基于云服务的P2P流媒体技术在远程教学视频传输中的应用

周个妹　刘泽斌

摘 要：通过阐述流媒体技术对于当今远程教育的重要意义，文章提出了基于云服务的P2P的远程教学系统资源共享网络结构和解决方案，研究表明基于云服务的P2P架构的流媒体技术能够突破固有网络带宽的瓶颈，高效的传输流媒体文件，提高音视频文件的播放质量，保证视频资源的稳定性，更适用当今远程教学系统。

关键词：云服务；流媒体；P2P；教学系统

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）06-0091-04

当今，电子信息技术在以前所未有的速度发展，许多传统领域都受到冲击从而产生各种变革，基于先进的网络通信技术，远程教学模式应运而生，远程教学的开拓与发展，使得现在的教学模式呈多元化趋势发展，无论是教学模式还是教授内容均发生了巨大的变革。而相应的，学生的学习模式也在变化，现在的课堂，学生不再是以单纯的听讲作为主要学习方式，他们开始转变为课堂的主体，带着疑问有目的性的寻求教学资源，因此拥有庞大教学资料储备、方便沟通渠道、良好互动机制的远程教学模式必定成为教育领域的主流教学模式。

一、基于云服务的P2P流媒体技术

1.流媒体

流媒体技术在一定程度上突破了网络宽带对多媒体信息传输的限制，被广泛用于网络视频直播、广告、电子商务等各种领域，它采用流式传输的方式，其数据流能够做到随时传送，对系统缓存要求较低，缩短了启动延时，随时播放，减少了用户等待时间且能够做到断点续播，不必从头下载文件再播放，而且流媒体压缩的音视频文件容量小，易于网络传输。

虽然现代远程教育已经取得了很大的进步，但目前国内的远程教学还存在不足之处，其中最显著的一点是教学模式单一。许多院校只是将原版教材制成电子版上传至网络供学生下载，仅仅是利用了网络的便利条件改变了教学环境，教学形式上反而变得更加消极，在无人监督和学习内容单调乏味的情况下，会极大的打击学生的学习积极性，而且诸如化学、物理、音乐等需要现场实验和演示的学科，在只能传输PDF或PPT文本的形式单一的远程教学平台上根本无法做到有效授课。

流媒体技术的应用可以有效解决这些不足，从效果上看，流媒体技术能够将传统教学中教师授课风采以及现场试验场景呈现在学生面前，帮助学生对课程的理解，同时辅以PPT讲稿和索引，学员可根据需要自由切换学习的课程章节，相比较于传统教学模式，不仅不会降低教学质量，而且极大地提高了教学的便利程度。从成本上看，由于支持流式技术的多媒体文件不需要全部下载完成就能观看，点播延时大大缩短，不需要很大的缓冲区，对网络带宽的要求下降。流式技术采用较高效的压缩编码如MPEG-4等，提高了网络传输视频的质量，即使学员不在现场听课也有身临其境的感觉。

2.P2P概述

大学的教学网络多以C/S模式存在，该模式中，服务器以单播的形式传输媒体流，该传输模式一般用于小范围的局域网内，易于维护管理，但其缺点也十分明显，当用户数量增加到一定程度时，受服务器本身性能及网络带宽的限制，无法承载较大流量的音视频文件传输，这对远程教学流媒体技术的使用开发是一大瓶颈[1]。

P2P是对等计算（Peer to Peer）的简称，可以简单的定义成通过直接交换来共享计算机资源和服务，而对等计算模型应用层形成的网络通常称为对等网络。在P2P网络环境中，整个网络不依赖专用的集中服务器，成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位，网络中的每一台计算机既能充当网络服务的请求者，又对其它计算机的请求作出响应，提供资源和服务。此类组网的传输模式优点在于能够充分利用客户端（即学生终端）的闲置带宽以及计算资源，减轻中央服务器及骨干网络的负担，解决C/S模式资源受限问题，保证视频流快速流畅播放，而且不需要互联网路由器和网络基础设施的支持，因此性价比高且易于部署。但P2P技术流媒体业务的应用中仍存在一些技术性的问题，如合适源节点查找和数据传输路径维护等，也会对网络的整体稳定性造成负担。基于此背景下，通过构造新的虚拟多源P2P资源共享、传输模式等手段能有效解决远程教学中流媒体应用的问题，解决的方法是在客户端节点中选择优秀节点构建源组，充分利用对等网络中每个终端用户的空闲资源来减轻服务器的负担，在不影响接收教学视频质量的情况下，能够保证客户端稳定、流畅地获取视频，同时，使用该方法建立的网络构架具有良好的扩展性，能自动根据某一时期的用户总量缩减或扩张规模[2]。

3.云服务概述

云服务是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。相对于传统的基于本地设备的服务，它具有大规模、高可靠性、通用性、高可扩展性和按需服务、费用廉价等特点，如此，小规模使用者既能省去高昂的数据中心的管理成本，云平台服务商也可运用闲散资源收取租用费来对云平台进行维护，双方互利互赢。从普通用户的角度来看，通过云平台获取服务价格低廉且方便快捷，只要有网络覆盖的地方即能使用，因此运用云服务，能有效优化基础的P2P流媒体传输系统。

二、系统模型

1.传输系统框架

使用P2P技术在远程教育平台上传输流媒体，是为了充分利用终端设备的边缘性网络资源，减轻中央服务器负担，提高流媒体传输效率，所以在系统模型的结构上使用混合式传统模型[3]，如图1所示。

教师端或管理流媒体资源的中央服务器作为传输系统的源节点，整个网络系统中的视频流均源于此。如果采用C/S（客户端/服务器）的方式，那么整个传输系统将受到源节点设备配置的制约，并且当学生用户数量增加到一定程度后，源节点的终端设备会由于负载过重造成当机现象，从而使整个网络瘫痪。而纯P2P的非中心化结构，则无法实现节点的快速定位，且容易产生网络风暴[4]。因此，传输系统采用建立虚拟源分组广播的方式，在普通用户中选择网络资源优秀的节点作为组长建立广播组，由组长专门负责该组内部的流媒体传输管理，即源节点仅负责组长节点的传输补偿，而不对普通节点做流媒体文件传输，普通节点则由其所属广播组组长节点负责流媒体传输[5]。由此，源节点与组长节点、组长节点与组内普通节点均形成集中性结构，而各广播组组长之间、组内普通节点之间的数据传输均采用P2P式的分散性结构，这样即可快速补充节点数据流。

2.数据传输系统的工作原理

（1）传输系统的初始化及资源获取过程

当学生用户需要获取流媒体资源时，必须先与源节点会话，建立通信链接，在首次通信过程中，源节点根据网络通信响应（如网络带宽及响应时长等属性）选择网络资源宽裕、终端性能优秀的学生用户的节点作为广播组组长， 并分配编号GROUP_ID，构建传输网络中的广播组，并更新广播组信息表，形成一级传输构架。源节点优先向组长节点传输初始流媒体数据，而各广播组组长节点间以纯P2P的方式进行数据互联，互补信息差异。当组长节点从源节点获取数据后，马上根据自身管理的组内节点信息表所含路由信息进行资源分发。

随着学生用户接入数量的增加，源节点根据新接入节点的信息，利用均衡负载技术，为用户选择最佳广播组，标识唯一节点编号，并分配到相应广播组中，并向广播组组长节点反馈新节点信息。广播组组长节点接受到反馈信息后，更新组内节点信息表。

节点在加入广播组后，先与组长节点进行对话，并从组长节点获取相应流媒体初始片段流，然后组长节点根据新节点当前连接的片段号检索组内其余用户，如果组内其余用户有相应片段号的流媒体文件资源，则创建新节点与用户P2P连接，由相应用户提供服务；如其余用户无新节点所需资源，则仍由组长节点提供资源服务。

由此可见，广播组内部组成传输网络的二级构架，普通用户与组长节点的层级关系与组长节点与源节点的层级关系一致，普通用户仅向组长节点及组内用户索取流媒体资源，极大地缓解了对源节点的压力。虽然普通节点也需连接到源节点进行认证，但认证信息所需网络流量很小，不会对源节点造成太大影响。

（2）节点信息认证管理及维护

源节点：统一管理传输系统内所有节点信息及广播组信息，当有新节点加入时，由源节点为其选择广播组，并向所选广播组反馈新节点认证信息，同时更新自身节点信息管理表。

组长节点：系统初始化时，从源节点获取流媒体数据，并分发到组内。广播组稳定后，负责组内节点信息管理。在接到源节点反馈的新节点加入认证后，更新组内节点信息表，并开始向新节点提供资源传输服务。同时广播组组长节点之间保持通信及P2P式资源传输补偿。

由于组长节点源于学生用户，为避免该用户退出后出现数据传输的断流现象，源节点应为每个广播组配备后备组长，当现有组长节点退出后，后备组长行驶组长节点职能。后备组长应由组内网络带宽最优、响应时长最短的节点担任。

（3）节点退出

正常退出：源节点信息表中，对新加入节点认证并分配广播组，同时更新节点信息。当节点正常退出时，向源节点发出请求，源节点删除节点信息表相应信息并向对应的广播组组长节点反馈，组长停止对请求退出的组内节点服务，删除相应的组内节点信息。

异常退出：由于网络故障或断电等原因导致用户意外离开时，组长节点不会收到用户节点的退出请求。因此，传输系统内需要通过心跳机制判断节点存活。普通节点每个特定时间t向源节点发送一个状态信息标示节点存活。若源节点在n个特定时间t内未收到某节点状态信息，则视该节点已退出，向对应组长节点发出反馈信息，停止向未响应节点提供服务，更新节点拓扑。若组长节点未响应，则删除组长节点，同时更换后备组长为新节点组长，并向新组长配置相应的组内节点信息。

3.基于云服务的视频资源传输优化

混合结构的P2P视频传输模型能够极大地提高远程教学系统中视频分发传播的效率，但是有三点问题需要解决：①视频资源数据的完整性、安全性：为保证视频资源的存储安全，确保不在硬件损坏的情况下丢失文件，需要考虑到资源的备份工作，要保证在读取备份的过程中不间断视频的传输、分发工作，则至少需要“双机热备份”作为基本配置，即需要两套相同配置的服务器群及存储阵列；②校内服务器负载过量：所有的初始资源均从存储视频资源的源节点获取，会导致传输系统构建的初始阶段，负责视频资源管理的服务器负载过大，出现高延迟甚至当机的现象；③关键点存活效率：组长节点是传输系统中的关键，它是第一批接收视频资源并进行分发管理的重要节点，但是由于组长节点是利用了性能较好的普通用户节点，所以当系统中用户到达一定程度时，组长节点的登录退出会变得相当频繁，继而导致普通用户频繁的更换广播组，期间的认证通信过程会消耗不必要的网络资源，增加网络带宽的负载，降低传输效率，加之也有可能会出现组长节点性能不足导致超级节点成为系统的瓶颈，其组内的普通用户节点成为孤立节点，从而一直等不到视频数据。

由此，为保证传输系统稳定高效的运转，必须解决上述三个问题。对于视频文件数据的完整性、安全性和校内服务器负载过量的问题，最直接的方法就是加强自身硬件配置，然而这需要配置多台高性能服务器以及存储阵列，无论在采购还是日常维护的工作上，均要花费大量的人力物力，对于学校而言，仅为了远程教学系统的视频资源就花费大量成本去构建企业级的硬件设施是十分划不来的。而如果使用云服务，则可以完美解决这一问题。首先，在硬件配置上，云平台的设施都由大型企业作为运营商维护，其硬件配置远比自己构建的机房更高效，更合理，用户从云平台获取流媒体教学资源，无需占用校内网络带宽，能极大缓解校内网压力；其次，从经济上，云平台的设施不需要由学校派专人维护，学校仅需要支付云平台服务租用费用即可，期间硬件的损坏更换、升级服务以及机房维护，学校都不再需要支付任何费用，学校也不用另外购买数据存储备份所需的硬件设备，极大地节约了人力和物力成本；再次，从拓展性来说，使用云服务可以根据实际网络的负载量直接调整传输模型的承载能力，如需扩大规模时不需要更换硬件设备，仅需要向云平台的服务商购买更高等级的环境配置即可。由此可见，使用云平台来解决本文提出的P2P视频传输系统是有效可行并且极富性价比的。

在引入云平台的同时，引入两个定义：①主动源：云平台上一种由多个核心、可变内存和永久的存储空间组成的自动化虚拟机服务，它的任务是主动接受从源节点（校内管理流媒体资源的中央服务器）推送的流媒体文件数据，并立即利用自身上传能力分发到各用户节点，保证用户节点尽可能早的获得缓存视频数据，它的存在能够有效解决视频资源数据的完整性、安全性和校内服务器负载过量的问题。②被动源：仅租用简单的云存储服务，源节点和主动源均可推送任意数据给被动源，而普通的用户节点如果无法在限定时间以前获得流媒体数据，则向被动源请求，由被动源直接推送数据给用户节点，它用于解决关键点关存活问题。

被动源工作机制：在基于P2P的视频流传输系统运行基础上，云节点除了向组长服务器发送流媒体数据外，还负责把数据存储在被动源上。为了保证达到预定义的服务质量，每个节点都先缓存播放时间往后的一定时间段的数据块，把这段数据块定义为缓冲预判，对应的这段时间叫预判时间TL，如果一个数据块不能在它应该的播放时间减去TL这个时刻之前获取到的话，那么这个节点便向被动源求助，从被动源那直接获取这个预判缓冲的数据块。这样，在组长节点失效的情况下，普通用户节点也能及时获取流媒体视频数据，并且被动源基于云服务，不会频繁登录退出浪费网络带宽资源。

主动源工作机制：主动源的目的是为了减少网络带宽压力，分担校内服务器负载，提升服务质量。主动源获得数据的途径可以是媒体源，可以是其它主动源，然后将数据推送给其他主动源或者组长节点、普通节点。由于主动源具有自动化虚拟机服务，它和用户节点一样运行节点取样协议去获取整个传输系统的拓扑信息和运行情况，发现其邻居节点。显然，由于主动源能够自动获取拓扑信息和其他节点的运行信息，它可以对源节点做动态备份，并且能自动寻找压力过大的群组，按负载压力大小主动分担组长节点和被动源的压力，使得更多的节点在更早的时间接收到视频流数据，整个网络的效率会得到提高。然而，由于主动源的服务租用费远比被动源高，所以，主动源和被动源的租用数量应根据实际情况取舍，在用户数量相对较小、拓扑结构复杂度不高的情况，甚至可以考虑仅使用被动源功能。这样才能做到效率和成本的两方面优化。

本文设计和描述了基于云服务的P2P流媒体传输模式在远程教学系统中的应用，并分析了系统的性能及优势。基于云服务的P2P流媒体技术远优于传统的C/S教学模式，将给远程教育模式带来全新的体验，解决网络教学质量难以控制的问题。随着网络基础环境的改善和广泛应用，基于云服务P2P模式的流媒体技术将为远程教学提供更好的平台。

参考文献：

[1]Luaek，CrowcroftJ，Pias M，et al. A survey and comparisonofpeer-to-peer overlay network schemes[J].IEEE Communications Survey and Tutorial，2005，7（2）：72-93.

[2]Yiuwpk，XingJ，Chan S HG.Challenges andapproaches inlarge-scale P2Pmediastreaming[J].IEEEMultiMedia，2007，14（2）：50-59.

[3]魏国生.基于网络的合作学习的教学设计及案例研究[J].电化教育研究，2004（8）.

[4]李俊青，李元振，王文宏.基于P2P的虚拟学习社区平台设计[J].现代情报，2006（6）.

[5]邓春红，方群.一种基于P2P的新型网络学习模型[J].安徽职业技术学院学报，2006（3）.

（编辑：鲁利瑞）