基于云服務的P2P流媒體技術在遠程教學視頻傳輸中的應用*

周個妹，劉澤斌（.廣西廣播電視大學教育技術中心，廣西南寧5300 .廣西壯族自治區輻射環境監督管理站，廣西南寧53003）

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基于云服務的P2P流媒體技術在遠程教學視頻傳輸中的應用*

周個妹1，劉澤斌2
（1.廣西廣播電視大學教育技術中心，廣西南寧530022 2.廣西壯族自治區輻射環境監督管理站，廣西南寧530023）

通過闡述流媒體技術對于當今遠程教育的重要意義，文章提出了基于云服務的P2P的遠程教學系統資源共享網絡結構和解決方案，研究表明基于云服務的P2P架構的流媒體技術能夠突破固有網絡帶寬的瓶頸，高效的傳輸流媒體文件，提高音視頻文件的播放質量，保證視頻資源的穩定性，更適用當今遠程教學系統。

云服務；流媒體；P2P；教學系統

當今，電子信息技術在以前所未有的速度發展，許多傳統領域都受到沖擊從而產生各種變革，基于先進的網絡通信技術，遠程教學模式應運而生，遠程教學的開拓與發展，使得現在的教學模式呈多元化趨勢發展，無論是教學模式還是教授內容均發生了巨大的變革。而相應的，學生的學習模式也在變化，現在的課堂，學生不再是以單純的聽講作為主要學習方式，他們開始轉變為課堂的主體，帶著疑問有目的性的尋求教學資源，因此擁有龐大教學資料儲備、方便溝通渠道、良好互動機制的遠程教學模式必定成為教育領域的主流教學模式。

一、基于云服務的P2P流媒體技術

1.流媒體

流媒體技術在一定程度上突破了網絡寬帶對多媒體信息傳輸的限制，被廣泛用于網絡視頻直播、廣告、電子商務等各種領域，它采用流式傳輸的方式，其數據流能夠做到隨時傳送，對系統緩存要求較低，縮短了啟動延時，隨時播放，減少了用戶等待時間且能夠做到斷點續播，不必從頭下載文件再播放，而且流媒體壓縮的音視頻文件容量小，易于網絡傳輸。

雖然現代遠程教育已經取得了很大的進步，但目前國內的遠程教學還存在不足之處，其中最顯著的一點是教學模式單一。許多院校只是將原版教材制成電子版上傳至網絡供學生下載，僅僅是利用了網絡的便利條件改變了教學環境，教學形式上反而變得更加消極，在無人監督和學習內容單調乏味的情況下，會極大的打擊學生的學習積極性，而且諸如化學、物理、音樂等需要現場實驗和演示的學科，在只能傳輸PDF或PPT文本的形式單一的遠程教學平臺上根本無法做到有效授課。

流媒體技術的應用可以有效解決這些不足，從效果上看，流媒體技術能夠將傳統教學中教師授課風采以及現場試驗場景呈現在學生面前，幫助學生對課程的理解，同時輔以PPT講稿和索引，學員可根據需要自由切換學習的課程章節，相比較于傳統教學模式，不僅不會降低教學質量，而且極大地提高了教學的便利程度。從成本上看，由于支持流式技術的多媒體文件不需要全部下載完成就能觀看，點播延時大大縮短，不需要很大的緩沖區，對網絡帶寬的要求下降。流式技術采用較高效的壓縮編碼如MPEG-4等,提高了網絡傳輸視頻的質量，即使學員不在現場聽課也有身臨其境的感覺。

2.P2P概述

大學的教學網絡多以C/S模式存在，該模式中，服務器以單播的形式傳輸媒體流，該傳輸模式一般用于小范圍的局域網內，易于維護管理，但其缺點也十分明顯，當用戶數量增加到一定程度時，受服務器本身性能及網絡帶寬的限制，無法承載較大流量的音視頻文件傳輸，這對遠程教學流媒體技術的使用開發是一大瓶頸[1]。

P2P是對等計算(Peer to Peer)的簡稱，可以簡單的定義成通過直接交換來共享計算機資源和服務，而對等計算模型應用層形成的網絡通常稱為對等網絡。在P2P網絡環境中，整個網絡不依賴專用的集中服務器，成千上萬臺彼此連接的計算機都處于對等的地位，網絡中的每一臺計算機既能充當網絡服務的請求者，又對其它計算機的請求作出響應，提供資源和服務。此類組網的傳輸模式優點在于能夠充分利用客戶端 （即學生終端）的閑置帶寬以及計算資源，減輕中央服務器及骨干網絡的負擔，解決C/S模式資源受限問題，保證視頻流快速流暢播放，而且不需要互聯網路由器和網絡基礎設施的支持，因此性價比高且易于部署。但P2P技術流媒體業務的應用中仍存在一些技術性的問題，如合適源節點查找和數據傳輸路徑維護等，也會對網絡的整體穩定性造成負擔。基于此背景下，通過構造新的虛擬多源P2P資源共享、傳輸模式等手段能有效解決遠程教學中流媒體應用的問題，解決的方法是在客戶端節點中選擇優秀節點構建源組，充分利用對等網絡中每個終端用戶的空閑資源來減輕服務器的負擔，在不影響接收教學視頻質量的情況下，能夠保證客戶端穩定、流暢地獲取視頻,同時，使用該方法建立的網絡構架具有良好的擴展性，能自動根據某一時期的用戶總量縮減或擴張規模[2]。

3.云服務概述

云服務是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。相對于傳統的基于本地設備的服務，它具有大規模、高可靠性、通用性、高可擴展性和按需服務、費用廉價等特點，如此，小規模使用者既能省去高昂的數據中心的管理成本，云平臺服務商也可運用閑散資源收取租用費來對云平臺進行維護，雙方互利互贏。從普通用戶的角度來看,通過云平臺獲取服務價格低廉且方便快捷，只要有網絡覆蓋的地方即能使用，因此運用云服務，能有效優化基礎的P2P流媒體傳輸系統。

二、系統模型

1.傳輸系統框架

使用P2P技術在遠程教育平臺上傳輸流媒體，是為了充分利用終端設備的邊緣性網絡資源，減輕中央服務器負擔，提高流媒體傳輸效率，所以在系統模型的結構上使用混合式傳統模型[3]，如圖1所示。

圖1　系統架構

教師端或管理流媒體資源的中央服務器作為傳輸系統的源節點，整個網絡系統中的視頻流均源于此。如果采用C/S（客戶端/服務器）的方式，那么整個傳輸系統將受到源節點設備配置的制約，并且當學生用戶數量增加到一定程度后，源節點的終端設備會由于負載過重造成當機現象，從而使整個網絡癱瘓。而純P2P的非中心化結構，則無法實現節點的快速定位，且容易產生網絡風暴[4]。因此，傳輸系統采用建立虛擬源分組廣播的方式，在普通用戶中選擇網絡資源優秀的節點作為組長建立廣播組，由組長專門負責該組內部的流媒體傳輸管理，即源節點僅負責組長節點的傳輸補償，而不對普通節點做流媒體文件傳輸，普通節點則由其所屬廣播組組長節點負責流媒體傳輸[5]。由此，源節點與組長節點、組長節點與組內普通節點均形成集中性結構，而各廣播組組長之間、組內普通節點之間的數據傳輸均采用P2P式的分散性結構，這樣即可快速補充節點數據流。

2.數據傳輸系統的工作原理

（1）傳輸系統的初始化及資源獲取過程

當學生用戶需要獲取流媒體資源時，必須先與源節點會話，建立通信鏈接，在首次通信過程中，源節點根據網絡通信響應（如網絡帶寬及響應時長等屬性）選擇網絡資源寬裕、終端性能優秀的學生用戶的節點作為廣播組組長，并分配編號GROUP_ID，構建傳輸網絡中的廣播組，并更新廣播組信息表，形成一級傳輸構架。源節點優先向組長節點傳輸初始流媒體數據，而各廣播組組長節點間以純P2P的方式進行數據互聯，互補信息差異。當組長節點從源節點獲取數據后，馬上根據自身管理的組內節點信息表所含路由信息進行資源分發。

隨著學生用戶接入數量的增加，源節點根據新接入節點的信息，利用均衡負載技術，為用戶選擇最佳廣播組，標識唯一節點編號，并分配到相應廣播組中，并向廣播組組長節點反饋新節點信息。廣播組組長節點接受到反饋信息后，更新組內節點信息表。

節點在加入廣播組后，先與組長節點進行對話，并從組長節點獲取相應流媒體初始片段流，然后組長節點根據新節點當前連接的片段號檢索組內其余用戶，如果組內其余用戶有相應片段號的流媒體文件資源，則創建新節點與用戶P2P連接，由相應用戶提供服務；如其余用戶無新節點所需資源，則仍由組長節點提供資源服務。

由此可見，廣播組內部組成傳輸網絡的二級構架，普通用戶與組長節點的層級關系與組長節點與源節點的層級關系一致，普通用戶僅向組長節點及組內用戶索取流媒體資源，極大地緩解了對源節點的壓力。雖然普通節點也需連接到源節點進行認證，但認證信息所需網絡流量很小，不會對源節點造成太大影響。

（2）節點信息認證管理及維護

源節點：統一管理傳輸系統內所有節點信息及廣播組信息，當有新節點加入時，由源節點為其選擇廣播組，并向所選廣播組反饋新節點認證信息，同時更新自身節點信息管理表。

組長節點：系統初始化時，從源節點獲取流媒體數據，并分發到組內。廣播組穩定后，負責組內節點信息管理。在接到源節點反饋的新節點加入認證后，更新組內節點信息表，并開始向新節點提供資源傳輸服務。同時廣播組組長節點之間保持通信及P2P式資源傳輸補償。

由于組長節點源于學生用戶，為避免該用戶退出后出現數據傳輸的斷流現象，源節點應為每個廣播組配備后備組長，當現有組長節點退出后，后備組長行駛組長節點職能。后備組長應由組內網絡帶寬最優、響應時長最短的節點擔任。

（3）節點退出

正常退出：源節點信息表中，對新加入節點認證并分配廣播組，同時更新節點信息。當節點正常退出時，向源節點發出請求，源節點刪除節點信息表相應信息并向對應的廣播組組長節點反饋，組長停止對請求退出的組內節點服務，刪除相應的組內節點信息。

異常退出：由于網絡故障或斷電等原因導致用戶意外離開時，組長節點不會收到用戶節點的退出請求。因此，傳輸系統內需要通過心跳機制判斷節點存活。普通節點每個特定時間t向源節點發送一個狀態信息標示節點存活。若源節點在n個特定時間t內未收到某節點狀態信息，則視該節點已退出，向對應組長節點發出反饋信息，停止向未響應節點提供服務，更新節點拓撲。若組長節點未響應，則刪除組長節點，同時更換后備組長為新節點組長，并向新組長配置相應的組內節點信息。

3.基于云服務的視頻資源傳輸優化

混合結構的P2P視頻傳輸模型能夠極大地提高遠程教學系統中視頻分發傳播的效率,但是有三點問題需要解決:①視頻資源數據的完整性、安全性：為保證視頻資源的存儲安全，確保不在硬件損壞的情況下丟失文件，需要考慮到資源的備份工作，要保證在讀取備份的過程中不間斷視頻的傳輸、分發工作，則至少需要“雙機熱備份”作為基本配置，即需要兩套相同配置的服務器群及存儲陣列；②校內服務器負載過量：所有的初始資源均從存儲視頻資源的源節點獲取，會導致傳輸系統構建的初始階段，負責視頻資源管理的服務器負載過大，出現高延遲甚至當機的現象；③關鍵點存活效率：組長節點是傳輸系統中的關鍵，它是第一批接收視頻資源并進行分發管理的重要節點，但是由于組長節點是利用了性能較好的普通用戶節點，所以當系統中用戶到達一定程度時，組長節點的登錄退出會變得相當頻繁，繼而導致普通用戶頻繁的更換廣播組，期間的認證通信過程會消耗不必要的網絡資源，增加網絡帶寬的負載，降低傳輸效率，加之也有可能會出現組長節點性能不足導致超級節點成為系統的瓶頸，其組內的普通用戶節點成為孤立節點，從而一直等不到視頻數據。

由此，為保證傳輸系統穩定高效的運轉，必須解決上述三個問題。對于視頻文件數據的完整性、安全性和校內服務器負載過量的問題，最直接的方法就是加強自身硬件配置，然而這需要配置多臺高性能服務器以及存儲陣列，無論在采購還是日常維護的工作上，均要花費大量的人力物力，對于學校而言，僅為了遠程教學系統的視頻資源就花費大量成本去構建企業級的硬件設施是十分劃不來的。而如果使用云服務，則可以完美解決這一問題。首先，在硬件配置上，云平臺的設施都由大型企業作為運營商維護，其硬件配置遠比自己構建的機房更高效，更合理，用戶從云平臺獲取流媒體教學資源，無需占用校內網絡帶寬，能極大緩解校內網壓力；其次，從經濟上，云平臺的設施不需要由學校派專人維護，學校僅需要支付云平臺服務租用費用即可，期間硬件的損壞更換、升級服務以及機房維護，學校都不再需要支付任何費用，學校也不用另外購買數據存儲備份所需的硬件設備，極大地節約了人力和物力成本；再次，從拓展性來說，使用云服務可以根據實際網絡的負載量直接調整傳輸模型的承載能力，如需擴大規模時不需要更換硬件設備，僅需要向云平臺的服務商購買更高等級的環境配置即可。由此可見，使用云平臺來解決本文提出的P2P視頻傳輸系統是有效可行并且極富性價比的。

在引入云平臺的同時，引入兩個定義：①主動源：云平臺上一種由多個核心、可變內存和永久的存儲空間組成的自動化虛擬機服務，它的任務是主動接受從源節點（校內管理流媒體資源的中央服務器）推送的流媒體文件數據，并立即利用自身上傳能力分發到各用戶節點,保證用戶節點盡可能早的獲得緩存視頻數據，它的存在能夠有效解決視頻資源數據的完整性、安全性和校內服務器負載過量的問題。②被動源：僅租用簡單的云存儲服務，源節點和主動源均可推送任意數據給被動源，而普通的用戶節點如果無法在限定時間以前獲得流媒體數據,則向被動源請求,由被動源直接推送數據給用戶節點，它用于解決關鍵點關存活問題。

被動源工作機制：在基于P2P的視頻流傳輸系統運行基礎上，云節點除了向組長服務器發送流媒體數據外,還負責把數據存儲在被動源上。為了保證達到預定義的服務質量,每個節點都先緩存播放時間往后的一定時間段的數據塊，把這段數據塊定義為緩沖預判，對應的這段時間叫預判時間TL，如果一個數據塊不能在它應該的播放時間減去TL這個時刻之前獲取到的話,那么這個節點便向被動源求助，從被動源那直接獲取這個預判緩沖的數據塊。這樣，在組長節點失效的情況下，普通用戶節點也能及時獲取流媒體視頻數據，并且被動源基于云服務，不會頻繁登錄退出浪費網絡帶寬資源。

主動源工作機制：主動源的目的是為了減少網絡帶寬壓力，分擔校內服務器負載，提升服務質量。主動源獲得數據的途徑可以是媒體源，可以是其它主動源，然后將數據推送給其他主動源或者組長節點、普通節點。由于主動源具有自動化虛擬機服務，它和用戶節點一樣運行節點取樣協議去獲取整個傳輸系統的拓撲信息和運行情況，發現其鄰居節點。顯然，由于主動源能夠自動獲取拓撲信息和其他節點的運行信息，它可以對源節點做動態備份，并且能自動尋找壓力過大的群組，按負載壓力大小主動分擔組長節點和被動源的壓力，使得更多的節點在更早的時間接收到視頻流數據，整個網絡的效率會得到提高。然而，由于主動源的服務租用費遠比被動源高，所以，主動源和被動源的租用數量應根據實際情況取舍，在用戶數量相對較小、拓撲結構復雜度不高的情況，甚至可以考慮僅使用被動源功能。這樣才能做到效率和成本的兩方面優化。

本文設計和描述了基于云服務的P2P流媒體傳輸模式在遠程教學系統中的應用，并分析了系統的性能及優勢。基于云服務的P2P流媒體技術遠優于傳統的C/S教學模式，將給遠程教育模式帶來全新的體驗，解決網絡教學質量難以控制的問題。隨著網絡基礎環境的改善和廣泛應用，基于云服務P2P模式的流媒體技術將為遠程教學提供更好的平臺。

［1］Luaek，CrowcroftJ，Pias M，et al.A survey and comparisonofpeer-to-peer overlay network schemes［J］.IEEE Communications Survey and Tutorial，2005，7（2）：72-93.

［2］Yiuwpk，XingJ，Chan S HG.Challenges andapproaches inlarge-scaleP2Pmediastreaming［J］.IEEEMultiMedia，2007，14（2）：50-59.

［3］魏國生.基于網絡的合作學習的教學設計及案例研究［J］.電化教育研究，2004（8）.

［4］李俊青，李元振，王文宏.基于P2P的虛擬學習社區平臺設計［J］.現代情報，2006（6）.

［5］鄧春紅，方群.一種基于P2P的新型網絡學習模型［J］.安徽職業技術學院學報，2006（3）.

（編輯：魯利瑞）

TP393

A

1673-8454（2016）06-0091-04

廣西高校科研項目“基于移動學習的微視頻資源建設與整合研究”（編號：LX2014635）。