視頻會議雙機熱備的應用

易蘭青 楊金銘 秦錦榮 孫榮燕 張大好

云南省電子政務網絡管理中心 云南 650228

0 引言

自20世紀90年代初期以來，伴隨著計算機技術、通信技術和互聯網技術的發展，視頻會議作為一種便利、高效、節約的遠程溝通方式，對傳統的會議模式帶來了巨大沖擊，目前已廣泛應用于軍事、政治、經濟、科教、文化等領域，用戶層次也從政府、大型企業等機構向中小企業甚至個人用戶拓展。為滿足各級用戶不斷提升的會議需求，視頻會議技術的普及和發展也經歷了從模擬到數字，從點對點到多點對多點，從有線到無線，從功能單一到功能全面的過程。

而視頻會議由于其實時性的特點，更是對系統的可靠性提出了更高的要求。視頻會議系統的可靠性，是指系統運行穩定以保證會議不中斷，系統備份完善以保證故障帶來的影響最小。在實際應用中如何建立一個高可靠性的視頻會議系統，保證系統的長期不間斷運行和故障瞬時恢復，是視頻會議業界和用戶重點關注的一個需求和技術熱點。

1 視頻會議構建模式簡析

從構建模式來看，視頻會議系統分為軟件視頻會議系統和硬件視頻會議系統。

1.1 軟件視頻會議系統

軟件視頻會議系統是基于服務器+PC架構的視頻通信系統，其多點控制單元(Multi Control Unit,MCU)和會議終端是利用高性能的服務器、PC機與視頻會議軟件的結合來實現，本質上主要依靠高性能的CPU來處理視、音頻編解碼工作。

軟件視頻會議系統的主要設備有服務器(MCU服務器、多畫面處理服務器和流媒體服務器)、PC機(會議終端)、攝像頭、麥克風、顯示設備、擴音設備等。

軟件視頻會議系統的優勢是成本低、對網絡的要求較低、部署方便、開放性好、軟件集成方便、數據共享和應用豐富；劣勢是安全性和穩定性有待提高、音視頻質量一般、服務質量(Quality of Service, QoS)保障機制不健全、對不同網絡的支持能力比較差。所以當前軟件視頻會議系統的用戶主要集中在個人和中小企業。不過隨著基于Web的網頁化軟件視頻會議系統、云計算等技術的不斷深入發展和應用，制約軟件視頻會議系統的技術瓶頸不斷被突破，其應用領域和范圍也在不斷擴大。

1.2 硬件視頻會議系統

硬件視頻會議系統是基于嵌入式架構的視頻通信方式，依靠數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)＋嵌入式軟件實現視、音頻處理，網絡通信和各項會議功能。

硬件視頻會議系統的主要設備包括嵌入式MCU、會議終端、攝像頭、麥克風、顯示設備、擴音設備等，為了方便統一管理，通常還包括視頻矩陣、音頻矩陣、統一電源開關等設備。

硬件視頻會議系統最大的優勢是安全性和可靠性高，性能卓越、音視頻效果好、集成度高、操作簡單、維護方便、具有良好的QoS保障機制、支持廣泛的通信網絡協議。劣勢是成本高，硬件設備和專線網絡需要投入大量資金。所以目前硬件視頻會議系統的用戶主要是對會議可靠性要求較高的政府、大型企業等。

2 視頻會議組網模式簡析

目前主流的兩種組網方式是IP組網方式和E1專線組網方式。

2.1 IP組網方式

視頻會議的IP組網方式，遵循H.323協議。其特點是基于IP的分組交換、統計復用，帶寬利用率高；接入方便、組網靈活；成本較低。IP組網方式在應用上便于融入OA網，實現和IP終端直接互通、與流服務器結合；可進行各類融合業務發展，和手機、可視電話、VOIP、軟終端融合，也可以和監控、IPTV等進行融合。

2.2 E1專線組網方式

視頻會議的E1專線組網方式，遵循H.320協議。E1專線組網方式代表了視頻會議的高端發展方向，其特點是高清晰、高質量、高穩定。高清晰：支持720P/1080I/1080P提供高保真的視音頻質量。高質量：可專網專用，網絡可備份，具備多種糾錯措施，帶寬保障。高穩定：高集成實時系統設計、信道可備份、速率自適應。

2.3 E1專線和IP組網方式

視頻會議的E1專線和IP組網方式遵循H.320/H.323協議，是前兩種方式的結合，具備兩種組網方式的特點，形成互補。這種方式組網的視頻會議系統不僅可以滿足用戶對視頻會議系統高清晰、高質量、高穩定的高端要求，還可通過IP的靈活性將各種應用結合起來，如通過流媒體方式，將會議在寬帶網上進行直播、點播；可進行外設備的集成，如網真技術的應用等。

3 視頻會議雙機熱備的模式設計

3.1 系統總體設計思想

隨著視頻會議技術的發展，用戶對視頻會議系統的依賴程度日益增加，視頻會議的可靠性和可用性越來越重要。視頻會議的穩定性是所有用戶最關心的一個問題，相對于面對面的會議，視頻會議是相對脆弱的，很容易被某種意外所打破，如設備掉電、網絡故障、設備故障。即使對于最專業的維護人員，重新召集視頻會議至少要花費5-7分鐘。對于大型會議、大型培訓、應急指揮，一旦出現意外，對于使用部門、建設部門、維護部門所承受的壓力將是巨大的，本文將從MCU雙機熱備、終端雙機熱備二個維護角度保證系統的高可靠性。雙機也叫熱備，主要作用是當視頻會議主用設備出現物理故障時，備用設備能接管工作，而不會使整個系統癱瘓。一般需要兩臺設備，一主一備，兩臺設備分別連接在兩個不同的網絡。兩臺MCU設備通過心跳線連接，用來按時發送監測數據包，以確定主服務器是否在線，當主 MCU服務器死機后，自動啟用備用MCU服務器，以保障系統的不間斷性。兩臺終端設備通過音視頻智能切換器連接，當主用終端出現故障時，音視頻智能切換器自動將信號切換到備用終端，保障信號平滑轉換。

3.2 MCU雙機熱備設計

視頻會議系統的工作原理是在中心點部署 MCU，負責會議的管理控制和數據流的轉發處理，相當于多點間的交換設備，是實現多點會議的核心技術和設備。在各級會議室部署會議終端，與攝像頭、話筒、顯示器、擴音器等外圍設備互聯，負責接收和展示從MCU傳來的中心會議室音視頻信號。

視訊會議的組網結構邏輯上是一種星形連接，核心設備就是MCU，所有參與會議的終端可與MCU建立一對一的連接，終端負責采集會場的聲音和視頻，然后經編碼后傳輸到MCU，由MCU根據當前視頻會議的模式確定對音視頻信號的處理方式和轉發邏輯，然后將處理后的音視頻數據再發送到每一個與會者。MCU的可靠性和穩定性將直接影響視訊會議的穩定召開。 設置能夠支持雙機熱備技術的兩臺MCU互為主機和備機。當兩臺設備均啟動后，工作中的主機MCU因意外情況，導致會議無法繼續進行時，系統會自動進行備份切換，由備機MCU繼續承擔開會任務，切換時間小于45秒。從而在短時間內，不需要對備機MCU重新設置會議的情況下，備機MCU代替主機MCU將會議繼續召開，保證會議的順利進行。并且在整個會議的切換過程中，無需人工干預，保證會議不中斷，安全級別達到電信級(圖1)。

圖1 MCU雙機熱備示意圖

3.3 終端雙機熱備設計

視頻會議系統終端的作用就是將某一會議點的實時圖像、語音和相關的數據信息進行采集，壓縮編碼，多路復用后送到傳輸信道。同時將接收到的圖像、語音和數據信息進行分解、解碼，還原成對方會場的圖像、語音和數據。另外，會議電視終端還將本會場的會議控制信號(如申請發言，申請主席等)送到多點控制器(MCU)。同時還要執行多點控制器對本會場的控制作用。在視頻會議召開的過程中，主會場視頻終端等設備當管理人員誤操作或非正常斷電或設備意外故障時，其音視頻信號會發生中斷，由此將會使整個視頻會議無法繼續進行，傳統的解決辦法是配置第二套視頻終端作為冷備份，當主設備發生中斷時由系統維護人員以手工方式切換至備用設備。本文設計的思路是通過音視頻智能切換器，解決主會場或分會場主備終端的自動、快速、無縫切換的問題(圖2)。

圖2 終端雙機熱備示意圖

該方案實現了自動切換，視頻信號與音頻信號可同步切換，音視頻圖像切換時間短、切換過程平滑，主會場與分會場的參會人員不會明顯感覺出會議切換過程中的中斷現象，保證了會議可按序正常進行。設備同時具備掉電后信號旁路的功能，掉電后可將主信號直接輸出到輸出接口，提高了系統備份的等級。

雙機熱備系統的優點在于：可有效提高系統的可靠性和可用性。若主用設備或應用程序崩潰，熱備系統中另一個備用設備在繼續工作的同時，接管崩潰設備的任務，最大限度地縮短MCU和終端宕機的時間，大大提高了系統可靠性、安全性及容錯性。

4 雙機熱備系統的典型特點

雙機熱備視頻會議系統組會靈活，會議模式多樣，應用越來越廣泛。系統具備以下典型的特點：

(1) 先進性特點

系統整體設計切實可行并容易實現，MCU雙機熱備或終端雙機熱備或MCU+終端雙機熱備的設計方式屬于業界領先水平，符合計算機、網絡通訊技術和視頻會議技術的最新發展潮流。

(2) 標準性特點

系統遵循標準的整體協議框架，提供標準接口，使用標準的音視頻協議，支持標準的視訊與數據協同工作方式等。使系統具有較高的兼容性，使用標準協議的廠家之間的設備能夠系統平滑級聯或互通。

(3) 實用性特點

雙機熱備系統的設計符合工程的實際需要，針對實際應用的特點，具有多種組會模式和管理方式：終端圖形界面、WEB界面；并能支持中文會場名，會議主題、會議臨時通知等文字提示，可以使視訊會議發揮更佳的臨場效果。

(4) 安全性特點

系統采用標準硬件集成、嵌入式操作系統結構，有效抵制網絡病毒和黑客等的攻擊具備系統級安全性；MCU具備多級密碼保護，終端能提供配置數據安全功能遠程控制，按業務分配用戶名和密碼等用戶級安全性。

(5) 穩定性特點

雙機系統結構集成度高，能夠長期穩定工作，保證7*24小時不間斷地穩定可靠運行，適應工作環境能力強，故障率低。在管理人員誤操作或非正常斷電或設備意外故障的情況，MCU和終端能提供雙機熱備技術。備份設備及時接替主工作設備將會議繼續召開，保證了重大會議持續穩定地召開，減輕會議管理人員的工作負擔。

5 視頻會議雙機熱備的應用(以云南省電子政務為例)

視頻會議在節省時間的同時幫助了企業提高工作效率、降低運營成本，加強了在全球化進程中的核心競爭力。尤其在電子政務、政府機關方面顯示其強大的優勢。在此針對視頻會議雙機熱備在云南省電子政務的應用做深入的描述。

5.1 電子政務視頻會議應用分析

視頻會議系統作為電子政務信息化的重要組成部分，承擔著各級政府部門內部及相互之間溝通、會商、決策的重要職責，各級政府的指示精神和重要事務需要通過此系統進行上傳下達，面對突發事件，領導需要通過此系統及時全面地掌控事態發展，及時進行決策和指揮，所以系統的穩定性，系統協議的標準規范性，各種不同速率和類型網絡的接入兼容性，穩定清晰的畫面質量，強大的系統可拓展能力，系統和VOIP，3G，IPTV，NGN系統之間的無縫融合等等，都是政府行業建設選擇視頻會議系統的重要考慮要素。

以云南省電子政務為例，云南省電子政務視頻會議主用系統基于SDH E1專線三級網，備用系統基于SDH E1專線二級網，與電子政務外網物理隔離，實現省、市、區縣三級720P高清圖像和聲音質量的交互式視頻會議。同時滿足以下要求：

通過系統進行云南省領導干部時代前沿知識講座、遠程培訓等工作的要求。

與縣鄉電子政務平臺的視頻會議系統實現無縫集成。

符合國家的政務標準，實現信息共享，充分發揮視頻會議系統的作用和效益。

在功能方面，考慮到政府部門對于辦公的特殊需求，視頻系統的功能需要滿足：

(1) 會議管理功能：在任一計算機上管理會議，如創建/取消會議、啟動/停止會議、會議成員管理等，支持現有的各種會議控制方式。

(2) 會場終端管理功能：支持終端控制、主會場控制、遠端控制等。支持多路視頻“畫中畫”，同時傳輸四路以上乃至全部與會者的聲音，實現音視頻同步。

(3) 與會者管理：會議主持者可以對任一與會者進行控制。

(4) 視頻錄播功能：流媒體、硬盤錄像、字幕同步、實錄回放。

(5) 系統擴展功能：MCU服務器具有擴展能力，支持桌面會議，提供一對一、一對多的會議。

(6) 采用電子政務平臺統一的安全體系結構，確保其安全性和可靠性。

5.2 解決方案

云南省電子政務視頻會議建成152個分會場，并具備一定的會場終端擴展能力。采用先進的、成熟的技術，并能在將來實現系統的平滑升級。

系統基于SDH E1專線網絡，采用H.320協議作為標準協議和H.264編解碼技術，主用系統以高清1080P多點控制單元(MCU)二級級聯組網，配置720p會議室型終端到州市、縣；備用系統以高清1080P多點控制單元(MCU)單級組網，配置720p會議室型終端到州市。主備用系統同時提供信號，整個系統提供全面的 H.320系統解決方案和流媒體解決方案，充分滿足政府會議的穩定性需求,同時也能滿足進行領導干部講座，遠程教育，全省性大會等工作的要求，并最低限度的降低了成本(圖3)。

圖3 云南省電子政務視頻會議系統拓撲圖

根據云南省電子政務視頻會議網絡結構及傳輸容量的實際情況，各州市及市直屬職能部門分會場連接省級主會場的網絡帶寬為 4M，各縣市區及縣直屬職能部門分會場連接州市級會場的網絡帶寬為2M。

高清主備網核心平臺采用同型號的MCU，組網架構一致，提供IP、E1、2E1等多種接入方式。在省網管中心機房實現 2E1傳輸線路在主用高清系統 MCU與備用高清系統MCU之間的跳接。正常情況下采用主用系統召開全省會議，緊急情況下，可以把州市的MCU切換到備用核心MCU上召集全省會議，也可以由州市自主召開州縣二級會議，并將省至州市備用系統的信號轉接到州市二級會議實現省-州市-縣市區三級會議的轉播。主備用兩套系統相對獨立，又在核心平臺側融合對接備份，達到靈活的備用機制，提供緊急情況下的正常會議服務。

5.3 實現效果

云南省電子政務視頻會議系統可提供以下主要功能：

(1) 在各會場之間實現視頻會議的功能，包括圖像、語音交互、流媒體廣播以及會議的組織、控制等。

(2) 在主會場可對會議進行實時控制和監測，并可將控制權下放給其他多個會場。

(3) 可將各會場接收到的會議信息，以流媒體的方式上實時在電子政務外網上進行廣播，各個會場無需視頻會議設備投入(只需一臺PC機)即可接收到會議圖像和語音。

(4) 領導可通過在辦公室的電腦上配置桌面視訊系統加入會議當中，該領導講話時所有會場都能觀看該領導圖象，并聽到講話內容。

6 結束語

視頻會議雙機熱備系統的設計，實現了視頻會議過程中，在軟件故障、硬件故障、網絡故障、電源故障及操作故障的情況下，系統自動切換，信號平滑轉換。切換時，視頻信號，音頻信號，會議資源管理模塊，MCU狀態，終端狀態工作正常，信號不丟失，轉換平滑。為視頻會議系統的連續可靠運行提供了可靠的技術保證。

[1]蔚保國.高可用性系統服務器雙機熱備份技術的研究.北京：無線電通信技術.1999.

[2]譚偉賢.高清晰會議電視系統及應用技術.北京：科學出版社.2004.