利用AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习系统*

□ 曹育红

利用AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习系统*

□ 曹育红

随着计算机技术的发展和互联网的普及，在教育领域通过互联网传送音频、视频教学资源实现自主点播学习，可以使学生有身临其境的感觉。基于AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习系统解决了流媒体系统中传输网络阻塞、播放服务延迟、服务拌动等问题。构建大规模流媒体自主点播学习系统架构，把大规模流媒体交互服务传输方式、基于CDN的内容分发技术、基于位置感知和兴趣集中设计P2P-CDN混合网络等关键技术作为自主点播学习系统的技术支撑，以顺畅地实现通过互联网的自主点播学习。

自主点播学习；大规模流媒体；CDN；P2P

一、引言

信息技术的发展和互联网的普及为教育领域提供了获取信息和多媒体应用的多种渠道，基于网络平台和多媒体技术的教师课堂教学和学生自主学习经常被提及而备受关注。自主点播学习转换教师与学生的角色，突出学生的主体地位，突破时间、空间、地域的限制，为学生提供优秀的教师资源和学习资源，而网络带宽的限制影响多媒体数据信息的传输速度。流媒体技术作为一种新的网络媒体传输方式，解决了动态音频、视频信息资源的网络传输问题。采用流媒体技术进行数据采集、视/音频编解码、存储、传输、播放，实现视音频资源的数字化管理，增强视音频资源的可控制性，可以在互联网上实时顺序地传输和播放视音频多媒体内容的连续时基数据流，通过网络传输可以实时获取多媒体信息内容编码数据流，满足各种宽带环境下传送高品质视音频信息的需求，为大规模自主点播学习、网络视频会议、网上直播课堂提供技术保障。

目前，主要的流媒体技术方案有RealNetworks公司的RealSystem、微软公司的WindowsMedia、Apple公司的QuickTime，以及Adobe公司的Flash。其中RealSystem是技术成熟稳定的视频点播系统，采用自适应流技术（SureStream），根据网络宽带状态的好坏自动实时调整流媒体信息的流量，自动适应不同带宽用户实现视音频和动画等流媒体信息高质量实时播放；提供可伸缩视频技术（Scal⁃ableVideoTechnology）根据用户电脑速度和连接质量自动调整媒体的播放质素，利用二次编码技术（Two-passEncoding），实现对媒体内容的预扫描，然后再根据扫描的结果进行编码来提高编码质量，通过自适应流技术提供自动适合不同带宽用户的流播放；Real流媒体技术的实现基础需要3个软件支持：RealPlayer播放器、RealProducer编辑制作和Re⁃alServer服务器；MicrosoftMedia利用包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等多媒体信息的ASF（AdvancedStreamFormat）文件实现流式多媒体内容发布，由于允许使用任何一种底层网络传输协议，其灵活性和保密性均得以保障，为使用者提供强大的流媒体信息传输功能；采用mpeg-4视频压缩技术和WindowsMediaAudio音频技术，其核心是用于网络传输控制MMS协议和用于媒体内容和编码方案的打包的ASF数据格式；WindowsMedia流媒体技术的实现需要3个软件的支持：WindowsMedia播放器、WindowsMedia工具和WindowsMedia服务器。Apple的QuickTime是一个跨平台的解决方法，同时支持苹果系统和Windows，其播放器支持多达40种格式，交互性较强，提供开放式架构互动流媒体业务平台，包含各种各样的流式或非流式数字媒体领域的工业标准，采用SorensonVideo技术进行视频压缩，音频部分则采用QDesignMusic技术。QuickTime流媒体技术的实现基础需要3个软件支持：QuickTime播放器、QuickTime编辑制作和QuickTimeStreaming服务器。AdobeFlashMedia是当今全球网络上广泛应用的流媒体系统，其特点是互动性强、部署简单灵活、适用性广泛，能够提高视频流的稳定性、减少加载时间，有助于管理编码和比特率，改善最终用户的数字媒体体验。

虽然目前针对流媒体技术开发出的视音频点播产品大多具有点播和直播功能，但是这些产品及其相应的点播和直播解决方案并非为教育量身定做，因此出现缺少适应不同教育领域的针对性、资源管理的局限性和随意性等现象。Adobe公司的AdobeConnect产品提供的CentralApplicationServer应用程序服务器，负责管理用户、用户组、点播内容和客户端会话，具有访问控制、安全性、配额、授权、审核以及群集、故障转移、复制等管理功能，通过HTTP或HTTPS连接来处理会议请求和内容传输请求。Ado⁃beConnect提供的FlashMediaServer(FMS)会议服务器，用来处理实时音频流和视频流、数据同步和富媒体内容，包括会议录制和回放、音频和视频同步定时以及代码转换，缓存经常访问的网页、流媒体和共享数据，以降低服务器负载并缩短滞后时间，通过高性能实时消息处理协议，以流媒体的方式传输音频、视频以及随附的会议数据。因此，AdobeCon⁃nect为大规模流媒体自主点播学习提供了技术保障。AdobeConnect作为一个全面的Web通信系统，为培训、会议、研讨、网络教学、课件制作提供完整的解决方案和强大网络平台保障，为各类以流式音频、视频、软件仿真等形式存在的网络教学、会议和研讨会内容提供实时点播通信、跟踪、报告以及集成内容管理，为在线培训提供管理、部署和跟踪功能，实现实时课程管理或自定义进度课程。因此，利用AdobeConnect进行大规模流媒体自主点播学习是一种集动态音频、视频和静态图片、文字等信息为一体，为学生提供实时、交互、按需点播服务的双向媒体传播系统的教学方式，既能体现教师在教学方面的主导性和创造性，又能体现学生在学习方面的主体性和能动性，自主点播学习突显学习者的学习主体地位，有助于学生快速达到学习目的。自主点播学习的目的是引导学生转变学习观念和学习方式，唤起学习的自我需求，以自己的方式对知识进行理解和内化。大规模流媒体技术为自主点播学习在时间、空间、地点等方面为学生提供了全方位的网络学习环境，教师将各种教学内容和教学资源转换成流式文件存储在相关服务器中，通过学习终端，学生可根据自己的需要、兴趣、能力和水平选择适合自己的学习时间、地点、方式、进度和教师进行自主点播学习，享有完全的自主权。在大规模流媒体技术支撑下，自主点播学习能够充分照顾学生的个体差异性，以学生为中心，为学生提供一个可操作的自主点播学习环境。在自主点播学习过程中，遇到问题可以通过系统向教师请求指导或帮助，也可以与其他同学共同探讨。基于AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习集文字、视频、音频于一体，全方位刺激学习者的多种感官，凝聚学习者的注意力，有效地传递教学信息，使学生由被动地接受知识转化为主动参与学习过程。学生可以自由安排时间、地点进行学习，自主调控学习的进度，控制和管理学习过程，突出其主体地位，便于自主学习，有助于挖掘学生的潜能，促进学生全面发展。

二、自主点播学习系统的关键技术

大规模流媒体自主点播学习系统依托Adobe Connect为用户提供流媒体交互服务支撑，在服务设计上采用集群技术、基于CDN的内容分发技术以及对等网技术。大规模流媒体交互服务系统的解决方案基于内容分发网络与对等网络技术，其系统体系结构如图1所示，主要有管理中心、缓存服务器和学习端三部分组成。

1．大规模流媒体交互服务传输方式

大规模流媒体自主点播学习系统交互服务的流媒体传输方式采用加密连接传输和非加密连接传输，如图2所示。

图1 大规模流媒体交互服务系统体系结构

图2 大规模流媒体交互服务传输方式

（1）加密连接传输方式

加密连接传输方式通过HTTPS和RTMPS协议来建立，按照图2所示的路径传输数据。具体传输过程是：首先由（A）客户端Web浏览器通过HTTPS: 443上的安全连接请求在线课堂或内容的URL；然后由（B）Web服务器做出响应，通过安全连接传输内容或向客户端提供建立安全在线课堂连接的相关信息；接下来由（C）客户端通过RTMPS:443请求与服务器建立安全连接；最后由（D）服务器做出响应，并为大规模媒体数据流打开安全的永久连接。

（2）非加密连接传输方式

非加密连接传输方式通过HTTP和RTMP协议来建立，按照图2所示的路径传输数据。具体传输过程是：首先由①客户端Web浏览器通过HTTP:80请求会议或内容的URL；然后由②Web服务器做出响应，传输内容或向客户端提供建立会议连接的相关信息；接下来由③客户端通过RTMP:1935请求会议连接，由（3a）客户端通过RTMP:80请求会议连接；最后由④服务器做出响应，并为大规模流媒体数据流打开永久连接，由（4a）服务器做出响应，并为大规模流媒体数据流打开隧道连接。

2．基于CDN的内容分发技术

学生群体在地理位置上的分布以及上线点播学习者数量的进一步扩展，对大规模流媒体交互服务的支撑能力提出了更高的要求。因此，采用CDN内容分发技术进行源服务器部署以保证系统的扩展性，其服务器连接方式如图3所示。在部署边缘服务器时，采用学生端与边缘服务器连接、边缘服务器与源服务器连接的透明连接方式，这就使得学生端好像直接连接到承载视频交互的源服务器一样。边缘服务器用来验证学生身份，批准自主点播学习的服务请求。为避免源服务器的资源消耗，不会将每个请求转给源服务器，如果可以在边缘服务器缓存中找到请求的数据，边缘服务器会将该数据返回给请求的学生端，就无需调用源服务器；如果边缘服务器缓存中没有找到请求的数据，边缘服务器会将客户端的请求转发到源服务器，并在那里验证用户身份和批准服务请求。源服务器将结果返回发出请求的边缘服务器，再由该边缘服务器将结果发送给学生端，边缘服务器会同时将这些信息存储在自己的缓存中。

图3 教育云大规模流媒体服务器连接方式

通过边缘服务器的部署，缩短大规模流媒体交互服务的网络滞后时间，提升网络安全性。边缘服务器可缓存点播内容，拆分直播媒体流，从而减少进入源服务器的流量。边缘服务器在客户端与源服务器连接之间增加了一层保护。如果需要，可以安装并配置边缘服务器群集，将边缘服务器和群集进行结合，可以更加有效地支撑云环境下的大规模流媒体交互服务，实现故障转移，支持大型网上基于流媒体的交互活动，达到更加有效的负载平衡。某台边缘服务器发生故障时，客户端会路由到另一台边缘服务器。

3．基于位置感知和兴趣集中设计P2P-CDN混合网络

P2P（peertopeer）作为互联网整体架构的基础，将传统从服务器下载文件的方式改变为由终端用户各下载一部分再相互共享下载，用户以P2P的方式交换信息和文件。目前，国内的城域网是自下而上逐步收敛的网络模型，而P2P突破了传统的C/S模式形成扁平化对等网络，使得网络节点具有客户端和服务器双重角色；而各运营商的带宽状况是网络内部的带宽资源富余，网络之间带宽资源紧张。因此，在进行内容资源复制时尽量在运营商网络内部完成，避免跨运营商网络的内容资源复制而节省网络资源。因此，采用基于位置感知和兴趣集中设计P2P-CDN混合网络合理分配网络带宽，使P2P由粗放式经营向精细化管理过渡，进而实现用户的分级管理。P2P-CDN混合网络通过位置感知让参与的节点发现自己所处的物理位置和运营商信息，实现逻辑上的靠近而在本地完成大部分的资源请求，缩短资源定位和访问时间，提高数据传输速度，节省网络流量，降低跨运营商网络之间宽带的耗用。采用基于时延测量的位置感知策略 （RTT，RoundTripTime） 作为P2P-CDN混合网络的实施策略，即把两个节点之间的往返时延作为其网络距离的度量依据，利用网络坐标理论建立虚拟坐标系，节点位置由虚拟坐标表示，这样，在判断两个节点位置时不需要节点直接通信，而是根据虚拟坐标值推算出节点之间的往返时延而实现位置感知。当RTT低于某个阈值时就可以判断这个节点处于同一位置区域，依据P2P的技术特性推断出此区域的宽带资源富余，可以进行内容资源的高速传输；当RTT高于某个阈值时就可以判断这个节点处于不同位置区域，依据P2P的技术特性推断出在此区域的宽带资源紧张，应尽量减少内容资源的大量复制。在位置感知基础上，将同一位置区域内具有兴趣内容相同的学生组成内容共享学生群，实现资源内容在查找、复制、缓存和提交等方面的共享，提高资源内容的查找速度和传输速度，进一步减少跨运营商网络之间的重复复制流量。基于位置感知和兴趣集中的P2P-CND混合网络，将内容资源分发限制在同一边缘节点区域，既实现对学习者的监控，又可以进行流量监管，缓解大规模流媒体自主点播学习过程中网络拥堵现象，满足随着用户规模的扩张而带来的高峰突发流量需求，有效地提高点播学习的响应速度，增强自主点播学习系统的可靠性。

三、基于AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习系统功能架构

大规模流媒体自主点播学习系统以AdobeCon⁃nect作为底层支撑，采用WebService方式与Ado⁃beConnect进行整合，将Connect的内容、会议及课程的特性以及流媒体转化和处理能力融入教学过程、自主学习、课后辅导等教育教学过程中，提供在线学习、自主学习管理、学习内容管理等功能，重点实现自主点播学习、在线课程学习、在线项目学习等服务功能，其系统功能架构如图4所示。

图4 大规模流媒体自主点播学习系统架构图

1．服务功能

大规模流媒体自主点播学习系统提供的服务功能包括自主点播学习、在线学习和在线项目学习。在教学过程中针对不同的学习内容这三种学习方式既可以并行也可以前后实施，而且可以相互补充。对于理论基础课程，可以采用在线学习的方式，自主点播学习可以作为课前的预习和课后的复习；对于实践性的课程，可以采用在线项目学习的方式进行。

（1）自主点播学习

“自主点播学习”是基于Connect视频会议提供的音频和视频解决方案的一种服务功能模式，包括课程录制、编辑、点播、预览和管理等功能。其服务流程是：首先，使用通用摄像机和语音解决方案将整个教学活动录制下来，创建有关该教学活动的参考归档文件，给录制的课程分配唯一的URL供有权限的学生点播；然后，利用AdobeConnect内置的编辑器对录像内容中静音时段或不需要的信息进行删除、编辑，并将其保存为最新编辑的版本，但是用于部署录制的链接在编辑后不发生变化，被授予权限的学生可以根据链接访问、查看最新版本；接下来，为学生赋予对课程录像进行点播学习的访问权限，允许学生预览课程、查看参考文档，接到点播请求后通过发送包含URL链接的电子邮件这一方式通知学生有关课程录像的信息，学生根据URL点播课程进行观摩学习，同时允许学生回放录像。利用自主学习点播服务模式学生可以查看课程录像的内容报告以及有权限的课程录像，教师可以更改权限、重命名或移动课程录像，通过设置文件共享和桌面共享，将教学过程中各类教学资源分享给学生。

（2）在线课程学习

“在线课程学习”是基于AdobeConnect在线课程系统的一种服务功能模式，包括内容、课程、课程表和虚拟教室等功能。其服务流程是：首先，以PPT、PDF、SWF、GIF、JPG、PNG、MP3、HT⁃ML、ZIP等作为存储文件类型建立系统内容库，在此内容库中可以创建汇总性的、特定于某种内容的、基于访问权限的内容报告，还可以创建包含测验内容的演示文稿，同时设置学生可以尝试通过测验的次数，限制学生中途退出某项内容，下次启动此项时则从内容的开头开始学习；然后，创建内容库中相关课程，将课程与一组已登记的学生相关联，既包含针对每个学生的使用记录跟踪，也提供单独管理课程的服务，同时指定学生可尝试完成此课程的次数，提供课程恢复功能，使得学生在学习完成部分课程后关闭课程，再次上线学习时，可以在上次离开的位置继续学习；接下来，利用虚拟教室开展培训会话，提供三种访问级别，即学生登记、访客登记以及任何具有虚拟教室URL的人员。在线课程学习服务提供包含课程、会议和虚拟教室等信息的课程表，教师为学生指定入门课程、免修测试和完成要求等特定的学习计划，学生按照特定的学习计划使用课程表。在此过程中学生提交学习报告，教师跟踪学习进度，以确保学生能够达到学习目标。课程表具有三种出席权限，分别是已登记、已拒绝和待批准。其中，已登记表示已加入课程表中学生；已拒绝表示被拒绝访问该课程的学生（表示此学生已学过该课程），待批准表示学生正在等待教师的批准。在线课程学习使得来自不同地域的学生可以同步按需学习，教师可以发布课程、定义课程学习策略、上传课程学习资源等，系统支持有效的在线课程管理和使用，可以自动记录学生的学习过程、学习状态以及取得的学习效果等。

（3）在线项目学习

“在线项目学习”是基于AdobeConnect实时联机视频会议系统的一种服务功能模式，此功能允许不同地域、不同学校的学生参加实时项目培训活动。其服务流程是：首先，由教师运行用来举行会议的在线应用程序，创建针对某个项目学习的会议室，系统自动分配一个URL作为会议室的地点，学生依据此URL进入虚拟项目学习会议室，该会议室将会一直存在并且可以反复用于这个项目学习，直到该项目学习结束才可以将其删除；然后，教师直接利用系统提供的预置会议室布局模板，或者利用各种显示面板和组件，按照项目需求自定义会议室布局；接下来，通过创建相应记录将学生添加到在线项目学习中，通过发送E-mail通知学生参与在线项目学习；教师可以控制项目学习会议室处于打开或关闭状态，当项目学习会议室处于打开状态时，学生可以随时进入该项目会议室查看内容，进行在线项目学习，学生在项目学习会议中能够执行的功能取决于被分配的角色和权限。在线项目学习服务功能通过视频和音频的传递、文件共享、桌面共享、白板应用、分组私聊等方式实施教学，并在教学过程中将各类教学资源分享给学生，使学生能够共享屏幕、文件、聊天、实时音频和视频，开展有效的远程互动实时在线项目学习活动。在线项目学习服务功能允许教师在教学过程中上传、分享各种资源文件，以及自行录制的教学视频，学生则可以随时下载使用；教师可以查看、跟踪学生进入在线项目学习的开始时间和参与时间，及时跟踪学生的学习状态。

2．大规模流媒体交互服务

大规模流媒体交互服务借助于WebService技术使得运行在不同机器上的教育应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成，为教学流程的集成提供了一个通用机制。大规模流媒体交互提供会议室、在线学习和大规模在线活动等功能，重点为自主点播学习、在线课程学习和在线项目学习提供底层支撑服务。

（1）会议室

会议室是供教师和学生参与的实时联机会议，包含各种显示面板和组件，具有多个预置的会议室布局模板，以满足自定义布局的需要。会议室允许教师和学生共享计算机屏幕和文件，参与点播、聊天、实时音频和视频等在线交互活动。会议室中的内容显示在窗格中，包含教师和学生的列表、备注、聊天、文件、音频和视频等各种类型的媒体，通过设置显示区域限制共享的内容。教师负责为学生赋予共享、点播和开展其他活动的权限，设置会议主题、添加会议内容、编辑会议室布局，控制会议的开始、停止、加入和离开，创建和管理学习小组分组讨论会议室，为学生布置学习任务等。

（2）在线学习

在线学习基于AdobeConnect快速创建电子课程教学内容，包含复杂的分支结构和模拟内容的教学资源，提供将教学内容转换成课程、跟踪学生学习状态、自动创建课程资源文件夹等功能。在启动课程向导创建课程时输入课程的详细背景信息，学生就可以查看包括课程名称、课程摘要、内容、开始日期、结束日期、幻灯片或页面数量、持续时间、已登记学习者等课程信息。在课程级别上将允许学生尽可能多地尝试通过课程，已登记的学生会收到一封包括URL链接的电子邮件，这样才能访问课程。教师可以定义课程、关联课程的学习资源、制定课程中不同单元模块的学习策略，向相关班级中特定个体或群体推送学习资源；学生完成在线学习后，通过测评进行自我评价学习效果，获得系统的自动反馈。

（3）大规模在线活动

大规模在线活动包括课程、会议、研讨会、演讲以及具有前期和后期管理功能的虚拟教室，提供注册、提醒、活动跟踪调查和报告等管理功能。为确保大规模在线活动能够快速完成，需要在活动前期进行精心策划。首先，控制注册在线活动的人数不超过许可数量；其次，将内容、会议或研讨会作为活动演示，明确活动进行过程中的教学任务。活动结束后则需要执行相关的任务和管理活动，创建活动后期URL，将参与者的浏览器定向到活动后期URL，使得参与者可以查看活动的具体进行情况，形成包含统计数据和参与者信息的活动报告，作为评价在线活动成功与否的标志，为未来的活动提供事实依据。

四、实施案例

利用AdobeConnect的大规模流媒体自主点播学习系统在我校师资培训中心进行了职业院校师资培训试验，具体试验结果如下：

序号 1 2 3功能类别在线学习自主点播学习在线项目学习支撑师资培训类别实时教学学科专业能力发展实践课程技能提升培训人数110 110 110培训功能实现实时教学、文件共享桌面共享、交互讨论发布课程、定义课程自主点播、自我评价设立项目、分配角色实施项目、项目总结培训效果满足度80% 85% 75%完成效果良好良好良好

五、存在的问题和不足

大规模流媒体自主点播学习提供丰富的教学形式，有助于提高学生自主学习的积极性。在Adobe Connect支撑下采用大规模流媒体技术实施自主点播学习，建立基于位置感知和兴趣集中设计P2P-CDN混合网络，优化了流量空间，减少网络阻塞，提高了自主点播学习系统的可扩展性，满足大数据量的点播请求，提供高效、稳定的音视频点播学习服务。但是，在流媒体制作技术方面还需要对视音频文件进行预处理，即选用适当的压缩算法将文件压缩生成流媒体格式文件，同时向文件中添加流信息。流媒体传输过程中还需要采用缓存技术来纠正由于数据到达次序发生改变而产生的混乱状况，利用缓存对数据包进行正确排序，才能使视音频数据连续、正确地播放。

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G434

A

1009—458x（2014）09—0083—06

2013－11－15

曹育红，广东技术师范学院教育技术与传播学院（510665）。

责任编辑 日 新

广东高校优秀青年创新人才培养计划项目“信息技术类卓越工程师产学研合作培养模式研究”（2012WYM_0088）的成果之一。