曾　帥，高宗彬，趙國鋒

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的設計*

曾帥，高宗彬，趙國鋒

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

設計了一種基于Tilera眾核平臺高強度的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構，其主要包括：系統(tǒng)界面管理模塊、服務承載模塊和流媒體流量發(fā)生模塊。系統(tǒng)以流媒體用戶行為模型為基礎，針對Tilera眾核平臺進行合理的任務并行的劃分，進而完成系統(tǒng)整體框架的并行化設計。經實際測試驗證，該系統(tǒng)模擬產生的流媒體流量在不同情景下具有網絡吞吐率高、并發(fā)用戶數多、流媒體流量更為真實的優(yōu)點，可以對科研人員的網絡設備性能測試、網絡協(xié)議評估等提供更好的支持。

Tilera眾核平臺；并行處理；流媒體用戶行為；流媒體流量

0　引言

互聯(lián)網屬于實踐性很強的領域，相關的研究成果只有在經過實踐驗證后才會被廣泛接受。因此，研究人員需要網絡試驗床來驗證新的網絡體系架構、協(xié)議、服務等。但是由于網絡實驗床無法接入實際的互聯(lián)網，在實驗網中很難產生大量的網絡流量，進而研究人員無法對實驗網中的網絡體系架構、協(xié)議、服務等進行有效的測試。因此,作為用于產生大量網絡流量的流量發(fā)生器在網絡性能研究、網絡服務質量研究、新協(xié)議的測試與部署、網絡安全性研究等領域具有不可或缺的作用［1］。

由于流媒體類型的網絡流量是互聯(lián)網網絡總流量的主要組成部分之一，而且近年來其所占比重正在不斷

增長。從全球范圍來看，思科公司預測2016年流媒體內容將會占去全部網絡流量的54%。在移動互聯(lián)網方面，截止到2014年底，移動視頻流量在移動數據總流量中的比例增長到55%。預計到2019年，接近四分之三的全球移動數據流量將為視頻流量［2］，并且隨著嵌入式眾核處理器的發(fā)展，在眾核處理器上的應用開發(fā)也進入了新的時代。本文設計了一種基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)，進而對科研人員的網絡設備性能測試、網絡協(xié)議評估等提供更好的支持。

1　硬件平臺選擇

隨著嵌入式眾核處理器的發(fā)展，在眾核處理器上的應用開發(fā)也進入了新的時代。例如：西安電子科技大學研究的網絡安全測試設備［3］、H.264多線程并行編碼［4］、浙江大學研究的 3G服務器視頻轉碼軟件設計［5］、西安工程大學研究的NetFlow的P2P協(xié)議識別與檢測系統(tǒng)［6］等。

本系統(tǒng)所選擇的 Tilera Gx36系列眾核平臺的處理器架構如圖1所示。其特征性能有：新一代64位處理器核心、增強的SIMD指令擴展、集成高性能DDR3內存控制器、硬件加速引擎、網絡包處理加速器。

圖1　Tilera Gx系列處理器架構圖

2　流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的整體設計

本文對流媒體用戶行為轉移模型的設計如圖2所示。

圖2　流媒體用戶行為轉移模型圖

將流媒體用戶觀看視頻的狀態(tài)分為：Init、Ready和Playing 3種狀態(tài)，采用馬爾可夫狀態(tài)轉移模型進行流媒體用戶行為轉移的設計。系統(tǒng)通過實現(xiàn)RTSP協(xié)議來模擬用戶觀看流媒體視頻的行為。該RTSP流媒體協(xié)議中包含PLAY、PAUSE、TERDOWN等相關指令，客戶端RTSP請求通過構造這些指令來模擬流媒體用戶觀看視頻的行為。系統(tǒng)約定模擬的流媒體用戶在每個時刻只能采用一個交互式動作，該動作僅僅依賴于前一個狀態(tài)。表1描述了“消息—狀態(tài)”的相關性。

表1　消息—狀態(tài)相關性

2.2流媒體流量產生方式的設計

系統(tǒng)模擬產生流媒體流量方式的設計如圖3所示。

本系統(tǒng)以上述設計的流媒體用戶行為模型為基礎，針對Tilera眾核平臺進行任務的并行劃分并對互聯(lián)網中的流媒體服務器中的視頻等資源并行地發(fā)起大量RTSP流媒體請求，進而使得互聯(lián)網中的流媒體服務器返回的大量真實的流媒體流量途經實驗網。

圖3　流媒體流量產生方式圖

2.3系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)由3部分組成，包括系統(tǒng)界面管理模塊、服務承載模塊和眾核平臺上流媒體流量發(fā)生模塊。流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構如圖4所示。

FPGA電路接收雷達系統(tǒng)的高穩(wěn)定、高精度時鐘信號，利用其內部鎖相環(huán)分頻產生滿足時間分辨率要求(一般取μs級)的內部計數用時鐘信號，在計算機模塊下發(fā)對時開始時刻，該計數器從零開始計數。對于對時開始時刻，設相對時間為零，則該計數器的實時計數值即是相對于對時開始時刻的實時相對時間。如圖3所示，計算機模塊通過PCI總線讀取FPGA電路計數產生的實時相對時間，與對時開始時刻的絕對時間累加，即是系統(tǒng)的實時時間。對時開始時刻的絕對時間由計算機模塊通過解析串口或網絡接收的授時數據報文獲得。設計采用FPGA接收20 MHz的雷達系統(tǒng)時鐘。

圖4　流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)架構

2.4系統(tǒng)界面管理模塊

該模塊為系統(tǒng)用戶提供了一個易操作且友好的Web網頁界面，支持系統(tǒng)用戶對不同情景下的流媒體流量的參數進行配置，并將配置參數下發(fā)到服務承載模塊。

2.5服務承載模塊

服務承載模塊包括 Web server子模塊和 MYSQL數據庫模塊，其中 Web server子模塊又分為配置文件承載子模塊、通信承載子模塊和數據庫操作承載子模塊。

2.6流媒體流量發(fā)生模塊

流媒體流量發(fā)生模塊負責接收服務承載模塊下發(fā)的相應命令來完成不同情景參數下的流媒體流量模擬產生的功能。該模塊包含N個流媒體流量發(fā)生子模塊，分別對應分布式的 Tilera眾核平臺設備 1～N，通過利用分布式的架構使得該 N臺 Tilera眾核平臺設備相互配合從而產生更大更逼真的流媒體網絡流量。

單臺Tilera眾核平臺上的流媒體流量發(fā)生模塊的架構設計如圖5所示。

圖5　流媒體流量發(fā)生模塊的架構設計圖

系統(tǒng)將該模塊劃分為Streaming并行訪問請求模塊、Streaming數據接收模塊、日志記錄模塊和流量分析處理模塊四個子模塊。將Tilera眾核平臺上的多個處理器核以每四個為一個并行任務組，將每臺Tilera眾核平臺又劃分成了多個并行的任務組進行并行工作來模擬產生更多的流媒體并發(fā)用戶數，其中每個并行任務組中的4個處理器核對應流媒體流量發(fā)生模塊中的4個子模塊，即每一個子模塊運行在一個處理器核中，以提高系統(tǒng)整體的并行處理能力。其中將每臺Tilera眾核平臺上的多個處理器核中的某個核單獨拿出來作為主控核，該主控核負責與服務承載層進行實時交互通信并接收服務承載層下發(fā)的相應命令，并且控制及協(xié)調每臺 Tilera眾核平臺上的所有正在運行的并行任務組聯(lián)合工作，進而實現(xiàn)系統(tǒng)用戶對本系統(tǒng)所模擬產生的流媒體流量的過程具有可管可控的功能。

2.6.1流媒體流量反饋機制的設計

Tilera眾核平臺上的主控核定期檢測分析該臺Tilera眾核設備上的流媒體流量發(fā)生模塊整體模擬產生的流量信息，檢測模擬的整體流量在一定時間內是否符合該配置參數情景下流媒體流量的整體波形變化情況，若與網絡流量的整體波形的誤差大于0.5%，則該主控核就按照預先設計的相應策略對正在運行的并行任務組進行調節(jié)，直到誤差小于0.5%為止，進而確保對不同情景下的流媒體網絡流量進行有效逼真的模擬。

2.6.2RTSP請求?；顧C制的設計

系統(tǒng)采用線程池技術來設計RTSP的并行請求。如圖6所示，由于RTSP連接是有狀態(tài)鏈接，為了保持請求的連接的活躍狀態(tài)，系統(tǒng)在線程池中設置一個心跳掃描線程定時對系統(tǒng)模擬的流媒體并發(fā)用戶數所建立的RTSP連接進行檢測，在某個模擬的流媒體并發(fā)用戶所建立的連接距上次發(fā)送心跳包間隔時長超過 100 s時，通知RTSP心跳包線程發(fā)送心跳包，進而維持較多的流媒體并發(fā)用戶數。

圖6　RTSP請求?；顧C制

3　系統(tǒng)測試與數據分析

依據本文提出的基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)，設計了一個實際的測試系統(tǒng)。由于所在實驗環(huán)境中外網的網絡帶寬的限制（2 Mb/s）不能夠產生所需要的大流量，因此在實驗網(千兆局域網)內部搭建一臺流媒體服務器，并進行了系統(tǒng)測試。

該測試系統(tǒng)的流媒體參數配置界面如圖7所示。

圖7　流媒體參數配置界面

該界面支持科研人員針對不同的流媒體情景進行相應參數的設置，從而實現(xiàn)控制多臺流媒體流量發(fā)生模塊聯(lián)合模擬產生不同環(huán)境下的網絡流量的功能。

Hurst指數是度量網絡流量自相似程度的重要指標，Hurst指數的計算方法主要有7種［7］：聚合方差法、R/S分析法(R/S method)、周期圖法、絕對值法、殘差方差法、小波分析法、Whittle法。本文采用時間方法和R/S分析法計算Hurst指數。

如圖8所示，流量產生系統(tǒng)產生的流量具有很強的自相似性，這與實際的網絡流量相一致，表明本系統(tǒng)對不同情景下模擬的流媒體流量具有較高的真實性。

圖8　流量產生系統(tǒng)流量自相似性檢測

如圖9所示，在單臺Tilera眾核平臺上采用兩個CPU處理器核來模擬 2 000左右的流媒體并發(fā)用戶數時，系統(tǒng)帶寬占用隨著并發(fā)用戶數的增加而增加，并且達到了最高點1 Gb/s，表明本系統(tǒng)可以模擬產生較大的流媒體流量吞吐量。

圖9　Tilera眾核平臺模擬流量與資源開銷

4　結論

本文提出了一種在B/S及分布式系統(tǒng)架構模式下基于Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的詳細設計方案，包括Tilera眾核平臺硬件系統(tǒng)和軟件架構。本系統(tǒng)針對Tilera眾核平臺進行并行任務的劃分與設計，采用線程池技術并以流媒體用戶行為模型為依據并行地發(fā)起RTSP請求誘使互聯(lián)網中真實的流媒體服務器在途經的試驗網中產生大規(guī)模流媒體網絡流量，并設計了流量反饋機制。測試結果表明，系統(tǒng)可以模擬較大的流媒體流量吞吐率、較多的流媒體并發(fā)用戶數和不同情景下更逼真的流媒體流量，且運行穩(wěn)定可靠，具備較好的易操作性和可擴展性。

［1］BOTTA A，DAINOTTI A，PESCAPé A.A tool for the generation of realistic network workload for emerging networking scenarios［J］.Computer Networks，2012，56(15)：3531-3547.

［2］Cisco VNI Mobile.視覺網絡指數全球移動數據流量預測更新2014-2019年報［DB/OL］.(2015).http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.

［3］李晨.基于多核的網絡安全測試設備的通用框架設計［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［4］張超.基于 TILE64的 H.264多線程并行編碼［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［5］韓笑.基于TILE Pro6多核處理器的3G服務器視頻轉碼軟件設計［D］.杭州：浙江大學，2012.

［6］楊三勝.Tilera多核環(huán)境下基于 NetFlow的 P2P協(xié)議識別與檢測［D］.西安：西安工程大學，2011.

［7］陳建，譚獻海，賈真.7種Hurst系數估計算法的性能分析［J］.計算機應用，2006，26(4)：945-950.

Design of streaming media traffic generation system based on Tilera many-core platform

Zeng Shuai，Gao Zongbin，Zhao Guofeng
(School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

A new system architecture of streaming media traffic generator based on Tilera many-core platform is proposed,it includes module about system interface of management,service loading module and traffic module about streaming media.This system takes advantage of the powerful parallel processing ability and efficient network throughput features of Tilera platform,combined with user behavior of streaming media and parallel technology on Multi-core.After a large number of tests,it proved that the system could generate enough streaming traffic and number of concurrent users under different scenarios,at the same time,the network traffic generated by this system is more real.And the system could provide better support for the study of scientific research personnel about the testing of network equipment performance and evaluation of network protocols,etc.

Tilera many-core platform；parallel processing；user′s behavior of streaming media；traffic of streaming media

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.016

重慶市教委科學技術研究項目(KJ1500429)；江蘇省未來網絡創(chuàng)新研究院未來網絡前瞻性研究項目(BY2013095-5-07，BY2013095-2-03)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2012CB315806)

（2015-12-22）

曾帥（1982-），男，博士，講師，主要研究方向：未來網絡。

高宗彬（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：未來網絡，E-mail：1193447587@qq.com。

趙國鋒（1972-），男，博士生導師，教授，主要研究方向：未來網絡。

中文引用格式：曾帥，高宗彬，趙國鋒.基于 Tilera眾核平臺的流媒體流量發(fā)生系統(tǒng)的設計［J］.電子技術應用，2016，42 (4)：56-59.

英文引用格式：Zeng Shuai，Gao Zongbin，Zhao Guofeng.Design of streaming media traffic generation system based on Tilera manycore platform［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：56-59.