校园网络电视媒体直播系统的设计与实现

黄照翠　陈晖　王海涛　刘娟　敖江帆

摘 要：校园信息化建设正处于数字校园向智慧校园的转型期，校园服务将更加智慧。媒体直播系统在校园中的应用越来越广，用户的要求也越来越高，建设一套具备网络视频直播、点播功能，互动性强、传播性广，能够为用户提供媒体资源共享便捷的综合性个性化媒体直播系统十分必要而有重要意义。笔者依据本校媒体直播系统的建设过程和试运行情况，基于校园用户的需求，进行系统架构，介绍了系统实现的关键技术和主要功能与服务，并论述了系统信息分发传输方案，最后进行了系统运行评测，满足校园各种活动不同的视频服务需求。

关键词：媒体直播系统；信息分发传输；功能与服务；设计与实现

中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）21-0089-05

引言

校园信息化建设正处于数字校园向智慧校园的转型期，校园服务将更加智慧。近年来，随着计算机网、电信网、广电网合而为一、融会贯通，促进了数据、音频、视频以及图像的全面业务开展。校园网用户不再满足数字校园时代简单图文及视频服务，而有了更高需求。特别受优酷、土豆、CNTV、芒果TV、奇艺、百度视频、搜狐视频、Youtube、PPTV网络电视、PPS网络电视等视频网站影响，用户更加注重视频信息资源的内容、速度、界面和交互等。

笔者通过文献调查和以“网络电视”、“网络电视台”、“IPTV”、“网络转播平台”、“网络直播平台”、“媒体直播”等为关键词搜索了我国高校网络电视媒体直播系统”（以下简称：媒体直播系统）的相关建设情况，调查发现，部分高校媒体直播系统一改往日内容的单调，提供了内容分类齐全的视频信息浏览，用户原创作品发布、实时播报、网络直播室等服务，用户界面友好，导航清晰，旨在打造一个全方位、多维度的综合性网络电视平台，但交互性不够，评价受限，网络社区功能匮乏，信息资源共享欠缺，系统应用视界狭隘，大多还存在信息资源匮乏、数据编解码、付费认证、安全性、视频时延、清晰度、存储与管理等问题。文章依据笔者单位媒体直播系统的设计实现及应用情况，概述了媒体直播系统，根据多元需求分析进行系统架构，介绍了系统特点、采用的关键技术和主要功能等，并进行了运行评测，旨在交流和提供参考，更好发挥媒体直播系统的潜在优势。

一、系统概述

媒体直播系统发展日新月异，技术、资源和服务都在一定程度上得以提升，本文所探讨的媒体直播系统是基于宽带高速IP网，以网络视频信息资源为主体，将电视机、个人电脑及手机设备作为显示终端，通过机顶盒或计算机接入宽带网络，是一种为用户提供多种交互式服务为目的的全新技术，以互联网、移动通信网和有线电视网等多种网络为媒介，利用数据包的方式向用户传输图片、文本、视频、音频等信号，向用户提供电视节目收看、视频点播为基础，实现数字电视、时移电视、互动电视等服务，包括电子商务、网上社区等综合性服务的网络平台。

二、系统设计

校园媒体直播系统设计出发点主要针对学校教育教学、学术研究、思想政治、行管后勤、日常生活、校园文化建设以及师生实际需要进行需求分析，同时考虑功能模块技术实现的可行性进行系统架构。

1.需求分析

近年来，一方面受新媒体技术发展和人们日益增长、要求更高的收视与互动需求以及受我国视频分享类网站异军突起的刺激；另一方面，媒体直播系统在校园中的应用和效果日益突显，得到更多研究人员和师生的关注，校园媒体直播系统建设需求更加多元化。

（1）收看高清晰流畅的电视节目视频直播和点播的需求；

（2）了解校园新闻的需求；

（3）课堂直播教学和点播的需求；

（4）学术讲座、网上推演等重大活动直播与规模化的需求；

（5）互动教学的需求；

（6）分类视频点播的需求，如电影电视剧、课堂实录、专家视频、微课、唯美校园等；

（7）原创视频发布的需求；

（8）校园电子商务、网上社区等需求。

2.系统架构

如图1所示，通过H.264编码方式生成FLV、MP4、WMV、TS标准的视频流，可以根据需求自定义不同码流大小、分辨率、帧率、窗口大小等配置参数设置，将多种视频传输协议、视频格式转换编码、协议封装技术有效集成在一起，可以将H.264格式的IPTS流或RTMP直播视频流或流媒体文件统一转换成适合不同类型终端应用需要的不同协议、不同码流和不同封装格式的视频流，以实现视频流或节目源在不同类型终端自适应播放的目的，支持多级节点级联和流服务集群管理，支持大规模并发扩展等。

媒体直播系统满足校园各种活动不同的视频服务需求，支持卫星电视、有线电视、数字电视、摄像机、广播、现场活动等实时信号的采集、编码、收录、发布及应用，用户观看直播时可以调节播放器按钮回退到之前已经播过的节目；对播出时间相对固定的电视、电台等栏目节目进行自动录制、入库、发布和点播；支持自定义网络播出节目单，将来自资源库、用户上传内容、远程视频流、直播节目源等不同内容进行灵活组合、剪辑编辑，自由创建多个网络虚拟滚动直播频道；支持摄像机信号采集直播，轻松实现大型活动、直播课堂、视频会议的网络直播录制，方便后期进行编辑，实现点播；实现在线访谈，与用户进行交流、互动；提供各种增值服务，网上社区、网络游戏、电子商务等。

网管监控主机轻松实现对媒体直播系统的直播、点播进行监看，对系统内容进行编目、审核、扫描入库、存储检索、上线下线等管理，模板设计人员适时为新开栏目进行模板设计，实时更换模板，系统信号流向办公室、教室备课室、多媒体教室、语音实验室、学生宿舍等各种场所，通过智能终端识别，实现ISO终端、Andriod终端、互联网电视、PC类终端的实时或延时播放以及用户各类原创视频的上传、编码、入库与发布。

3.系统特点

媒体直播系统具有很多优越特性，具体如下：

（1）交互性

媒体直播系统具有发散性，用户可以自由选择节目，交互性体现在：

第一，人机交互，用户可以边收看边反馈信息，进行评价讨论等；

第二，网络节点中的虚拟用户通过虚拟社区进行实时在线交流，讨论和传输、分享信息资源；

第三，用户可以边看视频边查阅相关资料。

（2）传播性

媒体直播系统是分类精细，条目繁多提供各类服务的综合性网络视频网站，适应互动式传播模式，每个用户既是信息提供者，又是信息接收者，同时也是信息传播者，整个系统是一个庞大的错综复杂的N个节点信息双向流的过程。

（3）个性化

媒体直播系统以用户为中心，按用户需求提供个性化的内容和服务，体现在：

第一，用户自主选择内容，控制播放进度；

第二，根据用户需要或接收信息、浏览历史等用户数据分析，进行个性化内容定制和信息推送；

第三，自动搜索选定范围内容，避免无关信息干扰，使用户直接进入主题；

第四，设置自频道，提供信息发布服务。

（4）共享性

媒体直播系统提供了集文字、图片、声音、视频于一体的更加形象化信息资源，用户不受时空限制，可以随时随地获取信息资源，各抒己见，发布原创或转发有价值的信息资源。用户可以接收系统提供的资源，也可以是资源的提供者，与他人分享或分享他人提供的信息资源。

（5）综合性

媒体直播系统是人们获取信息和服务的复合式媒体。

第一，从媒介角度看，媒介即信息，系统集合了文本、图片、声音、图像、动画等多项技术；

第二，从内容分类角度看，媒体直播系统内容分类精细而齐全，如新闻、军事、体育、科教、综艺、健康等，内容十分丰富；

第三，附加了许多服务功能，如网络购物、网上社区、在线游戏等功能，这些更加深化了媒体直播系统作为综合服务平台的形象。

（6）便捷性

媒体直播系统使用更加便捷。

第一，提供了搜索功能，输入节目关键字可以搜索到目标节目；

第二，提供了播放历史功能，便于用户点播之前观看的节目；

第三，一些网络机顶盒提供了手机遥控功能，用户不必依赖遥控器；

第四，运营商将产品和服务逐渐向便携式手机客户端、IPAD客户端或其他户外平台延伸，大大提高了用户的体验感受[1]。

三、系统实现

1.采用关键技术

媒体直播系统采用以Java为主线的JSP平台架构，服务器操作系统为Windows Server 2008，Web服务器为Tomcat-5.5_v5.0，Web内容管理系统基于B/S模式，数据库使用SQL Server2008，信息分发传输采用P2P技术与CDN技术融合的方式。

2.系统实现

系统主要实现电视直播、自动录制点播、媒体资源点播、大型活动、视频会议和课堂直播、点播、评价、网上社区、投票以及其他可扩展增值应用等。

（1）电视直播

卫星电视、有线电视信号经过编码器压缩编码成Flv文件，输入流媒体服务器，由BVUMServer负责监听，将视频流推向请求流服务的用户，客户端可以直接通过网络使用VLC Media Player，打开网络串流，输入rtmp：//26.29.2.145：9600/relay/r6203，观看相应节目。本系统是基于Web的媒体直播系统，将流媒体信号嵌入到Web页面中，提供频道直播60个。嵌入系统主页面的代码如下：

其中6203是直播频道号。

（2）自动录制点播

系统将每个频道播出时间相对固定的节目制定成存储计划，自动录制存储，存储计划由后台设置，按照频道顺序以列表的形式提供节目点播，同时将知名栏目以缩略图的形式推荐给用户。点播服务器端对每个需要录制频道新建并开启录制自动直播存储上传程序，节目录制后，自动上传到点播服务器临时磁盘，等待转码，转码服务器按照时序将视频进行转码后存入磁盘阵列，同时稿件发布器自动将每一期节目发布成稿件插入数据库，标题为：节目名称_时间，用户可以在系统前台根据需要点播视频节目观看。

（3）媒体资源点播

媒资管理播控系统是由服务器和多台PC节目编辑工作站组成，负责校内外媒体资源的管理和播控，负责媒体资源的摄取、收集、录入、分类管理、存储，将媒体资源编码成适合媒体直播系统直播和点播的H.264视频内容，上传到媒体直播系统相应的栏目，供广大师生点播。在媒体直播系统中创建各种视频库，如微课视频库、MOOC视频库、学术讲座视频库、校内新闻视频库等，将各类媒体资源批量上传到对应库，建立对应节目库，并给每个库或子库设计并设置模板，在节目库中给每个视频创建发布稿件，前端根据视频库的ID访问视频库中的视频图文列表，便于点击播放视频或浏览媒体资源。

（4）课堂、活动视频直播

大型活动移动直播、视频会议直播和课堂直播实现的路径类似，都是通过摄像机或摄像头进行信号采集，通过光纤或微波传输，多路信号由编码器输出H.264视频流至直播服务器，在后台添加远程流，如rtmp：//26.29.2.148：1935/live/live5，添加频道组并管理频道，给每个频道设置节目远程流，这样就可以在线直播视频。同时进行节目管理，设置每路信号的存储计划，开启服务器自动上传录制程序，即可实现点播。

（5）交互模块

媒体直播系统的交互模块主要包括评价、网上社区、投票等。

针对每个视频片段用户可以发表评价，评价分页列表于该视频播放窗口下方。视频信息表的主键稿件ID即为评价信息表的外键，视频稿件发布后，用户可以对该视频稿件进行评价，提交后录入评价信息表，同时更新视频稿件页面中评价区域，显示最新评价信息。

网上社区采用第三方开源程序Discuz！X3.2，部署在增值应用服务器，根据电视直播、点播、媒资点播、课堂、学术活动等创建多级分类版块，该模块是媒体直播系统交互性、传播性、共享性、综合性最大的体现，如新开设直播课堂前，在社区公告进行预告，同时在直播课堂版块下新建以课程名称命名的子版块，用户观看直播课堂的同时，可以在此与教师、学生等进行交流，上传下载，共享信息资源。

投票模块可以在媒体直播系统中实现，也可以在网上社区中轻松实现，投票是获取用户对系统使用、视频资源、活动等评价、态度的最直接数据来源。

增值应用服务器中还部署了其他应用，如电子商务平台，主要用于校园用户的闲置物品的交易，特别是专业书籍和各类考试书籍等，部署口碑好价值高的网络游戏，丰富了师生的业余生活。

（6）用户自频道创建

用户自频道是用户在媒体直播系统的个人中心，用于管理和记录用户及活动轨迹，用户可以修改完善自身信息，记录用户收看直播点播历史，记录用户评价和参与交流以及在社区中共享的资源列表等，该模块整合性强，随着系统的不断扩展将进一步完善。

3.信息分发传输

P2P技术和CDN技术是目前两种主流的流媒体服务技术。P2P（Peer-to-Peer）即对等网网络或点对点技术，是基于共享的网络，网络参与者称为节点（即Peer），所有参与者的地位都是平等的，节点既是客户端也是服务器。P2P节点之间通过一定的方式组织在一起，当节点请求资源时，通过一定的查找策略来定位拥有所请求资源的节点，并从中获取文件内容[2]。CDN（Content Delivery Network）即内容分发网络，在现有的Internet或内网中增加一层新的网络架构，通过智能化策略将客户需要访问的内容分发到距离客户最近、服务质量最好的边缘服务器节点，同时通过负载均衡系统将用户定位到相应的边缘服务器节点，为用户提供快捷、稳定的服务[3]。

P2P技术充分利用了客户端资源，能够在不增加成本的情况下满足用户激增要求，但是P2P节点不易管理并且由于节点能力的限制不能像服务器一样提供稳定服务。CDN技术具有高可靠性的服务及可管理性优点，但是CDN建设成本高并且可扩展性差。

P2P和CDN技术尽管有着各自的不足，但两者基本上是可以互补的，融合这两种技术，构建一个统一的内容分发系统方案，将会对多校区大并发量的大型流媒体直播、高清电视、巨型文件下载等高带宽需求业务的进一步普及提供广阔的发展空间。

本系统采用在边缘服务器间建立P2P网络的架构，以P2P技术对CDN网络进行优化、改超，将CDN的存储设备以P2P的方式组织，利用P2P的目录服务和多点传输能力，实现CDN存储设备之间的内容交换，提升CDN的内容分发能力[4]，同时用户客户端间形成区域自治，可以在不增加CDN成本的同时有效提升CDN的服务能力，更有效地避免了P2P应用的不可监管性、流量无序性等弊端。如图2所示，中心服务器层负责整个CDN网络的分发及管理，边缘服务器层负责本地的负载均衡及响应用户的请求，用户节点层以P2P的形式获取服务。该架构在内容管理性、服务器带宽需求、QoS服务、流量有序性和并发数等方面具有很大优势。

四、运行评测

本系统试运行环境由服务器、校园网和客户端三部分组成，中心服务器包括CDN管理服务器1台、负载均衡服务器1台、内容分发服务器2台、转码服务器1台、Web内容管理服务器1台、增值应用服务器1台，边缘服务器包括内容管理服务器1台、缓存服务器若干台；校园网为万兆核心、千兆汇聚、百兆接入；共632台PC客户端参与。

CDN服务器硬件配置：Intel（R） Xeon（R） CPU E5-2620 v2@2.10GHz （双核）双处理器、32GB内存、1T SCSI硬盘、Broadcom NetXtreme Gigabit Ethernet千兆网卡，其它服务器硬件配置类似CDN服务器，内容分发服务器其中一台负责直播系统，一台负责点播系统，其中点播服务器的硬盘为30T，流媒体服务端软件为Flash Media Server 4，客户端为双核Intel Pentium E5500 2.8 GHz CPU、1G内存、100Mbps网卡，Windows XP/vista/7，Adobe Flash Player。

同时运行632台客户机，轮询访问媒体直播系统视频直播和点播资源，根据运行情况分析，大多都正常播放，只有个别播放不够流畅，服务器CPU占用率15%-35%，内存占用率12%-26%，在用户数量多的情况下，P2P边缘节点连接建立时延更短且更稳定，引入P2P边缘节点可以明显改善节点吞吐量指标，提升节点服务能力，改善内容调度时延，提升网络整体内容分发效率，P2P边缘节点可以在更短时间内命中内容。

但是试运行过程中，也出现了一些问题：偶尔声画不同步，录制连接时延加长，经过测试分析，可能与网络带宽有关，还出现电视直播录制黑屏，分析指出推流服务Bug，经过修改更新UMS文件后问题解决。

五、结束语

媒体直播系统在校园中的应用越来越广，用户的要求也越来越高，建设一套具备网络视频直播、点播功能，互动性强、传播性广，能够为用户提供媒体资源共享便捷的综合性个性化流媒体系统十分必要而有重要意义。笔者依据本校媒体直播系统的建设过程和试运行情况，基于校园用户的需求，进行系统架构，介绍了系统实现的关键技术和主要功能与服务，并论述了系统信息分发传输方案，最后进行了系统运行评测，满足校园各种活动不同的视频服务需求。根据文献显示，近两年研究人员对媒体直播系统研究和关注不够，是否该系统在技术与应用方面已经成熟，没有更深入的研究价值呢，调查显示媒体直播系统无论在技术上还是在应用上都有进一步挖掘的潜在意义，笔者认为媒体直播系统在校本资源建设与学习支持服务方面有重要研究价值。

参考文献：

[1]廖红霞.我国网络电视的现状及发展研究[D].江西：南昌大学，2012：12.

[2]李建强.CDN-P2P系统的中心服务器与客户端节点的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2012：2.

[3]徐广.基于CDN与P2P融合技术的流媒体系统及关键技术研究[D].山东：中国海洋大学，2012：7-8.

[4]钟达彬.基于CDN与P2P融合技术的流媒体系统的研究与实施[D].广东：华南理工大学，2013：23.

（编辑：杨馥红）