摘? 要 針對(duì)現(xiàn)有流媒體系統(tǒng)集中式頻道管理在教育云環(huán)境下存在的管理難題，設(shè)計(jì)一種分布式的流媒體頻道管理系統(tǒng)：直播信號(hào)的采集與發(fā)布本地完成，數(shù)據(jù)中心僅需存儲(chǔ)該頻道的參數(shù)文件;用戶運(yùn)行客戶端播放器自動(dòng)遠(yuǎn)程下載頻道參數(shù)文件，獲取直播源地址并播放節(jié)目。該系統(tǒng)高效、靈活，為教育云環(huán)境下的資源管理提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞 分布式;流媒體頻道管理系統(tǒng);公共教育服務(wù)平臺(tái);云教育

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）21-0028-04

1 引言

目前，伴隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)的普及、虛擬化技術(shù)的成熟及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究進(jìn)展，云計(jì)算獲得蓬勃發(fā)展，極大地拓展了信息技術(shù)應(yīng)用范圍，開(kāi)啟了智能生活的方方面面[1]。該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，使其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)[2-4]。教育部在2012年3月發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，提出國(guó)家教育云基礎(chǔ)平臺(tái)將在2015年初步建成，該平臺(tái)不僅支持教育云管理服務(wù)平臺(tái)及資源平臺(tái)的部署和應(yīng)用，而且可以同時(shí)向IPv4和IPv6用戶提供教育云服務(wù)：首先，要充分整合并利用全國(guó)各級(jí)教育機(jī)構(gòu)的信息硬件基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)布局合理、面向全國(guó)開(kāi)放開(kāi)源的教育云環(huán)境，支撐形成云資源平臺(tái)、云基礎(chǔ)平臺(tái)及云教育管理服務(wù)平臺(tái)的分層架構(gòu);其次，要推動(dòng)省市建設(shè)地方區(qū)域級(jí)公共教育服務(wù)系統(tǒng)，各個(gè)省市要大力建設(shè)并建成本區(qū)域的公共教育服務(wù)平臺(tái)，整合利用各個(gè)企業(yè)的相關(guān)服務(wù)，從而統(tǒng)一提供學(xué)習(xí)、資源、管理、平臺(tái)等信息化服務(wù)[5]。

總體而言，云教育即借助云計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，把現(xiàn)有分散的教育資源串聯(lián)起來(lái)，整合成為共享的教育資源庫(kù)[6]。其實(shí)質(zhì)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(jìn)行整合，建立公共的IT服務(wù)及資源應(yīng)用的平臺(tái)。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(shè)將逐步讓全國(guó)從宏觀（教育部門(mén)管理信息）到微觀（個(gè)體學(xué)生檔案信息）的各類教育數(shù)據(jù)匯聚集中，這些教育數(shù)據(jù)之中也包含所有者不愿意和別人分享的內(nèi)容，比如版權(quán)信息等。因此，數(shù)據(jù)資源管理層面必須考慮什么樣的數(shù)據(jù)適合第三方托管，什么樣的數(shù)據(jù)必須保存在教育機(jī)構(gòu)內(nèi)部[8]。

這就需要構(gòu)建新的資源管理體系與方法，以一種合理的、標(biāo)準(zhǔn)的、安全的方式實(shí)現(xiàn)教育資源的共享，實(shí)現(xiàn)各級(jí)學(xué)校及教育研究機(jī)構(gòu)“無(wú)私”共享其優(yōu)質(zhì)教育資源，[9]。

本文提出一種基于分布式的資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，將資源的本地注入與頻道信息分布式管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源共享模式的創(chuàng)新。首先給出分布式的流媒體直播頻道管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，然后介紹該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后總結(jié)目前研究所取得的成果及其應(yīng)用價(jià)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(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)概述? 本文構(gòu)建的分布式流媒體直播頻道管理系統(tǒng)是在傳統(tǒng)集中式的流媒體直播頻道管理方法的基礎(chǔ)上提出的一種分布式管理的思想。該系統(tǒng)基于可擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，直播負(fù)荷由多臺(tái)流媒體服務(wù)器共同分擔(dān)，同時(shí)能遠(yuǎn)程將分布于不同地區(qū)的直播源地址統(tǒng)一寫(xiě)入一個(gè)頻道列表配置文件（channels.conf）中，用戶只需打開(kāi)播放器即可自動(dòng)更新頻道列表，其工作流程如圖1所示。系統(tǒng)管理的基本流程描述如下。

步驟一：管理員訪問(wèn)頻道管理平臺(tái)，經(jīng)身份驗(yàn)證后，將新增頻道的元數(shù)據(jù)寫(xiě)入頻道管理服務(wù)器上的channels.conf文件中。

步驟二：終端播放器運(yùn)行后，自動(dòng)從遠(yuǎn)程頻道管理服務(wù)器上下載channels.conf文件，通過(guò)文件中元數(shù)據(jù)的引導(dǎo)，獲取直播源內(nèi)容并播放。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮具備如下優(yōu)勢(shì)。

1）分布式的頻道管理可以分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷：利用HTTP URI確定頻道列表的存儲(chǔ)信息，在克服集中式存儲(chǔ)模式中單個(gè)存儲(chǔ)服務(wù)器容量瓶頸的同時(shí)，提高系統(tǒng)的可用性、可靠性及可擴(kuò)展性。

2）實(shí)現(xiàn)頻道的管理不再受時(shí)空局限，不需要在資源存放的數(shù)據(jù)中心即可完成直播節(jié)目的增添刪改，具有很大的操作靈活性。

3）結(jié)合P2P架構(gòu)，針對(duì)諸如體育賽事現(xiàn)場(chǎng)直播、突發(fā)事件新聞發(fā)布會(huì)直播等實(shí)時(shí)性要求比較高的節(jié)目發(fā)布，具有很大優(yōu)勢(shì)。

4）解決了視頻發(fā)布中的版權(quán)疑慮：傳統(tǒng)的頻道管理需要把視頻源文件集中匯總到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上，然而這個(gè)涉及視頻版權(quán)問(wèn)題;而運(yùn)用本文的方法，數(shù)據(jù)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(fā)布，從而有效保護(hù)視頻資源的版權(quán)。

系統(tǒng)過(guò)程定義? 根據(jù)上述流程定義以下過(guò)程，如圖2所示。

1）直播流的發(fā)布過(guò)程，指視頻發(fā)布主機(jī)將采集設(shè)備采集到的直播源進(jìn)行分片、流化處理，接著將直播頻道參數(shù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到數(shù)據(jù)中心頻道管理服務(wù)器中。將視頻發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，所述直播頻道信息包括直播流地址，一般還包括相關(guān)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(guò)軟件捕獲視頻采集設(shè)備所采集到的視頻，并且通過(guò)HTTP協(xié)議將視頻發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程。圖2中，主機(jī)A、B為視頻發(fā)布主機(jī)，分別用于發(fā)布捕獲的直播節(jié)目，設(shè)主機(jī)A發(fā)布了節(jié)目A，主機(jī)B發(fā)布了節(jié)目B。

2）頻道列表的遠(yuǎn)程添加過(guò)程，指視頻發(fā)布主機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)位于數(shù)據(jù)中心的頻道管理服務(wù)器，經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證之后，將所發(fā)布的直播頻道參數(shù)寫(xiě)入頻道管理服務(wù)器的頻道列表中，并可通過(guò)Web遠(yuǎn)程訪問(wèn)方式，將已發(fā)布的直播流地址等參數(shù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)中心頻道列表中。圖2中，主機(jī)A、B分別將已發(fā)布的直播流地址等參數(shù)寫(xiě)入頻道管理服務(wù)器管理的數(shù)據(jù)中心頻道列表。頻道管理服務(wù)器一般設(shè)置在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。實(shí)施例中，頻道管理服務(wù)器管理的數(shù)據(jù)中心頻道列表采用一個(gè)文件名為channels.conf的文件保存，具體實(shí)施時(shí)，管理人員可自行設(shè)定具體文件名。

3）頻道列表的遠(yuǎn)程下載過(guò)程，指視頻播放主機(jī)根據(jù)指定HTTP URI精確確定數(shù)據(jù)中心的頻道管理服務(wù)器上直播頻道列表所在的位置，并且自動(dòng)從遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心頻道管理服務(wù)器上下載直播頻道列表至視頻播放主機(jī)本地，實(shí)現(xiàn)直播頻道列表的更新。客戶端播放器運(yùn)行內(nèi)嵌的程序，通過(guò)HTTP協(xié)議自動(dòng)將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心頻道管理服務(wù)器上的頻道列表下載到本地主機(jī)上。圖2中，主機(jī)C是視頻播放主機(jī)，從頻道管理服務(wù)器上下載最新的頻道列表，使用主機(jī)C的用戶選擇節(jié)目A即與主機(jī)A進(jìn)行通信，選擇節(jié)目B即與主機(jī)B進(jìn)行通信。

以上過(guò)程綜合實(shí)現(xiàn)頻道管理，視頻發(fā)布主機(jī)和視頻播放主機(jī)采用計(jì)算機(jī)、智能便攜設(shè)備等，頻道管理服務(wù)器可采用現(xiàn)有服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 分布式流媒體頻道管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)框圖? 系統(tǒng)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(hào)的采集與發(fā)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(hào)的播放，如圖3所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟? 利用現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)源的ffmpeg庫(kù)捕獲實(shí)時(shí)直播源，通過(guò)其自帶的音頻/視頻編解碼庫(kù)libavcodec

來(lái)對(duì)直播源進(jìn)行錄制、轉(zhuǎn)換以及流化處理，然后發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中。在分布式對(duì)直播頻道進(jìn)行管理過(guò)程中采用PHP+Apache

技術(shù)，PHP為超文本預(yù)處理語(yǔ)言Hypertext Preprocessor，Apache是世界使用排名第一的Web服務(wù)器軟件。將PHP腳本語(yǔ)言嵌入HTML Web頁(yè)面中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻道列表配置文件（即實(shí)施例中channels.conf）的動(dòng)態(tài)添加、刪除等操作。通過(guò)Apache Web服務(wù)器，將寫(xiě)好的Web頁(yè)面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)channels.conf的讀寫(xiě)操作。最后通過(guò)HTTP URI

精確定位channels.conf所在的位置，并且自動(dòng)從遠(yuǎn)程下載最新的頻道列表。系統(tǒng)構(gòu)建在Linux環(huán)境下，采用PHP+

Apache實(shí)現(xiàn)的頻道管理系統(tǒng)、C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)播放器。

1）直播流的發(fā)布過(guò)程。在Linux命令行中通過(guò)Linux shell腳本語(yǔ)言來(lái)調(diào)用ffmpeg庫(kù)，利用ffmpeg庫(kù)自帶的音頻/視頻編解碼庫(kù)libavcodec來(lái)對(duì)直播源進(jìn)行錄制、轉(zhuǎn)換以及流化處理;然后通過(guò)調(diào)用ffmpeg庫(kù)里面的ffserver將直播流以HTTP方式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)將直播頻道參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心頻道管理服務(wù)器上。

2）頻道列表的遠(yuǎn)程添加過(guò)程。在頻道列表的遠(yuǎn)程添加過(guò)程中，首先通過(guò)PHP嵌入式腳本語(yǔ)言定義身份驗(yàn)證功能。用戶通過(guò)Web訪問(wèn)時(shí)，在正確輸入用戶名和密碼，經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證之后即登錄進(jìn)入直播頻道管理系統(tǒng)。接著在直播頻道管理系統(tǒng)中進(jìn)行直播頻道重名檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)中是否已有相同名稱的頻道。若無(wú)重名頻道，則直接將新增頻道名稱及相關(guān)直播頻道信息寫(xiě)入頻道管理系統(tǒng)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(xiě)入頻道管理系統(tǒng)的channels.conf文件中。channels.conf

文件詳細(xì)信息如下：

其中CCNU-Nercl-01代表頻道的名稱（播放器運(yùn)行效果如圖4所示）;AudioCodec代表音頻編碼方式;Audio-Channels為聲道數(shù);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(shù)表示每秒節(jié)點(diǎn)能發(fā)送的視頻塊數(shù)量，-b、-o分別代表輸入、輸出緩沖區(qū)大小，-i表示視頻源的IP地址，-p表示視頻源的端口號(hào)。

待直播視頻流的IP地址及端口號(hào)寫(xiě)入channels.conf頻道配置文件之后，channels.conf頻道配置文件即通過(guò)Apache服務(wù)器發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中。

3）頻道列表的遠(yuǎn)程下載過(guò)程。用戶在客戶端打開(kāi)播放器后，自動(dòng)激活播放器內(nèi)嵌的遠(yuǎn)程下載程序，該程序通過(guò)HTTP URI確定直播頻道列表的準(zhǔn)確位置，并從遠(yuǎn)程將最新的直播頻道列表下載到本地主機(jī)上以供用戶進(jìn)行頻道選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種分布式的流媒體直播頻道管理技術(shù)，由于分布式將數(shù)據(jù)分散地存儲(chǔ)于多臺(tái)獨(dú)立的機(jī)器設(shè)備上，并不需要將自己的物理資源貢獻(xiàn)出去，克服了教育云平臺(tái)數(shù)據(jù)共享機(jī)制中存在的缺陷，提高了云平臺(tái)的可靠性、可用性及可擴(kuò)展性。實(shí)施案例實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)方法易于實(shí)現(xiàn)，且管理靈活高效，具有較高的實(shí)用價(jià)值。下一步研究工作的重點(diǎn)為該技術(shù)與教育云的結(jié)合，以發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建出具有較高網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性和延展性的教育云平臺(tái)架構(gòu)，使得這種架構(gòu)能滿足大規(guī)模用戶的并發(fā)訪問(wèn)，同時(shí)可以進(jìn)行無(wú)限擴(kuò)展，從而發(fā)揮更大的實(shí)用價(jià)值。

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*項(xiàng)目來(lái)源：2015年度福建省電化教育館教育信息技術(shù)課題“基于技術(shù)條件下信息技術(shù)體驗(yàn)式教學(xué)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：KT15017）。

作者：王君黛，福建省廈門(mén)第一中學(xué)，研究方向?yàn)橐苿?dòng)學(xué)習(xí)與教育云服務(wù)（361003）。