（信息与通信工程专业论文）多媒体网络教学系统的设计与实现.pdf

日阢 ： 学披术人学川究生院! 节他沦殳 摘要 f 悃络教学系统魁一剃新的教? 连系统它的；i ；脱段馁j 传统教! 学力，能捉- 曲教学效率 和学生参加教学活动的积极性。y ， 本文的目的是设计一种实l i t t t l - ：哳、j 7 “胜性姒的多媒体嗍络教学系统，其中重点是这 种多媒体网络教学系统的应用程序设汁。j 灾现，f ! i j 钳州料序、语音通信程序和同步视频广 播程序的设计与实现。 本文首先分析了局域网的介质访问控制方法，研究了为保证网络运行的可靠性和实时 性而设计的双令牌链总线的网络结构。祚：认真分析了系统功能的7 i t i t l 一1 2 提出了为满足系 统的可扩展性而设计的分斫j 式程序总体结构。n i 系统结构嗣l 程序总体结构确定的基础上。 系统论述了多媒体网络教学系统的三个应，f j 程序的设计与实现。在管理程序的设计与实现 中，重点论述了网络管理和教学管耻流剃的设计，以及为实现这些流程所设计的基本数据 表和管理程序帧格式。在语音通信剃序的没汁与实现t h 介绍了使用d i r c e t s o u n d 实现语 音采集、播放的方法，然后着重论述了针对系统要求的语音采集与传输线程与语音数据接 收和播放线程所使用的各功能模块的设 f 实脱。在i 刊步视频广播程序的设计与实现中，介 绍了使用d i r c c t s h o w 实现视频插放的力法，然后井咂论述了针对系统要求的教师端视频 播放和学生端视频播放的各功能模块的殴汁实现。 经过实际的联机调试，证i 则系统设计足成功f 门。 关键词：网络教学系统，双令牌链总线，实州性， 再爵通信，视频广播 ! 竺些丛竺丝坐厶三| 兰! | ! ! 塞生些笺堡篁兰 a b s t r a c t n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mist inewt e a c h i n gs y s t e m itc h a n g e dt h em e t h o do f t r a d i t i o n a lt e a c h i n g i tcani m p r o v et h et e a c h j n g se f l 。i c i e n c ya n ds t u d e n t s e n t h u s i a s m t h ep a p e r sg o a li st oj r i tz e d u c eam l j ll i m u d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mt h a t 5 a sh i g hr e a ll i m ep r o c e s si l l l ( h i g hc x t e n s j h i | il y j nt h isp a p e r ，w em a i n l y d i s c u s s e dt h ed e s i g a so fs y s t e m sa p p li c a t i o np r o g r a mt h a ti n c l u d e sm a n a g ep r o g r a m 。 a u d i oc o m m u n i c a ti o np r o g r a m vid e es y n c h r o n iz eb r o a d c a s tp r o g r a m w ef i r s ta n a l y s e dt h em e d i u ma c c e s sc e n t r e im e t h o do fi a n a n dp u tf o r w a r da n e t w o r ks t r u c t u r et h a th a sd o u b l et o k e nc h a i nb u sf o rs y s t e m sr e l i a b i l i t ya n d r e a lt i m ep r o c e s s t h e n ，w ea n a ly s e dt h es y s t e m sf u n c t i o n a n dp u tf o r w a r daw h o l e s t r u c t u r eo fa p p l i c a t i o np r o g r a mf o re x t e n s i b i l i t y i nt h es t r u c t u r e ，t h e a p p l i c a t i o np r o g r a mi sm a d eu pe l s e v e r a ls e p a r a t ep r o g r a m s b a s i n go ns y s t e m s s t r u c t u r ea n dp r o g r a m ss t r u c t u r e ，w ed is c u s s e dt h ed e s i g n so ft h r e ea p p l i c a t i o n p r o g r a m so fm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m i nt h ed e s i g no fm a n a g ep r o g r a m 。 w ed i s c u s s e dt h ed e s i g n so fs o m em a i n r u n c t j e nb l o c k sa n db a s i cd a t at a b l e sa n d f r a m es t r u c t u r e so fm a n a g ep r o g r a m i nt h ed e s i g no fa u d i 0c o m m u n i c a t i o np r o g r a m w ef i r s ti n t r o d u c e da u d i oc a p t u r ea n dp l a y b a c ku s i n gd i r e c t s o u n d ，t h e nd i s c u s s e d t h ed e s i g n so ff u n c t i o nb l o c k si nv o i c ec a p t u r ea n dt r a n s m i s s i o nt h r e a da n dv o i c e r e c e i v ea n dp l a y b a c kt h r e a d 1 nt h ed e s i g n ( ) fv j d e es y n c h r o n i z eb r o a d c a s tp r o g r a m w ef i r s ti n t r o d u c e dv i d e ( ) p l a yu s in gi ) ir o e t s h o w ，t h e nd is c u s s e dt h ed e s i g a so f f u n c t i o nb l o c k so ft h et e a c h e r sv i d e op r o g r a ma n dt h es t u d e n t sv i d e op r o g r a m b a s i n go ns y s t e m sr e q u e s t i t i sp r o v e dt h a tt h ed e s i g ne l s y s t e miss u c c e s s f u lb ya c t u a lt e s t i n g k e y w o r d s ：n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m d o u b l et o k e nc h a i n 。r e a lt i m ep r o c e s s a u d i o c o m m u n i c a t i o n 。v i d e ob r o a d c a s t v 旧阶f ：l - ! 节 主术人学州究一卜院! 节他| 仑殳 第一章绪论 1 1 多媒体网络教学系统提出的背景 一、多媒体网络教学系统的应川背墩 众所周知。传统的教学办式。洲教! j i i j j 学q q f a i x , ll 町的授课听课的方式， 已经沿用了一i - 千年。无数的老! i i i j 们采j l j 这利方式培阿了一吖又一代的人爿。而随着 信息时代的到来，信息技术尤j e 足汁算机多媒体技术与网络技术飞速发展，在教育 上给人类开拓了一个崭新的领域。近年来悄然兴起一种崭新的教学方式用多媒 体网络教学系统进行授课，i f 魁传统教学方式与现代多媒体网络通信技术的有机结 合。 多媒体网络教学系统利用了计算机技术、网络技术、多媒体技术，集成了传 统计算机教室、电化教室、语音教室的全部功能。与传统教学方式相比，采用多媒 体网络教学系统进行授课具有下述优点：教学环境好，授课、听课不易受到干扰； 教学方式灵活多样，可以实现1 9 l 意分约i 讨沦、点名、选择题问答等等一系列功能： 利用现代网络技术，可以j k 享多种媒体如卢裔、爵乐、文字、图象等，减少时问 浪费l 教学空问不受限制，教学活动可以刁i 局限在一个教室，也使远程教育成为可 能。 二、多媒体网络教学系统的要求 要较好地实现网络教学功能，系统应该满足以下要求： 较高的网络运行可靠性 较高的网络传输速率 较高的网络传输实时性 方便的教学控制 在网络上实时语音传输相i 多路溉肯 在网络卜视频阁像同步播放 第1 页 i q i t # 1 年 学披术人学埘究生院学他论义 三、多媒体网络教学系统的发展现状 目前流行的多媒体网络教学系统。l 醍搬j e 设i t 原理平实现方式不同可归为三 大类：纯软件方式、纯硬什方式、软删什结介力，。 1 、纯软件方式 纯软件方式足指运行1 二底j ，：数 l i ：i 叫卅：境之i ：，完个j l j 软件来实现的多媒体网 络教学系统。多媒体影音信号及控n m 信号均通过底层数据网进行传输。此方式的特 点是成本较低，无需添n t t ：它附件，安装维护简单，软件版本容易升级。但由于网 络结构是以太网，采用载波j i ：i 听多路访问i 1 突检测( 1 1 l ic s m c d ) 的介质访问控 制方法，网络实时性不高在图像和卢音传输效果尤j e 语音教学功能方面还有待于 进一步提高完善。 2 、纯硬件方式 纯硬件方式是在每台f u 脑i 插献块多媒体| 叫。h 此卡已智能化带有c p l j 自行完成系统的控制处理任务多媒体影音信峙、控i l i , l f t i 号均d i 专用多媒体网卡独 立传输，系统自成体系，不依赖底层数据i 卅运行。l i t l , i , 厅式的优点是不占用主机及 数据网资源，对电脑硬件配置尤要求( 2 8 6 以上就i i r 以) ，安装维护简捷而且 图像和声音传输效架良好语音教学功能强人。侄i 此方式成本较高不利于普及。 另外，升级成本商，系统升级刚难。 3 、软硬件结合方式 软硬件结合方式足通过住每台i i l i l l ! i , - 捅狄块多f ! i l 体网卡，此卡无c p u 多媒 体影音信号的通过此卡传输。f il 教学的控制处理f 丁i 务l l i t l 软件完成。这利一方式影音 信号有独立的通道传输，就确保丁影爵信t j - f i l 实州传输。教学的控制处理任务由软 件完成系统升级容易，成小也较低。n ：采川发计良好的专j | j 多媒体嗍卡和网络结 构、软件技术时，此利方式在图像t 手i i j u 音传输效果i ：i 叮以达到纯硬件方式的质量。 丽且教学功能也r 以多样化，小仪川以实现实时的教学管理控制、实时的语! 爵传 输、实时的视频广播，还可以j e - 9j l j i i i - ”弘、i u r 一扳、谍堂考试和自动判分、超 文本通信等。 可以预见。软硬件结合办武会逐步取代纯软件办武和纯硬件方式成为多媒 体网络教学系统的主流方式。 第2 页 目斩l ： 学技术人! ! ；：圳究生院学位论史 1 2 多媒体网络教学系统的结构及设计实现 一、系统的结构 l 、系统构成 前面分析了三种方式的多媒体时络教学系统，纯软件方式l h - 二底层网络传输方 式的局限，系统在实时性一1 ：4 4 m l 杖f l - 纯硬件方式和智能化的多媒体网卡。解决了 实时性问题，但系统成本是较商h 系统功能扩展不易；软硬件结合方式在实时性 和可扩展性上留有提升的空n d ，在采用适应于多媒体网络教学的介质访问方法和良 好的软件结构的基础上，实时性和可扩展性可以同坩满足而且系统一个站点的成 本是台多媒体计算机和一块多媒体网卡，比纯硬件方式低。易于推广。综合考虑 系统的性能、可扩展性、成本我们的多媒体网络教学系统采用软硬件结合方式。 这样系统构成就是：多媒体计算机、多媒体网卡、应用软件。 2 、拓扑结构 本文的多媒体网络教学系统采j | j 双令牌链总线的列络结构采用这种结构的 原因和优点将在第二章网络拓扑结构t - li 论述。这种网络结构在同一总线上分时运行 着两个令牌分别称为工作链令牌和查询链令牌，它们郯i 圭l 网络中的教师机产生 查询链令牌以一对一方式在教师机和米入网的学生机之f n j 传递，不论学生机 是否丌机，是否进入多媒体网络教学的应，l j 程序a 询链令牌在教师机传递给一台 学生机后都会消失。若未入恻学生机已外机并进入多媒体网络教学的应用程序，学 生机就利用获得的令牌把本机信息发送到网1 ：，教师机收集此学生机的信息并在下 次配置工作链时添加此学生机入i ：作链。若未入刚学生机朱外机或未进入多媒体网 络教学的应用程序教师机检洲剑允i | ! i 成信息就最新产生查询链令牌查湖下一台未 入网学生机。 工作链令牌在教师机和已配臀好的入i 姆学生机之l l i j 传递获得令牌的计算机 具有发送数据的权利。教师机和入网学q - ：h l ：，t - ：逻辑i ：足一条链，- t 作链令牌i i ：i 教师 机发出后在工作链上的学生机中依次传递当丁作链令牌到达工作链逻辑上最后一 台学生机后，没有f 个传递x 于象，令牌就消失。敦j j f i j 机检测到工作链令牌消失就 重新产生工作链令牌，重复i ：i f i i 的过牺! 。 第3 页 汹聃样学投术天学螂究嗽弑学位论熏= 刚络拓扑结掏如翻l 。l 赝承。燃1 1 的瓤l 照线为拯理k 蚋嬲线搀成总线。戈 l 罄头 绒线表示教学网上的计算机连接确! 总线l ：，街瓣头细线袭示教师机秘入阈学生机荻 褥工作链令牌发送数据的嵫毒i 顺序。 翻1 。l多髹律秘络教学系统翊终缝稳隧 这么设计戆潮络缝稳秘撬煮蹩掰络控簿麓肇，棼令站舷送入杰嚣文举影霸整个 魏络熬迄行。备稚发送数擞弱瓤会均等，数铡 = 送豹疆夫延迟 墨羟，裁缣涯了系统 的突瓣性。 3 、瓣终势鬃攘鬃 多媒蒋翔络教学系统势为兰滋一残溺瑟、终辕瑟、弼络诱瓣攫。层次结秘 翔强l 。2 酝承。 l 鬟哮屡擞述 l 3 廊埘您 l 2 转辕甓 1 l 网络访问厦 澍1 2 多媒体网络教学系统层次结构 ( 1 ) 成用层 应桶层镪括多媒律阏缩教学系统的备个应j | l 张 。功髓魑窳现雾媒体教学系统 各瑗功辘。 ( 2 ) 转输层 砖瓣屡为多瓣髂嗣一番鞠璇动稷澎。囊德蹩遴过瓣每实糯辩瘫臻程序瓣数攥收 发簸努。 ( 3 ) 掰络访弱瑟 繁4 戮 l 肌聃年 学技术人学研究生院学位论且= 网络访问层为多媒体网卡。功能足为系统提供到网络的接口，实现数据在网 络上传输和收发。 二、系统的应用程序结构 应用程序实现多媒体网络教学系统的各项功能。由多媒体网络教学系统的系 统结构可知，应用程序所在的应用层在传输层之i 二。由传输层提供数据发送和接受 服务。应用程序包含管理程序和j e 它功能性应用程序。 管理程序完成网络动态配胤、教师点名、学2 l 于发言、学牛分组、学生信 息添加和查询等功能管理程序由网络管胖模块、数据库处珲模块、注册袭处理模 块构成。 功能性应用程序是语音通信程序和视频同步广播程序。 语音通信程序完成基术的网络实时语音通话。包括利用声卡实时采集、播放 语音功能，和为实现在网络中实时通话的语音数据实时传输功能。语音数据的走向 由管理程序通过驱动程序控制多媒体网i 的发送组号实现。 视频同步广播程序完成在网络中同步播放m p e g l 影音文件。包括教师端获取 影音文件数据、数据传输、本地播放播放和学生端受教师端控制同步播放的功能 视频数据走向同样由管理程序通过驱动程序控制多媒体网卡的发送组号实现。 为使系统具有可扩展性。以便后续功能性应川程序能方便地添加到系统中， 在程序结构设计上应用层内的各功能性应用程序除与管理程序有数据通路外，都相 互独立。这种结构的实现办法将祚第三章软作总体结构。1 1 论述。应用程序结构如图 1 3 所示。 圈1 3 应用程序结构 第5 页 日防科学技术人学埘究扛院学他论空 三、系统设计与实现中解决的问题 1 、实时性 教学网络与其它网络卡比。 矗人的l 天) ；i j 就址教学m 络把实时性放在首位。因 此教学网络系统的各部分的设汁挪采圾_ r 干应措施满足实时性要求。在网络结构方 面。采用了双令牌链结构，f t 站点依教师机安摊的逻 l 顺序发送数据，各站点发送 数据的机会相等。在软硬l f | ：功能划分i ：，硬件x 寸1 4 上的数据进行组号匹配只有 0 组和属于本机接收组的数据才接收送软件处琊，挺豳了软件处理效率在数据结 构方面，采用短帧，如多数僻旦刚畎为儿个字铃，语奇数据帧采用5 1 6 字节一帧。在 软件设计方面，采用多线秘擞术米= j l = 行处珊多任务。 2 、可扩展性 作为一个应用系统，可扩展性足个很熏婴的， 耄标。可以根据不同的用户实 现不同的要求，也可以根据技术的发艘，系统得到刁i 断升级。为满足可扩展性，软 件采用了独立程序结构一个榭序实现项：i ：要功能，这样功能可以随意增添。在 第三章程序总体结构中将对此详细沦述。 3 、基于网络的语音实时通信 语音通信足多媒体最基木的应川f | i ； 人多数列络教学系统在多媒体网卡上 有专门的硬件实现沿音采集和插放，成小较幽。我们曲fi c - 上采j hd i r e c t s o u n d 技 术实现了语音实时采集、 番放j ：埘数据的采集发送j 接收播放各j 1 j 个线程处 理。实现在网络上语音实时通信。竹：第f i 啦i _ 爵姬信税序的设计与实现中将对此详 细论述。 4 、基于网络的同步视频广播 视频广播是本系统的个二l ：婴功能。往这方瓶解决的问题有根据视频流建立 播放过滤器图、数据提取、传输和插放l 司步控制；在第六章同步视频播放程序的设 计和实现中将对此详细论述。 筇6 页 陶舫科学技术人学1 j f 兜生院学位论文 1 3 本文所做的工作 本文工作是结合实验室的多媒体网络教学系统项日开展了多媒体网络教学的 应用程序研究本文的重点足管舅l ! 程序的设i l 与实现。基于声卡的实时语音通信程 序的设计与实现，同步视频j “插程j r 弘的改计与实现 在第二章系统结构中，对网络拓扑结构和系统层功能划分进行了详细论述 在第三章软件总体结构t | i ，论述了为满足可扩展性而设计的软件结构和支持这 种结构所使用的方法 在第四章管理程序的设计与实现q i 。简要介绍了程序的总体结构详细论述了 管理程序为实现各管理功能所用的旗本数据表和所使用的帧结构，最后论述了各主 要管毽滚程的实现方法 在第五章语音通信程序的设计 j 实现中。简要介绍了程序的总体结构和语音通 信程序设计盼基础d i r e c t s o u n d 技术，详细论述了语音通信程序的各功能模块 的设计实现 在第六章同步视频同步广播程序的设计与实现巾，简要介绍了程序的总体结构 和视频同步广播程序设计的旗础i ) j r e c t s h o w 技术，详细论述了视频广播程序 的各功能模块的设计实现 第7 页 1 日酗年 举技术人学研究生院学位论殳 第二章系统结构 2 1 网络拓扑结构 一、多媒体网络教学系统对网络拓扑结构的要求 在教学活动中，班级和一l 二课学生人数不确定，使每次学生机的上网状态都不 相同，而且迟到早退时有发生凶此教学叫络必须有灵活方便的组网能力。另外 教学网应能任意分组讨论，也应使学生能彩l 极参加到教学活动巾。这样各学生机就 要有和教师机一样的发送数 i i ：的能力，即网络巾各站点都要有可靠的发送数据能 力。为满足语音和视频图像的传输。列络应有较胁的实时性。 综合上述几点，多媒体网络教学系统的网络拓扑结构应有灵活方便的组网能 力、网络中各站点有可靠的发送数t l i ：f 1 1 ) 7 1 1 1 较高的实i h 它i - 。 二、局域网的介质访问控制方法 多媒体网络教学系统耩于局域恻的一个应用方i l | _ i 局域网的介质访阿控制方法 决定局域网的网络拓扑结构。通常所月j 的局域网的介质访问控制方法有三种，即载 波监听多路访问7 q i 突检测( 即c s i t l a c 1 ) c a r r i e rs e n s em u t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 、令牌总线( t o k e nb u s ) 、令牌环网( t o k e nr i n g ) 。 1 、c d 姒c d 介质访问控制 在广播型信道中信道是各站点的j 亭资i ! l ： 。c s m a c i ) 足一种采用随机访问技 术的竞争型( 有冲突的) 访问方法。各站点都能判断倩道的状态，判断的方法是利 用站点上的接收器从信道上接i i 堑f a 道信号。如果信道电平变化即所渭载波，说明 信道被其他站点所用；如果信道i - f b 平不变化信道就处于空闲状态。 一个站要发送，首先需监听总线。以确定介质状态。如果介质是空闲的，则 可以发送。如果介质是忙的，则等待一定的i 时闻问隔后重试 由于信道的传播延迟，当总线上两个站点监听到总线上没有存在信号而发送 帧时，采用c s i l 算法，仍会产生冲突。 第8 页 一 理丝丛生丝坐厶兰竺塑尘竖兰丝丝苎 根据c d 算法，每个站在发送帧期m ，川i ，彳r 检测冲突的能力。一旦检测到冲 突，就立即体制停止发送，j t ：l ；i j 总线发 l i l ! l l ：i _ l f t i 号，通知总线上各站冲突已发 生。各站等待一个随机时m 然后c s m a 的算法发送。 以太网( e t h e r n e t ) 就煺采川c 1 ) 叭c i ) 竹法。仆低负载寸只要介质空闲，要 发送帧就能立即发送。但重负载寸，埘络的传输效率就很低，而且某些站点可能就 不能发送帧。c d m a c d 算法的优点足连接简啦任何站都可以随意进出。缺点是这 种并发算法在数学上表明了当t ，i ：多站连接在同一个段i 大量加载时连续碰撞发 生的概率将按指数率增加。这将使得当一个网络全 ；t l l u t 缝时。任何数据都将不能传 输。 2 、令牌环 这种介质访闯使用一个沿着环循环的令牌。当各站都没有帧发送时，令牌为 空令牌。当个站要发送到环上时i l 于令牌是忙状态，所以其他站不能发送帧， 必须等待。 发送的帧在环上循环一周后再刚到发送站，将该帧从环上移去。同时将令牌 改为空令牌，传到后面的站，使之获得发送帧的许可权。环的长度用位计算，环上 每个中继器引入一位延迟，环好似个循环缓冲器。接i i 殳帧的过程是当帧通过站 时，该站将帧的目的地址和奉站的j lj = s l ：l l l 比较如果地址符合则将帧放入接收缓 冲器再输入站，同时将帧送l i , l s 4 ；l ：。如地址刁i 符合则将数据帧重新送入环。 在轻负载时，i 自于存在等待令牌的时m ，故效率较低。在重负载时对各站 公平，且效率高。这利方式的缺点煺所有站都婴参! j 数掂的传输，一站中断就可造 成网络中断。故不适合于站进随便的心川。 3 、令牌总线 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环如图1 1 所示和总线网 一样，站点共享的传输介质为总线。但是，从逻辑一l ：看，是一种环型结构的局域 网，接在总线上的站组成一个逻f i t s 4 ：，每个站被赋予个顺序的逻辑位置。和令牌 环一样，站点只有取得令牌才能发送帧，令牌在逻掣 环上依次传递在正常运行 时，当站点完成了它的发送时就将令牌送给下一个站。从逻辑i - _ 看令牌是按地 址的顺序传送至下一个站。但从物删l ：看，带有h 的地址的令牌帧是广播到总线上 所有的站点，当目的站识别符合它的地j i i = 时，即把该令牌帧接收。 第9 贝 闷聃科学技术人学圳究生院学位论文 图2 1 令牌总线访问控制 因为只有收到令牌帧的站点爿能将信息帧送到总线i ：因此与c s 姒c d 访问 方式不同，它不可能产生冲突。t l r ：小l l f 能产 - j - n , 突。令牌环的信息帧长度只需根 据要传送的信息长度来确定，而x t - i ：c s 姒c 1 ) 访阿控制。为了使最远距离的站点也 能检测到冲突，需要在实际的信息长度后加填充位，以满足最低信息长度的要求 一些用在控制方面的令牌总线帧可以设置得很短，这样刀：销就减少了，相当于增加 了网络的容量。 由于站点接收到令j ；9 1 的过程是顺序执行进行的因此对所有站点都有公平的 访问权。最坏情况下，等待取得令鹪i 和发送报文的时f i c l j 应该等于全部令牌传递时间 和报文发送时间的总和另一方面，如果只有一个站点有报文要发送，则最坏情况 下等待时间只有全部令牌传递时问的总和。所以令牌总线中站点实际等待时间在区 间范围内 令牌总线网络的正常操作足十分简犯的然而，网络必须有初始化的功能， 即能够生成一个顺序访问的次序。当i 叫l 的令牌丢失或产生多个令牌时必须有 故障恢复功能还应该有将刁i 活动的站点从环l 删除以及将新的活动节点加入环 的功能，这些附加功能大大增加了令牌总线访问控制的复杂性。 三、多媒体网络教学系统的网络拓扑结构 从多媒体网络教学系统对网络的要求的角度看这三种介质访问控制方法，没 有一种是理想的。c 附 c d 介质访问控制方法简单。具有个别网站加入和退出不影 响整个网络运行的特点。但最大延迟不可控，碰撞检测算法在网络繁忙时效率低 下，且有可能个别网站漏发数据坡坏t i ! ! 况足! i ；! f 个l 吲销阻塞。令牌环最大延迟可 控。各站发送优先权相等，f n 网络配髓足同定的，不能适应教学网对网络能灵活方 便的组网能力要求。令牌总线方式土吐能满足网络l i l 各站点有可靠的发送数据能力和 较高的实时性，但控制较复杂，单个站的进入退 | l 需要控制。否则影响网络运行。 第1 0 页 周胁科学技术人学研究生院学位论文 基于上述考虑，我们设计了个双令牌链总线的恻络结构。在同一总线上分 时运行工作链和查询链，运行：l ：f 11 链运行数次后运行查询链。然后再运行工作链。 查询链和工作链的调度山教! i i | j 机完成。 1 、查询链 查询链用于教师机判断学z 卜机足否i ：线，糟学z i i 机已上线。则收集此学生机 的信息并把此学生机在下次配置i ：作链时添加到i ：作链l l oj ，i 以查询链上的站点 是教师机和未入工作链的学牛机。查询链令牌由教师机产牛。教师机根据自己的未 上线学生机表，依次发出查询链令牌查询未上线学牛机。若学牛机开机并进入多媒 体网络教学系统的应用程序，就能利用教师机提供的令牌把本机的信息发送到网 上，教师机获取此学生机信息后，j l ；f 发一个查询链令牌查湖下一台学生机。若学生 机未开机，教师机发出查询链令牌查询此学牛机，无回应。就再发一个查询链令牌 查询下一台学生机。在下次配置工作链时添加到工作链中。 2 、工作链 工作链用于教师机和学生机兆字总线发送数据帧。这些数据帧实现多媒体教 学系统的各项功能。工作链上的站点是教师机和已登记的上线学生机。工作链令牌 也由教师机产生。教师机在配置j = 作链站点时，根据各站的地址把已登记上线站点 安排成逻辑上的一条链。各站点都状得了木站在逻辑链j 二d u 一站的地址。并把前站 地址存储在多媒体网卡的前站地j _ i i ：鼯存器1 ，1 j 作链令牌中带发出站的地址信息 若其它站点的前站地址寄存器中的地址数据与令牌的地址相匹配该站就获得发送 数据帧的权利，这样工作链l ：站a 就依 ! 教师机安排的逻辑顺序依次发送数据帧。 若如数据帧，则发空数据帧。当令牌到达逻牲 上域后个站点时，令牌消失。由教 师机重新产生工作链令牌。 网络中站点的标识通过给每一个站点设簧机器号实现的每一台机器都有一 个实机器号作为相互区别的标志。l if i i f 机器号用一个字节表示，可以提供2 5 6 个地 址。考虑到在同一总线卜运行的夼询链和+ r 作链都以机器号作为标识分配- t 作链 上的机器号范围是0 1 2 7 ，查询链上的机器号范是1 2 8 2 5 5 。在设计上，工作 链上的机器号就j j 各站点的实机器0 a 砌链一l ：的机器吁足实机器号加1 2 8 。如实 机器号是2 ，则工作链t - 的机器号足2 ，奁询链的机器号足1 3 0 。 第1 l 页 哪防科学技术人学研究生院学位论直： 图2 2 足以8 个站点组l 成的教学网为例浇叫网络址如何一作的。教师机机器号 为0 ，其它学生机依次足l 一7 。似改l ，：j ，6 ，7 学生机j i ：机后已经由教师机通过 查询链配置在工作链上，2 时机以外机i l i 进入网络教学程序4 号机和5 号机未 歼机或来进入网络教学襁序。这样，i ：作链上运行的机器为0 号教9 j l i u t 1 ，3 ，6 ，7 号学生机，则丁作链令牌传递顺序如带 f | f 头实线l ：的标号所示到7 号机后，令牌 无下一个传递对象，令牌消火，教! j i i j 机巫新产小1 ：作链令牌。在查咖链上。令牌 如带箭头虚线上的标号所示，教师机产生。个金洵链令牌只查询一台学生机。 图2 2 多媒体网络教学系统网络运行图 这么设计的网络结构的优点是网络控制简单。学生机的进入退出不影响整个 网络的运行，备站发送数据的机会均等，数据传送的最大延迟可控但付出的代价 是查询链的存在降低了网络的传输效率。 令牌帧格式将在系统网络体系结构小网络访问层的帧格式中描述。 2 2 网络分层模型 一、网络分层模型 参照0 s i 参考模型( o p e ns y s t e m n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) ，多媒体 网络教学系统分为三层应用层、传输层、网络访问层。 ( 1 ) 应用层 应用层包括多媒体网络教学系统的各个应用程序。 ( 2 ) 传输层 传输层为多媒体网卡的 i i 动程序。支持的功能足接受应用层的数据，并把数 据装成传输层帧写到多媒体网卜的发送f f a ml i ! 。并控制多媒体网卡发送数据；从多 笫1 2 虹 闲防科学技术人学埘究生院学他论文 媒体网卡的接收r 枷中读取接收数姑，去掉传输层帧头后把数据分发到相应的应用 程序 ( 3 ) 网络访问层 网络访问层为多媒体网卡支持的功能足把发送r m - 扣的数据装成网络访问层 帧后发送至网上；对网上的数据进行组号匹配，并把属于本组的数据去掉网络访问 层帧后存在接收i t 枷内。通知传输层提取数抛 多媒体网络教学系统分层模型与0 s i 参考模型的关系如图2 3 所示 o s i 参考模型0 6 l 多姚体网络教学 层描述层碍层描述 应瑚层 7 戍川层 表示层 6 ( 不存在) 会话层 5 ( 不存在) 传输层 4 传输层 孵络层3( 不存在) 数据链路层 2 网络访问层 物理层l 图2 3 多媒体网络教学系统分层模型与o s 参考模型的关系 二、模型的使用 多媒体网络教学系统的每一层都有与其棚邻层的接口。为了通信。两个系统必 须在各层之间传递数据、指令、地址等信息通信的逻辑流程与真正的数据流的不 同如图2 4 所示。 逻g i 淡 增描述层数 成用瑶 3 k 传输堪，一 2 h 络协嗣层l 一一一。 真实数据溅 图2 4 多媒体网络教学系统数据逻辑流程和真实流程之间的对比 虽然通信流程垂直通过各层次，但每一层都在逻辑上能够与网上其他计算机 系统的相应层直接通信为创建这种层次f i i ：l 的逻 1 连接引发通信机器的每一层协 议都要在数据报文自口增加报义头。该撤文头j 能被其他计算机的相应层识别和使 第1 3 页 l 硼协科学技术人学l ! j f 兜生院学位论文 用接收端机器豹协议层删去撤文头，每一层都删去该层负责的报文头，最后将数 据传向它的应用，过程如图2 5 所示 i 嚣l + l 掣i 第3 艋 + 第3 层 头 赣据 i 髅 第3 屈 + i 第2 层 层i 警 + l 癸 第3 层 敦搬 峡 。i 乳 ， i 嚣 麓3 层第2 堪 +第1 层 第1 胺旃2 层第3 层第3 层 头头头 h 络涛纠堪+ 头头 数据 炙 圈2 5 为支持连接而使用的协议层报文头 三、各层帧的帧格式 1 、网络访问层帧格式 前导码 开始界符组号l ：作链下站地址结束界符 ( 4 字节)( 1 字节)( 1 字垤)( 1 字i 代)( t 字节) ( a ) 前导码 ( 4 字节) 开始界符 ( 1 字节) 组号 卉询链。i - 站地址l 结柬界符 1 字)l( 1 字* )l( 1 字节) ( b ) ( c ) 前导码 开始界符组母饩洵链卜站地址数据结寐界符 l( 4 字节)( 1 字节)( 1 字+ 铃)( 1 字捧)( 无限制)( 1 字节) ( d ) 图2 5 网络访问层帧格式( a ) 无数据工作链令牌帧( b ) 查询链令牌帧 ( c ) 带数据工作链令牌帧( d ) 带数据查询链令牌帧 2 、传输层帧格式 3 、应用层帧格式 图2 6 传输层帧格式 第1 4 页 1 聃f ： 学技术人学州宛乍院。擘f 矗论殳 l ! 主：堕21 2 室韭2l ! ! 韭2i ! ! 垒丝芏芏2 图2 7 应j l j 层帧格式 2 3 本章小结 本章是整个论文的基l i j i l 。j j 篮谈到了系统结构的嘲络拓扑结构和网络分层模 型在网络拓扑结构的设计i i i ，讨论了多媒体教学系统要求稠络具有灵活方便的组 网能力、网络中各站点有可靠的发送数据能力和较高的实时性，论述了根据此要求 设计的双令牌链总线的网络结构。祚嗍络分层模獭l j i 论述了网络分层模型网络 中各层的相互关系，网络中逻幸i 数w 流和典实数谢流的必系，设计了各层的帧格 式。7 本章内容是我们做的多媒体网络教学系统各项设计的d 口提。多媒体网卡、网卡 的驱动程序，以及本文的多媒体网络教学系统的应用程序都是根据系统结构要求设 计和实现的。 第1 5 页 l 目酗 ： 学拽术人节州究隹院学位论文 第三章应用程序总体结构 3 1 应用程序总体结构 在绪论中提到，多媒体网络教学系统儿仃i i j 扩展性，以满足不同的用户要 求，也方便了以后系统升级。 目前多媒体网络教学系统的j , v j t ! 序喽实现的功能足配霄网络、维护网络运 行、教师广播式发言、教师点私、教! j i f j 点私学，i 发占、学，i i 举手发南、教师任意分 组讨论、学生请求铝集讨论、 见频j “播。衍续准衔j i ：发的功能足j 享应川程序、i i i 子白板、课堂考试和自动判分、超艾小通信等 分析这些要实现的功能，可以归纳为三种基本功能管理、语音通信、视 频广播。语音通信和视频广播在管i l ! 的控制卜可以实现日日h 要实现的各项功能。 实现这三项功能的程序结构有两个一种结构足朋一个程序中实现这三种基本功 能；另一种结构分机式实现，u 似种丛水功能符川个程序实现，安排一个j ! 程 序，其它程序的；t t ，l ：和关闭i t i ：l 粥婶控制实脱。 用一个程j 乎实现的办法优点址编槲办法筋i n 。所订功能礼个进剃i 实现。 不需考虑进程控制。而h 张序运 j 二做率i 啊，使川系统资源较少，矸i 需c p uj e 升i 同进 程中切换。缺点足 望序测试、维护较旧难，0 f 该系统篮添# i l l # , 1 续功能，需要削安改 动已有程序的代码，不利于后续j l ：发。 分夼式实现的a 法足程序调试、维护容易，符功能”r 以犯独涧武、维护，而 且不需改动已有程序就可以添加厉续功能，方便了后续) l ：发。缺点魁编程巾要使用 进程控制，系统运行时，每一个进私都婴t h ) t l 独盘的系统资源，c p u 要在不同进程 中切换，程序运行效率相对一个程序实现的办法低。 评价一个处于发展中的系统，神i 满足性能的l j i 提一f 系统的可扩展性和可维 护性是首要指标。而目前多媒体计算机l i i l ! 件所能提供的系统资源、c | ) u 速度已远高 于网络教学的要求。所以分和式实现纳方法优于个羊i t 序实现的方法。 基于上述考虑，该系统的应用槲序分为管理牺! 序、语音通信程序、同步视频 广播程序。管理程序负责网络管理h 和教学控制，具体足：网络配置、网络运行维 护、教师发言控制、教师点名控制、学生举手发苦控制、分组讨论控制、学生请求 第1 6 页 闾胁科学挂术大学埘究生皖学他论殳 组织讨论控制、学生离开控制、学，e 接收视频广播控制语音通信程序实现基本的 语音通信功能，具体是：语音采集、语音数据成帧、语音数据拆帧、混音插放，而 语音数据的发送控制、数据建向， i j 管理程j 葶通过波黼多媒体网卡的发送使能和发 送组号寄存器实现同步视频广播程序实现视频广播基本功能，具体是教师端语音 数据提取、视频流传输速率控制、学生端接收视频流、学生端播放视频流、播放控 制，对于学生机接收视频流控制， l l 管理程序实现。 分布式实现方法的难点足程序之问的她信。各程序共同完成系统功能，需要 相互通信，而且后续添加的程序也有与系统通信的接f 。程序之间的通信可以归为 两类，一类是应用层内的程序与传输层的通信，即与多媒体网卡驱动程序的通信： 一类是应用层内管理程序与气态其它程序的通信。 对于前者，可以直接调用驱动程序提供的接口函数实现。驱动程序使用应用 程序的应用类型号区别应用程序的数掘。实现对应用程序的数据收发服务。 对于后者，我们使用管道实现为此我们编写的一个管道通信类，管理程序 预留管道接口。当添加应用程序时，只需使用这个管道类，就可以与管理程序的相 关管道通信，从而实现管理程序对新添：l i l i 的应 | l 程序的控制。 每个站点的各应用程序都足通过网卡驱动程序与网1 ：其它站点的相应应用程 序通信的。管理程序控制其它应用程序的打外和关闭，也控制这其它应用程序功能 实现。除管理程序外的其它应用程序年1 1 。叫咄立。 应用程序总体结构框图如蚓3 1j 听示。 图3 1 应用程序总体结构框图 第1 7 页 塌舫科学技术人学i i f 究生鲩学位论文 3 2 本章小结 本章是论文应用程序部分的基础在本章巾讨论了应用程序的总体结构，依据 可扩展性和可维护性的要求。确定了程序总体结构采用分前j 式实现方法，即把要实 现的功能进行功能划分，对每一类功能都用单独的程序实现。针对目前系统要实现 的功能，把应用程序分为管理程序语音通信次序、同步视频广播程序并论述了 这三个程序之间的关系。以及实现分柿式程序结构的实现方法在下面三章将详细 论述这三个程序的设计和实现。 第1 8 页 瑚舫科学技术人学鲥究生院学位论史 第四章管理程序的设计与实现 4 1 管理程序概述 一、管理程序的作用 管理程序是多媒体网络教学系统应j j 张序的拨心程序，具有以下功能。 l 、动态配置网络 网络管理程序根据查询链扶得的上线站点信息处立 ：作链并随时根据在线站 点情况动态更新工作链，保证网络难常运行。 2 、允许学生正常退出 对想退出网络的学生机。在学生机把退出报告发送到网上后，就可以退出， 不影响网络运行。 3 、任意分组讨论 这是多媒体网络教学系统相对于传统教学方式的优势之一这项功能应该使 老师能够自由安排学生讨论讨论组成蚰不受物娜空f h j 位麓和人数限制讨论组的 个数也是任意的 4 、教师随意点名发言 教师可以随意通知某学生发言学生能获知教师的点名发言信息并做出响 应。 5 、学生请求( 举手) 发言 学生可以通过发出发言请求告知教师其想发言，教师获知此信息后由教师决 定发出允许或不允许信息，学生机根据返回信息做相应处理。 6 、学生请求组织讨论 学生可以发起讨论，邀请多人参与讨论，托教9 i l i 允魂：惦抟6 下，l l l 教师机安排 这次讨论。 第1 9 页 i 碣聃科： 盘术人节鲥究t - 虢拳住论盅= 二、管理程序使用的编程技术 1 、数据库处理 为进一步体现多媒体刚络教学系统的优越惟，我们把学f l 饼l 心和座位信息添 加在多媒体教学系统小以便毂! h l i f t t 节g 业女r 地实现敷学活动。学牛信息霸i 座位 信息最方便的存储和处理方法炮把。学z i i l 齐息和鹏能信息址成数据朋：。 由于学生信息和座位信息的数抛