專利名稱：基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)p2p副本一致性維護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)一步是指一種基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法。
背景技術(shù)：
副本的存在是提高P2P系統(tǒng)可擴(kuò)展性、容錯性、可用性和減少查詢響應(yīng)時間的有效手段。P2P系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是用戶之間直接共享資源，為了提高P2P系統(tǒng)的容錯性、可用性并減少查詢響應(yīng)時間，P2P系統(tǒng)中文件都保存多個副本。目前P2P副本的研究重點(diǎn)集中在文件副本的建立放置策略和定位查找方法，以便合理地配置副本資源的位置，通過優(yōu)化資源查找來保證網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。
無結(jié)構(gòu)分散式P2P副本一致性維護(hù)問題是指在無結(jié)構(gòu)分散式P2P網(wǎng)絡(luò)中，一個或者多個副本節(jié)點(diǎn)由于動態(tài)讀寫原因，副本出現(xiàn)改動時，通過節(jié)點(diǎn)間消息傳遞，確保相關(guān)節(jié)點(diǎn)保存的文件副本一致性。然而，以往研究認(rèn)為P2P系統(tǒng)中共享的是靜態(tài)資源，沒有經(jīng)常需要更新的內(nèi)容，對這些資源的訪問通常是只讀形式，如mp3、video等。隨著P2P的新型應(yīng)用如P2P游戲、信任管理、目錄服務(wù)、聯(lián)機(jī)拍賣、遠(yuǎn)程協(xié)作等的出現(xiàn)，共享的文件以只讀的形式轉(zhuǎn)換為可讀寫形式，文件更新頻繁，確保其副本的一致性是保證其正確運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)P2P網(wǎng)絡(luò)多個資源副本的一致性維護(hù)方法，確保P2P新業(yè)務(wù)的開展，是十分迫切的事情。一方面，如果沒有有效的一致性維護(hù)方法，P2P應(yīng)用就只能局限于提供靜態(tài)的非頻繁更新的文件共享；另一方面，新業(yè)務(wù)的開展需要一致性維護(hù)方法來為動態(tài)內(nèi)容更新提供保障。
目前，針對P2P副本一致性維護(hù)的研究并不是很多。在結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)中，如Chord、CAN等，各節(jié)點(diǎn)的連接具有某種規(guī)則的結(jié)構(gòu)，通過特殊設(shè)計(jì)的方法來嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)存放和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌恢滦跃S護(hù)往往可以借助分布式哈希表完成，如“副本分割樹”的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)副本一致性維護(hù)方法。在無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)中，如Gnutella、Freenet等，由于這類系統(tǒng)由大范圍的自愿節(jié)點(diǎn)組成，沒有對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和文件存放的控制，對于數(shù)據(jù)的可用性和持久性通常只提供松散的保證，現(xiàn)有的無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)中存在的副本一致性維護(hù)方法有基于洪泛(Flooding)的副本一致性維護(hù)方法、基于謠言(Gossip)的副本一致性維護(hù)方法和基于副本鏈(Replica Chain)一致性維護(hù)方法。但洪泛法(Flooding)會在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的冗余信息，其跳步Time-to-Live(TTL)選擇具有盲目性；而謠言法(Gossip)在減少冗余信息和所有副本都得到一致性維護(hù)之間需要權(quán)衡；副本鏈(Replica Chain)一致性維護(hù)方法雖然可以有效的減少冗余消息的產(chǎn)生，但是每個節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)一個周圍節(jié)點(diǎn)的副本鏈，在無結(jié)構(gòu)分散P2P網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)只知道其直接相連的鄰居節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造和維護(hù)一個副本鏈帶來了額外通信交互開銷，而且此方法性能參數(shù)k的選擇也如洪泛法中TTL選擇一樣是一個折中的結(jié)果。
已經(jīng)存在的無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)副本一致性維護(hù)方法，要么傳輸消息的冗余量大，要么需要額外構(gòu)造表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒔Y(jié)構(gòu)來輔助更新消息傳輸，參數(shù)確定困難，方法實(shí)現(xiàn)受一定限制，判斷更新消息是否冗余是在消息報(bào)文傳播后，不能在傳輸?shù)脑搭^進(jìn)行控制，不便于P2P系統(tǒng)的擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對目前無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法對已經(jīng)更新過的節(jié)點(diǎn)沒有記憶性，產(chǎn)生大量的消息冗余這一缺陷，提出一種基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法；該方法從更改傳播消息報(bào)文的角度出發(fā)，在報(bào)文頭部增加一個用于記錄已經(jīng)收到更新消息節(jié)點(diǎn)的地址軌跡標(biāo)簽，將已經(jīng)獲得更新的節(jié)點(diǎn)地址信息作為更新消息的一部分進(jìn)行傳輸，當(dāng)需要發(fā)起新一輪消息傳輸時，借助節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，對鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址查詢檢查判斷鄰居節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)收到更新消息，完成對冗余消息的提前檢測，減少消息的冗余傳輸，同時為了減少附加到報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)地址的長度，提出用BloomFilter優(yōu)化節(jié)點(diǎn)地址鏈表軌跡標(biāo)簽表示和節(jié)點(diǎn)地址查找一致性維護(hù)方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述基于軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法為從直接更改傳輸副本更新消息報(bào)文的角度出發(fā)，通過在報(bào)文頭部增加一個已經(jīng)收到更新的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，每輪更新消息傳輸時，消息傳輸源節(jié)點(diǎn)將所有發(fā)送的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)添加到這個節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽中，完成對已經(jīng)傳輸節(jié)點(diǎn)的記錄，收到消息的節(jié)點(diǎn)通過檢查報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，完成對冗余消息的提前檢測，減少消息在節(jié)點(diǎn)間的冗余傳輸。
本發(fā)明所述方法可以大大減少副本冗余傳輸消息數(shù)目，降低了副本一致性維護(hù)代價，增強(qiáng)P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，為P2P網(wǎng)絡(luò)開展動態(tài)文件更新的新業(yè)務(wù)提供保障。
以下對本發(fā)明方法做出進(jìn)一步說明。
圖1(a)Gnutella中采用洪泛法(Flooding)進(jìn)行一致性維護(hù)時消息發(fā)送過程。節(jié)點(diǎn)①是更新的發(fā)起者，第一輪傳輸時，節(jié)點(diǎn)①向其鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息 ①-＞②，①-＞③，①-＞④；第二輪傳輸時，節(jié)點(diǎn) ②，③，④向其鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息 ②-＞③，②-＞④，②-＞⑤，③-＞②，③-＞④，③-＞⑤， ④-＞②，④-＞③，④-＞⑤；第三輪傳輸時，節(jié)點(diǎn)⑤向其鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息⑤-＞③，⑤-＞④，三輪傳輸過后共產(chǎn)生更新消息19條，平均每個節(jié)點(diǎn)收到2個重復(fù)的更新消息。
大量冗余消息的產(chǎn)生，來自盲目的洪泛，該方法中每輪的傳輸都只排除一個節(jié)點(diǎn)(消息來源節(jié)點(diǎn))。如第二輪中 ②，③，④都是節(jié)點(diǎn)①的鄰居節(jié)點(diǎn)，是①的直接近鄰。他們之間的互傳消息 ②-＞③，②-＞④，③-＞②，③-＞④， ④-＞②，④-＞③都是冗余消息。
基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽一致性維護(hù)方法是將已經(jīng)接收更新的節(jié)點(diǎn)地址記錄下來，將其放在更新消息報(bào)文頭中發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，使其他節(jié)點(diǎn)不再發(fā)送更新消息到已經(jīng)記錄過的節(jié)點(diǎn)，從而減少消息冗余。根據(jù)無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)中的假定(每個節(jié)點(diǎn)只知道與其直接相連的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息)，本發(fā)明方法通過在傳輸?shù)南?bào)文中預(yù)留一個節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，將每次發(fā)送的目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)集記錄在此標(biāo)簽中，收到消息后，首先檢查節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，更新消息只發(fā)往不在標(biāo)簽中的鄰居節(jié)點(diǎn)，這樣就可以避免消息在近鄰節(jié)點(diǎn)間的冗余傳輸。其節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽方法的消息傳輸過程如圖1(b)所示，①向其鄰節(jié)點(diǎn) ②，③，④發(fā)送副本更新消息，第一輪①將發(fā)送目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集和自身 作為節(jié)點(diǎn)軌跡添加到更新報(bào)文頭部，第一輪產(chǎn)生更新消息 ①-＞②，①-＞③，①-＞④；第二輪傳輸，節(jié)點(diǎn) ②，③，④收到更新消息后，首先檢查其鄰節(jié)點(diǎn)是否已記錄在節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，只向不在標(biāo)簽中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息②-＞⑤，③-＞⑤，④-＞⑤，同時在標(biāo)簽中記錄新的節(jié)點(diǎn)⑤，這樣，第二輪中減少更新消息10條；節(jié)點(diǎn)⑤收到的更新消息標(biāo)簽中已包含了其所有鄰居節(jié)點(diǎn)，所以不再傳輸，這樣減少2條更新消息。雖然基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的方法思路簡單，卻可以有效減少傳輸冗余，而且可以減少一致性維護(hù)時間(如，最后一輪節(jié)點(diǎn)⑤不再繼續(xù)傳輸更新消息給其他節(jié)點(diǎn))。
基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的P2P一致性維護(hù)方法的消息報(bào)文如圖2所示第一部分是添加的節(jié)點(diǎn)地址軌跡鏈表標(biāo)簽，第二部分是副本更新消息。
節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽一致性維護(hù)方法其思想是在更新消息報(bào)文頭部添加已經(jīng)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)地址信息，節(jié)點(diǎn)在每發(fā)起新一輪傳輸時，首先檢查自己的鄰居目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)在更新消息的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽中，如果已經(jīng)存在，說明此鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)得到更新消息，不向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，否則就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，方法的具體實(shí)施流程如圖3所示，包括三個主要步驟步驟1產(chǎn)生新添加到報(bào)文中的地址軌跡鏈表標(biāo)簽。收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)首先檢查自己是否為第一次收到更新消息，如果是第一次收到更新消息，就發(fā)起一輪新的傳輸。其產(chǎn)生新的軌跡標(biāo)簽過程為1)老標(biāo)簽剝離收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)從傳輸消息報(bào)文頭部得到附加的節(jié)點(diǎn)地址軌跡鏈表標(biāo)簽，2)新標(biāo)簽產(chǎn)生將本輪需傳輸?shù)哪繕?biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)地址通過插入運(yùn)算添加到老的地址軌跡標(biāo)簽中，得到的新的地址鏈表標(biāo)簽。
步驟2判斷目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)是否需要發(fā)送更新消息。通過檢查接收到的副本更新消息報(bào)文的地址軌跡標(biāo)簽鏈表是否包含鄰居節(jié)點(diǎn)來判斷是否向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息，如果包含，說明此鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)獲得更新消息，不再向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，否則就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送。其具體的操作是在地址軌跡鏈表標(biāo)簽中進(jìn)行查找運(yùn)算，逐個比較查詢本輪傳輸?shù)泥従庸?jié)點(diǎn)地址是否在軌跡鏈表中，如果查找結(jié)果為真，不向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，否則就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送。
步驟3發(fā)送副本更新消息。將消息報(bào)文中的地址軌跡鏈表標(biāo)簽用步驟1產(chǎn)生的新標(biāo)簽替代，發(fā)送到步驟2得到的需要發(fā)送副本更新消息的鄰居節(jié)點(diǎn)。
上述方法具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽保存了更新消息傳輸軌跡，可以杜絕消息傳輸循環(huán)；其次，保證了近鄰之間的消息不傳遞；最后，消息發(fā)送源節(jié)點(diǎn)可以主動判斷來避免產(chǎn)生消息冗余，減少傳輸帶寬。
本發(fā)明進(jìn)一步提出的Bloom Filter優(yōu)化地址標(biāo)簽無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，是對直接存儲節(jié)點(diǎn)地址鏈表的軌跡標(biāo)簽法的優(yōu)化，通過Bloom Filter結(jié)構(gòu)縮小軌跡標(biāo)簽的存儲空間，簡化節(jié)點(diǎn)是否在軌跡中的查詢判斷。亦即，它是利用Bloom Filter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示地址軌跡標(biāo)簽和節(jié)點(diǎn)地址掩碼，縮小節(jié)點(diǎn)軌跡表示空間復(fù)雜度，簡化鄰居節(jié)點(diǎn)是否在軌跡中的查詢判斷，同時降低查詢算法的時間復(fù)雜度。
雖然節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的副本更新方法可以減少消息傳播數(shù)量，但是由于其在報(bào)文的頭部增加了節(jié)點(diǎn)地址信息，消息報(bào)文變長，添加的地址鏈表長度是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)和消息傳播輪數(shù)的遞增量。為了減少地址鏈表的長度，改進(jìn)直接存儲節(jié)點(diǎn)地址鏈表的軌跡標(biāo)簽方法，設(shè)計(jì)了用Bloom Filter優(yōu)化地址鏈表軌跡標(biāo)簽無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法。Bloom Filter是一種簡潔的用來表示集合、支持集合元素查詢的結(jié)構(gòu)，它對集合中元素的表示只需要少數(shù)幾個比特。
優(yōu)化后方法其傳輸消息報(bào)文如圖4所示一部分是用固定長度的BloomFilter結(jié)構(gòu)(0、1串)表示的地址鏈表，另一部分是副本更新消息。
消息報(bào)文用固定長度的Bloom Filter結(jié)構(gòu)(0，1位串)代替原來的IP地址鏈軌跡標(biāo)簽(即附加到更新消息的地址軌跡標(biāo)簽用固定長度的Bloom Filter結(jié)構(gòu)以0，1位串表示)，同時每個節(jié)點(diǎn)保存一個用同樣長度Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)地址掩碼。
Bloom Filter優(yōu)化地址鏈表軌跡標(biāo)簽無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法其具體方法實(shí)施流程如圖5所示，包括三個主要步驟步驟1產(chǎn)生新的用Bloom Filter表示用于添加到報(bào)文中的地址軌跡標(biāo)簽。收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)首先檢查自己是否為第一次收到更新消息，如果是第一次收到更新消息，就發(fā)起一輪新的傳輸。其產(chǎn)生新的軌跡標(biāo)簽過程為1)老標(biāo)簽剝離收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)從傳輸消息報(bào)文頭部得到用BloomFilter表示的地址軌跡標(biāo)簽，2)新標(biāo)簽產(chǎn)生通過將老的地址軌跡標(biāo)簽與本輪傳輸每個目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)的用Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)地址掩碼進(jìn)行“或”運(yùn)算，如圖6所示，得到的新的附加到更新消息傳輸報(bào)文中的地址軌跡標(biāo)簽。
步驟2判斷目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)是否需要發(fā)送更新消息。通過檢查接收到的副本更新消息報(bào)文的地址軌跡標(biāo)簽是否包含目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)來判斷是否向該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息，如果包含，說明此鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)得到更新消息，不向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，否則就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送。其具體的操作和基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法中通過直接查找線性鏈表的運(yùn)算不同。改進(jìn)方法判斷一個鄰居點(diǎn)是否已經(jīng)接收過更新，其查詢運(yùn)算過程只需要將該鄰居節(jié)點(diǎn)地址掩碼和軌跡標(biāo)簽掩碼進(jìn)行“或”運(yùn)算，得到新軌跡掩碼，再將新軌跡掩碼和老軌跡掩碼進(jìn)行比較，如果新軌跡掩碼和老軌跡掩碼不同，表明該鄰居沒有記錄到標(biāo)簽中，就將更新消息發(fā)到該鄰節(jié)點(diǎn)。
步驟3發(fā)送副本更新消息。將消息報(bào)文中的地址軌跡標(biāo)簽用步驟1產(chǎn)生的新標(biāo)簽替代，發(fā)送到步驟2得到的需要發(fā)送副本更新消息的鄰居節(jié)點(diǎn)。
用Bloom Filter結(jié)構(gòu)代替節(jié)點(diǎn)地址鏈表，有兩點(diǎn)好處1)添加到消息報(bào)文的附加信息減少；2)檢查節(jié)點(diǎn)是否在軌跡標(biāo)簽過程運(yùn)算十分簡單，只需要“或”運(yùn)算，計(jì)算簡單，實(shí)施方便。但是用Bloom Filter代替直接傳送的地址鏈，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)地址查詢時會有一定的誤差，這是由于Bloom Filter查詢會出現(xiàn)少量的假陽性錯誤，導(dǎo)致判斷時，鄰節(jié)點(diǎn)沒有接收更新消息而被誤認(rèn)為已經(jīng)接收而減少了更新的覆蓋度，下面分析Bloom Filter查詢所引起的假陽性概率對算法的影響。式(1)是Bloom Filter假陽性概率f＝(1-p)k＝exp(kln(1-e-kn/m)) (1)k為每個節(jié)點(diǎn)地址需要映射到Bloom Filter位向量中的位數(shù)，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為Bloom Filter長度。可能產(chǎn)生的判斷錯誤節(jié)點(diǎn)數(shù)為E＝f·n＝exp(kln(1-e-kn/m))·n(2)通過對Bloom Filter產(chǎn)生錯誤判斷進(jìn)行評估，使用時根據(jù)可能的副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模n和選定的哈希函數(shù)個數(shù)k選擇相應(yīng)長度m的Bloom Filter就可以保證不發(fā)生節(jié)點(diǎn)查詢的誤判斷，從而得到網(wǎng)絡(luò)軌跡標(biāo)簽的Bloom Filter表示。
使用Bloom Filter可大大減少附加到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)地址信息長度假設(shè)節(jié)點(diǎn)規(guī)模N＝1000，平均節(jié)點(diǎn)度k＝10，傳輸6輪后，以最壞的情況考慮，此時需要標(biāo)志的節(jié)點(diǎn)為60個節(jié)點(diǎn)，需要512位(64字節(jié))Bloom Filter表示。若直接采用IP地址存儲同樣多的節(jié)點(diǎn)地址鏈，需要240個字節(jié)，用Bloom Filter大大減少了附加到報(bào)文中的地址信息長度，而且判斷IP地址是否在地址軌跡標(biāo)簽的操作更簡單(“或”運(yùn)算)。圖7比較了用Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽和直接用地址鏈表表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽方法所需存儲字節(jié)數(shù)(其中Bloom Filter的長度取式(2)中不出現(xiàn)判斷錯誤時的長度)，橫坐標(biāo)表示需要附加到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)地址個數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)點(diǎn)個數(shù)增加，Bloom Filter表示的軌跡標(biāo)簽和直接用IP地址鏈表表示的軌跡算法相比，加到報(bào)文的標(biāo)簽軌跡長度明顯減少。
圖8顯示了本發(fā)明方法和傳統(tǒng)的無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)副本一致性維護(hù)副本傳輸開銷比較。其中P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D是用BRITE產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)規(guī)模N＝100，平均度為d＝20的BA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模選擇100是因?yàn)殡m然P2P網(wǎng)絡(luò)中副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模隨著文件副本放置策略和文件的熱點(diǎn)程度而有不同的文件副本節(jié)點(diǎn)覆蓋率，就Gnutella網(wǎng)絡(luò)來說，80％的請求指向的文件的副本數(shù)目是80，副本的平均覆蓋率為網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1％，當(dāng)前系統(tǒng)的副本規(guī)模大約為100節(jié)點(diǎn)。橫坐標(biāo)是使用Gossip算法每輪選擇進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)比率f。顯然洪泛法Flooding和基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的一致性維護(hù)算法沒有參數(shù)f，但是為了比較方便，還是畫到圖中，用直線表示。從圖8中發(fā)現(xiàn)本發(fā)明方法改進(jìn)的洪泛法(Flooding)和改進(jìn)的謠言法(Gossip)其副本傳輸開銷(副本更新消息數(shù)目)大大減少，這正是本發(fā)明方法在消息傳輸源頭進(jìn)行冗余判斷的最大優(yōu)點(diǎn)。
圖9是用BRITE產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)規(guī)模N從100～1000，節(jié)點(diǎn)度d＝20的BA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較更新消息傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)。橫坐標(biāo)代表的是節(jié)點(diǎn)規(guī)模，縱坐標(biāo)是各種算法的傳輸總字節(jié)數(shù)。
圖9(a)(b)(c)分別比較了消息數(shù)據(jù)包長度為1024、1518和5000字節(jié)時，比較的是更新消息的總字節(jié)數(shù)。直接使用地址軌跡標(biāo)簽法，由于捎帶的地址節(jié)點(diǎn)數(shù)目較大，傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)較大，而用Bloom Filter表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽改進(jìn)的Gossip算法的消息傳輸總字節(jié)數(shù)最少，可大大節(jié)約傳輸更新消息的帶寬。當(dāng)更新消息數(shù)據(jù)長度為5000字節(jié)，節(jié)點(diǎn)規(guī)模N＝1000，f＝0.6時，使用BloomFilter優(yōu)化表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽改進(jìn)的Gossip算法附加到消息報(bào)文的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽總字節(jié)比直接用IP地址表示的軌跡標(biāo)簽算法減少91.9％；所傳輸消息總字節(jié)數(shù)比洪泛法減少51.3％，比純Gossip減少13％。當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模N＝100，f＝0.6時，Bloom Filter表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽改進(jìn)的Gossip算法傳輸總字節(jié)比Gossip減少40.9％，遠(yuǎn)大于N＝1000時節(jié)約帶寬的百分比，這是因?yàn)椋危?00，d＝20圖的連通性比N＝1000，d＝20的連通性強(qiáng)，所以節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽算法在消息傳輸總字節(jié)數(shù)(即占用網(wǎng)絡(luò)帶寬)上改進(jìn)越明顯。
由上可知，本發(fā)明是無結(jié)構(gòu)分散式P2P網(wǎng)絡(luò)副本一致性維護(hù)方法，該發(fā)明方法研究從新的視角來控制一致性維護(hù)的冗余消息，通過更改傳輸消息報(bào)文來控制冗余產(chǎn)生，提出基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的一致性維護(hù)方法，本發(fā)明方法在傳輸?shù)南?bào)文頭部添加已獲更新節(jié)點(diǎn)的軌跡標(biāo)簽，在發(fā)送消息的源頭進(jìn)行冗余判斷，大大減少冗余消息在已經(jīng)更新的節(jié)點(diǎn)內(nèi)再次傳播。為了減少附加到報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)地址的長度，用Bloom Filter優(yōu)化地址軌跡標(biāo)簽的表示和查找。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)時計(jì)算查找簡單，只需要用“或”運(yùn)算，可以大大減少副本冗余傳輸消息數(shù)目，降低了副本一致性維護(hù)代價，增強(qiáng)P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，為P2P網(wǎng)絡(luò)開展動態(tài)文件更新的新業(yè)務(wù)提供保障。


圖1是洪泛方法和節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽方法；圖2是添加節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的消息報(bào)文結(jié)構(gòu)；圖3是基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法；圖4是用Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)軌跡消息報(bào)文結(jié)構(gòu)；圖5是用Bloom Filter表示節(jié)點(diǎn)軌跡的一致性維護(hù)方法；圖6是Bloom Filter計(jì)算；圖7是Bloom Filter節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽和節(jié)點(diǎn)地址鏈表標(biāo)簽所用字節(jié)比較；圖8是N＝100，d＝20BA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)副本傳輸開銷比較，圖例Pure_Flooding是純洪泛方法，IP_List_Flooding基于節(jié)點(diǎn)軌跡方法改進(jìn)的洪泛方法，Gossip是純謠言方法，IP_List_Gossip是用節(jié)點(diǎn)軌跡法改進(jìn)的謠言方法；圖9是消息傳輸總字節(jié)比較，其中(a)消息長度1024字節(jié)，(b)消息長度1518字節(jié)，(c)消息長度5000字節(jié)，圖例Pure_Flooding是純洪泛方法，IP_List_Flooding是基于節(jié)點(diǎn)軌跡方法改進(jìn)的洪泛方法，Gossip_0.6是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)比率為0.6的純謠言方法，IP_List_Gossip_0.6基于節(jié)點(diǎn)軌跡方法改進(jìn)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)比率為0.6的謠言方法，IP_List_Bloom是Bloom Filter表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽改進(jìn)的洪泛法，IP_List_Gossip_0.6_Bloom是Bloom Filter表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽改進(jìn)的謠言方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明作為一種無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，具有一定的通用性，并且可以通過應(yīng)用該方法的思想直接改進(jìn)現(xiàn)有的一致性維護(hù)方法?？蓱?yīng)用于無結(jié)構(gòu)P2P系統(tǒng)副本維護(hù)，無線網(wǎng)絡(luò)多副本節(jié)點(diǎn)的資源維護(hù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中病毒免疫傳輸維護(hù)等其他自組織網(wǎng)絡(luò)或分布式存儲系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)。其具體的實(shí)施分為一個預(yù)備步驟和三個實(shí)施步驟預(yù)備步驟大概評估資源副本節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，得出用于表示節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的Bloom Filter長度和哈希函數(shù)個數(shù)。
E＝f·n＝exp(kln(1-e-kn/m))·nk為每個節(jié)點(diǎn)地址需要映射到Bloom Filter中的位數(shù)，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為Bloom Filter長度，E表示可能產(chǎn)生的判斷錯誤節(jié)點(diǎn)數(shù)。根據(jù)評估的副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模n和選定的哈希函數(shù)個數(shù)k選擇相應(yīng)長度m的Bloom Filter就可以保證不發(fā)生節(jié)點(diǎn)查詢的誤判斷，從而得到網(wǎng)絡(luò)軌跡標(biāo)簽的Bloom Filter表示。
步驟1產(chǎn)生新的用Bloom Filter表示用于添加到報(bào)文中的地址軌跡標(biāo)簽。
收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)首先檢查自己是否為第一次收到更新消息，如果是第一次收到更新消息，就發(fā)起一輪新的傳輸。其產(chǎn)生新的軌跡標(biāo)簽過程為1)老標(biāo)簽剝離收到副本更新消息的節(jié)點(diǎn)從傳輸消息報(bào)文頭部得到用Bloom Filter表示的地址軌跡標(biāo)簽，2)新標(biāo)簽產(chǎn)生通過將老的地址軌跡標(biāo)簽與本輪傳輸每個目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)的用Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)地址掩碼進(jìn)行“或”運(yùn)算，得到的新的附加到更新消息傳輸報(bào)文中的地址軌跡標(biāo)簽。
步驟2判斷目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)是否需要發(fā)送更新消息。
通過檢查接收到的副本更新消息報(bào)文的地址軌跡標(biāo)簽是否包含目標(biāo)鄰居節(jié)點(diǎn)來判斷是否向該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息，如果包含，說明此鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)得到更新消息，不向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送，否則就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送。判斷一個鄰居點(diǎn)是否已經(jīng)接收過更新，其查詢運(yùn)算過程只需要將該鄰居節(jié)點(diǎn)地址掩碼和軌跡標(biāo)簽掩碼進(jìn)行“或”運(yùn)算，得到新軌跡掩碼，再將新軌跡掩碼和老軌跡掩碼進(jìn)行比較，如果新軌跡掩碼和老軌跡掩碼不同，表明該鄰居沒有記錄到標(biāo)簽中，就將更新消息發(fā)到該鄰節(jié)點(diǎn)。
步驟3發(fā)送副本更新消息。將消息報(bào)文中的地址軌跡鏈表標(biāo)簽用步驟1產(chǎn)生的新標(biāo)簽替代，發(fā)送到步驟2得到的需要發(fā)送副本更新消息的鄰居節(jié)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，其特征在于，該方法是通過直接更改消息傳輸報(bào)文，在消息報(bào)文中添加已經(jīng)接收到更新消息的節(jié)點(diǎn)地址軌跡標(biāo)簽，將已經(jīng)獲得更新的節(jié)點(diǎn)地址信息作為更新消息的一部分進(jìn)行傳輸，當(dāng)需要發(fā)起新消息傳輸時，借助節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，消息傳輸源節(jié)點(diǎn)完成傳輸過程中的消息冗余判斷，大大減少副本更新消息的傳輸開銷，斷絕副本更新傳輸消息循環(huán)傳輸?shù)目赡堋?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，其特征在于，它還包括利用Bloom Filter優(yōu)化節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)副本一致性維護(hù)方法，即利用Bloom Filter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示地址軌跡標(biāo)簽和節(jié)點(diǎn)地址掩碼，簡化節(jié)點(diǎn)軌跡表示和鄰居節(jié)點(diǎn)是否在軌跡中的查詢判斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，其特征在于，附加到更新消息的地址軌跡標(biāo)簽固定長度的Bloom Filter結(jié)構(gòu)以0，1位串表示，同時每個節(jié)點(diǎn)保存一個用同樣長度Bloom Filter表示的節(jié)點(diǎn)地址掩碼，借助Bloom Filter進(jìn)行節(jié)點(diǎn)地址查詢時會有一定的誤差，可能產(chǎn)生的Bloom Filter判斷出錯的節(jié)點(diǎn)數(shù)為E＝f·n＝exp(kln(1-e-kn/m))·nk為每個節(jié)點(diǎn)地址需要映射到Bloom Filter中的位數(shù)，n為副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模，m為Bloom Filter長度，使用時只需要根據(jù)可能的副本節(jié)點(diǎn)規(guī)模n和選定的哈希函數(shù)個數(shù)k選擇相應(yīng)長度m的Bloom Filter就可以保證不發(fā)生節(jié)點(diǎn)查詢的誤判斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，其特征在于，產(chǎn)生新節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的運(yùn)算過程和鄰居節(jié)點(diǎn)是否在節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽查詢判斷的運(yùn)算可采用簡單的硬件可支持的“或”運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，其特征是，每輪消息傳輸時發(fā)送的更新消息報(bào)文附加新的節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽，消息報(bào)文被發(fā)送到經(jīng)采用所述“或”運(yùn)算檢查合格的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
一種基于節(jié)點(diǎn)軌跡標(biāo)簽的無結(jié)構(gòu)P2P副本一致性維護(hù)方法，它通過在消息報(bào)文中添加已經(jīng)接收到更新消息的節(jié)點(diǎn)地址軌跡標(biāo)簽，利用此標(biāo)簽在消息傳輸源頭完成傳輸過程中的消息冗余判斷，控制冗余消息傳輸，減少冗余副本更新消息數(shù)量，斷絕副本更新消息傳輸循環(huán)。還用Bloom Filter優(yōu)化地址鏈表示和節(jié)點(diǎn)地址查找，減少添加到報(bào)文中的軌跡長度，同時簡化傳輸節(jié)點(diǎn)的冗余判斷。該發(fā)明可大大降低冗余消息數(shù)目，提高P2P系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，副本節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連通性越強(qiáng)，消息數(shù)目和傳輸帶寬減少越明顯。本發(fā)明可用于無結(jié)構(gòu)P2P副本維護(hù)、無線網(wǎng)絡(luò)資源副本維護(hù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)病毒免疫傳輸維護(hù)等其他自組織網(wǎng)絡(luò)或分布式存儲系統(tǒng)資源一致性維護(hù)中。
文檔編號H04L12/28GK1881898SQ20061003164
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者謝鯤, 張大方, 謝高崗, 文吉剛 申請人:湖南大學(xué)