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P2P(Peer-to-Peer)网络是建立在互联网之上的覆盖网络,它通过节点之间的相互协作实现系统功能,从而充分利用了边缘网络资源,具有良好的扩展性、自组织性和匿名性等特点。目前,P2P网络在很多领域有着广泛的应用。P2P网络资源包括节点计算资源和分散在节点上的数据资源。如何高效地管理和利用节点资源和数据资源是P2P网络应用的基础性关键问题。但是,P2P网络对等、分布式、自组织的特点以及节点的异构性、动态性给资源的有效管理带来了很多挑战和困难。本论文针对节点动态的P2P网络,充分考虑和利用节点在IP网络上的邻近信息和节点之间在能力上的差异性,研究P2P网络资源管理的三个关键技术,即P2P系统一致性维护、P2P网络数据分发和结构化P2P覆盖网络优化,从而提高资源管理的性能。主要工作和创新性成果包括:
1.邻近信息感知的P2P系统一致性维护方法。副本技术被广泛应用于P2P系统中,维护副本数据的一致性是至关重要的。集中式一致性维护方法存在单点失效问题,而现有的分布式方法由于忽略了节点在lP网络上的邻近信息会消耗大量的网络资源。本文提出了邻近信息感知的一致性维护方法—PAMAP。该方法为每个规模较大的副本组构建并维护一个邻近信息感知的副本覆盖网络,从而将整个副本覆盖网络中的组播问题转换为副本覆盖网络上的广播问题。更新内容沿着动态构建于副本覆盖网络上的d-叉更新消息传播树传播。理论分析结果表明,对于一个由n个节点组成的副本覆盖网络,更新内容平均可在O(log2n)跳内传播到所有副本节点。仿真实验对比结果显示,与无邻近信息感知的方法相比,PAMAP方法能够节省25-67%的更新开销。
2.基于自适应P2P成员协议的数据分发方法。动态信息分发应用中,快速数据传输和低数据冗余是两个最重要的设计目标。现有的方法忽略了节点在IP网络上的邻近信息,数据分发延迟较大,而且某些方法会产生大量的冗余消息。本文提出了基于自适应P2P成员协议的数据分发方法—DSM。成员协议用来构建可靠、优化的P2P覆盖网络。每个节点根据邻近信息和能力差异自适应优化邻居关系。该方法结合了泛洪和树广播算法的优势,通过利用覆盖网络中优化的链路传播数据消息,实现了快速、低冗余的数据分发。分析结果表明从任何节点出发的数据消息平均可在O(logn)跳内传输给所有节点(n为节点的数目)。仿真实验对比结果显示,与基于随机覆盖网络的方法相比,DSM以较小的控制开销为代价,把数据分发延迟降低了28-50%,而产生的冗余消息占所有消息的比例不足1%。
3.基于隐含树的数据分发方法。DSM实现了数据消息的快速、低冗余传输,但是它需要维护一个树状结构,会带来一定的维护开销。本文从数据开销和控制消息开销之间的折中关系考虑,提出了基于隐含树的数据分发方法—iTree。iTree利用隐含在覆盖网络中的树状结构传输数据消息,并通过引入概率转发机制加快数据分发。该方法不仅有效降低了控制开销,而且可以快速传输数据消息。分析结果表明数据消息平均可在O(logn)跳内分发给所有节点(n为节点的数目)。仿真实验结果表明,当冗余消息的比例为8%左右时,与基于随机覆盖网络的方法相比,iTree可把数据分发延迟减少10-40%,而控制开销仅为1/6-1/2。
4.结构化P2P覆盖网络优化方法。结构化P2P覆盖网络存在负载不均衡问题和拓扑不匹配问题。在负载均衡方面,本文提出了基于虚拟服务器的分布式负载均衡方法,通过动态调整节点对应的虚拟服务器个数实现负载的均衡。虚拟服务器尽量在IP网络上距离近的节点之间转移,从而节省了开销。仿真实验结果表明与不考虑节点邻近信息的方法相比,该方法可节省23%以上的负载转移开销。在拓扑匹配方面,本文提出了基于事件驱动的拓扑匹配方法。该方法根据节点动态性按需调整覆盖网络拓扑,有效节省了控制开销。仿真实验结果表明与现有方法相比,该方法能够在开销很小的情况下使得拉伸系数(stretch)降低33%左右。