（教育技术学专业论文）虚拟教室系统的设计与实现.pdf

摘要 虚拟教室系统的设计与实现 教育技术学专业硕士学位申请人尹国斌 指导教师罗会棣教授 摘要 基于协同工作( c s c w ) 理论的虚拟教室，不但虚拟了传统课堂的教学功能，同 时也为地域分散的网络在线老师和学生提供一个共享协同式课堂学习环境；它既是 基于互联网的可实时交互的虚拟远程教学系统，也是计算机技术、网络通信技术和 多媒体技术相结合的产物，为普及教育、实施继续教育提供了一种十分有效的手段。 本文在分析了远程教育的历史及现状、虚拟教室在远程教育平台中所起的作用、 基于互联网的远程教育存在的问题及应用前景以及现有虚拟教室的优缺点及其成因 的基础上，探讨了符合中国国情的远程教育模式及平台搭建方案。 本文从理论和原理上研究了基于公共互联网络远程教育平台的核心系统，并在 互联网视频会议系统的基础上，进一步扩展了课堂教学活动的功能，包括音视频的 采集、音视频编码、网络通信、实时传输控制、混音、回放、会议室管理、教室控 制等。针对中国互联网的口资源，p 2 p 连通率不高，使服务器中转成本增加，网络 带宽跟不上互联网的普及速度，以及网络流量不稳定等等不利因素的影响，提出了 相应的解决方案。以基于面向对象的系统分析与设计的方法来构建虚拟教室系统， 描述了教室控制服务器软件、教师客户端软件、学生客户端软件、音视频转发服务 器软件、n a t 类型检测服务器软件等子系统的实现方法。 关键词：虚拟教室；t c p i p ；n a t ；r t p r t c p 西南大学高校教师硕士学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv i r t u a lc l a s s r o o m i n s t r u c t i o n a lt e c h n o l o g yg r a d u a t es t u d e n t s u p e r v i s o r p r o f l u oh u i d i a bs t r a c t y i n g u o b i n b a s e do nt h e t h e o r y o fv i r t u a l c l a s s r o o m ，s i m u l a t i n g t r a d i t i o n a lt e a c h i n g f u n c t i o n a l i t i e s ，a n dp r o v i d e sac o l l a b o r a t e dc l a s s l e a r n i n ge n v i r o n m e n tf o rd i s t r i b u t e d o n l i n et e a c h e r sa n ds t u d e n t s ，a l s ow h i c hi sb a s e do nt h ev i r t u a ll o n gd i s t a n c et e a c h i n g s y s t e mo fr e a l t i m ei n t e r a c t i v eo nt h ei n t e m e t i ti st h ep r o d u c to fc o m p u t e r , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i a t e c h n o l o g i e s i t t a k e sa ne f f e c t i v em e a s u r ei n p o p u l a r i z a t i o ne d u c a t i o na n dc o n t i n u i n ge d u c a t i o ni nl o n gd i s t a n c ee d u c a t i o n i nt h ep r e f a c e ，t h eh i s t o r ya n d p r e s e n ts i t u a t i o ni nc h i n a a n da b r o a da r ea n a l y z e d ，a n d t h ev i r t u a lc l a s s r o o mp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nd i s t a n c ee d u c a t i o np l a t f o r m b a s e do n t h el o n gd i s t a n c ee d u c a t i o no ni n t e m e t ，t h e r ea r ep r o b l e m sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t ，a l s o i n c l u d i n gi t sa d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s t h em o d e lo fd i s t a n c ee d u c a t i o nf i t t i n gi nw i t h t h ea c t u a lc o n d i t i o no fc h i n aa n dh o wt ob u i l dt h ep l a t f o r ma r ea l s od i s c u s s e d t h i sa r t i c l es t u d i e st h er e l a t i v ec o r et e c h n o l o g ie so fd i s t a n c ee d u c a t i o n v i r t u a l c l a s s r o o m g e n e r a l l y , i te x t e n d st h ef u n c t i o n a l i t i e so ft e a c h i n ga c t i v i t i e sb a s e do nt h e i n t e m e tv i d e om e e t i n gs y s t e m t h i s s y s t e mi n c l u d e st e c h n o l o g i e sa n dt h e o r e mo f a u d i o v i d e o s a m p l i n g ，c o d e c o fa u d i o v i d e o ，n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，r e a l t i m e t r a n s f e r r i n gc o n t r o l ，a u d i om i x i n g ，p l a y b a c k ，m e e t i n g r o o mm a n a g e m e n t ，c l a s s r o o m c o n t r o l ，a n de t c t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so fv i r t u a lc l a s s r o o m ，a n dt h e c a u s e so ft h o s ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s ，a n dp r o v i d et h es o l u t i o n s t h em a i nc a u s e s a b s t r a c t a re ，a b s e n c eo fi pr e s o u r c e si nc h i n a , l o wr a t eo fp 2 pc o m m u n i c a t i o nl i n k a g e s ，w h i c h i n c r e a s et h ec o s to f t r a n s i t i n gm e d i at h r o u g hs e r v e r s ，a n dd e v e l o p m e n to f b a n d w i d t ho f t h e i n t e r n e tf a l l sb e h i n dt h es p e e do fp o p u l a r i z i n go ft h ei n t e r n e ta p p l i c a t i o n ，a n dt h eu n s t a b l e d a t af l o wo nt h ei n t e m e t t h i sa r t i c l eu s e st h e0 b j e c to r i e n t e dt e c h n o l o g yt ob u i l dt h ev i r t u a lc l a s s r o o m s y s t e m a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fc l a s s r o o mc o n t r o l l e rs e r v e rs o f t w a r e ，t e a c h e rc l i e n t s o f t w a r e ，s t u d e n tc l i e n ts o f t w a r e ，a u d i o v i d e ot r a n s i t i n gs o f t w a r e ，n a td e t e c t i n gs e r v e r s o f t w a r e ，a n do t h e rs u b s y s t e m sa r ei m p l e m e n t e d t h e nt h ep r o c e s so fp r o g r a m m i n go f p r o t o t y p ea n d i t su s a g ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：v i r t u a lc l a s s r o o m ；t c p i p ；n a t ；r t p r t c p 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者：签字日期：2 0 0 9 年4 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权西南大学研究生院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：、不保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：导师签名：、p 泖 l 签字日期：2 0 0 9 年4 月8 日签字日期：2 0 0 9 年4 月8 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 远程教育的历史 远程教育的兴起突破了集中授课制的传统学校教学模式。2 0 世纪7 0 年代以来， 远程教育以其举世瞩目的进展和成就赢得各国教育界和国际社会的普通关注。但是， 其历史起源至少可以上溯到1 9 世纪中叶，最早发源于函授教育【1 1 。 2 0 世纪以来，随着电力普遍使用、视听技术的广泛应用和大众媒介的大规模发 展，多种媒体教学的远程教育在世界各地蓬勃兴起。现在，电子信息通信技术和计 算机技术迅猛发展，带来了远程教育的又一次巨大进步【2 1 。 技术手段的进步总是会引起教育的巨大变革，计算机辅助教学技术是一种新的 教育技术，被认为是人类教育史上继文字出现、学校创立、活字印刷之后的第四次 革命。它代表着一种新的教学思想与教学方式，反映了一所学校教学手段现代化的 程度。而网络教育也是计算机辅助教学的一个发展方向。 网络远程教育打破时空和地域的限制，共享教学资源，降低教育成本，提高了 办学效率，是一个解决高校教育资源不足的好办法。其次，网络远程教育是终身教 育和继续教育的重要方式，网络远程教育能够充分满足这样的要求。这种学习方式 使学生可以不脱产学习，而且传统的学习日程安排也不存在，学生可以选择自己认 为最方便的时间学习，随时随地利用自己的空闲时间上课。再次，网络远程教育是 西部边远地区中等教育的重要方式，对于西部不发达地区，师资缺乏、人口分布稀 疏，网络远程教育可以借助东部发达地区教学资源，是提升全国教育水平的一个关 键步骤。 1 1 2 远程教育的现状与发展 在我国远程教育是非常重要的，首先，网络远程教育是高等教育重要组成部分： 我国人口居世界第一位，是世界最大的发展中国家，但高校设施严重缺乏，大部分 适龄青年不能在大学学习。据统计，经过大规模的扩大招生之后的2 0 0 7 年我国适龄 】 西南大学高校教师硕士学位论文 青年的高校毛入学率为2 3 ，进入了世界上公认的高等教育大众化的阶段。美国、 加拿大、俄罗斯等国的毛入学率则高于5 0 ，也就是说，要赶上其他国家的高校毛 入学率，达到高等教育普及化，我们还有很长的路要走，对高等教育的投入要加大。 但是，作为一个发展中国家，高等教育资源的短缺问题在短期内是很难解决的。这 种高等教育资源短缺的情况导致了人才的缺乏，制约了我国经济高速发展。 由加拿大学者里森、荷兰学者尼珀和英国学者贝茨首先提出和发展的“三代信 息技术和三代远程教育”理论认为，第一代远程教育起源于1 9 世纪中叶的函授教育， 建立在印刷和邮递技术的发展上。第二代远程教育起始于2 0 世纪中叶的多媒体教学 和远程教育，建立在广播电视、录音录像等视听技术和大众媒体的发展上。第三代 远程教育则是发端于2 0 世纪末的数字化虚拟教育，建立在以计算机多媒体和网络为 核心的电子信息通信技术的发展上。自2 0 世纪9 0 年代起，在我国国家信息基础设 施( 主要是计算机互联网和卫星数字传输网，即所谓地网和天网) 建设发展的基础 上，我国开始实施现代远程教育工程。网络远程教育属于现代远程教育的形式之一， 具体地说，它是以计算机网络技术为基础，以人工智能、决策科学和系统科学为指 导，以多种媒体技术为主要手段的一种新型教育形式【3 】。 我国虽然很多高校已陆续在网上建立了自己的电子教室，在中国公众多媒体信 息网、中国金桥网等国内主干网上也有许多站点提供了网络教育服务，如c o l 网上 学校等。但是国内网络远程教学与西方发达国家相比，在开出的课程种类、课程内 容质量和技术含量上还有一定差距，其原因主要是：其一，我国网络建设起步较晚， 网络基础设施发展不够完善。其二，网络建设重硬轻软，致使“信息高速公路上有 路无车无货，网络资源难以发挥其应有的价值和效益f 4 1 。举例来说，目前全国大多数 高校都建成了校园网，并实现了与i n t e r n e t 的连接，这些高校拥有雄厚的师资力量本 应在网络远程教学中担任重要角色，但其中多数高校的网上仅仅是一些学院的简介 和概述式的长久不变的东西，而对教学真正有任何价值的内容，如所开课程的资源 库，网上教室，b b s 站等却寥寥无几。即使有的设有远程教育网页，但其上的内容 大多是一些一成不变的东西。 可喜的是近年来各高校网络教育学院的兴起，使网络教育发展迅猛，他们极大 的丰富了网络教育资源，但是远程教育平台比较缺乏，虚拟教室构建和应用不足的 情况还普遍存在。在应用方面虽然有像“e l e a r n i n g 大讲堂”的优秀平台，但它仅是 关于教育技术的研究探讨，在多学科和广泛性上还有诸多不足。 2 第1 章绪论 1 2 研究目标 本论文将从中国远程教育的现状及国情出发，力求构建出一个成本低、实用性 强的基于互联网的远程教育平台。 本论文选择的远程教育平台，由实时互动的虚拟教室子系统( r e a lt i m ei n t e r a c t i v e v i r t u a lc l a s s r o o ms u b s y s t e m ) 、课件视频点播子系统( 1 e a r n i n gc o u r s e sv o d s u b s y s t e m ) 、及教学管理信息系统( t e a c h i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns u b s y s t e m ) 组 成，是一个基于互联网的可堆叠的分布式处理系统，适应不同规模的需要。适用于 在校教育、不脱产教育、培训等教学目的。 1 实时互动的虚拟教室系统是远程教育的核心内容，它基于视频会议技术，不 是单纯的只能用在局域网内的电子教室。实时互动的虚拟教室不受地域的限制，涵 盖几乎所有多媒体教室现场教学的功能( 讲课、媒体播放投影、电脑屏幕投影) ，还增 添了电子白板、文件共享、协同浏览、聊天室文字讨论； 2 课件视频点播则采用w e b 技术与v o d 技术相结合，使用学生可以随时随地 浏览、下载、点播事先准备好的课件； 3 教学管理信息系统用于处理教学事务方面的事情，如教学计划，课程安排， 作业下载、提交，成绩管理，论坛等。 本论文的重点部分是研究和构建适合于我国远程教育中使用的实时互动的虚拟 教室，在结构上采用c s 模式，其主要技术包括： 1 音视频采集、编码、解码、混音、播放。 2 网络通讯，信令传输采用可靠的t c p 技术，音视频传输采用实时的u d p 技 术。 3 协议方面除了t c p i p ，还用到v o p 技术中不可缺的r t p r t c p 、n a t 检测 及穿透技术。【5 】【6 】 4 中间件技术【n 。 1 3 内容安排 第1 章绪论。介绍远程教育的历史、发展、前景，及研究目标。 第2 章虚拟教室的相关理论与技术。介绍虚拟教室的原理、相关技术、系统构 架。对基于包交换的t c p i p 网络通信技术、音频视频采集编码技术进行了论述；提 出了虚拟教室的管理框架。 3 西南大学高校教师硕士学位论文 第3 章虚拟教室系统的优化技术。分析基于互联网的虚拟教室存在的固有缺陷： 包括互联网传输的延时问题、实时传输固有的“抖动”问题。对存在的问题提出了 解决方法。 第4 章虚拟教室系统的分析与设计。以面向对象的系统分析与设计的方法来构 建虚拟教室系统、各功能模块之间的关系。 第5 章虚拟教室系统的实现。在前面技术研究的基础上，设计开发出一个虚拟 教室系统，并以大学本科课程计算机基础为案例，进行了初步的应用研究。在 该系统的应用过程中体现了虚拟教室系统的优点，同时也发现了该系统在教学实际 当中需要继续完善的问题。 第6 章总结与展望。对论文工作总结与展望。 4 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 虚拟教室是计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术、网络通信技术等信息技 术的多学科、多领域融合交叉结合的产物，是在计算机网络上利用多媒体通讯技术 构造的学习环境，允许身处异地的教师和学生进行大多数教学活动。 虚拟教室的构成：虚拟教室的系统模型从逻辑上划分为创作平台、教学信息库、 传输网络和用户终端四个部分。教学信息库和专业创作平台是整个系统的核心，虚 拟教室、多媒体教室、专修教室等用户终端通过传输网络( 校园网) 连接到虚拟教 室系统的教学信息库上。 虚拟教室的功能：实时视频点播教学、实时视频广播教学、虚拟教室教学监控、 多媒体备课与授课、多媒体个别化交互式网络学习、同步辅导、同步测试、疑难解 析、b b s 讨论、远距离教学等。 虚拟教室的特点：虚拟教室是计算机技术、多媒体技术、数字压缩技术、网络 通信技术等信息技术、多学科、多领域融合交叉结合的产物。不同于一般的多功能 教室，它解决了当今多媒体教室和电子阅览室无法解决的问题，它是教室革命的代 表。 本章将对这些内容做详细说明，为后续的平台构建奠定理论和技术基础。 2 1 设计开发虚拟教室的教育理论基础 虚拟教室的设计开发与评价离不开教育理论、学习理论、教学设计理论等方面 的指导。探索和研究软件评价的理论基础，有助于明确虚拟教室评价的目标、提高 开发的质量、推动应用的发展。 2 1 1 虚拟教室媒体创作的理论基础戴尔的“经验之塔 在诸多关于视听教育的研究中，戴尔提出的“经验之塔理论成了当时以及后 来的视听教育的主要理论根据。美国视听教育家戴尔( e d g a rd a l e ) 在其专著视听 教学法中提出了“经验之塔”的理论。他认为人的经验有的是以直接方式得来得， 有的是由间接方式得来的。戴尔将各种经验分为三大类十个阶层：其一是做的经验 5 西南大学高校教师硕士学位论文 ( 包含有目的的直接的经验、设计的经验和参与演戏) ；其二是观察的经验( 包含 观察示范、野外旅行、参观展览、电影与电视以及广播、录音、照片、幻灯等) ； 其三是抽象的经验( 包含视觉符号和言语符号) 。按戴尔的观点，人类获得经验或 知识( 也即是获取事物的信息，而成为自身的经验) 有三种方式：第一方式是通过 亲身对事物的接触与实践去获取事物的信息：第二方式是通过观察事物和载有事物 信息的媒体去间接获取事物的信息；第三方式是通过抽象符号的媒体去获取事物的 信息。 对于虚拟教室而言，可以为教学提供支持的各种资源。能够为学习者提供感官 的整体交互，再现场景，提高学习的效率。同时信息的多维化为思维方式的多维化 奠定了基础，多媒体信息的非线性组织结果和立体信息空间有利于实现个性化、多 层次、创造性的学习目标。 2 1 2 虚拟教室设计开发中教学设计的理论基础建构主义学习理论 随着多媒体和网络技术的逐渐普及，建构主义的学习理论被人们逐渐理解接受。 建构主义学习理论强调以学生为中心，学习者不是被动的接受者，而是信息加工的 主体，是知识意义的主动建构者。建构主义强调学习必须在真实的情境中展开，最 好是一项真实的任务，强调协作学习的重要性，强调非量化的整体评价，强调学习 任务的复杂性，而不是简单“对 或“错”，它要求设计能够保证学习任务展开的 学习环境和学习资源。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在 一定的情境即社会文化背景下借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必 要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。因此建构主义学习理论认为“情境”、 “协作”、“会话”和“意义建构 是学习过程四大要素。 建构主义理念下学习的特点有以下几点： 1 以学习者为中心； 2 学习是学习者主动建构内部心理表征的过程，强调学习过程中要充分发挥学 习者的主动性； 3 学习过程同时包括两方面的建构，既包括对旧知识的改组和重构，也包括对 新信息的意义建构； 4 学习既是个别化行为，又是社会性行为，学习需要交流与合作； 5 强调学习的情境性，重视教学过程对情境的创设； 6 强调资源对意义建构的重要性。 6 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 建构主义有利于创造性人才的培养，符合现代社会对教育的要求。根据以上建 构主义环境下学习特点的分析，虚拟教室系统可以为建构主义环境下的学习提供支 持，主要表现在以下几点： 1 - 虚拟教室系统有利于创造虚拟的情景； 2 虚拟教室系统中，学习者更容易学会合作； 3 虚拟教室系统可以为学习者提供丰富的资源支持； 4 虚拟教室系统的趣味性有利于学习主动性的发挥。 虚拟教室系统充分体现了建构主义的以学习者为中心的理念。同时，建构主义 学习理论也能够作为虚拟教室系统中，教学设计的理论基础。运用建构主义理论设 计虚拟教室，能够提供适合的情景、丰富的资源，为学习者合作精神，积极主动性 的发挥提供了一个良好的平台。 2 1 3 虚拟教室运行设计的理论基础人本主义学习理论 人本主义学习理论的代表人物是美国心理学家卡尔罗杰斯，他认为在现代社 会中最有用的学习是了解学习的过程。学习应从做中来，一种最有效促进学习的方 式是让学生直接接触实际问题，包括个人问题、社会问题及自然科学问题和哲学、 伦理问题等等。在教学过程中，教师的作用不是“授之以鱼”，而是“授之以渔”， 也就是说不能单纯教学生知识，而应当充当学习的促进者，为学生提供学习手段， 提供学习资源，提供一种促进学习的气氛，使学生知道如何学习。 当前很多网络教学中，由于教师对网络教学模式的片面理解，把原来丰富的多 媒体网络教学变成了简单的“课本搬家或“电子教案”教学，用单调乏味的文字 资料信息传输代替了原本应当多姿多彩的“课堂教学”，那些应当富有情感律动的 网络远程教学活动变成了失去教师人性化教学特色的、机械的、冰冷的文字语言界 面的教学活动。学习者只看到与文字教材差不多的流媒体教材或一大堆教案的堆砌， 而看不到教师声情并茂的“情感化教学角色”的表演。这说明了这样的网络教学缺 乏亲和力，没有从学习者的角度出发，忽视了学习的主体地位，师生之间复杂的交 往简化成了“机 与“机”的般交往，使得师生之间和生生之间的人文关怀很容易 被淡化。 对于虚拟教室系统设计开发而言应该符合人本主义所倡导的学习方式，为教育 搭建平台，为教学做好支持，为学习提供工具。 涉及虚拟教室系统的理论还有很多，这里就不一一介绍。 7 西南大学高校教师硕士学位论丈 2 2 基于包交换的t c p i p 网络通信技术简介 2 2 1 互联网 互联网常常被区分成两种，即i n t e m e t 和i n t r a n e t 。i n t e m e t 就是英特网，它是全 世界各种网络互联的一个庞大的计算机网络系统；i n t r a n e t 是指企业内部互联网，即 企业内联网，通常被称为内部网、企业网或单位内部网。两者均使用t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l 的简写，中文译名为传输控制协议 互联网络协议) 协议。虚拟教室系统正是源于互联网的发展。 2 2 2t c p i p 协议栈简介 t c p i p 协议栈参照了i s o 七层协议并在它的基础上建立起来的。i s o 七层协议 由低层到高层包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层及运用 层。而m 协议栈则只分五层，由低层到高层包括物理层、数据链路层、口层( 相当于 i s o 的网络层) 、t c p u d p 层( 相当于i s o 的传输层) 、运用服务层( 相当于i s o 的 会话层、表示层及运用层) 【9 】。 表2 1i s o 协议栈与t c p i p 协议栈对照图 o sl 中的层 功能t c p i p 中的层t c p i p 协议族 文件传输，电子邮件，文件服务， 应用层 虚拟终端 t ? f t p 、h t t p ，s n m p ，f t p ， 应用层 表示层数据格式化，代码转换，数据加密 s m t p 、d n s 、t e l n e t 会话层解除或者建立与别的节点的联系 传输层提供端对端的接口传输层 t c p 、u d p i p 、i c m p 、r l p 、o s p f 、 网络层为数据包选择路由互联网层 b g p 、i g m p 传输有地址的帧以及错误检测功p p p 、a r p 、r a r p 、以太网、 数据链路层 能令牌环网、f d d l 、w l a n 、 网络接口层广域网协议 以二进制数据形式在物理媒体上 物理层同轴电缆、双绞线、光缆、 传输数据 无线连接 如表2 1 表示了i s o 协议栈与t c p p 协议栈的对应关系，将口层放在第三层， 8 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 在口层之上，我们可以选择使用t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，即传输控制协 议) 或者是u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 确保数据包的传输是可靠无错的。当发送多个数据包时，t c p 保证所有的 包都会到达目的地，并且按正确的顺序提交给运用层。u d p 是一种更简单的无连接 的传输层协议，其目的是一次性传递，它不能保证数据包的提交顺序与发送顺序一 致，也没有丢包重发机制。在t c p 或u d p 层之上，可以使用的运用和服务有许多种 类，这些运用和服务本身的特征则要看是使用t c p 还是使用u d p 。 i i 帧头i p 头t c p i p 头原始的数据帧尾 i 图2 - 1t c p m 协议栈的数据包结构图 图2 2 表示当数据从一个网络结点发送到另一个网络结点的时候，i p 数据包是 如何“打包”及“拆包”的：运用程序的数据向下提交给传输层，在传输层中给数 据包加上t c p 头或者u d p 头，然后再向下提交给网络层，在网络层数据包又被加上 口头，接下来数据包被向下提交给数据链路层，在数据链路层，数据包用帧结构封 装起来( 如图中的帧头帧尾) 。数据到达目的地后，数据包在一层层向上提交时，每 层负责去掉对应的头信息，直到最后，提交给运用程序的就是最原始的数据 ( a p p l i c a t i o nd a t a ) 了。 t c p i p 协议是虚拟教室系统的技术基础，虚拟教室系统的开发都是基于t c p 口 协议的，对t c p i p 协议的深入了解有助于更好的开发虚拟教室系统。 2 3 虚拟教室系统音视频数据的传输使用u d p 的原因 语音( 以下泛指音视频数据) 在互联网上传输通常采用u d p 协议而不是t c p 协 议【9 1 。为什么会采用本身就不可靠的的u d p 协议而不用即不会丢失数据而又能保证 数据包顺序正确到达的t c p 协议呢? 答案由语音自身的特性决定。由于语音在网络 上传输的时候，通常是分割成较小的数据包来传送的( 每包的间隔约1 0 - 4 0 m s ) ，在 通话过程中，丢失一两个数据包虽然有点让人不满意，还是可以忍受的。而且现代 的语音编解码算法可以恢复偶尔丢失的包，不会造成通话质量下降。这也是网络电 话的通话质量远远低于普通电话的原因，普通电话采用的是专用通道。 另一方面，语音对延时非常敏感。使用过卫星中转的电话的人都知道，几百毫 秒的延时对通话效果产生怎样的影响。不幸的是，t c p 通讯的连接及接收应答会带 9 西南大学高校教师硕士学位论文 来较大的延时，更糟的是，在包丢失的情况下，t c p 协议将试图重新发送没有收到 应答的数据包，直到成功为止，这将进一步产生更大的延时。相比之下，容忍少量 的包丢失比起可靠但延时较大的语音传送要好得多。 那么通过互联网传送语音的通话可以容忍多大的丢包率呢? 经实验，分布相对 均匀的丢包在5 以内不会明显影响通话的质量。但是连续的包丢失是不可接受的， 使通话无法进行。采用资源管理及预留技术可在一定程度上缓解包丢失的问题，说 穿了也只是在使用p 语音话时的局域网或家庭网内的其它应用不要过份地抢占互联 网带宽，要在全球范围内使用以资源预留为主的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称 q o s ) 技术是绝对不可能的，因为互联网不象专用网络那样有专门的机构管理和控 制带宽的使用。 那么对于“乱序”问题又如何处理呢? 如果使用u d p 协议，数据包到达目的地 后，协议栈不理会包的顺序是否与发送顺序一致，而是直接提交给应用层，乱序问 题由应用程序自己负责解决。然而，绝大多数数据包还是按顺序达到的，原因是对 一个会话来讲，数据包通常使用同一个路由路径传送。当然，在通讯链路发生阻塞 或者拓扑变更时会导致链路失效，之后的数据将被重新路由。传输经过的路由器越 多，乱序的机会越大。虽然这种情况确实存在，但总的来说，对特定的通话来将， 概率还是比较低的。还有，在专网上进行d 通话时，q o s 将为它预留一组路径来传 送语音，进一步减少了乱序的机会。 在设计u d p 协议时，并没有考虑到要用它来传输语音数据。前面的分析只是说 明比起t c p 来，u d p 更适合于用来传送语音数据。如果能克服u d p 固有的缺点而 不用依靠t c p 来设计互联网上的语音、视频通讯系统就更好了。下面的章节我们对 虚拟教室系统设计时如何克服u d p 的缺点所采用的技术进行讨论。 2 4 虚拟教室系统音频视频采集、编解码及播放技术 2 4 1v o l p 及音频编解码简介 v o i p 是v o i c eo v e ri p 的简写，代表基于互联网的语言处理系统，包括网络电话、 音视频会议系统等1 2 】。本文研究的虚拟教室也属于v o l p 的一个运用，只是扩展了一 些辅助功能。 能够用互联网传输语音，也要归功于音视频的编码技术。语音在网络上传播的 时候是用一串串1 和0 组成的码流来表示的。最初的语音是声波，表现为空气的振 1 0 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 动，由语音采集设备( 麦克风或话筒) 捕获得到模拟信号，然后经a d ( 模数) 转 换得到数字信号，针对语音的特性( 在人耳可分辨的声音频率范围中，人的语音只 占一小部分) 对这些数字信号做编码处理，这里说编码实质上是有损压缩算法，编 码后的语音数据通过互联网传送到接收方，接收方再解码，解码后得到数据被提交 给d a ( 数模) 转换电路得到模拟信号，将模拟信号放大由扬声器( 耳机后听筒) 播放。这就是v o i p 最简单的模型。要扩充成实用型的模型，还要加入呼叫、p 2 p 、 及电话系统中诸如录音、呼叫前转、无人接听前转、多方通话等方案。 2 4 2 虚拟教室系统中影响接收端语音质量的因素 当然接收端听到的声音有比较大的“失真”时影响它的因素很多，因为这中间 涉及音频捕捉设备的敏感度、采样( ，d 转换) 的精度、采用的编解码的标准、网 络传送的丢包率。 按照i t u t 的p 8 0 0 的推荐标准，语音质量用一种叫做m o s ( m e a no p i n i o n s c o r e ) 的评级系统来度量。m o s 采用5 分制来评分： 优5 良4 中3 差2 坏1 语音的声波频率范围大约是3 0 0 3 8 0 0 h z ，在语音编解码中认为4 0 0 0 h z 为最大 频率。按照奈奎斯特采样定理( n y q u i s ts a m p l i n gt h e o r e m ) ，要从抽样信号中无失 真的恢复原信号，采样频率应大于2 倍信号最高频率，即奈奎斯特采样频率为信号 频率的两倍。工程上的采样频率般为奈奎斯特采样频率的2 3 倍 1 4 。将使用 8 0 0 0 h z 作为采样频率，这样才可能比较好重现语音。要强调的是，这个采样频率对 语音是足够了的，但对于歌声，特别象帕瓦罗蒂这样的歌唱家的歌声，用8 0 0 0 h z 采 样得到的离散数据重现出的声音会发现有较大的失真。 采样得到的数据需要量化才能被计算机处理。量化就是将这些离散的数值用 些比特来表示。例如使用3 个比特来表示的话，可以表示o 7 ，最少单位是l 。这 里存在一个量化失真的问题，即只能用5 0 来表示5 3 ( 4 舍5 入原则) ，如果使用4 个比特来表示o 7 范围的数值，最小单位是o 5 。则可以用5 5 来表示5 3 。比起5 0 ， 5 5 更接近5 3 。精确度高，需要用更多的比特位来表示一个数值，选用多少位要根 11 西南大学高校教师硕士学位论文 据需要到达的精度和系统的处理能力来权衡，以m o s 值能到达5 为目标来说，要求 使用1 2 比特来表示语音，需要9 6 k b p s 的码率。在实际应用中，m o s 值能到达4 0 就可以接受，所以在固话网( p s t n ) 中的语音编码采用的g 7 1 1 标准，是用8 比特 来表示一个采样值的，数据量为6 4 k b p s ，对应的m o s 是4 3 。 v o l p 的解决方案对g 7 1 1 编码得到的数据作进一步处理，使压缩率更高，便于 互联网传送。例如g 7 2 3 ( m o s 值为3 8 ) 、g 7 2 9 ( m o s 为4 o ) 、a d p c m ( a d a p t i v e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n ，自适应差分脉冲编码调制，即g 7 2 6 ，m o s 值为 4 0 ) 等编码方案。 虚拟教室系统中的音频编码采用g 7 2 9 ，它的压缩率为8 倍，即对g 7 1 1 语音数 据采用g 7 2 9 编码后的码率为8 k b p s ，而语音质量也能达到4 0 的m o s 值。 2 4 3 虚拟教室系统中视频的编解码 在v o l p 的解决方案中，视频的编码、传送、解码一般是与音视频分开处理的， 原因是除了编码方案不统一，一般的应用优先语音【1 0 】。采用音、视频同传虽然不需 要处理同步问题，但是数据量大，丢包率增大，整体上使音频的丢包率相对于单独 传送音频更大。音视频分开传送要处理音频、视频同步，如果视频丢包而音频正常 时，则播放音频而使视频停顿( 使用上一帧的图像) 。 2 5 虚拟教室系统会议室管理及教室控制技术 虚拟教室属于视频会议室的一种应用，我们先介绍视频会议室的管理。会议室 的管理主要包括如下一些内容： 2 5 1 视频会议室的创建 由主持人在会议室客户端软件( e n dp o i n t ，以下简称e p ) 上发起创建会议室的 动作，e p 向视频会议控制器( 服务器软件m e e t i n gc o n t r o l l e r ，以下简称m c ) 提交 “会议室创建请求”，如果已创建的会议室总数未到达最大数量，m c 再查看请求者 创建权限，如具备则创建会议室对象( 指面向对象分析与设计中的对象) 初始化该 会议室，为主持人安排座席，将其它座席如发言席、旁听席置为无人状态。 2 5 2 查询会议室 会议室创建好后，其它e p 可发送“会议室查询请求”到m c ，m c 将已创建的 12 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 会议室信息以列表的形式返回给e p ，这些信息包括会议室名称、会议室编号、主持 入姓名、已加入会议室的人数等。e p 可选择合适的会议室进入。 2 5 3 加入会议室 e p 软件起动时可得知客户端p c 的音频视频设备的工作状态。e p 软件取出你选 定的会议室的编号，并要求你填入自己的姓名等消息，之后形成“会议室加入请求 数据报发送给m c 。m c 根据你要加入的会议室的规则，决定是否同意接受该e p 的 加入。如果同意，则为该e p 分配相应的座席，将“会议室加入请求”包含的信息拷 贝到该座席对象，包括e p 的姓名、是否有音视频设备等。 这里说的会议室规则，是指与会议室用途相关的几个方面的约束条件，如会议 室是否是公开的，即任何人均可进入的，还是预先设定了与会者名单，不允许名单 之外的人加入，以及会议室的进入是否需要密码等。 2 5 4 退出会议室 与会的e p 退出时，m c 断开与该e p 的连接，回收之前分配给该e p 的座席，修 改会议室对象相关信息( 如与会人数等) 。如果是主持入退出，则m c 根据该会议 室的规则决定是否结束会议还是从其它人中再选一个主持人。 2 5 5 暂停恢复播放音频 e p 可随时暂停播放和恢复播放音频。这是e p 端的个本地功能，与m c 无关， 用于用户暂时需要静音的场合。 2 5 6 开启关闭音频 在支持多人同时发言的视频会议系统中，e p 通常有一个开启关闭音频的功能， 以便减少网络带宽的占用，及降低噪音干扰。相当于真实的会议中，你虽然座在主 席台上，但是你没有发言的情景。 开启关闭音频的信息将被传送到m c ，m c 会将该信息“广播”到其它e p ，以 便使所有人都知道某某人音频是关闭的还是开启的。 2 5 7 开启关闭视频 开启关闭视频的功能也是主要用于减少网络带宽的占用。当e p 端用户暂时不 希望看到自己的视频时( 有人来访) 也非常有用。 13 西南大学高校教师硕士学位论文 开启关闭视频的信息也将被传送到m c ，m c 会将该信息“广播”到其它e p 。 2 5 8 举手发言 处于旁听状态的e p 是不能发言的，只能听及看“主席台 上的用户。举手发言 就是e p 告诉主持人自己希望能被加入到主席台。 2 5 9 点名发言 主持人从与会者中选一人，将发言权交给他的过程叫“点名发言”。在虚拟教 室这类型的视频会议系统中非常有用。 2 5 1 0 结束会议 有三种情况m c 将结束某个会议： 1 当所有人都退出会议室； 2 主持人结束会议； 3 主持人退出会议室而没有选其他人继续主持会议。 结束会议时，m c 将收回所有已分配给该会议室的资源、然后销毁会议室对象。 2 6 虚拟教室的管理技术 如2 5 所述，虚拟教室是视频会议室系统的一个特例。本小节将介绍虚拟教室系 统的教室控制器是如何管理一个虚拟教室的。 与标准视频会议系统相比，虚拟教室的特点是发言人( 包括教师即主持人及发 言的学生) 较少、而旁听的人( 即当前没有发言的学生) 较多，对一般的教学而言， 学生是固定的，即教室对象创建时即预设了学生列表。学生人数一般在几十人。 1 4 第2 章虚拟教室的相关理论与技术 2 6 1 系统构架图 学生 学生教师 图2 - 2 系统构架图 虚拟教室系统逻辑上由 1 教室控制器； 2 媒体中转服务器； 3 n a t 检测服务器a ； 4 n a t 检测服务器b ； 5 客户端五个部分组成。 在物理上两个n a t 检测服务器可合并到教室控制器及媒体中转服务器。因为 n a