基于ＩＰ的軟件視頻會議系統在教育城域網上的設計與實現

摘 要為了適應中小學教育信息化發展的需求，提出了在開放式教育城域網平臺上，架構基于IP的軟件視頻會議系統的設計目標，分別論述了網絡平臺、協議選擇、會議安全、音視頻質量保障等實現方法，并成功實現了一個多點雙向式的純軟件視頻會議系統。

關鍵詞 視頻會議軟件；TCP/IP協議；教育城域網

中圖分類號：TP393.1文獻標識碼：A文章編號：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

教育城域網以網絡技術為依托，以各種信息設施為支持，以教育軟件和資源為基礎，以實現教育現代化管理為目的，為區域教育提供全方位應用服務的信息化環境。它借助本地區運營商寬帶骨干網，實現教育局內部網與各地方學校校園網的廣泛連接。在基于開放式教育城域網上開展視頻會議應用，是新階段對教育城域網建設提出的新要求。

IP視頻會議系統基于TCP/IP數據通信技術，利用IP 網絡在兩點或多個地點之間實現視音頻的實時交流。與會者借助顯示終端、攝像頭、麥克風等設備實時地看到對方發言人、會場場景和展示實物，也能實時地聽到對方的聲音。若輔以電子白板、文件共享等功能，則可對文檔、圖片、報表等資料與對方參會人員進行研討。

基于教育城域網的IP視頻會議建設，可以彌補傳統會議的局限性，主要體現在：（1）不受傳統會議單一會場方式的約束，允許更多的人同時參會，提高了傳達效率；（2）有效地節約會議時間和經費；（3）在防汛、防臺、救災等緊急情況下，不受距離限制，及時了解情況并制定應急對策；（4）為遠程教學評估和和技術培訓等活動提供平臺。筆者以黃巖區教育局基于IP的軟件視頻會議系統的建設狀況，闡述了這一系統在教育城域網上的設計與實現。

2 系統目標

根據教育城域網的建設現狀，第一期設計目標要求在區教育局會議室設立主會場，19個地方學校各設一個會場，使得教育局與各地方學校之間能夠召開異地遠程會議，如全體教職工會議、教學評估會、網絡培訓班等；第二期設計要求視頻會議覆蓋所有50個地方學校。同時配置移動會議點，方便領導在出差時參與緊急會議。

在系統控制方面，要求在教育局主會場設立控制中心，實現對整個會議系統的監控和管理；要求支持單點直播和多點交互等會議組織模式，通過主席控制、自動輪詢模式實現會議場景的切換。

在功能方面，除了視頻、音頻的雙向實時交互，還要求與會者能共享應用程序，提供文檔、報表、幻燈片等多媒體演示，并利用電子白板進行更加有效交流。

在安全性方面，要求提供用戶權限管理和數據加密傳輸，實現對會議過程的安全控制。

3 系統設計

黃巖區教育局在教育城域網平臺上，采用國際先進的IETF XMPP標準協議，通過視頻會議軟件和輔助硬件系統，構建了具有自身特點的視頻會議系統。

3.1 網絡平臺設計

網絡平臺是視頻會議運行的載體，它的設計必須充分考慮基于IP的軟件視頻會議系統運行的特點和要求。

黃巖區教育城域網依托區電信城域網，以TCP/IP技術為核心，構建具有三層交換能力的千兆交換式以太網。同時采用VLAN與TRUNK技術，實現“千兆主干匯聚，百兆地方接入”的帶寬分布。考慮到廣播風暴等不確定因素對軟件視頻會議系統的影響，在19個視頻會議點各部署一臺具有三層交換和QOS功能的交換機，以保障視頻會議穩定運行。

視頻會議數據流的網絡傳輸流程：（1）A會場數據流由A視頻工作站提交給所在會場的三層交換機，該三層交換機利用電信城域網將數據流轉發到中心交換機；（2）中心交換機發送數據流到視頻會議服務器，由視頻服務器處理后，再返回到中心交換機；（3）中心交換機利用電信城域網將數據流轉發到B會場的三層交換機，再由該交換機轉發到B視頻會議工作站；（4）反之亦然。

3.2 通信協議選擇

選擇先進的IETF XMPP標準作為視頻會議通信協議。IETF XMPP標準具有基于XML的協議格式、分布式的網絡體系、開放的協議、高度模塊化和可擴展結構等特點，使它成為各種不同的通信系統的互連橋梁。同時XMPP遵守XML規范，讓不同應用程序之間的信息傳遞成為可能。

IETF XMPP標準的開放性，使得它很好地兼容H.323協議，從而實現與傳統基于H.323標準的視頻會議系統的互聯互通，具有良好的可擴展性。

3.3 視頻設備選型

軟件視頻會議系統由視頻會議軟件、視頻會議服務器、視頻工作站、外圍輔助設備等幾部分組成。

（1）視頻會議軟件。整個系統采用基于IETF XMPP標準協議的視頻會議軟件產品，能很好滿足黃巖區教育局的實際要求，并能充分代表視頻會議技術的先進性和經濟性。

通過對相關設備廠商的產品測試和比較，采用在國內已有大量成功案例的V2視頻會議系統，第一期配置20個并發會場點、10個并發會議室。

（2）視頻會議服務器。視頻會議服務端要求支持多服務器級聯，并能根據視頻會議實際需求，將系統部署在多臺服務器上，對CPU及網絡處理的瓶頸進行分散，從而以網絡最優架構提供高效的視頻會議服務。V2視頻會議系統可根據規模和性能需求來進行靈活部署，包括在系統中添加、刪除、激活方式去擴展服務器、VOIP服務器和H.323服務器等。

采用PC 服務器擔任視頻會議服務端運行。第一期配置1臺視頻會議服務器，參考配置：曙光天闊2*Xeon 3.0 GHz CPU、2 G內存。

（3）視頻會議工作站。視頻會議工作站的配置與視頻圖像的分辨率要求密切相關，分辨率要求越高，對CPU和內存的要求也就越高。盡量選用當前市場主流的PC配置，并配置獨立顯卡，以保證視頻會議的音視頻質量。

（4）外圍輔助設備。外圍輔助設備包括視頻采集卡、麥克風、攝像機、投影機、音響、電視機等。盡管它與視頻會議的設計關聯不大，但它的選型好壞直接影響音視頻的采集質量和輸出效果，如攝像機分辨率、投影機流明、音視頻的連接線質量等。因此需要根據會議室的具體環境和會議規模，合理選擇外圍輔助設備。軟件視頻會議系統往往由于外圍輔助設備配套的不合理，造成整體效果欠佳。

4 系統結構

軟件視頻會議系統在邏輯拓撲上呈現星狀結構。它以視頻服務器為中心，主會場與各地方學校會場平等分布。系統總體結構圖如圖1所示。

根據實際會議要求，視頻會議系統可設置為多點雙向方式，由視頻會議服務器同時建立多個視頻會議室，并發進行各種會議。

由于視頻會議系統跨越電信城域網，同時軟件視頻會議的圖像分辨率設置對帶寬非常敏感，如帶寬不足，則會導致卡圖面現象，因此電信運營商的正常帶寬保障是軟件視頻會議系統在開放式城域網運行的前提。

5 系統特點與實現

黃巖區教育局視頻會議系統根據設計目標，結合實踐經驗，實現了以下特點：

5.1 先進性

采用G.723.1、CELP 等音頻壓縮算法，作為當前最佳語音技術，它在窄帶環境下依然保持音頻的清晰連貫，在寬帶環境下具有高質量的音頻效果；采用的基于IETF XMPP標準的開放式、結構化先進通信協議；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性；采用 “嚴格優先級隊列調度（SP）”結合“IP優先級”的QOS服務質量保障機制，當網絡流量出現擁塞時，優先保證視頻會議數據流的轉發。

5.2 經濟性

充分發揮了現有教育城域網的網絡平臺功能，實現了資源的有效共享；采用軟件視頻會議系統，總體投資不到硬件視頻會議系統的1/10，但實現了接近硬件視頻會議系統的會議效果；視頻會議系統的開通有效地節約了會議經費，提高了工作效率。

5.3 廣泛性

已完成的一期工程的網絡視頻會議系統覆蓋了19個地方學校。對于一期工程中沒有部署視頻會議的學校，采用視頻點播方式，實現對會議現場的旁聽。旁聽方式與實時會議視頻圖像相比，約有15秒的延時。

針對視頻點播的并發流量大、帶寬占用率高的特點，教育城域網啟用SM組播模式，有效地減少網絡傳輸流量，保障會議旁聽的效果。

規劃的二期工程對視頻會議系統實現全覆蓋，并增加移動會議點，以便在出差的情況下，臨時加入會議。

5.4 可擴展性

視頻工作站與視頻服務器在邏輯上采用星狀結構，同時視頻服務器支持多層級聯，這種分布式設計提供了良好的擴展性。每個會場通過最優網絡路徑接入，很好地滿足了多方視頻通訊的需求。

5.5 易管理性

視頻會議系統的管理難易程度關系到系統運行的穩定性和維護成本。V2視頻會議系統的管理完全基于Web的應用，通過Web方式完成軟件安裝、用戶管理、會議管理等全部功能。因此只要網絡可以訪問，系統管理員可以不受時間、地點約束，對視頻會議系統進行操作管理。

5.6 安全性

視頻會議交流的內容會不可避免地涉及保密信息，因此視頻會議的安全性非常重要。當前架構的視頻會議系統在以下方面做了安全保障：（1）視頻會議工作站單獨劃分一個視頻子網，與用戶數據子網保持獨立性；（2）視頻工作站與視頻服務器之間的信息傳輸采用高效的SSL加密機制，確保信息傳輸的安全可靠；（3）實施會議登陸認證和用戶信息檢驗，確保會議成員的合法性。

6 系統應用

目前，黃巖區教育局基于IP的軟件視頻會議系統（一期）經過測試，已正式投入使用。教育局與相關科室已利用視頻會議系統，成功舉辦了全體教職工會議和網管人員技術培訓，系統的各項特點和指標在使用過程中都得到充分檢驗。