周個妹　劉澤斌

摘 要：通過闡述流媒體技術對于當今遠程教育的重要意義，文章提出了基于云服務的P2P的遠程教學系統(tǒng)資源共享網(wǎng)絡結構和解決方案，研究表明基于云服務的P2P架構的流媒體技術能夠突破固有網(wǎng)絡帶寬的瓶頸，高效的傳輸流媒體文件，提高音視頻文件的播放質(zhì)量，保證視頻資源的穩(wěn)定性，更適用當今遠程教學系統(tǒng)。

關鍵詞：云服務；流媒體；P2P；教學系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）06-0091-04

當今，電子信息技術在以前所未有的速度發(fā)展，許多傳統(tǒng)領域都受到?jīng)_擊從而產(chǎn)生各種變革，基于先進的網(wǎng)絡通信技術，遠程教學模式應運而生，遠程教學的開拓與發(fā)展，使得現(xiàn)在的教學模式呈多元化趨勢發(fā)展，無論是教學模式還是教授內(nèi)容均發(fā)生了巨大的變革。而相應的，學生的學習模式也在變化，現(xiàn)在的課堂，學生不再是以單純的聽講作為主要學習方式，他們開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂的主體，帶著疑問有目的性的尋求教學資源，因此擁有龐大教學資料儲備、方便溝通渠道、良好互動機制的遠程教學模式必定成為教育領域的主流教學模式。

一、基于云服務的P2P流媒體技術

1.流媒體

流媒體技術在一定程度上突破了網(wǎng)絡寬帶對多媒體信息傳輸?shù)南拗?，被廣泛用于網(wǎng)絡視頻直播、廣告、電子商務等各種領域，它采用流式傳輸?shù)姆绞?，其?shù)據(jù)流能夠做到隨時傳送，對系統(tǒng)緩存要求較低，縮短了啟動延時，隨時播放，減少了用戶等待時間且能夠做到斷點續(xù)播，不必從頭下載文件再播放，而且流媒體壓縮的音視頻文件容量小，易于網(wǎng)絡傳輸。

雖然現(xiàn)代遠程教育已經(jīng)取得了很大的進步，但目前國內(nèi)的遠程教學還存在不足之處，其中最顯著的一點是教學模式單一。許多院校只是將原版教材制成電子版上傳至網(wǎng)絡供學生下載，僅僅是利用了網(wǎng)絡的便利條件改變了教學環(huán)境，教學形式上反而變得更加消極，在無人監(jiān)督和學習內(nèi)容單調(diào)乏味的情況下，會極大的打擊學生的學習積極性，而且諸如化學、物理、音樂等需要現(xiàn)場實驗和演示的學科，在只能傳輸PDF或PPT文本的形式單一的遠程教學平臺上根本無法做到有效授課。

流媒體技術的應用可以有效解決這些不足，從效果上看，流媒體技術能夠?qū)鹘y(tǒng)教學中教師授課風采以及現(xiàn)場試驗場景呈現(xiàn)在學生面前，幫助學生對課程的理解，同時輔以PPT講稿和索引，學員可根據(jù)需要自由切換學習的課程章節(jié)，相比較于傳統(tǒng)教學模式，不僅不會降低教學質(zhì)量，而且極大地提高了教學的便利程度。從成本上看，由于支持流式技術的多媒體文件不需要全部下載完成就能觀看，點播延時大大縮短，不需要很大的緩沖區(qū)，對網(wǎng)絡帶寬的要求下降。流式技術采用較高效的壓縮編碼如MPEG-4等，提高了網(wǎng)絡傳輸視頻的質(zhì)量，即使學員不在現(xiàn)場聽課也有身臨其境的感覺。

2.P2P概述

大學的教學網(wǎng)絡多以C/S模式存在，該模式中，服務器以單播的形式傳輸媒體流，該傳輸模式一般用于小范圍的局域網(wǎng)內(nèi)，易于維護管理，但其缺點也十分明顯，當用戶數(shù)量增加到一定程度時，受服務器本身性能及網(wǎng)絡帶寬的限制，無法承載較大流量的音視頻文件傳輸，這對遠程教學流媒體技術的使用開發(fā)是一大瓶頸[1]。

P2P是對等計算（Peer to Peer）的簡稱，可以簡單的定義成通過直接交換來共享計算機資源和服務，而對等計算模型應用層形成的網(wǎng)絡通常稱為對等網(wǎng)絡。在P2P網(wǎng)絡環(huán)境中，整個網(wǎng)絡不依賴專用的集中服務器，成千上萬臺彼此連接的計算機都處于對等的地位，網(wǎng)絡中的每一臺計算機既能充當網(wǎng)絡服務的請求者，又對其它計算機的請求作出響應，提供資源和服務。此類組網(wǎng)的傳輸模式優(yōu)點在于能夠充分利用客戶端（即學生終端）的閑置帶寬以及計算資源，減輕中央服務器及骨干網(wǎng)絡的負擔，解決C/S模式資源受限問題，保證視頻流快速流暢播放，而且不需要互聯(lián)網(wǎng)路由器和網(wǎng)絡基礎設施的支持，因此性價比高且易于部署。但P2P技術流媒體業(yè)務的應用中仍存在一些技術性的問題，如合適源節(jié)點查找和數(shù)據(jù)傳輸路徑維護等，也會對網(wǎng)絡的整體穩(wěn)定性造成負擔。基于此背景下，通過構造新的虛擬多源P2P資源共享、傳輸模式等手段能有效解決遠程教學中流媒體應用的問題，解決的方法是在客戶端節(jié)點中選擇優(yōu)秀節(jié)點構建源組，充分利用對等網(wǎng)絡中每個終端用戶的空閑資源來減輕服務器的負擔，在不影響接收教學視頻質(zhì)量的情況下，能夠保證客戶端穩(wěn)定、流暢地獲取視頻，同時，使用該方法建立的網(wǎng)絡構架具有良好的擴展性，能自動根據(jù)某一時期的用戶總量縮減或擴張規(guī)模[2]。

3.云服務概述

云服務是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。相對于傳統(tǒng)的基于本地設備的服務，它具有大規(guī)模、高可靠性、通用性、高可擴展性和按需服務、費用廉價等特點，如此，小規(guī)模使用者既能省去高昂的數(shù)據(jù)中心的管理成本，云平臺服務商也可運用閑散資源收取租用費來對云平臺進行維護，雙方互利互贏。從普通用戶的角度來看，通過云平臺獲取服務價格低廉且方便快捷，只要有網(wǎng)絡覆蓋的地方即能使用，因此運用云服務，能有效優(yōu)化基礎的P2P流媒體傳輸系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)模型

1.傳輸系統(tǒng)框架

使用P2P技術在遠程教育平臺上傳輸流媒體，是為了充分利用終端設備的邊緣性網(wǎng)絡資源，減輕中央服務器負擔，提高流媒體傳輸效率，所以在系統(tǒng)模型的結構上使用混合式傳統(tǒng)模型[3]，如圖1所示。

教師端或管理流媒體資源的中央服務器作為傳輸系統(tǒng)的源節(jié)點，整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中的視頻流均源于此。如果采用C/S（客戶端/服務器）的方式，那么整個傳輸系統(tǒng)將受到源節(jié)點設備配置的制約，并且當學生用戶數(shù)量增加到一定程度后，源節(jié)點的終端設備會由于負載過重造成當機現(xiàn)象，從而使整個網(wǎng)絡癱瘓。而純P2P的非中心化結構，則無法實現(xiàn)節(jié)點的快速定位，且容易產(chǎn)生網(wǎng)絡風暴[4]。因此，傳輸系統(tǒng)采用建立虛擬源分組廣播的方式，在普通用戶中選擇網(wǎng)絡資源優(yōu)秀的節(jié)點作為組長建立廣播組，由組長專門負責該組內(nèi)部的流媒體傳輸管理，即源節(jié)點僅負責組長節(jié)點的傳輸補償，而不對普通節(jié)點做流媒體文件傳輸，普通節(jié)點則由其所屬廣播組組長節(jié)點負責流媒體傳輸[5]。由此，源節(jié)點與組長節(jié)點、組長節(jié)點與組內(nèi)普通節(jié)點均形成集中性結構，而各廣播組組長之間、組內(nèi)普通節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸均采用P2P式的分散性結構，這樣即可快速補充節(jié)點數(shù)據(jù)流。

2.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作原理

（1）傳輸系統(tǒng)的初始化及資源獲取過程

當學生用戶需要獲取流媒體資源時，必須先與源節(jié)點會話，建立通信鏈接，在首次通信過程中，源節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡通信響應（如網(wǎng)絡帶寬及響應時長等屬性）選擇網(wǎng)絡資源寬裕、終端性能優(yōu)秀的學生用戶的節(jié)點作為廣播組組長， 并分配編號GROUP_ID，構建傳輸網(wǎng)絡中的廣播組，并更新廣播組信息表，形成一級傳輸構架。源節(jié)點優(yōu)先向組長節(jié)點傳輸初始流媒體數(shù)據(jù)，而各廣播組組長節(jié)點間以純P2P的方式進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，互補信息差異。當組長節(jié)點從源節(jié)點獲取數(shù)據(jù)后，馬上根據(jù)自身管理的組內(nèi)節(jié)點信息表所含路由信息進行資源分發(fā)。

隨著學生用戶接入數(shù)量的增加，源節(jié)點根據(jù)新接入節(jié)點的信息，利用均衡負載技術，為用戶選擇最佳廣播組，標識唯一節(jié)點編號，并分配到相應廣播組中，并向廣播組組長節(jié)點反饋新節(jié)點信息。廣播組組長節(jié)點接受到反饋信息后，更新組內(nèi)節(jié)點信息表。

節(jié)點在加入廣播組后，先與組長節(jié)點進行對話，并從組長節(jié)點獲取相應流媒體初始片段流，然后組長節(jié)點根據(jù)新節(jié)點當前連接的片段號檢索組內(nèi)其余用戶，如果組內(nèi)其余用戶有相應片段號的流媒體文件資源，則創(chuàng)建新節(jié)點與用戶P2P連接，由相應用戶提供服務；如其余用戶無新節(jié)點所需資源，則仍由組長節(jié)點提供資源服務。

由此可見，廣播組內(nèi)部組成傳輸網(wǎng)絡的二級構架，普通用戶與組長節(jié)點的層級關系與組長節(jié)點與源節(jié)點的層級關系一致，普通用戶僅向組長節(jié)點及組內(nèi)用戶索取流媒體資源，極大地緩解了對源節(jié)點的壓力。雖然普通節(jié)點也需連接到源節(jié)點進行認證，但認證信息所需網(wǎng)絡流量很小，不會對源節(jié)點造成太大影響。

（2）節(jié)點信息認證管理及維護

源節(jié)點：統(tǒng)一管理傳輸系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點信息及廣播組信息，當有新節(jié)點加入時，由源節(jié)點為其選擇廣播組，并向所選廣播組反饋新節(jié)點認證信息，同時更新自身節(jié)點信息管理表。

組長節(jié)點：系統(tǒng)初始化時，從源節(jié)點獲取流媒體數(shù)據(jù)，并分發(fā)到組內(nèi)。廣播組穩(wěn)定后，負責組內(nèi)節(jié)點信息管理。在接到源節(jié)點反饋的新節(jié)點加入認證后，更新組內(nèi)節(jié)點信息表，并開始向新節(jié)點提供資源傳輸服務。同時廣播組組長節(jié)點之間保持通信及P2P式資源傳輸補償。

由于組長節(jié)點源于學生用戶，為避免該用戶退出后出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄嗔鳜F(xiàn)象，源節(jié)點應為每個廣播組配備后備組長，當現(xiàn)有組長節(jié)點退出后，后備組長行駛組長節(jié)點職能。后備組長應由組內(nèi)網(wǎng)絡帶寬最優(yōu)、響應時長最短的節(jié)點擔任。

（3）節(jié)點退出

正常退出：源節(jié)點信息表中，對新加入節(jié)點認證并分配廣播組，同時更新節(jié)點信息。當節(jié)點正常退出時，向源節(jié)點發(fā)出請求，源節(jié)點刪除節(jié)點信息表相應信息并向?qū)膹V播組組長節(jié)點反饋，組長停止對請求退出的組內(nèi)節(jié)點服務，刪除相應的組內(nèi)節(jié)點信息。

異常退出：由于網(wǎng)絡故障或斷電等原因?qū)е掠脩粢馔怆x開時，組長節(jié)點不會收到用戶節(jié)點的退出請求。因此，傳輸系統(tǒng)內(nèi)需要通過心跳機制判斷節(jié)點存活。普通節(jié)點每個特定時間t向源節(jié)點發(fā)送一個狀態(tài)信息標示節(jié)點存活。若源節(jié)點在n個特定時間t內(nèi)未收到某節(jié)點狀態(tài)信息，則視該節(jié)點已退出，向?qū)M長節(jié)點發(fā)出反饋信息，停止向未響應節(jié)點提供服務，更新節(jié)點拓撲。若組長節(jié)點未響應，則刪除組長節(jié)點，同時更換后備組長為新節(jié)點組長，并向新組長配置相應的組內(nèi)節(jié)點信息。

3.基于云服務的視頻資源傳輸優(yōu)化

混合結構的P2P視頻傳輸模型能夠極大地提高遠程教學系統(tǒng)中視頻分發(fā)傳播的效率，但是有三點問題需要解決：①視頻資源數(shù)據(jù)的完整性、安全性：為保證視頻資源的存儲安全，確保不在硬件損壞的情況下丟失文件，需要考慮到資源的備份工作，要保證在讀取備份的過程中不間斷視頻的傳輸、分發(fā)工作，則至少需要“雙機熱備份”作為基本配置，即需要兩套相同配置的服務器群及存儲陣列；②校內(nèi)服務器負載過量：所有的初始資源均從存儲視頻資源的源節(jié)點獲取，會導致傳輸系統(tǒng)構建的初始階段，負責視頻資源管理的服務器負載過大，出現(xiàn)高延遲甚至當機的現(xiàn)象；③關鍵點存活效率：組長節(jié)點是傳輸系統(tǒng)中的關鍵，它是第一批接收視頻資源并進行分發(fā)管理的重要節(jié)點，但是由于組長節(jié)點是利用了性能較好的普通用戶節(jié)點，所以當系統(tǒng)中用戶到達一定程度時，組長節(jié)點的登錄退出會變得相當頻繁，繼而導致普通用戶頻繁的更換廣播組，期間的認證通信過程會消耗不必要的網(wǎng)絡資源，增加網(wǎng)絡帶寬的負載，降低傳輸效率，加之也有可能會出現(xiàn)組長節(jié)點性能不足導致超級節(jié)點成為系統(tǒng)的瓶頸，其組內(nèi)的普通用戶節(jié)點成為孤立節(jié)點，從而一直等不到視頻數(shù)據(jù)。

由此，為保證傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運轉(zhuǎn)，必須解決上述三個問題。對于視頻文件數(shù)據(jù)的完整性、安全性和校內(nèi)服務器負載過量的問題，最直接的方法就是加強自身硬件配置，然而這需要配置多臺高性能服務器以及存儲陣列，無論在采購還是日常維護的工作上，均要花費大量的人力物力，對于學校而言，僅為了遠程教學系統(tǒng)的視頻資源就花費大量成本去構建企業(yè)級的硬件設施是十分劃不來的。而如果使用云服務，則可以完美解決這一問題。首先，在硬件配置上，云平臺的設施都由大型企業(yè)作為運營商維護，其硬件配置遠比自己構建的機房更高效，更合理，用戶從云平臺獲取流媒體教學資源，無需占用校內(nèi)網(wǎng)絡帶寬，能極大緩解校內(nèi)網(wǎng)壓力；其次，從經(jīng)濟上，云平臺的設施不需要由學校派專人維護，學校僅需要支付云平臺服務租用費用即可，期間硬件的損壞更換、升級服務以及機房維護，學校都不再需要支付任何費用，學校也不用另外購買數(shù)據(jù)存儲備份所需的硬件設備，極大地節(jié)約了人力和物力成本；再次，從拓展性來說，使用云服務可以根據(jù)實際網(wǎng)絡的負載量直接調(diào)整傳輸模型的承載能力，如需擴大規(guī)模時不需要更換硬件設備，僅需要向云平臺的服務商購買更高等級的環(huán)境配置即可。由此可見，使用云平臺來解決本文提出的P2P視頻傳輸系統(tǒng)是有效可行并且極富性價比的。

在引入云平臺的同時，引入兩個定義：①主動源：云平臺上一種由多個核心、可變內(nèi)存和永久的存儲空間組成的自動化虛擬機服務，它的任務是主動接受從源節(jié)點（校內(nèi)管理流媒體資源的中央服務器）推送的流媒體文件數(shù)據(jù)，并立即利用自身上傳能力分發(fā)到各用戶節(jié)點，保證用戶節(jié)點盡可能早的獲得緩存視頻數(shù)據(jù)，它的存在能夠有效解決視頻資源數(shù)據(jù)的完整性、安全性和校內(nèi)服務器負載過量的問題。②被動源：僅租用簡單的云存儲服務，源節(jié)點和主動源均可推送任意數(shù)據(jù)給被動源，而普通的用戶節(jié)點如果無法在限定時間以前獲得流媒體數(shù)據(jù)，則向被動源請求，由被動源直接推送數(shù)據(jù)給用戶節(jié)點，它用于解決關鍵點關存活問題。

被動源工作機制：在基于P2P的視頻流傳輸系統(tǒng)運行基礎上，云節(jié)點除了向組長服務器發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)外，還負責把數(shù)據(jù)存儲在被動源上。為了保證達到預定義的服務質(zhì)量，每個節(jié)點都先緩存播放時間往后的一定時間段的數(shù)據(jù)塊，把這段數(shù)據(jù)塊定義為緩沖預判，對應的這段時間叫預判時間TL，如果一個數(shù)據(jù)塊不能在它應該的播放時間減去TL這個時刻之前獲取到的話，那么這個節(jié)點便向被動源求助，從被動源那直接獲取這個預判緩沖的數(shù)據(jù)塊。這樣，在組長節(jié)點失效的情況下，普通用戶節(jié)點也能及時獲取流媒體視頻數(shù)據(jù)，并且被動源基于云服務，不會頻繁登錄退出浪費網(wǎng)絡帶寬資源。

主動源工作機制：主動源的目的是為了減少網(wǎng)絡帶寬壓力，分擔校內(nèi)服務器負載，提升服務質(zhì)量。主動源獲得數(shù)據(jù)的途徑可以是媒體源，可以是其它主動源，然后將數(shù)據(jù)推送給其他主動源或者組長節(jié)點、普通節(jié)點。由于主動源具有自動化虛擬機服務，它和用戶節(jié)點一樣運行節(jié)點取樣協(xié)議去獲取整個傳輸系統(tǒng)的拓撲信息和運行情況，發(fā)現(xiàn)其鄰居節(jié)點。顯然，由于主動源能夠自動獲取拓撲信息和其他節(jié)點的運行信息，它可以對源節(jié)點做動態(tài)備份，并且能自動尋找壓力過大的群組，按負載壓力大小主動分擔組長節(jié)點和被動源的壓力，使得更多的節(jié)點在更早的時間接收到視頻流數(shù)據(jù)，整個網(wǎng)絡的效率會得到提高。然而，由于主動源的服務租用費遠比被動源高，所以，主動源和被動源的租用數(shù)量應根據(jù)實際情況取舍，在用戶數(shù)量相對較小、拓撲結構復雜度不高的情況，甚至可以考慮僅使用被動源功能。這樣才能做到效率和成本的兩方面優(yōu)化。

本文設計和描述了基于云服務的P2P流媒體傳輸模式在遠程教學系統(tǒng)中的應用，并分析了系統(tǒng)的性能及優(yōu)勢?；谠品盏腜2P流媒體技術遠優(yōu)于傳統(tǒng)的C/S教學模式，將給遠程教育模式帶來全新的體驗，解決網(wǎng)絡教學質(zhì)量難以控制的問題。隨著網(wǎng)絡基礎環(huán)境的改善和廣泛應用，基于云服務P2P模式的流媒體技術將為遠程教學提供更好的平臺。

參考文獻：

[1]Luaek，CrowcroftJ，Pias M，et al. A survey and comparisonofpeer-to-peer overlay network schemes[J].IEEE Communications Survey and Tutorial，2005，7（2）：72-93.

[2]Yiuwpk，XingJ，Chan S HG.Challenges andapproaches inlarge-scale P2Pmediastreaming[J].IEEEMultiMedia，2007，14（2）：50-59.

[3]魏國生.基于網(wǎng)絡的合作學習的教學設計及案例研究[J].電化教育研究，2004（8）.

[4]李俊青，李元振，王文宏.基于P2P的虛擬學習社區(qū)平臺設計[J].現(xiàn)代情報，2006（6）.

[5]鄧春紅，方群.一種基于P2P的新型網(wǎng)絡學習模型[J].安徽職業(yè)技術學院學報，2006（3）.

（編輯：魯利瑞）