面向北京市農(nóng)民應(yīng)用的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育平臺研究

趙繼春，劉世洪，喬珠峰(.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京0008;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院，北京00097;3北京市農(nóng)村遠(yuǎn)程信息服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京00097)

以農(nóng)民為用戶主體的農(nóng)村遠(yuǎn)程教育不同于學(xué)校遠(yuǎn)程教育，從網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育在國內(nèi)農(nóng)村地區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用來看，存在著教育培訓(xùn)系統(tǒng)交互功能弱，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用高，運(yùn)維成本高，教學(xué)信息統(tǒng)計和效果評估不足等弱點(diǎn)［1］。從北京地區(qū)來看，由于信息化建設(shè)起步較早，郊區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施情況不一，這就為建立能夠適應(yīng)全市農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)條件，具備靈活擴(kuò)展能力的市級農(nóng)村遠(yuǎn)程教育平臺帶來一定困難。為了既能充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)村人力資源開發(fā)中的作用，又能提升農(nóng)村遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)效果和效率，有必要對農(nóng)民教育培訓(xùn)的需求規(guī)范、評估體系和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和創(chuàng)新，通過應(yīng)用集成、資源整合推進(jìn)全市農(nóng)村現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工作高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升農(nóng)村人力資源開發(fā)水平。筆者通過對農(nóng)村現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育教學(xué)模式和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的教學(xué)資源傳輸技術(shù)的研究和創(chuàng)新，開發(fā)建設(shè)符合首都農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育市級平臺，以充分整合現(xiàn)有設(shè)施資源，為全市農(nóng)民教育培訓(xùn)提供服務(wù)支撐。

1 設(shè)計思路

1.1 以“學(xué)、用”為核心，研究適宜農(nóng)民學(xué)習(xí)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)服務(wù)模型 農(nóng)民的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)特點(diǎn)不同于學(xué)校教育中的學(xué)生，因此在分析服務(wù)對象的基礎(chǔ)上，從農(nóng)民的實(shí)際需求出發(fā)，以學(xué)習(xí)和應(yīng)用為核心，研究出適合他們特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)服務(wù)模型是解決問題的基礎(chǔ)。

1.2 根據(jù)教學(xué)服務(wù)模型，進(jìn)行系統(tǒng)總體規(guī)劃，構(gòu)建平臺的應(yīng)用系統(tǒng)和功能模塊 鑒于農(nóng)村培訓(xùn)的流程需求和充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)節(jié)約投資的原則，要以政務(wù)外網(wǎng)為主體建立一個覆蓋全市農(nóng)村的城域網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的承載能力和擴(kuò)展性是平臺應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計部署中的主要問題。在平臺整體設(shè)計過程中，要充分考慮資源存儲、傳輸和大規(guī)模用戶集中學(xué)習(xí)時的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分擔(dān)，采用先進(jìn)的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則，將整個平臺網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式、模塊化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅能夠?qū)⒋笥脩袅?、視頻業(yè)務(wù)帶來的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題分解到多個內(nèi)容傳輸節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中去解決，而且業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上直接部署，并根據(jù)用戶需求情況逐步擴(kuò)容。

根據(jù)科學(xué)分析出的業(yè)務(wù)邏輯，劃分出相對獨(dú)立而又相互銜接的多個應(yīng)用系統(tǒng)，從而構(gòu)建一個完整的遠(yuǎn)程教育教學(xué)服務(wù)和管理系統(tǒng)。為確保平臺的安全可靠，集中力量研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用系統(tǒng)。

1.3 針對各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的不同需求，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和創(chuàng)新 針對北京政務(wù)網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸的技術(shù)難題，要研究出先進(jìn)P2P與CDN相結(jié)合的應(yīng)用體制。同時，針對內(nèi)容安全問題，要研究出媒體流的加密傳輸機(jī)制，以有效保證視頻傳輸?shù)陌踩?。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計統(tǒng)一接口平臺，通過接口功能橫向集中部署和集中管理來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)外部接口的綜合統(tǒng)一管理。系統(tǒng)的接口應(yīng)支持主流協(xié)議(MMS、SNMP、CORBA、SOAP、Socket等)［2－3］。

由于北京農(nóng)村現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育市級平臺要服務(wù)的各個區(qū)縣的網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)互通性的實(shí)際情況和系統(tǒng)規(guī)劃參照有較大差距，所以需要對P2P的策略進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)規(guī)劃所依據(jù)的網(wǎng)絡(luò)條件中，13個區(qū)縣節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)是互通的，每個區(qū)縣的用戶不但可以訪問本區(qū)縣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的讀取，也可以訪問其他區(qū)縣的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的讀取。但實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜，13個區(qū)縣節(jié)點(diǎn)的互訪性不能得到保證，因此需對P2P策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計框架 北京市農(nóng)村現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育平臺以學(xué)用為中心進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)框架構(gòu)建，通過系統(tǒng)設(shè)計、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)研發(fā)等環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)平臺的研究和推廣應(yīng)用，技術(shù)攻關(guān)主要解決網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸、內(nèi)容安全和區(qū)縣網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)等問題，系統(tǒng)開發(fā)主要研究實(shí)現(xiàn)資源制作系統(tǒng)、節(jié)目格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、節(jié)目檢測系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)系統(tǒng)、播出管理系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)、視頻直播點(diǎn)播系統(tǒng)、多媒體資產(chǎn)管理系統(tǒng)、教學(xué)門戶網(wǎng)站和教學(xué)統(tǒng)計管理等10大應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)門戶的課件點(diǎn)播、教學(xué)直播、交互咨詢和信息發(fā)布等功能。技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 農(nóng)村遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)服務(wù)模式的構(gòu)建 針對農(nóng)村培訓(xùn)中不同群體在不同時段對學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式的需求差異性，在學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，對農(nóng)民、大學(xué)生村官、農(nóng)村基層干部等群體網(wǎng)上學(xué)習(xí)行為進(jìn)行研究分析，建立了“選學(xué)—助學(xué)—評價—分享”互動遠(yuǎn)程教育服務(wù)模式，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)互動式遠(yuǎn)程教育平臺［4］。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上課堂、個性化學(xué)習(xí)、交流互動、咨詢答疑和教學(xué)管理等遠(yuǎn)程教育教學(xué)和管理功能，研發(fā)了智能問答、學(xué)習(xí)社區(qū)、網(wǎng)上課堂等多個學(xué)習(xí)支持服務(wù)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對農(nóng)民教學(xué)培訓(xùn)的全過程進(jìn)行行為記錄和監(jiān)控，具有參與互動性強(qiáng)、操作便捷等特點(diǎn)，不僅可實(shí)現(xiàn)“一人講、萬人聽”，而且還支持“眾對眾”的交流學(xué)習(xí)。

為方便各級政府部門或機(jī)構(gòu)在農(nóng)村組織開展集中培訓(xùn)、農(nóng)戶自己選擇個性化學(xué)習(xí)，平臺開發(fā)的信息管理系統(tǒng)，建立了市、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和用戶分級權(quán)限和認(rèn)證管理體系，在實(shí)時記錄所有用戶學(xué)習(xí)行為的基礎(chǔ)上，使各級部門能夠查詢掌握所屬站點(diǎn)及用戶的培訓(xùn)學(xué)習(xí)情況，使用戶隨時了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，并自我評估學(xué)習(xí)成效［5－6］。平臺以13個二級節(jié)點(diǎn)作為CDN邊緣推送節(jié)點(diǎn)，將各區(qū)縣劃分成不同的自治域，各自治域中部署P2P服務(wù)，因而可以有效地提升系統(tǒng)的容量水平。

2.3 農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)及互通性差的解決方法

2.3.1 農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)解決辦法。項(xiàng)目實(shí)針對政務(wù)網(wǎng)存在的節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)、節(jié)點(diǎn)帶寬的不對稱性和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)等問題，提出了獨(dú)到并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案:

(1)通過先驗(yàn)知識與自動測量相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層組播邏輯拓?fù)涞淖詫W(xué)習(xí)和自調(diào)整，使得邏輯組播拓?fù)浔M可能地與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嘟Y(jié)合，使得來自于同一運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的用戶盡可能地被組織在同一個邏輯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

(2)通過多線程并行傳輸?shù)姆绞剑畲笙薅鹊爻浞掷脦捹Y源，同時改善跨運(yùn)營商、跨地域網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通效果。

(3)通過動態(tài)測量和感知的方式，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的接入帶寬和服務(wù)能力調(diào)整其在P2P網(wǎng)絡(luò)中的角色，實(shí)現(xiàn)“能者多勞”。

(4)自動檢測局域網(wǎng)用戶，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多用戶觀看節(jié)目的邏輯網(wǎng)絡(luò)自組織、自調(diào)整，使得小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)組播成為可能。

(5)對于向下行帶寬不對稱節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋭討B(tài)調(diào)整，使其一方面能夠獲得CDN網(wǎng)絡(luò)的良好服務(wù)的同時在組播拓?fù)渲凶詣酉鲁恋竭吘?，并力所能及地提供P2P服務(wù)。

2.3.2 農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)互通性差解決辦法。根據(jù)該項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M織和設(shè)計，二級節(jié)點(diǎn)與核心節(jié)點(diǎn)采用了星形聯(lián)通的結(jié)構(gòu)，而二級節(jié)點(diǎn)之間并不存在直接互聯(lián)。

P2P+CDN系統(tǒng)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用要求二級節(jié)點(diǎn)與核心節(jié)點(diǎn)組成CDN數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，而該CDN分發(fā)網(wǎng)絡(luò)自上而下就是樹形結(jié)構(gòu)，并不需要二級節(jié)點(diǎn)之間的直接互聯(lián)。因?yàn)樵赑2P+CDN網(wǎng)絡(luò)中，每一個CDN節(jié)點(diǎn)都在進(jìn)行直播數(shù)據(jù)的推送與分發(fā)，同時具有存儲功能，其存儲的內(nèi)容是整個PCDN系統(tǒng)所服務(wù)的點(diǎn)播內(nèi)容的全集或者熱門子集，因而具備獨(dú)立向用戶提供CDN與P2P相結(jié)合的服務(wù)的能力，并不需要互相連通。

而作為CDN末端、P2P頭端的一級用戶，其獲取數(shù)據(jù)的途徑是多樣的，其并不拘泥于該節(jié)點(diǎn)上級的二級節(jié)點(diǎn)，而是可以從整個樹狀結(jié)構(gòu)的CDN網(wǎng)絡(luò)中獲取數(shù)據(jù)，二級節(jié)點(diǎn)之間的連通性并不會影響到CDN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，更不會影響到P2P網(wǎng)絡(luò)的形成。通過P2P算法的改進(jìn)，各區(qū)縣自身網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單獨(dú)的P2P自組織網(wǎng)絡(luò)。

2.3.3 P2P和CDN部署及數(shù)據(jù)分發(fā)策略。由于中心節(jié)點(diǎn)帶寬有限，無法承受大量用戶同時訪問中心節(jié)點(diǎn)，也為了最大程度發(fā)揮P2P數(shù)據(jù)分發(fā)策略的優(yōu)勢，采用如下部署策略:

(1)CDN視頻分發(fā)采用全部分發(fā)的策略，也就是中心節(jié)點(diǎn)和13個區(qū)縣節(jié)點(diǎn)上的存儲視頻完全一樣。

(2)市級平臺存儲設(shè)備容量是34T，但中心節(jié)點(diǎn)是使用了NAS盤陣的一個卷(4.2T)，所以中心節(jié)點(diǎn)實(shí)際和區(qū)縣節(jié)點(diǎn)的空間是匹配的，這樣在分發(fā)的時候可以把需要分發(fā)的視頻，同時分發(fā)到中心節(jié)點(diǎn)和區(qū)縣節(jié)點(diǎn)，保證中心節(jié)點(diǎn)和區(qū)縣節(jié)點(diǎn)的一致性。

(3)為了減少中心服務(wù)器的壓力，該研究的P2P訪問策略采用根據(jù)IP段判斷用戶所屬區(qū)縣，然后用戶所有能夠訪問的Peer節(jié)點(diǎn)全部是本區(qū)縣的Peer節(jié)點(diǎn)的策略。

(4)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將各區(qū)縣節(jié)點(diǎn)服務(wù)器連接數(shù)設(shè)定為800，減輕節(jié)點(diǎn)服務(wù)器壓力，使更多的Peer節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，使P2P節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)共享發(fā)揮更大的效用。

(5)當(dāng)考慮到如果區(qū)縣CDN如果出現(xiàn)宕機(jī)時，區(qū)縣用戶會去中心節(jié)點(diǎn)服務(wù)器獲取視頻數(shù)據(jù)，由此會增加中心服務(wù)器帶寬的壓力。所以盡量要實(shí)現(xiàn)CDN節(jié)點(diǎn)服務(wù)器7×24的服務(wù)，盡量不出現(xiàn)訪問不到CDN節(jié)點(diǎn)的情況。

3 結(jié)論

該研究將P2P和CDN技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域的省級應(yīng)用平臺，針對網(wǎng)絡(luò)帶寬限制問題，采用CDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)合P2P技術(shù)的應(yīng)用業(yè)務(wù)架構(gòu)，很好地解決了流媒體服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)規(guī)模之間的關(guān)系，在CDN確保服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過新一代P2P技術(shù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)有效承載能力。平臺合理匹配P2P和CDN技術(shù)，避免骨干網(wǎng)上的流量無序性和風(fēng)暴，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的管理性。采用多層安全控制技術(shù)，建立完善的安全管理體系，確保了教學(xué)內(nèi)容和用戶數(shù)據(jù)的安全、可管理。與同類省級遠(yuǎn)程教育教學(xué)平臺相比，具有易部署、擴(kuò)展性高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。該平臺已經(jīng)成為北京市農(nóng)村地區(qū)覆蓋面最廣、惠農(nóng)資源最豐富、交互性最強(qiáng)的個性化遠(yuǎn)程教育服務(wù)平臺。

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