魏慶
摘 要:隨著社會(huì)信息化的日益發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的極大發(fā)展,寬帶用戶的普遍應(yīng)用都為多媒體提供了強(qiáng)大的市場(chǎng)動(dòng)力。而遠(yuǎn)程教育就是這些應(yīng)用中的一個(gè)領(lǐng)域。在先進(jìn)的教育教學(xué)指導(dǎo)下,信息技術(shù)、多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為教師與學(xué)生的不同地域的面對(duì)面教學(xué)提供了現(xiàn)實(shí)性。遠(yuǎn)程教育是現(xiàn)今教育的先進(jìn)模式,促進(jìn)了教育事業(yè)的發(fā)展。該文主要對(duì)P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:P2P 流媒體 遠(yuǎn)程教育
中圖分類號(hào):G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2014)07(a)-0096-03
1 P2P技術(shù)
P2P與傳統(tǒng)的C/S模式截然不同,二者模式如圖1。
C/S模式是互聯(lián)網(wǎng)中最通用的通信模式,用戶通過客戶端軟件與服務(wù)器端連接,然后進(jìn)行文件檢索、web游覽、文件傳輸?shù)葢?yīng)用。在這種模式下客戶知道如何請(qǐng)求信息和發(fā)送信息到服務(wù)器上,服務(wù)器也知道如何響應(yīng)客戶的請(qǐng)求。瀏覽器和Web服務(wù)器就是一個(gè)很好的C/S模式。根據(jù)情況的需要,Web服務(wù)器會(huì)偵聽不同的端口,當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)出業(yè)務(wù)請(qǐng)求(只是一個(gè)被加密后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))的時(shí)候,服務(wù)器會(huì)根據(jù)不同的業(yè)務(wù),調(diào)用服務(wù)器端相應(yīng)的服務(wù),當(dāng)處理完成后,并把結(jié)果以另外一種數(shù)據(jù)形式返回。這種模式是一種單方向的請(qǐng)求方式,而且還是被動(dòng)的,在應(yīng)用時(shí)被客戶初始化。與C/S模式相比,P2P模式?jīng)]有中心節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器,在網(wǎng)絡(luò)中,一臺(tái)機(jī)器既可當(dāng)作客戶機(jī)又可當(dāng)作服務(wù)器來使用,在請(qǐng)求服務(wù)的同時(shí)也能進(jìn)行提供服務(wù)的功能,由此可見,所有的節(jié)點(diǎn)都是平等的。很明顯,這種方案使得網(wǎng)絡(luò)上的可用的資源數(shù)得以增加。與C/S模式相比較,P2P模式具有分布性、可擴(kuò)展性、自組織性、容錯(cuò)性等特點(diǎn)。
2 流媒體
所謂流媒體是指采用流式傳輸?shù)姆绞皆贗nternet播放的媒體格式。流媒體是指在Internet上以數(shù)據(jù)流的方式實(shí)時(shí)發(fā)布音頻、視頻多媒體內(nèi)容的媒體,而流媒體技術(shù)則是在IP網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布多媒體數(shù)據(jù)流的技術(shù)。它改變了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的呆板形象,豐富了互聯(lián)網(wǎng)的功能,成為一種有強(qiáng)大吸引力的新媒體。它廣泛用于新聞出版、證券、娛樂、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)等方面,將為網(wǎng)絡(luò)信息交流帶來革命性的變化。由此可見,流媒體不是傳統(tǒng)的新聞圖片,因?yàn)榱髅襟w最終的產(chǎn)品是像電視或電影一樣流動(dòng)的媒介;流媒體也不同于電視新聞的圖像;因?yàn)橛徐o態(tài)圖片的參與,在要素上也比電視新聞多些,更像是濃縮的電視專題片。
實(shí)時(shí)流媒體傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)是RTP(實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議)、RTCP()、RTSP()。RTP協(xié)議是一個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議,它是為數(shù)據(jù)提供了具有實(shí)時(shí)特征的端對(duì)端傳送服務(wù),如在組播或單播網(wǎng)絡(luò)服務(wù)下的交互式視頻音頻或模擬數(shù)據(jù)。確保及時(shí)交付的機(jī)制并沒有在協(xié)議的本身包含,而是由底層系統(tǒng)來提供的。如果RTP協(xié)議是在UDP協(xié)議之上的協(xié)議運(yùn)行的,也就是說,在每一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)中都會(huì)有一個(gè)RTP報(bào)文封裝起來。RTP協(xié)議工作與其他運(yùn)輸層協(xié)議工作不同,在實(shí)際應(yīng)用中也不會(huì)出現(xiàn)在IP中直接封裝的情況。實(shí)際上,RTP是運(yùn)行在UDP協(xié)議之上的協(xié)議,這就表明每個(gè)RTP報(bào)文被封裝到一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)中。使用UDP的主要優(yōu)點(diǎn)在于其并發(fā)性,在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以有多個(gè)使用RTP的應(yīng)用程序,而不會(huì)互相干擾。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序開始一個(gè)RTP會(huì)話時(shí)將使用兩個(gè)端口,其中一個(gè)分配給RTP,另一個(gè)分配給RTCP。RTP本身并不為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制,也不提供流量控制或者擁塞控制,它依靠RTCP提供這些服務(wù)。RTP控制協(xié)議(RTCP)監(jiān)控服務(wù)質(zhì)量并傳送正在進(jìn)行的會(huì)話參與者的相關(guān)信息。RTCP 第二方面的功能對(duì)于松散受控會(huì)話是足夠的,也就是說,在沒有明確的成員控制和組織的情況下,它并不非得用來支持一個(gè)應(yīng)用程序的所有控制通信請(qǐng)求。與RTP協(xié)議相類似,RTCP報(bào)文的傳輸也是通過封裝在UDP之中來進(jìn)行的,并且發(fā)送時(shí)使用的端口號(hào)要比所屬的RTP流的端口號(hào)大1。媒體流化的管理平臺(tái)是通過RTCP協(xié)議來提供的,系統(tǒng)中的各項(xiàng)性能可以通過RTCP協(xié)議的使用對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和保障。實(shí)時(shí)流化協(xié)議(RTSP)的工作方式是以客戶服務(wù)器來進(jìn)行的,其是一個(gè)多媒體播放控制協(xié)議,主要功能就是使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)例如暫停、繼續(xù)、快進(jìn)、后退等類似的功能,這樣用戶會(huì)覺得非常方便。RTSP協(xié)議定義了一對(duì)多應(yīng)用程序,它能夠通過IP網(wǎng)絡(luò)有效地傳送多媒體數(shù)據(jù)。在體系結(jié)構(gòu)中,RTSP協(xié)議位于RTP和RTCP之上,它的數(shù)據(jù)傳輸是通過使用TCP或RTP來完成的。RTSP協(xié)議雖然具有一定的傳輸能力,但是并不是直接由它本身來實(shí)現(xiàn)的,它主要就是為了對(duì)多媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。RTP數(shù)據(jù)的傳輸由RTSP協(xié)議和RSVP、RTCP構(gòu)成了一個(gè)體系框架來進(jìn)行共同管理。
3 P2P流媒體
多媒體的播放應(yīng)該從實(shí)用出發(fā)、從網(wǎng)絡(luò)信息的實(shí)時(shí)傳遞和流媒體研究方面以及綜合運(yùn)用的角度考慮,將媒體的播放與傳輸結(jié)合起來,使得多媒體的綜合運(yùn)用得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)又把基于MOD多媒體點(diǎn)播系統(tǒng)提了出來,網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是以P2P為基礎(chǔ)的,把本地多媒體、網(wǎng)絡(luò)多媒體以及流媒體相關(guān)的技術(shù)問題都給解決掉了,并且在此基礎(chǔ)上還為流媒體的傳播與轉(zhuǎn)換提供了技術(shù)支持。目前C/S模式是流媒體服務(wù)普遍采用的,但是它不能提供高可擴(kuò)展能力和高實(shí)用的服務(wù)。為此,近些年一些專業(yè)人士提出了很多中解決方案,例如,內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和IP多播等。但是要有專門的硬件支持才能實(shí)現(xiàn)這些方案,例如,CND需要在全球各地部署多個(gè)CND服務(wù)器,多媒體的數(shù)據(jù)則通過服務(wù)器之間協(xié)同工作來進(jìn)行分發(fā);而對(duì)于目前Internet的路由機(jī)制,IP多播是需要對(duì)其進(jìn)行修改的,廣泛部署復(fù)雜的支持廣播功能的路由器。這樣使得成本增加了許多,并且問題還不能得到最根本的解決。因此,大家就想能不能用一種好一點(diǎn)的方法能夠降低分發(fā)的成本?P2P技術(shù)是比較好的方法可以降低成本的,當(dāng)然P2P是降低成本的一種解決之道,充分利用邊緣的資源,特別是客戶端的資源。近期,P2P技術(shù)已經(jīng)引起了各界人士的普遍關(guān)注。P2P模式的核心思想是:信息資源和服務(wù)共享的實(shí)現(xiàn)是通過參與系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)之間的直接交互來實(shí)現(xiàn)的。首先,傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)端模式P2P模式已經(jīng)突破了,節(jié)點(diǎn)之間的“對(duì)等性”是其強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn),也就是說,P2P系統(tǒng)中每一個(gè)參與節(jié)點(diǎn)都同時(shí)具有服務(wù)器和客戶端兩種身份,在利用其他節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上也為其他節(jié)點(diǎn)提供了服務(wù),即隨著需求的增長P2P系統(tǒng)的服務(wù)能力也在自然增長,P2P具有高可擴(kuò)展性,對(duì)于傳統(tǒng)客戶端.服務(wù)器結(jié)構(gòu)中服務(wù)器過載和資源瓶頸的問題能夠給予解決。其次,P2P系統(tǒng)采用的工作方式為節(jié)點(diǎn)自組織方式,強(qiáng)調(diào)無中心的結(jié)構(gòu),并且對(duì)于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)加入和退出的動(dòng)態(tài)性得到了很好的適應(yīng),因此,其具有無以倫比的優(yōu)勢(shì),例如,容錯(cuò)性、數(shù)據(jù)高可用性和抵抗攻擊方面。endprint
P2P流媒體具有很好的應(yīng)用前景,它已經(jīng)被認(rèn)為是有效的流媒體分發(fā),由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)存在不穩(wěn)定性,其必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):(1)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。P2P方式的文件傳輸和下載是一個(gè)有效快速的傳輸流媒體文件,并且近些年,P2P流媒體的已經(jīng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于P2P流媒體系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域較廣,因此要根據(jù)的具體領(lǐng)域進(jìn)行點(diǎn)播、直播、多播等,并且要與不同應(yīng)用的需求相結(jié)合,設(shè)計(jì)出合理的流媒體傳輸方案,對(duì)于用戶的實(shí)時(shí)性需求能夠得到最大限度的滿足。(2)節(jié)點(diǎn)選擇。在一個(gè)典型的P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來自各個(gè)不同自治域,節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)間自由地加入或離開覆蓋網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有很大的動(dòng)態(tài)性和不可控性。因此,如何在服務(wù)會(huì)話初始時(shí),確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可提供一定服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集合是P2P流媒體系統(tǒng)迫切需要解決的問題。(3)容錯(cuò)機(jī)制。由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性,正在提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)離開系統(tǒng),傳輸鏈路也可能因擁塞而失效。為了保證接受服務(wù)的連續(xù)性,必須采取一些容錯(cuò)機(jī)制使系統(tǒng)的服務(wù)能力不受影響或盡快恢復(fù)。(4)安全機(jī)制。在P2P如火如荼的應(yīng)用熱浪中,其安全問題應(yīng)該越來越引起我們的重視。在流媒體安全方面比較突出的是流媒體版權(quán)保護(hù)問題,因此,如何防止媒體內(nèi)容在P2P這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被惡意侵犯已經(jīng)是非常重要的。
4 P2P在流媒體中的應(yīng)用
經(jīng)過調(diào)研,目前國內(nèi)已經(jīng)有部分高校和研究部門都對(duì)P2P流媒體在學(xué)校中應(yīng)用展開了研究,并構(gòu)建一些面向不同目標(biāo)的系統(tǒng),如北京大學(xué)通用多播基礎(chǔ)設(shè)施GPMI,香港科技大學(xué)的流媒體直播CoolStreaming原型系統(tǒng),清華大學(xué)的Gridmedia網(wǎng)絡(luò)等等,并有一些網(wǎng)絡(luò)流媒體服務(wù)運(yùn)營公司推出了如PPLive,PPstream等P2P流媒體應(yīng)用。本文對(duì)P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析。一個(gè)完整的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。本系統(tǒng)為了節(jié)省成本,性能要求不需要特高,視頻服務(wù)器也不需要特別貴的,每個(gè)教師節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)就可以是多播樹的根節(jié)點(diǎn),在不同的地點(diǎn)、不同的時(shí)間教師端都可以創(chuàng)建課堂,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的課堂創(chuàng)建。而在學(xué)生端中,實(shí)現(xiàn)了同時(shí)看多個(gè)課堂,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)。遠(yuǎn)程教育平臺(tái)的用戶類型有校長、教師、學(xué)生、家長、家教五類,本文中的系統(tǒng)面向的是教師、學(xué)生和家長,該系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照用戶的隸屬關(guān)系組成虛擬學(xué)校,同一虛擬學(xué)校的用戶之間按照預(yù)定的類別形成教學(xué)關(guān)系,所有這些節(jié)點(diǎn)通過P2P連接服務(wù)器建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接后,就可以直接進(jìn)行實(shí)時(shí)音視頻通信和教學(xué),不需要通過服務(wù)器來進(jìn)行。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2。
4.1 系統(tǒng)模塊分析
本文中的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)只存在最基本的兩個(gè)模塊:監(jiān)聽器模塊和瀏覽器模塊。(1)監(jiān)聽器模塊。初始化登錄工作的完成就是監(jiān)聽器執(zhí)行的第一項(xiàng)工作,也就是完成前面節(jié)點(diǎn)能力自適應(yīng)的初始化,從而才能實(shí)現(xiàn)它本身以及它所服務(wù)的節(jié)點(diǎn)資源清單的共享。登錄之后就能對(duì)其他監(jiān)聽器傳給它的客戶請(qǐng)求進(jìn)行處理,只要有客戶連接,監(jiān)聽器救濟(jì)開始下載文件,在下載過程中,多個(gè)客戶的請(qǐng)求可以由一個(gè)監(jiān)聽器進(jìn)行處理。(2)瀏覽器模塊。瀏覽器充當(dāng)用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口。用戶通過瀏覽器發(fā)送它的請(qǐng)求并接收監(jiān)聽器的響應(yīng)。瀏覽器與監(jiān)聽器是不同的,它的運(yùn)行時(shí)是沒有人值守的。瀏覽器顯示登錄的監(jiān)聽器的清單并把所有的請(qǐng)求發(fā)送給監(jiān)聽器,對(duì)于這些請(qǐng)求用監(jiān)聽器自己來進(jìn)行處理。只要這些請(qǐng)求被監(jiān)聽器處理過,其結(jié)果就會(huì)通過瀏覽器顯示在用戶終端。監(jiān)聽器和瀏覽器保證他們各自任務(wù)順利運(yùn)行的情況下,二者還存在一定的聯(lián)系。
4.2 設(shè)計(jì)框架
在具體的設(shè)計(jì)中,互聯(lián)網(wǎng)與作為核心服務(wù)器的教學(xué)中心的視頻服務(wù)器相連,采用混合體系結(jié)構(gòu),并將學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)播的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為P2P中的對(duì)等節(jié)點(diǎn),從而使得整個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)播的并發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目能夠提高。在網(wǎng)絡(luò)抽象層中,保證P2P的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了解決對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的一些問題,例如,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的不確定性、延誤、分散性等問題,對(duì)建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的樹型算法進(jìn)行深入探討。在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中設(shè)計(jì)應(yīng)用層組播樹結(jié)構(gòu)和非樹型P2P結(jié)構(gòu),主要是為了區(qū)分P2P模式媒體服務(wù)系統(tǒng)中對(duì)節(jié)目和視頻質(zhì)量要求。對(duì)于視頻直播服務(wù)系統(tǒng)或視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中某熱門節(jié)目的服務(wù)策略的架構(gòu)前者可以滿足,而對(duì)于視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中請(qǐng)求率相對(duì)不高以及并發(fā)請(qǐng)求少的節(jié)目后者較合適。遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖3所示,可知,對(duì)于點(diǎn)播并發(fā)請(qǐng)求數(shù)較多的視頻應(yīng)用右邊的樹型結(jié)構(gòu)可以滿足,對(duì)于請(qǐng)求率較低以及并發(fā)請(qǐng)求少的點(diǎn)播需求左邊的非樹型結(jié)構(gòu)可以得到滿足。
4.3 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
在P2P流媒體的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的軟件都需要提供三個(gè)主要功能:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接、媒體播放控制和媒體播放,同時(shí)還需要參照OSI的七層體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置三層軟件體系結(jié)構(gòu)。(1)網(wǎng)絡(luò)抽象層。對(duì)P2P節(jié)點(diǎn)樹進(jìn)行建立和維護(hù),并且節(jié)點(diǎn)之間信息的交換也是通過網(wǎng)絡(luò)抽象層來進(jìn)行處理,采用HTTP協(xié)議,并在SOAP應(yīng)用中封裝對(duì)象的信息。(2)媒體控制層。對(duì)流數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受是此層的主要職責(zé),整個(gè)節(jié)點(diǎn)樹對(duì)于媒體控制層是透明的。建立并控制一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間同步的連續(xù)流媒體是通過RTSP協(xié)議完成的,并且流數(shù)據(jù)的傳輸采用RTP/TCP協(xié)議來進(jìn)行。(3)媒體播放層。此播放主要是通過對(duì)節(jié)點(diǎn)收到的流媒體數(shù)據(jù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)播放軟件來實(shí)現(xiàn)的。圖4為P2P節(jié)點(diǎn)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.4 多播樹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)面向的用戶是教育網(wǎng)用戶,因此不需要較大規(guī)模的節(jié)點(diǎn),從而在管理和維護(hù)時(shí)更加的方便,由此,P2P流媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多播樹結(jié)構(gòu),把節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu),樹的父節(jié)點(diǎn)給子節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。如果節(jié)點(diǎn)離根節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),則就會(huì)產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)延時(shí),因此,多播樹的深度應(yīng)該盡可能短也得到保證,但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先輸出貸款限制了節(jié)點(diǎn)的寬度,因此要在寬度和深度上達(dá)到一定的平衡。本系統(tǒng)的多播樹結(jié)構(gòu)圖如圖5。
5 結(jié)語
P2P流媒體的研究目前已經(jīng)達(dá)到了一定水平,P2P流媒體的應(yīng)用范圍也較廣,P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中的應(yīng)用,有效地解決了我國教育資源分布不平衡的狀況,實(shí)現(xiàn)了視頻資源的高共享性,實(shí)現(xiàn)了不同地域教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的面對(duì)面交流,總而言之,為教育事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。
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[8] 葛宇,梁靜.改進(jìn)的高度優(yōu)先策略在P2P流媒體節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制中的研究[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2009(11).
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[11] MAHAJAN R,CASTRO M, ROWSTON A.Controlling the cost of reliability in peer-to-peer overlays[M].Springer:IPTPS,2003.endprint
P2P流媒體具有很好的應(yīng)用前景,它已經(jīng)被認(rèn)為是有效的流媒體分發(fā),由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)存在不穩(wěn)定性,其必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):(1)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。P2P方式的文件傳輸和下載是一個(gè)有效快速的傳輸流媒體文件,并且近些年,P2P流媒體的已經(jīng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于P2P流媒體系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域較廣,因此要根據(jù)的具體領(lǐng)域進(jìn)行點(diǎn)播、直播、多播等,并且要與不同應(yīng)用的需求相結(jié)合,設(shè)計(jì)出合理的流媒體傳輸方案,對(duì)于用戶的實(shí)時(shí)性需求能夠得到最大限度的滿足。(2)節(jié)點(diǎn)選擇。在一個(gè)典型的P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來自各個(gè)不同自治域,節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)間自由地加入或離開覆蓋網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有很大的動(dòng)態(tài)性和不可控性。因此,如何在服務(wù)會(huì)話初始時(shí),確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可提供一定服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集合是P2P流媒體系統(tǒng)迫切需要解決的問題。(3)容錯(cuò)機(jī)制。由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性,正在提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)離開系統(tǒng),傳輸鏈路也可能因擁塞而失效。為了保證接受服務(wù)的連續(xù)性,必須采取一些容錯(cuò)機(jī)制使系統(tǒng)的服務(wù)能力不受影響或盡快恢復(fù)。(4)安全機(jī)制。在P2P如火如荼的應(yīng)用熱浪中,其安全問題應(yīng)該越來越引起我們的重視。在流媒體安全方面比較突出的是流媒體版權(quán)保護(hù)問題,因此,如何防止媒體內(nèi)容在P2P這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被惡意侵犯已經(jīng)是非常重要的。
4 P2P在流媒體中的應(yīng)用
經(jīng)過調(diào)研,目前國內(nèi)已經(jīng)有部分高校和研究部門都對(duì)P2P流媒體在學(xué)校中應(yīng)用展開了研究,并構(gòu)建一些面向不同目標(biāo)的系統(tǒng),如北京大學(xué)通用多播基礎(chǔ)設(shè)施GPMI,香港科技大學(xué)的流媒體直播CoolStreaming原型系統(tǒng),清華大學(xué)的Gridmedia網(wǎng)絡(luò)等等,并有一些網(wǎng)絡(luò)流媒體服務(wù)運(yùn)營公司推出了如PPLive,PPstream等P2P流媒體應(yīng)用。本文對(duì)P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析。一個(gè)完整的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。本系統(tǒng)為了節(jié)省成本,性能要求不需要特高,視頻服務(wù)器也不需要特別貴的,每個(gè)教師節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)就可以是多播樹的根節(jié)點(diǎn),在不同的地點(diǎn)、不同的時(shí)間教師端都可以創(chuàng)建課堂,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的課堂創(chuàng)建。而在學(xué)生端中,實(shí)現(xiàn)了同時(shí)看多個(gè)課堂,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)。遠(yuǎn)程教育平臺(tái)的用戶類型有校長、教師、學(xué)生、家長、家教五類,本文中的系統(tǒng)面向的是教師、學(xué)生和家長,該系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照用戶的隸屬關(guān)系組成虛擬學(xué)校,同一虛擬學(xué)校的用戶之間按照預(yù)定的類別形成教學(xué)關(guān)系,所有這些節(jié)點(diǎn)通過P2P連接服務(wù)器建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接后,就可以直接進(jìn)行實(shí)時(shí)音視頻通信和教學(xué),不需要通過服務(wù)器來進(jìn)行。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2。
4.1 系統(tǒng)模塊分析
本文中的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)只存在最基本的兩個(gè)模塊:監(jiān)聽器模塊和瀏覽器模塊。(1)監(jiān)聽器模塊。初始化登錄工作的完成就是監(jiān)聽器執(zhí)行的第一項(xiàng)工作,也就是完成前面節(jié)點(diǎn)能力自適應(yīng)的初始化,從而才能實(shí)現(xiàn)它本身以及它所服務(wù)的節(jié)點(diǎn)資源清單的共享。登錄之后就能對(duì)其他監(jiān)聽器傳給它的客戶請(qǐng)求進(jìn)行處理,只要有客戶連接,監(jiān)聽器救濟(jì)開始下載文件,在下載過程中,多個(gè)客戶的請(qǐng)求可以由一個(gè)監(jiān)聽器進(jìn)行處理。(2)瀏覽器模塊。瀏覽器充當(dāng)用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口。用戶通過瀏覽器發(fā)送它的請(qǐng)求并接收監(jiān)聽器的響應(yīng)。瀏覽器與監(jiān)聽器是不同的,它的運(yùn)行時(shí)是沒有人值守的。瀏覽器顯示登錄的監(jiān)聽器的清單并把所有的請(qǐng)求發(fā)送給監(jiān)聽器,對(duì)于這些請(qǐng)求用監(jiān)聽器自己來進(jìn)行處理。只要這些請(qǐng)求被監(jiān)聽器處理過,其結(jié)果就會(huì)通過瀏覽器顯示在用戶終端。監(jiān)聽器和瀏覽器保證他們各自任務(wù)順利運(yùn)行的情況下,二者還存在一定的聯(lián)系。
4.2 設(shè)計(jì)框架
在具體的設(shè)計(jì)中,互聯(lián)網(wǎng)與作為核心服務(wù)器的教學(xué)中心的視頻服務(wù)器相連,采用混合體系結(jié)構(gòu),并將學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)播的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為P2P中的對(duì)等節(jié)點(diǎn),從而使得整個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)播的并發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目能夠提高。在網(wǎng)絡(luò)抽象層中,保證P2P的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了解決對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的一些問題,例如,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的不確定性、延誤、分散性等問題,對(duì)建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的樹型算法進(jìn)行深入探討。在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中設(shè)計(jì)應(yīng)用層組播樹結(jié)構(gòu)和非樹型P2P結(jié)構(gòu),主要是為了區(qū)分P2P模式媒體服務(wù)系統(tǒng)中對(duì)節(jié)目和視頻質(zhì)量要求。對(duì)于視頻直播服務(wù)系統(tǒng)或視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中某熱門節(jié)目的服務(wù)策略的架構(gòu)前者可以滿足,而對(duì)于視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中請(qǐng)求率相對(duì)不高以及并發(fā)請(qǐng)求少的節(jié)目后者較合適。遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖3所示,可知,對(duì)于點(diǎn)播并發(fā)請(qǐng)求數(shù)較多的視頻應(yīng)用右邊的樹型結(jié)構(gòu)可以滿足,對(duì)于請(qǐng)求率較低以及并發(fā)請(qǐng)求少的點(diǎn)播需求左邊的非樹型結(jié)構(gòu)可以得到滿足。
4.3 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
在P2P流媒體的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的軟件都需要提供三個(gè)主要功能:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接、媒體播放控制和媒體播放,同時(shí)還需要參照OSI的七層體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置三層軟件體系結(jié)構(gòu)。(1)網(wǎng)絡(luò)抽象層。對(duì)P2P節(jié)點(diǎn)樹進(jìn)行建立和維護(hù),并且節(jié)點(diǎn)之間信息的交換也是通過網(wǎng)絡(luò)抽象層來進(jìn)行處理,采用HTTP協(xié)議,并在SOAP應(yīng)用中封裝對(duì)象的信息。(2)媒體控制層。對(duì)流數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受是此層的主要職責(zé),整個(gè)節(jié)點(diǎn)樹對(duì)于媒體控制層是透明的。建立并控制一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間同步的連續(xù)流媒體是通過RTSP協(xié)議完成的,并且流數(shù)據(jù)的傳輸采用RTP/TCP協(xié)議來進(jìn)行。(3)媒體播放層。此播放主要是通過對(duì)節(jié)點(diǎn)收到的流媒體數(shù)據(jù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)播放軟件來實(shí)現(xiàn)的。圖4為P2P節(jié)點(diǎn)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.4 多播樹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)面向的用戶是教育網(wǎng)用戶,因此不需要較大規(guī)模的節(jié)點(diǎn),從而在管理和維護(hù)時(shí)更加的方便,由此,P2P流媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多播樹結(jié)構(gòu),把節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu),樹的父節(jié)點(diǎn)給子節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。如果節(jié)點(diǎn)離根節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),則就會(huì)產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)延時(shí),因此,多播樹的深度應(yīng)該盡可能短也得到保證,但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先輸出貸款限制了節(jié)點(diǎn)的寬度,因此要在寬度和深度上達(dá)到一定的平衡。本系統(tǒng)的多播樹結(jié)構(gòu)圖如圖5。
5 結(jié)語
P2P流媒體的研究目前已經(jīng)達(dá)到了一定水平,P2P流媒體的應(yīng)用范圍也較廣,P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中的應(yīng)用,有效地解決了我國教育資源分布不平衡的狀況,實(shí)現(xiàn)了視頻資源的高共享性,實(shí)現(xiàn)了不同地域教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的面對(duì)面交流,總而言之,為教育事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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P2P流媒體具有很好的應(yīng)用前景,它已經(jīng)被認(rèn)為是有效的流媒體分發(fā),由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)存在不穩(wěn)定性,其必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):(1)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。P2P方式的文件傳輸和下載是一個(gè)有效快速的傳輸流媒體文件,并且近些年,P2P流媒體的已經(jīng)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于P2P流媒體系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域較廣,因此要根據(jù)的具體領(lǐng)域進(jìn)行點(diǎn)播、直播、多播等,并且要與不同應(yīng)用的需求相結(jié)合,設(shè)計(jì)出合理的流媒體傳輸方案,對(duì)于用戶的實(shí)時(shí)性需求能夠得到最大限度的滿足。(2)節(jié)點(diǎn)選擇。在一個(gè)典型的P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來自各個(gè)不同自治域,節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)間自由地加入或離開覆蓋網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有很大的動(dòng)態(tài)性和不可控性。因此,如何在服務(wù)會(huì)話初始時(shí),確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可提供一定服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集合是P2P流媒體系統(tǒng)迫切需要解決的問題。(3)容錯(cuò)機(jī)制。由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性,正在提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)離開系統(tǒng),傳輸鏈路也可能因擁塞而失效。為了保證接受服務(wù)的連續(xù)性,必須采取一些容錯(cuò)機(jī)制使系統(tǒng)的服務(wù)能力不受影響或盡快恢復(fù)。(4)安全機(jī)制。在P2P如火如荼的應(yīng)用熱浪中,其安全問題應(yīng)該越來越引起我們的重視。在流媒體安全方面比較突出的是流媒體版權(quán)保護(hù)問題,因此,如何防止媒體內(nèi)容在P2P這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被惡意侵犯已經(jīng)是非常重要的。
4 P2P在流媒體中的應(yīng)用
經(jīng)過調(diào)研,目前國內(nèi)已經(jīng)有部分高校和研究部門都對(duì)P2P流媒體在學(xué)校中應(yīng)用展開了研究,并構(gòu)建一些面向不同目標(biāo)的系統(tǒng),如北京大學(xué)通用多播基礎(chǔ)設(shè)施GPMI,香港科技大學(xué)的流媒體直播CoolStreaming原型系統(tǒng),清華大學(xué)的Gridmedia網(wǎng)絡(luò)等等,并有一些網(wǎng)絡(luò)流媒體服務(wù)運(yùn)營公司推出了如PPLive,PPstream等P2P流媒體應(yīng)用。本文對(duì)P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行分析。一個(gè)完整的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。本系統(tǒng)為了節(jié)省成本,性能要求不需要特高,視頻服務(wù)器也不需要特別貴的,每個(gè)教師節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)就可以是多播樹的根節(jié)點(diǎn),在不同的地點(diǎn)、不同的時(shí)間教師端都可以創(chuàng)建課堂,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的課堂創(chuàng)建。而在學(xué)生端中,實(shí)現(xiàn)了同時(shí)看多個(gè)課堂,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)。遠(yuǎn)程教育平臺(tái)的用戶類型有校長、教師、學(xué)生、家長、家教五類,本文中的系統(tǒng)面向的是教師、學(xué)生和家長,該系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照用戶的隸屬關(guān)系組成虛擬學(xué)校,同一虛擬學(xué)校的用戶之間按照預(yù)定的類別形成教學(xué)關(guān)系,所有這些節(jié)點(diǎn)通過P2P連接服務(wù)器建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接后,就可以直接進(jìn)行實(shí)時(shí)音視頻通信和教學(xué),不需要通過服務(wù)器來進(jìn)行。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2。
4.1 系統(tǒng)模塊分析
本文中的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)只存在最基本的兩個(gè)模塊:監(jiān)聽器模塊和瀏覽器模塊。(1)監(jiān)聽器模塊。初始化登錄工作的完成就是監(jiān)聽器執(zhí)行的第一項(xiàng)工作,也就是完成前面節(jié)點(diǎn)能力自適應(yīng)的初始化,從而才能實(shí)現(xiàn)它本身以及它所服務(wù)的節(jié)點(diǎn)資源清單的共享。登錄之后就能對(duì)其他監(jiān)聽器傳給它的客戶請(qǐng)求進(jìn)行處理,只要有客戶連接,監(jiān)聽器救濟(jì)開始下載文件,在下載過程中,多個(gè)客戶的請(qǐng)求可以由一個(gè)監(jiān)聽器進(jìn)行處理。(2)瀏覽器模塊。瀏覽器充當(dāng)用戶和計(jì)算機(jī)之間的接口。用戶通過瀏覽器發(fā)送它的請(qǐng)求并接收監(jiān)聽器的響應(yīng)。瀏覽器與監(jiān)聽器是不同的,它的運(yùn)行時(shí)是沒有人值守的。瀏覽器顯示登錄的監(jiān)聽器的清單并把所有的請(qǐng)求發(fā)送給監(jiān)聽器,對(duì)于這些請(qǐng)求用監(jiān)聽器自己來進(jìn)行處理。只要這些請(qǐng)求被監(jiān)聽器處理過,其結(jié)果就會(huì)通過瀏覽器顯示在用戶終端。監(jiān)聽器和瀏覽器保證他們各自任務(wù)順利運(yùn)行的情況下,二者還存在一定的聯(lián)系。
4.2 設(shè)計(jì)框架
在具體的設(shè)計(jì)中,互聯(lián)網(wǎng)與作為核心服務(wù)器的教學(xué)中心的視頻服務(wù)器相連,采用混合體系結(jié)構(gòu),并將學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)播的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為P2P中的對(duì)等節(jié)點(diǎn),從而使得整個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)播的并發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)目能夠提高。在網(wǎng)絡(luò)抽象層中,保證P2P的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了解決對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的一些問題,例如,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的不確定性、延誤、分散性等問題,對(duì)建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的樹型算法進(jìn)行深入探討。在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中設(shè)計(jì)應(yīng)用層組播樹結(jié)構(gòu)和非樹型P2P結(jié)構(gòu),主要是為了區(qū)分P2P模式媒體服務(wù)系統(tǒng)中對(duì)節(jié)目和視頻質(zhì)量要求。對(duì)于視頻直播服務(wù)系統(tǒng)或視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中某熱門節(jié)目的服務(wù)策略的架構(gòu)前者可以滿足,而對(duì)于視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中請(qǐng)求率相對(duì)不高以及并發(fā)請(qǐng)求少的節(jié)目后者較合適。遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖3所示,可知,對(duì)于點(diǎn)播并發(fā)請(qǐng)求數(shù)較多的視頻應(yīng)用右邊的樹型結(jié)構(gòu)可以滿足,對(duì)于請(qǐng)求率較低以及并發(fā)請(qǐng)求少的點(diǎn)播需求左邊的非樹型結(jié)構(gòu)可以得到滿足。
4.3 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
在P2P流媒體的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的軟件都需要提供三個(gè)主要功能:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接、媒體播放控制和媒體播放,同時(shí)還需要參照OSI的七層體系結(jié)構(gòu)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置三層軟件體系結(jié)構(gòu)。(1)網(wǎng)絡(luò)抽象層。對(duì)P2P節(jié)點(diǎn)樹進(jìn)行建立和維護(hù),并且節(jié)點(diǎn)之間信息的交換也是通過網(wǎng)絡(luò)抽象層來進(jìn)行處理,采用HTTP協(xié)議,并在SOAP應(yīng)用中封裝對(duì)象的信息。(2)媒體控制層。對(duì)流數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受是此層的主要職責(zé),整個(gè)節(jié)點(diǎn)樹對(duì)于媒體控制層是透明的。建立并控制一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間同步的連續(xù)流媒體是通過RTSP協(xié)議完成的,并且流數(shù)據(jù)的傳輸采用RTP/TCP協(xié)議來進(jìn)行。(3)媒體播放層。此播放主要是通過對(duì)節(jié)點(diǎn)收到的流媒體數(shù)據(jù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)播放軟件來實(shí)現(xiàn)的。圖4為P2P節(jié)點(diǎn)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.4 多播樹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)面向的用戶是教育網(wǎng)用戶,因此不需要較大規(guī)模的節(jié)點(diǎn),從而在管理和維護(hù)時(shí)更加的方便,由此,P2P流媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多播樹結(jié)構(gòu),把節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu),樹的父節(jié)點(diǎn)給子節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。如果節(jié)點(diǎn)離根節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),則就會(huì)產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)延時(shí),因此,多播樹的深度應(yīng)該盡可能短也得到保證,但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先輸出貸款限制了節(jié)點(diǎn)的寬度,因此要在寬度和深度上達(dá)到一定的平衡。本系統(tǒng)的多播樹結(jié)構(gòu)圖如圖5。
5 結(jié)語
P2P流媒體的研究目前已經(jīng)達(dá)到了一定水平,P2P流媒體的應(yīng)用范圍也較廣,P2P流媒體在遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中的應(yīng)用,有效地解決了我國教育資源分布不平衡的狀況,實(shí)現(xiàn)了視頻資源的高共享性,實(shí)現(xiàn)了不同地域教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的面對(duì)面交流,總而言之,為教育事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。
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