鄭曉健，馬晨誌

（1.昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院，云南昆明 650106；2.University of Wisconsin-Stevens Point，Wisconsin Stevens Point 54481，United States of America）

0 引言

近年來(lái)保障P2P 網(wǎng)絡(luò)資源的持續(xù)有效性問(wèn)題受到關(guān)注［1-3］，由于P2P 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自由地加入和退出網(wǎng)絡(luò)［4］，使分布在網(wǎng)絡(luò)中的資源經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，影響到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量。尤其是節(jié)點(diǎn)的退出使網(wǎng)絡(luò)中的資源量減少，資源需求節(jié)點(diǎn)獲取資源失敗，降低了系統(tǒng)的查詢成功率，也影響到系統(tǒng)的可用性［5-6］。已有研究顯示，采用資源備份技術(shù)可以提高查詢成功率和可用性［7-8］。

混合型P2P 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多采用被動(dòng)式資源備份策略，通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)資源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的心跳消息來(lái)感知節(jié)點(diǎn)的在線狀況，為了延續(xù)退出節(jié)點(diǎn)服務(wù)則通過(guò)切換到備份節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。研究表明此種方式在近99%的節(jié)點(diǎn)資源訪問(wèn)中有效，但也存在1.007%的訪問(wèn)失敗情況。問(wèn)題主要是既有方法對(duì)退出節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)機(jī)制不完善。系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)退出的方法是定期（一般在每個(gè)監(jiān)測(cè)周期結(jié)束時(shí)）檢查是否存在超期未發(fā)心跳消息的節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)退出事件發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的某個(gè)時(shí)刻，該時(shí)刻至監(jiān)測(cè)周期結(jié)束時(shí)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的退出，中間存在一個(gè)時(shí)間差。如果節(jié)點(diǎn)退出發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周期的開(kāi)始階段，加上轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)服務(wù)到備份節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間，時(shí)間差值甚至?xí)^(guò)一個(gè)監(jiān)測(cè)周期。在此段時(shí)間內(nèi)退出節(jié)點(diǎn)的鏈接信息已經(jīng)失效，需求節(jié)點(diǎn)按此訪問(wèn)資源將失敗，本文將此現(xiàn)象稱為顛簸問(wèn)題（Bumpy problem）。實(shí)驗(yàn)顯示，顛簸事件發(fā)生的幾率低于1.007%，當(dāng)局域網(wǎng)的規(guī)模較小，系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)周期延長(zhǎng)時(shí)顛簸事件發(fā)生率較高。

本文對(duì)顛簸問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，提出一種基于資源環(huán)備份結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法。將資源節(jié)點(diǎn)組織成為備份環(huán)，環(huán)上的節(jié)點(diǎn)在各自的心跳周期內(nèi)對(duì)相鏈接的環(huán)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)發(fā)送問(wèn)候消息，相互主動(dòng)檢測(cè)和回復(fù)在線狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法降低了被測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，使檢索盲區(qū)縮短，顛簸風(fēng)險(xiǎn)下降。

1 相關(guān)工作

顛簸事件發(fā)生的幾率較低，相關(guān)研究較少。諸多研究在利用節(jié)點(diǎn)備份技術(shù)提高資源查詢成功率［9-10］的同時(shí)，一定程度上降低了顛簸現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)［5］提出感知服務(wù)質(zhì)量的備份恢復(fù)算法，通過(guò)資源備份的分布情況和資源備份安全規(guī)則劃分安全等級(jí)，給出分階段資源備份恢復(fù)算法，結(jié)果表明，與直接資源備份恢復(fù)算法相比，可有效提高應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)安全保障能力；文獻(xiàn)［6］采用主動(dòng)策略查找稀有資源，通過(guò)獲取資源的局部需求信息來(lái)備份資源，提高文件在網(wǎng)絡(luò)中的流行度，從而提高稀有資源的查詢成功率和可用性；文獻(xiàn)［8］根據(jù)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力和節(jié)點(diǎn)間的物理距離，選擇存儲(chǔ)空間充足和物理位置更近的節(jié)點(diǎn)備份資源，使維護(hù)消耗更低，檢索成功率也得到改善；文獻(xiàn)［9］將備份資源文件保存到在線時(shí)間更長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)上，改善了網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)變化時(shí)的適應(yīng)性和服務(wù)質(zhì)量；文獻(xiàn)［11］提出動(dòng)態(tài)備份資源分布式方法，按所設(shè)計(jì)的備份目錄和信息獲得資源的所有備份信息，對(duì)訪問(wèn)頻率高和平均響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的資源進(jìn)行備份，提供用戶訪問(wèn)特征和節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)帶寬等信息，計(jì)算存放備份的節(jié)點(diǎn)，使備份的分布能夠適應(yīng)訪問(wèn)請(qǐng)求和網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)變化；文獻(xiàn)［12］提出將資源備份部署到網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點(diǎn)或骨干鏈路上，提高檢索成功率。以上方法主要采用被動(dòng)式方法備份文件，重點(diǎn)放在提高文件的檢索成功率，能夠改善系統(tǒng)檢索性能并提高系統(tǒng)可用性，但由于P2P 網(wǎng)絡(luò)所具有的動(dòng)態(tài)性，備份節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能退出網(wǎng)絡(luò)造成資源檢索失敗，所以研究可持續(xù)且服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)定的備份技術(shù)很有必要。

2 顛簸問(wèn)題

P2P 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有的動(dòng)態(tài)性使網(wǎng)絡(luò)資源文件的分布、數(shù)量及狀況發(fā)生變化［13-14］，而節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出5 種基本狀態(tài)：加入態(tài)、在線態(tài)、刷新態(tài)、顛簸態(tài)和離線態(tài)，這些狀態(tài)變化由相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)事件觸發(fā)，其中顛簸狀態(tài)為暫時(shí)性過(guò)程，隨著節(jié)點(diǎn)的服務(wù)轉(zhuǎn)移到備份節(jié)點(diǎn)上，原節(jié)點(diǎn)的服務(wù)將恢復(fù)，顛簸也將消失。本文進(jìn)一步明確切換和顛簸的概念，分析顛簸的性質(zhì)，根據(jù)相應(yīng)性質(zhì)提出減少顛簸的方法。

2.1 問(wèn)題定義

設(shè)P=｛p1，p2，…，pi，…｝是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的有限集，1≤i≤n，n 為節(jié)點(diǎn)的總數(shù)目，?pi∈P兩次心跳的最大間隔時(shí)間為?tq,0

定義1（切換）時(shí)間[t,th]內(nèi)，t0時(shí)pi∈P退出網(wǎng)絡(luò)，t+?tq時(shí)pm∈P發(fā)現(xiàn)pi退出，系統(tǒng)將pi的服務(wù)轉(zhuǎn)移到pb∈P，并在th時(shí)轉(zhuǎn)移結(jié)束，則稱時(shí)間[t0,th]內(nèi)對(duì)pi切換或后切換。其中稱t0∈[t,t+?tq)為節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，同時(shí)也是切換開(kāi)始時(shí)間，th為切換結(jié)束時(shí)間，[t0,t+?tq]是節(jié)點(diǎn)退出發(fā)現(xiàn)期，(t+?tq,th]是節(jié)點(diǎn)服務(wù)轉(zhuǎn)移期，[t0,t+?tq]∪(t+?tq,th]?[t,th]是節(jié)點(diǎn)切換期。

定義2（顛簸）在時(shí)間[t,th]內(nèi)對(duì)pi∈P切換期間，如果t1∈(t0,th]時(shí)?pq∈P，請(qǐng)求pi的服務(wù)發(fā)生暫時(shí)性失敗，則稱pq在t1時(shí)產(chǎn)生顛簸。

2.2 顛簸事件性質(zhì)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)事件和資源需求節(jié)點(diǎn)的檢索請(qǐng)求［15-17］相互獨(dú)立。

性質(zhì)1節(jié)點(diǎn)切換期間任何資源需求節(jié)點(diǎn)對(duì)該節(jié)點(diǎn)提出服務(wù)請(qǐng)求都將產(chǎn)生顛簸。

分析：設(shè)?pi,pm,pb,pq∈P，?tq是節(jié)點(diǎn)pm收到節(jié)點(diǎn)pi的心跳信號(hào)的最大時(shí)間間隔，t 是節(jié)點(diǎn)pm接收到節(jié)點(diǎn)pi心跳的時(shí)間，t+?tq為節(jié)點(diǎn)pi的心跳到達(dá)pm的最大限制時(shí)間，th是節(jié)點(diǎn)pi的服務(wù)轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)pb的時(shí)間。

（1）若t0∈(t,t+?tq]時(shí)節(jié)點(diǎn)pi退出網(wǎng)絡(luò)，那么節(jié)點(diǎn)pm在[t0,t+?tq]不會(huì)接收到節(jié)點(diǎn)pi的心跳消息。若t+?tq時(shí)，pm仍然沒(méi)有收到pi的心跳，pm將推斷節(jié)點(diǎn)pi已經(jīng)退出網(wǎng)絡(luò)。

（2）在(]t+?tq,th時(shí)段，節(jié)點(diǎn)pi的服務(wù)轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)pb，th之后節(jié)點(diǎn)pb接替pi提供資源服務(wù)。

（3）若在時(shí)間(t0,th]內(nèi)?pq∈P檢索節(jié)點(diǎn)pi文件，那么由式（1）可知，在時(shí)間[t0,t+?tq]內(nèi)由于沒(méi)有發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)pi退出，所以檢索到的還是節(jié)點(diǎn)pi的鏈接信息。另外由式（2）可知，在(t+?tq,th]時(shí)間內(nèi)，盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)pi退出，但還沒(méi)有完成節(jié)點(diǎn)pi到節(jié)點(diǎn)pb的轉(zhuǎn)移，所以不能提供pb的鏈接信息。因此在時(shí)間[t0,th]內(nèi)，節(jié)點(diǎn)pq對(duì)節(jié)點(diǎn)pi文件的檢索將失敗。

性質(zhì)2當(dāng)節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，訪問(wèn)該節(jié)點(diǎn)資源文件失敗的概率與節(jié)點(diǎn)退出的概率密度函數(shù)以及節(jié)點(diǎn)切換期的長(zhǎng)度有關(guān)。

分析：設(shè)?pi∈P，節(jié)點(diǎn)pi退出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間為連續(xù)型隨機(jī)變量Q，Q 在(t1,t2)上的概率密度函數(shù)為f（q），t10。?pq∈P向節(jié)點(diǎn)pi發(fā)送檢索文件消息，檢索時(shí)間為連續(xù)型隨機(jī)變量R，R 在(t1,t2)上的概率密度函數(shù)為h（r），t1

在(t,t+ε)期間，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)pq檢索節(jié)點(diǎn)pi文件的概率為：

那么，在(t,t+ε)期間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)pi退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)pq檢索節(jié)點(diǎn)pi的文件概率為：

在式（3）中R 和Q 相互獨(dú)立，即：

由性質(zhì)1，(t,t+ε)時(shí)間段內(nèi)如果發(fā)生對(duì)節(jié)點(diǎn)pi的檢索事件，則檢索失敗。由式（4）可知檢索失敗的概率等于檢索事件發(fā)生的概率，再由式（2）可知從節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)到節(jié)點(diǎn)切換完成期間，檢索節(jié)點(diǎn)pi中資源文件的概率與其概率密度函數(shù)、節(jié)點(diǎn)切換所用時(shí)間有關(guān)。

由此可知，檢索的頻度增加則顛簸的概率也會(huì)增大。

3 資源環(huán)備份結(jié)構(gòu)

由顛簸的性質(zhì)及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，假設(shè)節(jié)點(diǎn)退出事件隨機(jī)性不變，由此顛簸發(fā)生的概率取決于切換期長(zhǎng)度。采用資源節(jié)點(diǎn)的環(huán)備份結(jié)構(gòu)，環(huán)節(jié)點(diǎn)間按鏈接關(guān)系在心跳周期內(nèi)互發(fā)問(wèn)候消息以相互監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)表和資源表，節(jié)點(diǎn)表用于保存環(huán)節(jié)點(diǎn)信息以供節(jié)點(diǎn)檢索服務(wù)，資源表保存節(jié)點(diǎn)的資源文件信息以供資源檢索服務(wù)。資源環(huán)備份結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Resource ring backup structure圖1 資源環(huán)備份結(jié)構(gòu)

3.1 節(jié)點(diǎn)加入環(huán)結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)分成兩步：①節(jié)點(diǎn)加入資源環(huán)備份結(jié)構(gòu)。建立節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)和首節(jié)點(diǎn)間的環(huán)鏈接，并以首節(jié)點(diǎn)為備份節(jié)點(diǎn)；②資源備份。節(jié)點(diǎn)的自治文件轉(zhuǎn)存到備份節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)加入環(huán)結(jié)構(gòu)算法：

輸入：節(jié)點(diǎn)pi，系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)ps，首節(jié)點(diǎn)pb

輸出：新系統(tǒng)環(huán)備份結(jié)構(gòu)

（1）pi向ps發(fā)送請(qǐng)求插入消息Is；收到回復(fù)Rs后利用返回的信息pi向pb發(fā)送請(qǐng)求插入消息Ib；收到回復(fù)Rb后，在pi建立ps與pi和pb與pi鏈接信息，pi向ps發(fā)送請(qǐng)求刷新消息Us，轉(zhuǎn)步驟（4）；如果未收到回復(fù)Rs||Rb，轉(zhuǎn)步驟（5）；

（2）ps收到消息Is后，pb回復(fù)Rs；ps收到消息Us后查詢和刷新節(jié)點(diǎn)表。

（3）pb收到消息Ib后，在pb建立pb與pi的鏈接信息，回復(fù)Rb。

（4）pi和pb開(kāi)始交換資源文件，pb作為備份節(jié)點(diǎn)，返回加入節(jié)點(diǎn)成功。

（5）返回加入節(jié)點(diǎn)失敗。

3.2 環(huán)節(jié)點(diǎn)間的監(jiān)測(cè)與節(jié)點(diǎn)切換

與被動(dòng)式監(jiān)測(cè)模式不同，在環(huán)備份結(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)相鏈接的2 個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在心跳周期內(nèi)向相鏈接節(jié)點(diǎn)發(fā)送問(wèn)候消息，收到消息后須立即回復(fù)，從而獲知其在線狀況，然后向系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)通報(bào)被監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的在線狀態(tài)；如果未收到問(wèn)候的回復(fù)，環(huán)節(jié)點(diǎn)斷定被監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)退出網(wǎng)絡(luò)，立即轉(zhuǎn)換到備份并向系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)通報(bào)。

環(huán)節(jié)點(diǎn)間的監(jiān)測(cè)與節(jié)點(diǎn)切換算法：

輸入：環(huán)節(jié)點(diǎn)pi，相鏈接節(jié)點(diǎn)pp，備份節(jié)點(diǎn)pn，系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)ps

輸出：節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)

（1）pi心跳期內(nèi)，pi向節(jié)點(diǎn)pp和pn發(fā)送問(wèn)候消息H(p/n)。

（2）pp/pn收到消息H(p/n)后回復(fù)R(p/n)。

（3）pi收到回復(fù)R(p/n)后向ps發(fā)送L(p/n)消息，通報(bào)pp/pn在線。若pi未收到回復(fù)R(p/n)則向ps發(fā)送Q(p/n)消息，通報(bào)pp/pn退出。

（4）ps收到消息Q后更新調(diào)整節(jié)點(diǎn)表，反映新的環(huán)備份結(jié)構(gòu)，安排新備份；ps收到消息L，刷新節(jié)點(diǎn)表。

環(huán)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)心跳周期內(nèi)向被監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次或多次問(wèn)候消息。如果環(huán)中有3 個(gè)及以上節(jié)點(diǎn)，則被監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)在其當(dāng)前心跳周期內(nèi)接收到兩個(gè)及以上問(wèn)候消息，因此各問(wèn)候消息間的時(shí)間間隔小于等于心跳周期長(zhǎng)度，所以利用環(huán)節(jié)點(diǎn)的心跳周期內(nèi)的監(jiān)測(cè)去發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)退出，與系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法相比可以縮短監(jiān)測(cè)盲區(qū)。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)退出事件和對(duì)節(jié)點(diǎn)資源文件的檢索事件獨(dú)立，但并不能保證它們的交事件為空，即存在節(jié)點(diǎn)退出事件和對(duì)節(jié)點(diǎn)資源文件的檢索事件同時(shí)發(fā)生的可能性。

性質(zhì)3環(huán)監(jiān)測(cè)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生顛簸的概率小于等于系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生顛簸的概率。

分析：設(shè)節(jié)點(diǎn)在心跳周期中t∈[t0,tq]時(shí)接到相鏈接的環(huán)節(jié)點(diǎn)問(wèn)候消息，所以[t0,t]?[t0,tq]，由概率的性質(zhì)可知：

由式（5）可知，環(huán)監(jiān)測(cè)中節(jié)點(diǎn)發(fā)生顛簸的概率小于等于系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生顛簸的概率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本節(jié)驗(yàn)證不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下［18-19］節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)檢索該節(jié)點(diǎn)文件失敗的概率與節(jié)點(diǎn)退出的概率密度函數(shù)，以及從節(jié)點(diǎn)退出到完成節(jié)點(diǎn)切換的時(shí)間關(guān)系。另外，用后切換與環(huán)備份節(jié)點(diǎn)間的監(jiān)測(cè)與節(jié)點(diǎn)切換算法進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試，以檢驗(yàn)本文提出的環(huán)備份算法在降低顛簸事件中的有效性。本文測(cè)試平臺(tái)采用Python 編程實(shí)現(xiàn)。

4.2 顛簸事件性質(zhì)驗(yàn)證

為了呈現(xiàn)顛簸事件的特性，測(cè)試參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點(diǎn)心跳周期為1s，節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)事件在心跳周期內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生。隨機(jī)挑選在線節(jié)點(diǎn)發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求，訪問(wèn)事件產(chǎn)生頻度為100 次/s，節(jié)點(diǎn)的切換時(shí)間設(shè)置5 組即1～5s，各種規(guī)模的測(cè)試時(shí)間為100s，測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為100～2 000，共20 組，顛簸事件測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

Fig.2 Bumpy event test results圖2 顛簸事件測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果證實(shí)了性質(zhì)2 的結(jié)論，即在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模情況下，產(chǎn)生顛簸的概率與節(jié)點(diǎn)退出的概率密度函數(shù)以及從節(jié)點(diǎn)退出到完成節(jié)點(diǎn)切換的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模較小而節(jié)點(diǎn)退出到切換到備份節(jié)點(diǎn)完成時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生顛簸的幾率較大，反之發(fā)生顛簸的幾率較小，節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大而訪問(wèn)頻度不變時(shí)，顛簸幾率較為接近，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模逐漸增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)退出到完成切換的時(shí)間即便較長(zhǎng)，顛簸的增長(zhǎng)會(huì)比較平緩。由此可以看到顛簸事件發(fā)生幾率與檢索事件發(fā)生率密切相關(guān)。

4.3 環(huán)備份監(jiān)測(cè)算法有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證環(huán)備份算法的有效性，將它與后切換進(jìn)行比較。設(shè)置測(cè)試參數(shù)如下：節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)事件在心跳周期內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，并且隨機(jī)訪問(wèn)在線節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的心跳周期和節(jié)點(diǎn)切換處理周期設(shè)為1s，各種節(jié)點(diǎn)規(guī)模的測(cè)試時(shí)間定為100s，且測(cè)試節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為100～2 000，共20 組，將訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)頻度分別為10 次/s、100 次/s、1000 次/s時(shí)，環(huán)備份和后切換發(fā)生顛簸事件的結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4、圖5 所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，后切換方法的顛簸發(fā)生率明顯高于環(huán)備份方法，但隨著訪問(wèn)頻度的降低和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，兩種方法顛簸事件的發(fā)生逐漸減少。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了性質(zhì)3 的結(jié)果，在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，環(huán)備份方法比后切換方法產(chǎn)生顛簸的概率明顯要小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，顛簸事件平均降低50.894%。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，顛簸事件的發(fā)生幾率在下降。另外，訪問(wèn)頻度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比也進(jìn)一步證實(shí)了隨著檢索頻度增加顛簸的概率也會(huì)增大。

Fig.3 Comparison of bumpy events between ring backup and post handover（1ms）圖3 環(huán)備份與后切換顛簸事件比較（1ms）

Fig.4 Comparison of bumpy events between ring backup and post handover（10ms）圖4 環(huán)備份與后切換顛簸事件比較（10ms）

Fig.5 Comparison of bumpy events between ring backup and post handover（100ms）圖5 環(huán)備份與后切換顛簸事件比較（100ms）

4.4 算法的資源消耗和性能分析

環(huán)備份監(jiān)測(cè)算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用都有所增加。首先，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要部署監(jiān)測(cè)算法程序和工作存儲(chǔ)，因此總的存儲(chǔ)資源比后切換方式只在系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測(cè)算法程序和工作存儲(chǔ)時(shí)占用的存儲(chǔ)量要大，兩者存儲(chǔ)資源占用為：Sc≈nSb，其中Sc為環(huán)備份監(jiān)測(cè)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的占用，Sb為后切換方式占用系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，n 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。由于監(jiān)測(cè)程序采用輕量化設(shè)計(jì)而且分散在各節(jié)點(diǎn)上，所以對(duì)系統(tǒng)性能影響不大。另外，由于環(huán)備份監(jiān)測(cè)算法相互間要通過(guò)發(fā)送問(wèn)候消息來(lái)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗增加，在每個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信至少增加1 次，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗比后切換增加1 倍。

由圖3、圖4、圖5 和測(cè)試數(shù)據(jù)可知，環(huán)備份的顛簸事件比后切換減少50.894%，性能提升明顯。測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，需求節(jié)點(diǎn)對(duì)資源節(jié)點(diǎn)平均訪問(wèn)頻率降低，兩種方法的性能差距逐步縮小，但是環(huán)備份算法優(yōu)勢(shì)依然保持，表明算法性能穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高非結(jié)構(gòu)化P2P 網(wǎng)絡(luò)［20］中資源文件的可用性，本文基于資源的備份技術(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的切換方法和產(chǎn)生顛簸的因素進(jìn)行了研究。訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)資源時(shí)顛簸事件影響著系統(tǒng)的可用性，而顛簸產(chǎn)生在系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，退出節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)的切換處理時(shí)段。為了減少顛簸現(xiàn)象發(fā)生，提出了一種環(huán)備份結(jié)構(gòu)及其監(jiān)測(cè)策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，環(huán)備份結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)方法在降低顛簸事件發(fā)生上明顯優(yōu)于后切換方法。后續(xù)將在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)退出的預(yù)測(cè)方法和新的切換方法上深入研究，進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)顛簸現(xiàn)象和資源消耗，提高系統(tǒng)可用性。