基于P2P 流媒體技術的遠程網絡教學系統設計

熊 皓 王志鴻

（1.湖北理工學院 計算機學院，湖北 黃石435000；2.湖北理工學院 藝術學院，湖北 黃石435000）

0 前言

隨著Internet 網絡的日趨普及和信息傳輸技術的快速發展，Internet 上的用戶也逐漸遞增，使得遠程網絡教育變得更加便捷[1]。 在遠程網絡教育中，所有的信息傳遞都是由計算機在網絡技術和環境支持下進行的，這些信息傳遞同樣有教師傳向學生的教學信息，學生傳向教師的應答信息，教師傳向學生的反饋信息等，教師與學生通常是非直接接觸的，時間通常是異步的、空間通常也是分離的，在這樣的教學環境中，信息傳遞的容量是非常巨大的，如何解決當訪問用戶過多時而造成的數據堵塞問題，以及如何實現遠程教育中師生的真正互動是目前研究的方向。

1 P2P 流媒體

所謂流媒體是指采用流式傳輸的方式在Internet 播放的媒體格式。隨著計算機和網絡技術的快速發展， 互聯網流媒體應用的迅速增長也給網絡媒體的發布和傳輸技術帶來了新的考驗[2]。 傳統的基于C/S 架構的服務模式很容易引起服務器的性能瓶頸和帶寬瓶頸， 難以勝任大規模的并發應用。 最近幾年新興的對等網絡（P2P）技術，憑借其巨大的優勢，正逐漸取代傳統的C/S 流媒體技術[3]。

2 P2P 流媒體網絡教學系統的設計

2.1 系統功能分析

針對當前遠程網絡教學系統中存在的問題，結合P2P 流媒體的特性，設計出一種新型的基于P2P 流媒體技術的遠程網絡多媒體教學系統，該系統具備如下功能：

1）教師端能夠準實時地向學生端傳輸多媒體教學內容。

2）學生端除了能夠接收教師端傳輸的教學信息外，還能在相鄰學生端之間共享這些教學信息數據流，從而節省教師端的網絡帶寬和計算機負擔，提高本系統的健壯性和適應性。

3）學生端可以隨時和教師端進行點對點信息交互，活躍網絡教學氣氛，提高教學效果。

4）教師端可以隨時把教學內容傳輸權轉交給某個學生端，使該學生端能夠向本系統內所有節點廣播自己的觀點與方法，增強學生參與網絡課堂的積極性，提高學習興趣。

5）教師的授課過程可以被制作成錄像資源，學生可以通過自己的賬號隨時上服務器點播任何教師的授課錄像。

在設計的這個系統中，所有的節點都是平等的關系，類似于P2P網絡，但這個系統比常見的P2P 網絡具有更好的交互性和適應性，以較小的網絡和計算機資源開銷實現高效的遠程網絡教學。

2.2 系統架構設計

該系統在架構上分為：教師端、學生端、流媒體采集與存儲服務端。

教師端負責教學內容的播放、媒體流生成與傳輸，并能接受學生端的提問請求，以及網絡教學系統控制權的分配。 學生端實時接收教師端發布的教學媒體流，向教師端提問，以及學生端之間的媒體流共享，減少教師端的負擔。 流媒體采集與存儲服務端負責教學錄像的實時制作、轉換、傳輸，并能存儲名師的授課錄像供學生以P2P 方式進行VOD 點播。

教師端和學生端程序用C# 開發完成，流媒體采集與存儲服務端采用微軟的媒體流服務器結合C# 開發的VOD 服務器程序組成。對于學生端的任何請求，均由教師端審核處理，流媒體采集與存儲服務端配合操作，使流媒體信息能準實時地在學生端正確地播放。

2.2.1 準實時P2P 遠程教學功能的設計

在此系統中遠程網絡授課視頻是準實時傳輸的。在P2P 網絡中復制單個數據包，并送往需要的學生端用戶地址。 我們可以將需要同一資源的用戶進行統一授權，只有被授權的學生端用戶才能夠接收到教師端發送的準實時流媒體，所有的正在授課的教師只對授權學生端發送，而且教師端可以控制接收者卻不限制接收的人數，這樣可以節省為每個接收者建立專門的連接。 因此，在教師端可以安裝有壓縮工作站的視頻捕捉卡， 將有遠程教學音頻視頻信號實時捕捉成數字信號；然后利用相應的制作軟件將音頻 視頻信號進行編碼和轉換，然后變成實時的信號流傳輸給學生端。

每個學生節點都有兩種方式獲得媒體流數據，即從教師端直接獲取或者通過鄰居學生節點獲取。 每個學生節點維護一個伙伴列表，學生節點可以從教師端或者鄰居學生節點中獲取媒體流數據。學生節點之間不斷的交換各自的緩存信息， 然后根據鄰居節點的緩存信息，通過一定的數據調度算法從鄰居節點獲取媒體流數據。教師端除了直接傳輸授課流媒體信息之外，還負責維護所有學生節點的信息列表。

2.2.2 遠程點播教學功能的設計

學生端首先向WEB 服務器發送身份認證信息， 由身份認證服務器確認身份，并把身份信息發送給流媒體服務器，然后由學生端在流媒體服務器中點播某一視頻，這個視頻也可以通過鄰居的幾個學生端那里獲取。 教師端為了能同時響應多個學生端的服務要求，流媒體采集與存儲服務端一般采用時間片調度算法。流媒體服務器為了能夠適應實時、連續穩定的視頻流，其存儲量要大，數據速率要高，并應具備接納控制、請求處理等多種功能，以確保學生端請求在系統資源下的有效被服務。 存儲設備應采用SCSI 接口，以確保高速、并行、多重I／O總線的能力。

原始視頻流可分為多個視頻塊，然后通過網絡進行傳輸，類似于消息在通過IP 網絡傳輸之前先分成數據包。如果正確傳播，不僅可以提高流媒體信息的容錯性，消除服務器端的瓶頸，以及顯著改善教師端可利用的帶寬資源，從而大幅度提高的媒體流的播放速度。 因此采用多源流調度程序。該程序可接收來自代理服務器或對等服務器等不同服務器的流塊，對視頻塊進行適當排序，然后把無縫、塊速率恒定的視頻流發送到學生端。

3 使用效果分析

由于該系統是在P2P 網絡中建立的連接和信息的傳輸，所以系統具備以下幾點：

（1）可擴展性。 由于是在P2P 網絡，視頻用戶節點只要是需要共享同一資源的，可以隨時不斷加入和退出。

（2）功能的分散化。 該系統能充分利用P2P 網絡資源中每個用戶節點，對每一個用戶節點進行計算資源和帶寬資源，實現功能的分散化，緩解服務器節點的壓力。

（3）魯棒性。 在P2P 網絡中，每個節點的行為都是不可預知的，而且在節點的數量比較大的時候，節點的加入和離開比較頻繁。 因此一個對節點穩定的管理是必不可少的。 因此，建立專門的檔案管理服務器進行節點信息管理，可有效解決節點管理問題。

（4）高效傳輸性。 在P2P 網絡中，本只由服務器節點傳輸每個用戶節點的，增加了用戶節點傳輸用戶節點，這樣對流媒體數據的延遲盡可能減小，使用戶可以在某一規定的時間段內得到數據，提高了傳輸性。

4 總結

本文提出了一種基于P2P 流媒體技術的遠程網絡教育系統，提高了一般的網絡教育系統的覆蓋范圍和傳輸質量， 減少了網絡延遲，增加了多種授課方式，如：學生點播學習以及學生和教師相互廣播。該系統能充分利用用戶端的資源，減輕了服務器的負擔，提高了遠程教學的性能、效率和穩定性，方便了教學的組織和師生之間的交流，獲得了用戶端的滿意，具有廣泛的應用前景。

［1］李桂春.基于P2P 的流媒體系統的研究和設計[J].沈陽工程學院學報:自然科學版,2010,1,6(1):71-74.

［2］王新,程紹輝.P2P 網絡視頻技術在遠程教學中的應用[J].計算機與信息技術,2010,11:54-55.

［3］張安琳,張堯,等.一種基于P2P 的流媒體分發系統[J].計算機應用與軟件,2010,2,27(2):67-70.