基于SDN和物聯網的多媒體教室智能網絡的構建

胡國強

(西北農林科技大學 網絡與教育技術中心，陜西 楊凌 712100)

基于SDN和物聯網的多媒體教室智能網絡的構建

胡國強

(西北農林科技大學 網絡與教育技術中心，陜西 楊凌 712100)

為解決現階段多媒體教室網絡使用和管理中存在的問題，在分析軟件定義網絡(SDN)應用于多媒體專網的基礎上，結合物聯網的飛速發(fā)展，設計了一種新型多媒體教室網絡架構，此架構通過SDN控制器集中管理所有的中控設備，其他多媒體設備和輔助設備安裝各種傳感器通過物聯網與中控設備相連。介紹了該方案的設計思想和總體架構，探討了此網絡架構給多媒體網絡帶來的變革。基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡架構有助于解決現有多媒體教室使用中的實際問題，有助于提高多媒體教室智能化程度，進而更好地為師生服務。

軟件定義網絡； 物聯網； 多媒體教室； 網絡結構; 智能網絡

0 引 言

當前，先進的互聯網和信息技術對教育產生巨大的影響，大力推進教育技術智能化是世界教育追求的目標。作為新型的教育、培訓模式，學校多媒體教室的建設為廣大師生提供了豐富的教學手段，計算機設備輔助教學、在線視頻教學、多媒體展臺替代傳統板書等現代教學方式又為教師提供了充分利用各種課件的條件[1]。隨著高校辦學規(guī)模日益擴大，高校多媒體教室的數量也在不斷增加，多媒體教室網絡的規(guī)模也在不斷擴張。目前，多媒體教室網絡全都基于傳統的網絡架構，傳統的網絡架構給使用多媒體的師生和管理人員帶來了諸多不便。為解決現階段多媒體教室網絡使用和管理中存在的問題，更好為師生服務，需要設計一種新的網絡架構。

軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)源于2006年斯坦福大學Nick McKeown教授帶領的校園網創(chuàng)新項目，提出基于OpenFlow的可編程網絡架構，SDN概念應運而生，打破了網絡領域數十年的沉寂。2009年，SDN入圍“技術評論”十大前沿技術，自此全產業(yè)界開始了廣泛關注和深度探索。2010年至今，SDN逐步終于得到了部分數據中心市場的認可，相關市場規(guī)模開始不斷擴大，預計2015年SDN交換機和控制器的市場規(guī)模將超過14億美元，而到2019年，這一數字將達到120億美元。SDN有轉發(fā)與控制分離、控制邏輯集中、網絡能力開放化三大技術特點，以這些技術特點為基礎實現了控制功能與數據平面的分離和網絡可編程，進而為更集中化、精細化地控制奠定了基礎[2]。

物聯網(Internet of Things，IOT)被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業(yè)的第三次浪潮，其通過各種傳感器、射頻識別(RFID)設備、定位裝置等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物體之間或任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡[3-5]。

基于SDN和物聯網技術，本文設計了一種新的多媒體教室網絡架構。通過SDN和物聯網的優(yōu)勢，可以為解決師生在使用多媒體教室過程中遇到的諸多問題提供一種嶄新的手段。

1 多媒體教室使用現狀及SDN的優(yōu)勢

1.1存在的問題

現有的多媒體教室網絡雖然對提高教學水平發(fā)揮了一定的作用，但傳統的網絡架構在使用、管理和維護方面暴露出的問題也日漸突出，難以為師生提供優(yōu)質服務，嚴重影響了正常的教學秩序。

(1) 傳統的網絡架構中，多媒體教室的核心中控設備直接接入網絡交換機，具體示意圖如圖1所示。中控設備和網絡交換機之間的帶寬取決于交換機的類型(百兆和千兆)。交換機下所有多媒體教室網絡的接入帶寬都是固定的，多媒體教室網絡的實際使用帶寬跟校園網出口有密切關系，一旦有多媒體教室需要提供在線視頻服務，現有的架構沒有辦法動態(tài)地調整使用帶寬以提供流暢地視頻播放服務，無法給師生提供應有的教學保障。

(2) 多媒體教室作為教師主要教學場地，在教學活動中發(fā)揮著非常重要的作用。作為所有信息的載體多媒體教室網絡承載著眾多服務，如視頻服務、音頻服務、監(jiān)控服務，諸多的服務全都限制在一個大的子網內，無法提供差異性服務，進而保證各種服務的QOS(服務質量)。

圖1 現有多媒體網絡架構

(3) 現有的多媒體網絡，大多沒有冗余鏈路，一旦網絡出故障，網絡服務就會中斷，無法保障教學。

(4) 上網高峰期，校園網出口擁塞，多媒體教室的網絡不穩(wěn)定，無法滿足教學需求。

(5) 多媒體教室網絡故障率高，管理與維護工作量大。網絡設備(包括交換機和中控設備)的配置是通過網管員手工輸入命令行配置的，部署新設備工作量大。

(6) 無法對中控下聯的多媒體設備及多媒體教室輔助設備進行精細化管理。

(7) 無法對中控下聯的多媒體設備及多媒體教室輔助設備進行監(jiān)測和故障報警，所有的故障要等發(fā)生以后，依靠人工排查，維護人員工作量大，效率低，效益性差。

(8) 中控沒有遠程控制功能，多以本地控制為主，設備操控復雜。

1.2SDN在解決此類問題的優(yōu)勢

SDN的核心是利用分層的思想，將數據轉發(fā)與控制相分離，目的在于改變結構和功能日趨復雜，管控能力日趨減弱[6]，且難以進化發(fā)展的現有網絡基礎架構。基于SDN的多媒體網絡架構在控制平面，通過可編程和邏輯中心化的控制器，多媒體教室網絡管理人員可以掌控所有的網絡信息來部署新協議和管理配置網絡等；在數據平面，盡可能采用標準化通用設備(交換機和中控設備)，提高接入網設備的統一性、通用性和適配性，降低網絡異構程度[7]。兩層之間采用開放的統一接口(如OpenFlow等)進行交互。SDN控制器通過標準接口向網絡設備統一下發(fā)標準規(guī)則，網絡設備僅需按照這些規(guī)則執(zhí)行相應的動作即可。本文認為,基于SDN的多媒體網絡架構通過集中化的控制實現了對現有的網絡設備、中控設備和接入網中的教學資源細粒度的管理。具體優(yōu)勢如下：

(1) 傳統的網絡采用最短路徑路由、多協議路由等技術來實現流量控制，主要是通過調整鏈路度量值來分配網絡資源，從而達到負載平衡的目的。SDN打破了傳統網絡的局限性，根據網絡的狀態(tài)信息來控制網絡中數據流的路徑，進而達到控制網絡流量的目的[8]。動態(tài)調整網絡流量，可以保證多媒體教室的在線視頻服務，從而更好地為師生提供服務。

(2) 多媒體教室網絡中的SDN控制器集中管理所有交換機和中控設備，隨時可獲取多媒體教室網絡的靜態(tài)拓撲及流表信息，有利于網絡高效管理和優(yōu)化，更有利于多媒體教室網絡故障快速定位和排除。根據需要安裝查看網絡流量和性能的開源軟件，有助于網管監(jiān)控整個網絡，保障正常的教學秩序。

(3) 基于SDN的多媒體教室網絡采用統一的SDN控制器對整個網絡進行集中控制，根據業(yè)務的具體要求通過修改流表，統一下發(fā)網絡的轉發(fā)規(guī)則和動作，可實現多路徑轉發(fā)和負載均衡，提高多媒體教室網絡的可靠性和帶寬利用率。

1.3物聯網解決此類問題的優(yōu)勢

(1) 在中控和其下聯的多媒體設備及多媒體教室輔助設備之間構建物聯網，通過物聯網實時采集各種設備工作狀態(tài)和參數數據，通過SDN網絡將采集的數據發(fā)送到專用的監(jiān)控軟件和故障診斷軟件，便于對設備技術狀態(tài)進行實時監(jiān)測與異常報警，全面提升管理維護的預知性和主動性。

(2) 將采集的設備運行數據上傳至存儲服務器，各類管理人員可訪問存儲服務器來獲取對自己有用的信息，為多媒體教室管理與維護提供科學決策依據。

2 基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡架構

2.1設計思想

如何解決上述的多媒體教室在使用過程中出現的問題，是新架構設計的首要問題。基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡架構的設計，總體上遵循“易于管理、集中控制、整合資源、易于維護”的指導思想，既要解決現在多媒體網絡使用中存在的問題，保障網絡的穩(wěn)定性、可靠性、易用性和安全性，又要保障網絡的可擴展性[9]、可伸縮性和業(yè)務部署能力；既要實現媒體教室設備的智能化控制、遠程管理、遠程維護以及安全防護，又要保證多媒體教室設備穩(wěn)定、可靠的運行[10]。

2.2總體架構

通過對基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡架構的優(yōu)勢和設計思路的探討，按照SDN的經典架構，結合現有多媒體網絡元素將基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡的總體架構從低到高劃分為3層，如圖2所示。

圖2 基于SDN的多媒體教室網絡架構

(1) 網絡基礎設施層。支持OpenFlow的交換機和中控設備及中控設備下聯的所有設備。中控下聯設備包括計算機、投影儀、攝像頭、功放、音箱、話筒、幕布等。在多媒體教室可以部署RFID系統，使用者通過射頻卡驗證身份后獲取使用多媒體教室設備的權限，也可以通過手機APP掃描二維碼后獲取多媒體教室設備使用資格。在可控的多媒體教室設備中安裝相應的傳感器，以獲取投影儀、電動幕布、功率放大器、電動窗簾、教室前排燈光以及音響等多媒體教室設備提供感知信息[11]。通過攝像頭，管理人員可以實時監(jiān)控多媒體教室，一旦出現設備故障，管理人員可通過采集的圖像對所觀察到的問題遠程處理。對貴重設備投影儀安裝GPS定位及防盜報警系統。

利用RFID、攝像頭和傳感器所構筑的智慧多媒體教室物聯網，可實時監(jiān)控教學現場，自動監(jiān)測多媒體教室設備狀態(tài)及各項技術指標和參數，從而實現多媒體教室設備的“精細管理、實時感知、動態(tài)控制和智慧處理”，進一步提升了多媒體教室設備管理維護水平。

(2) 控制層。支持OpenFlow的控制器，通過北向接口集中控制所有的網絡基礎設施層設備。其對應用層提供靈活的開放接口，以滿足多媒體教室網絡不同應用的調用要求。

支持OpenFlow的控制器是本架構的核心，SDN 控制器調用南向接口后通過 OpenFlow 協議對網絡基礎設施層的OpenFlow交換機進行管理，可以動態(tài)地添加、刪除、修改OpenFlow交換機的流表項[12-13]，從而改變OpenFlow交換機轉發(fā)規(guī)則，實現對下聯中控設備的集中化控制；同時控制器可以將底層物聯網采集的多媒體教室設備運行數據和狀態(tài)參數通過北向接口發(fā)送到具體應用服務器，以幫助管理維護人員監(jiān)測設備和處理設備故障。

控制器一般由管理組件和策略組件組成。管理組件是控制器的核心部分，負責基礎設施層OpenFlow的管理，是實現策略組件的基礎。管理組件主要由OpenFlow交換機管理模塊、用戶認證模塊、流表管理模塊、策略下發(fā)模塊四大模塊組成。策略組件是由網絡管理者根據不同業(yè)務需求而開發(fā)的各種模塊。

(3) 應用層。跟多媒體教室相關的所有應用服務，如故障維修平臺、教學管理平臺、遠程點播、安防監(jiān)控、考試巡視。OpenFlow的控制器通過調用北向接口(API接口)將各類信息發(fā)送至相應的應用服務器。為了更好服務于教學，應用層可以采用云計算平臺將各種業(yè)務平臺整合在一起，各種平臺相互協作，相互配合，共同支撐教學活動開展。

3 基于SDN和物聯網的多媒體教室網絡架構帶來的變革

采用物聯網、傳感器與監(jiān)測診斷技術，對不同多媒體教室設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現設備工作異常或故障，及時報警，有助于管理或維護人員第一時間處理故障。使用亮度傳感器對投影儀燈泡亮度及其使用時間和濾網使用時間進行在線自動監(jiān)測與采集，有利于管理或維護人員及時了解投影儀的運行狀況，為定期清洗投影儀和更換投影儀燈泡和濾網提供科學依據。科學地維護多媒體設備，提高設備的利用率，節(jié)約維護經費。獲取設備實時運行狀態(tài)可實現預知維護，預知維護將傳統的被動維護方式變成主動維護方式，提高了維護效率。

多媒體教室設備日常使用過程中，技術參數和運行時間等相關數據通過傳感器等自動采集后上傳到業(yè)務平臺，在業(yè)務平臺上進行統計分析與計算，管理人員可實時查看設備使用狀況和維修信息，做好預算和修繕計劃。

集中控制是 SDN 區(qū)別于其他網絡架構的核心優(yōu)勢之一[14]，通過對基礎設施層集中控制，管理人員可根據實際需求對多媒體教室網絡進行統一設計與部署，保證了網絡配置的一致性。SDN通過OpenFlow控制器對OpenFlow交換機的流表進行修改，可動態(tài)地調整OpenFlow交換機接口流量，對需要在線視頻或在線會議的多媒體教室的網絡帶寬可以增加，對不需要使用網絡的多媒體教室的網絡帶寬適當減少，以提高網絡服務質量。SDN還可以通過控制器構建多個虛擬網絡，分別承載不同的服務，比如視頻虛擬網，語音虛擬網，監(jiān)控虛擬網，各個虛擬網之間相互獨立，可有效減少其他虛擬網的流量，提升服務質量。

4 結 語

基于SDN和物聯網的多媒體網絡架構是在從事多年網絡管理和維護的基礎上，不斷總結多媒體維護人員和多媒體教室使用教師的需求，吸收SDN和物聯網的優(yōu)點基礎上設計的。此網絡架構將SDN與物聯網結合在一起，解決了現有多媒體教室使用中出現的一系列問題。不僅減輕了管理與維護人員的工作量，也提高了多媒體教室設備維護的效率和效益，提升了多媒體網絡和設備管控的智能化程度，以及處理教學故障的靈活性和響應速度。此網絡架構改善了課堂教學環(huán)境，更好地輔助了教師的教和學生的學[15]，提升了教學質量。

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ConstructionofIntelligentNetworkforMultimediaClassroomBasedonSDNandIoT

HUGuoqiang

(Network amp; EducationTechnology Center, Northwest Aamp;F University, Yangling 712100，Shanxi China)

To solve the current problems in the use and management of multimedia classroom network, the paper devises a new network architecture of multimedia classroom based on analyzing the application of software defined networking(SDN) and the Internet of Things which is developing rapidly.In the proposed network architecture, central control equipment is managed through SDN controller, other multimedia and auxiliary devicesare connected with central control equipment through the Internet of Things.The paper offers a detailed explanation to the design conception and overall architecture of the scheme, and analyzes the changes after the use in multimedia classroom.It is expected that the multimedia classroom network in frastructure basedon SDN and the Internet of Things can help to solve the problems in traditional multimedia classroom, improve its intelligent control and offer better service to students and teachers.

software defined network(SDN); Internet of things(IOT); multimedia classrooms; network architecture; intelligent network

TP 393；G 434

A

1006-7167(2017)10-0158-04

2017-01-15

陜西高等教育教學改革研究項目(13BY13);西北農林科技大學教改項目資助(JY1503006)

胡國強(1981-)，男，陜西周至人，碩士，工程師，研究方向為智能網絡與機器學習。TEL.：18991291112；E-mail：hgq@nwsuaf.edu.cn