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    基于FM-Chord算法的天基分布式衛(wèi)星組網(wǎng)控制方法

    2018-03-01 03:27:45程學(xué)斐魯稼葦李靜林
    無線電工程 2018年3期
    關(guān)鍵詞:后繼路由表哈希

    程學(xué)斐,魯稼葦,李靜林

    (北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876)

    0 引言

    天地一體化網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、空間網(wǎng)絡(luò)為延伸,覆蓋太空、空中、陸地和海洋等自然空間,為天基、空基、陸基和?;雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒈U系幕A(chǔ)設(shè)施[1],由文獻(xiàn)[2-6]可知,天基網(wǎng)絡(luò)可采用低軌/中軌衛(wèi)星混合高軌衛(wèi)星組網(wǎng),由低軌/中軌衛(wèi)星提供地面站的接入,高軌衛(wèi)星提供業(yè)務(wù)載荷,且分布式星群網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢,因此在高軌衛(wèi)星部分,可采用P2P分布式網(wǎng)絡(luò),并使用Chord[7]算法對其業(yè)務(wù)載荷的存儲和查詢提供支持。

    目前分布式P2P網(wǎng)絡(luò)普遍使用Chord算法和Pastry算法[8],分布式P2P網(wǎng)絡(luò)起源于有線網(wǎng)絡(luò),因此將其運(yùn)用于無線網(wǎng)絡(luò)中時(shí),存在一些問題[9],如節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡、資源快速查詢以及路由快速收斂問題。文獻(xiàn)[10-11]分別提出了一種動態(tài)反饋機(jī)制和一種選擇后繼節(jié)點(diǎn)的啟發(fā)式算法,以改善P2P分布式網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡問題。文獻(xiàn)[12-13]分別提出了“鄰居表”這一概念,以及一種基于蟻群優(yōu)化算法和雙向路由查詢算法的Chord改進(jìn)算法,以提高查詢速率;文獻(xiàn)[14]在Chord算法基礎(chǔ)上提出了一種新的加入算法,以減少節(jié)點(diǎn)加入離開造成的維護(hù)開銷。

    然而先前的研究忽略了Chord算法中finger表冗余而造成的高頻率維護(hù)問題。本文結(jié)合骨干衛(wèi)星總數(shù)目變動少、衛(wèi)星運(yùn)動具有一定周期性的特點(diǎn),提出快速維護(hù)Chord算法(Fast-Maintain Chord,F(xiàn)M-Chord)。FM-Chord算法在對路由節(jié)點(diǎn)維護(hù)的過程中,結(jié)合所計(jì)算的冗余臨界點(diǎn),對節(jié)點(diǎn)的路由表更新,從而減小路由信息維護(hù)的頻度,縮短路由信息維護(hù)的同步時(shí)間。

    1 FM-Chord算法

    1.1 算法改進(jìn)基本思想

    在分布式P2P網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點(diǎn)保存一個長度為Ο(lbn)的不同跳數(shù)與后繼節(jié)點(diǎn)的映射表[15]。Chord算法通過一致性哈希將資源和主機(jī)映射到一維順時(shí)針Chord環(huán)上[16],通過類似于二分查找的方式[17],實(shí)現(xiàn)資源的定位和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)。

    本文提出的FM-Chord算法相對于Chord算法存在以下2處應(yīng)加以改進(jìn):

    ① 在路由信息映射表的維護(hù)過程中,記錄歷史路由信息,并在此基礎(chǔ)上對其鄰居進(jìn)行試探,判斷其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的哈希值與路由表項(xiàng)的跳數(shù)的映射關(guān)系,該方法可以避免路由維護(hù)對數(shù)級復(fù)雜度的重復(fù)定位,加快路由維護(hù)的過程。

    ② 通過計(jì)算路由信息的冗余臨界點(diǎn),在路由維護(hù)過程中跳過不必要的路由維護(hù)過程,避免對整個路由表進(jìn)行維護(hù),減輕路由維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

    改進(jìn)的Chord算法可以加快路由維護(hù)過程,故稱其為快速維護(hù)Chord(FM-Chord)算法。算法分為冗余臨界點(diǎn)計(jì)算算法和路由維護(hù)改進(jìn)算法。

    1.2 冗余臨界點(diǎn)計(jì)算算法

    冗余性是指Chord的Finger表中存在無用項(xiàng),那些處在NodeN和其successor之間的項(xiàng)均無意義,因?yàn)檫@些項(xiàng)所代表的successor不存在。適當(dāng)?shù)娜哂嘈畔⒖梢蕴岣逤hord網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,過大的冗余信息會降低空間存儲的效率,減低資源查找的效率[18]。Chord網(wǎng)絡(luò)冗余示意圖如圖1所示。

    圖1 Chord網(wǎng)絡(luò)冗余示意

    假設(shè)Chord環(huán)的大小為N=2m,節(jié)點(diǎn)數(shù)為n=2r,Chord算法默認(rèn)使用SHA-1進(jìn)行對節(jié)點(diǎn)和資源的一致性哈希,由于SHA-1算法的效果,節(jié)點(diǎn)與資源是均勻分布在Chord環(huán)上,節(jié)點(diǎn)之間的平均距離是2m/2r,只要路由的任意2跳數(shù)在同一等分范圍內(nèi),它們的映射節(jié)點(diǎn)就會相同,則可得出任一節(jié)點(diǎn)N的Finger表中的前i項(xiàng)為冗余的條件為:

    (1)

    化簡得i<=m-r+1,即當(dāng)i<=m-r+1時(shí)有冗余。并且,資源數(shù)目往往遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)數(shù)目,即m>>r,故Chord會存在很多的冗余信息。優(yōu)化路由表信息的查找過程,可以解決該冗余問題。

    資源查找:當(dāng)掃描某一衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)N的路由表時(shí),先掃描路由節(jié)點(diǎn)的第一項(xiàng)(即跳數(shù)為N+20),查詢其映射節(jié)點(diǎn),假設(shè)為K,那么在后續(xù)的掃描中,可以直接跳過后續(xù)的若干項(xiàng),直接查詢跳數(shù)大于K的第一項(xiàng),即直接跳轉(zhuǎn)到項(xiàng)數(shù)為next的項(xiàng),進(jìn)行后續(xù)的查找,其中next求解為:

    (2)

    路由表更新:當(dāng)更新某一節(jié)點(diǎn)N的路由表時(shí),先更新路由表的第一項(xiàng),更新其節(jié)點(diǎn)為K,那么同理,可以一次性地將所有next項(xiàng)之前的映射節(jié)點(diǎn)置為K。

    節(jié)點(diǎn)加入或退出:當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)N加入或退出時(shí),在向其路由表內(nèi)的映射節(jié)點(diǎn)推送節(jié)點(diǎn)加入更新時(shí),只需對第一項(xiàng)和從next開始的后續(xù)項(xiàng)的映射節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新消息。

    1.3 路由維護(hù)改進(jìn)算法

    路由表更新考慮2種情形:節(jié)點(diǎn)加入的影響和節(jié)點(diǎn)失聯(lián)或退出的影響。節(jié)點(diǎn)加入的主要影響是雖然過期路由表信息可達(dá),但是不能反映真實(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn)退出或失聯(lián)的主要影響是路由節(jié)點(diǎn)不可達(dá)。

    路由表維護(hù)需要對路由表項(xiàng)的每一項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行stabilize試探,試探的結(jié)果有2種可能:節(jié)點(diǎn)成功響應(yīng)或節(jié)點(diǎn)失聯(lián)。

    當(dāng)成功響應(yīng)時(shí),如果發(fā)送值小于接收點(diǎn)前驅(qū)值,則表示該接收節(jié)點(diǎn)是有效的路由節(jié)點(diǎn),返回該路由節(jié)點(diǎn);如果發(fā)送值大于等于接收點(diǎn)的前驅(qū)值,則表示有比該節(jié)點(diǎn)更合適的路由節(jié)點(diǎn),則向前驅(qū)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送值,以便讓前驅(qū)迭代查詢下去,最終返回合適的路由節(jié)點(diǎn)。

    當(dāng)超時(shí)而沒有成功響應(yīng)時(shí),表明接收節(jié)點(diǎn)失聯(lián)或退出后,沒有及時(shí)更新到發(fā)送點(diǎn)的路由表。這時(shí),向該節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求,查詢失聯(lián)節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。這會導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)對路由表中同一位置的路由項(xiàng)的更新,如此一直迭代下去,如果該節(jié)點(diǎn)是失聯(lián)節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn),則觸發(fā)節(jié)點(diǎn)失聯(lián)處理,直到找到失聯(lián)節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn),將該失聯(lián)節(jié)點(diǎn)的后繼值更新到檢查的路由項(xiàng)。

    算法前置定義:定義NodeX表示Chord節(jié)點(diǎn),其中X表示該節(jié)點(diǎn)的哈希值;定義映射fingerT:t→Y,其中t表示跳數(shù),Y表示跳數(shù)對應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)的哈希值,即fingerT(t)表示t的最近后繼節(jié)點(diǎn)的哈希值;定義映射precursor:NodeX→NodeY,precursor:NodeX→NodeY分別表示NodeX節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)和后繼;定義路由維護(hù)請求Stabilize,其中t表示維護(hù)的跳數(shù),d表示請求的目的節(jié)點(diǎn),響應(yīng)StabilizeAck,其中y表示更新的映射節(jié)點(diǎn);定義FindSucc,表示Chord算法的查詢,獲取t的最近后繼節(jié)點(diǎn)的哈希值。

    算法考慮情境:假設(shè)存在路由更新源節(jié)點(diǎn)NodeX,其中x表示其哈希值,現(xiàn)需要對該節(jié)點(diǎn)的m項(xiàng)路由表信息進(jìn)行維護(hù)??紤]第i項(xiàng)路由信息的維護(hù),其跳數(shù)為X+2i,i∈[0,m-1]。

    源節(jié)點(diǎn)NodeX處理過程:

    FORiIN[0,2,…,m-1]:#針對每一項(xiàng)路由表 t=X+2i#t表示跳數(shù) Y=fingerT(t)#讀取本地路由表查詢映射節(jié)點(diǎn) IFYISNONE:#若初始路由映射節(jié)點(diǎn)不存在: fingerT(t)=FindSucc(t)#查詢t的后繼節(jié)點(diǎn)并更新路由表 ELSE:#若映射信息已存在: 異步發(fā)消息Stabilize#異步發(fā)送路由維護(hù)消息 IF收到響應(yīng)StabilizeAck:#如果收到路由維護(hù)響應(yīng): fingerT(t)=y#更新第t項(xiàng)路由表 ELSEIF收到超時(shí)消息:#如果超時(shí): fingerT(t)=FindSucc(Y)#查詢失聯(lián)節(jié)點(diǎn)后繼節(jié)點(diǎn)并#更新第t項(xiàng)路由映射

    目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NodeY處理過程:

    收到Stabilize消息#接收到源節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)消息IFprecursor(NodeY)的哈希值#向該節(jié)點(diǎn)前驅(qū)轉(zhuǎn)發(fā)路由維護(hù)消息 IF收到響應(yīng)StabilizeAck:#如果收到路由維護(hù)響應(yīng): 響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)StabilizeAck#轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)消息 ELSEIF收到超時(shí)消息:#如果超時(shí):響應(yīng)StabilizeAck#直接響應(yīng)該節(jié)點(diǎn)哈希值

    2 算法性能分析

    2.1 FM-Chord算法復(fù)雜度分析

    FM-Chord算法利用了原有的歷史路由信息,優(yōu)化路由表維護(hù)過程。與傳統(tǒng)Chord算法相比,其路由維護(hù)階段某一項(xiàng)路由信息的維護(hù)復(fù)雜度由Ο(lbN)優(yōu)化到了Ο(k),其中k表示路由信息維護(hù)期間Chord環(huán)節(jié)點(diǎn)的變動數(shù)目(包括節(jié)點(diǎn)加入和退出),可近似看成常數(shù),其具體分析如下:

    ① 資源查找復(fù)雜度

    Ο(lbN)。

    (3)

    ② 單獨(dú)某一節(jié)點(diǎn)路由表所有項(xiàng)維護(hù)復(fù)雜度

    FM-Chord算法在維護(hù)路由表一致性時(shí),通過對每一路由表項(xiàng)歷史映射節(jié)點(diǎn)的查詢,確認(rèn)路由信息是否有效,以此更新路由表,維護(hù)路由表的一致性。在利用原有轉(zhuǎn)發(fā)信息的基礎(chǔ)上,對其前驅(qū)進(jìn)行試探,查看它是否更適合作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),最壞的情況是Ο(k),k表示同時(shí)加入或退出的節(jié)點(diǎn)??啥xChord環(huán)不同節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之間的距離為k,即表明與當(dāng)前狀態(tài)相比節(jié)點(diǎn)加入或退出的數(shù)目。由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)同時(shí)退出或加入的可能性很小,姑且認(rèn)為k為常數(shù),所以其復(fù)雜度可表示為Ο(1),而每個節(jié)點(diǎn)的路由表一共有m項(xiàng),所以更新某一節(jié)點(diǎn)的路由表所需要的時(shí)間為:

    Ο(m)。

    (4)

    ③ 節(jié)點(diǎn)加入到路由表完全一致過程的復(fù)雜度

    (5)

    ④ 節(jié)點(diǎn)主動退出到路由表完全一致過程的復(fù)雜度

    (6)

    ⑤ 點(diǎn)失聯(lián)到路由表完全一致過程復(fù)雜度

    (7)

    ⑥ 空間復(fù)雜度

    Ο(m×N)。

    (8)

    2.2 仿真結(jié)果分析

    考慮到高軌同步衛(wèi)星的分布式星群組網(wǎng)需求,分別對節(jié)點(diǎn)個數(shù)為2、4、8、16、32、64、96和128的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)查詢和路由維護(hù)一致性的模擬。

    衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源定位和查詢的平均跳數(shù)分析如圖2所示。從分析結(jié)果看,F(xiàn)M-Chord算法對于資源的定位和查詢有一定的改進(jìn),這是由于本改進(jìn)算法主要針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)路由維護(hù)頻繁的背景下提出的,針對節(jié)點(diǎn)的加入和退出過程中,路由信息一致性維護(hù)來進(jìn)行優(yōu)化,以減少衛(wèi)星間路由維護(hù)所造成的通信開銷。

    圖2 資源查詢平均跳數(shù)對比

    路由維護(hù)的平均跳數(shù)對比分析如圖3所示。在節(jié)點(diǎn)數(shù)相對較少時(shí),F(xiàn)M-Chord算法比傳統(tǒng)的Chord算法需要更多的跳數(shù)來維護(hù)路由一致性,這是由于FM-Chord算法需要針對歷史的節(jié)點(diǎn)路由信息進(jìn)行查詢和相應(yīng)的維護(hù),然后在此基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)。但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)相對較多的情況下,F(xiàn)M-Chord算法可以顯著提高路由維護(hù)的效率。

    圖3 路由維護(hù)平均跳數(shù)對比

    模擬實(shí)驗(yàn)表明,F(xiàn)M-Chord算法雖然在資源查詢上沒有顯著的優(yōu)化結(jié)果,但是在路由一致性維護(hù)上,在節(jié)點(diǎn)數(shù)相對較多時(shí)具有一定的優(yōu)化和提高,加快了路由的維護(hù)過程。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,Chord網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動具有規(guī)律性,衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)通過不斷加入Chord網(wǎng)絡(luò)來形成穩(wěn)定的天基組網(wǎng)結(jié)構(gòu),在節(jié)點(diǎn)加入過程中,需要針對路由信息進(jìn)行一致性的維護(hù),同時(shí)針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信不穩(wěn)定性,節(jié)點(diǎn)可能會在一定時(shí)間內(nèi)失聯(lián),此過程也需要Chord網(wǎng)絡(luò)的路由維護(hù)來實(shí)現(xiàn)其一致性。該算法可以提高此過程的維護(hù)效率,減少衛(wèi)星通信開銷。另一方面,該改進(jìn)算法保留了一致性哈希算法的特點(diǎn),將需要存儲的信息均衡分散到各個骨干接點(diǎn),降低了單個骨干接點(diǎn)的接入壓力和存儲開銷。

    3 結(jié)束語

    在天地一體化混合組網(wǎng)方案的前提下,通過FM-Chord算法對由高軌分布式星群組成的核心網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)。將業(yè)務(wù)載荷數(shù)據(jù)分布式存儲在多個衛(wèi)星上,并對接入骨干衛(wèi)星的接入衛(wèi)星提供相應(yīng)的查詢和更新功能。在傳統(tǒng)Chord算法的基礎(chǔ)上,結(jié)合衛(wèi)星總數(shù)變化小,衛(wèi)星移動具有周期性的特點(diǎn),對算法進(jìn)行改造,提供了良好的分布式存儲和查詢服務(wù),采用歷史數(shù)據(jù)作為路由信息的更新起點(diǎn),在一定程度上提高了路由維護(hù)的效率,加快了路由信息的收斂過程。同時(shí),針對Chord算法的冗余率大的問題,本文通過計(jì)算冗余信息的位置,在路由維護(hù)過程中,跳過冗余部分的路由維護(hù),進(jìn)一步提高了算法查詢和維護(hù)效率,降低了衛(wèi)星組網(wǎng)的存儲成本和時(shí)間成本,并通過仿真模擬,給出了相應(yīng)的資源定位和路由維護(hù)的對比分析,提出了一個相對合理的高軌衛(wèi)星分布式組網(wǎng)方案。

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    濾子與濾子圖
    基于OpenCV與均值哈希算法的人臉相似識別系統(tǒng)
    基于維度分解的哈希多維快速流分類算法
    基于新路由表的雙向搜索chord路由算法
    基于同態(tài)哈希函數(shù)的云數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證算法
    一種基于Bigram二級哈希的中文索引結(jié)構(gòu)
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