家庭教育服务平台网络群化聚合问题研究

田甜 朱琦

摘  要：文章提出构建一种以大数据精确匹配、系统网络群化为特征的家庭教育服务平台，文中分析了现有资源类信息网络平台的不足，并结合家庭教育服务平台特色功能需要，重点梳理平台网络群化后的聚合问题。在分析平台网络群化聚合的特性的基础上，运用实验法、分析对比法，以群化节点群组的选取为例，文章展示了如何实现家庭教育服务平台网络群化聚合。

关键词：家庭教育服务平台;网络;群化聚合

中图分类号：TP393.09      文献标识码：A 文章编号：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

習近平总书记指出：要做好家庭工作，发挥妇女在社会生活和家庭生活中的独特作用，在弘扬中华民族家庭美德、树立良好家风方面的独特作用，以小家庭的和谐共建大社会的和谐，推动形成家家幸福安康的生动局面。本课题受陕西学前师范学院2019年陕西省大学生创新创业训练计划项目的资助，针对陕西省家庭教育培训工作存在的现实问题，提出了一种大数据精确匹配、系统网络群化为特征的家庭教育培训服务平台，力图为推动我省家庭教育培训提供发展助力。笔者作为陕西学前师范学院信息工程学院教师，长期从事信息网络相关技术的研究，尤其对于复杂网络节点的聚合问题、优化问题有比较深入的思考，本研究就是针对省级教育培训服务平台的使用需求，从聚合优化角度提出的解决方案。

教育服务类信息网络平台并不鲜见，但这类网络平台在面对海量节点短期爆发式信息交互需求时，往往会出现数据延迟、阻塞等问题，严重影响了网络平台功能的发挥。因此，对于服务对象面向全省的家庭教育服务平台，在构建之初就必须要把海量节点和开销作为平台架构设计的基本前提，以满足实际使用的需要。本论文重点从网络群化聚合的角度，研究了节点远程分布、节点随遇加入退出、交互需求短时爆发情况下，如何优化网络结构、提升通信效能的问题。

1  家庭教育服务平台网络群化聚合基本特性

家庭教育服务平台是多层级、多节点的复杂网络，它的用户端（节点），分布在省内各地的家庭，局部的众多节点又汇集在区、街道、社区的区域服务平台节点，形成群组（超级节点），若干超级节点又汇集在市、省一级的网络服务平台之上，呈现出超级节点间的聚合。在这个复杂网络中，每个节点、超级节点都有可能因各种突发情况，出现随机的接入、退出，以及陡增或锐减的信息交互需求，这就使得整个复杂网络的拓扑结构和数据需求始终处在动态的变化之中，局部网络资源可能大量闲置，局部又会出现短时过载，整个网络呈现出不均衡的涌现性，进而造成信息传输的丢包延迟，甚至网络平台崩溃。

针对这个问题，本研究提出了网络群化聚合的构想。群化聚合问题对网络平台效率的发挥重要性，早在美军的作战指挥系统网络应用中就凸显出来。在美空军完善其作战指挥系统时发现美军研究人员针对其网络平台产生群化聚合问题，对多连接路径的发现机制、多连接路径的评估与选择、多连接路径的数据传输模式、多连接路径的管理方法等问题进行研究。优化了聚合的方式，创建了群内协同网状多连接网络，在此网络架构下，节点成员基于群内协同通信与多个基础设施建立连接，以网状多连接方式接入核心网，从而将美军作战指挥系统平台的使用效率提升了15%，有效提高美军网络效率及通信质量。

具体而言有以下四个方面，一是节点动态链接特性。节点动态链接是指家庭教育服务平台系统网络群化所具有的中继节点按需组合、通信链路多重冗余的能力。在网络群化中，基于共同的路由协议和信息栅格网，分布在网络空间内的各个节点、群化节点可以实现横向的沟通、融合，构成了具有明显小世界特征的，拥有较短网络平均路径、较高聚类系数的网络。二是拓扑结构时变特性。拓扑结构时变是指家庭教育服务平台系统网络群化所具有的网络拓扑动态变化、灵活高效的组网能力。它与节点动态链接特性紧密相关，节点的动态链接必然带来网络拓扑结构的时变，拓扑结构的时变能力为节点动态链接提供了可能。三是映射关系剥离特性。映射关系剥离是指家庭教育服务平台系统体系结构与上级政府指导平台控制关系不构成严格映射。在传统的政府服务网络平台中，由于上下级指导层级关系固化，网络的体系结构是与上下级层级结构严格对应的。但在家庭教育服务平台网络中，由于教育模块功能的不断交叉与外延，节点的群化、群化节点组织间的交联和多层次、多维度的子网融合，上下级关系的层级边界逐渐模糊，整体其实是一个复杂的超网络系统。网络中存在若干逻辑上的超级节点（群组）和大量普通节点（成员），群组与成员的身份不是固定不变的，而是随着外部条件的改变动态变化，一般由群化算法自动选举产生。四是节点随遇接入特性。节点随遇接入是指家庭教育服务平台系统网络群化可以使平台的各个教育指导服务模块根据任务需要和环境条件动态优化组合，迅速地组建或加入某一网络群化节点中。任何具备了相应访问权限的用户只要加入平台系统网络，就可以与网络内其他节点实现信息的实时交流。这种特性使得网络运动的方式更加灵活，进而产生选择、资源和行动的最佳匹配，充分满足家庭教育服务平台系统的非线性使用要求，如图1所示。

在本课题研究中，构建了基于云计算的家庭教育服务平台。采用Hadoop技术搭建云计算环境，以满足数据存储、分发和计算需求。由于其系统功能架构中需要实现注册登录、在线教学、视音频播放、评估测试、远程帮助、异情反馈、交流论坛、购物商城等主板块，下设在线直播课堂、在线直播秀场、发育指标测试、发育曲线跟踪、远程医疗问诊、教育专家咨询、虐待伤害求助、免费视频播放、付费服务购买等内容，覆盖了家庭教育的多数需求。最主要的是要与省级妇联网络平台相对接。满足实现政府部门的信息采集、汇总、分析功能，以及为政府职能部门制定家庭教育政策法规提供依据。在服务平台仿真搭建过程中，采用OPNET平台做仿真验证。

首先是对配置的业务与节点进行关联。将上述定义的业务和业务行为关联到网络中对应的节点模型上，即说明哪些节点使用上述定义的何种业务，以及采用哪种业务行为进行该业务的收发。具体是在Protocols > Application > Deploy Defined Application中，随机选中一部分通信节点导入至右侧的名称为ftp user的Source下，表示该业务行为及执行规律由这些通信节点发起和执行，然后选中另一部分节点导入至右侧的Server下，表示由这些节点接收上述通信节点发送的业务，如图2所示。

其次是主要结合网络群化的特点，对各通信单元进行路由协议的设置，所需配置的主要参数如图3所示。

IP > IP Routing Parameters > Interface Information：用于设置一级平台节点或二级平台节点各接口的IP地址、子网掩码及采用的路由协议。

IP > IP Host Parameters > Interface Information：用于设置各单元节点的IP地址和子网掩码。

AD-HOC Routing Parameters > AD-HOC Routing Protocol：用于设置各单元节点所采用的自组网路由协议。针对网络群化的组网规模和所需传输业务的实时性要求，并对自组网路由协议主要选择AODV和OLSR这两种协议进行仿真验证。

经过多次试运行测试显示，考虑网络群化聚合问题后，构建群内协同网状多连接网络的确能提高网络运行速率5%左右，因该家庭教育服务平台还未正式搭建完成投入使用，因此详细数据需进一步测试实验。

2  家庭教育服务平台网络群化聚合的实现

分析了家庭教育服务平台系统网络群化聚合的特性，在实际的网络构建过程中，重点还是要研究如何实现这种聚合，以及聚合以后群化节点如何管理等问题。篇幅有限，这里以群化节点群组的选取为例。

群化节点的行为都是以群组为基础的，群组的选取策略非常重要。群化節点的群组选取，可通过节点向周围周期性的发送群组选取请求，获取临近节点的回复信息，得到群化度向量。当节点间的群化度达到某个阈值时，则发布群组建立公告，并宣布本节点的群组身份。把接连两次发送群组选取请求HELLO报文的时间间隔记为TH，节点在发送完一次群组选取请求后，等待TH+dt0，其中dt0为一个随机的回退时间，服从[0，CW0]上的均匀分布，CW0为初始回退窗大小，再次发送该群组选取请求。发出群组选取请求的节点在发送信息前，如果监听到有节点处于忙时状态，则要再从[0，CW1]中随机选取某一回退时间dt1，等待回退结束后再次尝试发送。其中CW1为第1次发送失败，即有其他节点处于忙时状态，回退窗的大小。如图4所示。

定义1：定义W为群化度量窗，即一个节点成员记录的其他相领节点成员的群组选取请求最多个数。

对某一个节点成员MTi，i为节点成员标识，记θ为在最近一个群化度量窗WTSCAN内，与本节点成员成功建立链路的节点成员集合。定义以下三个向量：

定义2：定义节点成员MTi的群化度向量为Si={sij：MTj∈θ}，记录在上一TSCAN时段成功收到相邻节点成员群组选取请求的群化度值。其中，sij的含义为：

sij∈R，为MTi对其邻节点的群化度。

sij∈R，为MTi对MTj自身群化度的估计。

定义3：定义节点成员MTi的链路质量向量为  ，为MTj在之前第r个TSCAN时段收到的正确群组选取请求个数。其中  为：

具体来说， 为MTi在上一个TSCAN内成功收到群组选取请求个数，相应的， 为在过去的W-1个周期内的链路质量向量。

定义4：定义V={vij：MTj∈θ}为规一化链路质量向量，用于描述节点成员MTi在一个群化度量窗内的链路质量，其计算方法为：

其中，η∈（0，1]为算法调节参数。由于 为一个扫描周期内节点成员成功发送群组选取请求的最大个数，因此当MTi在WTSCAN内成功收到来自MTj的群组选取请求个数为ηW 时，式中的vij等于1。

定义5：定义γ∈（0，1）为群化度衰竭系数。当节点成员在规定时间内没有收到相应的群组选取请求时，群化度将以γ为系数衰减。

基于上述群组选取请求发送规则和有关向量的定义，动态群化节点的群组选取策略为：

（1）每个节点成员MTi每隔TH秒尝试发送一个群组选取请求，包含其当前的群化度信息sii;

（2）若某节点MTi收到该群组选取请求，则提取群化度信息sii，并更新自身的链路质量向量Li0，将相应的第i个分量加1，即  ;更新自身的群化度向量sj，调整相应的第i个分量，sji=γ（sji+sii）;

（3）若某节点MTj在TH+ΔT内没有收到来自MTi的群组选取请求，MTj将更新自己的群化度向量sj，调整相应的第i个分量，sji←γsji;

（4）每个节点成员MTi，根据定义4计算链路质量向量;

（5）MTi更新所有链路质量向量 ，同时将Li0初始化为0;

（6）MTi计算自己的群化度，其中I（vij）=1{vij>1};

（7）MTi判断自身群化度值sii，，其中为设定的群化度阈值，则MTi将发布公告宣布自己为组头。

在教育服务平台中，当若干节点（终端用户）根据其群化度确定其组头身份后，在群内发布公告，通告该群化节点内各成员。所有过程完成后，群组向系统发送群化节点建立公告，并申请相应群化资源。系统会根据群组的申请信息，在没有使用的群化节点标识中，动态选取某个群组标识和节点标识分配给该群化节点，并在网络中注册该群化节点信息。群组收到系统返回的确认后，更新群化标识字段，在系统内发布群化节点建立信息，完成整个群化节点建立过程，进而使空闲网络资源得以均衡分配。

3  结  论

家庭教育服务平台的功能需求、终端分布和用户使用特征，将导致系统网络呈现出资源配置不均衡、动态调整能力不足的问题。本研究从海量节点参与网络活动的群体性特征入手，提出了一种网络群化效应下的动态组网的机制，提升网络的耦合强度、使得网络的鲁棒性增强、促进网络的融合性并且增加网络的开放性。

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作者简介：田甜（1982—），女，汉族，陕西西安人，副教授，博士，研究方向：数字媒体技术，网络架构设计等;通讯作者：朱琦（1997—），男，汉族，陕西延安人，本科，研究方向：数字媒体技术。