文/劉沂訓 刑躍林

中國教育資源的配置長期存在著地區(qū)差異化問題，由于東西部經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，東西部教育資源的不匹配問題更為嚴重，這種情況對基礎(chǔ)教育來說更加突出。而就高等教育而言，目前許多高等院校校區(qū)分散，教育資源也同樣存在失衡問題。例如，山東大學在濟南有6個校區(qū)，青島和威海各有1個校區(qū)，使得教師為了上課不得不在各校區(qū)之間輾轉(zhuǎn)，既耽誤了寶貴的時間和精力，又浪費了有限的公共資源。

網(wǎng)絡(luò)課堂是緩解教育資源地域差異化問題的有效手段之一。網(wǎng)絡(luò)課堂基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的遠程在線互動培訓課堂，系統(tǒng)一般采用音視頻傳輸以及數(shù)據(jù)協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，模擬真實課堂環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)給學生提供有效的培訓環(huán)境。

因此，山東大學網(wǎng)絡(luò)與信息中心針對網(wǎng)絡(luò)課堂的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于IPv6的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)大講堂系統(tǒng)平臺，具有以下特點：1. 系統(tǒng)采用音視頻和數(shù)據(jù)全交互設(shè)計，通過架設(shè)分布式網(wǎng)絡(luò)課堂服務器群，允許分布在各校區(qū)的教師和學生通過網(wǎng)絡(luò)參加實時課程，并參與討論；2. 系統(tǒng)面向大規(guī)模式應用進行設(shè)計，單臺服務器可以支持500以上學習終端同時接入；3. 系統(tǒng)支持分布式部署架構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲和學生地域分布情況在各校區(qū)架設(shè)二級服務器系統(tǒng)，可以使網(wǎng)絡(luò)課堂能夠進行大規(guī)模的擴展。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)大講堂基于C/S架構(gòu)，采用分布式服務器集群的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由一組位于中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主服務器系統(tǒng)和若干位于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式服務器構(gòu)成。通過在不同區(qū)域部署分布式服務器，利用區(qū)域內(nèi)的快速交換網(wǎng)絡(luò)，分擔主服務器系統(tǒng)的訪問和多媒體交換壓力，使網(wǎng)絡(luò)課堂系統(tǒng)實現(xiàn)了就近登錄、負載均衡和災難恢復的能力。

這種分布式部署的互動課堂服務器集群，在系統(tǒng)中以資源的形態(tài)存在，主要提供共享的客戶連接資源、網(wǎng)絡(luò)教室（D_Room or C_Room）資源、共享的數(shù)據(jù)資源和預設(shè)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源等。

系統(tǒng)中的資源管理服務器負責上述資源的管理和調(diào)度，可以將實時課堂服務器加入云資源來統(tǒng)一管理，并共享給網(wǎng)絡(luò)以統(tǒng)一資源調(diào)度。資源管理服務器負責加入云的服務器資源的監(jiān)控，運轉(zhuǎn)正常的服務器在資源列表中被標記為可用，失效的服務器將從資源列表中被標記為不可用，重新恢復運轉(zhuǎn)的服務器可以被重新標記為可用。

管理員可以自由使用云中可用的服務器資源創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)教室（D_Room or C_Room）。網(wǎng)絡(luò)教室的創(chuàng)建邏輯上可以使用任意多個服務器資源。一個邏輯上的網(wǎng)絡(luò)教室（D_Room）則可以跨服務器。不同服務器之間相同ID的網(wǎng)絡(luò)教室之間通過音視頻和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)同步。通過設(shè)置級聯(lián)關(guān)系，允許在多個服務器上創(chuàng)建跨域的級聯(lián)教室（C_Room）。D_Room和C_Room具有主從關(guān)系，主服務器維護邏輯網(wǎng)絡(luò)教室（D_Room）的狀態(tài)，通過分布服務器上的C_Room，轉(zhuǎn)發(fā)主服務器上的各種流（Stream），包括音視頻流、數(shù)據(jù)流、目錄信息和控制信令。

如圖1所示，主服務器負責分布式級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)教室(D_Room &C_Room)的總體狀態(tài)維護，并向分布式服務器發(fā)送指令，通過當?shù)氐腃_Room來執(zhí)行各種實時課堂操作，執(zhí)行實時課堂中的各種控制邏輯，請求和分發(fā)音視頻或者數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)流。

圖1 網(wǎng)絡(luò)大講堂系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)大講堂系統(tǒng)提供的核心服務如圖2所示。其中媒體交換服務是一個音視頻交換的實時引擎，負責客戶端之間音視頻數(shù)據(jù)的實時分發(fā)和同步。Web文檔共享服務負責文檔資料的格式轉(zhuǎn)換、發(fā)布、分發(fā)和同步工作。即時通訊服務允許學生和老師之間通過文字進行交流。流媒體服務提供實時課程直播和錄像資料的點播能力。

系統(tǒng)實現(xiàn)方法

音視頻編碼和傳輸

音頻編碼使用Global IP Solutions （GIPS）公司的超級語音引擎，支持聲學回音消除（AEC）、自動增益控制（AGC）、噪音抑制（NS）、靜音檢測（VAD）和網(wǎng)絡(luò)抖動處理（JitterBuffer）等功能。視頻使用H.264編碼，可以支持高清視頻（720p）。

使用實時傳輸協(xié)議（RTP）和實時傳輸控制協(xié)議（RTCP）進行多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，最大限度地降低因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定而產(chǎn)生的延時。由于語音是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用高優(yōu)先級處理和高優(yōu)先級傳輸處理來保障語音數(shù)據(jù)的優(yōu)先，語音數(shù)據(jù)丟包處理機制采用前向糾錯算法在并不增加很多傳輸延時的前提下可以恢復多達20%的語音數(shù)據(jù)丟包，在惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的使用提供了更可靠的語音質(zhì)量保證。文檔協(xié)作平臺

文檔協(xié)作平臺使用標準化的Http協(xié)議來完成數(shù)據(jù)協(xié)作工作，具有體系結(jié)構(gòu)簡潔、響應速度快、客戶端同步性好及穩(wěn)定性高的優(yōu)點。使用XML語言描述協(xié)同文檔，支持矢量化文檔顯示和標注，不會因為顯示分辨率的不同而導致文檔內(nèi)容及標注的不同。共享文檔支持Office文件本身的高級特性。例如，可以察看Excel文檔的多個sheets，可以利用Excel生成柱狀圖或餅圖等數(shù)據(jù)效果；可以在共享PowerPoint時啟動幻燈播放，如同在真實教室環(huán)境中展示教師的幻燈片，包括幻燈片的動態(tài)效果、插入的聲音片段以及視頻資料等。動態(tài)資源調(diào)度

動態(tài)資源調(diào)度系統(tǒng)提供統(tǒng)一的資源管理，包括分布式網(wǎng)絡(luò)大講堂平臺的管理、系統(tǒng)資源監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)教室管理以及其他管理功能。

1. 實時系統(tǒng)資源監(jiān)控

資源檢測服務提供定時的服務器狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括CPU 占用率、內(nèi)存利用率、網(wǎng)絡(luò)利用率、虛擬教室服務狀態(tài)、虛擬教室通信端口狀態(tài)、虛擬教室連接數(shù)、虛擬教室數(shù)據(jù)端口狀態(tài)等。資源調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)上述服務器狀態(tài)信息對服務器資源進行評估，評估結(jié)果可能為: 可用，受限，不可用。評估方法根據(jù)預定義的評估標準（算法），而且可以根據(jù)需要動態(tài)更新和修正。

2. 網(wǎng)絡(luò)教室預約協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)教室預約協(xié)議（算法）是網(wǎng)絡(luò)教室虛擬化的關(guān)鍵算法，該算法基于基礎(chǔ)架構(gòu)資源信息（可用服務器資源分布、受限情況、網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等），并根據(jù)待預約教室的信息（規(guī)模、時間、用戶分布等）確定該網(wǎng)絡(luò)教室所占用的服務器資源和模式。

3. 動態(tài)資源路由協(xié)議

動態(tài)資源路由協(xié)議（算法）首先是為了解決用戶就近登錄問題，其次是解決臨近服務器不可用時的選擇合適的登錄服務器，最后是為了解決系統(tǒng)的負載均衡問題。動態(tài)資源路由協(xié)議（算法）基于基礎(chǔ)架構(gòu)資源信息（可用服務器資源分布、受限情況、網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等），并根據(jù)用戶當前的位置信息（如IP地址或者網(wǎng)關(guān)信息），確定該用戶的首要服務器和備用服務器，并在用戶登錄服務器時通知該用戶。路由信息將隨著基礎(chǔ)設(shè)施資源的改變而改變。動態(tài)資源路由算法可以保證用戶最近登錄獲得最經(jīng)濟的服務器，維護系統(tǒng)的低能耗和穩(wěn)定性。負載均衡

圖2 網(wǎng)絡(luò)大講堂核心服務

圖3 網(wǎng)絡(luò)教室資源管理界面

負載均衡算法是動態(tài)資源路由算法的一部分。該算法對服務器登錄資源，主干網(wǎng)絡(luò)段帶寬資源設(shè)定預警門限，在達到預警門限時，對與此有關(guān)的服務器資源和帶寬資源設(shè)置較低的選擇權(quán)重，以修正動態(tài)路由算法的服務器優(yōu)選原則，實現(xiàn)負載均衡的目的。負載均衡算法可以幫助系統(tǒng)平衡服務器和網(wǎng)絡(luò)負載，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。災難恢復

圖4 系統(tǒng)客戶端界面

動態(tài)資源監(jiān)測服務將使用獲取實時的服務器和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并主動匹配預約而尚未開始的網(wǎng)絡(luò)教室。如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教室所利用的資源不可用，將啟動智能化資源匹配算法重新安排該網(wǎng)絡(luò)教室所用的服務器資源。在進行中的網(wǎng)絡(luò)培訓中所使用的服務器資源或網(wǎng)絡(luò)資源出現(xiàn)故障變?yōu)椴豢捎?，將會使該服務器服務的客戶服務中斷。系統(tǒng)會實時更新動態(tài)資源路由表，客戶端會自動利用已下載的動態(tài)資源路由表登錄備用服務器。同時，客戶端會重新訪問培訓列表，更新動態(tài)資源路由表。災難恢復機制可以實現(xiàn)虛擬教室系統(tǒng)的自愈，使所用資源中的其他服務器接管不可用服務器所服務的客戶。雖有短時間的服務中斷，但對客戶和培訓的整體影響不大。

系統(tǒng)部署和運行情況

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，分布式網(wǎng)絡(luò)大講堂系統(tǒng)中服務器角色有兩種：主服務器和從服務器。因此，在學校網(wǎng)絡(luò)中心部署了主服務器系統(tǒng)，并在各個校區(qū)分布式地部署從服務器系統(tǒng)。系統(tǒng)部署完成后，首先進行初始化，完成分布式集群中服務器的角色設(shè)置，主服務器角色設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)中心的主服務系統(tǒng)，從服務器角色的虛擬教室服務器設(shè)置為各校區(qū)的從服務器系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)大講堂系統(tǒng)核心面向多處理器架構(gòu)設(shè)計，允許單服務器在不影響視頻質(zhì)量的前提下，單服務器可以支持高達500用戶并發(fā)和超過1500路視頻流的交換，接近系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)能夠支持的極限能力。系統(tǒng)支持當前大多數(shù)硬件平臺，核心線程優(yōu)先保護、數(shù)據(jù)流容錯的設(shè)計思路使系統(tǒng)可以支持7x24小時免維護穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

服務器端的網(wǎng)絡(luò)教室管理界面如圖3所示。教師用戶（擁有山東大學郵箱的教師可以自行注冊教師用戶）登錄系統(tǒng)進入教室管理中心，可創(chuàng)建一個立即開始的即時課堂，也可以預約兩天內(nèi)的教室，或者查看自己預約教室的詳細信息，并可以查看所有課堂的詳細信息。選課學生則可點擊教室管理中心查找課堂并參加或者直接點擊課堂中心相對應的教室門牌號即可進入課堂。

系統(tǒng)客戶端界面如圖4所示。左側(cè)是用戶列表區(qū)，教師可以控制系統(tǒng)中顯示的視頻內(nèi)容，并可以控制學生的發(fā)言權(quán)限。根據(jù)教師和學生不同的需要，客戶端界面也包含預上傳的共享文檔，共享文檔支持大部分文件格式，包括Office文檔、文本、圖片和視頻資料等，也可以共享應用程序界面或電腦桌面。學生可以通過文字區(qū)發(fā)起提問，或者舉手申請語音發(fā)言，與老師直接交流。

基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)大講堂平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，幫助山東大學實現(xiàn)了跨校區(qū)的網(wǎng)絡(luò)教室，使各類課程不再受地域的限制，具有良好的應用效果。同時，網(wǎng)絡(luò)大講堂平臺也適合舉辦超大規(guī)模的各種會議和培訓活動，不僅可以應用在大學教育，對普通教育、企業(yè)e-Learning、 社會教育及其他互聯(lián)網(wǎng)培訓應用都具有很大的價值。