基于P2P網(wǎng)絡的多校區(qū)分布式教學資源共享模型

潘懷， 姜英杰

(1. 吉林水利電力職業(yè)學院, 教務處， 吉林， 長春 130117;2. 長春藝術實驗中學， 信息中心， 吉林， 長春 130000)

0 引言

目前，國內(nèi)外很多的高校與教育機構都在為教學事業(yè)提供大量的資源，這些資源的形式也多種多樣[1]。但通過分析發(fā)現(xiàn)，這些資源的大部分都只是對資源的簡單堆砌，而且在分類上也并不明確，同時資源的更新速度也非常緩慢，學生和教師難以高效利用這些資源，甚至會出現(xiàn)資源交互過于頻繁或搜索誤差的問題[2]。

有效的教學資源共享機制可有效解決上述問題。對此，相關學者展開了大量研究。文獻[3]針對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，文獻[4]提出了基于Hadoop與聚類分析的學習資源共享平臺，并通過本體檢索完成對檢索內(nèi)容的排序，從而實現(xiàn)資源共享，文獻[5]基于云平臺設計了一種在線教育課程資源共享模型，文獻[6]針對高校英語數(shù)字化教學資源，基于功能模塊與數(shù)據(jù)庫詳細設計了一種自動化分類共享系統(tǒng)。

然而隨著信息技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的共享機制已逐漸落后，其使用效果大大降低。針對此問題，本研究構建了一種基于P2P(Peer-to-Peer)網(wǎng)絡的多校區(qū)分布式教學資源共享模型。P2P網(wǎng)絡是一種全新的網(wǎng)絡拓撲架構，在文件共享、對等計算等眾多領域內(nèi)顯示出較大的優(yōu)勢，特別是非結構化P2P網(wǎng)絡由于其便捷性與高效性得到了廣泛的應用。

1 模型設計

1.1 索引層

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

定義1數(shù)據(jù)集的屬性組合稱為域。將分布式教學資源用D來描述。如果符號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針對域Q,I，域的關聯(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針對擬定的域Q、域集I與關聯(lián)度門限值t*∈0,1，從域集I內(nèi)搜索關聯(lián)度超過t*的過程，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。通常來說，會將簽名向量劃分為b種分區(qū)，所有分區(qū)內(nèi)都會存在r行，那么變成預選域的幾率和Haccard相速度s之間的關聯(lián)就能夠描述成：

Psb,r=1-1-srb

(5)

對于域關聯(lián)度的非對稱性，本文憑借域關聯(lián)度和Jaccard相似度s互相轉換的解決方式，其關聯(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 教學資源庫

分布式資源庫即資源分布儲存在不同節(jié)點內(nèi)的多臺計算機中的資源庫。本研究中，分布式資源庫模塊以計算機P2P網(wǎng)絡作為媒介，把地理上分散在多種獨立式的資源庫連接在一起，在邏輯上構建一種全局邏輯視圖。在分布式資源庫模塊內(nèi)，所有節(jié)點資源庫模塊都是可以獨立支持本地應用的，同時可以供給對其他節(jié)點的資源共享能力。

分布式資源庫模塊的架構如圖1所示。

圖1 分布式資源庫模塊架構

分布式資源庫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內(nèi)模式。在各個臨近的層模式之間都具有對應的層間映像，經(jīng)過層間映像完成模式之間的切換。

1.3 數(shù)據(jù)層

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

1) 選擇

選擇指從關聯(lián)R內(nèi)采集滿足特性需求的統(tǒng)計屬性值。假設資源查詢請求方P1共享的查詢向量為xj，請求安全預算為εj；查詢處理方P2的資源集合y與其總的安全預算為Bu。通過P2隨機擾亂資源集合y的順序，使得i=0，同時如果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yi記錄，則停止計算。

2) 鏈接

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

假設所有共享的分布式教學資源為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*。打亂各自的教學資源集合Ti，同時依靠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控制s挑選隨機置換函數(shù)πs；各方以此憑借置換函數(shù)πs評測查詢主鍵列k*i，同時把值πsk*i依次傳輸至后續(xù)的計算方，后續(xù)的計算方以此和上一計算方傳輸過來的結果進行連接，最后產(chǎn)生結果表T*。

上述過程中，πs代表偽隨機置換簇，密鑰s代表唯一確定的某一特定置換，對于兩個計算方法，擬定各自維護的教學資源集合內(nèi)記錄的數(shù)分別是m,n，那么算法的時間復雜度就是mlogn。

3) 排序

排序的實質即茫然排序，擬定n種計算方共享教學資源向量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：

擬定各計算方加密共享的向量為xi，排序向量擬定為x′，隨機挑選各計算方法的輸入向量，在1≤i≤j≤n時，并行計算gi,j=xi≤xj，憑借gi,j對向量x進行排序，就能夠得到排序向量x′，其算法的復雜度為on2。

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

1.4 教學資源共享模型的實現(xiàn)

基于P2P網(wǎng)絡的分布式教學資源共享模型主要存在兩個域：邊緣節(jié)點域、服務器域。在該模型內(nèi)，服務器存在全局節(jié)點信息管理、全局資源信息、檢索模塊、集中管理的分布式教學資源庫等模塊。

通常的教學資源會重點關注于某一兩個領域上，所以能夠按照學習關注領域，把其所有的Peer節(jié)點都分化成若干種對等組。本文把所有Peer節(jié)點內(nèi)的教學資源架構劃分為五層。

1) 網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡拓撲架構隨著節(jié)點的動態(tài)退出與接入而不斷出現(xiàn)變化，這為節(jié)點與教學資源的定位、管理與穩(wěn)定共享帶來了一定的困難。系統(tǒng)網(wǎng)絡層就是需要屏蔽各Peer節(jié)點的網(wǎng)絡差異性同時為上層供給穩(wěn)定的網(wǎng)絡服務。

2) 覆蓋網(wǎng)絡層：因為P2P網(wǎng)絡即存在現(xiàn)有網(wǎng)絡基本設施上，所組建的覆蓋網(wǎng)絡，所以在該層需要擁有：資源定位、對等組機制、節(jié)點管理與路由機制等模塊。以資源定位機制以及路由為例，Peer節(jié)點之間直接的基于DHT的資源定位以及路由節(jié)點轉發(fā)都能夠通過該層實現(xiàn)。

3) 安全層：因為模型系統(tǒng)應用與開放的Internet環(huán)境中，安全可靠性即模型穩(wěn)定、正常運行的基礎。在模型安全層至少需要供給訪問控制、身份認證、性能監(jiān)控與數(shù)據(jù)加密的安全服務，而系統(tǒng)的良性發(fā)展則需要憑借有效的信任機制，經(jīng)過信任機制來防止惡意節(jié)點的數(shù)量，以此縮減其對模型的傷害。

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

5) 應用層：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資源檢索、教學資源合成與切片、資源傳輸、更新、壓縮、評價機制等。

2 實驗與分析

為證明基于P2P網(wǎng)絡的多校區(qū)分布式教學資源共享模型的實用性，設計如下實驗。

利用該模型對某地區(qū)多校區(qū)分布式教學資源進行共享實驗，資源上傳效率的實驗結果如圖2所示。

圖2 資源共享效率

由圖2可知，隨著教學資源總量的提升，使用本文模型后資源上傳的速度會逐漸降低，但其下降的幅度并不大，說明其共享速度快。這是因為該模型內(nèi)設置了索引層，能夠憑借特定屬性或屬性的組合構建域，憑借域索引完成對教學資源的快速聚類與數(shù)據(jù)上傳。

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

由圖3可知，使用本文模型對教學資源進行共享后，教學資源的更新量與更新上限相差不大，說明其更新速度快。這是因為該模型內(nèi)設置了覆蓋網(wǎng)絡層，該層內(nèi)具有資源定位、對等組機制、節(jié)點管理與路由機制等模塊，可對教學資源的實時定位與資源管理，在產(chǎn)生新的教學資源后，模塊會對新產(chǎn)生的資源進行定位，并憑借節(jié)點管理模塊，將資源融入原始教學資源內(nèi)，以此實現(xiàn)教學資源的實時更新共享。

圖3 教學資源實時更新性能

在此基礎上，探究本文模型的用戶反饋情況。該項研究以調查問卷的形式開展，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 模型的用戶反饋情況統(tǒng)計表

分析表1內(nèi)容可知，教學和學學對共享模型的資源實時更新效果、資源豐富程度、資源獲取速度以及資源搜索準確度均給出了較高的評價，但從反饋結果也可以看出該模型的按需推薦效果還需要提高。

3 總結

為了集成多校區(qū)分布式教學資源，為教師與學生提供良好的學習與應用空間，本研究設計了基于P2P網(wǎng)絡的多校區(qū)分布式教學資源共享模型。但由于該模型只針對教學資源的共享，未設置搜索引擎，這就導致其難以更高效地為學生與教師提供優(yōu)質、有針對性的學習資源。因此，下一步研究將在本文模型的基礎上，添加資源推薦模塊，通過該模塊能夠根據(jù)用戶的偏好推薦更為優(yōu)質的教學資源。