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Internet2孕育新一代的远程教育

北京大学教育学院教育技术系/文

　　Internet2是由美国202所大学、协会、公司和政府机构共同努力建设的网络，目的是为美国大学和科研群体建立并维持一个技术领先的网络，充分实现宽带网的媒体集成、交互性以及实时合作的功能，以推进全球范围内高层次的教育和信息服务，开发下一代互联网高级网络应用项目，如数字图书馆、虚拟实验室、网络教学、远程医疗和远程浸入。

　　另外，Internet2为各种不同服务政策提供了试验场所，如怎样对预留带宽进行收费等；同时也是衡量各种技术在大容量互联点效能的场所，如本地超高速缓存和复制服务器，以及卫星上行和下行链路对提高网络性能的作用等。

　　Internet2为高等教育提供便利

　　目前，因特网上应用的IPV4，即TCP/IP协议第4版因缺乏服务质量保障特性、无法预留带宽以及限定网络时延，不能满足实时远程教学、远程医疗诊断和实时学术交流的要求。Internet2正是针对Internet的不足，为满足教育科研的需求而研制的。它对高等教育的意义在于:

　　●促进教学与现实的结合
　　 Internet2可以有效地实现数据的实时采集，对远程仪器的实时操作和控制；可以实时观摩、观察，缩短理论与实际的距离，不仅提高了学生的学习兴趣，还促进了学生解决实际问题的能力。

　　●促进全球知识的共享和交流
　　 基于Internet2，视频会议系统将大量用于实时授课和讨论，聆听顶尖专家报告成为可能，这对于提高教学质量和授课效果会有很大的影响，特别是对于远程学生。

　　●促进协作研究合作发展
　　 Internet2上的多种渠道的交流方式，以及新型协作工作环境的研发，不仅促成了网络虚拟社区的建设，也促进了网络协作小组的形成。随着Internet2的发展，其为高等教育的人才培养和科学研究所带来的便利也将越来越明显。

　　Internet2在高等教育中的应用

　　目前，Internet2在高等教育中的应用主要是创新模式的探讨，集中于远程实时数据采集、实时音视频、实时交流和虚拟实验室等方面。

　　●采集实时数据用于课程学习
　　威斯康星大学的气象课程（http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/class/aos100.html）。在教授基础的大气知识之余，安排学生学习科学家是如何通过实验室网络观察世界，学会如何阅读气象图以及如何做预报。教学中采用两种软件工具VISITView和Vis5d，前者是根据国家天气服务需要发展起来的一种以网络为基础的远程培训和实时的合作工具，它提供影像动画、影像的突然上升、影像着色以及允许多个合作者共同操作影像等多种功能。Vis5d是由威斯康星大学空间科学和工程中心开发的软件，可将由各种各样的天气测试仪提供的数据形象化。学生可以使用这两种软件将通过Internet2 从各种各样的数据装置中收集的数据，制作成形象的气象图。高速网络也使远程操作一些昂贵的设备成为可能，解决了设备缺乏问题。目前这样的项目还不多。

　　●真实感教学
　　威斯康星大学的一位教授所讲授的蓝调音乐课程（http://144.92.94.181/itblues/）。该课程的教室通过internet2与校外一个音乐俱乐部，以及远在芝加哥的著名蓝调木琴演奏家和教育家Billy Branch的演出场地相连，用基于H.323视频会议系统实现实时欣赏。

　　●随时随地学习
　　西北大学教授David Uttal负责的心理学课程（http://www.northwestern.edu/it/UCIT/digitalmedia/uttal.asx）。鉴于在较多讲座式教学的课程中，学生不能与导师就内容尽情地交流，该教授建立了课程网页，囊括从大纲到最后一个阶段的广泛资源，而且提供24小时可以进入的讲座视频，以弥补技术缺陷。学生可以使用视频播放器浏览MPEG-1视频文件,这些文件在Internet2网络上畅通无阻。

　　●远程互动教学
　　跨越太平洋的互动远程教育（http://www.cdi.ucla.edu/partners/kyoto/kyotoclass.html）是日本京都大学和加州大学洛杉矶分校的联合试验项目，采用MPEG-2视频会议系统为太平洋两岸提供同时教授的课程。该创举使东京和洛杉矶的教授们活生生地出现在本校学生的面前，同时也出现在太平洋彼岸教室的大屏幕上。两地的学生不仅可实时提问并得到回答，而且可和对方学校的学生进行互动。使用高速网络，包括Abilene网络，不仅可以实现演讲的同声的传送，还可以通过实现示范表演、图表图画、影像、声音以及计算机模拟的传送来丰富课程内容。

　　●虚拟社区
　　各地计算机联盟正在组织一系列谈话会，东北大学和西北大学的分布式谈话会是其中一个典型代表（http://www.npaci.edu/Outreach/CDC，http://www.northwestern.edu/it/UCIT/digitalmedia/taylor.asx）。谈话会聚集了Internet2的成员大学及其它一些学校的本科生和研究生，包括西北大学、波士顿大学、东北大学、哈佛大学、伊利诺斯大学等。通过网格计算以及一些合作资源，地理分散的参与者构建了便于交流合作的“虚拟社区”。每次谈话会的录音都被保存起来，作为摩托罗拉实验室研究Access Grid如何支持信息交互的依据。

　　●分布式多方合作环境
　　基于伊利诺斯大学厄巴拉香槟分校开发的合作工具，多个学科领域老师和学生就共同关心的问题，一起作研究并引进各个领域专家（http://tek13.spcomm.uiuc.edu/contractor/equad.pdf）。使用视频流媒体通过Internet2网络以及以网络为基础的教学工具在学生和教师之中创造出虚拟工作组。

　　目前普渡大学、南加州大学、宾夕法利亚大学，加州圣巴巴拉大学都在使用高带宽的视频会议、网络技术以及合作软件实现分布式的教学合作环境。

　　Internet2的核心技术

　　Internet2的核心技术主要包括新的Internet协议IPv6、组播、区域性的大容量互联点Gigapop、服务质量(QoS)和安全机制。

　　IPv6路由

　　●地址容量巨大
　　 IPv6的标头中地址位占有128位，比IPv4的32位地址扩展了96位，这种地址位的设置可以充分满足未来社会对互联网IP地址的需求。

　　●移动性功能强
　　 IPv6采用了层次化的地址结构，类似于电话号码的分布结构。在128位地址中前64位表示网络，后64位表示主机节点。前64位中有13位称作顶层聚类，专门标志一个国家或大机构，8位扩展。接着24位表下一层聚类，可用于ISP公司，还有16位表下一级单位。减少了路由表的量，层次分明，移动节点可互相通信。

　　●强大的安全功能
　　 在IPV6协议中优良各扩展标头—认证和加密。

　　●高效的服务质量
　　 目前的IPv4协议是基于“数据报”的传输模式，分组相互独立的进行路由选择，没有“连接”概念，也没有“服务质量”的模式。专家们提出“资源预留”的协议，是在路由器中为实时数据流预留充足的资源，采用异步分组交换技术是服务质量得到保证。该协议还在研究阶段。

　　组播

　　组播可使信息生产者只要往网络上发送一份拷贝，不管接收者多少，网络将在需要时复制这种数据，并找到需要数据的主机。目前因特网上所实现的组播受限于IPV4和当前因特网速度限制，能做的事很有限。只有在下一代因特网环境中才能真正做到组播。

　　服务质量（QoS）

　　服务质量是提供不同档次因特网服务的机制。允许区分不同优先级的应用，并对不同的需要设置权限，提供不同服务质量的网络通信服务和收取不同的费用。QoS提供的服务体现在以下五个方面: 传播速度: 数据传送率最小值与可以忍受的最大值。例如，用户可以请求数据速率不低于50Mbps的连接，并不高于100Mbps。

　　限制延时与延时变化: 图象与传送实时信息信号最大中断时间。

　　吞吐量: 在指定时间内数据传送的总量。例如，用户可以规定10分钟内传送一万亿字节的数据。

　　时间表: 服务所需的开始与结束时间。

　　损失率: 在指定间隔内预计的最大数据包的损失率。

　　服务质量的要求越高，所需的网络资源就越多，对其他用户来说，一项要求的争议就越大。提供服务的成本必须让用户充分明了，网络运营者不鼓励他们要求获得过高级别的服务。

　　Gigapops（以美国为例）

　　逻辑上，Gigapop是一个区域性网络连接节点，为数个Internet2成员提供接入内部Gigapop网络的服务。组织上，Gigapop将由一个或数个大学负责运营和管理，尽管可能会有例外。例如，联合实体可能被指定负责某些Gigapop的运营，而大学可能会以自己或相邻机构的名义运作某些网络，而其他网络则可能由商业机构负责运营。指定一个组织负责所有Gigapop的运行，是不切实际的，也是不可能的。

　　Gigapop运营模式的先例在早期互联网中存在，现在北美网络运营集团依旧如此。此外，联合实体必须决定接入Gigapop的通用标准和管理协议通用标准。Internet2和商用Internet2不需要在Gigapop与普通互联网之间传输数据。Gigapop通过适当的IP路由管理，充当非传输性网络的终端用户。Internet2 Gigapop将不为商业传输网络服务，而仅仅传输Internet2网站之间的数据。

　　Gigapop的主要功能是以特定的带宽和其他服务质量特性在Internet2网络内部交换数据。此外，标准IP通信能与那些在Gigapop内拥有终端的商用互联网服务提供商（ISP）交换数据，以满足Internet2成员校园网与其他ISP节点之间对独立高速连接的需求。特别的，Gigapop可能会将Internet2校园网连至其他大城市区域网（如提供地方远程教育）。

　　Internet2 Gigapop的主要功能是，在联网的Internet2会员网络与核心Internet2网络之间，按照特定带宽和其他服务质量属性，协调通信量。

　　对于Internet2来说，其关键技术在于Gigapop的设计。Gigapop必须满足特定的功能要求，如支持新版通信协议IPv6，具有足够的容量，采用vBNS的ATMPVC链路，使“包”的传递损失接近于零，合理地分配带宽，分别计算费用等。

　　ATM层的路径信息

　　ATM路径信息十分必要，因为希望进行的同服务质量相关的许多网络功能实验包含ATM层的动态资源分配。估计ATM能够使用一些功能的永久性虚拟连接（例如，传送那些不需要特殊虚拟连接的IP包）并对其它功能的虚拟连接进行转换。若可能，被转换的虚拟连接总是比永久性虚拟连接更为可取，它可以使配置的复杂性降低到最小程度并且在网络出现问题时，为路径变更提供支持。ATM的内部网络路径已经被开发出来了。目前，在任何商用ATM产品中，都没有可以利用的保险过滤层。虽然如此，ATM路径却具备有效的QoS支持。在更加复杂的路径出现前，ATM路径是不会有过滤层的。但由于近期内可以与ATM协同工作的站点为数不多，并且站点间的协调紧密，因而没有过滤层也可通。

　　网络安全

　　Internet2的安全问题可分为三类: 网络系统攻击，这类针对网络基础设施的攻击是个人为了使网络系统降级或崩溃而发出的；未经授权擅自使用网络，由于第二代因特网提供不同级别的服务，与之相对应的是不同的资源和费用管理，网络运营者必须防备那些试图逃避管理的行为；使用网络不当，这种情况不会影响网络本身，但是会给终端系统或网络使用者带来问题。它们能侵入计算机系统、在网络上窃取有用资料以及进行其他犯罪和违规行为。网络运营者必须懂得各类攻击的传统知识和最新方法，还必须明白何种措施能够探测和抵制这些攻击。与其他网络运营者及组织密切合作是必要的。 　　此外，虽在网络这一层次上，为应用软件所提供的安全措施非常有限，但在Internet2中仍将采用这些措施来确保应用软件的安全。

　　Internet2的发展

　　Internet2的发展工作是由它的各个工作组来做的，它的发展潜力和前景也就取决于工作组所进行的工作。工程组解决硬件铺设各方面的问题，涉及IPv6、组播、QoS、路由、安全等；应用组开展特定领域在其上的应用，目前只有艺术和人文分组可进入；端到端性能组关注协作方面的最佳实践、发展趋势；中间件组在研究安全认证中间件之外，还开展了针对教育领域的中间件研究，以满足教育和研究领域的学术和行政需要。

　　目前，Internet2对美国高等教育的影响还没有大规模深入地展开，原因可能在于新的技术并没有成熟到可以大规模地投入使用，新的技术还没有形成协调的一整套方便推广，还有也许就是商业运作的机制也不易达成大规模的采用新技术。

　　相关链接

　　●1996年，美国34所高校联合发起建设Internet2。

　　●1998年，美国100多所大学联合成立UCAID (University Corporation for Advanced Internet Development)，专门从事Internet2研究计划，研究课题包括大量的交互式图形/多媒体应用包括科学研究可视化、合作型虚拟现实（VR）和3D虚拟环境等。

　　●UCAID建设了一个独立的高速网络试验床Abilene，于1999年1月开始提供服务。Abilene是一个先进的主干网络，它支持由Internet2团体发展起来的新的应用项目的发展和部署。

　　●Internet2的大学成员发起SEGP计划(sponsored education group participant)，将州和地方教育网络连接到Abilene。目前已有25个州的教育网络与Internet2主干网相连，其中62%的州连入速度超过155mbps，75%的州可以做组播，67%的州教育网络提供多点会议服务，46%的州教育网络提供其他的视频服务。

　　本文系教育部《现代远程教育的技术发展与应用研究》课程成果，该课题属资料综述分析研究，在此对报告所引资料的作者和机构均表示感谢！