山东大学：IPv6搭建网络大讲堂

文/刘沂训 刑跃林

中国教育资源的配置长期存在着地区差异化问题，由于东西部经济发展的不平衡，东西部教育资源的不匹配问题更为严重，这种情况对基础教育来说更加突出。而就高等教育而言，目前许多高等院校校区分散，教育资源也同样存在失衡问题。例如，山东大学在济南有6个校区，青岛和威海各有1个校区，使得教师为了上课不得不在各校区之间辗转，既耽误了宝贵的时间和精力，又浪费了有限的公共资源。

网络课堂是缓解教育资源地域差异化问题的有效手段之一。网络课堂基于互联网络的远程在线互动培训课堂，系统一般采用音视频传输以及数据协同等网络传输技术，模拟真实课堂环境，通过网络给学生提供有效的培训环境。

因此，山东大学网络与信息中心针对网络课堂的需求，设计并实现了基于IPv6的大规模网络大讲堂系统平台，具有以下特点：1. 系统采用音视频和数据全交互设计，通过架设分布式网络课堂服务器群，允许分布在各校区的教师和学生通过网络参加实时课程，并参与讨论；2. 系统面向大规模式应用进行设计，单台服务器可以支持500以上学习终端同时接入；3. 系统支持分布式部署架构，根据网络拓扑和学生地域分布情况在各校区架设二级服务器系统，可以使网络课堂能够进行大规模的扩展。

系统架构设计

网络大讲堂基于C/S架构，采用分布式服务器集群的结构设计，由一组位于中心网络节点的主服务器系统和若干位于区域网络节点的分布式服务器构成。通过在不同区域部署分布式服务器，利用区域内的快速交换网络，分担主服务器系统的访问和多媒体交换压力，使网络课堂系统实现了就近登录、负载均衡和灾难恢复的能力。

这种分布式部署的互动课堂服务器集群，在系统中以资源的形态存在，主要提供共享的客户连接资源、网络教室（D_Room or C_Room）资源、共享的数据资源和预设的网络带宽资源等。

系统中的资源管理服务器负责上述资源的管理和调度，可以将实时课堂服务器加入云资源来统一管理，并共享给网络以统一资源调度。资源管理服务器负责加入云的服务器资源的监控，运转正常的服务器在资源列表中被标记为可用，失效的服务器将从资源列表中被标记为不可用，重新恢复运转的服务器可以被重新标记为可用。

管理员可以自由使用云中可用的服务器资源创建网络教室（D_Room or C_Room）。网络教室的创建逻辑上可以使用任意多个服务器资源。一个逻辑上的网络教室（D_Room）则可以跨服务器。不同服务器之间相同ID的网络教室之间通过音视频和数据信息转发实现同步。通过设置级联关系，允许在多个服务器上创建跨域的级联教室（C_Room）。D_Room和C_Room具有主从关系，主服务器维护逻辑网络教室（D_Room）的状态，通过分布服务器上的C_Room，转发主服务器上的各种流（Stream），包括音视频流、数据流、目录信息和控制信令。

如图1所示，主服务器负责分布式级联网络教室(D_Room &C_Room)的总体状态维护，并向分布式服务器发送指令，通过当地的C_Room来执行各种实时课堂操作，执行实时课堂中的各种控制逻辑，请求和分发音视频或者数据共享数据流。

图1 网络大讲堂系统架构

网络大讲堂系统提供的核心服务如图2所示。其中媒体交换服务是一个音视频交换的实时引擎，负责客户端之间音视频数据的实时分发和同步。Web文档共享服务负责文档资料的格式转换、发布、分发和同步工作。即时通讯服务允许学生和老师之间通过文字进行交流。流媒体服务提供实时课程直播和录像资料的点播能力。

系统实现方法

音视频编码和传输

音频编码使用Global IP Solutions （GIPS）公司的超级语音引擎，支持声学回音消除（AEC）、自动增益控制（AGC）、噪音抑制（NS）、静音检测（VAD）和网络抖动处理（JitterBuffer）等功能。视频使用H.264编码，可以支持高清视频（720p）。

使用实时传输协议（RTP）和实时传输控制协议（RTCP）进行多媒体数据的传输，最大限度地降低因网络不稳定而产生的延时。由于语音是关键数据，系统采用高优先级处理和高优先级传输处理来保障语音数据的优先，语音数据丢包处理机制采用前向纠错算法在并不增加很多传输延时的前提下可以恢复多达20%的语音数据丢包，在恶劣网络环境下的使用提供了更可靠的语音质量保证。文档协作平台

文档协作平台使用标准化的Http协议来完成数据协作工作，具有体系结构简洁、响应速度快、客户端同步性好及稳定性高的优点。使用XML语言描述协同文档，支持矢量化文档显示和标注，不会因为显示分辨率的不同而导致文档内容及标注的不同。共享文档支持Office文件本身的高级特性。例如，可以察看Excel文档的多个sheets，可以利用Excel生成柱状图或饼图等数据效果；可以在共享PowerPoint时启动幻灯播放，如同在真实教室环境中展示教师的幻灯片，包括幻灯片的动态效果、插入的声音片段以及视频资料等。动态资源调度

动态资源调度系统提供统一的资源管理，包括分布式网络大讲堂平台的管理、系统资源监控、网络教室管理以及其他管理功能。

1. 实时系统资源监控

资源检测服务提供定时的服务器状态数据，主要包括CPU 占用率、内存利用率、网络利用率、虚拟教室服务状态、虚拟教室通信端口状态、虚拟教室连接数、虚拟教室数据端口状态等。资源调度系统根据上述服务器状态信息对服务器资源进行评估，评估结果可能为: 可用，受限，不可用。评估方法根据预定义的评估标准（算法），而且可以根据需要动态更新和修正。

2. 网络教室预约协议

网络教室预约协议（算法）是网络教室虚拟化的关键算法，该算法基于基础架构资源信息（可用服务器资源分布、受限情况、网络资源状态等），并根据待预约教室的信息（规模、时间、用户分布等）确定该网络教室所占用的服务器资源和模式。

3. 动态资源路由协议

动态资源路由协议（算法）首先是为了解决用户就近登录问题，其次是解决临近服务器不可用时的选择合适的登录服务器，最后是为了解决系统的负载均衡问题。动态资源路由协议（算法）基于基础架构资源信息（可用服务器资源分布、受限情况、网络资源状态等），并根据用户当前的位置信息（如IP地址或者网关信息），确定该用户的首要服务器和备用服务器，并在用户登录服务器时通知该用户。路由信息将随着基础设施资源的改变而改变。动态资源路由算法可以保证用户最近登录获得最经济的服务器，维护系统的低能耗和稳定性。负载均衡

图2 网络大讲堂核心服务

图3 网络教室资源管理界面

负载均衡算法是动态资源路由算法的一部分。该算法对服务器登录资源，主干网络段带宽资源设定预警门限，在达到预警门限时，对与此有关的服务器资源和带宽资源设置较低的选择权重，以修正动态路由算法的服务器优选原则，实现负载均衡的目的。负载均衡算法可以帮助系统平衡服务器和网络负载，提高系统的可靠性和稳定性。灾难恢复

图4 系统客户端界面

动态资源监测服务将使用获取实时的服务器和网络状态信息，并主动匹配预约而尚未开始的网络教室。如果发现网络教室所利用的资源不可用，将启动智能化资源匹配算法重新安排该网络教室所用的服务器资源。在进行中的网络培训中所使用的服务器资源或网络资源出现故障变为不可用，将会使该服务器服务的客户服务中断。系统会实时更新动态资源路由表，客户端会自动利用已下载的动态资源路由表登录备用服务器。同时，客户端会重新访问培训列表，更新动态资源路由表。灾难恢复机制可以实现虚拟教室系统的自愈，使所用资源中的其他服务器接管不可用服务器所服务的客户。虽有短时间的服务中断，但对客户和培训的整体影响不大。

系统部署和运行情况

根据系统的设计方案，分布式网络大讲堂系统中服务器角色有两种：主服务器和从服务器。因此，在学校网络中心部署了主服务器系统，并在各个校区分布式地部署从服务器系统。系统部署完成后，首先进行初始化，完成分布式集群中服务器的角色设置，主服务器角色设置为网络中心的主服务系统，从服务器角色的虚拟教室服务器设置为各校区的从服务器系统。

网络大讲堂系统核心面向多处理器架构设计，允许单服务器在不影响视频质量的前提下，单服务器可以支持高达500用户并发和超过1500路视频流的交换，接近系统和网络能够支持的极限能力。系统支持当前大多数硬件平台，核心线程优先保护、数据流容错的设计思路使系统可以支持7x24小时免维护稳定运转。

服务器端的网络教室管理界面如图3所示。教师用户（拥有山东大学邮箱的教师可以自行注册教师用户）登录系统进入教室管理中心，可创建一个立即开始的即时课堂，也可以预约两天内的教室，或者查看自己预约教室的详细信息，并可以查看所有课堂的详细信息。选课学生则可点击教室管理中心查找课堂并参加或者直接点击课堂中心相对应的教室门牌号即可进入课堂。

系统客户端界面如图4所示。左侧是用户列表区，教师可以控制系统中显示的视频内容，并可以控制学生的发言权限。根据教师和学生不同的需要，客户端界面也包含预上传的共享文档，共享文档支持大部分文件格式，包括Office文档、文本、图片和视频资料等，也可以共享应用程序界面或电脑桌面。学生可以通过文字区发起提问，或者举手申请语音发言，与老师直接交流。

基于IPv6的网络大讲堂平台的设计与实现，帮助山东大学实现了跨校区的网络教室，使各类课程不再受地域的限制，具有良好的应用效果。同时，网络大讲堂平台也适合举办超大规模的各种会议和培训活动，不仅可以应用在大学教育，对普通教育、企业e-Learning、 社会教育及其他互联网培训应用都具有很大的价值。