一種基于P2P流媒體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

摘 要:隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育已經(jīng)逐漸普及。然而已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不支持動態(tài)多媒體數(shù)據(jù)和實(shí)時流數(shù)據(jù)，且存在著流媒體技術(shù)中服務(wù)器的承載問題。針對這些問題設(shè)計基于P2P流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)，其中每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)的消費(fèi)者又是服務(wù)的提供者，針對Web服務(wù)模式，有效地解決了流媒體系統(tǒng)中存在的問題，同時具有對網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器處理能力要求低、易部署和易擴(kuò)展的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:流媒體; P2P技術(shù); 網(wǎng)絡(luò)教育; 資源共享

中圖分類號:TP316文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0099-03

Design of Network Education System Based on P2P Technology and Streaming Media

WU Cheng-yi

(Shangluo Vocational Technical College， Shangluo 726000， China)

Abstract: The remote network education has been popularized gradually， but the network technology does not support the dynamic multimedia and real-time streaming data，and the current streaming media system has the problem of the server bottleneck. In view of the present situation， a network education system based on P2P streaming media technology is brought forward， in which each network node is both a service consumer and service provider. The problems of Web service mode and streaming media system were solved effectively. It has the characteristics of low requirement for network bandwidth and server processing ability，easy deployment and high scalability.

Keywords: streaming media; P2P technology; network education; resource sharing

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益提高和人類生活節(jié)奏的加快，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)漸漸不能滿足人們學(xué)習(xí)新技術(shù)的需要，這時網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式融合了互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)，突破了學(xué)習(xí)時間和地點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源的共享。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育就是在線學(xué)習(xí)，即在教育領(lǐng)域建立基于C/S模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)，使時空分離的教師和學(xué)生共同完成教學(xué)交互活動和實(shí)現(xiàn)學(xué)生個別化學(xué)習(xí)。在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，最基本的要求是快速、安全、有效地將海量的信息在教師端與學(xué)生端之間進(jìn)行傳輸。需要傳送的信息是多元化的，包括各種數(shù)據(jù)，如視頻、音頻、文本、圖片等[1]。

傳統(tǒng)C/S模式的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中，不能實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量大和網(wǎng)絡(luò)帶寬受限一直是困擾網(wǎng)絡(luò)教學(xué)活動的瓶頸。限于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬的現(xiàn)狀，目前解決上述問題的一個比較好的選擇就是基于P2P的流媒體技術(shù)[2]。現(xiàn)代的遠(yuǎn)程教育是一種動態(tài)的同步教學(xué)模式，要求教師的授課內(nèi)容都要動態(tài)地進(jìn)行傳輸，而且還要進(jìn)行面對面的交流，P2P流媒體技術(shù)能夠很好地解決異步教學(xué)模式存在的問題。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 流媒體技術(shù)

流媒體技術(shù)也稱流式媒體技術(shù)，即把連續(xù)的影像和聲音信息經(jīng)過壓縮處理后放在網(wǎng)站服務(wù)器上，用戶可以一邊下載一邊觀看、收聽，而不需要等整個文件下載到自己的計算機(jī)上才可以觀看的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。該技術(shù)首先在使用者端的計算機(jī)上創(chuàng)建一個緩沖區(qū)，在播放前預(yù)先下載一段數(shù)據(jù)作為緩沖，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際連線速度小于播放所耗的速度時，播放程序就會取用緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，這樣可以避免播放的中斷，從而使得播放品質(zhì)得以保證。整個過程的實(shí)現(xiàn)涉及到流媒體數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲、傳輸以及網(wǎng)絡(luò)通信等多項技術(shù)。流媒體本質(zhì)是一種多媒體文件，其在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)倪^程中應(yīng)用了流技術(shù)[3]。

流媒體傳輸?shù)倪^程一般是這樣的:當(dāng)用戶選擇某一個流媒體服務(wù)后，Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)從原始信息中檢索出來;然后客戶機(jī)上的Web瀏覽器啟動A/V Helper程序，使用HTTP從Web服務(wù)器檢索相關(guān)參數(shù)對Helper程序初始化。這些參數(shù)可能包括目錄信息、A/V數(shù)據(jù)的編碼類型或與A/V檢索相關(guān)的服務(wù)器地址。

A/V Helper程序及A/V服務(wù)器運(yùn)行實(shí)時流控制協(xié)議(RTSP)，以交換A/V傳輸所需的控制信息。與CD播放機(jī)或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操縱播放、快進(jìn)、快倒、暫停及錄制等命令的方法。A/V服務(wù)器使用RTP/UDP協(xié)議將A/V數(shù)據(jù)傳輸給A/V客戶程序(一般可認(rèn)為客戶程序等同于Helper程序)，一旦A/V數(shù)據(jù)抵達(dá)客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。流媒體傳輸?shù)脑砣鐖D1所示。

圖1 流媒體傳輸原理

1.2 P2P技術(shù)

P2P(peer-to-peer)技術(shù)，也稱為對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種用戶不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)，它是一種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，依賴網(wǎng)絡(luò)中參與者的計算能力和帶寬，而不是把依賴都聚集在較少的幾臺服務(wù)器上。P2P網(wǎng)絡(luò)通常用于通過Ad Hoc連接來連接節(jié)點(diǎn)。這類網(wǎng)絡(luò)可以用于多種用途，各種檔案分享軟件已經(jīng)得到了廣泛的使用。P2P技術(shù)也被使用在類似VoIP等實(shí)時媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信中。P2P模式具有健壯性、自治性、動態(tài)性、資源數(shù)量巨大、無集中管理和強(qiáng)分布性等特征[4]。

1.3 P2P流媒體技術(shù)

可以將P2P技術(shù)和流媒體技術(shù)有效地結(jié)合起來，這是一種優(yōu)秀的組合，由此產(chǎn)生了P2P流媒體技術(shù)，這項技術(shù)兼?zhèn)銹2P技術(shù)和流媒體技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)[5]，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的播放器已經(jīng)有一些開始采用這種技術(shù)，比如基于P2P的在線電視直播PPLive。PPLive是一款用于互聯(lián)網(wǎng)上大規(guī)模視頻直播的共享軟件，它使用網(wǎng)狀模型，有效解決了網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播服務(wù)的帶寬和負(fù)載有限問題，實(shí)現(xiàn)用戶越多，播放越流暢的特性，整體服務(wù)質(zhì)量大大提高。

2 體系結(jié)構(gòu)

基于 P2P流媒體的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。一個基于P2P的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該至少包括監(jiān)聽器、瀏覽器和流媒體服務(wù)器3個模塊[6]。本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)沒有層次，只有兩種類型的結(jié)點(diǎn)，一種就是一個特殊的結(jié)點(diǎn)服務(wù)器，另外一種結(jié)點(diǎn)就是遠(yuǎn)程機(jī)，即我們的客戶機(jī)。客戶機(jī)之間也可以互相傳輸資源。

圖2 P2P流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)

3 本系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)、特點(diǎn)及優(yōu)勢

本系統(tǒng)涉及到的技術(shù)主要是流媒體技術(shù)和P2P技術(shù)兩方面。詳細(xì)介紹如下:

(1) 流媒體數(shù)據(jù)的編碼。流媒體數(shù)據(jù)的編碼是以后各個階段的基礎(chǔ)，編碼器的性能好壞將直接決定服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣。在編碼會話開始之前，要先指定顯示信息、標(biāo)題、作者名等屬性。在不指定這些屬性的情況下，編碼會話也能進(jìn)行，但是對它們進(jìn)行指定更為可取一些，因為它們?yōu)榻邮斩它c(diǎn)提供了會話的完整參考信息。目前最流行的編碼器有Microsoft公司的Windows-Media、DivXNetworks公司的DivX等。

(2) 流媒體文件和Web頁面的結(jié)合[7]。在完成了流媒體文件的制作，并將它們組合成流式多媒體節(jié)目之后，就可以在Internet上發(fā)布了，可以在Web頁面中直接加入連接到流媒體文件的超級鏈接，當(dāng)用戶點(diǎn)擊鏈接時，會啟動用戶端的流媒體播放器(例如Media Player)作為一個單獨(dú)的應(yīng)用程序窗口被打開，來播放鏈接內(nèi)容，播放結(jié)束后，關(guān)閉播放器窗口，繼續(xù)瀏覽Web頁的其他內(nèi)容，這種方法的實(shí)現(xiàn)非常簡單，但播放器窗口有時會覆蓋掉網(wǎng)頁的其他內(nèi)容，為了使用戶在觀看流媒體播放的同時可以繼續(xù)瀏覽網(wǎng)頁，或者進(jìn)行其他操作，為用戶提供一個完整而整齊的用戶界面，有時需要將播放器播放窗口結(jié)合到Web頁中，這樣用戶就可以通過支持流媒體播放的插件在Web瀏覽器中直接播放流媒體文件，而不用再另外啟動播放器。

(3) 流媒體的同步技術(shù)[8]。包括流媒體的系統(tǒng)同步、媒體間同步和用戶層同步。

(4) 數(shù)據(jù)交換控制協(xié)議。為了在對等結(jié)點(diǎn)之間順利交換數(shù)據(jù)，各個peer結(jié)點(diǎn)必須按照一定方式組織一定的結(jié)構(gòu)，但是這個結(jié)構(gòu)是半結(jié)構(gòu)化的。文獻(xiàn)[9-10]提出了兩種組織的方式及相應(yīng)的控制信息的維護(hù)。

(5) 引入用戶的身份驗證和安全管理等功能。在索引和搜索階段完成用戶的鑒權(quán)控制，各客戶端播放器進(jìn)行鑒權(quán)后，便成為P2P網(wǎng)絡(luò)的一員，可在該網(wǎng)絡(luò)中開展相應(yīng)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9，11]分別提供了兩種不同的組織方式及其用戶的加入方式。

(6) 用戶結(jié)點(diǎn)的離開與失效。結(jié)點(diǎn)的離開或失效都將引起子結(jié)點(diǎn)服務(wù)的中斷，而為了恢復(fù)被中斷的服務(wù)，必須解決兩個問題:中斷結(jié)點(diǎn)的檢測;重新加入結(jié)點(diǎn)時父結(jié)點(diǎn)的搜索選擇。

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢如下:

雙向互動、實(shí)時全交互;

可以實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué);

可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)自動化遠(yuǎn)程管理;

提高了多媒體服務(wù)能力和流服務(wù)能力;

改善了客戶體驗感覺，對用戶更加友好。

4 結(jié) 語

網(wǎng)絡(luò)教育視頻平臺的搭建和維護(hù)是一項復(fù)雜且持續(xù)時間長的事務(wù)性工作。流媒體技術(shù)和P2P技術(shù)的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課程更加生動真實(shí)。這一技術(shù)勢必將引起教學(xué)領(lǐng)域的改變，基于 P2P模式的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)視頻資源的高共享性，為學(xué)習(xí)者提供高質(zhì)量的視頻學(xué)習(xí)接口，支持遠(yuǎn)程視頻直播，使遠(yuǎn)程距離上老師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間面對面交流成為可能。所以，基于P2P流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展是一種趨勢。本文首先提到了傳統(tǒng)的基于Web服務(wù)方式的教育系統(tǒng)，分析了其存在的問題，同時介紹了流媒體和P2P兩種技術(shù)，并且提出了基于P2P技術(shù)和流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)。并對該系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了討論，通過實(shí)際運(yùn)行，表明這種網(wǎng)絡(luò)教育體系結(jié)構(gòu)取得了很好的效果，適宜于進(jìn)一步的發(fā)展和推廣。

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