云計(jì)算環(huán)境中一種基于Hash環(huán)的P2P網(wǎng)絡(luò)模型研究

2014-09-27 18:49:48邵澤云

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年8期

邵澤云

摘要： P2P技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中越來越普及，而云計(jì)算的出現(xiàn)給IT界帶來了全新的挑戰(zhàn)，因此，針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)P2P技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種云計(jì)算環(huán)境中的P2P網(wǎng)絡(luò)模型，這是云計(jì)算技術(shù)與P2P技術(shù)的一種結(jié)合。通過對(duì)使用P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的處理能力、擁有的資源量、占據(jù)的帶寬大小等進(jìn)行評(píng)估，得出網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)并形成Hash環(huán)，然后利用一致性Hash算法在系統(tǒng)中對(duì)資源進(jìn)行快速搜索。利用這種方法，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要更新少量的信息就可以完成查詢路由，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中資源的快速定位，提高了網(wǎng)絡(luò)資源搜索的效率。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算； P2P技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)模型； Hash環(huán)；網(wǎng)絡(luò)資源搜索

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）08?0138?04

Research of P2P network model based on Hash ring in cloud computing environment

SHAO Ze?yun

（College of Information Engineering， Longdong University， Qingyang 745000， China）

Abstract： The application of P2P technology becomes more and more popular in the modern network system， but the emergence of cloud computing has brought a new challenge to the IT industry. Therefore， in view of the development situation of network， a P2P network model in cloud computing environment is proposed for the study of P2P technology and cloud computing technology， which is a result combining the cloud computing technology with P2P technology. Based on the assessment of resource quantity， network bandwidth and node processing capacity in the network using P2P technology， the hierarchy structure of the each node in network and Hash ring were obtained， and then the consistent Hash algorithm was used to search for network resources in the system quickly. With this method， the routing query can be completed because each node needs to be updated only a small amount of information， and the quick positioning of resources in a network can be realized. It improved the efficiency of resource searchbecause each node

Keywords： cloud computation； P2P technology； network model； Hash ring； network resource search

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的用戶數(shù)和數(shù)據(jù)等資源不斷增長，為了讓網(wǎng)絡(luò)能夠提供更好的服務(wù)，出現(xiàn)了好多新技術(shù)，如P2P技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，P2P技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)各有千秋，在未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中勢(shì)必要形成P2P技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的緊密結(jié)合，這樣網(wǎng)絡(luò)才能發(fā)揮更大性能和提供更好的服務(wù)。在云計(jì)算環(huán)境里，會(huì)有許多用戶和服務(wù)提供商，云計(jì)算技術(shù)解決的是在面對(duì)諸如大量用戶、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，如何讓用戶能夠高效獲取所需的資源以及用那種方式能夠使用戶的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中安全高效共享等，而P2P技術(shù)是一種適合在云計(jì)算環(huán)境中的眾多用戶間實(shí)現(xiàn)信息交換的很好用的技術(shù)[1]。在本文提出的該模型中，既考慮了云計(jì)算平臺(tái)的結(jié)構(gòu)又考慮到P2P對(duì)等網(wǎng)目前的現(xiàn)狀，用戶既可以接入云來享受服務(wù)，也可以加入到云中成為云的一部分，既能與云中其他成員交互信息，也能為其他用戶提供服務(wù) [2]。

1相關(guān)概念

1.1網(wǎng)絡(luò)的分層與結(jié)構(gòu)化

將云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，按照節(jié)點(diǎn)處理能力的強(qiáng)弱劃分不同層次，形成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，最高層節(jié)點(diǎn)是由處理能力強(qiáng)的云計(jì)算服務(wù)提供商組成，按照節(jié)點(diǎn)處理能力由高到底分層，最下層是處理能力最弱的用戶節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)層次結(jié)構(gòu)中，上層節(jié)點(diǎn)為下層節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，下層節(jié)點(diǎn)利用上層節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)完成自身的功能，同時(shí)再向其下一層提供服務(wù)，這樣對(duì)資源的查找就可以在上級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查找搜索，在此結(jié)構(gòu)中，最重要的兩類節(jié)點(diǎn)是搜索節(jié)點(diǎn)和索引節(jié)點(diǎn)，搜索節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收用戶查找搜索的請(qǐng)求，然后從其下層節(jié)點(diǎn)中查找資源，而索引節(jié)點(diǎn)就是處理能力強(qiáng)的云計(jì)算服務(wù)提供商的節(jié)點(diǎn)，主要保存搜索節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，如果某時(shí)段內(nèi)索引節(jié)點(diǎn)的負(fù)載較重，也可以讓處理能力強(qiáng)的其他節(jié)點(diǎn)承擔(dān)索引節(jié)點(diǎn)的部分功能，以達(dá)到均衡負(fù)載，提高效率的目的[3]。

1.2DHT技術(shù)簡介

分布式哈希表技術(shù)（Distributed Hash Table，DHT）。使用分布式Hash運(yùn)算來解決結(jié)構(gòu)化的分布式存儲(chǔ)問題，其基本思想是通過對(duì)存儲(chǔ)對(duì)象的關(guān)鍵字進(jìn)行Hash運(yùn)算，得到相應(yīng)的鍵值，對(duì)象的存儲(chǔ)是根據(jù)Hash運(yùn)算得出的鍵值進(jìn)行存儲(chǔ)的，DHT技術(shù)采用Hash函數(shù)不但加快了查找速度而且還增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，便于管理，而且不會(huì)占用太多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源[4]。

DHT技術(shù)為P2P對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中資源的組織與搜索提供了一種新的思想，目前有好多較為成熟的基于DHT算法的協(xié)議，如Kademlia，Chord，CAN等[5]。

1.3使用DHT技術(shù)形成Hash環(huán)的過程

Step1：對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選用節(jié)點(diǎn)IP地址進(jìn)行一致性Hash運(yùn)算，通過Hash運(yùn)算后得到節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)ID，該ID值就作為此節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)；

Step2：對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可提供的資源的標(biāo)識(shí)進(jìn)行一致性Hash運(yùn)算，得到一個(gè)值，記為key；

Step3：將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置作為邏輯地址，記為addr，此addr和step2中的key值組成二元組（key，addr）；

Step4：在step1中的ID和step2中的key都是通過一致性Hash運(yùn)算得到的，因此從ID列表中找到與key值最接近的節(jié)點(diǎn)ID值，此節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)step3中的（key，addr）；

Step5：當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索時(shí)，找出與該資源的key值最接近的下一ID節(jié)點(diǎn)，該資源的位置信息就是該節(jié)點(diǎn)所保存的（key，addr）中的addr值；

Step6：利用key值查詢下一節(jié)點(diǎn)ID值時(shí)，可利用位于高層節(jié)點(diǎn)的DHT表進(jìn)行查找，類似于網(wǎng)絡(luò)層的路由查找方法，查找時(shí)可以采用類似折半查找的算法等，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)比較頻繁時(shí)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需更新少量的信息完成查詢，因此，查詢效率較高[6?7]。

下面給出一個(gè)Hash環(huán)示例，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)上有節(jié)點(diǎn)N1，N9，N15，N22，N33，N39，N43，N49，N52，N57共10個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過一致性Hash運(yùn)算后得出節(jié)點(diǎn)ID值，根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID值范圍，這10個(gè)節(jié)點(diǎn)邏輯上形成一個(gè)環(huán)，即Hash環(huán)，如圖1所示，圖中顯示了節(jié)點(diǎn)N9的查詢路由過程。

圖1 Hash環(huán)上N9節(jié)點(diǎn)的查詢路由

N9節(jié)點(diǎn)的查詢路由表如表1所示。

表1 N9節(jié)點(diǎn)的查詢路由表

2模型的基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于融合P2P技術(shù)的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，在對(duì)等連接網(wǎng)絡(luò)中，雖然整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，但是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，也就是說，在網(wǎng)絡(luò)中存在一些穩(wěn)定性強(qiáng)、處理能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)帶寬較高的對(duì)等節(jié)點(diǎn)，這些對(duì)等節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)提供服務(wù)的工作，在云計(jì)算環(huán)境中，這些節(jié)點(diǎn)可以是云計(jì)算服務(wù)提供商，也可以普通用戶[7]，其設(shè)計(jì)思想就是將云計(jì)算服務(wù)提供商的哪些性能強(qiáng)、效率高而且提供很多資源的節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)邏輯集群，然后再進(jìn)行分層，資源越豐富、帶寬越大、計(jì)算能力越強(qiáng)等的節(jié)點(diǎn)就離中心越近，由中心向外，節(jié)點(diǎn)處理能力越來越低，最外層是普通用戶[8?10]，模型的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入與退出

3.1節(jié)點(diǎn)加入過程

由云計(jì)算服務(wù)提供商對(duì)首次加入節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行評(píng)估，然后確定該用戶在網(wǎng)絡(luò)中所處的層次，云計(jì)算服務(wù)提供商還要根據(jù)此節(jié)點(diǎn)的評(píng)估情況以及自身負(fù)載等情況決定此節(jié)點(diǎn)是否需要承擔(dān)索引節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)功能，然后根據(jù)此用戶的數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)中為其指定上層節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還要確保本節(jié)點(diǎn)和上層節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間要小，然后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過DHT算法確定本節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的ID值[11]。在圖2中，由一條鏈路上的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)Hash環(huán)，最高層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)更新下層節(jié)點(diǎn)信息，它不是Hash環(huán)。這些Hash環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型邏輯結(jié)構(gòu)

圖3 第0層中心節(jié)點(diǎn)環(huán)和Hash環(huán)

當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)要請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，云計(jì)算服務(wù)提供商先對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，得出節(jié)點(diǎn)所處的層次，然后對(duì)原Hash環(huán)進(jìn)行劃分，找出前序節(jié)點(diǎn)并從中劃分出一部分空間分配給此節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)的私有空間，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)退出本網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要將退出節(jié)點(diǎn)的資源進(jìn)行回收，層次越高的節(jié)點(diǎn)其處理能力越強(qiáng)，而層次越低的節(jié)點(diǎn)其處理能力相對(duì)較弱，最底層的用戶節(jié)點(diǎn)處理能力最弱，基本沒有私有空間，因此也就沒有索引服務(wù)的功能[12?14]。節(jié)點(diǎn)加入Hash環(huán)的過程如下：

Step1：當(dāng)新的節(jié)點(diǎn)M（假設(shè)新加入的節(jié)點(diǎn)是M）要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先要與云計(jì)算服務(wù)提供商進(jìn)行連接，云計(jì)算服務(wù)提供商根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息對(duì)此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，以確定新節(jié)點(diǎn)M在網(wǎng)絡(luò)中所處的層次，云計(jì)算服務(wù)提供商還要負(fù)責(zé)將與此節(jié)點(diǎn)通信距離短的其他節(jié)點(diǎn)的信息傳遞給節(jié)點(diǎn)M，有利于節(jié)點(diǎn)M進(jìn)行后續(xù)的工作；

Step2：新節(jié)點(diǎn)M根據(jù)云計(jì)算服務(wù)提供商提供的信息，估算與上層節(jié)點(diǎn)傳遞信息的代價(jià)，然后選擇代價(jià)最小的上層節(jié)點(diǎn)N作為索引節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)M通過索引節(jié)點(diǎn)N找到其在Hash環(huán)上的后繼節(jié)點(diǎn)T，此后繼節(jié)點(diǎn)T根據(jù)M的ID值及層次信息，將自己的私有空間分割出一部分作為節(jié)點(diǎn)M的私有空間，當(dāng)然節(jié)點(diǎn)T還保留屬于自己的私有空間；

Step3：節(jié)點(diǎn)M通過后繼節(jié)點(diǎn)T的信息找出前序節(jié)點(diǎn)H，然后，節(jié)點(diǎn)M向前序節(jié)點(diǎn)H和后繼節(jié)點(diǎn)T發(fā)送一個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)H和T收到節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信息后，如果允許加入，就就分別更新自己的前序節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)的信息，節(jié)點(diǎn)H的后繼是M，節(jié)點(diǎn)M的后繼是T；

Step4：節(jié)點(diǎn)M通過其后繼節(jié)點(diǎn)T在Hash環(huán)中找到自己的分級(jí)路由表中各條目對(duì)應(yīng)的下一節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)路由的初始化過程；

Step5：最后更新這個(gè)Hash環(huán)中的其他節(jié)點(diǎn)的路由信息，實(shí)現(xiàn)使其隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變而改變，反映出網(wǎng)絡(luò)的最新狀態(tài)。

3.2節(jié)點(diǎn)退出過程

Step1：當(dāng)節(jié)點(diǎn)M（假設(shè)要退出的節(jié)點(diǎn)是M）要退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先節(jié)點(diǎn)M要向前序節(jié)點(diǎn)H和后繼節(jié)點(diǎn)T發(fā)送離開本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的請(qǐng)求信息。

Step2：節(jié)點(diǎn)M的前序節(jié)點(diǎn)H和后繼節(jié)點(diǎn)T收到請(qǐng)求離開的信息后，如果允許其離開，就分別更新自己的后繼節(jié)點(diǎn)和前序節(jié)點(diǎn)信息，節(jié)點(diǎn)H的后繼節(jié)點(diǎn)改為節(jié)點(diǎn)T，而節(jié)點(diǎn)T的前序節(jié)點(diǎn)改為H。

Step3：節(jié)點(diǎn)T需要更新私有空間，要將節(jié)點(diǎn)M的私有空間收回并和自己的私有空間合并。

Step4：節(jié)點(diǎn)M要向中心節(jié)點(diǎn)環(huán)上的云計(jì)算服務(wù)提供商提出離開請(qǐng)求，云計(jì)算服務(wù)提供器收到請(qǐng)求離開信息后，如果允許離開，就更新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信息，將節(jié)點(diǎn)M后面層節(jié)點(diǎn)的層次提高一層。

Step5：最后更新這個(gè)Hash環(huán)中的其他節(jié)點(diǎn)的路由表，實(shí)現(xiàn)使其隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變而改變，反映出網(wǎng)絡(luò)的最新狀態(tài)。

4模型中節(jié)點(diǎn)的路由信息

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，有大量云計(jì)算服務(wù)提供商組成的中心環(huán)的存在，能夠給其他層的節(jié)點(diǎn)提供信息，同時(shí)由于采用了根據(jù)節(jié)點(diǎn)能力進(jìn)行分層和不同級(jí)別層間消息擴(kuò)散和節(jié)點(diǎn)最優(yōu)路徑預(yù)測(cè)的技術(shù)策略，這就可以使消息能夠盡量在一條花費(fèi)時(shí)間短的路徑上傳播，這樣一來就降低了搜索資源的時(shí)間[15?17]。

5本模型的性能分析

為了分析該模型的性能，需要定義一些相關(guān)參數(shù)，如下：

假設(shè)本模型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為S，在應(yīng)用Hash環(huán)技術(shù)后第I級(jí)私有空間上的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Si，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的平均往返時(shí)間為RTT，在應(yīng)用Hash環(huán)技術(shù)后的系統(tǒng)中第I級(jí)私有空間上的節(jié)點(diǎn)之間的平均往返時(shí)間為RTTi，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行一次路由查找需要的時(shí)間為T，在應(yīng)用Hash環(huán)技術(shù)后的系統(tǒng)中第I級(jí)私有空間上進(jìn)行一次路由查找的時(shí)間為Ti。

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行路由查找時(shí)的不確定因素用參數(shù)a表示，那么在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行一次路由查找的時(shí)間為：

[T=RTT·a·LogS] （1）

應(yīng)用Hash環(huán)技術(shù)后，在具有N級(jí)私有空間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行一次路由查找需要的時(shí)間為：

[Tn=RTTi·a·LogSi+RTTi+1·a·LogSi+1Si+…+RTT·a·Log(SSn-1)]（2）

有式（1）和式（2）可得出式（3）：

[TTn=RTT·LogSRTTi·LogSi+RTTi+1·LogSi+1Si+…+RTT·LogSSn-1] （3）

對(duì)于一個(gè)層次N為1的模型，也就是2級(jí)模型來說，就會(huì)由式（3）得出式（4）：

[TTn=RTT·LogSRTT0·LogS0+RTT·(LogS-LogS0)] （4）

在式（4）中，RTT0通常情況下，層次最高，值很小，如果RTT0→0，則式子（4）可以簡化成為式（5）：

[TTn=LogSLogS-LogS0] （5）

在式（5）中。S0和S是指數(shù)關(guān)系，也就是說它們存在S0=Sx關(guān)系（0

[TTn=11-x] （6）

由式（6），可得出：

[Tn=T(1-x),0

即有：[Tn

從以上分析可知，本模型的路由選擇的時(shí)間是根據(jù)不同的私有空間劃分等級(jí)，因此與目前對(duì)等網(wǎng)絡(luò)相比較，路由查找時(shí)間會(huì)有不同程度的縮短，提高了資源搜索的效率。

6結(jié)語

云計(jì)算環(huán)境是由無數(shù)的節(jié)點(diǎn)組成，面對(duì)的是海量數(shù)據(jù)存數(shù)、數(shù)據(jù)交換與處理，而P2P技術(shù)最適合在這種環(huán)境中的對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息。在本文模型中，利用P2P技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的緊密結(jié)合，利用在云計(jì)算環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)根據(jù)能力進(jìn)行層次劃分等級(jí)，并采用一致性Hash算法，使網(wǎng)絡(luò)中信息查詢搜索的效率得到提高，使網(wǎng)絡(luò)在面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)仍能提供更好的性能和服務(wù)。

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