基于Ｐ２Ｐ的網格遠程教育平臺

信息時代需要一種新的獲取知識的途徑和手段。E-Learning系統就是在這種背景下產生的。但是現在的E-Learning系統環境無法滿足用戶低成本、動態知識交流和快速定位現存各種教學資源的需求。本項目提出了一種基于Peer-to-Peer（簡稱P2P）和網格技術平臺架構上的全新E-Learning教學環境APPLE，它包含直播課堂的同步教學環境、基于興趣的P2P學習環境、WSRF網格服務環境，以及面向應用的E-Learning教學環境，它們互為支撐，相互補充，能充分滿足今后網絡教育的各種需求。

一、引言

E-Learning系統主要是通過現有的網絡環境進行學習與教學活動，它充分利用現代信息技術所提供的具有全新溝通機制與豐富資源的學習環境，實現一種全新，便捷和有效的學習方式。近幾年E-Learning已經成為一個熱門話題，隨之也出現了許多不同種類的E-Learning系統。一般來說E-Learning系統分為同步和異步兩種學習方式，同步學習是指通過網絡視頻會議和多媒體等多種技術，使老師與學生在同一時間，不同地點可以同步進行在線學習；異步學習就是學生根據個人需求自行選擇學習的時間和內容。

當前E-Learning系統有基于內容的同步學習方式的，也有基于虛擬課堂的異步學習方式的（如Neal），還有同時支持同步和異步兩種學習方式的（如Gloster），但這些系統都不能體現E-Learning的多樣性和規模化，需要一種全新E-Learning環境，它不但要做到低成本的動態知識交流，還要盡可能地訪問現存的各種學習資源，并做到快速定位。

對等計算（Peer-to-Peer）是近年來流行的一種網絡新技術，它利用地理分布的大量節點的閑置資源把服務從中心向網絡邊緣推送，在許多領域都取得了很好的應用效果，如直播領域的AnySee、點播領域的GridCast、文件共享領域的BT。利用P2P技術的轉發能力能夠輕松做到在E-Learning環境中動態的信息交流；另外，在E-Learning的環境中，利用網格服務的計算和存儲能力也使得訪問大量零散資源簡單高效。現在已經開始有一些E-Learning系統開始使用P2P和網格技術。如基于P2P技術的ConferenceXP項目，LearningIDEAS公司提供的可以即時捕獲個人與個人之間的知識交流方案等；基于網格技術的Access Grid（AG），大學課程在線CourseOnline等。但是沒有一個結合了這兩種技術的E-Learning系統。

針對這個問題，在微軟的資助下，本課題提出了一個結合P2P技術與網格技術的E-Learning系統——APPLE（A Novel P2P based E-Learning Environ-ment），并基于Microsoft.NET框架做了基本實現。APPLE利用P2P技術實現了在Internet上的實時課堂的直播，使得在同一時間不同地方的學生可以同時參與一個課堂的教學，由于是基于P2P的直播，所以在相同硬件條件下能提供比傳統C/S模式更多的并發訪問；APPLE使用WSRF. NET來創建其網格服務，借此來提供用戶統一的資源視圖，達到整合學習資源的目的。本課題的主要任務是探索如何在E-Learning系統中更好地使用P2P技術，如何將E-Learning系統和網格系統進行整合，從而開發具有革新性的基于P2P技術的E-Learning環境，克服傳統的E-Learning系統在內容和形式上單調、死板的問題，提供高級別的交互與同步協作功能，實時的學習功能以及友好易用的用戶界面。

二、系統設計

APPLE利用網格技術來提供一個可靠的服務平臺，并整合網絡上所有可用的學習資源，提供給用戶一個統一的邏輯視圖；利用P2P技術來解決高數據傳輸高并發請求帶來的成本過高的問題。體系結構如圖1所示，包含資源層、服務層、應用層。

圖1 APPLE的體系結構

資源層：資源層中包括資源域和資源虛擬化兩個部分。資源域是指物理資源，如PC、服務器、存儲器等等；而諸如數據庫，軟件工具等這樣的邏輯資源則是通過資源虛擬化來進行組織的。根據資源的不同特征，這些資源被分成兩個部分。一種是穩定的資源，如專用服務器以及相關的軟件，這些資源都是隨時可用的，在整個系統中較穩定；另一類是可變資源，如客戶機以及相關資源，這些資源是可以隨時加入或離開整個系統的，具有很強的動態性。

服務層：服務層實現了對資源層的各種資源的共享和整合。該層次定義了一系列的管理工具和協議規范來實現在資源層中所有資源的共享，整合以及協作問題。該層也提供了給上層訪問資源和服務的一致性接口。

服務層由三部分組成：WSRF.NET組件，基于.NET框架的P2P（Peer-to-Peer）平臺以及面向服務的軟件體系結構。

WSRF是一組Web服務規范，它定義了Web服務資源的特定消息交換以及相關的XML定義表示，它允許開發者聲明和實現Web服務同一個或多個有狀態資源間的聯系。WSRF.NET則是基于微軟.NET框架的WSRF實現。

實時流媒體的傳輸以及消息或文件數據的傳輸都需要很高效的網絡平臺，使用P2P來實現這個平臺是一個較好的想法，現有的P2P系統，如Gnutella也有力的證明了其可行性。在E-Learning環境中倚靠該P2P平臺可以滿足用戶的大部分需求。

WSRF.NET平臺同時也提供了一個面向服務的軟件體系結構框架，在這個框架中，處理網格平臺和應用層的交互，定位網格的調度，管理多種應用程序等問題都得到很好的解決。

應用層：為用戶設計透明的、可擴展的以及安全的應用程序和服務是該層主要需要考慮的問題。有了下層的支持，本課題可以很輕松地開發E-learning的各種應用，如在線課堂的直播實時消息的傳遞、文件的搜索等應用。

三、關鍵技術

1.APPLE中直播樹的構建

APPLE中構建了一棵直播樹來解決實時課堂單點訪問限制的問題，如圖2所示。如何調度新加入的節點，構建高效率的直播樹，在直播樹中如何高效率地利用帶寬，以保證課堂效果都是需要優先考慮的問題。

圖2 APPLE實時課堂直播

該媒體直播樹的調度策略基于兩個基本原則：

(1) 保證新節點能夠順利加入直播樹；

(2) 保證節點與父節點間時延較小。

本系統采用了一種稱為近播構造樹的機制。通過對CERNET（中國教育科研網絡）的網絡拓撲的研究，本課題使用了靜態的landmark來表示節點的網絡狀態。每一個Landmark值表示一個物理上相近的區域網絡，如同宿舍樓即使有不同網段，其landmark值也相同或相近。因此構建出來的landmark數據庫保證了landmark值相近的節點間有較低的延時。當一個節點在選擇父親時，通過比較landmark值來選擇父親節點，值相近的節點將被作為父親節點。這種方式確保了節點能夠從父親節點得到高質量的音頻和視頻。

對于那些不在landmark數據庫中的IP，我們使用簡單的IP匹配原則來進行調度。圖3顯示了在直播樹中的調度策略。相同學校的節點通常會有相近的landmark值，這樣他們被調度到同一個分支上面。

在調度的時候還需要考慮NAT和防火墻所導致的服務斷裂的問題。如果新節點調度到不能服務的內網節點上時，會發送一個特定的消息給不能提供服務節點的父親，由該節點的父親重新選擇調度路徑進行調度，這種方式可以解決大部分內網節點的問題。另外，考慮到許多節點在相同的NAT或防火墻后面可能加入同一個直播課堂，在這些節點上構建直播路徑效率不是很高。這時可以利用IP組播來提高直播效率，盡管在Internet上的大多數路由器不支持組播，但在同一個局域網或者同一組播域內進行組播還是可行的，這樣可以大大節約網絡帶寬，減少網絡傳輸的阻塞。

圖3 直播樹的調度

2. 傳輸策略

為了能夠充分使用網絡帶寬和提高直播課堂的質量，在直播樹上做數據轉發時，本課題將數據進行分類，并加上相應的優先級進行轉發。當前在APPLE中有四種不同類型的數據流：

a）控制流：用來構建和維持這棵直播樹的控制信息以及在直播樹上傳遞的節點間消息；

b）PowerPoint控制信息；

c）音頻流數據；

d）視頻流數據。

四種數據流按優先級依次遞減，每個節點根據自身的網絡狀況選擇合適數據流進行傳輸，如圖4所示。這樣，在發生網絡擁塞或者與父親節點網絡狀況不好時，仍然可以傳輸低帶寬數據流的方式動態地加入直播課堂，如只傳輸PowerPoint控制信息和音頻，而不傳輸視頻圖像。

圖4 直播的傳輸策略

3. APPLE中的索引服務

APPLE中使用WSRF.NET來構建索引服務，如圖5所示。這種方式可以使P2P平臺很容易和其他網格平臺進行互聯和整合，它可以利用網格大量的計算和存儲資源來擴展其服務容量。

圖5 APPLE的索引服務

WSRF.NET是一個基于Microsoft.NET框架并遵循WSRF規范的開發環境。它為在.NET環境中實現WSRF的網格計算提供了可能。它提供了基于屬性的開發工具和支持，通過將其變為元數據使一個服務變成網格服務。WSRF.NET也包含了類庫來實現一些服務和客戶端需要的基本功能。

APPLE里一個典型的網格服務為虛擬課堂服務。這個服務負責管理虛擬課堂信息，它保持著在線課堂的實時信息。有兩種方法來注冊虛擬課堂信息，一種是由教務管理部門，如教務處通過Web方式注冊那些本學期可以進行網絡教學的實際課堂；另一種是由APPLE中的任意節點直接注冊，也就是說該E-Learning環境中的任何人都可以作為老師來給其他人上課或者分享學習經驗。各個用戶通過查詢索引服務器來獲取課堂和其他學習資源的信息，他們可以事先對感興趣的實時課堂進行預約，WSRF服務器則用WS-Notification機制通知參與者課堂狀態的改變。

本系統在一個網格域中多個網格服務提供者上部署WSRF.NET，這樣在每個服務器上都有一個虛擬課堂服務。由于相同功能的服務通常可以有相同的端口類型，所以可以確保索引服務能夠整合同種類的虛擬服務。這些信息服務器同時也構成了一個網格域，彼此之間也是點對點協作式的。當用戶做索引定位時候，就可以自動地使用戶定位到延時最少的索引服務器上。這樣，用戶就能看見發布在服務器節點上的所有虛擬課堂服務。當用戶選擇訪問虛擬課堂服務時，索引服務也將為其選擇一個最適合的物理服務。這就保證了更好的服務能力和更高的可用性。

四、項目特色

在整個APPLE環境中，分為直播課堂的同步教學環境、基于興趣的P2P學習環境、WSRF網格服務環境，以及面向應用的E-Learning教學環境。

1. 直播課堂的同步教學環境

實時課堂的直播模塊是APPLE中實現E-Learning同步教學的核心部分，它的主要功能是實現老師、學生上課過程的實時視頻音頻直播。傳統的C/S模式的視音頻直播缺乏可擴展性，當用戶量很大時，系統將無法滿足用戶的服務要求。而P2P流媒體服務技術能夠合理地利用用戶計算機的空閑資源，使用戶在接收視頻音頻數據流的同時，還可以向其他用戶傳輸視音頻數據流。另外，這種P2P的直播方式不但使真實課堂網絡化成為可能，也使老師這個概念廣域化，任何想成為老師的用戶，只要聯入Internet都可以創建直播課堂進行同步網絡教學。

2. 基于興趣的P2P學習環境

P2P網絡中每個節點的活動可以被映射成實際社會中每個獨立人的行為。因此，在實際社會中起作用的一些社會學和經濟學的規律、定理和模型同樣可以被引入到P2P這個領域。可以用它們來分析、描述和指導P2P網絡中的節點的行為。但是如果以社會的角度來思考問題，還會有更多細節。將基于興趣的P2P的學習環境引入E-Learning教學更能發揮信息技術在教育領域的優勢。興趣可以簡單理解為愛好、喜好等，俗話說，“物以類聚，人以群分”。在社會中，實際上是存在著許多不同的小團體，這些團體中的人一般有著相似的興趣愛好。從社會關系的角度來說，對于“朋友”這個詞，其實也含有相同興趣的意思。人與人之間成為朋友，要么可能他們之間有些共同的特質，要么他們中的一方，或是彼此擁有對方感興趣的特質。興趣可以是單向的，也可以是雙向的。該環境中主要解決興趣的提取，維護節點間的興趣關系，以及有效地轉發知識信息的問題。

3. WSRF網格服務環境

教育資源整合一直是一個好的E-Learning環境追求的目標，使用了WSRF構建的網格服務不但整合了直播課堂的課堂資源視圖、P2P知識環境中的教學資源視圖，還能整合任何在系統中的學習資源，為用戶提供一個統一的資源視圖，并能做到快速定位所需資源。

4. 面向應用的E-Learning教學環境

該教學環境解決了一些面向系統化網絡學習的問題，比如網絡學校中的在線考試、在線作業批改、課后問題解答等，或者使自學課程的個人學習進度管理。該部分面向于具體的網絡教育需求和應用，不是APPLE環境中主要研究的問題。APPLE中這四個部分相輔相成組成一個完整的解決方案，如圖6所示，使其完全滿足今后網絡教育系統化、人性化、個性化的教學目標。圖7顯示了該系統在使用中的一些截圖。

圖6 APPLE環境

圖7 APPLE的應用實效圖

五、總結

本項目展示了一個基于P2P與網格技術的E-Learning系統APPLE，該系統充分發揮了P2P和網格技術的優點，給用戶提供了一個低成本高效率的E-Learning教學環境。我們已經完成的工作說明在E-Learning系統中采用P2P和網格技術是可行的，并且獲得了較好的效果。