基于云部署的在線直播教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張丁

摘 要 隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，在線教育行業(yè)開始蓬勃發(fā)展。目前的在線教育平臺缺少傳統(tǒng)的面授式培訓(xùn)教學(xué)模式中的學(xué)習(xí)研究氣氛、一對一交流和學(xué)員之間共同進(jìn)步的機(jī)會(huì)。所以，在一般的在線教育平臺中加入實(shí)時(shí)互動(dòng)元素必是大勢所需。本文通過使用 VMware vSphere對在線直播教育系統(tǒng)進(jìn)行云部署，以此提高數(shù)據(jù)計(jì)算和推流效率來實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的互動(dòng)傳輸效果。

【關(guān)鍵詞】云部署 在線直播 教育系統(tǒng)

近年來，互聯(lián)網(wǎng)與智能手機(jī)迅速普及，4G技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境得到空前改善，反觀傳統(tǒng)線下教育模式，深受傳統(tǒng)因素掣肘的同時(shí)還面臨著人工成本飛漲等挑戰(zhàn)；同時(shí)，受教育者個(gè)性化需求也導(dǎo)致教學(xué)模式逐步向小班及精英課程轉(zhuǎn)型，互聯(lián)網(wǎng)在線教育呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢。國外各大互聯(lián)網(wǎng)教育平臺或推出產(chǎn)品或獲得融資，國內(nèi)在線教育亦是百花齊放。可縱觀現(xiàn)下各系統(tǒng)，均以資源提前錄入后學(xué)生依據(jù)需求回放作為主要教學(xué)形式，教學(xué)性有余而互動(dòng)性不足，且產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重。如何創(chuàng)新出流暢度高、時(shí)延性低、互動(dòng)性強(qiáng)、更適宜當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及客戶需求的在線教育系統(tǒng)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問題。

一般的在線教育系統(tǒng)卻缺少傳統(tǒng)的面授式培訓(xùn)教學(xué)模式中的學(xué)習(xí)研究氣氛、現(xiàn)場教學(xué)、一對一交流和學(xué)員之間共同進(jìn)步的機(jī)會(huì)。所以，在一般的在線教育系統(tǒng)中加入實(shí)時(shí)互動(dòng)元素必是大勢所需。促進(jìn)學(xué)員之間以及學(xué)員與教師之間的交流，學(xué)員之間可以相互取長補(bǔ)短，交流學(xué)習(xí)心得，學(xué)員對知識點(diǎn)的掌握印象更加深刻并增加了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)員之間共同進(jìn)步。而教師與學(xué)員之間的互動(dòng)交流，使得教師能清楚的了解到學(xué)員的學(xué)習(xí)進(jìn)展以及教學(xué)側(cè)重的重難點(diǎn)，使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

1 在線直播技術(shù)

在線直播的主要技術(shù)核心是流媒體推送，而RTMP協(xié)議在這方面使用最為廣泛且高效。在國內(nèi)，主流的直播網(wǎng)站，如斗魚、映客、YY秀、虎牙等都在使用RTMP協(xié)議。RTMP在視頻直播推流上雖然有天然的優(yōu)勢，但是國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬較之發(fā)達(dá)國家仍然處于落后階段，所以必須借助云服務(wù)器來提高計(jì)算和處理能力，從而在一定程度上減少數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)間。近幾年國內(nèi)使用較多的云部署技術(shù)是iVirtual和vSphere，iVirtual是vcenter的進(jìn)化版，但是由于底層更新節(jié)奏緩慢，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)今的大數(shù)據(jù)環(huán)境，被逐漸淘汰。而vSphere開放了WebService接口，面向廣大開發(fā)人員，集思廣益，在這種氛圍下，它的發(fā)展越來越成熟，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在引入了虛擬化層，而且卸載率越來越高，目前國內(nèi)主流的服務(wù)器租借公司如云海、浪潮等都在使用vSphere部署云服務(wù)。而在國外，vSphere的使用也已經(jīng)到了如火如荼的地步，oracle首先啟用了linux虛擬機(jī)遷移，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到vSphere上，其他的IT公司如Microsoft、IBM、Apple等也在vSphere技術(shù)上有創(chuàng)新和改進(jìn)。

通過云部署的方式，將服務(wù)器移植到云中，利用云庫中集成一體化的數(shù)據(jù)管理功能來實(shí)時(shí)處理視頻流，既能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又能減少租用服務(wù)器的成本。如果使用基于vSphere的技術(shù)將系統(tǒng)部署在阿里云上，vSphere的優(yōu)勢在于它可以直接安裝在物理服務(wù)器上，運(yùn)行后形成虛擬層為終端云服務(wù)器提供訪問通道，其次它在數(shù)據(jù)安全管理、高可用性上也提供了可靠的保障。部署時(shí)使用的組件為Vmware ESX/ESXi Serve，這套組件對于vSphere的技術(shù)支持完善，同時(shí)能將IT資源組織集群，提高利用率。

2 云部署研究

使用云部署可以將系統(tǒng)部署在云端，利用云庫的計(jì)算和存儲能力縮短處理時(shí)間，這對于解決在線直播平臺的多人同時(shí)在線引起的并發(fā)和縮短數(shù)據(jù)推流時(shí)間具有重要意義。vSphere已擁有成熟的核心技術(shù)。使用它來進(jìn)行云部署，有利于ESXi集群，并在集群中配置和啟用功能，功能生效后可以在ESXi中進(jìn)行調(diào)度和協(xié)調(diào)，因此在構(gòu)建虛擬化系統(tǒng)平臺和簡化維護(hù)人員工作量上有著非常明顯的優(yōu)勢。

更快地交付更多的服務(wù)，并提供更大的靈活性，這是vSphere的宗旨。目前國內(nèi)主流的基于vSphere的部署技術(shù)有VMware，VMWare Server能夠?qū)μ峁┮恍┗镜膶τ谠破脚_中主機(jī)、虛擬機(jī)和存儲使用情況的統(tǒng)計(jì)。同大多數(shù)云部署方式不同，vSphere的部署方式并不繁瑣，甚至已經(jīng)被簡化為oneLine，只需要做好系統(tǒng)備份和遷移即可，如果中途出現(xiàn)故障，也會(huì)打印詳細(xì)的日志，如圖1所示。

為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要為云服務(wù)器配備一臺備份服務(wù)器，性能與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相近。在正常工作狀況下，承擔(dān)數(shù)據(jù)庫備份工作；在云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失或者損壞時(shí)可以擔(dān)負(fù)期數(shù)據(jù)庫恢復(fù)的功能，保證系統(tǒng)順利運(yùn)行。存儲空間使用NAS在線存儲，同時(shí)配置自動(dòng)帶庫，實(shí)現(xiàn)離線存儲。

系統(tǒng)遷移的過程即系統(tǒng)虛擬化的過程，考慮到系統(tǒng)存儲的大小問題，在前期我們進(jìn)行虛擬機(jī)容量規(guī)劃和運(yùn)行內(nèi)存評估。通常情況下，可以按照圖2來計(jì)算所需。

在估算虛擬化的容量時(shí)，在只考慮CPU的情況下，可以將物理CPU與虛擬CPU按照1：4～1：10甚至更高的比例規(guī)劃，例如一臺物理的主機(jī)具有4個(gè)8核心的CPU，在內(nèi)存、存儲足夠的情況下，按照1：5的比例，則可以虛擬出4×8×5=160個(gè)vcpu，假設(shè)每個(gè)虛擬機(jī)需要2個(gè)vcpu，則可以創(chuàng)建80個(gè)虛擬機(jī)。在系統(tǒng)中，大多數(shù)虛擬機(jī)對CPU的要求并不是非常的高，即使為虛擬機(jī)分配了4個(gè)或更多的CPU，但實(shí)際上該虛擬機(jī)的CPU使用率只有10%以下，這時(shí)候所消耗的物理主機(jī)CPU資源不足0.5個(gè)。

其次，系統(tǒng)對內(nèi)存占用是最大、要求最高的，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，物理主機(jī)的內(nèi)存會(huì)接近80%甚至90%，因?yàn)樵谕晃锢碇鳈C(jī)上，規(guī)劃的虛擬機(jī)數(shù)量較多，而且每個(gè)虛擬機(jī)分配的內(nèi)存又較大（總是超過該虛擬機(jī)實(shí)際使用的內(nèi)存），所以會(huì)導(dǎo)致主機(jī)可用內(nèi)存減少。因此，每個(gè)虛擬機(jī)需要的內(nèi)存在1GB～4GB甚至更多，還要為VMware ESXi預(yù)留一部分內(nèi)存。所以至少需要配置4個(gè)8核心CPU的主機(jī)， 96GB甚至更高的內(nèi)存，或者配置2個(gè)6核心CPU的主機(jī)， 32～64GB內(nèi)存。

在構(gòu)建虛擬化系統(tǒng)平臺并驗(yàn)證其可用性之后，就可以進(jìn)行物理到虛擬的遷移操作，及P2V操作，這樣在線實(shí)時(shí)視頻平臺和所有從屬于其中的數(shù)據(jù)都能通過虛擬化的方式移植到云庫當(dāng)中。數(shù)據(jù)遷移的過程類似存儲空間的遷移，即從物理服務(wù)器本地硬盤和存儲陣列遷移到云庫中的存儲陣列間，同時(shí)保證運(yùn)行層不變，原理如圖3所示。

3 在線直播教育系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)

視頻直播網(wǎng)站最大的問題就是網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題，以同時(shí)在線用戶量大約為5000為例，就意味著帶寬接近1G。而國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商較多，部分用戶在電信，部分用戶網(wǎng)通，還有移動(dòng)和聯(lián)通?？紤]到各種用戶網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需要做跨運(yùn)營商處理，這樣問題很多，網(wǎng)速也比較慢。一般這樣只有兩種解決方案，一種是購買多線機(jī)房，另外一種就是使用比較穩(wěn)定的云服務(wù)器?？紤]到成本問題，我們決定使用阿里云的CDN服務(wù)，將內(nèi)容分發(fā)至最接近用戶的節(jié)點(diǎn)，使用戶可就近取得所需內(nèi)容，提高用戶訪問的響應(yīng)速度和成功率。解決因分布、帶寬、服務(wù)器性能帶來的訪問延遲問題，解決跨運(yùn)營商、跨地域全網(wǎng)覆蓋的音視頻分發(fā)的問題。

系統(tǒng)中涉及到的資源文件的存儲管理，如導(dǎo)師講義，錄制視頻，以及實(shí)時(shí)互動(dòng)時(shí)用戶發(fā)送的圖片、音頻等?？紤]到上傳下載流量在網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響，使用oss對象存儲服務(wù)來保證用戶的在線預(yù)覽速度的同時(shí)，也能減少服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

系統(tǒng)中即時(shí)消息模塊使用云數(shù)據(jù)庫Redis作為臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲，以消息隊(duì)列的形式存在，作為內(nèi)嵌的List存在，可有效應(yīng)對流量突起，滿足實(shí)時(shí)的高并發(fā)高性能需求。如圖4所示。

系統(tǒng)服務(wù)端、PC版和后臺管理系統(tǒng)則使用.NET+MYSQL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，采用流行的B/S架構(gòu)，并提供友好合理的用戶交互界面。

Android使用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，IOS使用Object-C語言進(jìn)行開發(fā)。服務(wù)端通過WEBAPI給所有客戶端（PC端、IOS端、Android端）提供接口，保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯處理的統(tǒng)一性。

視頻流的處理使用開源的nginx-rtmp-module來搭建RTMP流媒體服務(wù)器，可以高性能的并發(fā)大量連接。

4 結(jié)論

在線直播教育系統(tǒng)在使用VMware/EXSi組件封裝的vSphere底層核心部署到云端進(jìn)行運(yùn)作后。充分利用云計(jì)算和處理能力，縮短數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時(shí)間，提高直播流暢性，減少人工維護(hù)成本。對用戶觀看直播的時(shí)延性、流暢性上起到了明顯的優(yōu)化效果。

參考文獻(xiàn)

[1]楊現(xiàn)民，田雪松.互聯(lián)網(wǎng)+教育：中國基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)[M].電子工業(yè)出版社，2016-08-01.

[2]鄭勤華.互聯(lián)網(wǎng)+教育：中國MOOCs建設(shè)與發(fā)展[M].電子工業(yè)出版社，2016-08-01.

[3]Michael J. Kavis（邁克爾·J·凱維斯）.讓云落地：云計(jì)算服務(wù)模式（SaaS、PaaS和IaaS）設(shè)計(jì)決策[M].電子工業(yè)出版社，2016-03-01.

[4]Tom White.Hadoop權(quán)威指南（第3版 修訂版）[Hadoop： The Definitive Guide，3rd Edition][M].清華大學(xué)出版社，2015-01-01.

[5]李亞，武潔，黃積武，黃碩.直播：平臺商業(yè)化風(fēng)口 社交網(wǎng)絡(luò)的盈利故事[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016-09-01.

[6]黃海林.視頻革命 重新定義電商[M].電子工業(yè)出版社，2016-07-01.

[7]梁森山.3D教育藍(lán)皮書[M].人民郵電出版社，2016-12-01.

[8]曹雨.虛擬實(shí)境狂潮：從購物、教育到醫(yī)療，VR/AR商機(jī)即將未來的十大產(chǎn)業(yè)！[M].商周出版社，2016-10-08.

[9]胡衛(wèi)夕，胡騰飛.VR革命：虛擬現(xiàn)實(shí)將如何改變我們的生活[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016-11-01.

[10]虛擬化與云計(jì)算小組.云計(jì)算寶典――技術(shù)與實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2011-09-01.

作者單位

湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省武漢市 430068