CN102497405A

CN102497405A - 一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法

Info

Publication number: CN102497405A
Application number: CN2011104027404A
Authority: CN
Inventors: 文吉刚; 谢鲲; 李仁发
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开了一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，包括多跳无线mesh网络，多跳无线mesh网络包括若干个网络节点，网络节点之间互相通信，网络节点包括多个拥有请求文件的节点，即server peer，以及多个请求文件下载的节点，即client peer，client peer通过多跳与server peer通信，本发明在拥有多个server peer的多跳无线mesh网络中，设计合作的资源分发方法，该方法能结合peer选择和路由为多个客户端peer提供最优的资源下载性能，即拥有最大的网络聚合吞吐量和有限的网络下载时延，解决了干扰敏感的P2P资源分发问题。

Description

一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法

技术领域

本发明涉及无线网络和移动计算领域，具体为一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法。

背景技术

多跳无线mesh网络支持诸多潜在的应用，如最后一公里的宽带Ihternet接入、分布式文件备份和视频监控等，因此，多跳无线mesh网络已经越来越引起研究人员的重视。无线网络具有有限的带宽，为了提高无线网络中业务和应用的服务质量，网络用户和研究人员都希望能通过使用新的技术来加速网络下载，如采用P2P技术以支持从多个拥有文件的server peer节点合作进行文件传输，来提高P2P下的文件下载速率。

然而，和有线网络的P2P分发系统相比，无线网络存在不可避免的无线传输干扰(即使在多射频多信道(multi-radiomulti-channel)的无线网络中，如果两条传输路径使用同一个信道，它们之间也可能出现干扰)。干扰的存在已严重影响了P2P系统在无线网络中的传输性能，给多跳无线mesh网络中进行文件分发带来了如下挑战：

首先，在P2P系统中，为了加速文件的下载速度，提高文件下载的满意度。一个client peer可能会选择一个或者多个拥有该文件的server peer，通过从多个server peer合作来下载所需的文件，以获得较高的聚合下载吞吐量。如何在多个拥有文件的server peer集合中选择部分为客户端peer服务，这是P2P系统中的peer节点选择问题。选择较多server peer同时为客户peer提供文件，客户peer可以获得较大的聚合吞吐量，该结论在有线网络中普遍成立，然而由于无线信道干扰的存在，在无线网络中并不成立。

其次，无线网络干扰的存在，不仅影响到P2P系统中server peer的选择，还影响了文件传输下载路径的计算。这是因为给定所选择的sever peer后，只有优化计算从server peer到client peer节点的多条下载路径，才能降低共享无线信道的干扰，提高文件传输的性能。更为重要的是，不同的路由方案反过来又会影响peer选择结果，peer选择和路由计算是紧密相关的。所以，为了获得最优的文件传输质量，需要将peer选择和路由计算相结合。

因此，在多跳无线mesh网络设计P2P资源分发方法时，需要将无线网络干扰作为重要因素进行考虑，以最大化获得资源下载的聚合网络吞吐量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，为多个client peer提供最优的资源下载性能，即拥有最大的网络聚合吞吐量和有限的网络下载时延。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，包括多跳无线mesh网络，多跳无线mesh网络包括若干个网络节点，网络节点之间互相通信，网络节点包括多个拥有请求文件的节点，即server peer，以及多个请求文件下载的节点，即client peer，client peer通过多跳与server peer通信，该方法包括以下步骤：

步骤1：将无线mesh网络中延迟不等的边转化为多条延迟相等的链路相连，其中边为直接连接两节点的链路；

步骤2：使用源节点s’将所有的server peer节点连接，使用目的节点d’将所有的client peer节点连接，并使用单位延迟链路连接s’和sever peer节点，使用单位延迟的链路连接d’和client peer节点；

步骤3：利用Dijkstra’s方法找到从源节点s’到目的节点d’的最短路径，如果找到的路径不满足少于W’跳，则停止搜索，其中W’为常数；

步骤4：通过迭代的方法寻找不相交路径，如果再也找不到一个与现有路径集合T节点不相交的路径，则程序结束。

步骤1中边的转化过程如下：计算网络中所有链路延迟的最大公约数，将此最大公约数定义为c，这样每条链路的延迟就能够表示为I×1/c，其中I为整数，如图2所示，原来的每条边就可以表示为I条边和I-1个节点组成的链，延迟约束转化为W’＝W×c+1。

步骤3中迭代的方法寻找不相交路径，详细流程如下：

先通过宽度优先搜索Depth-First-Search(DFS)找到从s’到d’的路径r。如果这条路径r的长度小于W’，那么路径r就可以接受为下载路径，放到集合T中。假设DFS寻找到了节点n，正在寻找路径的下一跳。为了保证在集合T中的路径都是节点不相交的路径，方法需要选择不属于集合T中的节点作为下一跳的节点。

若节点n旁边有合适的邻居可以找到，而且加上该邻居不会超过W’长度的界限，我们就是用该邻居作为新的路径的下一跳。

否则，如果没有这样的邻居，方法就需要执行另一个增广查找(augmentation-search)过程。在已有路径集T找到节点n_s。该n_s必须满足两个条件。首先n_s必须是节点n的一跳邻居节点。其次，从节点n经过n_s到终点d’的路径长度必须小于W’。例如，假设节点j是满足上述条件的节点，那么新产生的路径P’就包含三个部分：从节点s’到节点n的路径，从节点n到j的一跳路径，从节点j到节点d’的路径。然从路径集合T中删除旧的路径P，并将新的路径P’添加到路径集合。这里将前任节点j记为p_j，并从p_j重新启动DFS搜索。

最坏情况下，如果不能从DFS中找到新的满足条件的节点，我们就需要使用DFS回退到原始节点s’。在这种最坏的情况下，如果s’的所有邻居节点都已经被访问过，则增广查找失败。如果是失败的结果，方法就撤销之前的过程，即从路径集合T删除路径P’，同时重新将路径P加入T。然后又在节点n上重新启动DFS过程。

本发明在拥有多个server peer的多跳无线mesh网络中，设计合适的资源分发方法，该方法能结合peer选择和路由为多个客户端peer提供最优的资源下载性能，即拥有最大的网络聚合吞吐量和有限的网络下载时延，解决了干扰敏感的P2P资源分发问题。

附图说明

图1为本发明一实施例多跳无线mesh网络结构示意图；

图2为本发明一实施例将不同权重的边转化为相同权重的边示意图；

图3为本发明一实施例将多个源节点和目标节点转化为单个源节点和目标节点示意图；

图4为本发明一实施例仿真网络拓扑结构示意图；

图5为本发明一实施例在客户端peer处得聚合网络吞吐量统计图；

图6为本发明一实施例所需的下载资源文件的时间统计图；

其中：

1、2、…、14：网络节点；4、11、13：server peer；1、6：clientpeer；○：mesh router。

具体实施方式

本发明所解决的干扰敏感的P2P资源分发问题可以描述为受限的最优化问题，即寻找一组不相交的路径连接多个server peer和多个client peer，而且每个路径的端到端的延迟都小于给定延迟期限W。

假设每跳链路都有一跳延时。那么一条路径上的数据包传输延时可以计算为路径上所有链路的单跳延迟之和。因此上述受限最优化问题可以描述为一个VMLBDP(Variation of Maximum Length-BoundedDisjoint Path problem)问题：给定一个有向图G＝(V，E)，图中有k个节点s₁，...，s_k代表源节点，m个节点d₁，...，d_m代表目的节点，每条边都有不同的权重(单跳延迟)，目标是找到从源节点s_i，(1≤i≤k)到目标节点d_j(1≤j≤m)的最大数目的不相交路径，而且每条路径的权值都不大于给定的约束W。

下面通过将VMLBDP问题规约为MLBDP问题来(MaximumLength-Bounded Disjoint Paths)证明本文提出的问题是NP-complete问题。MLBDP的问题描述为：给定一整数W和网络G＝(V，E)的不同两个节点s和d，找出从节点s到节点d的最大数目的不相交的路径，而且每条路径的长度都小于W。

证明：

VMLBDP和MLDBP有两点不同。

第一点不同在于，VMLBDP问题中每条边的权值是不相同的，然而，在MLBDP问题中，所有边的权重都是相同的。

第二点不同在于，VMLBDP问题是从k个源节点到m个不太相同的目的节点找到最大的不相交的多条路径，然而，MLBDP的问题是希望找到从同一个源节点到同一个目的节点希望找到k条或者k条以上的路径。

采用下面两个步骤将VMLBDP问题规约为MLBDP问题。

首先，因为每条边的权重都是一个有理数，因此可以计算出所有边权重的最大公约数。将此最大公约数定义为c。这样每条边的权重就能够表示为I×1/c，其中I为整数。如图2所示，原来的每条边就可以表示为I条边和I-1个节点组成的链。新的链路中，每条边都有相同的权重1/c。经过上述转换，原来两节点之间的边的总权重仍然是I×1/c，只是每条边有相同的权重。最后，通过将每条权重不同的边进行上述转换，就可以得到一个新的图，该图中的每条边都拥有相同的权重。

其次，为了简化问题，在图G中增加两个辅助的节点s’和d’。首先将所有k个源节点和s’连接，将所有的m个目的节点和d’连接构成连接图。如图3所示，每条连接辅助节点和现有节点的辅助边的权重都相同，均为1/c。

经过上述转变，原来的网络图G＝(V，E)就转化为一个新的图G’＝(V’，E’)，而且该新的图拥有两个新的节点s’，d’以及k+m条新增加的边，且路径约束长度变为W’＝W×c+1，W为规定的最大下载等待时间，即延时期限。。

这样，VMLBDP问题就被规约为一个新的问题，可以描述如下：给定图G’＝(V’，E’)，找到至少k条从节点s’到节点d’的不相交路径，每条路径不包含超过W’条边。经过这么转换后，新的问题就与MLBDP问题就完全相同的。因为MLBDP问题是NP-complete问题，因此VMLBDP问题也是一个NP-complete问题。

将本实施例提出的干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法和其他三种在多跳无线mesh网中进行合作P2P文件分发的方法进行比较。

第一种是随机peer选择方法，该方法随机地选择一个server peer节点为客户端peer节点服务。随机选择方法如Gnutella等已在有线网络中表现出了很好的性能。

第二种方法是最近peer选择方法，这种方法在SPAWN协议中使用，这种方法选择距离客户端peer最近(即条数最少)的peer节点提供下载服务。

第三种方法是贪婪方法，该方法同时选择所有的server peer节点为客户端peer节点共同提供下载服务。这里的“所有的server peer”还受到一个参数的限制，即最大服务客户端的数目M，当可供选择的server peer超过M时，只选择M个server peer提供资源分发服务。

假设无线网络拥有所有的需要下载的资源文件，这些文件可以是已经从有线网络中下载的，也可以是网络内部节点产生的视频。因此，本文重点关注无线网络内部的文件传输，而无需考虑网关的位置。所有的仿真实验都在网络仿真软件NCTUns上进行。对于本文所提出的干扰敏感的P2P文件传输方法，所选择的server peer节点以及文件下载路径由本发明计算。其它所比较的三种方法，都采用最短路径为缺省的文件传输路径。

我们采用IEEE 802.11b协议，该协议提供每个节点250米的通信半径以及500米的干扰半径。采用Request-To-Send/Clear-To-Send(RTS/CTS)的握手协议。在实验中我们采用如图4所示的简单的mesh网络拓扑结构。在该结构中，36个mesh节点分布在1500米×1500米的网格型区域内。

如图4错误！未找到引用源。所示，总共36个mesh节点分布在一个6×6的网络区域的网络拓扑中。每个mesh节点配备了一个射频网卡。在网络中有6个peer节点拥有所请求的视频文件(节点4，节点5，节点6，节点11，节点25和节点32)。有两个客户端peer节点(节点27和节点22)，这两个节点希望从这6个server peer节点处获得所需请求的资源文件。

图5是在客户端peer节点处获得的聚合网络流量。可以看出，相比于其它三种方法，我们的方法可以获得多更大的聚合网络流量，比次优的节点选择方法要高出将近20％。因为受到严重的网络干扰的原因，贪婪的方法获得最少的聚合网络流量。对比最近peer选择方法和随机peer选择方法，最近peer选择方法的有更好的性能。这是因为TCP协议的吞吐量随着跳数增加而减少，这就是为什么SPAWN和BTM中选择距离的远近作为peer选择的基本指标的原因。由于可以由多个peer节点进行协作传输所需的文件，所以本文提出的联合peer选择和路由的方法比最近peer选择的方法有更好的网络性能。

图6是不同方法所需下载时间比较。和图5的实验结果一致的是，本发明提出的方法拥有最短的下载时间。

上述的实验结果都表明，相比于其它peer选择方法，本文提出的联合peer选择和路由计算的P2P文件分发方法在多跳无线网络中具有最优的网络性能。

Claims

1.一种干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，包括多跳无线mesh网络，多跳无线mesh网络包括若干个网络节点，网络节点之间互相通信，网络节点包括多个拥有请求文件的节点，即serverpeer，以及多个请求文件下载的节点，即client peer，client peer通过多跳与server peer通信，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤2：在无线mesh网络中增加一个源节点s’和一个目的节点d’，使用源节点s’将所有的server peer节点连接，使用目的节点d’将所有的client peer节点连接，并使用单位延迟链路连接s’和sever peer节点，使用单位延迟的链路连接d’和client peer节点；

步骤3：利用Dijkstra’s方法找到从源节点s’到目的节点d’的最短路径，如果找到的路径少于W’跳，则将路径保存在路径集合T中；如果找到的路径不满足少于W’跳，则停止搜索，其中W’为常数；

2.根据权利要求1所述的干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，其特征在于，所述步骤1中，边的转化过程为：计算网络中所有链路延迟的最大公约数，将此最大公约数定义为c，每条链路的延迟表示为I×1/c，其中I为整数，将原来的每条边表示为I条边和I-1个节点组成的链，延迟约束转化为W’＝W×c+1，W为规定的最大下载等待时间，即延时期限。

3.根据权利要求1所述的干扰感知的无线mesh网P2P资源分发方法，其特征在于，所述步骤3中，用迭代的方法寻找不相交路径的过程为：通过宽度优先搜索找到从源节点s’到目的节点d’的路径r，如果路径r的长度小于W’，那么将路径r接受为下载路径，放到集合T中；假设DFS寻找到了节点n，正在寻找路径的下一跳，则选择不属于集合T中的节点作为下一跳的节点；若节点n旁边有合适的邻居，并且加上该邻居不会超过W’长度的界限，那么用该邻居作为新的路径的下一跳；否则，如果没有这样的邻居，那么执行增广查找，在已有路径集T找到节点n_s，该n_s必须满足两个条件：首先n_s必须是节点n的一跳邻居节点；其次，从节点n经过n_s到终点d’的路径长度小于W，然后从路径集合T中删除旧的路径P，并将新的路径P’添加到路径集合，将前任节点j记为p_j，并从p_j重新启动宽度优先搜索；如果不能从宽度优先搜索中找到新的满足条件的节点，那么使用宽度优先搜索回退到原始节点s’，如果s’的所有邻居节点都已经被访问过，则增广查找失败，从路径集合T删除路径P’，同时重新将路径P加入T，然后在节点n上重新启动宽度优先搜索。