疫情期間，為響應 教育部“停課不停教、不停學”精神，眾多學校、線下教育培訓機構紛紛轉向線上課程滿足學生的學習需求。但當許多學校的老師通過在線平臺進行在線授課時，就遭遇了一系列難題：延遲、卡頓，甚至出現了平臺崩潰的現象，導致教學效果質量差等問題。如何構建一個高質量的在線課堂，成為了眾多學校及教育培訓機構近期乃至未來一段時期內的重點課題。

　　2月25日，UCloud優刻得互聯網事業部研發總監裴志偉進行了主題為《疫情之下，如何平穩從“線下”過渡到“線上?”》的在線直播課程，講述了如何快速構建高質量在線課堂，本文根據其課程進行整理，希望對大家有所幫助。

　　以下為主要內容：

　　1. 三個核心教育場景線上化

　　2. 在線課堂快速上線之技術選型

　　3. 高清實時音視頻URTC背后的技術解析

　　4. 一體化實時音視頻RTC解決方案

　　5. 附Q&A熱點注話題討論

　　三個核心教育場景線上化

　　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，就是如何把知識或者課程傳遞給學生;第二部分是練習，現在大家的方式都是拉一個群，把一些作業讓學生自己在里面去做;第三部分是輔導，在針對練習之后還會有一個定向輔導，其實也是教學的一部分。

　　對于要從線下過渡到線上的教育行業用戶來說，要打造一個教學、練習、輔導一個完整的在線閉環，才能確保學習效果，就像一些在線教育公司，如我們的客戶學霸君、一起作業、作業盒子等，他們在這方面有比較強的優勢。

　　在疫情特殊時期，社會對于教育的期望已經降低為保證基礎教學。現在行業中已經出現了不少PaaS和SaaS服務商，它們提供的產品和服務已經經過多輪驗證和迭代，在一些產品能力上面會比自建省時省力省心，尤其是本身IT資源儲備較少的小規模的教培機構或者公立校建議使用。

　　在線課堂快速上線之技術選型

　　通常，在線課堂有三種模式，錄播、在線直播和低延遲互動直播。

　　1. 錄播：提前錄制授課內容，學生的客戶端可以緩沖課程，這種形式對成本相對最低。

　　2. 在線直播：模擬上課場景，老師單向教學為主，老師和學生之間有簡單的文字互動能力，允許3-10秒的延遲。這種形式沒有實時互動，老師比較不適應。

　　3. 低延遲、互動直播：班課必備，可實現多人連麥、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課堂場景，整個上課體驗有更好的沉浸感，但技術難度高、成本較高。

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

　　要解決這個問題需要了解兩個知識點：1. 任何系統都有容量上限;2. 高可用性的系統背后需要可靠的大型互聯網系統支撐。

　　受疫情影響，為防止聚集性傳播，年后大多數企業采用遠程復工方式開工，大家復工在線辦公或者開會的時間和學生上課直播使用流量的時間是比較一致的，這兩個流量洪峰疊加起來，目前看是有點超出整個國內互聯網的基礎設施的當前承載力的。這次疫情中，很多教育行業沒有類似的實戰經驗，出現預想和實際的用戶及流量差距較大，IT系統無法支撐的情況，所以引發了這一系列的問題。

　　技術是揉不得沙子的，投入和回報一定成正比。我們建議教育行業的用戶盡可能準確評估最高同時在線人數，并留足冗余、設計好突發預案;技術層面要更好的進行架構優化、加強全節點監控，避免因架構缺陷、監控不全等原因無法穩定支撐業務運行，比如最近湖北等疫情嚴重地區明顯流量漲幅高于其他地區，各省市也會有不同的政策，需要良好的監控和運營體系。

　　在線課堂的音視頻質量好壞是由系統的端到端決定的。所以，在做好產品平臺側工作之外，還需要注重用戶端所有細節，才能達到較好的上課體驗。

　　1. 設備端：音視頻質量與老師/學生設備性能、機型、平臺有很大關系。很多第一次上網課的老師學生就在這里踩了坑，因為高清的視頻是對設備性能有要求較高，如果使用純音頻或者低分辨率視頻直播，設備性能要求較低。

　　2、設備端網絡：音視頻質量和老師、學生側的家庭網絡有關。尤其是老師側，相對來說，有線網絡好于Wi-Fi連接，Wi-Fi連接好于 4G網絡環境。

　　高清實時音視頻URTC背后的技術解析

　　事實上，和實時音視頻互動質量強相關的主要是RTC平臺。UCloud實時音視頻產品URTC，依托UCloud強大的計算能力和網絡覆蓋，通過智能公網動態路由調度、三種算法動態智能聯動、網絡變化自適應無縫調整碼率等方式，實現了高質量、抗弱網、低延遲的網絡音視頻通信，并支持萬人直播推送。

　　1. 基于羅馬網絡，公網動態路由調度

　　基于UCloud在全球部署的32個可用區、28條專線、500+加速節點，UCloud在全球范圍內構建了一張高速網，通過全球接入點就近接入、自研HTTP DNS調度算法，URTC可提供全球覆蓋的音視頻服務，國內平均時延70ms，國際平均時延不超過300ms，弱網下也能實現高質量音視頻通信。

　　同時，通過對延時和丟包率的深度學習化我們可以精準的預測網絡的波動變化，URTC能做到更早發現網絡擁塞、更早適應網絡變化。

　　2. 抗丟包算法，NACK+FEC+ARQ

　　互聯網是一種盡力而為的傳輸(Best-effort)網絡，因為帶寬變化在流媒體的傳輸過程中丟包、抖動、時延等情況時有發生，這就意味著還需要抗丟包算法。URTC利用NACK+FEC+ARQ三種算法動態智能聯動，通過動態調整重傳和冗余數據包的比例，實現在通話質量和網絡延時之間達到很好的平衡。目前在網絡丟包率40%的情況下，URTC還能穩定的傳輸視頻，網絡丟包率高達70%時，URTC也還能保證音頻的傳輸。

　　3. 網絡變化自適應，無縫調整碼率

　　在服務端, URTC針對每個用戶做了一個緩沖區，針對網絡不好的終端用戶，采用先通知遠端降低碼率，碼率達到下限，在緩存區進行數據的丟棄，以保證接收端的低延時;同時針對不同網絡情況的用戶，服務端也根據當前網絡狀態進行冗余數據的下發，最終實現抵抗網絡抖動，最大支持800ms網絡抗抖動。

　　在下行推流端，URTC實時音視頻采用抖動緩沖去抖動，并采用智能播放策略，獲取區采用狀態機策略，分為填充、播放、慢放、等待、快放等，根據不同的狀態機進行數據的不同的處理邏輯，這樣保證數據播放的平穩和延時，同時NACK 變為和RTT相關的策略，根據投遞的成功率進行投遞間隔的改變，防止NACK 投遞引起的重傳風暴和帶寬浪費。

　　一體化RTC實時音視頻解決方案

　　僅僅一個實時音視頻產品是不夠的，用戶的需求非常多，從服務器設備的部署、開發到后期的運維都耗時耗力。UCloud結合自身公有云平臺其他產品推出了一體化實時音視頻解決方案。實時音視頻只是一個線下場景線上化的入口，后端可以承載VR、AR、存儲、AI、旁路推流、截圖等各類應用接口，支持如金融雙錄、遠程診療、電商快直播帶貨、視頻物聯網、音視頻社交等場景。

　　UCloud 音視頻URTC產品可以導出視頻流、圖片等文件，這些文件通過UCloud RTC實時集群的轉碼中心、AI處理平臺和視頻水印算法等操作，利用RTC直播集可實現音視頻連麥互動推送萬人直播，也可以直接轉換成文件存儲在云端。

　　除了在線教育外，URTC還可以廣泛應用于智能家居、遠程醫療、視頻會議、娛樂直播、安防監控等場景。疫情期間，也出現了云蹦迪等創新的場景，這些場景推動了音視頻的發展以及云計算平臺。

　　附Q&A熱點注話題討論

　　1. 如何實現快速在線擴容?

　　流量洪峰來臨前，如何儲備、儲備多少，要如何分配現有資源?是否需要擴容、擴多少?最大流量洪峰可能在哪?計算、存儲和網絡資源成本比較高，任何一家公司都不可能無限冗余資源，這個時候云資源的獨有優勢就會展現出來了，可大大降低企業自建數據中心的成本，彈性可擴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的用戶反應比較遲緩，受限于春節期間機房進不去、很多的供應商、物流、施工方都因疫情而無法開工。

　　除了選擇公有云平臺之外，教育行業用戶加強自身IT平臺的技術能力，架構要支持分布式部署，同時可以利用容器技術將應用容器化，這會讓擴容更容易一些。

　　2. 如何解決卡頓、掉線等問題?

　　答：教育行業用戶加強自身IT能力和技術儲備。技術層面要更好的進行架構優化、加強全節點監控，避免因架構缺陷、監控不全等原因無法穩定支撐業務運行。

　　同時，一定要做柔性降級的預案準備，一旦遇到全網流量超出基礎設施資源能力的情況下，犧牲掉一些無關緊要的，提供臨時有損服務，最大程度的保障用戶的可用度;如視頻類網站，網絡情況好的時候可以看超清、1080P、藍光等，但網絡信號一旦變弱或者資源受限的情況下，就會建議通過一些降低碼率、幀率甚至是采取降級為純音頻的手段，保障授課的連續性。