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搭建视频通信服务器架构的一点总结

作者:Tucodec  公众号:tucodec

前言


随着移动互联网的发展,视频通信使用场景越来越多,如视频聊天、视频会议、在线直播等。但是随之而来对前端设计的要求、对后端服务器的要求也不断增加。所以如何搭建一个完善的服务器以适合视频通信,是每个视频通信研发人员都关注的问题。

一个完善的音视频服务器需要解决高并发、低延迟、NAT穿透和扩展性负载均衡等问题,我们关注这个方向已有一年多,下面是总结的部分经验:

关于高并发


在这里主要介绍了如何设计互联网分布架构以提高系统并发能力。

有两种常用的方法:垂直扩展(Scale Up)与水平扩展(Scale Out)。

一、采用垂直扩展来提升单机处理能力。



写代码时,我们能做的优化可分为三类:架构优化、算法优化和语言优化。

  • 架构优化:如用异步IO来增加单服务器吞吐量,多线程的时候通过减少锁的使用来提高服务器性能等。

  • 算法优化:其在服务器中比较少见,因为服务器逻辑代码里通常没有繁琐的算法,但是如果有能优化的空间,还是要进行优化。

  • 语言优化:比较常见的优化方式,比如const加引用传参,比如复杂对象遍历时前置加加与后置加加等,具体看参阅《effective c++》和《more effective c++》。当然,如果有数据库,那么SQL语句的优化也算。
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现在代码已经写好了,也跑起来了,发现性能还是不满意,怎么办呢?

看瓶颈! 就好比医生治病,要先找病因。Linux下的gperftools、Windows下的vs、Mac下的xcode都能进行集成性能分析。

这些性能分析工具能帮助你大致定位到哪一行代码占用了CPU时间。找到病因后,就是对症下药。

当然了,对于这种主要由于占用CPU、内存不够和网卡而导致的服务器性能不高,提升硬件还是非常有效的。

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但是单机性能总是有极限的,会受到时代技术的限制。所以互联网分布式架构设计高并发的解决方案还是要依靠水平扩展


二、采用水平扩展来增加服务器数量,以扩充系统性能



这点与互联网的分层架构有关,在互联网的分层机构中,各层次水平扩展的实践是不同的,比如:反向代理层通过“DNS轮询”的方式;站点层通过nginx来进行,而服务器则主要依靠服务连接池。在各层实施水平扩展后,通过增加服务器数量的方式,可以做到理论上系统性能的无限提升。

简单说就是,活太多时一个人干不完,多个人一起干。然后牵扯到多个人,必然会涉及到调度分配管理的问题。

相关的名词有:CDN,负载均衡,Hadoop,云计算等。

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解决完高并发的问题,现在来说一下低延时。

关于低延时



低延时是所有视频通信都会关注的一个点,更低的延时必将提升用户使用体验。可是如何做到低延时呢?

目前市场上做的比较好的一家公司产品是采用了如下的方法:服务器采用udp协议传输音视频数据、tcp协议传输控制信令,以此来保证控制信令可靠且音视频数据传输延时低。

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众所周知,UDP协议与TCP协议相比:采用UDP协议传输数据可能导致数据丢失,但客户端接收信息延时低;而TCP协议有丢包重传策略,但速度不快。我们的产品在使用时,将这二者结合,以确保UDP在接收到的包不完全时也能正常解包

在解决了高并发和低延时的问题后,我们要来考虑一下流量成本的问题。降低流量成本是每个视频通信使用者的需求,也是每个研究视频通信的程序员们要解决的问题。在这里我简单介绍下NAT穿透。


关于NAT穿透


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视频聊天的一大技术难点就是服务器的网络带宽占比过高。使用NAT穿透方案,客户端在通信时可以采用P2P的方式。P2P方案能够使A客户端的视频数据不经过服务器到达B客户端,在降低服务器带宽消耗时保证传输低延时。

那么如何实现NAT穿透呢?我们首先需要知道NAT的特性:NAT会拒绝陌生来源的数据包。简单来说,如果NAT后不存在向某个NAT之外的主机发送过数据的主机,那么外部主机就不能主动发送数据包到NAT之后的主机

一种可行的方案,是利用一个信令服务器,先获取客户端暴露在NAT上的IP:PORT信息,再协调两个客户端,朝其NAT上暴露的IP。PORT发送信息。由于处于NAT(这里设为NATA)后的机器向另一个NAT(这里设为NATB)后的设备发送信息了,NATA就会允许NATB后的主机的数据。反之亦然。

但是还有个要点需要注意:先发送数据的客户端的第一个数据包会被NAT丢弃,因为对方NAT并不知道该如何分配这个未知来源的数据包。NAT穿透完整的解决方案可以参考RFC5389协议,根据协议实现。

关于扩展性强,负载均衡


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在处理完上述问题后,可以考虑怎样让整个服务器负载均衡。

在这里图鸭君主要介绍主从节点集群设计:客户端从负载均衡服务器获取转发服务器地址,负载均衡服务器根据客户端的身份以及从节点服务器的带宽流量、CPU情况等,智能分配给客户端合适的服务器地址,在保证资源有效利用的同时又避免服务器过载。

这样的设计在提高了可扩展性的同时能够在从节点无缝加入主节点。


总结



事实上,前文所述的都是搭建高性能服务器的基础,好的架构是基础,好的优化才能盖高楼。对于如何更好地优化服务器?一种合理的做法是:对服务器的运行状况进行分析,对执行频繁、资源消耗过高的部分进行特别的优化

也就是说对于具体的服务器具体分析,只有如此才能让服务器做到最优。

即时通讯网 - 即时通讯开发者社区! 来源: - 即时通讯开发者社区!

推荐方案
评论 2
文章写的比较“软”,应该让你们的技术同事分享干货。。。
签名: 《让互联网更快:新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》http://www.52im.net/thread-1407-1-1.html
引用:JackJiang 发表于 2018-01-15 12:49
文章写的比较“软”,应该让你们的技术同事分享干货。。。

后续还会发文继续对文中的点做具体的技术介绍的,同时也会陆续发更多干货文章,可以继续关注
签名: Make video smaller and smarter.   官网:www.tucodec.com
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