基于P2P 流媒体技术的远程网络教学系统设计

熊 皓 王志鸿

（1.湖北理工学院 计算机学院，湖北 黄石435000；2.湖北理工学院 艺术学院，湖北 黄石435000）

0 前言

随着Internet 网络的日趋普及和信息传输技术的快速发展，Internet 上的用户也逐渐递增，使得远程网络教育变得更加便捷[1]。 在远程网络教育中，所有的信息传递都是由计算机在网络技术和环境支持下进行的，这些信息传递同样有教师传向学生的教学信息，学生传向教师的应答信息，教师传向学生的反馈信息等，教师与学生通常是非直接接触的，时间通常是异步的、空间通常也是分离的，在这样的教学环境中，信息传递的容量是非常巨大的，如何解决当访问用户过多时而造成的数据堵塞问题，以及如何实现远程教育中师生的真正互动是目前研究的方向。

1 P2P 流媒体

所谓流媒体是指采用流式传输的方式在Internet 播放的媒体格式。随着计算机和网络技术的快速发展， 互联网流媒体应用的迅速增长也给网络媒体的发布和传输技术带来了新的考验[2]。 传统的基于C/S 架构的服务模式很容易引起服务器的性能瓶颈和带宽瓶颈， 难以胜任大规模的并发应用。 最近几年新兴的对等网络（P2P）技术，凭借其巨大的优势，正逐渐取代传统的C/S 流媒体技术[3]。

2 P2P 流媒体网络教学系统的设计

2.1 系统功能分析

针对当前远程网络教学系统中存在的问题，结合P2P 流媒体的特性，设计出一种新型的基于P2P 流媒体技术的远程网络多媒体教学系统，该系统具备如下功能：

1）教师端能够准实时地向学生端传输多媒体教学内容。

2）学生端除了能够接收教师端传输的教学信息外，还能在相邻学生端之间共享这些教学信息数据流，从而节省教师端的网络带宽和计算机负担，提高本系统的健壮性和适应性。

3）学生端可以随时和教师端进行点对点信息交互，活跃网络教学气氛，提高教学效果。

4）教师端可以随时把教学内容传输权转交给某个学生端，使该学生端能够向本系统内所有节点广播自己的观点与方法，增强学生参与网络课堂的积极性，提高学习兴趣。

5）教师的授课过程可以被制作成录像资源，学生可以通过自己的账号随时上服务器点播任何教师的授课录像。

在设计的这个系统中，所有的节点都是平等的关系，类似于P2P网络，但这个系统比常见的P2P 网络具有更好的交互性和适应性，以较小的网络和计算机资源开销实现高效的远程网络教学。

2.2 系统架构设计

该系统在架构上分为：教师端、学生端、流媒体采集与存储服务端。

教师端负责教学内容的播放、媒体流生成与传输，并能接受学生端的提问请求，以及网络教学系统控制权的分配。 学生端实时接收教师端发布的教学媒体流，向教师端提问，以及学生端之间的媒体流共享，减少教师端的负担。 流媒体采集与存储服务端负责教学录像的实时制作、转换、传输，并能存储名师的授课录像供学生以P2P 方式进行VOD 点播。

教师端和学生端程序用C# 开发完成，流媒体采集与存储服务端采用微软的媒体流服务器结合C# 开发的VOD 服务器程序组成。对于学生端的任何请求，均由教师端审核处理，流媒体采集与存储服务端配合操作，使流媒体信息能准实时地在学生端正确地播放。

2.2.1 准实时P2P 远程教学功能的设计

在此系统中远程网络授课视频是准实时传输的。在P2P 网络中复制单个数据包，并送往需要的学生端用户地址。 我们可以将需要同一资源的用户进行统一授权，只有被授权的学生端用户才能够接收到教师端发送的准实时流媒体，所有的正在授课的教师只对授权学生端发送，而且教师端可以控制接收者却不限制接收的人数，这样可以节省为每个接收者建立专门的连接。 因此，在教师端可以安装有压缩工作站的视频捕捉卡， 将有远程教学音频视频信号实时捕捉成数字信号；然后利用相应的制作软件将音频 视频信号进行编码和转换，然后变成实时的信号流传输给学生端。

每个学生节点都有两种方式获得媒体流数据，即从教师端直接获取或者通过邻居学生节点获取。 每个学生节点维护一个伙伴列表，学生节点可以从教师端或者邻居学生节点中获取媒体流数据。学生节点之间不断的交换各自的缓存信息， 然后根据邻居节点的缓存信息，通过一定的数据调度算法从邻居节点获取媒体流数据。教师端除了直接传输授课流媒体信息之外，还负责维护所有学生节点的信息列表。

2.2.2 远程点播教学功能的设计

学生端首先向WEB 服务器发送身份认证信息， 由身份认证服务器确认身份，并把身份信息发送给流媒体服务器，然后由学生端在流媒体服务器中点播某一视频，这个视频也可以通过邻居的几个学生端那里获取。 教师端为了能同时响应多个学生端的服务要求，流媒体采集与存储服务端一般采用时间片调度算法。流媒体服务器为了能够适应实时、连续稳定的视频流，其存储量要大，数据速率要高，并应具备接纳控制、请求处理等多种功能，以确保学生端请求在系统资源下的有效被服务。 存储设备应采用SCSI 接口，以确保高速、并行、多重I／O总线的能力。

原始视频流可分为多个视频块，然后通过网络进行传输，类似于消息在通过IP 网络传输之前先分成数据包。如果正确传播，不仅可以提高流媒体信息的容错性，消除服务器端的瓶颈，以及显著改善教师端可利用的带宽资源，从而大幅度提高的媒体流的播放速度。 因此采用多源流调度程序。该程序可接收来自代理服务器或对等服务器等不同服务器的流块，对视频块进行适当排序，然后把无缝、块速率恒定的视频流发送到学生端。

3 使用效果分析

由于该系统是在P2P 网络中建立的连接和信息的传输，所以系统具备以下几点：

（1）可扩展性。 由于是在P2P 网络，视频用户节点只要是需要共享同一资源的，可以随时不断加入和退出。

（2）功能的分散化。 该系统能充分利用P2P 网络资源中每个用户节点，对每一个用户节点进行计算资源和带宽资源，实现功能的分散化，缓解服务器节点的压力。

（3）鲁棒性。 在P2P 网络中，每个节点的行为都是不可预知的，而且在节点的数量比较大的时候，节点的加入和离开比较频繁。 因此一个对节点稳定的管理是必不可少的。 因此，建立专门的档案管理服务器进行节点信息管理，可有效解决节点管理问题。

（4）高效传输性。 在P2P 网络中，本只由服务器节点传输每个用户节点的，增加了用户节点传输用户节点，这样对流媒体数据的延迟尽可能减小，使用户可以在某一规定的时间段内得到数据，提高了传输性。

4 总结

本文提出了一种基于P2P 流媒体技术的远程网络教育系统，提高了一般的网络教育系统的覆盖范围和传输质量， 减少了网络延迟，增加了多种授课方式，如：学生点播学习以及学生和教师相互广播。该系统能充分利用用户端的资源，减轻了服务器的负担，提高了远程教学的性能、效率和稳定性，方便了教学的组织和师生之间的交流，获得了用户端的满意，具有广泛的应用前景。

［1］李桂春.基于P2P 的流媒体系统的研究和设计[J].沈阳工程学院学报:自然科学版,2010,1,6(1):71-74.

［2］王新,程绍辉.P2P 网络视频技术在远程教学中的应用[J].计算机与信息技术,2010,11:54-55.

［3］张安琳,张尧,等.一种基于P2P 的流媒体分发系统[J].计算机应用与软件,2010,2,27(2):67-70.