DE102007018299B3

DE102007018299B3 - Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten in einem dezentralen Datennetz

Info

Publication number: DE102007018299B3
Application number: DE102007018299A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Olpp; Steffen Rusitschka; Alan Southall
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-19
Also published as: US20080259939A1; US7840598B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten in einem dezentralen Datennetz. In dem Verfahren erfolgt eine Abbildung von Schlüsselwörtern, welche Ressourcen zugewiesen sind, auf digitale Bitfolgen. Diese Bitfolgen werden modifiziert, wobei vorzugsweise ab einer vorbestimmten Bitstelle die nachfolgenden Bits durch zufällige Bits ersetzt werden. Mit diesen modifizierten Bitfolgen wird dann eine Abbildung auf Indizes durchgeführt, wobei jeder Netzknoten für einen bestimmten Wertebereich von Indizes zuständig ist. Die Ressource wird dann dem Index zugewiesen, der sich durch die Abbildung ergibt. Die Abbildung ist hierbei derart gewählt, dass eine Wildcard-Suche nach Schlüsselwörtern gewährleistet ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Ressourcen gleichmäßig in dem dezentralen Netz verteilt sind und zugleich eine schnelle Wildcard-Suche nach trunkierten Schlüsselwörtern ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten in einem dezentralen Datennetz sowie ein entsprechendes Datennetz, einen Netzrechner und ein Computerprogrammprodukt.
Dezentrale Datennetze werden heutzutage in einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten eingesetzt. Solche Datennetze umfassen eine Mehrzahl von Netzknoten, welche untereinander kommunizieren können. Diese Netzknoten können beispielsweise drahtlos oder drahtgebunden miteinander vernetzte Rechner in einem Computernetz sein, es kann sich jedoch auch um beliebige andere Arten von Einheiten, wie z. B. Messeinheiten bzw. Sensoren in technischen Anlagen oder Einrichtungen, wie z. B. medizinischen Geräten, Kraftwerksanlagen, Automobilen und dergleichen handeln. Hier und im Folgenden ist somit der Begriff Netzknoten allgemein zu verstehen und kann eine beliebige kommunizierende Einheit auf einem der oben genannten technischen Gebiete und ggf. weiterer technischen Gebiete betreffen.
Dezentrale Datennetze zeichnen sich dadurch aus, dass es keinen zentralen, übergeordneten Netzknoten zur Organisation des Netzwerks gibt, sondern alle Netzknoten in dem Datennetz gleichberechtigt sind. Hierdurch können Netze realisiert werden, welche eine hohe Ausfallsicherheit, einfache Skalierbarkeit auf große Knotenanzahlen und eine Realisierbarkeit mit geringer Rechenkapazität gewährleisten.
In dezentralen Datennetzen werden von den einzelnen Netzknoten Ressourcen verwaltet, wobei die Ressourcen auf die einzelnen Netzknoten dadurch verteilt werden, dass jeder Ressource ein Index zugeordnet wird, wobei die Indizes wiederum in Wertebereiche aufgeteilt sind und jeder Netzknoten für ei nen bestimmten Wertebereich der Gesamtmenge an Indizes zuständig ist. Um eine Suche nach Ressourcen in dem Datennetz durchzuführen, werden die Ressourcen häufig durch ein oder mehrere Schlüsselwörter charakterisiert, wobei der Begriff Schlüsselwort allgemein zu verstehen ist und insbesondere auch nur einen Kennzeichner zur Spezifikation der Identität der Ressource umfassen kann. Das Schlüsselwort muss somit nicht zwangsläufig ein Wort sein, aus dem sich ein Bedeutungsinhalt erschließt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf die Netzknoten eines dezentralen Datennetzes unter Verwendung von Schlüsselwörtern bekannt. Im Bereich von Computernetzen in der Form sog. Peer-to-Peer-Netze werden insbesondere Verfahren zur Verteilung der Ressourcen verwendet, welche eine gleichmäßige Aufteilung der Ressourcen auf die Netzknoten gewährleisten, wodurch eine Überlastung einzelner Netzknoten vermieden wird. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung von Hash-Funktionen erreicht, welche eine lokalitätszerstörende Eigenschaft dahingehend haben, dass sie lexikographisch eng benachbarten Schlüsselwörtern auch sehr weit voneinander entfernte Indizes zuordnen können. Durch solche Verfahren wird zwar eine gleichmäßige Lastverteilung erreicht, jedoch ermöglichen diese Verfahren keine effiziente Wildcard-Suche nach trunkierten Schlüsselwörtern, denn aufgrund der lokalitätszerstörenden Eigenschaft wird durch die Trunkierung die Anzahl der zu durchsuchenden Peers nicht beschränkt.
Neben den Verfahren, bei denen zur Verteilung der Ressourcen lokalitätszerstörende Hash-Funktionen eingesetzt werden, existieren im Stand der Technik ferner Verfahren, bei denen lokalitätserhaltende Funktionen zur Zuordnung von Indizes zu Schlüsselwörtern und zur entsprechenden Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten eingesetzt werden. Auf diese Weise können zwar schnelle und effiziente Wildcard-Suchen durchgeführt werden, jedoch tritt häufig eine Überlastung von Netzknoten dadurch auf, dass häufig verwendete, ähnliche Schlüs selwörter immer den gleichen Peers aufgrund der teilweisen Erhaltung der lexikographischen Ordnung der Schlüsselwörter zugewiesen werden.
Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz zur gleichmäßigen Lastverteilung besteht darin, dass den einzelnen Netzknoten selbst die Möglichkeit gegeben wird, die vorhandenen Ressourcen so zu verteilen, dass in jedem Wertebereich von Indizes etwa gleich viele Ressourcen liegen. Dies führt jedoch in der Praxis zu Sicherheitsproblemen, weil diese Strategien voraussetzen, dass die Netzknoten ihre Indizes selbst wählen können, und somit könnte sich ein böswilliger Netzknoten gezielt an die Stelle in dem Indexraum platzieren, an dem ein bestimmter Datensatz gespeichert wird, um diesen Datensatz zu manipulieren oder zu löschen.
Aus dem Dokument DE 10 2006 011 291 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines dezentralen Datennetzes bekannt, wobei Abfragewerte für Daten in dem Datennetz mit Hilfe einer verteilten Wertetabelle auf die Netzknoten des Datennetzes verteilt werden. Mit Hilfe der Abfragewerte können die Daten in dem Netz gesucht werden. In dem Verfahren wird dabei die Häufigkeit überwacht, mit der Anfragen nach Abfragewerten an die jeweiligen Netzknoten gerichtet werden. Überschreitet die Häufigkeit der Anfragen für Abfragewerte an einen Netzknoten einen vorbestimmten Schwellenwert, werden die Abfragewerte wenigstens einem anderen Netzknoten zugewiesen.
In der Druckschrift DE 10 2004 050 348 B3 ist ein Verfahren zur Initialisierung eines Datennetzes beschrieben, wobei Rechner des Datennetzes, in denen für ein vorgegebenes Schlüsselwort gleiche oder ähnliche Schlüsselwörter hinterlegt sind, zu Übertragungsschichten zusammengefasst werden. Jede Übertragungsschicht ist somit durch ein Schlüsselwort charakterisiert. Auf diese Weise können effektiv Suchanfragen nach Schlüsselwörtern in das Netz gesendet werden, wobei bei der Weiterleitung der Suchanfrage nur Rechner berücksichtigt werden, die in einer Übertragungsschicht liegen, welche durch wenigstens ein Schlüsselwort der Suchanfrage charakterisiert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten in einem dezentralen Datennetz zu schaffen, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet und eine Wildcard-Suche nach Schlüsselwörtern bei möglichst gleichmäßiger Verteilung der Ressourcen im Datennetz ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Datennetz eingesetzt, welches eine Mehrzahl von Netzknoten umfasst, wobei jeder Netzknoten für einen Wertebereich von Indizes zuständig ist und jeder Ressource ein oder mehrere Schlüsselwörter zugeordnet sind. In dem Verfahren werden das oder die Schlüsselwörter einer jeweiligen Ressource jeweils in eine digitale Bitfolge codiert (Schritt a)). In einem Schritt b) werden eine oder mehrere Modifikationen der digitalen Bitfolge(n) einer jeweiligen Ressource dadurch erzeugt, dass aus der oder den digitalen Bitfolgen jeweils eine modifizierte Bitfolge erzeugt wird, wobei in einer modifizierten Bitfolge die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge unabhängig von dem gemäß der digitalen Bitfolge codierten Schlüsselwort durch neue Bits ersetzt werden. Eine Ersetzung der Bits unabhängig von dem Schlüsselwort bedeutet dabei, dass nicht die Struktur des Schlüsselworts, beispielsweise eine alphabetische Reihenfolge von Zeichen des Schlüsselworts, beim Ersetzen der Bits berücksichtigt wird.
In einem Schritt c) wird die modifizierte Bitfolge bzw. die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen einer jeweiligen Modifikation derart auf die Indizes und somit auf die Wertebereiche der Netzknoten abgebildet, dass bei einer Anfrage eines Netzknotens nach einer Ressource mittels eines oder mehrerer trunkierter Schlüsselwörter nur in einem Teil des dezentralen Datennetzes (d. h. nur für einen Teil der Netzknoten in dem Netz) nach Indizes gesucht werden muss, welche dem oder den trunkierten Schlüsselwörtern entsprechen. In einem Schritt d) wird schließlich die jeweilige Ressource, d. h. die Ressource, der die Schlüsselwörter zugeordnet sind, aus denen in Schritt a) die digitalen Bitfolgen codiert wurden, demjenigen Index zugewiesen, auf den die modifizierte Bitfolge oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen der Modifikation oder einer der Modifikationen abgebildet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die Möglichkeit einer bekannten Wildcard-Suche mit einer gleichmäßigen Lastverteilung, wobei die gleichmäßige Lastverteilung dadurch erreicht wird, dass die Abbildung auf die Indizes zur Gewährleistung einer Wildcard-Suche nicht mit der ursprünglich codierten digitalen Bitfolge, sondern mit einer abgewandelten Bitfolge durchgeführt wird, bei der die Bits an vorbestimmten Bitstellen der codierten Bitfolge durch neue Bits ersetzt werden. Aufgrund der Unabhängigkeit der Bitersetzung von den Schlüsselwörtern wird hierdurch die Lokalitätserhaltung, welche durch die eine Wildcard-Suche ermöglichende Abbildung gewährleistet ist, vermindert, wodurch die Lastverteilung gleichmäßiger wird.
Wird in einem Datennetz, in dem die Ressourcen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verteilt sind, nunmehr nach einer Ressource gesucht, deren Schlüsselwörter vollständig bekannt sind, wird eine entsprechende Anfrage analog durch eine Wildcard-Suchanfrage ersetzt, wobei diese Wildcard-Suchanfrage für jedes Schlüsselwort genau diejenigen Bits enthält, welche nicht durch neue Bits ersetzt wurden. Das Ergebnis dieser Wildcard-Suchanfrage beinhaltet dann die gesuchte Ressource und muss nur noch lokal in vorbestimmten Netzknoten nach der Ressource durchsucht werden. Entsprechend muss eine Wildcard-Suchanfrage durch eine Wildcard-Suchanfrage ersetzt werden, bei der für jedes Schlüsselwort höchstens die ersten nicht ersetzten Bits enthalten sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Bits der jeweiligen digitalen Bitfolge ab einer vorbestimmten Bitstelle durch neue Bits ersetzt. Es wird somit der Endbereich einer Bitfolge modifiziert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt b) die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge durch zufällig ausgewählte Bits ersetzt. Hierdurch wird auf sehr einfache Weise eine Unabhängigkeit der Bitersetzung von dem jeweiligen Schlüsselwort erreicht.
Bei der Abbildung der modifizierten Bitfolge bzw. Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen auf die Indizes der Wertebereiche der Netzknoten können beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Abbildungen verwendet werden, welche zumindest teilweise eine Lokalitätserhaltung und somit eine Wildcard-Suche ermöglichen. In einer bevorzugten Variante erfolgt die Abbildung durch eine flächenfüllende Kurve, beispielsweise eine Hilbert-Kurve. Solche flächenfüllenden Kurven sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und insbesondere in den Druckschriften [1] und [2] beschrieben. In einer bevorzugten Variante wird hierbei jeder Ressource eine vorgegebene Anzahl an Schlüsselwörtern zugeordnet, und das oder die Schlüsselwörter einer jeweiligen Ressource werden in digitale Bitfolgen mit fester Bitlänge codiert, wobei die flächenfüllende Kurve eine Dimension aufweist, welche der vorgegebenen Anzahl an Schlüsselwörtern entspricht, und wobei die flächenfüllende Kurve eine Ordnung aufweist, welche der festen Bitlänge entspricht. In einer bevorzugten Variante bildet die flächenfüllende Kurve die modifizierten Bitfolgen auf Indizes in einem Bereich [0, ..., 2^nb – 1] ab, wobei n die vorgegebene Anzahl an Schlüsselwörtern und b die feste Bitlänge ist.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Schlüsselwörter jeweils ein oder mehrere Zeichen aus einem vorbestimmten Alphabet auf, wobei jedes Zeichen eines jeweiligen Schlüsselworts vorzugsweise als digitale Bitfolge mit einer vorgegebenen Bitzahl codiert wird und die codierten Zeichen des jeweiligen Schlüsselworts aneinandergereiht werden, wodurch eine digitale Bitfolge gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird. Sollte zur Abbildung auf die Indizes eine flächenfüllende Kurve verwendet werden, erhält diese Kurve zum Teil die durch die lexikographische Ordnung des vorbestimmten Alphabets gegebenen Abstände zwischen den Schlüsselwörtern.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt b) mehrere Modifikationen erzeugt und in Schritt c) auf Indizes abgebildet, wobei in Schritt d) demjenigen Index die Ressource gemäß einer der Modifikationen zugewiesen wird, der in dem Wertebereich desjenigen Netzknotens liegt, der gemäß einem Optimalitätskriterium der am besten geeignete Netzknoten ist, wobei das Optimalitätskriterium derart gewählt ist, dass eine gleichmäßige Lastverteilung im dezentralen Datennetz erreicht wird. Vorzugsweise wird hierbei in Schritt d) demjenigen Index die Ressource zugewiesen, der in dem Wertebereich desjenigen Netzknotens liegt, der die momentan geringste Last aller oder zumindest eines Teils der sich durch die mehreren Modifikationen ergebenden Netzknoten aufweist. Der Index, dem in Schritt d) die Ressource zugewie sen wird, wird somit hierbei mittels eines Greedy-Algorithmus ermittelt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Ressourcen Daten, insbesondere Datensätze. Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner vorzugsweise in einem Peer-to-Peer-Netz, insbesondere in einem Chord-Ring, eingesetzt. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Wertebereiche von Indizes, die den Netzknoten zugeordnet sind, über eine Hash-Funktion, beispielsweise SHA-1, bestimmt.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein dezentrales Datennetz umfassend eine Mehrzahl von Netzknoten, wobei jeder Netzknoten für einen Wertebereich von Indizes zuständig ist und Ressourcen in dem Datennetz ein oder mehrere Schlüsselwörter zugeordnet sind, wobei das Datennetz derart ausgestaltet ist, dass die Ressourcen in dem Datennetz mit einem Verfahren verteilt werden, bei dem:

a) das oder die Schlüsselwörter einer jeweiligen Ressource jeweils in eine digitale Bitfolge codiert werden;
b) eine oder mehrere Modifikationen der digitalen Bitfolge(n) einer jeweiligen Ressource dadurch erzeugt werden, dass aus der oder den digitalen Bitfolgen jeweils eine modifizierte Bitfolge erzeugt wird, wobei in einer modifizierten Bitfolge die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge unabhängig von dem gemäß der digitalen Bitfolge codierten Schlüsselwort durch neue Bits ersetzt werden;
c) die modifizierte Bitfolge oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen einer jeweiligen digitalen Modifikation derart auf die Indizes der Wertebereiche der Netzknoten abgebildet wird, dass bei einer Anfrage eines Netzknotens nach einer Ressource mittels eines oder mehrerer trunkierter Schlüsselwörter nur in einem Teil des dezentralen Datennetzes nach Indizes, welche dem oder den trunkierten Schlüsselwörtern entsprechen, gesucht werden muss;
d) die jeweilige Ressource dem Index zugewiesen wird, auf den die modifizierte Bitfolge oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen der Modifikation oder einer der Modifikationen abgebildet wird.

Das Datennetz ist dabei derart ausgestaltet, dass jede Variante des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Datennetz durchführbar ist. Das Verfahren kann beispielsweise durch einen vorbestimmten Netzrechner im Datennetz durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft insbesondere auch einen Netzrechner zur Verwendung in dem Datennetz, wobei der Netzrechner dieser vorbestimmte Netzrechner ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Peer-to-Peer-Netzes in der Form eines Chord-Rings, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann;
2 ein Diagramm, welches die Verteilung von Ressourcen in einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik wiedergibt; und
3 ein Diagramm, welches die Verteilung von Ressourcen in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Peer-to-Peer-Netz in der Form eines Chord-Rings R, wobei der Ring 18 Netz knoten in der Form von Peers P1, P2, ..., P18 umfasst. Der Chord-Ring R stellt hierbei ein Overlay-Netz dar, in dem die einzelnen Peers auf einer ringförmigen Struktur nacheinander angeordnet sind. Jedem der Peers P1 bis P18 ist hierbei ein entsprechendes Intervall I1, I2, ..., I18 an Indizes zugeordnet, wobei diese Indexintervalle die Wertbereiche von Indizes im Sinne der Ansprüche darstellen. Die Zuweisung der Indexintervalle zu den einzelnen Peers erfolgt vorzugsweise durch die Anwendung einer Hash-Funktion, beispielsweise mit der hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannten SHA-1-Funktion, auf bestimmte Identitätswerte der Peers, etwa ihre IP-Adressen. Hierbei wird das Gesamtintervall der möglichen Indizes durch den Umfang des Rings R repräsentiert und jedem Peer wird mit der Hash-Funktion ein Index auf dem Ring zugeordnet. Ein jeweiliger Peer ist dann für das Intervall der Indizes zuständig, welches sich vom Indexwert des Peers mit der nächst niedrigen Nummer bis zu seinem eigenen Indexwert erstreckt. Die Hash-Funktion ist dabei lokalitätszerstörend, d. h. es besteht kein Zusammenhang zwischen der Struktur des Identitätswerts des Peers und dem dadurch erzeugten Index auf dem Ring R. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung der Peers auf dem Ring gewährleistet.
In dem Netz der 1 sind eine Vielzahl von Ressourcen unter den Peers verteilt, wobei die Ressourcen beispielsweise Datenelemente bzw. Datensätze sind. Die Ressourcen können dabei beliebige Arten von Datenelementen sein, beispielsweise Multimedia-Dateien oder Einträge in Telefonbüchern. Um es den Peers zu ermöglichen, nach Ressourcen in dem Peer-to-Peer-Netz zu suchen, sind jeder Ressource ein oder mehrere Schlüsselwörter zugeordnet, nach denen durch Abfragen in der Form sog. Lookups gesucht werden kann.
Um eine Ressource in dem Netz der 1 zu veröffentlichen, muss einem Index auf dem Ring R die Ressource zugeordnet werden. Der Peer, der für den Wertebereich zuständig ist, in dem der Index liegt, dem die Ressource zugeordnet ist, ist dann für diese Ressource zuständig. Insbesondere wird die Ressour ce auf diesem Peer gespeichert. Die Zuordnung der Ressource zu einem Index erfolgt in dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren über eine Codierung des entsprechenden Schlüsselworts bzw. der Schlüsselwörter der Ressource in digitale Bitfolgen. Die Bitfolgen werden anschließend modifiziert, indem ab einer vorgegebenen Bitstelle die Bits der jeweiligen Bitfolge durch zufällig gewählte Bits ersetzt werden. Anschließend erfolgt mit einer lokalitätserhaltenden, flächenfüllenden Kurve eine Abbildung der modifizierten Bitfolgen auf einen Index. In 1 ist beispielhaft auf dem Ring R ein Index zwischen Peer P1 und P2 markiert, wobei diesem Index eine Ressource mit einem einzelnen Schlüsselwort S sowie die entsprechende digitale Bitfolge B und modifizierte Bitfolge B' zugeordnet sind.
Die Schlüsselwörter S sind durch eine Vielzahl von Zeichen gemäß einem vorbestimmten Alphabet, insbesondere dem lateinischen Alphabet, gegeben. Die lokalitätserhaltende Kurve erhält hierbei zum Teil die durch die lexikographische Ordnung des vorbestimmten Alphabets gegebenen Abstände zwischen den Schlüsselwörtern. Dies führt in herkömmlichen Verfahren, in denen keine zufällige Ersetzung von Bits der codierten Bitfolgen B erfolgt, dazu, dass häufig gesuchte, ähnliche Schlüsselwörter, beispielsweise bei der Suche nach häufig verwendeten, ähnlichen Nachnamen in einem Telefonbuch, im Wesentlichen immer dem oder den gleichen Peers zugewiesen werden, was zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung führt. Die Verfahren nach dem Stand der Technik haben jedoch den Vorteil, dass durch die Lokalitätserhaltung eine schnelle Wildcard-Suche nach trunkierten Schlüsselwörtern mit wenig Netzverkehr ermöglicht wird, da durch die Lokalitätserhaltung eine trunkierte Suche auf eine bestimmte Anzahl an Peers bereits vorab eingeschränkt wird.
Um gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum einen eine gleichmäßige Lastverteilung und zum anderen auch eine Wildcard-Suche zu ermöglichen, wird ein gewisser Anteil einer codierten Bitfolge des Schlüsselworts durch zufällige Bits er setzt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Schlüsselwörter erreicht, wobei jedoch weiterhin die Möglichkeit einer Wildcard-Suche in Teilbereichen des Netzes gewährleistet wird. Je größer hierbei die Anzahl an zufällig gewählten Bits ist, desto gleichmäßiger ist die Lastverteilung, jedoch geht dies auf Kosten der Schnelligkeit der Wildcard-Suche. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein Ausgleich zwischen einer gleichmäßigen Verteilung der Ressourcen und einer schnellen Wildcard-Suche geschaffen.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Verteilung von Ressourcen gemäß dem Stand der Technik mit einer Ausführungsform gemäß der Erfindung verglichen.
Gemäß dem nachfolgend betrachteten Veröffentlichungsprozess nach dem Stand der Technik wird eine Ressource durch ein Schlüsselwort-Tupel mit n Schlüsselwörtern beschrieben, wobei alle Schlüsselwörter aus Strings bestehen, welche aus Unicode-Zeichen gebildet sind. Für die Zuweisung der Schlüsselwörter zu Indizes auf einem Chord-Ring werden lokalitätserhaltende Hilbert-Kurven der Ordnung m = ceil(160/n) verwendet, welche eine Funktion h: [0, 2^m–1]ⁿ → [0, 2^mn – 1] definieren. Diese Funktion ist das Inverse der Funktion, welche durch die Hilbert-Kurve gegeben ist. Die Zahl 160 resultiert daher, dass in der hier beschriebenen Ausführungsform die Standard SHA-1 Hash-Funktion verwendet wird, welche 160-Bit-Indizes zur Ermittlung der Position eines Peers auf dem Ring verwendet. Die Funktion ceil(x) entspricht hierbei der kleinsten ganzen Zahl, die größer oder gleich x ist.
In dem Verfahren nach dem Stand der Technik wird jedes Zeichen eines Schlüsselworts in fünf Bits codiert, indem die letzten fünf Bits des Unicode-Werts des Zeichens verwendet werden. Diese Bitsequenzen für alle Zeichen des Schlüsselworts werden dann aneinander gehängt und auf m Bits trunkiert bzw. mit Nullen aufgefüllt, um exakt m Bits zu erhalten. Durch die Codierung von jedem Schlüsselwort eines Schlüsselwort-Tupels auf die oben beschriebene Art und Weise und durch die Anwendung der lokalitätserhaltenden Funktion h auf das Tupel der resultierenden Bitsequenzen mit jeweils m Bits, wird ein Schlüsselwort-Tupel auf eine Zahl mit mit Bits abgebildet. Durch die Trunkierung dieser Zahl auf 160 Bits, sofern mit > 160, wird eine Abbildung der Bitsequenz-Tupel direkt auf einen Index des Rings erreicht. Die Ressource wird schließlich demjenigen Peer zugewiesen, der für den Wertebereich zuständig ist, in welchem der entsprechende Index liegt.
Das oben beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik wurde von den Erfindern für Daten aus einem Telefonbuch getestet. Es wurden hierbei 32.000 Telefonbucheinträge als Testdatensatz verwendet, wobei diese 32.000 Einträge auf ein Peer-to-Peer-Netz mit ebenfalls 32.000 Peers verteilt wurden. Die Peer-Indizes wurden hierbei äquidistant verteilt, so dass die Peers für gleichgroße Wertebereiche der Indizes zuständig sind. Als Schlüsselwort-Tupel wurden hierbei der Nachname und der Vorname einer im Telefonbuch eingetragenen Person betrachtet. 2 zeigt die Verteilung der Telefonbucheinträge auf die 32.000 Peers gemäß dem oben dargelegten Verfahren nach dem Stand der Technik. In dem Diagramm der 2 sind hierbei entlang der Abszisse die Nummern P der Peers aufgetragen, und die Ordinate gibt die Anzahl E der Telefonbucheinträge für jeden Peer wieder. Man erkennt, dass Peers vorhanden sind, welche für eine große Anzahl an Einträgen zuständig sind, insbesondere existiert bei einem Peer mit einer Nummer zwischen 27.000 und 28.000 das Maximum von 306 Einträgen. Dies liegt daran, dass in der Verteilung der Schlüsselwörter auf die Indizes die flächenfüllende Hilbert-Kurve zum Teil durch die lexikographische Ordnung des vorbestimmten Alphabets gegebenen Abstände zwischen den Schlüsselwörtern erhält, was dazu führt, dass sehr häufig verwendete Namen, wie z. B. „Müller" oder „Schmitt", immer den gleichen Peers zugewiesen werden.
Gemäß der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nunmehr die ursprünglich erzeugten Bitsequenzen aus m Bits derart modifiziert, dass ab einer bestimmten Bitstelle die Bits durch zufällig gewählte Bits ersetzt werden, wobei die modifizierte Bitfolge anschließend durch die Hilbert-Kurve auf den Index analog zum obigen Verfahren abgebildet wird. Der Abschnitt, der durch solche zufälligen Bits ersetzt wird, kann dabei einer Anzahl von vollständigen Zeichen entsprechen, es kann jedoch auch eine beliebige Bitstelle ohne Berücksichtigung der Zeichenlänge gewählt werden. Auf diese Weise wird der lokalitätserhaltende Effekt der Hilbert-Kurve abgeschwächt und die Ressourcen, d. h. die Telefonbucheinträge, verteilen sich über einen größeren Bereich auf den Chord-Ring, so dass eine bessere Lastverteilung erreicht wird.
3 zeigt in analoger Darstellung zu 2 die Verteilung der 32.000 Telefonbucheinträge E über das Netz aus 32.000 Peers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es wurden hierbei die letzten fünf Bits der Bitfolge des Nachnamens und des Vornamens durch zufällig gewählte Bits ersetzt. Es ergibt sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Lastverteilung, wobei das Maximum der Einträge, für welche ein Peer zuständig ist, nunmehr lediglich bei 28 liegt.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann derart erweitert werden, dass anstelle der zufälligen Wahl der Bits auch alle möglichen Kombinationen von durch Variation der zu ersetzenden Bits erzeugbaren modifizierten Bitfolgen bei der Veröffentlichung der Ressourcen bestimmt werden, wobei für jede Kombination mit der flächenfüllenden Kurve der entsprechende Index auf den Ring und somit der zuständige Peer ermittelt wird. Schließlich wird diejenige Kombination von modifizierten Bitfolgen zur Veröffentlichung der Ressourcen verwendet, welche zu einer Minimierung der Anzahl an Ressourcen führt, die momentan auf den Peers gespeichert sind. Dieser Ansatz kann als ein Online-Optimierungs-Problem angesehen werden, da die Ressourcen nur teilweise bekannt sind, wenn die Optimierung stattfindet, wobei dieses Problem durch einen einfachen Greedy-Algorithmus gelöst werden kann. In einer weiteren Variante besteht die Möglichkeit, dass nicht alle möglichen Kombinationen von erzeugbaren modifizierten Bitfolgen betrachtet werden, sondern lediglich eine vorbestimmte Anzahl an Kombinationen, wobei jede Kombination immer zufällig erzeugt wird. Auf diese Weise wird der Netzverkehr im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Variante vermindert.
Literaturverzeichnis

[1] Cristina Schmidt and Manish Parashar. Enabling flexible queries with guarantees in p2p systems. IEEE. Internet Computing, 8(3): 19–26, 2004
[2] Cristina Schmidt and Manish Parashar. Flexible Information Discovery in Decentralized Distributed Systems. In Proceedings of The Twelfth IEEE International Symposium an High Performance Distributed Computing (HPDC-12), June 2003, 226–235.

Claims

Verfahren zur Verteilung von Ressourcen auf Netzknoten in einem dezentralen Datennetz (R) umfassend eine Mehrzahl von Netzknoten (P1, ..., P18), wobei jeder Netzknoten (P1, ..., P18) für einen Wertebereich (I1, ..., I18) von Indizes zuständig ist und jeder Ressource ein oder mehrere Schlüsselwörter (S) zugeordnet sind, bei dem: a) das oder die Schlüsselwörter (S) einer jeweiligen Ressource jeweils in eine digitale Bitfolge (B) codiert werden; b) eine oder mehrere Modifikationen der digitalen Bitfolge(n) (B) einer jeweiligen Ressource dadurch erzeugt werden, dass aus der oder den digitalen Bitfolgen (B) jeweils eine modifizierte Bitfolge (B') erzeugt wird, wobei in einer modifizierten Bitfolge (B') die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge (B) unabhängig von dem gemäß der digitalen Bitfolge (B) codierten Schlüsselwort (S) durch neue Bits ersetzt werden; c) die modifizierte Bitfolge (B') oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') einer jeweiligen digitalen Modifikation derart auf die Indizes der Wertebereiche (I1, ..., I18) der Netzknoten (P1, ..., P18) abgebildet wird, dass bei einer Anfrage eines Netzknotens (P1, ..., P18) nach einer Ressource mittels eines oder mehrerer trunkierter Schlüsselwörter (S) nur in einem Teil des dezentralen Datennetzes (R) nach Indizes, welche dem oder den trunkierten Schlüsselwörtern entsprechen, gesucht werden muss; d) die jeweilige Ressource dem Index zugewiesen wird, auf den die modifizierte Bitfolge (B') oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') der Modifikation oder einer der Modifikationen abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt b) die Bits der jeweiligen digitalen Bitfolge (B) ab einer vorbestimmten Bitstelle durch neue Bits ersetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt b) die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge (B) durch zufällig ausgewählte Bits ersetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt c) die Abbildung der modifizierten Bitfolge (B') oder der Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') auf die Indizes durch eine flächenfüllende Kurve, insbesondere durch eine Hilbert-Kurve, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jeder Ressource eine vorgegebene Anzahl an Schlüsselwörtern (S) zugeordnet ist und das oder die Schüsselwörter (S) einer jeweiligen Ressource in digitale Bitfolgen (B) mit fester Bitlänge codiert werden, wobei die flächenfüllende Kurve eine Dimension aufweist, welche der vorgegebenen Anzahl an Schlüsselwörtern entspricht, und wobei die flächenfüllende Kurve eine Ordnung aufweist, welche der festen Bitlänge entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die flächenfüllende Kurve die modifizierte Bitfolge (B') oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') auf Indizes in dem Bereich [0, ..., 2^nb – 1] abbildet, wobei n die vorgegebene Anzahl an Schlüsselwörtern (S) und b die feste Bitlänge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schlüsselwörter (S) jeweils ein oder mehrere Zeichen aus einem vorbestimmten Alphabet aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem jedes Zeichen eines jeweiligen Schlüsselworts (S) als digitale Bitfolge mit einer vorgegebenen Bitzahl codiert wird und die codierten Zeichen des jeweiligen Schlüsselworts (S) aneinandergereiht werden, wodurch eine digitale Bitfolge gemäß Schritt a) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 in Kombination mit Anspruch 4, bei dem die flächenfüllende Kurve zum Teil die durch die lexikographische Ordnung des vorbestimmten Alphabets gegebenen Abstände zwischen den Schlüsselwörtern erhält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) mehrere Modifikationen erzeugt und in Schritt c) auf Indizes abgebildet werden, wobei in Schritt d) demjenigen Index die Ressource gemäß einer der Modifikationen zugewiesen wird, der in dem Wertebereich (I1, ..., I18) desjenigen Netzknotens (P1, ..., P18) liegt, der gemäß einem Optimalitätskriterium der am besten geeignete Netzknoten ist, wobei das Optimalitätskriterium derart gewählt ist, dass eine gleichmäßige Lastverteilung im dezentralen Datennetz (R) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in Schritt d) demjenigen Index die Ressource zugewiesen wird, der in dem Wertebereich (I1, ..., I18) desjenigen Netzknotens (P1, ..., P18) liegt, der momentan die geringste Last aller oder zumindest eines Teils der durch die mehreren Modifikationen bestimmten Netzknoten (P1, ..., P18) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Index, dem in Schritt d) die Ressource zugewiesen wird, mittels eines Greedy-Algorithmus ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ressourcen Daten, insbesondere Datensätze, umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren in einem Peer-to-Peer-Netz, insbesondere in einem Chord-Ring (R), eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wertebereiche (I1, ..., I18) von Indizes, die den Netzknoten (P1, ..., P18) zugeordnet sind, über eine Hash-Funktion, insbesondere SHA-1, bestimmt werden.
Dezentrales Datennetz umfassend eine Mehrzahl von Netzknoten (P1, ..., P18), wobei jeder Netzknoten (P1, ..., P18) für einen Wertebereich (I1, ..., I18) von Indizes zuständig ist und Ressourcen in dem Datennetz ein oder mehrere Schlüsselwörter (S) zugeordnet sind, wobei das Datennetz derart ausgestaltet ist, dass die Ressourcen in dem Datennetz mit einem Verfahren verteilt werden, bei dem: a) das oder die Schlüsselwörter (S) einer jeweiligen Ressource jeweils in eine digitale Bitfolge (B) codiert werden; b) eine oder mehrere Modifikationen der digitalen Bitfolge(n) (B) einer jeweiligen Ressource dadurch erzeugt werden, dass aus der oder den digitalen Bitfolgen (B) jeweils eine modifizierte Bitfolge (B') erzeugt wird, wobei in einer modifizierten Bitfolge (B') die Bits an vorbestimmten Bitstellen der jeweiligen digitalen Bitfolge (B) unabhängig von dem gemäß der digitalen Bitfolge (B) codierten Schlüsselwort (S) durch neue Bits ersetzt werden; c) die modifizierte Bitfolge (B') oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') einer jeweiligen digitalen Modifikation derart auf die Indizes der Wertebereiche (I1, ..., I18) der Netzknoten (P1, ..., P18) abgebildet wird, dass bei einer Anfrage eines Netzknotens (P1, ..., P18) nach einer Ressource mittels eines oder mehrerer trunkierter Schlüsselwörter (S) nur in einem Teil des dezentralen Datennetzes (R) nach Indizes, welche dem oder den trunkierten Schlüsselwörtern entsprechen, gesucht werden muss; d) die jeweilige Ressource dem Index zugewiesen wird, auf den die modifizierte Bitfolge (B') oder die Gesamtheit der modifizierten Bitfolgen (B') der Modifikation oder einer der Modifikationen abgebildet wird.
Datennetz nach Anspruch 16, wobei das Datennetz derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15 in dem Datennetz durchführbar ist.
Datennetz nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das Verfahren durch einen vorbestimmten Netzrechner im Datennetz durchgeführt wird.
Netzrechner zur Verwendung in dem Datennetz nach Anspruch 18, wobei der Netzrechner der vorbestimmte Netzrechner ist.
Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.