田甜 朱琦

摘? 要：文章提出構(gòu)建一種以大數(shù)據(jù)精確匹配、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化為特征的家庭教育服務(wù)平臺，文中分析了現(xiàn)有資源類信息網(wǎng)絡(luò)平臺的不足，并結(jié)合家庭教育服務(wù)平臺特色功能需要，重點梳理平臺網(wǎng)絡(luò)群化后的聚合問題。在分析平臺網(wǎng)絡(luò)群化聚合的特性的基礎(chǔ)上，運用實驗法、分析對比法，以群化節(jié)點群組的選取為例，文章展示了如何實現(xiàn)家庭教育服務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)群化聚合。

關(guān)鍵詞：家庭教育服務(wù)平臺;網(wǎng)絡(luò);群化聚合

中圖分類號：TP393.09? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0099-04

Research on Network Cluster Aggregation of Family Education Service Platform

TIAN Tian，ZHU Qi

（School of Information Engineering，Shaanxi Xueqian Normal University，Xian 710100，China）

Abstract：This paper proposes to build a family education service platform characterized by accurate big data matching and system network clustering. This paper analyzes the shortcomings of the existing resource information network platform，and focuses on the aggregation problem after the platform network clustering in combination with the characteristic function needs of the family education service platform. Based on the analysis of the characteristics of the platform network cluster aggregation，using the experimental method，analysis and comparison method，taking the selection of cluster node group as an example，this paper shows how to realize the family education service platform network cluster aggregation.

Keywords：family education service platform;network;cluster aggregation

0? 引? 言

習(xí)近平總書記指出：要做好家庭工作，發(fā)揮婦女在社會生活和家庭生活中的獨特作用，在弘揚中華民族家庭美德、樹立良好家風(fēng)方面的獨特作用，以小家庭的和諧共建大社會的和諧，推動形成家家幸福安康的生動局面。本課題受陜西學(xué)前師范學(xué)院2019年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的資助，針對陜西省家庭教育培訓(xùn)工作存在的現(xiàn)實問題，提出了一種大數(shù)據(jù)精確匹配、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化為特征的家庭教育培訓(xùn)服務(wù)平臺，力圖為推動我省家庭教育培訓(xùn)提供發(fā)展助力。筆者作為陜西學(xué)前師范學(xué)院信息工程學(xué)院教師，長期從事信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究，尤其對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的聚合問題、優(yōu)化問題有比較深入的思考，本研究就是針對省級教育培訓(xùn)服務(wù)平臺的使用需求，從聚合優(yōu)化角度提出的解決方案。

教育服務(wù)類信息網(wǎng)絡(luò)平臺并不鮮見，但這類網(wǎng)絡(luò)平臺在面對海量節(jié)點短期爆發(fā)式信息交互需求時，往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲、阻塞等問題，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)平臺功能的發(fā)揮。因此，對于服務(wù)對象面向全省的家庭教育服務(wù)平臺，在構(gòu)建之初就必須要把海量節(jié)點和開銷作為平臺架構(gòu)設(shè)計的基本前提，以滿足實際使用的需要。本論文重點從網(wǎng)絡(luò)群化聚合的角度，研究了節(jié)點遠程分布、節(jié)點隨遇加入退出、交互需求短時爆發(fā)情況下，如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提升通信效能的問題。

1? 家庭教育服務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)群化聚合基本特性

家庭教育服務(wù)平臺是多層級、多節(jié)點的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，它的用戶端（節(jié)點），分布在省內(nèi)各地的家庭，局部的眾多節(jié)點又匯集在區(qū)、街道、社區(qū)的區(qū)域服務(wù)平臺節(jié)點，形成群組（超級節(jié)點），若干超級節(jié)點又匯集在市、省一級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺之上，呈現(xiàn)出超級節(jié)點間的聚合。在這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點、超級節(jié)點都有可能因各種突發(fā)情況，出現(xiàn)隨機的接入、退出，以及陡增或銳減的信息交互需求，這就使得整個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)需求始終處在動態(tài)的變化之中，局部網(wǎng)絡(luò)資源可能大量閑置，局部又會出現(xiàn)短時過載，整個網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出不均衡的涌現(xiàn)性，進而造成信息傳輸?shù)膩G包延遲，甚至網(wǎng)絡(luò)平臺崩潰。

針對這個問題，本研究提出了網(wǎng)絡(luò)群化聚合的構(gòu)想。群化聚合問題對網(wǎng)絡(luò)平臺效率的發(fā)揮重要性，早在美軍的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中就凸顯出來。在美空軍完善其作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)美軍研究人員針對其網(wǎng)絡(luò)平臺產(chǎn)生群化聚合問題，對多連接路徑的發(fā)現(xiàn)機制、多連接路徑的評估與選擇、多連接路徑的數(shù)據(jù)傳輸模式、多連接路徑的管理方法等問題進行研究。優(yōu)化了聚合的方式，創(chuàng)建了群內(nèi)協(xié)同網(wǎng)狀多連接網(wǎng)絡(luò)，在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，節(jié)點成員基于群內(nèi)協(xié)同通信與多個基礎(chǔ)設(shè)施建立連接，以網(wǎng)狀多連接方式接入核心網(wǎng)，從而將美軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)平臺的使用效率提升了15%，有效提高美軍網(wǎng)絡(luò)效率及通信質(zhì)量。

具體而言有以下四個方面，一是節(jié)點動態(tài)鏈接特性。節(jié)點動態(tài)鏈接是指家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化所具有的中繼節(jié)點按需組合、通信鏈路多重冗余的能力。在網(wǎng)絡(luò)群化中，基于共同的路由協(xié)議和信息柵格網(wǎng)，分布在網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)的各個節(jié)點、群化節(jié)點可以實現(xiàn)橫向的溝通、融合，構(gòu)成了具有明顯小世界特征的，擁有較短網(wǎng)絡(luò)平均路徑、較高聚類系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。二是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時變特性。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時變是指家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化所具有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化、靈活高效的組網(wǎng)能力。它與節(jié)點動態(tài)鏈接特性緊密相關(guān)，節(jié)點的動態(tài)鏈接必然帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時變，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時變能力為節(jié)點動態(tài)鏈接提供了可能。三是映射關(guān)系剝離特性。映射關(guān)系剝離是指家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與上級政府指導(dǎo)平臺控制關(guān)系不構(gòu)成嚴(yán)格映射。在傳統(tǒng)的政府服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺中，由于上下級指導(dǎo)層級關(guān)系固化，網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是與上下級層級結(jié)構(gòu)嚴(yán)格對應(yīng)的。但在家庭教育服務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)中，由于教育模塊功能的不斷交叉與外延，節(jié)點的群化、群化節(jié)點組織間的交聯(lián)和多層次、多維度的子網(wǎng)融合，上下級關(guān)系的層級邊界逐漸模糊，整體其實是一個復(fù)雜的超網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中存在若干邏輯上的超級節(jié)點（群組）和大量普通節(jié)點（成員），群組與成員的身份不是固定不變的，而是隨著外部條件的改變動態(tài)變化，一般由群化算法自動選舉產(chǎn)生。四是節(jié)點隨遇接入特性。節(jié)點隨遇接入是指家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化可以使平臺的各個教育指導(dǎo)服務(wù)模塊根據(jù)任務(wù)需要和環(huán)境條件動態(tài)優(yōu)化組合，迅速地組建或加入某一網(wǎng)絡(luò)群化節(jié)點中。任何具備了相應(yīng)訪問權(quán)限的用戶只要加入平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，就可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點實現(xiàn)信息的實時交流。這種特性使得網(wǎng)絡(luò)運動的方式更加靈活，進而產(chǎn)生選擇、資源和行動的最佳匹配，充分滿足家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)的非線性使用要求，如圖1所示。

在本課題研究中，構(gòu)建了基于云計算的家庭教育服務(wù)平臺。采用Hadoop技術(shù)搭建云計算環(huán)境，以滿足數(shù)據(jù)存儲、分發(fā)和計算需求。由于其系統(tǒng)功能架構(gòu)中需要實現(xiàn)注冊登錄、在線教學(xué)、視音頻播放、評估測試、遠程幫助、異情反饋、交流論壇、購物商城等主板塊，下設(shè)在線直播課堂、在線直播秀場、發(fā)育指標(biāo)測試、發(fā)育曲線跟蹤、遠程醫(yī)療問診、教育專家咨詢、虐待傷害求助、免費視頻播放、付費服務(wù)購買等內(nèi)容，覆蓋了家庭教育的多數(shù)需求。最主要的是要與省級婦聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺相對接。滿足實現(xiàn)政府部門的信息采集、匯總、分析功能，以及為政府職能部門制定家庭教育政策法規(guī)提供依據(jù)。在服務(wù)平臺仿真搭建過程中，采用OPNET平臺做仿真驗證。

首先是對配置的業(yè)務(wù)與節(jié)點進行關(guān)聯(lián)。將上述定義的業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)行為關(guān)聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的節(jié)點模型上，即說明哪些節(jié)點使用上述定義的何種業(yè)務(wù)，以及采用哪種業(yè)務(wù)行為進行該業(yè)務(wù)的收發(fā)。具體是在Protocols > Application > Deploy Defined Application中，隨機選中一部分通信節(jié)點導(dǎo)入至右側(cè)的名稱為ftp user的Source下，表示該業(yè)務(wù)行為及執(zhí)行規(guī)律由這些通信節(jié)點發(fā)起和執(zhí)行，然后選中另一部分節(jié)點導(dǎo)入至右側(cè)的Server下，表示由這些節(jié)點接收上述通信節(jié)點發(fā)送的業(yè)務(wù)，如圖2所示。

其次是主要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)群化的特點，對各通信單元進行路由協(xié)議的設(shè)置，所需配置的主要參數(shù)如圖3所示。

IP > IP Routing Parameters > Interface Information：用于設(shè)置一級平臺節(jié)點或二級平臺節(jié)點各接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼及采用的路由協(xié)議。

IP > IP Host Parameters > Interface Information：用于設(shè)置各單元節(jié)點的IP地址和子網(wǎng)掩碼。

AD-HOC Routing Parameters > AD-HOC Routing Protocol：用于設(shè)置各單元節(jié)點所采用的自組網(wǎng)路由協(xié)議。針對網(wǎng)絡(luò)群化的組網(wǎng)規(guī)模和所需傳輸業(yè)務(wù)的實時性要求，并對自組網(wǎng)路由協(xié)議主要選擇AODV和OLSR這兩種協(xié)議進行仿真驗證。

經(jīng)過多次試運行測試顯示，考慮網(wǎng)絡(luò)群化聚合問題后，構(gòu)建群內(nèi)協(xié)同網(wǎng)狀多連接網(wǎng)絡(luò)的確能提高網(wǎng)絡(luò)運行速率5%左右，因該家庭教育服務(wù)平臺還未正式搭建完成投入使用，因此詳細(xì)數(shù)據(jù)需進一步測試實驗。

2? 家庭教育服務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)群化聚合的實現(xiàn)

分析了家庭教育服務(wù)平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)群化聚合的特性，在實際的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，重點還是要研究如何實現(xiàn)這種聚合，以及聚合以后群化節(jié)點如何管理等問題。篇幅有限，這里以群化節(jié)點群組的選取為例。

群化節(jié)點的行為都是以群組為基礎(chǔ)的，群組的選取策略非常重要。群化節(jié)點的群組選取，可通過節(jié)點向周圍周期性的發(fā)送群組選取請求，獲取臨近節(jié)點的回復(fù)信息，得到群化度向量。當(dāng)節(jié)點間的群化度達到某個閾值時，則發(fā)布群組建立公告，并宣布本節(jié)點的群組身份。把接連兩次發(fā)送群組選取請求HELLO報文的時間間隔記為TH，節(jié)點在發(fā)送完一次群組選取請求后，等待TH+dt0，其中dt0為一個隨機的回退時間，服從[0，CW0]上的均勻分布，CW0為初始回退窗大小，再次發(fā)送該群組選取請求。發(fā)出群組選取請求的節(jié)點在發(fā)送信息前，如果監(jiān)聽到有節(jié)點處于忙時狀態(tài)，則要再從[0，CW1]中隨機選取某一回退時間dt1，等待回退結(jié)束后再次嘗試發(fā)送。其中CW1為第1次發(fā)送失敗，即有其他節(jié)點處于忙時狀態(tài)，回退窗的大小。如圖4所示。

定義1：定義W為群化度量窗，即一個節(jié)點成員記錄的其他相領(lǐng)節(jié)點成員的群組選取請求最多個數(shù)。

對某一個節(jié)點成員MTi，i為節(jié)點成員標(biāo)識，記θ為在最近一個群化度量窗WTSCAN內(nèi)，與本節(jié)點成員成功建立鏈路的節(jié)點成員集合。定義以下三個向量：

定義2：定義節(jié)點成員MTi的群化度向量為Si={sij：MTj∈θ}，記錄在上一TSCAN時段成功收到相鄰節(jié)點成員群組選取請求的群化度值。其中，sij的含義為：

sij∈R，為MTi對其鄰節(jié)點的群化度。

sij∈R，為MTi對MTj自身群化度的估計。

定義3：定義節(jié)點成員MTi的鏈路質(zhì)量向量為? ，為MTj在之前第r個TSCAN時段收到的正確群組選取請求個數(shù)。其中? 為：

具體來說， 為MTi在上一個TSCAN內(nèi)成功收到群組選取請求個數(shù)，相應(yīng)的， 為在過去的W-1個周期內(nèi)的鏈路質(zhì)量向量。

定義4：定義V={vij：MTj∈θ}為規(guī)一化鏈路質(zhì)量向量，用于描述節(jié)點成員MTi在一個群化度量窗內(nèi)的鏈路質(zhì)量，其計算方法為：

其中，η∈（0，1]為算法調(diào)節(jié)參數(shù)。由于 為一個掃描周期內(nèi)節(jié)點成員成功發(fā)送群組選取請求的最大個數(shù)，因此當(dāng)MTi在WTSCAN內(nèi)成功收到來自MTj的群組選取請求個數(shù)為ηW 時，式中的vij等于1。

定義5：定義γ∈（0，1）為群化度衰竭系數(shù)。當(dāng)節(jié)點成員在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到相應(yīng)的群組選取請求時，群化度將以γ為系數(shù)衰減。

基于上述群組選取請求發(fā)送規(guī)則和有關(guān)向量的定義，動態(tài)群化節(jié)點的群組選取策略為：

（1）每個節(jié)點成員MTi每隔TH秒嘗試發(fā)送一個群組選取請求，包含其當(dāng)前的群化度信息sii;

（2）若某節(jié)點MTi收到該群組選取請求，則提取群化度信息sii，并更新自身的鏈路質(zhì)量向量Li0，將相應(yīng)的第i個分量加1，即? ;更新自身的群化度向量sj，調(diào)整相應(yīng)的第i個分量，sji=γ（sji+sii）;

（3）若某節(jié)點MTj在TH+ΔT內(nèi)沒有收到來自MTi的群組選取請求，MTj將更新自己的群化度向量sj，調(diào)整相應(yīng)的第i個分量，sji←γsji;

（4）每個節(jié)點成員MTi，根據(jù)定義4計算鏈路質(zhì)量向量;

（5）MTi更新所有鏈路質(zhì)量向量 ，同時將Li0初始化為0;

（6）MTi計算自己的群化度，其中I（vij）=1{vij>1};

（7）MTi判斷自身群化度值sii，，其中為設(shè)定的群化度閾值，則MTi將發(fā)布公告宣布自己為組頭。

在教育服務(wù)平臺中，當(dāng)若干節(jié)點（終端用戶）根據(jù)其群化度確定其組頭身份后，在群內(nèi)發(fā)布公告，通告該群化節(jié)點內(nèi)各成員。所有過程完成后，群組向系統(tǒng)發(fā)送群化節(jié)點建立公告，并申請相應(yīng)群化資源。系統(tǒng)會根據(jù)群組的申請信息，在沒有使用的群化節(jié)點標(biāo)識中，動態(tài)選取某個群組標(biāo)識和節(jié)點標(biāo)識分配給該群化節(jié)點，并在網(wǎng)絡(luò)中注冊該群化節(jié)點信息。群組收到系統(tǒng)返回的確認(rèn)后，更新群化標(biāo)識字段，在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)布群化節(jié)點建立信息，完成整個群化節(jié)點建立過程，進而使空閑網(wǎng)絡(luò)資源得以均衡分配。

3? 結(jié)? 論

家庭教育服務(wù)平臺的功能需求、終端分布和用戶使用特征，將導(dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出資源配置不均衡、動態(tài)調(diào)整能力不足的問題。本研究從海量節(jié)點參與網(wǎng)絡(luò)活動的群體性特征入手，提出了一種網(wǎng)絡(luò)群化效應(yīng)下的動態(tài)組網(wǎng)的機制，提升網(wǎng)絡(luò)的耦合強度、使得網(wǎng)絡(luò)的魯棒性增強、促進網(wǎng)絡(luò)的融合性并且增加網(wǎng)絡(luò)的開放性。

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作者簡介：田甜（1982—），女，漢族，陜西西安人，副教授，博士，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計等;通訊作者：朱琦（1997—），男，漢族，陜西延安人，本科，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)。