视频会议双机热备的应用

2013-08-20易兰青杨金铭秦锦荣孙荣燕张大好

网络安全技术与应用 2013年2期

易兰青杨金铭秦锦荣孙荣燕张大好

云南省电子政务网络管理中心云南 650228

0 引言

自20世纪90年代初期以来，伴随着计算机技术、通信技术和互联网技术的发展，视频会议作为一种便利、高效、节约的远程沟通方式，对传统的会议模式带来了巨大冲击，目前已广泛应用于军事、政治、经济、科教、文化等领域，用户层次也从政府、大型企业等机构向中小企业甚至个人用户拓展。为满足各级用户不断提升的会议需求，视频会议技术的普及和发展也经历了从模拟到数字，从点对点到多点对多点，从有线到无线，从功能单一到功能全面的过程。

而视频会议由于其实时性的特点，更是对系统的可靠性提出了更高的要求。视频会议系统的可靠性，是指系统运行稳定以保证会议不中断，系统备份完善以保证故障带来的影响最小。在实际应用中如何建立一个高可靠性的视频会议系统，保证系统的长期不间断运行和故障瞬时恢复，是视频会议业界和用户重点关注的一个需求和技术热点。

1 视频会议构建模式简析

从构建模式来看，视频会议系统分为软件视频会议系统和硬件视频会议系统。

1.1 软件视频会议系统

软件视频会议系统是基于服务器+PC架构的视频通信系统，其多点控制单元(Multi Control Unit,MCU)和会议终端是利用高性能的服务器、PC机与视频会议软件的结合来实现，本质上主要依靠高性能的CPU来处理视、音频编解码工作。

软件视频会议系统的主要设备有服务器(MCU服务器、多画面处理服务器和流媒体服务器)、PC机(会议终端)、摄像头、麦克风、显示设备、扩音设备等。

软件视频会议系统的优势是成本低、对网络的要求较低、部署方便、开放性好、软件集成方便、数据共享和应用丰富；劣势是安全性和稳定性有待提高、音视频质量一般、服务质量(Quality of Service, QoS)保障机制不健全、对不同网络的支持能力比较差。所以当前软件视频会议系统的用户主要集中在个人和中小企业。不过随着基于Web的网页化软件视频会议系统、云计算等技术的不断深入发展和应用，制约软件视频会议系统的技术瓶颈不断被突破，其应用领域和范围也在不断扩大。

1.2 硬件视频会议系统

硬件视频会议系统是基于嵌入式架构的视频通信方式，依靠数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)＋嵌入式软件实现视、音频处理，网络通信和各项会议功能。

硬件视频会议系统的主要设备包括嵌入式MCU、会议终端、摄像头、麦克风、显示设备、扩音设备等，为了方便统一管理，通常还包括视频矩阵、音频矩阵、统一电源开关等设备。

硬件视频会议系统最大的优势是安全性和可靠性高，性能卓越、音视频效果好、集成度高、操作简单、维护方便、具有良好的QoS保障机制、支持广泛的通信网络协议。劣势是成本高，硬件设备和专线网络需要投入大量资金。所以目前硬件视频会议系统的用户主要是对会议可靠性要求较高的政府、大型企业等。

2 视频会议组网模式简析

目前主流的两种组网方式是IP组网方式和E1专线组网方式。

2.1 IP组网方式

视频会议的IP组网方式，遵循H.323协议。其特点是基于IP的分组交换、统计复用，带宽利用率高；接入方便、组网灵活；成本较低。IP组网方式在应用上便于融入OA网，实现和IP终端直接互通、与流服务器结合；可进行各类融合业务发展，和手机、可视电话、VOIP、软终端融合，也可以和监控、IPTV等进行融合。

2.2 E1专线组网方式

视频会议的E1专线组网方式，遵循H.320协议。E1专线组网方式代表了视频会议的高端发展方向，其特点是高清晰、高质量、高稳定。高清晰：支持720P/1080I/1080P提供高保真的视音频质量。高质量：可专网专用，网络可备份，具备多种纠错措施，带宽保障。高稳定：高集成实时系统设计、信道可备份、速率自适应。

2.3 E1专线和IP组网方式

视频会议的E1专线和IP组网方式遵循H.320/H.323协议，是前两种方式的结合，具备两种组网方式的特点，形成互补。这种方式组网的视频会议系统不仅可以满足用户对视频会议系统高清晰、高质量、高稳定的高端要求，还可通过IP的灵活性将各种应用结合起来，如通过流媒体方式，将会议在宽带网上进行直播、点播；可进行外设备的集成，如网真技术的应用等。

3 视频会议双机热备的模式设计

3.1 系统总体设计思想

随着视频会议技术的发展，用户对视频会议系统的依赖程度日益增加，视频会议的可靠性和可用性越来越重要。视频会议的稳定性是所有用户最关心的一个问题，相对于面对面的会议，视频会议是相对脆弱的，很容易被某种意外所打破，如设备掉电、网络故障、设备故障。即使对于最专业的维护人员，重新召集视频会议至少要花费5-7分钟。对于大型会议、大型培训、应急指挥，一旦出现意外，对于使用部门、建设部门、维护部门所承受的压力将是巨大的，本文将从MCU双机热备、终端双机热备二个维护角度保证系统的高可靠性。双机也叫热备，主要作用是当视频会议主用设备出现物理故障时，备用设备能接管工作，而不会使整个系统瘫痪。一般需要两台设备，一主一备，两台设备分别连接在两个不同的网络。两台MCU设备通过心跳线连接，用来按时发送监测数据包，以确定主服务器是否在线，当主 MCU服务器死机后，自动启用备用MCU服务器，以保障系统的不间断性。两台终端设备通过音视频智能切换器连接，当主用终端出现故障时，音视频智能切换器自动将信号切换到备用终端，保障信号平滑转换。

3.2 MCU双机热备设计

视频会议系统的工作原理是在中心点部署 MCU，负责会议的管理控制和数据流的转发处理，相当于多点间的交换设备，是实现多点会议的核心技术和设备。在各级会议室部署会议终端，与摄像头、话筒、显示器、扩音器等外围设备互联，负责接收和展示从MCU传来的中心会议室音视频信号。

视讯会议的组网结构逻辑上是一种星形连接，核心设备就是MCU，所有参与会议的终端可与MCU建立一对一的连接，终端负责采集会场的声音和视频，然后经编码后传输到MCU，由MCU根据当前视频会议的模式确定对音视频信号的处理方式和转发逻辑，然后将处理后的音视频数据再发送到每一个与会者。MCU的可靠性和稳定性将直接影响视讯会议的稳定召开。设置能够支持双机热备技术的两台MCU互为主机和备机。当两台设备均启动后，工作中的主机MCU因意外情况，导致会议无法继续进行时，系统会自动进行备份切换，由备机MCU继续承担开会任务，切换时间小于45秒。从而在短时间内，不需要对备机MCU重新设置会议的情况下，备机MCU代替主机MCU将会议继续召开，保证会议的顺利进行。并且在整个会议的切换过程中，无需人工干预，保证会议不中断，安全级别达到电信级(图1)。

图1 MCU双机热备示意图

3.3 终端双机热备设计

视频会议系统终端的作用就是将某一会议点的实时图像、语音和相关的数据信息进行采集，压缩编码，多路复用后送到传输信道。同时将接收到的图像、语音和数据信息进行分解、解码，还原成对方会场的图像、语音和数据。另外，会议电视终端还将本会场的会议控制信号(如申请发言，申请主席等)送到多点控制器(MCU)。同时还要执行多点控制器对本会场的控制作用。在视频会议召开的过程中，主会场视频终端等设备当管理人员误操作或非正常断电或设备意外故障时，其音视频信号会发生中断，由此将会使整个视频会议无法继续进行，传统的解决办法是配置第二套视频终端作为冷备份，当主设备发生中断时由系统维护人员以手工方式切换至备用设备。本文设计的思路是通过音视频智能切换器，解决主会场或分会场主备终端的自动、快速、无缝切换的问题(图2)。

图2 终端双机热备示意图

该方案实现了自动切换，视频信号与音频信号可同步切换，音视频图像切换时间短、切换过程平滑，主会场与分会场的参会人员不会明显感觉出会议切换过程中的中断现象，保证了会议可按序正常进行。设备同时具备掉电后信号旁路的功能，掉电后可将主信号直接输出到输出接口，提高了系统备份的等级。

双机热备系统的优点在于：可有效提高系统的可靠性和可用性。若主用设备或应用程序崩溃，热备系统中另一个备用设备在继续工作的同时，接管崩溃设备的任务，最大限度地缩短MCU和终端宕机的时间，大大提高了系统可靠性、安全性及容错性。

4 双机热备系统的典型特点

双机热备视频会议系统组会灵活，会议模式多样，应用越来越广泛。系统具备以下典型的特点：

(1) 先进性特点

系统整体设计切实可行并容易实现，MCU双机热备或终端双机热备或MCU+终端双机热备的设计方式属于业界领先水平，符合计算机、网络通讯技术和视频会议技术的最新发展潮流。

(2) 标准性特点

系统遵循标准的整体协议框架，提供标准接口，使用标准的音视频协议，支持标准的视讯与数据协同工作方式等。使系统具有较高的兼容性，使用标准协议的厂家之间的设备能够系统平滑级联或互通。

(3) 实用性特点

双机热备系统的设计符合工程的实际需要，针对实际应用的特点，具有多种组会模式和管理方式：终端图形界面、WEB界面；并能支持中文会场名，会议主题、会议临时通知等文字提示，可以使视讯会议发挥更佳的临场效果。

(4) 安全性特点

系统采用标准硬件集成、嵌入式操作系统结构，有效抵制网络病毒和黑客等的攻击具备系统级安全性；MCU具备多级密码保护，终端能提供配置数据安全功能远程控制，按业务分配用户名和密码等用户级安全性。

(5) 稳定性特点

双机系统结构集成度高，能够长期稳定工作，保证7*24小时不间断地稳定可靠运行，适应工作环境能力强，故障率低。在管理人员误操作或非正常断电或设备意外故障的情况，MCU和终端能提供双机热备技术。备份设备及时接替主工作设备将会议继续召开，保证了重大会议持续稳定地召开，减轻会议管理人员的工作负担。

5 视频会议双机热备的应用(以云南省电子政务为例)

视频会议在节省时间的同时帮助了企业提高工作效率、降低运营成本，加强了在全球化进程中的核心竞争力。尤其在电子政务、政府机关方面显示其强大的优势。在此针对视频会议双机热备在云南省电子政务的应用做深入的描述。

5.1 电子政务视频会议应用分析

视频会议系统作为电子政务信息化的重要组成部分，承担着各级政府部门内部及相互之间沟通、会商、决策的重要职责，各级政府的指示精神和重要事务需要通过此系统进行上传下达，面对突发事件，领导需要通过此系统及时全面地掌控事态发展，及时进行决策和指挥，所以系统的稳定性，系统协议的标准规范性，各种不同速率和类型网络的接入兼容性，稳定清晰的画面质量，强大的系统可拓展能力，系统和VOIP，3G，IPTV，NGN系统之间的无缝融合等等，都是政府行业建设选择视频会议系统的重要考虑要素。

以云南省电子政务为例，云南省电子政务视频会议主用系统基于SDH E1专线三级网，备用系统基于SDH E1专线二级网，与电子政务外网物理隔离，实现省、市、区县三级720P高清图像和声音质量的交互式视频会议。同时满足以下要求：

通过系统进行云南省领导干部时代前沿知识讲座、远程培训等工作的要求。

与县乡电子政务平台的视频会议系统实现无缝集成。

符合国家的政务标准，实现信息共享，充分发挥视频会议系统的作用和效益。

在功能方面，考虑到政府部门对于办公的特殊需求，视频系统的功能需要满足：

(1) 会议管理功能：在任一计算机上管理会议，如创建/取消会议、启动/停止会议、会议成员管理等，支持现有的各种会议控制方式。

(2) 会场终端管理功能：支持终端控制、主会场控制、远端控制等。支持多路视频“画中画”，同时传输四路以上乃至全部与会者的声音，实现音视频同步。

(3) 与会者管理：会议主持者可以对任一与会者进行控制。

(4) 视频录播功能：流媒体、硬盘录像、字幕同步、实录回放。

(5) 系统扩展功能：MCU服务器具有扩展能力，支持桌面会议，提供一对一、一对多的会议。

(6) 采用电子政务平台统一的安全体系结构，确保其安全性和可靠性。

5.2 解决方案

云南省电子政务视频会议建成152个分会场，并具备一定的会场终端扩展能力。采用先进的、成熟的技术，并能在将来实现系统的平滑升级。

系统基于SDH E1专线网络，采用H.320协议作为标准协议和H.264编解码技术，主用系统以高清1080P多点控制单元(MCU)二级级联组网，配置720p会议室型终端到州市、县；备用系统以高清1080P多点控制单元(MCU)单级组网，配置720p会议室型终端到州市。主备用系统同时提供信号，整个系统提供全面的 H.320系统解决方案和流媒体解决方案，充分满足政府会议的稳定性需求,同时也能满足进行领导干部讲座，远程教育，全省性大会等工作的要求，并最低限度的降低了成本(图3)。

图3 云南省电子政务视频会议系统拓扑图

根据云南省电子政务视频会议网络结构及传输容量的实际情况，各州市及市直属职能部门分会场连接省级主会场的网络带宽为 4M，各县市区及县直属职能部门分会场连接州市级会场的网络带宽为2M。

高清主备网核心平台采用同型号的MCU，组网架构一致，提供IP、E1、2E1等多种接入方式。在省网管中心机房实现 2E1传输线路在主用高清系统 MCU与备用高清系统MCU之间的跳接。正常情况下采用主用系统召开全省会议，紧急情况下，可以把州市的MCU切换到备用核心MCU上召集全省会议，也可以由州市自主召开州县二级会议，并将省至州市备用系统的信号转接到州市二级会议实现省-州市-县市区三级会议的转播。主备用两套系统相对独立，又在核心平台侧融合对接备份，达到灵活的备用机制，提供紧急情况下的正常会议服务。