UCloud優(yōu)刻得裴志偉：如何快速構(gòu)建高質(zhì)量在線課堂

　　疫情期間，為響應(yīng) 教育部“停課不停教、不停學(xué)”精神，眾多學(xué)校、線下教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)紛紛轉(zhuǎn)向線上課程滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。但當(dāng)許多學(xué)校的老師通過在線平臺(tái)進(jìn)行在線授課時(shí)，就遭遇了一系列難題：延遲、卡頓，甚至出現(xiàn)了平臺(tái)崩潰的現(xiàn)象，導(dǎo)致教學(xué)效果質(zhì)量差等問題。如何構(gòu)建一個(gè)高質(zhì)量的在線課堂，成為了眾多學(xué)校及教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)近期乃至未來一段時(shí)期內(nèi)的重點(diǎn)課題。

　　2月25日，UCloud優(yōu)刻得互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部研發(fā)總監(jiān)裴志偉進(jìn)行了主題為《疫情之下，如何平穩(wěn)從“線下”過渡到“線上?”》的在線直播課程，講述了如何快速構(gòu)建高質(zhì)量在線課堂，本文根據(jù)其課程進(jìn)行整理，希望對(duì)大家有所幫助。

　　以下為主要內(nèi)容：

　　1. 三個(gè)核心教育場(chǎng)景線上化

　　2. 在線課堂快速上線之技術(shù)選型

　　3. 高清實(shí)時(shí)音視頻URTC背后的技術(shù)解析

　　4. 一體化實(shí)時(shí)音視頻RTC解決方案

　　5. 附Q&A熱點(diǎn)注話題討論

　　三個(gè)核心教育場(chǎng)景線上化

　　通常來說，教育分為三部分：一部分是教，這次疫情期間在線教育主要在做的一件事是用來做教學(xué)，就是如何把知識(shí)或者課程傳遞給學(xué)生;第二部分是練習(xí)，現(xiàn)在大家的方式都是拉一個(gè)群，把一些作業(yè)讓學(xué)生自己在里面去做;第三部分是輔導(dǎo)，在針對(duì)練習(xí)之后還會(huì)有一個(gè)定向輔導(dǎo)，其實(shí)也是教學(xué)的一部分。

　　對(duì)于要從線下過渡到線上的教育行業(yè)用戶來說，要打造一個(gè)教學(xué)、練習(xí)、輔導(dǎo)一個(gè)完整的在線閉環(huán)，才能確保學(xué)習(xí)效果，就像一些在線教育公司，如我們的客戶學(xué)霸君、一起作業(yè)、作業(yè)盒子等，他們?cè)谶@方面有比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

　　在疫情特殊時(shí)期，社會(huì)對(duì)于教育的期望已經(jīng)降低為保證基礎(chǔ)教學(xué)�，F(xiàn)在行業(yè)中已經(jīng)出現(xiàn)了不少PaaS和SaaS服務(wù)商，它們提供的產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)經(jīng)過多輪驗(yàn)證和迭代，在一些產(chǎn)品能力上面會(huì)比自建省時(shí)省力省心，尤其是本身IT資源儲(chǔ)備較少的小規(guī)模的教培機(jī)構(gòu)或者公立校建議使用。

　　在線課堂快速上線之技術(shù)選型

　　通常，在線課堂有三種模式，錄播、在線直播和低延遲互動(dòng)直播。

　　1. 錄播：提前錄制授課內(nèi)容，學(xué)生的客戶端可以緩沖課程，這種形式對(duì)成本相對(duì)最低。

　　2. 在線直播：模擬上課場(chǎng)景，老師單向教學(xué)為主，老師和學(xué)生之間有簡(jiǎn)單的文字互動(dòng)能力，允許3-10秒的延遲。這種形式?jīng)]有實(shí)時(shí)互動(dòng)，老師比較不適應(yīng)。

　　3. 低延遲、互動(dòng)直播：班課必備，可實(shí)現(xiàn)多人連麥、順暢視頻通話，配有白板、IM等教具，延遲要求低于300ms。這種形式最接近線下教學(xué)課堂場(chǎng)景，整個(gè)上課體驗(yàn)有更好的沉浸感，但技術(shù)難度高、成本較高。

　　那為什么每天都能聽到大量的關(guān)于登陸不上、高卡頓、掉線、系統(tǒng)崩潰等問題的吐槽呢?

　　要解決這個(gè)問題需要了解兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1. 任何系統(tǒng)都有容量上限;2. 高可用性的系統(tǒng)背后需要可靠的大型互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)支撐。

　　受疫情影響，為防止聚集性傳播，年后大多數(shù)企業(yè)采用遠(yuǎn)程復(fù)工方式開工，大家復(fù)工在線辦公或者開會(huì)的時(shí)間和學(xué)生上課直播使用流量的時(shí)間是比較一致的，這兩個(gè)流量洪峰疊加起來，目前看是有點(diǎn)超出整個(gè)國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前承載力的。這次疫情中，很多教育行業(yè)沒有類似的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，出現(xiàn)預(yù)想和實(shí)際的用戶及流量差距較大，IT系統(tǒng)無(wú)法支撐的情況，所以引發(fā)了這一系列的問題。

　　技術(shù)是揉不得沙子的，投入和回報(bào)一定成正比。我們建議教育行業(yè)的用戶盡可能準(zhǔn)確評(píng)估最高同時(shí)在線人數(shù)，并留足冗余、設(shè)計(jì)好突發(fā)預(yù)案;技術(shù)層面要更好的進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化、加強(qiáng)全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，避免因架構(gòu)缺陷、監(jiān)控不全等原因無(wú)法穩(wěn)定支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行，比如最近湖北等疫情嚴(yán)重地區(qū)明顯流量漲幅高于其他地區(qū)，各省市也會(huì)有不同的政策，需要良好的監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)體系。

　　在線課堂的音視頻質(zhì)量好壞是由系統(tǒng)的端到端決定的。所以，在做好產(chǎn)品平臺(tái)側(cè)工作之外，還需要注重用戶端所有細(xì)節(jié)，才能達(dá)到較好的上課體驗(yàn)。

　　1. 設(shè)備端：音視頻質(zhì)量與老師/學(xué)生設(shè)備性能、機(jī)型、平臺(tái)有很大關(guān)系。很多第一次上網(wǎng)課的老師學(xué)生就在這里踩了坑，因?yàn)楦咔宓囊曨l是對(duì)設(shè)備性能有要求較高，如果使用純音頻或者低分辨率視頻直播，設(shè)備性能要求較低。

　　2、設(shè)備端網(wǎng)絡(luò)：音視頻質(zhì)量和老師、學(xué)生側(cè)的家庭網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。尤其是老師側(cè)，相對(duì)來說，有線網(wǎng)絡(luò)好于Wi-Fi連接，Wi-Fi連接好于 4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　高清實(shí)時(shí)音視頻URTC背后的技術(shù)解析

　　事實(shí)上，和實(shí)時(shí)音視頻互動(dòng)質(zhì)量強(qiáng)相關(guān)的主要是RTC平臺(tái)。UCloud實(shí)時(shí)音視頻產(chǎn)品URTC，依托UCloud強(qiáng)大的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通過智能公網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由調(diào)度、三種算法動(dòng)態(tài)智能聯(lián)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)變化自適應(yīng)無(wú)縫調(diào)整碼率等方式，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、抗弱網(wǎng)、低延遲的網(wǎng)絡(luò)音視頻通信，并支持萬(wàn)人直播推送。

　　1. 基于羅馬網(wǎng)絡(luò)，公網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由調(diào)度

　　基于UCloud在全球部署的32個(gè)可用區(qū)、28條專線、500+加速節(jié)點(diǎn)，UCloud在全球范圍內(nèi)構(gòu)建了一張高速網(wǎng)，通過全球接入點(diǎn)就近接入、自研HTTP DNS調(diào)度算法，URTC可提供全球覆蓋的音視頻服務(wù)，國(guó)內(nèi)平均時(shí)延70ms，國(guó)際平均時(shí)延不超過300ms，弱網(wǎng)下也能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量音視頻通信。

　　同時(shí)，通過對(duì)延時(shí)和丟包率的深度學(xué)習(xí)化我們可以精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)變化，URTC能做到更早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、更早適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化。

　　2. 抗丟包算法，NACK+FEC+ARQ

　　互聯(lián)網(wǎng)是一種盡力而為的傳輸(Best-effort)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閹�寬變化在流媒體的傳輸過程中丟包、抖動(dòng)、時(shí)延等情況時(shí)有發(fā)生，這就意味著還需要抗丟包算法。URTC利用NACK+FEC+ARQ三種算法動(dòng)態(tài)智能聯(lián)動(dòng)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整重傳和冗余數(shù)據(jù)包的比例，實(shí)現(xiàn)在通話質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)之間達(dá)到很好的平衡。目前在網(wǎng)絡(luò)丟包率40%的情況下，URTC還能穩(wěn)定的傳輸視頻，網(wǎng)絡(luò)丟包率高達(dá)70%時(shí)，URTC也還能保證音頻的傳輸。

　　3. 網(wǎng)絡(luò)變化自適應(yīng)，無(wú)縫調(diào)整碼率

　　在服務(wù)端, URTC針對(duì)每個(gè)用戶做了一個(gè)緩沖區(qū)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)不好的終端用戶，采用先通知遠(yuǎn)端降低碼率，碼率達(dá)到下限，在緩存區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的丟棄，以保證接收端的低延時(shí);同時(shí)針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)情況的用戶，服務(wù)端也根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的下發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)抵抗網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，最大支持800ms網(wǎng)絡(luò)抗抖動(dòng)。

　　在下行推流端，URTC實(shí)時(shí)音視頻采用抖動(dòng)緩沖去抖動(dòng)，并采用智能播放策略，獲取區(qū)采用狀態(tài)機(jī)策略，分為填充、播放、慢放、等待、快放等，根據(jù)不同的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的不同的處理邏輯，這樣保證數(shù)據(jù)播放的平穩(wěn)和延時(shí)，同時(shí)NACK 變?yōu)楹蚏TT相關(guān)的策略，根據(jù)投遞的成功率進(jìn)行投遞間隔的改變，防止NACK 投遞引起的重傳風(fēng)暴和帶寬浪費(fèi)。

　　一體化RTC實(shí)時(shí)音視頻解決方案

　　僅僅一個(gè)實(shí)時(shí)音視頻產(chǎn)品是不夠的，用戶的需求非常多，從服務(wù)器設(shè)備的部署、開發(fā)到后期的運(yùn)維都耗時(shí)耗力。UCloud結(jié)合自身公有云平臺(tái)其他產(chǎn)品推出了一體化實(shí)時(shí)音視頻解決方案。實(shí)時(shí)音視頻只是一個(gè)線下場(chǎng)景線上化的入口，后端可以承載VR、AR、存儲(chǔ)、AI、旁路推流、截圖等各類應(yīng)用接口，支持如金融雙錄、遠(yuǎn)程診療、電商快直播帶貨、視頻物聯(lián)網(wǎng)、音視頻社交等場(chǎng)景。

　　UCloud 音視頻URTC產(chǎn)品可以導(dǎo)出視頻流、圖片等文件，這些文件通過UCloud RTC實(shí)時(shí)集群的轉(zhuǎn)碼中心、AI處理平臺(tái)和視頻水印算法等操作，利用RTC直播集可實(shí)現(xiàn)音視頻連麥互動(dòng)推送萬(wàn)人直播，也可以直接轉(zhuǎn)換成文件存儲(chǔ)在云端。

　　除了在線教育外，URTC還可以廣泛應(yīng)用于智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會(huì)議、娛樂直播、安防監(jiān)控等場(chǎng)景。疫情期間，也出現(xiàn)了云蹦迪等創(chuàng)新的場(chǎng)景，這些場(chǎng)景推動(dòng)了音視頻的發(fā)展以及云計(jì)算平臺(tái)。

　　附Q&A熱點(diǎn)注話題討論

　　1. 如何實(shí)現(xiàn)快速在線擴(kuò)容?

　　流量洪峰來臨前，如何儲(chǔ)備、儲(chǔ)備多少，要如何分配現(xiàn)有資源?是否需要擴(kuò)容、擴(kuò)多少?最大流量洪峰可能在哪?計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源成本比較高，任何一家公司都不可能無(wú)限冗余資源，這個(gè)時(shí)候云資源的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)就會(huì)展現(xiàn)出來了，可大大降低企業(yè)自建數(shù)據(jù)中心的成本，彈性可擴(kuò)容等也可讓用戶迅速的提升自己的承載能力。這次疫情期間，沒有使用公有云平臺(tái)的用戶反應(yīng)比較遲緩，受限于春節(jié)期間機(jī)房進(jìn)不去、很多的供應(yīng)商、物流、施工方都因疫情而無(wú)法開工。

　　除了選擇公有云平臺(tái)之外，教育行業(yè)用戶加強(qiáng)自身IT平臺(tái)的技術(shù)能力，架構(gòu)要支持分布式部署，同時(shí)可以利用容器技術(shù)將應(yīng)用容器化，這會(huì)讓擴(kuò)容更容易一些。

　　2. 如何解決卡頓、掉線等問題?

　　答：教育行業(yè)用戶加強(qiáng)自身IT能力和技術(shù)儲(chǔ)備。技術(shù)層面要更好的進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化、加強(qiáng)全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，避免因架構(gòu)缺陷、監(jiān)控不全等原因無(wú)法穩(wěn)定支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行。

　　同時(shí)，一定要做柔性降級(jí)的預(yù)案準(zhǔn)備，一旦遇到全網(wǎng)流量超出基礎(chǔ)設(shè)施資源能力的情況下，犧牲掉一些無(wú)關(guān)緊要的，提供臨時(shí)有損服務(wù)，最大程度的保障用戶的可用度;如視頻類網(wǎng)站，網(wǎng)絡(luò)情況好的時(shí)候可以看超清、1080P、藍(lán)光等，但網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一旦變?nèi)趸蛘哔Y源受限的情況下，就會(huì)建議通過一些降低碼率、幀率甚至是采取降級(jí)為純音頻的手段，保障授課的連續(xù)性。