（控制科学与工程专业论文）基于p2p的口语虚拟教室的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 随着我国对外交流的增多，英语在中国社会越来越显示其重要性。社会对大 学毕业生的英语水平要求也越来越高，要求有较强的口语和写作能力，能直接和 外国人交流，能用英语完成采访、谈判等任务。然而当前高校的师资力量和传统 面对面口语教学并不能满足这一需要。网络教学具有信息容量大，传输速度快， 无时间、地点限制的优势，成为了解决这一矛盾的主要方向。 当前网络教育中，主流实时远程教学系统多数采用基于视音频会议技术的应 用平台，主要适合于讲授型的教学模式，要么交互性不高要么需要专门的设备来 实现高交互性，从而造价高昂并且可扩展性不高。针对这些问题，本文研究了口 语教学的特点及其对网络教学系统的特殊要求，并从交互性的角度分析比较了当 前具有代表性的应用层组播协议，根据口语网络教学的需要，研究了基于k a d e i n l i a 的分布式查找机制，提出了基于( b s s i p 的低延迟交互式组播策略，并在此基础上 设计了一个基于p 2 p 技术的口语虚拟教室。 ( 1 ) 分析了网络教学的模式和交互类型，从口语教学的课程特点出发，阐 述了适合于口语网络教学的教学模式和主要的交互类型，通过比较基于m c u 的集 中式会议系统、基于p 组播的解决方案和基于应用层组播的解决方案，提出基于 p 2 p 架构的交互式应用层组播技术，能够以较小代价快速地实现口语虚拟教室所需 要的低延迟高交互性实时语音组通信。 ( 2 ) 分析了实现应用层组播的关键技术。基于p 2 p 架构的交互式应用层组 播系统包括资源查找和低延迟会话管理两方面的功能。本文对这两方面功能的相 关研究工作进行了分析和总结，选择适用于构建网络虚拟口语教室的相关技术， 并分析当前研究中的不足，提出优化的方向。 ( 3 ) 介绍了结构化的k a d e m l i a 协议在资源发布、资源查找方面的基本工作 原理，分析了e m u l e 中对k l e 以i a 协议的实现过程，并从开源的e m u l e 系统中剥 离了实现资源发布和定位等基本功能的k a d e m l i a 库。基于该k a d 锄1 i a 库本文实现 了p 2 p 网络语音通信系统的原型。 ( 4 )从延迟问题入手，分析了当前的应用层组播协议，发现当前主流的应 用层协议并不适用于口语虚拟教室，降低延迟是高交互性虚拟口语教室的研究重 点。在分析g o s s i p 机制优点的基础上，提出了一个基于g o s s i p 的以实现低延迟高 交互性为目标并兼顾其他结点延迟要求的组播方法。通过和a c t e 的仿真比较 验证了该方法的有效性。 ( 5 ) 在以上工作的基础上，对网络虚拟口语教室进行了全面的功能设计，并 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 具体说明系统中的模块设计、角色功能设计、通信过程和多课程多会话组的管理 过程。 关键词： p 2 p ，交互，网络口语教学，应用层组播，低延迟，查找机制 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 k 鹏i s 吼i 1 1 c r c 嬲i i l gd e m 锄di i l 伊a d u a t e s e n 百i s hc 印a b i l i t i 髑e s p e c i a l l yt l l e 啦ne 心i s hc a p a b i l i t ) ，a l o n g 、7 i ，i t l l 也ed c v e l o p m 觚o fc l l i 肌h o w e 吼0 w 咄t 0 血e s ：h o r c a g eo fe n 百i s hf a c u n ya n du p t i g h tb u d g e t m o s tt e h e r sk i v et 0h 孤l d l e 孤删5 0 s t i m e m si n o r a le n g l i s hc l 嬲d o i i l w i l i c hm d k e si t 蛔晖妁s s i b l et 0o f j f e rs t l m e n t st i i n e 如d o p l ) 0 r t l 岫i t i 髓t 0s p l e ；a k l e ta l o n et 0e 行e c t i v e l y 抽：l p r 0 v et l l e i rc o m m u n i c a t i v es l 【i l l s t 1 1 u 咖o r a lt a s k s w e b - b 鹊e de d u c a t i o ni sf e 狐鹏d 埘t l ll a r g ei i 怕咖a t i o n ，l l i g l l 仃a 删s s i o ns p 也缸db e i n gf k ef r o mt 1 1 el i i i l i to f 血n e 觚dl o 础。坞锄dk m h 勰 b c c o m et 1 1 em 血a p p r o ht 0 恤i s s u e a tp r e s e n _ t ，m o s t 陀a l - t i i l 圮d i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e r i 塔锄p l o yac e n 砌i n e a i 坞 邯i i l g 州t 曲e d i ab r o a d c a s t0 r 、，i d c o a u d i oc o i l f ；b r e n c i i 培t 0m 枷yr e a l 疏f 0 m l a l l 以胤l s ，p 埘s i c a le x p e r i m e n t so rc o l l d b o 瑚畸v ee i i r o m n e n t t h o s y s t e m s ，b e s i d e st l l e s h o r t a g eo f1 0 w m a b i l i 够a r l dp o 砌a ld a i l 誉玎o fs i i l 百en o d ef 萄l u 他，a r ee i m e rl a c k i n g i ni n t e 啜c t i o no r 叫t ee x p l e n s i v ef 0 r 砌娩i n gl l i g l li n t c m c t i o n 、访mp e c u l i 盯e q u i p m e n ：t s 1 1 屺n 地s i si sm a “yf o c 瑕c do nd e s i 鄹血gal a r g es c a l e 也h i g l l l yi n t e 均“v ev j n l l a l c l 雒s r 0 咖t a i l o r e dt 0o r a lc 0 删m 血c a t i o n 瑚i i 唱a p p l i c a t i l a ) 惯m u l t i c a s t ( a l m ) i n ap n o p r ( p 2 p ) 玳i t 、r k a n di t sw o r ki so fs i 班f i c 锄c et 0l l i 曲l yi n ：t e m c t i v c a p p l i 训o n sl i k el a r g es c a l e da u d i oc 0 砌h e n c ：i i l ga n dm u l t i p 邳7g 锄e s f o l l o 啦i s 恤n l a i l l w o r k o f 恤m e s i s ： ( 1 ) t h es u i t a _ b l et e a 曲gm o d e s 锄di i l t e r a c t i o nt y p e sf o r 、，i r t u a lc l 雒s r o o mo fo r a l c o m m u n i 硎o na r ep u tf o r 、) 阳r d t h et h e s i s 咖d i e dc k 眦眦e r i s t i c so ff a c e - t 0 一f a c eo r a l e n 班s ht e 乏曲i n g ，a i l a l y z e dt h e 础血t e a c l l i n gm o d e si nw e b - b 嬲e de d u c a t i o ni nt 1 1 e p c 髑p e c t i v eo ft e d m o l o g ya p p l i c d 觚di i l t e 均c t i o 玛c o m p a r e ds c h e i n e si n 咒a l i z i 】呜 w e b _ b 硒c do r a le n g l i s ht e ；a c l l i i l g 锄dc o n c l u d c dt l l a ：t 廿l ep 2 p - b 弱e da l mi s 也e 鲫j t a b l e t e c h n i q u ef o r 、e b - b a s e do r me n 酉i s ht e a c l l i i 唱t 0p r 0 v i d el o w - d e l a y 龇l di n t e r a c t i v e 蒯恤绷d i o 目o u pc o m m 疵c a t i o n ( 2 ) f o 硼i d a m 朗t a lt e c h n i q u e si n 陀a l i z 吨砷i e r t i v ea i ，ma 佗d i s c l l s s e d 1 1 1 0 t e c h l l i q u 韶i r l c l u d er e s o u r c e1 0 i ) l 呷a n dl o wd e l a y 目o u p s s i o nm a i l a g e m e n t w o r i 【s o n 也o 佃oi s s l 圯sa r es t u d i e d s u i t a b l e 印p r o a c h e sa r es e l e c t e dt 0r e a l i z em ev i r t u a l c l a s 跚旧1 0 mo f o r a lc o m m u n i c a t i o n ( 3 ) ak a d e i i l l i a - b 勰e dr e a l i 盈t i o no fp 2 p 舢d i o 眦s i i l i s s i o ni sp r o p r o d 弱ab 弱i c n 州u l ei n 、，i n u a lo r a lc o m m u i l i c a t i o nc l 硒s r o o m t o 他a l i z em e1 0 0 l a l po fr e s o u r c e ，趾d o fn o d e si i lp a n i c u l 虬t l 圮吐屺s i sa 叫y z e dk 础e 血a 锄di t sr e a l 让r 丑t i o ni ne m u l e ( 4 ) g i m ，ag o s s i p 七弱c da l ms t r a t e g yi sp r o p 0 s e dt a i l o 硎t 0 、r i i t l 冽o r a l c o m m u i l i 硎o nc l 嬲s r o l o m a i l ds 访1 _ u l a _ t i o nr e s u l t sa r ep r o v i d e dt 0p r o v ei t se 伍c i e n c y ( 5 ) ap 2 p - b a s e do r a le n g l i s hc l 嬲s r o o mi sd e s i 印e db a s e do nt i l em e n _ t i o m de 肋r t s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 t h e 山e s i ss t a t e di t sb a s i ci i l 劬s t r u c t u r e 趾dr o l e 如n c t i o n ，i i l 昀d u c e di t sm 血 c o m m 血训o ni n e c h a n i s ma n dt l l ee v m 戚i o nm o d u l eo fm ee x e r c i sd o n eb y s t i j d e n t s k e y w o r d s ：p 2 p ，硫e r a c t i o 玛v 砷l a lo r a lc o r n m 证c a t i o nc l 嬲s r o o l ，a l m ，l o wd e l a y ， l o o k ：u p 第i v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1 与延迟相关的带约束生成树问题1 8 表4 1g o s s i p 机制拓扑管理协议的基本结构。4 3 表5 1 主要语音编码标准及其应用5 5 i i 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图1 1 单播、p 组播和应用层组播一6 图2 1 传统c s 系统和中心化拓扑1 l 图2 2 ( i 巾u _ t e l l a 系统的资源定位12 图2 3c h o r d 环13 图2 4s l 伊e 系统的超级结点结构1 4 图2 5 延迟、丢包和延迟抖动的相互作用1 5 图2 6 端到端延迟对网络音频交流的影响1 6 图2 7 交互应用中网络延迟和固定延迟之间的关系1 7 图2 8n 心以a 协议中i m s h 的构造2 0 图2 9n a 均d a 的数据拓扑2 1 图2 1 0n a m d a 的拓扑优化2 l 图2 1 1a c t i 、吧树结构中a 咖e 结点的位置变化2 3 图2 1 2a c l l v e 中a c t i v c 结点在拓扑结构中成簇一2 4 图3 1k - 桶结构2 7 图3 2g h n c l l a 网络中在线时长和继续在线的概率关系2 8 图3 3a = 1 时的查询过程。3 0 图3 4 结点o o o 的路由表生成演化。3 2 图3 5k a d e m l i a 库的组成3 3 图3 6b 0 0 t s t m p 过程3 4 图3 7p u b l i s h 过程一3 5 图3 8s e 眦hj 立程3 6 图3 9 系统模块结构3 7 图3 1 0 系统运行流程3 8 图3 1 l 系统运行中的界面3 9 图4 1g 订协议中两类结点所保存的不同结点列表4 4 图4 2 两种协议的延迟比较4 7 图4 3n _ 1 0 0 时不同类型结点之间的延迟比较4 8 图4 4n - 2 0 0 时不同类型结点之间的延迟比较4 9 图5 1 总体架构图5 2 图5 2 软件模块的部署5 3 图5 3 结点加入网络5 7 图5 4 实时授课5 7 i x 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图5 5 双人练习5 8 图5 6 多人练习一5 8 图5 7 单人练习过程5 8 图5 8 评价阶段的流程过程5 9 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 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。 学位论文题目：基王里! 里鲍望亟麈型教室鲍盈塞 学位论文作者签名：歪道吐 日期：枷7 年，月罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王里! 里鲍望适虐赵熬室鲍塑究 学位论文作者签名：蛰二数 作者指导教师签名： 日期：3 7 年。月8 日 日期：细7 年，f 月孑日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国对外交流的增多，全球化趋势的发展，英语作为国际通用语在中国社 会越来越显示其重要性。社会对大学毕业生的英语水平要求也越来越高，仅“具有 较强的阅读能力刀还不够，还要求有较强的口语和写作能力，能直接和外国人交流， 能用英语完成采访、谈判等任务。教育部在2 0 0 4 年制定的 大学英语课程教学要 求( 试行) 【l 】中明确指出：大学英语教学是以英语语言知识与应用技能、学习 策略和跨文化交际为主要内容，以外语教学理论为指导，并集多种教学模式和教学 手段为一体的教学体系。然而当前我国高校的办学条件和师资力量有限，并不能 为大量学生提供行之有效的口语课程，从而影响了学生口语交际能力的培养。 随着计算机信息技术及互联网的不断成熟和进步，现代网络通信技术、计算机 多媒体技术与现代教育的有机结合，网络教育应运而生。网络教学，作为网络教育 的重要内容，以建构主义为理论基础，与传统教育方式相比，网络教学具有信息 容量大，开放性、灵活性、交互性和分散性的特点，打破了传统、封闭的教学模 式，通过基于网络的连接和多媒体信息的交互。利用网络技术，网络教学能够为 大量学生提供大规模交互性强的教学环境，从而成为了解决当前口语教学困境的 主要方向。 但是，网络最初的设计并不是为了网络教学，网络虽然能够提供较强的交互 性，由于目前网络提供的是尽力而为的服务质量从而无法保证交互的质量。因此 成功的网络教学必须从课程特点出发，以先进的教学理论为指导，以合适的网络 技术为基础，以科学的教学课程设计和评估机制为保障。 以基于高校园区网的英语口语课程为例，在校本部的校园网主园区和学校的 分园区之间通过远程教学网络进行授课，教师的视频、音频以及课件和课件演示 过程，学生之间口语练习的音频数据，都通过网络发送，学生可以在校园网的任 何一个终端上加入课堂，进行学习。 在整个过程中，需要考虑以下问题： ( 1 ) 网络教学作为教学方式的一种，需要符合基本的教学规律和原则，涵盖 教学的授课，练习和评估等过程。针对口语网络教学来讲，需要设计同步授课模 块，实时交互的口语练习模块和自评与互评相结合的评价模块。 ( 2 ) 在教学模式上，由于网络教学本质上教与学时间或者空间上相分离和口 语教学注重师生之间、生生之间实时交流，应当从网络教学的多种模式中选择适 合口语教学的同步授课模式、自主学习模式和协作学习模式并将它们有效结合。 ( 3 ) 网络教学环境应尽可能地符合师生的原有教学习惯，教学工具简单易 学，并且尽量能够利用现有的教学资源。 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 ( 4 ) 视音频环境和数据应用环境的无缝衔接，并且在时间和操作上同步。口 语网络教学中需要实现一定规模的高交互、低延迟的语音会议系统来作为授课模 块和学生口语练习模块的网络学习环境。 ( 5 ) 保证整个教学系统的稳定性和可靠性，并且尽可能降低成本，减少投资。 1 1 论文的研究背景与意义 1 1 1 论文的研究背景 1 1 1 1 传统口语课堂无法满足大规模学生的口语学习需求 我国外语口语教育专家文秋芳认为：英语口语课程作为培养学生英语交际能 力的重要课程，其教学目的应当是提高学生的口头交际能力，包括语言能力( 语 法能力和语篇能力) ，语用能力( 实施功能能力和社会语言能力) 以及策略能力 ( 补偿能力和协商能力) 【2 】。而按照以上要求，目前大学非英语专业生的口语教 学仍然差强人意。大学英语口语考试从1 9 9 9 年1 月到2 0 0 1 年5 月开考六次，考 生累计3 2 1 0 7 人，获得a 成绩只有7 1 ，能获得b ( 即能用英语就熟悉的题材进行 口头交际，虽有些困难，但不影响交际) 以上的考生是5 0 7 ( 四、六级考试委员会 2 0 0 1 ) 。两者相加也只有1 8 5 5 0 人 3 】。 虽然对加强学生口语的需求越来越高，但是当前的口语教学条件和模式无法 满足这个需求： ( 1 ) 招生量迅速扩大，师资短缺，给口语教学带来很大压力。口语技能作为 一种交际技能，只能在大量的口语交流活动中得到提高，但是当前大学英语课程 设置大多数没有专门的口语课程，老师们将口语练习穿插在了阅读和听说课程当 中，其时间和类型都是极其有限的。而即使专门设置的口语课程( 每周2 课时， 最多1 8 周) ，在每个班级有4 0 5 0 个学生的情况下，也无法满足学生口语练习量 与质的要求。 ( 2 ) 当前整齐划一的口语教学模式无法满足不同学员的不同需求。因为高校 扩招，学生入校时外语水平，尤其是口语水平差距较大，老师在外语课堂上统一 的教学内容和教学模式造成学生“吃不饱”和“吃不了 的现象同时存在。 ( 3 ) 当前的口语教学模式无法顾及学生自身的特性。每个学生都有自己的性 格特点。外向的同学往往喜欢发言和参与小组性口语练习，而内向的同学则往往 不喜欢主动发言，倾向于朗读这样的个人口语练习项目，开口焦虑在内向的同学 身上也更明显。 ( 4 ) 如何实现老师对于每位同学口语活动的有效评价是传统口语教学很难解 决的问题。口语课堂的现状决定了口语课程的测试只能采取和其他课程一样的阶 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 段性测试模式，只能评估出学生当前的口语水平，并不能体现出学生通过课程所 取得的进步。 1 1 1 2 当前主流的网络教学系统不能满足口语网络教学的要求 作为将计算机网络技术应用到教育之中的具体体现，网络教育是建立在多媒 体计算机通信网络基础之上的一种全新的教学系统和教学模式，具有信息容量大， 传输速度快，交互性强，无时间、地点、场所限制的优势，代表了现代科技与现代教 育结合的方向，成为近年来教育改革的一个热点。但是当前主流的网络教学系统并 不能满足口语网络教学的要求： ( 1 ) 当前的网络教学系统主要是为了传统课程的授课所准备的，模式主要为 老师讲，学生听，交互则使用辅助性手段实现，比如电子白板，实时视音频传输 系统，b b s ，电子邮件等方式。而口语课程除了老师讲授口语交际策略，组织传统 模式的课堂教学之外，更重要的是要给学生在课堂上提供畅所欲言的交流环境， 自由发言的交流机会，在课外给学生提供大量真实的交际场景和口语练习。实时 音频传输和实时交互性要求非常高，而这些在传统网络教学系统无法实现。 ( 2 ) 当前的网络教学给学生提供的自主学习系统和测试系统往往是通过试题 库生成的试卷，但是口语课程的练习与评估无法通过传统试卷模式实现，必须给 学生模拟真实的交际情景，提供大量的交际任务，从而使学生在口语实践中提高 口语交际能力。 ( 3 ) 当前的网络教学系统多数采用了传统的b s 或c s 结构，中心服务器不 但负责管理和存储数据，而且要为系统用户之间的交互提供支持，虽然从安全性 和稳定性来说较好，对用户端要求低，但是服务器数据流量很大，可能成为系统 性能的瓶颈。当用户数量较多时，即使是数据量并不很大的音频信息，也会给服 务器造成难以承受的负载，如果要视频信号，信息量更是难以估量。传统技术多 用多个服务器组成阵列来弥补单个服务器性能上的弊端，同时这也造成了系统昂 贵、开销较大。 1 1 2 网络口语教学：高交互性的教学模式 网络学习中教与学分离的特殊性决定了当前的主流网络教学模式主要有包括 讲授型模式，自主学习模式，讨论学习模式，探索学习模式，协作学习模式。佘 胜泉在文献【4 】中从教育技术学的角度对远程教育的教学模式作了综合性的分析和 评述，而文献【5 】则从计算机应用和网络教学平台设计研发的角度阐述了这些教学 模式所采用的关键技术。 杜威( d e w a y ) 所提出的交互影响概念，认为交互暗示了某种情境中环境、个 人与行为之间的相互作用【6 】。在教育中，交互是一种双向交流，在学习过程中体 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 现为学习者与教育者、学习者与学习资源和学习者之间的双向交流。从交互的类 型来看，网络教学的交互可分为学习者与学习者、学习者与学习资源、学习者与 教育者、学习者与界面和学习者与学习过程五种类型：从交互的实时性来看，网 络教学的交互可分为实时交互和异步交互模式。 1 1 2 1 虚拟口语教室的教学模式 网络口语教学中需要实现课堂授课，学生练习和学生练习评估三个模块。其 中传统授课模块需要采用实时授课模式，实现老师一人讲，大规模学生同时听讲， 并能保证一定规模学生和老师的实时语音交流来保证口语授课的效果；学生练习 模块包括学生个人练习，对话练习和多人练习。个人练习从教学模式上看属于自 主学习模式，主要是学生个人和学习材料、个人和操作界面的交互；对话练习和 多人练习同属于协作学习模式，都需要实现实时网络语音通信，是借助网络所实 现的师生和生生之间的实时语音交互，而多人练习需要采用组播技术实现多点对 多点的低延迟实时组通信。 1 1 2 2 虚拟口语教室的交互类型 针对网络口语教学的交互类型和教学模式，在同步授课模块中，需要实现的 是少数发出端，多个接收端的实时语音组播；在练习模块中，需要实现的是一定 规模的交互式实时语音会议。而练习评估则包括了学生、老师和学习伙伴对于学 生某个练习的评估，是教学模式的有机补充，是教学过程的重要组成。系统将多 方评估和多次练习评估进行统计分析之后，能够就学生的水平、进度等方面做出 一个过程性的评估，并对学生下一次的学习提出智能型的建议，即实现学习者与 学习过程的交互。 1 1 3 口语虚拟教室的实现方式比较分析 1 1 3 1 基于m c u 的集中式视频会议系统 h 3 2 3 【7 等会议系统是基于单播( u i l i c a s t ) 的视频会议系统，多点会议通过多 点控制单元( m u l t i p o i n tc o n 缸d lu i l i t ，m c l d 来进行，m c u 是多点视频会议系统的 核心，它提供多点会议的管理和控制功能。m c u 的目的是在同一会议中连接三个 或三个以上终端系统，m c u 作为会议控制中心交换视、音频码流，还可作为不同 网络会议系统终端的网桥。 但由于互联网络共享带宽的基本特点，视音频传输质量是不可控的，与网络 负载的情况相关，可并发传输的视频信号有限。要解决这些问题，必须采用基于 专用线路的实时交互式视频会议系统，该系统采用电信的专用线路，通信带宽可 以得到稳定的保证，可达到双方或多方实时交互，即要求能够实现实时传送音频 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 和视频。但这种系统建立在专用通信线路基础之上，专线租用费用高昂，需要购 买m c u 设备，建设和维护开销很大。这种解决方案虽然解决了实时交互问题，但 必须建有完备的授课室和听课室，不仅师生所处的地域范围仍然受到局限，而且 需要相应的设备、场地、带宽资源的投入，仍不足以体现现代远程培训“随时随 地性 的内涵。 1 1 3 2 基于i p 组播的解决方案 在视频点播、分布式仿真、视频会议、多人交互游戏、内容分发、电视电话 会议、远程教学等实时应用系统中，传统的点到点的简单单播( 彻如em u l t i c a s t ) 通信方式严重浪费带宽，效率低下。于是人们提出了组播的概念。组播( m 啪c a s t ) 是一种允许一个或多个发送者同时发送单一的数据包到多个接收者的网络数据传 输技术，组播技术可以有效节省大范围网络数据分发中的带宽消耗。9 0 年代初 d 血g 8 】提出了利用网络层实现组播的架构。在这个架构中路由器分布式的定义 了一个组播树，当数据包从树的根结点即数据源发出后，数据包在不同的树结点 路由器上进行复制，最后到达每个接收终端。 由于能有效地将数据包的复制减少到最小的限度，口组播一直以来被认为是 最有效的一种用来实现数据的群分发的方法。十几年来，研究者提出了以d 冲、 m o s p f 和p 蹦为代表的多种组播路由协议，并架设了m b o 粥试验骨干网。也 有许多实时教学系统是基于p 组播路由协议的，比如文献【9 】提出的基于口组播 的协同学习环境w e b l e a m i n g + 。 虽然对口组播的研究一直都在进行，但是由于口组播本身所带来的缺点，使 得口组播至今并没有能够得到广泛的应用： ( 1 ) i p 组播要求路由器为每一个组播组保留状态信息。这样路由器的路由和转 发表将需要对每一个不同的组播地址保留一个相应的路由表项，但是组播地址并 不像单播地址一样容易集成，因此增加了路由器的系统开销和复杂性。 ( 2 ) 口组播是一种尽力而为( b e s te 肺r t ) 的服务。当要提供高层的特性时，例 如：可靠传输、拥塞控制、流量控制以及安全管理等，就会比简单的单播要更困 难，以至于因特网服务提供商( i s p s ) 不愿意提供pm u n i c a s t 的支持。虽然目前 已经出现了针对上面这些特性的研究，但是这些解决方案目前在e t 上的影响 并不明确，需要在大范围应用前进行更好的研究。 ( 3 ) 口组播需要对现有网络做底层的改变。同时由于在收费机制方面的技术无 法突破，使得目前只有少数的因特网服务提供商支持组播。 出于以上的考虑，近年来国外一些研究者开始研究新的组播架构，试图绕开 i p 组播的种种难题，因此提出了基于应用层的组播协议，即在应用层实现组播的 功能，而不再依靠网络层路由器来实现。这种组播方法不需要任何网络底层架构 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 的改变来实现组播，从而为组播的大范围开展与应用提出了一种新的途径。 1 1 3 3 基于应用层组播的解决方案 应用层组播的基本思想是保持互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型， 使用终端结点来实现组播报文的复制转发功能，因此也称为端系统组播( e n d s y s t e mm u d t i c a s t ) 。应用层组播不需要特殊的物理层硬件，应用层组播网络的结 点是组播成员主机，数据路由、复制、转发功能都由成员主机完成。成员主机之 间建立一个叠加在p 网络之上的、实现特定业务逻辑的功能性网络，称为o v e d a y 网络【l o 】。而应用层组播协议的主要目标就是构造并维护一个有效的数据传输拓 扑。图1 1 中，对简单单播、口组播和应用层组播做了一个比较。 ( a ) 单播( b ) l p 组播( c ) 应用层组播 图1 1 单播、p 组播和应用层组播 图1 1 ( a ) 描述了简单的单播传输。可以看出在靠近数据源的链路上出现了非常 大的数据传输冗余。图1 1 ( b ) 描述了用口组播技术构造的一个m 组播树。可以看 到口组播有效地避免了冗余的数据传输，并且在每一个物理链接上仅有一个数据 传输，同时也使每个接收者获得了和单播同样的低延时。图1 1 ( c ) 描述了用应用层 组播协议构成的一个叠加组播树，和图1 1 ( a ) 使用的简单单播技术相比较，减少了 数据传输的冗余，而且不需要任何的网络底层设备的支持，实现了比较有效的组 播传输。 应用层组播技术在终端系统实现组播功能可以避开网络层实现组播功能的许 多难题：一是应用层组播的状态在主机系统中维护，不需要路由器保持组的状态， 解决了业务的扩展性问题，网络可以支持大量的组播组。二是组播应用可以随时 部署，不需要网络设备的升级和功能扩展。三是可以简化组播的控制、可靠等功 能的实现，建立在网络连接之上的应用层组播可以使用t c p 、u d p 服务，如可以 利用t c p 的可靠和拥塞控制简化组播的可靠和拥塞控制。由于对网络本身的改变 很少，应用层组播具有很好的灵活性。 1 1 4 基于p 2 p 架构的应用层组播技术 应用层组播系统根据体系架构可以分为是基于p 2 p 的( a l m a ，a l m i ，n a r a d a ， 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 n l c e ，y o i d ，a l m c a n 等) 和基于代理( p r o x y ) 的( b a y e u ) 【，o m 阿，o v e r c a s t 和s c 撇a s t 等) 两种。 在基于代理的数据分发方案中需要事先在网络上部署一定数量的组播服务结 点m s n ( m i l l t i c a s ts e r v i c e n 0 d e s ) ，在数据内容的分发过程中这些m s n 结点构成 核心组播分发树，c l i e n t 结点必须先连接到某个m s n 上，方可对数据进行接收。 这里我们称这种基于架构的数据分发体系为覆盖组播网络o m n ( 0 帆m a ym u l t i c a s t n c t w o r k ) 。由于m s n 结点通常比普通的主机结点具有更高的处理能力、更好的 稳定性和安全性，而一个m s n 结点可以同时服务于若干个c l i e m 结点，因此，若 抛开部署m s n 结点的代价，采用这种体系可以提供强大、灵活、可扩展性的流媒 体分发服务。从某种程度上来看，代理结点类似于组播路由器。 基于p 2 p 的应用层组播系统中每个组成员结点都是平等的，动态变化且完全 分布。结点之间通过一定的算法、协议自组织成控制网络和数据转发树。每个结 点仅维护自身参与组的状态信息，所有组播相关功能以软件实体形态集成于参与 组播会话的结点中，每个结点完成相同的工作。 基于代理的应用层组播系统中，代理结点的数量与质量关系着整个系统的规 模和服务质量，系统规模的扩大和服务质量的提高需要更多更强的代理结点来支 持。p 2 p 架构的最大优点在于可扩展性，并且易于部署，灵活机动。在分布式的自 组织模式下，每个结点都只需要保存少量结点的状态信息。而且，p 2 p 架构下的应 用层组播协议可以通过冗余来避免单点失效对整个组播组的影响。 本文研究主要针对基于p 2 p 架构的交互式应用层组播技术展开。为了在网络 中完成高交互性的双人多人对话应用，基于p 2 p 架构的交互式应用层组播系统必 须提供两个方面的能力：一是保证用户能够查找到自己感兴趣的其他用户结点， 发起会话；二是进行合理的组播组管理，来减少结点之间的组播传输延迟，提高 多人对话中的交互性。这也是交互式应用层组播系统研究中所关注的两个主要问 题。 1 2 本文的主要工作 本文在对网络口语教学的需求和涉及到的关键技术深入研究的基础上，提出 了一个基于实时交互组播通信的虚拟口语教室系统，其主要工作如下： ( 1 ) 分析了网络教学的模式和交互类型，从采用的技术和学习者感受两方面比 较分析了当前的主要网络教学模式；从口语教学的课程特点出发，阐述了适合于 口语网络教学的教学模式和主要的交互类型，通过比较集中式实时远程教学系统、 基于m 组播的教学系统和基于应用层组播的教学系统，提出基于p 2 p 架构的应用 层组播技术能够以较小代价快速地实现口语虚拟教室所需要的低延迟高交互性实 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 时语音组通信。 ( 2 ) 分析了实现应用层组播的关键技术。基于p 2 p 架构的交互式应用层组播系 统包括资源查找和低延迟会话管理两方面的功能。本文对这两方面功能的相关研 究工作进行了分析和总结，选择适用于构建网络虚拟口语教室的相关技术，并分 析当前研究中的不足，提出优化的方向。 ( 3 ) 介绍了结构化的i 酬e i n l i a 协议在资源发布、资源查找方面的基本工作原 理，分析了e m u l e 中对l ( a d e n d i a 协议的实现过程，并从开源的e m u l e 系统中剥离 了实现资源发布和定位等基本功能的l ( a d e “i a 库。基于该i 【a d e 血i a 库本文实现了 p 2 p 网络语音通信系统的原型。 ( 4 ) 从延迟问题入手，分析了当前的应用层组播协议，发现当前主流的应用层 协议并不适用于口语虚拟教室，降低延迟是高交互性虚拟口语教室的研究重点。 在分析( 沁s s i p 机制优点的基础上，提出了一个基于g o s s i p 的以实现低延迟高交互 性为目标并兼顾其他结点延迟要求的组播方法。通过和a c t e 的仿真比较验证 了该方法的有效性。 ( 5 ) 在以上工作的基础上，对网络虚拟口语教室进行了全面的功能设计，并具 体说明系统中的模块设计、角色功能设计、通信过程和多课程多会话组的管理过 程。 1 3 论文结构 本文共分六章，针对网络口语教学的特殊应用背景，围绕低延迟高交互的语 音组通信展开，各章节的组织如下： 第一章为绪论，介绍了论文的研究背景和意义，主要说明网络口语教学的刻 不容缓和实际应用意义，继而介绍本文的主要工作和组织结构。 第二章为口语虚拟教室相关技术研究，主要针对p 2 p 网络中的查找机制和交 互式组播研究现状进行了分析比较，选择适用于口语虚拟教室的技术并分析了其 中的不足，提出了本文工作的主要方向。 第三章为基于k d e i i l l i a 的分布式查找机制，主要介绍了l a d e m l i a 协议的工作 原理，从e m u l e 中剥离了实现资源搜索与定位功能的勋d e 耐i a 库，并基于该库实 现了p 2 p 语音通信模块的原型。 第四章提出了基于g r o s s i p 的交互组播方法，主要介绍了g o s s i p 的通信机制， 并根据口语虚拟教室的实际需求，提出了该组播方法，最后用仿真的方法证明该 算法的有效性。 第五章在前几章工作的基础上，结合笔者口语教学的经验，对口语虚拟教室 系统进行了设计。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第六章为结束语部分，对所做的工作做了总结并指出了今后的工作方向。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章口语虚拟教室相关技术研究现状 在基于p 2 p 架构的交互式应用层组播系统中，为了在网络中完成高交互性的 双多人对话应用，基于p 2 p 架构的交互式应用层组播系统必须提供两个方面的 能力：一是保证用户能够查找到自己感兴趣的其他用户结点，选择性地发起会话： 二是进行合理的组播组管理，来减少结点之间的组播传输延迟，提高多人对话中 的交互性。 一方面，分布式p 2 p 网络应用中的用户和数据资源分散在网络各处，没有中 心目录服务器的维护，用户试图选择适当的其他结点进行交互，就不可避免地要 涉及到分布式资源查找问题。另一方面，当用户加入特定的会话组播组中，随着 用户规模的增大，结点之间的交互延迟必然增大，因此需要通过适当的会话管理 机制对结点之间的拓扑结构进行优化，以减少结点之间的交互延迟，提高系统的 实用性。这也是基于p 2 p 的交互式应用层组播技术研究中所关注的两个主要问题。 本章旨在分析这两项相关技术的研究现状，对这两方面功能的相关研究工作 进行分析和总结，以选择适用于构建网络虚拟口语教室的相关技术，并分析当前 研究中的不足，提出优化的方向。 2 1p 2 p 网络中的资源查找机制 2 1 1 基于目录服务器的查找机制 早期的p 2 p 应用系统采用了集中的目录服务器，用于存放所有网络结点的地 址信息和结点上所保存数据的信息。这种集中式的目录服务器实际上就是对网络 中所有的资源建立了一个索引，所有对于目标数据的查找，都可以通过目录服务 器来快速进行。同时这种模式和传统的c s ( 客户机服务器) 模式又有所区别， 具体的文件传输，在查询到的目标结点和请求结点之间展开，而不需要经过服务 器，如图2 1 所示。 n a p s t e r 1 1 】是采用中心化拓扑的最典型系统，它是最早出现的对等网络系统之 一，并在短期内迅速成长起来。n 印贻主要用于3 文件共享，它通过一个中央 服务器保存所有n a p s t e r 用户上传的音乐文件索引和存放位置的信息。当某个用户 需要某个音乐文件时，首先连接到n 印s t e r 服务器，在服务器进行检索，并由服务 器返回存有该文件的用户信息；再由