CN100456702C

CN100456702C - 网络资源负载均衡方法

Info

Publication number: CN100456702C
Application number: CNB2006101527563A
Authority: CN
Inventors: 怀进鹏; 张煜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: CN1921415A

Abstract

一种网络资源负载均衡方法，结合了集中式的邻节点查找方式和向前查找方式的优点，迁移源点可以在2-hop范围内搜索所需的资源，迁移负载；同时，仅在非合作节点间引入AWI传递协议。在非完全合作的网络环境中，本发明增强网络资源的负载均衡能力，提高资源搜索的效率和作业迁移的成功率。

Description

网络资源负载均衡方法

技术领域

本发明涉及一种负载均衡方法，尤其是一种鼓励自私节点传递资源搜索消息，同时兼顾资源搜索的通信开销和效率的负载均衡方法。

背景技术

网格(Grid)计算、点对点(Peer to Peer，以下简称P2P)计算的一个目的是将分布在不同地理位置的计算资源，包括计算力、内存空间、网络带宽和专业处理能力等，通过高速的互联网实现资源的集成和充分共享，以提供一种高效的计算、管理及服务资源的聚合与协同能力。然而，这种理想的协作状态在实际应用中会遇到很多问题，如自私节点的非合作性、动态作业的信息不确定性、以及节点加入/退出的扰动性等因素，导致了网络中节点的负载失衡，即有些节点的资源被耗尽，而有些则闲置，没有得到有效地利用。因此，如何在分布、非完全合作的网络环境中快速地搜索可用资源，协调不同节点的负载，维持高效的资源使用率，是Grid和P2P系统中一个关键问题。

在Grid系统中，已有的技术采用蚁群搜索算法，即负载较高的节点发出一个搜索蚂蚁，假设该蚂蚁随机漫游六步，记录所访问的负载最低的节点，并由第六个节点通知源点所找到的空闲节点，启动迁移。蚂蚁机制属于向前搜索方式，每个节点无需维护大量的邻节点信息，然而源点一旦发出搜索消息，便无法控制消息传递的中间过程。而且，自私节点不愿无偿地传递消息。在P2P负载均衡技术中，典型的方法是采用分布式散列表(Distributed HashTable，以下简称DHT)的结构化组织模式。其中，节点在随机选取的目录服务器中注册资源及负载信息，并由目录服务器协调所管理节点的负载，其本质是将分布式负载均衡的问题转化为目录服务器的集中管理问题，以提高空闲资源的搜索效率、节省通信开销，但这种方法增大了目录服务器维护活动节点信息的工作量。

为了在非完全合作的Grid、P2P系统中搜索空闲资源、迁移负载，需要一种新的负载均衡机制，鼓励自私节点传递资源搜索的消息，同时还要兼顾资源搜索的通信开销和效率。

发明内容

本发明的目的是增强网络资源的负载均衡能力，提高资源搜索的效率和作业迁移的成功率。

为了鼓励节点传递消息，本发明提供了一种网络资源负载均衡方法，也称为激励传递式(Ant with Incentive，以下简称AWI)的负载均衡方法，包括：

步骤10：源点向一个相邻的节点发送查询信息，该查询信息中包括漫游步长和所需空闲节点数量信息；

步骤11：接收到查询信息的节点判断自身是否满足源点迁移负载的需求，如果满足需求则向源点返回响应信息，并递减查询信息中的所需空闲节点数量和漫游步长，如果此时所需空闲节点数量或漫游步长为零则执行步骤16；如果不满足需求则只递减漫游步长，如果此时漫游步长为零则执行步骤16；否则选择一个相邻的节点，执行步骤12；

步骤12：若所述接收到查询信息的节点是源点或所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点的合作节点，则直接将查询信息发送给所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点，执行步骤11；否则执行步骤13；

步骤13：所述接收到查询信息的节点向所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点发送一个提议信息，其中包含向所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点转发信息的代价值；

步骤14：所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点向所述接收到查询信息的节点返回响应提议信息，其中标明接受或拒绝该提议，或者包含反提案信息，该反提案信息包含所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点愿意支付给所述接收到查询信息的节点转发信息的代价值；

步骤15：所述接收到查询信息的节点验证接收到的响应提议信息与本地策略的一致性，如果验证通过，将查询信息发送给所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点，执行步骤11；否则所述接收到查询信息的节点选择另一个相邻的节点，执行步骤12；

步骤16：根据收到的响应信息，源点向返回响应信息的节点迁移负载。

另外，为了减少系统的通信消耗和查询时间，本发明还提供了一种网络资源负载均衡方法，也称为混合式的且激励传递式(Hybrid Ant withIncentive，以下简称HAWI)的负载均衡方法，包括：

步骤20：源点根据信任度、代价值和查询开销计算出所有一步节点和二步节点的评估值，并按照评估值降序生成操作触发序列(Action Sequence，以下简称AS)，并根据操作触发序列向一步节点发送操作信息；

步骤21：接收到操作信息的一步(以下称之为1-hop)节点根据操作信息，向源点返回响应信息，执行步骤27，和/或执行步骤22；

步骤22：若1-hop节点是源点或二步(以下称之为2-hop)节点的合作节点，则1-hop节点直接向2-hop节点发送操作信息，执行步骤26；否则执行步骤23；

步骤23：1-hop节点向2-hop节点发送一个提议信息，其中包含1-hop节点向2-hop节点转发信息的代价值；

步骤24：2-hop节点向1-hop节点返回响应提议信息，其中标明接受或拒绝该提议，或者包含反提案信息，该反提案信息包含2-hop节点愿意支付给1-hop节点转发信息的代价值；

步骤25：1-hop节点接收到2-hop节点的响应提议信息后，验证其与本地策略的一致性，如果验证通过则将操作信息发送给2-hop节点，执行步骤26，否则执行步骤27；

步骤26：接收到操作信息的2-hop节点根据操作信息，选择是否向源点返回响应信息；

步骤27：根据收到的响应信息，源点根据各响应节点的信任度、代价值和通信开销信息选择满足需求的节点迁移负载。

本发明结合了集中式的邻节点查找方式和向前查找方式的优点，迁移源点可以在2-hop范围内搜索所需的资源，迁移负载；同时，仅在非合作节点间引入AWI传递协议。因此，在非完全合作的网络环境中，HAWI负载均衡方法能够获得更好的负载均衡能力，并且提高了资源发现的效率和作业迁移的成功率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为AWI负载均衡方法流程图。

图2为HAWI负载均衡方法流程图。

图3为HAWI负载均衡方法中生成AS流程图。

图4为HAWI负载均衡方法中源点向1-hop节点发送操作信息流程图。

图5为HAWI负载均衡方法中1-hop节点处理操作信息流程图。

图6为HAWI负载均衡方法中源点迁移负载流程图。

具体实施方式

实施例1：

在非完全合作的环境中，自私理性的节点并非自愿地传递消息，这阻碍了发现空闲资源、迁移负载的过程。AWI负载均衡方法的目标是在非合作节点间引入激励传递机制，促进搜索消息的传递，具体执行过程如下：

步骤10：源点向一个相邻的节点发送查询信息，该查询信息中包括漫游步长和所需空闲节点数量信息，

例如漫游步长(以下称之为steps)＝6，所需空闲节点数量(以下称之为solutions)＝2；

步骤11：接收到查询信息的节点判断自身是否满足源点迁移负载的需求，如果满足需求则向源点返回响应信息，该响应信息中包含标明愿意接收负载迁移的信息和本地地址信息，并递减查询信息中的solutions和steps值；如果steps或solutions值为零，则执行步骤16；如果不满足需求则只递减steps值，如果此时漫游步长为零则执行步骤16；否则选择一个相邻的节点，执行步骤12；

步骤12：若所述接收到查询信息的节点是源点或该相邻的节点的合作节点，则直接将查询信息发送给该相邻的节点，执行步骤11；否则执行步骤13；

为了激励节点传递查询信息，中间节点可将源点的查询信息视作一个商品，出售给可能执行源点任务的非合作节点，使得一个查询消息的买卖过程等价于查询信息的传递。AWI传递协议如图1所示，步骤如下：

步骤13：所述接收到查询信息的节点根据该相邻的节点的资源、信任度和代价值信息向该相邻的节点发送一个提议信息，其中包含向该相邻的节点转发信息的代价值；

步骤14：该相邻的节点根据本地策略向所述接收到查询信息的节点返回响应提议信息，其中标明接受或拒绝该提议，或者包含反提案信息，该反提案信息包含该相邻的节点愿意支付给所述接收到查询信息的节点转发信息的代价值；

步骤15：所述接收到查询信息的节点验证接收到的响应提议信息与本地策略的一致性，如果验证通过，将查询信息发送给该相邻的节点，执行步骤11，

一致性验证通过包括，响应提议信息中标明接收该提议或反提案信息中的代价值接收到查询信息的节点根据本地策略认为可以接受；

否则，所述接收到查询信息的节点选择另一个相邻的节点，执行步骤11；

步骤16：根据收到的响应信息，源点向返回响应信息的节点迁移负载，更进一步，源点向目标点发送代价转移信息并减少自身的可用代价值，目标点收到该代价转移信息后相应地增加自身的可用代价值。

实施例2：

在HAWI负载均衡方法中，源点可在2-hop范围内搜索空闲资源；同时，仅在非合作节点间引入AWI传递协议。如表1所示，源点(以下用v_s表示)对于其领域中任意一个1-hop节点(以下用v_j表示)的记录信息包括以下内容：

表1源点v_s对邻节点v_j的维护信息及其具体含义

假定负载较高的迁移源点v_s需要一个或多个空闲节点迁移作业，则HAWI负载均衡方法如图2所示，流程如下：

步骤20：源点v_s根据信任度、代价值和查询开销计算出所有1-hop节点和2-hop节点的评估值，按照评估值降序生成AS，并根据操作触发序列向一步节点发送操作信息；

如表2所示，AS中包括以下操作类型：

表2操作类型及其具体含义

PRB	ProbeOnly，源点直接查询1-hop邻节点
PRB	ProbeOnly，源点直接查询1-hop邻节点	FWD	ForwardOnly，源点通过1-hop邻节点传递消息，查询2-hop节点
CLT	CollectOnly，源点收集1-hop，2-hop节点的信息	FWD	ForwardOnly，源点通过1-hop邻节点传递消息，查询2-hop节点
CLT	CollectOnly，源点收集1-hop，2-hop节点的信息	TRS	TransferOnly，源点向目标点迁移负载
P&F	ProbeOnly与ForwardOnly的组合	TRS	TransferOnly，源点向目标点迁移负载
P&F	ProbeOnly与ForwardOnly的组合	P&C	ProbeOnly与CollectOnly的组合

(1)操作的评估

评估PRB操作：PRB操作表示源点v_s对1-hop节点v_j的查询，可用v_s对v_j的查询开销、信任度及v_j的代价值评估该操作。v_s对v_j的查询开销c_sj＝2c^F，表示v_s与v_j之间直接传递消息，且存在两次消息传递。

评估FWD操作：FWD操作表示源点v_s对2-hop节点集Γ(v_j)的查询，可用v_s对Γ(v_j)的查询开销、信任度及Γ(v_j)的平均代价值评估该操作。v_s对Γ(v_j)的查询开销分作两种情况：

若v_s与v_j是合作关系，v_j无偿地为v_s传递消息，则通信开销值用以下公式计算：

c_{sΓ (v_{j})} = {2 c}^{F} + \frac{| Γ (v_{j}) |}{f_{j}} \times c^{F} + | Γ (v_{j}) | \times c^{F} .

其中2c^F表示v_s与v_j之间直接传递消息，且存在查询-应答两次传递的开销；f_j表示v_j查询的频率；

表示v_j以每次f_j个节点的频率查询Γ(v_j)的开销；|Γ(v_j)|×c^F为Γ(v_j)中的节点响应v_s的通信开销。

若v_s与v_j是非合作关系，v_j可采用AWI传递协议为v_s传递消息，则通信开销值用以下公式计算：

c_{sΓ (v_{j})} = {2 c}^{F} + \frac{| O (v_{j}) |}{f_{j}} \times c^{F} + | NO (v_{j}) | \times c^{AWI} + | Γ (v_{j}) | \times c^{F} .

其中2c^F，f_j，|Γ(v_j)|×c^F的含义同上式；由于v_j有|O(v_j)|个合作节点，故

评估CLT操作：由于Grid、P2P系统中信任度、代价值信息的动态性，需用CLT操作收集节点的状态信息。源点可设定一个间隔阀值(IntervalThreshold，以下简称IT)，利用IT和TS值判定所维护记录的有效性，即T_Snow-TS_j＞IT，则用已有的信息近似评估该操作，并衰减评估值。进而，源点向1-hop节点v_j发送CLT或P&C信号，再基于所收集的信任度、代价值信息，判定是否继续查询Γ(v_j)。

(2)计算操作的评分

迁移源点v_s计算出各个操作在信任度(以下用t表示)、代价值(以下用pr表示)和通信开销(以下用c表示)三个方面的评估值后，将各量纲归一化，并按照公式

Score (Action) = \frac{W^{i} t + W^{pr} pr + W^{c} c}{W^{i} + W^{pr} + W^{c}}

计算不同操作的评分，其中Wⁱ，W^pr，W^c∈[0，1]分别表示在信任度、代价值和查询开销三个方面的权重，可体现于v_s的配置策略中。

(3)生成AS：迁移源点按照操作的评分值降序排列生成AS，并将可同时触发的单项操作归并为组合操作，

如图3所示，生成AS的流程如下：

步骤30：源点v_s读取一个1-hop节点v_j的记录；

步骤31：获取v_j的信任度、代价值、通信开销作为PRB的评估值，并判断的2-hop节点集的记录是否过期，如果过期则获取2-hop节点集的信任度、代价值、通信开销作为CLT的评估值，否则获取2-hop节点集的信任度、代价值、通信开销作为FWD的评估值；读取下一个1-hop节点记录，并判断是否为空，是则执行步骤32，否则步骤31循环；

步骤32：计算各操作的评估值，降序排列生成AS；

步骤33：判断AS中是否存在FWD_j先于PRB_j，是则替换FWD_j为P&F_j，并删除PRB_j，执行步骤34；否则直接执行步骤34；

步骤34：判断AS中是否存在PRB_j先于CLT_j，是则替换PRB_j为P&C_j，并删除CLT_j，步骤结束；否则步骤直接结束。

如图4所示，源点向1-hop节点发送操作信息的流程如下：

源点v_s将AS中前f_s个操作，如PRB、FWD、CLT、P&F、P&C，发送给1-hop节点v_j，将v_j加入等待队列，并在AS中删除已触发的f_s个操作，此过程一直循环直到找到足够的目标节点或AS为空，然后将所有响应节点放入结果队列。

对于信息不确定的v_j或Γ(v_j)节点，v_s可采用CLT或P&C操作收集v_j或Γ(v_j)的信息，并基于收集的信息，判定是否继续查询Γ(v_j)。

步骤21：接收到操作信息的1-hop节点根据操作信息，向源点返回响应信息执行步骤27，和/或执行步骤22，继续探测2-hop节点Γ(v_j)，

如图5所示，1-hop节点v_j侦听操作信息直到接收到v_s的不同的操作信息后，将执行不同的操作；如果接收到PRB信息，v_j查询本地资源，判定是否满足v_s的需求，并做出响应；如果接收到FWD信息，v_j依据与v_s的合作关系，将采用直接传递或AWI传递协议方式，触发查询2-hop节点集Γ(v_j)；如果接收到CLT信息，v_j将收集自身及邻节点集Γ(v_j)的信任度、代价值和通信开销信息，发送给v_s；如果接收到P&F或P&C信息，v_j执行相应的单个操作完成组合操作。

步骤22：若1-hop节点是源点或2-hop节点的合作节点，则1-hop节点直接向2-hop节点发送操作信息，执行步骤26；否则执行步骤23；

步骤23：1-hop节点根据该二步节点的资源、信任度和代价值信息向2-hop节点发送一个提议信息，其中包含1-hop节点向2-hop节点转发信息的代价值；

步骤24：2-hop节点根据本地策略向1-hop节点返回响应提议信息，其中标明接受或拒绝该提议，或者包含反提案信息，该反提案信息包含2-hop节点愿意支付给1-hop节点转发信息的代价值；

步骤25：1-hop节点接收到2-hop节点的响应提议信息后，验证其与本地策略的一致性，如果验证通过则将操作信息发送给2-hop节点，执行步骤26，否则执行步骤27，

一致性验证通过包括，响应提议信息中标明接收该提议或反提案信息中的代价值1-hop节点根据本地策略认为可以接受；

步骤27：根据收到的响应信息，源点根据各响应节点的信任度、代价值和通信开销信息选择满足需求的节点迁移负载，更进一步，源点向迁移负载的节点发送代价转移信息并减少自身的可用代价值，迁移负载的节点收到该代价转移信息后相应地增加自身的可用代价值，

如图6所示，源点v_s读取响应节点的结果队列中一个响应节点v_d的信息，如果v_d非空且满足源点的信任度、代价值和通信开销需求，则向迁移负载，转移代价值，将v_d加入目标节点集，判断目标节点集数量是否满足源点的数量需求，是则通知等待队列中的节点停止触发查询，步骤结束；否则读取下一个响应节点的信息，步骤循环。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1、一种网络资源负载均衡方法，其特征在于，包括：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤13中所述接收到查询信息的节点向所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点发送一个提议信息包括，所述接收到查询信息的节点根据所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点的资源、信任度和代价值信息向所述接收到查询信息的节点所选择的相邻的节点发送一个提议信息。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤16还包括，源点向迁移负载的节点发送代价转移信息并减少自身的可用代价值，迁移负载的节点收到该代价转移信息后相应地增加自身的可用代价值。

4、一种网络资源负载均衡方法，其特征在于，包括：

步骤20：源点根据信任度、代价值和查询开销计算出所有一步节点和二步节点的评估值，并按照评估值降序生成操作触发序列，并根据操作触发序列向一步节点发送操作信息；

步骤21：接收到操作信息的一步节点根据操作信息，向源点返回响应信息，执行步骤27，和/或执行步骤22；

步骤22：若一步节点是源点或二步节点的合作节点，则一步节点直接向二步节点发送操作信息，执行步骤26；否则执行步骤23；

步骤23：一步节点向二步节点发送一个提议信息，其中包含一步节点向二步节点转发信息的代价值；

步骤24：二步节点向一步节点返回响应提议信息，其中标明接受或拒绝该提议，或者包含反提案信息，该反提案信息包含二步节点愿意支付给一步节点转发信息的代价值；

步骤25：一步节点接收到二步节点的响应提议信息后，验证其与本地策略的一致性，如果验证通过则将操作信息发送给二步节点，执行步骤26，否则执行步骤27；

步骤26：接收到操作信息的二步节点根据操作信息，选择是否向源点返回响应信息；

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤20中所述源点根据操作触发序列向一步节点发送操作信息包括，源点采用频率触发的方式向一步节点发送操作信息。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤21和步骤26中所述向源点返回响应信息包括，向源点返回标明愿意接收负载迁移的信息和本地地址信息。

7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤23中所述一步节点向该二步节点发送一个提议信息包括，一步节点根据该二步节点的资源、信任度和代价值信息向该二步节点发送一个提议信息。

8、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤27还包括，源点向迁移负载的节点发送代价转移信息并减少自身的可用代价值，迁移负载的节点收到该代价转移信息后相应地增加自身的可用代价值。