基于SIP的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、基于SIP的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究         【摘   要】遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相比有諸多優(yōu)勢(shì)，目前已成為多媒體通信在教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)。文章首先介紹和分析IP網(wǎng)絡(luò)上多媒體通信最為流行的SIP協(xié)議，然后，依據(jù)SIP多媒體通信系統(tǒng)常用結(jié)構(gòu)中的緊耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用SIP協(xié)議棧技術(shù)，提出了一種基于SIP的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決方案，并對(duì)其工作特點(diǎn)和流程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)；H.323；

2、SIP         一、引言遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)是一種全新的教學(xué)方式，相比傳統(tǒng)教學(xué)，它充分合理地利用網(wǎng)絡(luò)、媒體等介質(zhì)，使得教學(xué)活動(dòng)的開展不受時(shí)間空間的*，優(yōu)化了教學(xué)資源配置，提高了教學(xué)效率。遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)的上述特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)使得它成為多媒體通信在教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，目前的發(fā)展方向是基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)。由于多媒體信息具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性、同步性和突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，多媒體通信系統(tǒng)具有集成性*互性和同步性的特點(diǎn)，因此對(duì)多媒體通信的硬件和軟件系統(tǒng)提出了很高的要求。二、SIP協(xié)議及其特點(diǎn)SIP(Session&#

3、160;Initialization Protocol，會(huì)話發(fā)起協(xié)議)是一個(gè)由IETF MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control)工作組提出，面向Internet會(huì)議和電話的簡(jiǎn)單應(yīng)用層信令協(xié)議，用于建立、調(diào)整和終止多媒體會(huì)話。相比多媒體通信的另外一種流行協(xié)議H.323，SIP協(xié)議有如下5個(gè)特點(diǎn)：第一，與H.323采用二進(jìn)制方法表示消息不同，SIP消息基于文本，采用UTF-8字符集編碼，具有詞法和語(yǔ)法簡(jiǎn)單、可讀性好的優(yōu)點(diǎn)。第二，H.323中的呼叫建立和媒體邏輯信道建立的過(guò)程是分離的，呼叫

4、建立時(shí)延較長(zhǎng)。SIP系統(tǒng)的呼叫控制信令由SIP傳送，由會(huì)話描述協(xié)議SDP完成媒體能力交換和RTP地址信息獲取的任務(wù)。SDP消息作為SIP的消息體來(lái)發(fā)送，會(huì)話控制和媒體能力交換同時(shí)進(jìn)行，會(huì)話建立的時(shí)延較短。第三，H.323網(wǎng)絡(luò)中各元素均為對(duì)等實(shí)體，實(shí)體間傳送的是對(duì)等控制信令消息，而SIP網(wǎng)絡(luò)則采用IP網(wǎng)絡(luò)常用的C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)。第四，定位用戶、支持用戶移動(dòng)性。SIP利用注冊(cè)服務(wù)器將用戶的實(shí)際物理位置與用戶的SIP地址相綁定，便于在定位用戶時(shí)實(shí)現(xiàn)地址映射功能；利用重定向服務(wù)器將目標(biāo)用戶地址信息返回給代理服務(wù)器。第五，協(xié)議簡(jiǎn)單，有良好的擴(kuò)展性。SIP是在諸如SMTP、HTTP的基礎(chǔ)上建立

5、起來(lái)的，借鑒了其它Internet標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的設(shè)計(jì)思想。由于SIP與HTTP非常相似，許多解析HTTP協(xié)議的程序只要經(jīng)過(guò)少許修改就可以用到SIP中。      SIP消息分為SIP請(qǐng)求消息和SIP應(yīng)答消息兩大類。所有的SIP消息都是由一個(gè)起始行、一個(gè)或多個(gè)標(biāo)題頭、一個(gè)表示標(biāo)題頭結(jié)束的空行和可選的消息體組成。SIP核心規(guī)范定義了6種基本請(qǐng)求方法：INVITE(邀請(qǐng))、ACK(確認(rèn))、OPTIONS(可選項(xiàng))、BYE(再見)、CANCEL(取消)和REGISTER(注冊(cè))。其中，REGISTER方法用于向服務(wù)器注冊(cè)用戶位置信息；INVIT

6、E、ACK和CANCEL用于會(huì)話的建立；BYE用于結(jié)束會(huì)話；OPTIONS用于向服務(wù)器咨詢服務(wù)器的性能。SIP核心規(guī)范定義了如下幾種實(shí)體：用戶代理(User Agent)：用戶的系統(tǒng)接口，負(fù)責(zé)與終端用戶進(jìn)行交互?？煞譃橛脩舸砜蛻舳?UAC，User Agent Client)和用戶代理服務(wù)器(UAS，User Agent Server)。代理服務(wù)器(Proxy Server)：用于轉(zhuǎn)發(fā)SIP消息，代表UAC發(fā)起請(qǐng)求，并向UAC返回響應(yīng)，既充當(dāng)客戶機(jī)又充當(dāng)服務(wù)器。可分為無(wú)狀態(tài)代理服務(wù)器和保留狀態(tài)代理服務(wù)器兩類。重定向服務(wù)器(Redir

7、ect Server)：重定向服務(wù)器通過(guò)提供可能的位置來(lái)幫助定位目標(biāo)SIP用戶代理。它不發(fā)出任何定位目標(biāo)代理的行為，而僅僅返回目標(biāo)代理可能的出現(xiàn)位置信息。注冊(cè)服務(wù)器(Register Server)：注冊(cè)服務(wù)器存儲(chǔ)用戶的位置信息，負(fù)責(zé)將用戶的SIP地址與用戶當(dāng)前所在的物理地址進(jìn)行綁定，這樣就能夠向代理服務(wù)器提供用戶的位置信息，協(xié)助代理服務(wù)器在轉(zhuǎn)發(fā)SIP請(qǐng)求消息時(shí)能夠迅速定位用戶。三、SIP遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）基本概念和術(shù)語(yǔ)課堂實(shí)例：一個(gè)由唯一資源標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)，由一組SIP用戶代理、媒體流和通信網(wǎng)絡(luò)組成的多媒體會(huì)話，參與成員有教師和學(xué)生；課堂系統(tǒng)：由一個(gè)或多個(gè)課堂實(shí)例

8、組成；FOCUS：中心SIP用戶代理，是一個(gè)課堂實(shí)例的管理者；課堂策略：課堂運(yùn)作和進(jìn)行的規(guī)則總稱，包括成員策略和媒體策略；成員策略：管理課堂成員的規(guī)則總稱，包括身份鑒別、角色控制及權(quán)限控制；媒體策略：處理媒體流的規(guī)則總稱；課堂狀態(tài)：包括管理各個(gè)課堂實(shí)例的FOCUS的狀態(tài)和課堂策略的狀態(tài)；課堂URI：課堂實(shí)例的唯一標(biāo)識(shí)符。（二）總體結(jié)構(gòu)依據(jù)DYNAMICSOFT公司首席科學(xué)家Jonathan Rosenberg博士提出的緊耦合SIP多媒體會(huì)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，我們?cè)O(shè)計(jì)并提出教學(xué)系統(tǒng)的以下結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)為集中服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，一個(gè)中心服務(wù)器對(duì)應(yīng)一個(gè)課堂實(shí)例。從邏輯上劃分，中心服務(wù)器分為管理服務(wù)器和

9、控制服務(wù)器。在物理實(shí)現(xiàn)上，采用管理服務(wù)器和控制服務(wù)器分離、一臺(tái)管理服務(wù)器配合多臺(tái)控制服務(wù)器的方式。因此，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)為星型結(jié)構(gòu)。從功能上看，系統(tǒng)分管理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理課堂狀態(tài)信息數(shù)據(jù)、課堂策略信息數(shù)據(jù)和用戶信息數(shù)據(jù)；課堂控制系統(tǒng)要負(fù)責(zé)與一個(gè)或多個(gè)終端進(jìn)行SIP消息流和媒體信息流的交換，并對(duì)其進(jìn)行控制，以保證課堂實(shí)例的正常運(yùn)行。除管理服務(wù)器和控制服務(wù)器外，系統(tǒng)還包含SIP服務(wù)器和終端。終端是師生參與課堂并獲取課堂功能服務(wù)的接口，SIP服務(wù)器協(xié)助控制服務(wù)器完成與參與課堂的師生之間的SIP會(huì)話的建立和維護(hù)。SIP服務(wù)器可分為注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器和重定向服務(wù)器，它們

10、分別完成用戶地址注冊(cè)、SIP消息的路由和轉(zhuǎn)發(fā)、返回目標(biāo)SIP用戶代理地址信息的任務(wù)。終端與控制服務(wù)器除了通過(guò)SIP服務(wù)器交換SIP消息外，還直接通過(guò)建立RTP會(huì)話交換實(shí)時(shí)媒體流消息；終端與管理服務(wù)器之間、控制服務(wù)器與管理服務(wù)器之間則采用課堂信令和自定義接*換消息。  （三）各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1管理子系統(tǒng)管理服務(wù)器是管理子系統(tǒng)的主體，它管理一個(gè)或多個(gè)控制服務(wù)器并與之交互，協(xié)助完成課堂基本功能；與一個(gè)或多個(gè)終端交互，提供接口供終端用戶以不同的權(quán)限操縱控制課堂功能、查詢課堂各種信息；存儲(chǔ)管理課堂策略信息數(shù)據(jù)、課堂狀態(tài)信息數(shù)據(jù)和用戶信息數(shù)據(jù)。管理服務(wù)器根據(jù)自身存儲(chǔ)的最新課堂策略信息，生

11、成課堂配置和控制命令并傳送給控制服務(wù)器；控制服務(wù)器則是命令的具體執(zhí)行者?？刂品?wù)器利用FOCUS的課堂狀態(tài)通知服務(wù)功能獲取最新的課堂狀態(tài)信息，上傳給管理服務(wù)器。兩者合作完成課堂的基本功能。另外，管理服務(wù)器提供接口，設(shè)置不同的權(quán)限供終端操縱和修改課堂策略。由于用戶普遍習(xí)慣使用Web瀏覽器，因此，本文加入一個(gè)中間層-Web服務(wù)器，作為管理服務(wù)器與終端交互的中介和紐帶。管理服務(wù)器與Web服務(wù)器的交互也采用簡(jiǎn)單的自定義接口規(guī)范，利用請(qǐng)求/應(yīng)答模式完成。同時(shí)，管理服務(wù)器向用戶提供課堂信息的查詢功能服務(wù)，使用戶能夠了解最新的課堂策略信息和最新的課堂狀態(tài)信息?？紤]到存取數(shù)據(jù)的效率問(wèn)題，并為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性

12、，管理服務(wù)器上課堂信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用XML技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。課堂信息數(shù)據(jù)包括當(dāng)前運(yùn)行的課堂實(shí)例數(shù)目、每個(gè)課堂實(shí)例的URI、中心控制服務(wù)器的IP、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、課程名稱、教師URI、教師使用的媒體類型信息、學(xué)生數(shù)目以及每個(gè)學(xué)生使用的媒體類型信息等。2控制子系統(tǒng)該子系統(tǒng)是系統(tǒng)的重點(diǎn)和核心部分，控制服務(wù)器與管理服務(wù)器交互，獲取最新的課堂配置和控制命令，并執(zhí)行命令；與各終端交互，進(jìn)行SIP消息和媒體流信息的交換，并對(duì)其進(jìn)行控制；獲取最新的課堂狀態(tài)信息，上傳給管理服務(wù)器。在邏輯結(jié)構(gòu)上，控制服務(wù)器包括FOCUS、SIP協(xié)議棧、媒體處理器、傳輸層及底層通信網(wǎng)絡(luò)。其中，F(xiàn)OCUS是一個(gè)課堂實(shí)例的中心SIP用戶

13、代理，其作用是：通過(guò)代理服務(wù)器、重定向服務(wù)器和注冊(cè)服務(wù)器與終端用戶代理保持信令連接，維護(hù)管理SIP會(huì)話；將接收到的媒體配置和控制命令傳送給媒體處理器，由媒體處理器集中處理來(lái)自各個(gè)終端的媒體流，進(jìn)行混合和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)媒體信息的控制和交換；利用自身的課堂狀態(tài)通知服務(wù)功能從終端獲取最新課堂狀態(tài)信息，上傳給管理服務(wù)器。四、系統(tǒng)工作流程整個(gè)系統(tǒng)的工作步驟分以下幾步：教師預(yù)約新課堂實(shí)例、創(chuàng)建課堂實(shí)例、成員加入課堂、課堂實(shí)例運(yùn)行、課堂實(shí)例結(jié)束、成員退出課堂和銷毀課堂實(shí)例。系統(tǒng)管理員啟動(dòng)系統(tǒng)后，教師首先向SIP注冊(cè)服務(wù)器注冊(cè)自己的當(dāng)前位置，注冊(cè)成功后，根據(jù)本人的教學(xué)課程安排向管理子系統(tǒng)提出新課堂預(yù)約申請(qǐng)。管理子

14、系統(tǒng)根據(jù)成員策略對(duì)教師身份的合法性進(jìn)行鑒定，身份驗(yàn)證通過(guò)后，向教師返回包含申請(qǐng)成功ID號(hào)、新課堂實(shí)例開始和結(jié)束時(shí)間信息的成功消息。當(dāng)預(yù)約課堂的開始時(shí)間到了后，教師即可利用申請(qǐng)成功ID號(hào)向管理子系統(tǒng)申請(qǐng)創(chuàng)建課堂實(shí)例，管理服務(wù)器創(chuàng)建新的課堂實(shí)例(即生成一個(gè)課堂URI)，分配一臺(tái)新的控制服務(wù)器，并指示控制服務(wù)器上的FOCUS向申請(qǐng)教師發(fā)送SIP的INVITE消息，邀請(qǐng)教師加入課堂。教師回送ACK消息后即加入課堂實(shí)例，此時(shí)的課堂實(shí)例狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)，但還沒有學(xué)生加入。學(xué)生在使用系統(tǒng)前，也要首先向SIP注冊(cè)服務(wù)器注冊(cè)自己的當(dāng)前位置。注冊(cè)成功后，學(xué)生加入課堂實(shí)例有兩種方法：一是主動(dòng)加入，即通過(guò)Web瀏覽器查

15、詢課堂信息，找到自己要加入的課堂并且當(dāng)該課堂實(shí)例已經(jīng)運(yùn)行后，向該課堂實(shí)例URI(也就是FOCUS URI)發(fā)送INVITE消息申請(qǐng)加入。FOCUS根據(jù)成員策略鑒定學(xué)生身份后，向?qū)W生返回允許或拒絕的應(yīng)答。二是被動(dòng)加入，即FOCUS向所有符合成員策略要求的學(xué)生多播發(fā)送邀請(qǐng)的SIP消息，收到邀請(qǐng)的學(xué)生對(duì)其作出應(yīng)答后即可建立連接并加入。課堂實(shí)例運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)過(guò)教師批準(zhǔn)后，學(xué)生可以重新設(shè)置自己的媒體參數(shù)并且可以提前離開課堂實(shí)例。學(xué)生向FOCUS發(fā)送Re-INVITE(重新邀請(qǐng))方法的SIP消息(消息體中包含調(diào)整后的媒體描述信息)，即可改變自己使用的（下轉(zhuǎn)第66頁(yè)）（上接第60頁(yè)）媒體參數(shù)。學(xué)生

16、向FOCUS發(fā)送帶有BYE方法的SIP消息就可離開課堂實(shí)例。教師也可以設(shè)置自己授課使用的媒體參數(shù)，同樣只需向FOCUS發(fā)送Re-INVITE(重新邀請(qǐng))方法的SIP消息即可。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有不合格的學(xué)生后，只需向其發(fā)送帶有BYE方法的SIP消息就可將其逐出課堂。與加入課堂相似，課堂結(jié)束時(shí)學(xué)生退出課堂的方法也有兩種：一是主動(dòng)退出。教師宣布下課后，成員終端可分別向FOCUS發(fā)送帶有BYE方法的SIP消息并退出課堂。二是管理服務(wù)器根據(jù)課堂實(shí)例的結(jié)束時(shí)間指示FOCUS向所有課堂成員終端發(fā)送帶有BYE方法的SIP消息，終端作出應(yīng)答，斷開與FOCUS的連接，退出課堂。FOCUS利用課堂狀態(tài)通知服務(wù)的功能及時(shí)把正在結(jié)束的課堂實(shí)例中還未退出課堂的人數(shù)信息傳送給管理服務(wù)器。當(dāng)未退出課堂人數(shù)變?yōu)榱銜r(shí)，管理服務(wù)器銷毀該課堂實(shí)例，釋放該課堂實(shí)例占用的所有資源。五、總結(jié)本系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：第一，系統(tǒng)采用集中服務(wù)器方式的體系結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單清晰、便于管理等優(yōu)點(diǎn)。第二，集中服務(wù)器在物理實(shí)現(xiàn)上又采用控制服務(wù)器和管理服務(wù)器相分離的方式，整個(gè)系統(tǒng)中由一臺(tái)主服務(wù)器-管理服務(wù)器和多臺(tái)控制服務(wù)器組成，控制服務(wù)器集中進(jìn)行SIP會(huì)話管理和媒體流的處理，這有利于減輕系統(tǒng)負(fù)荷，達(dá)到平衡