（计算机应用技术专业论文）基于局域网的纯软件多媒体网络教室的研究与实施.pdf

长春t 业大学硕士学位论文 摘要 网络多媒体技术是一个新兴的正在飞速发展的应用领域，它综合了多媒体信息压 缩技术、计算机通信技术和数据存储技术等。目前，网络多媒体技术的应用有很多， 主要包括视频会议、协同工作、计算机辅助教学、电子商务等。i n t e r n e t 的普及，进 一步推动了网络多媒体技术的发展，使人们更多的享有网络带来的多媒体信息和服务。 纯软件的多媒体网络教室就是应用网络多媒体技术，基于c b e ( c o m p u t e r - b a s e d e d u c a t i o n ) 的计算机辅助教学系统。多媒体网络教室( m u l t i m e d i an e t w o r kc l a s s r o o m ) 是一套基于局域网的多媒体教学管理软件。通常指的是在普通机房或教学网络基础上， 通过软件和必要的硬件辅助设备实现教师机与学生机进行连接，实现各计算机之间屏 幕、声音的实时交互，并且具有多种辅助教学管理功能的教学软件系统。 随着网络技术和多媒体技术的日趋成熟，很多原来需要硬件加速的功能都可以逐 渐使用软件来完成。通过采用全新的压缩算法和高效的数据传输技术，突破了早期多 媒体网络教室在实际应用中的诸多技术障碍和成本限制，提出了基于网络系统平台的 纯软件的多媒体网络教室解决方案，不但能够实现传统计算机网络教室的全部功能， 还彻底解决了以往搭建多媒体网络教室成本高昂、建设周期长、维护不便和使用困难 等一系列难题，具有最低总体拥有成本、全新教学技术、界面直观友好、灵活易用并 可随意升级、免维护等独特优势。 本文对多媒体网络教室的现状和关键技术进行了分析与研究，重点对多媒体网络 教室数据传输的可靠性和多媒体数据( 尤其是图像数据) 的压缩算法等技术做了详细 的研究和设计。本文的创新点有两个，分别是： 使用自适应的混和a r q ( a d a p t i v eh y b r i da r q ) 处理i p 组播通信的丢包问题。系 统可根据当前网络状况的好坏选择不同的方案处理丢包问题。 使用j p e 6 压缩标准压缩屏幕图像的帧内冗余数据，使用取点c r c 校验的方式压缩 两帧数据间的冗余，大大减少了数据传输量。 经过详细的分析，在m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 平台上对该系 统进行了详细的设计与实现，在局域网范围内构建了一个满足教学需求的教学系统。 并且，在设计工作完成之后，做了多次的不同环境下的测试工作，从而对系统的创新 点进行了验证。 关键词：多媒体网络教室图像压缩i p 组播自适应混和a r q 多线程 长春1 = 业人学顾l ：学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，c o m p u t e rn e t w o r km u l t i m e d i at e c h n o l o g yi so n er i s i n ga p p l i c a t i o na r e a w h i c hi sd e v e l o p i n gr a p i d l y ；i tc o n t a i n sm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nc o m p r e s s i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d a t as t o r a g et e c h n o l o g y ，a n ds oo i lt o d a y ，c o m p u t e r n e t w o r km u l t i m e d i at e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha s ：v i d e oi n t e r n a t m e e t i n g , c o o p e r a t i n gw o r k , c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n , e - b u s i n e s s ，a n ds oo n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t , i ti m p r o v e sc o m p u t e rn e t w o r km u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，s oi ti s p o s s i b l ef o rp e o p l et oe n j o ym o r em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na n ds e r v i c e s m u l t i m e d i an e t - c l a s s r o o ms o r w a r e s y s t e mj u s t m a d e b yc o m p u t e rn e t w o r k m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , i ti sac a ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) w h i c hb a s e do nc b e ( c o m p u t e r - b a s e de d u c a t i o n ) m u l t i m e d i an e t w o r kc l a s s r o o m i sas e to fl a nb a s e d m u l t i m e d i ai n s t r u c t i o nm a n a g e m e n ts o f l w a r e s u s u a l l yi tr e f e r st oo nt h ef o u n d a t i o no f c o m m o n n e s sh a l lo rt e a c h i n gn e t w o r k ，i tu s e ss o f t w a r ea n dn e c e s s a r yh a r d w a r ea c c e s s o r yt o r e a l i z et e a c h e rs c r v f f fa n ds t u d e n tc l i e n tc o n n e c t i o n , a n dt or e a l i z es c l e 圮n ，a u d i or e a lt i m e i n t e r a o s v ea r o u n de a c hc o m p u t e r , a n di th a sm u l t i - a s s i s t a n c et e a c h i n gm a n a g e m e n tf u n c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , al o to f f u n c t i o nw h i c ho r i g i n a l l yd e m a n d sh a r d w a r ea c c e l e r a t i o ng r a d u a l l yl l s es o f t w a r et oc o m p l e t e t h i ss y s t e ma d o p t st h el a t e s tc o m p r e s sa l g o r i t h ma n dd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s oi t b r e a k st h eh i n d e ra n dc o s tl i m i t a t i o no f t h eo l dm u l t i m e d i an e t - c l a s s r o o ms o f t w a r es y s t e m i nt h i ss y s t e m , w ep u tf o r w a r dt h en e wm e t h o do fm u l t i m e d i an e t - c l a s s r o o ms o f t w a r e s y s t e m , w h i c hi sb a s e do nn e t w o r lt h en e wm e t h o dn o to n l yc a nr e a l i z ea l lt h ef u n c t i o n s t h a tt h eo l do n e sc a nd o ，b u ta l s oc a ns o l v em a n yp r o b l e m si nt h eo l ds o r w a r es y s t e m s ，w e k n o wt h a tt h ep r o b l e m sa r eb j 曲c o s to f m a k i n gu pt h em u l t i m e d i an e t - c l a s s r o o ms o f t w a r e s y s t e m , l o n gc y c l e ，h a r d l ys a f e g u a r de n d n o te a s yt ou s c b u tt h en e wo n eh a sm a n ya d v a n t a g e s f i r s t l y , w en e e d n tp a ym u c hm o n e yt os t r u c t u r e i t ，s e c o n d l y , w eu s e dt h ea d v a n c e dt e a c h i n gt e c h n o l o g y , t h i r d l y , t h ei n t e r f a c eo f t h es o f t w a r e i sf r i e n d l y , f o u r t h l y , u s e r sc a nu s ei te a s i l y , f i n a l l y , i ti se a s yt ou p d a t ea n dn e e dn o ts a f e g u a r d f r e q u e n t l y i nt h i sp a p e rid oa n a l y s e sa n dr e s e a r c ha b o u tm u l t i m e d i an e t w o r ks c h o o l r o o ma c t u a l i t y a n dc r i t i c a lt e c h n o l o g y ，m a i n l ys t u d ya n dd e s i g nt h et e c h n o l o g yo ft h ed a t at r a n s f e r r e l i a b i l i t yo fm u l t i m e d i an e t w o r ks c h o o l r o o ma n dt h ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mo fm u l t i m e d i a d a t a ( a b o v ea l li m a g ed a m ) t h i sp a p e rh a st w oi n n o v a t i o np o i n t s ： 长春t 业夫学硕十学位论文 1 u s i n ga d a p t i v eh y b r i da r q t op r o c e s sl o s tp a c k e tp r o b l e mi nc o m m u n i c a t i o n0 f 口 m u l t i c a s t i n g t h es y s t e mc a l ls e l e c td i f f e r e n to p t i o n st op r o c e s st h ep r o b l e mo f l o s t i n gp a c k e t sb a s e do nc u r r e n t l yn e t w o r ks t a t u s 2 u s i n gj p e gc o m p r e s sa l g o f i t h mw h i c hc a nc o m p r e s ss c r e e np i c t u r er e d u n d a n t d a t a w i t h i nf l - a e l l ea n dc r c a l g o r i t h mt h a ti tc a l lc o m p r e s sp i x e lr e d u n d a n td a t ab e t w g d l t w of x a l l 豁t or e d u c ed a t at r a n s f e rq u a n t i t yl a r g e l y b ya n a l y z i n gd e t a i l e dt h i ss y s t e mp r o c e e dd e t a i l e dd e s i g na n d r e a l i z ea b o v em i c r o s o r c o r p o r a t ev i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3p l a t f o r m , c o n s t r u c tat e a c h i n gs y s t e m s a t i s f a c t i o nt h e t e a c h i n gd e m a n di nl a n e n v 面o n m e n t a f t e rd e s i g n , id i dm a n yt e s t i n gw o r ki nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n tt od e m o n s t r a t ei n n o v a t i o np o i n t s k e yw o r d s ：m u l t i m e d i an e t w o r kc l a s s ，i m a g ec o m p r e s s i o n , i pm u l t i c a s t i n g ，a d a p t i v e h y b r i da r q ，m u l t i t h r e a d i n g 长存丁业夫学硕仁学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：7 以叼年月；j 日 日期：矽7 年；月21 日 长存工业大学硕士学位论文 第一章绪论 在科学技术高速发展的今天，计算机网络已渗透到当今社会的每一个领域而计 算机网络为我们的生活所带来的高效性、灵活性、方便性早已成为不争的事实。随着 近年来多媒体技术的出现和日臻完善，计算机网络技术和多媒体技术的结合更将计算 机应用技术带入了一个全新的境界。 计算机网络是通过通信线路将分散在不同地理位置、具有独立功能的多个计算机 系统，按照一定的连接方式相互连通，并依据一定的网络协议进行数据传输，达到共 享计算机硬件、软件和数据资源的计算机集合。 多媒体技术是以数字技术为基础，融合通信技术、传播技术和计算机技术为一体， 能够对文字、图形、图像、声音等多种媒体所表现的信息进行传送、存储、重现，并 能够通过人机交互对它们进行综合处理的一门技术【”。 多媒体技术和计算机网络技术的结合不仅可以通过计算机对多媒体进行数字化处 理，即把图形、文字、声音、图像通过数字化而有机地形成一个整体，加工、处理后再 综合地表示出来，也可以通过网络中功能完善的网络软件管理，共享某些硬件、软件和 数据资源。 多媒体网络教室( m u l t i m e d i an e tc l a s s r o o m ) 就是计算机网络技术与多媒体技 术在教育教学方面相结合的典型应用。 1 1 多媒体网络教室的研究背景和意义 1 - 1 1 研究背景 现代教育的改革，将计算机网络技术和多媒体技术引入教学各个环节，从而引发 了教学方法、教学手段、教学工具的重大革新，这些变革对提高教学质量，推动教育 现代化的发展起着不可估量的作用。 怎样才能将计算机技术充分地应用在教育领域中，使其服务于教育，是摆在教育 界、计算机界多年来的重大课题。多媒体网络教室，充分运用当今最新的计算机网络 技术和多媒体技术，将单调、乏味的课堂知识形象地体现在声音、图像、影视、动画 中，通过计算机网络技术的运用，使得真正基于交流、讨论的这种全新的教学方法成 为可能，极大地增强了学生的教学参与意识，进一步提高了学校的教学质量，可以说 计算机多媒体网络教室的产生无异于教育界的一场革命。 长春t 业大学硕士学位论文 目前我国各级教育研究部门、教学设备供应商、各级学校和培训中心已组建或正 拟组建涵盖多个学科的多媒体计算机教学网络。广义的计算机教学范围己从单一只局 限于计算机学科的教学扩展到多学科的计算机辅助教学。 1 1 2 研究意义 本课题的研究意义如下： 1 促进网络教学的发展，提高网络教学的质量。对网络教学的研究代表了现代科 技与教育结合的方向，将抽象化为具体，将枯燥变为生动，变被动式学习为主动探索 式学习，充分发挥学生的主体作用。 2 实现网络教学实时性、交互式。多媒体技术和网络技术在教学上的结合，有利 于设计以学生为主导的理想学习环境，有利于学生主动学习。 3 。降低了教学设备投入。由于采用纯软件方式实现，比起n e wc l a s s 、t o p 9 7 、 w i n s c h o o l 等硬件产品，安装简易、价格低廉、升级便利。 1 2 国内外有关研究现状 目前主流多媒体网络教室主要有以下三类： 一是基于多媒体采集卡的硬件多媒体网络教室，例如：n e wc l a s s 等；二是采用纯 软件方式开发的多媒体网络教室；例如：小哨兵、易思、北远志及苏亚星等软件产品； 三是同时使用采集卡和软件开发的控制台的多媒体网络教室。 根据实现的技术和市场发展趋势来看，采用纯硬件或者软硬结合方式构架多媒体 教室都需要在每台机器( 教师机和学生机) 上安装多媒体传输控制卡和专用的多媒体 传输控制网线、转接电缆，这样以来就存在价格高和需重新布线安装等问题。而且随 着计算机和网络性能的提高，很多原来需要硬件加速的功能都可以逐渐使用软件来完 成。由此可见，采用硬件采集卡的多媒体网络教室正逐渐退出历史舞台，软件化、数 字化将是多媒体网络教室的发展方向。 综上所述，以p c 工作站为节点的纯软件系统将是未来多媒体网络教室的发展趋 势。未来基于网络设计的纯软件产品的软件化并最终产生数字化的多媒体电子教室是 发展方向，专用的硬件产品会随着微机和网络性能的提高而逐渐淘汰。 1 3 本文的研究目标和技术路线 研究目标 本文的研究目标是：通过分析纯软件架构的多媒体网络教室系统在理论与技术上的 2 长春工业大学硕十学位论文 可行性，研究并改进其实现的关键技术，实施一个纯软件多媒体网络教室以替代目前 市场上流行的基于硬件采集卡的多媒体网络教室。 技术路线 本文的技术路线是：使用传统的c s 结构，在教师机上采用多线程技术，定时捕捉 分块的屏幕图像，使用帧间和帧内两种压缩方式去除数据冗余，然后采用提高了传输 可靠性的i p 组播方式将数据传送到学生机，从而实现屏幕教学的功能。 长存工业大学硕扣学位论文 第二章多媒体网络教室概述 2 1 多媒体网络教室简介 多媒体网络教室也称网络化多媒体教室，通常指的是在普通单机机房或普通教学 网络( 一般为2 旷一5 0 台计算机) 的基础上，通过音视频传输卡、信号传输线、控制 部件、耳机、麦克风等设备实现教师机与学生机进行连接，实现各计算机之间屏幕、 声音的实时交互切换，并且具有多种辅助教学管理功能的教学系统1 2 。 由于基于硬件设计的多媒体教室费用很高，实现困难，而且难于维护，所以基于 网络设计的纯软件多媒体教室成为主流。如无特殊说明，本文中的多媒体网络教室指 的是纯软件的多媒体网络教室。 纯软件多媒体网络教室，是基于网络操作系统来实现音视频传输的网络教学软件， 所有音视频信号以数字方式进行传输。纯软件多媒体教室突破了早期网络教学软件在 实际应用中的技术障碍和成本限制，提出了独立于网络系统平台的全新解决方案，不 但能够实现传统网络教室的全部功能，彻底解决了以往网络教室建设成本高、建设周 期长，维护、使用困难等一系列难以解决的问题。而且，它还拥有教学模式新颖、界 面直观友好、灵活易用等特点。 2 2 多媒体网络教室的分类 根据教师控制信号的传送方式和教学数据的采集方式的不同，多媒体网络教室可 分为如下三类： 1 纯硬件多媒体教室。它是一套专用硬件网络系统，安装和使用都是完全基于硬 件的。比较有代表性的产品有n e wc l a s s ，h i c l a s s 等。它白成一套系统，与学生机、 教师机的操作系统都没有关系，与计算机的速度一也没有关系。硬件版的多媒体教学 系统都拥有一台专用h u b 、一个操作控制台。在每台学生机和教师机上需要安装一块多 媒体卡，这块卡上有类似c p u 的芯片，鼠标和键盘接在这块卡上接受控制。 2 纯软件多媒体教室。其实质是一种软件，在商品形式上就是一张光盘，里而有 教师机和学生机两套软件，所有数据及控制信息都通过纯粹的计算机网络来传递，而 不需要特殊的硬件设备。这就不难看出，纯软件的多媒体教室系统对网络操作系统有 针对性，对网络速度、稳定性都有较高的要求，其优点是安装简易、价格低廉、升级 便利。目前市场上推出纯软件多媒体教室系统的厂家越来越多，如巨龙to p2 0 0 0 i p c i a s s 、星澜多媒体网络教室、实达i - c l a s 、深蓝易思多媒体网络教室、联想因特网 电子教室传奇2 0 0 0 等。 4 长春1 = 业大学硕i ：学位论文 3 软硬件结合。这种系统的主要特点从是：硬件部分与上述的纯硬件系统差不多， 每台学生机和教师机都要安装一块多媒体控制卡，但是没有控制台部分，这部分是以 软件的形式安装在一台用户控制系统的专用计算机里，界面模仿硬件控制台。 2 3 多媒体网络教室的功能简介嘲 广播教学：可将教师机的电脑屏幕画面和语音等多媒体信息( 如：教学课件、v c l ) 、 c d 、摄像头、扫描仪、电视信号等) 实时传送广播给全体、群组或单个学生，可对 单一、部分、全体学生广播，广播过程中可动态增删被广播对象。 示范教学：教师可选定一个学生的屏幕及声音转播给其他学生，增加学生对教学的 参与感，提高学习的积极性。 监视监听：教师可实时监视、监听每个学生的多媒体信息，观察学生的学习情况， 这样教师不用离开自己的座位便可在自己的计算机上观看到每个学生对计算机的 操作情况。可对单一、群组或全体学生进行循环监视监听。 单独对讲：教师可与任意指定的学生进行实时双向语音对话，而其它学生不受扰。 黑屏控制：当教师在口述讲解，无须学生看屏幕时，为了不让学生因看屏幕而影响 听讲，在必要时，可强制学生机屏幕黑屏，使学生能够集中精力听讲。 鼠标、键盘锁定；为防止学生在未经许可的情况下操作电脑，教师可随时锁定、解 锁任意学生机的键盘和鼠标，使学生无法进行操作。 电子举手：学生使用电子举手功能可随时通过键盘或鼠标呼叫教师。学生可随时通 过热键或鼠标电子举手来进行问题抢答或向教师提出自己的问题，学生举手在教师 界面中用特定动态图标表示，学生可得到电子举手的反馈信息。 遥控辅导：教师机锁定并接管指定的任意学生机键盘和鼠标，对学生远程遥控，辅 导学生完成操作，进行“手把手”式交互式辅导教学，教师在遥控辅导教学中可实 时监视被遥控学生的电脑屏幕，教师在遥控辅导教学中可与被遥控学生进行双向交 谈。 电子白板：模拟黑板，教师在电子白板上可实现在普通黑板上的全部功能。可同时 设定学生与教师共享电子白板，使用电子白板教师可边操作软件边注解，达到教学 提示及注释的目的。可随时改变白板大小或清除白板，提供编辑功能，支持复位、 剪切和粘贴操作。提供文字书写，提供作图功能，可改变调整笔型、笔宽及笔色； 提供多种形状教鞭显示，提供有水平、垂直游尺，提供放大功能，可放大局部或设 定的显示区域。 消息发送：模仿电子邮件功能，教师可选择向单一、群体、全体学生发送信息，也 可设定学生发送消息给教师或其他学生，教师收到学生信息后，可以立即对所发消 息的学生进行监控。 s 长春t 业夫学硕十学位论文 2 4 网络拓扑及网络环境 2 4 1 多媒体网络教室的拓扑结构 系统的网络拓扑为星型结构( s t a rt o p o l o g y ) ，网上所有客户机均通过工作组交 换机连接到服务器。如下图所示： 图2 1 多媒体网络教室的拓扑结构图 2 4 2 多媒体网络教室的网络环境 l 、纯软件架构的多媒体网络教室系统对于网络硬件没有特殊的要求。对于一般的粗缆 细缆双绞线连接起来的局域网，都可以有效运行该系统。网络的速度可以是1 0 m 或 1 0 0 m ，或者1 0 l o o m 自适应的。 2 、系统对于网络软件亦没有特殊要求。并不需要特定的网络服务器来运行相关的软件。 因此可以采用诸如n c t w a r e 、w i n d o w sn t 、l i n u x 或者是w i n d o w s9 x 的对等网来规 划和构架网络，实现文件目录的管理任务。 3 、系统支持目前被互联网广泛使用的t c p i p 等协议( 广播支持i p x 协议) 。网络中 可以安装i p x s p x 、n e t b e u i 等其他协议以支持其他的应用，这不会影响该系统的 运行。 6 长春工业大学硕 ：学位论文 第三章多媒体网络教室系统的分析与设计 3 1 系统功能模块的分析与设计 在阅读了大量参考资料，以及在对当前主流多媒体网络教室系统的研究的基础上， 我们将纯软件多媒体教室系统划分为网络通信、教学、教学管理三个模块，这样不仅 便于分开研究其实现技术，而且便于分别予以实施。 通信模块是整个多媒体网络教室的支撑部分，所有的教学和管理活动都要借助网络 通信来完成，根据通信方式的不同我们将它分为多点对点和口组播两个子模块。 教学模块是多媒体网络教室的主体，主要完成实时的多媒体教学任务，包括屏幕广 播教学、电子白板、留言板等子模块。 教学管理模块是教学模块的辅助，主要完成对学生机的管理和监控，包括系统管理 和网络监控两个子模块。 系统功能模块结构图如下图3 一l 所示 点 对 点 通 信 模 块 多媒体网络教室 通 信 模 块 p 组 播 通 信 模 块 文 件 传 输 子 模 块 屏 幕 教 学 子 模 块 教 学 模 块 讨 论 区 子 模 块 电 子 白 板 子 模 块 电 子 基 手 子 模 块 图3 1系统功能模块结构图 7 系 统 配 置 子 模 块 管 理 模 块 网 络 监 控 子 模 块 长存工业大学硕j ：学位论文 3 2 系统体系结构的分析与设计 服务器端客户机端 ( s e r v e r ) ( c l i e n t ) 通信模块 控制流 纠蓍鉴篓霎i l 多点对点 _ 一i 誊轰曩萎k、 学 生 机 教0 r 传输模块 j 1|i i 矿 师 7 ( t c p ) 机 一z 、 划螫磐墼警r = 口组播 7 学生机端i 数据流 模块 - i 教学模块 l 1 驭手俣职1 1( u d p ) 3 3 关键技术简介 图3 2系统体系结构图 多媒体网络教室集现代数据通信与网络技术、多媒体信息处理技术、计算机技术 于一体，其中的关键技术有【4 】： 1 多点通信技术 实时的多点通信模型是实现多媒体网络教室的关键，它的主要功能是完成对教学 内容的处理和发送。多点通信是实现该模型的关键技术。以前一般使用点对点方式和 广播方式来完成多点通信。但这两种方案都有弊端：若使用多个点对点的方式，则每 个目的节点都要发送一个单独的数据包，这就增加了网络负载，而且因为使用面向连 接的t c p 协议，限制了学生机的规模；如果使用广播方式，则整个网络内的节点都可 以接收到数据包，降低了可靠性，不便于网络的管理，而且广播方式一般适用于局域 网，无法拓展受众范围。目前可采用i p 组播技术实现多点通信。i p 组播技术是对标准 i p 网络层协议的扩充，它使用d 类i p 地址，每个d 类i p 地址作为一个组播地址，每 个组搔组成员具有一个相同的d 类地址，源节点发送信息只发送给组成员，并且对于 相同路径上的站点只发送一个数据包，只有在必要的分支处才进行复制。这样就节省 长春t 业大学硕：仁学位论文 了大量的网络带宽，消除了对客户端规模的限制。 2 数据压缩与编码技术 图像、视频、音频等多媒体信号数字化以后数据量很大，在目前的通信环境和设 备下，直接传送显然是不可行的。于是二十多年来，人们不断地研究在保证一定质量 和压缩比前提下的数据压缩和编码技术。根据方法可以分为两大类：一类是无损压缩 和编码，如霍夫曼可变长度特征编码、自适应压缩l z w 编码、算术编码以及行程编码 等，这类编码技术又称可逆编码，它不丢失任何信息，但压缩比较低，通常不超过8 。 另一类是有损压缩和编码，它是近年来研究的热点和重点领域，其方法包括预测、变 缓、模型、基于重要性、基于内容的编码以及在以上基础上的混和编码。 目前最为流行的有损压缩算法有：离散余弦变换( d c t ) 压缩、分行( f r a c t u a l ) 压缩以及小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ) 压缩。其中，最为常用的离散余弦变 换被认为是压缩语音与图像信号最好的压缩方法【5 1 。 国际标准化组织( i s o ) 和国际电信联盟( i t u ) 制定出一系列的编码标注，如h 2 6 1 、 h 2 6 3 等，为多媒体网络教室提供了切实可行的编码技术与标准。对于静态图像压缩， i s o 制定了j p e g 标准，j p e g 有损压缩率为1 0 ：1 直至1 0 0 ：1 ，无损压缩率大约为4 ：1 。 对于动态图像压缩，i s o 制定了m p e g 标准。 3 多线程技术 为了了解线程的概念，我们必须先讨论一下进程的概念，一个进程通常定义为程 序的一个实例。为了让进程完成一些工作，进程必须至少占有一个线程，线程负责执行 包含在进程的地址空间中的代码。实际上，每个进程可能包含几个线程，它们可以同 时执行进程的地址空间中的代码。为了做到这一点，每个线程有一组c p u 寄存器和栈。 每个进程至少有一个线程在执行其地址空间中的代码，否则，进程也就没有继续存在 的理由，系统将自动清除进程及其地址空间。为了运行所有这些线程，操作系统以轮 转方式向线程提供时间片，这就给人一种假象，好像这些线程都在同时运行。创建一 个w i n d o w 进程时，它的第一个线程称为主线程，由系统自动生成然后可由这个主线程 生成额外的线程，这些线程又可生成更多的线程。 以通信程序作为其中一个模块的应用程序往往在数据发送或接收的同时还要做其 它工作，因而在主程序中要采用多线程( m u l t i t h r e a d ) 技术。即将数据的发或收，放在 一个具有一定优先级( 一般宜取较高优先级) 的辅助线程中，在数据发或收期间，主程 序仍可进行其它工作。 9 长存1 = 业大学硕 学位论文 第四章通信模型的设计与实施 随着计算机网络的日益普及，基于网络环境进行程序开发成为主流。对网络应用 程序来说，一种合理高效的网络通信机制至关重要。在多媒体网络教室中，针对多媒 体网络通信特点和实时监控的需要，我们设计了一种新的网络通信机制。本章介绍网 络通信及其接口s o c k e t ，在此基础上论述了多媒体网络教室通信模型的设计思想及其 实现过程。 4 1 网络通信基础 随着生产的复杂化、规模化，计算机在实现某些功能的时候必须通过人机的交互、 协同完成。这种协同，主要体现在处于不同地域、从事不同工种的、完成不同功能的 计算机之间的资源共享、相互支配，共同完成信息的处理。为了达到这种协同工作， 人们为之约定了计算机之间相互通信的规范，形成今天的网络通信协议。这些协议极 大地满足了互连互通的功能。 接下来，我们将简要分析t c p i p 四层参考模型和网络通信的三种模式陋7 i 。 4 1 1t c p i p 协议 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 r n e tp r o t o c 0 1 ) 传输控制协议 网际协议是目前最常用的一种通信协议，它是计算机世界里的一个通用协议，同时也 是i n t e r n e t 的基础协议。t c p i p 协议是发展至今最成功的通信协议，它以其开放性 的特点成为了i n t e r n e t 的基础，尽管目前不是国际标准，但在计算机网络体系结构 中占有非常重要的地位。 t c p i p 是个动态的协议族，除包括t c p 、i p 基本协议外，还包括f t p 、s m t p 、t e l n e t 、 i c m p 、a r p 、s n m p 、e g p 、r t p 等协议组成线性序列，而且随应用的扩大，还会有新的协 议加入进来。t c p i p 协议的体系结构分为四层，由高到低分别是：应用层、传输层、 网络层和链路层例，如下图4 一l 所示。 应用层( t e l , n e t 、f t p 、h t r p 、d n s 、s n m p ，s m t p 等) 传输层( t c p 和u d p ) 网络层( i p 、i c m p 和i g m p ) 链路层( 以太网、令牌环网、f d d i 、i e e e 8 0 2 3 等) 图4 一lt c p i p 协议层次结构 1 0 长春工业夫学硕1 ：学位论文 1 链路层( l i n kl a y e r ) 链路层在t c p i p 协议栈的最低层，也称为数据链路层或网络接口层，通常包括操 作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。链路层的功能是把接收到的 网络层数据报( 也称i p 数据报) 通过该层的物理接口发送到传输介质上，或从物理网 络上接收数据帧，抽出i p 数据报并交给i p 层。t c p i p 并没有具体定义链路层，只要 是在其上能进行i p 数据报传输的物理网络( 以太网、令牌环网、f 3 ) d i ( 光纤分布数据 接口) 、i e e e 8 0 2 3 等) ，都可以当成t c p i p 协议栈的链路层。这样做的好处是t c p i p 协议可以把重点放在网络之间的互联上( 尤其是异种网的互联) ，而不必纠缠于物理网 络的细节。可以说，t c p i p 的目的不是要求大家都遵循同一种标准，而是在承认有不 同标准的情况下解决这些不同。因此，网络互联是t c p i p 技术的核心【9 】。 2 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 网络层也称为互联网层，由于该层的主要协议是i p ，也简称i p 层。它是t c p i p 协议栈中最重要的一层，主要功能是可以把援助机上的分组发送到互联网中的任何一 台目标主机上。我们可以想象，由于在源主机和目标主机之间可能有多条通路相连， 因此网络层就是要在这些通路中做出选择，即进行路由选择。在t c p i p 协议族中，网 络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、i c 胛协议( i n t e r n e t 互联网控制报文协议) 以及 i g m p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) 。 3 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 我们通常所说的两台主机之间的通信其实是两台主机上对应的应用程序之间的通 信，传输层提供的就是应用程序之间的通信，也叫端到端( e n dt oe n d ) 的通信：在 不同情况下应用程序对通信质量的要求是不一样的，因此在t c p i p 协议族中传输层包 含两个不同的协议：一个是传输控制协议( t c p ) ；另一个是用户数据报协议( u d p ) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信，当有数据要发送时，它对应用程序送来的数据 进行分片，以适合网络层进行传输；当接收到网络层传来的分组时，它对收到的分组 要进行确认；还要对丢失的分组设置超时重发等。由于t c p 提供了高可靠性的端到端 通信，因此应用层可以忽略所有这些细节，以简化应用程序的设计。而u d p 则为应用 层提供一种非常简单的服务，它知识把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台， 但并不保证该数据报能正确到达目标端，通信的可靠性必须由应用程序自己提供。 4 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 应用层向使用网络的用户提供特定的、常用的应用程序，如使用最广泛的远程登陆 ( t e l n e t ) 、文件传输( f t p ) 、超文本传输协议( h t t p ) 、域名系统( d n s ) 等。当然值 得注意的是f t p 和h t t p 等应用层协议是基于t c p 协议的，而s n m p 等协议是基于u d p 协议的。尽管应用层提过了较多的应用程序，但这些程序只能满足普通用户在一般情 况下使用网络的需求，如果用户要在网络上进行特殊的应用，就需要网络用户根据自 己的实际需要开发所需的应用程序。 长春工业人学硕士学位论文 4 1 2 网络通信模式 网络应用程序问通信包括点到点和点到多点两种，它们都是基于t c p i p 协议，利 用w i n d o w ss o c k e t s 网络编程接口技术来实现。 实现动态媒体流传输已成为多媒体网络教学系统的一个主要技术目标。尽管在宽 带的局域网上传输压缩后的动态图像已不再是一件特别困难的事情( i o m 的带宽已能满 足至少一个传输流上压缩活动图像的带宽要求) ，但是，因为多媒体数据是大数据量且 突发性强的通信流，从而使传输流的质量很难得到保证。因此，要使网络多媒体教学 系统能够适应较大教学场合，就迫切需要解决以下问题：( 1 ) 如何尽可能保证传输流 的服务质量；( 2 ) 如何有效地拓展会话节点的规模【埘。 目前使用的i p 4 0 协议定义了三种i p 数据包的传输【i l 】：单播( u n i c a s t ) 、广播 ( b r o a d c a s t ) 和组播( m u l t i c a s t ) 。单播是发送一个信息包从一个i p 站点到单个i p 站点的数据传输方式，又称点到点传输，这是最常见的i p 传输；广播是发送一个信息 包从一个i p 站点到一个整个i p 子网的数据传输方式，所有在子网内部的i p 站点都能 够收到这种数据包；组播是发送一个信息包到在一组i p 站点进行数据传送，组播技术 传递信息包到一组接收者，这一组i p 站点是动态形成的，每一个i p 站点都可以动态 地加入或者退出这个组。 由上述可知，在多媒体网络教室的通信模型的选择上我们有一下三种方法进行多点 传送： ( 1 ) 采用广播方式发送数据包； ( 2 ) 用多个点对点的数据连接来实现一点到多点的数据通信； ( 3 ) 采用组播方式实现。 下面我们来分析一下三种多点通信模型的优劣： ( 1 )通过发送广播数据包的方式实现多点通信的优点是简单方便，只需要设置 i p 数据报的目的地址为特殊的广播消息地址即可。但是这种方式存在着先天的缺陷： 首先，要把大量的多媒体数据发给子网内的所有主机，不仅占用了不需要此数据包的 主机的处理时间，而且也占用了不需要此数据包的局域网分支的带宽，容易引起网络 拥塞，甚至有可能是“广播风暴”；其次，广播的范围只能是本地子网，路由器会封锁 广播通信，导致非本地子网客户端无法接收到教学信息【1 2 1 。 ( 2 )采用多个点对点的数据连接来实现一点到多点的数据通信方式优点是准 确，而且客户端可以是来自i n t e r n e t 上的任何主机，因为点对点通信本身使用的是t c p 协议，它提供高可靠性的数据通信。但同时这种方式也存在着不足：一方面，这种方 式传输同一数据的次数与接收端点的数目成正比，对网络带宽的利用率不高，造成严 重的资源浪费；另一方面，我们知道t c p 连接作为一种宝贵的网络资源，它的数量是 有限的，因此客户端的数量就受到了一定限制。 长春t 业大学硕士学位论文 ( 3 )和前两种方法相比，i p 组播是一种功能很强的数据传输方式。一方面，它 和普通广播方式一样，发送数据的一方只需要发送一次数据。另一方面，它和普通广 播方式又有很大差别，使得只有那些同意接收数据( 加入了组播地址会话组，可以是非 本地子网客户端) 的计算机才会接收到数据。当然组播方式也有其缺点，那就是组播使 用的同样是u d p 协议，而u