技術背景與設計目標

傳統 MCU 架構將所有用戶的音視頻流集中到單一節點進行處理，容易造成性能瓶頸，無法滿足大規模會議場景需求。為此，我們提出了一種分布式多層級 MCU 架構，主要實現以下技術目標：

1. 分布式架構：通過多節點協同處理，減少單節點負載，提高并發支持能力。
2. 層級化合流：采用多層次的音視頻流合流機制，降低延遲并提升音視頻質量。
3. 高容錯性：在分布式架構中實現故障快速接管和恢復，確保系統穩定性。

系統架構與技術方案

基于 WebRTC 的低延遲 MCU 服務設計

WebRTC 是一個開源實時音視頻傳輸框架，提供了強大的 QoS（服務質量）機制和多種數據恢復算法。我們基于 WebRTC 源碼開發 MCU 服務，復用了其優秀特性，并針對低延遲需求進行了優化。

1. WebRTC 的 QoS 和數據恢復機制

• 動態 QoS 調控：通過動態調整音視頻碼率和幀率，優化傳輸路徑，在弱網絡環境下仍能保持較好的用戶體驗。
• FEC 與 SVC 技術：
  • FEC（前向糾錯）：通過冗余信息恢復丟失的數據，保證流暢性。
  • SVC（可伸縮視頻編碼）：根據網絡條件分層傳輸視頻流，帶寬不足時僅傳輸低質量層，確保基本可播放性。

2. 視頻編碼優化

• 編碼復雜度調整：在大規模會議中，適當降低編碼復雜度，減少延遲。
• 實時編碼策略：優先選擇快速編碼路徑，降低關鍵幀生成時間，簡化運動補償和參考幀選擇。

3. 自適應網絡調控與協同處理

• 帶寬動態分配：根據實時網絡狀況動態分配音視頻帶寬，確保流暢傳輸。
• 實時流量控制：通過網絡丟包率和延遲等參數，動態調整編碼和傳輸策略，增強抗弱網能力。

4. 硬件加速支持

• GPU 加速：利用 GPU 處理計算密集型任務，加快編碼速度，減輕 CPU 負載。
• 多線程優化：并行處理音視頻流，充分利用多核處理器性能，進一步縮短延遲。

分布式多層級 MCU 架構設計

1. 分布式 MCU 架構

• 負載分散：將用戶按組分配至不同的 MCU 節點，每個節點僅處理部分用戶音視頻流，避免單點瓶頸。
• 并行處理：多個節點協同工作，通過高速網絡互聯，實現高效并行處理。

2. 多層級 MCU 合流機制

• 局部合流：單個 MCU 節點先對其管轄范圍內的音視頻流進行局部合流，減少傳輸冗余。
• 層級化合流：局部合流后的數據傳輸至上一級節點進行二次合流，逐步匯總成全局音視頻流，進一步優化處理性能。

3. 動態調度與彈性擴展

• 智能流量調度：根據節點負載、用戶分布和網絡狀況，動態調整音視頻流的分配。
• 彈性擴展：支持根據會議規模動態增加 MCU 節點，新節點可無縫加入系統，無需中斷服務。

4. 容錯與高可用設計

• 節點容錯：實時監控節點狀態，故障時自動切換至備用節點，保證服務連續性。
• 冗余備份：通過冗余數據備份，快速恢復服務，提升系統可靠性。

系統優勢與應用場景

通過上述設計，該分布式多層級 MCU 系統在以下方面實現了技術突破：

1. 低延遲：通過優化編碼器和傳輸策略，大幅降低音視頻流處理延遲。
2. 高并發支持：分布式架構有效分散負載，支持大規模會議。
3. 穩定性與容錯性：分布式架構具備高容錯性，適用于長時間運行的會議。
4. 靈活擴展：彈性擴展功能適應動態用戶增長需求。

該系統廣泛適用于大型企業會議、在線教育和遠程醫療等需要高并發和低延遲的場景。

結語

基于 WebRTC 框架的分布式低延遲 MCU 系統，在滿足實時音視頻高質量需求的同時，突破了傳統 MCU 架構的性能瓶頸。未來，我們將繼續優化系統性能，提升用戶體驗，為大規模會議提供更加穩定、流暢的解決方案。