分布式流媒體頻道管理系統設計與實現

摘? 要 針對現有流媒體系統集中式頻道管理在教育云環境下存在的管理難題，設計一種分布式的流媒體頻道管理系統：直播信號的采集與發布本地完成，數據中心僅需存儲該頻道的參數文件;用戶運行客戶端播放器自動遠程下載頻道參數文件，獲取直播源地址并播放節目。該系統高效、靈活，為教育云環境下的資源管理提供了一種新思路。

關鍵詞 分布式;流媒體頻道管理系統;公共教育服務平臺;云教育

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）21-0028-04

1 引言

目前，伴隨著寬帶互聯網的普及、虛擬化技術的成熟及移動互聯網技術的研究進展，云計算獲得蓬勃發展，極大地拓展了信息技術應用范圍，開啟了智能生活的方方面面[1]。該項技術的不斷成熟，使其在教育領域的應用也成為研究熱點[2-4]。教育部在2012年3月發布《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，提出國家教育云基礎平臺將在2015年初步建成，該平臺不僅支持教育云管理服務平臺及資源平臺的部署和應用，而且可以同時向IPv4和IPv6用戶提供教育云服務：首先，要充分整合并利用全國各級教育機構的信息硬件基礎設施，建設布局合理、面向全國開放開源的教育云環境，支撐形成云資源平臺、云基礎平臺及云教育管理服務平臺的分層架構;其次，要推動省市建設地方區域級公共教育服務系統，各個省市要大力建設并建成本區域的公共教育服務平臺，整合利用各個企業的相關服務，從而統一提供學習、資源、管理、平臺等信息化服務[5]。

總體而言，云教育即借助云計算的相關技術，把現有分散的教育資源串聯起來，整合成為共享的教育資源庫[6]。其實質上是將以往教育信息化中建立的集中化管理模式及資源進行整合，建立公共的IT服務及資源應用的平臺。然而在資源管理方面存在一些亟待解決的難題[7]：教育云的建設將逐步讓全國從宏觀（教育部門管理信息）到微觀（個體學生檔案信息）的各類教育數據匯聚集中，這些教育數據之中也包含所有者不愿意和別人分享的內容，比如版權信息等。因此，數據資源管理層面必須考慮什么樣的數據適合第三方托管，什么樣的數據必須保存在教育機構內部[8]。

這就需要構建新的資源管理體系與方法，以一種合理的、標準的、安全的方式實現教育資源的共享，實現各級學校及教育研究機構“無私”共享其優質教育資源，[9]。

本文提出一種基于分布式的資源管理系統實現方法，將資源的本地注入與頻道信息分布式管理相結合，實現資源共享模式的創新。首先給出分布式的流媒體直播頻道管理系統的設計思路，然后介紹該系統的具體實現過程，最后總結目前研究所取得的成果及其應用價值，并給出下一步的研究方向。

2 分布式的流媒體頻道管理系統設計

系統概述? 本文構建的分布式流媒體直播頻道管理系統是在傳統集中式的流媒體直播頻道管理方法的基礎上提出的一種分布式管理的思想。該系統基于可擴展的系統結構，直播負荷由多臺流媒體服務器共同分擔，同時能遠程將分布于不同地區的直播源地址統一寫入一個頻道列表配置文件（channels.conf）中，用戶只需打開播放器即可自動更新頻道列表，其工作流程如圖1所示。系統管理的基本流程描述如下。

步驟一：管理員訪問頻道管理平臺，經身份驗證后，將新增頻道的元數據寫入頻道管理服務器上的channels.conf文件中。

步驟二：終端播放器運行后，自動從遠程頻道管理服務器上下載channels.conf文件，通過文件中元數據的引導，獲取直播源內容并播放。

系統設計考慮具備如下優勢。

1）分布式的頻道管理可以分擔存儲負荷：利用HTTP URI確定頻道列表的存儲信息，在克服集中式存儲模式中單個存儲服務器容量瓶頸的同時，提高系統的可用性、可靠性及可擴展性。

2）實現頻道的管理不再受時空局限，不需要在資源存放的數據中心即可完成直播節目的增添刪改，具有很大的操作靈活性。

3）結合P2P架構，針對諸如體育賽事現場直播、突發事件新聞發布會直播等實時性要求比較高的節目發布，具有很大優勢。

4）解決了視頻發布中的版權疑慮：傳統的頻道管理需要把視頻源文件集中匯總到數據中心服務器上，然而這個涉及視頻版權問題;而運用本文的方法，數據中心并不存放資源，而是存放頻道列表，視頻資源直接本地發布，從而有效保護視頻資源的版權。

系統過程定義? 根據上述流程定義以下過程，如圖2所示。

1）直播流的發布過程，指視頻發布主機將采集設備采集到的直播源進行分片、流化處理，接著將直播頻道參數信息通過網絡傳到數據中心頻道管理服務器中。將視頻發布到網絡中時，所述直播頻道信息包括直播流地址，一般還包括相關配置信息，如視頻的編碼碼率、音頻的編碼碼率、編碼格式，是可通過軟件捕獲視頻采集設備所采集到的視頻，并且通過HTTP協議將視頻發布到網絡中的過程。圖2中，主機A、B為視頻發布主機，分別用于發布捕獲的直播節目，設主機A發布了節目A，主機B發布了節目B。

2）頻道列表的遠程添加過程，指視頻發布主機遠程訪問位于數據中心的頻道管理服務器，經過身份驗證之后，將所發布的直播頻道參數寫入頻道管理服務器的頻道列表中，并可通過Web遠程訪問方式，將已發布的直播流地址等參數寫入數據中心頻道列表中。圖2中，主機A、B分別將已發布的直播流地址等參數寫入頻道管理服務器管理的數據中心頻道列表。頻道管理服務器一般設置在遠程數據中心。實施例中，頻道管理服務器管理的數據中心頻道列表采用一個文件名為channels.conf的文件保存，具體實施時，管理人員可自行設定具體文件名。

3）頻道列表的遠程下載過程，指視頻播放主機根據指定HTTP URI精確確定數據中心的頻道管理服務器上直播頻道列表所在的位置，并且自動從遠程的數據中心頻道管理服務器上下載直播頻道列表至視頻播放主機本地，實現直播頻道列表的更新?？蛻舳瞬シ牌鬟\行內嵌的程序，通過HTTP協議自動將遠程數據中心頻道管理服務器上的頻道列表下載到本地主機上。圖2中，主機C是視頻播放主機，從頻道管理服務器上下載最新的頻道列表，使用主機C的用戶選擇節目A即與主機A進行通信，選擇節目B即與主機B進行通信。

以上過程綜合實現頻道管理，視頻發布主機和視頻播放主機采用計算機、智能便攜設備等，頻道管理服務器可采用現有服務器技術實現。

3 分布式流媒體頻道管理系統的實現

系統框圖? 系統由直播采集模塊、頻道管理模塊、視頻播放模塊等組成。其中，直播采集模塊完成直播信號的采集與發布;頻道管理模塊完成頻道信息的新增與刪除;視頻播放模塊完成頻道信息的解析與直播信號的播放，如圖3所示。

系統實現步驟? 利用現有技術中開源的ffmpeg庫捕獲實時直播源，通過其自帶的音頻/視頻編解碼庫libavcodec

來對直播源進行錄制、轉換以及流化處理，然后發布到網絡中。在分布式對直播頻道進行管理過程中采用PHP+Apache

技術，PHP為超文本預處理語言Hypertext Preprocessor，Apache是世界使用排名第一的Web服務器軟件。將PHP腳本語言嵌入HTML Web頁面中，以實現對頻道列表配置文件（即實施例中channels.conf）的動態添加、刪除等操作。通過Apache Web服務器，將寫好的Web頁面發布到網絡中，實現遠程對channels.conf的讀寫操作。最后通過HTTP URI

精確定位channels.conf所在的位置，并且自動從遠程下載最新的頻道列表。系統構建在Linux環境下，采用PHP+

Apache實現的頻道管理系統、C語言實現的網絡播放器。

1）直播流的發布過程。在Linux命令行中通過Linux shell腳本語言來調用ffmpeg庫，利用ffmpeg庫自帶的音頻/視頻編解碼庫libavcodec來對直播源進行錄制、轉換以及流化處理;然后通過調用ffmpeg庫里面的ffserver將直播流以HTTP方式發布到網絡中，實現將直播頻道參數通過網絡傳到遠程數據中心頻道管理服務器上。

2）頻道列表的遠程添加過程。在頻道列表的遠程添加過程中，首先通過PHP嵌入式腳本語言定義身份驗證功能。用戶通過Web訪問時，在正確輸入用戶名和密碼，經過身份驗證之后即登錄進入直播頻道管理系統。接著在直播頻道管理系統中進行直播頻道重名檢測，檢測系統中是否已有相同名稱的頻道。若無重名頻道，則直接將新增頻道名稱及相關直播頻道信息寫入頻道管理系統的channels.conf文件中;若已存在同名頻道，則須修改頻道名稱后，將其寫入頻道管理系統的channels.conf文件中。channels.conf

文件詳細信息如下：

其中CCNU-Nercl-01代表頻道的名稱（播放器運行效果如圖4所示）;AudioCodec代表音頻編碼方式;Audio-Channels為聲道數;SampleRate為采樣率;VideoCodec為視頻編碼方式;Width、Height分別表示視頻的寬度和高度;Ratio代表視頻的寬高比;Bitrate代表視頻碼率;Launch-

String中的-c參數表示每秒節點能發送的視頻塊數量，-b、-o分別代表輸入、輸出緩沖區大小，-i表示視頻源的IP地址，-p表示視頻源的端口號。

待直播視頻流的IP地址及端口號寫入channels.conf頻道配置文件之后，channels.conf頻道配置文件即通過Apache服務器發布到網絡中。

3）頻道列表的遠程下載過程。用戶在客戶端打開播放器后，自動激活播放器內嵌的遠程下載程序，該程序通過HTTP URI確定直播頻道列表的準確位置，并從遠程將最新的直播頻道列表下載到本地主機上以供用戶進行頻道選擇。

4 結語

本文提出一種分布式的流媒體直播頻道管理技術，由于分布式將數據分散地存儲于多臺獨立的機器設備上，并不需要將自己的物理資源貢獻出去，克服了教育云平臺數據共享機制中存在的缺陷，提高了云平臺的可靠性、可用性及可擴展性。實施案例實驗結果表明，該技術方法易于實現，且管理靈活高效，具有較高的實用價值。下一步研究工作的重點為該技術與教育云的結合，以發揮各自的技術優勢，構建出具有較高網絡適應性和延展性的教育云平臺架構，使得這種架構能滿足大規模用戶的并發訪問，同時可以進行無限擴展，從而發揮更大的實用價值。

參考文獻

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[8]盧蓓蓉，任友群.中國教育信息化的云中漫步：教育云建設的困境及探析[J].遠程教育雜志，2012（1）：62-67.

[9]祝智庭，姜昌華.教育云開啟泛在學習之門[J].中國教育網絡，2011（6）：16-17.

*項目來源：2015年度福建省電化教育館教育信息技術課題“基于技術條件下信息技術體驗式教學研究”（項目編號：KT15017）。

作者：王君黛，福建省廈門第一中學，研究方向為移動學習與教育云服務（361003）。