CN102075526A

CN102075526A - 多核虚拟化环境面向软实时应用的验证系统

Info

Publication number: CN102075526A
Application number: CN2010106129234A
Authority: CN
Inventors: 白跃彬; 李智; 马耀; 张会永
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102075526B

Abstract

一种多核虚拟化环境面向软实时应用的验证系统，系统由数据接收端、数据中转主机和数据发送端组成。其中，数据接收端由音频数据处理模块、消息模块和数据发送模块组成。数据中转主机由语音数据处理模块、消息模块和数据收发模块组成。数据接收端由数据接收模块和音频数据处理模块组成。音频数据由数据发送端发出，在数据中转主机处进行语音格式转换和转发，最终由数据接收端接收并存储。该系统中的数据中转主机处于多核虚拟化环境下，数据中转主机的处理操作符合软实时应用特性，验证了多核虚拟化环境下的软实时应用的运行特性。

Description

多核虚拟化环境面向软实时应用的验证系统

技术领域

本发明涉及计算机科学中的在多核环境下的虚拟机领域，特别是面向软实时应用的验证系统。

背景技术

虚拟化技术为服务器整合及数据中心等提供了有效的管理方式，各类服务器之间在同一物理平台的透明性使得硬件资源得到了充分利用。多核技术的发展加速了服务器的部署速度，并且在服务类型上也得到迅速扩展。当前主流的虚拟化技术，如Xen，KVM，VMWARE等，为系统的隔离性、CPU资源负载均衡以及内存和磁盘管理等方面均提供了很好的支持。目前，云计算的兴起和快速发展又为虚拟化技术提出了新的挑战。因此，如何去改进虚拟化技术使其更好地支持新的应用，成为当前虚拟化技术的研究热点。

实时任务是一种对执行时间有一定要求的任务。实时任务分为软实时任务与硬实时任务。硬实时任务对任务执行完毕的时间要严格要求，如果无法满足要求，将带来系统的错误甚至宕机，因此硬实时任务对时间的延迟要求是零容忍的。而软实时任务对执行时限的要求是灵活的，可以容忍偶然的错误，其失败的后果并不严重。然而，软实时任务对时间也具有一定的要求，以音频为例，对于音频数据中无法得到及时处理和传输的数据，只能采用放弃的策略，因为声音的过时将导致数据的无效。同时，软实时任务是一种既需要一定的CPU资源，同时又需要一定的响应时间，并且在某种程度上，响应时间要比CPU资源更为重要一些的应用类型任务。

然而，由于现有的多核虚拟化平台对软实时任务的支持并不充分，以Xen为例，在系统负载较高的情况下，软实时任务对执行时限的要求无法得到有效保证，而目前尚未有一种方法根据软实时任务的执行特点来分析软实时任务在多核虚拟化环境的瓶颈，因此，多核虚拟化环境下的软实时任务环境的设计方法是十分必要的。

发明内容

本发明以在多核虚拟化环境下设计一种面向软实时应用的验证系统为目标，通过不同机器之间语音数据的发送、转码、转发和接收反应软实时任务在多核虚拟化环境下的运行特点，具体包括：

1.软实时任务场景的设计。本发明将软实时任务场景分为三部分，分别是软实时任务的数据发送、软实时任务的数据转码和转发、以及软实时任务的数据接收。通过三部分的协调合作，确保了软实时任务场景对软实时任务运行的正确性和有效性。

2.数据发送端：负责软实时任务的数据发送和发送之前的数据处理工作。包括语音数据编码格式分析，发送消息的管理，以及数据的发送。同时，为保证数据中转主机的负载量，通过数据拷贝实现数据在并行方式下的重复性发送。

3.数据中转主机：负责软实时任务的数据转码和转发。本发明通过缓冲区管理对数据的接收和转发所需要的缓冲区进行配置。将接收到的数据进行转码和转发，使语音编码变化后的数据发送到接收端。

4.数据接收端：负责软实时任务的数据接收。实现对数据的接收，并将接收到的数据进行数据处理和分析，用于比较语音数据在传输前后的质量变化。

与现有技术相比较，本发明的创新之处在于：对于多核虚拟化环境下面向软实时应用的验证系统的设计，目前除本发明的方法外尚未有相关研究。其创新性具体体现在：

1.本发明所设计的场景独特，有效反应了多核虚拟化平台下的软实时任务的执行场景。

2.本发明采用了语音数据传输和转码的方式有效反应了在上述场景下软实时任务的执行特点。

附图说明

图1多核虚拟化下软实时任务环境场景图

图2数据发送端模块图

图3数据中转端模块图

图4数据接收端模块图

图5数据中转端模块所处的平台

图6模块交互的顺序图

具体实施方式

在图1的场景下，左侧由一组数据发送端组成，右侧由一组数据接收端组成，中间的中转主机负责接收左端的数据发送主机发送的数据并经过处理之后，转发给右端相应的数据接收端。数据发送端与数据接收端均为普通的计算机，而数据中转主机为多核虚拟化环境。各个主机通过与交换机连接，实现通信。

网络中所传输的数据为音频格式的数据，音频数据源在每个数据发送端各一个，为保证数据传输的负载，数据发送端重复性地同时发送该音频数据，在数据中转主机对每组数据均进行相应的转码和转发，而在数据接收端接收所转发的所有报文。

数据发送端的模块如图2所示，对于输入的音频数据，首先由音频数据处理模块进行对其进行数据分析，包括对音频编码格式、数据量的信息捕获；利用该信息，将数据进行准确拷贝，在保证音频数据连续性的前提下，为数据包的多次发送提供数据源。其次，消息模块中指定了数据包的格式，为准确发送到中转主机并通知中转主机转发至相应的接收端，数据包包含了中转主机的IP地址、侦听端口信息以及接收端的IP地址、侦听端口信息。为保证数据的实时性以及报文的连贯性，并反映软实时应用对处理延迟的敏感性，消息模块中制定了非重传机制，即当报文丢失时，不会重传该报文。数据发送模块实现了数据的发送和对发送速率的控制。

数据中转主机的模块如图3所示，对于数据发送端发来的数据，由数据接收模块进行缓存，并交由消息模块对报文进行分析，获取数据接收端的信息(IP地址和端口号)，再由音频数据处理模块进行编码分析和音频转码操作，本发明中支持的编码格式有G711 PCMU，PCMA，GSM，G723，G729，并支持其中任意编码格式之间的转换。对于处理完毕的数据按照数据接收端的信息，由数据转发模块完成转发。数据转发过程中，存在2个缓冲区：数据接收缓冲区和数据转发缓冲区。数据接收缓冲区负责缓存从数据发送端发送的数据，数据发送缓冲区负责存储转码后的数据，并为数据发送提供数据源。在数据的接收和转发中，数据转发模块中的数据收发缓冲管理负责对数据接收缓冲区和数据发送缓冲区进行配置。在数据接收时，根据数据发送端的数据发送速度来配置数据接收缓冲区，从而保证所有到达的数据，均可以被缓存起来，而当缓冲区满时，即尚未转码的数据超过缓冲区的大小时，对于新来的包进行丢弃。在数据转发时，为处理完毕的数据提供了大容量的缓冲区，从而保证所有处理完毕的数据均将进行转发，这种缓冲区管理方式保证了在数据中转主机的丢包情况为数据处理不及时造成的。在数据转发时，消息模块中的非重传机制确保数据转发不会发生重传。

数据接收端的模块如图4所示，其负责接收从数据中转主机发送来的数据报文，并由语音数据处理模块实现数据整合，将数据复原成原始音频数据，并存储在硬盘上。

本发明实现了一种多核虚拟化环境面向软实时应用的验证系统，其中软实时任务的运行特点在数据中转主机的模块中得到体现，对于来自数据发送端的数据时，数据中转主机一方面需要及时的接收和快速发送，另一方面在接收和转发之间需要对音频数据进行转码处理，为此，当转码处理速度过慢，接收的数据包无法得到及时处理和转发，而在上述模块的介绍中，由于非重传机制确保了这种情况下的丢包。通过如图5所示，数据中转模块所处的平台为多核平台上的虚拟机操作系统，其运行的硬件环境为在多核处理器，而其资源的调控由虚拟机监视器负责。因此，数据中转主机的处理行为是多核虚拟化环境下软实时应用的有效体现，通过在数据发送端的原始数据和数据接收端存储的数据在音频质量上的比较，可有效验证虚拟机监视器对软实时应用所需资源的满足程度。

图6展示了基于多核虚拟化环境下，数据发送端、数据中转主机和数据接收端之间的一次交互过程。A代表数据发送端，B代表数据中转主机，C代表数据接收端。具体描述如下：

1.数据处理：包括对音频数据的格式解析、数据拷贝、以及提供数据中转信息为数据发送提供发送信息，即包含数据中转主机和数据接收端的相应信息(IP地址、端口)。

2.数据发送：实现向数据中转端的数据发送。

3.数据重复性处理：实现对数据的重复性发送。直到发送次数达到预定值为止。

4.数据接收：实现数据中转主机对数据发送端数据的接收，并存储到相应接收缓冲区中，对于该缓冲区满的情况，直接丢弃要存储的数据。

5.数据转码：读取接收缓冲区数据，并对数据进行转码。

6.数据缓存：将转码后的数据缓存到数据发送缓冲区中，由于缓冲区较大，因此该缓冲区不会出现缓冲区满的情况。

7.数据发送：将数据发送缓冲区中的数据依次进行发送。

8.数据接收：数据接收端对转发的数据进行接收。

9.数据存储：数据接收端对接收的数据进行整合，并存储到本地磁盘上。

Claims

1.一种多核虚拟化环境面向软实时应用的验证系统，该系统由数据接收端、数据中转主机和数据接收端组成，其特征在于：

数据发送端负责软实时任务的数据发送和发送之前的数据处理工作，包括语音数据编码格式分析，发送消息的管理，以及数据的发送，同时，为保证数据中转主机的负载量，通过数据拷贝实现数据在并行方式下的重复性发送，包括以下模块：

1)音频数据处理模块：对于输入的音频数据对其进行数据分析，包括对音频编码格式、数据量的信息捕获，利用该信息，将数据进行准确拷贝，在保证音频数据连续性的前提下，为数据包的多次发送提供数据源；

2)消息模块：指定数据包的格式，为准确发送到中转主机并通知中转主机转发至相应的接收端，制定了非重传机制，当报文丢失时，不会重传该报文；

3)数据发送模块：负责数据的发送和对发送速率的控制；

数据中转主机负责软实时任务的数据转码和转发，本发明通过缓冲区管理对数据的接收和转发所需要的缓冲区进行配置，将接收到的数据进行转码和转发，使进行语音编码转换后的数据发送到接收端，包括以下模块：

1)数据收发模块：接收并缓存数据发送端发来的数据，缓存转码后的数据并发送至数据接收端；

2)音频数据处理模块：对数据发送端发来的数据进行编码分析和音频转码操作；

3)消息模块：对接收的报文进行分析，获取数据接收端的信息(IP地址和端口号)，制定了非重传机制，当报文丢失时，不会重传该报文；

数据接收端负责软实时任务的数据接收，并将接收到的数据进行数据处理和存储，具体包括：

1)数据接收模块：接收来自数据中转主机发来的数据；

2)语音数据处理模块：对接收的数据进行整合，将数据复原成原始音频数据，并存储在本地硬盘上。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据发送端的消息模块中，生成的数据包包含了中转主机的IP地址、侦听端口信息以及接收端的IP地址、侦听端口信息。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据中转主机的音频数据处理模块中，支持以下任意两种音频格式之间的转换：G711 PCMU，PCMA，GSM，G723，G729。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据中转主机的数据收发模块中，设置了2个缓冲区：数据接收缓冲区和数据转发缓冲区，其中数据接收缓冲区负责缓存从数据发送端发送的数据，数据发送缓冲区负责存储转码后的数据，并为数据发送提供数据源。

5.如权利要求1或3所述的系统，其特征在于，数据中转主机的数据发送模块具有数据收发缓冲管理功能，负责对数据接收缓冲区和数据发送缓冲区进行如下配置：

1)在数据接收时，根据数据发送端的数据发送速度来配置数据接收缓冲区，从而保证所有到达的数据，均可以被缓存起来，而当缓冲区满时，即尚未转码的数据超过缓冲区的大小时，对于新来的包进行丢弃；

2)在数据转发时，为处理完毕的数据提供了大容量的缓冲区，从而保证所有处理完毕的数据均将进行转发。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据发送端和数据接收端所处物理平台均为普通计算机，数据中转主机所处物理平台为多核计算机或者多核服务器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据发送端和数据接收端的操作系统为Linux，数据中转主机所处的客户机操作系统是Linux。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，数据中转主机所处的操作系统的下层虚拟机监视器是Xen。