一種基于物理拓?fù)涞腄HT物聯(lián)網(wǎng)解析機(jī)制*

肖 祿，黃 韜，2，劉 江，魏 亮

（1.北京郵電大學(xué) 北京100876；2.南京（中國）未來網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心 南京211100）

1 引言

同當(dāng)年的互聯(lián)網(wǎng)一樣，物聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)成為一種勢不可擋的時(shí)代潮流。物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；l(fā)展與應(yīng)用亟需建立一套可靠高效的公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施和信息共享機(jī)制，而這種共享機(jī)制的核心問題在于建立一個(gè)高效健壯的物聯(lián)網(wǎng)命名解析網(wǎng)絡(luò)。在該領(lǐng)域的研究與實(shí)踐中，美國EPCglobal組織[1]和日本泛在ID中心（ubiquitious ID center）的標(biāo)準(zhǔn)體系[2]中均探討了物聯(lián)網(wǎng)命名解析服務(wù)的內(nèi)容。其中，目前應(yīng)用比較廣泛的是EPCglobal提出的基于DNS（domain name system，域名系統(tǒng)）架構(gòu)的對象命名解析系統(tǒng)，即ONS（object naming service，對象命名服務(wù)）[3]解析系統(tǒng)。

然而，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物品的地址空間也會(huì)迅速增長。對于這種ONS解析系統(tǒng)，在進(jìn)行信息對象的詳細(xì)信息定位查找、命名解析時(shí)，會(huì)出現(xiàn)根ONS（root ONS）瓶頸問題，甚至導(dǎo)致查詢時(shí)延過大、查詢效率過低以及單點(diǎn)失效等問題。

為了解決以上提到的ONS解析系統(tǒng)存在的問題，部分研究開始采用基于 DHT（distributed Hash table，分布式散列表）的 P2P（peer-to-peer，點(diǎn)對點(diǎn)）技術(shù)[4,5]。但是，扁平結(jié)構(gòu)的DHT解析結(jié)構(gòu)并未能考慮到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性[6]，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，弱節(jié)點(diǎn)將嚴(yán)重地制約P2P網(wǎng)絡(luò)的性能，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體性能急劇下降[7]。于是，針對扁平DHT解析結(jié)構(gòu)存在的問題，研究人員提出了層次化DHT網(wǎng)絡(luò)方 案 ，如 HIERAS[8]、Structured Superpeers[9]、Canon 原 則[10]等。但這些方案依然存在不足之處，如HIERAS[8]和Structured Superpeers[9]的層次化設(shè)計(jì)中沒有考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此存在路由復(fù)雜、查詢效率過低等問題；Canon原則[10]雖然可以反映拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是只適用于特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▽?shù)型網(wǎng)絡(luò)）。

另外，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)命名問題存在眾多標(biāo)識(shí)方案，且同類標(biāo)識(shí)方案也存在不同的編碼技術(shù)，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)是否采用層次化的命名空間仍未確定[11]。因此，目前還沒有統(tǒng)一的可兼容的物聯(lián)網(wǎng)命名解析系統(tǒng)，能夠滿足對多種標(biāo)識(shí)同時(shí)進(jìn)行正確的查詢解析和路由轉(zhuǎn)發(fā)，并能夠兼容層次化和非層次化的命名空間，這些都是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)命名解析系統(tǒng)仍未解決的問題。

針對上述問題，本文提出一種PTDHT-RS（physically topological distributed Hash table resolution system，基于物理拓?fù)涞腄HT解析系統(tǒng)）。該解析系統(tǒng)以層次化DHT網(wǎng)絡(luò)思想為基礎(chǔ)，并依據(jù)實(shí)際的底層物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組織部署，不僅可以解決ONS解析系統(tǒng)存在的負(fù)載不均衡、單點(diǎn)失效以及查詢效率過低等問題，而且能夠全面反映底層物理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使得解析及路由過程得到優(yōu)化，并使解析后的數(shù)據(jù)回傳效率更高。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以為層次化和扁平化命名空間提供統(tǒng)一的解析架構(gòu)，是一種兼容性的解析方案。

2 ONS解析機(jī)制

ONS是EPC系統(tǒng)中的命名解析模塊，類似于互聯(lián)網(wǎng)DNS，是一個(gè)分布式的層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。ONS由映射信息、根ONS、ONS 服務(wù)器、ONS 本地緩存（ONS cache）、本地 ONS解算器（local ONS resolver）5個(gè)部分組成，其基本功能是將一個(gè)物品的產(chǎn)品電子代碼[1]（electronic product code，EPC）映射到一個(gè)或者多個(gè)EPCIS（EPC information service，EPC信息服務(wù)器）的 URI（uniform resource identifier，網(wǎng)絡(luò)通用資源標(biāo)識(shí)符）。類似于DNS將域名地址轉(zhuǎn)換成IP地址，ONS首先把一個(gè)EPC映射到一個(gè)或者多個(gè)NAPTR（naming authority pointer，名稱權(quán)威指針）（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)（URI）的一種定義格式），然后這些NAPTR在本地DNS中轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的一個(gè)或者多個(gè)URI，最后通過這些URI查詢解析到在EPCIS（或Web）服務(wù)器上關(guān)于此產(chǎn)品的詳細(xì)信息[12]，圖1是一個(gè)典型的ONS查詢過程演示。

如圖1所示，ONS的典型查詢步驟如下。

（1）從 RFID（radio frequency identification，射頻識(shí)別標(biāo)簽）標(biāo)簽中讀取一個(gè)EPC序列。

（2）標(biāo)簽解讀器將這個(gè)EPC序列發(fā)送到本地服務(wù)器。

（3）本地服務(wù)器根據(jù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13]把這些比特流轉(zhuǎn)換成URI形式，再將此URI發(fā)送給本地ONS解算器。

（4）本地ONS解算器將此URI轉(zhuǎn)換為域名形式，并發(fā)出對這個(gè)域名的NAPTR查詢。

（5）DNS服務(wù)器返回一系列NAPTR記錄回答，其中包含有指向一個(gè)或者多個(gè)相關(guān)服務(wù)的URI。

（6）本地ONS解算器從返回的NAPTR記錄中提取出需要的EPCIS服務(wù)器的RUI，返回給本地服務(wù)器。

（7）本地服務(wù)器最終與目的EPCIS服務(wù)器建立連接。

在ONS系統(tǒng)中，根ONS服務(wù)器處于ONS層次結(jié)構(gòu)中的最高層，擁有命名空間中的最高層域名，基本上所有的ONS查詢都從根ONS服務(wù)器開始，因此，在EPC網(wǎng)絡(luò)中，對根ONS服務(wù)器的性能要求相對較高。目前EPC-ONS在全球部署了大約14臺(tái)根 ONS服務(wù)器，每臺(tái)根 ONS服務(wù)器負(fù)責(zé)一個(gè)特定國家或地區(qū)的EPC編碼解析服務(wù)。由于物聯(lián)網(wǎng)的命名地址空間大于IP命名地址空間，并且預(yù)計(jì)將不斷擴(kuò)大，因此，在當(dāng)前的ONS架構(gòu)下，根ONS服務(wù)器將不可避免地出現(xiàn)負(fù)載過重的問題，目前，EPCglobal和Verisign并未提出該問題的有效解決方案。

3 基于層次化DHT的解析機(jī)制

為了解決ONS解析系統(tǒng)中存在的根節(jié)點(diǎn)負(fù)載重、查詢效率低、查詢時(shí)延大等問題，研究人員開始在ONS解析服務(wù)中采用P2P技術(shù)，特別是結(jié)構(gòu)化P2P技術(shù)[14～16]。柏林洪堡大學(xué)的Sergei Evdokimov[17]等人在2010年的IEEE傳感網(wǎng)絡(luò)與可信計(jì)算會(huì)議上總結(jié)了現(xiàn)存的5種DS（discovery services，發(fā)現(xiàn)服務(wù)）的實(shí)現(xiàn)原理和各方面性能上的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)指出基于DHT技術(shù)的結(jié)構(gòu)化P2P技術(shù)的ONS解析系統(tǒng)的綜合性能更具優(yōu)勢。

在基于DHT的P2P網(wǎng)絡(luò)（簡稱結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)或DHT網(wǎng)絡(luò)）中，節(jié)點(diǎn)盡管具有不同的計(jì)算能力和穩(wěn)定性，但在網(wǎng)絡(luò)中都承擔(dān)著同樣的功能角色，即在散列空間上負(fù)責(zé)關(guān)鍵字的注冊和查詢，其中比較典型的系統(tǒng)有Chord[18]、KAD[6]等，然而，已有研究表明，DHT網(wǎng)絡(luò)中不僅節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力（包括存儲(chǔ)空間、帶寬以及CPU性能等）具有很大差異性[7]，而且節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性也存在很大差異，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)、任意地加入或離開網(wǎng)絡(luò)[19～21]。隨著DHT網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長，弱節(jié)點(diǎn)（即計(jì)算能力差，或動(dòng)態(tài)變化劇烈，或計(jì)算能力差且動(dòng)態(tài)變化劇烈的節(jié)點(diǎn)）嚴(yán)重地制約著DHT網(wǎng)絡(luò)的性能[7]。為了克服該問題，研究者提出了許多層次化DHT網(wǎng)絡(luò)，其中典型的系統(tǒng)有層級化 Chord2[22]、HIERAS[8]和Structured Superpeers[9]等，如圖2所示是一個(gè)簡單的兩層層次化DHT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

層次化DHT網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)有：穩(wěn)定的高性能節(jié)點(diǎn)被選作為超級節(jié)點(diǎn)，在超級節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建的上層DHT網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)代價(jià)和查詢跳數(shù)相對于扁平的DHT網(wǎng)絡(luò)更少，且能有效應(yīng)對DHT網(wǎng)絡(luò)中的churn問題（即節(jié)點(diǎn)頻繁地加入或離開對DHT網(wǎng)絡(luò)性能造成的嚴(yán)重影響）。

但是，由于現(xiàn)有的層次化DHT解析系統(tǒng)沒有考慮到節(jié)點(diǎn)的實(shí)際物理距離，導(dǎo)致邏輯鄰近的節(jié)點(diǎn)可能實(shí)際相距甚遠(yuǎn)，因此，現(xiàn)有層次化DHT解析系統(tǒng)在信息對象查詢解析過程中花費(fèi)的實(shí)際鏈路時(shí)延較大，缺乏路由本地性。此外，由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的信息對象更傾向于富媒體化（如大文件、音頻、視頻以及高清視頻等）的內(nèi)容，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)所需的命名地址空間迅速擴(kuò)大、信息容量急劇增加，這種情況下，信息對象查詢解析過程中的路由本地性以及解析得到數(shù)據(jù)的回傳效率就顯得尤為重要。學(xué)術(shù)界針對這一問題已提出一些考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母倪M(jìn)DHT網(wǎng)絡(luò)，如改進(jìn)d維CAN的PNS方法[23]和Canon原則[10]，其基本思想是將節(jié)點(diǎn)分區(qū)域分簇，分別建立子DHT系統(tǒng)，再將子DHT系統(tǒng)按層次有機(jī)結(jié)合。但是這些已有的方案只適用于特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如Canon方法只適用于對數(shù)型網(wǎng)絡(luò)，所以，物聯(lián)網(wǎng)的解析系統(tǒng)仍有進(jìn)一步研究的空間。

4 基于物理拓?fù)涞腄HT物聯(lián)網(wǎng)解析機(jī)制

為了解決目前EPC-ONS、單/多層DHT-ONS解析系統(tǒng)存在的問題，建立一套統(tǒng)一的可行且兼容性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)解析系統(tǒng)方案，本文提出PTDHT-RS。PTDHT-RS可以解決現(xiàn)有解析系統(tǒng)所存在的問題，并為層次化命名空間和非層次化命名空間解析提供統(tǒng)一的解析架構(gòu)。本節(jié)將首先對PTDHT-RS的架構(gòu)進(jìn)行描述，再詳細(xì)分析信息注冊和查詢解析的過程，最后介紹位于管理層級的全球命名解析部分以及結(jié)合結(jié)構(gòu)化層次化命名的優(yōu)化解析方法。

4.1 系統(tǒng)描述

本文提出的PTDHT-RS分為兩大步驟來處理以ID標(biāo)識(shí)的信息對象的查詢解析。在第一階段，即解析階段中，ID標(biāo)識(shí)被解析成一個(gè)位置列表，這一列表指向所需要查找的數(shù)據(jù)對象的副本。在第二階段，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段，根據(jù)配置參數(shù)（如網(wǎng)絡(luò)狀況等）從位置列表中選擇出最佳位置信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對象以最佳路徑從源端發(fā)送到請求端。

如圖3所示，DHT域按照嵌入式、層次化的結(jié)構(gòu)組織建立一個(gè)DHT樹結(jié)構(gòu)，用來反映底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)湫枨?，可以有效解決查詢解析過程中的路由低效問題。其中具有相同屬性的多個(gè)互聯(lián)的DHT域構(gòu)成一個(gè) AD（autonomous domain，自治區(qū)域），例如具有相同的信息提供商的DHT域可以實(shí)現(xiàn)聚合，形成一個(gè)大型的AD。每個(gè)DHT域代表不同拓?fù)鋵蛹壍木W(wǎng)絡(luò)，例如AS（autonomous system，自 治 系 統(tǒng) ）層 級 、POP （point of presence，入網(wǎng)點(diǎn)）層級和 AN（access node，接入點(diǎn)）層級。AN位于該系統(tǒng)最底層，用戶/主機(jī)節(jié)點(diǎn)通過AN與PTDHT-RS建立聯(lián)系。從用戶角度來看，AN層級就類似于互聯(lián)網(wǎng)中的本地DNS服務(wù)器。每個(gè)DHT域的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)要按照P2P的模式組織，可以使用自己獨(dú)立的DHT機(jī)制，例如使用Pastry或Chord算法進(jìn)行數(shù)據(jù)對象的查詢。

在解析階段，DR（dictionary record，記錄字典項(xiàng)）中存儲(chǔ)對象的位置列表，包含對象位置ID標(biāo)識(shí)的綁定信息和相關(guān)數(shù)據(jù)單元。PTDHT-RS字典中存儲(chǔ)的DR項(xiàng)與多個(gè)DHT域相關(guān)。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段，PTDHT-RS和底層的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)/路由層是獨(dú)立的。例如，轉(zhuǎn)發(fā)最佳路徑可以通過傳統(tǒng)的基于拓?fù)涞穆酚煞绞剑ㄈ鏞SPF、ISIS、BGP）獲得，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

通常情況下，PTDHT-RS中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅參與自己的DHT域的內(nèi)部操作，也會(huì)參與部分或所有的高層DHT域的操作，即該系統(tǒng)高層級的DHT域是通過匯聚底層較小的DHT域節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)單一的、更大規(guī)模的DHT域，因此，此處定義這個(gè)新型的解析系統(tǒng)為物理拓?fù)浠度胧降膶蛹壔馕鱿到y(tǒng)（PTDHT-RS）。系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由選擇加入DHT域的范圍。該系統(tǒng)可以從ONS的邊緣節(jié)點(diǎn)開始組織，逐漸增長，形成更大規(guī)模，甚至全球性的PTDHT-RS，這樣在實(shí)際部署中會(huì)更加容易。例如,該系統(tǒng)可以首先部署在一個(gè)小型的網(wǎng)絡(luò)中，然后與大型的系統(tǒng)建立聯(lián)系，最終形成一個(gè)單一的、更大規(guī)模的PTDHT-RS。

此外，該解析系統(tǒng)中，路由和轉(zhuǎn)發(fā)以兩種獨(dú)立的方式發(fā)出請求：域內(nèi)路由/轉(zhuǎn)發(fā)方式，例如一個(gè)DHT域內(nèi)，可以執(zhí)行由DHT域的提供商決定的路由/轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制 （如通過Chord算法）；域間路由/轉(zhuǎn)發(fā)方式，例如在DHT域之間，需要把該請求轉(zhuǎn)交給更高層級的一個(gè)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)域間的路由/轉(zhuǎn)發(fā)，該節(jié)點(diǎn)同時(shí)屬于不同DHT域。

4.2 信息注冊與查詢

在PTDHT-RS中進(jìn)行物品信息注冊與查詢解析時(shí)，會(huì)涉及兩大主要原語——put和get原語。首先，通過put(ID，metadata)可以將新的信息對象的散列值ID注冊入網(wǎng)，如圖3所示。然后，當(dāng)有客戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢請求時(shí)，就通過get(ID)在系統(tǒng)中進(jìn)行查詢解析，最終獲得信息對象的詳細(xì)信息。信息注冊與查詢分組含以下信息。

（1）接口原語

PTDHT-RS中，主要用到 put(ID，metadata)和 get(ID)兩大原語。put原語用來在網(wǎng)絡(luò)詞典里注冊綁定信息，例如用于公開對象ID與一組位置列表或者元數(shù)據(jù)綁定等；get原語用來請求系統(tǒng)返回一組位置列表，也可以請求返回和特定ID綁定的元數(shù)據(jù)信息。

（2）注冊過程

首先，在PTDHT-RS中注冊用戶設(shè)備的標(biāo)識(shí)ID TK。在用戶AN處，TK映射為存儲(chǔ)對象信息的本地地址K（如EPCIS的地址），這個(gè)映射信息對于用戶接入點(diǎn)可以是私有的。然后，信息對象就可以在用戶AN處注冊，使得連接到同一AN的本地用戶都可以訪問所注冊的信息。同時(shí)，在PTDHT-RS中注冊一個(gè)新的對象會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的DR，通常用來存儲(chǔ)對象X的標(biāo)識(shí)ID映射到用戶設(shè)備標(biāo)識(shí)ID TK的間接綁定信息。DR中可以注冊兩種類型的綁定信息：本地直接綁定信息（將對象/節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)ID映射到具體的網(wǎng)絡(luò)位置）和間接綁定信息（將對象/節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)ID映射到其他的節(jié)點(diǎn)ID）。

然后，將新信息對象的注冊請求廣播到PTDHT-RS樹結(jié)構(gòu)中，使得沿著AN到根節(jié)點(diǎn)AS的傳播路徑中的高層級DHT域上也存儲(chǔ)有對象X的DR。在所有層級的DHT域中，除將在4.3節(jié)中提到的最高層級GNR(global name resolution，全球命名解析）之外，散列（對象ID）的值均作為DHT域內(nèi)存儲(chǔ)及查詢解析信息對象的關(guān)鍵字。

此外，在高層級的DHT域中，對象標(biāo)識(shí)ID映射到接入點(diǎn)ANZ的地址Z處，從而在該接入點(diǎn)ANZ處可以通過用戶主機(jī)TK的地址K獲得所要查詢的信息對象X。這種綁定信息的方式允許保持主機(jī)地址私有，同時(shí)因?yàn)樾枰獜淖畛醯牟樵兘尤朦c(diǎn)收到回復(fù)的響應(yīng)，所以也提升了安全性。另外，這種間接的綁定信息方案使得信息對象的移動(dòng)性也得到了很好的支持，因?yàn)榻尤朦c(diǎn)可以像移動(dòng)IP“home agent”一樣將請求重定向到新的TK節(jié)點(diǎn)的位置處。

PTDHT-RS中，提供商可以指定每個(gè)對象信息的注冊范圍，這就限定了各自DR在樹結(jié)構(gòu)中的傳播范圍。例如：可以將信息對象的注冊限定在本地公司網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部而不向上級DHT域傳播。

（3）查詢過程

如圖4所示，用戶（如主機(jī)T0）發(fā)出信息對象X的查詢請求，該請求首先在ANA處進(jìn)行查詢分析處理。若查詢解析到需要查找的信息對象則停止查詢解析過程，返回響應(yīng)信息；若在ANA處沒有獲得信息對象標(biāo)識(shí)ID的對象信息而解析失敗 （例如還沒有將數(shù)據(jù)對象的副本在該DHT解析域內(nèi)注冊）時(shí)，就將該請求逐層向上廣播到更高的DHT域中，直到找到所要查詢的信息對象的副本，或者在最高層級的DHT域中也未能解析到所查詢的信息對象時(shí)，則停止查詢解析過程。最后返回響應(yīng)信息。

該系統(tǒng)中，低層級DHT域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間通常要更加鄰近，所以通過以上的查詢解析方式，可以優(yōu)化解析和數(shù)據(jù)回傳問題。查詢解析時(shí)，堅(jiān)持選擇來自最近DHT域的信息對象副本的原則，使得數(shù)據(jù)信息流總保持在本地，從而有效避免域間的數(shù)據(jù)對象信息流，滿足本地內(nèi)容屬性。這樣可以進(jìn)一步優(yōu)化任播路由策略和位置感知內(nèi)容分發(fā)策略。綜上所述，該系統(tǒng)中信息對象更容易獲得本地訪問解析模式，從小型的DHT解析結(jié)構(gòu)中獲益。

4.3 全球命名解析

物聯(lián)網(wǎng)中，按照地域劃分的每個(gè)門戶所管轄的AD內(nèi)都有各自最主要的解析系統(tǒng)，在AD的上層創(chuàng)建了GNR層，負(fù)責(zé)管理全球的命名解析服務(wù)。GNR是一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，可以為ICP客戶端（即物聯(lián)網(wǎng)中按地域劃分的多個(gè)門戶提供商）提供全球性的解析服務(wù)。正如DNS頂層域一樣，GNR可以由獨(dú)立可靠的第三方來管理，這樣可以確保正確地管理各個(gè)門戶提供商的解析綁定信息。

目前大量的對象信息都在不斷注冊到物聯(lián)網(wǎng)中，并且這個(gè)數(shù)量在不斷地增大，所以，本文提出的PTDHT-RS的最高層級GNR域，就必須具有高度的可擴(kuò)展性。此外，GNR系統(tǒng)結(jié)合ID標(biāo)識(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容上的聚合。假設(shè)一個(gè)信息對象的標(biāo)識(shí)ID結(jié)構(gòu)是A:M，其中A是具有一定語義的命名字段 （如EPC的域名字段），M是該對象信息的唯一編碼字段，明確標(biāo)識(shí)信息對象本身，那么GNR結(jié)合域名字段應(yīng)可以將所有A范圍的信息對象與該ID綁定，實(shí)現(xiàn)A內(nèi)容的聚合。

若未來物聯(lián)網(wǎng)中采用扁平化的名字空間，則該系統(tǒng)采用自底向上的查詢解析方式，如4.2節(jié)所述。這種情況下，GNR系統(tǒng)將作為一個(gè)行政管理實(shí)體，而不是用來執(zhí)行具體的解析本身。該系統(tǒng)建立在全球?qū)蛹壣希挥脕砉芾硇畔ο蟮淖?、更新和綁定聚合任?wù)。這些綁定信息會(huì)自適應(yīng)地緩存在對應(yīng)的DHT域內(nèi)，通過域間路由協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)域間查詢請求，整個(gè)過程在底層AD域內(nèi)/域間執(zhí)行，不轉(zhuǎn)發(fā)到GNR系統(tǒng)。

若未來物聯(lián)網(wǎng)中采用層次化的名字空間，例如EPC中包含對象信息的地址字段，則將GNR層與底層的DHT域相結(jié)合，可以進(jìn)一步改進(jìn)層次化命名解析過程。此時(shí)，采用類似于兩層P2P-ONS[10]中的自頂向下查詢解析方式，GNR系統(tǒng)只存儲(chǔ)從信息對象關(guān)鍵字到物聯(lián)網(wǎng)中按地域劃分的每個(gè)門戶提供商的映射重定向信息，而不是關(guān)鍵字到存儲(chǔ)信息對象地址的信息。所以，GNR系統(tǒng)可以將信息對象ID重定向到特定域名字段所管轄AD DHT域內(nèi)。

5 系統(tǒng)性能評估與評估

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)解析系統(tǒng)對目標(biāo)對象數(shù)量、節(jié)點(diǎn)性能的需求，本節(jié)將對PTDHT-RS的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力等性能指標(biāo)進(jìn)行簡要評估與分析。

首先，假設(shè)全球性的PTDHT-RS解析系統(tǒng)包含4個(gè)層級，分別是AN層級、POP層級、AS層級和GNR層級，所有下層節(jié)點(diǎn)和上層超級節(jié)點(diǎn)都按照DHT協(xié)議組織，對象信息會(huì)沿著PHDHT-RS樹，注冊到最高層級（在沒有限制對象信息的注冊范圍的情況下），所以，當(dāng)超級節(jié)點(diǎn)失效時(shí)它負(fù)責(zé)的葉子節(jié)點(diǎn)不會(huì)孤立，可以有效解決ONS解析系統(tǒng)存在的單點(diǎn)失效問題。

其次，解析系統(tǒng)都要求低時(shí)延的解析、轉(zhuǎn)發(fā)過程，因此不能使用傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器，目前固態(tài)磁盤存儲(chǔ)器（SSD）可以提供足夠快的訪問速度（15 μs）[24]，最高達(dá)到 4 TB的存儲(chǔ)容量（例如Tera Ramsan[24]）。假設(shè)目前全球大約有1015個(gè)信息對象要在物聯(lián)網(wǎng)中注冊，每個(gè)信息對象需要1 KB的DR，則該系統(tǒng)每個(gè)層級的每個(gè)DHT節(jié)點(diǎn)上大約可以存儲(chǔ)約109的綁定信息量。因此，若使用PTDHT-RS，僅需要部署大約106個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，而使用基于DNS技術(shù)的ONS解析系統(tǒng)時(shí)，參照DNS當(dāng)前的部署狀況，大約需要部署1.2×107個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)。所以，PTDHT-RS需要部署的DHT解析節(jié)點(diǎn)數(shù)量僅為ONS解析系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的1/10左右。

從查詢時(shí)延方面分析：假設(shè)將所有的DR都存儲(chǔ)在BBT（balanced binary tree，平衡二叉樹）中，那么在一個(gè)單一節(jié)點(diǎn)的DR中的一次解析查詢會(huì)遍歷平衡二叉樹的30個(gè)層級。因此，15 μs（訪問接入時(shí)間）×30 層（BBT 的度數(shù)）=450 μs（存儲(chǔ)訪問時(shí)延），即一次get命令完成過程中的存儲(chǔ)訪問時(shí)延不會(huì)大于500 μs。

從可以支持的最大訪問數(shù)量分析：假設(shè)實(shí)際中對PTDHT-RS的所有請求中，大部分都是get查詢解析請求。目前SSD存儲(chǔ)服務(wù)器可以支持每秒高達(dá)2×1010次的存儲(chǔ)訪問操作，因此，該解析系統(tǒng)中的一個(gè)DHT節(jié)點(diǎn)每秒可以處理多達(dá)6.65×104次的get信息對象解析請求 （假設(shè)信息對象的綁定信息存儲(chǔ)在30層級的BBT中）。同時(shí)假設(shè)每個(gè)用戶平均每秒會(huì)發(fā)出2個(gè)get信息對象的查詢解析請求，并且最壞的情況是所有請求都需要通過4個(gè)層級，即AN層級、POP層級、AS層級和GNR層級的查詢解析才能得到請求響應(yīng)信息，這樣每個(gè)DHT解析節(jié)點(diǎn)在只具備一個(gè)存儲(chǔ)單元的條件下，仍然可以處理大約8 300個(gè)用戶請求。所以，106個(gè)DHT解析節(jié)點(diǎn)可以并行處理大約1010個(gè)用戶的查詢解析請求。

最后，從更新過程對動(dòng)態(tài)帶寬的需求分析：假設(shè)該系統(tǒng)所注冊對象信息中每1 500 byte平均包含大約10個(gè)綁定信息，且每天只有1%的DR需要更新，則在一個(gè)單一的DHT節(jié)點(diǎn)處就需要更新4×109個(gè)DR或者是6 GB大小的綁定信息量。因此，每天更新1%DR的綁定信息時(shí)，僅需要大約0.56 Mbit/s的持續(xù)更新帶寬，而每天更新10%DR的綁定信息，僅需要5.6 Mbit/s的持續(xù)更新帶寬。

6 結(jié)束語

本文在充分借鑒DHT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，基于層次化DHT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基本思想，提出了一種新型的PTDHT-RS。從實(shí)際部署中需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、訪問所需要的時(shí)延、支持的最大訪問量以及所需要的帶寬等方面對該系統(tǒng)進(jìn)行估計(jì)分析結(jié)果顯示，PTDHT-RS不僅可以通過層次化、拓?fù)浠那度虢Y(jié)構(gòu)有效解決ONS解析系統(tǒng)低時(shí)延、負(fù)載不均衡和效率問題，也可以通過較全面地反映底層的物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決當(dāng)前解析系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的回傳效率低的問題，從而確保了網(wǎng)絡(luò)的路由本地性，提高了物聯(lián)網(wǎng)解析效率。此外，PTDHT-RS為層次化和扁平化命名空間提供了統(tǒng)一的解析架構(gòu)，解決了目前解析系統(tǒng)不能正確解析非層次化命名空間的問題。

在PTDHT-RS中，仍有一些問題尚未解決，例如PTDHT-RS的原型系統(tǒng)搭建及驗(yàn)證問題，安全認(rèn)證問題，系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度問題等。因此，后續(xù)的首要工作就是對PTDHT-RS進(jìn)行實(shí)際的模擬，進(jìn)一步分析系統(tǒng)性能，并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化；其次，要進(jìn)一步探討研究物聯(lián)網(wǎng)解析過程中存在的安全認(rèn)證問題，增強(qiáng)PTDHT-RS的可信程度；最后，應(yīng)進(jìn)一步降低解析系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度，從而使PTDHT-RS能夠更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)查詢解析服務(wù)的效率需求。

1 EPCglobal. The EPCglobal Architecture Framework. The EPCglobal Standards Development Process,2007

2 Ken Sakamura.Ubiquitous ID technologies 2008.Ubiquitous ID center,http://www.Uidcenter.org/pdf/UID910-W001-080226_en.pdf,2008

3 EPCglobal.EPCglobal object name service （ONS）1.0.1,http://www.epcglobal.org.cn/,2008

4 劉學(xué)洋，趙文，張世琨等.基于P2P的RFID編碼解析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與算法研究.電子學(xué)報(bào)，2008,12（36）：102～108

5 Fabiall B,Gunther O.Distributed ONS and its impact on privacy.Proceedings of the IEEE International Conference on Communications,Glasgow,Scotland,2007:1 223～1 228

6 Maymounkov P, Mazieres D. Kademlia: a peer-to-peer information system based on the XOR metric.Proceedings of the International Workshop on Peer-to-Peer Systems,Cambridge,USA,2002:53～65

7 Saroiu S,Gummadi P K,Gribble S D.A measurement study of peer-to-peer file sharing systems.Proceedings of the Multimedia Computing and Networking,San Jose,USA,2002：156～170

8 Xu Z,Min R,Hu Y．HIERAS:a DHT based hierarchical P2P routing algorithm.Proceedings of the International Conference of Parallel Processing,Kaohsiung,Taiwan,China,2003:187～194

9 Mizrak A T,Cheng Y,Kumar V,et al.Structured Superpeers:leveraging heterogeneity to provide constant-time lookup.Proceedings of the IEEE Workshop on Internet Applications,San Jose,USA,2003:104～111

10 Prasanna Ganesan,Krishna Gummadi,Hector Garcia-Molina.Canon in G major:designing DHTs with hierarchical structure.Proceedings of 24th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems(ICDCS'04),Tokyo,Japan,2004

11 Dannewitz C,Golic J,Ohlman B,et al.Secure naming for a network of information.Proceedings of the 13th IEEE Global Internet Symposium,San Diego,USA,2010

12 Lee G,Shin J.Discovery architecture for the tracing of products in the EPCglobal network. Proceedings of IEEE/IEIP International Conference,Shanghai,China,2008

13 EPC Tag Data Standard Version 1.5,http://www.gs1.org/gsmp/kc/epcglobal/tds/tds_1_5-standard-20100818.pdf,2010:31～32

14 劉洪濤，程良倫.基于DHT的物聯(lián)網(wǎng)命名服務(wù)體系結(jié)構(gòu)研究.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2011,6（28）：2 327～2 329

15 Xu He,Wang Suoping,Wang Ruchuan.P2PONS:a distributed object naming service architecture based on P2P for EPC network.AISS:Advances in Information Sciences and Service Sciences,2011,3(3):1～10

16 Wen Zhao,Xueyang Liu,Xinpeng Li,et al.Research on hierarchical P2P based RFID code resolution network and its security.Proceedings of International Conference on Frontier of Computer Science and Technology,Shanghai,China,2009

17 Evdokimov S,Fabian B,Kunz S,et al.Comparison of discovery service architectures for the internet of things．Proceedings of the IEEE International Conference on Sensor Networks,Ubiquitous,and Trustworthy Computing,Newport Beach,California,2010:237～244

18 Stoica I，Morris R，Karger D，et al．Chord：a scalable peer-to-peer lookup service for internet applications.Proceedings of the ACM SIGCOMM,San Diego，USA，2001：149～160

19 Godfrey P B， ShenkerS,Stoica I．Minimizing churn in distributed systems.Proceedings of the ACM SIGCOMM,Pisa，Italy，2006：147～158

20 Krishnamurthy S， E1-Ansary S， Aurell E， et al．An analytical study of a structured overlay in the presence of dynamic membership．IEEE Transactions on Networking，2008，16(4)：814～825

21 Garces-Erice L，Biersaek E W，Ross K W，et al．Hierarchical peer-to-peer systems.Parallel Processing Letters,2003，13(4)：643～657

22 Joung Y J,Wang J C.Chord2:A two-layer Chord for reducing maintenance overhead via heterogeneity．ComputerNetworks，2007，51(3)：712～731

23 Ratnasamy S,Francis P,Handley M.A scalablecontentaddressable network.Proceedings of the 2001 Conference on Applications,Technologies,Architectures,and Protocolsfor Computer Communications,San Diego,California,USA,2001

24 Texas Memory Systems,http://www.ramsan.com,2011