（计算机应用技术专业论文）一个适合远程教育的应用级组播协议研究.pdf

摘要 本文首先分析了i n t e r n e t 环境下具有大量信息交互的远程教育应用的多方通 信特征，提出了为远程教育系统设计多方通信协议的基本原则。参照这些原则对 多种可靠组播协议和应用级组播协议进行了分析和比较，并且探讨了这两类协议 的优势和不足。 在以上研究基础上，本文针对网络教育多方通信的特征提出了一个新的应用 级组播协议：可扩展混合组播( s h m ) 。s h m 主要包括一个地址映射方案、一个拓 扑管理协议s t m p 以及一个内容发布协议s c d p 。 为解决i p 组播地址问题以及现有应用级组播协议中地址方案的不足，本文提 出了一个新的三段式地址方案。为了将成员构建成更有效的叠织网，作者在s t m p 中提出了使用“活动成员”以及树深控制的方法。并且使用n s - 2 对其进行了模拟 分析，模拟结果表明这种方法可以增加树的效率，降低资源开销和加入延迟。在 构建好的叠织网上传输数据也是s h m 的一个关键部分，作者在s c d p 中设计了一个 数据命名方案、一个差错控制机制以及一个简单而灵活的流量控制机制，并且考 虑了对多种传输模式的使用。 关键词：远程教育，多方通信，i p 组播，应用级组播，可扩展混合组播 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co f m u l t i - p o i n tc o m m u n i c a t i o nt h a th a sal o to f i n t e r a c t i v ei n f o r m a t i o no fd i s t a n c ee d u c a t i o ni ni n t e m e ti sa n a l y z e df i r s t l y ，a n ds o m e b a s i cp r i n c i p l e st od e s i g nm u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sf o rd i s t a n c ee d u c a t i o n s y s t e m a r e p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，b a s e d o na b o v ep r i n c i p l e sw ea n a l y z e da n d c o m p a r e ds e v e r a lr e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s tp r o t o c o l s ， a n d i n v e s t i g a t e dt h e i rs u p e r i o r i t ya n dd e f i c i e n c y b a s e do na b o v e r e s e a r c h ，an e wa p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s tp r o t o c o lw h i c hi sc a l l e d s c a l a b l eh y b r i dm u l t i c a s t ( s h m ) i sd e s i g n e d s h mc o n c l u d e sa na d d r e s ss c h e m e ，a t r e e m e s ht o p o l o g ym a n a g e m e n tp r o t o c o l ( s t m p ) a n dac o n t e n td i s t r i b u t i o np r o t o c o l ( s c d p ) t os o l v et h e p r o b l e m so fi pm u l t i c a s ta d d r e s sa n dt h ed e f i c i e n c yo fe x i s t i n g a p p l i c a t i o n l e v e lm u l t i e a s t p r o t o c o l s a d d r e s ss c h e m e ，w ep r o p o s e d an e wa d d r e s s s c h e m e t oo r g a n i z et h em e m b e r so fa g r o u pi n t oao v e r l a yn e t w o r km o r ee f f i c i e n t l y , t w on e wm e t h o d sw h i c ha r e a c t i v em e m b e r s ”a n dc o n t r o lo ft h ed e p t ho ft r e ea r ep u t f o r w a r d w eh a v ed o n es o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t su s i n gn s 一2 ，t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h e s em e t h o d sc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et r e e m e s h t o p o l o g y , a n dc a nr e d u c et h ec o s to f r e s o u r c ea n dt h ed e l a yo f j o i n d i s t r i b u t i o no ft h e d a t ao v e rt h eo v e r l a yn e t w o r ki sa l s oa ni m p o r t a n tp o r t i o no f s h m ，w ep r o p o s e dad a t a n a m i n gm e c h a n i s m ，a n e r r o rc o n t r o lm e c h a n i s ma n da s i m p l eb u tf l e x i b l em e c h a n i s m o f f l o wc o n t r o li ns c d e k e yw o r d s = d i s t a n c ee d u c a t i o n ，m u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o n ，i pm u l t i c a s t a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s t ，s c a l a b l eh y b d d m u l t i c a s t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 r 研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 罗五孽日期：。仁年 月巧e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期： 眇9 年 月巧日 日期：o 垆年 月日 第1 章绪论 本文目的是在当前的i n t e r n e t 上为网络教育系统提供有效而且可靠的多方通 信服务懈决方案。根据i n t e r n e t 上远程教育系统中的几种典型应用的多方通信需 求，在充分地研究和比较i p 组播和应用级组播的现有方式后，我们提出了一种新 的应用级组播协议可扩展混合组播( s c a l a b l eh y b r i dm u l t i c a s t ) 。s h m 在大 的范围以及没有i p 组播支持的网络中采用应用级组播方式，由端系统来完成分组 的复制和转发功能；在较小的、并且已实现i p 组播的网络中利用现有的成果 i p 组播来实现多方通信。 1 1 研究背景和意义 本课题来源于教育部科学技术研究重点项目基于多媒体流协同远程教学模型 的研究和基于可靠组播的多媒体内容分发，批准号分别为9 9 0 9 2 、2 0 0 l1 1 0 4 。 网络教育是以计算机、网络和多媒体技术为基础的信息技术最新成果在现代教 育学思想的指导下对传统教育模式的革新，是一种全新的教育模式。网络教育被 认为是构筑继续教育、终身教育和素质教育的重要手段，备受国内外关注。 现代网络教育在美国、日本等信息化程度较高的国家已较为普及，而且发展 势头很猛。美国几乎所有的大中小学都已接入互联网，并不同程度地开展网络教 育。在日本，网络教育多用在校内研究生和高校之间的课程交流上，主要利用i s d n 和a t m 网络进行远程的双向电视教学，同时注重多媒体教材的建设并积极丌展网 上教学实验。德国教研部组织t e l c o m 和诬门子两家财团，联合国内大学行共同实 施“l e c t u r ef o ry e a r2 0 0 0 ”现代网络教育研究项目，支持研究2 l 世纪的讲堂。 到目前为止，国外已经有越来越多的企业投资建立员工的远程培训系统。同 时，大学和研究机构也在致力于研究与远程教育有关的新技术、软件结构以及应 用课题。 许多国际组织和机构已被视为网络教育的先驱。其中包括赢利性机构如菲尼 克斯大学、c a l i b e t 教育网络公司：美国州政府和系统性区域组织如加利福尼亚虚 拟大学、密执安虚拟大：美国地区联盟如西部州长大学、南部地区电f 学校： 其他附际机构和组织如艇田丌放大学、澳大利亚开放教育机构、玎放教学服务机 构；刚络教育机构如跨教育( g a t e ) 全球联龇、加拿大远称教学协会、澳人利 _ ! j 纠f ：放和远程教学协会、荚吲远程教学协会、西方教育通信合作组织等。 在国内，网络教育己经成为网络技术最重要的应用领域之一。在国家宏观政 策的推动下，现代网络教育的建设和发展近年来在国内呈现加速发展的势头。继 几年前中国教育科研网和众多校园网的建成和应用之后，教育部又批准了湖南大 学、清华大学、北京邮电大学、浙江大学等3 0 多所网络教育试点单位。2 0 0 0 年就 读人数已达到5 万人( 不包括电大) 。 依托于互连网的中小学网校正在逐渐建立。针对中学生进行的网上教学活动 丰富多彩，如网上看重点、难点解释、做作业、通过e m a i l 和b b s 向教师提问、 在网上进行多媒体实验等。截至1 9 9 9 年底，我国开展信息化教育的中小学已达1 0 万所，其中高中、初中、小学各占三分之一。2 0 0 2 年，全国有i 0 0 0 所中学建立了 师范校园网，初步形成了为中小学教育和家庭教育服务的虚拟“中小学教育教学 网”。 为了促进我国网络教育的发展，教育部在1 9 9 9 年至2 0 0 0 年的2 年时间内。 投入3 6 亿元资金进行我国教育和科研网c e r n e t 的主干网提速、中央教育电视台 的频道改造、以及相关的课件开发与西部地区远程教育等工作。另外还投资上亿 进行“网络教育关键技术和示范工程”的攻关。 目前，国内外开展网络教育的方式可分为三类：基于卫星和有线电视的方式、 基于专用线路的视频会议方式以及基于i n t e r n e t 的方式。其中基于i n t e r n e t 的 方式因其可以提供良好的交互性、彻底的开放性、低廉的费用以及遍及全球的网 络而具有无可比拟的优势和发展潜力，可以说将来的远程教育应用都将采用 i n t e r n e t 作为其主要的传输媒体。 然而，i n t e r n e t 上的远程教育还处在初级阶段，基本上还是以“异步”的方 式进行。例如老师将制作好的课件放在w e b 服务器上，学生通过浏览器来访问： 师生之间的交流也是通过e m a i l 等“异步”方式进行，缺乏交互性，而师生之间 的交互是教学活动中最为重要的因素。目前能使师生实现真正交互的系统如实时 多媒体教学、实时答疑还只能通过专用网络或者卫星等方式实现，例如上海交通 大学研制的实时远程教育系统是基于高速a t m 网络的、湖南大学研制的交互式教 学系统( i t l ) 使用的主要媒介还是内部网和卫星，清华大学开发的实时同步教学 系统也主要使用卫星( 亚卫二号) 来传输视、音频远程教学课程。 是这些系统的开发者没有考虑使用i n t e r n e t 吗? 不是这样的，如湖南大学的 t l 就专门针对i n t e r n e t 作了设计，只是因为网络的原因限制了其使用，网络成 了网络教育发展的最犬瓶颈。 网络成为瓶颈，j 原区i 主要是如下三个。第一个原因就是带宽的限制，例如 目前有很多用，、依然使用拨号上网，一些网络的出l 二l 带宽太小等。然而我们认为 就带宽而言，i n t e r n ec 基本上能满足网络教育系统的需求。斟为一方面in t e r n t j t 于网完全可以传送p q 络教育系统的数抓，在接入h 络也可以传输人部分的数引， 硕士学位论文 即使是拨号上网，也可以传输课件、音频以及质量较低的视频等。另外带宽还在 以每半年增加一倍的速度在发展。因此带宽不是网络成为瓶颈的主要原因。第二 个原因是服务质量问题。i n t e r n e t 本质上只提供尽力而为的服务，不保证提供确 定的延迟、抖动以及带宽。需要增加机制来解决这些问题，这是目前网络研究的 一个重要方向服务质量技术( q o s ) 所研究的内容，不在本文范围之内。第三 个原因就是缺乏有效的多方通信机制。网络教育系统中的应用大多需要进行一到 多或者多到多的通信，例如教师与学生之间、学生与学生之间的通信。使用单播 来进行多方通信是非常低效的，需要提供有效的多方通信机制。 本文的目的就是为i n t e r n e t 上的远程教育系统提供有效的、现实可行的多方 通信服务。因为这一方面能减少主机和网络资源的浪费，另一方面增加网络教育 系统的可扩展性，使得在i n t e r n e t 上实现大规模的网络教育系统成为可能。 1 2 多方通信机制发展现状 i n t e r n e t 上的很多应用，如视频会议、远程教育和医疗、视频点播、分布式 仿真以及软件发布等等，都有一个特点，就是同一份数据有多个接收者，即点到 多点或者多点到多点传输，我们把这种传输称为多方通信。 i n t e r n e t 在本质上只提供点到点的单播通信服务，不提供点到多点或多点到 多点的组播服务。因此目前i n t e r n e t 上的应用都采用单播来提供多方通信主要 使用一种“服务器客户端”模式，如图1 1 a 所示。服务器a 是源端，客户端如b 、 c 和d 访问a ，a 将相同的数据分别发送给b 、c 和d 。这样的模式是非常低效的。 首先，浪费主机和网络资源，如果有n 个客户端需要数据，服务器将重复发送n 次，与服务器相连的链路也需要重复传送数据n 次。其次，增加发送延迟，不适 合为延迟要求严格的实时或者交互类应用提供多方通信。例如发送一帧数据需要 的时间为t ，则向n 个用户发送需要时间为n t ，第( n + 1 ) 个用户收到数据是在n t 时间之后了。最后，也是最重要的原因，在这样的模式种对资源的需求是随着用 户数目的增长而线性增长的。而服务器和网络的资源是有限的，当用户较少时能 为应用提供满意的访问，用户较多时就会超过服务器或者网络的承载能力，部分 用户因此而不能获得服务，这是很多应用不能在i n t e r n e t 上大规模实现的t 要原 因之一。 目前i n t e r n e ti ：的远雕教育系统都采用这种模式，从上可以看出这种模，不 i 箭百j 扩展性，川而制约丁远程教育在i n t e r n e t 。的大规模发展。 a ) 单播b ) i p 组播 c ) 应用级缎播1d ) 应用级组播2 图1 1 单播、i p 组播与应用级组播示意图 由于单播的不足，推动了多方通信机制组播技术的发展。s s t e e r i n g 最 早开始研究广域网上的组播机制0 1 。他认为组播应该在网络层实现，由路由器来提 供本质的组播通信服务，为此他还提出了一个i p 组播模型o3 。i p 组播是一种非常 有效的方式，同样的数据源端只需发送一次，网络中物理链路也只需传送一次。 如图1 _ 1 b 所示，源端a 只需发送一次，与a 相连的链路也只传送一次，而接收方 b 、c 和d 都可以收到数据。 经过业界十来年的努力，i p 组播取得了很大进展。对于组播路由和可靠组播 传输以及组播拥塞控制等的原理、问题以及算法等都有了相当深入的研究“1 1 ，提出 了多种组播路由协议和可靠组播传输协议。组播路由协议分为域内和域间两类。 域内组播路由协议主要有d v m r p 9 、m o s p f “、c b t “”以及p i m ”。”等；域间组播路 由协议主要有m s d p m b g p 6 1 和b g m p “等。可靠组播传输协议主要有x p r e s s 传输 协议( x t p ) “1 、m t p 一2 、可扩展可靠组播( s 刚) 踟、基于同志的可靠组播( l b r m ) 。、 基于树的组播传输协议( t m t p ) ”“、可靠组播传输协议( r m t p ) ”“、通用事务组 播( p g m ) 0 1 1 、基f 树的子播有效恢复( o t e r s ) ”和主动可靠组播( a r m ) ”；等协 议。 并且实现了一个遍及全球的实验性网络m b o n e “；化下吖网络i n t e r n e l2 中 乜将获得本质性的支持：丌发丁大量基于i p 组播的应川1 ，一部分已经在m b o r i c 、j ： 运 i 了，如f n t e r n e t 广播、多媒体会议等。 4 硕士学位论文 然而i p 组播还存在不少问题，如路由器扩展性问题、组播地址问题、对上层 功能支持的困难性( 可靠性、拥塞与流量控制以及异构性支持等等) ”。研究表 明这些问题都是较难解决的问题，至少在短时期内不会有非常有效的解决方案。 另外由于i p 组播在网络层实现，需要修改现有基础架构，从而增加了i p 组播部 署的困难程度。因此目前乃至较长的一段时间内i p 组播都无法获得i n t e r n e t 全 局性的支持。 目前的远程教学系统也大都采用了i p 组播作为其多方通信机制，例如湖南大 学研制的交互式教学系统( i t l ) 。i t l 针对i n t e r n e t 环境作了专门设计，采用i p 组播作为其多方通信机制，可靠组播协议s 跳( 可扩展可靠组播) “”来提供可靠性。 然而 n t e r n e t 的不支持使得i t l 还只能通过卫星和专线来发送数据。 i p 组播的不完全部署使得人们不得不考虑其它的方式，导致了另一种多方通 信技术应用级组播的产生。为了避免i p 组播的问题，应用级组播在应用层实现组 播功能，由端系统来完成组播分组的复制和转发，不需要路由器的支持。如图1 1 c 和d ，a 是源端，需要发送数据到b 、c 和d 。在1 1 c 中，b 和c 在收到数据后又 将其转发出去。在1 】d 中，c 仍然转发了数据，源端 则发送了多份数据。各主 机之间都通过单播连接，不需要路由器的支持。这样作将原本由源端负担的数据 传送任务分给其它成员承担，减轻了单个站点的负担，从而使得构建大规模的应 用成为可能。应用级组播利用网络提供的现有服务，不需要更改网络的基础架构， 因而容易部署，具有现实可行性。由于应用级组播采用单播通道传送数据，因此 在效率和性能等方面不如i p 组播。 应用级组播概念最早于1 9 9 9 年提出，目前已有了十来种应用级组播协议”1 。“。 其中大部分还处在开发阶段，只有少部分协议已经有了实现，如j o h nj a n n o t t i 等人使用o v e r c a s t ”1 开发了一个商用数据发布系统。这些协议都针对不同目标采 取了不同的措施。在前期研究中，我们发现这些协议都不能较好的满足远程教育 系统的要求。为此我们在充分研究现有可靠组播协议和应用级组播协议的基础上， 针对远程教育系统的多方通信特征设计了一个新的应用级组播协议：可扩展混合 组播( s h m ) 。 1 3 主要工作 本文针对远程教育系统的多方通信需求特i l e 在研究了现有两类多方通信机 制的罐础 ：，提 h 了一。个新的应用绒组播协议。 要r 作如下： 1 ) 首先探讨了 1 t e r n e t 环境下具有大错信息交匠的远程教育应的t 叮扩展 结构模，弘。就j 中几种典型应用的多一通俯需求进行了分析j i ：m 心结了 为远程教育系统设计多方通信协议的一些基本原则。 2 ) 对现有的多种可靠组播协议与应用级组播协议进行了分析与比较，探讨了 两类协议的优势与不足。 3 ) 针对远程教育系统的多方通信需求特征提出了一种新的应用级组播协议： 可扩展混合组播( s h m ) 。 4 ) 为解决i p 地址问题以及现有应用级组播协议中地址方案的不足，本文提 出了一个新的三段式地址映射方案。 5 ) 为将组成员组织成一个有效的叠织网，本文提出了利用“活动成员”以及 树深控制的方法。并且使用n s 一2 对其进行了模拟分析，实验结果表明这 种方法可以增加树的效率，降低资源开销和加入延迟。 6 ) 在构建好的叠织网上传输数据也是s l i m 的一个关键部分，本文为此设计了 一个数据命名方案、一个差错控制机制以及一个简单而灵活的流量控制机 制，并且考虑了对多种传输模式的使用。 1 4 本文结构 本文共分5 章，除本章外其余各章如下：第二章是网络教育的多方通信特征 分析：第三章是可扩展混合组播( s 删) ；第四章是s h m 拓扑管理协议：第五章是 s h m 内容发布协议：最后是结束语，总结本文工作，并展望下一步工作。各章的联 系与全文结构如图1 2 所示。 图1 2 全文结构框图 6 硕士学位论文 第2 章网络教育的多方通信特征分析 网络教育是以计算机、网络和多媒体技术为基础的信息技术最新成果在现代 教育学思想的指导下对传统教育模式的革新，是一种全新的教育模式。这里“网 络”包括计算机网络，有线及卫星电视网络等等。本文研究基于i n t e r n e t 的远程 教育系统的多方通信机制，有线及卫星电视网络等不在本文范围之内。 本章首先简单地介绍i n t e r n e t 上远程教育发展概况，然后探讨适应i n t e r n e t 环境下具有大量信息交互的远程教育应用的可扩展结构模型，在分析几种典型应 用的多方通信需求基础上，总结了网络教育应用的多方通信特征，并且提出了为 i n t e r n e t 上远程教育应用提供多方通信服务的一些基本原则。 2 1in t e r n e t 中的远程教育 远程教育是指教育者和学习者不在同一地点进行教学活动的教育方式。远程 教育起源于1 0 0 多年前的基于印刷品信件的教育方式，函授教育就是采用这种方 式。这种方式非常简单、覆盖面广、费用低廉，但是教师和学生之间交互困难， 而师生之间的交互是认知学习过程中最为重要的因素。因此这种方式相对传统教 育方式而言不具备竞争力，只能起一定的辅助作用。 现代通信技术、多媒体技术以及计算机技术的发展推动了教育技术的发展， 促进了现代远程教育方式的形成。现代远程教育是原来方式的“电子版”，因为使 用了各种网络技术，因而统称为网络教育。网络教育被认为是构筑继续教育、终 身教育和素质教育的重要手段，备受国内外关注。 目前，国内外开展网络教育的方式可分为三类：基于卫星和有线电视的方式、 基于专用线路的视频会议方式以及基于i n t e r n e t 的方式。 基于卫星和有线电视的方式 这种方式通过电视线路来传送数据。例如基于卫星的远程教育系统由主站和 卫星小站组成。小站可以通过i n t e r n e t 访问主站，提出申请，主站将小站需要的 教学资料传到卫星上，通过卫星中继向全国各地广播，小站从中取出需要的数据。 传输速率殷为2 m b p s 。这种方式技术成熟、覆盖面广，但存在单向、时空限制、 不适合自卜学习等不足。 基于专用线路的视频会议方式 这种矗武采用h 。3 2 0 标准，通过企业l 。州或w a 、，或者车且娜服务挺供商的专用 = 尘重窒霾瑟憝匿笪錾盟錾缉捶垃堡墼塞 网络来实现教学现场的直播。一般租用2 m b p s 的专用线路，因此能传输高质量的 音频和视频，也可以支持师生之间的实时交互等。但是这种方式需要构建专有系 统，价格昂贵，而且也存在时空限制、学生无法自主学习等不足。 基于i n t e r n e t 的方式 相对电视和视频会议方式而言，这种方式具备巨大的优越性和发展潜力。因 为i n t e r n e t 是一个双向交互式网络，可以支持集中式和分布式学习，没有时空限 制，能满足自主学习的需求，而且可以有效地支持教学资源分发、考试、答疑、 网上考试以及试验等。相对第二种方式而言，需要的费用也低得多。 因为在i n t e r n e t 上构建远程教育系统的巨大优势，很多国家对此非常重视， 投入了大量人力物力。 然而，i n t e r n e t 上的远程教育应用还处在初级阶段，基本上还是以“异步” 的方式进行，例如w e b 课件、e m a i l 等。一些实时交互教学系统如湖南大学开发的 i t l 等都主要使用前两种方式。如第一章所述，缺乏有效的多方通信机制制约了远 程教育的发展，因此有必要对其进行研究。 本章后面首先探讨一种适应i n t e r n e t 环境下具有大量信息交互的远程教育应 用的可扩展结构模型，然后分析其中几种典型应用的多方通信需求，最后总结出 通信需求的主要特点，作为选择多方通信机制的准则。 2 2in t e r n e t 环境下远程教育应用结构模型探讨 结构模型反映系统的研究对象及其相互之间的关系。远程教育涉及教师、学 生和教学资源等基本对象，郑庆华等人“”将其定义为一个五元组： d l ：( t ，p ，r ，e ，m ) 其中d l 表示远程教育：t 表示教师；p 表示学生；r 表示教学资源：e 表示远程教 育系统所提供的教学和辅助教学环境：m 表示网上教学与学籍管理的政策、法规和 方法。他们将远程教育定义为教师t 和学生p 运用远程教育管理和协调策略m ，通 过基于i p 网的远程教学环境e ，实现教学资源r 的同步实时授课和异步按需点播 学习的过程。 远程教学过程根掘发生时间可以分为同步和异步两种方式，根据过程中师生 之间是否存在交互又可以分为交互和非交互方式。两者可以组合出叫种教学模哩： | i 寸步非交互、异步非交互、同步交互以及异步交互。 同步非交互模型是指! j i | j ，l 三在同一时嵋j 参与但不发生交互的教学方式，如f 统 乜视教学的直播力式。，步非交互模型是指师生不在同一时间参与，同时也小 发牛交互的教学方式，如f 0 统电视教学的转播方式和日 订常用的w e b 课件力式乎， 这两种方式由于不提供交互性，教学效果较差，因此其主要地位将被交互式方式 所取代，只是作为一种辅助方式存在。 同步交互模型是指师生在同一时间参与，而且发生交互的教学方式。同步交 互模型中教学活动是实时发生的，教师和学生同时参与，可以实现师生之间的实 时交互。教师负责课堂教学的发起、组织、管理以及师生之间交互的控制。同步 教学系统必须提供一个基础平台，包括视频、音频、文本交流、自板等工具，还 要提供文件传输、远程登录和控制等功能。 异步交互模型是指师生不在同一时间参与，但是发生交互的教学方式。异步 交互模型中教学活动不是实时发生的，学生可以选择任意时间学习，不需要老师 的参与。主要采用w e b 课件、e m a i l 、公告板以及自动答疑系统等方式实现。目前 主要以文本的形式提供，将来会向多媒体方向发展，例如包含视音频的多媒体课 件、e m a i l 等等。 以上的讨论基于传统的“课堂教学模式”，这也是目前远程教育所采用的主 要模式，采用虚拟校园和实际学校相结合的形式，教师授课主要在学校进行。在 将来，“个性化教育”将成为远程教育的一种主要方式。教育活动将不受时空的限 制，以一种社区的方式发生。教师的作用不再以传授知识为主，而是作为学习的 督促者、评估入以及内容专家出现，他可以处于任何地方。学生根据兴趣选择参 与不同的教育活动，从而实现真正的自主学习。 2 3 典型网络教育应用的多方通信特征分析 一个完整的网络教育系统包括网络教学( 实时多媒体课堂、协作学习环境、 多媒体实时课件制作和媒体点播) 、网络教学管理( 教学服务管理、教学行为分析 和质量评估、电子结算) 、教学支撑工具( 课件制作、智能答疑、作业管理、考试 管理) 、教育资源管理( 教育资源内容组织、网络教育学院资源库管理、网上资源 对象的注册与发现) 等子系统。其中实时多媒体课堂、媒体点播、作业与考试管 理、虚拟试验等都需要进行多方通信。本节分析实时多媒体课章和媒体点播的多 方通信需求。之所咀选择这两个系统，是因为在整个网络教育活动中需要传输的 数据大部分由这两个系统产生，另外这两个系统的通信特征具有很好的代表性， 解决了它们的问题，其它系统的问题就很容易解决了。 2 3 i 实时多媒体课堂 实时多媒体课堂是指能支持强大的教学多媒体交! i 特性、疗经的教学协嗣功 能以及 铂t j 丁扩展的实时授课控制机制的实时多媒体敦。系统橱于实时交! f ：模 二尘重盒玺堡塾匿墼篷星堡墨堡垃堡堑塞 型。为了提供上述功能，系统必须支持双向视音频传输、动态交互、远程控制以 及应用与文件共享等功能。 实时多媒体课堂由教师发起，并且负责课堂组织、管理以及师生之问交互的 控制。学生通过加入课堂来参与学习。一次课的学生可以从几人到千人以上，而 且与传统课堂教育不同的是，我们认为实时多媒体课堂应该支持学生的动态加入 与离开。 实时多媒体课堂中需要传输的数据包括视频、音频、文本交流信息、白板信 息、控制信息、抽取的文档以及各种需要共享的文件和软件等。我们将其分为三 类：实时非可靠类、实时可靠类以及非实时类。实时非可靠类主要包括视频和音 频，这类数据对延迟要求非常高( 例如音频要求在2 0 0 m s 以下，视频在5 0 0 m s 以 下) ，但能容忍一定的数据丢失，而且对带宽要求高。实时可靠类主要包括文本交 流、白板与控制信息以及实时抽取的文档等，这类数据对延迟要求稍低( 可以达 到数秒) ，需要的带宽较小，但要求完全可靠。非实时类是指需要在课堂内传输的 文件和软件，可以在课堂外获得的数据不在此范围内，包括课程提纲、讲义、作 业、测验题目以及软件等。这类数据对延迟要求不高( 几十秒甚至几分钟) ，有很 大的突发性。 根据传输特性的不同，我们将一次授课活动分为三个阶段：课前准备、教师 讲课、课堂讨论。 课前准备是指在教师讲课之前以及课间休息时间将上课时需要使用的课程提 纲、讲义、作业、测验题目以及软件发送给学生，这可以减少上课时的传输负担。 这些数据属于非实时类，对延迟要求不高，需要考虑的是数据完全发送的时间。 教师讲课阶段需要传送的数据主要是教师授课的视音频、实时抽取的文档、 白板以及控制信息等。这些数据既有实时非可靠类型，也有实时可靠类型，需要 不同的考虑。 课前准备和教师讲课阶段数据传送主要发生在教师和学生之间，体现为- - n 多的通信方式。 课拳讨论是整个教学活动中数据传输最为复杂的阶段，需要传输各种类型的 数据。数据传送不但发生在教师和学生之阃，而且发生在学生与学生之删，是+ 种多到多的通信。当学生数目较多时，所有学生一起讨论是不现实的，需要将学 生分成小组，各小组分开讨论，教师可以加入任何一。个小组。 教师讲课和课堂讨论两个阶段不是截然分开的，而是相互交替的。两个阶段 通信特征4 ：同，需要采取，1 i 旧的策略机制。两个阶段交替时可能产生问题也前 要采取措施解决。另外，为了支持学生动态加入和离开，还需要一种快速的n i l 入 手【l 退凸 卡j l 戋q 。 0 硕士学位论文 2 3 2 媒体点播 媒体点播是指通过点播教学素材学习的异步学习模式，这些教学素材集成了 多媒体课件实时同步制作系统制作的多种媒体信息。对于那些在地域或时间安排 上不可能接受实时授课的学生来说，媒体点播是其主要学习方式：那些有条件接 受实时授课的学生也能通过该系统进行预习和复习，提高教学质量。因此媒体点 播是一种重要的教学模式，可以作为实时多媒体课堂的有效补充。 多媒体课件实时制作系统记录了实时教学的全过程，包括发言者声音、图像 和交互过程中共享空间操作( 或数据) 的信息，并制作成相应的超媒体课件保存 在服务器中。学生通过测览器访问服务器并点播多媒体课件，这是一种一到多的 通信方式。 在点播过程中需要传输视频、音频、教案以及各种辅助教学资源等信息。由 于不需要进行实时交互，点播过程对延迟的要求没有实时多媒体课堂的要求高， 采用延迟回放技术可以承受几十秒以上的延迟。但是在播放时各媒体需要同步， 对延迟抖动比较敏感。各种媒体中视频、音频可以承受一定的数据丢失，视频、 音频和图像也可以根据用户条件的不同而提供不同品质的内容，其它资源尤其是 文本资源需要完全可靠传输。在点播过程中，需要的带宽较高，而且较为恒定。 虽然学生可以在任何时间点播课件，但是对服务器的访问还是会呈现一定的 阶段性，有些时段访问人数很少甚至没人访问，而某些时段则有大量学生访问服 务器。多方通信机制必须考虑大量用户同时访问的情况。另外为了支持回放功能， 还需要考虑某种机制来提供时间上的多方通信。 2 3 3 网络教育应用的多方通信特征总结 前两节介绍了两种典型的网络教育应用，本小节总结其多方通信特征，主要 包括： 组规模：一次网络教育活动的参与者可以从几人到千人以卜。 分组：在课堂讨论阶段，当参与者数目较多时，所有成员一起讨论是不现实的， 需要将他们分成小组，各小组分开讨论，教师可以加入任何一个小组。这种分组 不是山教师指定的，而是根据学生的兴趣自动形成的，这样香：讨论阶段就可能出 现很多的小组。显然，为每个小组建立个新的组播树是不太有效的将小组信 息发送给所有成员也是不可行的，必须考虑在原有组播扣叶e 提供只向部分成员发 送信息的服务。 数据多样性：网络教育活动中需要发送并类数据，包括视频、子频、文本交流信 息、r f 扳t 。i 息、控制信息、抽取的史丰- l i 以及择种需要其亭的文件和软件等等，这 二尘适盒重型螫匿簋篷旦鐾氢埴垃堡垡塞 些数据对延迟、可靠性、带宽的要求都不尽相同，必须为不同需求的数据采取不 同的措施。 时间分布性：在异步教学中，学生可以在任意时刻学习。即使在实时教学中，学 生也可能迟加入和早退出，后来加入的学生可能需要从头学起，而不是接收目前 正在发送的数据从中间学起。 接入方式的异构性：根据接入方式的不同，我们将参与者分为四类，如图2 1 所 示。第一类是在家学习的学生，通过拨号、a d s l 或者i s d n 等方式接入i n t e r n e t ， 如图中用户a 。这类用户分布很广，接入带宽较低，尤其是拨号方式，对于接收实 时视频这样的信息是不可行的，目前宽带用户如使用a d s l 的用户正在增加。这类 用户基本上只能接收教案、音频以及低质量的视频信息。第二类是在类似教学点 学习的学生( 也包括一些小的公司和组织等等) ，如图中用户b 。教学点有一个较 小的局域网，通过租用i s d n 等方式访问i n t e r n e t ，出口带宽较家庭用户高可以 支持较高质量的视频传输，但是能同时支持的用户很少。第三类是其它学校( 或 者大的公司) 的学生，与第二类相似，只是局域网要大得多，出口的带宽要高， 能同时支持的用户也要多。第四类是与教师处在同一学校的学生，通过局域网相 连，不但带宽非常高，而且网络支持组播，可以支持大量用户同时使用。上述分 类假设教师是在某个学校内，这是目前最常用的模式。在将来，教师可以处于任 何地方。 图2 1 远程教育用户接入方式示意图 教师 学生 家庭用户 教学点 2 4 为网络教育设计多方通信协议的一些基本原则 根据前面的分析以及本文的目标，我们总结了设计远程教育系统多方通信协 议的一些基本原则： 现实可行性：在当前的i n t e r n e t 上提供有效可靠的多方通信服务是本文的基本目 标，因此我们的方案只能架构在i n t e r n e t 目前能提供的服务基础之上，不能依赖 路由器和i s p 的支持。 前瞻性：因为计算机、网络以及教育技术在快速的发展，如网络带宽每半年就增 加一倍，教育模式从传统的“课堂模式”向自主、个性化教育模式的转变等。我 们的方案不能局限于现有的技术，必须具有一定的前瞻性。 可扩展性：次网络教育活动的参与者可能少到数十人，多到上千人，因此多方 通信机制必须具有良好的可扩展性。 异构性：不同的参与者可能拥有不同的处理能力和网络带宽，而且相当多的用户 是在组播岛内，因此多方通信机制在传输和恢复数据时必须考虑这种异构性，也 要能充分利用组播岛提供的组播能力。 应用语义可靠性：网络教育活动中既有需要完全可靠的数据和控制信息，也有对 延迟更加敏感，不要求完全可靠的视音频信息，因此必须为不同的应用需求提供 相应的可靠性。 分组机制：在网络教育过程中经常需要进行分组讨论，因此多方通信机制必须提 供只向部分参与者发送信息的服务。 快速加入与离开：与传统课堂教育相比，在网络教育活动中学生更有可能在中途 加入和离开，因此需要一种快速的加入和离开机制。 时问上分散的发布：在媒体点播中成员不是同时加入的，而是可以在任意时刻加 入，显然一次将数据组播到所有成员是不可能的，而使用多次组播或者单播又是 非常低效的，加重了源端的负担，从而影晌应用的可扩展性，因此需要某种机制 降低源端的开销或者将这些开销分布出去。 2 5 小结 网络教育方兴未芟，基于i n t e r n e t 的网络教育 臼j 二可以提供良好的交互性、 彻底的厅放性、低廉的费用以及遍及伞球的网络而j _ l y i 无叮比拟的优势和发展潜 ，j ，更是备受国内外关注。本章首先介 “了l r i t er n e t 卜远程教育的发展概况，其 次i t 论厂i n t e r n e t 上远程教育应 = i 的结构模型，然后分析厂两种腆型应用的多方 且亘信帚i ? j 之，并f 1 总结了l 圊络教育应j f j 的多方通信特7 j | i ，最n 提出了为i n t e r n e t 上 二全重盒垄瑟螫直簦盛旦壁堡堡垃堡墼塞 远程教育应用提供多方通信机制的一些基本原则，这些基本原则是我们设计多方 通信机制解决方案时需要遵循的准则。 4 硕士学位论文 第3 章可扩展混合组播( s h m ) 针对网络教育系统的多方通信特征，我们提出一个新的应用级组播协议可 扩展混合组播( s c a l a b l e h y b 喇m u l t i c a s t ) 。本章首先介绍s h m 的设计目标和准则； 其次介绍其体系结构以及采取的地址方式和协议头部：最后对s h m 与其它应用级 组播协议作了比较。 3 1 设计目标和准则 s l i m 的目的是在目前的i n t e m e t 上为远程教育应用提供有效而且可靠的多方 通信服务，必须符合第二章提出的基本原则。根据这些原则，我们选择应用级组 播方式，并且为此设计了几个算法和机制。 首先要具有现实可行性，要能在i n t e m e t 提供的现有服务上实现，不能要求更 改现有基础架构，不能依赖路由器、服务器以及操作系统的支持，而是只需在应 用空间增加个程序就可实现，这样就容易部署 其次，由于远程教育应用涉及较多的共享网络，充分利用其组播服务能提供效 率以及减少资源需求，因此s h m 应能利用坤组播服务。 第三，由于在远程教育活动中成员在时间上的分布性，s h m 既要提供空间上 的组播，也要能提供时间上的组播。由于主机能缓存数据，比之口组播方式，应 用级组播方式也提供了这种可能性。 第四，为了改善y o i d ”】地址映射方案的不足，我们设计了一个地址映射方案。 第五，由于要针对不同情况对资源和性能进行协调，必须直接控制组播树的构 建，因此采用树优先方式构建拓扑。为了能提供应用满意的延迟性能以及对快速 加入时间，需要尽量减少树深以及加入时间，为此我们设计了一个新的拓扑生成 方式， 第六，远程教育活动会产生多种类型的数据，这些数据对延迟和可靠性可能有 不同的需求，必须为不同类型的数据提供不同性能的服务，因此s h m 需要支持多 种数据传输模式，我们提出了按需传输的概念，也考虑了使用协作传输方式。为 了提供端到端的可靠性，我们还没计了一个荸针律制机制和一个数据命名机制。 3 2 体系结构 每个s h m 组播组包含两个部分：一个或者多个汇聚点主机( r p ) 和组成员主 机，如图5 1 所示。r p 的主要作用是引导新的成员加入组播组。为此，r p 保存了 当前组中部分或者所有成员的信息( 当前成员很少时) 。当一个新成员加入组播组 时首先访问r p ，r p 告诉他几个当前成员的信息。新成员再与这些成员联系，从 而加入组中。r p 的另一个用途是在成员组成的拓扑分割时起联系作用，被分割拓 扑中某些成员访问r p ，从而获得其它拓扑中成员的信息，就可以重新建立一个完 整的拓扑了。 + 树链路 图3