云視頻MCU架構在地震行業視頻體系中的應用

丁艷青 姜立新 楊 樂 李繼賡 姜 鑫

（中國北京 100045 中國地震臺網中心）

0 引言

隨著互聯網技術的發展，視頻通信因具有使用簡單、溝通方便、內容全面等優勢而快速發展起來。目前，政府和企事業單位基本都建有傳統視頻會議系統。傳統視頻會議系統以硬件MCU（multipoint control unit，多點控制單元）為核心，在單一的網絡環境中進行通信連接，存在維護、升級困難等問題（邊學工等，2004）。隨著虛擬化技術和分布式技術的發展，以及多種網絡接入方式和智能終端的廣泛應用，云視頻會議技術逐漸發展起來（袁杰，2021）。

“十五”數字化地震觀測網絡項目建設以來，地震行業建立起基于IP 的H.323 標準的視頻會議系統，該系統已運行于行業網，并覆蓋各省級地震應急指揮中心和地震預報中心，形成了國家級、省級地震應急會商視頻系統體系（劉在濤等，2010）。為進一步提升業務、管理工作時效，降低硬件設備升級運維成本，提高系統可靠性，適應地震業務發展需求，擴大視頻使用范圍（李敏等，2017），自2018 年開始在中國地震臺網中心試運行建設地震行業信息化項目——云視頻系統，經過2019、2020 年的建設，逐漸形成了軟架構MCU視頻體系。

使用云視頻MCU 架構的部署，對地震行業現有視頻體系進行了優化提升，這主要體現在以下3 個方面：①實現了多網融合。在地震行業網基礎網絡下，傳統視頻系統只能通過行業網進行連接，而云視頻系統不僅可以通過行業網，還可通過互聯網（有線、4G、5G）、衛星專網等任何網絡形式實現視頻會議的靈活接入，為業務的開展提供便利（孫偉鈞，2020）。②部署方式靈活。云視頻系統基于集群化的云計算平臺架構，通過增加虛擬機的方式靈活擴容，解決了傳統硬件終端升級擴展困難、維護成本較高、使用不靈活等問題（李粹容等，2015）。同時，集群化部署架構，形成中國地震臺網中心和中國地震局第二監測中心異地多活備份機制，提高了云視頻系統整體的可靠性。③云視頻系統采用SVC 柔性分層編碼（包括H.264 SVC 和H.265 SVC），可隨網絡帶寬變化而動態調整，在復雜網絡條件下可表現出更好的網絡適應性，提供更好的視頻會議交互體驗（錢洋等，2020）。

1 云MCU 架構技術研究

云視頻MCU 架構常見的有全編全解云MCU 架構、COP 模式云MCU 架構、SVC 柔性編碼云MCU 架構等。

1.1 全編全解云MCU 架構

全編全解云MCU 架構模式，是隨著云計算的發展，傳統視頻硬件廠商在原有硬件MCU 的基礎上，為適用云平臺分布式部署模式，通過軟硬件分離，將MCU 部署在通用服務器上。該方式采用高級視頻編碼AVC（advanced video coding）的單層編碼方式（肖沐林，2010），MCU 承擔所有組會視頻的碼流收發和編解碼工作，對MCU 計算能力要求較高，需要高性能的計算環境提供支撐。

1.2 COP 模式云MCU 架構

端口會議COP（conference on port）云MCU 架構，是全編全解云MCU 架構的簡化版。傳統硬件視頻MCU 只能處理單層編碼，COP 模式MCU 可以將多個終端的圖像進行處理、整合，然后形成1 個多畫面圖像，再將圖像分發給不同的終端（湯國軍等，2007）。1 個多畫面圖像可以較大程度上節省計算資源，但是對會議功能和會議質量有一定的影響，難以滿足多種視頻業務場景。

1.3 SVC 柔性編碼云MCU 架構

柔性編碼SVC（scalable video coding）云MCU 架構，不需要對終端碼流進行重復的編解碼，根據每個視頻會議終端輸出的需求和帶寬條件，轉發設備所能接受的速率和承載的視頻分辨率。這種架構模式使MCU 計算能力大幅提升，降低了硬件成本，具有較很強的網絡適應能力（吳俊峰，2008）。MCU 之間采用負載均衡多活備份的機制，1 臺MCU 出現死機或資源不足時，參會終端會自動跳轉至資源最優的MCU 上，保障業務的連續性。

1.4 云MCU 架構對比

通過對3 種云視頻技術架構進行研究，分別從網絡適應性和會議能力2 個方面對這3 種架構進行對比，對比結果見表1。根據對比結果，選擇SVC 柔性編碼云MCU 架構作為地震行業視頻體系搭建的基礎。

表1 云視頻架構性能對比Table 1 Cloud video architecture performance comparison

續表1

2 地震行業云MCU 視頻體系架構

系統整體設計通過虛擬化部署信令服務器、管理服務器、MCU 服務器、VOD 錄播服務器，并在后臺統一對服務器進行運維管理。云資源池內MCU 服務器之間網狀互聯，負載均衡，多活備份，可實現業務的智能調度和自動遷移（陳東豐，2021）。

2.1 云視頻體系整體架構設計

地震行業云視頻體系采用SVC 柔性編碼云MCU 架構（圖1）。該設計利用虛擬化技術，構建地震行業基于云平臺SaaS 層的視頻服務，可支持多種終端、網絡類型的接入，服務器通過分布式部署，為地震行業用戶提供云視頻服務。

圖1 云視頻體系架構圖Fig.1 Cloud video architecture diagram

2.2 云視頻系統負載均衡機制

云視頻SVC 柔性編碼MCU 架構，在MCU 之間采用負載均衡多活備份的機制（圖2）。1 臺MCU 出現死機，此服務器上的參會終端會自動跳轉資源最優的MCU 上，以保障視頻會議有效進行。MCU 服務器集中管理，統一進行資源調度，可保障系統的穩定性和可靠性。

圖2 云視頻系統負載均衡機制Fig.2 Cloud video system load balance mechanism

在MCU 服務器負載均衡調度算法方面，采用加權最小連接算法WLC（weighted least connection）（梁彪等，2010）。在此算法的基礎上，設置MCU 服務器CPU 占有率閾值策略。當達到服務器閾值時，再呼叫新的終端，會自動調用其他服務器，避免因CPU 占用率過高而導致會議中斷，提高了會議運行的可靠性。在異構MCU 環境下，每臺MCU 的處理能力與虛擬機的資源配置有關。MCU 自身負載權值yi的計算公式為

其中，CPU 使用率為a；內存使用率為b；支持呼叫總數為n；當前呼叫總數為m。

2.3 云視頻系統部署模式

云視頻系統采用分布式模式部署，在中國地震臺網中心和中國地震局第二監測中心云平臺上分別部署1 臺信令服務器，1 臺VOD 錄播服務器，1 臺管理服務器，4 臺MCU 服務器，共14 臺服務器。表2 為各服務器主要技術參數和作用。視頻的編解碼能力和并發數量，可以根據部署虛機的資源大小和個數進行調整。

表2 服務器技術參數Table 2 Technical parameters of the server

3 應用

3.1 視頻負載均衡測試

對MCU 服務器負載均衡進行測試。表3 為32 路視頻終端入會時6 臺MCU 服務器的當前呼叫數、CPU 使用率和內存使用率。其中，將第3 臺服務器禁用，該服務器上的4 臺視頻終端視頻畫面不中斷，畫面經過短暫凍結后恢復，恢復時間小于10 s，對整個視頻會議不產生影響。系統根據最小連接算法將MCU3 上4 臺設備分別分配到MCU4和MCU2 上，分配后的資源使用率如表4 所示。2 次測試的MCU 服務器負載權重如表5 所示。

表3 全部在線服務器資源使用率Table 3 All online server resource utilization

表4 禁用1 臺服務器資源使用率Table 4 Disable one Server resource utilization

表5 服務器負載權重對比Table 5 Comparison of server load weights

3.2 視頻會議應用

地震行業召開地震應急會商視頻會和一些日常項目研討會時，各省（市、自治區）地震局和地震中心臺可通過視頻設備呼入云會議室，但地震臺站很少有視頻會議硬件終端（張維佳等，2013）。通過云視頻平臺的部署，可使沒有硬件視頻終端的臺站通過安裝云視頻軟終端以加密互聯網的形式入會。中國地震臺網中心到各省（市、自治區）地震局的網絡帶寬不同，有100 M、50 M、30 M、10 M 等，而各省（市、自治區）地震局到地震中心臺的網絡帶寬只有2 M。因此，云視頻系統在其他業務正常運行的情況下，根據每個視頻會議終端的輸出需求和帶寬條件，轉發設備所能接受的速率和承載的視頻分辨率。圖3 為地震應急會商時，各級單位的視頻會議模式。圖4 為應急會商視頻會議畫面。

圖3 視頻會議模式Fig.3 Video conference mode

圖4 視頻會議場景Fig.4 Video conference scene

4 總結與討論

基于云MCU 架構技術，通過對云視頻MCU 架構技術進行對比，選取SVC 柔性分層編碼技術，并構建了系統實施體系；設計異地多活部署方式，通過集群化MCU 資源池形式對MCU 服務器資源統一進行調度管理；優化云視頻平臺功能，無需人工干預即可實現系統智能調度設計，通過加權最小調度算法和CPU 閾值設置策略提高系統的穩定性和可靠性；云視頻系統的應用解決了地震行業現有傳統硬件視頻系統存在的成本較高、管理維護困難、系統可靠性差等問題；既實現了傳統硬件視頻終端和軟終端的靈活接入，也支持移動終端、衛星、監控系統等多種接入方式。基于云平臺SaaS 層服務，可以為全國地震震情會商、日常工作研討等多種會議模式提供服務。云視頻系統已實現與地震行業現有視頻系統對接。但對于不同視頻終端品牌、型號、版本，對接效果也存在一定差異，需要不斷完善優化。