技术背景与设计目标
传统 MCU 架构将所有用户的音视频流集中到单一节点进行处理，容易造成性能瓶颈，无法满足大规模会议场景需求。为此，我们提出了一种分布式多层级 MCU 架构，主要实现以下技术目标：
- 分布式架构：通过多节点协同处理，减少单节点负载，提高并发支持能力。
- 层级化合流：采用多层次的音视频流合流机制，降低延迟并提升音视频质量。
- 高容错性：在分布式架构中实现故障快速接管和恢复，确保系统稳定性。
系统架构与技术方案
基于 WebRTC 的低延迟 MCU 服务设计
WebRTC 是一个开源实时音视频传输框架，提供了强大的 QoS（服务质量）机制和多种数据恢复算法。我们基于 WebRTC 源码开发 MCU 服务，复用了其优秀特性，并针对低延迟需求进行了优化。
1. WebRTC 的 QoS 和数据恢复机制
- 动态 QoS 调控：通过动态调整音视频码率和帧率，优化传输路径，在弱网络环境下仍能保持较好的用户体验。
- FEC 与 SVC 技术：
- FEC（前向纠错）：通过冗余信息恢复丢失的数据，保证流畅性。
- SVC（可伸缩视频编码）：根据网络条件分层传输视频流，带宽不足时仅传输低质量层，确保基本可播放性。
2. 视频编码优化
- 编码复杂度调整：在大规模会议中，适当降低编码复杂度，减少延迟。
- 实时编码策略：优先选择快速编码路径，降低关键帧生成时间，简化运动补偿和参考帧选择。
3. 自适应网络调控与协同处理
- 带宽动态分配：根据实时网络状况动态分配音视频带宽，确保流畅传输。
- 实时流量控制：通过网络丢包率和延迟等参数，动态调整编码和传输策略，增强抗弱网能力。
4. 硬件加速支持
- GPU 加速：利用 GPU 处理计算密集型任务，加快编码速度，减轻 CPU 负载。
- 多线程优化：并行处理音视频流，充分利用多核处理器性能，进一步缩短延迟。
分布式多层级 MCU 架构设计
1. 分布式 MCU 架构
- 负载分散：将用户按组分配至不同的 MCU 节点，每个节点仅处理部分用户音视频流，避免单点瓶颈。
- 并行处理：多个节点协同工作，通过高速网络互联，实现高效并行处理。
2. 多层级 MCU 合流机制
- 局部合流：单个 MCU 节点先对其管辖范围内的音视频流进行局部合流，减少传输冗余。
- 层级化合流：局部合流后的数据传输至上一级节点进行二次合流，逐步汇总成全局音视频流，进一步优化处理性能。
3. 动态调度与弹性扩展
- 智能流量调度：根据节点负载、用户分布和网络状况，动态调整音视频流的分配。
- 弹性扩展：支持根据会议规模动态增加 MCU 节点，新节点可无缝加入系统，无需中断服务。
4. 容错与高可用设计
- 节点容错：实时监控节点状态，故障时自动切换至备用节点，保证服务连续性。
- 冗余备份：通过冗余数据备份，快速恢复服务，提升系统可靠性。
系统优势与应用场景
通过上述设计，该分布式多层级 MCU 系统在以下方面实现了技术突破：
- 低延迟：通过优化编码器和传输策略，大幅降低音视频流处理延迟。
- 高并发支持：分布式架构有效分散负载，支持大规模会议。
- 稳定性与容错性：分布式架构具备高容错性，适用于长时间运行的会议。
- 灵活扩展：弹性扩展功能适应动态用户增长需求。
该系统广泛适用于大型企业会议、在线教育和远程医疗等需要高并发和低延迟的场景。
结语
基于 WebRTC 框架的分布式低延迟 MCU 系统，在满足实时音视频高质量需求的同时，突破了传统 MCU 架构的性能瓶颈。未来，我们将继续优化系统性能，提升用户体验，为大规模会议提供更加稳定、流畅的解决方案。
