CN100495995C - 因特网中构造对等网络及获取该网络中共享信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种因特网中构造对等网络及获取该网络中共享信息的方法，所述构造网络方法包括步骤：a)扩展因特网路由交换节点为主动节点；b)给主动节点配置主动代码以形成主动对等网络代理，并将所述主动节点作为对等网络的“簇”节点；c)对等机加入网络时，加入最近的“簇”节点，“簇”节点与聚集在其周围的对等机组成共享信息对等节点，并与其他共享信息对等节点组成对等连接关系。在获取共享信息时，利用构造的对等网络的特性，应用最大聚集度算法查询并获取所需的共享信息。本发明利用Internet网络路由节点的拓扑结构，形成具有“小群体”和“幂指规律”特性的对等网络，查询方便快捷，网络可扩展性较好。

Description

因特网中构造对等网络及获取该网络中共享信息的方法

技术领域

本发明涉及信息共享的方法，更具体的涉及利用主动网络技术构造对等网络以及获取该网络中共享信息的方法。

背景技术

随着因特网的发展，分布在世界各地的计算机上的信息可以被连在因特网上的用户共享，各种信息在网上随时可获取，大大方便了人们的生活。信息共享涉及很多方面，比如网络的架构，查询信息的路径等，目前在因特网中，信息共享采用的网络架构大致有两种，一种是以服务器/客户机(Server/Clients)方式实现的网络架构，连在因特网上的用户(即客户机)需获取信息时，先连接到服务器，并从服务器获取所需的信息；另一种是对等网络(即Peer—to—Peer)所代表的另一种网络架构，在这种架构中，各站点既是网络服务提供者——服务器，又是网络服务申请者——工作站，即对等网络上各台计算机有相同的功能，无主从之分，网上任一台计算机既可以作为网络服务器，其资源为其它计算机共享，也可以作为工作站，以分享其它服务器的资源。任一台计算机均可同时兼作服务器和工作站，也可只作其中之一。

在对等网络(P2P)中，连在Internet上的不同计算机用户之间直接完成数据交换或服务交换，它允许互联网用户直接使用对方的文件。目前应用的对等(P2P)网络架构有两种典型的代表，基于集中式目录结构和基于分布式定位方法的对等网络模型，它们分别以Napster和Gnutella为代表，我们先来看以Napster为代表的集中目录结构的对等网络模型，请参考图1所示，在Napster模型中，一群高性能的中央服务器保存着网络中所有活动对等机的地址信息及其共享资源的目录信息。当需要查询某个文件时，对等机会向一台中央服务器发出文件查询请求，中央服务器进行相应的检索和查询后，会返回符合查询要求的对等机地址信息列表。查询发起对等机接收到应答后，会根据网络流量和延迟等信息进行选择，与合适的对等机直接建立连接，开始文件传输。该种模型因为依赖中央服务器而存在很多问题，其缺点主要表现如下：中央服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低。而且随着网络规模的扩大，对中央目录服务器进行维护和更新的费用将急剧增加，所需成本过高。

另一种是以Gnute1la模型为代表的基于分布式的对等网络模型，克服了上述集中目录结构的对等网络模型的缺点，请参考图2所示，在Gnutella模型中并没有中央服务器，该模型中定位目标对等机或查询共享信息，源对等机通过与相邻对等机之间的连接遍历整个网络体系。其目标对等机定位原理如下：为了查找某个文件，源对等机首先向与之相邻的所有活动对等机发送一个查询请求包(Query)，其他对等机在接收到该查询请求包后，检查本地是否有符合查询请求的文件内容，如果有，则按查询请求包的发送路径返回一个查询响应包(QueryHit)。无论本地是否存在符合查询请求的文件内容，其他对等机都会将该查询包通过扩散(flooding，除了输入端之外，将到达的查询包向所有邻居节点发送)方式继续在网络中传递，直至查询包中TTL(Time of Life)属性值递减为0时停止继续转发。

Gnutella网络模型中每个对等机在功能上都是相似的，并没有专门的目录服务器。而对等机必须依靠它们所在的P2P网络来查找文件和定位其它对等机。

其缺点主要表现如下：

1网络中对等机的查找和定位比较复杂。

2随着网络规模的扩大，通过扩散方式定位对等机的方法将造成网络流量急剧增加，从而导致网络拥塞。

鉴于以上缺点和不足，扩散式对等网络模型对于大型网络也不适合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于主动网络技术的对等网络及获取该对等网络中共享信息的方法，以解决上述现有技术中存在的查询及获取共享信息比较复杂，且极易形成网络拥塞的问题。

为实现上述目的，本发明一种因特网中构造对等网络的方法，该方法包括以下步骤：

a)扩展因特网的路由交换节点为主动节点；

b)给所述的主动节点配置主动代码以形成主动对等网络代理，并将所述主动节点作为对等网络的“簇”节点；

c)对等机在加入网络时，加入离该对等机最近的主动“簇”节点，主动“簇”节点与聚集在其周围的对等机组成共享信息对等节点，并与其他共享信息对等节点组成对等连接关系。

另外，所述方法还包括对所述主动“簇”节点分层。

具体的，所述分层按照下述步骤实现：

11)将自治系统域间骨干上节点聚集度最高的主动路由器节点设为超级“簇”中心节点(Super Cluster Head Node，SCHN)，该节点通过自治系统(Autonomous System，AS)的主动边界路由器与其他自治系统连接；

12)在自治系统内部，各自治系统区域组成了各个“簇”，“簇”中各节点由自治系统域内主动路由器构成，其中节点聚集度最高的节点成为“簇”中心节点(Cluster Head Node，CHN)；

13)自治系统域间骨干上的超级“簇”中心节点(SCHN)连接了各个自治系统域的“簇”中心节点(CHN)，各个自治系统域的“簇”中心节点(CHN)又连接了域内的各个“簇”节点(Cluster Node，CN)。

根据本发明的主动对等网络中获取共享信息的方法，包括以下步骤：

s1)源对等机向它所加入的主动“簇”节点发送查询请求主动包；

s2)主动“簇”节点在接收到所述查询请求主动包后，首先在该主动“簇”节点所在的共享信息对等节点内查询，若查到目标对等机，则由该目标对等机返回一个查询命中包，否则，查自己的路由表，找到其所在“簇”中聚集度最高的“簇”节点，将该查询请求主动包转发给它，该“簇”节点重复步骤s2)的查询过程，继续搜索具有待查共享信息的目标对等机；

s3)源对等机接收到响应其查询请求的目标对等机发送的查询命中包后，与目标对等机建立连接，从该目标对等机中获取所需的文件。

优化的，步骤s2)返回查询命中包时，接收到所述查询命中包的主动“簇”节点均沿原传送路径转发该包，并将查询命中包中所带的命中资源信息索引缓存于本地一段时间，以备再有相同查询请求包到来时直接响应查询，从而进一步提高查找效率，其中所述命中资源信息索引包括目标对等机的IP地址及端口。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1，定位对等机及查询并获取共享信息更加方便快捷，不易形成拥塞，本发明中查询共享信息时，首先在对等机所在的主动“簇”节点组成的共享信息对等节点内查询，由于所述的主动“簇”节点聚集度较高，查询相对更快，另外，本发明中对节点分层，这样当在聚集度较低的节点没有查到时，继续向更高聚集度的节点查询，这样查询总是在聚集度最高的节点查询，查询方便快捷。

2，本发明充分利用现有因特网的“幂指规律”和“小群体”特性，网络的可扩展性较好，有利于现有网络的合理利用。

附图说明

图1是现有技术中集中目录式对等网络模型的示意图；

图2是现有技术中基于分布式对等网络模型的示意图；

图3是本发明构造主动对等网络的流程图；

图4是本发明对主动“簇”节点分层的示意图；

图5是本发明获取共享信息的查询操作流程图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的方法，在本发明中应用了主动网络技术，主动网络是一种可编程的网络，其网络节点的计算能力使得主动网络节点本身具有可编程性，从而使得整个网络结构也是可编程的，利用主动网络，用户不但可以完成传统网络的数据传送功能，而且也可以传送程序代码以供中间节点或远程主机在本地执行，本发明基于主动网络技术并将网络层次化，使查询共享信息更方便，且不会造成网络拥塞。下面将具体说明本发明中是如何应用主动网络技术的。

为了更好的理解本发明的方法，我们先来看因特网具有的某些特性，即“幂指规律”(Power Law)和“小群体”(Small-World)特性，研究证明，无论是在路由器级还是自治系统(AS)级，Internet拓扑结构均具有上述特性，所谓“幂指规律”(Power Law)说明如下：一个随机无向图由若干个节点和若干两两节点间的边组成。某个节点的“度”即是到达该节点的边的个数。最近的研究表明，许多现实网络，如Internet骨干、WWW页面链接、人们的社会关系网络等，其节点“度”的分布都具有同样的规律。即“度”为K的节点的分布概率满足以下公式：P(k)∝k^-τ，其中，1<τ<∞，随网络的不同而不同。Internet骨干网络其τ≈2.2，Gnutella网络的τ≈2.3，WWW页面链接网络其τ≈2.1，而美国西部电力网络网格的τ≈4。其中前三者的“幂指规律”特性非常近似。“幂指规律”分布的含义可以简单解释为在网络中有少数节点有较高的“度”，多数节点的“度”较低。“度”较高的节点同其他节点的联系比较多，通过它找到待查信息的概率较高。

为了说明什么是“小群体”特性，给出以下定义：

定义1：聚集度C(1)已知以顶点v为根的深度为1的宽度优先搜索(BFS)树，则该顶点的横向边的数目为Cv；满足以下关系：Max(Cv)＝C^k ₂-(k-1)；k为BFS树的所有顶点；则一个图的聚集度为：其所有顶点v的Cv值的平均值，即C(1)＝Average(Cv)

定义2：特征路径长L已知一个无向图G，任意两节点u，v间最短路径的边数为Num(u，v)，则其特征路径长L为：L＝Average[Num(u，v)]；则某网络的特征路径长L：被定义为所有任意两节点间最短路径的边数的平均值。

“小群体”特性的定义：即网络拓扑具有高聚集度而低特征路径长的特性。在符合“小群体”(Small-World)特性的网络模型中，可以据节点的聚集度将节点划分为若干个“簇”(Cluster)，在每个“簇”(Cluster)中有一个顶点度最高的节点为中心节点。

以下详述本发明的方法，图3是本发明构造主动对等网络的流程图，包括以下步骤：

步骤301，扩展因特网的路由交换节点为主动节点，可通过在原来Internet网络中的路由交换节点上运行Java虚拟机(JVM)，由于所述的JVM使路由器可以运行Java程序，为构造主动节点和运行主动代码提供了基本条件，事实上，还可以利用插件技术给出A NN更加合理的体系结构，插件技术是专门为解决现有路由器操作系统不易扩展和升级的问题而提出的。插件是采用面向对象技术开发的一小段程序，它面向应用完成特定的功能，在保证路由器高性能的基础上，还具有良好的封装性和可继承性。本发明中扩展路由节点为主动节点时，也可利用这种技术，即通过提供按需插件代码将路由节点配置为主动节点，例如，可以预先将特定功能的插件程序放置在特定的插件代码服务器中，当主动包到达路由器时，根据需要可以从其上下载对应的主动代码，完成主动包要求的处理。

步骤302，给所述主动节点配置主动代码以形成主动网络代理，并将所述主动节点作为对等网络的“簇”节点。给所述主动节点配置主动代码，针对不同的主动节点，可以有不同的实现方案。对于离散式主动节点，可通过在主动节点上装载主动代码集实现，具体可以通过插件库及插件管理器来实现，插件库由主动代码服务器提供，当主动节点本地缓存插件库中没有主动包中要求处理的主动代码时，就向约定的主动代码服务器请求下载，插件管理器则负责从本地插件缓存库或者当本地没有时从远端的主动代码服务器下载插件库；对于集成式主动节点，可以通过将主动分布式对等网络(Active DistributedPeer-to-Peer Network，ADP2PN)协议代理程序作为主动代码加载到主动包中，并将主动包分布到各主动节点实现。所述主动分布式对等网络协议代理程序基于本发明提出的主动分布式对等网络协议编程实现的，所述主动分布式对等网络协议包括如何对网络中的“簇”节点分层及如何应用最大聚集度算法进行查询操作，形成主动对等网络代理后，就可以由所述的主动对等网络代理获得动态网络拓扑信息、建立与上级中心节点的“簇”连接，运行ADP2PN模型的对等网络路由查找操作，实现主动分布式对等网络对等机查询信息的定位与搜索。

步骤303，对等机在加入该ADP2PN网络时，加入到离自己最近的那个主动“簇”节点中，具体的可通过预先配置默认主动网关的方法，各主动“簇”节点与聚集在其周围的主动对等机组成了一个统一的共享信息对等节点，与其它主动“簇”节点所组成的对等信息共享对等节点又组成了对等连接关系。当一个对等网络查询在该主动“簇”节点处理时，所述主动“簇”节点可以将该对等网络查询以扩散方式发往其聚集对等机，由于通信的双方基本是直连的关系，因此可以很快得到查询命中或未命中的消息，因此就像查询在本地进行一样，所以对外可以看作一个统一的共享信息对等节点。

如上提到的主动对等网络协议，本发明中结合了网络节点分层的方法，如本实施方式开头叙述的，Internet拓扑结构均具有“幂指规律”和“小群体”特性，利用这种规律对节点分层，在本发明构造的对等网络中查询并获取所述的共享信息时将更方便快捷，请参照图4给出的示意图，其中(a)示意了本发明主动分布式对等网络(ADP2PN)的顶级视图，(b)示意了本发明主动分布式对等网络(ADP2PN)的AS级视图，所述的分层包括以下步骤：

步骤401，将自治系统域间骨干上节点聚集度最高的主动路由器节点设为超级“簇”中心节点(Super Cluster Head Node，SCHN)，该节点通过自治系统的主动边界路由器与其它自治系统连接，构成ADP2PN模型的骨干；

步骤402，在自治系统内部，各自治系统(AS)区域组成了各个“簇”(Cluster)；“簇”中各节点由自治系统(AS)域内主动路由器构成，其中节点聚集度最高的节点成为“簇”中心节点；

步骤403，自治系统域间骨干上的超级“簇”中心节点(Super ClusterHead Node，SCHN)连接了各个自治系统域的“簇”中心节点(ClusterHead Node，CHN)，各个自治系统域的“簇”中心节点(CHN)又连接了域内的各个“簇”节点(Cluster Node，CN)。

上述对主动“簇”节点分层大大方便了查询，查询时只需找到每个“簇”中节点聚集度最高的节点，由于该节点同其他节点联系较多，查询信息的速度大为提高，克服了现有技术中扩散方式容易形成的网络拥塞，下面先简单描述本发明中如何在上述架构的对等网络中定位搜索对等机，查询并获取共享信息，再结合所述的查询过程说明本发明主动分布式对等网络协议的最大聚集度优先算法。

请参照图5所示的本发明获取共享信息的流程图，包括以下的步骤：

步骤501，源对等机向它加入的主动“簇”节点发送定位、路由查询请求主动包。具体的，在需要获取共享信息或需要查找特定的对等机时，所述的源对等机首先构造一个查询请求主动包，可以采用ANTS(Active Network Toolkits，主动网络工具箱)的封装体(capsule)模式，或附带在IPv4包(或IPv6)的IP选项中的主动包，或也可以按照ANEP(Active Network Encapsolution Protocol。主动网络封装协议)封装主动包，其中封装了插件的ID以及插件的参数。下面以按照ANEP协议封装主动包为例进行说明，例如，当某一主动对等机需要向本P2P网络查询李玟的MP3歌曲，文件名为Shalala.mp3，则它首先构造一个查询请求(Query)主动包，该主动包中包括请求标识符、最小响应速度、请求查询的资源名、源请求节点的IP地址端口、生命周期(TTL)域，其中请求标识符即是插件ID，其它各个域值分别是插件参数。

在步骤502，主动“簇”节点收到查询请求主动包后，首先解开该主动包以提取插件ID和参数，然后查询本地插件库中是否有该插件ID对应的插件处理程序，若有则执行该程序，完成对应的查询操作，若没有，该主动“簇”节点将向约定的主动代码服务器请求下载对应的插件代码，而后再完成对应的处理。处理完该查询请求主动包后，其对应的插件代码缓存在本地插件代码库中一段时间，以便后续的查询请求主动包重复使用该插件。

进入步骤503，有所述共享信息的目标对等机接收到所述的查询请求主动包后，响应所述请求，返回一个查询命中包给源对等机，这样源对等机和目标对等机就可以建立连接，从目标对等机直接获取所需的信息。

优化的，进一步提高查询的效率，返回查询命中包的过程中，接收到所述查询命中包的主动“簇”节点均沿原传送路径转发该包，并将查询命中包中携带的命中资源信息索引缓存于本地一段时间，由于所述命中资源信息索引中包括有目标对等机的IP地址及端口等信息，当再有相同查询请求包到来时就可直接响应所述的查询请求，查询速度更快了。

进一步，上述定位目标对等机及查询共享信息的过程，基于本发明提出的分层结构，且由于在每一层都有聚集度最高的节点，这样我们可以应用最大聚集度优先(Maximum Connectivity First，MCF)算法进行查询和定位操作，具体描述如下：

源对等机查询信息或定位对等机时，向其所加入的主动“簇”节点(CN)发送定位查询请求主动包，由于所述主动“簇”节点与聚集在其周围的对等机组成了共享信息对等节点，这样所述的主动“簇”节点首先在该共享信息对等节点内查询是否有所述的目标对等机，若查到，则由该目标对等机沿原发送路径响应一个查询命中包(QueryHit)；若没有查到，则由所述主动“簇”节点查自己的路由表，找到其所在“簇”中聚集度最高的“簇”节点，即“簇”中心节点(CHN)，将该查询请求主动包转发给它。

同上所述的，在查询命中包沿原路径返回的过程中，接收该包的主动“簇”节点将所述包中携带的命中资源信息索引(包括目标对等机的IP地址及端口)缓存于本地一段时间，以备再有相同查询包到来时直接响应查询，以进一步提高查找效率。

继续说明查询的过程，“簇”中心节点在收到该包后，仍然首先在其共享信息对等节点内查询，若查到，则处理同上；否则，该“簇”中心节点同样查找自己的路由表，找到其所在“簇”中聚集度最高的“簇”节点，即超级“簇”中心节点(SCHN)，将该查询请求主动包转发给它。

由于在一个自治系统(AS)内往往总是使用同样的开放最短路径优先(OSPF)路由协议，因此处于同一个自治系统中的“簇”中心节点可以知道该自治系统中哪一个节点的聚集度最高，每个“簇”节点也总能了解邻居节点中聚集度最高的节点。对于不使用OSPF路由协议的节点，可以通过AS中的简单网络管理协议(SNMP)网络管理节点了解同样的信息。每个查询主动包均包含一个存活期(Time To Live，TTL)，每经过一个节点的转发，TTL域值减一。

当查询包到达自治系统边界的时候，由于自治系统间通过边缘网关协议(BGP)交换路由信息，因此同样可以知道与本自治系统相邻的自治系统的节点的聚集度，仍然可以使用同样的方法转发查询请求主动包。

每个“簇”节点收到查询主动包后，重复上述查询过程，直到查询请求主动包的TTL域值减为0，或找到具有待查共享信息的目标对等机。一旦定位了响应其查询的目标对等机之后，源对等机就与响应其请求的目标对等机建立TCP连接，通过HTTP协议从响应的目标对等机中下载自己查询的文件，文件的传输不再经过ADP2PN网络进行。

本发明的对等网络模型充分体现了“幂指规律”和“小群体”特性。其路由查找操作正是利用了这一规律与特性，依据“最大聚集度优先”算法进行对等机共享信息的查询路由，解决了原分布式对等网络Gnutella模型由于采用扩散算法而导致网络分片，网络规模不能进一步扩大的可扩展性问题。另外，从协议分层的角度来看，本发明网络模型协议借助于主动网络技术，在网络层实现了查询路由机制，可以充分利用路由节点的路由信息，不再像其它纯分布式对等网络模型中所做的那样，在应用层完成路由查找，因此协议本身效率更高，而开销更少。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1、一种因特网中构造对等网络的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)扩展因特网的路由交换节点为主动节点；

b)给所述的主动节点配置主动代码以形成主动对等网络代理，并将所述主动节点作为对等网络的“簇”节点；

c)对等机在加入网络时，加入离自己最近的主动“簇”节点，主动“簇”节点与聚集在其周围的对等机组成共享信息对等节点，并与其他共享信息对等节点组成对等连接关系；

d)将自治系统域间骨干上节点聚集度最高的主动路由器节点设为超级“簇”中心节点SCHN，该节点通过自治系统AS的主动边界路由器与其他自治系统连接；

e)在自治系统内部，各自治系统区域组成了各个“簇”，“簇”中各节点由自治系统域内主动路由器构成，其中节点聚集度最高的节点设为“簇”中心节点CHN；

f)自治系统域间骨干上的超级“簇”中心节点SCHN与各个自治系统域的“簇”中心节点CHN连接，各个自治系统域的“簇”中心节点CHN又与域内的各个“簇”节点CN连接。

2、根据权利要求1所述的因特网中构造对等网络的方法，其特征在于：步骤a)将路由交换节点扩展为主动节点可通过在路由交换节点上运行Java虚拟机JVM实现。

3、根据权利要求1所述的因特网中构造对等网络的方法，其特征在于：步骤a)将路由交换节点扩展为主动节点可通过对路由交换节点提供按需插件代码实现。

4、根据权利要求1、2或3所述的因特网中构造对等网络的方法，其特征在于：步骤b)中对于离散式主动节点，所述主动对等网络代理是通过在主动节点上装载主动代码集实现的；对于集成式主动节点，所述主动对等网络代理是通过将主动分布式对等网络协议代理程序作为主动代码加载到主动包中，并将主动包分布到各主动节点实现的。

5、根据权利要求1所述的因特网中构造对等网络的方法，其特征在于：步骤c)对等机加入网络时预先配置自己的默认主动网关，以加入到离自己最近的主动“簇”节点。

6、一种在基于权利要求1所述的方法构造的对等网络中获取共享信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1)源对等机向它所加入的主动“簇”节点发送查询请求主动包；

s2)主动“簇”节点在接收到所述查询请求主动包后，首先在该主动“簇”节点所在的共享信息对等节点内查询，若查到目标对等机，则由该目标对等机返回一个查询命中包，否则，该主动“簇”节点查自己的路由表，找到其所在“簇”中聚集度最高的“簇”节点，将该查询请求主动包转发给它，该“簇”节点重复步骤s2)的查询过程，继续搜索具有待查共享信息的目标对等机；

s3)源对等机接收到响应其查询请求的目标对等机发送的查询命中包后，与目标对等机建立连接，从该目标对等机中获取所需的信息。

7、根据权利要求6所述的主动对等网络中获取共享信息的方法，其特征在于：步骤s2)返回查询命中包时，接收到所述查询命中包的主动“簇”节点均沿原传送路径转发该包，并将查询命中包中所带的命中资源信息索引缓存于本地一段时间，以备再有相同查询请求包到来时直接响应查询，其中所述命中资源信息索引包括目标对等机的IP地址及端口。

8、根据权利要求6所述的主动对等网络中共享信息的获取方法，其特征在于：所述查询请求主动包可以采用主动网络工具箱ANTS的封装体模式。

9、根据权利要求6或8所述的主动对等网络中共亨信息的获取方法，其特征在于：步骤s2)中查询请求主动包的生命存活期TTL值为0时结束查询操作。

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