基于CAN覆蓋網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)配置同步技術(shù)

汪子涵 方濱興

摘 要：為了高效、可靠地完成各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置文件同步任務(wù)，設(shè)計(jì)了一種基于CAN覆蓋網(wǎng)絡(luò)的配置文件同步模型。為了適應(yīng)廣播應(yīng)用，優(yōu)化了CAN覆蓋網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)制，包括節(jié)點(diǎn)加入退出機(jī)制以及失效恢復(fù)機(jī)制。優(yōu)化后的CAN網(wǎng)絡(luò)空間劃分更均勻，失效恢復(fù)速度更快，網(wǎng)絡(luò)的健壯性更強(qiáng)。另外，和傳統(tǒng)的樹(shù)狀分發(fā)模型相比，該配置同步模型具有較好的擴(kuò)展性和低延遲性，配置同步所產(chǎn)生的下載流量不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而線性增加。

關(guān)鍵詞：分布式系統(tǒng)；文件同步；CAN；P2P

中圖分類號(hào)：TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）04-

Network Configuration Synchronization Technology based on CAN Overlay Network

WANG Zihan1 ， FANG Binxing2

（1 School of Computer Science and Technology， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China； 2 Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876，China）

Abstract： In order to accomplish the synchronization tasks of each network node， a synchronization model based on CAN overlay network is designed. In order to adapt to broadcast applications， the implementation mechanism of CAN overlay network is optimized， including the node joining mechanism and the failure recovery mechanism. In the optimized CAN network， space division is more uniform， the failure recovery speed is faster， and the network's robustness is stronger. Compared with the traditional tree distribution model， the configuration synchronization model has good scalability and low delay. The download traffic generated by the synchronization will not increase linearly with the number of nodes.

Keywords： Distributed System； Configuration Synchronization； CAN； P2P

0 引 言

近年來(lái)，各種大型的任務(wù)或系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)，方興未艾。在這些系統(tǒng)或任務(wù)中，各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)往往較為分散，因此，網(wǎng)絡(luò)配置同步技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的配置同步技術(shù)主要為樹(shù)狀分發(fā)模型和層次分發(fā)模型，在這兩種模型中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入退出對(duì)系統(tǒng)整體影響較大[1-2]，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加或配置文件較大時(shí)，下載節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生流量瓶頸。在本文中，即對(duì)CAN的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了仿真，從仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的CAN網(wǎng)絡(luò)更有利于廣播應(yīng)用，最后，本文給出一種基于CAN覆蓋網(wǎng)絡(luò)的配置同步模型。

1相關(guān)研究工作以及背景知識(shí)

1.1 CAN網(wǎng)絡(luò)

CAN[3]（content addressable network）是分布式哈希表（distributed sloppy hash table）技術(shù)的一種，CAN節(jié)點(diǎn)的加入過(guò)程主要為：節(jié)點(diǎn)自舉、獲取區(qū)域、更新路由表。

在節(jié)點(diǎn)自舉時(shí)，節(jié)點(diǎn)A向DNS服務(wù)器請(qǐng)求已經(jīng)存在于CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)IP信息。之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇一個(gè)引導(dǎo)點(diǎn)B，引導(dǎo)點(diǎn)B將join消息路由到區(qū)域中包含目標(biāo)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)C將部分區(qū)域轉(zhuǎn)交給節(jié)點(diǎn)A。CAN機(jī)制規(guī)定節(jié)點(diǎn)需定期向自身鄰居發(fā)送探測(cè)消息，當(dāng)鄰居感知到節(jié)點(diǎn)A而將節(jié)點(diǎn)A補(bǔ)充至自身的鄰居表后，節(jié)點(diǎn)A便真正加入到了CAN網(wǎng)絡(luò)中。

1.2 CAN最小冗余度廣播

和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)樹(shù)策略需要存儲(chǔ)全局節(jié)點(diǎn)信息不同，CAN網(wǎng)絡(luò)只需要借助鄰居節(jié)點(diǎn)信息就可以實(shí)現(xiàn)最小冗余度廣播[4]。在CAN最小冗余度廣播中，消息傳遞方式如下[4]：

（1） 源節(jié)點(diǎn)將廣播消息發(fā)送給其所有鄰居（泛紅法）；

（2） 節(jié)點(diǎn)會(huì)將從自身在第i維相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)收到的廣播消息轉(zhuǎn)發(fā)給和自己在第1，…，（i – 1）維相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)和在第i維相反方向相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)；

（3） 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)已經(jīng)收到消息的序列號(hào)，節(jié)點(diǎn)不會(huì)再次廣播已經(jīng)收到的相同消息。

2 CAN優(yōu)化機(jī)制

2.1 CAN廣播性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)考慮面向P2P的CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，研究主要關(guān)注的是CAN的資源定位能力、查詢資源開(kāi)銷和負(fù)載均衡等問(wèn)題[5-7]，但在考慮面向廣播的CAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將更多關(guān)心的則是CAN網(wǎng)絡(luò)的廣播能力。在本文中，相應(yīng)定義了衡量CAN廣播性能的間接評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體描述為空間劃分均勻度、節(jié)點(diǎn)空間度、GNP坐標(biāo)偏移度以及節(jié)點(diǎn)失效恢復(fù)能力。

在此，給出重點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的技術(shù)含義，分別是：節(jié)點(diǎn)空間度為節(jié)點(diǎn)擁有的空間區(qū)域數(shù)量。偏移距離為節(jié)點(diǎn)區(qū)域的中心位置與節(jié)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)的距離，GNP坐標(biāo)偏移度為偏移距離與區(qū)域最大邊長(zhǎng)的比值。在構(gòu)建CAN覆蓋網(wǎng)時(shí)，GNP思想[8]可以有效降低覆蓋網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的傳輸延遲，但基于霍夫曼思想的節(jié)點(diǎn)退出策略將會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的GNP坐標(biāo)產(chǎn)生較大偏移，嚴(yán)重降低CAN的廣播效率。在一個(gè)系統(tǒng)中，意外恢復(fù)機(jī)制尤為重要[9-10]，而且在CAN網(wǎng)絡(luò)中，失效區(qū)域會(huì)對(duì)最小冗余度廣播造成截?cái)嘤绊憽?/p>

2.2 CAN節(jié)點(diǎn)加入退出機(jī)制

基于霍夫曼機(jī)制的加入退出機(jī)制[3]可以有效減少區(qū)域碎片，但是該機(jī)制過(guò)分依賴于霍夫曼編碼信息，導(dǎo)致CAN系統(tǒng)非常脆弱，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效時(shí)，霍夫曼策略的恢復(fù)周期較長(zhǎng)。另外，遞歸查找可合并區(qū)域的策略將會(huì)造成嚴(yán)重的GNP坐標(biāo)偏移現(xiàn)象。

在本文中，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了消息重定向機(jī)制，該機(jī)制主要面向join消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)判斷join消息的目標(biāo)點(diǎn)在自身負(fù)責(zé)的區(qū)域內(nèi)，就會(huì)繼而判斷是否存在空間度或區(qū)域面積較大的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果存在，則將join消息重定向到空間度或區(qū)域面積最大的鄰居節(jié)點(diǎn)（向該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送join_redirect消息）。收到j(luò)oin_redirect消息的節(jié)點(diǎn)不能再次重定向。另外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)退出時(shí)，節(jié)點(diǎn)不會(huì)迭代尋找可合并區(qū)域，而是將區(qū)域信息遞交給自己的某個(gè)鄰居。

2.3 CAN節(jié)點(diǎn)失效恢復(fù)機(jī)制

這里，首先定義了恢復(fù)服務(wù)器?；謴?fù)服務(wù)器用于保存節(jié)點(diǎn)區(qū)域與CAN邊界重合的節(jié)點(diǎn)。該服務(wù)器既可作為DNS服務(wù)器，也可用于失效區(qū)域恢復(fù)。另外，相繼引出區(qū)域貢獻(xiàn)值的概念：如果區(qū)域A在區(qū)域B的缺失區(qū)域的非缺失維度上與區(qū)域B存在交集，那么在沿著區(qū)域B的缺失區(qū)域方向，區(qū)域A距離缺失區(qū)域基準(zhǔn)坐標(biāo)的最短距離即為區(qū)域A對(duì)區(qū)域B的缺失區(qū)域的貢獻(xiàn)值。貢獻(xiàn)值小于0也被視為不存在貢獻(xiàn)值。

圖1失效區(qū)域示意圖

Fig.1 Schematic diagram of failure zone

在圖1中，節(jié)點(diǎn)L存在一個(gè)缺失區(qū)域，缺失區(qū)域的方向?yàn)?（x正方向），非缺失維度為y軸方向，缺失區(qū)域的基準(zhǔn)坐標(biāo)為15，空間G對(duì)空間L的缺失區(qū)域貢獻(xiàn)值為25（40 - 15），空間A、M、H不存在對(duì)空間L的缺失區(qū)域的貢獻(xiàn)值。

2.3.1 廣播搜索策略

啟動(dòng)廣播搜索策略時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)設(shè)定消息的TTL值，再將廣播消息發(fā)送給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)。當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)收到廣播消息時(shí)，就會(huì)將自身的區(qū)域和鄰居信息發(fā)送給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。如果消息的TTL大于零，節(jié)點(diǎn)將消息的TTL減1，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該消息到鄰居節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)收到回復(fù)消息時(shí)，原始請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷消息中包含的區(qū)域A對(duì)缺失區(qū)域的貢獻(xiàn)值，如不存在貢獻(xiàn)值，則忽略此消息。否則，節(jié)點(diǎn)會(huì)判斷區(qū)域A是否存在比自身的貢獻(xiàn)值更小的鄰居區(qū)域，如果存在，則忽略此消息，若不存在，則進(jìn)行恢復(fù)工作。

如圖1所示，當(dāng)L收到節(jié)點(diǎn)P的回復(fù)消息時(shí)，由于P存在比自身區(qū)域貢獻(xiàn)值更小的鄰居節(jié)點(diǎn)X，則忽略該消息，當(dāng)L收到節(jié)點(diǎn)X的回復(fù)消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)L便可恢復(fù)空間（15，30，20，25）。在此，明確規(guī)定，節(jié)點(diǎn)只能恢復(fù)方向?yàn)?（x軸正方向）的缺失區(qū)域，這樣可以有效避免恢復(fù)缺失區(qū)域造成的區(qū)域重復(fù)問(wèn)題。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)G啟動(dòng)廣播搜索策略時(shí)，由于在缺失區(qū)域的方向不存在區(qū)域貢獻(xiàn)值大于零的區(qū)域，因此廣播搜索策略失敗。另外，由于我們規(guī)定了廣播消息的TTL值，在圖1中，如果所規(guī)定的TTL最大值為4，節(jié)點(diǎn)L便無(wú)法感知到節(jié)點(diǎn)X和Y，因此無(wú)法恢復(fù)失效區(qū)域。

3.3.2 迭代搜索策略

當(dāng)節(jié)點(diǎn)M啟動(dòng)迭代搜索策略時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先請(qǐng)求恢復(fù)服務(wù)器是否存在對(duì)當(dāng)前缺失區(qū)域的貢獻(xiàn)值大于零的邊界區(qū)域，在圖1中，恢復(fù)服務(wù)器返回的消息為空，這時(shí)節(jié)點(diǎn)M便可恢復(fù)區(qū)域（45，50，25，40）。當(dāng)恢復(fù)服務(wù)器的返回消息中包含對(duì)當(dāng)前缺失區(qū)域的貢獻(xiàn)值大于零的邊界區(qū)域時(shí)（此情況由區(qū)域大面積失效所致），同時(shí)當(dāng)節(jié)點(diǎn)L啟動(dòng)迭代搜索策略時(shí)，恢復(fù)服務(wù)器會(huì)將節(jié)點(diǎn)G的信息返回給節(jié)點(diǎn)L，由于節(jié)點(diǎn)G存在區(qū)域貢獻(xiàn)值更小的鄰居節(jié)點(diǎn)P和Q，因此，節(jié)點(diǎn)L會(huì)忽略節(jié)點(diǎn)G的信息，進(jìn)而繼續(xù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)P和節(jié)點(diǎn)Q。最終，當(dāng)節(jié)點(diǎn)L收到節(jié)點(diǎn)X和節(jié)點(diǎn)Y的返回消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)便可完成失效區(qū)域恢復(fù)工作。

3 CAN算法模擬與分析

3.1 空間劃分均勻度

在基于消息重定向的輪轉(zhuǎn)劃分策略中，100個(gè)節(jié)點(diǎn)加入CAN網(wǎng)絡(luò)，理想情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該接管整體空間的百分之一，研究中稱此區(qū)域大小為理想?yún)^(qū)域大小，圖2中的橫坐標(biāo)代表當(dāng)前區(qū)域大小和理想?yún)^(qū)域大小的比值，縱坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖2基于消息重定向的區(qū)域劃分統(tǒng)計(jì)圖

Fig.2 Regional division statistics based on message redirection

由圖2可以看出，比值在0.4～1.7之間的區(qū)域幾乎占據(jù)整體的99%，而且網(wǎng)絡(luò)中幾乎不存在比值大于3的區(qū)域，這即良好充分地保證了網(wǎng)絡(luò)廣播的效率。

3.2 節(jié)點(diǎn)空間度

在空間度測(cè)試中，100個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到系統(tǒng)中，其中，10個(gè)節(jié)點(diǎn)中途失效，10個(gè)節(jié)點(diǎn)中途退出，最后，20個(gè)節(jié)點(diǎn)重新加入到網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表1節(jié)點(diǎn)空間度

Tab.1 Node space degree

空間度 節(jié)點(diǎn)數(shù)量

1 92

2 8

由表1所示，空間度為1的節(jié)點(diǎn)占所有節(jié)點(diǎn)的92%，由統(tǒng)計(jì)信息可知，本文提出的基于消息重定向的節(jié)點(diǎn)加入退出機(jī)制可以有效降低節(jié)點(diǎn)的空間度，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)加入退出頻繁時(shí)，該方法能全面控制節(jié)點(diǎn)擁有的空間數(shù)量。

3.3 GNP坐標(biāo)偏移度

在GNP坐標(biāo)偏移度測(cè)試中，100個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到系統(tǒng)中，其中，30個(gè)節(jié)點(diǎn)中途退出。圖3為基于消息重定向機(jī)制的GNP坐標(biāo)偏移度統(tǒng)計(jì)圖，橫軸代表節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)偏移度，縱軸代表相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖3 GNP坐標(biāo)偏移度

Fig.3 Coordinate offset degree

由圖3可以看出，系統(tǒng)中并不存在GNP坐標(biāo)偏移很大的節(jié)點(diǎn)，因此，本文的消息重定向機(jī)制可以很好地控制節(jié)點(diǎn)間的通信延遲。

3.4 失效恢復(fù)能力

在測(cè)試失效恢復(fù)能力時(shí)，加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100，為了更全面地反映系統(tǒng)的失效處理能力，分別統(tǒng)計(jì)10、20、40個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效的區(qū)域恢復(fù)情況，具體情況如圖4所示。

圖4 失效恢復(fù)示意圖

Fig.4 Schematic diagram of failure recovery

在圖4中，規(guī)定橫坐標(biāo)為時(shí)間步step，開(kāi)始時(shí)，設(shè)定的節(jié)點(diǎn)集體失效，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到失效區(qū)域的持續(xù)時(shí)間超過(guò)給定閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)廣播搜索策略，到第9個(gè)時(shí)間步時(shí)，廣播搜索策略結(jié)束。當(dāng)失效節(jié)點(diǎn)數(shù)為20和40時(shí)，系統(tǒng)中依然存在廣播搜索策略不能處理的情況，到第11個(gè)時(shí)間步時(shí)，迭代搜索策略啟動(dòng)，進(jìn)而完成恢復(fù)工作。

通過(guò)圖4可得到如下信息，廣播搜索策略可以快速地對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)，當(dāng)存在不能恢復(fù)的區(qū)域時(shí)，則通過(guò)啟動(dòng)迭代搜索策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的恢復(fù)。對(duì)于廣播搜索策略和迭代搜索策略來(lái)說(shuō)，缺失區(qū)域的恢復(fù)是并發(fā)進(jìn)行的，因此，缺失區(qū)域的恢復(fù)速度較快。

4 基于CAN覆蓋網(wǎng)的配置同步模型

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

模型主要包括下載服務(wù)器和分布式節(jié)點(diǎn)兩部分，下載服務(wù)器負(fù)責(zé)提供配置文件下載服務(wù)，分布式節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向下載服務(wù)器請(qǐng)求配置更新文件。

4.2 配置下載算法

分布式節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地向下載服務(wù)器發(fā)送探測(cè)消息，判斷是否存在新的配置文件，如果存在新的文件，則節(jié)點(diǎn)會(huì)將配置文件下載信息添加到下載列表中，在文件下載和廣播過(guò)程中，采取分片策略，片段大小由具體的程序決定。

在本文的程序?qū)崿F(xiàn)中，具體采用fileInfor表示文件信息，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：

class fileInfor

{ char fileName[MAXFILESIZE]；

unsigned int totalDownloadTime；

unsigned int downloadNum；

unsigned int downloadCount；

unsigned int currentDownloadPerNum；

unsigned int broadcastNum；

unsigned int lastTime；

unsigned int threshold

unsigned int wait； }；

綜上所示，totalDownloadTime代表下載文件消耗的總時(shí)間，downloadNum代表下載文件片段的總數(shù)，downloadCount為啟動(dòng)下載的次數(shù)，currentDownloadPerNum代表每次下載多少個(gè)文件片段，broadcastNum代表廣播方式接收到的文件片段數(shù)量，lastTime表示上次收到文件片段的時(shí)間，threshold為門(mén)限值，waitNum為等待時(shí)間片數(shù)量。本文的下載算法的偽代碼如下：

Begin

for p fileDownloadList do

if（ （ p.downloadCount <= 0 ） || （ p.downloadNum <= 0 ） then

downloadFilePiece（p.currentDownloadPerNum）；

endif

Else

tmp = lastTime + wait * p.totalDownloadTime / p.downloadNum；

if（ tmp > time（） ） then

if（ p.broadcastNum / p.downloadCount < p.threshold ） then

p.currentDownloadPerNum++；

endif

if（ p.broadcastNum / p.downloadCount > p.threshold ） then

p.currentDownloadPerNum--；

endif

downloadFilePiece（p.currentDownloaPerNum）；

endif

endElse

endfor

End

下載算法的核心作用在于協(xié)調(diào)兩種數(shù)據(jù)來(lái)源的關(guān)系，該算法會(huì)最低限度地使用下載通道，同時(shí)該算法還能夠保證在分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)文件同步的高效性，具體體現(xiàn)在每次啟動(dòng)下載時(shí)，下載片段的數(shù)量均會(huì)根據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)收到的片段數(shù)量與系統(tǒng)下載的次數(shù)而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種利用CAN覆蓋網(wǎng)進(jìn)行配置同步的方法，并針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的加入退出機(jī)制和失效恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的CAN網(wǎng)絡(luò)更有利于廣播應(yīng)用。同時(shí)，本文提出了一種多點(diǎn)下載/多點(diǎn)廣播的同步模型，該模型的優(yōu)點(diǎn)主要有：模型的擴(kuò)展性較好，當(dāng)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)較多或配置文件較大時(shí)，配置同步的數(shù)據(jù)來(lái)源主要為廣播數(shù)據(jù)，這即有效降低了下載服務(wù)器的帶寬壓力。另外，模型的效率較高，當(dāng)分布式節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，模型能有效感知到廣播流量與下載流量的比例，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下載流量。

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