（计算机应用技术专业论文）基于p2p技术的网络教学互动系统研究与设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着互联网的普及和宽带技术的发展，网络教育已经进入了数字化、智 能化、个性化的发展阶段，新的通讯技术为传递最新的教学信息与知识提 供了更多的途径，为网络教育资源的建设带来了突破性发展。但多数网络 教学系统仍存在资源共享方式的不足和在线交互的不足的两个难题，把p 2 p 技术应用于网络教学系统，能很好地解决网络教学资源共享和用户间互动 问题，使得有知识自由获取的、动态的学习成为可能。 本课题的主要目的就是研究设计一个基于p 2 p 技术的网络教学互动系 统，通过p 2 p 技术能够直接交换共享计算机上的资源和服务，实现高效利 用现有的有限资源，解决c s 模式的系统瓶颈问题；同时在p 2 p 网络中应 用流媒体技术，实现网络课件直播，使学生通过网络能够同步听课，突破 远程教育中同步学习效率低的问题。 本文首先对p 2 p 网络相关技术的原理进行了研究，详细分析了p 2 p 技术的 优点和缺点，并阐述了p 2 p 的三种网络结构和p 2 p 技术的应用领域；其次本文 自主设计一个基于p 2 p 网络平台的互动式网络教学系统，包括直播课堂、课件 下载和点播、在线作业、在线考试、习题管理、在线交流等功能模块；最后 通过对g o s s i p 协议的d o n e t 模型的研究，包括节点的加入与管理、缓存映像的 描述和数据交换、数据调度算法、失败恢复和伙伴筛选，实现了系统中p 2 p 网络平台的组建，并对系统中传输流媒体数据功能模块的接口部分进行了设 计与实现。 关键词：p 2 p ：网络教学；流媒体；g o s s i p 协议 哈尔滨一 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ep o p u l a r i t yo ft h ei n t e r n e ta n db r o a d b a n dt e c h n o l o g i e s e d u c a t i o n h a se n t e r e dt h ed i g i t a ln e t w o r k ，i n t e l l i g e n t ，p e r s o n a l i z e ds t a g eo fd e v e l o p m e n t ， a n dn e wc o n u n u n i c a t i o n st e c h n o k i g i e sf o rt h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o na n d k n o w l e d g et op r o v i d et h el a t e s tt e a c h i n gm o r ec h a n n e l sb u i l d i n gan e t w o r ko f e d u c a t i o n a lr e s o u r c e sf o rab r e a k t h r o u g h h o w e v e r , t h em 勾o m yo fn e t w o r k r e s o u r c es h a r i n ga r es t i l lt e a c h i n gm e t h o d sa n dt h el a c ko fi n t e r a c t i o na n dl a c k o ft h et w o l i n ep r o b l e mp u tp 2 pt e c h n o l o g yf o rn e t w o r kl e a r n i n gs y s t e mc a nb e ag o o ds o l u t i o nt os h a r en e t w o r kr e s o u r c e sa n du s e ri n t e r a c t i o n p 2 pm a k ei t f r e ea c c e s st ot h ek n o w l e d g e ，t h ed y n a m i c so f l e a m i n gp o s s i b l e t h em a i np u r p o s eo f t h i sp r o j e c ti st od e s i g nai n t e r a c t i v en e t w o r kt e a c h i n g s y s t e m sb a s e do np 2 pt e c h n o l o g y , p 2 pt e c h n o l o g yt od i r e c t l ye x c h a n g et h r o u g h t h es h 撕n go fc o m p u t e rr e s o u r c e sa n ds e r v i c e s ，a c h i e v ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no f t h el i m i t e dr e s o u r c e sa v a i l a b l et oa d d r e s sb o t t l e n e c k si nt h es y s t e mc sm o d e l ； p 2 pn e t w o r k a p p l i c a t i o n s i n s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y , t h en e t w o r k c o a r s e w a r eb r o a d c a s tn e t w o r kt ok e 印p a c e s a ws t u d e n t s ，s y n c h r o n o u sd i s t a n c e e d u c a t i o nb r e a k t h r o u g hs t u d y , t h ep r o b l e mo f l o we f f i c i e n c y t h i st h e s i sf i r s tr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo f t h ep 2 pn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n d d e t a i l e da n a l y s i so ft h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so fp 2 pt e c h n o l o g y , a l s o e x p l a i n e dt h et h r e et y p e so fp 2 pn e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o no fp 2 p t e c h n o l o g y ；s e c o n d l y , t h i st h e s i sd e s i g n sa i n t e r a c t i v en e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m s p l a t f o r mb a s e do np 2 pn e t w o r k , i n c l u d i n gl i v ec l a s s r o o m c o u r s e w a r ed o w n l o a d a n dd e m a n d ，o n - l i n ee x e r c i s e ，o n - l i n ee x a m i n a t i o n s ，e x e r c i s e sm a n a g e m e n t ， o n l i n ee x c h a n g e sf u n c t i o n a lm o d u l e s ；f i n a l l y ，b yr e s e a r c h i n gd o n e tm o d e l b a s e do n g o s s i pa g r e e m e n t ，i n c l u d i n ga d d i n g n o d e sa n dm a n a g e m e n t d e s c r i p t i o nc a c h em a p p i n ga n dd a t ae x c h a n g e ，d a t as c h e d u l i n g ，t h ef a i l u r et o r e s t o r ea n dp a r t n e r , t h i st h e s i sr e a l i z e sc o n s t r u c t i o np 2 pn e t w o r ks y s t e m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p l a t f o r ma n di m p l e m e n t ss t r e a m i n gm e d i a d a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e s k e y w o r d s ：p 2 p ；t e a c h i n gn e t w o r k ；s t r e a m i n gm e d i a ；g o s s i p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：主丕! 璺盎： 日期：歹州年；月g 日 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 随着信息高速公路的建成，i n t e r n e t 网络已风靡全球，网络已经进入 了社会生活的各个领域，网络的全球化、交互性、开放性、共享性的特点， 极大地促进了网络教学的发展。 目前以p 2 p 技术为核心的软件越来越多引起了人们的关注，p 2 p 技术掀 起了互联网络新一轮的冲击波。通过直接交换共享计算机上的资源和服务。 尤其是将p 2 p 强大的文件共享功能和点对点模式应用于网络教学系统，更 加显示了其巨大的发展潜力和应用价值。 本课题的主要目的就是研究一个基于p 2 p 技术的网络教学互动系统，通过 p 2 p 技术能够直接交换共享计算机上的资源和服务，实现高效利用现有的有限 资源，解决c s 模式的系统瓶颈问题；同时在p 2 p 网络中应用流媒体技术，实 现网络课件直播，使学生通过网络能够同步听课，突破远程教育中同步学习 效率低的问题。 p 2 p 从诞生以来就迅速风行，基于p 2 p 的文件交换已经成为互联网的主 流应用。目前，p 2 p 应用已经占据了整个互联网流量的2 3 以上。随着计算 机技术的发展和宽带网络的迸一步普及，p 2 p 技术的应用也越来越显现出其 优势。p 2 p 网络的非中心化和自发组织的体系结构特性，使其更具有非常好 的健壮性。也正是p 2 p 网络的灵活性和易操作性提升了互联网用户的共享 和参与热情。p 2 p 是一种技术，但它更是一种思想，实现互联网的大部分潜 力，将互联网从一个基于文件的网页和电子邮件网络转变为一个动态的、 颗粒状网络。p 2 p 技术让人们可以通过互联网实现直接的交互，从而使得网 络沟通变得更为容易、资源共享更为直接，因而它在加强网络人际交流、 文件交换和分布计算等方面具有广阔的前景和深刻的现实意义。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 传统的网络学习系统虽然可以允许学习者进行学习交流和直接沟通， 但这类学习活动一般都需要在主题、时间和交流人员等方面制订明确的计 划和安排，造成了很多的麻烦和不便。基于p 2 p 的知识交流方案却不同， p 2 p 使得有利于知识自由获取的，动态的学习成为可能。虚拟的即时沟通方 式能够更快捷地解决用户所遭遇的现实问题，并消除了通过正式教学系统 进行学习的时空障碍。同时基于p 2 p 的网络教学辅助系统使人际阃的知识 交流更加迅速，资源共享更加快捷和方便，从而提高了人们解决学习问题 和处理事务的效率。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网络教学系统研究状况 国际上网络教学起步的较早，最初是在一些计算机网络比较发达的国 家，如美国、英国、日本等。在很短的时间内网络教学的应用和普及发生 了巨大变化。在美国，几乎所有大学都建立了校园网，并联上i n t e r n e t ， 美国的每间教室和每个图书馆都将联上信息高速公路，让每个孩子都能在 2 l 世纪的技术文化方面受到教育。英国在这方而采取的行动也令人瞩目， 英国在全国范围内的所有高等院校中实施一项称之为“计算机用于教学创 新”，其目标是要通过计算机、多媒体与远程通讯技术相结合，实现对高 等院校所有学科从教学模式、教学内容到教学组织形式的彻底变革。 近年来，在我国网上点播课程的方式开始兴起。一些免费或收费的网上 课堂平台出现，北京大学“大学课程在线”收集了一些精品课程，并在互 联网上实现了点播播放。p 2 p 的出现，为视频内容的交换提供了极大的帮助。 但目前视频远程网络教学发展还是存在很多问题。i p t v 虽然对网络远程教 育的有帮助，但投入比较高，会带来新的问题，比如农村网络基础建设程 度差、人才缺乏；同时，i p t v 带来的个性化教育需求，要求视频课程内容 大幅增加，目前已有的课程内容显然不够用。而将p 2 p 技术应用于流媒体 领域，将打破传统的客户月务器模式，客户端不仅可以从服务器那罩直 接取得数据，还可以彼此相连获取流媒体数据。这样可以使服务分散化， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从而减轻服务器负载并支持更大范围流媒体发布，支持大规模用户在线， 投入成本很低，具有广泛应用价值。 目前，就基于p 2 p 技术的网络教学系统，国内开发软件系统讨论教少， 而且多数系统还处于开发和运营的初期，网络教学辅助平台在中国的发展 正在进一步扩展，从最开始的停滞走向繁荣也不再是开发者的梦想。相信 未来基于p 2 p 网络的辅助教学互动系统的深入与延伸不仅对互联网产生深 远的影响，更加为i t 学习这一新兴领域带来无限的价值。 1 2 2 国内外p 2 p 技术的研究现状 ( 1 ) 国际现状 国际上p 2 p 技术起步的较早，从国外公司对p 2 p 计算的支持力度来看， m i c r o s o f t 公司、s u n 公司和i n t e l 公司投入较大。8 i c r o s o f t 公司成立了 p a s t r y 项目组，主要负责p 2 p 计算技术的研究和开发工作。目前m i c r o s o f t 公司已经发布了基于p a s t r y 的软件包s i m p a s t r y v i s p a s t r y 。r i c e 大学 也在p a s t r y 的基础之上发布了f r e e p a s t r y 软件包。 在2 0 0 0 年8 月，i n t e l 公司宣布成立p 2 p 工作组，正式开展p 2 p 的研 究。s u n 公司以j a v a 技术为背景，开展了j x t a 项目。j x t a 是基于j a v a 的 开源p 2 p 平台，任何个人和组织均可以加入该项目。因此，该项目不仅吸 引了大批p 2 p 研究人员和开发人员，而且已经发布了基于j x t a 的即时聊天 软件包。在j x t a 核心之上，还定义了包括内容管理、信息搜索以及服务管 理在内的各种其它可选j x t a 服务。在核心服务和可选服务基础上，用户可 以开发各种j x t a 平台上的p 2 p 应用。 ( 2 ) 国内现状 ，我国p 2 p 技术是最近几年发展起来的，目前比较成熟的技术包括清华大 学的g r a n a r y 一是清华大学自主开发的对等计算存储服务系统，它以对象格 式存储数据；北京大学的m a z e 一是北京大学网络实验室开发的一个中心控 制与对等连接相融合的对等计算文件共享系统，网络上的一台计算机，不 论是在内网还是外网，可以通过安装运行m a z e 的客户端软件自由加入和退 出m a z e 系统。每个节点可以将自己的一个或多个目录下的文件共享给系统 的其他成员，也可以分享其他成员的资源；华中科技大学的a n y s e e 是华 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中科大设计研发的视频直播系统。它采用了一对多的服务模式，支持部分 n a t 和防火墙的穿越，提高了视频直播系统的可扩展性；同时，它利用近播 原则、分域调度的思想，使用l a n d m a r k 路标算法直接建树的方式构建应用 层上的组播树，克服了e s m 等一对多模式系统由联接图的构造和维护带来 的负载影响。 目前我国基于p 2 p 技术的产品也有很多，以腾讯q q 、p p l i v e 、o p e n e x t 、 k u g 0 0 、p o c o 等为代表的p 2 p 产品在短短几年时间，用户的注册量不断增长， 已成为许多网民不能离弃的上网伙伴，其中比较典型的是p p l i v e ，它是一 款基于p z p 技术于互联网上大规模视频直播的共享软件。它使用网状模型， 有效解决了当前网络视频点播服务的带宽和负载有限问题，实现用户越多， 播放越流畅的特性，整体服务质量大大提高。 随着互联网的普及和宽带技术的发展，p 2 p 技术正在飞速的发展，把p 2 p 技术应用到网络教学中，可以解决传统的网络远程教育，因下载速度等问 题影响教学课件传输等问题。而“点对点”网络技术消除了中间商，不再 需要连接到服务器去浏览和下载，可以直接、同步共享网络课件。文件共 享、即时通讯、协同计算是宽带“点对点”的主要应用。 i 3 本文的工作 本论文主要的工作目标是研究如何把p 2 p 网络技术应用到网络教学系 统中去，同时在p z p 网络平台使用流媒体课件等网络教学资源，传统的网 络流媒体播放一般基于c s 模式。但是由于流媒体播放需要消耗大量的网 络带宽和服务器资源，因此这种模式严重限制了流媒体网络教学资源的应 用，在p z p 网络中，节点同时具有服务器和客户机的双重角色，因此基于 p 2 p 的网络系统中应用流媒体教学资源是每个用户既是流媒体数据的消费 者同时又是数据的提供者。设计该系统的目标是充分利用现有的计算资源 和网络资源，降低服务器资源和网络带宽的消耗，实现高扩展性和可靠性， 提供高质量的网络教学系统。基于这些目的，在本文中主要作了如下工作： ( 1 ) 本文首先研究了p 2 p 网络的相关技术原理，分析了p 2 p 技术的优势 和缺点，并阐述了p 2 p 的三种网络结构，同时研究讨论了p 2 p 技术的相关 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用领域。 ( 2 ) 基于p 2 p 网络技术，本文自主设计一个基于p 2 p 网络平台的互动式 网络教学系统，包括直播课堂，课件下载和点播、在线作业、在线考试、 习题管理、在线交流等功能模块。 ( 3 ) 研究并利用g o s s i p 协议的d o h e t 模型实现组建p 2 p 网络平台，对 d o n e t 模型的设计进行了优化，包括节点的加入与管理，缓存映像的描述和 数据交换，数据调度算法，失败恢复和伙伴筛选，并对本系统中p 2 p 网络 中节点管理模块的实现进行了部分代码描述。 ( 4 ) 通过对流媒体相关技术理论的研究，对本系统中传输流媒体数据功 能模块的接口部分进行了设计与实现。 1 4 论文的组织 根据本文作者所做的工作，内容组织安排如下： 第一章介绍课题的研究的目的，意义和内容。相关的内容包括网络教 学系统研究状况、目前国内外p 2 p 技术的研究现状。 第二章介绍了论文的技术背景，论述了p 2 p 的概念、特征，对p 2 p 技 术的优势和缺点进行了分析，阐述了p 2 p 的三种网络结构和p 2 p 技术的应 用领域。 第三章主要完成了一个基于p 2 p 技术的网络教学互动系统的设计方法， 对系统结构和功能设计进行了详细设计研究。 第四章主要内容是研究并利用g o s s i p 协议的d o n e t 模型组建p 2 p 网络 平台，并对本系统中p 2 p 网络中节点管理模块的实现进行了部分代码描述。 第五章主要通过对流媒体相关技术理论的研究，对本系统中传输流媒 体数据功能模块的接口部分进行了设计与实现。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1p 2 p 概念 第2 章p 2 p 技术基本原理 p 2 p ( p e e r t o - p e e r ) 是一种网络模型，即对等网络，可以简单地定义为 通过直接交换共享计算机资源和服务，对等计算机兼有客户机和服务器的 功能。在这种网络中所有的节点是对等的( 称为对等点) ，各节点具有相同 的责任与能力并协同完成任务。对等点之间通过直接互连实现信息资源、 处理器资源、存储资源甚至高速缓存资源等的全面共享，无需依赖集中式 服务器支持，消除信息孤岛和资源孤岛“1 。 2 2p 2 p 技术的优势和缺点 根据p 2 p 网络的特点，p 2 p 具有如下优势： ( 1 ) 负载均衡 p 2 p 网络环境下可以根据策略灵活分布信息啪。负载均衡模块可以监控 各种信息的流量和请求率，然后重新分布这些信息以减轻单个节点的负载。 f r e e n e t 。1 已经采用了自动文件复制和重定向策略。如图2 1 ： 图2 1p 2 p 网络模式结构 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 丰富的信息资源 任何p 2 p 网络用户能够扫描活动节点搜索需要的信息。然后直接从这个 节点下载。用户也可以在他们的机器上把下载的信息共享出来，这样，请 求率高的文件能够很快在许多节点上扩散开来。当网络增长的时候，共享 信息的数量和范围都将随之增长。在一个开放网络环境下，p 2 p 网络能很快 积累相当丰富的信息。 ( 3 ) 冗余和容错 p 2 p 网络的多个节点间的信息复制导致高度冗余，其直接结果是提高了 信息的可用性，使之服务更多的用户。另外冗余使得网络不会产生“单点 失效”问题。所以分散式的p 2 p 网络提高了网络的容错和可用性。这和开 始的i n t e r n e t 设计思想很相似。正如n a p s t e r 的创始人s h a w nf a n n i n g s 所言：“文件共享网络是向原有i n t e r n e t 的一次回归”。 ( 4 ) 基于内容的寻址 在w e b 上u r l 地址并不能直接反映出它们的内容，在p 2 p 网络中存储特 定信息的节点地址对于用户仍然是透明的，用户向网络提交查询请求，请 求信息中包括需要查询的信息，p 2 p 软件把请求转化成这些存放这些信息的 节点地址。这种寻址方式是在语义的高层，因为用户指定的是信息标识符 而不是物理位置。信息标识符等价于一组存储有该信息的节点地址，所以 把信息按照内容分类在网络上分布能够使信息资源更加易于查找。 ( 5 ) 有效的搜索 w e b 搜索引擎存在一些问题，这些搜索引擎依赖于w e bc r a w l e r 在 i n t e r n e t 上漫游得到信息，并把这些信息存储在巨大的、可扩展的数据库 中。这些索引信息仅包括开放的服务器，并且数据库不会随着网络状况动 态更新。在p 2 p 网络中任何节点的信息只有当节点在线的时候才被索引， 因此索引信息与网络状态同步。p 2 p 网络中不依赖于搜索机器人重新访问链 接来修改数据库索引信息。这种动态信息索引和对信息有效搜索使得p 2 p 网络有显著优势。 ( 6 ) p 2 p 相对于c s 结构( 如图2 2 ) 有更多的优势 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c l i e n t c l i e n t c l i e n t 图2 2c s 模式网络结构图 c s 模式下的互联网是完全依赖于中心点即服务器的，没有服务器，网 络就没有任何意义。而p 2 p 网络中，弱化服务器的功能，甚至取消服务器， 任意两台p c 互为服务器及客户机，即使只有一个对等点存在，网络也是活 动的，节点所有者可以随意地将自己的信息发布到网络上。p 2 p 的技术方式 将导致信息数据成本资源向所有用户的p c 均匀分布，即“边缘化”趋势。 但是p 2 p 也遇到了传统的客户机服务器系统中没有的新问题，这给p 2 p 应用的设计带来了困难。 ( 1 ) 节点数量大 很多p 2 p 系统已经达到上百万节点同时在线的规模，这样大的规模导致 的一个直接后果是不可能使用全连接的拓扑结构( 就是让每个节点一记录 当前所有的其它节点) 。这样一来，如果让节点知道更多其它节点的信息并 保证任意两个节点之间能够通信就成为一个棘手的问题。因此，p 2 p 系统中 的节点信息收集算法和覆盖网路由协议就成为p 2 p 研究的一个重要方向。 ( 2 ) 节点动态性高 对于用户来说，使用p 2 p 系统的一个标准模式是“进入系统一查找资源 一获得资源一离开系统”，这一过程的时间通常不会很长，因此p 2 p 系统 的一个显著特点就是节点的平均在线时间短，实验测算，在n a p s t 既和 g n u t e l l a 系统中节点的平均在线时间仅为2 个多小时。节点的高动态性使 得维护数据可用性的工作变得非常困难。 ( 3 ) 节点分布广泛 哈尔浜工程大学硕士学位论文 p 2 p 系统的节点在全球范围内分布，由于时区不同，系统的不同部分会 在不同时间处于繁忙状态。这对负载平衡、任务迁移、复制策略等方面都 提出了新的挑战。 ( 4 ) 网络异步性强 很多客户机服务器系统在集群或者局域网的范围内部署，网络属于同 步网络( ( s y n c h r o n o u sn e t w o r k ) ，也就是说任意两个节点之间的通信延迟 总有上限。而p 2 p 系统部署在i n t e r n e t 这一异步网络( a s y n c h r o n o u s n e t w o r k ) 中，由于网络经常发生阻塞、扰动、分裂等情况，不能保证系统 中任意两点的通信延迟有确定的上限。网络的异步性给一些需要严格语义 的应用造成了很大困难。例如：复制算法在异步网中就不能保证严格的线 性一致性( l i n e a r i z a b i l i t y ) 。那么如何在i n t e r n e t 环境下对于各种操作 保证尽量强的可靠性和一致性就需要仔细的分析和研究。 ( 5 ) 节点之间不互信 p 2 p 节点来自于不同的组织和用户，节点之间没有天然的信任感，因此 安全和隐私保密的工作就十分重要，如何在与别的节点交换数据时保护好 自己的隐私一直是p 2 p 研究的一个重要方向。 ( 6 ) 节点具有自私性 很多用户总是试图多使用别人的资源，少贡献自己的资源。实验测算， 在g n u t e l l a 中有2 5 的节点从不共享数据给别人，只从别人那里下载数据。 并且有大量的用户( 大约占3 0 ) 低报自己的带宽以降低其它用户下载其数 据的速率。如何激励用户多贡献自己的资源，保证交换中的公平性也是受 到很多研究者关注的问题。 正是p 2 p 系统的这些新特点使得p 2 p 系统从一出现就显得与传统的服务 器客户机系统有着非常大的差别。这也是它之所以能够引起众多著名学者 的研究兴趣的原因之一。 。 2 3p 2 p s 勺网络结构 根据拓扑结构的关系可以将p 2 p 分为3 种结构：集中式、非结构化和 结构化。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 是集中式p 2 p 结构 集中式p 2 p 由一个索e j i , q 务器来负责记录共享资源以及这些资源的地 址。该模型的工作机制为：对等点在索引服务器上注册自己的存在和自己 的共享资源；从索引服务器查询资源及其所在的对等点；连接该对等点得 到所需的资源。 这一种结构的系统易于管理、易于发现网络节点，安全性较好。但是 这种结构不容易扩展，索引服务器容易成为系统的瓶颈，一旦索；j l f l f f 务器 崩溃，整个系统将处于瘫痪的状态。 2 3 2 结构化的p 2 p 结构 结构化p 2 p 模式是一种采用纯分布式的消息传递机制和根据关键字进 行查找的定位服务，目前的主流方法是采用分布式哈希表( d h t ) 技术，这也 是目前扩展性最好的p 2 p 路由方式之一。由于d t t t 各节点并不需要维护整 个网络的信息，只在节点中存储其临近的后继节点信息，因此较少的路由 信息就可以有效地实现到达目标节点，同时又取消了泛洪算法。该模型有 效地减少了节点信息的发送数量，从而增强了p 2 p 网络的扩展性。同时， 出于冗余度以及延时的考虑，大部分d h t 总是在节点的虚拟标识与关键字 最接近的节点上复制备份冗余信息，这样也避免了单一节点失效的问题。 2 3 3 非结构化p 2 p 结构 所谓结构化与非结构化模型的根本区别在于每个节点所维护的邻居是 否能够按照某种全局方式组织起来以利于快速查找。非结构化p 2 p 结构也 被称作“纯p 2 p ”。它取消了集中的中央服务器，每个用户随机接入网络， 并与自己相邻的一组邻居节点通过端到端连接构成一个逻辑覆盖的网络。 对等节点之间的内容查询和内容共享都是直接通过相邻节点广播接力传 递，同时每个节点还会记录搜索轨迹，以防止搜索环路的产生。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4p 2 p 技术的应用 p 2 p 技术由于对资源的充分利用的特点，促使目前在许多领域蓬勃发展。 主要分布于如下领域“，： 2 4 1 文件共享 文件共享是p 2 p 最初的应用和基本功能之一o ，在传统的w e b 方式中， 要实现文件交换需要服务器的大力参与，通过将文件上传到某个特定的网 站，用户再到某个网站搜索需要的文件，然后下载，这种方式的不便之处 不言而喻。在这种情况下，n a p s t e r 抓住人们希望通过互联网共享m p 3 音乐 文件的需求，以p 2 p 模式实现了自由的文件交换体系，从而引发了网络的 p 2 p 技术革命。通过p 2 p 来搜索和下载与传统的方式最大的区别就是你不是 从其它网站的服务器搜索与下载资源州，而是从任何一个在线网友的机器里 直接下载，当然其它网站的服务器也可以看作是一个对等点，这样真正让 个人电脑实现了与服务器平起平坐。从技术上讲，目前的p 2 p 文件交换系 统有以下几种不同的形式。一种是“中心文件目录分布式文件系统”，交 换数据时是通过中央服务器来进行目录管理的”1 。n a p s t e r “”属于此类，由 于采用集中式目录管理，所以不可避免地存在单点瓶颈的问题。另外一类 属于完全的p 2 p ，这类系统没有中间服务器。这类软件更接近于绝对的自由， 因为没有中间服务器，这样形成的p 2 p 网络很难进行诸如安全管理、身份 认证、流量管理、计费等控制。c o n u t e l l a 和f r e e n e t m3 是这方面两个典型 的应用，它们都不可避免地存在着不足。第三类系统是上两类系统的折衷 一有中间服务器，但文件目录是分布的，如w o r k s l i n k “”，这是国内具有代 表性的p 2 p 应用软件。耳前中间服务器起的作用是让两台电脑进行“握手”， w o r k s l i n k 通过分布式文件系统，建立完全开放的可共享文件目录， w o r k s l i n k 通过相对的自由来兼顾安全和可管理性。 2 4 2 协同工作 协同工作是指多个用户之间利用网络中的协同计算平台互相协同来共 同完成计算任务，共享各种各样的信息资源等。1 。协同工作使得在不同地点 哈尔滨j = 程大学硕士学位论文 的参与者可以在一起工作。在p 2 p 出现之前，协同工作的任务通常由诸如 l o t u sn o t e s ， m s e x c h a n g e 等来实现，但是无论是采用哪种服务器软件， 都会产生极大的计算负担，造成昂贵的成本支出，而且不能很好地完成企 业与合作伙伴、客户、供应商之间的交流。而p 2 p 技术使得互联网上任意 两台p c 都可建立直接的通讯联系，不再需要中心服务器，降低了对服务器 存储以及性能的要求，也降低了对网络吞吐量和快速反应的要求，从而大 大节约了成本，使低成本的协同工作成为可能，最终帮助企业和关键客户， 以及合作伙伴之间建立起一种安全的网上工作联系方式。因此基于p 2 p 技 术的协同工作目前受到了极大的重视【9 】。 l o t o u s 公司的创始人组织开发的g r o o v e “”是目前最著名的p 2 p 协同工 作产品。g r o o v e 采用中间传递服务器( r e l a ys e r v e r s ) 来实现p 2 p 的多播 i n ，采用x m l 表示的路由协议，多个不同的g r o u p 之间不仅仅可以共享文 件、聊天信息还可以共享各种应用程序。另外，e n g e n i as o f r w a r ei n c ， e z ，i n t e r b a n d 等都是协同工作的典型应用。 2 4 3 即时通讯 所谓即时通讯，其实指的就是诸如o l c o ，i c q 等被称为在线聊大的软 件。从某种意义上说，由于版权的限制，即时通讯应用将超过文件共享应 用，成为p 2 p 的第一大应用。在即时讯息领域，a o l 和微软、y a h o o 一直有 比较激烈的争斗。与i r c 、b b s 或w e b 聊天室比较，p 2 p 的即时通讯软件不 仅可以随时知晓对方在线与否，而且交流双方的通讯完全是点对点进行， 不依赖服务器的性能和网络带宽。尽管目前的即时通讯技术一般都具有中 心服务器，但中心服务器仅是用来控制着用户的认证信息等基本信息，并 且帮助完成节点之间的初始互联工作“”。 j a b b e r “”是一个开放源码的实时通信平台，j a b b e r 提出了一个在不兼 容的各种实时通信平台之间进行消息交换的协议，这种协议包含在一个采 用x m l 表示的路由协议中。最近，s k y p e 公司推出的s k y p e “”即时通讯软件 简单易用，话音质量比较高，但是不支持视频，不能传输图像。h e a d c a l l 公司应用p 2 p 技术建立h e a d c a l l 通讯平台1 ，推出a n y c h a t 即时通讯软件、 h e a d m e e t i n g 视频会议系统和h e a d c a l l 网络电话，实现了真正免费的通信。 1 2 堕叠亟三矍丕堂堡主堂笪堡塞 2 4 4 文件传递 传统的文件传递的方式主要是通过电子邮件或f t p 的方式进行“，这 类方式有很多的问题： ( 1 ) 电子邮件是p - s - s - p 的方式，f t p 是p s p 的方式，这两种方式都 有中间环节，而p 2 p 消除了中间环节，数据传输将更加直接高效。 ( 2 ) 电子邮件对于超过2 m 的数据文件发送将很困难，而且不能断点续 传，p 2 p 可以很好的解决这个问题。 ( 3 ) 存在中间环节服务器，就存在安全隐患，一旦服务器被攻击，则数 据安全很难保证。p 2 p 的模式由于数据传输的动态性、移动性，模式本身就 有了安全性。 2 4 5 其他应用 网络社区：任何有共同兴趣的群体，包括家庭或计算机业余爱好者， 可利用列表和一个网站来创建他们自己的互联空间。 电子商务：p 2 p 可增加新的功能，包括分布式连接和开通供应链链路， 分发信息、内容或软件，并利用中心目录或搜索功能使信息仍保留在原来 的节点上。 游戏：p 2 p 方式可为开发非集中控制的在线社区游戏提供一个自然平 台。开发人员可将重点放在游戏功能上，而不是与通信协议的接口上。制 定游戏规则的服务商由幕前隐向幕后，把游戏的控制权完全交给普通用户， 这样网民与网民之间实现了真正直接、简单、自由的沟通。 2 5 本章小结 本章主要对p 2 p 网络相关技术的原理进行了基础研究，首先说明了p 2 p 的概念；然后详细分析了p 2 p 技术的优点和缺点，并阐述了p 2 p 的三种网 络结构：最后介绍了p 2 p 技术的应用领域，这些应用也是在本系统中的应 用，本章的内容为后面系统设计和实现组建p 2 p 网络提供了技术理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于p 2 p 技术网络教学互动系统的设计 3 1 系统设计的基本思想 本系统主要构建一个基于网络的辅助教学平台，采用p 2 p 网络模型。 本人在该系统中主要完成的工作是应用的p 2 p 来设计辅助教学平台中的教 师学生互动系统。即在网络中各节点可以通过直接互联共享信息资源和使 用教学课件等，这不仅可以提高资源的利用率，还可以减轻传统c s 模式 下造成的服务器的负担、避免系统瓶颈问题，使网络具有更强的可扩展性。 3 2p 2 p 技术在本系统中的应用 p 2 p 技术的核心思想是节点既是资源或服务的获取者，也是资源或服务 的提供者。基于c s 结构的应用系统，用户数量受服务器性能和网络带宽 的限制：而基于p 2 p 结构的应用系统，可以在不提升服务器性能和网络带 宽的条件下，大规模的提高用户数量。 p 2 p 网络分为三类，一是集中式p 2 p 网络，是第一代的p 2 p 网络，由服 务器进行集中调度，如n a p s t e r ；二是结构化p 2 p 网络，适用于信息查找， 但维持结构化网络的开销较大，如c h o r d 、c a n 、p a s t r y ；三是非结构化p 2 p 网络，适用于多种用途的轻型p 2 p 网络，如k a z a a 等。 本系统选用的是非结构化p 2 p 网络( 如图3 1 ) ，并针对视频播放的需要 做了适当的优化，底层是自组织、非结构p 2 p 网络层，负责建立和维护网 络；上层是基于数据驱动的p 2 p 媒体传输层，负责高效、准确的传送媒体 数据。 p 2 p 网络层的自组织特性，使节点不需要服务器对节点做复杂的调度工 作，极大的减轻了服务器的负载。服务器只做简单的“引导”工作，在节 点首次加入p 2 p 网络时辅助节点找到其它节点。所有的节点根据自身状态、 邻居节点状态和网络环境状况决定自身行为，如组建p 2 p 网络、消息传递、 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 隔离状态检测和恢复等。 图3 1 系统中p 2 p 网络层和媒体传输层 p 2 p 网络层的非结构特性，使节点无需维持p 2 p 网络的结构状态，极大 的提高了节点性能和效率。同时在节点加入、退出p 2 p 网络时，不会产生 较大冲击，增加了p 2 p 网络的稳定性和容错能力。 传统的媒体传输层使用应用层组播树技术( 如图3 2 ) ，将所有节点组织 成“树”结构，媒体数据从树的根节点向叶子节点传送，每个节点依赖于 特定的父节点。 + 1 图3 2 媒体传输层使用应用层组播树技术 应用层组播树技术有着不可消除的缺点，一是延迟随树的深度变大而迅 速增大：二是非叶子节点离开对下游节点影响较大；三是多数的叶子节点 没有将数据传输给其它节点。 为了避免应用层组播树技术所固有的缺点，使用了“数据驱动”技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设计p 2 p 媒体传输层，将节点组织成一个“无向图”结构( 图3 3 ) ，每个节 点不依赖于特定的节点，节点间的数据传递使用“请求一应答”模式传送， 保证不产生垃圾数据。 图3 3 数据驱动的p 2 p 媒体传输“无向图” 数据驱动的p 2 p 媒体传输有如下优点： ( 1 ) 任意节点离开不会产生较大的影响。 ( 2 ) 所有节点都是数据的接收者和提供者，即数据双向传输。 ( 3 ) 使用半同步机制，不会产生延迟。 ( 4 ) 通过缓存交换机制，保证不产生垃圾数据。 数据驱动模式和缓存交换策略保障了网络中的数据流量不会无限制的 增长。 3 3 系统结构 3 3 1 系统网络结构 基于p 2 p 技术的网络教学互动系统服务器和客户端在管理上采用客户 端服务器( c s ) 模型，教学资源在中心平台进行归类、整理和分发，通 过互联网传送到终端用户( 图3 4 ) 。中心平台为用户提供多种服务功能，并 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 整合各教学类资源。网络教学系统中所有服务功能都由服务中心提供，包 括在线直播课堂、课件下载和点播、在线交流、在线考试等。服务器中心 平台是网络教学系统的核心部分，备份中心动态备份服务中心的关键数据， 在中心平台出现数据丢失的情况下，备份中心可快速恢复中心平台的服务 能力。 圆 嬲 囟 我 3 3 2 系统逻辑结构 图3 4 系统网络结构 ( 1 ) 系统设计模型 本系统主要有数据服务器和远程客户端组成，其中服务器由6 大服务 器模块服务，通过互联网与远端用户实现交互，如图3 5 所示。其中流媒 体课件直播服务模块为远端用户提供在线直播课堂服务；课件下载和点播 模块提供课件点播和下载服务，远程用户可选择所需要播放的课件内容； 在线作业系统应该提供教师网上布置作业、学生网上完成作业和教师网上 批改作业的功能；在线考试来测试学习者学习学习效果是一种行之有效的 主要手段；习题管理实现学生登录后进行学习时，可自己选择练习题，习 题库中包含了所有网络课程的练习题，便于学生学习一部分课程之后复习； 在线交流实现学生在课堂时间以外找到教师答疑解惑，或者同学之间进行 问题的讨论和交流。 远程客户端为用户提供了交互界面，通过身份认证后为用户提供信息 查询、视频播放和在线交流等功能。 1 7 沅稃黧篇警曩嚣霭嚣一理下 抽同篓黧主霎翼黧器装盏荔嚣焉c s ) 觥三? o 篇墨乙黧嚣篇鬣嚣淼，导致系统瓶 曼煮：曩慧有黧蓑等茎器搿麓：毳毳器茹 孳燃吉銎嚣蒙慧蒜嚣鬈焉激器嘉芏裹磊 耄仅要兰竺篓莩篙嚣差篆篡差篙姜萋篙彖嘉器鬈，差；翟；篡篱嘉蒸豢薹 据。这种设计可以明显的减轻服务器的数据负荷绳向用厂祓付驯。” 堕堡堡三堡盔堂堡主堂鱼鲨塞 本系统有6 大模块，包括在线直播课堂模块、课件下载和点播模块、 在线作业模块、在线考试模块、习题管理模块、在线交流模块。每个模块 又可划分为客户端模块和服务端模块。每个模块仅在自己的