遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度淺析
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摘要:為合理分配遠程教育網(wǎng)絡中的信息資源、實現(xiàn)對各項執(zhí)行任務的及時調(diào)度與規(guī)劃，本文針對遠程教育網(wǎng)絡的資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化策略展開研究。首先設計基礎分配框架，通過計算緩存資源量的方式完成資源分配處理。基于此，建立穩(wěn)定的調(diào)度拓撲體系，結(jié)合網(wǎng)絡路由環(huán)境中的節(jié)點微結(jié)構(gòu)捕獲待處理目標信息參量，從而實現(xiàn)任務優(yōu)化調(diào)度。實驗結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的統(tǒng)一型資源分配技術(shù)相比，本文方法在單位時間內(nèi)能調(diào)度的教育信息資源量更多，而所需的分配調(diào)節(jié)時間卻相對更短，證明其能夠較好地規(guī)劃各項正在執(zhí)行的資源任務。
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡資源分配；調(diào)度優(yōu)化算法；緩存資源量；拓撲體系；路由節(jié)點
1引言
網(wǎng)絡遠程教育是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)教育實踐方式，可在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，實現(xiàn)對云計算技術(shù)的開發(fā)與研究，從而使整個互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的信息資源存儲容量得到不斷擴充[1]。其目的在于組織學生進行集體性的學習與交流活動，并于其中獲得大量的教育實踐經(jīng)驗。網(wǎng)絡資源分配過程同時受制于計算能力、緩存能力、帶寬條件等多項物理因素，是一種較為完善的數(shù)據(jù)信息匹配處理手段。網(wǎng)絡任務調(diào)度能夠在空間上將數(shù)據(jù)信息參量調(diào)配至任務處理器之上，且可以從時間域角度上對這些任務指令的執(zhí)行時序進行排列。在遠程教育網(wǎng)絡中，由于數(shù)據(jù)時限性等條件的影響，個別信息資源很難在既定時間內(nèi)達到理想化傳輸位置，從而導致教育時效性的不斷下降。為解決此問題，相關(guān)學者設計了統(tǒng)一型資源分配技術(shù)[2]。該技術(shù)借助任務管理器，將所有正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)任務集合到當前頻段之中，但由于待存儲的教育信息資源量極大，易導致分配調(diào)節(jié)時間的無限延長。為避免上述情況的發(fā)生，本文設計了一種新的遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化策略，在基礎分配框架與拓撲體系結(jié)構(gòu)的支持下，實現(xiàn)對任務目標的捕獲與處理，并通過對比實驗的方式，突出該方法的實際應用能力。
2遠程教育網(wǎng)絡的資源分配
遠程教育網(wǎng)絡資源分配需要在基礎分配框架的支持下，連接多項資源分配結(jié)構(gòu)，再針對緩存資源信息量進行精確計算，具體操作方法如下。
2.1遠程教育網(wǎng)絡的基礎分配框架
隨著遠程教育網(wǎng)絡的興起與發(fā)展，信息數(shù)據(jù)資源需要進行統(tǒng)一的分配與調(diào)度，且為了更好滿足這種資源分配需求，需明確相關(guān)網(wǎng)絡層次之間的信息傳輸目的，從而使傳輸協(xié)議能夠適應遠程教育網(wǎng)絡的全局性調(diào)度目的，實現(xiàn)對教育信息資源的最優(yōu)配比處理。現(xiàn)有遠程教育資源分配算法大致可劃分為如下兩類：單一型資源分配與統(tǒng)一型資源分配。其中，單一型資源分配主要應用于遠程教育網(wǎng)絡的某一特定層次主體，可借助協(xié)議層信息節(jié)點，實現(xiàn)對遠程教育數(shù)據(jù)的交換與互傳[3-4]。統(tǒng)一型資源分配可將多個協(xié)議層教育資源整合到一起，從而將資源分配問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化性應用問題。一般情況下，一個完整的遠程教育網(wǎng)絡基礎分配框架同時涉及物理層、MAC層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層五類應用層次結(jié)構(gòu)，且隨著待傳輸數(shù)據(jù)總量的增大，層次主體之間的調(diào)度分配能力也在逐漸增強。遠程教育網(wǎng)絡分配框架的基礎分層模式如表1所示。
2.2資源分配結(jié)構(gòu)
虛擬遠程教育網(wǎng)絡可將基礎物理網(wǎng)絡中的存儲數(shù)據(jù)資源抽象成為虛擬信息的存在形式，如虛擬鏈路、虛擬節(jié)點等多種形式，然后再把這些虛擬鏈路和虛擬節(jié)點組合成相互隔離的資源分配網(wǎng)絡模型。在這些預設的虛擬網(wǎng)絡中，基礎物理教育網(wǎng)絡始終保持原有的體系結(jié)構(gòu)格式。遠程教育網(wǎng)絡虛擬化系統(tǒng)將傳統(tǒng)的資源服務ISPs(服務者)分離為SPs(服務提供者)與InPs(基礎設施提供者)兩類[5]。其中，SPs可同時租用一個或多個InPs資源，以用來創(chuàng)建完整的虛擬遠程教育網(wǎng)絡模式，能夠為資源對象同時提供端到端的網(wǎng)絡連接服務。InPs則負責部署和管理現(xiàn)有的教育資源信息，可在虛擬化處理物理資源數(shù)據(jù)的同時，建立多條可用的資源傳輸鏈路結(jié)構(gòu)體[6]。完整的資源分配結(jié)構(gòu)包含物理網(wǎng)絡基礎設施和虛擬網(wǎng)絡主機對象，能夠依照教育對象所需的數(shù)據(jù)需求，改變SPs主機中的信息傳輸方向，完整的結(jié)構(gòu)連接形式如圖1所示。
2.3緩存資源量計算
從控制原理的角度來看，遠程教育網(wǎng)絡中緩存資源信息分配主要包含如下兩個方面：若以數(shù)據(jù)流作為分配核心，不同教育信息始終隸屬于不同的用戶對象，且每一個資源分配結(jié)構(gòu)都必須占據(jù)完全獨立的QoS傳輸要求。若以教育網(wǎng)絡信息分配流作為控制核心，網(wǎng)絡緩存分配機制需要在借助定量已緩存教育數(shù)據(jù)資源的同時，建立節(jié)點與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系，從而使得遠程教育網(wǎng)絡主機能夠得到足量的緩存資源信息文件。假設完全劃分的教育資源與未完全劃分的教育資源在信息分配方面的關(guān)系占比情況始終為1：1，且隨著遠程教育網(wǎng)絡應用規(guī)模的不斷擴大，這種數(shù)據(jù)信息比率關(guān)系也不會打破。為實現(xiàn)遠程教育網(wǎng)絡資源的合理化分配，緩存分配機制必須在丟棄原有調(diào)度模式的情況下，才能完成對數(shù)據(jù)信息的規(guī)劃與處理，而在此過程中，教育信息資源的分配進度也始終受到網(wǎng)絡覆蓋強度的直接影響。假設R代表遠程教育網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)信息資源傳輸均值，δmin代表資源分配系數(shù)的下限執(zhí)行權(quán)限量。聯(lián)立上述物理量，可將遠程教育網(wǎng)絡中的緩存資源量計算結(jié)果表示為：(1)式中，P0代表信息資源參量的分配處理源系數(shù)，Q0代表教育數(shù)據(jù)的源獲取系數(shù)，Wmin代表教育網(wǎng)絡覆蓋面積的最小限度值，Wmax代表教育網(wǎng)絡覆蓋面積的最大限度值，β代表教育資源數(shù)據(jù)的常項分配指標。
3遠程教育網(wǎng)絡的任務調(diào)度優(yōu)化算法
在遠程教育網(wǎng)絡資源分配技術(shù)的支持下，按照調(diào)度拓撲體系建立、網(wǎng)絡路由節(jié)點微結(jié)構(gòu)連接、優(yōu)化目標確定的處理流程，完成遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法的設計。
3.1遠程教育網(wǎng)絡的調(diào)度拓撲體系
遠程教育網(wǎng)絡調(diào)度拓撲體系采用直接型連接的應用形式，其拓撲體系連接原理如圖2所示。圖2中，拓撲體系由S、AD兩類過渡節(jié)點共同組成。其中，S節(jié)點直接針對遠程教育網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)資源信息參量，可在與資源分配結(jié)構(gòu)互聯(lián)的同時，干預數(shù)據(jù)信息文件的實際傳輸范圍。一般情況下，S型節(jié)點的實際數(shù)量值越大，遠程教育網(wǎng)絡調(diào)度拓撲體系的覆蓋面積也就越大，但前者對于后者的作用能力相對較小，并不能直接對教育數(shù)據(jù)資源的調(diào)度能力造成影響。AD節(jié)點則主要針對遠程教育網(wǎng)絡中已被賦予分配調(diào)度任務的參與節(jié)點，能夠妥善利用已緩存的教育數(shù)據(jù)資源量，并可在不影響信息分配能力的基礎上，將拓撲體系的執(zhí)行能力調(diào)度值最大值應用狀態(tài)。從宏觀角度來看，遠程教育網(wǎng)絡調(diào)度拓撲體系的規(guī)劃性能力較強，能夠適配基礎分配框架的現(xiàn)有連接形式；而從微觀角度來看，遠程教育網(wǎng)絡調(diào)度拓撲體系具備較強的執(zhí)行處理能力，可充分調(diào)節(jié)待緩存教育資源量間的連接與傳輸關(guān)系。
3.2網(wǎng)絡路由節(jié)點微結(jié)構(gòu)
路由節(jié)點微結(jié)構(gòu)存在于遠程教育網(wǎng)絡中，可在適應教育資源分配需求的同時，設置既定的網(wǎng)關(guān)執(zhí)行標準，從而將輪空的FIFO與非空FIFO集合結(jié)合起來，一方面滿足與教育資源數(shù)據(jù)相關(guān)的輪詢算法應用需求，另一方面按照調(diào)度實值的權(quán)限標準，對各項教育資源信息量進行妥善處理。遠程教育網(wǎng)絡資源輸入路由節(jié)點微結(jié)構(gòu)后，會首先進入教育網(wǎng)關(guān)體系之中，而隨著信息資源分配需求的逐漸明確，各項數(shù)據(jù)參量回逐漸成為輪空FIFO集合與非空FIFO集合兩部分。其中，輪空的FIFO集合能夠適配遠程網(wǎng)絡教育中信息資源的調(diào)度實值，并可在閾值結(jié)果的作用下，最終成為非空FIFO集合的存在形式。非空FIFO集合存在于網(wǎng)絡路由節(jié)點微結(jié)構(gòu)末端，可整合所有待存儲的遠程教育網(wǎng)絡資源，并將其整合成全新的輸出形式，以供其它網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體的調(diào)取與利用。
3.3任務調(diào)度算法的優(yōu)化目標
隨著遠程教育網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)資源分配需求的不斷擴展，任務調(diào)度目標的優(yōu)化能力也在逐漸趨于多元化。常見的優(yōu)化指標包含調(diào)度時長、調(diào)度功耗、網(wǎng)絡鏈路負載條件、分配處理器均衡負載條件四項影響因素。遠程教育網(wǎng)絡資源調(diào)度時長可表示為|T|，是指數(shù)據(jù)傳輸任務在既定網(wǎng)絡環(huán)境中的時間消耗最大值，一般情況下，一個好的網(wǎng)絡資源任務調(diào)度優(yōu)化方案中，實際調(diào)度時長值應該盡可能的被不斷降低。調(diào)度功耗可表示為，是指遠程教育網(wǎng)絡在單位時間內(nèi)的資源信息消耗總量，通常情況下，該項物理量的實際表現(xiàn)值越大，任務調(diào)度算法優(yōu)化目標的最終處理結(jié)果也就越明確。網(wǎng)絡鏈路負載條件可表示為χ1，分配處理器均衡負載條件可表示為χ2，在既定遠程教育網(wǎng)絡環(huán)境中，上述兩項物理量始終保持互為相反數(shù)的存在狀態(tài)，且二者之間的作用影響強度始終處于既定數(shù)值區(qū)間內(nèi)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(1)，可將遠程教育網(wǎng)絡資源的任務調(diào)度優(yōu)化目標定義為：式中，s0代表最小的教育資源調(diào)度需求量，sn代表最大的教育資源調(diào)度需求量，n代表教育資源在遠程網(wǎng)絡中的實際分配系數(shù)，ξ代表調(diào)度任務的實際拆分處理權(quán)限值。至此，完成各項執(zhí)行系數(shù)的計算與處理，在不考慮其它干擾條件的情況下，實現(xiàn)遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法的順利應用。
4應用能力檢測
為驗證遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法的實際應用價值，設計如下對比實驗。搭建如圖4所示的網(wǎng)絡應用環(huán)境，借助遠程服務器與網(wǎng)絡服務器，將所有教育信息資源集合到統(tǒng)一的網(wǎng)絡環(huán)境中，令個人用戶與個人電腦同時接入校園網(wǎng)環(huán)境中，在確保資源占比量始終保持穩(wěn)定的情況下，打亂所有可能存在的IP地址信息，記錄由信息分配開始到信息穩(wěn)定為止整個時間周期內(nèi)，各項實驗指標數(shù)值的具體變化情況。其中，實驗組主機搭載本文設計的遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法，對照組主機搭載傳統(tǒng)的統(tǒng)一型資源分配技術(shù)。單位時間內(nèi)的教育信息資源調(diào)度量能夠反映遠程教育網(wǎng)絡中信息數(shù)據(jù)資源的實際分配與規(guī)劃能力，一般情況下，單位時間內(nèi)所能調(diào)度的信息資源量越大，遠程教育網(wǎng)絡的分配與規(guī)劃能力也就越強，反之則越弱。表2記錄了實驗組、對照組單位時間內(nèi)信息資源調(diào)度量的具體變化情況。分析表2可知，實驗組教育信息資源調(diào)度量在前兩個實驗時長內(nèi)，始終保持不斷上升的變化趨勢，從第三個單位時長開始，逐漸進入數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)，而到了第四個單位時長，又再次恢復初始情況下的上升狀態(tài)，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果達到了6.8GB。對照組教育信息資源調(diào)度量在前兩個單位時長內(nèi)，始終保持連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)，從第三個單位時長開始，這種穩(wěn)定態(tài)勢被打破，開始進入不斷下降的變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達到4.3GB，與實驗組最大值相比，下降了2.5GB。綜上可知，應用遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法后，單位時間內(nèi)的教育信息資源調(diào)度量得到了大幅促進，能夠?qū)崿F(xiàn)對遠程教育網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)資源實際分配與規(guī)劃能力的不斷提升。教育信息資源分配調(diào)節(jié)時間是描述遠程教育網(wǎng)絡應用穩(wěn)定性的重要物理指標，一般情況下，教育信息資源分配調(diào)節(jié)時間越短，遠程教育網(wǎng)絡的應用穩(wěn)定性能力也就越強，反之則越弱。表3記錄了實驗組、對照組教育信息資源分配調(diào)節(jié)時間的具體變化情況。分析表3可知，隨著待分配教育信息資源量的增大，實驗組資源分配調(diào)節(jié)時間始終保持絕對穩(wěn)定的存在狀態(tài)。而對照組資源分配調(diào)節(jié)時間則始終保持不斷上升的變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果達到了5.3min，與實驗組均值結(jié)果3.3min相比，上升了2.0min。綜上可知，應用遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法后，教育信息資源的實際分配調(diào)節(jié)時間出現(xiàn)了明顯下降的變化趨勢，可實現(xiàn)對遠程教育網(wǎng)絡應用穩(wěn)定性的有效控制。
5結(jié)束語
與統(tǒng)一型資源分配技術(shù)相比，本文設計的遠程教育網(wǎng)絡資源分配與任務調(diào)度優(yōu)化算法在基礎分配框架與調(diào)度拓撲體系的作用下，準確計算網(wǎng)絡環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息緩存資源量，從而實現(xiàn)對調(diào)度優(yōu)化目標的有效定義。從實用性角度來看，單位時間內(nèi)教育信息資源調(diào)度量的增大，不但促進了資源分配調(diào)節(jié)時間的大幅縮短，也適度提升了遠程教育網(wǎng)絡的應用穩(wěn)定性，具備較強的推廣與使用價值。
作者:姜希堯 單位:上海工藝美術(shù)職業(yè)學院
