基于消息隊列的多角色多媒體信息交互應用

李俊林 湛輝來

● 引言

近年來，智慧教室的建設如火如荼，在學校的教學活動中，以信息技術為基礎的互動教學不斷展開，但在多人互動教學的場景中，智慧教室存在著較為突出的問題。

一是自動成組功能弱。在很多應用場景中，往往需要各種智能終端或其他多媒體設備依據自身的角色進行分組，以便更好地進行討論和信息分享。而現有方案要么不支持成組功能，要么只能事先將設備固定分到某一個組上，無法實現自動基于設備角色成組的功能。

二是組網靈活性差。在很多應用場景中，往往需要一些多媒體設備能夠動態地加入或退出某個分享群組或子網。而現有方案基本上都是在網絡拓撲結構固定的情況下實現多媒體信息分享的。

針對上述問題，本文提出了一種基于消息隊列的多角色多媒體信息交互技術，即通過消息隊列，將各種異構智能設備解耦，達到靈活組網的目的，并通過角色定位，實現自動成組的功能。

● 系統構成

基于消息隊列的多角色的多媒體信息交互系統，利用無線網絡（WiFi/4G/5G等）和IP有線網絡，以消息隊列、多媒體技術和網絡技術為基礎，實現了系統內各多媒體設備基于角色的自動成組功能和快速的多媒體信息交互功能，具有分組靈活、智能，以及信息交互實時性強的特點，非常適用于教育領域中的智慧型互動教室場景和其他需要實時的多媒體信息交互功能的場景。

該系統由一個服務器、多個業務節點和多個智能終端構成，業務節點可以部署在服務器的同網段中，也可以分布在多個不同的子網中。一個業務節點和多個智能終端組成一個獨立的應用子網。同一應用子網內的成員之間可進行各種音視頻、文件等多媒體信息的分享。多個應用子網之間則需通過服務器來實現多媒體信息的交互。各業務節點和智能終端均具有音視頻編解碼功能，應用子網內成員和應用子網之間均通過消息隊列實現交互。

消息隊列采用發布（Publisher）/訂閱（Subscriber） 模型，消息的發布者或訂閱者為客戶端。服務器上部署消息服務器（Broker），業務節點既為消息隊列的客戶端，以實現和服務器的通信，同時又運行消息服務器（Broker），為應用子網內成員提供消息傳遞服務。而各智能終端上均為消息隊列客戶端。

基于角色的多媒體信息交互技術，使多媒體信息分享者并不需要關心有哪些接收者，只需要專注于信息分享功能。同時，多媒體信息接收者也不需要關心多媒體信息的發送者，只需要專注于信息接收功能。這樣，多媒體信息的分享和接收就能在系統內各設備之間依據角色自由地轉換，從而更好地實現多媒體信息交互的功能。

應用本技術的多媒體信息交互系統的拓撲結構如下頁圖1所示，整個系統由組間互聯的廣域網和多個智能設備構成的應用子網組成。服務器和所有的業務節點通過IP網絡聯接。在每一個應用子網中，均有一個業務節點和多個智能終端。智能終端主要用來發起多媒體信息共享或接收系統中別的設備共享的多媒體信息，向業務節點訂閱自身感興趣的角色并接受業務節點的控制指令。業務節點是一個應用子網中的中心控制節點，它維護本應用子網中的所有智能終端的訂閱信息，控制各智能終端加入或退出某個分享群組，同時，根據本業務節點的需要，向服務器訂閱其感興趣的角色并接受服務器的控制指令。服務器維護各業務節點的訂閱信息，控制各業務節點加入或退出某個分享群組，接收并轉發相關的多媒體信息。

● 自動成組過程

1.局部成組

在一個應用子網中，智能終端設備首先通過CONNECT命令請求和業務節點建立消息隊列連接，當連接建立成功后，再通過SUBSCRIBE命令訂閱自身感興趣的角色。業務節點維護本網絡內所有智能終端的訂閱信息，并根據這些訂閱信息依據角色將智能終端自動分組。如圖2所示，針對角色為“學習小組2”的分享，智能終端1_1、智能終端1_2和智能終端1_4將被分到同一組;而針對角色為“學習小組1”的分享，則智能終端1_3和智能終端1_4將被分到同一組。

2.全局成組

局部成組完成后，業務節點可通過IP網絡向服務器發送CONNECT命令請求和服務器建立消息隊列連接，當連接建立成功后，再通過SUBSCRIBE命令向服務器訂閱本業務子網感興趣的角色。服務器維護所有業務子網的訂閱信息，再結合業務子網自身維護的訂閱信息，就在整個系統依據角色將智能終端自動分組。如圖3所示，針對角色為“學習小組2”的分享，智能終端1_1、智能終端1_2、智能終端1_4和智能終端3_1將被分到同一組;而針對角色為“學習小組1”的分享，則智能終端1_3、智能終端1_4、智能終端3_1和智能終端4_1將被分到同一組。

● 信息分享

根據業務需求，多媒體信息的分享可以分為局部分享和全局分享。局部分享為在同一小組內各設備之間的分享。全局分享為整個系統中各小組間的設備分享。

1.局部分享

在同一應用子網中，有一個業務節點和多個智能終端，業務節點為該網絡里的主設備，運行消息服務器（Broker）程序，而智能終端為該網絡里的從設備，運行消息隊列客戶端程序。當智能終端接入本應用子網后，立即向業務節點發送CONNECT命令用以向業務節點請求建立消息隊列連接。當連接建立成功后，智能終端可通過發送SUBSCRIBE命令向業務節點訂閱自己對哪些角色分享的多媒體信息感興趣。當智能終端已經對這些角色分享的多媒體信息不感興趣時，可通過發送UNSUBSCRIBE命令向業務節點取消先前的訂閱。當然，也可以再次通過發送SUBSCRIBE命令向業務節點訂閱自己對哪些新的角色分享的多媒體信息感興趣。

當在該網絡中有智能設備需要分享多媒體信息時，通過發送PUBLISH命令向業務節點請求分享多媒體信息到目標設備。該PUBLISH命令中的Topic Name字段為本次分享多媒體信息的角色。同時，該PUBLISH命令中還包括本次分享的多媒體信息的類型、該多媒體信息將發送到的組播地址及端口號和一些其他信息如分享的優先級等。業務節點收到智能設備發送的PUBLISH命令后，將提取該命令中的Topic Name字段，得到本次分享的角色信息，查找當前有哪些設備對本次分享感興趣，依次向這些設備發送PUBLISH命令，將本次分享的多媒體信息的類型、該多媒體信息將發送到的組播地址及端口號和一些其他信息如分享的優先級等發送到需要接收本次分享的智能設備上。接收設備根據收到的這些信息，決定是否接受本次分享，如需要接受，啟動相應的多媒體接收程序，到指定的組播地址及端口上接收分享的多媒體信息。

2.全局分享

當業務節點接入系統后，立即向服務器發送CONNECT命令用以向服務器請求建立消息隊列連接。當連接建立成功后，業務節點可通過發送SUBSCRIBE命令向服務器訂閱本節點對其他業務節點的哪些角色分享的多媒體信息感興趣。當業務節點已經對這些角色分享的多媒體信息不感興趣時，可通過發送UNSUBSCRIBE命令向服務器取消先前的訂閱。當然，也可以再次通過發送SUBSCRIBE命令向服務器訂閱自己對哪些新的角色分享的多媒體信息感興趣。

當某個小組內的某個智能終端需要分享多媒體信息時，其在本應用子網中的分享過程如上文局部分享方案所述。如果業務節點確認需要做全局分享，則啟動如下過程：

①在應用子網內接收智能終端發送到指定組播地址和端口號的多媒體信息，將收到的多媒體信息單播至服務器。

②發送PUBLISH命令向服務器請求分享多媒體信息到目標設備。該PUBLISH命令包含本次分享設備的角色、多媒體信息的類型、發向服務器的端口號及分享的優先級等信息。

③服務器收到該業務節點發送的PUBLISH命令后，將提取命令中的Topic Name字段，得到本次分享的角色信息，查找當前有哪些業務節點對本次分享感興趣。同時啟動接收程序，接收分享業務節點所轉發的多媒體信息，并將收到的信息分別單播至對本次分享感興趣的業務節點。然后，依次向這些業務節點發送PUBLISH命令，該命令將包含本次分享設備的角色、多媒體信息的類型、發向該業務節點的端口號等信息。

業務節點接收到服務器發送的PUBLISH命令后，將啟動接收程序，接收服務器所轉發的多媒體信息，并在其應用子網中完成局部分享。

● 結束語

利用消息隊列實現多媒體信息交互的控制協議，將多媒體信息分享源的角色作為信息分享的依據，控制協議簡單、可靠并且開銷小，同時系統內各設備能夠根據自身的角色定位，自動成組，系統內各設備可以很容易地加入或退出某個分享群組。當有設備從一個應用子網遷移到另一個應用子網時，也可以很容易地加入到當前應用子網的分享群組中。同時，網絡負載更小，實時性較好。并且在同一子網中的多媒體信息流均通過組播方式進行傳輸，減小了網絡負載。

參考文獻：

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