雷 申，劉方愛

（1.山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250014；2.山東省分布式計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014）

0 引 言

P2P（peer－to－peer）系統(tǒng)的應(yīng)用都依賴于系統(tǒng)的搜索效率，而P2P網(wǎng)絡(luò)中資源如何被高效的定位仍然是P2P應(yīng)用面臨的巨大挑戰(zhàn)［1］。P2P網(wǎng)絡(luò)可以分為非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)［2］。非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)基于洪泛等算法進(jìn)行路由，路由效率低且擴(kuò)展性差［3］。而結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)（如 Chord［4］、CAN［5］等）通過(guò) DHT （distributed hash table）進(jìn)行路由，相對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)具有查詢速度快、路由延遲低、擴(kuò)展性能好［6］等優(yōu)點(diǎn)。而DHT網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅僅是節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，更重要的是為節(jié)點(diǎn)中原本沒(méi)有位置關(guān)系的資源賦予了與節(jié)點(diǎn)拓?fù)湎嗨频年P(guān)系［7］。因此，在結(jié)構(gòu)化P2P中，資源可以被高效的定位，同時(shí)DHT也使查詢請(qǐng)求只能根據(jù)資源的關(guān)鍵字進(jìn)行精確的匹配，并且不支持語(yǔ)義關(guān)聯(lián)檢索，缺乏模糊搜索能力，使部分查詢結(jié)果在內(nèi)容上匹配程度不高。因此，如何在基于DHT的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義層次的檢索是結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)面臨的主要問(wèn)題之一。

文獻(xiàn) ［8］構(gòu)建了一個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)SemreX，并提出一種基于語(yǔ)義相似度的P2P拓?fù)涔芾砗筒樵兟酚伤惴▉?lái)提高系統(tǒng)的搜索效率。文獻(xiàn) ［9］結(jié)合向量空間模型VSM、本體 （Ontology）與DHT技術(shù)將相似文檔聚集在臨近位置，減少了路由跳數(shù)，在一定程度上加快了檢索的速度，擴(kuò)大了檢索的范圍。但是系統(tǒng)中特征向量產(chǎn)生的高維矩陣增加了計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn) ［10］針對(duì)P2P網(wǎng)格，提出了一種基于分布式網(wǎng)格本體的P2P網(wǎng)格資源匹配模型。在該模型中，全局本體由各個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立的本地網(wǎng)格資源本體構(gòu)成。網(wǎng)格資源匹配操作完全分布式地由節(jié)點(diǎn)自主控制。文獻(xiàn) ［11］劃分了網(wǎng)絡(luò)中資源的主題，提出了一種語(yǔ)義覆蓋網(wǎng)絡(luò)SSON，其基于結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由，具有可靠、高效等特點(diǎn)。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于DHT和本體的搜索方法SOC （semantic ontology chord），將類似文檔聚集在一起、使相同興趣的節(jié)點(diǎn)趨近于鄰近位置來(lái)改善搜索效率，同時(shí)支持模糊查詢。該方法具有較好的實(shí)用性和擴(kuò)展性，為有組織的P2P系統(tǒng)提供了一種高效的數(shù)據(jù)查詢方法。

1 基于本體的P2P網(wǎng)絡(luò)搜索方法

1.1 本體的應(yīng)用

本體的概念來(lái)源于哲學(xué)，目前被廣泛接受的定義由Gruber給出［12］，即 “本體是概念模型的明確的規(guī)范說(shuō)明”。本體就是通過(guò)對(duì)某特定領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)用公認(rèn)的規(guī)范進(jìn)行定義，并描述這些定義與定義之間的關(guān)系，使人和機(jī)器都可處理和交流的一種知識(shí)模型。它可以包括這個(gè)領(lǐng)域都有哪些概念、這些概念都有什么屬性以及概念間的層次和關(guān)系等。本體的應(yīng)用廣泛，目前已被應(yīng)用于電子工程、化學(xué)、電子商務(wù)和數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域。

SOC可以利用 SWRC （semantic web research community ontology）［13］等 已 設(shè) 計(jì) 好 的 本 體 來(lái) 構(gòu) 建 節(jié) 點(diǎn) 本 體。SWRC是學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域的一個(gè)本體，用與描述科研機(jī)構(gòu)、科研項(xiàng)目和出版物等概念以及它們之間的關(guān)系。利用SWRC將節(jié)點(diǎn)本體細(xì)化為文獻(xiàn)本體和主題分類本體兩部分。其中文獻(xiàn)本體由文獻(xiàn)的概念、屬性以及各種關(guān)系等組成；而主題分類本體則包含了對(duì)領(lǐng)域內(nèi)各種主題的分類和主題之間的關(guān)系，例如 “軟件工程”與 “計(jì)算機(jī)科學(xué)”之間是subTopicof和superTopicof的關(guān)系等。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)本體，能夠較好的解決因關(guān)鍵詞精確匹配帶來(lái)的資源內(nèi)容不符等問(wèn)題，使查詢請(qǐng)求和節(jié)點(diǎn)間能建立較強(qiáng)的語(yǔ)義關(guān)系，使檢索上升到語(yǔ)義層。對(duì)于有查詢請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)：可以對(duì)用戶的檢索請(qǐng)求進(jìn)行處理和規(guī)范，根據(jù)關(guān)鍵詞對(duì)要查詢的資源進(jìn)行歸類，判斷需要查詢的資源屬于哪個(gè)類別，以獲得更好的查詢效果；對(duì)于收到查詢請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)：可以通過(guò)請(qǐng)求消息計(jì)算出相近似的資源并返回，使網(wǎng)絡(luò)能夠最大限度的滿足查詢請(qǐng)求。

本體中兩個(gè)主題之間在語(yǔ)義上的相似度可以通過(guò)文獻(xiàn)［14］介紹的相似性函數(shù) （見式 （1））來(lái)計(jì)算，其通過(guò)計(jì)算兩個(gè)主題t1、t2在主題層中的位置來(lái)計(jì)算它們之間的距離，當(dāng)距離較近并高于某一個(gè)閾值時(shí)則認(rèn)為兩個(gè)主題相似。

其中α，β≥0。l是在本體的層次結(jié)構(gòu)中主題t1、t2之間的最短路徑。h是第一個(gè)包含t1、t2的父主題的層次位置。顯然l越大或h越小，t1、t2之間的相似度越??；反之亦然。α和β是參數(shù)，分別決定了最短路徑長(zhǎng)度l和父主題層次h的影響比重，文獻(xiàn) ［14］經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明α和β的值分別在0.2和0.6時(shí)最佳。由式 （1）可知，當(dāng)不同的主題通過(guò)計(jì)算即t1≠t2時(shí)，Sim的值越大，則t1、t2之間的相似度就越大。

1.2 SOC基本設(shè)計(jì)

Chord是MIT提出的一種典型的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)模型，具有映射簡(jiǎn)單、搜索速度快等優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)一致性散列 （consistent hashing）運(yùn)算將節(jié)點(diǎn)和文檔映射到值域?yàn)椋?，2m－1］的環(huán)形結(jié)構(gòu)中，并在此基礎(chǔ)上利用DHT實(shí)現(xiàn)資源定位。SOC是從Chord模型調(diào)整而來(lái)，其網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)相同的領(lǐng)域本體，并利用該本體來(lái)進(jìn)行查詢請(qǐng)求的優(yōu)化。在Chord原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)了節(jié)點(diǎn)維護(hù)的資源索引，使查詢時(shí)可以返回更多相近主題的結(jié)果，進(jìn)而提高查全率。

Chord模型中，文件被關(guān)聯(lián)到＜Key，Value＞對(duì)，節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符也采用節(jié)點(diǎn)名字 （如IP地址）的散列值，節(jié)點(diǎn)的每個(gè)資源對(duì)應(yīng)的＜Key，Value＞對(duì)被保存到與Key相近的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符的機(jī)器中，使查詢消息所代表的資源對(duì)象與節(jié)點(diǎn)地址相關(guān)聯(lián)。當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或者有新的資源關(guān)聯(lián)到＜Key，Value＞對(duì)時(shí)，將對(duì)應(yīng)的＜Key，Value＞對(duì)轉(zhuǎn)移到更相近的節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)離開時(shí)其保存的＜Key，Value＞也會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰的節(jié)點(diǎn)。

SOC保持原有放置機(jī)制不變，將＜Key，Value＞對(duì)改進(jìn)為＜Class，Key，Value＞，Class是節(jié)點(diǎn)通過(guò)共享的領(lǐng)域本體對(duì)資源進(jìn)行規(guī)范和處理后的分類信息的散列值，資源文件將會(huì)由Class和Key確定。此時(shí)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)資源對(duì)應(yīng)的＜Class，Key，Value＞信息將被保存到與Class相近的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符的機(jī)器中，而原本散列關(guān)鍵詞得到的Key因查詢需求不進(jìn)行散列。在查詢的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)將包含Class和Key的請(qǐng)求發(fā)送到與Class鍵值最接近的節(jié)點(diǎn)上，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將同一Class下與Key相近的＜Class，Key，Value＞返回。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)返回的Value信息找到放置資源的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源傳輸。

SOC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)除維護(hù)原有的路由信息外還維護(hù)著一張興趣節(jié)點(diǎn)表，其保存了提供資源的節(jié)點(diǎn)的歷史傳輸信息，即通過(guò)Class查詢后得到的Value中成功提供資源的節(jié)點(diǎn)信息。事實(shí)上，若同一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間范圍內(nèi)總是能滿足另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的查詢請(qǐng)求，那么這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)有可能具有較為相似的興趣；另一方面，如果節(jié)點(diǎn)在查詢時(shí)優(yōu)先向有相同興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，那么得到匹配資源的幾率會(huì)增大。節(jié)點(diǎn)在查詢時(shí)可以先向興趣節(jié)點(diǎn)表中記錄的節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求時(shí)通過(guò)一定算法計(jì)算出與請(qǐng)求最接近的資源信息后返回。

1.3 SOC中的路由

SOC初始時(shí)路由算法與Chord模型類似，在SOC中節(jié)點(diǎn)同樣需要保存m個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的信息，這些信息的集合稱為查詢表，表格中節(jié)點(diǎn)的間距以2k－2的關(guān)系排列 （k是表中的數(shù)組下標(biāo)）。節(jié)點(diǎn)將自身資源的＜Class，Key，Value＞保存到標(biāo)識(shí)符與Class鍵值相近的節(jié)點(diǎn)上并維護(hù)，在查詢時(shí)將包含Class和Key的請(qǐng)求信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可。節(jié)點(diǎn)在查詢到需要的資源后，記錄提供資源節(jié)點(diǎn)信息到興趣節(jié)點(diǎn)表，在下一次查詢時(shí)先向興趣節(jié)點(diǎn)表中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求，這樣將有較大幾率獲得期望結(jié)果。下面是路由算法的詳細(xì)過(guò)程：

（1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有查詢請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)本體處理查詢關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的分類信息，然后將分類信息散列為Class鍵值。

（2）如果節(jié)點(diǎn)的興趣節(jié)點(diǎn)表為空，則根據(jù)查詢表將包含Class和Key的請(qǐng)求信息發(fā)送到與Class鍵值最接近的節(jié)點(diǎn)A’上，跳至 （3）；否則還需要向興趣節(jié)點(diǎn)表中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，并在請(qǐng)求中附加信息以證明此請(qǐng)求為一個(gè)興趣查詢請(qǐng)求，除步驟 （3）外還需要進(jìn)行步驟 （4）。

（3）收到查詢請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)X根據(jù)Class鍵值與自身存儲(chǔ)鍵值比較，如果吻合，則通過(guò)本體計(jì)算出自身維護(hù)的與Key相同或相似的資源索引，并返回結(jié)果，否則返回已知與Class最相近的節(jié)點(diǎn)信息；重復(fù)這一步驟，直到找到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為止。

（4）收到帶有附加信息查詢請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)式 （1）計(jì)算自身資源與Key對(duì)應(yīng)主題的相似度并在大于某一閾值時(shí)返回對(duì)應(yīng)結(jié)果。

（5）節(jié)點(diǎn)A查詢到＜Class，Key，Value＞時(shí)根據(jù)Value信息找到存儲(chǔ)資源的節(jié)點(diǎn)B并傳輸資源，并記錄節(jié)點(diǎn)B的地址等信息。

查詢過(guò)程的偽代碼如下：

A.Search（reqStr）｛//節(jié)點(diǎn)A發(fā)起發(fā)起查詢，reqStr為處理后的查詢信息

while（hasResult＝＝0）｛//無(wú)查詢結(jié)果返回時(shí)

A’＝A.find ＿matched ＿node （reqStr）；//查 找 與reqStr最匹配的節(jié)點(diǎn)

A.send（reqStr）； //向匹配節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求

if（A’.match （reqStr））｛//如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)匹配

hasResult＝1；

return result； //返回結(jié)果

｝else｛ //否則重復(fù)直到有結(jié)果返回

A＝A’；

｝

｝

if（interestTable.length＞0）｛//如果興趣節(jié)點(diǎn)表不為空

A.Send （reqInterestStr）；//向興趣節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求

｝

｝

如圖1所示為SOC中一個(gè)節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)的過(guò)程。

圖1 SOC中節(jié)點(diǎn)查詢示例

1.4 節(jié)點(diǎn)信息維護(hù)

1.4.1 節(jié)點(diǎn)的加入

SOC中節(jié)點(diǎn)p的加入步驟與Chord類似。一般的，新節(jié)點(diǎn)p加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中已存在的節(jié)點(diǎn)p’完成的，具體情況如下：①根據(jù)Chord規(guī)則更新p的前向節(jié)點(diǎn)、后繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)中已存在的其它節(jié)點(diǎn)和自身的指針表信息；②將網(wǎng)絡(luò)中歸屬于p的＜Class，Key，Value＞信息轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)p上并由p維護(hù)。

一般情況下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)需要影響的節(jié)點(diǎn)數(shù)為O（logN），更新這些節(jié)點(diǎn)的信息需要的時(shí)間為O（log2N）。

1.4.2 節(jié)點(diǎn)的離開

節(jié)點(diǎn)的離開分為正常離開和異常離開。正常離開時(shí)會(huì)將自身保存的＜Class，Key，Value＞信息轉(zhuǎn)移到后繼節(jié)點(diǎn)上，然后由后繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)其它節(jié)點(diǎn)的更新，更新策略與節(jié)點(diǎn)加入時(shí)相同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)因特殊原因異常離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的信息無(wú)法路由。為此，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張后繼節(jié)點(diǎn)表，其中包含已在網(wǎng)絡(luò)中的r個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的后繼異常離開時(shí)，將后繼節(jié)點(diǎn)表中第一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)當(dāng)作自己的后繼節(jié)點(diǎn)，并由它負(fù)責(zé)其它節(jié)點(diǎn)的更新。

1.4.3 信息的更新

節(jié)點(diǎn)除維護(hù)查詢表、后繼節(jié)點(diǎn)表和屬于自己的＜Class，Key，Value＞信息外，還需要維護(hù)一張興趣節(jié)點(diǎn)表。興趣節(jié)點(diǎn)表中保存了m個(gè)提供資源的節(jié)點(diǎn)與自身的歷史傳輸記錄，通常如表1所示。

表1 興趣節(jié)點(diǎn)表示例

表1中興趣節(jié)點(diǎn)地址即網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符，查找成功率為查找成功的次數(shù)與向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請(qǐng)求的次數(shù)的比值。另外，節(jié)點(diǎn)在收到興趣查詢請(qǐng)求時(shí)，若自身資源不能滿足請(qǐng)求，可以將興趣節(jié)點(diǎn)表中查找成功率較高的節(jié)點(diǎn)地址返回。興趣節(jié)點(diǎn)表根據(jù)提供資源節(jié)點(diǎn)的查詢歷史與查詢成功率來(lái)不斷更新，查詢成功率高的節(jié)點(diǎn)將被排在表的更上面位置。

2 仿真與分析

根據(jù)SOC的特點(diǎn)，基于PeerSim［15］模擬器建立實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境，評(píng)估和分析了SOC中性能相關(guān)的參數(shù)。下面主要針對(duì)節(jié)點(diǎn)的查全率來(lái)測(cè)試模型的性能，并與傳統(tǒng)Chord模型相應(yīng)性能進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置了1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，將含有56個(gè)主題類別的3000篇文檔隨機(jī)分配給節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有文檔數(shù)量最多不超過(guò)5篇。圖2顯示了隨著模擬次數(shù)的變化，SOC與Chord的查全率的變化和比較情況。

圖2 查全率比較

圖3顯示了SOC與Chord中隨著節(jié)點(diǎn)的增多查全率的變化情況，這里的查全率是綜合3次實(shí)驗(yàn)的平均值?？梢钥闯觯琒OC相比Chord在查全率上有更好的效率。這是因?yàn)?，SOC利用本體使節(jié)點(diǎn)支持模糊查詢，并且使興趣相近節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中處于臨近位置，因此實(shí)驗(yàn)中相比Chord具有更高的查全率。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖3 隨著節(jié)點(diǎn)的增多時(shí)算法查全率比較

本文基于Chord模型，針對(duì)DHT網(wǎng)絡(luò)只能進(jìn)行精確關(guān)鍵詞匹配查詢的缺陷，介紹了一種基于DHT和本體的網(wǎng)絡(luò)資源檢索方法SOC （semantic ontology chord），該方法改進(jìn)了DHT網(wǎng)絡(luò)中的資源標(biāo)識(shí)符，使目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠返回更多的相關(guān)資源；利用全局共享的節(jié)點(diǎn)本體實(shí)現(xiàn)了模糊查詢；同時(shí)使相近興趣節(jié)點(diǎn)趨于臨近位置，使節(jié)點(diǎn)在查詢時(shí)有較大幾率獲得匹配結(jié)果。最后通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真，測(cè)試了模型的性能，結(jié)果表明，該方法相比較Chord模型提高了5%－10%的查全率。

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