基于SIP的远程多媒体教学系统的设计与研究

【摘 要】远程多媒体教学与传统教学相比有诸多优势，目前已成为多媒体通信在教育领域研究的热点。远程多媒体教学的发展趋势是基于ip网络的远程多媒体教学。文章首先介绍和分析ip网络上多媒体通信最为流行的sip协议，然后，依据sip多媒体通信系统常用结构中的紧耦合系统结构，利用sip协议栈技术，提出了一种基于sip的多媒体教学系统的设计解决方案，并对其工作特点和流程进行了详细的分析。

　　【关键词】远程多媒体教学；h.323；sip

一、引言
　　远程多媒体教学是一种全新的教学方式，相比传统教学，它充分合理地利用网络、媒体等介质，使得教学活动的开展不受时间空间的限制，优化了教学资源配置，提高了教学效率。
　　远程多媒体教学的上述特点和优势使得它成为多媒体通信在教育领域研究的热点，目前的发展方向是基于ip网络的远程多媒体教学。由于多媒体信息具有数据量大、实时性、同步性和突发性强的特点，多媒体通信系统具有集成性、交互性和同步性的特点，因此对多媒体通信的硬件和软件系统提出了很高的要求。
　　二、sip协议及其特点
　　sip(session initialization protocol，会话发起协议)是一个由ietf mmusic (multiparty multimedia session control)工作组提出，面向internet会议和电话的简单应用层信令协议，用于建立、调整和终止多媒体会话。
　　相比多媒体通信的另外一种流行协议h.323，sip协议有如下5个特点：
　　第一，与h.323采用二进制方法表示消息不同，sip消息基于文本，采用utf-8字符集编码，具有词法和语法简单、可读性好的优点。
　　第二，h.323中的呼叫建立和媒体逻辑信道建立的过程是分离的，呼叫建立时延较长。sip系统的呼叫控制信令由sip传送，由会话描述协议sdp完成媒体能力交换和rtp地址信息获取的任务。sdp消息作为sip的消息体来发送，会话控制和媒体能力交换同时进行，会话建立的时延较短。
　　第三，h.323网络中各元素均为对等实体，实体间传送的是对等控制信令消息，而sip网络则采用ip网络常用的c/s(客户机/服务器)结构。
　　第四，定位用户、支持用户移动性。sip利用注册服务器将用户的实际物理位置与用户的sip地址相绑定，便于在定位用户时实现地址映射功能；利用重定向服务器将目标用户地址信息返回给代理服务器。
　　第五，协议简单，有良好的扩展性。sip是在诸如smtp、http的基础上建立起来的，借鉴了其它internet标准和协议的设计思想。由于sip与http非常相似，许多解析http协议的程序只要经过少许修改就可以用到sip中。
sip消息分为sip请求消息和sip应答消息两大类。所有的sip消息都是由一个起始行、一个或多个标题头、一个表示标题头结束的空行和可选的消息体组成。
　　sip核心规范定义了6种基本请求方法：invite(邀请)、ack(确认)、options(可选项)、bye(再见)、cancel(取消)和register(注册)。其中，register方法用于向服务器注册用户位置信息；invite、ack和cancel用于会话的建立；bye用于结束会话；options用于向服务器咨询服务器的性能。
　　sip核心规范定义了如下几种实体：
　　用户代理(user agent)：用户的系统接口，负责与终端用户进行交互。可分为用户代理客户端(uac，user agent client)和用户代理服务器(uas，user agent server)。
　　代理服务器(proxy server)：用于转发sip消息，代表uac发起请求，并向uac返回响应，既充当客户机又充当服务器。可分为无状态代理服务器和保留状态代理服务器两类。
　　重定向服务器(redirect server)：重定向服务器通过提供可能的位置来帮助定位目标sip用户代理。它不发出任何定位目标代理的行为，而仅仅返回目标代理可能的出现位置信息。
　　注册服务器(register server)：注册服务器存储用户的位置信息，负责将用户的sip地址与用户当前所在的物理地址进行绑定，这样就能够向代理服务器提供用户的位置信息，协助代理服务器在转发sip请求消息时能够迅速定位用户。
　　三、sip远程多媒体教学系统的设计
　　（一）基本概念和术语
　　课堂实例：一个由唯一资源标识符标识，由一组sip用户代理、媒体流和通信网络组成的多媒体会话，参与成员有教师和学生；
　　课堂系统：由一个或多个课堂实例组成；
　　focus：中心sip用户代理，是一个课堂实例的管理者；
　　课堂策略：课堂运作和进行的规则总称，包括成员策略和媒体策略；
　　成员策略：管理课堂成员的规则总称，包括身份鉴别、角色控制及权限控制；
　　媒体策略：处理媒体流的规则总称；
　　课堂状态：包括管理各个课堂实例的focus的状态和课堂策略的状态；
　　课堂uri：课堂实例的唯一标识符。
　　（二）总体结构
　　依据dynamicsoft公司首席科学家jonathan rosenberg博士提出的紧耦合sip多媒体会议系统结构模型，我们设计并提出教学系统的以下结构。
　　系统为集中服务器体系结构，一个中心服务器对应一个课堂实例。从逻辑上划分，中心服务器分为管理服务器和控制服务器。在物理实现上，采用管理服务器和控制服务器分离、一台管理服务器配合多台控制服务器的方式。因此，从拓扑结构上看，系统为星型结构。
　　从功能上看，系统分管理子系统和控制子系统。管理子系统负责存储管理课堂状态信息数据、课堂策略信息数据和用户信息数据；课堂控制系统要负责与一个或多个终端进行sip消息流和媒体信息流的交换，并对其进行控制，以保证课堂实例的正常运行。
　　除管理服务器和控制服务器外，系统还包含sip服务器和终端。终端是师生参与课堂并获取课堂功能服务的接口，sip服务器协助控制服务器完成与参与课堂的师生之间的sip会话的建立和维护。
　　sip服务器可分为注册服务器、代理服务器和重定向服务器，它们分别完成用户地址注册、sip消息的路由和转发、返回目标sip用户代理地址信息的任务。
　　终端与控制服务器除了通过sip服务器交换sip消息外，还直接通过建立rtp会话交换实时媒体流消息；终端与管理服务器之间、控制服务器与管理服务器之间则采用课堂信令和自定义接口交换消息。
（三）各子系统的设计
　　1．管理子系统
　　管理服务器是管理子系统的主体，它管理一个或多个控制服务器并与之交互，协助完成课堂基本功能；与一个或多个终端交互，提供接口供终端用户以不同的权限操纵控制课堂功能、查询课堂各种信息；存储管理课堂策略信息数据、课堂状态信息数据和用户信息数据。

　　管理服务器根据自身存储的最新课堂策略信息，生成课堂配置和控制命令并传送给控制服务器；控制服务器则是命令的具体执行者。控制服务器利用focus的课堂状态通知服务功能获取最新的课堂状态信息，上传给管理服务器。两者合作完成课堂的基本功能。另外，管理服务器提供接口，设置不同的权限供终端操纵和修改课堂策略。
　　由于用户普遍习惯使用web浏览器，因此，本文加入一个中间层-web服务器，作为管理服务器与终端交互的中介和纽带。管理服务器与web服务器的交互也采用简单的自定义接口规范，利用请求/应答模式完成。同时，管理服务器向用户提供课堂信息的查询功能服务，使用户能够了解最新的课堂策略信息和最新的课堂状态信息。
　　考虑到存取数据的效率问题，并为了降低系统的复杂性，管理服务器上课堂信息数据的存储采用xml技术来实现。课堂信息数据包括当前运行的课堂实例数目、每个课堂实例的uri、中心控制服务器的ip、开始时间、结束时间、课程名称、教师uri、教师使用的媒体类型信息、学生数目以及每个学生使用的媒体类型信息等。
　　2．控制子系统
　　该子系统是系统的重点和核心部分，控制服务器与管理服务器交互，获取最新的课堂配置和控制命令，并执行命令；与各终端交互，进行sip消息和媒体流信息的交换，并对其进行控制；获取最新的课堂状态信息，上传给管理服务器。
　　在逻辑结构上，控制服务器包括focus、sip协议栈、媒体处理器、传输层及底层通信网络。其中，focus是一个课堂实例的中心sip用户代理，其作用是：通过代理服务器、重定向服务器和注册服务器与终端用户代理保持信令连接，维护管理sip会话；将接收到的媒体配置和控制命令传送给媒体处理器，由媒体处理器集中处理来自各个终端的媒体流，进行混合和转发，实现媒体信息的控制和交换；利用自身的课堂状态通知服务功能从终端获取最新课堂状态信息，上传给管理服务器。
　　四、系统工作流程
　　整个系统的工作步骤分以下几步：教师预约新课堂实例、创建课堂实例、成员加入课堂、课堂实例运行、课堂实例结束、成员退出课堂和销毁课堂实例。
　　系统管理员启动系统后，教师首先向sip注册服务器注册自己的当前位置，注册成功后，根据本人的教学课程安排向管理子系统提出新课堂预约申请。管理子系统根据成员策略对教师身份的合法性进行鉴定，身份验证通过后，向教师返回包含申请成功id号、新课堂实例开始和结束时间信息的成功消息。当预约课堂的开始时间到了后，教师即可利用申请成功id号向管理子系统申请创建课堂实例，管理服务器创建新的课堂实例(即生成一个课堂uri)，分配一台新的控制服务器，并指示控制服务器上的focus向申请教师发送sip的invite消息，邀请教师加入课堂。教师回送ack消息后即加入课堂实例，此时的课堂实例状态为运行状态，但还没有学生加入。
　　学生在使用系统前，也要首先向sip注册服务器注册自己的当前位置。注册成功后，学生加入课堂实例有两种方法：一是主动加入，即通过web浏览器查询课堂信息，找到自己要加入的课堂并且当该课堂实例已经运行后，向该课堂实例uri(也就是focus uri)发送invite消息申请加入。focus根据成员策略鉴定学生身份后，向学生返回允许或拒绝的应答。二是被动加入，即focus向所有符合成员策略要求的学生多播发送邀请的sip消息，收到邀请的学生对其作出应答后即可建立连接并加入。
　　课堂实例运行过程中，经过教师批准后，学生可以重新设置自己的媒体参数并且可以提前离开课堂实例。学生向focus发送re-invite(重新邀请)方法的sip消息(消息体中包含调整后的媒体描述信息)，即可改变自己使用的（下转第66页）（上接第60页）媒体参数。学生向focus发送带有bye方法的sip消息就可离开课堂实例。
　　教师也可以设置自己授课使用的媒体参数，同样只需向focus发送re-invite(重新邀请)方法的sip消息即可。当发现有不合格的学生后，只需向其发送带有bye方法的sip消息就可将其逐出课堂。
　　与加入课堂相似，课堂结束时学生退出课堂的方法也有两种：一是主动退出。教师宣布下课后，成员终端可分别向focus发送带有bye方法的sip消息并退出课堂。二是管理服务器根据课堂实例的结束时间指示focus向所有课堂成员终端发送带有bye方法的sip消息，终端作出应答，断开与focus的连接，退出课堂。
　　focus利用课堂状态通知服务的功能及时把正在结束的课堂实例中还未退出课堂的人数信息传送给管理服务器。当未退出课堂人数变为零时，管理服务器销毁该课堂实例，释放该课堂实例占用的所有资源。
　　五、总结
　　本系统有如下特点：
　　第一，系统采用集中服务器方式的体系结构，具有简单清晰、便于管理等优点。
　　第二，集中服务器在物理实现上又采用控制服务器和管理服务器相分离的方式，整个系统中由一台主服务器-管理服务器和多台控制服务器组成，控制服务器集中进行sip会话管理和媒体流的处理，这有利于减轻系统负荷，达到平衡系统负载的目的。
　　第三，系统提供给用户的功能服务接口大多采用web方式，这符合用户的操作习惯，降低了终端实现的复杂性。
　　第四，系统数据采用xml文件的形式来存储，可以提高数据存取的效率，优化系统性能。
　　六、结语
　　sip协议还处于不断的研究和发展中，有关sip运用于远程多媒体教学系统的实际例子也很少，本文对sip运用于远程多媒体教学系统作了一定的探讨和研究，系统很多方面需要完善和改进。

【参考文献】
　　[1]桂海源著．ip电话技术与软交换[m].北京：北京邮电大学出版社，2004．
　　[2]糜正琨著．ip网络电话技术[m]．北京：人民邮电出版社，2000． 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/244390.html