内容分布网络的技术特征与教学应用分析

    姜浩　胡卫星

    摘要：内容分布网络是一种全新的网络内容服务体系，是一种高质量和高效率的网络服务新模式。作者提出基于内容分布网络，可以实现不同运营商以及不同地区之间的信息传递和资源共享，并且在很大程度上解决网站打开速度过慢等问题。内容分布网络技术的教育应用可以在动态数字化教育数据的收集存储、媒体流资源的智能管控、在线数字内容信息的快速发布和面向学习者个性的自适应学习支持服务四个方面发挥重要的作用。未来一段时期内，内容分布网络技术将会促进深度学习、在线教育直播和远程教研互动平台等的深入发展。

    关键词：内容分布网络;在线教育;媒体流

    中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2020）13/14-0174-05

    当前，网络通信技术和多媒体技术高速发展，以因特网为载体，在线教育目前已经成为现代教育的重要组成部分，在线教育因为具有费用较低、覆盖面较广、使用方便等特点而受到了广大用户的青睐。未来，在线教育在教育领域中的占比会越来越大。目前，国内的互联网带宽不足，并且存在服务器的安全性、可靠性和可扩展性无法满足需求，且没有大笔的资金投入等问题。内容分布网络技术能以最小的投入有效地解决上述问题，它可以将网页内容存储在因特网任何一个位置上，在用户访问某个内容时，内容分布网络将其引导到对用户最有利的缓存上，方便用户获取信息资源。缓存里会存放那些经过授权的、特定的内容，经过授权后的内容会被特定的缓存处理。对存储内容的控制大大提高了访问成功率，有效地解决了教育不平等、教育资源分配不均等问题，因而偏远县城以及山区的学生，也能够有同样的机会享受到更好的教育资源。

    ● 内容分布网络的理解

    1.内容分布网络的认识

    内容分布网络的全称是Content Delivery Network，简称CDN，它是一种较为前沿的网络结构，代表的是一种基于因特网而建构的高质量、高效率网络应用服务模式。内容分布网络的本质是一个技术系统，它主要是处理内容信息以及整体网络流量的分配管理，这也是CDN系统的核心所在，主要为了解决网站的访问延迟问题以及加快因特网中信息的流动速度，增加网站的安全性和可用性，而出现的一种新兴技术。它的基本原理是在现有的因特网网络中建立了一个全面并且稳定的中间节点，它是距离用户最近的网络地址，能以最快的速度获得所需的信息，以此缩短网站访问时间，从而基本解决网络拥塞问题，提高对用户行为的回应速度。内容分布网络中最前位的工作部分就是缓存设备，缓存（边缘缓存）设备负责直接响应最终用户的访问需求，把存储在本地的内容信息最短时间提供给用户。同时，缓存（边缘缓存）设备还会与源服务器进行内容时时同步，把更新了的内容以及本地设备没有的内容从源服务器下载下来并保存到本地。缓存设备的数量、分布情况和总体运行能力是衡量一个CDN系统服务能力的最基本的指标。

    CDN系统是由内容管理系统、内容路由系统和内容引擎（内容交换机和内容缓存）三部分组成。在CDN系统中，内容管理系统相当于总指挥，其作用是统筹整个CDN系统，主要对内容信息进行管控，如信息内容审核、接收、发布以及分发等。CDN系统中的内容路由系统相当于引导员，其作用是将用户发出的请求进行引导，或者是引导至整个CDN系统内容服务器上，或者是引导至网络节点的最佳点。负载均衡技术算得上是整个CDN系统的核心，就是一种把网络负载均匀地分发到不同服务器上或网络节点，但是它们能完成同样任务的服务器或网络节点。这种技术可以缓解一部分服务器或网络节点超载而另一部分空缺的问题，整个CDN系统的效能和性能是由负载均衡技术的精准度和效率来决定的。如果用户访问的网站应用了CDN系统，内容路由系统会智能地将用户分配至能够提供服务的内容引擎上。而内容引擎就是处于各个地方的边缘服务器，边缘服务器集群便构成了内容传输网络。边缘服务器在整个CDN系统中是可以存储内容信息的，而这些内容信息的来源是源服务器，并最终将内容信息再发送给用户。处在边缘服务器处的内容交换机，能够在用户发起请求后，智能地分发到不同的内容缓存上，从而对所发起请求的用户进行访问匹配，确定并提供给用户最终实际的访问地址。CDN系统是一种可以满足用户对内容访问需求与使用的技术，其在效率、质量和可靠性方面均具有优势。内容分布网络在全球范围内使用很广泛，可以有效减少网络直播等应用的延迟，使得网站加载更加快捷，而且能有效降低对宽带的使用要求，甚至能够有效阻止各种垃圾程序对数据的抓取，以及其他的垃圾邮件传输和网络攻击。

    2.高效CDN与传统数据发布的比较

    普通CDN和p2p是发布数据内容时的两种基本常用技术，然而，这两种技术都有着不同的技术缺陷。普通的CDN分布系统扩展投资高，可扩展性又较差，即使存在边缘服务器集群，也并不能真正地减小源服务器的负载，内容分布的效率低下，还会因为网络堵塞造成不稳定。P2P被称为对等网络，其处理性能差，网络带宽条件不好，并且P2P网络无法进行有效的控制和管理，传输的可靠性得不到保证。高效的CDN可以最大化发挥出这两种网络在内容分布方面的优点，大大增强了内容分布网络的安全性、可扩展性以及稳定性，能够满足用户的请求，而不再受网络带宽条件的限制。

    简单地说，高效CDN可使网页内容存储在因特网各个不同的网络地址中。当用户访问某个内容时，CDN系统会将用户引导到最优的缓存上，这样用户获取信息资源更便捷。缓存里会存放那些经过授权的、特定的内容，这样就会大大地提高访问成功率，并且可以降低访问延迟性。

    ● 内容分布网络技术的特征分析

    1.内容分布网络技术的优点

    第一，负载均衡技术的优势。CDN系统的源服务器分布于世界各地，因特网的网络服务商也是不同的公司，处于天涯海角的边缘服务器均可以提供同样的数据服务，因为CDN系统可以智能地选择距离最近，并且稳定的服务器来满足请求用户的需求，而传统网络模式则只能单一地从源服务器地址处提供往来服务。因此，它不但增加了网络的容纳量，还让网络使用變得更灵活，加强了网络的数据处理能力。

    第二，缓存技术是CDN技术所采用的主要技术。从根本上来说，这是一种空间换时间的方式，CDN系统会自动选择最近的边缘服务器，而不是把请求发送到源服务器响应。边缘服务器会将所有网页内容存储下来，然后再传递给用户端的边缘服务器，这样请求用户就可以更稳定、快捷地得到信息资源。因此，CDN的缓存命中率可以说几乎百分之百。

    第三，内容分发技术的优势。Web缓存技术只有在用户请求后才会对内容信息进行更新处理，而智能CDN系统则可以实现实时更新。源服务器的内容信息发生更替时，CDN系统的源服务器会应用多通道，在第一时间分发给所有的边缘服务器，从而加快信息在网络中的流动速度，并大大地提高了网站响应时间。

    第四，CDN系统维护简单，安全可靠，它可以提供代理服务器无法提供的动态信息、流媒体和安全的信息资源，并且可以有效抵御DDOS、CC的攻击。使用高防CDN服务后的网站是通过高防DNS和分布式防御来实现的，通过智能DNS解析，智能化的系统判断来路，并配置隐藏IP地址，对异常的流量会自动进行拦截清洗，无法攻击到网站的源服务器。全景数据的监控，实时采集分析，这就是CDN技术的优势所在。

    2.内容分布网络技术的缺点

    第一，CDN市场存在严峻竞争态势。CDN技术门槛低，市场准入简单，缺乏有效统一的管理和控制。随着资本的涌入，其为CDN市场带来了快速发展的机遇，但是行业巨头价格抢占市场则彻底打乱了CDN市场的秩序。

    第二，CDN系统标准化工作进展缓慢。在标准化进展方面，CDN的标准还不是特别成熟，市场认知程度低，服务质量也参差不齐，这对CDN的大规模应用造成很大的阻碍。最近几年，尽管我国CDN服务市场增长速度很快，市场前景十分广阔，但市场普及率与欧美等发达国家相比仍然偏低。目前，技术的趋同已经具备标准化的基础，国际和国内的一些大的运营商已经逐步形成自己的标准，通信基础设施必须有自己的行业标准，因此CDN的标准化工作还需要在国家的指导下进一步完善。

    第三，监管还存在一定缺陷。2016年，第一批获得CDN牌照的企业是阿里云、网宿科技，这也就代表中国的CDN产业从此正式迈入了牌照时代。由于CDN技术的特点是分布广泛、集中控制等，所以拥有CDN的网络服务商常常会跨区域，甚至跨省提供服务。这对于网络安全与信息安全来说，都有着极大的隐患，极易传播不良信息。目前，中国CDN监管也逐渐向事中事后监管延伸。

    ● 内容分布网络的教育应用

    1.有效收集和存储动态数字化教育数据

    为了确保学员能够在现阶段带宽不足的情况下，还可以稳定地享受到高质量的服务，通常是在多个地方安装镜像服务器，这是一种普遍的做法，这种服务的实现方式是在智能DNS服务器的帮助下，可以了解到用户的请求，做出一系列智能化的处理之后，把正确的IP地址反馈给学员。当学员身处异地，请求异地访问远程教育平台时，在智能DNS服务器了解了该学员需求后，该学员就可以就近访问，以此节约大量时间。这种方式能够解决因资金不足而无法提供有质量保证的服务的问题，但这样就需要在多个地方的数据中心建设与源服务器相通用的系统，因此初期投资大，维护成本高。如果在建设远程教育平台时能够应用CDN技术，这样就不会因为带宽不足而出现访问延时、不稳定等问题，也有效地降低初期资金投入，以及后期维护的成本。具有了网络的可扩展性，设备的灵活使用就得到了保障。

    2.在线数字内容信息的快速发布

    传统的学习资源发布方式是将所有学习资源发布在几台靠近网络教育平台服务器上，全国各地的学员能够借助因特网访问中心资源服务器，来获取各类学习资源。服务器的容量会影响学员获取学习资源的速度，而带宽也会给学员带来制约，使得学员获取学习资源的速度不一样。为了营造一个良好的学习氛围，让全国各地的学员都能够快速地获取优质资源，可采用如下策略和技术进行学习资源分发：①根据各学校本学期开设的专业，从课程表中查找到学员本学期的课程;②根据学员本学期的课程表，分别从CourseWare表、PPT表、Exercise表、Exam表、References表中获取标准课件、教师电子教案、课后练习作业、学习参考资料等学习资源;③学员分发策略数据，写入分发策略Delivery_Policy表;④将各类学习资源以课程单元为单位进行打包;⑤源服务器通过CDN网络系统，将教学资源分发到距离学校最近的边缘缓存设备上;⑥学员通过访问学校附近的边缘缓存设备，浏览或下载优质学习资源。

    3.媒体流资源的智能管控

    虚拟教室是同步教学系统的核心组成部分，身处在不同国家和地区的教师及学员，都可以加入一个共享的同步课堂学习环境。这个系统由服务器端和客户端两大部分组成。服务器端由一个开机自动启动的系统托盘程序和—套管理员后台管理系统组成。系统托盘程序负责处理客户端学员的请求信息检索、网络参数配置、检测登录账号等;管理员系统则负责对教师、学员以及教师权限和学员权限等基本信息进行日常维护。客户端会根据任课教师的科目不同，展现出不同的功能界面。每间虚拟教室会分配一位辅助教师，其拥有与后台管理员一样的权限，并且可以对课堂进行控制，查看视频广播使用情况、课件使用情況，组织课堂测验，检查课堂视频录制等。学员可以自由查看上课视频资料、浏览课件、板书等，在教师允许的情况下，还可以举手提问、使用电子白板回答问题、发送消息给其他学员和实时课堂录制等。

    4.面向学习者个性的自适应学习支持服务

    支持学员个性化自适应学习技术，由电子节目菜单、后台管理体系、系统服务等三大部分构成，存储在各个边缘服务器中的学习资料，能够为学员提供多媒体同步课堂视频、课件的点播与下载功能服务。电子节目菜单系统的界面与Web页面类似，能够提供教学内容信息的浏览、查询、下载等功能，是异步教学系统与学员进行交互的大门。EPO系统则具有良好的二次开发功能，可以灵活定制，可扩展性强，也可以实现页面优化。后台管理系统运行在源服务器上，其对整个流媒体系统运行负责维护、统筹、监控等，对源文件有着分发、调度、更新、统计、检索等功能。系统服务有着后台管理的最高权限，主要负责实际操作和传达后台管理员的指令，对入库文件进行最终的分发和调整，并对各个边缘服务器的实际运行状态进行监管和日志记录。

    ● 内容分布网络的教育应用展望

    1.促进深度学习的深入实施

    高清教育视频是互联网上比较考验带宽的一种传输形式，目前视频网站只能通过地理上分布的边缘服务器，将高清教育视频内容尽可能放置在用户附近，来减少缓冲时间长、启动等待时间长、频繁地中断掉线、实际体验效果差等问题。一些受欢迎的高清教育视频会导致流量大大增长，加重了CDN 的负担。预取技术的引入，能够结合视频的特征分析用户需求的高清教育视频内容，以此来减轻网络负担。深度学习的本质是建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，其基本特点是尝试模仿大脑神经元之间信息的传递和处理模式。深度学习可以为CDN预取不同内容和主题，对用户和群体兴趣爱好建立向量数学模型，并对兴趣爱好挖掘等提供更优的配置方案，流媒体内容的不断发展，使得对高清教育视频的预取将更加依赖于深度学习。

    2.有助于教育直播的快速发展

    直播是一种新的信息交流方式，因其具有的强烈刺激感和强大及时的信息传输性而深受人们的喜爱。尤其是近些年来，直播已经走进教育领域，教育视频直播已经成为一种新的教育形式。视频直播的实现离不开流媒体技术的大力支持，无论是顺序流传输，还是实时流传输中，音频和视频信息都可以被用户实时听到和看到。很多教育直播选择使用CDN技术，可大大减少原始在线点播的负载，节省带宽资源，并有效绕过各种各样的网络拥塞节点，在流媒体点播方面提供更高质量和更高效率的服务。CDN智能分配调度域以及CDN流媒体集群的广泛分布保证了教育直播媒体流的质量，为教育直播的实施提供强大的质量保障。

    3.有利于教研互动平台的有效搭建

    与云技术的融合，主要是提高了基础建设架构、软件和服务的经济性、可访问性、可扩展性和弹性，为实现教育信息化提供了新的解决方案。远程教学科研互动平台是由三个子部分组成：云端课件、云端课程和云端教育资源。这种远程教学教研互动云平台依托互联网数据中心（IDC），就不需要建立自己的专门机房，铺设昂贵的通信线路，同一套互联网数据中心上就能够解决多学校（单位）业务运营。同时，利用云平台的分布式系统处理的优势，可以提高计算机基础设施的运行效率，降低整个教育系统的人力、物力和财力消耗。

    近些年来，内容分布技术吸引了众多人的关注，技术也在不断革新。内容分布网络的应用价值如今主要还是体现在分发Web内容方面。但是伴随着网络技术的发展、5G的商业化运行，尤其是基于流媒体宽带应用的不断提高，将内容分布网络技术合理地运用起来，可以同时满足流媒体传输的高吞吐量和低延时性，以此来提高流媒体的服务质量。因此，CDN技术的主要应用对象也将从Web信息内容分发，逐渐转变为流媒体信息内容分发。内容分布技术与在线教育的紧密结合，可为在线教育的普及与发展提供更高速的网络数据信息的转移通道，使得具备大量实时视频、音频交互以及信息庞大且内容丰富的多媒体网络课程清晰流畅地呈现学习者终端，从而更好地发挥在线教学与传统面对面教学模式的优势，面向学习者个性满足需求，实现分布式的有效深度学习。

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