信息時代需要一種新的獲取知識的途徑和手段。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)境無法滿足用戶低成本、動態(tài)知識交流和快速定位現(xiàn)存各種教學(xué)資源的需求。本項目提出了一種基于Peer-to-Peer（簡稱P2P）和網(wǎng)格技術(shù)平臺架構(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)主要是通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行學(xué)習(xí)與教學(xué)活動，它充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)所提供的具有全新溝通機制與豐富資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，實現(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)成為一個熱門話題，隨之也出現(xiàn)了許多不同種類的E-Learning系統(tǒng)。一般來說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)是指通過網(wǎng)絡(luò)視頻會議和多媒體等多種技術(shù)，使老師與學(xué)生在同一時間，不同地點可以同步進行在線學(xué)習(xí)；異步學(xué)習(xí)就是學(xué)生根據(jù)個人需求自行選擇學(xué)習(xí)的時間和內(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)?；?，需要一種全新E-Learning環(huán)境，它不但要做到低成本的動態(tài)知識交流，還要盡可能地訪問現(xiàn)存的各種學(xué)習(xí)資源，并做到快速定位。

對等計算（Peer-to-Peer）是近年來流行的一種網(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)的計算和存儲能力也使得訪問大量零散資源簡單高效?，F(xiàn)在已經(jīng)開始有一些E-Learning系統(tǒng)開始使用P2P和網(wǎng)格技術(shù)。如基于P2P技術(shù)的ConferenceXP項目，LearningIDEAS公司提供的可以即時捕獲個人與個人之間的知識交流方案等；基于網(wǎng)格技術(shù)的Access Grid（AG），大學(xué)課程在線CourseOnline等。但是沒有一個結(jié)合了這兩種技術(shù)的E-Learning系統(tǒng)。

針對這個問題，在微軟的資助下，本課題提出了一個結(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框架做了基本實現(xiàn)。APPLE利用P2P技術(shù)實現(xiàn)了在Internet上的實時課堂的直播，使得在同一時間不同地方的學(xué)生可以同時參與一個課堂的教學(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；APPLE使用WSRF. NET來創(chuàng)建其網(wǎng)格服務(wù)，借此來提供用戶統(tǒng)一的資源視圖，達到整合學(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)進行整合，從而開發(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)、死板的問題，提供高級別的交互與同步協(xié)作功能，實時的學(xué)習(xí)功能以及友好易用的用戶界面。

二、系統(tǒng)設(shè)計

APPLE利用網(wǎng)格技術(shù)來提供一個可靠的服務(wù)平臺，并整合網(wǎng)絡(luò)上所有可用的學(xué)習(xí)資源，提供給用戶一個統(tǒng)一的邏輯視圖；利用P2P技術(shù)來解決高數(shù)據(jù)傳輸高并發(fā)請求帶來的成本過高的問題。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部分。資源域是指物理資源，如PC、服務(wù)器、存儲器等等；而諸如數(shù)據(jù)庫，軟件工具等這樣的邏輯資源則是通過資源虛擬化來進行組織的。根據(jù)資源的不同特征，這些資源被分成兩個部分。一種是穩(wěn)定的資源，如專用服務(wù)器以及相關(guān)的軟件，這些資源都是隨時可用的，在整個系統(tǒng)中較穩(wěn)定；另一類是可變資源，如客戶機以及相關(guān)資源，這些資源是可以隨時加入或離開整個系統(tǒng)的，具有很強的動態(tài)性。

服務(wù)層：服務(wù)層實現(xiàn)了對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)范來實現(xiàn)在資源層中所有資源的共享，整合以及協(xié)作問題。該層也提供了給上層訪問資源和服務(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，它允許開發(fā)者聲明和實現(xiàn)Web服務(wù)同一個或多個有狀態(tài)資源間的聯(lián)系。WSRF.NET則是基于微軟.NET框架的WSRF實現(xiàn)。

實時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，使用P2P來實現(xiàn)這個平臺是一個較好的想法，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P2P平臺可以滿足用戶的大部分需求。

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

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

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.APPLE中直播樹的構(gòu)建

APPLE中構(gòu)建了一棵直播樹來解決實時課堂單點訪問限制的問題，如圖2所示。如何調(diào)度新加入的節(jié)點，構(gòu)建高效率的直播樹，在直播樹中如何高效率地利用帶寬，以保證課堂效果都是需要優(yōu)先考慮的問題。

圖2 APPLE實時課堂直播

該媒體直播樹的調(diào)度策略基于兩個基本原則：

(1) 保證新節(jié)點能夠順利加入直播樹；

(2) 保證節(jié)點與父節(jié)點間時延較小。

本系統(tǒng)采用了一種稱為近播構(gòu)造樹的機制。通過對CERNET（中國教育科研網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)拓撲的研究，本課題使用了靜態(tài)的landmark來表示節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。每一個Landmark值表示一個物理上相近的區(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)建出來的landmark數(shù)據(jù)庫保證了landmark值相近的節(jié)點間有較低的延時。當(dāng)一個節(jié)點在選擇父親時，通過比較landmark值來選擇父親節(jié)點，值相近的節(jié)點將被作為父親節(jié)點。這種方式確保了節(jié)點能夠從父親節(jié)點得到高質(zhì)量的音頻和視頻。

對于那些不在landmark數(shù)據(jù)庫中的IP，我們使用簡單的IP匹配原則來進行調(diào)度。圖3顯示了在直播樹中的調(diào)度策略。相同學(xué)校的節(jié)點通常會有相近的landmark值，這樣他們被調(diào)度到同一個分支上面。

在調(diào)度的時候還需要考慮NAT和防火墻所導(dǎo)致的服務(wù)斷裂的問題。如果新節(jié)點調(diào)度到不能服務(wù)的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點上時，會發(fā)送一個特定的消息給不能提供服務(wù)節(jié)點的父親，由該節(jié)點的父親重新選擇調(diào)度路徑進行調(diào)度，這種方式可以解決大部分內(nèi)網(wǎng)節(jié)點的問題。另外，考慮到許多節(jié)點在相同的NAT或防火墻后面可能加入同一個直播課堂，在這些節(jié)點上構(gòu)建直播路徑效率不是很高。這時可以利用IP組播來提高直播效率，盡管在Internet上的大多數(shù)路由器不支持組播，但在同一個局域網(wǎng)或者同一組播域內(nèi)進行組播還是可行的，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，在直播樹上做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，本課題將數(shù)據(jù)進行分類，并加上相應(yīng)的優(yōu)先級進行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)前在APPLE中有四種不同類型的數(shù)據(jù)流：

a）控制流：用來構(gòu)建和維持這棵直播樹的控制信息以及在直播樹上傳遞的節(jié)點間消息；

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)先級依次遞減，每個節(jié)點根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)狀況選擇合適數(shù)據(jù)流進行傳輸，如圖4所示。這樣，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞或者與父親節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀況不好時，仍然可以傳輸?shù)蛶挃?shù)據(jù)流的方式動態(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來構(gòu)建索引服務(wù)，如圖5所示。這種方式可以使P2P平臺很容易和其他網(wǎng)格平臺進行互聯(lián)和整合，它可以利用網(wǎng)格大量的計算和存儲資源來擴展其服務(wù)容量。

圖5 APPLE的索引服務(wù)

WSRF.NET是一個基于Microsoft.NET框架并遵循WSRF規(guī)范的開發(fā)環(huán)境。它為在.NET環(huán)境中實現(xiàn)WSRF的網(wǎng)格計算提供了可能。它提供了基于屬性的開發(fā)工具和支持，通過將其變?yōu)樵獢?shù)據(jù)使一個服務(wù)變成網(wǎng)格服務(wù)。WSRF.NET也包含了類庫來實現(xiàn)一些服務(wù)和客戶端需要的基本功能。

APPLE里一個典型的網(wǎng)格服務(wù)為虛擬課堂服務(wù)。這個服務(wù)負責(zé)管理虛擬課堂信息，它保持著在線課堂的實時信息。有兩種方法來注冊虛擬課堂信息，一種是由教務(wù)管理部門，如教務(wù)處通過Web方式注冊那些本學(xué)期可以進行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實際課堂；另一種是由APPLE中的任意節(jié)點直接注冊，也就是說該E-Learning環(huán)境中的任何人都可以作為老師來給其他人上課或者分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗。各個用戶通過查詢索引服務(wù)器來獲取課堂和其他學(xué)習(xí)資源的信息，他們可以事先對感興趣的實時課堂進行預(yù)約，WSRF服務(wù)器則用WS-Notification機制通知參與者課堂狀態(tài)的改變。

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

四、項目特色

在整個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

實時課堂的直播模塊是APPLE中實現(xiàn)E-Learning同步教學(xué)的核心部分，它的主要功能是實現(xiàn)老師、學(xué)生上課過程的實時視頻音頻直播。傳統(tǒng)的C/S模式的視音頻直播缺乏可擴展性，當(dāng)用戶量很大時，系統(tǒng)將無法滿足用戶的服務(wù)要求。而P2P流媒體服務(wù)技術(shù)能夠合理地利用用戶計算機的空閑資源，使用戶在接收視頻音頻數(shù)據(jù)流的同時，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課堂網(wǎng)絡(luò)化成為可能，也使老師這個概念廣域化，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)中每個節(jié)點的活動可以被映射成實際社會中每個獨立人的行為。因此，在實際社會中起作用的一些社會學(xué)和經(jīng)濟學(xué)的規(guī)律、定理和模型同樣可以被引入到P2P這個領(lǐng)域?？梢杂盟鼈儊矸治?、描述和指導(dǎo)P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的行為。但是如果以社會的角度來思考問題，還會有更多細節(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。興趣可以簡單理解為愛好、喜好等，俗話說，“物以類聚，人以群分”。在社會中，實際上是存在著許多不同的小團體，這些團體中的人一般有著相似的興趣愛好。從社會關(guān)系的角度來說，對于“朋友”這個詞，其實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，維護節(jié)點間的興趣關(guān)系，以及有效地轉(zhuǎn)發(fā)知識信息的問題。

3. WSRF網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境

教育資源整合一直是一個好的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、課后問題解答等，或者使自學(xué)課程的個人學(xué)習(xí)進度管理。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)境中主要研究的問題。APPLE中這四個部分相輔相成組成一個完整的解決方案，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)用實效圖

五、總結(jié)

本項目展示了一個基于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，給用戶提供了一個低成本高效率的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。