移動自組織網(wǎng)絡(luò)中P2P技術(shù)的應(yīng)用方案的研究

陳永紅 羅 寧

1 引言

P2P和移動自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屬于通信中的不同層次，兩者有相似之處，也有許多差異。如何將兩種架構(gòu)進行整合，得到一個可運行的P2P應(yīng)用平臺，是非常有意義的事情。P2P協(xié)議是基于固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，不知道底層的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，因此將產(chǎn)生額外和不必要的網(wǎng)絡(luò)流量。一般P2P應(yīng)用為在其重疊網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部尋找信息而優(yōu)化了算法，但對于信息交互它們通常依賴TCP，并假定有穩(wěn)定的連接，無論何時連接中斷，P2P節(jié)點將切換到其它選中的隨機節(jié)點，但在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于所有節(jié)點都在移動之中，當(dāng)兩個相鄰的節(jié)點移動出相互的無線范圍，鏈路就將中斷，此時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化，其它節(jié)點能以更低的開銷提供相同的信息，移動自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須將路由中斷匯報給上層P2P節(jié)點，處于上層的P2P節(jié)點確定舊的源節(jié)點是否仍然可用，或重新建立一條新的連接。因此，僅通過在移動自組織網(wǎng)絡(luò)上簡單地建立P2P網(wǎng)絡(luò)的組合，將是一個低性能的網(wǎng)絡(luò)，需要重新建立模型和協(xié)議。

2 模型分析

通過物理網(wǎng)絡(luò)層和P2P層之間的一條交叉層通信信道，移動P2P協(xié)議將重疊網(wǎng)結(jié)構(gòu)適配到物理移動自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上。相比于使用非別處理的重疊網(wǎng)和物理網(wǎng)的方法，這種整合的方法能明顯地降低消息傳輸負(fù)擔(dān)，并增加搜索成功率，在協(xié)議中引入各種新服務(wù)，提供上下文的路由和基于位置的服務(wù)［1］。新的應(yīng)用層協(xié)議（MPP）盡可能地重用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對于節(jié)點到節(jié)點通信，協(xié)議使用動態(tài)源路由協(xié)議，對于用戶數(shù)據(jù)的傳輸，使用TCP之上的HTTP，如圖1所示。為了將應(yīng)用層協(xié)議（MPP）與物理網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（EDSR）連接，使用了移動對等端控制協(xié)議（MPCP）。在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)提供了路由機制，在網(wǎng)絡(luò)層執(zhí)行路由任務(wù)，并補充應(yīng)有層協(xié)議，和兩種網(wǎng)絡(luò)的獨立處理相比，它具有以下優(yōu)勢：

1）移動自組織網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)的組織，因此移動自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓詣拥乇籔2P網(wǎng)絡(luò)考慮在內(nèi)［6～10］；

2）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由，應(yīng)用層控制數(shù)據(jù)交換；

3）兩種網(wǎng)絡(luò)的整合避免了冗余的信息請求；

4）協(xié)議的層間通信優(yōu)化了性能，因此重疊網(wǎng)能夠最優(yōu)地調(diào)整以適合物理網(wǎng)絡(luò)；

5）應(yīng)用層協(xié)議簡化了新服務(wù)的實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)交換和路由任務(wù)的分離允許重用現(xiàn)有協(xié)議，如TCP和HTTP。僅有MPP必須直接與EDSR交互的路由任務(wù)駐留在網(wǎng)絡(luò)層。

圖1 MPP的分層結(jié)構(gòu)

MPP允許對方對等端透明地交換數(shù)據(jù)，因此MPP在負(fù)責(zé)P2P網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部地文件傳遞，并駐留于P2P客戶應(yīng)用中。MPP利用HTTP進行數(shù)據(jù)交互，HTTP內(nèi)容范圍首部能夠在由于鏈路中斷而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)錯誤中恢復(fù)文件傳遞［2］。EDSR主要基于DSR協(xié)議，規(guī)范了新的請求和應(yīng)答類型，以提供通過IP地址之外的標(biāo)準(zhǔn)尋找對等端地方式。EDSR擴展了DSR，并因此EDSR節(jié)點可以是DSR網(wǎng)絡(luò)中不可分割的部分。

MPCP是應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間的層間通信信道，因此MPCP將在網(wǎng)絡(luò)層的EDSR協(xié)議與在應(yīng)用層的P2P協(xié)議連接起來。使用MPCP，應(yīng)用能夠在EDSR層注冊自己，以初始化搜索請求并處理來自其它節(jié)點的進入搜索請求，它與相應(yīng)協(xié)議交流溝通所有進入和外出請求及響應(yīng)，除了文件交換自身。

啟動時，移動設(shè)備上的P2P應(yīng)用通過MPCP向EDSR層聲明自己，如果一位用戶初始化一條數(shù)據(jù)搜索，MPCP轉(zhuǎn)發(fā)請求到EDSR，EDSR將之轉(zhuǎn)換成一條搜索請求（SREQ）。類似于DSR路由請求（RREQ），EDSR通過移動自組織網(wǎng)絡(luò)將SREQ洪泛［1～5］。接收到請求的 EDSR 節(jié)點將請求通過MPCP轉(zhuǎn)發(fā)到注冊的P2P應(yīng)用中，因此P2P應(yīng)用能夠確定本地共享的數(shù)據(jù)是否滿足請求條件［11～15］。如果請求匹配由節(jié)點共享的一個文件描述，應(yīng)用就初始化一條EDSR文件應(yīng)答，這條應(yīng)答反向發(fā)送回源節(jié)點，并包含文件傳送的所有必要信息，類似于DSR路由應(yīng)答（RREP），一條文件應(yīng)答（FREP）包括源和目的地之間的完整路徑。

3 公式推演

為了將一個適應(yīng)底層物理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能（如MPP）與一個完全獨立于物理層而仍然建立其重疊網(wǎng)的協(xié)議的性能作比較，這里使用一種分析性方法。首先，必須評估一個移動自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可達節(jié)點的數(shù)量。如果我們假定每節(jié)點平均x個鄰居和R的無線范圍，于是就能計算節(jié)點密度，即

如果進一步假定在平面中節(jié)點的均勻分布，兩節(jié)點之間距離的累積分布給出如下：

這導(dǎo)致兩個自組織節(jié)點之間距離增加發(fā)生的概率增加。對F(r)取導(dǎo)數(shù)，現(xiàn)在這個函數(shù)的pdf根據(jù)式計算，即

它簡單地反映了這樣一個事實，即面積差是線性地隨半徑r的增長而增長的。據(jù)此，這也意味著在距離r內(nèi)節(jié)點出現(xiàn)的概率也是呈線性增長的。因此，兩節(jié)點之間的平均距離可以表示為

圖2 一個平均Ad hoc節(jié)點的多跳到達的范圍

如果這時假定在一個P2P網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點步將其重疊網(wǎng)適應(yīng)導(dǎo)底層物理網(wǎng)絡(luò)，那么它就必須隨機地建立起連接。從上述公式已經(jīng)能夠觀察到，就物理跳數(shù)而言，一個節(jié)點越遠，連接到它的概率越高。如果假定隨機選擇，則能夠更詳細地計算概率，即

式中，hmax定義物理跳數(shù)的最大可能數(shù)量，通常限制在6跳以內(nèi)。在一個物理網(wǎng)絡(luò)中沒有進行適應(yīng)的重疊網(wǎng)平均路徑長度可計算如下：

因此，如果假定重疊網(wǎng)中最大為6跳，就能夠計算出在沒有適應(yīng)的重疊網(wǎng)的平均路徑長度為4.31物理跳。這意味著每條消息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸4.31次，這比MPP中一個適應(yīng)重疊網(wǎng)中更頻繁。在MPP中，每條重疊網(wǎng)消息通過一條物理線路僅一次，這是物理層和應(yīng)用層之間層間通信信道的結(jié)果，進而能夠得到信令流量的降低，這是因為沒有額外的存活消息是必要的。

4 結(jié)語

移動自組織網(wǎng)絡(luò)和P2P系統(tǒng)間存在著相似性，讓兩種處于不同層次的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密地結(jié)合起來，必須在P2P系統(tǒng)中作多方面地修改，才能使之在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。本文提出了在應(yīng)用層和路由層協(xié)議的層間互聯(lián)的應(yīng)用，大幅度地提高了移動自組織網(wǎng)絡(luò)上非結(jié)構(gòu)化P2P系統(tǒng)的性能，并用一個示例協(xié)議以分析性研究的方式進行了研究。

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