CN104732004A - 一种网络教学专用信息交流云计算系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络教学专用信息交流云计算系统及控制方法，本发明集数据抽象、抽象对象类型、类继承为一体，使软件工程公认的模块化、信息隐藏、抽象、局部化、可重用性、可扩展性等原则在面向对象语言机制下得以充分实现。将计算机环境视为一个对象集合体，而对象被定义为现实世界中实体的模型.消息传递、事件触发，使得程序具有良好的交互性。数学模型采用Min-Min算法尽可能将任务分配到执行时间最小的资源上，从而使得整体完成时间最小，采用RCIMM调度算法提高了资源的整体利用率，避免了资源调度中部分资源拥塞而部分资源闲置的现象。

Description

一种网络教学专用信息交流云计算系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种云计算系统，尤其涉及一种网络教学专用信息交流云计算系统及控制方法。

背景技术

学校利用计算机网络为主要手段教学，是远程教学的一种重要形式，是利用计算机设备和互联网技术对学生实行信息化教育的教学模式。网络教学相比传统教学模式，更能培养学生信息获取、加工、分析、创新、利用、交流、的能力。网络教学能够培养学生良好的信息素养，把信息技术作为支持终身学习和合作学习的手段，为适应信息社会的学习、工作和生活打下必要的基础。

网络以其灵活便捷连通的特点和高度的互动性成为实现互动双向交流的代表性媒体，符合国家新课程标准所倡导的探究学习方式对学习环境提出的要求。从教学实践的视角来看，定义网络教学要从学习方式分析入手。网络教学的狭义定义是指将网络技术作为构成新型学习生态环境的有机因素，以探究学习作为主要学习方式的教学活动。它的教学活动组织要在传统的课堂、网络等方面同时展开。

云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。因此，云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。用户 通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。

对云计算的定义有多种说法。对于到底什么是云计算，至少可以找到100种解释。目前广为接受的是美国国家标准与技术研究院(NIST)定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务)，这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。

将网络教学与云计算的特性相结合可以发现其中存在诸多可以进行相互弥补的地方，因此设计一种将网络教学与云计算相结合的方案能够进一步提高教学效果。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种将网络教学与云计算方式相结合，有效提高教学质量的技术方案：

一种网络教学专用信息交流云计算系统，系统由多个移动终端与上位机构成，各移动终端与上位机通过有线或无线网络进行连接，移动终端通过用户设定因素建立数学模型，数据模型通过有线或无线网络传递至上位机建立图像模型后反馈至各移动终端，数学模型定义场景特性，建立原理的数学关系，计算数值结果并反映到图像模型中，上位机采用三维图片模拟真实场景及操作步骤，显示由数学模型计算得到的结果。

作为优选，数学模型的建立包括以下步骤：

(1)建立基本模型，根据原理理论推导出场景、仪器或各因素之间的相互关系及理论计算公式，或者根据实验数据进行系统辨识得到经验公式，形成基本模型。

(2)确定参数，通过对基本模型进行理论计算或实验条件判断或根据数据进行处理以得到参数。

(3)加入随机误差和随机化初始条件，根据实际情况产生各种随机误差，如高斯分布型、平均分布型等随机误差，并使用随机函数产生随机化的初始条件，使数据更符合实际情况。

作为优选，所述基本模型可分为固定模型和可扩展模型，固定模型指场景或仪器相互关系固定的情况，可扩展模型指场景、仪器间相互关系不固定，如设计性实验即是如此，用户可以自行设计改变场景、仪器间相互关系，此时，可扩展模型根据用户的设计、布置动态调用各种计算模块进行计算，得到最终结果。

作为优选，图像模型包括静态部分、动态部分；所述动态部分又分为自动部分及可操作部分；所述自动部分是响应程序内部事件的动态变化；所述可操作部分是响应操作事件的动态变化。

作为优选，图像模型的制作包括以下步骤：

(1)三维图片的制作，使用三维绘图软件建立真实仪器和场景的三维几何模型，包括静态部分和动态部分，给模型中的静态部分和动态部分赋以适当的材质，再加入灯光、照相机，并以适当的视角渲染成所需要的三维图片；

(2)动态部分建模，制作出符合需要的三维静态图片，再采用相应的动态图像编程技术完成动态模拟；

(3)图像模型的组装，由其整体图片作为背景图，各动态部分作为其子对象摆放在背景图相应的地方，根据其动态模型响应各种事件动态刷新，模拟操作、显示构成一个整体图像模型。

作为优选，控制方法采用Min-Min算法，计算两次最小值来完成资源的调度建立数学模型，两次最小值分别指的是首先计算每个任务在相应资源上的最 小完成时间，再从这些最小完成时间中择其最小值，其算法过程如下：

首先假设云计算环境中有n个任务Y＝{y₁，y₂，…，y_n}和m个资源X＝{x₁，x₂，…，x_m}；

循环执行以下步骤直至集合为空：

(1)for each y_i in Y；

求mintime(y_i至x₁，x₂，…，x_m)；

T_min(i)＝Min(mintime(y_i至x₁，x₂，…，x_m))；

得到有m个元素的数组T_min(i)；

(2)if T_min(i)最小；

y_i调度至x_j；

(3)delete y_i；

Next y_i。

作为优选，控制方法采用RCMM调度算法，所述RCMM调度算法首先算出每个作业任务在所有资源上的执行组合值情况，然后从中选择执行组合值最小的任务一资源对进行调度进而建立数学模型，其算法过程如下：

假设云计算环境中有n个任务Y＝{y₁，y₂，…，y_n}和m个资源X＝{x₁，x₂，…，x_m}；

循环执行以下步骤至集合为空：

(1)for each y_i in Y

求mintime(y_i至x₁，x₂，…，x_m)；y_i Tmin(i)＝Min(mintime(y _i至x₁，x₂，…，x_m))；

(2)Com_xy(i，j)＝y_iT_min(i)×资源等级；

得到二维数组Com_xy[i，j]；

(3)对Com_xy[i，j]排序；

(4)if Com_xy[i，j]最小；将y_i调度至x_j；

(5)delete y_i；

Next y_i。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明集数据抽象、抽象对象类型、类继承为一体，使软件工程公认的模块化、信息隐藏、抽象、局部化、可重用性、可扩展性等原则在面向对象语言机制下得以充分实现。将计算机环境视为一个对象集合体，而对象被定义为现实世界中实体的模型.消息传递、事件触发，使得程序具有良好的交互性。

(2)本发明中数学模型采用Min-Min算法尽可能将任务分配到执行时间最小的资源上，从而使得整体完成时间最小。

(3)本发明的数学模型采用RCIMM调度算法提高了资源的整体利用率，避免了资源调度中部分资源拥塞而部分资源闲置的现象。因此虽使得作业整体完成时间略有增加，但解决了原有算法最大的问题负载不均衡，使得资源尤其是优势资源得到充分利用，这对于以资源共享和最大利用为主要目的的云计算是非常重要的。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明对象技术是当今用于开发和扩充复杂软件系统最有效的解决办法。它集数据抽象、抽象对象类型、类继承为一体，使软件工程公认的模块化、信息 隐藏、抽象、局部化、可重用性、可扩展性等原则在面向对象语言机制下得以充分实现.它将计算机环境视为一个对象集合体，而对象被定义为现实世界中实体的模型.消息传递、事件触发，使得程序具有良好的交互性。

由于网络教学主要是由教学课件，实验仪器，元器件及辅助设备组成，而教学课件，实验仪器，元器件及辅助设备均是一个个独立的实体，因此，采用面向对象技术对网络教学进行建模是非常适合的。采用面向对象技术建模，对教学课件，实验仪器，元器件及辅助设备实现模块化，用数值模型建立教学方案，仪器原理、实验设计、操作的各种数学关系，用图像模型表现操作的真实感，并用事件驱动方式将它们编制出来，使得这种网络教学的方式具有任意的操作性和具有真实感的交互功能。

实施例1

在本发明的数学模型的建立中采用了Min-Min算法，如表1所示，每个作业任务在相应资源的预期执行时间矩阵的值，其中“-”代指该作业无法在此资源运行，如作业y₁只能在资源x₁、x₃、x₄上执行，而作业y₃则可以在任何一个资源执行。由算法执行过程可知，调度顺序为：y₅(x₁)，y₂(x₁)，y₁(x₁)，y₃(x₁)，y₄(x₁)。此时任务总体完成时间为：4+3+7+10+2＝26ms。但此时所有的作业都使用资源x₁，而资源x₂、x₃、x₄完全空闲，导致资源严重失衡，这就是Min-Min算法的最大缺点，它总是优先调度小任务而不能确保云计算资源负载平衡。这对于以资源共享和追求最大可能利用资源的云计算来说是非常严重的问题。因此必须改善这种状况，以适应云计算环境的需要。

表1

实施例2

在本发明的数学模型的建立中RCIMM调度算法，对于资源x₁、x₂、x₃、x₄由预先分类方法计算出相应等级类别分别为3、2、1、1。通过RCIMM调度算法，得出作业与资源相关数据信息如表2所示。

表2

从表2可以看出：如果采用原始的Min-Min算法来执行的话，那么所有的任务都选择在资源x₁上执行，调度的顺序依次为：y₅(x₁)，y₂(x₁)，y₁(x₁)，y₃(x₁)0，y₄(x₁)。造成x₁负载过重，单个资源利用率为100％，而x₂、x₃、x₄却闲置，利用率为0。

原始Min-Min算法中的负载不均衡现象会严重影响以资源共享和追求资源最大利用为目的的云计算系统的性能。同时考虑云的使用付费问题，算法将缩 短云计算的使用时间(包括响应时间和完成时间)、平衡负载和充分利用优势资源作为主要目的。根据资源CPU个数h及处理能力P、磁盘容量C和资源所在的网络带宽B等3个参数计算资源的可见度，并据此对资源进行分类，计算出分类等级，通过计算资源等级与作业在资源上的预期执行时间的乘积，该乘积值最小的即为最适合的资源-任务对。为验证RCIMM调度算法和Min-Min算法是否适合云计算环境，利用云仿真软件模拟了云计算环境，采用RT、任务总体完成时间、S和Ui等指标比较两算法的优劣。实验结果表明，RCIMM调度算法除在任务总体完成时间方面表现稍逊于原始算法外，在RT、S和Ui的表现均优于原始的Min-Min算法，特别是在系统利用率方面的表现尤为出色，这对于云计算这种以追求资源共享和最大限度利用资源的系统来说是十分重要的。虽然任务总体完成时间方面稍逊于原始算法，但这种差距随着任务量的增多而缩小，说明该算法非常适合云计算中数据密集型服务调度的。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.一种网络教学专用信息交流云计算系统，其特征在于：所述系统由多个移动终端与上位机构成，各移动终端与上位机通过有线或无线网络进行连接；

所述移动终端通过用户设定因素建立数学模型，数据模型通过有线或无线网络传递至上位机建立图像模型后反馈至各移动终端；

所述数学模型定义场景特性，建立原理的数学关系，计算数值结果并反映到图像模型中；

所述上位机采用三维图片模拟真实场景及操作步骤，显示由数学模型计算得到的结果。

2.根据权利要求1所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统，其特征在于：所述数学模型的建立包括以下步骤：

(1)建立基本模型，根据原理理论推导出场景、仪器或各因素之间的相互关系及理论计算公式，或者根据实验数据进行系统辨识得到经验公式，形成基本模型；

(2)确定参数，通过对基本模型进行理论计算或实验条件判断或根据数据进行处理以得到参数；

(3)加入随机误差和随机化初始条件，根据实际情况产生各种随机误差，如高斯分布型、平均分布型等随机误差，并使用随机函数产生随机化的初始条件，使数据更符合实际情况。

3.根据权利要求2所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统，其特征在于：所述基本模型可分为固定模型和可扩展模型；

所述固定模型指场景或仪器相互关系固定的情况；

所述可扩展模型指场景、仪器间相互关系不固定，如设计性实验即是如此，用户可以自行设计改变场景、仪器间相互关系，此时，可扩展模型根据用户的设计、布置动态调用各种计算模块进行计算，得到最终结果。

4.根据权利要求1所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统，其特征在于：所述图像模型包括静态部分、动态部分；所述动态部分又分为自动部分及可操作部分；所述自动部分是响应程序内部事件的动态变化；所述可操作部分是响应操作事件的动态变化。

5.根据权利要求4所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统，其特征在于：所述图像模型的制作包括以下步骤：

(1)三维图片的制作，使用三维绘图软件建立真实仪器和场景的三维几何模型，包括静态部分和动态部分，给模型中的静态部分和动态部分赋以适当的材质，再加入灯光、照相机，并以适当的视角渲染成所需要的三维图片；

(2)动态部分建模，制作出符合需要的三维静态图片，再采用相应的动态图像编程技术完成动态模拟；

(3)图像模型的组装，由其整体图片作为背景图，各动态部分作为其子对象摆放在背景图相应的地方，根据其动态模型响应各种事件动态刷新，模拟操作、显示构成一个整体图像模型。

6.一种实现权力要求1所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法采用Min-Min算法，计算两次最小值来完成资源的调度建立数学模型，两次最小值分别指的是首先计算每个任务在相应资源上的最小完成时间，再从这些最小完成时间中择其最小值，其算法过程如下：

首先假设云计算环境中有n个任务Y＝{y₁，y₂，...，y_n)和m个资源X＝{x₁，x₂，...，x_m}；

循环执行以下步骤直至集合为空：

(1)for each y_iin Y；

求mintime(y_i至x₁，x₂，...，x_m)；

T_min(i)＝Min(mintime(y_i至x₁，x₂，...，x_m))；

得到有m个元素的数组T_min(i)；

(2)if T_min(i)最小；

y_i调度至x_j；

(3)delete y_i；

Next y_i。

7.一种实现权力要求1所述的一种网络教学专用信息交流云计算系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法采用RCIMM调度算法，所述RCIMM调度算法首先算出每个作业任务在所有资源上的执行组合值情况，然后从中选择执行组合值最小的任务-资源对进行调度进而建立数学模型，其算法过程如下：

假设云计算环境中有n个任务Y＝{y₁，y₂，...，y_n}和m个资源X＝{x₁，x₂，...，x_m}；

循环执行以下步骤至集合为空：

(1)for each y_iin Y

求mintime(y_i至x₁，x₂，...，x_m)；y_iTmin(i)＝Min(mintime(y_i至x₁，x₂，...，x_m))；

(2)Com_xy(i，j)＝y_iT_min(i)×资源等级；

得到二维数组Com_xy[i，j]；

(3)对Com_xy[i，j]排序；

(4)if Com_xy[i，j]最小；将y_i调度至x_j；

(5)delete y_i；

Next y_i。