1、基于SIP的遠程多媒體教學系統的設計與研究         【摘   要】遠程多媒體教學與傳統教學相比有諸多優勢，目前已成為多媒體通信在教育領域研究的熱點。遠程多媒體教學的發展趨勢是基于IP網絡的遠程多媒體教學。文章首先介紹和分析IP網絡上多媒體通信最為流行的SIP協議，然后，依據SIP多媒體通信系統常用結構中的緊耦合系統結構，利用SIP協議棧技術，提出了一種基于SIP的多媒體教學系統的設計解決方案，并對其工作特點和流程進行了詳細的分析。【關鍵詞】遠程多媒體教學；H.323；

2、SIP         一、引言遠程多媒體教學是一種全新的教學方式，相比傳統教學，它充分合理地利用網絡、媒體等介質，使得教學活動的開展不受時間空間的*，優化了教學資源配置，提高了教學效率。遠程多媒體教學的上述特點和優勢使得它成為多媒體通信在教育領域研究的熱點，目前的發展方向是基于IP網絡的遠程多媒體教學。由于多媒體信息具有數據量大、實時性、同步性和突發性強的特點，多媒體通信系統具有集成性*互性和同步性的特點，因此對多媒體通信的硬件和軟件系統提出了很高的要求。二、SIP協議及其特點SIP(Session&#

3、160;Initialization Protocol，會話發起協議)是一個由IETF MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control)工作組提出，面向Internet會議和電話的簡單應用層信令協議，用于建立、調整和終止多媒體會話。相比多媒體通信的另外一種流行協議H.323，SIP協議有如下5個特點：第一，與H.323采用二進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，具有詞法和語法簡單、可讀性好的優點。第二，H.323中的呼叫建立和媒體邏輯信道建立的過程是分離的，呼叫

4、建立時延較長。SIP系統的呼叫控制信令由SIP傳送，由會話描述協議SDP完成媒體能力交換和RTP地址信息獲取的任務。SDP消息作為SIP的消息體來發送，會話控制和媒體能力交換同時進行，會話建立的時延較短。第三，H.323網絡中各元素均為對等實體，實體間傳送的是對等控制信令消息，而SIP網絡則采用IP網絡常用的C/S(客戶機/服務器)結構。第四，定位用戶、支持用戶移動性。SIP利用注冊服務器將用戶的實際物理位置與用戶的SIP地址相綁定，便于在定位用戶時實現地址映射功能；利用重定向服務器將目標用戶地址信息返回給代理服務器。第五，協議簡單，有良好的擴展性。SIP是在諸如SMTP、HTTP的基礎上建立

5、起來的，借鑒了其它Internet標準和協議的設計思想。由于SIP與HTTP非常相似，許多解析HTTP協議的程序只要經過少許修改就可以用到SIP中。      SIP消息分為SIP請求消息和SIP應答消息兩大類。所有的SIP消息都是由一個起始行、一個或多個標題頭、一個表示標題頭結束的空行和可選的消息體組成。SIP核心規范定義了6種基本請求方法：INVITE(邀請)、ACK(確認)、OPTIONS(可選項)、BYE(再見)、CANCEL(取消)和REGISTER(注冊)。其中，REGISTER方法用于向服務器注冊用戶位置信息；INVIT

6、E、ACK和CANCEL用于會話的建立；BYE用于結束會話；OPTIONS用于向服務器咨詢服務器的性能。SIP核心規范定義了如下幾種實體：用戶代理(User Agent)：用戶的系統接口，負責與終端用戶進行交互。可分為用戶代理客戶端(UAC，User Agent Client)和用戶代理服務器(UAS，User Agent Server)。代理服務器(Proxy Server)：用于轉發SIP消息，代表UAC發起請求，并向UAC返回響應，既充當客戶機又充當服務器。可分為無狀態代理服務器和保留狀態代理服務器兩類。重定向服務器(Redir

7、ect Server)：重定向服務器通過提供可能的位置來幫助定位目標SIP用戶代理。它不發出任何定位目標代理的行為，而僅僅返回目標代理可能的出現位置信息。注冊服務器(Register Server)：注冊服務器存儲用戶的位置信息，負責將用戶的SIP地址與用戶當前所在的物理地址進行綁定，這樣就能夠向代理服務器提供用戶的位置信息，協助代理服務器在轉發SIP請求消息時能夠迅速定位用戶。三、SIP遠程多媒體教學系統的設計（一）基本概念和術語課堂實例：一個由唯一資源標識符標識，由一組SIP用戶代理、媒體流和通信網絡組成的多媒體會話，參與成員有教師和學生；課堂系統：由一個或多個課堂實例

8、組成；FOCUS：中心SIP用戶代理，是一個課堂實例的管理者；課堂策略：課堂運作和進行的規則總稱，包括成員策略和媒體策略；成員策略：管理課堂成員的規則總稱，包括身份鑒別、角色控制及權限控制；媒體策略：處理媒體流的規則總稱；課堂狀態：包括管理各個課堂實例的FOCUS的狀態和課堂策略的狀態；課堂URI：課堂實例的唯一標識符。（二）總體結構依據DYNAMICSOFT公司首席科學家Jonathan Rosenberg博士提出的緊耦合SIP多媒體會議系統結構模型，我們設計并提出教學系統的以下結構。系統為集中服務器體系結構，一個中心服務器對應一個課堂實例。從邏輯上劃分，中心服務器分為管理服務器和

9、控制服務器。在物理實現上，采用管理服務器和控制服務器分離、一臺管理服務器配合多臺控制服務器的方式。因此，從拓撲結構上看，系統為星型結構。從功能上看，系統分管理子系統和控制子系統。管理子系統負責存儲管理課堂狀態信息數據、課堂策略信息數據和用戶信息數據；課堂控制系統要負責與一個或多個終端進行SIP消息流和媒體信息流的交換，并對其進行控制，以保證課堂實例的正常運行。除管理服務器和控制服務器外，系統還包含SIP服務器和終端。終端是師生參與課堂并獲取課堂功能服務的接口，SIP服務器協助控制服務器完成與參與課堂的師生之間的SIP會話的建立和維護。SIP服務器可分為注冊服務器、代理服務器和重定向服務器，它們

10、分別完成用戶地址注冊、SIP消息的路由和轉發、返回目標SIP用戶代理地址信息的任務。終端與控制服務器除了通過SIP服務器交換SIP消息外，還直接通過建立RTP會話交換實時媒體流消息；終端與管理服務器之間、控制服務器與管理服務器之間則采用課堂信令和自定義接*換消息。  （三）各子系統的設計1管理子系統管理服務器是管理子系統的主體，它管理一個或多個控制服務器并與之交互，協助完成課堂基本功能；與一個或多個終端交互，提供接口供終端用戶以不同的權限操縱控制課堂功能、查詢課堂各種信息；存儲管理課堂策略信息數據、課堂狀態信息數據和用戶信息數據。管理服務器根據自身存儲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器；控制服務器則是命令的具體執行者。控制服務器利用FOCUS的課堂狀態通知服務功能獲取最新的課堂狀態信息，上傳給管理服務器。兩者合作完成課堂的基本功能。另外，管理服務器提供接口，設置不同的權限供終端操縱和修改課堂策略。由于用戶普遍習慣使用Web瀏覽器，因此，本文加入一個中間層-Web服務器，作為管理服務器與終端交互的中介和紐帶。管理服務器與Web服務器的交互也采用簡單的自定義接口規范，利用請求/應答模式完成。同時，管理服務器向用戶提供課堂信息的查詢功能服務，使用戶能夠了解最新的課堂策略信息和最新的課堂狀態信息。考慮到存取數據的效率問題，并為了降低系統的復雜性

12、，管理服務器上課堂信息數據的存儲采用XML技術來實現。課堂信息數據包括當前運行的課堂實例數目、每個課堂實例的URI、中心控制服務器的IP、開始時間、結束時間、課程名稱、教師URI、教師使用的媒體類型信息、學生數目以及每個學生使用的媒體類型信息等。2控制子系統該子系統是系統的重點和核心部分，控制服務器與管理服務器交互，獲取最新的課堂配置和控制命令，并執行命令；與各終端交互，進行SIP消息和媒體流信息的交換，并對其進行控制；獲取最新的課堂狀態信息，上傳給管理服務器。在邏輯結構上，控制服務器包括FOCUS、SIP協議棧、媒體處理器、傳輸層及底層通信網絡。其中，FOCUS是一個課堂實例的中心SIP用戶

13、代理，其作用是：通過代理服務器、重定向服務器和注冊服務器與終端用戶代理保持信令連接，維護管理SIP會話；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自各個終端的媒體流，進行混合和轉發，實現媒體信息的控制和交換；利用自身的課堂狀態通知服務功能從終端獲取最新課堂狀態信息，上傳給管理服務器。四、系統工作流程整個系統的工作步驟分以下幾步：教師預約新課堂實例、創建課堂實例、成員加入課堂、課堂實例運行、課堂實例結束、成員退出課堂和銷毀課堂實例。系統管理員啟動系統后，教師首先向SIP注冊服務器注冊自己的當前位置，注冊成功后，根據本人的教學課程安排向管理子系統提出新課堂預約申請。管理子

14、系統根據成員策略對教師身份的合法性進行鑒定，身份驗證通過后，向教師返回包含申請成功ID號、新課堂實例開始和結束時間信息的成功消息。當預約課堂的開始時間到了后，教師即可利用申請成功ID號向管理子系統申請創建課堂實例，管理服務器創建新的課堂實例(即生成一個課堂URI)，分配一臺新的控制服務器，并指示控制服務器上的FOCUS向申請教師發送SIP的INVITE消息，邀請教師加入課堂。教師回送ACK消息后即加入課堂實例，此時的課堂實例狀態為運行狀態，但還沒有學生加入。學生在使用系統前，也要首先向SIP注冊服務器注冊自己的當前位置。注冊成功后，學生加入課堂實例有兩種方法：一是主動加入，即通過Web瀏覽器查

15、詢課堂信息，找到自己要加入的課堂并且當該課堂實例已經運行后，向該課堂實例URI(也就是FOCUS URI)發送INVITE消息申請加入。FOCUS根據成員策略鑒定學生身份后，向學生返回允許或拒絕的應答。二是被動加入，即FOCUS向所有符合成員策略要求的學生多播發送邀請的SIP消息，收到邀請的學生對其作出應答后即可建立連接并加入。課堂實例運行過程中，經過教師批準后，學生可以重新設置自己的媒體參數并且可以提前離開課堂實例。學生向FOCUS發送Re-INVITE(重新邀請)方法的SIP消息(消息體中包含調整后的媒體描述信息)，即可改變自己使用的（下轉第66頁）（上接第60頁）媒體參數。學生

16、向FOCUS發送帶有BYE方法的SIP消息就可離開課堂實例。教師也可以設置自己授課使用的媒體參數，同樣只需向FOCUS發送Re-INVITE(重新邀請)方法的SIP消息即可。當發現有不合格的學生后，只需向其發送帶有BYE方法的SIP消息就可將其逐出課堂。與加入課堂相似，課堂結束時學生退出課堂的方法也有兩種：一是主動退出。教師宣布下課后，成員終端可分別向FOCUS發送帶有BYE方法的SIP消息并退出課堂。二是管理服務器根據課堂實例的結束時間指示FOCUS向所有課堂成員終端發送帶有BYE方法的SIP消息，終端作出應答，斷開與FOCUS的連接，退出課堂。FOCUS利用課堂狀態通知服務的功能及時把正在結束的課堂實例中還未退出課堂的人數信息傳送給管理服務器。當未退出課堂人數變為零時，管理服務器銷毀該課堂實例，釋放該課堂實例占用的所有資源。五、總結本系統有如下特點：第一，系統采用集中服務器方式的體系結構，具有簡單清晰、便于管理等優點。第二，集中服務器在物理實現上又采用控制服務器和管理服務器相分離的方式，整個系統中由一臺主服務器-管理服務器和多臺控制服務器組成，控制服務器集中進行SIP會話管理和媒體流的處理，這有利于減輕系統負荷，達到平衡