CN1691619A - 自组织网络的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自组织网络的实现方法，主要包括如下步骤：根据网络物理拓扑结构将网络划分成不同层次的自组织网络组群；确定对应所述不同层次自组织网络组群的相应聚集级数的聚集体，其中每一个聚集体对应一个逻辑命名空间的哈西环路；当网络节点动态加入或退出自组织网络时动态调整相应的哈西环路结构以实现网络重组织。本发明由于基于互联网底层物理拓扑结构建立并实现了用于数据保存和路由查询的哈西环路，可充分利用节点的网络邻近性和网络局域性特性，使网络的路由性能更好，数据查询效率更高；通过使用基于DHT的杂凑式路由算法，继承了结构化P2P覆盖层网络路由协议的所有优点，保证了网络的可扩展性。

Description

自组织网络的实现方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，尤指一种应用于互联网中的自组织网络的实现方法。

背景技术

Internet是一个计算机交互网络，又称网间网。它是一个全球性的巨大的计算机网络体系，把全球数万个计算机网络，数千万台主机连接起来，包含了难以计数的信息资源，向全世界提供信息服务。自组织网络技术则是NGN(下一代网络)技术研究领域的一项热点技术。在自组织网络中，每个节点的活动无需人工干预，它们可以快速自动组网，在网络拓扑发生改变时能够快速恢复和重建网络，图1是网络自组织过程的时间轴示意图，网络自组织过程分为网络初始化状态、稳定状态以及网络动态变化状态，其中网络初始化状态为网络构建和学习阶段进行网络初始化时的状态，稳定状态则为网络完成初始自组织阶段的状态，网络动态变化状态则为由于节点移动、节点或链路故障时网络重组织的状态。现有自组织网络一般基于无线移动网络，例如MANET(Mobile Ad hoc Network，无线自组织网络)，由于自组织网络中不具备类似于Internet的基础设施，因此现有自组织网络的网络构建并没有考虑网络底层结构，仅当网络拓扑发生变化时启动网络重组织机制，目前尚没有在互联网中应用的成熟的自组织网络技术方案。

另一方面，计算机对等互联网技术也是目前国际计算机网络技术领域的一个研究热点。P2P(对等网络***)***飞速发展成为Internet中最重要的应用***之一，当前P2P***产生的网络流量已经超过HTTP访问产生的网络流量，成为占据Internet带宽的首要应用。

目前应用的P2P网络架构有两种典型的代表，基于集中式目录结构和基于分布式定位方法的对等网络模型，它们分别以Napster和Gnutella为代表，在Napster模型中，一群高性能的中央服务器保存着网络中所有活动对等机的地址信息及其共享资源的目录信息。当需要查询某个文件时，对等机会向一台中央服务器发出文件查询请求，中央服务器进行相应的检索和查询后，会返回符合查询要求的对等机地址信息列表。该种模型因为依赖中央服务器而存在很多问题，其缺点主要表现如下：中央服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低。而且随着网络规模的扩大，对中央目录服务器进行维护和更新的费用将急剧增加，所需成本过高。

另一种是以Gnutella模型为代表的基于分布式的对等网络模型，克服了上述集中目录结构的对等网络模型的缺点，在Gnutella模型中并没有中央服务器，该模型中定位目标对等机或查询共享信息，源对等机等通过与相邻对等机之间的连接遍历整个网络体系。在搜寻数据时以扩散的方式将消息散布在网络上，这会造成消息的泛滥，也使得***的可扩展性无法提升。

为此，结构化覆盖网(Structured Overlay Network，SON)路由协议如CAN、Chord、Pastry和Tapestry所提出的P2P算法则为改善P2P网络的可扩展性而被提出。其改进主要在于利用杂凑(Hashing)的方式，将网络中的数据和节点运算成一个键值(Key)，并按照网络键值存放规则存放数据，也即将每个数据键值存放于哈西命名空间(Hash环)上沿顺时针方向第一个节点键值大于该数据键值的节点上，通过维护这种键值与节点的关系就可以有效完成数据的查找和维护，并通过将查询消息路由到目标数据键值存放的节点来完成对网络中数据资源的查找和定位。但由于这些P2P计算模式并没有考虑互联网网络的实际拓扑结构，因而即使是实际拓扑结构中邻近的两个节点却有可能因为杂凑的结果，必须经过很长的搜寻路径才能取得数据，以Chord为例，网络统计调查结果表明，该***通过Hash算法进行节点IP地址到节点Id号(Identifier)的映射，导致了在Hash环中非常邻近的两个节点却有可能在实际网络拓扑中相距很远；而在实际网络中相距很远的节点经过Hash算法映射却可能成为Hash环中非常邻近的两点。上述问题大大降低了P2P计算模式在实际网络应用中的查询效率和性能，例如导致物理距离非常邻近的两点，可能需要在Internet中绕一大圈才能够彼此到达对方。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种路由性能好、数据查询效率高的自组织网络的实现方法，以进一步改进现有自组织网络的性能。

为解决上述问题，本发明的自组织网络的实现方法，主要包括如下步骤：

a、根据网络物理拓扑结构将网络划分成不同层次的自组织网络组群；

b、确定对应所述不同层次自组织网络组群的相应聚集级数的聚集体，其中每一个聚集体对应一个逻辑命名空间的哈西环路；

c、当网络节点动态加入或退出自组织网络时动态调整相应的哈西环路结构以实现网络重组织。

其中，步骤a具体包括：

根据网络实际规模大小和物理拓扑结构确定自组织网络组群层数；

将物理距离较近的网络节点划分为同一个自组织网络组群，并根据该网络节点加入自组织网络的先后顺序以及物理位置确定该自组织网络组群的分级代理；

将相同层次的分级代理及其组群成员划分为上一层组群的成员节点并确定相应层次的分级代理，若划分到自组织网络顶层组群并确定了相应顶层组群的分级代理则划分结束，否则继续划分。

其中，步骤b具体包括：

b1、将每个分级代理及其组群成员确定为一个聚集体；

b2、生成对应各聚集体的逻辑命名空间的哈西环路。

其中，步骤b2具体包括：

采用哈西算法将自组织网络中各个网络节点的标志映射成一个长度为M位的二进制序列NID，并将其唯一分配给该网络节点，同样对自组织网络中需要存储数据的标识进行哈西运算，将其映射成一个长度为M位的二进制序列KID；

按照各个聚集体组成的网络节点的NID生成相应的哈西环路。

其中，步骤c具体包括：

c1、将对应各个聚集体的哈西环路设置为相应的全环域；

c2、将所述全环域划分为对应聚集体中各个网络节点的私有环域；

c3、根据聚集体的聚集级数以及各网络节点的私有环域设置对应各个网络节点的分级路由表；

c4、当有网络节点加入或退出自组织网络时动态调整相应节点的私有环域以及分级路由表，并实现路由更新。

其中，步骤c4网络节点加入自组织网络具体包括：

***随机为新加入网络节点M分配一个节点NID；

新加入网络节点M选择归属分级代理HA作为其引导节点，并加入该分级代理HA的哈西环路；

分级代理HA查找网络节点M在哈西环路上的后继节点S；

该后继节点S根据网络节点M的节点NID大小将本节点的私有环域划分为两个部分，保留网络节点M到后续节点S之间的环域空间作为后续节点S的私有环域，并将后继节点S的前继节点P到网络节点M之间的环域空间作为新加入网络节点M的私有环域；

网络节点M通过其后继节点S获得其前继节点P的信息，然后网络节点M分别向P和S分别发送一个加入请求消息，S和P接收到消息后，将分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为M，而P则把自己的后继更新为M；

M通过其后继节点S依次在哈西环路中查找自己的每个分级路由表表项对应的下一跳节点，实现对分级路由表的初始化；

M的后继节点S将根据重新划分的私有环域将属于新节点的数据键值转移到新节点M；

启动路由更新过程，更新***中所有其它节点的分级路由表。

其中，步骤c4网络节点退出自组织网络具体包括：

退出节点Q首先向其后继节点S和前继节点P发送一个离开请求消息，S和P接收到消息后，分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为Q的前继节点P，而P则把自己的后继更新为Q的后继节点S；

节点S将更新自己的私有环域，将网络节点Q的私有环域合并入本节点S的私有环域；

节点S将根据重新划分的私有环域将属于节点Q的数据键值全部转移到S；

启动路由更新过程，更新***中所有其它节点的分级路由表。

其中，采用事件触发式路由更新机制实现路由更新，由触发源触发网络自动启动路由维护和更新过程，节点加入和节点正常退出***时，通过应用层程序向网络中发送退出消息，该退出消息作为触发源；当节点异常退出时，通过“发现-广播”机制告知其它结点，并由该广播消息充当触发源。

另外，还包括：

在底层聚集体内进行数据项备份，按照重复率大小，有选择备份一部分跨越底层聚集的路由过程返回的数据项值，并按照网络数据键值存放规则将其存放在底层聚集体内相应的归属节点上，在下一次查找相同数据键值时，在该归属节点所在的底层聚集体内路由查询。

另外，还包括：

增加前继和后继节点备份表，将哈西环路上最邻近的R项节点NID大于本节点的节点作为后继节点备份，而R项NID小于本节点的节点作为前继节点备份，当本节点的后继节点崩溃时，则使用后继节点备份表中保存的第二后继作为自己临时的后继节点以保持哈西环路的完整；同样，当本节点前继节点突然崩溃时，则使用邻接表中保存的第二前继作为自己临时的前继节点以保持哈西环路的完整。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明根据网络物理拓扑结构将网络划分成不同层次的自组织网络组群，然后确定对应所述不同层次自组织网络组群的逻辑命名空间的哈西环路，进而通过动态调整所述哈西环路结构实现网络节点动态加入或退出自组织网络，从而实现自组织网络的动态网络自组织过程，由于基于互联网底层物理拓扑结构建立并实现了用于数据保存和路由查询的哈西环路，可充分利用节点的网络邻近性和网络局域性特性，使网络的路由性能更好，数据查询效率更高；

2、进一步，本发明通过使用基于分级路由表的杂凑式路由算法，继承了结构化P2P算法网络路由协议的所有优点，解决了目前主流P2P***(如Napster、Gnutella)可扩展性低的问题，并创造性地将P2P网络技术应用于自组织网络构建和路由技术领域，从而保证了自组织网络的可扩展性。

附图说明

图1是现有技术网络自组织过程的时间轴示意图；

图2是本发明自组织网络的实现方法采用的网络拓扑层树型体系结构示意图；

图3是本发明自组织网络的实现方法采用的DHT网络查询层体系结构示意图；

图4是本发明自组织网络的实现方法采用的网络拓扑层组群划分过程示意图；

图5是本发明自组织网络的实现方法采用的分级路由表结构示意图；

图6是本发明自组织网络的实现方法中只有一层聚集的具体实施例示意图。

具体实施方式

本发明实现的自组织网络是一个基于两级不同架构覆盖层(Overlay)的统一实体。本发明中分别定义这两级覆盖层分别为网络拓扑层(NetworkTopology Layer，NTL)和网络查询层(Network Discovery Layer，NDL)。其中，网络拓扑层(NTL)主要实现基于网络物理拓扑的聚集群体(Cluster)划分和树型体系结构构建功能；网络查询层(NDL)主要实现基于DHT(分级路由表)算法的对等点路由和定位功能，下面分别进行说明。

(1).网络拓扑层(NTL)

本发明中网络拓扑层主要包括两个基本组件：全局注册服务器和分级代理。

全局注册服务器(Global Register Server，GRS)：GRS的功能类似DNS(Domain Name System，域名***)根服务器，是一个全局数据库，主要负责存储和维护不同等级HA的IP地址；

分级代理(Hierarchical Agent，HA)：HA充当每一个聚集群体(Cluster)的核心，本发明采用的是完全分布式和自组织结构，HA主要功能在于为新加入节点初始化路由表提供导向作用。

本发明实现的自组织网络可根据网络实际规模大小和物理拓扑结构划分为不同等级的自组织网络组群，在自组织网络的每一级中都有大量HA，每个HA本身也是网络中的一个普通对等点(或称为节点)，它们可能位于世界的不同位置，在本发明提出的网络模型中，物理距离较近的对等点将被归并成组(即一个自组织网络组群)并连接至第一级的分级代理(HA Level1，简称HA1)，由其统一管理，其中所述分级代理可由普通节点基于其加入网络的先后顺序及其物理位置进而决定是否升级成为一个分级代理；

相同的原理，物理距离较近的HA1将被归并成组并连接至第二级的分级代理(HA Level2，简称HA2)，由其统一管理，分级代理的确定与上述相同，依此类推，直到顶级分级代理及其管理的组群划分完毕。

参考图2，图2示意了一种三个等级的NTL树型体系结构，第一级的HA1下聚集有多个对等机，在第二层的HA2下分别聚集有多个HA1及其聚集的对等机，同样，在第三层的HA3下聚集有三个HA2及其聚集的对等机。

下面举例说明NTL层组群划分过程，参见图4本发明组群划分过程的示意图，主要包括如下步骤：

A1、网络中所有的HA向GRS发送注册消息(Register Message)，进行身份注册；

B1、当一个新节点希望加入网络时，首先要与网络中的一个已知成员节点联系，并获取该节点地址信息，该节点将充当新加入节点的引导节点(Bootstrap Node)；

C1、新节点计算到Bootstrap节点的物理网络距离，最简单的方法可以使用Ping消息。如果计算的物理距离小于***设定的门限值(Threshold)，则新节点将通过向Bootstrap节点的归属HA发送消息加入到Bootstrap节点所处的聚集群体中，组群划分过程结束；否则，进入D1；

D1、新节点将从全局服务器GRS中获取所有第一级分级代理HAi(i＝1)的地址信息，并分别计算到每个HAi的物理网络距离。如果计算的物理网络距离小于***设定的门限值T(T是***参数，根据具体网络大小设置)，则新节点将加入到该HAi下属的聚集群体中，组群划分过程结束；否则，进入E1；

E1、新节点将从全局服务器GRS中获取当前测量HAi的上一级分级代理HA(i+1)的地址信息，并分别计算到每个HA(i+1)的物理网络距离。如果计算的物理网络距离小于***设定的门限值T，则新节点将加入到该HA(i+1)下属的聚集群体中，并自动成为其下一级分级代理HAi，并在GRS中进行注册，组群划分过程结束；否则，重复E过程，直到加入某一级HA或者到达顶级HA为止(即i＝H-1，H为NTL树型结构的高度)。

(2).网络查询层(NDL)

本发明中网络查询层主要建立在网络拓扑层(NTL)基础上，***将通过建立网络查询层(NDL)来实现对消息的路由，在NDL中定义了聚集级别(Cluster Level)，NTL层的每个HA及其下属对等点将被划分为NDL层的一个聚集，该聚集的层次对应于该HA的级别，例如，某个HA1及其所有子节点将构成一个CL_0级聚集(Cluster Level0)，而某个HA2及其所有子节点将构成一个CL_1级聚集(Cluster Level1)，依此类推。聚集级别的具体定义如下：

第n级聚集(Cluster Levelk，简称CLk)：对应自组织网络中的不同等级聚集群体。其中，每个HA1下的子对等机将组成一个第零级聚集群体(ClusterLevel0，CL0)；所有的HA1将组成一个第一级聚集群体(Cluster Level1，CL1)，依此类推。

全聚集(Full Cluster，简称FC)：对应自组织网络中的所有节点。

对应上述的聚集体，本发明按照分布式哈西算法生成对应各聚集体的逻辑命名空间的哈西环路，这样根据前面所述的自组织网络分级的方法，假设当前NTL树型结构高度为H，则可采用下述流程在NDL中进行查询：

A2、对于CLi中的一个节点，它发起的查询将首先在CLi内的Hash环中进行，如果找到目的节点和相应的数据键值Key，则返回响应消息给源节点，查询过程结束，否则进入B2。

B2、该节点将把查询扩展到其归属HAi所属的第(i+1)级聚集CL(i+1)内进行，如果找到目的节点和相应的数据键值Key，则返回响应消息给源节点，查询过程结束，否则进入C2。

C2、如果尚未到达全聚集FC(即i＜(H-1))，则将i加1后返回B，查询过程结束，否则返回查询失败。

下面以具体实施例说明如何建立NDL网络查询层。

本实施例采用基于Consistent Hashing的分布式哈西算法将网络中每个节点的标志(如IP地址、域名等)映射成一个长度为M位(bit)的二进制序列NID，并将其唯一分配给该节点；对***中需要存储数据的标识(文件名、ObjectId等)进行哈西运算，将其映射成一个长度为M位(bit)的二进制序列KID(Key Id)，其中M值大小需要满足N≤2^M(假设网络节点总数为N)。这样节点的NID将用来指定该节点在Hash环中的位置。当节点第一次加入自组织网络时，***将随机地为其分配一个NID，NID取值范围为0～2^M-1。每个NID对应一个用0、1字符串来表示的二进制序列，各个节点的NID所对应的数值是互不相同的，对于一个总长度为M的NID，它所对应的数值为：

$\mathrm{valueof}\left(\mathrm{NID}\right)=\underset{\mathrm{\Γ}=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{NID}}_i\×2^{\mathrm{\Γ}}---\left(1\right)$

这样，对于上述划分的聚集体，将按照各个聚集体组成的网络节点的NID生成相应的哈西环路。

在本路由算法中还引入了全环域(Global Ring Zone，GRZ)和私有环域(Individual Ring Zone，IRZ)的概念。全环域(GRZ)是[0，2^M-1)之间的所有0、1字符串所对应的数值空间(M通常为128)。***中的每一个节点动态地将GRZ划分为一个个独立的私有子空间，并将该子空间作为自己的私有环域(IRZ)，IRZ可以表示为(NID_Predecessor，NID)，其中NID是***为该节点分配的ID值，NID_Predecessor是该节点在Hash环上前继节点的NID。

根据上述全环域和私有环域的定义，本发明中可将对应各个聚集体的哈西环路设置为相应的全环域；然后将所述全环域划分为对应聚集体中各个网络节点的私有环域。

进一步，本发明中的每个节点还将保存H个分级路由表(HierarchicalRouting Table，HRT)，其中H是自组织网络拓扑层高度。假设第i级聚集中有n个节点，则每个子节点所维护的相应第i级HRT大小是O(log n)量级的。下面首先给出一个M位命名空间下的节点分级路由表相关定义：

当前聚集级数(Current Cluster Level，CCL)：分级路由表下节点所属NTL中的聚集级数，其中1≤k≤H；

前继节点(Predecessor)：本节点在Hash环上沿逆时针方向遇到的第一个节点；

后继节点(Successor)：本节点在Hash环上沿顺时针方向遇到的第一个节点；

第K项路由环域起点(HRTEntry[K].start)：第K个路由表项所覆盖环域空间起始位置，其中

HRTEntry[K].start＝(n+2^k-1)mod2^M    1≤K≤M            (3)

环域空间范围(Next Hop Ring Interval，NRI)：路由表项K所覆盖的环域空间范围大小，其中

NRI[k]＝[HRTEntry[K].start，HRTEntry[K+1].start)    1≤K≤M    (4)

下一跳节点私有环域空间(Next Hop IRZ，NIRZ)：在环域空间范围NRI内沿顺时针方向第一个活动节点G的私有环域空间，即G满足

HRTEntry[K].start∈IRZ(G)    1≤K≤M           (5)

分级路由表(HRT)的基本内容有：当前拓扑层聚集级数(CCL)，第K项路由环域起点(HRTEntry[K].start)、下一跳节点私有环域空间(NIRZ)，其中，K为路由表序号，分级路由表的结构参见图5所示。

上述在自组织网络中引入私有环域的目的是，采取大小可以动态变化的路由表与采取固定大小的路由表相比更加灵活一些，当节点加入时所采用的随机函数所产生的随机数分布足够均匀时，节点可以根据它的IRZ大小来估计***中节点的总数目，理论上其IRZ大小与***中总的节点数目成线性反比关系，即当网络中节点IRZ分配足够均匀时，***节点总数N＝O(GRZ/IRZ)。另外，在查询目标节点时，查询过程直接通过比较KID值和目标节点IRZ的范围就可以有效地判断目标节点是否到达，从而简化了查询过程，下面以具体实施例进行说明。

参考图6，图6是一个只有一级聚集的自组织网络，该自组织网络中构成NDL层的Hash环路包括4个节点A、B、C以及D，其中

节点B在第一级聚集下的路由表如表一所示：

表一

序号K	CCL	HRTEntry[K].start	NIRZ
				1	1	100	C＝(011,100]
2	1	101	D＝(100,000]
				3	1	111	D＝(100,000)

节点D在第一级聚集下的路由表如表二所示：

表二

序号K	CCL	HRTEntry[K].start	NIRZ
				1	1	001	A＝(000,001]
2	1	010	B＝(001,011]
				3	1	100	C＝(011,100)

如果节点B发起对KID＝001的数据键值查询，因为001∈[HRTEntry[3].start，HRTEntry[1].start]，即[111,100](注：该区域是循环的)，所以直接定位到节点D，由于IRZ(D)＝(100,000)，B可以判断该数据键值并不在节点D上，因此需要继续查询D的分级路由表；根据D的分级路由表，因为001∈[HRTEntry[1].start，HRTEntry[2].start]，即[001,010]，查询过程将继续定位到节点A，由于节点A的IRZ＝(000,001)，则B通过比较KID和IRZ可以发现KID∈IRZ(D)，因此可以直接判断节点A即为目标节点，而无需将消息继续转发。

当网络规模扩大时，由于节点个数增加，分级路由表的一跳可能跨越最多达2M/2个节点，因而通过比较IRZ和KID关系可以直接判断当前节点是否目标节点以及是否需要将查询消息继续转发，从而极大提高查询效率。

对于一个具有N个节点的***，其各个节点的IRZ之间满足下面的关系：

IRZ₁∪IRZ₂∪IRZ₃...∪IRZ_N＝GRZ

IRZ_i|IRZ_j＝φ            i≠j，1≤i，j≤N       (2)

网络中所有节点通过其私有环域空间IRZ的连接构成全环域GRZ。采用这种简单的节点邻接关系，每个节点仅需保存其后继节点信息，节点之间的通信可以通过向后继节点进行消息前递的方式实现。这种消息前递方法虽然简单，但效率却非常低，因为网络中的两个节点为了找到对方需要经过O(N)跳(N为网络中节点个数)，最坏情况下源节点可能需要将消息绕环传递一圈才能到达目的节点。正是基于这个原因，为了加速查询过程和提高查询效率，本发明为每个节点引入了分级路由表HRT，下面将本发明采用的路由发现过程描述如下：

A3、当某节点M需要发起一次路由查询(或接收到经转发的路由消息)时，它将首先检查(或提取消息中的)查询数据键值D，并将数据键值D与本节点的私有环域空间(IRZ)相比较，如果D∈IRZ，则路由发现过程终止，M构造并返回应答消息；如果 ，则进入B3；

B3、节点M将按照分级路由表(HRT)聚集级数大小，逐级查询数据键值D，在每一级HRT中，M将查询数据键值D依次与分级路由表项进行比较，寻找下一跳节点私有环域空间(NIRZ)包含数据键值D的路由表项并将分组转发至相应下一跳节点，消息的每次传递都将在路由表项中选择NIRZ与数据键值D最接近的路由表项所对应的下一跳节点，并将消息发送给该节点，该节点接收到消息后同样根据上述规则继续进行前递；如果在当前级别HRT的路由查询失败，则进入高一级的HRT，依此类推。

C3、如果路由发现过程已到达最高级HRT(即CCL＝H-1)，并且仍然未查询到包含查询数据键值D的目标节点，则路由发现过程结束，并返回查询失败消息。

下面对节点的动态加入和退出自组织网络的过程进行描述。

为了支持自组织网络特性，本发明实现的自组织网络还必须能够支持节点随时动态进入和退出***。由于采用杂凑算法为自组织网络中每个节点分配一个唯一标识NID，并划分其私有环域空间(IRZ)。当一个新节点要加入***时，***将通过分割Hash环域上某个成员节点的IRZ来为该节点分配一个新的IRZ：当一个节点要退出***时，***将把该节点的IRZ与***某个成员节点合并以回收该环域空间。

下面先介绍实现节点动态加入自组织网络的过程，流程如下：

A4、新节点M首先按照上述组群划分选择其归属HA；

B4、M选择***中的一个成员节点H作为其引导节点(Bootstrap Node)，在本***中，默认情况下M将选取其归属HA作为引导节点。由于本发明中Hash环采用的是顺时针方向查询机制，因此节点M将通过引导节点H查找到其在Hash环上的后继节点S(S＝Successor(M))，该后继节点S则根据M的NID大小将自己的IRZ((NID(S.Predecessor)，NID(S)))划分为两个部分，保留(NID(M)，NID(S))所在的那一部分环域作为本节点的私有环域，然后将另一部分(NID(S.Predecessor)，NID(M))环域作为新加入节点M的IRZ。

C4、M通过其后继节点S获得其前继节点P(P＝Predecessor(S))的信息。然后M分别向P和S发送一个加入请求消息，S和P接收到消息后，将分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为M，而P则把自己的后继更新为M，这样，Hash环的完整性得到了保证。

D4、M通过其后继节点S依次在Hash环中查找自己的每个分级路由表表项(HRTEntry)对应得下一跳节点，实现对分级路由表(HRT)的初始化。

E4、M的后继节点S将根据重新划分的IRZ将应属于新节点的数据键值Key转移到新节点M。

F4、***启动路由更新(Route Update)过程(后文将详细描述)，更新***中所有其它节点的路由表(HRT)，使其能适应网络结构的变化，并使整个网络重新收敛。

另外，针对自组织网络的高度动态特性，本发明的自组织网络还必须支持节点的动态离开。一个节点正常退出自组织网络的具体过程描述如下：

A5、节点Q首先向其后继节点S和前继节点P发送一个离开请求消息，S和P接收到消息后，将分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为Q的前继(节点P)，而P则把自己的后继更新为Q的后继(节点S)。至此，Hash环的完整性得到了保证。

B5、节点S将更新自己的IRZ，即对节点Q的IRZ进行合并，合并前Q的IRZ为(NID(P)，NID(Q))，S的IRZ为(NID(Q)，NID(S))，合并完毕后，S的IRZ将变为(NID(P)，NID(S))。

C5、节点S将根据重新划分的IRZ将属于节点Q的数据键值Key全部转移到S。

D5、***启动路由更新过程，更新***中所有其它节点的分级路由表(HRT)，使其能适应网络结构的变化，并使整个网络重新收敛。

下面说明如何实现路由更新。

对于自组织网络而言，路由更新机制是路由算法启动的一种自动恢复机制，其主要功能是在网络中由于某些节点加入或退出等原因导致网络拓扑发生变化时，更新***中所有关联节点的分级路由表(HRT)，使其能适应网络结构的变化，并使整个网络迅速重新收敛。目前常用的路由更新机制通常采用的是事件触发式、周期式以及两者相结合的路由更新方式。对于大规模网络而言，周期性路由更新机制需要花费较高代价(如带宽、电源、CPU处理能力等)以使得路由表能跟得上当前网络拓扑结构的变化，但动态变化的拓扑结构又可能使高代价获得的路由表内容变成无效信息，尤其是在网络拓扑高速变化时，整个***将始终处于不收敛状态。虽然这种方式直接保证了维护开销正比于路由表大小，但是只有在路由表不大时才可行，一旦路由表达到一定规模，其开销将无法承受。(例如，对于含10,000个表项的路由表，若每50秒探测一次，则每秒需发送200个消息)。因此，考虑到自组织网络的高度动态特性，本发明采用事件触发式路由更新机制。就路由更新触发源而言，节点加入和节点正常退出***(如用户正常关闭P2P程序)时，该节点会通过应用层程序向网络中相关节点发送退出消息，该退出消息就是触发源；而当节点在没有任何先兆情况下异常退出(如节点掉线或死机等)时，***一般通过“发现-广播”机制告知其它结点，这时该广播消息就充当触发源。针对节点无先兆的异常退出，网络中的每个节点必须定期向其前继节点发送KeepAlive消息以探测该节点是否存活，一旦发现前继节点异常退出，则由该异常退出节点的后继节点启动路由更新过程。

下面以新节点加入***的路由更新过程进行说明：

A6、路由更新过程由事件触发，由新加入节点M发起，更新过程将采取回溯(retrieval)的方式，即从当前触发节点M出发，沿Hash环逆时针方向进行逐次更新，并按照分级路由表表项(HRTEntry)的次序i依次发现和更新关联节点，每次回溯的间隔为2i-1，i＝1，2..M。

B6、对于新节点加入触发的路由更新过程，回溯到第i个节点时，将查找该节点的第i个路由表项对应的下一跳节点NID值，如果当前NID值大于新加入节点的NID，则用NID(M)替换当前表项值，进入C，否则继续回溯第i+1跳节点。

C6、回溯当前更新节点的前继节点，并查找该节点的第i个表项对应的下一跳节点NID值，如果当前NID值大于新加入节点的NID，则用NID(M)替换当前表项值，继续回溯上一个前继节点，否则回溯第i+1跳节点直到当i＝M时，路由更新过程结束。

另外节点退出***的路由更新过程和节点加入***的路由更新过程基本相似，不同有两点：(1)节点退出***的路由更新过程是由退出节点Q或退出节点的后继节点S(S＝Successor(Q))发起；(2)节点退出触发的路由更新过程也采用回溯的方法更新其他节点的路由表，但回溯过程中，仅查找回溯节点路由表项对应的下一跳NID值是否为退出节点的NID，即NID(Q)，若是，则用退出节点的后继替换当前表项值。

为使本发明的自组织网络更路由更快捷，还采取进一步的路由优化措施，具体描述如下：

A.数据项备份机制(Data Item Replication)

本发明提出组群划分和层次化结构的目的是为了充分考虑节点网络邻近性特征(Network Proximity Character)，希望通过组群划分的方法将物理距离较近的节点归为一组，以确保网络中邻近节点间的路由过程都在组群内部完成，从而避免了Chord等路由协议存在的绕路(Detouring)问题，降低了***路由时间开销并减少了发送消息数量。

但在实际网络中，仍然有很多跨越组群的路由事件发生。假设存在一个3级分级网络W，CL1是某大学校园局域网网(LAN)，CL2是该大学所处城域网(MAN)，CL3是城市所处更高级广域网络(WAN)，虽然在CL1级校园网内部发生消息通信的比例非常大，但仍然有相当比例的消息路由必须通过CL2级网络甚至CL3级网络。统计数据表明，特定子网下数据查询过程的重复率非常高，这是因为网络中存在一些访问率高的热门节点和热点信息。就本发明采用的路由模型本身而言，如果CL1级聚集下节点每次查询同一个键值都需要进入到CL2级甚至CL3级Hash环域，则必将造成较大的路由时间开销。

针对这个问题，为降低节点重复跨级路由过程造成的时间开销，可在底层聚集(即CL1级环域)内进行数据项备份的机制，其基本技术措施就是按照重复率大小，有选择备份一部分跨越CL1级路由过程返回的数据项值(DataItem)，并按照***定义的数据键值存放规则将其存放在CL1聚集下相应的归属节点上。这样，在下一次查找相同的数据键值时，路由过程就可以在CL1级聚集内完成，而不需要进入到更高一级的网络查询层，从而大大提高了路由效率。需要说明的是，虽然通过数据项备份机制来提高路由效率是建立在增加节点存储开销基础上，但事实上***在CL1集节点上备份的数据项并不是实际数据对象，而仅仅是对应某数据对象存储地址的一个数据项值(DataItem)，即查询的数据键值以及目标节点的IP地址，因此不会对节点增加过多的存储开销。

B.环路保持机制(Hash Ring Preserving)

对于基于DHT的分布式路由协议，如何在网络拓扑结构发生变化时保持Hash环路完整性是一个很关键的问题。Hash环路完整性是确保整个网络路由发现和路由维护过程正常进行的必要条件，环路的不完整将会导致网络处于不收敛状态。虽然本***提供了针对网络拓扑变化的路由更新机制，但在动态自组织网络中，节点的频繁加入或退出仍有可能导致在***路由更新尚未完成就发生了数据键值查询操作，而Hash环路的不完整将造成查询中断或失败。

针对这个问题，本发明引入了环路保持机制，采取的技术措施主要是增加前继和后继节点备份表，将Hash环上最邻近的R项NID大于本节点的节点作为后继节点备份，而R项NID小于本节点的节点作为前继节点备份，并设定R＝O(logN)。一旦本节点的后继节点崩溃，就立即使用后继节点备份表中保存的第二后继(第二个NID大于本节点的节点)作为自己临时的后继节点，以保持Hash环路的完整；同样，当本节点前继节点突然崩溃，则使用邻接表中保存的第二前继(第二个NID小于本节点的节点)作为自己临时的前继节点，以保持Hash环路的完整。因此在本***中，仅当节点备份表中对应的R项备份前继和后继节点同时崩溃时，Hash环路才可能出现中断的情况，而这种几率是非常小的，假设每个备份节点崩溃的概率为1/2，则P(R个备份节点同时崩溃)＝O(1/N)。

综上，本发明主要特点在于结合自组织网络技术和P2P技术。在自组织网络中的每个用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，因此自组织网络本身就具有对等架构特性，另一方面，自组织网络的网络路由协议通常采用分布式控制方式，具有很强的鲁棒性和抗毁性。因此，通过使用P2P计算模式在Internet物理拓扑基础上建立一个称为P2P覆盖层网络的虚拟拓扑结构，可以有效地建立起一个基于Internet的自组织网络，并具有以下优点：

保证网络中数据资源的可获取性，即只要数据资源存在于网络中，就一定可以被找到；

将网络资源查询复杂度控制为O(logN)；

有效实现网络负载均衡，即网络中的数据键值以接***均的方式被分配到网络节点上，从而使得各个节点均衡分担网络通信和存储负担；

有效支持自组织网络特性，即支持节点动态加入和退出网络；当节点故障或掉线时，P2P覆盖层网络将启动自动恢复机制，使网络重新收敛。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1、一种自组织网络的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、根据网络物理拓扑结构将网络划分成不同层次的自组织网络组群；

b、确定对应所述不同层次自组织网络组群的相应聚集级数的聚集体，其中每一个聚集体对应一个逻辑命名空间的哈西环路；

c、当网络节点动态加入或退出自组织网络时动态调整相应的哈西环路结构以实现网络重组织。

2、根据权利要求1所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤a具体包括：

根据网络实际规模大小和物理拓扑结构确定自组织网络组群层数；

将物理距离较近的网络节点划分为同一个自组织网络组群，并根据网络节点加入自组织网络的先后顺序以及物理位置确定该自组织网络组群的分级代理；

将相同层次的分级代理及其组群成员划分为上一层组群的成员节点并确定相应层次的分级代理，若划分到自组织网络顶层组群并确定了相应顶层组群的分级代理则划分结束，否则继续划分。

3、根据权利要求2所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤b具体包括：

b1、将每个分级代理及其组群成员确定为一个聚集体；

b2、生成对应各聚集体的逻辑命名空间的哈西环路。

4、根据权利要求3所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤b2具体包括：

采用哈西算法将自组织网络中各个网络节点的标志映射成一个长度为M位的二进制序列NID，并将其唯一分配给该网络节点，同样对自组织网络中需要存储数据的标识进行哈西运算，将其映射成一个长度为M位的二进制序列KID；

按照各个聚集体组成的网络节点的NID生成相应的哈西环路。

5、根据权利要求1所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤c具体包括：

c1、将对应各个聚集体的哈西环路设置为相应的全环域；

c2、将所述全环域划分为对应聚集体中各个网络节点的私有环域；

c3、根据聚集体的聚集级数以及各网络节点的私有环域设置对应各个网络节点的分级路由表；

c4、当有网络节点加入或退出自组织网络时动态调整相应节点的私有环域以及分级路由表，并实现路由更新。

6、根据权利要求5所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤c4网络节点加入自组织网络具体包括：

***随机为新加入网络节点M分配一个节点NID；

新加入网络节点M选择归属分级代理HA作为其引导节点，并加入该分级代理HA的哈西环路；

分级代理HA查找网络节点M在哈西环路上的后继节点S；

该后继节点S根据网络节点M的节点NID大小将本节点的私有环域划分为两个部分，保留网络节点M到后续节点S之间的环域空间作为后续节点S的私有环域，并将后继节点S的前继节点P到网络节点M之间的环域空间作为新加入网络节点M的私有环域；

网络节点M通过其后继节点S获得其前继节点P的信息，然后网络节点M分别向P和S分别发送一个加入请求消息，S和P接收到消息后，将分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为M，而P则把自己的后继更新为M；

M通过其后继节点S依次在哈西环路中查找自己的每个分级路由表表项对应的下一跳节点，实现对分级路由表的初始化；

M的后继节点S将根据重新划分的私有环域将属于新节点的数据键值转移到新节点M；

启动路由更新过程，更新***中所有其它节点的分级路由表。

7、根据权利要求5所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，步骤c4网络节点退出自组织网络具体包括：

退出节点Q首先向其后继节点S和前继节点P发送一个离开请求消息，S和P接收到消息后，分别更新自己的前继和后继节点，其中，S将自己的前继更新为Q的前继节点P，而P则把自己的后继更新为Q的后继节点S；

节点S将更新自己的私有环域，将网络节点Q的私有环域合并入本节点S的私有环域；

节点S将根据重新划分的私有环域将属于节点Q的数据键值全部转移到S；

启动路由更新过程，更新***中所有其它节点的分级路由表。

8、根据权利要求5、6或7任一项所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，采用事件触发式路由更新机制实现路由更新，由触发源触发网络自动启动路由维护和更新过程，节点加入和节点正常退出***时，通过应用层程序向网络中发送退出消息，该退出消息作为触发源；当节点异常退出时，通过“发现-广播”机制告知其它结点，并由该广播消息充当触发源。

9、根据权利要求1所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，还包括：

在底层聚集体内进行数据项备份，按照重复率大小，有选择备份一部分跨越底层聚集的路由过程返回的数据项值，并按照网络数据键值存放规则将其存放在底层聚集体内相应的归属节点上，在下一次查找相同数据键值时，在该归属节点所在的底层聚集体内路由查询。

10、根据权利要求8所述的自组织网络的实现方法，其特征在于，还包括：

增加前继和后继节点备份表，将哈西环路上最邻近的R项节点NID大于本节点的节点作为后继节点备份，而R项NID小于本节点的节点作为前继节点备份，当本节点的后继节点崩溃时，则使用后继节点备份表中保存的第二后继作为自己临时的后继节点以保持哈西环路的完整；同样，当本节点前继节点突然崩溃时，则使用邻接表中保存的第二前继作为自己临时的前继节点以保持哈西环路的完整。

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