CN101826986B - 一种物理网络感知的覆盖网构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理网络感知的覆盖网构建方法，要解决的技术问题是提出一种物理网络感知的覆盖网构建方法，有效利用节点的网络延迟信息，使得覆盖网中相邻节点间的网络延迟较小。技术方案是先获得覆盖网节点的逻辑标识和物理标识，每个节点根据其物理标识，通过邻居选取算法，与覆盖网中的其它节点确立邻居关系，构建覆盖网拓扑。本发明为覆盖网节点建立了逻辑标识和物理网络感知的物理标识，可通过节点的物理标识反映节点间物理网络延迟的信息；且基于覆盖网节点的物理标识来建立节点间的邻居关系，有效利用了节点物理标识所蕴含的物理网络延迟信息，可增强覆盖网拓扑与物理网络拓扑的匹配，有利于降低覆盖网拓扑连接的平均物理延迟。

Description

一种物理网络感知的覆盖网构建方法

技术领域

本发明涉及计算机网络和网络计算系统中的覆盖网构建方法，尤其是感知物理网络延迟的覆盖网构建方法。

背景技术

网络计算的目标是将广域分布的计算、存储、信息以及仪器等各种资源通过网络组织并集成起来，以实现网络资源的有效共享和综合利用。当前，网络计算技术在科学研究、电子商务、电子政务和军事应用等重要领域都有着广阔的应用前景。

网络资源的有效组织是网络计算系统实现资源共享和利用的重要基础，对网络计算系统的性能和可扩展性等都有着关键的影响。覆盖网是近年来兴起的一种重要的网络资源组织技术。覆盖网(Overlay Network)是指网络计算系统中节点间根据其逻辑关联关系形成的、架构在互联网之上的逻辑网络。近年来随着覆盖网技术的发展，利用覆盖网技术组织大规模的网络资源，展现出良好的可扩展性和自组织潜力，得到了学术界和工业界的关注和重视。

覆盖网构建方法是在覆盖网中的节点之间按照一定的规则建立逻辑上的连接关系，是形成覆盖网拓扑结构、影响覆盖网性能的基础性关键技术。覆盖网构建方法的评价通常是以该方法所构建的覆盖网拓扑的节点度数和路由延迟等参数作为重要指标。节点度数是指覆盖网中各节点的邻居数量，涉及到覆盖网中各节点的邻居状态存储开销和覆盖网的动态维护开销；路由延迟是指覆盖网中一次消息路由的延迟，通常用覆盖网中的逻辑跳步数或物理延迟来表示。为取得良好的实用性能，覆盖网构建方法应该兼顾覆盖网节点度数和路由延迟等多个方面的特性。但这几个性能特性之间存在冲突，给覆盖网构建带来困难。典型的覆盖网构建方法包括Chord、CAN和Tapestry等，下面予以简要介绍。

(1)Chord方法

Chord方法采用环作为覆盖网的静态拓扑图，覆盖网中各节点的标识都是一个160位的二进制串(即0到2¹⁶⁰-1之间的整数)，可以根据节点的IP地址或名称等属性通过公开的SHA-1算法获得。Chord方法将覆盖网中所有节点根据标识的大小，顺时针构成一个环形的拓扑结构。

由于Chord中每个节点都维护了与其后继节点的邻居关系，在环上沿后继节点总可以正确地到达任何目标节点，但这种方法效率很低。因此Chord方法中，每个节点都维护一个finger表(即路由表)，finger表至多有log₂N项，节点n的finger表第i项是值n+2^i-1在环上对应的后继节点。Chord方法所构建的覆盖网的节点度数为O(log₂N)，路由延迟是O(log₂N)，平均路由延迟为1/2log₂N。

为提高覆盖网性能，一些研究提出在Chord方法构建的覆盖网基础上增加额外的覆盖网连接和路由信息，以提高覆盖网性能，典型工作包括Kelips、OneHop和Accordion等。例如，Kelips方法将覆盖网中的节点分成k个组，每个节点通过哈希函数分配到某一个组中。各节点维护的路由表包括：(i)同组中所有节点的视图；(ii)其他各组中常量个数节点的信息；(iii)同一组节点上的全部资源的索引信息。Kelips把路由消息转发到相应的组中，更新消息通过gossip方式来传播。Kelips的路由延迟为O(1)，但节点度数和维护开销为O(N^1/2)。

(2)CAN方法

CAN(Content Addressable Network)方法采用多维花环作为覆盖网的静态拓扑图。CAN方法的基本思想是构造一个虚拟的d维笛卡尔坐标空间，覆盖网中各个节点分别负责虚拟d维坐标空间中的一块区域。CAN中的节点根据它们所负责的区域在坐标空间中的位置来建立邻居关系，负责相邻区域的节点互为邻居。由于坐标空间是d维的，故每个节点有2d个邻居，CAN方法所构建的覆盖网的拓扑结构是类d-torus拓扑。

当节点加入或退出时，相关节点负责的区间会进行拆分或合并。新节点加入时，首先通过哈希函数将新节点映射到虚拟空间中的一点，然后将该点所在区域沿某一维拆分成两半，一半区域由新节点负责。拆分时对维数的选择是按照round-robin方式轮流进行。CAN方法所构建的覆盖网的节点度数为O(d)，路由延迟和消息开销为O(dN^1/d)。

(3)Tapestry方法

Tapestry方法采用Plaxton图作为覆盖网的初始拓扑图。Tapestry方法中节点的标识都是160位的二进制值，用以固定数值b为基的位串表示(如b＝16时即都是16进制位串)。Tapestry中每个节点维护一个多层的路由表，路由表的层数等于节点标识的长度，路由表中第j层节点标识的后j-1位与本节点标识的后j-1位相同；第j层共有b项，第i项的第j位对应的标识为i；如果系统中有多个节点标识满足路由表中某一项的条件，则选择延迟最小的节点。例如，节点0642的路由表中共有4层，每层8项，第3层路由表中标识都形如**42，第3层第5项是距离0642最近且标识符以542结尾的节点*542。Tapestry方法所构建的覆盖网的节点度数为O(blog_bN)，路由延迟和路由消息开销是O(log_bN)。

传统的覆盖网构建方法，如Chord、CAN和Tapestry等，在构建覆盖网拓扑时，通常是根据节点的逻辑标识建立节点间的邻居关系，并以此为基础形成覆盖网拓扑结构。这些方法较少考虑节点间的物理网络延迟，使得所构建的覆盖网逻辑拓扑与底层的实际物理网络拓扑存在不匹配的问题，从而导致覆盖网拓扑连接的平均物理延迟较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对传统覆盖网构建方法未充分考虑节点间的物理网络延迟导致所构建的覆盖网拓扑连接的平均物理延迟较大的缺陷，提出一种物理网络感知的覆盖网构建方法，有效利用节点的网络延迟信息，使得覆盖网中相邻节点间的网络延迟较小，以降低覆盖网拓扑连接的平均物理延迟。

本发明提出的解决方案为：覆盖网中节点根据其网络坐标建立节点的物理标识，覆盖网构建时各节点根据物理标识建立邻居关系，以增强覆盖网逻辑拓扑与底层的物理网络拓扑的匹配，降低覆盖网拓扑连接的平均物理延迟。具体包括以下步骤：

第一步，获得覆盖网节点的逻辑标识。覆盖网中的每个节点，具有两个节点标识：逻辑标识和物理标识。节点的逻辑标识，是长度为160位的二进制串，通过对节点的IP地址等属性信息使用常用的SHA-1算法后获得。根据SHA-1算法的特点，各节点的逻辑标识是全局唯一的，以便于区分各节点。节点的物理标识是一个长度为m位的二进制串(m为正整数，其取值可根据覆盖网的规模预先设置。为支持大规模的覆盖网节点，m的取值通常应不小于128)。不同节点的物理标识存在相同的可能性，物理标识相同的多个节点通过它们的逻辑标识进行区分。

第二步，获得覆盖网节点的物理标识。任一节点W加入覆盖网时，通过物理标识获取算法为其产生一个长度为m位的二进制串作为节点物理标识。

物理标识获取算法的流程如下：

(1)节点W加入覆盖网时，首先通过网络坐标GNP(Global Network Positioning，即全局网络定位)协议，获得一个标准化后的n位的坐标向量L。n为正整数，为使得网络坐标向量L能够较好地反映节点间的物理网络延迟，n的取值通常应不小于20。

(2)根据坐标向量L，获得覆盖网节点W的物理标识P(P是m的二进制串)。具体过程如下：

令A、B都是n位的向量，A向量中各位的初始值为0，B向量中各位的初始值为1；

对变量i从0到m-1，循环执行下列动作：

i)令j等于 imod n。

ii)若L[j]大于(A[j]+B[j])/2，则节点W的物理标识P的第i位设置为1(即P[i]＝1)，A[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2；否则物理标识P的第i位被设置为0，B[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2。

第三步，建立覆盖网拓扑连接。每个节点根据其物理标识，通过邻居选取算法，与覆盖网中的其它节点确立邻居关系，构建覆盖网拓扑。邻居选取算法的具体流程如下：

(1)物理标识为R的新节点T在加入覆盖网时，选择物理标识比R小且最接近R的3个节点作为前驱邻居节点；

(2)节点T选择物理标识比R大且最接近R的3个节点作为后继邻居节点；

(3)对变量k从0到8，循环执行下列行为：

i)令F等于(9R+k)mod 2^m；

ii)获取覆盖网中满足条件“物理标识大于且最接近值F”的全部节点的节点集合S；

iii)节点T通过ping方法获得本节点与集合S中各节点的物理延迟；

iv)节点T选取集合S中物理延迟最小的节点作为T的覆盖网拓扑邻居节点。

在邻居选取算法中，由于多个节点的物理标识可能相同，集合S中元素的个数大于等于1。根据邻居选取算法，新节点共选取了覆盖网中的15个节点作为邻居节点(其中包括3个前驱邻居节点、3个后继邻居节点和9个覆盖网拓扑邻居节点)，与这些邻居节点构建覆盖网连接。

根据物理标识获取算法，不同节点的物理标识存在相同的可能(虽然概率较小)，物理标识相同的节点根据其逻辑标识进行区分。根据GNP协议的特点，物理网络延迟较小的两个节点，通过GNP协议得到的网络坐标向量值会比较接近。根据物理标识获取算法的流程可知，该两个节点获得的物理标识在物理标识空间中也会比较接近。因此，各节点的物理标识在一定程度上反映了节点在物理网络中的邻近信息。由于各节点的物理标识蕴含了节点在物理网络中的邻近信息，邻居选取算法根据物理标识建立邻居关系形成覆盖网拓扑，可有助于增强覆盖网拓扑与物理网络拓扑的匹配，有利于减小覆盖网拓扑连接的平均物理延迟。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明为覆盖网节点建立了逻辑标识和物理网络感知的物理标识，通过逻辑标识区分节点，并使得物理网络中邻近的覆盖网节点能够获得相近的物理标识，从而可通过节点的物理标识反映节点间物理网络延迟的信息；

2.本发明在覆盖网构建过程中，基于覆盖网节点的物理标识来建立节点间的邻居关系，有效利用了节点物理标识所蕴含的物理网络延迟信息，可增强覆盖网拓扑与物理网络拓扑的匹配，有利于降低覆盖网拓扑连接的平均物理延迟。

因此，本发明是一种物理网络感知的覆盖网构建方法。

附图说明

图1为本发明总体流程图。

图2为本发明第二步中物理标识获取算法的流程图。

图3为本发明第三步中邻居选取算法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明总体流程是：

第一步，获得覆盖网节点的逻辑标识。节点的逻辑标识，是长度为160位的二进制串，通过对节点的IP地址等属性信息使用公知的SHA-1算法后获得。

第二步，获得覆盖网节点的物理标识。新节点W加入覆盖网时获得物理标识的物理标识获取算法流程如图2所示。

第三步，建立覆盖网拓扑连接。每个节点根据其物理标识，通过邻居选取算法，与覆盖网中的部分其它节点确立邻居关系，建立覆盖网拓扑连接。邻居选取算法的具体流程如图3所示。

物理标识获取算法的流程如下(如图2)：

(1)新节点W加入覆盖网时，首先通过网络坐标GNP协议，获得一个标准化后的n位的坐标向量L。

(2)根据坐标向量L，获得覆盖网节点W的物理标识P。具体过程如下：

令A、B都是n位的向量，A向量中各位的初始值为0，B向量中各位的初始值为1；

对变量i从0到m-1，循环执行下列行为：

i)令j等于i mod n。

ii)若L[j]大于(A[j]+B[j])/2，则节点W的物理标识P的第i位设置为1(即P[i]＝1)，A[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2；否则物理标识P的第i位被设置为0，B[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2。

如图3所示，邻居选取算法的具体流程如下：

(1)物理标识为R的新节点T在加入覆盖网时，选择物理标识比R小且最接近R的3个节点作为前驱邻居节点；

(2)节点T选择物理标识比R大且最接近R的3个节点作为后继邻居节点；

(3)对变量k从0到8，循环执行下列行为：

i)令F等于(9R+k)mod 2^m；

ii)获取覆盖网中满足条件“物理标识大于且最接近值F”的全部节点的节点集合S；

iii)节点T通过ping方法获得本节点与集合S中各节点的物理延迟；

iv)节点T选取集合S中物理延迟最小的节点作为T的覆盖网拓扑邻居节点。

Claims (2)

1.一种物理网络感知的覆盖网构建方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，获得覆盖网节点的逻辑标识，节点的逻辑标识，是长度为160位的二进制串，通过对节点的IP地址属性信息使用SHA-1算法后获得；

第二步，获得覆盖网节点的物理标识，节点的物理标识是一个长度为m位的二进制串，任一节点W加入覆盖网时，通过物理标识获取算法为其产生一个长度为m位的二进制串作为节点物理标识，m为正整数，其取值根据覆盖网的规模预先设置，物理标识获取算法的流程如下：

(1)节点W加入覆盖网时，首先通过网络坐标GNP协议，获得一个标准化后的n位的坐标向量L，n为正整数；

(2)根据坐标向量L，获得覆盖网节点W的物理标识P，P是长度为m位的二进制串，具体过程如下：

令A、B都是n位的向量，A向量中各位的初始值为0，B向量中各位的初始值为1；

对变量i从0到m-1，循环执行下列动作：

i)令j等于i mod n；

ii)若L[j]大于(A[j]+B[j])/2，则节点W的物理标识P的第i位设置为1，

即P[i]＝1，A[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2；否则物理标识P的第i位被设置为0，B[j]的值被重新设置为(A[j]+B[j])/2；

第三步，建立覆盖网拓扑连接，每个节点根据其物理标识，通过邻居选取算法，与覆盖网中的其它节点确立邻居关系，构建覆盖网拓扑，邻居选取算法的具体流程如下：

(1)物理标识为R的新节点T在加入覆盖网时，选择物理标识比R小且最接近R的3个节点作为前驱邻居节点；

(2)节点T选择物理标识比R大且最接近R的3个节点作为后继邻居节点；

(3)对变量k从0到8，循环执行下列行为：

i)令F等于(9R+k)mod 2^m；

ii)获取覆盖网中满足条件“物理标识大于且最接近值F”的全部节点的节点集合S；

iii)节点T通过ping方法获得本节点与集合S中各节点的物理延迟；

iv)节点T选取集合S中物理延迟最小的节点作为T的覆盖网拓扑邻居节点。

2.如权利要求1所述的一种物理网络感知的覆盖网构建方法，其特征在于所述m的取值不小于128，n的取值不小于20。

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