SVC+SFU融合的云视讯技术研究与方案应用

    潘士勇

    

    

    

    摘 要：本文从视讯技术的发展出发，历经了以MCU架构为代表的早期视讯技术，到以SVC+SFU融合架构为代表的新型云视讯技术，并详细解析了SVC和SFU的技术细节，最后综合技术架构优势，在当前政策热点线上远程教学场景中进行了实际应用与总结。

    关键词：SVC;SFU;云视讯;在线教学

    1 技术背景

    在当前疫情下，我们看到云视讯技术大规模应用到远程办公，远程教育，远程医疗等场景。而视频会议技术在这几年的发展中，经历了比较大的变革，即从硬件MCU架构，发展成当前主流的云视讯技术方案。

    在传统的视讯技术时代，整体以硬件MCU架构[1]为主，主体采用H.264 AVC单层编码，结合H323/SIP协议[4]实现多方通讯。MCU架构出现的相关长时间内，在硬件视频会议中应用非常广泛，但是整体需要购买一套硬件MCU设备加视频会议硬件终端，拥有成本高。

    MCU架构下，服务端需要对接收到的多路视频进行全编全解，存在很大的性能瓶颈，对于网络链路，通常需要专线来支撑，无法得到大规模应用。随着互联网的发展以及音视频技术的成熟，带来了视讯行业的变革，从传统MCU向云视讯[2]进行跨越。下面將针对云视讯的关键技术进行细化的解析及方案应用说明。

    2 技术解析

    （1）SFU（全称Selective Forwarding Unit，选择性转发单元），是一种通过服务器来路由和转发音视频流的技术。SFU形如一个媒体流路由器，接收终端的音视频流，按需转发给其他终端，SFU的拓扑和功能模型如下图1所示：

    如上图1所示，4个终端分别为A1～A4，它们之间要互相进行视频通话，只需要将自己本地的一路流向服务器推送，然后按需订阅自己所关注的其他终端的视频流，如A1/A4关心其他3个终端的视频流，则将其他3方的视频流全部订阅并拉到本地进行解码合成处理，而A2只关心A1的视频流，则只需要订阅A1这一路流即可，实现按需订阅，整体框架上更加灵活。SFU转发服务器全程不需要对视频流进行编解码，只是选择性转发，整体负载也较轻，更加容易实现大规模应用。

    （2）SVC（全称Scalable Video Coding，可适性视频编码）在H.264基础上扩展了语法和工具集，支持具有分级特性的码流。通过SVC机制编码产生的码流包含一个或多个可以单独解码的子码流，各子码流具有不同的码率，帧率和空间分辨率。在终端能力、系统资源、网络状态事先不可知的情形下，可以更好地发布视频流，实现在满足码流具有灵活可伸缩性的同时，也保证高的编码效率。

    （3）以SVC+SFU融合架构为代表的新型视讯技术。终端采用SVC编出多层视频流，服务器利用SFU转发替代传统MCU二次编解码方法。从而实现在弱网络环境下利用时域可分级，抛弃部分时域级实现网络适应性。一方面弱化对中心节点的要求，一方面弱化对网络的强依赖，从而推动了云视讯的广泛应用。

    SVC+SFU融合技术模型如下图所示，发送PC共享的是一路视频流，按SVC规则编码为三层发送给SFU转发服务器，SFU根据接收端的情况，发现接收PC网络状况不错，于是将0、1、2三层都发给接收PC;发现接收Pad网络不好，则只将0层发给接收Pad;发现接收Phone网络较好，但性能一般，则将0、1层发给接收Phone。通过SVC+SFU相融合的技术方案，从而实现可以适应不同的网络环境和终端类型。

    3 架构优势

    采用先进的SVC分层编解码+SFU选择性转发技术，实现高质量且流畅的音视频互动方案：

    （1）终端采用先进的SVC柔性分层编码技术，以及优异的抗丢包能力，自动适应学校多种网络环境。支持N方清晰、流畅、实时的音视频互动，在55%丢包的情况下声音能听清，在35%丢包的情况下视频依然流畅。

    （2）服务端采用SFU选择性转发技术，只对数据进行转发，不对数据进行解密、解码，数据只在发送端和接收端解密和解码。既保障数据传输过程中的保密性，同时也可以减轻云端的处理瓶颈，减少远程双方的延时，最好的情况下，延时小于300ms。

    4 案例应用

    随着城镇化进程的发展，优质的资源都往城镇聚集，在教育这块体现得尤为明显。而在边远山区，村小教学点，师资缺乏，有一些课程开不全，存在较严重的教育不均衡问题。国家为了解决城镇学校与偏远薄弱校的教育资源均衡问题，推出了新一轮的扶持政策，主要包括：新一轮薄改政策、“三个课堂”应用指导意见[5]等。在此政策场景下，主要建设诉求包括如下几点：

    4.1 覆盖多个应用场景

    整体方案应能满足课中实时音视频互动教学的基本要求，通过部署在学校或教学点的设备，以及部署在教育局的平台，解决偏远薄弱地区缺师少教问题，通过网络研修支持网络教研新形态，支持跨区域共享，实现优质资源均衡。

    4.2 音视频清晰稳定

    针对网上专门开课或同步上课，需要适应多种网络环境，在教育城域网或互联网接入场景中，都需要降低网络丢包、抖动和时延等现象对教学互动带来的影响，避免卡顿，实现流畅清晰的音视频传输效果。

    4.3 更好的线上互动

    应充分考虑学生居家通过BYOD设备接入参与互动学习的新模式，满足老师和大多数学生在教室线下教学+部分学生线上学习的需求。

    针对上述应用场景与建设诉求，本文设计了一种基于云视讯技术的整体架构，整体方案示意图如下图3：

    4.3.1 如图3所示，整体解决方案中，包括如下几个关键组成

    （1）区县管理中心：部署教学服务业务平台、云视讯服务平台。其中：教学服务业务平台推荐部署在电教馆的数据中心，提供点播直播、巡课督导、课程管理等服务;云视讯平台部署在公有云上面，满足专递课堂场景中的一拖多的实时互动，同时方便提供BYOD设备通过互联网接入。

    （2）主讲教室（授课教室）/听课教室：部署配套的硬件设备，包括音频处理设备、视频采集设备、侧屏电视。在老师授课电脑上安装互动教学软件，实现远程的画面控制、音频控制及相关的教学工具功能。

    4.3.2 整体采用云视讯部署架构，实现易扩容，轻管理的效果

    （1）区县统一的教学服务业务平台，采用容器技术，运行在虚拟机上面，安装方便，并且容易进行扩容与迁移。

    （2）采用SVC+SFU融合的云视讯技术架构，实现多个教室之间的实时互动教学，免去视频会议服务器的部署和维护，并通过云端集群部署，实现音视频流量的负载均衡、服务异地多活备份，比传统硬件MCU方案，可以减少30%的拥有成本。

    5 结语

    纵观上文，对视频会议的核心技术进行分析，并综合选择了一种SVC+SFU融合的技术方案，应用于当前政策热点场景专递课堂建设方案中，主体采用云视讯架构，云化部署与服务，可以更好地适应后续的可扩展。

    参考文献：

    [1]蒋林涛.视讯技术的现状及发展趋势[J].数据通信，2004，（2）：22-26.

    [2]曹春江.融合云视讯系统技术方案研究和应用[J]，技术研究，2018，（9）：10-12.

    [3]唐洪飞.基于IMS的云视讯平台方案应用研究[J]，邮电设计技术，2016，（4）：48-59.

    [4]高威，刘洋，李秋明.基于SIP协议的多业务融合视频会议系统的设计与实现[J].信息通信，2011，（4）：56-57.

    [5]中华人民共和国教育部.教育部关于加强“三个课堂”应用的指导意见http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202003/t20200316_431659.html，2020-03-03.