基于流媒體單播和組播技術的網絡遠程教學方法的實現

【摘要】流媒體技術的應用使得網絡遠程教學成為了可能。充分利用網絡的各種功能來實現資源共享促進教學手段的更新是擺在我們電教工作者面前的一個現實問題。文章在介紹流媒體技術的基礎上，給出了一套完整的網絡流媒體單播和組播方案。相信讀者通過對該文的閱讀可以對網絡遠程教學或課堂直播的方法有一個初步的認識。

【關鍵詞】流媒體;單播;組播;網絡遠程教學

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)02—0143—03

引言

隨著網絡技術的快速發展，各個學校的校園網建設已經完成，校園網的建成突破了傳統教學的時間和空間界限，提高了教學的規模和效益。研究基于流媒體的網絡遠程教學的方法可以利用校園網絡平臺，將一些熱門課程和教學資源發布到校園網上供師生點播，可突破傳統課堂教學和音視頻教育節目學習受時間和地點限制的缺點，同時也可緩解許多學校擴招后師資不足的矛盾。

一 流媒體的概念

流媒體技術是一種基于時間的連續實時傳輸技術，在網上傳輸的數據可以是音頻、視頻、文本、圖片等多媒體文件。它把聲音、影像或動畫等信息由音視頻服務器向用戶計算機連續、實時傳送，從而實現了信息的下載與播放同步。這也是它與WEB服務器傳輸數據的最大區別。這樣用戶的等待時間就會大大縮短，通過流媒體技術我們就可以實現網絡視音頻遠程教學，將教師上課時的圖像甚至他的電子教案遠程傳送到學生的計算機上面。流媒體的傳輸技術主要有三種:點對點(Uncast)、多址廣播(Multicast)和廣播(Broadcast)[1]。根據流媒體技術中單播和組播的兩種概念，從時間上我們也可以將這種網絡教學方式分為實時授課和異步授課兩種。

目前Internet上使用較多的流媒體格式主要是以下三種:Real Networks公司的Rm或者Rmvb 、Media、Apple公司的Quick Time 以及Microsoft 公司的Advanced Streaming Format(ASF)，以上三種格式在使用過程中各有優缺點。[2]在此我們以Real Networks公司的Rm為例簡要介紹一下流媒體單播異步授課和組播同步授課方法的實現。

二 流媒體異步教學方式的實現

所謂的異步教學方式，實際上利用的是流媒體技術中的單播方式(Uncast)。它的實現需要將預先制作好的流文件放在服務器上供學生隨時瀏覽學習，因此它的制作步驟是第一步制作流文件、第二步發布、第三步點播。

1制作流文件

在這里有兩種方式獲取流文件，我們以Rm格式為例:一種是利用Helix Producer9.0 直接將攝像機所拍攝的授課情況采集到計算機中，并生成Rm格式的流文件。采集卡的選擇建議使用專業的流媒體采集卡如Osprey100或者Osprey200。這樣可以提高采集的質量，降低采集計算機的資源利用率。

在Helix Producer的輸入端選擇使用設備(Devices)項，點擊Audio項的下拉列表選擇相應的聲音采集設備。如果使用的是Osprey200的采集卡，則該卡可以提供聲音的采集功能，無需使用計算機本身的聲卡，這樣做可以保證聲畫同步。

在輸入端設置好后還必須進行輸出參數的設置，這里的設置直接關系到最終輸出信號質量的好壞。首先選擇Audiences，彈出編碼設置對話框，可以參考圖1所示進行相關參數設置。

Audiences設置好后接下來就要選擇編碼輸出文件的存放位置了，點擊Add file Destination按鈕，彈出Windows標準的文件“另存為”對話框，選擇相應的存儲路徑和文件名。最后點擊Encode按鈕就可以開始采集圖像和聲音信號了。

另一種獲取流文件的方式是將現有的一些媒體文件轉換成流格式的文件，比如將VCD的dat文件，一些AVI或者MPG文件等等。方法大體上和上面講述的一樣。唯一不同的是在輸入端選擇時將Devices換成Input file就可以了。

2 發布流文件

流媒體文件的發布不能只簡單地將其上傳到WEB網站上，而必須安裝相應的流媒體服務器才可以實現點播。對于RM流媒體文件，服務器的選擇我們建議使用RealServer9.0因為它可以很好地支持最新的流文件格式，并可以大大縮短播放緩沖的時間。

最簡單的發布方法是將流格式的文件拷貝到RealServer9.0的發布目錄中。默認是“C:\\Program Files\\Real\\Helix Server\\Content”。當然，你也可以設置自己的發布目錄，方法是在Helix real server中新建一個Mount Point，你可以為你建立的Mount Point取任何一個名字，并將它指向你存儲RM格式文件的文件夾上(Base Path)，這文件夾可以是任何一個分區甚至是一個網絡映射驅動器上的文件夾，具體設置參考圖2。

3 點播流媒體文件

點播軟件可以選擇realplayer11。點播路徑的書寫格式可以參考這個格式:Protocol://Address:Port/MountPoint/Path/File。這個格式展示了一個典型鏈接的各個部分，但并不是每一個鏈接都必須包括所有同樣的部分。下面舉例說明。

如果你的RM文件存放在默認的Content目錄下，則Mount Point和Path部分就可以省略不計了。格式如下:

rtsp://realserverIP:554/realfile.rm

rtsp是傳輸的協議，realserverIP是helix real server的IP地址，554是rtsp傳輸協議默認的通訊端口，realfile.rm是流媒體的文件名。

如果你的RM文件存放在你自建的一個Mount Point下，其名為Mymountpoint。則播放的鏈接格式如下所示:

rtsp://realserverIP:554/Mymountpoint/realfile.rm

如果我們將這些播放的鏈接存放在數據庫中，就可以實現視音頻流文件的后臺數據庫管理，我們還可以利用ASP網頁動態地更新我們的視音頻流文件網頁，自動生成流媒體點播界面。例如我們可以將我們已有的各類教學流媒體文件分類輸入數據庫中，并提供相應的數據查詢頁面，就可以初步實現網絡遠程課堂點播的功能。如果再將realplayer作為一個activeX插入網頁中我們甚至可以制作出網頁流媒體播放器。

三 流媒體同步教學方式的實現

所謂的同步教學方式，實際上利用的是流媒體技術中的組播方式(Multicast)。這種方式相當于網絡現場直播，對于一些比較大型的課程非常適用，聽課的學生可以在任何教室內收看到任課教師的現場授課情況，如果配合使用切換臺甚至可以將教師的教案或者教室內的任何圖像信號一起傳輸過來。異步教學的實現包括三個步驟:第一配置Helix producer目標流媒體服務器的信息;第二設置服務器和網絡參數;第三點播。大型課程的現場直播往往會有很多客戶同時點播，而采用組播方式進行直播的最大好處就是不會占用大量網絡帶寬，不增加CPU利用率，所有的運算壓力都轉嫁到了各交換機上面。因此，組播需要交換機的相關支持。

1 配置Helix producer目標流媒體服務器

流媒體組播方式和單播方式對視頻進行編碼時使用的軟件是同一款軟件—Helix producer9.0。在配置組播直播方式下的Helix producer9.0時，方法與用Helix Producer9.0 直接將攝像機所拍攝的授課情況采集到計算機中的配置方式基本相似，不同的是采用組播直播時，必須設置目標流媒體服務器的相關信息，而且直播方式下流文件的輸出目的地也不同。前者是輸出到本地硬盤上一個具體的文件，有文件名和擴展名。后者則是通過網絡輸出到安裝有realserver軟件的流媒體服務器上。數據包傳輸到服務器后，并不在服務器上生成一個具體的文件，服務器僅負責把數據包轉發到各個提交請求的客戶機上。具體目標流媒體服務器的設置方法是在編碼端設置好編碼率和畫面大小后 (與單播時講述方法相同) 點擊Add server destination 按鈕，彈出服務器設置對話框，如圖3所示。在destination name中輸入目標服務器的名字;在Stream name 中輸入組播的文件名(可以任意取名);在Broadcast method 中選擇Push Account based login(推送 基于帳號的登陸方式)，因為每一個流媒體服務器都需要授權才能轉播客戶發來的流媒體信號;在server address中填入流媒體服務器的IP地址;在Port/Prot range中輸入流媒體服務器的http端口號，這個在安裝服務器時有相應的提示;在Username和Password中輸入服務器的用戶名和密碼;其他選項取默認值就可以了。具體設置如圖3所示。

2 流媒體服務器設置

流媒體服務器組播方式的設置很簡單，只需在直播前將Helix real server的Enable Multicast設置成Yes就可以了，否則就只能以單播的方式進行直播，這樣會大大限制點播的用戶數量，增加服務器和網絡的壓力。

不過正如前面所提到的，組播方式的直播需要交換機的支持，也就是說服務器設置好后還必須在校園網上開通組播功能。如果要在校園網上開通組播，首先要開通核心交換機的IP組播協議，一般交換機都是用PIM協議支持組播路由協議，要注意的是PIM協議是針對端口的，所以需要將每一個需要組播數據流的交換機端口都進行PIM設置，建議使用SM稀疏模式;其次要開通二層交換機上的IGMP Snooping協議，這就要求校園網上所有交換機都必須支持組播協議，并且組播時所需要的D類IP地址在網絡上必須是可用的。就是說我們在安裝并設置好了組播方式下的流媒體服務器后，還必須與網絡管理員取得聯系，申請224.0.0.0到 239.255.255.255范圍內的一組D類IP地址，再將該地址填入Realserver后才可以進行組播[3]。全部完畢后就可以在編碼端點擊Encoder按鈕進行組播了。

3 接收組播流的方式

與單播時的鏈接格式類似，唯一不同的是我們要將Mount Point換成“Broadcast”。如下所示

rtsp://realserverIP:554/broadcast/mylive

其中mylive就是我們在Helix producer中設置的Stream name(流文件名)。

如果我們采集時使用的計算機是便攜型筆記本計算機，并且支持無線AP和1394(D-Link)接口，那么激動人心的“移動網絡現場直播”就可以輕松實現了。具體我們可以在一臺支持無限網卡和1394采集的筆記本電腦上安裝Helix producer9.0，將這臺筆記本電腦和攝像機通過1394連接后，由2名工作人員操作，通過上述的軟件設置后，就可以實現在播出會場內自由移動并直播了。這就相當于我們在校園內有了一輛“移動直播車”，其作用是顯而易見的。

至此我們已完成了所有單播與組播的實現步驟。相信會對高校校園網遠程教學有所幫助。有一個值得注意的地方是，在進行現場直播時，我們發現即使是在校園網上，視頻的緩沖時間也非常長，通常都為20秒左右。經過研究，我們發現這個問題的根本并不是網絡帶寬不夠造成的，而是因為前端在視頻采集時計算機對采集卡采集到的信號有一個軟件壓縮的過程，故而大大延長了緩沖的時間。如果換用帶有硬件壓縮功能的卡，在校園網上就能將直播緩沖時間控制到1秒以內。

四 小結

目前市場上的網絡流媒體點播和直播產品比較多，實現的功能也基本和我們介紹的相同，但是他們的報價卻十分昂貴，動輒就是數十萬元。如果各高校能夠充分利用現有資源，就可以大大地為學校減少這方面的投入。基于流媒體的單播和組播技術是快速、便捷地實現網絡遠程教學的好方法。

參考文獻

[1] 崔強，朱衛東.多媒體及流媒體技術在遠程教育課件制作中的運用[J].中國電化教育，2002，(7):48-50.

[2] 陳春嬌.流媒體技術及其在網絡教學系統的應用[J].光盤技術，2009，(3):35.

[3] 許亞梅，包懷忠. 組播技術的優勢及其應用[J].中國科技信息，2009，(9):20.

Implementation of Web-Based Distance Teaching Methods， Based on Uncast and Multicast streaming Media Technology

ZENG Rui

(Modern Educational Technology Center， Southwest Forestry College， Kunming， Yunnan，650224，China)

Abstract: The application of streaming media technology allows the Web-Based Distance Teaching has become possible. Take full advantage of the various functions of web to achieve the sharing of resources， and promote the undulation of teaching methods is a real problem placed in front of our audio-visual workers. On the basis of streaming media technology ，this paper give a complete set of uncast and multicast programs of network streaming media. It is believed that Readers may have a preliminary understanding on the methods of web-based distance teaching or live classroom through reading this article.

Keywords: Streaming Media; Uncast; Multicast; Web-Based Distance Teaching

編輯:小禾