山東大學：IPv6搭建網絡大講堂

文/劉沂訓 刑躍林

中國教育資源的配置長期存在著地區差異化問題，由于東西部經濟發展的不平衡，東西部教育資源的不匹配問題更為嚴重，這種情況對基礎教育來說更加突出。而就高等教育而言，目前許多高等院校校區分散，教育資源也同樣存在失衡問題。例如，山東大學在濟南有6個校區，青島和威海各有1個校區，使得教師為了上課不得不在各校區之間輾轉，既耽誤了寶貴的時間和精力，又浪費了有限的公共資源。

網絡課堂是緩解教育資源地域差異化問題的有效手段之一。網絡課堂基于互聯網絡的遠程在線互動培訓課堂，系統一般采用音視頻傳輸以及數據協同等網絡傳輸技術，模擬真實課堂環境，通過網絡給學生提供有效的培訓環境。

因此，山東大學網絡與信息中心針對網絡課堂的需求，設計并實現了基于IPv6的大規模網絡大講堂系統平臺，具有以下特點：1. 系統采用音視頻和數據全交互設計，通過架設分布式網絡課堂服務器群，允許分布在各校區的教師和學生通過網絡參加實時課程，并參與討論；2. 系統面向大規模式應用進行設計，單臺服務器可以支持500以上學習終端同時接入；3. 系統支持分布式部署架構，根據網絡拓撲和學生地域分布情況在各校區架設二級服務器系統，可以使網絡課堂能夠進行大規模的擴展。

系統架構設計

網絡大講堂基于C/S架構，采用分布式服務器集群的結構設計，由一組位于中心網絡節點的主服務器系統和若干位于區域網絡節點的分布式服務器構成。通過在不同區域部署分布式服務器，利用區域內的快速交換網絡，分擔主服務器系統的訪問和多媒體交換壓力，使網絡課堂系統實現了就近登錄、負載均衡和災難恢復的能力。

這種分布式部署的互動課堂服務器集群，在系統中以資源的形態存在，主要提供共享的客戶連接資源、網絡教室（D_Room or C_Room）資源、共享的數據資源和預設的網絡帶寬資源等。

系統中的資源管理服務器負責上述資源的管理和調度，可以將實時課堂服務器加入云資源來統一管理，并共享給網絡以統一資源調度。資源管理服務器負責加入云的服務器資源的監控，運轉正常的服務器在資源列表中被標記為可用，失效的服務器將從資源列表中被標記為不可用，重新恢復運轉的服務器可以被重新標記為可用。

管理員可以自由使用云中可用的服務器資源創建網絡教室（D_Room or C_Room）。網絡教室的創建邏輯上可以使用任意多個服務器資源。一個邏輯上的網絡教室（D_Room）則可以跨服務器。不同服務器之間相同ID的網絡教室之間通過音視頻和數據信息轉發實現同步。通過設置級聯關系，允許在多個服務器上創建跨域的級聯教室（C_Room）。D_Room和C_Room具有主從關系，主服務器維護邏輯網絡教室（D_Room）的狀態，通過分布服務器上的C_Room，轉發主服務器上的各種流（Stream），包括音視頻流、數據流、目錄信息和控制信令。

如圖1所示，主服務器負責分布式級聯網絡教室(D_Room &C_Room)的總體狀態維護，并向分布式服務器發送指令，通過當地的C_Room來執行各種實時課堂操作，執行實時課堂中的各種控制邏輯，請求和分發音視頻或者數據共享數據流。

圖1 網絡大講堂系統架構

網絡大講堂系統提供的核心服務如圖2所示。其中媒體交換服務是一個音視頻交換的實時引擎，負責客戶端之間音視頻數據的實時分發和同步。Web文檔共享服務負責文檔資料的格式轉換、發布、分發和同步工作。即時通訊服務允許學生和老師之間通過文字進行交流。流媒體服務提供實時課程直播和錄像資料的點播能力。

系統實現方法

音視頻編碼和傳輸

音頻編碼使用Global IP Solutions （GIPS）公司的超級語音引擎，支持聲學回音消除（AEC）、自動增益控制（AGC）、噪音抑制（NS）、靜音檢測（VAD）和網絡抖動處理（JitterBuffer）等功能。視頻使用H.264編碼，可以支持高清視頻（720p）。

使用實時傳輸協議（RTP）和實時傳輸控制協議（RTCP）進行多媒體數據的傳輸，最大限度地降低因網絡不穩定而產生的延時。由于語音是關鍵數據，系統采用高優先級處理和高優先級傳輸處理來保障語音數據的優先，語音數據丟包處理機制采用前向糾錯算法在并不增加很多傳輸延時的前提下可以恢復多達20%的語音數據丟包，在惡劣網絡環境下的使用提供了更可靠的語音質量保證。文檔協作平臺

文檔協作平臺使用標準化的Http協議來完成數據協作工作，具有體系結構簡潔、響應速度快、客戶端同步性好及穩定性高的優點。使用XML語言描述協同文檔，支持矢量化文檔顯示和標注，不會因為顯示分辨率的不同而導致文檔內容及標注的不同。共享文檔支持Office文件本身的高級特性。例如，可以察看Excel文檔的多個sheets，可以利用Excel生成柱狀圖或餅圖等數據效果；可以在共享PowerPoint時啟動幻燈播放，如同在真實教室環境中展示教師的幻燈片，包括幻燈片的動態效果、插入的聲音片段以及視頻資料等。動態資源調度

動態資源調度系統提供統一的資源管理，包括分布式網絡大講堂平臺的管理、系統資源監控、網絡教室管理以及其他管理功能。

1. 實時系統資源監控

資源檢測服務提供定時的服務器狀態數據，主要包括CPU 占用率、內存利用率、網絡利用率、虛擬教室服務狀態、虛擬教室通信端口狀態、虛擬教室連接數、虛擬教室數據端口狀態等。資源調度系統根據上述服務器狀態信息對服務器資源進行評估，評估結果可能為: 可用，受限，不可用。評估方法根據預定義的評估標準（算法），而且可以根據需要動態更新和修正。

2. 網絡教室預約協議

網絡教室預約協議（算法）是網絡教室虛擬化的關鍵算法，該算法基于基礎架構資源信息（可用服務器資源分布、受限情況、網絡資源狀態等），并根據待預約教室的信息（規模、時間、用戶分布等）確定該網絡教室所占用的服務器資源和模式。

3. 動態資源路由協議

動態資源路由協議（算法）首先是為了解決用戶就近登錄問題，其次是解決臨近服務器不可用時的選擇合適的登錄服務器，最后是為了解決系統的負載均衡問題。動態資源路由協議（算法）基于基礎架構資源信息（可用服務器資源分布、受限情況、網絡資源狀態等），并根據用戶當前的位置信息（如IP地址或者網關信息），確定該用戶的首要服務器和備用服務器，并在用戶登錄服務器時通知該用戶。路由信息將隨著基礎設施資源的改變而改變。動態資源路由算法可以保證用戶最近登錄獲得最經濟的服務器，維護系統的低能耗和穩定性。負載均衡

圖2 網絡大講堂核心服務

圖3 網絡教室資源管理界面

負載均衡算法是動態資源路由算法的一部分。該算法對服務器登錄資源，主干網絡段帶寬資源設定預警門限，在達到預警門限時，對與此有關的服務器資源和帶寬資源設置較低的選擇權重，以修正動態路由算法的服務器優選原則，實現負載均衡的目的。負載均衡算法可以幫助系統平衡服務器和網絡負載，提高系統的可靠性和穩定性。災難恢復

圖4 系統客戶端界面

動態資源監測服務將使用獲取實時的服務器和網絡狀態信息，并主動匹配預約而尚未開始的網絡教室。如果發現網絡教室所利用的資源不可用，將啟動智能化資源匹配算法重新安排該網絡教室所用的服務器資源。在進行中的網絡培訓中所使用的服務器資源或網絡資源出現故障變為不可用，將會使該服務器服務的客戶服務中斷。系統會實時更新動態資源路由表，客戶端會自動利用已下載的動態資源路由表登錄備用服務器。同時，客戶端會重新訪問培訓列表，更新動態資源路由表。災難恢復機制可以實現虛擬教室系統的自愈，使所用資源中的其他服務器接管不可用服務器所服務的客戶。雖有短時間的服務中斷，但對客戶和培訓的整體影響不大。

系統部署和運行情況

根據系統的設計方案，分布式網絡大講堂系統中服務器角色有兩種：主服務器和從服務器。因此，在學校網絡中心部署了主服務器系統，并在各個校區分布式地部署從服務器系統。系統部署完成后，首先進行初始化，完成分布式集群中服務器的角色設置，主服務器角色設置為網絡中心的主服務系統，從服務器角色的虛擬教室服務器設置為各校區的從服務器系統。

網絡大講堂系統核心面向多處理器架構設計，允許單服務器在不影響視頻質量的前提下，單服務器可以支持高達500用戶并發和超過1500路視頻流的交換，接近系統和網絡能夠支持的極限能力。系統支持當前大多數硬件平臺，核心線程優先保護、數據流容錯的設計思路使系統可以支持7x24小時免維護穩定運轉。

服務器端的網絡教室管理界面如圖3所示。教師用戶（擁有山東大學郵箱的教師可以自行注冊教師用戶）登錄系統進入教室管理中心，可創建一個立即開始的即時課堂，也可以預約兩天內的教室，或者查看自己預約教室的詳細信息，并可以查看所有課堂的詳細信息。選課學生則可點擊教室管理中心查找課堂并參加或者直接點擊課堂中心相對應的教室門牌號即可進入課堂。

系統客戶端界面如圖4所示。左側是用戶列表區，教師可以控制系統中顯示的視頻內容，并可以控制學生的發言權限。根據教師和學生不同的需要，客戶端界面也包含預上傳的共享文檔，共享文檔支持大部分文件格式，包括Office文檔、文本、圖片和視頻資料等，也可以共享應用程序界面或電腦桌面。學生可以通過文字區發起提問，或者舉手申請語音發言，與老師直接交流。

基于IPv6的網絡大講堂平臺的設計與實現，幫助山東大學實現了跨校區的網絡教室，使各類課程不再受地域的限制，具有良好的應用效果。同時，網絡大講堂平臺也適合舉辦超大規模的各種會議和培訓活動，不僅可以應用在大學教育，對普通教育、企業e-Learning、 社會教育及其他互聯網培訓應用都具有很大的價值。