CN103401953A - 一种基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,参与通信的各节点连入网络时,在逻辑上分为两层,上层由超级节点通过分布式哈希表机制来连接,下层普通节点选择上层的一个超级节点作为宿主节点,由这个超级节点实现普通节点信息的分布式哈希表机制发布及搜索。节点接入时将根据自身的网络地址性质、网络带宽能力、计算处理能力、存储能力来区分超级节点、备用超级节点和普通节点。采用的分布式哈希表机制应用了改进的K桶结构,增加了所连接超级节点的IP地址和端口号信息。在节点加入和寻址过程中,超级节点和普通节点将根据不同步骤来实现。本发明能有效提高语音通信节点寻址效率。
Description
技术领域
本发明涉及语音通信领域,特别涉及一种基于双层结构的端到端语音通信节点寻址方法。
背景技术
传统的网络语音通信需要借助中心寻址服务器来实现对目的终端的寻址定位。例如,SIP语音通信协议中的用户需要先将自身信息注册到SIP服务器上,用户进行呼叫时需通过SIP服务器查询到目标用户的地址信息,再经过相应的信令交互,才能建立流媒体通信通道。由此看出,在客户端/服务器模式下服务器负责了所有终端用户的注册、查询和维护等功能,服务器的性能好坏直接影响到整个系统的可靠性和稳定性。服务器成了系统性能的瓶颈,容易受到分布式拒绝服务攻击,进而限制了这些语音通信技术的发展应用。基于分布式寻址和转发的端到端语音通信技术不需要中心服务器参与寻址和通信,使之成为网络语音通信发展的新方向,其中分布式过程采用分布式哈希表(DHT)机制来实现资源的加入和查询,例如Chord协议、CAN协议和Kademlia协议等。其中Kademlia分布式哈希表协议基于异或运算来进行定位寻址,在分布式文件资源共享方面得到了广泛应用。但在端到端语音通信方面,目前尚未有公开文献描述完整可行的分布式寻址方法在端到端语音上的应用。
Kademlia协议是基于分布式哈希表结构的节点寻址方法,原来是为分布式端到端文件资源共享而设计的,该协议存在K库刷新缓慢,物理网络与逻辑网络容易产生失配等问题,容易造成查询出现较大时延,从而不适用于对实时性要求高的网络音频通信中。
针对Kademlia协议存在的缺陷特别是物理网络与逻辑网络存在失配现象,人们提出了一些改进方案。例如,有利用IPv6同一区域内的节点具有相同长度的网络前缀的特性提出了一种基于IPv6的改进方法,它通过对IP地址进行拆分,使的具有相同网络前缀的节点构建在同一区域,从而解决网络失配问题。但目前IPv4的网络仍占大多数,使得该方案的适用性不高。基于界标簇集的改进法提出了随机瞄点方法,通过在全局设置了瞄点节点,每个新加入节点需探测自身与瞄点节点距离大小,选择加入某个簇,但该方法没有给出瞄点节点的位置和数量如何选取的具体方案。另外一种改进方法是将物理IP地址考虑放在Kademlia逻辑网络结构Node-ID的高位中,通过物理IP地址可以判断出节点物理距离,使得逻辑距离相近的节点在物理距离也能相近。
但是深入研究Kademlia协议的运行机制后,可以发现物理网络与逻辑网络失配现象的存在也有其合理性因素,任何试图对这种失配现象进行改进的方案都是存在问题。主要原因是:Kademlia协议中节点分布和搜索要求具有均匀特性,如果采用上述机制对Kademlia协议存在的失配问题进行改进,物理网络上节点分布的不均匀性必然导致逻辑网络节点同样呈现出不均匀的特性,从而违背了端到端网络设计的本质,使得部分热门节点,甚至是性能较差的节点承担更多的负载任务。
而如果对Kademlia协议进行改进,使得逻辑上相近的节点在物理上也相近,则节点的前几个K桶通信延迟会较小,而其他的K桶延时较大,导致资源查找效率的极不均匀性。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术存在的问题和不足,本发明的目的是提供一种能够快速定位、负载均衡、查找效率高的基于双层结构的端到端语音通信节点寻址方法。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为一种基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,包括以下步骤:
步骤1:将接入网络的节点根据综合性能指标由高到低依次分为超级节点、备用超级节点、普通用户节点;其中,综合性能指标包括对网络地址性质、网络带宽能力、计算处理能力和存储能力的评价指标;
步骤2:将分好的超级节点、备用超级节点、普通用户节点加入网络时,在逻辑上分为两层,上层由超级节点通过分布式哈希表机制来连接,下层普通节点选择上层的一个超级节点作为宿主节点,由选择的宿主节点实现普通节点信息的分布式哈希表机制发布及搜索;其中,超级节点上保存一张映射表,所述映射表记录子网域中所有节点的资源标识符和地址端口信息的映射关系;每一子网域内设置一个备用超级节点,超级节点会定时将存储的信息备份至备用超级节点;普通节点在进行目标节点寻址定位时,先到其连接的超级节点存储的映射表进行查询,查询成功即返回目标节点地址信息,否则通过其连接的超级节点的分布式哈希表机制进行节点寻址定位。
其中,步骤所述2中所述节点的资源标识符是<Key,Value>组;Key值等于节点的Node-ID值,节点的Node-ID由用户的呼叫电话号码经过SHA-1的哈希运算来得到;Value值由{IP地址、端口号、S/N、P、超级节点IP地址、超级节点连接端口号}组成;其中IP地址和端口号表示超级节点的IP地址和端口号;S/N区分当前节点是超级节点还是普通节点;P区分当前节点的IP地址是否是公网IP地址;SN IP地址、SN端口号均置为其连接的超级节点的IP地址和端口号。
其次,所述超级节点加入的方法为:
301:由分配的通话电话号码经过SHA-1的哈希运算生成节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP的超级节点处获得已登录的超级节点列表;
302:对获取到的超级节点列表中各节点进行ping操作,以获取距离最近的在线超级节点;
303:将该在线超级节点加入自身K桶中;
304:针对自身Node-ID发起FIND_NODE操作,得到离自身距离近的k个节点的信息,并将它们加入自身的K桶中;
305:建立起自身的K桶后,发布带有自身地址信息的节点资源标识符<Key,Value>;
306:利用FIND_NODE操作对自身K桶中的各节点做一次查询,将自身节点资源标识符<Key,Value>存储到上层分布式哈希表机制网络中的Key值与本节点Key值最近的k个超级节点上;
同时,步骤2中所述普通节点加入方法为:
401:由分配的通话电话号码哈希运算生成自己的节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP超级节点处获得已登录的超级节点列表;
402:利用RTT往返时延技术检测出到各在线超级节点的时延大小,然后按时延从小到大进行排序;
403:先与时延最小的超级节点进行联系,如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数没有达到最大限制个数,则加入该超级节点所在子网域中;如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数已达最大限制个数,则重新选取时延次小的超级节点进行加入操作,直至加入到某一超级节点的子网域为止;
404:借助连接的超级节点完成自身节点资源标识符的发布,连接的超级节点接收到发布请求后,会先在其自身保存的映射表中记录下发送节点的资源标识符<Key,Value>;如果发送节点是公网用户节点,则记录的地址端口为公网地址和端口号;对于内网用户节点同时记录其内网和外网地址和端口号;
405:连接的超级节点完成相应映射表信息的记录后,开始向分布式哈希表网络发布此普通节点资源标识符<Key,Value>;
406:连接的超级节点利用FIND_NODE操作将普通节点的资源标识符<Key,Value>存储到上层分布式哈希表机制网络中的Key值与本普通节点Key值最近的k个超级节点上;对于内网用户节点,超级节点返回消息给它,让其定时发送心跳数据包给超级节点;如果心跳连接过程中断,则内网节点会重新选择RTT次小的超级节点进行连接,并加入到这个新的超级节点的子网域中。
工作原理:采用本发明所提供的方法,当节点A需要呼叫另一节点B时,需要先进行节点B的寻址定位;节点寻址定位步骤为:节点A利用节点B的资源标识符,先给其所在子网域内超级节点发送寻址定位请求信息;若该超级节点保存的映射表中有节点B的信息,则该超级节点直接将节点B地址信息发送给节点A;若该超级节点中没有保存节点B的地址信息,则利用节点A所在子网域的超级节点通过分布式哈希表机制进行节点寻址定位。
有益效果:本发明与现有技术相比,将连入的节点按照综合性能指标划分为超级节点、备用超级节点和普通节点,通过高综合性能节点大范围寻址和低综合性能节点小范围寻址的结合,更快地实现了对呼叫目标的寻址定位,各节点利用率达到了最大化;应用双层机制改善端到端语音节点寻址的可达性和快速定位,使得上层结构中的节点具有较高的逻辑分散性,实现较好的负载均衡;下层结点之间具有较小的物理距离,实现较好的访问查找效率。最终,整体端到端语音通信节点的寻址效率得到了提高。
附图说明
图1基于双层结构的端到端语音节点寻址方法双层结构示意图;
图2所述寻址方法的K桶结构示意图;
图3所述寻址方法的超级节点加入步骤图;
图4所述寻址方法的普通节点加入步骤图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐明本发明一种基于双层结构的端到端语音节点寻址方法。
在图1中,本发明将接入网络的节点分为超级节点101、备用超级节点102和普通节点103。节点在逻辑上分为两层结构,上层网络105由超级节点101通过分布式哈希表机制连接起来,而下层包括备用超级节点102和普通节点104,他们的呼叫寻址过程将由其连接的超级节点的分布式哈希表机制来协助完成。
图1中每个超级节点下面连接的普通节点和备用超级节点形成一个子网域104,这个子网域104仅是逻辑上的子网,但它是由物理上与该超级节点相近的普通节点或备用超级节点组成。
对接入网络的节点的综合性能指标的计算包括对网络地址性质、网络带宽能力、计算处理能力、存储能力等的综合评价,根据能力和环境分为超级节点、备用超级节点、普通用户节点3种;超级节点为综合性能指标高的节点,备用超级节点为综合性能指标次高的节点;普通节点为综合性能指标低的节点。例如,选择网络地址性质α、网络带宽B、计算能力P和存储能力M作为衡量节点能力的指标。通过对节点能力度量条件的分析,提出节点能力度量模型公式:
C=α(β×B+γ×P+δ×M)
其中C表示节点的综合性能值,β,γ,δ均为加权系数。α根据节点网络地址的性质取不同值,当节点具有公网地址时α为1,若节点为内网节点则α为0。B为节点的网络带宽能力,一般利用回环时间RTT(Round Trip Time)来间接测量。RTT越大表明其带宽能力越差,RTT越小则带宽能力越好。P和M的数值可以通过读取节点内注册表相关配置文件或利用相应硬件状态读取函数来获得。
对于度量得到的C值,根据具体环境设置相应评判阈值ε。如果计算得到的C值大于这个评判阈值ε,接入节点判定为超级节点,并使S/N=1,如果小于这个评判阈值ε,则判定为普通节点并使S/N=0。
在图1中的超级节点上保存一张映射表,记录了子网域中所有节点的资源标识符和地址端口信息的映射关系,而超级节点会定时将存储的信息备份至备用超级节点。
如图2所示,分布式哈希表机制中K桶结构,节点的Node-ID由用户的呼叫电话号码经过SHA-1的哈希运算来得到,为128位;节点发布的资源标识符是<Key,Value>组,其中Key201值等于Node-ID值,Value202值由{IP地址、端口号、S/N、P、超级节点IP地址、超级节点连接端口号}组成;其中IP地址和端口号表示此节点的IP地址和端口号;S/N占用1bit,区分当前节点是超级节点还是普通节点,如果S/N为1,表示该节点是超级节点,如果S/N为0,表示该节点为普通节点;P也占用1bit,区分当前节点的IP地址是否是公网IP地址;如果当前节点的IP地址是公网IP地址,则P值为1,同时后面的超级节点IP地址、超级节点连接端口号均置为0;如果当前节点的IP地址是内网IP地址,则P值为0,同时后面的超级节点IP地址、超级节点连接端口号均置为其连接的超级节点的IP地址和端口号。
所述的通信节点寻址方法,在节点接入分布式哈希表机制网络之前,需先完成超级节点判决的过程;节点完成超级节点判决之后,按照超级节点和普通节点的规则,将其加入网络并发布信息。备用超级节点的加入过程遵照普通节点的规则进行。如图3所示,本发明中超级节点加入步骤:
301:由分配的通话电话号码哈希运算生成节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP的超级节点处获得已登录的超级节点列表;
302:对获取到的超级节点列表中各节点进行ping操作,以获取距离最近的在线超级节点;
303:将该在线超级节点加入自身K桶中;
304:针对自身Node-ID发起FIND_NODE操作,得到离自身距离较近的k个节点的信息,并将它们加入自身的K桶中;
305:建立起自身的K桶后,发布带有自身地址信息的节点资源标识符<Key,Value>;
306:利用FIND_NODE操作对K桶中的各节点做一次查询,将自身节点资源标识符<Key,Value>存储到上层分布式哈希表机制网络中的Key值与本节点Key值最近的k个超级节点上;
如图4所示,本发明中普通节点加入步骤为:
401:由分配的通话电话号码哈希运算生成自己的节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP超级节点处获得已登录的超级节点列表。
402:利用RTT往返时延技术检测出到各在线超级节点的时延大小,然后按时延从小到大进行排序。
403:先与时延最小的超级节点进行联系,如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数没有达到最大限制个数,则加入该超级节点所在子网域中;如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数已达最大限制个数,则重新选取时延次小的超级节点进行加入操作,直至加入到某一超级节点的子网域为止;
404:借助连接的超级节点完成自身节点资源标识符的发布,连接的超级节点接收到发布请求后,会先在其自身保存的映射表中记录下发送节点的资源标识符<Key,Value>;如果发送节点是公网用户节点,则记录的地址端口为公网地址和端口号;对于内网用户节点同时记录其内网和外网地址和端口号;
405:连接的超级节点完成相应映射表信息的记录后,开始向分布式哈希表网络发布此普通节点资源标识符<Key,Value>;
406:连接的超级节点利用FIND_NODE操作将普通节点的资源标识符<Key,Value>存储到上层分布式哈希表机制网络中Key值与本普通节点Key值最近的k个超级节点上;对于内网用户节点,超级节点返回一消息给它,让其定时发送心跳数据包给超级节点;如果心跳连接过程中断,则内网节点会重新选择RTT次小的超级节点进行连接,并加入到这个新的超级节点的子网域中。
采用本发明所提供的方法,当节点A需要呼叫另一节点B时,需要先进行节点B的定位,节点定位流程为:
1)节点A利用节点B关键词,先给A所在子网域内超级节点发送定位请求信息。若该超级节点保存的映射表中有节点B的信息,则该超级节点直接将节点B地址信息发送给节点A,至此完成节点B的定位;若该超级节点中没有保存节点B的地址信息,则需要利用节点A所在子网域的超级节点通过分布式哈希表结构进行目标节点寻址定位。
2)节点A所在子网域的超级节点根据接收到定位请求节点B的关键词Key,将通过上层分布式哈希表机制的FIND_VALUE操作查找到节点B的资源索引标识符,利用其中Value的地址信息来获得目标节点B的网络语音通信地址。
Claims (4)
1.一种基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:将接入网络的节点根据综合性能指标由高到低依次分为超级节点、备用超级节点、普通用户节点;其中,综合性能指标包括对网络地址性质、网络带宽能力、计算处理能力和存储能力的评价指标;
步骤2:将分好的超级节点、备用超级节点、普通用户节点加入网络时,在逻辑上分为两层,上层由超级节点通过分布式哈希表机制来连接,下层普通节点选择上层的一个超级节点作为宿主节点,由选择的宿主节点实现普通节点信息的分布式哈希表机制发布及搜索;其中,超级节点上保存一张映射表,所述映射表记录子网域中所有节点的资源标识符和地址端口信息的映射关系;每一子网域内设置一个备用超级节点,超级节点会定时将存储的信息备份至备用超级节点;普通节点在进行目标节点寻址定位时,先到其连接的超级节点存储的映射表进行查询,查询成功即返回目标节点地址信息,否则通过其连接的超级节点的分布式哈希表机制进行节点寻址定位。
2.根据权利要求1所述的基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,其特征在于:步骤所述2中所述节点的资源标识符是<Key,Value>组;Key值等于节点的Node-ID值,节点的Node-ID由用户的呼叫电话号码经过SHA-1的哈希运算来得到;Value值由{IP地址、端口号、S/N、P、超级节点IP地址、超级节点连接端口号}组成;其中IP地址和端口号表示超级节点的IP地址和端口号;S/N区分当前节点是超级节点还是普通节点;P区分当前节点的IP地址是否是公网IP地址;超级节点IP地址、超级节点连接端口号均置为其连接的超级节点的IP地址和端口号。
3.根据权利要求1所述的基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,其特征在于:步骤2中所述超级节点加入的方法为:
301:由分配的通话电话号码经过SHA-1的哈希运算生成节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP的超级节点处获得已登录的超级节点列表;
302:对获取到的超级节点列表中各节点进行ping操作,以获取距离最近的在线超级节点;
303:将该在线超级节点加入自身K桶中;
304:针对自身Node-ID发起FIND_NODE操作,得到离自身距离最近的k个节点的信息,并将它们加入自身的K桶中;
305:建立起自身的K桶后,发布带有自身地址信息的节点资源标识符<Key,Value>;
306:利用FIND_NODE操作对K桶中的各节点做一次查询,将自身节点资源标识符<Key,Value>存储到上层分布式哈希表机制网络中的Key值与本节点Key值最近的k个超级节点上。
4.根据权利要求1所述的基于双层结构的端到端的语音通信节点寻址方法,其特征在于:步骤2中所述普通节点加入方法为:
401:由分配的通话电话号码哈希运算生成自己的节点标识符Node-ID,并从已有的固定IP超级节点处获得已登录的超级节点列表;
402:利用RTT往返时延技术检测出到各在线超级节点的时延大小,然后按时延从小到大进行排序;
403:先与时延最小的超级节点进行联系,如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数没有达到最大限制个数,则加入该超级节点所在子网域中;如果该超级节点所管子网域中的普通节点个数已达最大限制个数,则重新选取时延次小的超级节点进行加入操作,直至加入到某一超级节点的子网域为止;
404:借助连接的超级节点完成自身节点资源标识符的发布,连接的超级节点接收到发布请求后,会先在其自身保存的映射表中记录下发送节点的资源标识符<Key,Value>;如果发送节点是公网用户节点,则记录的地址端口为公网地址和端口号;对于内网用户节点同时记录其内网和外网地址和端口号;
405:连接的超级节点完成相应映射表信息的记录后,开始向分布式哈希表网络发布此普通节点资源标识符<Key,Value>;
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