信息時(shí)代需要一種新的獲取知識(shí)的途徑和手段。E-Learning系統(tǒng)就是在這種背景下產(chǎn)生的。但是現(xiàn)在的E-Learning系統(tǒng)環(huán)境無(wú)法滿足用戶低成本、動(dòng)態(tài)知識(shí)交流和快速定位現(xiàn)存各種教學(xué)資源的需求。本項(xiàng)目提出了一種基于Peer-to-Peer（簡(jiǎn)稱P2P）和網(wǎng)格技術(shù)平臺(tái)架構(gòu)上的全新E-Learning教學(xué)環(huán)境APPLE，它包含直播課堂的同步教學(xué)環(huán)境、基于興趣的P2P學(xué)習(xí)環(huán)境、WSRF網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境，以及面向應(yīng)用的E-Learning教學(xué)環(huán)境，它們互為支撐，相互補(bǔ)充，能充分滿足今后網(wǎng)絡(luò)教育的各種需求。

一、引言

E-Learning系統(tǒng)主要是通過(guò)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)與教學(xué)活動(dòng)，它充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)所提供的具有全新溝通機(jī)制與豐富資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種全新，便捷和有效的學(xué)習(xí)方式。近幾年E-Learning已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)話題，隨之也出現(xiàn)了許多不同種類(lèi)的E-Learning系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)E-Learning系統(tǒng)分為同步和異步兩種學(xué)習(xí)方式，同步學(xué)習(xí)是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議和多媒體等多種技術(shù)，使老師與學(xué)生在同一時(shí)間，不同地點(diǎn)可以同步進(jìn)行在線學(xué)習(xí)；異步學(xué)習(xí)就是學(xué)生根據(jù)個(gè)人需求自行選擇學(xué)習(xí)的時(shí)間和內(nèi)容。

當(dāng)前E-Learning系統(tǒng)有基于內(nèi)容的同步學(xué)習(xí)方式的，也有基于虛擬課堂的異步學(xué)習(xí)方式的（如Neal），還有同時(shí)支持同步和異步兩種學(xué)習(xí)方式的（如Gloster），但這些系統(tǒng)都不能體現(xiàn)E-Learning的多樣性和規(guī)模化，需要一種全新E-Learning環(huán)境，它不但要做到低成本的動(dòng)態(tài)知識(shí)交流，還要盡可能地訪問(wèn)現(xiàn)存的各種學(xué)習(xí)資源，并做到快速定位。

對(duì)等計(jì)算（Peer-to-Peer）是近年來(lái)流行的一種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，它利用地理分布的大量節(jié)點(diǎn)的閑置資源把服務(wù)從中心向網(wǎng)絡(luò)邊緣推送，在許多領(lǐng)域都取得了很好的應(yīng)用效果，如直播領(lǐng)域的AnySee、點(diǎn)播領(lǐng)域的GridCast、文件共享領(lǐng)域的BT。利用P2P技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)能力能夠輕松做到在E-Learning環(huán)境中動(dòng)態(tài)的信息交流；另外，在E-Learning的環(huán)境中，利用網(wǎng)格服務(wù)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力也使得訪問(wèn)大量零散資源簡(jiǎn)單高效?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始有一些E-Learning系統(tǒng)開(kāi)始使用P2P和網(wǎng)格技術(shù)。如基于P2P技術(shù)的ConferenceXP項(xiàng)目，LearningIDEAS公司提供的可以即時(shí)捕獲個(gè)人與個(gè)人之間的知識(shí)交流方案等；基于網(wǎng)格技術(shù)的Access Grid（AG），大學(xué)課程在線CourseOnline等。但是沒(méi)有一個(gè)結(jié)合了這兩種技術(shù)的E-Learning系統(tǒng)。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在微軟的資助下，本課題提出了一個(gè)結(jié)合P2P技術(shù)與網(wǎng)格技術(shù)的E-Learning系統(tǒng)——APPLE（A Novel P2P based E-Learning Environ-ment），并基于Microsoft.NET框架做了基本實(shí)現(xiàn)。APPLE利用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在Internet上的實(shí)時(shí)課堂的直播，使得在同一時(shí)間不同地方的學(xué)生可以同時(shí)參與一個(gè)課堂的教學(xué)，由于是基于P2P的直播，所以在相同硬件條件下能提供比傳統(tǒng)C/S模式更多的并發(fā)訪問(wèn)；APPLE使用WSRF. NET來(lái)創(chuàng)建其網(wǎng)格服務(wù)，借此來(lái)提供用戶統(tǒng)一的資源視圖，達(dá)到整合學(xué)習(xí)資源的目的。本課題的主要任務(wù)是探索如何在E-Learning系統(tǒng)中更好地使用P2P技術(shù)，如何將E-Learning系統(tǒng)和網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行整合，從而開(kāi)發(fā)具有革新性的基于P2P技術(shù)的E-Learning環(huán)境，克服傳統(tǒng)的E-Learning系統(tǒng)在內(nèi)容和形式上單調(diào)、死板的問(wèn)題，提供高級(jí)別的交互與同步協(xié)作功能，實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)功能以及友好易用的用戶界面。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

APPLE利用網(wǎng)格技術(shù)來(lái)提供一個(gè)可靠的服務(wù)平臺(tái)，并整合網(wǎng)絡(luò)上所有可用的學(xué)習(xí)資源，提供給用戶一個(gè)統(tǒng)一的邏輯視圖；利用P2P技術(shù)來(lái)解決高數(shù)據(jù)傳輸高并發(fā)請(qǐng)求帶來(lái)的成本過(guò)高的問(wèn)題。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含資源層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

圖1 APPLE的體系結(jié)構(gòu)

資源層：資源層中包括資源域和資源虛擬化兩個(gè)部分。資源域是指物理資源，如PC、服務(wù)器、存儲(chǔ)器等等；而諸如數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件工具等這樣的邏輯資源則是通過(guò)資源虛擬化來(lái)進(jìn)行組織的。根據(jù)資源的不同特征，這些資源被分成兩個(gè)部分。一種是穩(wěn)定的資源，如專用服務(wù)器以及相關(guān)的軟件，這些資源都是隨時(shí)可用的，在整個(gè)系統(tǒng)中較穩(wěn)定；另一類(lèi)是可變資源，如客戶機(jī)以及相關(guān)資源，這些資源是可以隨時(shí)加入或離開(kāi)整個(gè)系統(tǒng)的，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性。

服務(wù)層：服務(wù)層實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源層的各種資源的共享和整合。該層次定義了一系列的管理工具和協(xié)議規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)在資源層中所有資源的共享，整合以及協(xié)作問(wèn)題。該層也提供了給上層訪問(wèn)資源和服務(wù)的一致性接口。

服務(wù)層由三部分組成：WSRF.NET組件，基于.NET框架的P2P（Peer-to-Peer）平臺(tái)以及面向服務(wù)的軟件體系結(jié)構(gòu)。

WSRF是一組Web服務(wù)規(guī)范，它定義了Web服務(wù)資源的特定消息交換以及相關(guān)的XML定義表示，它允許開(kāi)發(fā)者聲明和實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)同一個(gè)或多個(gè)有狀態(tài)資源間的聯(lián)系。WSRF.NET則是基于微軟.NET框架的WSRF實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)流媒體的傳輸以及消息或文件數(shù)據(jù)的傳輸都需要很高效的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，使用P2P來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)平臺(tái)是一個(gè)較好的想法，現(xiàn)有的P2P系統(tǒng)，如Gnutella也有力的證明了其可行性。在E-Learning環(huán)境中倚靠該P(yáng)2P平臺(tái)可以滿足用戶的大部分需求。

WSRF.NET平臺(tái)同時(shí)也提供了一個(gè)面向服務(wù)的軟件體系結(jié)構(gòu)框架，在這個(gè)框架中，處理網(wǎng)格平臺(tái)和應(yīng)用層的交互，定位網(wǎng)格的調(diào)度，管理多種應(yīng)用程序等問(wèn)題都得到很好的解決。

應(yīng)用層：為用戶設(shè)計(jì)透明的、可擴(kuò)展的以及安全的應(yīng)用程序和服務(wù)是該層主要需要考慮的問(wèn)題。有了下層的支持，本課題可以很輕松地開(kāi)發(fā)E-learning的各種應(yīng)用，如在線課堂的直播實(shí)時(shí)消息的傳遞、文件的搜索等應(yīng)用。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.APPLE中直播樹(shù)的構(gòu)建

APPLE中構(gòu)建了一棵直播樹(shù)來(lái)解決實(shí)時(shí)課堂單點(diǎn)訪問(wèn)限制的問(wèn)題，如圖2所示。如何調(diào)度新加入的節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建高效率的直播樹(shù)，在直播樹(shù)中如何高效率地利用帶寬，以保證課堂效果都是需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。

圖2 APPLE實(shí)時(shí)課堂直播

該媒體直播樹(shù)的調(diào)度策略基于兩個(gè)基本原則：

(1) 保證新節(jié)點(diǎn)能夠順利加入直播樹(shù)；

(2) 保證節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)間時(shí)延較小。

本系統(tǒng)采用了一種稱為近播構(gòu)造樹(shù)的機(jī)制。通過(guò)對(duì)CERNET（中國(guó)教育科研網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯浚菊n題使用了靜態(tài)的landmark來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。每一個(gè)Landmark值表示一個(gè)物理上相近的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，如同宿舍樓即使有不同網(wǎng)段，其landmark值也相同或相近。因此構(gòu)建出來(lái)的landmark數(shù)據(jù)庫(kù)保證了landmark值相近的節(jié)點(diǎn)間有較低的延時(shí)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在選擇父親時(shí)，通過(guò)比較landmark值來(lái)選擇父親節(jié)點(diǎn)，值相近的節(jié)點(diǎn)將被作為父親節(jié)點(diǎn)。這種方式確保了節(jié)點(diǎn)能夠從父親節(jié)點(diǎn)得到高質(zhì)量的音頻和視頻。

對(duì)于那些不在landmark數(shù)據(jù)庫(kù)中的IP，我們使用簡(jiǎn)單的IP匹配原則來(lái)進(jìn)行調(diào)度。圖3顯示了在直播樹(shù)中的調(diào)度策略。相同學(xué)校的節(jié)點(diǎn)通常會(huì)有相近的landmark值，這樣他們被調(diào)度到同一個(gè)分支上面。

在調(diào)度的時(shí)候還需要考慮NAT和防火墻所導(dǎo)致的服務(wù)斷裂的問(wèn)題。如果新節(jié)點(diǎn)調(diào)度到不能服務(wù)的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上時(shí)，會(huì)發(fā)送一個(gè)特定的消息給不能提供服務(wù)節(jié)點(diǎn)的父親，由該節(jié)點(diǎn)的父親重新選擇調(diào)度路徑進(jìn)行調(diào)度，這種方式可以解決大部分內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。另外，考慮到許多節(jié)點(diǎn)在相同的NAT或防火墻后面可能加入同一個(gè)直播課堂，在這些節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建直播路徑效率不是很高。這時(shí)可以利用IP組播來(lái)提高直播效率，盡管在Internet上的大多數(shù)路由器不支持組播，但在同一個(gè)局域網(wǎng)或者同一組播域內(nèi)進(jìn)行組播還是可行的，這樣可以大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖枞?/p>

圖3 直播樹(shù)的調(diào)度

2. 傳輸策略

為了能夠充分使用網(wǎng)絡(luò)帶寬和提高直播課堂的質(zhì)量，在直播樹(shù)上做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，本課題將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，并加上相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)前在APPLE中有四種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)流：

a）控制流：用來(lái)構(gòu)建和維持這棵直播樹(shù)的控制信息以及在直播樹(shù)上傳遞的節(jié)點(diǎn)間消息；

b）PowerPoint控制信息；

c）音頻流數(shù)據(jù)；

d）視頻流數(shù)據(jù)。

四種數(shù)據(jù)流按優(yōu)先級(jí)依次遞減，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)狀況選擇合適數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，如圖4所示。這樣，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞或者與父親節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)，仍然可以傳輸?shù)蛶挃?shù)據(jù)流的方式動(dòng)態(tài)地加入直播課堂，如只傳輸PowerPoint控制信息和音頻，而不傳輸視頻圖像。

圖4 直播的傳輸策略

3. APPLE中的索引服務(wù)

APPLE中使用WSRF.NET來(lái)構(gòu)建索引服務(wù)，如圖5所示。這種方式可以使P2P平臺(tái)很容易和其他網(wǎng)格平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)和整合，它可以利用網(wǎng)格大量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源來(lái)擴(kuò)展其服務(wù)容量。

圖5 APPLE的索引服務(wù)

WSRF.NET是一個(gè)基于Microsoft.NET框架并遵循WSRF規(guī)范的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它為在.NET環(huán)境中實(shí)現(xiàn)WSRF的網(wǎng)格計(jì)算提供了可能。它提供了基于屬性的開(kāi)發(fā)工具和支持，通過(guò)將其變?yōu)樵獢?shù)據(jù)使一個(gè)服務(wù)變成網(wǎng)格服務(wù)。WSRF.NET也包含了類(lèi)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些服務(wù)和客戶端需要的基本功能。

APPLE里一個(gè)典型的網(wǎng)格服務(wù)為虛擬課堂服務(wù)。這個(gè)服務(wù)負(fù)責(zé)管理虛擬課堂信息，它保持著在線課堂的實(shí)時(shí)信息。有兩種方法來(lái)注冊(cè)虛擬課堂信息，一種是由教務(wù)管理部門(mén)，如教務(wù)處通過(guò)Web方式注冊(cè)那些本學(xué)期可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實(shí)際課堂；另一種是由APPLE中的任意節(jié)點(diǎn)直接注冊(cè)，也就是說(shuō)該E-Learning環(huán)境中的任何人都可以作為老師來(lái)給其他人上課或者分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。各個(gè)用戶通過(guò)查詢索引服務(wù)器來(lái)獲取課堂和其他學(xué)習(xí)資源的信息，他們可以事先對(duì)感興趣的實(shí)時(shí)課堂進(jìn)行預(yù)約，WSRF服務(wù)器則用WS-Notification機(jī)制通知參與者課堂狀態(tài)的改變。

本系統(tǒng)在一個(gè)網(wǎng)格域中多個(gè)網(wǎng)格服務(wù)提供者上部署WSRF.NET，這樣在每個(gè)服務(wù)器上都有一個(gè)虛擬課堂服務(wù)。由于相同功能的服務(wù)通?？梢杂邢嗤亩丝陬?lèi)型，所以可以確保索引服務(wù)能夠整合同種類(lèi)的虛擬服務(wù)。這些信息服務(wù)器同時(shí)也構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)格域，彼此之間也是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)作式的。當(dāng)用戶做索引定位時(shí)候，就可以自動(dòng)地使用戶定位到延時(shí)最少的索引服務(wù)器上。這樣，用戶就能看見(jiàn)發(fā)布在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)上的所有虛擬課堂服務(wù)。當(dāng)用戶選擇訪問(wèn)虛擬課堂服務(wù)時(shí)，索引服務(wù)也將為其選擇一個(gè)最適合的物理服務(wù)。這就保證了更好的服務(wù)能力和更高的可用性。

四、項(xiàng)目特色

在整個(gè)APPLE環(huán)境中，分為直播課堂的同步教學(xué)環(huán)境、基于興趣的P2P學(xué)習(xí)環(huán)境、WSRF網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境，以及面向應(yīng)用的E-Learning教學(xué)環(huán)境。

1. 直播課堂的同步教學(xué)環(huán)境

實(shí)時(shí)課堂的直播模塊是APPLE中實(shí)現(xiàn)E-Learning同步教學(xué)的核心部分，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)老師、學(xué)生上課過(guò)程的實(shí)時(shí)視頻音頻直播。傳統(tǒng)的C/S模式的視音頻直播缺乏可擴(kuò)展性，當(dāng)用戶量很大時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法滿足用戶的服務(wù)要求。而P2P流媒體服務(wù)技術(shù)能夠合理地利用用戶計(jì)算機(jī)的空閑資源，使用戶在接收視頻音頻數(shù)據(jù)流的同時(shí)，還可以向其他用戶傳輸視音頻數(shù)據(jù)流。另外，這種P2P的直播方式不但使真實(shí)課堂網(wǎng)絡(luò)化成為可能，也使老師這個(gè)概念廣域化，任何想成為老師的用戶，只要聯(lián)入Internet都可以創(chuàng)建直播課堂進(jìn)行同步網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。

2. 基于興趣的P2P學(xué)習(xí)環(huán)境

P2P網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)可以被映射成實(shí)際社會(huì)中每個(gè)獨(dú)立人的行為。因此，在實(shí)際社會(huì)中起作用的一些社會(huì)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的規(guī)律、定理和模型同樣可以被引入到P2P這個(gè)領(lǐng)域?？梢杂盟鼈儊?lái)分析、描述和指導(dǎo)P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的行為。但是如果以社會(huì)的角度來(lái)思考問(wèn)題，還會(huì)有更多細(xì)節(jié)。將基于興趣的P2P的學(xué)習(xí)環(huán)境引入E-Learning教學(xué)更能發(fā)揮信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。興趣可以簡(jiǎn)單理解為愛(ài)好、喜好等，俗話說(shuō)，“物以類(lèi)聚，人以群分”。在社會(huì)中，實(shí)際上是存在著許多不同的小團(tuán)體，這些團(tuán)體中的人一般有著相似的興趣愛(ài)好。從社會(huì)關(guān)系的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于“朋友”這個(gè)詞，其實(shí)也含有相同興趣的意思。人與人之間成為朋友，要么可能他們之間有些共同的特質(zhì)，要么他們中的一方，或是彼此擁有對(duì)方感興趣的特質(zhì)。興趣可以是單向的，也可以是雙向的。該環(huán)境中主要解決興趣的提取，維護(hù)節(jié)點(diǎn)間的興趣關(guān)系，以及有效地轉(zhuǎn)發(fā)知識(shí)信息的問(wèn)題。

3. WSRF網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境

教育資源整合一直是一個(gè)好的E-Learning環(huán)境追求的目標(biāo)，使用了WSRF構(gòu)建的網(wǎng)格服務(wù)不但整合了直播課堂的課堂資源視圖、P2P知識(shí)環(huán)境中的教學(xué)資源視圖，還能整合任何在系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)資源，為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的資源視圖，并能做到快速定位所需資源。

4. 面向應(yīng)用的E-Learning教學(xué)環(huán)境

該教學(xué)環(huán)境解決了一些面向系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的問(wèn)題，比如網(wǎng)絡(luò)學(xué)校中的在線考試、在線作業(yè)批改、課后問(wèn)題解答等，或者使自學(xué)課程的個(gè)人學(xué)習(xí)進(jìn)度管理。該部分面向于具體的網(wǎng)絡(luò)教育需求和應(yīng)用，不是APPLE環(huán)境中主要研究的問(wèn)題。APPLE中這四個(gè)部分相輔相成組成一個(gè)完整的解決方案，如圖6所示，使其完全滿足今后網(wǎng)絡(luò)教育系統(tǒng)化、人性化、個(gè)性化的教學(xué)目標(biāo)。圖7顯示了該系統(tǒng)在使用中的一些截圖。

圖6 APPLE環(huán)境

圖7 APPLE的應(yīng)用實(shí)效圖

五、總結(jié)

本項(xiàng)目展示了一個(gè)基于P2P與網(wǎng)格技術(shù)的E-Learning系統(tǒng)APPLE，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了P2P和網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)低成本高效率的E-Learning教學(xué)環(huán)境。我們已經(jīng)完成的工作說(shuō)明在E-Learning系統(tǒng)中采用P2P和網(wǎng)格技術(shù)是可行的，并且獲得了較好的效果。