王永偉，樊建席，劉文軍，沈海飛

（蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215006）

0 引 言

P2P網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)的C／S模式，使得擁有資源的用戶可以與需求資源的用戶直接連接進(jìn)行資源的共享，將網(wǎng)絡(luò)中的資源合理有效地組織利用起來。

P2P網(wǎng)絡(luò)分為結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)和非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)嚴(yán)格的覆蓋網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］。在最短的時(shí)間內(nèi)找到所需要的資源是P2P網(wǎng)絡(luò)所需解決的首要問題。結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)主要就是實(shí)現(xiàn)了資源的快速查找，典型的結(jié)構(gòu)化 P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有 Chord［2］，CAN［3］等。但是這些典型的拓?fù)淠Ｐ蜎]有考慮網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在處理能力和在線時(shí)長等方面的差異。若充分利用這種差異即異質(zhì)性則可以對網(wǎng)絡(luò)的性能做出極大的改善。此外，在如今的網(wǎng)絡(luò)中，用戶常希望在輸入一些所需資源的某些特點(diǎn)以后能篩選出某一類資源，這就要求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有語義查詢的能力。

文獻(xiàn) ［4］考慮了節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性，但是沒有語義查詢功能。文獻(xiàn) ［5］提出了基于雙層P2P結(jié)構(gòu)的語義服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型。文獻(xiàn) ［6］改進(jìn)了雙層P2P網(wǎng)絡(luò)模型并作了相關(guān)分析。將自組織和結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合可得到自組織網(wǎng)絡(luò)，如文獻(xiàn) ［7，8］將生物激勵(lì)算法用到結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)Chord中，得到Self－Chord模型。文獻(xiàn) ［9］利用移動(dòng)Agent預(yù)見性的處理負(fù)載問題達(dá)到負(fù)載均衡。文獻(xiàn) ［10］通過利用自組織的方式均衡負(fù)載。文獻(xiàn) ［11］給出了兩層非結(jié)構(gòu)化的語義發(fā)現(xiàn)模型。

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性提出的一種基于移動(dòng)代理的結(jié)構(gòu)化 P2P網(wǎng)絡(luò)模型 （mobile agent based structured P2Pnetwork：AS－P2P），在移動(dòng)代理的作用下，AS－P2P不僅具有資源索引分類、模糊查詢、負(fù)載均衡等優(yōu)點(diǎn)，而且平均查找長度更短，更加能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。

1 AS－P2P網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 相關(guān)定義

定義1 一般節(jié)點(diǎn)NP（normal peer），可以是網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)。它可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)而只需要較少的網(wǎng)絡(luò)修復(fù)操作。一般節(jié)點(diǎn)上存有資源供其它節(jié)點(diǎn)請求，也可以向其它節(jié)點(diǎn)請求資源。一般節(jié)點(diǎn)上存有自身資源的資源索引，這些資源索引項(xiàng)為 （key，Location（ID）），其中：key是數(shù)值型資源關(guān)鍵字，假設(shè)相似資源的key相近。是為此資源索引負(fù)責(zé)的超級節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)。

定義2 超級節(jié)點(diǎn)SP （super peer），是指在網(wǎng)絡(luò)中在線時(shí)間長、處理能力強(qiáng)、可靠性高的節(jié)點(diǎn)。它主要負(fù)責(zé)若干個(gè)NP的資源請求和相應(yīng)種類的資源索引。它負(fù)責(zé)維護(hù)的索引數(shù)據(jù)庫為

其中：Location（key，NP）是資源關(guān)鍵字為key的資源所在的路徑，如可由NP的IP地址和資源在NP上的路徑組成。此外，每個(gè)SP還需要維護(hù)一個(gè)中心關(guān)鍵字CK（central key）以表征此超級節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的索引項(xiàng)的資源種類，CK可以由下式得到其中：表示索引數(shù)據(jù)庫中所有資源索引的關(guān)鍵字之和，表示資源索引項(xiàng)項(xiàng)數(shù)。超級節(jié)點(diǎn)還需要維護(hù)一個(gè)索引網(wǎng)絡(luò)的路由表。

定義3 移動(dòng)代理 MA （mobile agent），是運(yùn)行在超級節(jié)點(diǎn)上的程序。它負(fù)責(zé)超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中資源索引項(xiàng)的轉(zhuǎn)移。當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫有資源索引項(xiàng)更新時(shí)，便運(yùn)行此程序。它把超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中離CK較遠(yuǎn)的鍵索引帶離該超級節(jié)點(diǎn)并放置到合適的超級節(jié)點(diǎn)上。MA是實(shí)現(xiàn)資源索引分類的關(guān)鍵。

AS－P2P網(wǎng)絡(luò)模型的上層為索引網(wǎng)絡(luò)，是由在線時(shí)間長、處理能力強(qiáng)和可靠性高的超級節(jié)點(diǎn)組成的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的超級節(jié)點(diǎn)在更新資源索引時(shí)運(yùn)行移動(dòng)代理程序，此程序負(fù)責(zé)索引網(wǎng)絡(luò)中的資源索引的移動(dòng)。一般節(jié)點(diǎn)組成下層網(wǎng)絡(luò)，稱為資源網(wǎng)絡(luò)。資源網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以與任意的超級節(jié)點(diǎn)建立主仆關(guān)系，從而適應(yīng)高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.2 一般節(jié)點(diǎn)上線和資源發(fā)布

一般節(jié)點(diǎn)可以是網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)，它可以隨意的加入網(wǎng)絡(luò)并依附于超級節(jié)點(diǎn)。

1.3 節(jié)點(diǎn)下線和資源撤銷

1.3.1 一般節(jié)點(diǎn)下線

一般節(jié)點(diǎn)NP下線時(shí)根據(jù)每項(xiàng)資源對應(yīng)的資源索引項(xiàng)的找出對應(yīng)的負(fù)責(zé)超級節(jié)點(diǎn)SP，然后向SP發(fā)送下線消息DOWN＿M(jìn)SG，SP收到消息后把相應(yīng)的資源索引項(xiàng)刪除，并返回一個(gè)DOWN＿OK消息給NP，當(dāng)NP收到所有資源的DOWN＿OK消息后正常下線，對應(yīng)的資源也正常撤銷。另外，SP周期性檢測每個(gè)資源是否有效，以排除一般節(jié)點(diǎn)意外下線造成的資源無效的情況。

1.3.2 超級節(jié)點(diǎn)下線

當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)SP需要下線時(shí)，SP會(huì)把索引數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)在SP上的資源索引刪除，并按照上述一般節(jié)點(diǎn)下線時(shí)的操作刪除SP在其他超級節(jié)點(diǎn)上的資源索引，然后在SP負(fù)責(zé)的一般節(jié)點(diǎn)NP中找到一個(gè)備選超級節(jié)點(diǎn)SPB，最后SP把索引數(shù)據(jù)庫和路由表復(fù)制給SPB。SPB繼承SP的ID號，并通知SP所負(fù)責(zé)的資源索引對應(yīng)的資源所在的節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在由其負(fù)責(zé)該索引，SPB按照索引網(wǎng)絡(luò)層所用的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議加入索引網(wǎng)絡(luò)。至此，超級節(jié)點(diǎn)正常下線，對應(yīng)的資源也正常撤銷。

1.4 一般節(jié)點(diǎn)加入與離開索引網(wǎng)絡(luò)

索引網(wǎng)絡(luò)按照所有超級節(jié)點(diǎn)的CK從小到大排列，所以擁有相似CK的超級節(jié)點(diǎn)是相鄰的。

1.4.1 一般節(jié)點(diǎn)加入索引網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)一個(gè)超級節(jié)點(diǎn)SP的資源索引項(xiàng)過多，即超過設(shè)定的最高負(fù)載INDEX＿HIGH 時(shí)，SP在其負(fù)責(zé)的一般節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)備選超級節(jié)點(diǎn)設(shè)為SPB，作為SP的后繼加入上層索引網(wǎng)絡(luò)。SP將索引數(shù)據(jù)庫中排序靠后的一半資源索引項(xiàng)復(fù)制給SPB。SP通知相應(yīng)超級節(jié)點(diǎn)現(xiàn)由SPB負(fù)責(zé)相應(yīng)的資源。這些操作結(jié)束以后，SP刪除這些資源索引。SP和新加入的SPB都重新計(jì)算自己的CK。一個(gè)一般節(jié)點(diǎn)就成功加入索引網(wǎng)絡(luò)成為超級節(jié)點(diǎn)。

1.4.2 超級節(jié)點(diǎn)離開索引網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)某超級節(jié)點(diǎn)SP1的資源索引項(xiàng)過少，即低于設(shè)定的最低負(fù)載INDEX＿LOW 時(shí)，SP1向其鄰居節(jié)點(diǎn)SP2發(fā)送一個(gè)INFO＿M(jìn)SG消息詢問SP2的索引數(shù)據(jù)庫中的索引項(xiàng)的個(gè)數(shù)。SP1得到SP2的索引項(xiàng)個(gè)數(shù)以后，SP1比較自身的索引項(xiàng)數(shù)與SP2索引項(xiàng)數(shù)之和是否大于INDEX＿HIGH 。若SP1的索引項(xiàng)數(shù)大于SP2的索引項(xiàng)數(shù)，則由SP2將索引數(shù)據(jù)庫中的前 （Index ＿SP2－Index ＿SP1）／2索引項(xiàng)轉(zhuǎn)移給SP1，（其中，Index＿SP1和Index＿SP2是SP1和SP2的索引數(shù)據(jù)庫中的索引項(xiàng)數(shù)）；否則，SP1把自己的索引項(xiàng)和負(fù)責(zé)的一般節(jié)點(diǎn)交由SP2負(fù)責(zé)。一個(gè)負(fù)載過低的超級節(jié)點(diǎn)成功離開索引網(wǎng)絡(luò)成為一般節(jié)點(diǎn)。

1.5 超級節(jié)點(diǎn)上移動(dòng)代理的工作過程

步驟1 當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入并由超級節(jié)點(diǎn)SPM 負(fù)責(zé)時(shí)，SPM的MA激活比較函數(shù)用以找出其索引數(shù)據(jù)庫中與CK較遠(yuǎn)的對應(yīng)的索引項(xiàng)，這可根據(jù)與的相似度函數(shù)確定

其中，key＿max是資源關(guān)鍵字的最大差。給定一個(gè)Ptake，當(dāng)時(shí)，SPM 就找出關(guān)鍵字為key的資源索引項(xiàng)。

步驟2 MA復(fù)制步驟1找出的資源索引項(xiàng)，在路由表項(xiàng)中找到一個(gè)超級節(jié)點(diǎn)SP1，使得SP1的CK與索引項(xiàng)對應(yīng)的資源關(guān)鍵字最近。MA與SP1建立連接，設(shè)SP1的CK為，計(jì)算。在SP1的路由表中找出超級節(jié)點(diǎn)SP2使其CK與key最相近，設(shè)SP2的CK 為CK2，計(jì)算。若f（key，CK1）＞f（key，CK2），則把key放置在SP1上；否則，與SP2建立連接。重復(fù)步驟2的前述過程，直到找到一個(gè)超級節(jié)點(diǎn)SPD，最終將key放置到SPD上。SPD根據(jù)索引項(xiàng)中包含的源ID號給SPM發(fā)送一個(gè)確認(rèn)消息，SPM 再告訴該資源的擁有者NP，NP相應(yīng)改動(dòng)自己的資源索引，知道自己的資源是由SPD所負(fù)責(zé)的。然后SPM 刪除此項(xiàng)資源索引。

步驟3 MA重復(fù)步驟2將所有資源索引安排給合適的超級節(jié)點(diǎn)，一次移動(dòng)代理的工作過程結(jié)束。

2 AS－P2P網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)驗(yàn)仿真和性能分析

2.1 平均查找長度

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源請求的概率相同，索引網(wǎng)絡(luò)使用結(jié)構(gòu)化P2P模型。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，超級節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例為α，超級節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為α＊N，一般節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為（1－α）＊N。

定理 AS－P2P網(wǎng)絡(luò)中的平均查找長度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)模型更短。

證明 以索引網(wǎng)絡(luò)層使用Chord為例，當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)查找資源時(shí)，直接在索引網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行查找，平均查找長度為log（α＊N）；當(dāng)一般節(jié)點(diǎn)查找資源時(shí)，會(huì)向?yàn)槠湄?fù)責(zé)的超級節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求，長度為1，之后由超級節(jié)點(diǎn)查找資源，平均查找長度為log（α＊N）；由于超級節(jié)點(diǎn)、一般節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例分別為α、1－α，因此在Chord中平均查找長度

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，超級節(jié)點(diǎn)的比例α較小，所以平均查找長度log（α＊N）＋1－α相對于chord來說更小。相類似的，當(dāng)索引網(wǎng)絡(luò)層使用其它結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)模型如CAN時(shí)，由于規(guī)模變小，平均查找長度也較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)模型也更短。

2.2 資源分類和語義查詢

網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)移動(dòng)代理的協(xié)同工作下，每個(gè)超級節(jié)點(diǎn)維護(hù)的索引數(shù)據(jù)庫中，偏離該超級節(jié)點(diǎn)CK較遠(yuǎn)的資源索引項(xiàng)都會(huì)被轉(zhuǎn)移到合適的超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中，即資源索引會(huì)按照資源種類被安放在相應(yīng)超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中。

在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中，各超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中，索引項(xiàng)關(guān)鍵字key都距離CK較近，它們屬于相似資源。因此，一個(gè)超級節(jié)點(diǎn)是存儲(chǔ)以CK為中心的一類資源，這達(dá)到資源索引分類效果。如果對于網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)關(guān)鍵字key的資源請求沒有找到，那么超級節(jié)點(diǎn)也可以返回索引數(shù)據(jù)庫中與key相近的資源，因而可以實(shí)現(xiàn)語義查詢。為評估超級節(jié)點(diǎn)的索引數(shù)據(jù)庫中資源索引項(xiàng)的相似程度，現(xiàn)作如下定義。

定義4 超級節(jié)點(diǎn)上資源索引純度ρ定義為

其中，CKi是超級節(jié)點(diǎn)i的關(guān)鍵字，N是超級節(jié)點(diǎn)i的索引數(shù)據(jù)庫中資源索引項(xiàng)數(shù)，key＿max是資源關(guān)鍵字的最大差。

模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，其中資源關(guān)鍵字最大差為512，網(wǎng)絡(luò)中超級節(jié)點(diǎn)的動(dòng)蕩時(shí)的資源純度和執(zhí)行移動(dòng)代理后的資源純度如圖1所示。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 超級節(jié)點(diǎn)的資源索引純度

從模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來看，資源鍵值均勻分布時(shí)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過動(dòng)蕩后，部分超級節(jié)點(diǎn)的資源純度下降；在移動(dòng)代理程序運(yùn)行作調(diào)整后，所有超級節(jié)點(diǎn)上的資源純度又重新恢復(fù)到很高的狀態(tài)，這表明網(wǎng)絡(luò)具有資源索引分類的功能。

2.3 負(fù)載均衡

從一般節(jié)點(diǎn)加入索引網(wǎng)絡(luò)和超級節(jié)點(diǎn)離開索引網(wǎng)絡(luò)的過程來看，超級節(jié)點(diǎn)的資源索引項(xiàng)數(shù)會(huì)分布在INDEX＿LOW和INDEX＿HIGH 之間，從而實(shí)現(xiàn)超級節(jié)點(diǎn)上資源索引項(xiàng)的負(fù)載均衡。這對于網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性十分重要。例如，當(dāng)一個(gè)超級節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的資源索引屬于熱門資源，那么對它的查詢會(huì)很頻繁，如果它存儲(chǔ)的資源索引項(xiàng)過多，那么熱點(diǎn)問題就很突出，而這里的負(fù)載均衡很好的解決了這個(gè)問題。若超級節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的一般節(jié)點(diǎn)過多可通過向鄰居超級節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移部分一般節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行一般節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡，且此操作不會(huì)影響上層的索引網(wǎng)絡(luò)。

模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)蕩期及穩(wěn)定后超級節(jié)點(diǎn)上擁有的資源索引項(xiàng)數(shù)如圖2所示。

圖2 超級節(jié)點(diǎn)上資源索引項(xiàng)的個(gè)數(shù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來看，資源鍵值均勻分布時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在有節(jié)點(diǎn)和資源的加入和離開后，部分超級節(jié)點(diǎn)索引數(shù)據(jù)庫中的資源索引項(xiàng)數(shù)發(fā)生了較大變化；經(jīng)過調(diào)整，超級節(jié)點(diǎn)上的資源索引項(xiàng)數(shù)都處于3000和7000之間，即分布在INDEX＿LOW 和INDEX＿HIGH 之間。這說明網(wǎng)絡(luò)中超級節(jié)點(diǎn)上的資源負(fù)載是相對均衡的。

3 結(jié)束語

理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)表明，充分利用節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性，并選擇使用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，AS－P2P具有對資源索引分類，負(fù)載均衡，能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化等優(yōu)點(diǎn)。需要指出的是，AS－P2P沒有考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬因素。實(shí)際上，為了達(dá)到資源索引的分類，移動(dòng)代理在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)會(huì)消耗索引網(wǎng)絡(luò)帶寬。后續(xù)的工作可以對移動(dòng)代理的工作進(jìn)行優(yōu)化，以期以更小代價(jià)換取資源分類和負(fù)載均衡，這對于支持語義查詢和后續(xù)的P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展具有重要的作用。

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