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1、第 3 2 卷第 3 期 2 0 0 5年 6月 湖南大学学报 自 然 科 学 版)J o u r n a l o f Hu n a n Un i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e s)V0 1 3 2 No 3 J u n 2 0 0 5 文章编号：1 0 0 0 2 4 7 2 2 0 0 5)0 3 0 1 0 5 0 6 基 于 域 的 多 层 结 构P2 P 应 用 层 多 播 协 议 模 型RLP2 P t if F 究 乐光学l，2，李仁发，吴蓉晖(1 湖南大学 计算机与通信学院，湖南 长沙4 1 0 0 8 2；2 湖南怀化学院
2、 计算机系，湖南 怀化4 1 8 0 0 0)摘要：以“小世界”模型为理论基础，以层和域为基本逻辑管理单位，按用户需求和共 享目的组织域，提 出了基于域的多层结构 P 2 P应用层多播协议模型 R L P 2 P，并实现 了系统 原型 给出了域的划分策略和数学模型，证明了模型的正确和合理性；使服务定位和查询从 网络中的所有结点数降低到域内的节点数，有效地防止恶意请求引发的洪，网络系统控制开 销为常数 模拟分析表明，R L P 2 P模型可有效解决可扩展性、性能与效率不高问题，且网络 规模越 大，其综合性能的优越性越明显 关键词：对等网；层和域；主动和中心节点；多层结构；应用层多播协议 中图分类
3、号：T P 3 9 3 文献标识码：A S t u d y o n P2 P Ne t wo r k M o d e l o f RLP2 P f o r Ap p l i c a t i o n La y e r M u l t i c a s t Pr o t o c o l wi t h M u l t i La y e r Ar c h i t e c t u r e Ba s e d o n Re g i o n YUE Gu a n g x u e -一。LI Re n f a 。WU Ro n g h u i (1 C o l l e g e o f Comp u t e r a
4、 n d Commu n i c a t i o n，Huna n U n i v，C h a n g s h a，Hu n a n 4 1 0 0 8 2，C h i n a；2 D e p a r t ment o f Comp u t e r Sci enc e，Hu a i h u a I n s t i t u t e，Hu a i h u a，Huna n 4 1 8 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：By u s i n g t h e“s ma l l wo r l d mo d e l a s t h e t h e o r e t i c a l
5、 f o u n d a t i o n i n t h e l i g h t o f u s e r s r e q u i r e me n t a n d a s h a r e d o r g an i z a t i o n l a y e r and r e g i o n o f l o g i c ma n a g e u n i t，a n e w a p p l i c a t i o n l a y e r mu l t i c a s t p r o t o c o l mod e l 0 f RL P 2 P wi t h mu l t i l a y e r s
6、t r u c t u r e b a s e d o n r e g i o n wa s p r o p o s e d，and i t s p r o t o t y p e s y s t e m Wa S i mp l e me n t e d T h is p a p e r h aS p ro v i d ed a c l a s s i flin g s t r a t e g y and a m a t h e ma t ic a l m ode l o f r e g io n and p r o v e d t h e e x a c t i t u d e and r
7、a t i o n a l i t y o f t h e mod e 1 I t h as b r o u g h t a b o u t a n u mb e r o f n od e s l o c a t i n g an d q u e r y i n g s e r v i c e d o wn t o t h a t o f r e g i o n，S O a s t o e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e r eq u e s t fl o o d i n g p r od u c ed b y n e t wo r k，an d
8、 t h e c o n t r o l o v e r h e a d o f n e t wo r k s y s t e m t e n d e d t O b e a con s t ant S i mu l a t i o n r esu l t s o f RLP 2 P S p r o t o c o l s h o we d t h a t i t cou l d e f f e c t i v e l y SO l v e t h e a b o v e me n t i o n e d p r o b l e ms，an d t h e l arg e r t h e n
9、e t wo r k s i z e，t h e mo r e o b v i o u s t h e s u pe rio r i t y o f i t s comp r e h e n s i v e p e r f o r man ce Ke y wo r d s：p e e r t o-pee r n e t wo r k；l a y e r an d r e g i o n；l ead e r an d n od e；mu l t i l a y e r arc h i t e c t u r e；a p p l i cat i o n l a y e r mu l t i c a
10、 s t p r o t o c o l P 2 P(P e e r-t o-P e e r)网络 中所有 的节点是对等 的 对等机具有相同的责任与能力并协同完成任务，兼有客户机和服务器的功能；其通过直接互连实现 计算机资源和服务的全面共享，消除了信息资源孤 岛和 C S模型中的服务瓶颈问题 1 1 从技术上讲，P 2 P的拓扑结构有 3种不同的形式 2 J 收稿日期：2 0 0 4 1 O O 8 基金项目：国家 自 然科学基金资助项目(6 0 2 7 3 0 7 5)；湖南省教育厅 自然科学基金重点资助项 目(O 3 A O 3 6)作者简介：乐光学(1 9 6 3 一)，男，贵州天柱人。
11、湖南大学副教授 E-ma i l：g u a n g x u e y u e y a h o o c 0 f n c n 维普资讯 http:/ 1 0 6 湖南大学学报(自 然科学版)2 0 0 5 焦 1)以 N a p s t e r 为代表的中心文件 目录份 布式 文件系统结构模式，通过中央服务器进行 目录管理，实现文件共享，数据传输主要在节点之间进行，避免 了网络的拥塞 但仍存在单点瓶颈问题 2)以G n u t e ll a 为代表的纯 P 2 P模式，系统没有 中间服务器，接近于绝对 的自由 这样形成的 P 2 P 网络很难进行诸如安全、身份认证、流量等控制 3)基于超级节点的两
12、层结构 P 2 P虚拟网络，是 N a p s t e r 和G n u t e l l a 模型的折中，如S u n 公司推出的 P r o j e c t J X T A 2 0 S u p e r-P e e r Vi r t u a l Ne t、k 。，通过分布式文件系统，建立完全开放的可共享文件 目录，运用相对的自由来兼顾安全和可管理性 本文基于超级节点的两层结构 P 2 P虚拟网络 为基础，提出了一种基于域的多层结构 P 2 P网络应 用层多播协议模型 R L P 2 P 1 基于域的多层次结构 P 2 P网络模型描述 定义 1 按用户需求和共享 目的组织域，使域 内节点有很大的
13、相似系数，以高性能节点为中心节 点，L 层的节点由L 一 1 层的中心节点构成 在研究 P 2 P网络体 系结 构 的过程 中，发 现 G n u t e l l a 网络拓扑节点的分布呈现典型的幂规律，且具有小世界(S m a ll wlo r l d)特征【5 l，与 I n t e r n e t 骨 干网络节点的拓扑分布规律非常类似，幂指数分别 为 r 2 3 和 r 2 2 7 1 由此可知，P 2 P网络中节 点的行为与现实世界中“物以类聚”的现象极为相 似 G n u t e l la 网络模型中共享信息查询的搜索、定位 路由协议为“洪泛”算法，其协议机制仅在应用层实 现，缺乏对
14、 I n t e r n e t 底层通信子网路由资源的利用，存在可扩展性差、性能与效率不高的问题【8-10 J 基 于此，将 G n u t e ll a 网络模型抽象层次化，并与主动网 络技术相结合，将原来骨干网络中的路由交换节点 扩展成主动节点(a c t iv e n e t w o r k n o d e)，所有的对等 节点在加人该网络时，总是找离 自己最近的那个主 动节点，由其引导将 自己加人到与自己属性相识的 域中，充分利用原 I n t e r n e t 网络路由资源和节点的 拓扑结构，形成 自然的小世界模型和幂规律特性 再 将网络中的中心服务器和客户机抽象为中心节点和 普通
15、节点，并赋予其不同的职责，理论上主动、中心 和普通节点在搜索、资源和信息共享上处于同等位 置，是完全对等的，但主动、中心节点同属于两个不 同的层和域，其任务特征和性能比普通节点更广 将 聚集在各主动、中心节点周围的主动、中心节点抽象 为一个统一的“共享信息”域，与其他“共享信息”域 又组成对等连接关系，重复这个过程，就可得到一个 基于层域结构的广域 P 2 P计算网络，网络拓扑如图 1 所示 对任意网段抽象可得图 2所示的网络体系 结构，网络拓扑由 l 层构成，以 L (i=0，1，1)表 示，每一层由 m(m=1，2，)个域组成，每个域 含 R L (z)个节点，其中：志 R L (z)3
16、志 一1，志为 常数 网络中的任一主机必属于一个特定的域，物理 上所有节点位于第 0 层不同的域中，域与域之间由 主动 中心节点连接，主动 o o 心节点同属于两个相 邻的层和不同域，并保存有相邻域主动 中心节点的 信息 从第 1 层开始，第 i 层的节点由第 i 一1 层的 主动 中心节点组成 节点加入，须向主动 中心节点 注册节点名和地址等信息；节点请求加人或离开网 络时，通过向网络发布消息，建立或撤销连接，更新 资源和服务目录，节点通过主动 中心节点实现跨域 访问 为了保持网络的鲁棒性，对重要 的主动、中心 节点采用冗余的方法 如图 2所示，根据域的划分策略把最低层的节 点划分为 A B
17、 C D E，F G HU，K L MN O 3个域，构成第 0 层，记为 L 0，其中心节点分别为 E，F，O组 成一个域，构成第 1 层，记为 L ，依此类推，就构成 了一个多层次结构的 P 2 P计算网络 图 1 R L P 2 P网络模型体 系结构图 Fi g 1 RL P 2 P Ar c h i t e c tur e 三 一 ：童 囊 篓萤 叠 吉 图 2 RL P 2 P网络拓扑 结构 图 Fi g 2 RLP 2 P t o p o l o g y 由上可知，R L P 2 P网络模型形成 自然的小世界 维普资讯 http:/ 第 3 期 乐光学等：基于域的多层结构 P 2
18、P应用层多播协议模型 R L P 2 P研究 1 0 7 模型和幂规律特性，网络模型中对等点的定位与搜 索将主要通过主动节点进行 充分利用主动节点的 路由表信息，使得查询定位不再 以盲目扩散方式进 行，从根本上改善了定位搜索效率和网络的可扩展 性 因此 R L P 2 P模型 自 然满足构建网络模型应遵循 的规则：1)尽量减少系统中需要远距离交互的对等 点数目，检索尽可能少的对等点就能够满足尽可能 多的请求，降低每一检索过程在网络 中产生的总负 载量，避免引发请求洪；2)易于扩展、鲁棒性高、有利 于信息传输，系统维护和控制开销尽量小；3)有利于 数据流向对其更感兴趣的区域(即请求活跃区)1 1
19、 主动 中心节点(I _ e a d e r】主动 中心节点由域内性能最高节点充当，位于 域的中心，与域内节点距离最短，是域间接口，类似 于 C S 结构中央服务器和 J X T A中的集合点_ 3 l4 J，但服务功能已被弱化，负责域内节点的管理，提供管 道、成员资格、访问、发现和解析服务 中心节点维护 有一个域间和一个域内活动节点的信息列表，负责 收集和反馈域内外的状态信息，及时处理节点加入 和离去，更新服务和状态信息 主动节点保存有其下 一层网络提供的服务和状态信息列表，负责引导节 点加入、数据包的传输和分发 节点加入须向主动 中心节点注册节点名和地址等信息 1 2 普通节点(N o d
20、 e)普通节点类似于普通 C S结构中的客户机和 J X T A中的普通节点 3，引，但功能已被加强 同域 内 节点的性能和属性基本相似：提供简单的管道和访 问等服务；实现对等发现、解析器、成员资格、对等信 息、管道绑定和端点路由协议，构成一个信息资源共 享的P 2 P 计算 网络 节点请求加入或离开网络时，通过向域内发布消息，建立或撤销连接，更新资源和 服务目录，通过主动 中心节点实现跨域访问 1 3 域(R e g i o n)定义 2 域是按节点对资源需求、共享 目的和 属性的相似性进行划分的逻辑管理单位，是由中心 节点所辖区域内多个属性相似、性能相对较弱的主 机组成的一个闭集 域内节点
21、有很大的相似系数，在 域内找到满足服务的概率很大，节点跨域请求服务 的概率很小 域相当于 J X T A中对等组的作用_ 3 l4 J，作为网 络分区协议，它确保多播只被中继到能访问这消息 的域的成员；域间消息由中心节点传递并决定是否 响应查询请求 域的规模为：k R L ()3 是一1，k 为常数 任一时刻，域内至少有一个中心节点；若中 心节点因故障或异常退出网络，其域内节点在新中 心节点产生前，将暂时与网络断开 为增强网络的鲁 棒性，可在域内增加一个冗余的“准”中心节点，或设 置产生中心节点的代理运行于网络系统中，当中心 节点失效时，系统及时产生新 中心节点取代失效的 中心节点 由上分析知
22、，R L P 2 P计算网络具有特点：1)每个层分为若干个域，每个域 的规模为 k 3 足一1台主机；2)每个域至少有一个中心节点 每层的所有中 心节点形成上层的节点，所有主机最初都属于初始 层 L o；3)任一主机在任何层只能存在于一个域，但中 心节点同属于相邻层中不同的两个域；4)如果一主机处于 L 层的某个域中，它一定是 L o 一 1 层的某个域中的中心节点；5)如果一主机不在 L 层中，也必不在 L 层中，其中 i；6)规模为 N 的网络最多有 lo g X 层，最高层只 有一个成员；7)路径搜索采用分布式向前咨询方式完成 2 协议描述与性能分析 2 1 域的划分策略 域的划分是为了
23、便于对网络的控制和管理，实 现网络资源的全面共享 以前述三条准则为基础，按 节点对资源需求、共享 目的和属性相似性进行域的 划分 对于普通节点，通过给节点设置属性相似系数(0 6 1)来决定该节点属于何域，以避免普通 节点同属于多个域的情况发生 定理 1 每层的节点分属于不同的域，域的规 模为 R L ()，足 R L ()3 k一1，其中k为常数 当 R L (X)3 k一1，将域等分为两个域；任一时刻，域至少有一个中心节点 证1)设域的上界取一个较小的值，如R ()2 是一1 当 R L (X)2 足一1时，域被等分为两个 域，R L ()=k；任意时刻，若此两域中任一域有 1 个节点离去
24、或失效，使 R L ()2 k 一1，域又需划分为两个，导致 网络波 动和管理开销增大 2)设域的上界为 R L ()3 k一1 当 R L f()3 k 一1，域被等分为两个域，R L (X)：3 k 2；任意 维普资讯 http:/ 1 0 8 湖南大学学报(t l 然科学版)2 0 0 5 年 时刻，只有当此两个域中任意一个域有 k 2个 节点离去或有 3 k 2个节点加入时，系统才进行 域的合并和划分操作，使网络保持相对的稳定 因 此，R L (z)3 足一1 可避免域的频繁分割和合并 3)设域的上界取一个较大的值，如 R L (z)4 足 一1 域 的规模增大，其划分和合并操作相对减
25、 少，但系统的管理和控制开销急剧增加，加重中心节 点的负担，引发信息瓶颈，甚至导致中心节点失效，使系统的交互性和鲁棒性急剧下降 域的划分和合并算法描述如图3和图4 所示 P r o c e d u r e：Re g i o n S p 1 i t(C)】C I 3 K；*I C I=R L(X)*a e Q I Q C n I Q I，I I c Q I I l L e t R(Q)=m a x(rad i u s(Q)，r u d i u s(CQ)n d Q*S t R(Q*)R(Q)；w h e r e Q，Q*0 e r T r a n s f e r(E a r(C)，Q*，E a
26、r(Q*)L e a d erT r a n s f er(E a r(C)，CQ*，E a r(CQ*)图 3 域的划分操作 F i g 3 Re g i o n s p l i t o p e r a t i o n P r o c e d u r e：R egio n Me r g e(C)I C I K a n d L i s t h e l o y ert o w h ic h C b e lo n g s l L d r(C)F m d y S t d i s t(1，Y)3 0 0时，伸展率两者相似；R L P 2 P协议模 型在链路和节点上产生的压力比 N a r a d a
27、协议减少 2 5 以上，且分布均匀；控制开销比 N a r a d a 协议减少 4 0 以上，控制带宽2 k b ，且维持在这一水平上；节点加人和非正常离开时的最大丢包率小于 1 由 表 1 可知，网络的各项性能指标处于优良状态，特别 是多播组成员增加时尤其明显 表 1 性能参数模拟值 Ta b 1 P a r a me t e r s i mu l a t i o n v a l u e o f p e r f o r ma n c e 6 0 0 5 0 0 薯4 0 0 薹 种300 1 0 0 RUP 丑 r a d a 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 3 5 L i
28、 n ks mm s 图7 压力分布曲线 Fi g 7 S t r e s s d i s t r i b u t i o n 1 +J。，l N a h -a l l l V J J V R 1 p 0 1 0 0 2()0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 面 s 图8 平均链接压力分布曲线 F i g 8 Av e r a g e l i n k s 5 3 l 9 7 5 3 Z Z互L L L L l聋 一 如臣呈 维普资讯 http:/ 1 1 0 湖南大学学报(自 然科学版)2 0 0 5 年 4 RL P 2 P N霜 出啊 R
29、 LP 2 wc r 瞳c a 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 2 5 0 3 0 0 3 5 0 Nu ml o f p e e r s 图 9 节点控制开销 曲线 F i g 9 C o n t r o l o v e r h e a d s ，如 a 血 1 。1，R U 2 P 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 r l ll s 图 1 0 节点成功加入所需平均带宽 1 0 Co n t r o l b a n d wi t h r e q u i r e d n o d e a c c e s s
30、l i n k s 、-、_ -I N 础 -V、R L P I l r l ll s 图 l 1 接收数据平均通道长度(伸展率)F i g 1 1 Av era g e p a t hl e n g t h(S t r e l c h)论 结合了传统集中式网络易于管理与分布式网络 具有良好的区域 自 治、负载平衡以及健壮性的优点，提出了的基于域多层结构 P 2 P计算网络应用层多 播协议模型 以层和域为基本逻辑管理单位，将大规 模节点在逻辑上划分成小区域，域的规模为 R L (2 7)，志 R L (2 7)3 志一1，其中 k为常数 使域 内 节点问的平均距离都很小，相识系数大，在域内部找
31、 到满足服务请求的概率很大，节点出现跨域请求服 务的概率很小，消息经分级扩散，使定位某种服务的 工作量、查询范围从网络中的所有节点数降低到域 内的节点数，将大规模网络消息扩散变为域内小规 模扩散，减轻了网络的压力，有效地防止了请求洪，提高了网络的鲁棒性和扩展性，具有更高的综合性 能指标 网络系统控制开销为常数 O(k)当域的规 模 R L ()3 0 0时，Na r a d a协议综合性 能优于 R L P 2 P协议；当域的规模 R L f(2 7)3 0 0时，R L P 2 P 协议综合性能优于 N a r a d a 协议，且 网络规模越大，R L P 2 P协议越有效 参考文献 1
32、MA N 0 I P a r a me s w a r a n，A N J A N AS u s a r la，A N D R E WB WN n s t o n P 2 P N e t w o r k i n g：A n I n f o r ma t io n S h a r i n g A l t e r n a t iv e J C o m p u t i ng P r a c t ic e s，2 0 0 1，3 1(7)：1 8 2 MA N O J P a r a m e s w e a r a n，A N J A NAS u s a r l a，A N D R E W Bw1 1
33、 i n s ton P 2 P n e t w o r k i ng：An info r m a t i o n s h a r i ng a l t e r n a t i v e J C o m p u t e r，2 0 0 1，3 4(7)：3 1 3 8 3 B E R N A R DT r a v e r s a t，A H K I Lh r o r a，Mo h a m e dA b d e la z i z，e t a 1 P r o j e c t J X T A 2 0 s u p e r p e e r v i r t u a l n e t wo r k E B O
34、L h t t p：www j x t a o r g p roj ect ww w d o c s 了 X TA2 0 p rot o c o ls1 Nf,2 0 0 40 9 1 0 4 S u n：S u p e r-P e e r A r c h i t ect u r e s f o r D is t r i b u t e d C o m p u t i ng E B O L h t t p：w w w f io r a n o oo m w h i t e p a p e r s s u p e r p ecr p d f 2 0 0 4一O 91 O 5 J O N K l
35、e i n b e r g 1 1 1 e S m a l 1 wl0 r ld p h e n o m e n o n：An a l g o r i t h mi c p e r s p ect i v e J A C M S y r n p o n T h e o r y o f Com p u t i n g，2 0 0 0，2 8 (4)：8 2 0 8 2 8 6 J O V A N O V I C M A Mo d e li ng l a r g e s c a l e p e e r-t o-p e e r n e t w o r k s a n d a c a s e s t
36、u d y o f G n u t d l a D U n i v e r s i t y o f C in c i n n a t i，2 0 0 1 7 F A L O U I N3 SM，F A L O U I N3 SP，F A L O U I N3 SC O n p o w e r-l a w r e l a t io n s h i p s o f t h e I n t e me t t o p o l o g y A P ro c o f t h e A av f S I G c 0 MM 9 9 C N e w Y o r k：A C M P r e s s，1 9 9 9
37、2 5 1 2 6 2 8 Y A N G B，G A R C I A M o l in a H I m p r o v i ng s e a r c h i n p e e r-t o-p e e r n e t w o r ks p r o c e e d ings J I E E E C o m p u t e r S o c i e t y，2 0 0 2，7：5 1 4 9 B A I A K R I S H NA N H，K A A S H O E K MF，K A R G E R D，a 1 L o o ki ng u p d a t a in p 2 p s y s t e m
38、 s J Com m u n i c a t io n s o f t h e A C M，2 O 0 3，4 6(2)：4 3 4 8 1 0 T OI C A I，MC lR R I SR，K A R G E RD，e t a 1 C h o r d：A s c a l a b l e p e e r-t o-p e e r l o o k u p s e r v i c e f o r I n t e me t a p p l i c a t i o n s A P ro c o f th e A C M S I G O O MM C S a nDie g o，2 0 0 1，1 4 9
39、 1 6 0 1 1 K E MP ED，K L E I N B E R G J，D E ME R SA S p a ti al g o s s ip and r e s o u r c e l o c a t i o n p r o t o c o l s A P roe o f t h e 3 3 rd A C M S y mp o n T h eor y o f oom p u t ing C C ret e G r e e c e，2 0 0 1，1 6 3 1 7 2 1 2 N S 一2 E B OL h t t p：w w w is i e d u n s n a m n s 2
40、 0 0 4 0 5 1 5 1 3 C H UYH，R A OSG，Z H A N GH AC a s e fo r E n dS y s t e mMu 1 t i e a s t A P r o c e e d i ngs o f A C M S I G ME T R I C S C 2 0 0 1，5 6 0 5 7 8 1 4 G UI AEw，C A I VE R TK L，B H A T T A C H A R J E ES H o w t o m o d al a n i n t e me t w o r k A P roc o f t h e I N F O C O M 9 6 C 1 9 9 6，5 9 46 0 2 维普资讯 http:/