基于P2P技術的多媒體網絡教學系統設計

摘要:進入21世紀，計算機網絡技術正在以其前所未有的速度飛速發展。該文設計了基于P2P技術的多媒體網絡教學系統的功能模塊，以能充分利用客戶端資源，提高師生互動性，達到更好的教學效果為設計目標。

關鍵詞:多媒體教學教學系統;P2P;超級節點;系統模塊

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9511-02

The Multimedia Network Teaching System based on the P2P Technology

XIA Shu-hua

(Hunan Judicial Police Vocaional College， Changsha 410131， China)

Abstract: Since the 21st century， Computer network technology is its rapid development at an unprecedented rate. This paper is designed function modules of multimedia network teaching system based on P2P technology， in order to take full advantage of client-side resources， raising the teacher-student interaction to achieve better teaching results for the design objectives.

Key words: multi-media network teaching; peer to peer; super peer; system module

在網絡環境下，多媒體教學系統應該是一個由硬件、軟件、教學內容、教學管理機構組成的一體化有機的系統。傳統的多媒體網絡教學系統，服務器處于控制地位。教學資源需要集中上傳到服務器然后再分別下載，這就極大的限制了師生之間的交流，不能收到良好的教學效果。服務器往往也會成為整個系統的瓶頸，在一定程度上也影響教學過程。采用P2P技術，能從很大程度上提高教學效果，緩解由服務器弊端產生的一些負面效果。

1 系統中P2P網絡結構模型的選擇

為了保證系統的穩定性，我們需要使用比較穩定的服務器，而不是選擇性能較好的節點作為超級節點。為系統提供服務的不是一臺服務器，而是一個在地址上分散分布的服務器群組，每一個服務器都是超級節點。這個群組可以有幾個超級節點，也可以有幾十個超級節點，每個超級節點都可以登陸多個普通節點。但這個群組對于普通節點(用戶)來說是透明的，用戶看到的只是一臺服務器主機。因此，使用這種混合式的P2P結構，可以把中央索引服務器的壓力分擔在多個服務器上，提高服務器的整體性能，減少客戶響應的時間，而且避免了單點失效的可能。萬一某一個超級節點癱瘓，這個超級節點下的普通節點可以連接到另外的超級節點上去，不會妨礙用戶的正常使用。

在系統中，每個超級節點都維護了一個在線節點列表，列表中包含了在線節點的登錄碼、ID號、IP地址、端口號等信息。普通節點平時連接在這些超級節點上， 通過這些超級節點來實現注冊、定位。當一個節點啟動時， 它首先是普通節點， 當普通節點檢測到自己有足夠的性能和可靠性， 它就可以把自己變為超級節點。當存在的超級節點離開或者達到它的能力極限時，一個有高性能和可靠性的節點也可以被迫成為一個超級節點。同時， 存在的節點也可以影響它的鄰居節點成為超級節點。

當一個普通節點離開系統， 它將發送注銷消息到超級節點， 然后超級節點就會依次告知相關節點該節點已經注銷， 因此一個失效的節點不會影響系統的其他部分。在任何情況下， 超級節點都可通過周期刷新檢測到失效的普通節點， 它也可以通過發送選項條件消息到這些失效節點， 查看它們是否還有響應。

2 系統模塊設計

多媒體網絡教學系統分為客戶端和服務器端。客戶端和服務器端都具有登陸管理、交流協作和課程管理三大功能模塊。

客戶端首先向服務器發出注冊申請，并同時向服務器發出此用戶的信息，包括用戶IP地址、用戶姓名以及要共享的資源信息等。服務器接受到節點客戶端的信息，將有關用戶的基本信息存放在系統管理中，系統根據節點的具體情況(主要考慮到客戶端的帶寬、路由狀況和所要請求的資源等)將資源放入合適的位置，并同時向客戶端用戶發送部分資源信息。一旦用戶向系統發出查詢請求，系統就迅速啟動查詢模塊查找已有資源，若查找到用戶所需資源，發送給用戶資源所在的機器的IP地址等使其建立連接，開始信息交流，獲得所需服務。

2.1 系統管理

包括注冊管理、登出管理和幫助管理三個子模塊。想要加入某門課堂教學及學習的對等節點成員首先通過中心對等服務節點進行身份認證及注冊。注冊內容有姓名，密碼，身份類型是學生還是教師，班級等。注冊認證成功后即可成為某個課程對等組中的合法成員，這個過程必須在教學部門的管理下來完成，需要超級節點扮演接受用戶注冊的服務器角色。注冊成功后生成一個 ID 號，記錄在超級節點。用戶想退出系統時，應該先注銷，才能刪除在超級節點上記錄下來的在線信息。

2.2 在線教室

主要包括電子教材模塊、雙向視頻課堂模塊和網上課程模塊。比如可以通過一個視頻窗口，一個電子白板，一個文本信息輸入窗口和一個文本信息顯示窗口及工具欄和菜單欄來實現網絡教學。

電子白板是經常使用的教學手段。它指的是一個虛擬的公用區域。在基于P2P網絡實時授課系統中，該功能為教師上課板書和在線答疑提供了一個白板的視圖，白板上的內容既可以是手繪的簡單圖形(直線、曲線、矩形等)，也可以是文字、圖像、音頻、視頻等。白板數據是共享數據，當老師修改了其中的數據時，學生的白板視圖立即自動更新自己的白板視圖，白板的更新結果立即反映在參加課程的所有計算機用戶的白板視圖上，即所謂的“你見即我見”。教案可以事先放在電子白板上，教師在上課的時候可以翻動電子白板，在學生端與教師機的內容同步顯示。也能以共享和下載的方式提供給學習者，學習者在本地機上使用和學習，要求學習者在規定的時間內完成。在學習過程中學生可以在線向老師提出問題，老師現場答疑，及時糾正錯誤，提高教學質量，師生也可就相關專題展開討論。教師授課的現場信息可以經過處理后制成流媒體，應用P2P的多播技術，發送到該對等網中的各節點。流媒體的傳輸不需通過服務器，而是直接在客戶端組成的P2P網絡中傳輸，減輕了服務器的負擔。

2.3 資料下載和點播

P2P網絡具有信息共享優點，因此，在服務器上也可以存放事先制作好的課件，學生可以自行選擇學習內容，隨時下載或點播服務器上的課件，也可以共享給其他節點使用。這樣，系統里的某個客戶端需下載某課件時，就可以先在P2P網絡中搜索，搜索到后直接建立連接，從找到的節點中下載，只有找不到時才到服務器下載。隨著網絡規模的擴大，節點越多，找到所需課件的機率就越大，從而使網絡規模可以無限擴大，使服務器瓶頸問題最小化。

2.4 在線作業

完成授課內容后，教師可以提供一些題目或指定一些內容放在本地機的“作業”文件夾中，在需要的時候設置為共享，學習者通過下載在本地機上完成。當學生完成作業后，通過上傳作業頁面把作業上傳到指定的數據庫，便于老師批改。老師批改完作業后，學生可以對自己作業進行查看，也可以通過下載和瀏覽功能學習老師指定的資料以及進行自學。

2.5 在線交流與協作

在本系統中，課堂分為兩種模式:授課模式和討論模式。交互的方式可以通過電子白板、音頻、視頻和文本交互。

當課堂被教師控制為“授課模式”時，每位學生只能認真地“聽課”，認真地記錄好白板信息，做好筆記，不能使用任何白板發送信息，但可以隨時點擊發言按鈕，向教師“舉手”發送一個信息，教師給其允許發言的人回發一個信號，這時被允許發言的人即可使用白板發言，而未被允許的沒有此權利。通過這種方式，教師可以對學生進行單獨或集體輔導。這種發言控制策略主要利用的是一個簽名信息，當每個請求依次到達教師的白板上時，教師可任意挑選某人發言，只有某人收到發言權時，即教師的論證信息，其發送按鈕才可用，此時學生才可以對全班或教師發言，否則只能使用白板自己做筆記或作注釋用。

而在討論模式下，用戶登陸系統后就可以搜索網絡中的其他節點，開展交流與協作。傳統的 C/S 模式中實現討論組功能，發言內容必須經過服務器中轉，這樣既加重了服務器的負擔，又不利于發言內容的保密性。而基于 P2P 技術實現的討論組功能，發言信息不需要經過服務器中轉，信息直接發送給組內的每一個成員，超級節點只起到了管理討論組的功能。由于討論組發言消息要直接發給組內的每個成員，而組內成員加入/退出討論組的靈活性很大，這就導致了組內成員交流采用 TCP 協議的代價很大。

2.6 在線考試

在網絡教育中，評價學習效果的方法有很多，其中通過在線考試來測試學習者學習效果是一種行之有效的主要手段。本模塊包括試題庫、試題答案與分析兩個部分。在線考試能通過有效地控制考試時間最大限度地保證考試成績的真實性，其做法與在線作業相似，但對學習者提交答卷的時間和方法有要求。

學習者可以使用合適的軟件完成作業并上傳服務器，由系統負責通知給師生雙方。當教師閱讀作業后，給出批改建議和等次，將批閱結果傳至服務器，學習者就可以查看到批閱的結果。當每個教學環節完成之后，學習者可以就之前所學的內容進行測試，以檢查自己的掌握情況，判斷自己是否較好地掌握了老師這節課教授的知識。

3 結論

21世紀，網絡是信息化社會的重要物質基礎，人類的活動將在很大程度上依賴于網絡，新世紀的教育也離不開網絡，基于網絡的教學模式拓展了教學的時空維度，已經成為傳統教學模式的有益補充，具有巨大的發展前景。P2P(Peer-to-Peer) 作為作為一種新興的網絡計算模式，具有自組織、容錯能力強、可擴展性好等優點，是未來 Internet 的關鍵技術之一。本文提出將P2P技術應用于多媒體網絡教學系統的方案，能夠很好解決網絡教學資源共享和用戶間實時互動問題，提高交互性、實時性和個性化，減輕服務器的負擔。

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