段忠祥
(武漢大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院,湖北 武漢 430000;廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007)
隨著互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和“云計(jì)算”等新技術(shù)的應(yīng)用,與之密不可分的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大,小的網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中往往可能演化成較大的錯(cuò)誤,給網(wǎng)絡(luò)故障的判斷與處置帶來較大的困擾。因此,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和調(diào)度是一個(gè)難題。文獻(xiàn)[1]提出一種主從“多智能體”網(wǎng)絡(luò)快速隨機(jī)一致性策略,利用隨機(jī)微分方程的有限時(shí)間穩(wěn)定性理論給出主從“多智能體”網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)一致性的充分條件,但隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和個(gè)體行為的不確定性,個(gè)體接受信息具有時(shí)滯性。文獻(xiàn)[2]提出一種基于ZGS的大規(guī)?!岸嘀悄荏w”系統(tǒng)的分布式優(yōu)化算法,該算法可以更快實(shí)現(xiàn)漸近收斂且有效,但在實(shí)現(xiàn)“多智能體”網(wǎng)絡(luò)更安全,更節(jié)能,更高效的綠色通信以及“多智能體”信息交互的安全性等方面缺少研究。文獻(xiàn)[3]提出“多智能體”網(wǎng)絡(luò)有限時(shí)間聚集控制,該算法進(jìn)行了有限時(shí)間穩(wěn)定性分析,給出網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間聚集控制的充分條件,但算法成立的前提是假設(shè)只有部分個(gè)體已知聚集目標(biāo)信息??梢?,傳統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)維護(hù),調(diào)度和故障處理大多還處在仿真階段,而且涉及到復(fù)雜調(diào)度的算法隨著復(fù)雜度的提升,空間和時(shí)間復(fù)雜性的定量研究還有很多的工作要做[4-5]。
文中從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)整體給出一種網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和調(diào)度的控制策略,在這種控制策略中實(shí)現(xiàn)信任第三方的引入,信任第三方具有控制、管理和調(diào)度的可信任級權(quán)限,通過信任第三方的工作,使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)行趨于協(xié)調(diào)、可控和有序。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(complex system)作為一門獨(dú)立的學(xué)科出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代,而其作為研究復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)行之有效的方法則產(chǎn)生于90年代末期。一般將具有自組織、自相似、吸引子、小世界、無標(biāo)度中部分或者全部性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[6]。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究始于20世紀(jì)60年代著名科學(xué)家Erdas和Renri指出的ER隨機(jī)圖體系。1998年,Watts等指出小范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)體系和無尺度(scale free)屬性,打破了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)的限制,開創(chuàng)了一段探索復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的新篇章。自從真實(shí)性網(wǎng)絡(luò)中的小范圍屬性被發(fā)現(xiàn),Albert等經(jīng)過對萬維網(wǎng)的進(jìn)一步分析得出,萬維網(wǎng)體系中的節(jié)點(diǎn)形態(tài)并不如隨機(jī)圖所給出的滿足Poission形態(tài),而是滿足“冪律”形態(tài),有著復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成屬性。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)亦被用于研究交通系統(tǒng)的屬性及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的相互牽制。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的繁瑣性一般表現(xiàn)在兩個(gè)層面:第一,繁瑣的系統(tǒng)一般涵蓋了大量的節(jié)點(diǎn),也就是節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相當(dāng)驚人;第二,繁瑣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性一般不易解析,一方面和規(guī)則系統(tǒng)的聯(lián)通性并不相同,另一方面也不如隨機(jī)性系統(tǒng)般有著根本不穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性,它介于二者間。
當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)的分析大體體現(xiàn)在三大方面:
(1)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò),亦稱“時(shí)變性”網(wǎng)絡(luò)。它的節(jié)點(diǎn)的散列形式服從“鐘型”的泊松形態(tài),一個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)其余節(jié)點(diǎn)的機(jī)會和關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的多少呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在該網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)數(shù)較均值多很多或少很多的節(jié)點(diǎn)都極其稀缺。
(2)無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。它的節(jié)點(diǎn)形態(tài)滿足“冪次”定律:所有節(jié)點(diǎn)和其余k個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的比例和k反相關(guān)。無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)一個(gè)增多的新節(jié)點(diǎn)均趨于和有著較多節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián),這樣肯定會引起網(wǎng)絡(luò)最后轉(zhuǎn)變?yōu)榻菩切蔚木W(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。所以隨機(jī)侵害或不可控故障對網(wǎng)絡(luò)誘發(fā)的嚴(yán)重?fù)p害機(jī)率不太大,此類隨機(jī)性事物會較大程度地體現(xiàn)在離星形核心距離較遠(yuǎn)的發(fā)散點(diǎn)[7-8]??墒侨绻艿絽f(xié)助式侵害即對于集散點(diǎn)的侵害便可引發(fā)全局系統(tǒng)的癱瘓。此也正好地體現(xiàn)了無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的可塑性及不穩(wěn)定性。
(3)小世界網(wǎng)絡(luò)。從一個(gè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)狀規(guī)律性網(wǎng)絡(luò)起,各個(gè)節(jié)點(diǎn)均有k個(gè)鄰點(diǎn)關(guān)聯(lián),以概率P相應(yīng)地為網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)邊進(jìn)行匹配,并且確保無自主關(guān)聯(lián)及重復(fù)關(guān)聯(lián)的邊,如此的關(guān)聯(lián)不再被鄰域點(diǎn)的少部分節(jié)點(diǎn)所涵蓋。小世界網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)變的機(jī)率有著正相關(guān)的聯(lián)系,平均最小距離及平均集群指數(shù)均驟減。
考慮到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的管理具有復(fù)雜性高的突出特點(diǎn),提出了一種基于可信第三方統(tǒng)一調(diào)度的行為一致性控制策略[9]。一個(gè)可靠的信任第三方需有四個(gè)基本功能組件:
(1)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)個(gè)體數(shù)據(jù)的任何操作在信任第三方和個(gè)體中均有同步記錄;
(2)當(dāng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間的數(shù)據(jù)不一致時(shí),信任第三方通過數(shù)據(jù)的記載信息具有尋找數(shù)據(jù)來源的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的功能,并重新評估該個(gè)體的合法身份;
(3)用于判斷出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致網(wǎng)絡(luò)個(gè)體行為的數(shù)據(jù)信息憑據(jù)具有全局的可信度和有效性;
(4)可信第三方能夠?qū)?fù)雜網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的身份進(jìn)行有效識別。
因此,每次網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間交互前和可信第三方交互,可信第三方都會新建或更新一種用于非法訪問時(shí)回溯不可否定的數(shù)據(jù)信息(data)。可信第三方的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間數(shù)據(jù)完整性查詢方案發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)個(gè)體(network entity)間、網(wǎng)絡(luò)個(gè)體與可信第三方(trust third party)這兩組角色之間。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體可以使用云端可用安全存儲區(qū)域,將可信第三方的文件信息存儲在云端??尚诺谌浇y(tǒng)一監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)個(gè)體和其對應(yīng)的云端區(qū)域的訪問過程,并記錄網(wǎng)絡(luò)個(gè)體訪問操作信息,云端區(qū)域出現(xiàn)數(shù)據(jù)問題時(shí),可信第三方可根據(jù)記錄的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體訪問數(shù)據(jù)信息記載,判斷責(zé)任方網(wǎng)絡(luò)個(gè)體。用戶通過瀏覽器或者其他客戶端對云端文件進(jìn)行操作??尚诺谌降姆?wù)器數(shù)據(jù)庫中存有云端文件訪問控制列表、文件加密解密密鑰表、問責(zé)憑單列表、用戶臨時(shí)令牌表以及網(wǎng)絡(luò)個(gè)體身份確認(rèn)的數(shù)據(jù)。云端存儲文件和文件操作記錄表等其他數(shù)據(jù)。同時(shí),對于除文件以外的數(shù)據(jù),在傳輸時(shí)均要進(jìn)行加密處理,確保數(shù)據(jù)的安全性,為此網(wǎng)絡(luò)個(gè)體都持有己方的“私鑰”和正確的“公鑰”。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體每次通過瀏覽器或其他客戶端登錄云端時(shí),都會從可信第三方處獲得一個(gè)臨時(shí)令牌(Token)[10]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)個(gè)體在規(guī)定時(shí)間閾值內(nèi)未進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或因數(shù)據(jù)交換的條件不具備而退出與網(wǎng)絡(luò)個(gè)體建立的連接時(shí),可信第三方將回收該網(wǎng)絡(luò)個(gè)體對應(yīng)的臨時(shí)令牌(temporary token),釋放網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的相應(yīng)權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體在對各自云端區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí),都會將緩存在客戶端的臨時(shí)令牌加密后發(fā)送給可信第三方。可信第三方將收到的令牌解密后與用戶臨時(shí)令牌表中的對應(yīng)記錄進(jìn)行比對,匹配成功后,可信第三方會通過文件訪問控制表驗(yàn)證用戶是否擁有被訪問文件的訪問權(quán)限[11]。只有上述驗(yàn)證全部通過后,網(wǎng)絡(luò)個(gè)體才能被可信第三方和云端認(rèn)可并進(jìn)行后續(xù)操作。當(dāng)云端對網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的請求進(jìn)行響應(yīng)后,網(wǎng)絡(luò)個(gè)體均會通過客戶端對云服務(wù)器上請求操作的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線(on line)檢查。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體確認(rèn)操作數(shù)據(jù)成功后會發(fā)送確認(rèn)信息給可信第三方進(jìn)行用戶方確認(rèn)。
網(wǎng)絡(luò)個(gè)體對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行操作后,可信第三方都會選取合適的加密算法產(chǎn)生新密鑰對原有數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密,并更新原有的文件密鑰信息。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí),可信第三方只需維護(hù)文件訪問控制列表,無需管理文件密鑰與網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的關(guān)系。同時(shí),文件密鑰表的使用,使得密鑰的生成算法被獨(dú)立分割出來,即加密和密鑰生成算法不依賴于系統(tǒng),相對獨(dú)立[12]。因此,系統(tǒng)可使用多種密鑰生成算法來生成密鑰。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體和個(gè)體對云端數(shù)據(jù)的每次操作都會自動(dòng)生成“文件信息”項(xiàng),并保存在可信第三方的文件信息表中。一旦網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況,可信第三方將根據(jù)云端的文件信息表數(shù)據(jù)和本地的文件信息記錄來進(jìn)行責(zé)任歸屬。借助于可信第三方的統(tǒng)一管理和調(diào)度,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中個(gè)體間處于一種互信的狀態(tài),通過信任狀態(tài)的穩(wěn)定保持,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的個(gè)體行為一致性控制。整個(gè)一致性調(diào)度過程的模型如圖1所示。
圖1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中基于信任第三方統(tǒng)一調(diào)度的模型
在圖1所示的模型中,網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A作為請求方首先向可信第三方發(fā)出請求Token信息和分配密鑰信息,當(dāng)可信第三方通過控制信息模塊判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)個(gè)體不存在排斥訪問的狀況后,可信第三方對網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A進(jìn)行合法性判斷,如果合法,響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A的請求,通過分配密鑰和Token給A回應(yīng)請求,否則,回應(yīng)請求失敗,網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A等候時(shí)機(jī)繼續(xù)提出請求。如果網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A的請求合法且收到分配密鑰和Token,可信第三方同時(shí)給網(wǎng)絡(luò)個(gè)體B發(fā)送分配密鑰和Token,A和B可以比對各自Token和密鑰是否匹配,如完整匹配,則A和B在請求有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,否則A和B等待。
令牌和密鑰(Key)是重要的資源,得到信任第三方合理分配請求的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體使用對應(yīng)的令牌和密鑰權(quán)限周期結(jié)束后要立即釋放,確保網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)個(gè)體能夠有平等的機(jī)會獲得令牌和密鑰使用權(quán),可信任第三方的一致性控制方可得到有效執(zhí)行,這種控制應(yīng)該在分配令牌和密鑰時(shí)由可信任第三方統(tǒng)一分配系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),確保整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)個(gè)體行為得到一致性協(xié)調(diào)。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不局限于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)個(gè)體節(jié)點(diǎn),不考慮可信第三方的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間的數(shù)據(jù)傳遞涉及到的時(shí)間復(fù)雜度是O(mn2)級的,其中m表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體數(shù)量,n表示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模(n=∑mi)。對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)個(gè)體數(shù)n的規(guī)模增大足以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)迅速增長,為了降低數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間復(fù)雜度,借助于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)高效數(shù)據(jù)匯聚傳輸算法(M2-based)[13-14],細(xì)分復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu),得到一棵深度為O(lgm)的遞歸樹。此時(shí),如不考慮可信第三方的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間的數(shù)據(jù)傳遞涉及到的時(shí)間,系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度降到O(m2(lgm+lgn))級。
考慮可信第三方的一致性調(diào)度的時(shí)間損耗需要O((m+1)*n2)級,對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),如果考慮到網(wǎng)絡(luò)在非一致性調(diào)度時(shí)的無序時(shí)間損耗和出錯(cuò)處理的時(shí)間損耗,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間復(fù)雜度是O(m2n2)級。
可見,通過可信第三方的統(tǒng)一調(diào)度的一致性復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了用有限的空間換取更優(yōu)的時(shí)間復(fù)雜度,可以大大降低系統(tǒng)的時(shí)間開銷,為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞創(chuàng)造了有利條件,在實(shí)際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中具有很好的應(yīng)用前景。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用1臺服務(wù)器作為可信第三方搭建統(tǒng)一調(diào)度的一致性控制所需要的4個(gè)功能模塊,網(wǎng)絡(luò)個(gè)體A和B作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)用相同的配置,通過1 GB以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器互連。服務(wù)器的硬件配置:8核2.5 GHz處理器,128 GB內(nèi)存和1 TB硬盤。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體各分配32 MB大小的文件,網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文的分割大小設(shè)計(jì)為4 MB。實(shí)例驗(yàn)證的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖2所示。
(a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包流量
(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包流量圖2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中基于可信第三方統(tǒng)一 調(diào)度的模型實(shí)例分析
以實(shí)例分析的樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),借助于Origin7.5軟件進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包流量的變化和隨著包流量增長數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)的走勢對比,比較傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制和引入信任第三方統(tǒng)一調(diào)度的一致性控制策略。對比可知,引入可信第三方統(tǒng)一調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體行為一致性控制策略在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸中可以降低因干擾而帶來的傳輸代價(jià),且生成更少的網(wǎng)絡(luò)流量并占用更少的系統(tǒng)時(shí)間開銷。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包相對于考慮系統(tǒng)空間復(fù)雜度較少的算法有所減少,但數(shù)據(jù)包量隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長,其后續(xù)增長的速度還是居高,且呈現(xiàn)快速增長趨勢。后續(xù)的研究將重點(diǎn)放在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)個(gè)體請求數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系,尋找一種能夠降低網(wǎng)絡(luò)請求數(shù)據(jù)包的合理算法。
隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部關(guān)系的復(fù)雜變化,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體協(xié)調(diào)控制問題必然受到更多關(guān)注。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下設(shè)計(jì)可信第三方統(tǒng)一調(diào)度的體系結(jié)構(gòu),通過可信第三方統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)絡(luò)個(gè)體之間的數(shù)據(jù)傳遞,并作為網(wǎng)絡(luò)個(gè)體雙方都信任的機(jī)構(gòu)進(jìn)行全局的統(tǒng)一管理和調(diào)度。統(tǒng)一調(diào)度模型中使用一種網(wǎng)絡(luò)個(gè)體不能更改且高度安全的文件信息表結(jié)構(gòu)來記錄網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間的行為信息。文件信息表由可信第三方管理,文件信息表的所有訪問控制權(quán)限不對外開放,從而保證了文件信息表的數(shù)據(jù)全局性、安全性和可信性。網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間每次進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí),可信第三方都會對網(wǎng)絡(luò)個(gè)體的密鑰和令牌進(jìn)行驗(yàn)證,只有網(wǎng)絡(luò)個(gè)體處于請求合法且持有正確的密鑰和令牌時(shí),可信第三方才接受網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間的行為。可信第三方僅負(fù)責(zé)生成、保存和發(fā)送密鑰,對于具體的密鑰生成算法并沒有嚴(yán)格要求,大大增強(qiáng)了該一致性策略的適用性和擴(kuò)展性。引入可信第三方統(tǒng)一調(diào)度的一致性控制策略在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸之后可以降低因干擾而帶來的傳輸代價(jià),且生成更少的網(wǎng)絡(luò)流量并占用更少的時(shí)間。相對于前文提到的相關(guān)算法復(fù)雜度高的策略,通過可信第三方統(tǒng)一調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)個(gè)體行為一致性控制,緩解了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請求無序帶來的額外系統(tǒng)時(shí)間和空間開銷。由于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空間和空間復(fù)雜度仍偏高,同時(shí)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步和一致性問題也是研究系統(tǒng)開銷降低不能規(guī)避的問題,這些都將是后續(xù)深入研究的重點(diǎn)問題和方向。