Ｐ２Ｐ流媒體直播技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學中的應(yīng)用研究

[摘要]本文針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)中課件直播對系統(tǒng)資源利用網(wǎng)絡(luò)資源耗費嚴重的問題，提出基于P2P流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課件直播解決方案，實現(xiàn)高效利用現(xiàn)有的有限資源，解決C／S模式的系統(tǒng)瓶頸問題，使在線學生通過網(wǎng)絡(luò)能夠同步聽課，突破網(wǎng)絡(luò)教學中同步學習效率低的問題。

[關(guān)鍵詞]P2P 流媒體 網(wǎng)絡(luò)教學

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和寬帶技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教育已經(jīng)進入了數(shù)字化、智能化、個性化的發(fā)展階段，新的通訊技術(shù)為傳遞最新的教學信息與知識提供了更多的途徑，為網(wǎng)絡(luò)教育資源的建設(shè)帶來了突破性發(fā)展。但多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)仍存在資源共享方式的不足和在線交互的不足的兩個難題，把P2P流媒體技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)，能很好地解決網(wǎng)絡(luò)教學資源共享和用戶間互動問題，使得由知識自由獲取的、動態(tài)的學習成為可能。

一、P2P技術(shù)和流媒體技術(shù)綜述

P2P(Peer-to-Peer)是一種網(wǎng)絡(luò)模型，即對等網(wǎng)絡(luò)，可以簡單地定義為通過直接交換共享計算機資源和服務(wù)，對等計算機兼有客戶機和服務(wù)器的功能。在這種網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點是對等的(稱為對等點)，各節(jié)點具有相同的責任與能力并協(xié)同完成任務(wù)。由于P2P技術(shù)對資源的充分利用的特點，促使目前在許多領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，比如文件共享、協(xié)同工作、即時通訊、文件傳遞廠、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教學等方面。

流媒體是指在網(wǎng)絡(luò)中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)媒體，如音頻、視頻或多媒體文刊。而流式傳輸技術(shù)就是把連續(xù)的聲音和圖像信息經(jīng)過壓縮處理放到網(wǎng)站服務(wù)器上，讓用戶一邊下載一邊收聽觀看，而不需要等待整個文件下載到自己的機器后才可以觀看的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。

流媒體技術(shù)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的在線直播、視頻點播、網(wǎng)絡(luò)廣告、遠程教育、實時視頻會議等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)的方面。將P2P技術(shù)應(yīng)用于流媒體領(lǐng)域，將打破傳統(tǒng)的客戶服務(wù)器模式，客戶端不僅可以從服務(wù)器那里直接取得數(shù)據(jù)，還可以彼此相連獲取流媒體數(shù)據(jù)。這樣可以使服務(wù)器分散化，從而減輕服務(wù)器負載并支持更大范圍流媒體發(fā)布，支持大規(guī)模用戶在線，投入成本很低，具有廣泛應(yīng)用的價值。

二、基于P2P流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)課堂直播系統(tǒng)的設(shè)計原則和設(shè)計原理

1.系統(tǒng)設(shè)計原則

流媒體課件直播系統(tǒng)為了能夠適應(yīng)P2P網(wǎng)絡(luò)的高度動態(tài)性、異構(gòu)性以及各個節(jié)點的帶寬資源隨時間的動態(tài)波動，將采取以下設(shè)計原則。

(1)可擴展性

基于P2P流媒體技術(shù)的課件直播系統(tǒng)的最終目標是支持7000-10000左右的在線用戶，能根據(jù)需求變化，留有充分的擴充余地，避免重復(fù)投資。

(2)充分利用網(wǎng)絡(luò)邊緣資源

直播系統(tǒng)能充分利用網(wǎng)絡(luò)邊緣／客戶端用戶的資源，在整個系統(tǒng)中，部署…個流媒體服務(wù)器和若干個超級節(jié)點來輔助系統(tǒng)的運行。超級節(jié)點的功能主要是負責分布式存儲相關(guān)的在線節(jié)點信息，輔助節(jié)點進行必要的網(wǎng)絡(luò)搜索。超級：節(jié)點不要選擇過多，這里將選擇10個超級節(jié)點。

(3)可靠性

課件直播系統(tǒng)要能做到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行可靠，故障率低，故障易檢測，易排除，為保障整個網(wǎng)絡(luò)可靠性，應(yīng)采用包括模塊冗余、鏈路冗余等在內(nèi)的冗余手段。

(4)魯棒性

由于P2P網(wǎng)絡(luò)具有高度的動態(tài)性，每個節(jié)點都要采取相應(yīng)的措施來盡量減少網(wǎng)絡(luò)的變動對各個節(jié)點的影響，在任何時候都不要過度的依賴于某個特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

(5)服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)

課件直播系統(tǒng)能夠合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，進行擁塞控制，提供不同層次的服務(wù)質(zhì)量保證，具有提高系統(tǒng)QoS的手段和方法。

(6)動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的帶寬和可用性都是變化的，節(jié)點應(yīng)該對自己的伙伴有相應(yīng)的監(jiān)督機制，周期性的進行伙伴節(jié)點的動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，包括替換過期的節(jié)點和性能差的節(jié)點，增加新節(jié)點，在QoS穩(wěn)定時也要進行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)整，減少網(wǎng)絡(luò)攪動對節(jié)點的沖擊。

2.系統(tǒng)設(shè)計原理

在系統(tǒng)中采用微軟公司專為流媒體設(shè)計、開發(fā)的一種文件格式ASF流媒體文件。基于P2P網(wǎng)絡(luò)中的流媒體課件直播原理如下：服務(wù)器端存放著實時播放的全部課件流媒體文件，服務(wù)器端將媒體課件按照一定的流媒體文件格式分割成很多個固定大小的媒體數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到自身的緩存區(qū)中，為今后前來請求的學生客戶端提供服務(wù)。當一個新的學生客戶端節(jié)點加入P2P網(wǎng)絡(luò)時，首先它會向服務(wù)器端發(fā)出連接請求，服務(wù)器若有足夠的剩余帶寬資源，則響應(yīng)客戶端節(jié)點的請求，與節(jié)點建立起連接，為學生客戶端節(jié)點提供能播放的媒體數(shù)據(jù)包。假如服務(wù)器端沒有剩余帶寬資源，則服務(wù)器會隨機選擇一個與之直接相連的子節(jié)點，子節(jié)點再根據(jù)自己的剩余帶寬資源狀況判斷是否為這個新的學生客戶端節(jié)點提供服務(wù)，以此類推，直到找到一個能為自己服務(wù)的節(jié)點為止。此時，服務(wù)器端再將原節(jié)點的請求命令包和請求的媒體數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)踞服務(wù)節(jié)點。至此，原節(jié)點和服務(wù)節(jié)點就可以建立起連接，雙方進行通信，在此基礎(chǔ)上伙伴關(guān)系也會相應(yīng)的建立起來。

原節(jié)點在接收到來自于其它伙伴節(jié)點的媒體數(shù)據(jù)包的同時，也可為其它的伙伴節(jié)點提供相應(yīng)的服務(wù)。這就相當于每個節(jié)點既是服務(wù)器，也是客戶端。顯然，此流媒體課件直播系統(tǒng)可以看做是多個服務(wù)器同時為一個客戶端提供服務(wù)，這樣，到每個服務(wù)器上的負擔就會減輕，客戶端得到的服務(wù)質(zhì)量相應(yīng)的提高，圖1為基于P2P網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)直播系統(tǒng)的模型圖。

三、P2P流媒體技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)課件直播的特點和優(yōu)勢

1.解決了傳統(tǒng)的C／S模式的網(wǎng)絡(luò)教學系統(tǒng)中服務(wù)器容易成為系統(tǒng)瓶頸的問題，由于網(wǎng)絡(luò)中的每個學生節(jié)點既是客戶端，也是服務(wù)器，所以平推到每個服務(wù)器上的負擔就會減輕，并能支持上千人同時觀看網(wǎng)絡(luò)直播課件。

2.解決了傳統(tǒng)C／S模式個別用戶無法獲得服務(wù)的問題，在線學生用戶均可獲得優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量保證。

3.易于實現(xiàn)，服務(wù)器負責管理所有節(jié)點，不需要構(gòu)建和維護更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，不會造成網(wǎng)絡(luò)資源的嚴重吞噬，導(dǎo)致其它網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無法正常進行。

4.可擴展性。通過P2P方式分發(fā)數(shù)據(jù)，用戶越多，分發(fā)數(shù)據(jù)的速度就越快，視頻流媒體課件播放的質(zhì)量也越好。

5.高效性。系統(tǒng)中每個節(jié)點都會動態(tài)的和其它節(jié)點交換緩存信息，并根據(jù)緩存信息交換節(jié)點之間的媒體數(shù)據(jù)。

6.客戶端軟件完全內(nèi)存操作，不經(jīng)過硬盤，避免發(fā)生如BT毀壞硬盤現(xiàn)象發(fā)生；

7.投入成本低。由于是軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課堂的直播功能，完全可利用現(xiàn)有的資源實現(xiàn)。

四、結(jié)束語

目前以P2P技術(shù)為核心的軟件越來越多引起了人們的關(guān)注，P2P技術(shù)掀起了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)新一輪的沖擊波。基于P2P網(wǎng)絡(luò)的流媒體直播技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并能夠提供較滿意的音視頻效果，能夠最大限度地支持同時在線的收看直播節(jié)目的學生終端節(jié)點數(shù)目：減少網(wǎng)絡(luò)流媒體課件服務(wù)器端的負載。隨著科學的進步和教育學習理論的發(fā)展，網(wǎng)上教學形式越來越多，與傳統(tǒng)教學相比有更大的優(yōu)勢，P2P流媒體直播技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學中具有很廣泛的應(yīng)用前景。

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(作者單位：黑龍江大學信息科學與技術(shù)學院)