基于P2P 流媒體技術的遠程網(wǎng)絡教學系統(tǒng)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(wǎng)絡的日趨普及和信息傳輸技術的快速發(fā)展，Internet 上的用戶也逐漸遞增，使得遠程網(wǎng)絡教育變得更加便捷[1]。 在遠程網(wǎng)絡教育中，所有的信息傳遞都是由計算機在網(wǎng)絡技術和環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)堵塞問題，以及如何實現(xiàn)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?shù)姆绞皆贗nternet 播放的媒體格式。隨著計算機和網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展， 互聯(lián)網(wǎng)流媒體應用的迅速增長也給網(wǎng)絡媒體的發(fā)布和傳輸技術帶來了新的考驗[2]。 傳統(tǒng)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(guī)模的并發(fā)應用。 最近幾年新興的對等網(wǎng)絡（P2P）技術，憑借其巨大的優(yōu)勢，正逐漸取代傳統(tǒng)的C/S 流媒體技術[3]。

2 P2P 流媒體網(wǎng)絡教學系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)功能分析

針對當前遠程網(wǎng)絡教學系統(tǒng)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(wǎng)絡多媒體教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)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?shù)慕虒W信息外，還能在相鄰學生端之間共享這些教學信息數(shù)據(jù)流，從而節(jié)省教師端的網(wǎng)絡帶寬和計算機負擔，提高本系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)內所有節(jié)點廣播自己的觀點與方法，增強學生參與網(wǎng)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(tǒng)中，所有的節(jié)點都是平等的關系，類似于P2P網(wǎng)絡，但這個系統(tǒng)比常見的P2P 網(wǎng)絡具有更好的交互性和適應性，以較小的網(wǎng)絡和計算機資源開銷實現(xiàn)高效的遠程網(wǎng)絡教學。

2.2 系統(tǒng)架構設計

該系統(tǒng)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(wǎng)絡教學系統(tǒng)控制權的分配。 學生端實時接收教師端發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)中遠程網(wǎng)絡授課視頻是準實時傳輸?shù)?。在P2P 網(wǎng)絡中復制單個數(shù)據(jù)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(tǒng)一授權，只有被授權的學生端用戶才能夠接收到教師端發(fā)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(fā)送，而且教師端可以控制接收者卻不限制接收的人數(shù)，這樣可以節(jié)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(shù)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(jié)點都有兩種方式獲得媒體流數(shù)據(jù)，即從教師端直接獲取或者通過鄰居學生節(jié)點獲取。 每個學生節(jié)點維護一個伙伴列表，學生節(jié)點可以從教師端或者鄰居學生節(jié)點中獲取媒體流數(shù)據(jù)。學生節(jié)點之間不斷的交換各自的緩存信息， 然后根據(jù)鄰居節(jié)點的緩存信息，通過一定的數(shù)據(jù)調度算法從鄰居節(jié)點獲取媒體流數(shù)據(jù)。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(jié)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(fā)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(fā)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(xù)穩(wěn)定的視頻流，其存儲量要大，數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wǎng)絡進行傳輸，類似于消息在通過IP 網(wǎng)絡傳輸之前先分成數(shù)據(jù)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(fā)送到學生端。

3 使用效果分析

由于該系統(tǒng)是在P2P 網(wǎng)絡中建立的連接和信息的傳輸，所以系統(tǒng)具備以下幾點：

（1）可擴展性。 由于是在P2P 網(wǎng)絡，視頻用戶節(jié)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(tǒng)能充分利用P2P 網(wǎng)絡資源中每個用戶節(jié)點，對每一個用戶節(jié)點進行計算資源和帶寬資源，實現(xiàn)功能的分散化，緩解服務器節(jié)點的壓力。

（3）魯棒性。 在P2P 網(wǎng)絡中，每個節(jié)點的行為都是不可預知的，而且在節(jié)點的數(shù)量比較大的時候，節(jié)點的加入和離開比較頻繁。 因此一個對節(jié)點穩(wěn)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(jié)點信息管理，可有效解決節(jié)點管理問題。

（4）高效傳輸性。 在P2P 網(wǎng)絡中，本只由服務器節(jié)點傳輸每個用戶節(jié)點的，增加了用戶節(jié)點傳輸用戶節(jié)點，這樣對流媒體數(shù)據(jù)的延遲盡可能減小，使用戶可以在某一規(guī)定的時間段內得到數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡教育系統(tǒng)，提高了一般的網(wǎng)絡教育系統(tǒng)的覆蓋范圍和傳輸質量， 減少了網(wǎng)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(tǒng)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(wěn)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(tǒng)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(wǎng)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(fā)系統(tǒng)[J].計算機應用與軟件,2010,2,27(2):67-70.