流媒體遠程網絡教育系統研究

劉福生

(西寧市教育局 信息中心， 西寧 810001)

0 引言

近幾年作為網絡應用的重要領域之一，遠程教育得以迅速發展，快速發展完善的信息及計算機多媒體技術為網絡通信平臺的構建和實現提供了有力支撐，豐富了教師教學模式及學生的學習模式，隨著教學理論和學習心理學理論的更新和發展。教學內容及學習工具通過將現代數字化技術有效融入到教育環境中實現了數字化和信息化水平的顯著提升，改變了傳統教學模式及教學對象的固有關系(包括教師、教材、教學媒體間以及教師、教學內容與學生間)，實現了新的學習與教學模式的構建，為發展、優化和更新傳統教育觀點及模式起到了良好的推進作用。遠程網絡教育基于互聯網上音視頻模式的多媒體數據信息，有效彌補了傳統數據量小內容單一的純文字教學模式的不足[1]。

1 現狀分析

迅速發展的信息技術促使各行各業的信息化得以實現，催生了在線教學這一新的教育模式，隨著遠程教育的深入開展，使教學模式呈多樣化發展趨勢，促使教學方式、內容及學生的認知和學習方式發生了極大的改變，學生由傳統課堂中的單純聽講者逐漸向課堂的主體轉變。作為有機結合了網絡技術與音視頻技術的流媒體技術以Internet作為主要媒介完成音視頻到PC機的傳送，包括音視頻在內的媒體信息以流作為網絡傳輸的主要方式，通過流媒體技術的使用即可實現邊下載邊觀看視頻，流媒體技術因使多媒體信息傳輸不再受網絡寬帶的限制已在多種領域(包括電子商務、視頻點播、網上直播等)得以普及應用。流媒體技術以流式作為主要傳輸方式實現了隨時傳送和播放數據流的功能[1]。近年來在遠程教育平臺中運用流媒體技術實現將優質教育資源提供給更多的學習者，使傳統教學模式及對象間的關系得以優化，本文在此基礎上進一步發掘流媒體技術的優勢，結合多媒體技術完成遠程教學平臺的設計及突破時空限制的在線學習與教學模式的構建，提高教學模式通信效率及教學質量。

2 基于流媒體的遠程教育系統設計

2.1 流媒體的傳輸方式

流式傳輸技術是實現流媒體的關鍵所在，流媒體系統結構如圖1所示。

圖1 流媒體系統結構

主要包括兩種傳輸方法即實時流和順序流(按順序下載)傳輸，音視頻信息采用實時流式傳輸可實現實時觀看功能，通常為直播的視頻形式，但實時流式傳輸在網絡傳輸存在不流暢的情況下會降低服務器接收信號的效果，降低整體觀看效果。順序流傳輸方式對質量高的短片段較為適用，用戶同樣可以邊下載音視頻等內容邊收聽和觀看，但其與服務器上的傳輸無法同步進行，用戶看到的均是服務器緩沖信息(存在一定的時間延遲)無法直接跳轉到未下載部分[2]。開發流媒體服務器軟件的 FMS的客戶端為集成了多媒體交互特點的Flash Player，FMS在互動性方面具備顯著的優勢，能夠集成其他應用程序和流媒體，實現功能強大的富媒體應用程序的構建，可實時傳輸音視頻流，提供良好的開發和運行環境，支持網絡用戶間的互相通訊，開發無需對數據傳輸機制、終端環境、解壓等問題進行考慮，更好的滿足開發需求，本文通過FMS 服務器的使用完成網絡中音視頻等信息的儲存過程，實現多媒體數據信息向多個客戶端的傳輸及共享，從而實現不同用戶間的信息實時共享[3]。

2.2 系統設計

本文所設計的遠程網絡教育系統采用P2P模式(視頻點播使用的主流技術)，P2P技術模式彌補了傳統C /S模式的不足，廣泛應用于各類視頻系統中，突破了客戶機和服務器的限制，位于網絡中的各節點作為信息服務的提供者和調用者屬于對等關系，使計算資源和空閑帶寬(服務器和各網絡節點)得以充分有效的利用，進而使文件傳輸質量和效率得以顯著提升，P2P模式不受具體操作系統和硬件的限制，顯著降低了系統維護的工作量，適用于分布教學管理及分布學習，采用采用流式傳輸方式的遠程教育系統可通過瀏覽器實現交互功能，有效降低了啟動延時并節省了大量的存儲空間，用戶無需等待文件全部下載完即可在客戶端的播放器等軟件解壓并觀看視音頻等流式多媒體文件，后臺的服務器會繼續下載剩余多媒體文件，提升了系統的交互性和實時性[4]。本文所設計的基于流媒體的遠程網絡教育系統以高效師生作為主要服務對象，以優質教學和學習資源的提供為目的，其主要功能為：(1)開通遠程教育系統的課程，需任教老師針對所要開設的 Web課程向教務處提出申請并得到批準后，向系統平臺的網絡中心提交課程基本信息(包括教師信息、教學內容、課時、素材等)，由網絡中心完成備錄及準備工作后，由教務處發布開課通知。(2)完成遠程教育系統教學過程，學生按照規定流程申請已開通的課程，加入到教師在系統內創建的虛擬教室，學生通過移到終端或PC端連接網絡后即可進入課堂聽課，突破時間和空間的限制拓展實體教室以外的教學內容。本系統以實現一個以實現的實時與非實時教學通用(采用非專用硬件方式)的遠程教育系統作為主要設計目標，遠程教育系統功能架構具體如圖2所示。

圖2 遠程教育系統功能架構

主要由權限管理(負責引導用戶進行注冊、登錄等操作)、教學資源瀏覽、教學內容推薦。信息導航等模塊構成，作為系統的關鍵部分教學資源展示模塊主要負責將教學資源(教師上傳的教學音視頻、文檔等)提供給學生，以供學生在線瀏覽學習或下載后離線學習；信息導航模塊可有效滿足課程資源不斷豐富拓展的需求，完成大型分類資源的系統展示，幫助用戶快速定位所需資源；教學內容推薦模塊順應了大數據的發展趨勢，使多媒體教學資源通過數據分析和處理實現相關學習資源的主動及有針對性的推薦過程，更好的發揮出資源的潛在價值，滿足多樣化教學需求[5]。

3 系統核心模塊的實現

3.1 系統框架

系統具體設計過程中采用混合體系結構，核心服務器為視頻服務器(位于教學中心)，實現同互聯網的連接，并將系統的節點(即進行遠程點播的學生)設計為 P2P 中的對等節點，使系統點播的并發節點數目顯著增加，并實現基于P2P 的網絡拓撲結構(在網絡抽象層)，針對對等網絡中節點存在的主要問題(包括延遲、不確定性、分散性等)，根據實際教學需要完成針對節點網絡的樹型算法的構建和維護。本文根據P2P模式對音視頻等多媒體素材的質量要求，完成了對應結構的設計，包括可滿足熱門資源(位于架構視頻直播或點播系統中)的服務策略的應用層組播樹結構和非樹型P2P結構，P2P結構適用于請求率較低且并發請求少的資源[6]。

3.2 節點體系結構

本文基于P2P的節點軟件體系結構如圖3所示。

圖3 節點體系結構

參照TCP /IP網絡結構及 OSI體系結構，各節點上的軟件在基于P2P的系統中均需提供 3個主要功能，即網絡節點連接 、媒體播放及控制，同時為有效支持流媒體應用，將三層軟件體系結構設置于遠程網絡教育系統中的各節點上，具體實現功能分別為：(1)采用 HTTP 協議的網絡抽象層，主要功能在于在 SOAP應用中封裝對象信息，并完成 P2P節點樹的建立和維護以及信息在節點間的交換處理。(2)媒體控制層(整個節點樹對于該層處于透明狀態)，傳輸流數據時采用RTP /TCP協議，主要功能在于完成流數據的發送和接收，連續流媒體(一個或多個、時間同步)采用RTSP協議完成建立和控制過程[7]。(3)媒體播放層，通過操作系統播放軟件的調用完成流媒體數據(節點收到)的播放過程。

3.3 P2P數據傳輸樹的建立

系統中運用P2P模式的流媒體服務時按照用戶情況以對同一節點進行同時請求為準劃為一組，P2P 數據傳輸樹則是以此組用戶作為節點形成的，在數據傳輸樹結構中最底層的根為各個服務器，第一層用戶通過服務器實現數據的直接獲取，第二層用戶則通過第一層用戶完成數據的獲取， 按層遞進，采用此種樹型結構的優勢在于可確保各用戶計算機之間傳送不同的數據，從而有效避免數據風暴的形成。處于樹型結構中的所有用戶均能夠實現穩定的流媒體數據的獲取。本文建立的P2P數據傳輸樹結構如圖4所示。

圖4 P2P數據傳輸樹的建立

當序增加一個新用戶P16時的具體流程為:(1)用戶P16首先向服務器(由R表示)發送相應請求；(2)服務器以之前保存的信息為依據進行判斷， 完成滿足需求的能夠再接入新用戶的節點信息(由I表示)集合的選擇，確保其在物理拓撲上同P16較近， 在圖4中可選擇由P11、P12、P13、P15、P3構成的集合；(3)接下來P16會根據自身需要主動從從I集合中選擇一個較為適合的節點，本文在圖4結構中選擇了P3節點；(4)P16完成選擇后會將請求連接發送給P3，獲取P3允許連接后即可接收到由P3發送的數據；(5)P3將更新信息的要求發送給服務器，此時P3同兩個用戶樹相連；(6)P16再將更新信息的要求發送給服務器后即可將相應的服務提供給其他的節點[8]。建立完數據樹后需以網絡拓撲狀況的變化情況為依據對樹的結構進行實時更新，動態調整樹結構及相應樹節點的退出策略，若需對樹結構進行重新建立，則需對樹結構的穩定性及擴展性進行充分考慮以有效降低系統的通信延遲，更好的提供高質量的流媒體數據傳輸服務，實現P2P數據傳輸樹的有效控制[9]。

3.4 系統的應用效果

為驗證本文所設計的基于P2P流媒體技術的遠程網絡教學系統的有效性和穩定性，經調試后將其應用到實際網絡教學過程中，由于P2P模式不受具體操作系統和硬件的限制，簡化了系統使用和維護工作流程，能夠更好的滿足分布教學管理及分布學習的需求，該遠程教育系統可通過瀏覽器實現交互功能節省了大量的存儲空間，用戶無需等待文件全部下載完即可在客戶端的播放器等軟件解壓并觀看視音頻等流式多媒體文件，后臺的服務器會繼續下載剩余多媒體文件，實現多種形式教學內容的實時傳遞和接收，學生根據實際需要點播教學視頻、同老師進行信息交互，教師則可根據學生具體情況進行有有針對性的教學，同時通過P2P數據傳輸樹的建立，可以網絡拓撲狀況的變化情況為依據對樹的結構進行實時更新，動態調整樹結構及相應樹節點的退出策略，提升了系統的交互性和實時性，該系統具有較高的實際應用價值。

4 總結

本文基于P2P流媒體技術完成了遠程網絡教學系統的設計，使教學過程的質量和效率得以有效提升。搭建和維護網絡教育平臺作為一項系統性工作，需不斷發展和完善，基于流媒體的遠程網絡教育系統將形象生動的豐富視音頻資源及高質量的視頻學習接口提供給學習者，豐富了教學形式及內容，提升了教學資源的享性程度，可有效解決教育資源分布不均的問題，對于營造良好的教學氛圍及師生交互效果起到了重要作用。