流媒体远程网络教育系统研究

刘福生

(西宁市教育局 信息中心， 西宁 810001)

0 引言

近几年作为网络应用的重要领域之一，远程教育得以迅速发展，快速发展完善的信息及计算机多媒体技术为网络通信平台的构建和实现提供了有力支撑，丰富了教师教学模式及学生的学习模式，随着教学理论和学习心理学理论的更新和发展。教学内容及学习工具通过将现代数字化技术有效融入到教育环境中实现了数字化和信息化水平的显著提升，改变了传统教学模式及教学对象的固有关系(包括教师、教材、教学媒体间以及教师、教学内容与学生间)，实现了新的学习与教学模式的构建，为发展、优化和更新传统教育观点及模式起到了良好的推进作用。远程网络教育基于互联网上音视频模式的多媒体数据信息，有效弥补了传统数据量小内容单一的纯文字教学模式的不足[1]。

1 现状分析

迅速发展的信息技术促使各行各业的信息化得以实现，催生了在线教学这一新的教育模式，随着远程教育的深入开展，使教学模式呈多样化发展趋势，促使教学方式、内容及学生的认知和学习方式发生了极大的改变，学生由传统课堂中的单纯听讲者逐渐向课堂的主体转变。作为有机结合了网络技术与音视频技术的流媒体技术以Internet作为主要媒介完成音视频到PC机的传送，包括音视频在内的媒体信息以流作为网络传输的主要方式，通过流媒体技术的使用即可实现边下载边观看视频，流媒体技术因使多媒体信息传输不再受网络宽带的限制已在多种领域(包括电子商务、视频点播、网上直播等)得以普及应用。流媒体技术以流式作为主要传输方式实现了随时传送和播放数据流的功能[1]。近年来在远程教育平台中运用流媒体技术实现将优质教育资源提供给更多的学习者，使传统教学模式及对象间的关系得以优化，本文在此基础上进一步发掘流媒体技术的优势，结合多媒体技术完成远程教学平台的设计及突破时空限制的在线学习与教学模式的构建，提高教学模式通信效率及教学质量。

2 基于流媒体的远程教育系统设计

2.1 流媒体的传输方式

流式传输技术是实现流媒体的关键所在，流媒体系统结构如图1所示。

图1 流媒体系统结构

主要包括两种传输方法即实时流和顺序流(按顺序下载)传输，音视频信息采用实时流式传输可实现实时观看功能，通常为直播的视频形式，但实时流式传输在网络传输存在不流畅的情况下会降低服务器接收信号的效果，降低整体观看效果。顺序流传输方式对质量高的短片段较为适用，用户同样可以边下载音视频等内容边收听和观看，但其与服务器上的传输无法同步进行，用户看到的均是服务器缓冲信息(存在一定的时间延迟)无法直接跳转到未下载部分[2]。开发流媒体服务器软件的 FMS的客户端为集成了多媒体交互特点的Flash Player，FMS在互动性方面具备显著的优势，能够集成其他应用程序和流媒体，实现功能强大的富媒体应用程序的构建，可实时传输音视频流，提供良好的开发和运行环境，支持网络用户间的互相通讯，开发无需对数据传输机制、终端环境、解压等问题进行考虑，更好的满足开发需求，本文通过FMS 服务器的使用完成网络中音视频等信息的储存过程，实现多媒体数据信息向多个客户端的传输及共享，从而实现不同用户间的信息实时共享[3]。

2.2 系统设计

本文所设计的远程网络教育系统采用P2P模式(视频点播使用的主流技术)，P2P技术模式弥补了传统C /S模式的不足，广泛应用于各类视频系统中，突破了客户机和服务器的限制，位于网络中的各节点作为信息服务的提供者和调用者属于对等关系，使计算资源和空闲带宽(服务器和各网络节点)得以充分有效的利用，进而使文件传输质量和效率得以显著提升，P2P模式不受具体操作系统和硬件的限制，显著降低了系统维护的工作量，适用于分布教学管理及分布学习，采用采用流式传输方式的远程教育系统可通过浏览器实现交互功能，有效降低了启动延时并节省了大量的存储空间，用户无需等待文件全部下载完即可在客户端的播放器等软件解压并观看视音频等流式多媒体文件，后台的服务器会继续下载剩余多媒体文件，提升了系统的交互性和实时性[4]。本文所设计的基于流媒体的远程网络教育系统以高效师生作为主要服务对象，以优质教学和学习资源的提供为目的，其主要功能为：(1)开通远程教育系统的课程，需任教老师针对所要开设的 Web课程向教务处提出申请并得到批准后，向系统平台的网络中心提交课程基本信息(包括教师信息、教学内容、课时、素材等)，由网络中心完成备录及准备工作后，由教务处发布开课通知。(2)完成远程教育系统教学过程，学生按照规定流程申请已开通的课程，加入到教师在系统内创建的虚拟教室，学生通过移到终端或PC端连接网络后即可进入课堂听课，突破时间和空间的限制拓展实体教室以外的教学内容。本系统以实现一个以实现的实时与非实时教学通用(采用非专用硬件方式)的远程教育系统作为主要设计目标，远程教育系统功能架构具体如图2所示。

图2 远程教育系统功能架构

主要由权限管理(负责引导用户进行注册、登录等操作)、教学资源浏览、教学内容推荐。信息导航等模块构成，作为系统的关键部分教学资源展示模块主要负责将教学资源(教师上传的教学音视频、文档等)提供给学生，以供学生在线浏览学习或下载后离线学习；信息导航模块可有效满足课程资源不断丰富拓展的需求，完成大型分类资源的系统展示，帮助用户快速定位所需资源；教学内容推荐模块顺应了大数据的发展趋势，使多媒体教学资源通过数据分析和处理实现相关学习资源的主动及有针对性的推荐过程，更好的发挥出资源的潜在价值，满足多样化教学需求[5]。

3 系统核心模块的实现

3.1 系统框架

系统具体设计过程中采用混合体系结构，核心服务器为视频服务器(位于教学中心)，实现同互联网的连接，并将系统的节点(即进行远程点播的学生)设计为 P2P 中的对等节点，使系统点播的并发节点数目显著增加，并实现基于P2P 的网络拓扑结构(在网络抽象层)，针对对等网络中节点存在的主要问题(包括延迟、不确定性、分散性等)，根据实际教学需要完成针对节点网络的树型算法的构建和维护。本文根据P2P模式对音视频等多媒体素材的质量要求，完成了对应结构的设计，包括可满足热门资源(位于架构视频直播或点播系统中)的服务策略的应用层组播树结构和非树型P2P结构，P2P结构适用于请求率较低且并发请求少的资源[6]。

3.2 节点体系结构

本文基于P2P的节点软件体系结构如图3所示。

图3 节点体系结构

参照TCP /IP网络结构及 OSI体系结构，各节点上的软件在基于P2P的系统中均需提供 3个主要功能，即网络节点连接 、媒体播放及控制，同时为有效支持流媒体应用，将三层软件体系结构设置于远程网络教育系统中的各节点上，具体实现功能分别为：(1)采用 HTTP 协议的网络抽象层，主要功能在于在 SOAP应用中封装对象信息，并完成 P2P节点树的建立和维护以及信息在节点间的交换处理。(2)媒体控制层(整个节点树对于该层处于透明状态)，传输流数据时采用RTP /TCP协议，主要功能在于完成流数据的发送和接收，连续流媒体(一个或多个、时间同步)采用RTSP协议完成建立和控制过程[7]。(3)媒体播放层，通过操作系统播放软件的调用完成流媒体数据(节点收到)的播放过程。

3.3 P2P数据传输树的建立

系统中运用P2P模式的流媒体服务时按照用户情况以对同一节点进行同时请求为准划为一组，P2P 数据传输树则是以此组用户作为节点形成的，在数据传输树结构中最底层的根为各个服务器，第一层用户通过服务器实现数据的直接获取，第二层用户则通过第一层用户完成数据的获取， 按层递进，采用此种树型结构的优势在于可确保各用户计算机之间传送不同的数据，从而有效避免数据风暴的形成。处于树型结构中的所有用户均能够实现稳定的流媒体数据的获取。本文建立的P2P数据传输树结构如图4所示。

图4 P2P数据传输树的建立

当序增加一个新用户P16时的具体流程为:(1)用户P16首先向服务器(由R表示)发送相应请求；(2)服务器以之前保存的信息为依据进行判断， 完成满足需求的能够再接入新用户的节点信息(由I表示)集合的选择，确保其在物理拓扑上同P16较近， 在图4中可选择由P11、P12、P13、P15、P3构成的集合；(3)接下来P16会根据自身需要主动从从I集合中选择一个较为适合的节点，本文在图4结构中选择了P3节点；(4)P16完成选择后会将请求连接发送给P3，获取P3允许连接后即可接收到由P3发送的数据；(5)P3将更新信息的要求发送给服务器，此时P3同两个用户树相连；(6)P16再将更新信息的要求发送给服务器后即可将相应的服务提供给其他的节点[8]。建立完数据树后需以网络拓扑状况的变化情况为依据对树的结构进行实时更新，动态调整树结构及相应树节点的退出策略，若需对树结构进行重新建立，则需对树结构的稳定性及扩展性进行充分考虑以有效降低系统的通信延迟，更好的提供高质量的流媒体数据传输服务，实现P2P数据传输树的有效控制[9]。

3.4 系统的应用效果

为验证本文所设计的基于P2P流媒体技术的远程网络教学系统的有效性和稳定性，经调试后将其应用到实际网络教学过程中，由于P2P模式不受具体操作系统和硬件的限制，简化了系统使用和维护工作流程，能够更好的满足分布教学管理及分布学习的需求，该远程教育系统可通过浏览器实现交互功能节省了大量的存储空间，用户无需等待文件全部下载完即可在客户端的播放器等软件解压并观看视音频等流式多媒体文件，后台的服务器会继续下载剩余多媒体文件，实现多种形式教学内容的实时传递和接收，学生根据实际需要点播教学视频、同老师进行信息交互，教师则可根据学生具体情况进行有有针对性的教学，同时通过P2P数据传输树的建立，可以网络拓扑状况的变化情况为依据对树的结构进行实时更新，动态调整树结构及相应树节点的退出策略，提升了系统的交互性和实时性，该系统具有较高的实际应用价值。

4 总结

本文基于P2P流媒体技术完成了远程网络教学系统的设计，使教学过程的质量和效率得以有效提升。搭建和维护网络教育平台作为一项系统性工作，需不断发展和完善，基于流媒体的远程网络教育系统将形象生动的丰富视音频资源及高质量的视频学习接口提供给学习者，丰富了教学形式及内容，提升了教学资源的享性程度，可有效解决教育资源分布不均的问题，对于营造良好的教学氛围及师生交互效果起到了重要作用。