基于ＩＰ的軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)在教育城域網(wǎng)上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要為了適應(yīng)中小學(xué)教育信息化發(fā)展的需求，提出了在開放式教育城域網(wǎng)平臺(tái)上，架構(gòu)基于IP的軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別論述了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、協(xié)議選擇、會(huì)議安全、音視頻質(zhì)量保障等實(shí)現(xiàn)方法，并成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多點(diǎn)雙向式的純軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 視頻會(huì)議軟件；TCP/IP協(xié)議；教育城域網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP393.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-489X（2007）10－0070-03

Design and Realization of Software Video Meeting System in Education City Area Network based on IP//Ye Baofu

Abstract In order to adapt the requirements of education informationizationdevelopment in primary and middle school， the paper brings forward to build design object，discusses separately the realizing method of network platform， protocol selection， meeting safety， audio video quality guarantee and successfully achieved the single software video meeting system of more points two-way.

Key words video meeting software; TCP/IP protocol; education area network

Author's address Audio-visual Teaching Station of Bureau in Huangyan District， Taizhou， Zhejiang 318020

1 引言

教育城域網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，以各種信息設(shè)施為支持，以教育軟件和資源為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化管理為目的，為區(qū)域教育提供全方位應(yīng)用服務(wù)的信息化環(huán)境。它借助本地區(qū)運(yùn)營(yíng)商寬帶骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)教育局內(nèi)部網(wǎng)與各地方學(xué)校校園網(wǎng)的廣泛連接。在基于開放式教育城域網(wǎng)上開展視頻會(huì)議應(yīng)用，是新階段對(duì)教育城域網(wǎng)建設(shè)提出的新要求。

IP視頻會(huì)議系統(tǒng)基于TCP/IP數(shù)據(jù)通信技術(shù)，利用IP 網(wǎng)絡(luò)在兩點(diǎn)或多個(gè)地點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)視音頻的實(shí)時(shí)交流。與會(huì)者借助顯示終端、攝像頭、麥克風(fēng)等設(shè)備實(shí)時(shí)地看到對(duì)方發(fā)言人、會(huì)場(chǎng)場(chǎng)景和展示實(shí)物，也能實(shí)時(shí)地聽到對(duì)方的聲音。若輔以電子白板、文件共享等功能，則可對(duì)文檔、圖片、報(bào)表等資料與對(duì)方參會(huì)人員進(jìn)行研討。

基于教育城域網(wǎng)的IP視頻會(huì)議建設(shè)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)會(huì)議的局限性，主要體現(xiàn)在：（1）不受傳統(tǒng)會(huì)議單一會(huì)場(chǎng)方式的約束，允許更多的人同時(shí)參會(huì)，提高了傳達(dá)效率；（2）有效地節(jié)約會(huì)議時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；（3）在防汛、防臺(tái)、救災(zāi)等緊急情況下，不受距離限制，及時(shí)了解情況并制定應(yīng)急對(duì)策；（4）為遠(yuǎn)程教學(xué)評(píng)估和和技術(shù)培訓(xùn)等活動(dòng)提供平臺(tái)。筆者以黃巖區(qū)教育局基于IP的軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)的建設(shè)狀況，闡述了這一系統(tǒng)在教育城域網(wǎng)上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

根據(jù)教育城域網(wǎng)的建設(shè)現(xiàn)狀，第一期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求在區(qū)教育局會(huì)議室設(shè)立主會(huì)場(chǎng)，19個(gè)地方學(xué)校各設(shè)一個(gè)會(huì)場(chǎng)，使得教育局與各地方學(xué)校之間能夠召開異地遠(yuǎn)程會(huì)議，如全體教職工會(huì)議、教學(xué)評(píng)估會(huì)、網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)班等；第二期設(shè)計(jì)要求視頻會(huì)議覆蓋所有50個(gè)地方學(xué)校。同時(shí)配置移動(dòng)會(huì)議點(diǎn)，方便領(lǐng)導(dǎo)在出差時(shí)參與緊急會(huì)議。

在系統(tǒng)控制方面，要求在教育局主會(huì)場(chǎng)設(shè)立控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)會(huì)議系統(tǒng)的監(jiān)控和管理；要求支持單點(diǎn)直播和多點(diǎn)交互等會(huì)議組織模式，通過主席控制、自動(dòng)輪詢模式實(shí)現(xiàn)會(huì)議場(chǎng)景的切換。

在功能方面，除了視頻、音頻的雙向?qū)崟r(shí)交互，還要求與會(huì)者能共享應(yīng)用程序，提供文檔、報(bào)表、幻燈片等多媒體演示，并利用電子白板進(jìn)行更加有效交流。

在安全性方面，要求提供用戶權(quán)限管理和數(shù)據(jù)加密傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)議過程的安全控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃巖區(qū)教育局在教育城域網(wǎng)平臺(tái)上，采用國(guó)際先進(jìn)的IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過視頻會(huì)議軟件和輔助硬件系統(tǒng)，構(gòu)建了具有自身特點(diǎn)的視頻會(huì)議系統(tǒng)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是視頻會(huì)議運(yùn)行的載體，它的設(shè)計(jì)必須充分考慮基于IP的軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)和要求。

黃巖區(qū)教育城域網(wǎng)依托區(qū)電信城域網(wǎng)，以TCP/IP技術(shù)為核心，構(gòu)建具有三層交換能力的千兆交換式以太網(wǎng)。同時(shí)采用VLAN與TRUNK技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“千兆主干匯聚，百兆地方接入”的帶寬分布?？紤]到廣播風(fēng)暴等不確定因素對(duì)軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)的影響，在19個(gè)視頻會(huì)議點(diǎn)各部署一臺(tái)具有三層交換和QOS功能的交換機(jī)，以保障視頻會(huì)議穩(wěn)定運(yùn)行。

視頻會(huì)議數(shù)據(jù)流的網(wǎng)絡(luò)傳輸流程：（1）A會(huì)場(chǎng)數(shù)據(jù)流由A視頻工作站提交給所在會(huì)場(chǎng)的三層交換機(jī)，該三層交換機(jī)利用電信城域網(wǎng)將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到中心交換機(jī)；（2）中心交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流到視頻會(huì)議服務(wù)器，由視頻服務(wù)器處理后，再返回到中心交換機(jī)；（3）中心交換機(jī)利用電信城域網(wǎng)將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到B會(huì)場(chǎng)的三層交換機(jī)，再由該交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到B視頻會(huì)議工作站；（4）反之亦然。

3.2 通信協(xié)議選擇

選擇先進(jìn)的IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)作為視頻會(huì)議通信協(xié)議。IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)具有基于XML的協(xié)議格式、分布式的網(wǎng)絡(luò)體系、開放的協(xié)議、高度模塊化和可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使它成為各種不同的通信系統(tǒng)的互連橋梁。同時(shí)XMPP遵守XML規(guī)范，讓不同應(yīng)用程序之間的信息傳遞成為可能。

IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)的開放性，使得它很好地兼容H.323協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)基于H.323標(biāo)準(zhǔn)的視頻會(huì)議系統(tǒng)的互聯(lián)互通，具有良好的可擴(kuò)展性。

3.3 視頻設(shè)備選型

軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)由視頻會(huì)議軟件、視頻會(huì)議服務(wù)器、視頻工作站、外圍輔助設(shè)備等幾部分組成。

（1）視頻會(huì)議軟件。整個(gè)系統(tǒng)采用基于IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的視頻會(huì)議軟件產(chǎn)品，能很好滿足黃巖區(qū)教育局的實(shí)際要求，并能充分代表視頻會(huì)議技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。

通過對(duì)相關(guān)設(shè)備廠商的產(chǎn)品測(cè)試和比較，采用在國(guó)內(nèi)已有大量成功案例的V2視頻會(huì)議系統(tǒng)，第一期配置20個(gè)并發(fā)會(huì)場(chǎng)點(diǎn)、10個(gè)并發(fā)會(huì)議室。

（2）視頻會(huì)議服務(wù)器。視頻會(huì)議服務(wù)端要求支持多服務(wù)器級(jí)聯(lián)，并能根據(jù)視頻會(huì)議實(shí)際需求，將系統(tǒng)部署在多臺(tái)服務(wù)器上，對(duì)CPU及網(wǎng)絡(luò)處理的瓶頸進(jìn)行分散，從而以網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)架構(gòu)提供高效的視頻會(huì)議服務(wù)。V2視頻會(huì)議系統(tǒng)可根據(jù)規(guī)模和性能需求來進(jìn)行靈活部署，包括在系統(tǒng)中添加、刪除、激活方式去擴(kuò)展服務(wù)器、VOIP服務(wù)器和H.323服務(wù)器等。

采用PC 服務(wù)器擔(dān)任視頻會(huì)議服務(wù)端運(yùn)行。第一期配置1臺(tái)視頻會(huì)議服務(wù)器，參考配置：曙光天闊2*Xeon 3.0 GHz CPU、2 G內(nèi)存。

（3）視頻會(huì)議工作站。視頻會(huì)議工作站的配置與視頻圖像的分辨率要求密切相關(guān)，分辨率要求越高，對(duì)CPU和內(nèi)存的要求也就越高。盡量選用當(dāng)前市場(chǎng)主流的PC配置，并配置獨(dú)立顯卡，以保證視頻會(huì)議的音視頻質(zhì)量。

（4）外圍輔助設(shè)備。外圍輔助設(shè)備包括視頻采集卡、麥克風(fēng)、攝像機(jī)、投影機(jī)、音響、電視機(jī)等。盡管它與視頻會(huì)議的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)不大，但它的選型好壞直接影響音視頻的采集質(zhì)量和輸出效果，如攝像機(jī)分辨率、投影機(jī)流明、音視頻的連接線質(zhì)量等。因此需要根據(jù)會(huì)議室的具體環(huán)境和會(huì)議規(guī)模，合理選擇外圍輔助設(shè)備。軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)往往由于外圍輔助設(shè)備配套的不合理，造成整體效果欠佳。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)在邏輯拓?fù)渖铣尸F(xiàn)星狀結(jié)構(gòu)。它以視頻服務(wù)器為中心，主會(huì)場(chǎng)與各地方學(xué)校會(huì)場(chǎng)平等分布。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)實(shí)際會(huì)議要求，視頻會(huì)議系統(tǒng)可設(shè)置為多點(diǎn)雙向方式，由視頻會(huì)議服務(wù)器同時(shí)建立多個(gè)視頻會(huì)議室，并發(fā)進(jìn)行各種會(huì)議。

由于視頻會(huì)議系統(tǒng)跨越電信城域網(wǎng)，同時(shí)軟件視頻會(huì)議的圖像分辨率設(shè)置對(duì)帶寬非常敏感，如帶寬不足，則會(huì)導(dǎo)致卡圖面現(xiàn)象，因此電信運(yùn)營(yíng)商的正常帶寬保障是軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)在開放式城域網(wǎng)運(yùn)行的前提。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)

黃巖區(qū)教育局視頻會(huì)議系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了以下特點(diǎn)：

5.1 先進(jìn)性

采用G.723.1、CELP 等音頻壓縮算法，作為當(dāng)前最佳語(yǔ)音技術(shù)，它在窄帶環(huán)境下依然保持音頻的清晰連貫，在寬帶環(huán)境下具有高質(zhì)量的音頻效果；采用的基于IETF XMPP標(biāo)準(zhǔn)的開放式、結(jié)構(gòu)化先進(jìn)通信協(xié)議；采用MPEG4視頻壓縮算法，具有良好的視頻壓縮率和帶寬自適應(yīng)性；采用 “嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度（SP）”結(jié)合“IP優(yōu)先級(jí)”的QOS服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量出現(xiàn)擁塞時(shí)，優(yōu)先保證視頻會(huì)議數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

5.2 經(jīng)濟(jì)性

充分發(fā)揮了現(xiàn)有教育城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)了資源的有效共享；采用軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)，總體投資不到硬件視頻會(huì)議系統(tǒng)的1/10，但實(shí)現(xiàn)了接近硬件視頻會(huì)議系統(tǒng)的會(huì)議效果；視頻會(huì)議系統(tǒng)的開通有效地節(jié)約了會(huì)議經(jīng)費(fèi)，提高了工作效率。

5.3 廣泛性

已完成的一期工程的網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)覆蓋了19個(gè)地方學(xué)校。對(duì)于一期工程中沒有部署視頻會(huì)議的學(xué)校，采用視頻點(diǎn)播方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)的旁聽。旁聽方式與實(shí)時(shí)會(huì)議視頻圖像相比，約有15秒的延時(shí)。

針對(duì)視頻點(diǎn)播的并發(fā)流量大、帶寬占用率高的特點(diǎn)，教育城域網(wǎng)啟用SM組播模式，有效地減少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，保障會(huì)議旁聽的效果。

規(guī)劃的二期工程對(duì)視頻會(huì)議系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，并增加移動(dòng)會(huì)議點(diǎn)，以便在出差的情況下，臨時(shí)加入會(huì)議。

5.4 可擴(kuò)展性

視頻工作站與視頻服務(wù)器在邏輯上采用星狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)視頻服務(wù)器支持多層級(jí)聯(lián)，這種分布式設(shè)計(jì)提供了良好的擴(kuò)展性。每個(gè)會(huì)場(chǎng)通過最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)路徑接入，很好地滿足了多方視頻通訊的需求。

5.5 易管理性

視頻會(huì)議系統(tǒng)的管理難易程度關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和維護(hù)成本。V2視頻會(huì)議系統(tǒng)的管理完全基于Web的應(yīng)用，通過Web方式完成軟件安裝、用戶管理、會(huì)議管理等全部功能。因此只要網(wǎng)絡(luò)可以訪問，系統(tǒng)管理員可以不受時(shí)間、地點(diǎn)約束，對(duì)視頻會(huì)議系統(tǒng)進(jìn)行操作管理。

5.6 安全性

視頻會(huì)議交流的內(nèi)容會(huì)不可避免地涉及保密信息，因此視頻會(huì)議的安全性非常重要。當(dāng)前架構(gòu)的視頻會(huì)議系統(tǒng)在以下方面做了安全保障：（1）視頻會(huì)議工作站單獨(dú)劃分一個(gè)視頻子網(wǎng)，與用戶數(shù)據(jù)子網(wǎng)保持獨(dú)立性；（2）視頻工作站與視頻服務(wù)器之間的信息傳輸采用高效的SSL加密機(jī)制，確保信息傳輸?shù)陌踩煽?；?）實(shí)施會(huì)議登陸認(rèn)證和用戶信息檢驗(yàn)，確保會(huì)議成員的合法性。

6 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，黃巖區(qū)教育局基于IP的軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)（一期）經(jīng)過測(cè)試，已正式投入使用。教育局與相關(guān)科室已利用視頻會(huì)議系統(tǒng)，成功舉辦了全體教職工會(huì)議和網(wǎng)管人員技術(shù)培訓(xùn)，系統(tǒng)的各項(xiàng)特點(diǎn)和指標(biāo)在使用過程中都得到充分檢驗(yàn)。