基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P信息共享系統(tǒng)研究＊

周廣新，唐九陽，張 揚(yáng)

（1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)訓(xùn)練部，湖南 長沙 410073）；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410073）；3.長沙師范?？茖W(xué)校辦公室，湖南 長沙 410073）

1 引言

信息系統(tǒng)隨著數(shù)據(jù)量的增大對擴(kuò)展性、健壯性、可靠性以及容錯(cuò)性的要求越來越高，傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)由于對中心服務(wù)器的依賴，存在瓶頸與單點(diǎn)失效的問題，已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)有的需求，信息組織管理與查詢檢索越來越趨向于分布式結(jié)構(gòu)［1］。作為分布式計(jì)算的一種新模式，P2P強(qiáng)調(diào)在不需要服務(wù)中介的條件下，通過系統(tǒng)間的直接交互實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源和服務(wù)的共享，P2P以其非集中式控制、自適應(yīng)性良好、擴(kuò)展性好、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)滿足了大規(guī)模信息共享的需要，并在文件共享、協(xié)同工作、實(shí)時(shí)通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2］。

目前，大部分P2P 應(yīng)用分別采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)［3，4］。結(jié)構(gòu)化拓?fù)湓诳蓴U(kuò)展性以及精確定位等方面具有天然的優(yōu)勢，然而其缺乏對部分匹配或模糊查詢的有效支持，限制了它在信息共享中的應(yīng)用；非結(jié)構(gòu)化拓?fù)涞膽?yīng)用包括為數(shù)眾多的文件共享領(lǐng)域，但由于該結(jié)構(gòu)缺乏對資源的有效組織，使得資源搜索的盲目性較大，存在系統(tǒng)資源利用率低下和網(wǎng)絡(luò)難以擴(kuò)展的問題。

文獻(xiàn)［5］首次提出了語義覆蓋網(wǎng)的概念。建立語義覆蓋網(wǎng)的根本目的是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的組織，將包含同類信息的節(jié)點(diǎn)組織成聚類，在進(jìn)行資源檢索的時(shí)候只要找到一個(gè)聚類就可以進(jìn)行聚類內(nèi)的檢索，提高了資源檢索的效率。從信息共享應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的地位來看，現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于節(jié)點(diǎn)具有相同能力和責(zé)任的假設(shè)，節(jié)點(diǎn)的地位完全對等。實(shí)際上，節(jié)點(diǎn)間存在很強(qiáng)的異構(gòu)性，包括能力異構(gòu)和行為異構(gòu)［6，7］。現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不加區(qū)分地賦予所有節(jié)點(diǎn)相同的拓?fù)渚S護(hù)、路由以及與應(yīng)用相關(guān)的索引、搜索等責(zé)任，造成的問題是，拓?fù)渲小昂谩钡墓?jié)點(diǎn)無法充分發(fā)揮其可能的潛力，而“差”的節(jié)點(diǎn)往往承擔(dān)了超出其能力的責(zé)任，無法通過有效利用節(jié)點(diǎn)的差異提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率。

結(jié)合傳統(tǒng)集中式網(wǎng)絡(luò)易于管理與分布式網(wǎng)絡(luò)具有良好的區(qū)域自治、負(fù)載平衡以及健壯性的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P 信息共享系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)中的信息資源進(jìn)行聚類劃分主題域，然后依照節(jié)點(diǎn)的能力進(jìn)行分層次組織，建立了一個(gè)具有分層分布式結(jié)構(gòu)、高度可擴(kuò)展性和魯棒性以及可靠服務(wù)質(zhì)量的P2P 信息共享系統(tǒng)架構(gòu)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)運(yùn)行流程。該系統(tǒng)具有支持語義豐富的信息共享、可擴(kuò)展性好等特性，能有效優(yōu)化系統(tǒng)性能并高效滿足用戶需求。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

為了保證信息資源組織的靈活性、易擴(kuò)展性和健壯性，以及信息資源發(fā)現(xiàn)的高效性、可靠性，設(shè)計(jì)了一種基于語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)的信息共享體系框架，如圖1所示。信息提供者將發(fā)布的各類信息資源基于元數(shù)據(jù)描述注冊到信息服務(wù)中心，語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層對分布在不同服務(wù)中心的信息資源進(jìn)行有效組織，信息用戶通過發(fā)現(xiàn)、查詢或訂閱等方式獲取所需信息資源。

Figure 1 Architecture of system圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P信息共享體系結(jié)構(gòu)共劃分為四層：資源層、信息服務(wù)中心層、語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 資源層

資源層由信息源節(jié)點(diǎn)組成，信息資源存儲(chǔ)在信息源層，信息資源具有異構(gòu)性和多樣性的特點(diǎn)。各信息源的信息資源基于元數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行描述和封裝。提供相應(yīng)的封裝器，對信息源進(jìn)行封裝和存取訪問。信息源的信息資源通過元數(shù)據(jù)注冊發(fā)布到特定的信息服務(wù)中心。

2.2 信息服務(wù)中心層

信息服務(wù)中心層由信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)組成。信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行信息組織與管理的核心，完成對信息資源元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，并提供信息服務(wù)能力。各自自治的信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)對等網(wǎng)絡(luò)，提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同節(jié)點(diǎn)之間的信息資源存儲(chǔ)、交互、通信與協(xié)作機(jī)制。服務(wù)中心對外與其它服務(wù)中心協(xié)作完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)、資源全局范圍內(nèi)的組織，從而提供高效的信息資源發(fā)現(xiàn)、查詢和訂閱／分發(fā)服務(wù)；對內(nèi)進(jìn)行局部的信息組織管理，負(fù)責(zé)維護(hù)和管理一組注冊上來的信息資源，提供隸屬信息資源的注冊、維護(hù)和管理，并且通過信息源代理可以有效地監(jiān)控局部范圍內(nèi)信息源的狀態(tài)和存取訪問所需的信息資源（如圖2所示）。

服務(wù)中心的具體功能描述如下：

Figure 2 Architecture of a peer圖2 信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

（1）服務(wù)中心負(fù)責(zé)所轄局部區(qū)域內(nèi)各類信息資源的注冊管理。各類信息源根據(jù)元數(shù)據(jù)規(guī)范對發(fā)布的信息資源的元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，注冊到相應(yīng)服務(wù)中心，服務(wù)中心通過對注冊資源的有效性驗(yàn)證和審核后，將相應(yīng)資源元數(shù)據(jù)添加到元數(shù)據(jù)庫。

（2）通過與其它服務(wù)中心協(xié)作進(jìn)行語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)維護(hù)。

（3）服務(wù)中心可以通過本地搜索引擎和遠(yuǎn)程搜索引擎，與其它服務(wù)中心協(xié)作來完成客戶的資源發(fā)現(xiàn)請求。

（4）服務(wù)中心能夠提供相應(yīng)訂閱／分發(fā)服務(wù)，這也是建立在資源發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上的。

由于各服務(wù)中心管理著一個(gè)局部范圍內(nèi)信息源的信息資源，在功能上是完全對等和自治的。不同服務(wù)中心可以根據(jù)自身管理注冊資源的內(nèi)容以及節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)延遲和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，自適應(yīng)地調(diào)整自己的鄰接拓?fù)鋪硖岣呔W(wǎng)絡(luò)效率、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

2.3 語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層

語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的核心，提供查詢路由服務(wù)。信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)間維護(hù)著一種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)和維護(hù)部分資源信息，而所有信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)又共同存儲(chǔ)并維護(hù)整個(gè)資源信息空間。語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層是在信息服務(wù)中心對等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建語義覆蓋拓?fù)?，形成信息服?wù)中心層信息資源的索引體系。

語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的所有信息服務(wù)中心節(jié)點(diǎn)依據(jù)自身能力進(jìn)行分級，劃分為超級節(jié)點(diǎn)SP（Super Peer）和普通節(jié)點(diǎn)CP（Common Peer）兩類，超級節(jié)點(diǎn)由網(wǎng)絡(luò)中主題相關(guān)度大、帶寬能力強(qiáng)、能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任。圖3示意了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)采用兩層體系結(jié)構(gòu)，下層是由所有普通節(jié)點(diǎn)經(jīng)信息聚類后構(gòu)成的各個(gè)主題域，稱之為主題域?qū)?；上層由主題域內(nèi)通過能力選舉產(chǎn)生的超級節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，稱之為主題索引層。

Figure 3 Semantic overlay network topology圖3 語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

主題域?qū)佑啥鄠€(gè)主題域組成。主題域是根據(jù)各節(jié)點(diǎn)包含的主題，將主題相似節(jié)點(diǎn)聚合到一起形成的。主題域的構(gòu)造過程是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造過程，同時(shí)也是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程［8］。

主題索引層由超級節(jié)點(diǎn)組成，超級節(jié)點(diǎn)之間根據(jù)一定的機(jī)制組織成一個(gè)非結(jié)構(gòu)化P2P 網(wǎng)絡(luò)，為下層提供主題索引服務(wù)。超級節(jié)點(diǎn)邏輯上位于主題域的中心，與主題域內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)距離最短，是主題域間的接口。由于該層中超級節(jié)點(diǎn)的加入和離開都會(huì)影響該層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，需要作適當(dāng)?shù)男迯?fù)操作，因此要求超級節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定得多。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)與用戶或應(yīng)用程序的交互，通過該層系統(tǒng)可以幫助用戶或應(yīng)用程序形成資源發(fā)現(xiàn)請求，對資源發(fā)現(xiàn)請求進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗髠鬟f給語義覆蓋網(wǎng)絡(luò)層，最后以適當(dāng)?shù)男问较蛴脩舴祷夭樵兘Y(jié)果。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)工作流程包括網(wǎng)絡(luò)自組織和資源發(fā)現(xiàn)兩個(gè)主要過程，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)自組織過程通過構(gòu)造語義覆蓋網(wǎng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌Y源發(fā)現(xiàn)過程則利用語義覆蓋網(wǎng)進(jìn)行資源檢索。網(wǎng)絡(luò)自組織是高效資源發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)，反過來資源發(fā)現(xiàn)又能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化，因此這兩個(gè)過程密切相關(guān)。

Figure 4 Process of information organization圖4 信息組織過程

3.1 網(wǎng)絡(luò)自組織過程

網(wǎng)絡(luò)自組織過程包括初始無序組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、容錯(cuò)處理這三個(gè)核心子過程，容錯(cuò)處理子過程與初始無序組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化過程同時(shí)發(fā)生。

在初始無序組網(wǎng)階段，節(jié)點(diǎn)是以一種無序的形式加入信息共享系統(tǒng)，最初加入系統(tǒng)的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被指定為超級節(jié)點(diǎn)，后加入的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇超級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。此時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请S機(jī)形成的無序網(wǎng)絡(luò)。

在節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量之后，系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，如圖5所示，主要通過對信息資源的內(nèi)容進(jìn)行聚類運(yùn)算，構(gòu)造出相關(guān)主題域，將資源相似節(jié)點(diǎn)聚集在同一主題域，主題域內(nèi)則選舉能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任超級節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理域內(nèi)成員，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)資源的有序組織。

Figure 5 Process of dynamic network optimization圖5 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化過程

由于系統(tǒng)允許各個(gè)節(jié)點(diǎn)自由加入、退出網(wǎng)絡(luò)，容錯(cuò)處理的目的在于避免由于節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入、退出引起的系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。容錯(cuò)處理的過程如圖6所示，主要是通過對各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確認(rèn)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，提供多種容錯(cuò)手段。

Figure 6 Fault tolerance process圖6 容錯(cuò)處理過程

3.2 資源發(fā)現(xiàn)過程

資源發(fā)現(xiàn)過程由用戶的查詢觸發(fā)，結(jié)束于向用戶返回查詢結(jié)果，其過程如圖7所示。首先將查詢條件與主題類別匹配，按照對應(yīng)的相似度算法，查找相關(guān)的主題域；然后將查詢條件投遞到這些主題域的超級節(jié)點(diǎn)，由超級節(jié)點(diǎn)發(fā)起域內(nèi)檢索，并將各節(jié)點(diǎn)返回的結(jié)果進(jìn)行合并，返回給用戶。

Figure 7 Process of information discovery圖7 資源發(fā)現(xiàn)過程

4 系統(tǒng)性能分析

對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能分析，所有實(shí)驗(yàn)在一臺PC機(jī)上完成，PC 機(jī)的配置為CPU P4 2.0GHz，內(nèi)存1GB，Windows XP sp2操作系統(tǒng)，仿真程序由Java編寫。

仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定文檔主題類別為16，每個(gè)類別中包含2 000篇文檔，共有32 000篇文檔；每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含的文檔數(shù)量為500篇，隨機(jī)選擇最多3個(gè)主題的文檔子集作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的文檔集合，保證其中有一個(gè)主題權(quán)重最高（大于60%）。

采用信息查全率Recall和信息共享系統(tǒng)中每個(gè)查詢平均需要處理的消息數(shù)Message＿Num 作為性能指標(biāo)。

信息查全率是衡量基于內(nèi)容檢索的重要指標(biāo)之一，它反映檢索到的文檔占所有相關(guān)文檔的比例。具體計(jì)算公式：

其中，Doc＿Numberrelevant是針對某個(gè)具體查詢，仿真系統(tǒng)中分布的所有相關(guān)文檔的集合；Doc＿Numberretrieved是實(shí)際搜索到的文檔集合。

每個(gè)查詢平均需要處理的消息數(shù)Message＿Num 反映了查詢的開銷，受查詢轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)影響，并且決定了被查詢節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。該項(xiàng)指標(biāo)主要通過仿真實(shí)驗(yàn)中每次查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到查詢消息的數(shù)量之和得到，具體計(jì)算公式為：

其中，Messagesi為每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一次查詢中收到的消息數(shù)，N 為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

設(shè)定系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 000，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照文獻(xiàn)［8］的聚類方法加入相應(yīng)的主題域，加入主題域的閾值設(shè)定為0.4。根據(jù)主題域的數(shù)量M＝1，16分別構(gòu)造兩種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其中主題數(shù)M＝1時(shí)，可以認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)未經(jīng)主題分類，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。在這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，分別運(yùn)行8組不同的查詢（每組8個(gè)），利用返回的查詢結(jié)果數(shù)量計(jì)算查全率，總共進(jìn)行16次實(shí)驗(yàn)獲取平均數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

可以看出，在基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P 信息共享系統(tǒng)中，文檔的查詢效率與查全率隨著主題域的劃分有明顯的提高，并且比較穩(wěn)定。圖8a和圖8b展示了在節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間TTL＝2、3時(shí)兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的查全率，其中M＝1時(shí)網(wǎng)絡(luò)的查全率較低，在TTL＝2時(shí)平均只有16%，在TTL＝3時(shí)也僅達(dá)到28%左右；而通過基于信息聚類的主題域構(gòu)造后，查全率明顯提高，TTL＝2時(shí)已經(jīng)達(dá)到43%，在TTL＝3時(shí)，平均查全率已經(jīng)達(dá)到80%。這是因?yàn)橥ㄟ^主題域的構(gòu)造，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的信息資源進(jìn)行了合理組織，將主題相似的節(jié)點(diǎn)聚合到了一起，在這些節(jié)點(diǎn)中找到與查詢相關(guān)的文檔的概率遠(yuǎn)大于隨機(jī)選擇的節(jié)點(diǎn)；其次，每個(gè)主題域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)小于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，在TTL＝3時(shí)，基本已經(jīng)遍歷了單個(gè)主題域中的所有節(jié)點(diǎn)，因此查全率較高。圖8c和圖8d中，在M＝16的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于構(gòu)造主題域之后單個(gè)主題域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)大約有60 個(gè)左右，在TTL＝2時(shí)，每個(gè)查詢引發(fā)的消息數(shù)為30～40條，大約遍歷了一半的域內(nèi)節(jié)點(diǎn)；而在TTL＝3時(shí)，消息數(shù)為60條左右，基本遍歷了所有域內(nèi)節(jié)點(diǎn)；而在M＝1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，TTL＝2 時(shí)，僅能遍歷10%不到節(jié)點(diǎn)，TTL＝3時(shí)，也才遍歷了30%左右的節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于語義覆蓋網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能有效提高系統(tǒng)性能。

5 結(jié)束語

Figure 8 Experimental results of system performance圖8 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于P2P的信息共享環(huán)境中全局信息的缺失引發(fā)網(wǎng)絡(luò)無序的問題，即節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)溥B接是隨機(jī)、無序的，節(jié)點(diǎn)資源相應(yīng)隨機(jī)散布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體性能低效。

結(jié)合集中式網(wǎng)絡(luò)易于管理與分布式網(wǎng)絡(luò)具有良好的區(qū)域自治、負(fù)載平衡以及健壯性的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。其中語義覆蓋網(wǎng)以主題域?yàn)榛具壿嫻芾韱挝?，將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解為若干個(gè)子區(qū)域，從而在提供高效資源定位的同時(shí)保持節(jié)點(diǎn)的自治性和系統(tǒng)自組織性；針對節(jié)點(diǎn)能力的異構(gòu)，將系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層，賦予高性能節(jié)點(diǎn)更多職責(zé)，能夠利用節(jié)點(diǎn)的差異提高網(wǎng)絡(luò)的性能。相應(yīng)分析表明，基于語義覆蓋網(wǎng)的P2P信息共享系統(tǒng)有效優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，可擴(kuò)展性好。

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