基于卫星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统的设计与实现

    摘要：基于卫星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统在互联网接入带宽受限情况下，为满足点对点传送大量多媒体课件的需要，采用卫星IP广播方式传送多媒体课件，并使用地面网络实现从站管理信息向主站的回传。本系统适用于互联网接入带宽窄、无法满足多媒体资源传送要求的单位和地区，并实现了教育资源提供方对自身所提供资源进行有效管理。

    关键词：主从 远程教育 准同步 管理信息系统

Internet的飞速发展为远程教育提供了新的传播途径。但由于大多数学校和机构的互联网接入宽窄，流量费用及接入服务费用也相对较高，影响了互联网有价值的信息资源、教学资源有效传播。

相对于Internet，卫星IP广播既有卫星覆盖地域广、通信距离与费用无关、传输容量大、通信质量高的优点，又能够与互联网通过通信协议互通，可以快速地，不受接收站数量限制地广播大量有价值的信息与教学资源。在信息流量不对称的情况下，无疑是最佳传输方式之一。在需要交互的场合，采取场交互以及分布式管理等技术，在相当程度上满足用户的交互要求。

远程教育的网络运行模式通常为两种：用户直接通过互联网连接网校或将课件下载到局域网内。前者由用户联网后下载课件或进行在线学习，由于课件数据量比较大，多次重复传送会造成互联网带宽资源的极大浪费。后者将网校课件下载到本地局域网后由本地管理者支配、修改、使用，完全脱离了原网校的管理，使资源提供方无法介入，不利于知识产权保护和经济利益回收。

采用准同步、主从管理方式可以较好地解决以上运行模式的缺陷。准同步指主站和从站之间管理信息的互传采用准同步方式，每固定时间间隔（如一天）主站和从站之间进行管理信息交互，主站对从站的管理信息进行完全更新，确保主站能够对各从站的集中统一管理，以利于在主站办学的各网校能够获得应得的经济利益。主从式是指系统主站从站两层管理，从站的管理信息附属于主站，由主站每固定时间间隔（如一天）完全更新。

对于贫困地区、边远地区等互联网接入条件比较差的地区，通过卫星单向广播建立从站的接收系统，安装卫星地面接收站、配备计算机等必要设备，实现信息接收。因此，对于不发送地区及其他资金不足、互联网接入条件差的单位，采用卫星IP广播和局域网结合的主从式远程教育管理信息系统，符合中国国情，是利用互联网信息资源、教学资源的有效模式。

1 系统描述

本系统由主站MIS系统、从站MIS系统、连接主站与从站的通信单元组成。主站MIS每固定时间间隔（每天）通过卫星IP广播系统对从站MIS的管理信息、资源信息进行更新；从站利用主站发送的管理信息、网校资源信息在本地局域网建立镜像网校，招收学员，进行管理。系统框图如图1所示。

虚线框内是本系统通信单元中的卫星IP广播部分，符合DVB-S有关标准。通信单元中的从站到主站部分配备电话调制解调器，采用外交互通信方式来实现双向通信，完成管理信息的回传。采用外交互通信时可以拨号到本地ISP，然后通过ISP建立与中央站的连接，也可以直接拨号到中央站建立连接。卫星接收站在计算机来安装一块卫星数据接收下来接收数据。卫星数据接收卡可接收中央站下发的各种多媒体数据流，实现主站数据对从站管理信息、课件等资源信息的下传。

主站MIS系统与卫星IP广播发送部分相连。在主站办学的各网校（网校1、网校2……网校n）通过Internet与主站网校编辑管理集成系统相连，对本网校的办学情况进行管理、监控。编辑管理集成系统直接与后台数据库相连，为保证系统及数据库安全，与互联网之间没有防火墙。编辑管理集成系统包括内容收集、整理、压缩、打包以及适配发送等子系统，主要功能是将各网校待发送的多媒体课件按网校、专业、课件三层结构存放在发送目标下，并将主站及各网校对从站的管理信息编辑成与从站事先约定好的格式放到各从站管理信息的发送目录下，然后将欲发送的管理信息和各类资源信息按DVB-S格式打成IP数据包，以便卫星IP广播发送。由于发送集成系统及后台数据库功能复杂，性能要性高，采用UNIX操作系统和ORACLE数据库。本系统中主站部分编程语言使用PHP脚本语言。

与卫星IP广播接收站相连的是集成化镜像网校系统，即从站MIS系统。从站由多台通过局域网连接的计算机组成，其中一台作为服务器与通信单元相连，该服务器装有从站接收管理系统、从站数据库和镜像网校自动生成系统。其他从站计算机（局域网上各用户）通过从站内部局域网与从站服务器相连，用户登录后使用从站数据库提供的课件资源。从站将从卫星接收下的数据包转换成从站需要的文件格式，分类整理后，将其中的多媒体课件保存在相应目录下，并利用管理信息对从站数据库进行更新，然后分别形成镜像的网校（网校1、网校2……网校n），便于在局域网运行。由于要在带卫星IP广播接收功能的各个局域网内都独立建一套从站系统，为降低成本，利用NT平台或LINUX平台，后台数据库用SQL。该接收MIS系统应对从卫星接收下的IP数据包进行内容解包、分类整理，然后分别形成镜网校，便于在局域网运行。

与卫星IP广播接收相连的是本实例的从站。本系统的从站由多台通过局域网连接的计算机组成。其中一台作为服务器与通信单元相连，该服务器装有从站管理信息系统、从站数据库和防火墙。其他从站计算机通过从站内部局域网与从站服务器相连，供用户登录后使用从站数据库提供的课件资源。从站将从卫星接收下的数据包转换成从站需要的文件格式，将其中的多媒体课件保存在相应目录下，并利用管理信息对从部数据库中需要主站审核授权的内容进行完全更新，然后分别形成镜像网校，便于在局域网运行。从站每天通过Modem、ISDN等将本从站当天的管理信息回传给主站，请网校、主站的管理员审核后，更新主站数据库的相关内容。本实例中从站部分编程语言使用ASP脚本语言。

2 系统运行平台及开发工具的选择

2.1 对主站管理信息系统的运行平台及开发工具选择

操作系统：考虑到主站对系统的稳定性、安全性要求比较强，目前采用Linux操作系统，今后可直接向Unix进行移植。选择Linux操作系统是因为它是多用户多任务操作系统，具有安全性、可靠性强的优点。

数据库：鉴于主站的数据量较大，对于数据处理的速度和可靠性的要求较高，因而选择Oracle数据库。尽管其价格不菲，但由于一个主站MIS可以带很多从站，这种投资从性能价格比而言，是值得的。

Web服务器：选择Apache。Apache是一个免费软件，其性能在同类产品中是首屈一指的，目前在世界范围Web Server是安装情况来看，是最多的；而从软件发展来看，自由软件的发展趋势愈来愈好，Apache便是一个很好的例子。选择它，不仅可以用很小的代价换来高性能，而且在安全等方面也有很好的保证。

开发工具：选用PHP脚本语言。PHP是一种服务器端嵌入式脚本描述语言，执行效率高，易于与现有网页整合。同时，其可以对市面流行的各种数据库进行操作，易于编写基于数据库的动态网页。

2.2 从站运行平台的选择

操作系统：Windows NT平台。NT是目前国内最普及、最通用的操作系统，操作简单方面，，用户群最大，使用该操作系统可以降低对从站管理员的要求，同时也可以达到对从站性能的要求。

数据库：采用SQL Server数据库。因为从站的数据量相对较小，且从站数据库所有数据在主站都留有备份。因而对从站数据库的要求不是很高，SQL Server数据库对较小数据量在检索速度、稳定性等方面都有较好的表现，性价比也较高。选用SQL Server来降低从站的开办成本，同时SQL Server与Windows NT操作系统均为Microsoft家庭的成员，具有无缝集成孤特点。

开发工具：选用ASP脚本语言。ASP具有创建运行动态交互的Web应用程序和探测现有系统的能力，且ASP是微软的产品，与SQL Server、NT都有很好的契合性。

3 卫星广播系统运行环境

图2为卫星IP广播部分系统框图。卫星广播是本系统的运行环境。

卫星IP广播发送部分由室内单元和室外单元组成。

室内单元包括DVB网关、卫星调制器和卫星解调器（如不需要接收向信息，则不必安装卫星解调器）。

IP/DVB网关是将IP数据转换为DVB数据的专用设备。将TCP/IP重新封装成DVB传输流数后传输出去。这时数据流可直接进行QPSK调制，在卫星链路上传输。

卫星调制器将DVB传输流进行信道编码（包括RS编码和卷积编码）和QPSK调制变成70MHz中频，再送到功率放大器。

如果需要接收从双向站发送回来的信息，中央站还要配备有卫星解调器，接收回馈信号，并且通过LAN/WAN转换器将数据送到局域网上。

室外单元包括上变频器、高功放和天线。上变频器将中频信号变换成可发射的Kv或C波段信号，功放对信号进行功率放大然后由天线发射出去。

由于采用C波段卫星传输，易受地面微波干扰，接收天线口径大，不利于运输、安装，因此本系统采用Ku波段卫星进行传输。目前我国已有多颗卫星可以提供Ku波段频率资源，如亚太2号、亚洲3号、鑫诺等均可提供大功率的Ku转发器，可根据性能价格比，择优租用。

为了使偏远地区都能够通过小口径天线接收信号，远程教育节目需要采用大型卫星地球站上行发送。这需要在系统方案和卫星资源确定之后，通过链路计算来决定发射部的天线口径和发射功率。

卫星接收站由接收天线（口径在0.6～1.2米之间）、LNB（低噪声放大和频率变换器）和装有卫星接收卡的PC机组成。卫星数据接收卡可接收中央站下发的各种管理信息和多媒体数据流，实现从站对管理信息、课件资源信息的接收。在从站配备电话调制解调器，采用外交互通信方式来实现双向通信，完成管理信息的回传。采用外交互通信时可以拨号到本地ISP，然后通过ISP建立与中央站的连接，也可以直接拨号到中央站建立连接。

4 系统功能

首先，主站本身是一个可接受外部访问的网站，允许普通用户浏览访问。使访问者了解本系统的特点和办学方式，并提供站上各网校及其开设课程的介绍、从站的具体分布情况等，使对本系统感兴趣的学员可以选择适合自己的网校进行注册学习。

此外，主站MIS系统是从站与网校之间的办学平台。它负责将从站上传的各种管理信息进行分类，对与具体办学无关的直接进行处理（如：注册用户的身份认证、从站学员的温游申请等）。而对于与具体网校办学有关的信息分类组织好后，交由各网校管理员处理（如：从站课程定制、对学员选课信息进行认证等），不参与具体办学，也不对外招收学员。对从站的具体学员而言，主站就相当于是透明的，仿佛只有从站和网鹇在对他进行管理。当然，主站管理员对网鹇及从站的具体办学情况、学员的学习情况，可以进行统计、查看，但不参与从站与网校的具体办学活动。

网校管理员通过访问主站，直接对自己的网校进行管理（开设课程、对从站学员选择申请作出回应等）。

主站MIS主要功能归纳总结如下：

（1）对网校、从站、学员进行管理；

（2）收集、整理各网校课件，并进行编目、数字化压缩等处理；

（3）高速接入互联网，与远端构成外交互式卫星通信系统；

（4）将发送数据封装、打包成标准格式，由卫星地球站向远端广播。

从站MIS系统的功能主要是：

（1）介绍本系统主要功能特点，引员学员在从站选课；

（2）接收主站信息；

（3）通过专线或电话线接入互联网，向主站发送管理数据；

（4）局域网内部相当于一个独立的网站，有自己的管理员、辅导老师和注册用户；学员在从站进行选课、学习，是本系统远程教育的最后实现的环节；

（5）从站没有自己独立的管理信息，它的管理信息由主站每天通过卫星广播的方式播放，包括从站所有用户的基本信息、学员的学习情况等。主站对从站具有完全的控制权。

5 系统特点

本系统具有易用性、安全性和可扩展性，即性能、功能均可扩展，是一个开放性的系统。并有以下一些独特功能：

（1）网校的自主管理

主站MIS系统不参加具体办学，各网校独立自行管理。

（2）异构数据库之间的数据交换

全部数据在主站数据库，每天对从部数据库进行更新，从站通过Modem、ISDN等均可满足管理信息回传，不必随时在线。

（3）学员在从站间的漫游

（4）从站的电子传达室

可集中对外收发email，方便局域网用户。

（5）在局域网上实现互联网一些常用交流方式