面向北京市農民應用的現代遠程教育平臺研究

趙繼春，劉世洪，喬珠峰(.中國農業科學院農業信息研究所，北京0008;2.北京市農林科學院，北京00097;3北京市農村遠程信息服務工程技術研究中心，北京00097)

以農民為用戶主體的農村遠程教育不同于學校遠程教育，從網絡遠程教育在國內農村地區的實踐應用來看，存在著教育培訓系統交互功能弱，網絡帶寬占用高，運維成本高，教學信息統計和效果評估不足等弱點［1］。從北京地區來看，由于信息化建設起步較早，郊區基礎設施情況不一，這就為建立能夠適應全市農村網絡條件，具備靈活擴展能力的市級農村遠程教育平臺帶來一定困難。為了既能充分發揮現代信息技術在農村人力資源開發中的作用，又能提升農村遠程教育培訓效果和效率，有必要對農民教育培訓的需求規范、評估體系和相關網絡關鍵技術進行研究和創新，通過應用集成、資源整合推進全市農村現代遠程教育工作高效運轉，提升農村人力資源開發水平。筆者通過對農村現代遠程教育教學模式和復雜網絡結構下的教學資源傳輸技術的研究和創新，開發建設符合首都農村網絡特點的現代遠程教育市級平臺，以充分整合現有設施資源，為全市農民教育培訓提供服務支撐。

1 設計思路

1.1 以“學、用”為核心，研究適宜農民學習特點的網絡教學服務模型 農民的學習需求和學習特點不同于學校教育中的學生，因此在分析服務對象的基礎上，從農民的實際需求出發，以學習和應用為核心，研究出適合他們特點的網絡教學服務模型是解決問題的基礎。

1.2 根據教學服務模型，進行系統總體規劃，構建平臺的應用系統和功能模塊 鑒于農村培訓的流程需求和充分利用現有網絡基礎節約投資的原則，要以政務外網為主體建立一個覆蓋全市農村的城域網絡。網絡的承載能力和擴展性是平臺應用系統設計部署中的主要問題。在平臺整體設計過程中，要充分考慮資源存儲、傳輸和大規模用戶集中學習時的網絡負載分擔，采用先進的內容分發網絡設計原則，將整個平臺網絡進行分布式、模塊化體系結構設計，不僅能夠將大用戶量、視頻業務帶來的復雜網絡問題分解到多個內容傳輸節點網絡中去解決，而且業務系統能夠在現有網絡基礎上直接部署，并根據用戶需求情況逐步擴容。

根據科學分析出的業務邏輯，劃分出相對獨立而又相互銜接的多個應用系統，從而構建一個完整的遠程教育教學服務和管理系統。為確保平臺的安全可靠，集中力量研發具有自主知識產權的應用系統。

1.3 針對各個業務系統的不同需求，對關鍵技術進行研究和創新 針對北京政務網絡帶寬瓶頸的技術難題，要研究出先進P2P與CDN相結合的應用體制。同時，針對內容安全問題，要研究出媒體流的加密傳輸機制，以有效保證視頻傳輸的安全。在此基礎上，設計統一接口平臺，通過接口功能橫向集中部署和集中管理來實現對系統內外部接口的綜合統一管理。系統的接口應支持主流協議(MMS、SNMP、CORBA、SOAP、Socket等)［2－3］。

由于北京農村現代遠程教育市級平臺要服務的各個區縣的網絡情況復雜，網絡互通性的實際情況和系統規劃參照有較大差距，所以需要對P2P的策略進行優化。系統規劃所依據的網絡條件中，13個區縣節點的網絡是互通的，每個區縣的用戶不但可以訪問本區縣節點進行視頻數據的讀取，也可以訪問其他區縣的節點進行視頻數據的讀取。但實際的網絡結構卻比較復雜，13個區縣節點的互訪性不能得到保證，因此需對P2P策略進行優化設計。

2 系統實現

2.1 設計框架 北京市農村現代遠程教育平臺以學用為中心進行系統教學框架構建，通過系統設計、技術攻關、系統研發等環節進行教學平臺的研究和推廣應用，技術攻關主要解決網絡帶寬瓶頸、內容安全和區縣網絡異構等問題，系統開發主要研究實現資源制作系統、節目格式轉換系統、節目檢測系統、節目分發系統、播出管理系統、教學管理系統、視頻直播點播系統、多媒體資產管理系統、教學門戶網站和教學統計管理等10大應用系統，實現教學門戶的課件點播、教學直播、交互咨詢和信息發布等功能。技術路線如圖1所示。

2.2 農村遠程教育培訓服務模式的構建 針對農村培訓中不同群體在不同時段對學習內容、學習方式的需求差異性，在學習理論的指導下，對農民、大學生村官、農村基層干部等群體網上學習行為進行研究分析，建立了“選學—助學—評價—分享”互動遠程教育服務模式，并在此基礎上研發互動式遠程教育平臺［4］。實現網上課堂、個性化學習、交流互動、咨詢答疑和教學管理等遠程教育教學和管理功能，研發了智能問答、學習社區、網上課堂等多個學習支持服務系統，并實現對農民教學培訓的全過程進行行為記錄和監控，具有參與互動性強、操作便捷等特點，不僅可實現“一人講、萬人聽”，而且還支持“眾對眾”的交流學習。

為方便各級政府部門或機構在農村組織開展集中培訓、農戶自己選擇個性化學習，平臺開發的信息管理系統，建立了市、區、鄉鎮和用戶分級權限和認證管理體系，在實時記錄所有用戶學習行為的基礎上，使各級部門能夠查詢掌握所屬站點及用戶的培訓學習情況，使用戶隨時了解自己的學習進度，并自我評估學習成效［5－6］。平臺以13個二級節點作為CDN邊緣推送節點，將各區縣劃分成不同的自治域，各自治域中部署P2P服務，因而可以有效地提升系統的容量水平。

2.3 農村網絡異構及互通性差的解決方法

2.3.1 農村網絡異構解決辦法。項目實針對政務網存在的節點的異構、節點帶寬的不對稱性和節點隨機等問題，提出了獨到并經過實踐驗證的解決方案:

(1)通過先驗知識與自動測量相結合的方式，實現應用層組播邏輯拓撲的自學習和自調整，使得邏輯組播拓撲盡可能地與物理網絡拓撲相結合，使得來自于同一運營商網絡的用戶盡可能地被組織在同一個邏輯網絡內。

(2)通過多線程并行傳輸的方式，最大限度地充分利用帶寬資源，同時改善跨運營商、跨地域網絡的互聯互通效果。

(3)通過動態測量和感知的方式，根據節點的接入帶寬和服務能力調整其在P2P網絡中的角色，實現“能者多勞”。

(4)自動檢測局域網用戶，實現局域網內多用戶觀看節目的邏輯網絡自組織、自調整，使得小范圍內實現組播成為可能。

(5)對于向下行帶寬不對稱節點的拓撲動態調整，使其一方面能夠獲得CDN網絡的良好服務的同時在組播拓撲中自動下沉到邊緣，并力所能及地提供P2P服務。

2.3.2 農村網絡互通性差解決辦法。根據該項目網絡拓撲的組織和設計，二級節點與核心節點采用了星形聯通的結構，而二級節點之間并不存在直接互聯。

P2P+CDN系統在該項目中的應用要求二級節點與核心節點組成CDN數據分發網絡，而該CDN分發網絡自上而下就是樹形結構，并不需要二級節點之間的直接互聯。因為在P2P+CDN網絡中，每一個CDN節點都在進行直播數據的推送與分發，同時具有存儲功能，其存儲的內容是整個PCDN系統所服務的點播內容的全集或者熱門子集，因而具備獨立向用戶提供CDN與P2P相結合的服務的能力，并不需要互相連通。

而作為CDN末端、P2P頭端的一級用戶，其獲取數據的途徑是多樣的，其并不拘泥于該節點上級的二級節點，而是可以從整個樹狀結構的CDN網絡中獲取數據，二級節點之間的連通性并不會影響到CDN網絡的構建，更不會影響到P2P網絡的形成。通過P2P算法的改進，各區縣自身網絡構成單獨的P2P自組織網絡。

2.3.3 P2P和CDN部署及數據分發策略。由于中心節點帶寬有限，無法承受大量用戶同時訪問中心節點，也為了最大程度發揮P2P數據分發策略的優勢，采用如下部署策略:

(1)CDN視頻分發采用全部分發的策略，也就是中心節點和13個區縣節點上的存儲視頻完全一樣。

(2)市級平臺存儲設備容量是34T，但中心節點是使用了NAS盤陣的一個卷(4.2T)，所以中心節點實際和區縣節點的空間是匹配的，這樣在分發的時候可以把需要分發的視頻，同時分發到中心節點和區縣節點，保證中心節點和區縣節點的一致性。

(3)為了減少中心服務器的壓力，該研究的P2P訪問策略采用根據IP段判斷用戶所屬區縣，然后用戶所有能夠訪問的Peer節點全部是本區縣的Peer節點的策略。

(4)根據實際經驗將各區縣節點服務器連接數設定為800，減輕節點服務器壓力，使更多的Peer節點共享數據，使P2P節點間數據共享發揮更大的效用。

(5)當考慮到如果區縣CDN如果出現宕機時，區縣用戶會去中心節點服務器獲取視頻數據，由此會增加中心服務器帶寬的壓力。所以盡量要實現CDN節點服務器7×24的服務，盡量不出現訪問不到CDN節點的情況。

3 結論

該研究將P2P和CDN技術應用到遠程教育領域的省級應用平臺，針對網絡帶寬限制問題，采用CDN網絡結合P2P技術的應用業務架構，很好地解決了流媒體服務質量和業務規模之間的關系，在CDN確保服務質量的前提下，通過新一代P2P技術擴大網絡有效承載能力。平臺合理匹配P2P和CDN技術，避免骨干網上的流量無序性和風暴，增強網絡的管理性。采用多層安全控制技術，建立完善的安全管理體系，確保了教學內容和用戶數據的安全、可管理。與同類省級遠程教育教學平臺相比，具有易部署、擴展性高、運行成本低等優點。該平臺已經成為北京市農村地區覆蓋面最廣、惠農資源最豐富、交互性最強的個性化遠程教育服務平臺。

［1］TABOR S W.Narrowing the distance:Implementing a hybrid learning model［J］.Quarterly Review of Distance Education，2007，8(1):48 －49.

［2］代宏.基于流媒體技術的農村基層黨員干部遠程教育系統設計與實現［D］.成都:電子科技大學，2013.

［3］白陽.網絡寬帶的流媒體通信技術應用與發展［J］.現代交際，2011(12):61.

［4］薛偉.現代遠程教育5S學習支持模式研究［D］.上海:華東師范大學，2009.

［5］阮慧珊.我國與發達國家現代遠程教育比較研究［D］.福州:福建師范大學，2007.

［6］薛俊梅，陳誼.農業高職院校新生適應性教育調查及對策研究［J］.安徽農業科學，2014，42(25):8817 －8819.