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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
個人化網路教學系統之服務控管與排程研究（1）
Service Control and Scheduling in a Personalized Networked
Education System （1）
計畫編號：NSC 88-2213-E-002-042 執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日 主持人：顏嗣鈞 教授 台大電機系 （E-Mail：[email protected] )一、
中文摘要
由於個人化的設計以及網路教學需求的 即時性，網路教學課程管理問題處理的 好壞關係著教學系統整體運作的效率與 品質，所以我們特別就線上需求排程與 線上網路服務控管作深入的理論分析， 並據此製作一個高效率的網路教學課程 管理系統。這種配合多媒體效果與互動 式介面的網路教學系統成功的要素就是 可以根據當時的課程要求之反應時間與 可同時容納上線的課程數目，來設計發 展課程管理系統增加網路教學系統處理 需求的效率。因此針對網路教學課程管 理系統相關的三個問題（線上網路服務 控管、線上網路預取、與線上網路需求 排程問題）進行深入分析與實作。 關鍵詞：個人化網路教學、課程管理、 需求排程、線上處理、網路預取、競爭 分析。Abstract
In a personalized education system, user requests often have to be serviced in an on–line fashion. As a result, the so-called networked education manager plays a crucial role as far as the system’s efficiency is concerned.
To this end, we design and implement an on-line request scheduler and a networked service control model, using which efficient networked education system can be built. In this research, we focus on three on-line problems, namely, the service control problem, the web caching problem, and the scheduling problem. Our work in this regard
includes designing efficient algorithms for the above three problems, as well as implementing our designs so as to provide the desired quality-of-service in a personalized learning environment.
Keywords: personalized education system,
service control, on-line algorithm, caching, competitive analysis.二、緣起與目的
為了讓現行的遠距教學系統突破教學 時間和專屬網路高成本的限制，發展以網 際網路為媒介並具有非同步教學特性的網 路教學系統是很自然的想法。現行的網路2 教學資源除了互動式遠距教學系統外，另外 將課程講義、作業繳交等透過伺服器供上課 同學存取的輔助教學系統也大量的應用。 雖然網際網路是個成本低、高傳播效率 的媒介假如沒有一套管理的系統，仍會造成 網路擁塞，於是在建構系統時必須考慮網路 服務效率的控管問題。因為網路教學系統的 線上服務控管與課程排程皆需要線上處理， 因此選出三種網路教學線上問題深入探討。 首先訂定網路教學系統的整體架構，接 著再建立理論模型並定義服務控管與課程排 程的三個問題。最後分別用模型分析（simu-lation Analysis）與理論分析(Theoretical Anal-ysis）方式驗證及改進各種演算法的效率，在 理論分析方面採用線上問題的競爭分析 Co-mpetitive Analysis）。針對以上的問題，提出 我們的架構與理論的分析方法：
三、結果與討論:
在系統的架構上採用多點傳播 （multicast）的方式來建構我們的系統，如圖 （1）所示。我們將不同的使用端（client）依 照不同的網域分別分在不同的群組(subnet) 中，透過不同的路由器(router)將課程內容在 網際網路上傳播出去。而需要課程內容的使 用端（client）再將資料先儲存在同樣群組網 域中的伺服器上。 （一）線上網路排程問題： A、 假設在初始狀態下所以的檔案都集中在 同一個伺服器裡。 B、隨著時間的進展檔案在網路上的分佈會 持續的變動。 C、這些改變可能會提高整個網路課程排程 系統的效率。 分散在各地的使用者隨時可提出課程的要求 ，過程當中我們就需要有一個機制來控管所 需要安排的課程開始時間和提供所需的檔案 ，並且在一段時間後，安排分散在不同時間 和空間的課程來符合我們服務需求。 圖(1) 針對以上的問題，目前現有的作法是在網路 上設立幾個機制來控管我們線上網路課程排 程的問題：A、 personal service agency ：主要用來分析 每個 user 對於所指定的課程所喜好的程 度 做 一 個 歷 史 的 排 程 維 護 (maintain a history of programs chosen by the client)， 並且建立一個 client profile。 B、directory server ：主要用來作為使用者所 要求的課程目錄查詢及選擇之用，並且建 議 client 所選擇的課程內容是否能在他所 要求的時間內播放。 C、content provider：課程內容的提供者,主要 的功能將使用者所決定好之課程傳送給 快取排班（caching schedule）的程式，經 過排程程式下指令給使用端附近之快取 硬碟中。 D、 network provider：主要的功能用來接收 content provider 所指定課程內容所要 傳送的路徑，減少課程內容重複傳送，縮 短傳送路徑，以避免網路擁塞。 透過以上的機制，根據網路的現狀和每個使 用者使用的歷史（history）程序，判斷是否接 受使用者的要求。並且監視網路狀態以決定 可容納的課程數與種類，假如網路的狀態可 接受的話，則加入排程，假如網路無法負荷 時，則將網路的現狀回報給使用者知道，建 議使用者將需求移往系統較輕的時段或是更
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離使用者最近的伺服器上。線上預取問題 就是依據課程排程系統所提出需求序列， 來決定何時、及如何將所需檔案預先存到 指定的伺服器中。使用一個無向的圖 G =<V，E> 與連線成本 C={Cxy|xy∈E}，V 表示頂點， E 表示邊。而每個區域伺服器 下的使用者所產生的課程需求， 為一個三 元序對 R = <t,Si,l>,t 為課程開始時間， Si 為伺服器編號，l 為要求的課程編號。演算 法的輸入為需求序列 R1,R2,R3,.., Rv，輸出 序列 T1, T2 ,T3，Tj =<t,Si,l>，t 為課程 l 傳遞到伺服器 Si 的時間。例如假如輸出序 列為<2, S2,9>，<5,S1,3>，實際上就是表示 在第二時間單位，課程 9 將在伺服器 S2 上 開始輸出而在第五時間單位，課程 3 將在 伺服器 S 上開始輸出。演算法最佳化的目 標就是使排定的課程滿足最多的課程要 求。 線上網路排程問題同一個課程，能包 含數十個檔案並且分佈在各個伺服器上， 我們可以初始化狀態下，所有的檔案都集 中在一個伺服器裡，隨著時間的增加檔案 也隨之變動分佈變動。假如這個課程 l 是由 k 個檔案所組成，這個 k 個檔案可能分佈在 m 個伺服器上。 預取的問題所要解決的問 題便是每一個需求序對 Tj= <t,Si,l>產生對 應的預取指令 P1, P2, P3,… ., Pn，而 Pj ＝ <t,Ss,Sd,f>，t 為傳輸開始時間，Ss 傳輸起 點，Sd 為傳輸的目的地，f 為課程 l 內的一 個檔案。 （三）線上網路服務控管問題： 線上網路服務控管主要是根據對系統 負荷歷史資料和對目前網路狀態的監視來 決定可容納的課程數和課程種類，我們將 提出適合的演算法，並使用模擬分析與競 爭式分析來對此問題研究。
四、計畫成果自評：
第一年中已訂定網路教學系統的整體架 構，並建立理論模型並定義服務控管與課 程排程的三個問題。接下來將用模型分析 （simulation Analysis）與理論分析 圖（2） 換其他課程。在圖（2）中已有的作法中， 列出我們的網路架構想法。 我們的作法上，仍然按照圖（2）的概念加 入在我們的網路架構上。 首先在初始化（initialize）的狀態下，我們 將 directory server，content provider 和 per-sonal service agency 三個 processes 放在一 個伺服器（server）當中來管理排程使用者 所要的課程內容。network provider 就依照 這個伺服器的要求與控管在網路上進行課 程內容的傳送。以下的圖（3）中，說明我 們的網路架構概念。 圖（3） （二）線上網路預取問題： 在網路教學系統當中，一個課程可能包 含數十個分散在各伺服器上的檔案。在一個 合理的假設使用者課程正在進行中，會隨時 取用任何一個檔案，所以需要在課程開始之 前，將所需要的網路課程內容檔案集中到距4 (Theoretical Analysis）方式驗證及改進各 種演算法的效率，在理論分析方面採用線 上 問 題 的 競 爭 分 析 (Competitive Analysis）。使用競爭式的分析找出被分析 演算法的優缺點，可避免傳統上所使用的 機率分析、模擬分析、排隊理論與平均狀 態的分析，在必須輸入需求分配所造成的 誤差。最後將應用於教學系統實作上。
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