（计算机应用技术专业论文）分布式多媒体远端教学系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 沦文的研究课题来源于原邮电部留学归国人员基金项目“多媒体远程 教学系统”。论文在现有远程教学方案和实际教学模式分析的基础上，应 用计算机支持的协同工作c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 技术和理论，设计u j 个适合实际教学需要的基于l p 的分布式多媒体远 程教学系统。本文给 l ；了远程教学：的协 l 司工作环境模型；设计中为了提高 系统带宽利用率，采用一种更符合实际应用要求的“单播+ 。播”的有效 通信方式：为了解决音视频同步问题，参考实时媒体流和时间戳同步技术， 设计了一个基于用户数据报协议u d p 和实时传输协议r t p 的简单传输协 议，实际应用中保证了数据的实时性和同步性；系统采用基于显示同播的 事件同播方式，这样在一定程度上降低了数据冗余，同时扩大了系统的用 ，、数最。通过在校同网上运彳j = 与验证，表明该系统及其实现是实用可行的。 关键词：远程教学多媒体计喜事税麦持直勺恂乖瞰数据压缩 垒呈! ! 堡垒曼! a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fad i s t r i b u t e dm u l t i m e d i a d i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e mo ni pn e t w o r k b a s e do na n a l y z i n gt h ec u r r e n t d i s t a n c e l e a r n i n gs y s t e ma n dt h ep r a c t i c a lt e a c h i n ga n dl e a r n i n gp a t t e r n ，as y s t e ma p p l i c a b l et o p r a c t i c a lt e a c h i n ga n dl e a r n i n g n e e d si se s t a b l i s h e d ，u s i n gc s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ) t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e g ac w e ( c o o p e r a t i v ew o r k e n v i r o n m e n t ) m o d e lo ft h ed i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e mi sp r o v i d e d i no r d e rt oe n h a n c e t h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nf a c t o r at r a n s f e rm e t h o db a s e do nm u l t i c h a n n e li sp r e s e n t e d b o t ht h et r a n s m i s s i o no fr e a l t i m e m e d i as t r e a ma n dt i m e - s t a m p t e c h n o l o g i e s a r e i n t r o d u c e dt ot h es y s t e m t oe n s u r et h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c a n d s y n c h r o n i s m a n das i m p l ep r o t o c o lb a s e do nr t p ( r e a l t i m et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) a n d u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) i sd e s i g n e d t h em e t h o d ，e v e n ts i m u l c a s t ，i s a l s o b r o u g h tf o r w a r d t or e d u c et h ed a t ar e d u n d a n c ya n de x p a n dt h ec o l l a b o r a t i o ns c a l eo f t h e s y s t e m a ne x p e r i m e n t o n c a m p u s n e th a ss h o w nt h a tt h e d e s i g n a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no f t h i ss y s t e m a r ep r a c t i c a la n df e a s i b l e k e y w o r d s ：d i s t a n c el e a r n i n g m u l t i m e d i a c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e w o r kd a t ac o m p r e s s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当社会步入二十一世纪的时候，以计算机技术、多媒体技术、网络技术为代 表的一系列高新技术突飞猛进地发展彻底改变了人们传统的信息观念，人类的学 习、生产和生活的方式也随之而改变。以知识和信息的生产、分配、传播和利用 为基础，以创造性的人力资源为依托，以高科技产业为支持的知识经济观念里， 人才是社会发展的主要因素，技术是社会发展的主要力量，知识是社会发展的主 要动力。在这种形势下，以往的教学方式和教学手段与当代科技发展水平严重脱 执传统模式的高等教育与知识、信息迅速膨胀的特征之间差异很大；原有的教 育模式与社会对寸二高等教育大众化的渴求极不适应。社会已经迫切需要一种新的 获取知识的方式出现。 教育是一种进程，只有教育才能把信息转化成为知识、理念和智慧。现代远 程教育就是随着现代信息技术发展而出现的一种新型教育方式。这种新型教育方 式具有传统教育无可比拟的优势2 】：破除地域限制，实现了教育在空间上的拓展， 给学习者就近学习创造了条件；突破教育在时间上的限制，给学习者提供了自主 安排学习的机会：提高了教育的社会效益。使受教育的对象扩展到全社会的不同 群体：发挥了各种教育资源的优势，使学校教育资源迅速辐射，国内外教育资源 得以充分共享。 中国入世后的第二天，英国牛津大学校长克林卢卡斯博士在谈到中国入世对 教育体制的影响时强调，中国在高等教育改革中，应考虑三个因素： 首先，扩大高等教育的规模，以保证在知识经济时代培养出各种最新式的专 fj 人才。 其次，改善课程设置的结构。 第三，加快发展远程教育，以满足不同层次的人接受高等教育的需要。 在教育资源有限的情况下，远程教育是扩大教育规模的最好方式，而第三个 因素更是对远程教育的直接首肯。 1 2 远程教育的概念和发展 1 2 1 远程教育的含义 对于远程教育的含义在其各个发展阶段有着多种多样的理解和解释。简单地 说，远程教育( d i s t a n c ee d u c a t i o n 或d i s t a n c el e a r n i n g ) 是指师、生分离并采用 多种媒体手段进行教学的教育活动形式【4 】。它有以下几个显著特征： 1 在整个学习期间。师生在地理上可以永久性地分离； 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 2 教育组织或机构通过学习材料和其它方面的服务支持，对学生的学习给予 指导和帮助； 3 利用各种媒体技术联系师生，并承载课程内容： 4 提供双向通信交流； 5 整个学习期间，学生主要作为个体进行学习，为了社会交往和教学目的进 行必要的会而。 1 2 2 远程教学的发展经历了三个阶段6 】。 第代是函授教育，其技术的代表平特征是邮政通信和印刷技术；第二代是 指在第一代技术基础卜，利用播电视( w 星和微波) 、录音录像、电话、电传 等现代火众、个人和电信传播媒体开展的远程教育；第三代引入了多媒体技术和 网络技术建立一个虚拟的教学环境，称为现代远程教育，又称为远程多媒体教学。 1 3 国外远程教学的研究和应用 从1 9 8 4 年美国n a t i o n a lt e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y ( n t u ) 利用网络提供硕士教 育开始，远程教学正式必起。1 9 9 6 年8 月美国加利福尼亚、得克萨斯等十个州共 同创建了各州认可的、各高等院校承认课程学分的虚拟大学。不仅如此，s u n 、 m i c r o s o f t 等国际著名大公司都已经加盟现代远程教育，为这个新的领域注入资本 和活力。i d c ( i n t e r n a t i o n a ld a t ac e n t e r ) 预测，到2 0 0 5 年，有超过9 0 的美国 高等院校将提供某种形式的电子教学。 经过二十几年的探索，国外远程教育领域呈现几个特点： 1 大力更新教育机构的教学方法和教学环境； 2 教育机构加快信息融合； 3 鼓励交流协作； 4 使用高效的现代化设备来调动和提高学习者的兴趣： 5 教学资料高效的共享、传送和分发。 同时，对适用于w e b 交流的工具也提出新的要求： j 为满足组内交流的需要，提供邮件，讨论列表，聊天( c h a t ) 和视频会议； 2 提供同步和异步多媒体( 声音、视频、文本和图形) 课程； 3 提供基于w w w 接口的浏览器。 表1 1 对国外几个实用的集成环境进行了比较。其中f o r u m 由t e x a sa & m u n i v e r s i t yo fl a r e d o 开发，w e b c t 由c o m p u t e rs c i e n c ed e p a r t m e n to fb r i t i s h c o l u m b i au n i v e r s i t yo fc a n a d a 完成。而o d l i s t 7 1 ( o p e na n dd i s t a n c e l e a r n i n g i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是面向u n i v e r s i t yo fp a t r a s ，g r e e c e 的远程教育而设计。他们都 提供一些基本的功能，由于各个功能对网络的要求不尽相同，尤其音视频部分要 求较高，所以有些系统并不是很完备。 第一章绪论 表1 1 几个远程教育应用集成环境的比较 、o j 其 o d l i sf o i h u mv i r t l l a l u s y m p o s i u m w c b c tf i r s tc l a s s 特点 专题论坛 y e sy e sy 色sy e sy e s 聊天室 y e sy e sy e sy e sy e sy e s 应用共享 y e sy e sy 色s 自板工具 y e s f t l 2 0 ) 音频视频 y e s 音频通信通过第三 通信 r h3 2 3 ) 方工具 异步学习 y e sy e sy e sy e sy e sy e s 同步学习 y e sy e sy e s 合作学习 y e sy e sy e sy e sy e sy e s 用户管理y e s y e sy e sy e sy e sy e s 课程管理y e s y e sy e sy e sy e s y e s 试验表明f 8 】，学生通过数字化教学更能清楚、更好地表达自己。个在全日 制教室里说得很少的学生通过电子方式变得思维异常活跃，至于原因，研究者说 可能是在发言时学生没有受到别人注视的缘故，并且学生有更多的时间将自己的 思想以数字化形式来表达。 据不完全统计，目前美国约有8 0 所大学允许通过网络进修学位，网上虚拟 大学已经覆盖各个主要学科。除了美国，加拿大滑铁卢大学远程教育和继续教育 学院，提供2 5 0 多门课程供选择，并提供非全日制的技术管理硕士课程。国外的 网络教育不仅在教育领域占有一定规模，而且部分学校已具有较高的教学质量。 在1 9 9 9 年全英l o l 所大学质量评估中，以网上教学为主要教学手段的英国开放 大学( o p e nu n i v e r s i t y ) 位居第1 0 位。 1 4 国内远程教学的发展和研究成果 在国际现代教育思想的影响下，国内的远程教育近年来也取得了很大的发 展。自1 9 9 5 年底中国教育科研网c e r n e t 正式建成和投入使用后。便开始进行 网络远程教学的探索。尤其是1 9 9 8 年初，教育部选定清华大学、北京邮电大学、 湖南大学、浙江大学率先进行远程教育试点，并授权进行本科学历教学。截止2 0 0 1 年教育部已批准全国3 0 所高校开展远程研究生教育、成人专升本教育、行业内 本科教育等。同时，远程教育进一步向中、小学延伸，如北京1 0 1 中学等也开设 了网校。其他一些机构也纷纷设立远程教育站点，如天极网校、云舟网校等。 目前实施的远程教学大体上有以下几种方案： 1 基于广播与卫星有线电视的远程教育，这种技术日趋成熟，并已成为目前 主流远程教育手段( 如清华远程教育) 。但这种方式具有单向、时空限制、对应 用设备要求很高、资源不能很好的利用以及学员无法自主学习等缺点。 2 有线电视、图文电视的双向交互式传输技术应用于远程教育也正在研究与 探索中，如c a b l em o d e m 、图文电视数据卡等。c a b l em o d e m 目前价格很高，而 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 且使用c a b l em o d e m 双向传输数据，还面临着改造现有有线电视网的任务。 3 将基于卫星、有线电视网和i n t e r n e t 网相结合的“天地合”的上、下行 传输技术用于多媒体信息传输。利用卫星、有线电视网作为下行传输信道，而 i n t e m e t 作为上行数据或请求传输通道，丽者且补，共同完成数据通信业务。这种 方式部分地解决了远程教育中双向交互的问题，但时空限制和学员无法自主学 - j 的问题依然存在。因此，这种方式比较适用j 二现场直播式学习。 4 基于a t m 、1 s d n 、d d n 等专用线路的多媒体远程教学系统( 如北邮远程 教育) 。这也是当前使用比较多的种方案。在固定地点采用视频会议设备，可 以实时、商质最地进行多点多媒体数据交互。但设备及线路租用费十分昂贵，学 员依然摆脱不了时空限制，无法自主学习的问题依然存在。 综。f - f j ? 述，国内现有的远程教学系统存在以下共有的问题： 1 未能从根本上突破授课时间，地点的局限( 学生仍需在特定时间到配备专 门软硬件的教室上课) ； 2 成本高( 其线路代价太高，并非一般用户所能承担) ； 3 学生自主学习功能弱； 4 由于采用大景设备，必须有专门的操作员和教师协作完成讲课任务。若配 合失误，容易造成课程信息丢失( 如教师忘记提醒操作员切换场景，学生端听到 的与看到的内容将失调，等到再同步时，前面的视频信息已经丢失) 。 值得注意的是国内一些企业有意参与远程教育事业，这将为远程教育开拓新 的发展空间，有利于远程教育持续与稳步的发展。 1 5 课题的意义和本文的工作 论文的研究课题来源于西安邮电学院承担的原邮电部留学归国人员基金项目 “多媒体远程教学系统”。论文的选题主要是基于以下几个方面的考虑f 1 4 】： 1 实施现代远程教育是在教育资源短缺情况下扩大教育规模，培养最新专门 人才，推进科教兴国战略，提高全民族科学文化素质的有效途径。 2 现代远程教育是一种利用现代网络和多媒体信息技术，采用交互式、提供 弹性学习时间来达到教学目标的新型教学模式。它不仅是对传统教学手段的改 革，也是对全新教学模式的探索，是传统教育向终身教育转变的推进剂。 3 分布式多媒体技术的引入将会改变教学内容、教学手段、教学方法，最终 导致髂个教育思想、教学理论的变革。多媒体技术之所以对教育领域有如此重大 的意义，是由于多媒体技术本身具有创造氛围的特性，这是其他技术( 例如幻灯、 投影、录音等) 所不具备或是不完全具备的。 4 整个系统的开发是西部大开发中培养邮电专门人才的需要。目前邮电行业 总体职工教育水平偏低，西北地区尤为严重。西安邮电学院担负着西北五省邮电 第一章绪论 部门成人继续教育的任务，每年要抽出大量全日制在校教师到各省去讲课，而且 各省也有一批职工要停下正常的工作来邮电学院进行培训，因此开发远程教学系 统是节省教师资源，提高工作效率的必然选择。 本文主要是对一个基于i p 的远程教学系统的分析、设计与实现。首先从功能 考虑给出系统全貌，然后介绍核心功能模块的构建。重点放在电子教案和电子白 板的同播，视频信息的采集、压缩、播放及音视频的同步控制。 全文分七章。绪论中介绍了论文选题的背景和意义，远程教育的概念、国内 外的发展现状等，指出了远程教学系统建设中存在的问题，最后给出了本文的研 究目标基于i p 网络的分布式多媒体远程教学系统。 第二章讨论了系统总体设计。在分析多媒体远程教学需求的基础上，提出了 基于i p 网络的多媒体远程教学系统总体结构。按实时性特征，将远程教学系统分 为实时子系统和非实时子系统两大功能模块。实时子系统中，采用一种符合实际 应用的“单播+ 广播”的有效传输方式，提高了系统效率和网络带宽利用率。 本文在第三章对远程教学的协同工作环境和群体协作进行了设计。本章首先 给出了远程教学的协同工作环境和群体通信机制，在此基础上给出了系统所用的 c s c w 接口模型及采用的协同控制策略。 在前几章基础上，四、五和六章论述了系统的具体设计与实现。第四章讨论 基于同播技术的几种实时功能模块。为使学生在远端客户机上共享多媒体演示功 能界面，利用钩子技术开发电子教案的同播：通过电子白板的同播，教师将课堂 内容同步广播至所有在线学生的计算机屏幕上；两者都应用基于显示同播的事件 同捅方式，一定程度上降低了数据冗余，扩大了用户协作规模；共享自板交互以 上述教案和自板的同播数据为基础，完成协同操作。 第五章采用a p i 的低级波形音频编程接口来进行音频采集、播放的设计；实 现视频信息采集，以及软件压缩编码，服务器端本地视频回放和远端视频数据拆 包、排序、解码，基于硬件对图像的支持采用d r a w d i b 进行视频抖动优化显示； 参考时间戳同步，在r t p 与u d p 基础上自行设计一个通信协议，为数据传输的 可靠性及后续远端音视频同步回放提供保障；为使远端音视频同步展示，系统进 行音视频的采集、发送、接收、播放四个环节的同步控制。 第六章基于流媒体( s t r e a mm e d i a ) 技术和w i n d o w sm e d i as e r v i c e 成功构建 视频课件点播系统；考虑两层分离结构和i p s e c 协议安全封装，提出一个专用安 全浏览器的设计思路。非实时子系统还提供一些其它功能：远程测试模块按课程 提供分阶段测试；自动答疑模块提供特定问题答案的搜索；教学管理模块提供系 统维护、成员信息管理、数据库维护，综合管理教师、学生以及课程信息。 结论中总结了本文完成的工作和工作中的一些技术成果，对存在的问题提出 改进思路。最后按引文出现的顺序给出参考文献。 分巾式多媒体远端教学系统的设计与实现 第二章系统的总体方案 通过第一章对目前现有的几种远程教学系统的分析，可以看到基于i p 的多媒 体远程教学系统在现代远程教育中表现出的独特优势：成本低而且真正地突破了 课堂的时空限制。本文的开发目标：完成适合教学实际要求的分布式多媒体远程 教学系统，力争使开发出的系统不仅能够突破传统教学模式的地域限制和时间限 制，而且又不失传统教学身临其境的效果。 2 1 系统总体结构 作为一个分布式的多媒体系统，系统采用了典型的客户机服务器模式，其拓 扑结构如图2 1 所示。服务器端包括提供实时服务的服务器( 教师机) 和提供自 ：卜学习的非实时服务器( 远程教学网站和多媒体课件服务器) 。 圈2 1远程教学系统拓扑结构图 根据网络教学的特点，将系统分为实时教学和非实时教学两个子系统。实时 教学予系统基于t c p 1 p 协议族，实现教师机与学生机之间的共享白板，文本和 音频的交互，教师端电子教案、电子白板及视频数据的广播以及各种媒体的向步 控制等功能；非实时教学子系统采用w w w 方式，充分利用现有的h t m l 、a s p 、 流媒体等成熟技术，提供基于w e b 的多媒体课件点播、远程测试、作业发布与答 疑、教学管理及远程网上讨论等功能。教学系统通过远程教学主站点的w e b 贯发 布授课时间安排表，授课时，服务器端启动实时教学系统，将现场授课的实况及 教师使用的电子课件通过网络广播给每一个在线学生，同时录制授课的实况录 象。学生和教师之间可以通过实时文本讨论、音频进行交互，并使用共享自板就 教案内容和电：子白板的板书进行讨论，以实现课堂交流；课后可以点播非实时系 第二章系统的总方案 统提供的课件或上课的录象进行复习，并通过作业发布与答疑等子功能模块进行 课后辅助学习。系统的功能模型如图2 2 所示。 系统用户接口 安全认证平台 子 媒 体 同 步 拧 制 电予白板数据同播 电子教案数据同播 共享自板 实时文木讨论 音频交互 视频同播 实 教 子 统 网络教学管理 多媒体课件系统 远程自d 1 讨论 作业发布与答疑 远程测试 同2 2 远程教学系统功能模型 2 2 实时教学子系统 2 2 1 实时教学子系统结构 系统结构如图2 3 所示，子系统中授课教师的教师用机起着服务器的作用， 分布在网络中的学生机就是客户端，它们之间的通信采用主动请求方式t ”，即： 服务器端首先启动，然后处于被动监听状态，而客户端要主动向服务器提交服务 请求。 服务器端： 1 启动一个监听线程，打开一个通信信道并告知本地主机，服务器在某一个 公认端口上等待接收来自客户端的请求。 2 监听线程等待来自客户端的请求。 3 当接收到客户端服务请求时，子系统处理该请求信号，并激活一个服务线 程进行后续的处理，监听线程继续监听端口；当接收到来自同一个客户端( 根据 l p 地址) 的重复服务请求，监听线程简单的丢弃该请求：若接收到多个客户端的 并发请求，监听线程将请求进行简单的时间排队，按顺序激活服务线程来处理客 户请求。 4 服务完成后，服务器端主动关闭服务线程以及与客户端的通信链路，或者 接收到客户端终止报文后向客户端发送确认报文、关闭服务，并拆除链路。 客户端： 1 打开一个通信信道，并向服务器的保留端口发出连接请求。 ! 坌塑垫垒堡堡垩塑墼堂墨堕塑堡生皇窭垫 一 2 向服务器发送服务请求报文，接收到确认应答后，继续接收后续数据服务。 3 发m 服务结束命令，接到肯定应答质，关闭通信信道。 通过上面分析可知，客户端与服务器端的作用是非对称的，因此进行程序开 发时区别对待；服务器端一般先于客户请求扁动服务，只要服务器系统运行，该 监听线程一南存在，直到系统正常退出或异常终止。 可了f h l 丽莉1 一 数 _ 一日 懂粤+ 通通 据 处 ，丽l 特是累删l ，丐翮 信 信 理吨 一 及 接 罐 _ 1 1 呈h ! 竺竺兰r 苴 接 、 同 l 电子教案b 口口 步 l 数据处理l 控 制 _ 教嗍匝亟9 学!机 图2 3实时教学子系统结构罔 2 2 2 通信接口的设计 1 通信方式的选择。 i n t e m e t 上数据传输的方式大致可分为三种：单播( u n i c a s t ) 、广播( b r o a d c a s t ) 和组捅( m u l t i c a s t ) 1 1 0 ： f 1 1 单播：指信息源将信息发向网络中某个指定目标的通信方式，其实质是 点对点的传输，如图2 4 ( a ) 所示。当发送相同的信息给多个目标，必须依次将相 同的拷贝发给每一个接收者。缺点：网络资源利用率极低，特别是多个接收者处 于同一子网时。 ( 2 ) 广播：指信息源将信息发向网络中所有结点的通信方式，如图2 4 ( b ) 所 示。广播在子网内部实现比单播容易，但在广域网范围内其路由实现起来比较困 难。并且通过路由器传送的广播数据包无法知道在其他网络上的结点是否需要广 播的数据。即使在子网内部，广播也会造成网络资源的无效浪费，并且可能引起 安全隐患。 f 3 1 组播：指信息源将信息发向所有网络结点的每个特定子集的一点到多点 的通信方式，如图2 4 ( c ) 所示。特定子集是一个特殊的i p 地址( i p v 4 中的d 类 地址就是组播地址) 标识的组。组播最重要的特点是高效率，当源站发送i p 包时， 多个目的站均可收到，而网络拓扑上到达某一个组的给定链路只使用一次，大大 第二章系统的总方案 鑫暴 ( b ) ，“播 。 路由 数据包 通信链路 图2 4 三种通信方式的比较 j p 组播有效地支持音视频流的一点到多点传送，路由器等网络设备可以根据 用户的请求在组内重复集中传输，减小了网络上的数据冗余，最适合多媒体实时 远程教学中音视频的传输。但是由于需要特殊设备的支持，而且技术上还不成熟， 所以目前使用并不广泛。本系统开发中也没有采用组播技术。为缩短开发周期， 本文提出了一利，“单播+ 广播”的通信方式。即区别对待提出请求的用户，在子 网内部采用j “播方式，仅对子网外部用户使用单播传送，从而在一定程度上提高 了带宽的利用率。 2 通信接口的设计 基于i p 网络技术的多媒体远程教学系统以i n t e r a c t 为基础线路，使用t c p i p 协议实现数据通信。 控制信息 文本数据 白板数据 教案数据 音频数据 视频数据 通用数据处理模块 。主撇崎蝴。 通用数据处理模块 白板数据处理模块 白槲蛾瑚2 i ( i p ) 。 臼板数据处理模块 教案数据处理模块 抛麟搦酬；c r 教案数据处理模块 音频数据处理模块椰v d l f音频数据处理模块 视频数据处理模块 飞频姑橱蘑据删埘7 视频数据处理模块 控制信息 文本数据 自板数据 教案数据 音频数据 视频数据 图2 5 系统数据通道结构 子系统中的媒体数据类型主要包括文本、图形、图像、音频、视频。对信息 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 可靠性要求程度为：文本 图形 图像 音频 视频；数据量大小依次为：视频 音 频 图像 文本、图形。由于多种媒体数据的传输要同时进行，若在同一通道上传 送，必然增加通信控制的复杂性，还会产生瓶颈。因此，本设计中采用不同类型 数据建立各自专用数据通路的方案，如图2 5 所示。这样不仅可以简化数据类型 的识别及通信控制的过程，而且可以针对不同性质的数据采用不同的传输方式， 提高了数据处理的灵活性。对于信息量小、可靠度要求高的文本、图形、系统控 制等数据使用t c p 协议单播方式传输；而对于信息量大、可靠性要求低的音视 频等数据则采用“i p + u d p ”与“单播+ ，。播”相结合的传输方式。 2 3 非实时教学子系统 怍实时教学，系统l i 要川1 i 学生课余时问进行自学和课后的复习、交流，它 足划实时教学子系统的必要补充。因此该系统被设计为具有如图2 6 所示的结构 各模块功能如在以下几个小节说明。 用户身份验证 鲤她m 系统管理课件上载h 多媒体课件系统卜_自主学习 作业发布 ：l 作业发布与答疑| ： ： 作业提交 r1 答疑提问 数成安课系 测试成绩 叫远程测试| - 测试 据员全程统 统计分析 库管管管维 自由讨论 _ 叫文本聊天室 一 自由讨论 维理理理护 护 图2 6 非实时子系统的结构 2 3 1 多媒体课件系统 在本系统中的多媒体课件提供四种应用方式： 1 课件下载。利用现有的编程语言或媒体制作工具编写集声音、视频、动画、 文字等多种媒体于一体的课件，将文件打包压缩处理后。放到服务器上，可供学 生端下载到本地解包运行。该方式适用于早期的单机版c a l 课件； 2 基于w e b 的课件树浏览。在w e b 页中以树状形式组织超文本格式的课件 内容，使其按章节编排，以超文本链接为导向进行浏览； 3 利用插件( p l u g i n s ) 技术。对于某些特定工具制作的课件( 如a u t h o r w a r e 、 p o w e r p o i n t 制作的课件) ，子系统提供支持嵌入浏览器的插件( p l u g i n s ) ，使用该 第二章系统的总方案 插件就可以真接在浏览器上进行课件点播； 4 使用流媒体的视频点播v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 技术提供经典课程的视 频再现。 这四种形式基本支持了当前在i n t e m e t 上远程应用中所有形式的课件，达到 学生自主学习的目的。 2 3 2 远程测试系统 该模块按课程提供了分阶段的测试题( 初期仅开发标准化的测试，比如简单 的选择、判断及具有精确语义的填空题) 。学生可以选择难度自行组题，然后进 行自我测试，考试完毕后系统会登记本次测试，学生端可以立即得到成绩，还可 以看到参考答案，以巩固学习的知识，达到循序渐进学习的目的；同时教师可以 统计、分析网上考试的学生成绩以了解学生学习情况，从而确定以后讲课的重点。 2 3 3 作业发布与答疑 教师在本模块中可定期针对授课情况发布课后作业，将作业内容、要求、提 交时间、提交形式( 书面、电子邮件) 等公布于相关课程的网页上，该网页由专 f j 的系统管理员负责更新或交由相关教师自行更新。在作业发布的网页上同时提 供教师的电子邮件地址，学生可随州通过电子邮件方式与教师交流。 2 3 4 基于w e b 的交互文本交流网上讨论系统 该模块具有基于w e b 的b b s 讨论系统的功能，学生均可在当前所有的讨论 组中挑选任意一组加入讨论，而且每一名学生的发言均能实时地显示在系统留言 板上。通过这种方式，可以使学生在课余时间对自己感兴趣的问题进行讨论，极 大地调动了学生学习的积极主动性，并且锻炼和提高了学生灵活思维的能力。 2 3 5 教学管理系统 教学管理系统提供了系统维护、成员信息管理、安全认证、系统数据库维护 等功能，可以综合管理教师、学生以及各类课程的信息，并且对上述各功能模块 的功能进行协调。 各个子系统及功能模块的具体实现将在第四、五、六章分别详细说明。 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 第三章c s c w 及其在系统实现中的应用 3 1c s c w 概述 c s c w 即计算机支持的协作工作( c o m p u t e rs u p p o r tc o l l a b o r a t i v ew o r k ) ，最 甲是1 9 8 4 年山美国m i t 的i r e ng r e i f 和d e c 的p a u lc a s h m a n 提出，用于描述他 们正在组织研究的“如何用计算机支持交叉学科的人们协同工作”的课题，并缩 写为c s c w 。目前人们对c s c w 含义的理解各不相同，对c s c w 的定义也相差 很大。c s c w 具体可以定义为( 史美林，1 9 9 5 ) 】：在计算机技术及其网络技术 支持的环境叫1 ( 即c s ) ，地域分散的一个群体同协调来完成一项任务( 即c w ) 。 它的目标是为时间上分离、空间上分散而工作上又相互依赖的群体协作成员提供 一个“面刑面”( f a c e t of a c e ) 和“你见即我见”( w y s i w i s ：w h a t y o us e e i s w h a t ls e e ) 的协同工作环境。c s c w 的含义主要有两个部分，一是对群体工作方式的 理解：包括个人在群体中的作用、工作方式和工作风格等个人因素；群体的结构、 工作管理等组织因素；群体工作目标、工作过程等群体设计因素；群体组织的规 模、协同工作时间等群体动态因素。二是支持群体工作方式的相关技术：包括网 络通信技术、多媒体技术和分布式处理技术等，以及如何利用这些技术建立起协 同工作环境。 c s c w 涉及到众多的学科领域，在工业应用、办公自动化、远程教育、远程 医疗、合作科学研究等领域有着广泛的应用。c s c w 系统的设计主要包含模型的 建立( 协同工作环境) 、实现的技术( 主要有群体通信结构、共享工作空间等) ， 在下面将分别进行较为详细的介绍。 3 2 协同工作环境 c s c w 是一个涉及内容十分广泛的研究领域，通常从时间上把各类c s c w 应用分为同步和异步两种。在同步领域中最有代表性的应用是视频会议系统，在 异步领域中则是群件。协同工作环境是同步和异步的融合，是一个通用协作系统， 它包含众多通用的协作工具以满足不同领域对协作的共同需求，同时以服务对象 的形式把卧作功能提供给开发者，让他们能够很方便地把用于某一特定领域的工 具软件集成到协同工作环境中，构造满足其特殊需求的协作系统。 3 2 1 协同工作环境的含义和特点 所谓协作应用的运行集成环境是指：协同工作环境中一方面包含基本的 c s c w 应用程序，比如文档管理、用户管理、电子邮件、工作流、视频会议等， 为最终用户提供必要的协作工具，构成一个协作应用的运行环境；另一方面要提 第三章c s c w 及其在系统实现中的应用 供通用的协作功能的服务对象，让开发者借此集成现有应用。 这就要求环境中的应用和服务对象都遵循开放的对象标准，使运行于不同平 台的软件可以进行互操作。软件纽件的可重复性。使得开发者可以减少重复劳动， 提高开发效率，并h 软件复杂度的降低，也使维护和更新更加容易。一般来说， 可以用标准接口将应用程序封装成组件使用，同时借助于中间层服务对象管理， 构造山新的应用开发环境。 协同工作环境的主要特点有： 】广泛性：可以支持各类c s c w 应用。协作类型从时间上可以分为同步和 异步两种，从用户间建立联系、相互交流的方式上可以分为显示和隐式两种( 显 式协作指用户问通过同步或异步消息直接建立联系，隐式协作指用户间通过共享 对象间接交互) 。协同工作环境可以支持所有这些类型的协作。 2 开放性：独立于硬件平台和操作系统，支持异构环境，支持开放的标准。 提供丰富的编程接口，可以方便地利用环境提供的协作服务集成新的协作应用程 序。 3 可扩展性：可以不断向环境中加入新的功能、支持新的标准而不会使原有 功能受到损害，更好地适应用户的需求。 4 可伸缩性：可以支持从工作组到企业级的各种规模的协作。 3 2 2 协作功能参考模型 应该指出的是：协同工作环境不是各种c s c w 应用的简单罗列。一个应用程 序如果在设计时只注意了自己要解决的问题而忽视与其它应用的联系，很容易造 成信息不能在软件间共享，功能上往往会造成重复现象。用户使用一堆互不相干 的软件来完成紧密相联的工作，造成极大的不便。实际上各种协作功能间有着天 然的联系，只有通过它们之间相互配合才能更好地发挥作用。要做到这一点，各 种协作应用的开发应该在同一个大的框架内进行。为此协同工作环境除了为 c s c w 应用提供一个以分布式对象为基础的运行集成环境外，还需要一个协作功 能参考模型来协调各种协作功能已经它们之间的关系。这个模型如图3 1 所示。 模型中以异步协作功能 为主，也兼顾了同步协作功 能。该模型并没有试图囊括 所有可能的协作功能，只是 用来体现各种功能之间的关 系，可以作为实现时的参考。 以后随着c s c w 技术的发 展，将会有更多的功能加入 到模型中来。 图3 1 协同工作环境功能参考模型 竺坌塑壅垒堡堡堡塑塾堂墨丝塑堡生量壅婴一一 各种异步踟作功能都建立在数据存储的基础之上，在功能上数据仓库完成协 作中用到的共享对象和异步消息( 邮件) 的存储，为协作中用到的数据提供一个 逻辑上集中的存储场所。当然，数据可以分布在网络中的多台计算机上，这就要 求有相应的服务机制来保证数据信息的一致性。数据仓库实现时可以采用关系数 据库，也可以是文件系统、主机系统，甚至是现有的群件。在三层体系结构中， 数据仓库一般运行在数据库层。 在数据存储之l 是组丛本服务，女i j 文档篱理、用户和安全管理、邮件管理、 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 各种异步踟作功能都建立在数据存储的基础之上，在功能上数据仓库完成协 作中用到的共享对象和异步消息( 邮件) 的存储，为协作中用到的数据提供个 逻辑上集中的存储场所。当然，数据可以分布在网络中的多台计算机上，这就要 求有相应的服务机制来保证数据信息的一致性。数据仓库实现时可以采用关系数 据库，也可以是文件系统、主机系统，甚至是现有的群件。在三层体系结构中， 数据仓库一般运行在数据库层。 在数据存储之上是组越本服务，女ij 文档篱理、用户和安全管理、邮件管理、 会议管理等，为用户应用服务或数据服务提供方便、安全的访问控制和异步通信 功能。其中文档管理包括文档目录管理，存取控制管理( 文档的加锁、解锁) ， 版本管理等。文档管理和用户安全管理丰n 结合对文档和目录的访问权限进行控 制。除此而外，安全管理还包括用户认证、文档加密、数字签名等功能，对保密 级别的数据进行全面保护。邮件是用户之间进行异步通信的主要通道，同时在模 硝中也作为基本服务来使用，并且邮件为更高层的应用如工作流提供必要的消息 传输机制。协同工作环境还提供会议管理功能，对同步协作提供支持。考虑到同 步协作和异步协作有很多内在的联系，比如会议中讨论的内容需要从数据仓库中 取山，会议召集时可以发布日程安排做预先通知，并且一般通知是通过电子邮件 或是通过网页来发布，所以把对同步协作的支持集成到系统中是很有必要的。同 步卧作和异步协作的集成也是协同工作环境的一个特色，从现有的发展情况看， 也是c s c w 发展的一个趋势。 扩展服务利用协同工作环境中基本服务提供的功能对协作过程进行管理，同 时提供一些实用的协作工具。任务管理把复杂的协作过程分解为基本的任务单 元，并且对任务之间的相互关系和相关关系进行定义。工作流规定了任务执行的 先后顺序和启动、结束条件以及文档在任务中传递的路径，对协作任务进行动态 的管理。任务管理依赖基本服务的功能，比如文档浏览、对工作流中有写权限的 参与者和最终评审者规定不同的文档访问权限等。日历、日程安排以及讨论组是 典型的群件功能，是重要的异步协作工具。此外，协同工作环境还需要和w e b 服 务器通信，让用户通过浏览器就可以访问环境提供的大部分功能。 协同工作环境中的服务既是给最终用户使用的协作工具，也可以为其它服务 对象和应用提供服务。可以在此基础上把现有软件集成到环境中来，使现有软件 也具有协作的功能，这一切都有赖于对象和组件技术t ”】这个强大的技术基础。但 是这样不可避免的会引入了重复的功能。 3 3 群体通信结构 群体通信( g c jg r o u pc o m m u n i c a t i o n ) 用以描述系统中多个用户以同步或 异步方式、采用集中或分布方式进行通信。群体通信结构由支撑模型、系统模型 第三章c s c w 及其在系统实现中的应用 和接口模型组成。 3 3 1 群体通信支撑模型 群体通信支撑模型由群体通信代理和多点通信网络构成，群体通信的通信代 理通过多点通信网络来实现通信，其模型如图3 2 所示。为了实现协同，群体通 信代理要采取下列措施： 1 群体召集( g r o u p r e n d e z v o u s ) 群体通信代理群体通信代理 溯勰l | 朔礁 群体召集表示组织会议k 二竺! ! ! 斗k 二竺竺刻群体召集表示组织会议匕三：刘匕：兰刘 的方法以及获得群体信息、l 望! 翌! 善兰望生_ ji 璺堕! 生掌查茎! l 蒙褫1 筹：叵弋鏖 羽l 异步召集：l c _ jl ：兵；l ( ) 同步召集方式，可l “、i ( a ) 集中结构 图3 3 拭享应用结构 ( b ) 复制结构 分布式多媒体远端教学系统的设计与实现 最终的版本权限。集中式的优点是容易维护，只有一个应用的拷贝用于更新共享 实体。缺点足网络业务量大，应用的每次输出都需要发送到所有参与者。 ( 2 ) 复制结构，在每个地点都运行共享应用的一个拷贝。对每个应用的输入 事件被分布到所有地点，共享应用的拷贝只在本地运行，如图3 3 ( b ) 所示。相对 来说版本管理要复杂的多，可能出现重复操作或是错误操作，可以通过验证版本 号的一致性来避免该类错误。优点是网络业务量小，只有输入事件及版本信息在 各地之间发送传输；响应时间小，所有的成员都从本地应用的拷贝中获得输出。 缺点是在每个地点的应用需要同样的执行环境，维护共享实体的一致性较难。 发言权经常用于维护共享实体数据( 多媒体文档) 或应用( 程序) 的一致性【i ”。 拥j 有发言权的群体成员有权在公，k 窗口c ，操作共享对象。因此，发言权拥有者可 以执行打刀共享窗| j 、关闭共享窗 | 、把文档装载到共享窗口中或为处理共享窗 1 1 t 的数据而向共享应用发出一个输入事件等等。 3 会议( c o n f e r e n c i n g ) 会议支持协同工作，也称为同步远程协同。会议是一种管理服务，它通过多 媒体( 如视频、音频等) 控制多个用户之间的通信，实现仿真的面对面交流。会 议服务依赖于网络的低延迟实现用户的交互活动，靠网络的高带宽实现潜在的密 集数据媒体( 如连续媒体等) 传输。而且，会议服务还要依靠协议接口来实现数 据和控制信息的传输。 3 3 2 群体通信系统模型 群体通信系统模型是基于客户机服务器模式的。客户机向用户提供接口， 实现群体成员与系