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一種改進(jìn)的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)洪泛搜索機(jī)制

盧葦，周韜，邢薇薇

(北京交通大學(xué)軟件學(xué)院，北京100044)

摘要:非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)使用基于洪泛的查詢算法來(lái)進(jìn)行資源搜索。然而，這種搜索機(jī)制隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，將產(chǎn)生大量的冗余查詢消息，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量急劇增加，引起網(wǎng)絡(luò)擁塞。提出了一種基于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間的洪泛搜索機(jī)制FIFSM(forwarding interval based flooding search mechanism)，通過(guò)為消息分配不相交的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間，使其沿著一棵生成樹(shù)的結(jié)構(gòu)傳播，消除了消息環(huán)路，從而避免冗余消息的產(chǎn)生。FIFSM機(jī)制采用高效的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)策略，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下以較低的開(kāi)銷保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)IFSM機(jī)制能夠降低洪泛開(kāi)銷，保證資源搜索的高成功率和低延遲，是一種有效的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)資源搜索機(jī)制。

關(guān)鍵詞:算法;計(jì)算機(jī)系統(tǒng);資源優(yōu)化;故障檢測(cè);容錯(cuò)性;網(wǎng)絡(luò)管理;網(wǎng)絡(luò)性能;丟包率;對(duì)等網(wǎng)絡(luò);可靠性分析;穩(wěn)定性;時(shí)延;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò);洪泛搜索;轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間;生成樹(shù)

P2P網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用層的分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)地位是對(duì)等的。按照資源組織與定位方法，可以將其分為結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)［1-3］和非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)［4］。其中，由于非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單性和高魯棒性使其得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用。

以Gnutella為代表的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)，是一種沒(méi)有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的覆蓋網(wǎng)，通常建立在隨機(jī)圖上，使用基于洪泛的查詢算法進(jìn)行資源搜索。節(jié)點(diǎn)通常把資源存儲(chǔ)在本地，也可將其備份到其他節(jié)點(diǎn)，以提高資源搜索的效率［5-6］。由于沒(méi)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的約束，在節(jié)點(diǎn)頻繁加入和撤離的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出良好的性能，并且僅需較少的維護(hù)開(kāi)銷。由于每一次查詢都是在本地進(jìn)行評(píng)估，所以它支持任意復(fù)雜類型的查詢，如語(yǔ)義查詢等。非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)采用基于洪泛的查詢機(jī)制進(jìn)行資源搜索。在洪泛的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)在有限的TTL內(nèi)，不斷地向所有的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，直至查詢到所需的結(jié)果或TTL變?yōu)?。洪泛的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短、覆蓋范圍廣以及可靠性高，但洪泛會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的冗余消息，不僅增加了節(jié)點(diǎn)處理負(fù)擔(dān)，還會(huì)占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬［7］。因此，如何在有效進(jìn)行資源搜索的同時(shí)，降低冗余消息量，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，是非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)核心問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，許多研究工作者嘗試通過(guò)改進(jìn)洪泛算法［8-11］，以提高非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。這些方法不再盲目地向所有鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，而是有策略地選擇部分鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。例如，隨機(jī)漫步算法［12］每次隨機(jī)選擇k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，其搜索過(guò)程持續(xù)至查詢到所需的結(jié)果或TTL變?yōu)?。這樣就減少了洪泛搜索產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量，但另一方面往往會(huì)產(chǎn)生較大的搜索延遲，并且搜索過(guò)程有可能丟失節(jié)點(diǎn)。另外一種優(yōu)化策略是通過(guò)改變P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高搜索效率的目的，其典型如樹(shù)形結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)［13-15］。在這樣的系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為樹(shù)形，洪泛時(shí)消息到達(dá)任意節(jié)點(diǎn)僅一次，從而避免了冗余消息的產(chǎn)生。如果樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，且消息丟失率較低，則樹(shù)形結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)具有良好的性能。然而，在節(jié)點(diǎn)頻繁加入和撤離的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，樹(shù)的結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)被分割，造成大量消息的丟失。因此，為了獲得良好的可靠性，樹(shù)形結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)需要探測(cè)消息丟失并從中恢復(fù)，這會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)信息的延遲。尤其當(dāng)故障頻繁發(fā)生時(shí)，還會(huì)引起相當(dāng)大的開(kāi)銷，這些都會(huì)限制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。樹(shù)形結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)的另一問(wèn)題是負(fù)載不均衡，樹(shù)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)承載了幾乎所有的轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載，而葉子節(jié)點(diǎn)卻不分擔(dān)負(fù)載。文獻(xiàn)［16］提出，將非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)建立在結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)之上，利用其結(jié)構(gòu)提高洪泛的性能。文獻(xiàn)［17］提出了一種基于生成樹(shù)的洪泛算法，該算法保證遍歷N個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)只需要N－1個(gè)消息。但由于該算法基于chord［3］，很大程度上受其協(xié)議的限制，生成樹(shù)的度數(shù)較低，消息傳播延遲較大。由于chord鄰居表中每一個(gè)表項(xiàng)僅維護(hù)1個(gè)節(jié)點(diǎn)，故當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，洪泛會(huì)導(dǎo)致大范圍的節(jié)點(diǎn)丟失。動(dòng)態(tài)環(huán)境中，其性能和可靠性高度依靠底層chord協(xié)議的維護(hù)能力。因此，由于協(xié)議的語(yǔ)義規(guī)定了覆蓋網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)如何連接，在結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)上建立非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的思想并不適合高度結(jié)構(gòu)化的DHT協(xié)議。

為此，本文提出了一種改進(jìn)的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)洪泛搜索機(jī)制FIFSM (forwarding interval based flooding search mechanism)。此機(jī)制借鑒結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)的策略，為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的標(biāo)識(shí)符，并建立有結(jié)構(gòu)的鄰居表。此外，在洪泛查詢消息(下文簡(jiǎn)稱查詢消息)中添加2個(gè)字段，用于限制節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)范圍。FIFSM機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要包括2個(gè)部分:洪泛算法和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)策略。FIFSM洪泛算法通過(guò)為消息分配不相交的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間，使其沿著一棵生成樹(shù)的結(jié)構(gòu)傳播，避免消息環(huán)路的產(chǎn)生，從而避免冗余查詢消息。鄰居表中添加了冗余節(jié)點(diǎn)，消息轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，如果遇到失效節(jié)點(diǎn)，選擇冗余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，降低節(jié)點(diǎn)失效造成消息丟失的可能，以提高洪泛算法的容錯(cuò)能力。FIFSM采用高效的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)策略，通過(guò)3種任務(wù)周期性地維護(hù)覆蓋網(wǎng)，保證了資源搜索的低延遲，提高了動(dòng)態(tài)環(huán)境中資源搜索的成功率，使其維護(hù)開(kāi)銷隨著節(jié)點(diǎn)變動(dòng)率的增加而降低。

1　FIFSM搜索機(jī)制的定義

在FIFSM機(jī)制中，本文定義了標(biāo)識(shí)符空間、鄰居表、以及前向和后向節(jié)點(diǎn)。

1．1標(biāo)識(shí)符空間

FIFSM機(jī)制使用一致性哈希函數(shù)［18］為節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)m位的標(biāo)識(shí)符，m必須足夠大，以保證2個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符是唯一的。標(biāo)識(shí)符空間是以2m為模依次排列的一個(gè)標(biāo)識(shí)符圓環(huán)。在標(biāo)識(shí)符空間中，以任意一個(gè)點(diǎn)x為中心，把距離x大小為2m－1的點(diǎn)稱作x的界點(diǎn)，記作M(x)。圖1展示了以0為中心且m = 3的標(biāo)識(shí)符空間。

圖1　標(biāo)識(shí)符空間

1．2鄰居表

在FIFSM機(jī)制中，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)x都要維護(hù)2個(gè)鄰居表，分別記錄標(biāo)識(shí)符空間中順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騲到M(x)區(qū)間中的鄰居節(jié)點(diǎn)。鄰居表有m－1個(gè)鄰居表項(xiàng)，其中，第i個(gè)表項(xiàng)包含變量start、end、interval和neighbors。start為標(biāo)識(shí)符空間中與節(jié)點(diǎn)x相對(duì)距離為的標(biāo)識(shí)符，end為標(biāo)識(shí)符空間中與節(jié)點(diǎn)x相對(duì)距離為2i的標(biāo)識(shí)符，［start，end］表示第i個(gè)表項(xiàng)所屬的區(qū)間。interval為起點(diǎn)是2i－1，終點(diǎn)是2i的區(qū)間，neighbors為第i個(gè)表項(xiàng)的鄰居節(jié)點(diǎn)列表，其節(jié)點(diǎn)數(shù)受限于節(jié)點(diǎn)冗余度H。鄰居表相關(guān)變量的定義如表1所示。

表1　鄰居表的變量定義

1．3前向和后向節(jié)點(diǎn)

在FIFSM機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)x除了要維護(hù)鄰居表以外，還需要維護(hù)它的前向節(jié)點(diǎn)和后向節(jié)點(diǎn)。前向節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)x沿逆時(shí)針?lè)较虻牡谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，記作predecessor(x)。后向節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)x沿順時(shí)針?lè)较虻牡谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，記作successor(x)。如圖2所示，對(duì)于節(jié)點(diǎn)N0，它的前向節(jié)點(diǎn)predecessor(N0) = N7，它的后向節(jié)點(diǎn)successor(N0) = N1。

圖2　環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　FIFSM搜索機(jī)制的洪泛算法

2．1算法定義

定義1轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間是標(biāo)識(shí)符空間中的一段連續(xù)的區(qū)間，用于限制消息的轉(zhuǎn)發(fā)范圍。轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間定義為，其中，LL是轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間的左邊界，RL為轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間的右邊界。

定義2洪泛的消息定義為message(Info，LL，RL)，其中，LL和RL為消息中添加的2個(gè)m位的字段，表示消息的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間，Info表示消息的內(nèi)容。

2．2算法描述

在傳統(tǒng)的洪泛算法中，節(jié)點(diǎn)收到消息后，盲目地向所有鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，導(dǎo)致消息的重復(fù)到達(dá)，產(chǎn)生大量的冗余消息。在FIFSM的洪泛算法中，節(jié)點(diǎn)收到消息后，僅向轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間內(nèi)的部分鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間內(nèi)不存在鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，則停止轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所示，其中圖3a)為節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，圖3b)展示了洪泛時(shí)消息的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，圖中的區(qū)間為節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)5發(fā)起洪泛時(shí)，它選擇鄰居節(jié)點(diǎn)2，4，6，0發(fā)送消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2收到消息后，它向轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中的鄰居節(jié)點(diǎn)3轉(zhuǎn)發(fā)消息。節(jié)點(diǎn)3收到消息后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中不存在節(jié)點(diǎn)，則停止轉(zhuǎn)發(fā)，其他節(jié)點(diǎn)與之類似。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間是不相交的，且每次轉(zhuǎn)發(fā)后，節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)在之后的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中，保證了節(jié)點(diǎn)上消息的不重復(fù)到達(dá)，避免了冗余信息的產(chǎn)生。圖3c)展示了洪泛過(guò)程中消息的傳播路徑?？梢钥闯觯⒌膫鞑ヂ窂绞?棵生成樹(shù)，消息到達(dá)任意節(jié)點(diǎn)僅1次。

圖3　洪泛生成樹(shù)的生成過(guò)程

2．3算法實(shí)現(xiàn)

FIFSM的洪泛算法不僅能實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)洪泛，也可以針對(duì)特定的范圍進(jìn)行洪泛，本文稱之為范圍洪泛。

2．3. 1發(fā)起洪泛

1)全網(wǎng)洪泛

對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)x，分別從鄰居表的每一個(gè)表項(xiàng)中選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，對(duì)于從表項(xiàng)i中選出的鄰居節(jié)點(diǎn)y，把表項(xiàng)i的start和end賦予消息m的LL和RL字段，并向節(jié)點(diǎn)y發(fā)送消息m。如果表項(xiàng)j不存在鄰居節(jié)點(diǎn)，即neighbors為空，則將表項(xiàng)j所屬的區(qū)間［start，end)并入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中。

2)范圍洪泛

對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)x，在鄰居表中找到一個(gè)目的范圍［LL，RL)內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)y，向它發(fā)送一個(gè)封裝了［LL，RL)的消息m，節(jié)點(diǎn)y收到消息m后就會(huì)在該范圍內(nèi)進(jìn)行洪泛。

2．3. 2轉(zhuǎn)發(fā)消息

節(jié)點(diǎn)y收到消息m后，對(duì)于鄰居表中屬于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間［LL，RL)內(nèi)的表項(xiàng)i，檢查其neighbors是否為空，如果不為空，則從neighbors中選出一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)z，把表項(xiàng)i的start和end賦予消息m的LL和RL字段，向鄰居節(jié)點(diǎn)z發(fā)送消息m。如果表項(xiàng)i不存在鄰居節(jié)點(diǎn)，即neighbors為空，則將表項(xiàng)i所屬的區(qū)間［start，end)并入下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中。

2．4算法分析

假設(shè)洪泛過(guò)程中消息的每一次轉(zhuǎn)發(fā)都成功，且不存在失效節(jié)點(diǎn)，以下從節(jié)點(diǎn)丟失和消息冗余兩方面進(jìn)行算法可行性分析。

1)節(jié)點(diǎn)丟失節(jié)點(diǎn)x轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)，存在以下4種情況，如圖4所示。在圖4a)中，x的前向和后向節(jié)點(diǎn)都位于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間［LL，RL)中，在圖4b)和圖4c)中，x的前向或后向節(jié)點(diǎn)位于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間［LL，RL)中，對(duì)于這3種情況，x的前向和后向節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)位于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中，所以節(jié)點(diǎn)x可以把消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，不丟失節(jié)點(diǎn)。在圖4d)中，x的前向和后向節(jié)點(diǎn)都不在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間［LL，RL)中，由于前向和后向節(jié)點(diǎn)是離x最近的節(jié)點(diǎn)，因此［LL，RL)內(nèi)不存在其他節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)x停止轉(zhuǎn)發(fā)，不丟失節(jié)點(diǎn)。綜上，該算法能夠保證遍歷所有的節(jié)點(diǎn)而不會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)丟失的現(xiàn)象。

圖4　消息轉(zhuǎn)發(fā)的情況

2)消息冗余

該算法保證了節(jié)點(diǎn)之間具有不相交的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間，且被訪問(wèn)過(guò)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)在之后的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間中，從而保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到且僅僅收到1次相同的消息，不會(huì)產(chǎn)生冗余消息。

3　FIFSM搜索機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

P2P網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境是高度動(dòng)態(tài)的，需要在頻繁加入和撤離節(jié)點(diǎn)時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)主要包括兩部分:節(jié)點(diǎn)的加入和撤離以及鄰居表的維護(hù)。

節(jié)點(diǎn)n加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要通過(guò)外部機(jī)制聯(lián)系到一個(gè)在線的節(jié)點(diǎn)，由該節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)洪泛一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接請(qǐng)求。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠接受節(jié)點(diǎn)n作為鄰居節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)就會(huì)直接發(fā)送回復(fù)消息給節(jié)點(diǎn)n，最后它們將對(duì)方添加到各自的鄰居表中。在FIFSM搜索機(jī)制中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)y收到節(jié)點(diǎn)x的連接請(qǐng)求時(shí)，在如下2種條件之一發(fā)生的情況下，節(jié)點(diǎn)y會(huì)主動(dòng)連接節(jié)點(diǎn)x:①鄰居表項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)沒(méi)有達(dá)到節(jié)點(diǎn)冗余度H;②節(jié)點(diǎn)x是節(jié)點(diǎn)y的前向或后向節(jié)點(diǎn)。

而節(jié)點(diǎn)n撤離網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)發(fā)送“l(fā)eave”消息給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)收到“l(fā)eave”消息時(shí)，便將節(jié)點(diǎn)n從其鄰居表中刪除。

3．1鄰居表維護(hù)

在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，鄰居表中可能出現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)、前向和后向節(jié)點(diǎn)不一致以及空鄰居表項(xiàng)，會(huì)降低FIFSM搜索機(jī)制的性能。為此，本文提出了3種任務(wù)，分別解決相應(yīng)問(wèn)題。其中，fault detector負(fù)責(zé)探測(cè)失效節(jié)點(diǎn)并修復(fù)鄰居表，SP fixer負(fù)責(zé)維護(hù)前向和后向節(jié)點(diǎn)的一致性，connect task負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)增加新的連接。

1) fault detector

節(jié)點(diǎn)的故障撤離會(huì)導(dǎo)致鄰居表中失效節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生，為了探測(cè)失效節(jié)點(diǎn)并修復(fù)鄰居表，fault detector周期性地(60 s)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送“Are you there!”的探測(cè)消息，然后等待回復(fù)，如果在幾次詢問(wèn)后仍未收到某個(gè)節(jié)點(diǎn)的回復(fù)，便向它發(fā)送“l(fā)eave”消息，并把該節(jié)點(diǎn)從鄰居表中移除。

2) SP fixer

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，由于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，節(jié)點(diǎn)之間維護(hù)的前向和后向節(jié)點(diǎn)可能不一致。在圖5a)中，節(jié)點(diǎn)a，b，c依次排列在節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符空間中，節(jié)點(diǎn)a維護(hù)的后向節(jié)點(diǎn)是c，而節(jié)點(diǎn)c維護(hù)的前向節(jié)點(diǎn)是b而不是a，即節(jié)點(diǎn)a的后向節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)c的前向節(jié)點(diǎn)不一致。這種情況下，節(jié)點(diǎn)a會(huì)在范圍內(nèi)發(fā)起洪泛，當(dāng)節(jié)點(diǎn)b收到消息后，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)a是自己的前向節(jié)點(diǎn)，則主動(dòng)與節(jié)點(diǎn)a建立連接，這樣節(jié)點(diǎn)a的后向節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)b的前向節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了更新。同理，圖5b)展示了節(jié)點(diǎn)c的前向節(jié)點(diǎn)的維護(hù)過(guò)程。

3) connect task

在動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的頻繁撤離會(huì)造成節(jié)點(diǎn)鄰居表中空表項(xiàng)的產(chǎn)生，即該表項(xiàng)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為0，不利于查詢消息的高效轉(zhuǎn)發(fā)，增加洪泛搜索的延遲。為了降低洪泛搜索的延遲，需要為鄰居表增加連接。connect task會(huì)定期地檢查鄰居表中的每一個(gè)表項(xiàng)，并根據(jù)表項(xiàng)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖5　前向和后向節(jié)點(diǎn)的維護(hù)策略

1)當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為0時(shí)，connect task會(huì)主動(dòng)在該表項(xiàng)所屬的區(qū)間［start，end］內(nèi)洪泛。同時(shí)，接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。

2)當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)不為0且小于H時(shí)，connect task不會(huì)主動(dòng)洪泛。但它仍然接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。

3)當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到H時(shí)，connect task既不主動(dòng)洪泛，也不接受來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估FIFSM搜索機(jī)制的性能，本文在OMNET++［19］仿真平臺(tái)上，建立了FIFSM搜索機(jī)制的仿真模型(以下簡(jiǎn)稱為FIFSM模型)，并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，我們采用大小為215的標(biāo)識(shí)符空間。

4．1靜態(tài)評(píng)估

為了評(píng)估FIFSM洪泛算法的有效性和容錯(cuò)能力，本文進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，所有的節(jié)點(diǎn)依次加入網(wǎng)絡(luò)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持在線狀態(tài)。

4．1. 1FIFSM洪泛算法的有效性

為了把FIFSM洪泛算法與傳統(tǒng)的洪泛算法進(jìn)行對(duì)比，本文參考Gnutella 0．4協(xié)議，在OMNET++平臺(tái)上建立了Gnutella的仿真模型，并在相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，節(jié)點(diǎn)數(shù)N從23到214依次增長(zhǎng)，選擇不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)起洪泛，觀察是否所有的節(jié)點(diǎn)都被訪問(wèn)到了，并統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生的消息數(shù)。圖6為FIFSM模型和不同度數(shù)的Gnutella模型中洪泛遍歷所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中，度數(shù)指Gnutella中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)。從圖中可以看出，在相同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，Gnutella模型產(chǎn)生了比FIFSM模型更多的消息，并隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和度數(shù)的增大而大幅度增加，而N個(gè)節(jié)點(diǎn)的FIFSM模型中僅產(chǎn)生N－1個(gè)消息。這是由于傳統(tǒng)的洪泛算法會(huì)產(chǎn)生大量冗余消息，而FIFSM洪泛算法不產(chǎn)生任何冗余消息。

圖6　洪泛遍歷所有節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)

4．1. 2FIFSM洪泛算法的容錯(cuò)能力

在FIFSM洪泛算法中，查詢消息攜帶了接收節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間，查詢消息的丟失會(huì)導(dǎo)致該轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的丟失。為了評(píng)估FIFSM洪泛算法在故障環(huán)境下的容錯(cuò)能力，本文定義α和β，分別代表鏈路故障下的丟包率和失效節(jié)點(diǎn)率。實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)置N = 1 000和4 000。

實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)置丟包率α在0．1%～0．6%范圍內(nèi)，α= 0．1%表示1 000個(gè)消息會(huì)有1個(gè)消息丟失。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，我們讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)起1次洪泛，統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)被訪問(wèn)到的次數(shù)，并計(jì)算丟失的節(jié)點(diǎn)數(shù)。圖7為不同α對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)丟失率曲線。

圖7　鏈路故障下洪泛的節(jié)點(diǎn)丟失率

從圖中可以看出，隨著α的增加，節(jié)點(diǎn)丟失率呈線性增長(zhǎng)，而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)丟失率也隨之增加?？梢钥闯?，消息的丟失對(duì)搜索的成功率有著很大的影響，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，可以采用TCP作為傳輸層協(xié)議，保證消息傳輸?shù)目煽啃?，避免鏈路故障造成的消息丟失的現(xiàn)象。

為了評(píng)估FIFSM洪泛算法對(duì)節(jié)點(diǎn)故障的容錯(cuò)能力，實(shí)驗(yàn)中，令節(jié)點(diǎn)以β的比率故障離開(kāi)，造成節(jié)點(diǎn)失效的情況，我們統(tǒng)計(jì)30 s內(nèi)若干次洪泛后丟失的節(jié)點(diǎn)數(shù)。圖8展示了N=1 000的網(wǎng)絡(luò)，在不同的H和β下節(jié)點(diǎn)的丟失率曲線。

圖8　節(jié)點(diǎn)故障下洪泛的節(jié)點(diǎn)丟失率

從圖中可以看出，當(dāng)H = 1時(shí)，節(jié)點(diǎn)的丟失率隨著β的增大而迅速增加，但隨著H的增大，節(jié)點(diǎn)丟失率顯著降低。當(dāng)H = 4時(shí)，節(jié)點(diǎn)的丟失率幾乎為0。這是因?yàn)猷従颖聿捎昧巳哂喙?jié)點(diǎn)機(jī)制，每一個(gè)表項(xiàng)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到H。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息的時(shí)候，如果遇到失效節(jié)點(diǎn)，可以選擇其他的冗余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。假設(shè)節(jié)點(diǎn)失效概率為p，則1次轉(zhuǎn)發(fā)失效的概率為pH。因此隨著H的增大，F(xiàn)IFSM洪泛算法的容錯(cuò)能力也隨之提高。

4．2動(dòng)態(tài)評(píng)估

為了評(píng)估動(dòng)態(tài)環(huán)境下FIFSM機(jī)制的搜索成功率、維護(hù)開(kāi)銷以及搜索延遲，根據(jù)文獻(xiàn)［20］的策略，本文建立了動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)指定一部分節(jié)點(diǎn)為“保留節(jié)點(diǎn)”，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過(guò)程中不離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，始終保持在線狀態(tài)。其他的節(jié)點(diǎn)則為“非保留節(jié)點(diǎn)”，這些節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，以0．5的概率選擇是否加入網(wǎng)絡(luò)。這樣，網(wǎng)絡(luò)初始化后，非保留節(jié)點(diǎn)有大約一半處于在線狀態(tài)，一半處于非在線狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每隔一段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為60 s，“非保留節(jié)點(diǎn)”以概率選擇是否從在線狀態(tài)轉(zhuǎn)換到非在線狀態(tài)，反之亦然，這樣我們就建立了一個(gè)變動(dòng)率為λ的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。本文針對(duì)不同的λ值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為3 600 s。

4．2. 1FIFSM的搜索成功率

為了評(píng)估動(dòng)態(tài)環(huán)境中FIFSM機(jī)制的搜索成功率，實(shí)驗(yàn)設(shè)置SP fixer工作周期為20 s，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，網(wǎng)絡(luò)中的在線節(jié)點(diǎn)每10 s發(fā)起1次洪泛，“保留節(jié)點(diǎn)”將記錄被訪問(wèn)到的次數(shù)，同時(shí)，我們還將記錄所有節(jié)點(diǎn)的總洪泛次數(shù)，于是就可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)“保留節(jié)點(diǎn)”的命中率，即訪問(wèn)次數(shù)占總洪泛次數(shù)的百分比。通過(guò)對(duì)所有“保留節(jié)點(diǎn)”的命中率取平均值，則近似得到在當(dāng)前λ的動(dòng)態(tài)環(huán)境下洪泛的節(jié)點(diǎn)命中率。圖9展示了N=1 000和4 000時(shí)，λ在［0，0．3］范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)環(huán)境下，洪泛時(shí)節(jié)點(diǎn)的命中率曲線。從圖中可以看出，隨著λ的增大，節(jié)點(diǎn)命中率逐漸降低，但均保持在99．9%以上，并且不隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而劇烈變化，保持了動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高度可靠性。

圖9　動(dòng)態(tài)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的命中率

4．2. 2FIFSM的維護(hù)開(kāi)銷

為了評(píng)估FIFSM的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開(kāi)銷，實(shí)驗(yàn)中，我們主要統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)平均每分鐘收到的控制消息數(shù)，這里的控制消息主要指SP fixer和connect task產(chǎn)生的控制消息。

設(shè)SP fixer工作周期為20 s，connect task工作周期為60 s，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，圖10為不同λ下的控制消息數(shù)曲線。從圖中可以看出，SP fixer產(chǎn)生的控制消息數(shù)保持在7個(gè)左右，這是因?yàn)镾P fixer僅在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前向和后向節(jié)點(diǎn)區(qū)間之內(nèi)洪泛控制消息，所以消息不會(huì)被大范圍轉(zhuǎn)發(fā)。此外，connect task產(chǎn)生的控制消息數(shù)則隨著λ的增加而逐漸減小，因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，會(huì)在全網(wǎng)進(jìn)行洪泛，與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)建立連接，增加其鄰居表的飽和度。雖然節(jié)點(diǎn)的離開(kāi)可能會(huì)導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)空路由表項(xiàng)的產(chǎn)生，但由于每個(gè)表項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可以達(dá)到節(jié)點(diǎn)冗余度H，降低空表項(xiàng)產(chǎn)生的可能，因此隨著λ的增大，節(jié)點(diǎn)的加入越多，connect task洪泛的次數(shù)也隨之減少。綜上，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，F(xiàn)IFSM的維護(hù)開(kāi)銷隨著節(jié)點(diǎn)變動(dòng)率λ的增加而降低，大大減少了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開(kāi)銷。

圖10　動(dòng)態(tài)環(huán)境中FIFSM的維護(hù)開(kāi)銷

4．2. 3FIFSM的搜索延遲

為了評(píng)估FIFSM機(jī)制在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的搜索延遲，我們分別在、0．15、0．25的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)connect task的工作周期為60 s，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，在線節(jié)點(diǎn)在每個(gè)固定的時(shí)間間隔(10 s)后發(fā)起一次洪泛，統(tǒng)計(jì)查詢消息經(jīng)歷的跳數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2的第一列為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)變動(dòng)率λ﹑節(jié)點(diǎn)數(shù)N和節(jié)點(diǎn)冗余度H。第二列至第五列為不同跳數(shù)范圍內(nèi)包含的消息數(shù)占總消息數(shù)的比例。最后一列為所有消息的平均跳數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在N=1 000和4 000的不同λ的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，消息的跳數(shù)主要集中在8跳以內(nèi)，平均跳數(shù)均小于5跳。對(duì)比實(shí)驗(yàn)＜0．15，1 000，1＞和＜0．15，1 000，4＞以及＜0．15，4 000，1＞和＜0．15，4 000，4＞的結(jié)果可知，在相同的N和λ下，隨著H的增大，消息的平均跳數(shù)也隨之減少。綜上，F(xiàn)IFSM機(jī)制在動(dòng)態(tài)環(huán)境中具有較低的洪泛搜索延遲。

表2　FIFSM的洪泛搜索延遲

5　結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)洪泛搜索機(jī)制-FIFSM，其主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括: (1)提出了在非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)中使用一致性哈希函數(shù)為節(jié)點(diǎn)分配標(biāo)識(shí)符，建立結(jié)構(gòu)化的鄰居表的優(yōu)化策略，并在鄰居表中增加冗余節(jié)點(diǎn)，提高洪泛算法在節(jié)點(diǎn)失效時(shí)的容錯(cuò)能力。(2)提出并實(shí)現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)間的洪泛算法，避免了冗余消息的產(chǎn)生，降低了洪泛搜索的代價(jià)。另外，增加了范圍洪泛的功能，以降低特定范圍內(nèi)搜索的開(kāi)銷。(3)提出了高效的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)機(jī)制，其維護(hù)開(kāi)銷隨著網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)程度的增加而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)IFSM機(jī)制不僅降低了非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)基于洪泛的資源搜索的開(kāi)銷，提高了非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，并且能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持高度的穩(wěn)定性和可靠性。未來(lái)的工作將考慮節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際物理距離，建立與底層物理網(wǎng)絡(luò)更加匹配的覆蓋網(wǎng)拓?fù)?，利用?jié)點(diǎn)之間的鄰近性，進(jìn)一步降低FIFSM洪泛搜索的消息延遲，合理利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

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An Improved Flooding Based Search Mechanism in Unstructured P2P Network

Lu Wei，Zhou Tao，Xing Weiwei

(School of Software Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Abstract:In the unstructured P2P networks，the flooding-based search algorithm is used to search resources; however，with increasing nodes and network scale，flooding-based search will produce large amount of redundant query messages，which will lead to heavy traffic and congestion of the network．We propose a Forwarding Interval based Flooding Search Mechanism (FIFSM)．By assigning a disjoint forwarding interval to each message，they spread along a spanning tree to avoid message loops，thus eliminating redundant messages．The efficient network maintenance strategy is presented in FIFSM; this ensures the stability of the network in dynamic environment at a very low cost．Experimental results and their analysis show preliminarily that FIFSM，as an efficient search mechanism in unstructured P2P network，can reduce flooding overhead and achieve high success rate of resource search and low latency．

Key words:algorithms; computer system; cost reduction; fault detection; fault tolerance; network management ; network performance; packet loss; peer to peer networks; reliability analysis; stability; time delay; topology; unstructured P2P networks; flooding search; forwarding interval; spanning tree

作者簡(jiǎn)介:盧葦(1963—)，北京交通大學(xué)教授，主要從事軟件服務(wù)工程研究。

收稿日期:2014-09-02基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(61100143、61370128、61272353)、教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-13-0659)與北京高校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目(YETP0583)資助

文章編號(hào):1000-2758(2015) 02-0342-09

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TP393