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摘要：随着教育信息化的发展,云桌面实验室和多媒体广播教学系统成为了远程教学的必要应用。针对传统多媒体广播系统应用在云桌面系统中存在的无法远程教学、云端计算开销过高和网络复用率低的问题,提出了一种基于云端融合和虚拟广播域为架构的广播教学方法。该方法利用终端设备的解码能力降低了云端高额的集中解码开销,利用IP隧道技术创建虚拟广播域来提高广播链路的复用度从而降低网络流量,同时提高教学活动的空间灵活性。
关键词：云桌面；流媒体；虚拟广播域；屏幕广播；
Cloud Desktop Screen Broadcast Based on Cloud Fusion and Virtual Broadcast Domain
GAO Jinjin,LU Fangrui
(Experiment Center,Shanxi University of Finance and Economics,Taiyuan Shanxi 030006)
【Abstract】：With the development of education informatization,cloud desktop laboratory and multimedia broadcasting teaching system have become the necessary applications of distance teaching.Aiming at the problems of remote teaching,high overhead of cloud computing and low network reuse rate of traditional multimedia broadcasting system applied in cloud desktop system,a broadcasting teaching method based on cloud fusion and virtual broadcasting domain architecture was proposed.The method uses the decoding ability of terminal devices to reduce the high cost of centralized decoding in the cloud,to improve the reuse of broadcast links and reduce network traffic by using IP tunnel technology to create virtual broadcast domain,at the same time,the spatialflexibility of teaching activities was improved.
【Key words】：cloud desktop;streaming media;virtual broadcast domain;screen broadcast
随着教育信息化的快速发展以及竞赛、无纸化考试、科研等远程广播的需求,高校计算机实验室面临着教学模式多样化的新需求。云桌面技术在高校计算机实验中的应用,有利于实验资源的共享,同时可以打破时间空间限制实现远程应用的特点成为了传统计算机实验模式的必要补充。目前,在高校信息化建设中搭建云平台已成为主要趋势[1,2]。同时,多媒体教学应用得到迅速普及,目前已成为计算机实验室的标准配备。教学多媒体广播系统充分利用计算机、多媒体及网络技术,结合现代教育思想,为学校各学科提供了一种计算机教学辅助工具,能优化教学情景,改善教学手段与学习方法[3,4]。
高校实验室多媒体教学系统的使用,可以极大的提高课堂效率。
传统的教学多媒体广播系统以教室或物理广播域为基础进行构建,在教室内进行媒体流(桌面、语音、视频等)的广播。随着云桌面实验室的建立,教学多媒体广播系统被安装在云桌面虚拟机内,在云内网络进行媒体流广播。这种方法由于接收到流媒体广播的学生需要在云端完成解码和画面渲染工作,同时由于每一台云桌面与瘦客户端之间通过独立的远程桌面连接进行通信,造成广播时链路无法有效复用,导致了链路开销大,画质劣化,广播时云桌面响应慢、卡顿等问题。
针对上述传统多媒体广播教学系统应用在云桌面中存在的问题,本文提出了一种运行于云桌面教学环境下的屏幕广播方案。该方案采用云桌面和云端结合虚拟广播域的架构,实现所有流媒体的广播均在虚拟广播域中进行,云桌面专注于响应教师或学生的交互操作,避免了云内广播造成带宽占用高、桌面体验不佳等问题,同时突破了传统多媒体广播系统的位置限制,实现教师和学生在任何位置构建虚拟课室,实施广播教学活动。
1相关技术
1.1云桌面技术
云桌面技术是一种基于虚拟化技术的终端操作系统交付与管理方案,通过将前后端软硬件深度融合,整合服务器虚拟化、桌面虚拟化及存储虚拟化,实现了桌面应用环境与终端设备的分离,用户的桌面环境集中部署于数据中心,在数据中心服务器上的虚拟机中运行,为用户提供安全数据保护、高效桌面管理及灵活用户访问服务[5]。
近年来,运用虚拟桌面技术实现云桌面实验环境成为了高校实验室建设的主要趋势,云桌面技术对高校计算机实验室的资源共享、教学的个性化服务、数据安全以及集中管理可以提供保障。
1.2流媒体广播
流媒体(Streaming Media)技术是指将一连串的媒体数据压缩后,以流的方式在网络中分段传送,实现在网络上实时传输影音以供观赏的一种技术[6]。它是一种新的媒体传送方式,在媒体技术支持下,网络中使用流式传输技术的连续性,让浏览者一边下载一边观看、收听,而不需要等到整个多媒体文件下载完成就可以即时观看的多媒体文件。在因特网上以数据流的方式实时发布音、视频多媒体内容的媒体,音频、视频、动画或者其他形式的多媒体文件都属于流媒体之列[7]。
流媒体最主要的技术特征就是流式传输,实现流式传输主要有顺序流式传输(Progressive Streaming)和实时流式传输(Real Time Streaming)两种方式。流式传输一般采用RTP协议来实时传输和RTCP协议来传输控制信息。实时流式传输还需要特殊网络协议,如RTSP(Realtime Streaming Protocol),RTSP传送的是多媒体数据,客户机和服务器都可以发出请求,即RTSP可以是双向的[7]。
2云端融合与虚拟广播域结合的屏幕广播方法
2.1传统云桌面屏幕广播
一个传统的云桌面教学系统主要分为2个部分,云端的云桌面服务集群和教室中的远程桌面瘦客户端,如图1所示。
云桌面服务集群由用以承载计算业务的云桌面服务器构成。对服务器进行裸机虚拟化,划分成为承载课程业务的虚拟云桌面计算机。虚拟计算机通过云端交换构成云内局域网,云端交换由服务器内部的虚拟交换网络和服务器之间的物理交换网络共同组成。
教学用的远程桌面瘦客户端放置在教室中,它们通过网络交换设备与云端的局域网连通。由于计算资源已由云端的虚拟云桌面完成,瘦客户端通常仅有远程桌面连接功能,用以连接云桌面。
如图1所示,在传统云桌面系统下进行教学屏幕广播的流程如下：
(1)教师与学生通过瘦客户端连接对应的云桌面；
(2)教师云桌面主机实时将屏幕录制并进行流媒体编码,随后通过云内局域网将编码的流媒体数据广播至学生云桌面主机,即图1中的实线箭头表示的桌面广播链路；
(3)学生云桌面主机收到流媒体编码数据后,对其进行解码、渲染等操作,然后显示在虚拟云桌面上；
(4)教室中的学生瘦客户机通过远程桌面连接获得云桌面的显示内容,并同步显示在瘦客户端上。
通过对传统方法的架构与流程进行分析,可以发现其存在如下问题：
(1)云端高开销：接收到流媒体广播的大量学生机需要在云端完成解码和画面渲染工作,所有学生机的广播源是相同的,因此这些解码和渲染工作是重复的。同时,由于云主机借助虚拟化实现了逻辑隔离,这些相同的工作无法在云桌面之间共享,而是在每一台虚拟机上独立运行,这就造成了大量的重复计算开销。
(2)画质劣化：学生云桌面虚拟机进行解码与渲染后,远程桌面连接将对画面再次进行截取并编码,二次编码不仅增加了计算开销,更为严重的是,视频与图像编码技术不是无损的,学生机对教师机画面进行二次编码会造成画面损失,使得画质进一步劣化。
(3)高链路开销：在屏幕广播期间,云桌面之间虽然显示了相同的内容,然而无法对链路进行复用,这是由于每一台云桌面与瘦客户端之间通过独立的远程桌面连接进行通信,如图1中每个虚线箭头所表示的云桌面链路,导致了巨大的链路开销。
(4)低空间灵活性：瘦客户端被安装在固定的教学场所中,降低了教学活动的空间灵活度。
2.2云端融合和虚拟广播域结合的改进方案
针对传统云桌面屏幕广播系统存在的问题,我们提出了一种基于云端融合和虚拟广播域的云桌面屏幕广播方法。该方法利用终端设备的解码能力降低了云端高额的集中解码开销,利用虚拟广播域技术提高了广播链路的复用度,极大地降低了广播时的链路开销,并且提高了教学活动的空间灵活性。
2.2.1整体架构
如图2所示展示了本文提出的云桌面屏幕广播方案的整体架构。我们对网络结构、云桌面客户端以及云桌面服务集群三方面进行了改进。
1)网络结构。本方法的网络分为2个部分：云桌面服务集群内部网络与终端接入网络,它们通过互联网进行连接。除了在教室内部署有线接入网络之外,本方法还可以还通过WiFi、5G蜂窝网等广域网接入方式对终端接入网络进行灵活扩展,以解除教学活动的空间限制。
(2)云桌面客户端。云桌面客户端不再局限于传统瘦客户端,而是允许利用各类具有边缘算力的终端,例如：笔记本电脑、平板电脑或智能手机,它们通过互联网接入云桌面内部网络。我们针对不同类型的客户端研发了云桌面客户端,对VPN隧道通信、视频解码渲染和远程桌面连接三项功能进行了集成,分别用以建立虚拟广播链路、广播视频终端解码以及云桌面远程连接。
(3)云桌面集群。云桌面集群内部网络与传统方法基本一致,仅对教师机的连接方式进行了修改。教师云桌面主机在原有云内网络连接之外,新增了一条经由IPsec网关(根据需求也可以是SSL VPN)连接至云内网络。教师云主机除教学业务系统外,还具有系统控制功能软件,能够对VPN与云桌面终端下达链路构建的配置和指令。
2.2.2屏幕广播流程
(1)云桌面连接。教学活动开始后,终端设备通过远程桌面连接到对应的云桌面虚拟机。
(2)虚拟广播域构建。在教学屏幕广播开始后,教师云主机控制VPN网关开启虚拟广播链路,终端设备(包括教师与学生)和教师云主机通过虚拟广播链路构建虚拟广播域,如图2中单向的虚线箭头所示的。同时,学生终端设备与对应的云桌面之间的链路(图2中双向的虚线箭头所表示的链路)被暂停。
(3)屏幕广播。教师利用远程桌面客户端控制教师云桌面进行授课行为。教师云桌面虚拟机将屏幕画面进行录制与编码,通过图2中所示的单向的虚线箭头所表示的虚拟广播链路向虚拟广播域内的终端设备广播发送屏幕画面编码数据。
(4)终端解码。客户端接收到教师云桌面屏幕编码数据后,利用终端算力进行解码与渲染工作,并将其显示在终端屏幕上。
(5)结束屏幕广播。屏幕广播结束后,教师机控制VPN关闭虚拟广播链路,销毁虚拟广播域,并恢复学生终端与对应的云桌面之间的远程桌面连接,学生可继续操作云桌面主机。
2.2.3技术优势分析
本方案相比传统云桌面屏幕广播技术有如下优势：
(1)大幅度降低了云桌面服务端的计算开销。在不同云桌面虚拟机上的重复解码与渲染工作被迁移到终端设备上,终端算力分摊了云桌面服务集群的解码压力。现阶段各类终端大多配备了专用硬件解码芯片,它们能够以极低的能耗快速完成解码工作。
(2)高广播质量。在虚拟广播域中,终端接受到的屏幕广播数据由教师云桌面虚拟机一次编码完成,画面损失较低,具有较高的广播质量。
(3)低链路开销。虽然构建虚拟广播域会产生轻微的链路效率降低,但广播机制提高了骨干路由链路的复用率,尤其是在大规模云桌面系统中能够大幅度降低链路开销。
(4)提高了教学的空间灵活性。云桌面客户端上集成教学多媒体广播系统,各类移动便携终端设备可以通过广域网接入云桌面服务集群,大幅度提升了教学活动的空间灵活度。
3实验
我们在山西财经大学会计信息系统实验室进行了实验,以对提出的方法进行有效性验证。验证实验的拓扑结构如图3所示。云桌面服务集群主要由8台物理服务器组成。每个物理服务器拥有4个千兆以太网口,其中1号和2号网口设定为链路聚合用以传输业务数据,连接至云平台内部互联交换机。使用Hypervisor级虚拟化将物理服务器集群划分为32台云桌面虚拟机,云桌面通过业务虚拟网口进行互联。教师机位于1号物理服务器上,它的第二业务网络接口被绑定至物理服务器的3号网口,并与IPsec网关进行连接。IPsec网关同时接入云平台内部互联交换机。云平台交换机通过2台路由器对外提供链路,其中一条通往瘦客户端所在教室,另外一条连接至Internet。瘦客户端上安装本方案研发的终端软件。实验分别按照传统方法与提出方法进行了45min屏幕广播教学,并在路由器与云平台管理软件分别对业务流量和计算资源开销进行了统计。统计结果如表1所示。
实验结果表明,提出的方法大幅度降低了业务流量压力和云端计算开销,同时也有效控制了云桌面的内存占用率。此外,我们还在智能手机上部署了客户端软件,并通过5G蜂窝网接受教师屏幕广播,实验效果良好,在连续5个小时的测试中仅出现2次轻微卡顿。对终端流量进行统计表明,平均每小时消耗的蜂窝流量约为340MB。
4总结
本文提出的基于云端融合和虚拟广播域的云桌面屏幕广播方法,利用终端设备的解码能力降低了云端高额的集中解码开销,利用虚拟广播域技术提高了广播链路的复用度。实验表明,提出的云桌面屏幕广播方法在提升屏幕广播画面质量的同时,降低了广播时的链路开销,提高了教学活动的空间灵活性,解决了传统多媒体广播系统应用在云桌面系统中无法远程教学和占用虚拟机CPU和网络带宽的问题。
参考文献
[1]李燕,黄传峰,周峡.基于多云架构的高校云端实验平台设计与优化[J].南京工程学院学报(自然科学版),2021,19(4):31-37.
[2]GRODOTZKI J,ORTELT T R,TEKKAYA A E.Remote and Virtual Labs for Engineering Education 4.0[J].Procedia Manufacturing,2018,26:1349-1360.
[3]张颂.互动教学系统中屏幕广播技术的研究与实现[D].北京:北京工业大学,2018.
[4]曹健楠.教学云桌系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2017.
[5]曾著.2021云桌面提供商排行榜[J].互联网周刊,2022(5):62-63.[6]吴兴勇主编.实用网络技术[M].北京:中国农业大学出版社,2015.
[7]齐俊杰,胡洁,麻信洛.流媒体技术入门与提高[M].北京:国防工业出版社,2009.
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