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淺析基于P2P的多媒體教學(xué)平臺的研究與設計論文
論文摘要:針對C/S,B/S結構的網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺的缺陷，該文提出基于P2P模式的多媒體教學(xué)平臺。詳細闡述了該平臺的設計方案和功能模塊的設計，并利用JXTA技術(shù)實(shí)現了基于P2P的多媒體教學(xué)。
論文關(guān)鍵詞:多媒體教學(xué)平臺;P2P;JXTA
網(wǎng)絡(luò )教學(xué)突破了時(shí)間和空間的限制，使得人們可以快捷方便地獲取知識和技術(shù)，毫無(wú)疑問(wèn)，網(wǎng)絡(luò )教學(xué)有著(zhù)非常好的發(fā)展前景。目前C/S,B/S結構的網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺在提供文字和靜態(tài)圖片、講義和課件資源方面做得不錯，但缺乏教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的即時(shí)交互交流功能，且所有的教學(xué)資源都放在服務(wù)器上，必須訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器才能得到所需的資源，隨著(zhù)客戶(hù)數目增多，服務(wù)器往往成為整個(gè)系統的瓶頸，特別是視頻直播的媒體數據量大，更會(huì )加重服務(wù)器帶寬的負擔，造成服務(wù)質(zhì)量下降影響教學(xué)。
為了解決C/S,B/S結構教學(xué)平臺的不足，本教學(xué)平臺采用P2P和流媒體技術(shù)進(jìn)行研究與設計，目標在于改善和擴展現有教學(xué)平臺的功能，緩解服務(wù)器的I/0壓力和帶寬限制，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺的教學(xué)資源更加豐富，教學(xué)形式更加多樣化。
1、P2P技術(shù)
1.1P2P
P2P是一種用于不同PC用戶(hù)之間直接交換數據或服務(wù)的技術(shù)，它弱化了傳統的C/S模式、B/S模式中服務(wù)器處于中心地位的思想，P2P網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)地位平等，各節點(diǎn)既可以作為提供服務(wù)的服務(wù)器，也可以作為使用服務(wù)的客戶(hù)機。
1.2JXTA
JXTA、是Sun公司推出的一個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)平臺，其目的是為P2P應用所需的基礎服務(wù)提供支持。JXTA通過(guò)定義一套XML協(xié)議來(lái)完成P2P網(wǎng)絡(luò )的基本功能，由于這套協(xié)議獨立于操作系統、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和編程語(yǔ)言，因此JXTA可以在不同的軟.、硬件平臺上實(shí)現，有望成為P2P網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)的統一平臺。
2、教學(xué)平臺的設計
2.1需求分析
利用JXTA來(lái)構建P2P應用，對等點(diǎn)是P2P網(wǎng)絡(luò )中的基本單元，是P2P應用中進(jìn)行各種交互活動(dòng)的實(shí)體;而對等組是構建各類(lèi)P2P應用的基本單元，是一種組織對等點(diǎn)并在組內發(fā)布特定服務(wù)的方式。本文構建的教學(xué)平臺，以一個(gè)教師的一門(mén)課程來(lái)作為一個(gè)對等組，在課程對等組內，設定了一個(gè)虛擬的教學(xué)空間，教師和學(xué)生的教學(xué)和學(xué)習活動(dòng)被限制在每個(gè)課程對等組內，這樣不僅很好地反映了現實(shí)中的課程教學(xué)，也較好地解決了P2P網(wǎng)絡(luò )應用面臨的節點(diǎn)的組織和管理問(wèn)題。
用戶(hù)要加人本平臺，首先要進(jìn)行注冊，注冊分為教學(xué)管理員、教師和學(xué)生三種身份，注冊?xún)热萦?姓名，密碼，身份。注冊登錄后即成為基本對等組NetPeerGroup中的一員。教學(xué)管理員能建立與撤消各個(gè)課程對等組，同時(shí)要為新建立的課程對等組指定教師作為該課程對等組的管理員;學(xué)生要加人該課程對等組需要向教師提出申請經(jīng)批準之后方可加人。教師和學(xué)生登錄平臺之后選擇進(jìn)人某門(mén)課程對等組就可以進(jìn)行交流、教學(xué)、資源共享等各項活動(dòng)。
2.2系統結構設計
如圖1所示。中心服務(wù)節點(diǎn)用來(lái)控制用戶(hù)的認證及注冊信息.幫助完成用戶(hù)節點(diǎn)間的初始連接。教師和學(xué)生節點(diǎn)之間直接互連實(shí)現在線(xiàn)文字交流、資源文件共享及課堂教學(xué)直播等功能，不需依賴(lài)中心服務(wù)節點(diǎn)。如中心服務(wù)節點(diǎn)故障，則只影響新用戶(hù)的加人，老用戶(hù)間仍舊可以自行組織交互，充分體現了P2P的精髓。
2.3功能設計
系統各功能模塊設計描述如下:
1)認證及注冊管理
首先中心服務(wù)節點(diǎn)獲取請求認證用戶(hù)節點(diǎn)的管道ID值。在認證信息庫里尋找匹配用戶(hù)節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的用戶(hù)名/口令/身份認證信息。如果通過(guò)了認證匹配，發(fā)送一個(gè)認證通過(guò)回應消息給用戶(hù)節點(diǎn)。同時(shí)更改注冊信息庫里當前用戶(hù)節點(diǎn)的管道ID值。如果沒(méi)有通過(guò)認證匹配，就發(fā)送一個(gè)認證未通過(guò)的回應消息給用戶(hù)節點(diǎn)。然后根據用戶(hù)節點(diǎn)在注冊信息庫里的注冊信息，向用戶(hù)節點(diǎn)發(fā)送其所注冊的每門(mén)課程對等組及其組成員的信息列表。當用戶(hù)節點(diǎn)退出平臺時(shí)，向中心服務(wù)節點(diǎn)及其所屬的每門(mén)課程對等組的在線(xiàn)成員發(fā)送注銷(xiāo)消息。這樣其所屬課程對等組的所有在線(xiàn)成員節點(diǎn)就可在其組成員信息列表中修改此用戶(hù)節點(diǎn)的在線(xiàn)狀態(tài)。
2)在線(xiàn)文字交流
在使用教學(xué)平臺的過(guò)程中，學(xué)生與學(xué)生之間需要討論，教師和學(xué)生之間需要答疑。本模塊的功能設計中，用戶(hù)節點(diǎn)可以看到所在課程對等組中教師和學(xué)生的在線(xiàn)情況，可以選擇兩人交流形式或多人交流形式，在交流時(shí)，大家可以看到彼此輸人的文字，類(lèi)似QQ軟件的私聊和群聊功能，給用戶(hù)提供方便的點(diǎn)對點(diǎn)的交流。 利用JXTA實(shí)現用戶(hù)實(shí)時(shí)通訊，其核心在于管道((Pipe)技術(shù)的實(shí)現。其中管道是JXTA中對等點(diǎn)之間傳輸數據的通道，它為開(kāi)發(fā)人員在網(wǎng)絡(luò )底層的IP和路由之上建立了一個(gè)邏輯連接。在JXTA參考實(shí)現中提供了三種管道:單向管道((JxtaUnicast)、單向安全管道((JxtaUnicastSecure)、組播管道((JxtaPropagate)。本教學(xué)平臺的兩人交流和多人交流分別采用單向安全管道和組播管道�；镜倪^(guò)程是:接收方根據管道廣告創(chuàng )建一個(gè)輸人管道，并等待消息到達;發(fā)送方得到了接收方的管道廣告，創(chuàng )建對應該管道廣告的輸出管道。首先它給所有知道的對等點(diǎn)和匯集對等點(diǎn)發(fā)送一個(gè)管道綁定請求消息。接收方收到管道綁定請求消息后，檢查它的緩存看是否有匹配的管道，如果有，它就回復一個(gè)管道綁定響應消息，其中包含它的對等點(diǎn)廣告。發(fā)送方收到管道綁定響應消息后，從其中的對等點(diǎn)廣告中提取出端點(diǎn)信息創(chuàng )建一個(gè)輸出管道;創(chuàng )建后，發(fā)送方就可以給接收方發(fā)送消息了。
3)教學(xué)資源文件共享
本模塊設計課程對等組內的所有用戶(hù)都可以共享自己的教學(xué)資料和學(xué)習資料給其他用戶(hù)使用，共享的資料可以是文字、圖片、聲音或視頻文件等。在此模塊中，用戶(hù)可以通過(guò)打開(kāi)文件對話(huà)框的方式共享本地的文件，也可以從共享列表中移除不想再共享的文件。用戶(hù)可以搜索其他用戶(hù)共享的文件。通過(guò)將各個(gè)用戶(hù)的資料共享出來(lái)供其他用戶(hù)下載閱讀，每個(gè)用戶(hù)都可以成為資源的提供者和使用者，從而達到信息傳播與共享的目的。C/S,B/S模式的資源共享，資源都位于中心服務(wù)器，如果中心服務(wù)器出現故障，那么共享資源不再可以正常下載和閱讀;本教學(xué)平臺采用P2P模式的資源共享，即使中心服務(wù)節點(diǎn)出現故障，用戶(hù)節點(diǎn)間仍然可以正常共享和下載。本教學(xué)平臺設計為學(xué)生用戶(hù)也可以提供資源，不同于一般的教學(xué)平臺中只能教師用戶(hù)才能提供資源，從教師節點(diǎn)下載的教學(xué)資料，可以共享給其他學(xué)生節點(diǎn)使用，從而擴大了提供資源的用戶(hù)范圍。
本模塊采用JXTA中的CMS(ContentManagerService)來(lái)實(shí)現，CMS是一個(gè)在對等組中的多個(gè)對等點(diǎn)之間共享內容的服務(wù)，它充當在JXTA對等點(diǎn)之間共享并交換內容的框架。該服務(wù)使得對等點(diǎn)可共享自己的內容以及定位和獲取其他對等點(diǎn)的內容。
4)文件傳送
文件傳送分為一對一傳送和一對多傳送。教學(xué)資源文件共享功能用于文件接收方去搜索并下載才能獲取文件，而文件傳送用于文件發(fā)送方主動(dòng)的把文件直接傳送給接收方。當教師布置作業(yè)、練習、實(shí)驗時(shí)，可以一下子給課程對等組內的所有學(xué)生發(fā)送，也可以選擇學(xué)生來(lái)發(fā)送。學(xué)生之間也可以互相直接傳送文件。
5)課堂教學(xué)直播
本模塊設計的課堂教學(xué)直播，可以用于教師和學(xué)生都在機房上課的場(chǎng)合，也可以用于教師和學(xué)生異地的場(chǎng)合。將教師上課的音頻流、視頻流、教師機的電腦屏幕流傳送到學(xué)生機，可以模擬出教師上課的情景。本模塊包括媒體流采集和網(wǎng)絡(luò )傳輸兩個(gè)子模塊。利用基于Java的多媒體框架JMF(JavaMediaFrame)技術(shù)，將教師上課的音頻流、視頻流用聲卡、攝像頭等音視頻捕獲設備來(lái)捕獲;電腦屏幕流的捕獲使用JDK提供的Robot對象來(lái)對屏幕進(jìn)行連續的截屏操作，然后利用JMF將這些圖片轉換成連續的動(dòng)畫(huà)作分數據源。網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊使用RTP進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體的傳輸。
JAVA媒體框架((JavaMediaFramework,JMF)是一組用來(lái)將時(shí)基媒體集成到JAVA應用程序和JAVA小應用程序的應用程序編程接口。JMF主要包括兩部分:JMFAPI和JMFRTPAPIoJMFAPI主要功能是捕獲、處理、存儲和播放媒體，支持媒體捕獲并能夠滿(mǎn)足應用程序開(kāi)發(fā)人員對媒體處理和回放進(jìn)行控制的要求;JMFRTPAPI提供實(shí)時(shí)傳輸RTP的支持，主要實(shí)現在網(wǎng)絡(luò )上傳輸和接收媒體流。
6)教學(xué)課件點(diǎn)播
在課程對等組的共享教學(xué)資源的列表中，選擇課件來(lái)點(diǎn)播。共享的課件可以是教師提供，也可以是學(xué)生提供。每個(gè)用戶(hù)節點(diǎn)，都要做好兩手準備，即要作為課件點(diǎn)播的服務(wù)器，又要作為課件點(diǎn)播的客戶(hù)機。自己共享的媒體資源如果被別的節點(diǎn)點(diǎn)播，自己就充當服務(wù)器的角色，反之，就充當客戶(hù)機的角色。實(shí)現的技術(shù)亦是JMF。
7)教學(xué)公告板
教學(xué)公共板用于發(fā)布一些簡(jiǎn)短的臨時(shí)性的通知或公告，主要是面向課程對等組成員進(jìn)行廣‘播，比如教師通知學(xué)生收看作業(yè)。公告板的工作原理與在線(xiàn)文字交流的多人交流基本一致，都是采用組播管道(JxtaPropagate)進(jìn)行通信，這樣可以在多個(gè)對等點(diǎn)之間對等的傳輸消息而不需要服務(wù)器的支持。
3、結束語(yǔ)
本文通過(guò)構建基于P7.P的多媒體教學(xué)平臺，教師可以在任何地方給學(xué)生_h.課，資源和服務(wù)分散到教師節點(diǎn)和學(xué)生節點(diǎn)中，充分體現了P2P模式的“內容位于邊緣”，不同于C/S模式的“內容位于中心”。把P2P應用到教學(xué)平臺中，能充分利用各節點(diǎn)的資源，使教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間方便的交流和共享資源，并且利用JXTA來(lái)開(kāi)發(fā)，系統的擴展性也好。
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