基于DHT全分布式P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話穩(wěn)定性研究與設(shè)計(jì)

陳玉英

(蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 信息中心，江蘇 蘇州 215123）

全分布式結(jié)構(gòu)化DHT(Distribute Hash Table)作為一種新的P2P(Peer to Peer)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在近幾年得到迅速發(fā)展，在結(jié)點(diǎn)資源搜索效率、可擴(kuò)張性、可靠性等方面相對其他結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)勢.同時(shí)，也因其徹底摒棄了集中服務(wù)器，在網(wǎng)絡(luò)管理和穩(wěn)定性方面提出了不同于其他結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)的要求[1].

SIP(Session Initiation Protocol)是一個(gè)應(yīng)用層的控制協(xié)議，可以用來建立、修改和終止多媒體會(huì)話(或會(huì)議)，具有用戶注冊、用戶定位、會(huì)話建立、會(huì)話管理等功能，已成為網(wǎng)絡(luò)電話的主要協(xié)商協(xié)議，并將逐漸取代傳統(tǒng)的PSTN電話，成為NGN(Next General Network)中語音信息傳輸?shù)闹饕问?目前網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已從基于C／S結(jié)構(gòu)的SIP網(wǎng)絡(luò)電話向P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話轉(zhuǎn)換.本文分析了DHT全分布式結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求，并綜合P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話的特點(diǎn)，針對CHORD結(jié)點(diǎn)搜索算法提出一種基于DHT分布式P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)思想，既充分發(fā)揮DHT結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)的全分布式優(yōu)點(diǎn)，又能保證網(wǎng)絡(luò)電話運(yùn)行的穩(wěn)定性[2].

1 DHT與P2P-SIP體系結(jié)構(gòu)的回顧

DHT結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)徹底摒棄集中服務(wù)器，采用分布式哈希算法解決結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲，通過對存儲對象的特征(關(guān)鍵字)進(jìn)行哈希運(yùn)算得到鍵值(Hash Key)，并根據(jù)鍵值將相應(yīng)對象分布存儲于P2P網(wǎng)絡(luò)中的不同結(jié)點(diǎn).CHORD算法是DHT結(jié)構(gòu)類型的一種，結(jié)點(diǎn)和資源使用相同哈希空間，通過特定算法可高效解決DHT結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)搜索問題[3].

CHORD中所有結(jié)點(diǎn)根據(jù)結(jié)點(diǎn)哈希值(NodeID)首尾相連成一個(gè)環(huán)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)不僅保存其前驅(qū)和后繼結(jié)點(diǎn)信息，還需保存一個(gè)查詢表(Finger Table)用于提高查詢效率，查詢表存儲CHORD環(huán)中m個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)信息，虛擬結(jié)點(diǎn)間距(ID間隔)成2i關(guān)系排列(i為查詢表中數(shù)組下標(biāo)).

CHORD環(huán)中結(jié)點(diǎn)提供的共享資源根據(jù)資源特征值哈希出資源編號(ResourceID)，并將該資源信息保存于第一個(gè)NodeID大于或等于(模運(yùn)算)該ResourceID的結(jié)點(diǎn)，供CHORD環(huán)中其他結(jié)點(diǎn)搜索.圖1是一個(gè)具有64個(gè)結(jié)點(diǎn)的CHORD環(huán)組成的P2P網(wǎng)絡(luò).

P2P-SIP體系結(jié)構(gòu)是將P2P架構(gòu)引入現(xiàn)有基于SIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)電話系統(tǒng)，用SIP信令交互實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)通信，用P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于C/S結(jié)構(gòu)SIP網(wǎng)絡(luò)電話中的注冊、代理服務(wù)器的功能.在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話中一個(gè)結(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)段僅對應(yīng)一個(gè)資源(電話用戶)[4].

將CHORD算法引入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話，可徹底摒棄SIP網(wǎng)絡(luò)電話對集中服務(wù)器的依賴，高效解決網(wǎng)絡(luò)電話用戶注冊、定位等功能.保持基于DHT結(jié)構(gòu)的P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話的穩(wěn)定性，必須解決兩個(gè)問題：(1) P2P網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的加入和退出不斷發(fā)生，如何在動(dòng)態(tài)過程中保持CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)的完整性；(2) 在結(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入和退出過程中如何保持用戶注冊信息穩(wěn)定，以保證其他用戶能正確定位到該用戶，特別是結(jié)點(diǎn)非正常退出時(shí).

圖1 CHORD環(huán)P2P網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 穩(wěn)定性研究與設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)點(diǎn)信息穩(wěn)定性

要保證整個(gè)CHORD算法的穩(wěn)定性首先必須保證CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，查詢表主要用于搜索定位，包括資源信息定位和結(jié)點(diǎn)信息定位，也必須具有相對的穩(wěn)定性.其內(nèi)容來源于CHORD環(huán)內(nèi)結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)變化直接影響CHORD環(huán)內(nèi)各結(jié)點(diǎn)查詢表內(nèi)容.為保持CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，環(huán)內(nèi)各結(jié)點(diǎn)定期運(yùn)行穩(wěn)定進(jìn)程.設(shè)計(jì)雙向鏈表環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)后繼指針用于構(gòu)成CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)，前驅(qū)指針用于維護(hù)CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

單個(gè)結(jié)點(diǎn)加入：如圖2所示，結(jié)點(diǎn)B通過CHORD搜索算法，找到結(jié)點(diǎn)C作為它的接入結(jié)點(diǎn)(加入后結(jié)點(diǎn)B是結(jié)點(diǎn)A的直接后繼)，設(shè)置結(jié)點(diǎn)B的后繼結(jié)點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)C；將結(jié)點(diǎn)C的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)A改為結(jié)點(diǎn)B.但這并沒有改變CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)B是CHORD環(huán)的一個(gè)外掛結(jié)點(diǎn)，不參與CHORD環(huán)內(nèi)一切運(yùn)算.當(dāng)結(jié)點(diǎn)A的穩(wěn)定進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，將向其后繼結(jié)點(diǎn)C查詢結(jié)點(diǎn)C的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)，若結(jié)點(diǎn)C的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)B小于(模運(yùn)算)結(jié)點(diǎn)A，則將結(jié)點(diǎn)B作為它的后繼結(jié)點(diǎn)，并由結(jié)點(diǎn)A通知結(jié)點(diǎn)B，結(jié)點(diǎn)B設(shè)置其前驅(qū)結(jié)點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)A，并各自修改結(jié)點(diǎn)查詢表，至此，結(jié)點(diǎn)B才完全加入CHORD環(huán).

多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加入：如圖3所示，在同一時(shí)刻可能有多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)通過一個(gè)結(jié)點(diǎn)注冊加入CHORD環(huán)，若結(jié)點(diǎn)B向結(jié)點(diǎn)D注冊加入CHORD環(huán)，且已經(jīng)成為一外掛結(jié)點(diǎn)，在結(jié)點(diǎn)A啟動(dòng)穩(wěn)定進(jìn)程以前，結(jié)點(diǎn)C也向結(jié)點(diǎn)D注冊加入CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)，則在同一個(gè)時(shí)間段，結(jié)點(diǎn)D有兩個(gè)外掛結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)A啟動(dòng)穩(wěn)定進(jìn)程時(shí)，由于結(jié)點(diǎn)D的前驅(qū)結(jié)點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)C，則節(jié)點(diǎn)C由外掛結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為CHORD環(huán)內(nèi)結(jié)點(diǎn)，參與環(huán)內(nèi)運(yùn)算.另一外掛結(jié)點(diǎn)B必須再次啟動(dòng)注冊進(jìn)程申請加入CHORD環(huán)，再次啟動(dòng)注冊進(jìn)程由該結(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定進(jìn)程驅(qū)動(dòng)，結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)穩(wěn)定進(jìn)程時(shí)，若發(fā)現(xiàn)其前驅(qū)結(jié)點(diǎn)為空，則需要再次注冊加入CHORD環(huán).

圖2 單個(gè)結(jié)點(diǎn)加入CHORD環(huán)示意圖

結(jié)點(diǎn)離開：若結(jié)點(diǎn)正常離開，則在結(jié)點(diǎn)離開CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)前，通知其前驅(qū)、后繼結(jié)點(diǎn)修改各自的前驅(qū)后繼指針和查詢表，并把該結(jié)點(diǎn)所保存資源信息轉(zhuǎn)發(fā)給直接后繼結(jié)點(diǎn)；若結(jié)點(diǎn)非正常離開，則局部破壞了CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)，為保持CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)需保存其后m個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)信息，在結(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)其直接后繼結(jié)點(diǎn)失敗，可通過其他后繼結(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定性.每個(gè)結(jié)點(diǎn)保存的m個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)信息來源于其直接后繼結(jié)點(diǎn)所保存的前m-1個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)信息加上直接后繼結(jié)點(diǎn)組成.通過m個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)就可大大降低CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)局部破壞概率，提高環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

圖3 兩個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)加入CHORD環(huán)示意圖

2.2 用戶信息穩(wěn)定性

在CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)中，若結(jié)點(diǎn)正常離開，則該結(jié)點(diǎn)所保存的用戶信息被轉(zhuǎn)存于該結(jié)點(diǎn)的直接后繼結(jié)點(diǎn)；若結(jié)點(diǎn)非正常離開，則該結(jié)點(diǎn)所保存的用戶信息全部丟失.DHT分布式P2P網(wǎng)絡(luò)中，資源信息穩(wěn)定性可通過冗余資源信息保持，但冗余資源信息的增加只能相對提高穩(wěn)定性，不能保證完全穩(wěn)定，并且冗余資源信息會(huì)成倍增加結(jié)點(diǎn)存儲的資源信息數(shù)量，不方便資源信息管理，增加HASH重碼概率.

對于P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話，用戶信息是SIP呼叫的基本參數(shù)，若用戶信息丟失，其他用戶將無法定位該用戶，通話無法建立，所以必須保證用戶信息的完全穩(wěn)定.用戶信息作為資源信息根據(jù)算法保存于某個(gè)結(jié)點(diǎn)，隨著CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)的變化，保存用戶信息的結(jié)點(diǎn)也在變化，為使用戶信息在這一動(dòng)態(tài)變化過程中保持穩(wěn)定性，可采用定期查詢.具體過程如下：每個(gè)結(jié)點(diǎn)在存儲用戶信息后，須向用戶所在結(jié)點(diǎn)發(fā)送本結(jié)點(diǎn)相關(guān)信息，用于用戶所在結(jié)點(diǎn)查詢.用戶所在結(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定進(jìn)程在保持CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，也定期向存儲用戶信息的結(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢信息，判斷存儲用戶的結(jié)點(diǎn)是否離開.若結(jié)點(diǎn)非正常離開，結(jié)點(diǎn)保存的所有用戶信息全部丟失，用戶所在結(jié)點(diǎn)通過穩(wěn)定進(jìn)程查詢獲知存儲用戶信息的結(jié)點(diǎn)非正常離開，重新啟動(dòng)注冊用戶進(jìn)程[5].

3 結(jié) 論

本文通過對CHORD環(huán)結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)分析，綜合P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話穩(wěn)定性要求，提出一種基于DHT全分布式P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)思想，并對該思想進(jìn)行了詳細(xì)分析.該思想的實(shí)現(xiàn)可提高P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話的可靠性和穩(wěn)定性，并能提高用戶搜索效率.

目前P2P-SIP技術(shù)還在發(fā)展中，但已顯示出在公共互聯(lián)網(wǎng)上以P2P-SIP技術(shù)建立多媒體平臺的發(fā)展趨勢.P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話穩(wěn)定性的提高，將更能滿足發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)新媒體的需求，也更符合互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營模式的需求.

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[4] ION S，ROBERT M，DAVID K，et al.Chord： a scalable peer-to-peer lookup service for internet applications：ACM SIGCOMM 2001.San Diego，August 27-31，2001[C].San Diego：ACM，c2001.

[5] SINGH K，SCHULZRINNE H.Peer-to-peer internet telephony using SIP，technical report CUCS-044-04[R].New York：Department of Computer Science，Columbia University，2005：223-230.