小

表1節(jié)點服務(wù)器性能參數(shù)表

法、絕對指數(shù)法等方法。我們在考慮到校園網(wǎng)的具體情況后選擇算術(shù)平均最小法來確定Nij 的值，即

=

在實際處理過程中，R的收斂速度是比較快的。為進(jìn)一步加快收斂速度，我們采取如下處理方法：R→R2→R4→R8→…→R2k 。即先將R自乘改造為R2，再自乘得R4，如此繼續(xù)下去，直到某一步出現(xiàn)R2k=Rk= R*。此時R*滿足了傳遞性， 于是模糊相似矩陣R就被改造成了一個模糊等價關(guān)系矩陣R*。

為了描述Ri 與Rj 的相關(guān)程度，我們采用相似系數(shù)R，RijIcirc;^[0，1]來衡量?？紤]到服務(wù)器的CPU與CPU個數(shù)對服務(wù)影響較大。故選擇 0.9468 < α < 1；此時可獲得布爾矩陣Rα，由于布爾矩陣為對稱陣，此時我們可以只考慮矩陣中的左下部分元素，即:

3、資源的分類

用橫線和豎線與主對角線上的1連接，以此可將網(wǎng)格節(jié)點按服務(wù)器的性能的高低分為三類：A{ Grid Node1}、B{ Grid Node2， Grid Node3}、C{ Grid Node4}。其中Grid Node1服務(wù)器性能最好，故分配權(quán)值為4。Grid Node2與Grid Node3服務(wù)器性能次之，故分配權(quán)值3，Grid Node4分配權(quán)值2。此權(quán)值將作為網(wǎng)格節(jié)點事務(wù)調(diào)度的依據(jù)。

四、校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)資源管理目錄組織結(jié)構(gòu)

從圖1中我們可能看出，資源目錄服務(wù)是多媒體應(yīng)用網(wǎng)格平臺的重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)格環(huán)境下節(jié)點資源的注冊、發(fā)現(xiàn)、查找、更新等服務(wù)，它為信息的查詢與任務(wù)的分配提供支持。在此我們選擇資源目錄樹的方式來對多媒體資源進(jìn)行組織和管理。資源目錄樹如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格資源目錄組織結(jié)構(gòu)

為此我們構(gòu)建資源樹中的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

TypedefstructGrid_R_Node

{

StringNode_Resource_tpye ; //表示節(jié)點中多媒體資源類型如：如英語多媒體視頻//資源、數(shù)學(xué)多媒體視頻資源等

IntNode_Resource_weight ; //節(jié)點資源的權(quán)值，表示當(dāng)前網(wǎng)格節(jié)點的服務(wù)能力

UnsignedResource_IP ; //資源節(jié)點的的IP地址

StructGrid_R_node*Node_first_child， *

Node_nextsibling ;

//指向該節(jié)點中第一個孩子的節(jié)點和后繼

IntNode_parent ; //節(jié)點的雙親

IntNode_OS_type ;//節(jié)點操作系統(tǒng)信息

StringNode_Computer_name ;//節(jié)點計算機名

IntGlobe_Computer_resourceID;//節(jié)點的全局惟一資源編號

} G_Node， * G_new_Node

網(wǎng)格資源的注冊函數(shù)：

Void grid_resour_register(G_node* T_root_node ，

G_nodeR)

{

G_Node*T_node ;

//T_root_node 為指向資源樹根節(jié)點的指針

T_node=T_root_node->Node_first_child ;

DO{

If(T_node -> Node_Resource_tpye = = R. Node_Resource_tpye)break ;

Else T_node = T_node -> Node_nextsibling ;

}

while(T_node! = 1) ;

//將網(wǎng)格節(jié)點插入到以Node_Resource_weight為權(quán)值的子樹中

New_Node_insert( Grid_temp_node ，R) ;

}

VoidNew_Node_insert(G_node *Tree_node ， G_nodeR){

……

G_node*Insert_node， Father_Node ;

Father_Node = Tree_node ;

Insert_node = Insert_node -> Node_first_child ;

//已到達(dá)樹的葉子節(jié)點

If(Insert_node = = 1){

While(Insert_node-> Node_nextsibling! = 1)

Insert_node = Insert_node ->Node_nextsibling ;

//為插入節(jié)點分配資源

G_new_Node = (Grid_R_Node) malloc (sixeof(G_Node)) ;

//初始化節(jié)點點信息

G_new_Node -> Node_Resource_tpye=R. Node_Resource_tpye ;

G_new_Node -> Node_Resource_weight=R. Node_Resource_weight ;

G_new_Node -> Resource_IP=R. Resource_IP ;

G_new_Node -> Nod_parent=R. Nod_parent ;

G_new_Node -> Nod_OS_type=R. Nod_OS_type ;

G_new_Node ->Globe_Computer_resourceID = R. Globe_Computer_resourceID;

G_new_Node -> Node_Computer_name=R. Node_Computer_name ;

G_new_Node -> Node_nextsibling=1 ;

Insert_node -> Node_nextsibling=G_new_Node ;

……

}

五、校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)的資源調(diào)度

校園網(wǎng)多媒體視頻網(wǎng)格環(huán)境下資源的調(diào)度與負(fù)載均衡也是直接影響網(wǎng)格服務(wù)質(zhì)量的重要因素。在實際運用中，我們編寫了一種基于最小連接數(shù)的加權(quán)輪叫調(diào)度算法^[5]，如圖4所示。該算法基于服務(wù)器最小連接數(shù)與網(wǎng)格節(jié)點的權(quán)值進(jìn)行綜合調(diào)度。它不僅考慮到服務(wù)器權(quán)值對服務(wù)器性能的影響，還將同一權(quán)值下的服務(wù)器的最小連接數(shù)作為調(diào)度的影響因素。多媒體視頻網(wǎng)格資源調(diào)度模塊將維護(hù)一張當(dāng)前各個網(wǎng)格節(jié)點上服務(wù)器連接數(shù)的表格。在進(jìn)行資源定位時，調(diào)度算法將查詢這張表格。并從候選節(jié)點中選擇出當(dāng)前連接數(shù)最小的服務(wù)器為用戶提供服務(wù)，從而實現(xiàn)資源調(diào)度的負(fù)載均衡。

圖4 網(wǎng)格資源調(diào)度流程圖

w(Si)為服務(wù)器Si 的權(quán)值，gw表示當(dāng)前調(diào)度的權(quán)值，g_max(S)表示網(wǎng)格節(jié)點服務(wù)器集合N中最大權(quán)值，gcd(N)表示集合N中所有權(quán)值的最大公約數(shù)。變量i初始化為-1，gw初始化為零。集合S = {S0， S1， …， Sn-1}表示權(quán)值相同但在線連接數(shù)不同的待選服務(wù)器集群。調(diào)度算法如下所示：

while (true) {

i = (i + 1) mod n;

if (i = = 0) {

gw = gw - gcd(S);

if (gw <= 0) {

gw = g_max(S);

if (gw = = 0)

return NULL;

}

}

if (w(Si) >= gw){

//在同等權(quán)值的條件下考慮服務(wù)器的連接數(shù)，m為在線連接數(shù)不同的待選擇的服務(wù)器數(shù)，//C(Si)表示服務(wù)器Si的當(dāng)前連接數(shù)。

for(k=1;k

if(C(Si)<=C(Sk))

m=i;

}

returnSm;

}

}

六、結(jié)論與展望

在校園多媒體視頻網(wǎng)格系統(tǒng)中，資源管理是一個基礎(chǔ)和

核心的模塊。我院通過運用多媒體視頻網(wǎng)格資源管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對學(xué)院多媒體視頻資源的統(tǒng)一調(diào)配和使用，建立了面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通用支撐環(huán)境，實現(xiàn)了計算機資源、數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源的有效聚合及共享^[6]。隨著網(wǎng)格技術(shù)的完善與發(fā)展，網(wǎng)格技術(shù)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用將會更加普遍和深入，并將進(jìn)一步改進(jìn)和推動校園網(wǎng)的各種應(yīng)用服務(wù)，為學(xué)院教學(xué)提供更好的支撐平臺。

參考文獻(xiàn)

[1] 視頻服務(wù)網(wǎng)格系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計：[南京大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系技術(shù)報告]．2003

[2] Foster and C. Kesselman， The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure， Morgan Kaufmann， San Fransisco， CA， 1999. http://mkp.com/grids， http://www.gridforum.org/，http://www.ccgrid.org/

[3] IAN FOSTER， “Internet Computing and the Emerging Grid” Nature Web Matters， 7 December 2000， http://www.nature.com/nature/webmatters/grid/grid.html

[4] 徐志偉，馮百明，李偉．網(wǎng)格計算技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004

[5] http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs4.html

[6] 李三立，都志輝，陳渝等．網(wǎng)格計算[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002：25-27

The Resource Management of Multimedia Video in Campus Network Based on Grid System

Yang Mu1Hu Yanmei2Shu Hui1

1、Department of Educational Technology， Chengdu Medical College， Chengdu Sichuan， 610083

2、Chengdu Medical College， Chengdu Sichuan， 610083

Abstract: In this paper we analyzed the problem of multimedia video teaching technology in the campus network application and pointed out constructing the multimedia video application system based on grid technology is an effective way to improve the campus network multimedia video quality of service. Resource management is the key and fundamental part in the campus grid system. In this paper we described the method of resource sort， resource information storage and resource instance dynamic scheduling in the grid system in detail.

Keywords: Campus Network， Multimedia Video， Grid Technology， Resource Management

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