基于P2P網(wǎng)絡(luò)的多校區(qū)分布式教學(xué)資源共享模型

潘懷， 姜英杰

(1. 吉林水利電力職業(yè)學(xué)院, 教務(wù)處， 吉林， 長(zhǎng)春 130117;2. 長(zhǎng)春藝術(shù)實(shí)驗(yàn)中學(xué)， 信息中心， 吉林， 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外很多的高校與教育機(jī)構(gòu)都在為教學(xué)事業(yè)提供大量的資源，這些資源的形式也多種多樣[1]。但通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，這些資源的大部分都只是對(duì)資源的簡(jiǎn)單堆砌，而且在分類上也并不明確，同時(shí)資源的更新速度也非常緩慢，學(xué)生和教師難以高效利用這些資源，甚至?xí)霈F(xiàn)資源交互過(guò)于頻繁或搜索誤差的問(wèn)題[2]。

有效的教學(xué)資源共享機(jī)制可有效解決上述問(wèn)題。對(duì)此，相關(guān)學(xué)者展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)[3]針對(duì)特大城市智慧教育發(fā)展情況，提出了基于區(qū)塊鏈的教育資源共享平臺(tái)，文獻(xiàn)[4]提出了基于Hadoop與聚類分析的學(xué)習(xí)資源共享平臺(tái)，并通過(guò)本體檢索完成對(duì)檢索內(nèi)容的排序，從而實(shí)現(xiàn)資源共享，文獻(xiàn)[5]基于云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種在線教育課程資源共享模型，文獻(xiàn)[6]針對(duì)高校英語(yǔ)數(shù)字化教學(xué)資源，基于功能模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化分類共享系統(tǒng)。

然而隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的共享機(jī)制已逐漸落后，其使用效果大大降低。針對(duì)此問(wèn)題，本研究構(gòu)建了一種基于P2P(Peer-to-Peer)網(wǎng)絡(luò)的多校區(qū)分布式教學(xué)資源共享模型。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，在文件共享、對(duì)等計(jì)算等眾多領(lǐng)域內(nèi)顯示出較大的優(yōu)勢(shì)，特別是非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)由于其便捷性與高效性得到了廣泛的應(yīng)用。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 索引層

為處理海量教學(xué)資源集和連接搜索問(wèn)題，模型使用域索引方法。為此，憑借域重新擬定教學(xué)資源集合。

定義1數(shù)據(jù)集的屬性組合稱為域。將分布式教學(xué)資源用D來(lái)描述。如果符號(hào)Ω代表域取值的全集，則存在：

D=xx∈Ω

(1)

憑借域重新擬定的資源集合S能夠憑借下式描述：

S=D1,D2,…,Dn

(2)

定義2針對(duì)域Q,I，域的關(guān)聯(lián)度可表示為

tQ,I=Q∩I/Q

(3)

其中，·代表集合的基。通常，擬定Q代表查詢域，I代表索引域，域的關(guān)聯(lián)度為tQ,I∈0,1，其值越大，域之間的鏈接性越好。

定義3針對(duì)擬定的域Q、域集I與關(guān)聯(lián)度門限值t*∈0,1，從域集I內(nèi)搜索關(guān)聯(lián)度超過(guò)t*的過(guò)程，將其描述成域搜索，其形式化能夠表示成：

X:tQ,X≥t*,X∈I

(4)

定義4索引域I的Hash值組成的索引就是域索引。通常來(lái)說(shuō)，會(huì)將簽名向量劃分為b種分區(qū)，所有分區(qū)內(nèi)都會(huì)存在r行，那么變成預(yù)選域的幾率和Haccard相速度s之間的關(guān)聯(lián)就能夠描述成：

Psb,r=1-1-srb

(5)

對(duì)于域關(guān)聯(lián)度的非對(duì)稱性，本文憑借域關(guān)聯(lián)度和Jaccard相似度s互相轉(zhuǎn)換的解決方式，其關(guān)聯(lián)如式(6)、式(7)所示。

x,qt=t/x/q+1-t

(6)

x,qs=x/q+1s/s+1

(7)

式中，x=X,q=Q，X,Q?D分別代表域X和域Q的基。

1.2 教學(xué)資源庫(kù)

分布式資源庫(kù)即資源分布儲(chǔ)存在不同節(jié)點(diǎn)內(nèi)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)中的資源庫(kù)。本研究中，分布式資源庫(kù)模塊以計(jì)算機(jī)P2P網(wǎng)絡(luò)作為媒介，把地理上分散在多種獨(dú)立式的資源庫(kù)連接在一起，在邏輯上構(gòu)建一種全局邏輯視圖。在分布式資源庫(kù)模塊內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)資源庫(kù)模塊都是可以獨(dú)立支持本地應(yīng)用的，同時(shí)可以供給對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的資源共享能力。

分布式資源庫(kù)模塊的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式資源庫(kù)模塊架構(gòu)

分布式資源庫(kù)被劃分為四層模式即全局外模式、全局概念模式、局部概念模式與局部?jī)?nèi)模式。在各個(gè)臨近的層模式之間都具有對(duì)應(yīng)的層間映像，經(jīng)過(guò)層間映像完成模式之間的切換。

1.3 數(shù)據(jù)層

構(gòu)建數(shù)據(jù)層的目的是為了安全實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的輸入與輸出。本文模型以關(guān)聯(lián)計(jì)算為例，詳細(xì)描述了鏈接、選取與排序計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。首先，考慮在選擇、鏈接、排序三種計(jì)算內(nèi)，挑選計(jì)算只涉及單體關(guān)聯(lián)的計(jì)算，后兩種計(jì)算滿足交換律與結(jié)合律。

1) 選擇

選擇指從關(guān)聯(lián)R內(nèi)采集滿足特性需求的統(tǒng)計(jì)屬性值。假設(shè)資源查詢請(qǐng)求方P1共享的查詢向量為xj，請(qǐng)求安全預(yù)算為εj；查詢處理方P2的資源集合y與其總的安全預(yù)算為Bu。通過(guò)P2隨機(jī)擾亂資源集合y的順序，使得i=0，同時(shí)如果xj=yi，且εj≤B，那么Bu←Bu-εj，輸出σyi+Laplaces/εj。其中，s代表函數(shù)的敏感度。假如εj>Bu，則提示超出安全預(yù)算，并停止模型共享。如果xj不等于yi，則i=i+1；如果遍歷完每一個(gè)yi記錄，則停止計(jì)算。

2) 鏈接

數(shù)據(jù)鏈接即把不同的教學(xué)資源集合內(nèi)存在相同關(guān)鍵字的記錄合并在一起的流程，模型經(jīng)過(guò)子查詢的形式完成對(duì)數(shù)據(jù)的鏈接處理，就是共享的資源在各方之間傳輸以實(shí)現(xiàn)最終的鏈接操作，其鏈接操作的大致流程如下：

假設(shè)所有共享的分布式教學(xué)資源為Ti，ki代表資源集合的主鍵列，所有輸入方共享的等值鏈接數(shù)據(jù)即擬定成T*。打亂各自的教學(xué)資源集合Ti，同時(shí)依靠T*i描述打亂之后的資源集合，k*i代表打亂之后的主鍵列，憑借各方之間的共享訪問(wèn)控制s挑選隨機(jī)置換函數(shù)πs；各方以此憑借置換函數(shù)πs評(píng)測(cè)查詢主鍵列k*i，同時(shí)把值πsk*i依次傳輸至后續(xù)的計(jì)算方，后續(xù)的計(jì)算方以此和上一計(jì)算方傳輸過(guò)來(lái)的結(jié)果進(jìn)行連接，最后產(chǎn)生結(jié)果表T*。

上述過(guò)程中，πs代表偽隨機(jī)置換簇，密鑰s代表唯一確定的某一特定置換，對(duì)于兩個(gè)計(jì)算方法，擬定各自維護(hù)的教學(xué)資源集合內(nèi)記錄的數(shù)分別是m,n，那么算法的時(shí)間復(fù)雜度就是mlogn。

3) 排序

排序的實(shí)質(zhì)即茫然排序，擬定n種計(jì)算方共享教學(xué)資源向量x1,x2,…,xn，那么共享向量就能夠描述成x1,x2,…,xn，排序的目標(biāo)就是按照特定的比較原則，確定向量的順序，其大致流程如下：

擬定各計(jì)算方加密共享的向量為xi，排序向量擬定為x′，隨機(jī)挑選各計(jì)算方法的輸入向量，在1≤i≤j≤n時(shí)，并行計(jì)算gi,j=xi≤xj，憑借gi,j對(duì)向量x進(jìn)行排序，就能夠得到排序向量x′，其算法的復(fù)雜度為on2。

依靠上述三種計(jì)算就能夠組建數(shù)據(jù)層的具體結(jié)構(gòu)，該層不僅能夠確保多校區(qū)分布式教學(xué)資源的安全，還可以為資源共享提供自動(dòng)排列以及關(guān)鍵詞選取等過(guò)程服務(wù)。

1.4 教學(xué)資源共享模型的實(shí)現(xiàn)

基于P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式教學(xué)資源共享模型主要存在兩個(gè)域：邊緣節(jié)點(diǎn)域、服務(wù)器域。在該模型內(nèi)，服務(wù)器存在全局節(jié)點(diǎn)信息管理、全局資源信息、檢索模塊、集中管理的分布式教學(xué)資源庫(kù)等模塊。

通常的教學(xué)資源會(huì)重點(diǎn)關(guān)注于某一兩個(gè)領(lǐng)域上，所以能夠按照學(xué)習(xí)關(guān)注領(lǐng)域，把其所有的Peer節(jié)點(diǎn)都分化成若干種對(duì)等組。本文把所有Peer節(jié)點(diǎn)內(nèi)的教學(xué)資源架構(gòu)劃分為五層。

1) 網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)隨著節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)退出與接入而不斷出現(xiàn)變化，這為節(jié)點(diǎn)與教學(xué)資源的定位、管理與穩(wěn)定共享帶來(lái)了一定的困難。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層就是需要屏蔽各Peer節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)差異性同時(shí)為上層供給穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2) 覆蓋網(wǎng)絡(luò)層：因?yàn)镻2P網(wǎng)絡(luò)即存在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基本設(shè)施上，所組建的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，所以在該層需要擁有：資源定位、對(duì)等組機(jī)制、節(jié)點(diǎn)管理與路由機(jī)制等模塊。以資源定位機(jī)制以及路由為例，Peer節(jié)點(diǎn)之間直接的基于DHT的資源定位以及路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)都能夠通過(guò)該層實(shí)現(xiàn)。

3) 安全層：因?yàn)槟Ｐ拖到y(tǒng)應(yīng)用與開(kāi)放的Internet環(huán)境中，安全可靠性即模型穩(wěn)定、正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。在模型安全層至少需要供給訪問(wèn)控制、身份認(rèn)證、性能監(jiān)控與數(shù)據(jù)加密的安全服務(wù)，而系統(tǒng)的良性發(fā)展則需要憑借有效的信任機(jī)制，經(jīng)過(guò)信任機(jī)制來(lái)防止惡意節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以此縮減其對(duì)模型的傷害。

4) 資源層：多校區(qū)分布式教學(xué)資源共享模型的核心層即資源層，其包括教學(xué)資源庫(kù)、資源緩存、資源關(guān)聯(lián)等。資源庫(kù)內(nèi)存在本地儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存的教學(xué)資源屬性信息。例如種類、語(yǔ)法、寫(xiě)作和儲(chǔ)存路徑等，資源緩存就是因正在上傳、下載與閱讀而臨時(shí)儲(chǔ)存在內(nèi)存里的教學(xué)資源，其能夠加快資源共享速度，資源常常彼此引用，其在參考教學(xué)資源時(shí)尤為體現(xiàn)。

5) 應(yīng)用層：該層攻擊了用戶界面，即模型與用戶的接口，供給的功能有本地與異地教學(xué)資源檢索、教學(xué)資源合成與切片、資源傳輸、更新、壓縮、評(píng)價(jià)機(jī)制等。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為證明基于P2P網(wǎng)絡(luò)的多校區(qū)分布式教學(xué)資源共享模型的實(shí)用性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

利用該模型對(duì)某地區(qū)多校區(qū)分布式教學(xué)資源進(jìn)行共享實(shí)驗(yàn)，資源上傳效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 資源共享效率

由圖2可知，隨著教學(xué)資源總量的提升，使用本文模型后資源上傳的速度會(huì)逐漸降低，但其下降的幅度并不大，說(shuō)明其共享速度快。這是因?yàn)樵撃Ｐ蛢?nèi)設(shè)置了索引層，能夠憑借特定屬性或?qū)傩缘慕M合構(gòu)建域，憑借域索引完成對(duì)教學(xué)資源的快速聚類與數(shù)據(jù)上傳。

假設(shè)多校區(qū)分布式教學(xué)資源中存在1 000條需要更新的資源，設(shè)定將原始教學(xué)資源分成6組，同時(shí)，每組存在不同的更新上限。利用本文模型對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行共享，得到教學(xué)資源共享結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，使用本文模型對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行共享后，教學(xué)資源的更新量與更新上限相差不大，說(shuō)明其更新速度快。這是因?yàn)樵撃Ｐ蛢?nèi)設(shè)置了覆蓋網(wǎng)絡(luò)層，該層內(nèi)具有資源定位、對(duì)等組機(jī)制、節(jié)點(diǎn)管理與路由機(jī)制等模塊，可對(duì)教學(xué)資源的實(shí)時(shí)定位與資源管理，在產(chǎn)生新的教學(xué)資源后，模塊會(huì)對(duì)新產(chǎn)生的資源進(jìn)行定位，并憑借節(jié)點(diǎn)管理模塊，將資源融入原始教學(xué)資源內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的實(shí)時(shí)更新共享。

圖3 教學(xué)資源實(shí)時(shí)更新性能

在此基礎(chǔ)上，探究本文模型的用戶反饋情況。該項(xiàng)研究以調(diào)查問(wèn)卷的形式開(kāi)展，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 模型的用戶反饋情況統(tǒng)計(jì)表

分析表1內(nèi)容可知，教學(xué)和學(xué)學(xué)對(duì)共享模型的資源實(shí)時(shí)更新效果、資源豐富程度、資源獲取速度以及資源搜索準(zhǔn)確度均給出了較高的評(píng)價(jià)，但從反饋結(jié)果也可以看出該模型的按需推薦效果還需要提高。

3 總結(jié)

為了集成多校區(qū)分布式教學(xué)資源，為教師與學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)與應(yīng)用空間，本研究設(shè)計(jì)了基于P2P網(wǎng)絡(luò)的多校區(qū)分布式教學(xué)資源共享模型。但由于該模型只針對(duì)教學(xué)資源的共享，未設(shè)置搜索引擎，這就導(dǎo)致其難以更高效地為學(xué)生與教師提供優(yōu)質(zhì)、有針對(duì)性的學(xué)習(xí)資源。因此，下一步研究將在本文模型的基礎(chǔ)上，添加資源推薦模塊，通過(guò)該模塊能夠根據(jù)用戶的偏好推薦更為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。