作者：杨炳华，何俊颖
来源：《中国新通信》 2018年第16期
杨炳华 何俊颖 云南开放大学（云南国防工业职业技术学院）
【摘要】 视频互动直播是一种更有效的远程在线教学方式，对教学效果有显著提升。本文分析了当前互联网视频远程教学的发展现状，从视频直播技术角度出发，分析了视频互动直播教学平台中低延时、抗抖动等关键技术需求，研究了开展视频互动直播教学的难点，结合 RTMP、WebRTC、CDN 等关键技术发展情况，提出了一种通用、大型教学直播网络平台的设计方案，并针对如何提高系统实时性、通用性提出优化建议和措施。 【关键词】 视频互动直播 直播教育 在线视频教育 远程教育
一、引言
近年来，互联网进入了以视频为主的网络视频时代，网络视频的发展也推动了在线教育的变革，各大高校积极发展视频公开课、MOOC 和在线学习平台，众多互联网企业也纷纷跨界进入了在线教育领域。
与点播和单主播直播相比，可互动的直播教学由于交互性更强，可更好地促进教育资源均衡、扩大教育受众范围、提高教学效率等优势。艾瑞咨询发布的《2017 年中国直播互动教育行业研究报告》 [1] 指出，直播互动教育在完成率和学习效果方面更突出，从政策、经济、社会、技术等各方面环境分析来看，互动直播教学业务的需求强烈、技术趋于成熟，将在近两年得到顺势而为的发展 6。本文的研究对象是互联网环境下开展多点实时视频互动直播教学的相关技术，旨在通过研究如何高效的开展远程互动直播教学，推进和优化远程教育教学的效果。
二、 视频教学的现状及需求l型匹配
2.1 视频教学的现状
视频教学是互联网视频技术的一个应用分支，与新闻、娱乐、体育等领域共享基础技术，其技术本质就是网络视频技术，分为视频点播、视频直播两种方式，视频直播又分为单主播直播和互动直播。目前应用最成熟的视频教学是采用视频点播的模式，视频点播充分应用了流媒体[2] 、内容分发网络（CDN）[3] 、P2P 网络 [4]等技术，技术成熟、用户体验好，用户可自由反复观看，但缺乏和实时性、互动性。 2016 年以来，直播技术得到大力发展，非互动的单主播直播也在视频教学得到大力发展，突破了点播教学实时性不足问题，但仍缺乏教学所需的互动性。所谓视频互动直播是指参与各方可进行实时
音视频互动，类似多方视频会议，技术难度大、实现成本高，但它很好的还原了现实教学的场景，成为当前远程视频教学的重要趋势和发展方向。目前一些主流视频会议系统具备互动直播功能，如宝利通视频会议系统[5] 、TeamViewer 远程会议 [6] 、好视通 [7]等，但普遍存在投资较高、基于硬件实现、不完全适用于教学的问题。
2.2 视频互动直播教学的需求
教育的本质在于“交互”，视频互动直播教学提供了及时、有效的交互途径 , 极大提高了远程教学的效果。从视频直播技术角度出发，其基本需求包括：
1、 支持多方音、 视频实时互动。 在视频互动直播场景中，数十人同时进行视频互动是没有意义的，因此切实有效的视频互动直播中，一个直播间只有 1 名主播用户，参与视频互动的用户限制在 10 人以内即可。
2、低延时，音视频延时应在 1 秒左右。自动检测系统
3、支持普通互联网接入条件，广大网络用户的宽带接入条件均可接入学习。
4、支持弱网环境，具备一定抗网络抖动能力，支持一定限度弱网环境使用。
5、无需专业硬件设备，用户使用普通 PC、摄像头或手机等通用设备即可。
6、支持大规模用户以非互动形式参与直播观看，远程直播教学的本质是面向分散区域、不同人提供多人在线教育服务，宏观目标是一定程度上打破教育资源不均衡问题，因此需要支持多人参与学习。
除上述视频直播角度需求外，还应支持教学课件、资料共享、 问卷调查、 提问、 电子白板、 学习行为统计等教学功能。
三、视频互动直播教学的难点
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3.1 网络环境因素
互联网的各种限制给视频互动直播带来了极大障碍，表1 中 1.1、1.2 是开展视频互动直播的基本必要条件，即系统应尽量支持低速、弱网环境，确保更多人参与，但个别极端恶劣网络环境除外。除带宽、速率外，绝大部分互联网用户都是通过 NAT[8] 方式接入公网，没有固定公网 IP 且受防火墙限制，导致一些成熟流媒体协议无法工作。同时，还必须充分考虑协议、平台的兼容性，满足更多接入用户。
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另一方面，传统 CDN 加速提高了用户获取资源的速度，但并不关注内容本身的实时性，不再适用于互动直播场景。
3.2 音视频因素
视频互动直播要求交互各方间保持较高的实时性，从用户体验来看，各方音视频的最佳延时应低于 400ms，2s 内尚可勉强交流，超过 3s 则完全不能用于正常交流。而音视频本身数据量较大，且为连续性数据，对于互联网传输有较多困难。此外，还需要确保音视频的同步和音效问题。同步是指音频、视频之间的同步，以及多用户交互时多个音视频流顺序的同步；音效问题指由于用户端设备参差不齐，当一个端出现回声、噪音问题时，将导致所有人无法正常收听。
四、关键技术
4.1 流媒体服务
流媒体服务是指以流的形式在网络中连续传送音频、视频和多媒体信息，用户不需要等待整个文件下载完毕，可边下载边观看，大大提高服务器、网络的性能。流媒体服务是点播、直播的核心应用，主流的流媒体服务平台有 Red5、Flash Media Server、Wowza Streaming Engine、Simple-RTMP-Server、EasyDarwin、Live555 等。
4.2 流传输协议
流传输协议是指用于传输流媒体信息的协议，如RTSP [9] 、RTMP [10] 、HTTP 等，目前互联网直播使用最广泛的是 RTMP 和 HTTP。HTTP 并非专用于流媒体传输，但为追求互联网的通用性，迫使行业将流媒体改造为可基于 HTTP封装传输，典型的有 HLS（HTTP Live Streaming）、HTTP-FLV，分别是 Apple、Adobe 公司制订的标准。此外，为满足近年来对浏览器端到端的通讯需求，出现了 WebRTC、WebSocket 等协议，也被大量应用于流媒体传输中。
下面是三个最常用互联网流传输方式的对比。
4.3 推流
推流即把采集封装好的内容使用流传输协议上传到服务器的过程，是主播向观众发布流媒体信息的主要过程，需要良好的网络环境，若上行网速太低或网络抖动严重，直播效果会很差。因此推流方必须拥有良好的网络环境，选择稳定可靠的传输协议，目前优先选用 RTMP 协议。可以使用专用推流软件（如 OBS），也可将推流功能集成到浏览器中实现。
4.4 拉流
拉流是指观众通过流传输协议向服务器请求并获取流信息的过程，拉流是用户端的下行过程，通常采用 HTTP-FLV为主、HTTP-HLS 为备的方案，以确保兼容性和实时性，同时避免了客户端因不支持 Flash 而无法播放。
4.5 CDN
传统 CDN 基于树形网络拓扑，依赖于 Cache 系统，中心节点存储所有副本，向下逐级减少，边缘节点配置少量Cache 并命中大部分 CDN 访问请求，这样不仅降低了 CDN网络成本，也符合 CDN 用户业务需求。但在直播系统中，数据是流式的，2 秒前的视频流资源已经没有意义，需要及时释放，另一方面传统 CDN 无法保障资源分发过程中的实时性。
因此需为互动直播设计一套有效的 CDN 网络，它对Cache 要求不太高，但对实时性要求非常高，满足互动直播的延时要求，且支持主流的流媒体协议。
4.6 WebRTC
WebRTC（ 网 页 即 时 通 信，Web Real-TimeCommunication）是一个开源项目，2011 年成为 W3C 标准，主流浏览器支持程度较高。WebRTC 内置了优秀的编解码和回声消除能力， 其底层基于SRTP和UDP， 弱网支持能力更强，通信双方延时较低，比较适用于视频互动直播。其缺点是欠缺 CDN 支持，视频互动路数有限（超过 8 路效果不佳）。
4.7 H.265
H.265 [12] 是 ITU-T VCEG 继 H.264 之后所制定的新的视频编码标准，压缩效率、鲁棒性有较大提高，实时时延、复杂度大幅降低，在同等图象质量下，H.265 编码的视频大小比 H.264 少约 39-44%，大大降低了网络传输压力，对于直播系统有显著效果。
目前，由于 H.265 尚未全面普及，鉴于此，需要进行实际应用环境评估， 原则上若具备条件， 应无条件使用 H.265。
内胎硫化机 五、平台设计方案
为实现多人互动、 多人参与的大规模视频互动直播教学，系统应基于集部署， 并改造CDN网络， 从采集、 推流、 集、CDN、拉流、播放各环节分别着手优化设计，以实现低延迟、通用的直播互动体系。源端推流、核心网、末端播放是核心关键点。
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5.1 源端推流
RTMP 技术成熟、延迟小，但网络穿透性差，适用于单主播场景。视频互动直播系统中存在多个视频源，需要兼具低延迟和兼容性，更好的方案是利用 WebRTC 实现推流，推流到服务器端后，由服务器端进行混流、转码，虽然服务器端转码产生了一定延迟，但它减少了其它客户端下行路数，同时对多观众提供较好支持。
5.2 核心网
单台服务器本身计算能力、网络带宽是有限的，大型视频互动直播系统必然需要采取多机集部署方案，因此需要解决多台服务器之间如何高速同步流媒体，以及如何优化其CDN 架构。核心网确保流
媒体服务器之间建有稳定、可靠的网络，服务器间通过快速 RTMP 实现流媒体同步，利用流媒体集节点代替传统 CDN 节点，即节点间通过 RTMP 同步。以满足互动直播系统分发内容的实时性，快速过期性。
以 SRS 为例，下列配置实现将指定 vhost 下的流信息分发到指定的服务器。
vhost __defaultVhost__ {
forward 11.11.11.11:19350;
forward 22.22.22.22:19350;
}
为保障高可用，系统需识别当前在网用户的接入服务器分布情况，只在有用户的部分服务器内进行 RTMP 同步，不将流媒体分发到没有用户连接的服务器。
此外，系统必须提供存储及回放支持，一方面满足相关法规对直播内容存档的要求，另一方面教育直播资源是宝贵的教学素材，应存档并提供点播学习需求。
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