吳吉義 ，張啟飛 ，王 桐 ，陳德人 ，章劍林

(1.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 杭州 310027;2.杭州師范大學(xué)電子商務(wù)與信息安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州310036;3.廣東省電子商務(wù)市場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510320;4.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

1 引言

近年來(lái)，P2P技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到各種系統(tǒng)中，從最初的P2P音樂(lè)共享軟件Napster[1]到目前的基于P2P技術(shù)的視頻、存儲(chǔ)、文件共享、協(xié)同工作、搜索等各種應(yīng)用領(lǐng)域，P2P的優(yōu)點(diǎn)是其能夠在短期內(nèi)快速成長(zhǎng)，但Napster實(shí)質(zhì)上并非純粹的P2P系統(tǒng)，而是引入了一個(gè)中央索引服務(wù)器并在其上保存所有的Napster用戶上傳的音樂(lè)文件索引和位置信息，用戶利用中央索引服務(wù)器可以快速查找其需要的音樂(lè)文件；接著出現(xiàn)了完全分布式的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)，非結(jié)構(gòu)化是指重疊網(wǎng)絡(luò)（重疊網(wǎng)絡(luò)）是非結(jié)構(gòu)化的，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)圖的方式組織，采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最典型應(yīng)用是Gnutella，Gnutella不僅是一個(gè)應(yīng)用，而且制定了一套網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在此協(xié)議上實(shí)現(xiàn)了很多其他的P2P軟件，如BearShare等。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路沒(méi)有按照預(yù)先定義的拓?fù)溥M(jìn)行構(gòu)造，一般采用泛洪方式進(jìn)行查詢，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗大[2]，并且查詢可能不全；雖然在泛洪的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，但是其缺點(diǎn)仍然很明顯，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了完全分布式結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)，與非結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)不同的是，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)使用分布式散列表（distributed hash table，DHT[3]）組織，在DHT中所有節(jié)點(diǎn)利用散列函數(shù)計(jì)算得到一個(gè)唯一關(guān)鍵值（key），并且重疊網(wǎng)絡(luò)采用了確定性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 Chord[4]是弦環(huán)型拓?fù)?，Tapestry[5]和 Pastry[6]是樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Can[7]是笛卡爾平面等，這樣只要節(jié)點(diǎn)存在于網(wǎng)絡(luò)中，其他節(jié)點(diǎn)就能夠準(zhǔn)確地找到它；在前面幾者的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（hybrid structure），網(wǎng)絡(luò)中選取一些性能高的節(jié)點(diǎn)作為超級(jí)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)它所管理的葉子節(jié)點(diǎn)信息。超級(jí)節(jié)點(diǎn)可以使用前面結(jié)構(gòu)化的重疊網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行組織，網(wǎng)絡(luò)中的資源發(fā)現(xiàn)算法僅在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)，目前典型軟件如KaZaa。

雖然基于P2P的應(yīng)用發(fā)展如火如荼，但是對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)QoS的研究卻很少，目前對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)QoS的研究可以分為幾個(gè)方面：從應(yīng)用領(lǐng)域上包括對(duì)P2P流媒體直播系統(tǒng)的QoS研究[8]、基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的QoS研究[9]、基于P2P的文件共享系統(tǒng)的QoS[10,11]；從方法上包括基于P2P網(wǎng)絡(luò)流量分析的QoS研究[9,12,13]、基于經(jīng)典排隊(duì)理論的QoS研究[8,14]、基于隨機(jī)流模型的 QoS研究[15～17]；另外從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以將P2P系統(tǒng)劃分為物理層、重疊網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、會(huì)話層，以此為依據(jù)有基于重疊網(wǎng)絡(luò)的QoS研究[18]，即在重疊網(wǎng)絡(luò)層上提供QoS保證；基于數(shù)據(jù)層的QoS研究、數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)塊的管理、元數(shù)據(jù)管理及冗余策略等，可以通過(guò)調(diào)整如數(shù)據(jù)冗余數(shù)來(lái)滿足QoS的要求，基于會(huì)話層的QoS研究。從分析可知，目前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中重疊網(wǎng)絡(luò)層是最為復(fù)雜的一層，包含了具有中心節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)、全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)、全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)及混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，重疊網(wǎng)絡(luò)的多樣性使其提供QoS非常困難，并且加入QoS后增加了重疊網(wǎng)絡(luò)層的復(fù)雜性。本文在重疊網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)上提出了一種P2P文件共享的QoS模型，模型建立在重疊網(wǎng)絡(luò)層之上，這樣屏蔽了重疊網(wǎng)絡(luò)層的多樣性和復(fù)雜性。

本文分析了當(dāng)前P2P網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，包括重疊網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、會(huì)話層及其各層的主要功能，由于重疊網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和獨(dú)立性，本文選擇在重疊網(wǎng)絡(luò)之上研究P2P文件共享應(yīng)用的QoS；在第二部分，首先分析了影響P2P文件共享應(yīng)用的各種因素，然后提出了一種P2P文件共享應(yīng)用的QoS模型并給出了QoS的具體評(píng)價(jià)方法；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的模型。

2 P2P網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

P2P網(wǎng)絡(luò)的常見(jiàn)體系結(jié)構(gòu)包含物理層、重疊網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、會(huì)話層，在重疊網(wǎng)絡(luò)層之下是物理節(jié)點(diǎn)層，物理層包含各種節(jié)點(diǎn)、PC或者服務(wù)器。重疊網(wǎng)絡(luò)層包含4種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)層構(gòu)建在重疊網(wǎng)絡(luò)層之上。

重疊網(wǎng)絡(luò)層包括4種類型網(wǎng)絡(luò)，主要目的是保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的互通性，如中心化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通過(guò)中央索引服務(wù)器提供所有節(jié)點(diǎn)位置信息及節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)的信息，全分布非結(jié)構(gòu)化拓?fù)渫ㄟ^(guò)泛洪的方法查詢資源信息，全分布結(jié)構(gòu)化拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組織成一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣就能夠通過(guò)少量的消息準(zhǔn)確找到資源，混合結(jié)構(gòu)則是結(jié)合中心化拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)化拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，建立了一個(gè)兩層資源查詢網(wǎng)絡(luò)，資源查詢?cè)诔?jí)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，超級(jí)節(jié)點(diǎn)維護(hù)其管轄的葉子節(jié)點(diǎn)信息。

數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)文件的分塊、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)塊冗余管理等，如系統(tǒng)可以將文件分成大小固定的數(shù)據(jù)塊，這樣能夠并行傳輸同一個(gè)文件；數(shù)據(jù)塊進(jìn)行冗余備份，這樣能夠在保證數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，提高數(shù)據(jù)的可獲得性。

會(huì)話層主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證、數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行加密、對(duì)會(huì)話對(duì)端進(jìn)行評(píng)價(jià)等。會(huì)話的安全性也是QoS的一部分，在本文中沒(méi)有討論這部分內(nèi)容。

3 P2P文件共享QoS模型

[11]中定義了用戶感受的QoS，量化QoS為用戶下載某一文件時(shí)的總時(shí)延Tdelay，

[11]假設(shè)網(wǎng)絡(luò)被劃分為不同的子網(wǎng)及劃分子網(wǎng)的核心路由器，那么Tdelay由3個(gè)時(shí)間組成，分別是資源查詢時(shí)間、在路由器處排隊(duì)等待時(shí)間及peer端的處理時(shí)延，參考文獻(xiàn)[11]分別對(duì)這3段時(shí)間進(jìn)行理論分析與建模，但是并沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)分析；參考文獻(xiàn)[17]利用隨機(jī)流理論分析了P2P數(shù)據(jù)流，在其模型中引入了節(jié)點(diǎn)加入退出（peer churn）因素、節(jié)點(diǎn)的上傳能力 （upload capacity）因素、基礎(chǔ)設(shè)施限制 (limited infrastructure capacity)因素（如交換機(jī)、路由器能力）、節(jié)點(diǎn)緩存大小 (buffer size)因素及節(jié)點(diǎn)對(duì)內(nèi)容的實(shí)時(shí)需求(real-time demand for content)因素；參考文獻(xiàn)[16]也使用了流模型分析了eMule-like文件共享系統(tǒng)，在模型中引入了文件存儲(chǔ)概率（storage probability）因素、對(duì)文件的請(qǐng)求率（request rate for a file）因素、平均下載時(shí)間因素、上傳策略因素等；參考文獻(xiàn)[10]利用隨機(jī)活動(dòng)網(wǎng)來(lái)對(duì)P2P文件共享系統(tǒng)的QoS進(jìn)行建模，其主要貢獻(xiàn)在模型中引入了惡意節(jié)點(diǎn)，具體包括節(jié)點(diǎn)總數(shù)、惡意節(jié)點(diǎn)比例、節(jié)點(diǎn)加入和退出、端用戶行為以及安全評(píng)估方案等因素。分析可知，參考文獻(xiàn)[10,16,17]對(duì)QoS的研究都局限在某一種方法下，因此不同的方法對(duì)結(jié)果影響較大，并且研究中沒(méi)有考慮P2P網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，而是籠統(tǒng)地考慮某一因素帶來(lái)的影響，并且每種方法考慮的因素都不全面。本文首先給出了P2P網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；分析了影響P2P網(wǎng)絡(luò)QoS的各種因素之后，提出了一種分層QoS評(píng)價(jià)框架，將P2P網(wǎng)絡(luò)的QoS按照其體系結(jié)構(gòu)分成不同的層面；最后給出了每層的QoS評(píng)價(jià)方法。由于P2P網(wǎng)絡(luò)重疊網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜和獨(dú)立性，本文在重疊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上分析了應(yīng)用層的QoS模型。

3.1 QoS模型

分析可知，將影響P2P網(wǎng)絡(luò)QoS的因素分為3類，如表1所列，第1類是節(jié)點(diǎn)相關(guān)的，如節(jié)點(diǎn)加入退出、節(jié)點(diǎn)的上傳能力、節(jié)點(diǎn)的文件上傳策略、節(jié)點(diǎn)的緩存大小、節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)概率；第2類是與底層硬件相關(guān)的，如基礎(chǔ)設(shè)置能力、路由器處理能力、本地帶寬等；第3類是與重疊網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的，如資源查詢時(shí)間、資源查全率等；第4類是與文件相關(guān)的，如文件的請(qǐng)求率等。

表1 P2P網(wǎng)絡(luò)QoS影響因素分類

在本模型中，不考慮第2類影響因素，因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施是所有節(jié)點(diǎn)所依賴的，那么本文假設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸沒(méi)有影響。在本模型中，按照P2P文件共享的體系結(jié)構(gòu)將其QoS分為兩層，表1中的第3類描述了重疊網(wǎng)絡(luò)層的QoS；表1中的第1類和第4類描述了應(yīng)用層的QoS。

3.1.1 重疊網(wǎng)絡(luò)層QoS

重疊網(wǎng)絡(luò)層在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，其資源查詢時(shí)間和資源查全率相差非常大，如具有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)，其資源查詢的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)；采用Chord的結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)，其資源查詢時(shí)間復(fù)雜度是log(N)。另外結(jié)構(gòu)化的P2P網(wǎng)絡(luò)和混合結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)都能保證查全率，全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)洳荒鼙ＷC資源的查全率。除此之外，是否支持模糊查詢也主要體現(xiàn)在這一層，如具有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)，非常容易支持模糊查詢；而采用DHT技術(shù)的P2P網(wǎng)絡(luò)卻很難實(shí)現(xiàn)支持模糊查詢，這個(gè)也是QoS的一個(gè)指標(biāo)。

定義資源的查詢時(shí)間為Tlookup；定義資源的查全率為rc，rc∈[0,1]；定義模糊查詢的支持度為 sufuzzy，sufuzzy∈{0,1}。

3.1.2 應(yīng)用層QoS

應(yīng)用層的QoS主要考慮在資源被查找之后的影響因素，影響因素主要包括節(jié)點(diǎn)的緩存大小、節(jié)點(diǎn)的緩存策略、節(jié)點(diǎn)的上傳能力、節(jié)點(diǎn)的上傳策略、節(jié)點(diǎn)的加入和退出模型、文件的分布和請(qǐng)求因素等。

（1）文件的分布

不同的重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其資源查找方式是不同的，如具有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)，其資源查詢的時(shí)間復(fù)雜度是O(1)；重疊網(wǎng)絡(luò)采用Chord路由算法的 P2P網(wǎng)絡(luò)，其資源查詢時(shí)間復(fù)雜度是log(N)。文件共享應(yīng)用的資源分布在各節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)資源查詢之后獲取到持有資源的節(jié)點(diǎn)信息。在全分布式結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)和混合拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過(guò)重疊網(wǎng)絡(luò)層映射之后，在同一節(jié)點(diǎn)上的不同目錄被映射到不同的節(jié)點(diǎn)上，即同一節(jié)點(diǎn)上的不同文件信息被其他不同的節(jié)點(diǎn)維護(hù)。但是基于DHT的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)上的文件具有均勻分布的特點(diǎn)。

（2）文件的熱度

本文在模型中假設(shè)P2P系統(tǒng)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)中包含k個(gè)文件，k∈[1,K]。將第4類因素抽象為文件的熱度，假設(shè)文件k的熱度為p(k)，表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求訪問(wèn)文件k的概率。那么對(duì)于一個(gè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的P2P系統(tǒng)，請(qǐng)求文件k的個(gè)數(shù)為p(k)·N。假設(shè)節(jié)點(diǎn)不請(qǐng)求任何文件的概率為p(0)，那么請(qǐng)求概率滿足式（1）：

（3）節(jié)點(diǎn)的相關(guān)因素

第1類中的節(jié)點(diǎn)加入、退出，實(shí)質(zhì)表示節(jié)點(diǎn)的兩種狀態(tài)，分別是“在線”和“離線”，本文抽象為節(jié)點(diǎn)加入P2P網(wǎng)絡(luò)中的概率，在P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處于在線狀態(tài)的事件是相互獨(dú)立的，那么節(jié)點(diǎn)在線的時(shí)間間隔滿足負(fù)指數(shù)分布，假設(shè)其均值為 1/λ1，如式（2）所示即節(jié)點(diǎn)在線時(shí)間為 λ1；同理其離線時(shí)間也滿足負(fù)指數(shù)分布，假設(shè)其均值為1/λ2，那么節(jié)點(diǎn)平均在線的概率表示為 Pon=λ1/(λ1+λ2)。

第1類中的節(jié)點(diǎn)上傳能力指節(jié)點(diǎn)處理能力和節(jié)點(diǎn)的出口帶寬，節(jié)點(diǎn)的上傳策略指節(jié)點(diǎn)制訂的上傳策略，如限制上傳速度、限制連接數(shù)等，這兩者會(huì)影響節(jié)點(diǎn)下載的時(shí)間，本文假設(shè)影響因子為ρ,ρ∈[0,1]。

第1類中的節(jié)點(diǎn)緩存大小指節(jié)點(diǎn)在本地開(kāi)辟的緩存大小，緩存的大小會(huì)影響節(jié)點(diǎn)上保存的文件個(gè)數(shù)，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)策略是指存儲(chǔ)文件的策略，在緩存足夠的情況下是否保存文件等，這兩者會(huì)影響節(jié)點(diǎn)保存文件的概率，假設(shè)節(jié)點(diǎn)保存文件k的概率為Pstore,k。

本文定義P2P文件共享服務(wù)QoS的兩個(gè)指標(biāo)，即文件k的獲得概率Pav,k和文件k下載的時(shí)間Tdl,k，文件k的獲得概率Pav,k表示文件k至少在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上有文件k的副本，那么文件k沒(méi)有在任何節(jié)點(diǎn)上保存副本的概率為P0,k=1-Pav,k，如式（3）所示。

文件k的下載時(shí)間Tdl,k與內(nèi)容k的獲得概率及擁有內(nèi)容k的上傳能力和策略有關(guān)，內(nèi)容k的上傳能力和上傳策略用上傳影響因子ρ表示，ρ越大表示節(jié)點(diǎn)擁有的上傳能力越強(qiáng)，是鼓勵(lì)使用的上傳策略。如果考慮上傳影響因子ρ，那么Tdl,k可以表示為式（4），其中，m表示當(dāng)前有 m個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有內(nèi)容 k，m=N×Pon×Pstore,k，ρj表示節(jié)點(diǎn) j的上傳影響因子，Co是一個(gè)常量調(diào)整系數(shù)。上傳影響因子ρ越大，下載時(shí)間越短，獲得概率Tav,k越大，下載時(shí)間越短；反之，下載時(shí)間越長(zhǎng)。

3.2 QoS評(píng)價(jià)方法

3.2.1 重疊網(wǎng)絡(luò)層QoS評(píng)價(jià)方法

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其資源的查詢時(shí)間為Tlookup、資源的查全率為rc及模糊查詢的支持度sufuzzy各不相同，理論上具有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重疊層結(jié)構(gòu)的Tlookup最短，其時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，由于集中控制，所以資源的查全率為1，且支持模糊查詢；無(wú)結(jié)構(gòu)的全分布式P2P網(wǎng)絡(luò)其Tlookup根據(jù)其TTL而定，支持模糊查詢，但資源的查全率小于1；結(jié)構(gòu)化的全分布式P2P網(wǎng)絡(luò)其Tlookup為O(log(N))，資源的查全率為1，但是不支持模糊查詢；采用混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)其時(shí)間復(fù)雜度小于O(log(N))，資源的查全率為1，是否支持模糊查詢由超級(jí)節(jié)點(diǎn)采用的重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定，重疊網(wǎng)絡(luò)層QoS使用式（5）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.2 應(yīng)用層QoS評(píng)價(jià)方法

對(duì)QoS的評(píng)價(jià)分為兩個(gè)方面：一是實(shí)際的性能指標(biāo)，如用戶下載文件實(shí)際所花的時(shí)間；二是用戶感受的服務(wù)質(zhì)量，這個(gè)與用戶的使用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)。假設(shè)實(shí)際所花時(shí)間用TR表示，設(shè)用戶期望所花時(shí)間用TE表示，一般用戶期望所花時(shí)間與文件的大小成正比，這里可以用文件的Size代替。那么可以得出節(jié)點(diǎn)感受的QoS，表示為QoSpeer，如式（6）所示。

另外，使用符號(hào)QoSglobe表示P2P網(wǎng)絡(luò)的全局QoS，定義如式（7）所示，QoSglobe實(shí)質(zhì)是衡量P2P文件共享系統(tǒng)整體的服務(wù)質(zhì)量感受。

3.2.3 QoS整體評(píng)價(jià)模型

綜合前面分析的因素，定義P2P文件共享服務(wù)的整體QoS評(píng)價(jià)值為QoSfile-sharing，如式（8）所示，它是重疊網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層QoS的加權(quán)評(píng)價(jià)值，其中w1和w2是兩層的QoS的權(quán)重。

4 實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)采用了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用pthread線程來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)性，節(jié)點(diǎn)的加入和退出服從指數(shù)分布。另外在實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)特殊的服務(wù)進(jìn)程來(lái)模擬重疊網(wǎng)絡(luò)的資源查詢時(shí)延，稱之為overlayd進(jìn)程，這樣減少了重疊網(wǎng)絡(luò)層帶來(lái)的復(fù)雜性，好處是可以將重疊網(wǎng)絡(luò)層的功能獨(dú)立出來(lái)，如果使用Chord路由算法，那么overlayd進(jìn)程按照Chord的拓?fù)錁?gòu)建一個(gè)虛擬的P2P網(wǎng)絡(luò)，另外在程序中可以專注于應(yīng)用層的QoS影響因素。節(jié)點(diǎn)“join”、“crash”提供新資源時(shí)，向overlayd發(fā)送一個(gè)消息，這樣當(dāng)節(jié)點(diǎn)查詢資源時(shí)，overlayd返回資源的節(jié)點(diǎn)信息。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

模擬程序運(yùn)行在Linux Ubuntu操作系統(tǒng)上，內(nèi)核為2.6.35，使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，采用g++編譯器，版本為4.4.5。CPU為Intel Core雙核 2.93 GHz，內(nèi)存3 GB。圖 1所示為模擬節(jié)點(diǎn)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，pthread線程模擬每個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的主要行為有：加入和退出P2P網(wǎng)絡(luò)；注冊(cè)資源；管理緩沖；執(zhí)行緩沖策略；請(qǐng)求資源；響應(yīng)并上傳資源；執(zhí)行上傳策略。overlayd線程模擬重疊網(wǎng)絡(luò)層的功能，負(fù)責(zé)維護(hù)具體的P2P拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并負(fù)責(zé)資源的注冊(cè)、撤銷及查詢功能。

4.2 節(jié)點(diǎn)離線率對(duì)QoS的影響

在實(shí)驗(yàn)中，使用數(shù)據(jù)塊的數(shù)量來(lái)衡量文件的大小，如圖2中的小文件是指文件塊數(shù)為1～10的文件，大文件指文件塊數(shù)為50～150的文件。從圖2中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)離線率的增加，下載文件的平均時(shí)間增加；大文件隨著離線率的增加，其平均時(shí)間增加的幅度大于小文件的增加幅度，可以看出離線率對(duì)小文件影響較小。

如圖3中的小文件是指文件塊數(shù)為1～10的文件，中文件指文件塊數(shù)為10～20的文件，大文件指文件塊數(shù)為30～40的文件?？梢钥闯?，隨著節(jié)點(diǎn)離線率的增加成功交易文件數(shù)減少，小文件對(duì)離線率的影響小于大文件，小文件的交易數(shù)變化幅度小于大文件。

4.3 用戶的上傳策略對(duì)QoS的影響

在實(shí)驗(yàn)中，使用rho_ab來(lái)表示用戶對(duì)上傳策略的支持度，rho_ab的值越大，表示其上傳的速率越大，從圖4和圖5可以看出，隨著用戶上傳策略積極度的增加，平均時(shí)間逐漸減少并且成功交易數(shù)逐漸增加。

4.4 用戶的緩存策略對(duì)QoS的影響

實(shí)驗(yàn)中，使用rho_bu表示用戶緩存積極度，rho_bu=[1,10]，rho_bu的值越大表示用戶緩存的文件越少。從圖6和圖7可以看出，隨著用戶緩存積極度的增加，平均時(shí)間逐漸減少并且成功交易數(shù)也在相應(yīng)地變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，P2P技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到各種系統(tǒng)中，從最初的P2P音樂(lè)共享軟件 Napster[1]到目前的基于P2P技術(shù)的視頻、存儲(chǔ)、文件共享、協(xié)同工作、搜索等各種應(yīng)用領(lǐng)域，P2P的優(yōu)點(diǎn)是能夠利用端用戶的計(jì)算和存儲(chǔ)能力在短期內(nèi)快速擴(kuò)展。P2P模式相比于C/S模式是一種全新的模式，雖然P2P模式帶來(lái)巨大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，但是不能提供QoS保證，節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。

本文首先給出了一個(gè)P2P應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)，然后在分層的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，分別給出了重疊網(wǎng)絡(luò)層的QoS評(píng)價(jià)模型和應(yīng)用層的評(píng)價(jià)模型。然后從實(shí)驗(yàn)角度分析了應(yīng)用層的QoS模型，實(shí)驗(yàn)中分析了節(jié)點(diǎn)的加入和退出因素、節(jié)點(diǎn)的能力和上傳策略因素、節(jié)點(diǎn)緩存大小和節(jié)點(diǎn)緩存策略因素。另外，文件的熱度也是影響系統(tǒng)QoS的一個(gè)因素，但是文件熱度影響因素較多，一是影響因素節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求概率，二是影響節(jié)點(diǎn)的緩存概率。因此下一階段將在目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上深入研究文件熱度對(duì)系統(tǒng)QoS的影響。本文雖然給出了P2P應(yīng)用的QoS評(píng)價(jià)模型，但僅在理論上分析了影響重疊網(wǎng)絡(luò)層QoS的因素，因?yàn)橹丿B網(wǎng)絡(luò)層的復(fù)雜性和獨(dú)立性，因此可以單獨(dú)研究其應(yīng)用層的QoS。

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