流媒體遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，遠(yuǎn)程教育得以迅速發(fā)展，快速發(fā)展完善的信息及計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)提供了有力支撐，豐富了教師教學(xué)模式及學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，隨著教學(xué)理論和學(xué)習(xí)心理學(xué)理論的更新和發(fā)展。教學(xué)內(nèi)容及學(xué)習(xí)工具通過將現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)有效融入到教育環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和信息化水平的顯著提升，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式及教學(xué)對(duì)象的固有關(guān)系(包括教師、教材、教學(xué)媒體間以及教師、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生間)，實(shí)現(xiàn)了新的學(xué)習(xí)與教學(xué)模式的構(gòu)建，為發(fā)展、優(yōu)化和更新傳統(tǒng)教育觀點(diǎn)及模式起到了良好的推進(jìn)作用。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育基于互聯(lián)網(wǎng)上音視頻模式的多媒體數(shù)據(jù)信息，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量小內(nèi)容單一的純文字教學(xué)模式的不足[1]。

1 現(xiàn)狀分析

迅速發(fā)展的信息技術(shù)促使各行各業(yè)的信息化得以實(shí)現(xiàn)，催生了在線教學(xué)這一新的教育模式，隨著遠(yuǎn)程教育的深入開展，使教學(xué)模式呈多樣化發(fā)展趨勢，促使教學(xué)方式、內(nèi)容及學(xué)生的認(rèn)知和學(xué)習(xí)方式發(fā)生了極大的改變，學(xué)生由傳統(tǒng)課堂中的單純聽講者逐漸向課堂的主體轉(zhuǎn)變。作為有機(jī)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與音視頻技術(shù)的流媒體技術(shù)以Internet作為主要媒介完成音視頻到PC機(jī)的傳送，包括音視頻在內(nèi)的媒體信息以流作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕绞剑ㄟ^流媒體技術(shù)的使用即可實(shí)現(xiàn)邊下載邊觀看視頻，流媒體技術(shù)因使多媒體信息傳輸不再受網(wǎng)絡(luò)寬帶的限制已在多種領(lǐng)域(包括電子商務(wù)、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上直播等)得以普及應(yīng)用。流媒體技術(shù)以流式作為主要傳輸方式實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)傳送和播放數(shù)據(jù)流的功能[1]。近年來在遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中運(yùn)用流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)將優(yōu)質(zhì)教育資源提供給更多的學(xué)習(xí)者，使傳統(tǒng)教學(xué)模式及對(duì)象間的關(guān)系得以優(yōu)化，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)掘流媒體技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合多媒體技術(shù)完成遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及突破時(shí)空限制的在線學(xué)習(xí)與教學(xué)模式的構(gòu)建，提高教學(xué)模式通信效率及教學(xué)質(zhì)量。

2 基于流媒體的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 流媒體的傳輸方式

流式傳輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)流媒體的關(guān)鍵所在，流媒體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流媒體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要包括兩種傳輸方法即實(shí)時(shí)流和順序流(按順序下載)傳輸，音視頻信息采用實(shí)時(shí)流式傳輸可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀看功能，通常為直播的視頻形式，但實(shí)時(shí)流式傳輸在網(wǎng)絡(luò)傳輸存在不流暢的情況下會(huì)降低服務(wù)器接收信號(hào)的效果，降低整體觀看效果。順序流傳輸方式對(duì)質(zhì)量高的短片段較為適用，用戶同樣可以邊下載音視頻等內(nèi)容邊收聽和觀看，但其與服務(wù)器上的傳輸無法同步進(jìn)行，用戶看到的均是服務(wù)器緩沖信息(存在一定的時(shí)間延遲)無法直接跳轉(zhuǎn)到未下載部分[2]。開發(fā)流媒體服務(wù)器軟件的 FMS的客戶端為集成了多媒體交互特點(diǎn)的Flash Player，F(xiàn)MS在互動(dòng)性方面具備顯著的優(yōu)勢，能夠集成其他應(yīng)用程序和流媒體，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的富媒體應(yīng)用程序的構(gòu)建，可實(shí)時(shí)傳輸音視頻流，提供良好的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，支持網(wǎng)絡(luò)用戶間的互相通訊，開發(fā)無需對(duì)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、終端環(huán)境、解壓等問題進(jìn)行考慮，更好的滿足開發(fā)需求，本文通過FMS 服務(wù)器的使用完成網(wǎng)絡(luò)中音視頻等信息的儲(chǔ)存過程，實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)信息向多個(gè)客戶端的傳輸及共享，從而實(shí)現(xiàn)不同用戶間的信息實(shí)時(shí)共享[3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)采用P2P模式(視頻點(diǎn)播使用的主流技術(shù))，P2P技術(shù)模式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)C /S模式的不足，廣泛應(yīng)用于各類視頻系統(tǒng)中，突破了客戶機(jī)和服務(wù)器的限制，位于網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)作為信息服務(wù)的提供者和調(diào)用者屬于對(duì)等關(guān)系，使計(jì)算資源和空閑帶寬(服務(wù)器和各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))得以充分有效的利用，進(jìn)而使文件傳輸質(zhì)量和效率得以顯著提升，P2P模式不受具體操作系統(tǒng)和硬件的限制，顯著降低了系統(tǒng)維護(hù)的工作量，適用于分布教學(xué)管理及分布學(xué)習(xí)，采用采用流式傳輸方式的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)可通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)交互功能，有效降低了啟動(dòng)延時(shí)并節(jié)省了大量的存儲(chǔ)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(tái)的服務(wù)器會(huì)繼續(xù)下載剩余多媒體文件，提升了系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性[4]。本文所設(shè)計(jì)的基于流媒體的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)以高效師生作為主要服務(wù)對(duì)象，以優(yōu)質(zhì)教學(xué)和學(xué)習(xí)資源的提供為目的，其主要功能為：(1)開通遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的課程，需任教老師針對(duì)所要開設(shè)的 Web課程向教務(wù)處提出申請(qǐng)并得到批準(zhǔn)后，向系統(tǒng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)中心提交課程基本信息(包括教師信息、教學(xué)內(nèi)容、課時(shí)、素材等)，由網(wǎng)絡(luò)中心完成備錄及準(zhǔn)備工作后，由教務(wù)處發(fā)布開課通知。(2)完成遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)教學(xué)過程，學(xué)生按照規(guī)定流程申請(qǐng)已開通的課程，加入到教師在系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建的虛擬教室，學(xué)生通過移到終端或PC端連接網(wǎng)絡(luò)后即可進(jìn)入課堂聽課，突破時(shí)間和空間的限制拓展實(shí)體教室以外的教學(xué)內(nèi)容。本系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)一個(gè)以實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)教學(xué)通用(采用非專用硬件方式)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)功能架構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)功能架構(gòu)

主要由權(quán)限管理(負(fù)責(zé)引導(dǎo)用戶進(jìn)行注冊(cè)、登錄等操作)、教學(xué)資源瀏覽、教學(xué)內(nèi)容推薦。信息導(dǎo)航等模塊構(gòu)成，作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部分教學(xué)資源展示模塊主要負(fù)責(zé)將教學(xué)資源(教師上傳的教學(xué)音視頻、文檔等)提供給學(xué)生，以供學(xué)生在線瀏覽學(xué)習(xí)或下載后離線學(xué)習(xí)；信息導(dǎo)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(tǒng)展示，幫助用戶快速定位所需資源；教學(xué)內(nèi)容推薦模塊順應(yīng)了大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，使多媒體教學(xué)資源通過數(shù)據(jù)分析和處理實(shí)現(xiàn)相關(guān)學(xué)習(xí)資源的主動(dòng)及有針對(duì)性的推薦過程，更好的發(fā)揮出資源的潛在價(jià)值，滿足多樣化教學(xué)需求[5]。

3 系統(tǒng)核心模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)過程中采用混合體系結(jié)構(gòu)，核心服務(wù)器為視頻服務(wù)器(位于教學(xué)中心)，實(shí)現(xiàn)同互聯(lián)網(wǎng)的連接，并將系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)(即進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)播的學(xué)生)設(shè)計(jì)為 P2P 中的對(duì)等節(jié)點(diǎn)，使系統(tǒng)點(diǎn)播的并發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目顯著增加，并實(shí)現(xiàn)基于P2P 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(在網(wǎng)絡(luò)抽象層)，針對(duì)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)存在的主要問題(包括延遲、不確定性、分散性等)，根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要完成針對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的樹型算法的構(gòu)建和維護(hù)。本文根據(jù)P2P模式對(duì)音視頻等多媒體素材的質(zhì)量要求，完成了對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括可滿足熱門資源(位于架構(gòu)視頻直播或點(diǎn)播系統(tǒng)中)的服務(wù)策略的應(yīng)用層組播樹結(jié)構(gòu)和非樹型P2P結(jié)構(gòu)，P2P結(jié)構(gòu)適用于請(qǐng)求率較低且并發(fā)請(qǐng)求少的資源[6]。

3.2 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

本文基于P2P的節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

參照TCP /IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及 OSI體系結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)上的軟件在基于P2P的系統(tǒng)中均需提供 3個(gè)主要功能，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接 、媒體播放及控制，同時(shí)為有效支持流媒體應(yīng)用，將三層軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)置于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)上，具體實(shí)現(xiàn)功能分別為：(1)采用 HTTP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)抽象層，主要功能在于在 SOAP應(yīng)用中封裝對(duì)象信息，并完成 P2P節(jié)點(diǎn)樹的建立和維護(hù)以及信息在節(jié)點(diǎn)間的交換處理。(2)媒體控制層(整個(gè)節(jié)點(diǎn)樹對(duì)于該層處于透明狀態(tài))，傳輸流數(shù)據(jù)時(shí)采用RTP /TCP協(xié)議，主要功能在于完成流數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，連續(xù)流媒體(一個(gè)或多個(gè)、時(shí)間同步)采用RTSP協(xié)議完成建立和控制過程[7]。(3)媒體播放層，通過操作系統(tǒng)播放軟件的調(diào)用完成流媒體數(shù)據(jù)(節(jié)點(diǎn)收到)的播放過程。

3.3 P2P數(shù)據(jù)傳輸樹的建立

系統(tǒng)中運(yùn)用P2P模式的流媒體服務(wù)時(shí)按照用戶情況以對(duì)同一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)請(qǐng)求為準(zhǔn)劃為一組，P2P 數(shù)據(jù)傳輸樹則是以此組用戶作為節(jié)點(diǎn)形成的，在數(shù)據(jù)傳輸樹結(jié)構(gòu)中最底層的根為各個(gè)服務(wù)器，第一層用戶通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接獲取，第二層用戶則通過第一層用戶完成數(shù)據(jù)的獲取， 按層遞進(jìn)，采用此種樹型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可確保各用戶計(jì)算機(jī)之間傳送不同的數(shù)據(jù)，從而有效避免數(shù)據(jù)風(fēng)暴的形成。處于樹型結(jié)構(gòu)中的所有用戶均能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的流媒體數(shù)據(jù)的獲取。本文建立的P2P數(shù)據(jù)傳輸樹結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 P2P數(shù)據(jù)傳輸樹的建立

當(dāng)序增加一個(gè)新用戶P16時(shí)的具體流程為:(1)用戶P16首先向服務(wù)器(由R表示)發(fā)送相應(yīng)請(qǐng)求；(2)服務(wù)器以之前保存的信息為依據(jù)進(jìn)行判斷， 完成滿足需求的能夠再接入新用戶的節(jié)點(diǎn)信息(由I表示)集合的選擇，確保其在物理拓?fù)渖贤琍16較近， 在圖4中可選擇由P11、P12、P13、P15、P3構(gòu)成的集合；(3)接下來P16會(huì)根據(jù)自身需要主動(dòng)從從I集合中選擇一個(gè)較為適合的節(jié)點(diǎn)，本文在圖4結(jié)構(gòu)中選擇了P3節(jié)點(diǎn)；(4)P16完成選擇后會(huì)將請(qǐng)求連接發(fā)送給P3，獲取P3允許連接后即可接收到由P3發(fā)送的數(shù)據(jù)；(5)P3將更新信息的要求發(fā)送給服務(wù)器，此時(shí)P3同兩個(gè)用戶樹相連；(6)P16再將更新信息的要求發(fā)送給服務(wù)器后即可將相應(yīng)的服務(wù)提供給其他的節(jié)點(diǎn)[8]。建立完數(shù)據(jù)樹后需以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顩r的變化情況為依據(jù)對(duì)樹的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)調(diào)整樹結(jié)構(gòu)及相應(yīng)樹節(jié)點(diǎn)的退出策略，若需對(duì)樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新建立，則需對(duì)樹結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及擴(kuò)展性進(jìn)行充分考慮以有效降低系統(tǒng)的通信延遲，更好的提供高質(zhì)量的流媒體數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)P2P數(shù)據(jù)傳輸樹的有效控制[9]。

3.4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于P2P流媒體技術(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，經(jīng)調(diào)試后將其應(yīng)用到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，由于P2P模式不受具體操作系統(tǒng)和硬件的限制，簡化了系統(tǒng)使用和維護(hù)工作流程，能夠更好的滿足分布教學(xué)管理及分布學(xué)習(xí)的需求，該遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)可通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)交互功能節(jié)省了大量的存儲(chǔ)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(tái)的服務(wù)器會(huì)繼續(xù)下載剩余多媒體文件，實(shí)現(xiàn)多種形式教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時(shí)傳遞和接收，學(xué)生根據(jù)實(shí)際需要點(diǎn)播教學(xué)視頻、同老師進(jìn)行信息交互，教師則可根據(jù)學(xué)生具體情況進(jìn)行有有針對(duì)性的教學(xué)，同時(shí)通過P2P數(shù)據(jù)傳輸樹的建立，可以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顩r的變化情況為依據(jù)對(duì)樹的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，動(dòng)態(tài)調(diào)整樹結(jié)構(gòu)及相應(yīng)樹節(jié)點(diǎn)的退出策略，提升了系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 總結(jié)

本文基于P2P流媒體技術(shù)完成了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使教學(xué)過程的質(zhì)量和效率得以有效提升。搭建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)教育平臺(tái)作為一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，需不斷發(fā)展和完善，基于流媒體的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)將形象生動(dòng)的豐富視音頻資源及高質(zhì)量的視頻學(xué)習(xí)接口提供給學(xué)習(xí)者，豐富了教學(xué)形式及內(nèi)容，提升了教學(xué)資源的享性程度，可有效解決教育資源分布不均的問題，對(duì)于營造良好的教學(xué)氛圍及師生交互效果起到了重要作用。