家庭教育服務平臺網絡群化聚合問題研究

田甜 朱琦

摘? 要：文章提出構建一種以大數據精確匹配、系統網絡群化為特征的家庭教育服務平臺，文中分析了現有資源類信息網絡平臺的不足，并結合家庭教育服務平臺特色功能需要，重點梳理平臺網絡群化后的聚合問題。在分析平臺網絡群化聚合的特性的基礎上，運用實驗法、分析對比法，以群化節點群組的選取為例，文章展示了如何實現家庭教育服務平臺網絡群化聚合。

關鍵詞：家庭教育服務平臺;網絡;群化聚合

中圖分類號：TP393.09? ? ? 文獻標識碼：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

習近平總書記指出：要做好家庭工作，發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。本課題受陜西學前師范學院2019年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目的資助，針對陜西省家庭教育培訓工作存在的現實問題，提出了一種大數據精確匹配、系統網絡群化為特征的家庭教育培訓服務平臺，力圖為推動我省家庭教育培訓提供發展助力。筆者作為陜西學前師范學院信息工程學院教師，長期從事信息網絡相關技術的研究，尤其對于復雜網絡節點的聚合問題、優化問題有比較深入的思考，本研究就是針對省級教育培訓服務平臺的使用需求，從聚合優化角度提出的解決方案。

教育服務類信息網絡平臺并不鮮見，但這類網絡平臺在面對海量節點短期爆發式信息交互需求時，往往會出現數據延遲、阻塞等問題，嚴重影響了網絡平臺功能的發揮。因此，對于服務對象面向全省的家庭教育服務平臺，在構建之初就必須要把海量節點和開銷作為平臺架構設計的基本前提，以滿足實際使用的需要。本論文重點從網絡群化聚合的角度，研究了節點遠程分布、節點隨遇加入退出、交互需求短時爆發情況下，如何優化網絡結構、提升通信效能的問題。

1? 家庭教育服務平臺網絡群化聚合基本特性

家庭教育服務平臺是多層級、多節點的復雜網絡，它的用戶端（節點），分布在省內各地的家庭，局部的眾多節點又匯集在區、街道、社區的區域服務平臺節點，形成群組（超級節點），若干超級節點又匯集在市、省一級的網絡服務平臺之上，呈現出超級節點間的聚合。在這個復雜網絡中，每個節點、超級節點都有可能因各種突發情況，出現隨機的接入、退出，以及陡增或銳減的信息交互需求，這就使得整個復雜網絡的拓撲結構和數據需求始終處在動態的變化之中，局部網絡資源可能大量閑置，局部又會出現短時過載，整個網絡呈現出不均衡的涌現性，進而造成信息傳輸的丟包延遲，甚至網絡平臺崩潰。

針對這個問題，本研究提出了網絡群化聚合的構想。群化聚合問題對網絡平臺效率的發揮重要性，早在美軍的作戰指揮系統網絡應用中就凸顯出來。在美空軍完善其作戰指揮系統時發現美軍研究人員針對其網絡平臺產生群化聚合問題，對多連接路徑的發現機制、多連接路徑的評估與選擇、多連接路徑的數據傳輸模式、多連接路徑的管理方法等問題進行研究。優化了聚合的方式，創建了群內協同網狀多連接網絡，在此網絡架構下，節點成員基于群內協同通信與多個基礎設施建立連接，以網狀多連接方式接入核心網，從而將美軍作戰指揮系統平臺的使用效率提升了15%，有效提高美軍網絡效率及通信質量。

具體而言有以下四個方面，一是節點動態鏈接特性。節點動態鏈接是指家庭教育服務平臺系統網絡群化所具有的中繼節點按需組合、通信鏈路多重冗余的能力。在網絡群化中，基于共同的路由協議和信息柵格網，分布在網絡空間內的各個節點、群化節點可以實現橫向的溝通、融合，構成了具有明顯小世界特征的，擁有較短網絡平均路徑、較高聚類系數的網絡。二是拓撲結構時變特性。拓撲結構時變是指家庭教育服務平臺系統網絡群化所具有的網絡拓撲動態變化、靈活高效的組網能力。它與節點動態鏈接特性緊密相關，節點的動態鏈接必然帶來網絡拓撲結構的時變，拓撲結構的時變能力為節點動態鏈接提供了可能。三是映射關系剝離特性。映射關系剝離是指家庭教育服務平臺系統體系結構與上級政府指導平臺控制關系不構成嚴格映射。在傳統的政府服務網絡平臺中，由于上下級指導層級關系固化，網絡的體系結構是與上下級層級結構嚴格對應的。但在家庭教育服務平臺網絡中，由于教育模塊功能的不斷交叉與外延，節點的群化、群化節點組織間的交聯和多層次、多維度的子網融合，上下級關系的層級邊界逐漸模糊，整體其實是一個復雜的超網絡系統。網絡中存在若干邏輯上的超級節點（群組）和大量普通節點（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變化，一般由群化算法自動選舉產生。四是節點隨遇接入特性。節點隨遇接入是指家庭教育服務平臺系統網絡群化可以使平臺的各個教育指導服務模塊根據任務需要和環境條件動態優化組合，迅速地組建或加入某一網絡群化節點中。任何具備了相應訪問權限的用戶只要加入平臺系統網絡，就可以與網絡內其他節點實現信息的實時交流。這種特性使得網絡運動的方式更加靈活，進而產生選擇、資源和行動的最佳匹配，充分滿足家庭教育服務平臺系統的非線性使用要求，如圖1所示。

在本課題研究中，構建了基于云計算的家庭教育服務平臺。采用Hadoop技術搭建云計算環境，以滿足數據存儲、分發和計算需求。由于其系統功能架構中需要實現注冊登錄、在線教學、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，下設在線直播課堂、在線直播秀場、發育指標測試、發育曲線跟蹤、遠程醫療問診、教育專家咨詢、虐待傷害求助、免費視頻播放、付費服務購買等內容，覆蓋了家庭教育的多數需求。最主要的是要與省級婦聯網絡平臺相對接。滿足實現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提供依據。在服務平臺仿真搭建過程中，采用OPNET平臺做仿真驗證。

首先是對配置的業務與節點進行關聯。將上述定義的業務和業務行為關聯到網絡中對應的節點模型上，即說明哪些節點使用上述定義的何種業務，以及采用哪種業務行為進行該業務的收發。具體是在Protocols > Application > Deploy Defined Application中，隨機選中一部分通信節點導入至右側的名稱為ftp user的Source下，表示該業務行為及執行規律由這些通信節點發起和執行，然后選中另一部分節點導入至右側的Server下，表示由這些節點接收上述通信節點發送的業務，如圖2所示。

其次是主要結合網絡群化的特點，對各通信單元進行路由協議的設置，所需配置的主要參數如圖3所示。

IP > IP Routing Parameters > Interface Information：用于設置一級平臺節點或二級平臺節點各接口的IP地址、子網掩碼及采用的路由協議。

IP > IP Host Parameters > Interface Information：用于設置各單元節點的IP地址和子網掩碼。

AD-HOC Routing Parameters > AD-HOC Routing Protocol：用于設置各單元節點所采用的自組網路由協議。針對網絡群化的組網規模和所需傳輸業務的實時性要求，并對自組網路由協議主要選擇AODV和OLSR這兩種協議進行仿真驗證。

經過多次試運行測試顯示，考慮網絡群化聚合問題后，構建群內協同網狀多連接網絡的確能提高網絡運行速率5%左右，因該家庭教育服務平臺還未正式搭建完成投入使用，因此詳細數據需進一步測試實驗。

2? 家庭教育服務平臺網絡群化聚合的實現

分析了家庭教育服務平臺系統網絡群化聚合的特性，在實際的網絡構建過程中，重點還是要研究如何實現這種聚合，以及聚合以后群化節點如何管理等問題。篇幅有限，這里以群化節點群組的選取為例。

群化節點的行為都是以群組為基礎的，群組的選取策略非常重要。群化節點的群組選取，可通過節點向周圍周期性的發送群組選取請求，獲取臨近節點的回復信息，得到群化度向量。當節點間的群化度達到某個閾值時，則發布群組建立公告，并宣布本節點的群組身份。把接連兩次發送群組選取請求HELLO報文的時間間隔記為TH，節點在發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，再次發送該群組選取請求。發出群組選取請求的節點在發送信息前，如果監聽到有節點處于忙時狀態，則要再從[0，CW1]中隨機選取某一回退時間dt1，等待回退結束后再次嘗試發送。其中CW1為第1次發送失敗，即有其他節點處于忙時狀態，回退窗的大小。如圖4所示。

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

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

定義2：定義節點成員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：定義節點成員MTi的鏈路質量向量為? ，為MTj在之前第r個TSCAN時段收到的正確群組選取請求個數。其中? 為：

具體來說， 為MTi在上一個TSCAN內成功收到群組選取請求個數，相應的， 為在過去的W-1個周期內的鏈路質量向量。

定義4：定義V={vij：MTj∈θ}為規一化鏈路質量向量，用于描述節點成員MTi在一個群化度量窗內的鏈路質量，其計算方法為：

其中，η∈（0，1]為算法調節參數。由于 為一個掃描周期內節點成員成功發送群組選取請求的最大個數，因此當MTi在WTSCAN內成功收到來自MTj的群組選取請求個數為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。當節點成員在規定時間內沒有收到相應的群組選取請求時，群化度將以γ為系數衰減。

基于上述群組選取請求發送規則和有關向量的定義，動態群化節點的群組選取策略為：

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

（2）若某節點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量向量Li0，將相應的第i個分量加1，即? ;更新自身的群化度向量sj，調整相應的第i個分量，sji=γ（sji+sii）;

（3）若某節點MTj在TH+ΔT內沒有收到來自MTi的群組選取請求，MTj將更新自己的群化度向量sj，調整相應的第i個分量，sji←γsji;

（4）每個節點成員MTi，根據定義4計算鏈路質量向量;

（5）MTi更新所有鏈路質量向量 ，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，，其中為設定的群化度閾值，則MTi將發布公告宣布自己為組頭。

在教育服務平臺中，當若干節點（終端用戶）根據其群化度確定其組頭身份后，在群內發布公告，通告該群化節點內各成員。所有過程完成后，群組向系統發送群化節點建立公告，并申請相應群化資源。系統會根據群組的申請信息，在沒有使用的群化節點標識中，動態選取某個群組標識和節點標識分配給該群化節點，并在網絡中注冊該群化節點信息。群組收到系統返回的確認后，更新群化標識字段，在系統內發布群化節點建立信息，完成整個群化節點建立過程，進而使空閑網絡資源得以均衡分配。

3? 結? 論

家庭教育服務平臺的功能需求、終端分布和用戶使用特征，將導致系統網絡呈現出資源配置不均衡、動態調整能力不足的問題。本研究從海量節點參與網絡活動的群體性特征入手，提出了一種網絡群化效應下的動態組網的機制，提升網絡的耦合強度、使得網絡的魯棒性增強、促進網絡的融合性并且增加網絡的開放性。

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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：數字媒體技術，網絡架構設計等;通訊作者：朱琦（1997—），男，漢族，陜西延安人，本科，研究方向：數字媒體技術。