（计算机应用技术专业论文）数字互动教室无线传输功能的实现.pdf

j m a s t e rt h e s i si n2 0 1ls c h o o lc o d e ：l0 2 6 9 s t u d e n tn u m b e r ：5l0 8l5 0 0 0 3 7 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y i m p l e m e n t a t i o no f w - i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nd i g i t a l i n t e r a c t i v ec l a s s r o o m d e p a r t m e m ： m a j o r ： r e s e a r c hd i l e c t i o n ：基堑b 昼亟亟曼亟s y 墨! 曼班 t u t o r ： m a s t e rg r a d u a t e ： z h 垦ql 丛q i m a r c h - 2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学化论文数字互动教室无线传输功能的实现，是在华东 师范大学攻读硕壬博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示 谢意。 作者签名： 日期：叫年手月沙名 华东师范大学学位论文著作权使用声明 数字互动教室无线传输功能的实现系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师 指导下完成的硕壬博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。 本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构 如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入 华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士 学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩 印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文幸， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、所不保密，适用上述授权。 导师签毽垒醴 本人签名 叫年9 月_ h “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 赵丞麈硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱明华研究院华东师范大学主席 软件学院 琚小明副教授华东师范大学 软件学院 曹桂涛副教授华东师范大学 软件学院 一 新型 中各 通过 息交 服务 的通 与其 保证 示范 与观 a b s t r a c t d i g i t a li n t e r a c t i v ec l a s s r o o mi san e w t y p ec l a s sr o o mw h i c hm t e 2 r a t e sv a r i o u s m o b i l ed e v i c e sw i t hi 1 1 t e r a c t i v ew h i t e b o a r d b a s e do nt h eo r i g i n a li n f o 啪a t i o n 协仔a s t f l j c t u r e ，i tu p g r a d e sa i l d 确p r o v e st h et r a d i t i o m lm u l t i m e d i ac l a s s r o o m e m i t i e si n t h et e a c h i n ga c t i v i t i e sa r em e g r a t e do 玛a i l i c a l l ya n dan e wt e a c h i n gp a t t e mi sg e n e r a t e d a c c o r d 访gt ot h es p e c i f i ce n v 的n m e n to fd i g i t a li n t e r a c t i v ec l a s s r o o mt h i sp a p e r t l a sd e s i g n e dac s 以m e w o r ks y s t e mb a s e do nh t t p t h r o u g ht h es e v e rs y s t e m ，t h e i n t e r a c t i v ee l e c t r d n i cw h i t e b o a r dc o f n m u n i c a t e sw i t ht h ei n t e r a c t i v ee l e c t r o n i cb a 2a n d t h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma 1 1 ds t a n d a r db e t w e e nt h et w oa r eh l a d e t h es e n ，e r s y s t e mi sr e a l i z e di i lt h el h m e w o r ko fa p a c l e 十p h p + m y s q la n dt h ec l i e n ts o f t w a r ei i l t h ei 1 1 t e r a c t i v ee l e c t r o n i cb a gi sr e a l i z e db ys o c k e tp r o g r a m m i n g t h ec l i e n ts o r w a r c i n t e g r a t ew i t ho t h e ra p p l i c a t i o ns o r w a r eb ys i i i l u l a t i i 塔m o u s ea n dk e y b o a r dm e s s a g e t h es y s t e m 量1 a sb e e np u tt ou s ea n do f i 爸r e do u t s t a n d i i l gs u p p o r tt ot h ei i l t e r a c t i o n b e t w e e nt h et e a c h e ra n ds t u d e n t s i t1 1 1 a k e st h et e a c h i i l ga c t i v i t i e s 瑚l o r en u e m ，m o r e i n t e r a c t i v ea n dm o r ei m e r e s t i n g t h es y s t e mh a sb e e ni m p l e m e n t e di 1 1t h ed 锄o n s t r a t i o nc l a s s r o o mi i ln o 2 s e c o n d a r ys c h o o la t t a c h e dt oe a s tc h i i l an o 加a 1u n i v e r s i t y a ut h et e a c h e r sa n d 或u d e n t sg i v ea 伍v o r a b l er e s p o i l s ea f t e rt h e yh a v es e v e r a lc l a s s e smt h ec l a s s r o o m i tw a s a l s od 砷l a y e di i lt h ev i pp a v i l i o no f2 010s h a n g l l a ie x p oa n dr e c e i v e dh i g ha p p r a i s e f b mt t l eh o s ta r l dv i s i t o r s k e yw o r d ： d i g i t a l i n t e r a c t i v e c 1 a s s r o o m ； w i r e l e s si n t e r a c t i o n ； i n t e r a c t i v ee 1 e c t r o n i cb a 吕c s ，h t t p 目录 论文摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 项日背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文主要内容4 1 4 本文的结构4 第二章 数字互动教室无线传输需求分析与功能设计一6 2 1 数字互动教室无线传输功能需求概述6 2 2 数字瓦动教室无线传输功能分析与设计6 2 2 1 数字互动教窜的服务器功能分析与设计8 2 2 - 2 交互式电子书包客户端功能分析与设计9 2 2 - 3 交互式电子白板功能分析与设计l o 2 3 本章小结1 l 第三章数字互动教室无线传输协议分析与设计1 2 3 1 数字互动教室环境分析1 2 3 2 通信协议的研究1 2 3 2 1 t c p i p 参考模型1 2 3 2 2 网络接口层1 3 3 2 3 网络层1 4 3 2 4 传输层1 4 3 2 5 应用层15 3 3h t t p 协议15 3 3 1 h t t p 的工作模式1 5 3 3 2 h t t p 的消息格式。1 7 3 4 基于h t t p 协议的数字互动教室运作模式设计1 9 3 4 1 系统登录与在线状态监督流程设计1 9 3 4 2 交互式电子自板向交互式电了书包发送文件流程设计一2 l 3 4 3 交互式电子书包向交互式电子白板发送文件的流程没计2 2 3 4 4 交互式电子自板向交互式电子书包发送命令流程设计。2 3 3 4 5 交互式电子书包交向互式电子白板发送命令流程设计2 4 3 5 本章小结2 5 第四章数字互动教室无线传输功能的实现2 6 4 1 数字互动教室服务器系统。一2 6 4 1 1 w e b 服务器2 7 4 1 2 p h p 脚才。2 9 4 1 3 数据库结构设计3 3 4 2 交互式电子书包3 4 4 2 1 电了书阅读器3 4 4 2 2 甲板电脑3 5 4 2 3 平板电脑交互模块的实现3 6 4 4 1 多线程下载的原理4 0 4 4 2 多线程下载的实现4 l 4 5 断点续传的实现4 3 4 6 交互文件处理的实现4 4 4 7 本章小结4 5 第五章应用实验4 6 5 1 实验日的4 6 s 2 实验环境4 6 5 2 1 实验参与人员4 6 5 2 2 实验设备4 6 5 - 3 教学活动应用4 7 5 4 实验结果4 9 5 s 实验结论4 9 5 6 本章小结4 9 第六章总结与展望5 l 硕士在读期间发表的论文5 2 参考文献5 3 致 射一5 5 华尔师范人学硕i ：学位论文数字耳动教室无线 输功能的实现 第一章绪论 1 1 项目背景及意义 随着现代科学技术尤其是信息科技的发展，我国各行各业的信息化程度日益加 深，信息化的覆盖面也日益广泛。教育事业作为人类文明传承、社会进步和国民经 济发展的基石，也在享受着信息化所带来的诸多益处。多媒体教室在我国经济发达 地区已得到普遍应用，计算机走进课堂在很多地方已经成为现实。随着其应用范围 日益广泛以及销售价格越来越低，计算机早已走进千家万户，成为人们日常生活、 工作和学习中不可或缺的工具之一。信息化使教学内容以多渠道的方式呈现，将理 论教学和直观教学有机的结合在一起，调动了学生的多种感官参与学习，提升了教 学的质量、提高了教学效率、扩大了教学规模。上世纪9 0 年代中后期，以计算机、 投影、视频展示台、总控系统组成的新的多媒体教学工具日益普及，声音、图像、 文字、视频被整合为一体多媒体课件走进了课堂。 同时，随着自然生态环境的日益恶化，大自然正向人类发出一轮又一轮的反击， 人们的环境保护意识也正在日益增强，如何减少对自然资源的消耗，减轻污染物的 排放，是人类可持续发展所面临的一个重要课题。传统的书籍主要材料为纸张，而 纸的生产有需要消耗大量的森林木材资源，造成了严重的环境破坏；此外，我国教 育界近年来一直提倡对中小学学生的进行减负工作，减负不单单是减轻学生的学习 心理负担，也要减轻学生的身体负担，从而促进青少年身心的健康成长。而科技的 发展使以往数百本乃至上万本的图书装在一个小小的电子书包内成为了现实。 时下最流行的混合式学习是当前教育界比较认同的一种教学模式。所谓混合式 学习，就要把传统学习方式的优势和现代学习方式的优势有机的结合起来，既要发 挥教师引导、启发教学过程的主导作用，又要充分调动学生学习的主动性、积极性 和创造性【l 】。而将交互式电子白板与电子书包如何有机的结合在在一起，从而让师 生的教与学能够在高度互动中进行，将是决定这种教学活动成功与否的关键。 作为教学活动的重要阵地，教室已经经历了从传统教室到多媒体教室的变革， 人们已经从这次变革中获得了诸多益处，而一次新的变革从多媒体教室到数字 互动教审也正在紧锣密鼓的进行中。香港、台湾等地已经完成电子教搴的基础 建设，成功的把信息科技引入班级，搭建起了传统教室和网络世界的桥梁。电脑走 华尔师范人学硕l ：学位论文数字百动教室无线传输助能的文现 进教室，信息科技在教学中的应用日益广泛，已经明显带来教室教学效果的提高。 “数字互动教室”( d i g i t a l i n t e r a c t i v ec l a s s r o o m ) 正是在利用学校现有网络资源 ( 即“校校通”、“班班通”建设成果) 基础上，构架的一种全新的教学模式，能真 正意义上实现师生互动、提高课堂教学效果、灵活教学、提高教学的趣味性、减轻 学生负担。借助于数字出版平台，“数字互动教室”利用交互式电子白板( i n t e r a c t i v e e l e c t r o n i cw h i t e b o a r d ) ，手写液晶屏，手写屏教师上课机，交互式电子书包f i n t e r a c t i v e e l e c t r o n i cb a g ) 等四大核心产品进行课堂互动，实现交互式教学，形成一对一数字化 教学的模式。 数字互动教室与多媒体教室的比较： 传统多媒体教室己经在我国经济发达的东部地区学校中得到了普及，多媒体教 室为师生提供了一定程度的信息化环境，为老师提供了相对传统教室更多的教学工 具，更丰富的教学题材、更形象的授课方式和更广阔的教学途径。但多媒体教室在 给师生教学活动带来方便的同时，也存在许多不尽如人意的地方。数字互动教室无 论是在信息化程度还是在教学活动的进行方式上都是传统多媒体教室的一个升级提 高，为妥善解决传统多媒体教室中存在的问题提供了一个很好的解决方案。与传统 多媒体教室相比，数字互动教室具有以下优点： 1 )数字互动教室提供了师生交互工具，让学生更多的参与教学活动中。在交互 式电子白板和交互式电子书包的协助下，教师与学生之间的交互变得更加简单和有 趣，教师与学生练习更加紧密，更多的学生参与进互动。数字互动教室真正的把师 生互动由口号付诸实践。 2 ) 数字互动教室提供了更加适合于教学活动的软件工具，让教师有更多的集中 于教学活动，享受信息化所带来的益处。传统多媒体教室软件操作复杂，教学活动 中教师需要花费相当一部分精力在软件的操作上，且被束缚于电脑桌前，与学生的 互动反而受到了更多限制。交互式电子白板为教学活动提供了操作简单、功能齐全 并富有针对性的教学工具，让教师重新站在了讲台上授课，并且保持了传统的书写 方式，拉近了与学生的距离。 3 ) 信息化程度更高。数字互动教室不仅实现了教师的信息化，而且也实现了学 生信息化。教师端使用科技含景更高，显示效果更好的交互式电子白板软硬件系统， 学生端则采用了包含由电子书阅读器和多平台平板电脑组成的交互式电子书包，真 华尔师范人学硕l 。学位论文数字巨动教室无线传输功能的灾现 正实现了教室内各个主体的信息化。 4 ) 更加绿色环保。数字互动教室内的交互式电子白板可以完全替代传统教室中 的黑板和粉笔，从而减少了粉尘污染，学生所使用的交互式电子书包则可以取代纸 质书籍，从而减少了纸张的消耗，更大程度的是实现了绿色科技的理念。 5 1 配套设施更齐全，教学资源更卡富。出版社通过数字出版平台为数字互动教 室了提供丰富的数字教材，教师也可以独立制作和发布数字教学内容。 1 2 国内外研究现状 “数字互动教室”在2 0 1 0 年年初由中华东师范大学软件学院院长何积丰院士首 次提出，一期成果已于2 0 1 0 年5 月成功在上海世博会v i p 馆展出，“交互式电子书包” 也又前期仅仅电子书阅读器一种终端设备发展到支持多种平台的平板电脑、活动本 等多种类型的终端设备。国内也出现了与数字互动教室功能类似的教学解决方案， 例如明博教育科技有限公司研发的“优课数字化教学应用系统”和汉王科技股份有 限公司推出的“汉王手写无线多媒体教室解决方案”，台湾地区也在积极研发“高互 动教室”。虽然各地都在积极的尝试此类新型教学环境研发、应用和推广，但目前还 没有哪一种模式能大规模的使用的实际的教学活动中【2 】。其中的一个关键问题编是 如何将各种电子设备有机高效的融合在一个教室单元内，以发挥现代电子设备在教 学过程的中作用，真正为师生的教学活动带来方便而不是负担。 “交互式电子书包”作为数字互动教室的一个重要组成部分，是学生日常学习 和在课堂上与教师交互的主要工具。2 0 0 0 年起，新加坡教育部门开始在一些中小学 校推广“电子书包”，彻底革新学生背书包上学的传统方式。这个重量不足8 0 0 9 的“书 包”，实际上是一个储存、记载和阅读信息、资料的电子装置，还能与因特网连接以 及收发电子邮件。专家们认为， “电子书包”的出现，预示一场新的全球性文化革 命的来临，它带来的不仅是文化、教育领域的改革，也表明电子出版物已开始冲击 传统的文化出版市场。国内从2 0 0 8 年开始，在北京、上海、大连、深期i 四个地方部 分中学亦开始试用电子书包。电子书包主要是由两方面构成，一是阅读教材的机器 载体，二是电子书包中的电子书籍。电子书包的价格亦由这两方面决定。国内电子 书包大致有两种模式，一种是电子书阅读器，另一种是轻薄型笔记本或平板电脑。 电子书包虽然好处不少，但推行起来有一定难度，如何向学生收取硬件费用，如何 计算电子教材费用等等，国家还没有统一的标准，学校也不能贸然尝试。此外，教 华尔师范人学硕i ：学位论文数字瓦动教室无线传输功能的实现 材和普通书籍不同，中小学生的教材出版、发行是由囝家统一管理的，国家未出台 相关政策和标准，电子教材的内容提供商出版社，大多对此表现观望态度。实 际上，目前的电子书包仅是学生学习的辅助工具，并非课堂教材。交互式电子书包 不不仅仅要是具备“书包”的功能，同时还要实现“交互”的功能。交互式电子书 包为电子书包的应用之名了一个新的发展方向，因而如何尽快将交互式电子书包与 教室内的其他教学设备有机融合为一体，是数字互动教室亟需解决的关键问题之一。 1 _ 3 本文主要内容 本文的研究目标是：在由交互式电子白板、教师机( 电脑) 、投影仪、交互式电 子书包、无线路由器搭建而成数字互动教室中，搭建教师端无线交互服务器，开发 电子书包客户端，并设计交互式电子书包与交互式电子白板之间的通信标准规格。 实现教师机与电子书包之间的文件传输管理以及课堂教学活动管理，从而实现教师 与学生的高速互动。调动学生的积极性，提高教学活动的趣味性，营造积极、主动、 创新的学习环境和氛围。 本文首先分析了数字互动教室内无线传输的功能需求。随后基于t c p i p 参考 模型分析了部分现有通信协议的特性，并根据数字互动教室的特定应用环境，确定 了最适合于该环境的各层通信协议。接着对基于h t t p 协议的数字互动教室运作模 式做了详细设计。随后对无线通信的各方功能进行了一一实现，并为提高和改善系 统性能加入了多线程下载和断点续传功能。然后对数字互动教室的实际应用效果进 行了观察和分析。最后对该系统的优势和不足之处做了分析和总结，为今后的研究 提供了参考意见和方向。 1 4 本文的结构 本文的组织结构安排如下： 第一章：绪论。本章介绍了数字互动教室的应用背景与发展现状以及本文的研 究目标，对数字互动教室的架构做了初步规划。 第二章：数字互动教室无线传输需求分析。本章分析了根据数字互动教室的设 计目标，分析了通信各方的功能需求。 第三章：数字互动教室无线传输协议分析与设计。本章通过对t c p i p 参考模型 的研究与分析，选定了各层中最适于数字互动教室无线传输功能的协议，并对应用 层的h t t p 协议做了详细介绍。 4 华尔师范人学硕l j 学位论文 数字巨动教室无线传输功能的贸现 第四章：数字互动教室无线传输功能的实现。本章对对数字互动教室内通信各 方的功能实现方法做了详细介绍。 第五章：数字互动教室实验用例。本章设计并实施了数字互动教室的使用用例， 通过对其使用情况的观察和记录，评估了本系统的实际使用效果，。 第六章：总结与展望。本章对系统做了简要评估和总结，指出了系统中存在的 问题，并对系统进一步提高和完善给出了意见。 华尔师范人学硕i ：学位论文数字可动教室无线f t 输功能的文现 第二章数字互动教室无线传输需求分析与功能设计 2 1 数字互动教室无线传输功能需求概述 数字互动教室旨在为师生提供一个富有互动性、趣味性、生动性的教学环境。 通过数字互动教室服务器系统和无线网络实现交互式电子白板与电子书包的无线连 接；教师借助交互式电子白板能够实现对教材、习题、作业、教师授课所产生的各 种文件以及学生所提交的作业的定点分发工作，并能够对学生提交的学习资料实现 查阅、批改和回复；学生借助交互式电子书包能够实现对作业和相关任务资料提， 对来自教师端的学习资料实现下载。数字互动教室的功能框架如图卜l 所示。 图2 1 ：数字互动教室功能架构图 2 2 数字互动教室无线传输功能分析与设计 数字互动教室要为师生间的无线交互提供软硬件支持，促进教学活动中师生间 的互动，保证教学活动的流畅进行。数字互动教室分为三个模块：交互式电子白板， 服务器系统，交互式电子书包。在教学过程中，交互式电子白板取代传统黑板和粉 笔，教师通过它进行课堂所需的讲演，交互式电子书包取代纸质教材和练习本，学 生可以通过它做所需的记录；当教师需要考察学生的听课情况时，他可以通过交互 6 华尔! j i l i 范人学硕l ：学位论文数字可动教室无线f 输功能的文现 式电子白板向学生发送预先准备好的电子版题目，学生通过交互式电子书包接收教 师发送的题目，在卜而作答以后回复给教师；当学生有问题时，也可以通过交互式 电子书包向交互式电子白板发送问题，教师可以通过交互式电子白板对学生的问题 做出回应；教师还可以通过交互式电子白板向学生分发教学所需的其他资料：所有 的交互活动都是通过服务器系统来完成。数字互动教室内师生交互的流程如图2 2 所示。 锋荔 图2 2 ：数字互动教室师生交互序列图 数字互动教室的两类用户教师和学生通过数字互动教室服务器系统，实现日 常教学活动过程的互动，借助该系统提升教学效果。数字互动教室用例图如图2 3 所示。 华尔师范人学硕f j 学位论文数字百动教室无线传输功能的实现 图2 3 ：数字互动教室无线传输用例图 2 2 1 数字互动教室的服务器功能分析与设计 数字互动教室服务器作为交互式电子白板与交互式电子书包交互的桥梁，负责 实现二者之间的消息交互。对于交互式电子白板，显示当前学生在线状态，当收到 新的发自交互式电子书包的文件或者命令消息时向交互式电子白板发出通知消息， 接收来自交互式电子白板的命令消息，提供文件发送界面和学生文件管理界面：对 于交互式电子书包，首次登入服务器为交互式电子书包建立用户资料库，观测各个 交互式电子书包在线状态，接收来自交互式电子书包的文件和命令消息，向交互电 子书包发送来自交互式电子白板的文件和命令消息，提供文件管理页面。根据服务 器所需要完成的工作，可将其功能划分为三个模块：请求处理模块，操作界面模块 和数据库管理模块。请求处理模块用来响应教师端和学生端的各种请求；作界面模 块负责为用户提供友好的操作接口，主要包括信息发送界面、信息接收界面和信息 查询界面；师生交互过程中产生的记录信息由数据库管理模块处理。数字互动教室 服务器的功能模块图如图2 4 所示。 华自i 师范人学硕l ：学位论文 数字曩动教窀无线f 输功能怕文现 数字互动教室服务器 请求处理操作界而 数据库管理 l 上 教 学发接信 数数 数 师生送收息 据据据 端端 界界查 建更删 ，_ 请请 回面询 业 新除 求 求 界 面 图2 4 ：数字互动教室功能模块图 2 2 。2 交互式电子书包客户端功能分析与设计 交互式电子书包作为学生用户的手持终端设备，应具有存储、阅读和交互的功 能，支持手写输入，支持无线通信。交互式电子书包应为用户提供足够充足的文件 存储空间，支持多种格式文件的阅读与编辑，多种视频格式文件的播放。交互式电 子书包交互模块为学生与教师交互提供接口，同过数字互动教室服务器系统实现与 交互式电子白板的信息交互。教室点子书包的主要功能交互功能具体包括：用户身 份认证，实时在线状态报告，文件与命令消息发送，文件与命令消息接收，用户文 件查询与管理。因而，交互式电子书包主要功能可以划分为两个模块：文本处理模 块和数据交互模块；前者为用户提供各种文件的存储、阅读和编辑的工具，为数据 交互提供交互标的；后者负责将用户处理好的文件通过服务器系统发送给交互式电 子白板并接受来自交互式电子白板的文件，为用户提供来服务器端的数据管理接口。 交互式电子书包的功能模块图如图2 5 所示。 9 华尔师范人学硕f ：学位论文数字瓦动教室无线传输功能的实现 交互式电子书包 交互材料处理 数据交互 i j 一 信l 函 ：交互式电子书包功能模块图 2 3 交互式电子白板功能分析与设计 子白板作为教师教学活动的主要工具，在电子白板硬件设备的支持下， 交互子白板软件应当能够满足教师日常课堂教学活动的各种需求。传统黑板的 书写外，交互式电子白板还应配备有包含图形、图片以及视频的资源库，同时 用户根据需要对资源库进行扩展，从而使教师能够轻而易举的获取教学所需的 素材枯燥抽象为生动具体【3】。为了实现对多种文本文件的使用，交互式电子白 板还有常用文件的解析功能，并能够支持远程教学，同时应具有幕布、探照灯、 回放学工具从而增强课堂教学效果。在实现各项功能要求的同时应当具有较强 的用好性，操作方便简单。 子白板软件另一个重要功能模块就是要为实现教师与学生间的互动提 供支因而必须具有与服务器系统交互的通信模块。通信模块应当提供教师向服 务器文件、命令的接口，监督学生用户的在线状态，同时应能够接收发自服务 器端令、通知消息并向教师实时发出提醒。通信模块应当与电子白板其他功能 有机，保证教学活动的流畅性。交互式的电子白板功能模块图如图26所示。i o 华尔师范人学硕l ：学位论文 数字瓦动教窀无线f 输功能的吱脱 图2 6 ：交互式电子白板功能模块图 2 - 3 本章小结 本章根据数字互动教室环境的特点以及特定的应用场景，分析了数字互动教室 内服务器系统、交互式电子白板和交互式电子书包等系统的功能需求，为各子系统 i 。 划分了功能模块，确定了数字互动教室内无线传输的功能需求。 华尔师范人学硕l ：学位论文数字瓦动教窀无线传输功能的文现 第三章数字互动教室无线传输协议分析与设计 3 1 数字互动教室环境分析 数字互动教室架构建设在一个相对复杂无线局域网环境( w l a n ) 之上，每个数 字互动数字教室即为一个无线局域网，网内包含教师机与数十台交互式电子书包， 电子书包又分为电子书阅读器和平板电脑两类。数字互动教室内的所有设备均安装 有无线网卡，通过无线路由器互联互通，教师可在“电子讲台”上进行电脑操作， 直接用手在“手写屏上课机”、“手写液晶屏”或者利用白板笔在交互式电子白板 上面对教案进行修改、批注，并通过投影仪将这些内容投射到具有实时交互功能的 “交互式电子白板”上。课堂上教师可以通过网络把作业分发到学生的交互式电子 书包上，学生通过手写笔能直接在屏幕上完成教师布置的作业，并通过网络提交作 业以供教师批改。学生对课堂内容若有疑问亦可通过“数字课桌”与老师适时沟通。 无线通信协议既要保证网络有足够的容量，又要保证信息可靠、快速、准确的传送， 保证教学活动的流畅有序进行。 通信协议( c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 ) 是指双方实体完成通信或服务所必 须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的 信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地 传送到确定的地方【4 】。 为规范数字互动教室内各终端的信息传递格式，实现数字互动教室内各终端与 教师机之间稳定、可靠的通信，本文将依据t c p i p 参考模型来分析通信各层协议， 进而选定各层中最适合于数字互动教室要求的传输协议，设计出数字互动教室无线 通信的标准协议。 3 2 通信协议的研究 3 2 1 t c p i p 参考模型 t c p 口参考模型分为四层：网络接口层，网际层( 网络层) ，传输层和应用层， 各层报刊了多种协议，该参考模型如图3 1 所示。 1 2 华尔师范人学硕i ：学位论文数字瓦动教室无线传输功能的文现 a p p i i c a t i o n 良黑岳 s m t pf t p d n s t e l n e ts n m ph t t p t l a n s p o i t 传输岳 t c pu d p i e m p n e t w 0 1 k 网际层 ii p j la r p r a r p i n e t 、o r ki n t e r f h c e e t h e r n e tt o k e n t o k e n f d d i w i f l 网络接口层 b u s i b u s r i n g 图3 1 ：t c p i p 参考模型图 3 2 2 网络接口层 网络接口层是t c p ，参考模型的最低层，定义了与各种网络之间的接口，包 括操作系统中的设备驱动程序、计算机中对应的网络接口卡及各种逻辑链路控制和 媒体访问协议等。网络接口层负责接收i p 数据报并通过特定的网络进行传输。该层 充分体现出t c p 】【p 的兼容性与适应性。网络接口层的通信协议有e t h e m e t 、t o k e i l r 吨、t o k e nb u s 、 f d d l 、8 0 2 1 lw i f i 等【5 】o w i f i 是无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 系列协议的统称。i e e e 8 0 2 1 1 使用星型拓 扑，拓扑结构的中心叫做接入点( a c c e s sp o 缸) ，在m a c 层使用c s m c a 协议。 i e e e 8 0 2 1 1 系列协议中使用最广的标准的是i e e e8 0 2 1 1 b ，其载波的频率为 2 4 g h z ，传送速度可达l l m b i t s ，覆盖范围则可达9 0 米。与蓝牙技术相比，w i - f i 数据安全性较差，但电波覆盖范围更大。 在数字互动教室内，为方便学生用户的实际操作并满足教室内的安全、环境等 要求，各个终端与服务器的交互需采用无线连接。数字互动教室各个终端都需具备 、矾f i 通信模块，支持w i f i 通信协议。数字互动教室半径一般不会超过2 0 米，、i f i 的覆盖范围完全可以满足此项要求。教室与学生之间所传输文本文件大小一般不会 华4 ：师范人学硕l 学位论文数字可= 动教室无线传输功能的实现 超过1 0 m ，w i f i 最高1 1 m b i t s 的传输速度可把用户的等待时间控制在一个合理的 范同之内。综卜所述，系统采用w i f i 作为数字互动教室网络接口层的标准传输协 议。 3 2 3 网络层 网络层主要针对网际环境设计，处理i p 数据报的传输、路由选择、流量控制和 拥塞控制【5 1 。该层中的主要协议为网络协议( i n t e n 僦p r o t o c o l ，i p ) ，使用i p 地址确 定收发端，提供端到端的数据报传递，也是t c p i p 协议簇中处于核心地位的一个 协议。与网际协议配合使用的还有地址解析协议6 时、逆地址解析协议r a r p 和因 特网控制报文协议i c m p 等。 对于登入数字互动教室的每个终端设备，都会随机获取一个教室内局域网段内 的一个i p 地址作为设备标识。 3 2 4 传输层 传输层为两台主机上的应用程序提供端到端的通信服务，该层主要协议有： ( 1 ) t c p ( t r a n s m i s s i o nc o m r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 提供的是面向连接、 可靠的字节流服务。当客户和服务器彼此交换数据前，必须先在双方之间建 立一个t c p 连接，之后才能传输数据。t c p 提供超时重发，丢弃重复数据， 检验数据，流量控制等功能，保证数据能从一端传到另一端。 ( 2 ) u d p ( u s e r d a t a p r o t o c o l ，用户数据报协议) 是一个简单的面向数据报的运 输层协议。u d p 不提供可靠性，它只是把应用程序传给i p 层的数据报发送 出去，但是并不能保证它们能到达目的地。由于u d p 在传输数据报前不用 在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度 很快【6 】。 t c p 协议和l 乃) p 的比较 t c p 是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠 的连接。通过在相互进行通信的设备或服务之间保持一个虚拟连接，t c p 能够提供 可靠的数据传输【2 3 1 。t c p 在数据包接收无序、丢失或在交付期间被破坏时，负责数 据恢复。t c p 实现网络连接进行系统间高可靠性通信。所谓的高可靠性通信是指数 据无误、数据无丢失、数据无失序、数据无重复到达的通信。高可靠性是t c p 传输 协议的主要特点，几乎可以解决所有的町靠性问题。t c p 内部提供了确认与超时重 传机制保证信息成功传递，提供滑动窗口机制控制流量和拥塞。 1 4 华4 汕f 范人学硕i ：学位论文数字瓦动教室无线传输功能的实脱 u d p 与t c p 的主要区别在于u d p 不一定提供可靠的数据传输，它不与对方建 立连接，而是直接就把数据包发送过去，并且u d p 包不具备t c p 包的可靠性与复 杂的控制机制，因而协议不能保证数据准确无误地到达目的地【7 1 。正因为u d p 协议 没有连接的过程，所以它的通信效果高；但也正因为如此，它的可靠性不如t c p 协 议高。当数据传输的性能必须让位于数据传输的完整性、可控制性和可靠性时，应 当选择t c p 协议；一个t c p 连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，加上t c p 丰富的功能有时会导致不可预料的性能低下，当强调传输性能而不是传输的完整性 时，如音频和多媒体应用，或者数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整 个流量主体的情况下，应当选择则l 刀) p 。 在数字互动教室中，必须确保教师与学生之间的通信能够准确无误的进行，才 能保证教学活动的流畅进行，因而对信息传递的可靠性要求较高，通信协议必须保 障彼此通信能无差错地顺序传递所有数据。综上所述，数字互动教室内的信息交互 采用t c p 协议 3 2 s 应用层 应用层将应用程序的数据传送给传输层，以便进行信息交换。它主要为各种应 用程序提供了使用的协议，标准的应用层协议主要有：h t t p 、s m t p 、s n m p 、f t p 、t e l n e t 、 s i p 、s s h 、n f s 、r t s p 、) ( m p p 等。 3 3h t t p 协议 h t t p 协议采用请求响应模型，定义了浏览器怎样向w e b 服务器请求w e b 文档以 及服务器怎样把文档传送给浏览器，此类架构一般采用b s 模式【8 1 。协议传送数据 的形式可以是普通正文、超文本、音频、视频等等。 3 3 1 h t t p 的工作模式 h r r p 定义w 曲客户端如何从w e b 服务器请求w 曲页面，以及服务器如何把 w 曲页面传送给客户端。h t r p 协议采用了请求响应模型。客户端向服务器发送一 个请求，请求头包含请求的方法、i j l 地、协议版本以及请求修饰符、客户信息等。 服务器以一个状态行作为响应，响应的内容包括消息协议的版本、成功或者错误编 码、服务器信息、实体信息以及可能的实体内容等。 r ；：耋：竺向服务器发送一个t c p 连接的s y n 请求。 暑霎雪耄嚣：絮芑黧用一个s 眦吠磊磊包对其进行响应。 进行意盖翟徽嘶再次焉茹嚣龅 进行确认，此时，t c p 连接成功建立。 n u 叫服分稿反透一个a c k 数据包 向服菇黛戢屁神粒即使用请求飙通常枷、h e a 。椭t )向服务器请求数据。 一“厶、垲吊月比l 。、h e a d 或p o s t ) 但在茹嚣勰氅黧端回应其相应帅t p 报头和黼5 ) ， 麓? 下枇懒僦费大；蒜：嚣焉鬻黑的报头。 一“川7 1 x 口州叼候只能返回h t t p 数据基耋警纛；：慧篓段时嘲单独地分组进行僦当 数据传输完后，客户端发送f i n 数据包关二连薹：叫口丹早狈地分组进行传输，当 1 6 图3 3 ：请求消息的一般数据格式 1 ) 请求行 请求行由请求方法字段、l u 字段和h 1 曙版本三个字段组成，它们用空格分 隔。h t t p l 0 定义了3 种最基本的请求类型，即g e t 、p o s t 和h e a d ，h r r p l 1 有增加了5 中可能的请求方法：p u t 、d e l e t e 、o p t i o n s 、t r a c e 、c o n n e c t 2 l 】。 2 ) 头部行 请求标头由关键字值对组成，每行一对，关键字和值用冒号分隔。请求投标 通知服务器有关客户端的