第二卷 第二期 - 2007年十一月九日 PDF
無線行動網路上具有網路感知能力之同儕檔案共享架構研究
黃崇明, 許子衡, 徐銘法

成功大學資訊工程學系
huangcm@locust.csie.ncku.edu.tw

IEEE Journal on Selected Areas in Communications, VOL. 25, NO. 1, pp. 204-210, January 2007

儕運算網路(Peer-to-Peer Network)的快速進展已經改變網際網路應用型態,大量的使用者及大量的資訊在網際網路上傳遞。同儕運算網路( Peer-to-Peer Network )最主要的目的就是資源共享 ( Resource Sharing ),結合大家有限的計算資源,形成一個巨大的運算網路,加速資訊的傳遞。同儕運算網路 ( Peer-to-peer networks ) 可以說是一種分散式的計算模式( computing model )。同儕運算網路 ( Peer-to-Peer Network ) 已廣泛應用在計算機科學的各種領域中,其通常具有下列特性:(1)分散式運算 ( Distributed Computing ):同儕運算網路具有分散式運算的特性,網路上的所有參與節點,都可以執行運算,且具有彈性。任一網路節點損壞,其它節點仍可繼續執行,不受影響。(2)資源共享(Resource Sharing):同儕運算網路可分享任何計算資源,舉凡 CPU cycle, 儲存裝置、網路頻寬、檔案等,都可以互相分享、不受限制。

同儕運算網路( Peer-to-peer networks, P2P network )提供了比傳統Client-Server架構更多的優點,例如負戴平衡(load balance)、自我組織(self-organization)和延展性(scalability). 現今有許多知名的對等資源共享軟體,如Napster, eMule 和 BitTorrent被大眾廣泛的使用。 同儕運算網路(Peer-to-peer networks)沒有一個中央伺服器(central server)的存在,每一個Peer都可以扮演伺服器及客戶端的角色,提供資源共享的服務給網路上其它的 Peer。同儕運算網路 ( Peer-to-peer networks ) 主要使用動態探索 ( dynamic discovery ) 技術的通訊協定來找尋網路上的共享資源。因此,同儕運算網路 ( Peer-to-peer networks ) 具有隨機、易變動的特性。

目前,大部分的同儕運算網路 ( P2P network ) 都架構在有線(wired) 網路環境,對於無線行動通訊環境下的同儕運算網路模式並無很多的研究。在無線網路的環境中,封包流失不同於有線網路環境的封包流失原因。在無線網路中,封包遺失主要是因為無線網路通過的介質不如有線網路那般的穩定,訊號易受干擾,且使用者移動的過程中,會產生基地台換手(Handover)的問題。由於這般的封包流失情況,當把有線網路上成功設計出的同儕運算網路模式運用於無線網路上時,將發生許多問題。由於過去針對傳統網際網路的研究多半著重於固定網路上所需的技術,因此這些技術並不能直接應用在無線行動通訊網路上。對於無線行動通訊網路而言,其它的技術障礙有:通訊頻寬太低、通訊品質不佳、電池能量有限以及作業環境的複雜。因而本文的研究重點在於無線行動通訊環境下對等資源共享機制的建立,探討行動通訊環境與同儕運算網路(P2P network)間的影響。

在目前的同儕運算網路中,有很多動態查詢路由 ( Query Routing ) 、搜尋 ( Locating ) 演算法被發表。例如Gnutella中的氾濫式查詢( Query Flooding )演算法,Napster中的中央索引式(Centralized Index) 演算法,Chord及CAN中的分散式雜湊表(Distributed Hashed Table) 演算法, Pastry,Tapestry 中的前飾位址路由(Prefix/suffix Address Routing) 演算法。

由於行動通訊網路上的節點隨時改變,基於此種特性,中央目錄模式 ( Centralized directory model ) 與雜湊路由模式 ( Hash routing model. ) 並不適合用在無線行動通訊網路上。因此,本研究使用了混合式 ( Hybrid ) 的對等共享架構,結合了中央目錄模式(Centralized directory model)與叢集式運算(Cluster)的優點,即利用中央目錄模式(Centralized directory model)的訊息數量較低及快速查尋優點,並借由叢集式運算(Cluster)的容錯特性,在後端建立多個伺服器,提供容錯及負戴平衡(Load Balance)服務,避免中央目錄模式(Centralized directory model)易受攻擊及延展性的問題。

在本研究系統架構中,多個無線行動通訊裝置構成一個無線行動同儕運算網路 ( Wireless Mobile P2P Network )。無線行動通訊裝置具有各種不同的通訊協定,如 802.11b, Bluetooth, GPRS 等。各個無線行動通訊裝置相互連結,並共享運算資源。當無線行動通訊裝置使用者端向無線行動同儕運算網路 (Wireless Mobile P2P Network ) 要求某一資源時,無線行動網路節點(Peer)可以傳遞使用者的要求,而使用者亦可在收到回應時,存取所要求的運算資源。此無線行動通訊環境下同儕運算網路架構,亦可以和廣域網路連結,共享網際網路上的運算資源。除了結合網路的前飾位址路由的檔案共享叢集架構外,本研究亦包含了 (1) 動態資源尋找機制,做為無線行動通訊環境下同儕運算資源共享的底層通訊協定;(2)無線行動通訊環境下的同儕運算網路量測運算,瞭解無線行動通訊環境下資源共享的特性。

本系統的網路拓撲(Topology)架構,結合網路的前飾位址路由(Prefix/suffix Address Routing),把相鄰的網路依前飾位址結合成不同大小的網路感知同儕檔案共享叢集 ( Network-aware P2P file sharing clusters )。圖一顯示了本系統之網路感知檔案共享叢集架構(Network-aware P2P file sharing clusters)。在圖一,假設有個無線行動裝置(Mobile Peer)正在下戴資源,當該無線行動裝置從網路2移動到網路3時,其下戴的路徑會產生改變。此時若網路3有同樣的下戴資源時,本系統會動態發出資源查詢訊息,取得該資源於網路3的下戴位置。此時,該行動裝置可直接於下戴網路3的資源,不用再從較遠的網路1下戴資源,可加速資源的下戴速度,降低網路延遲,節省骨幹頻寬。
圖一、網路感知同儕檔案共享叢集架構
圖二、動態資源尋找機制之效能比較圖

本研究之動態資源尋找機制及同儕運算網路量測運算,會依據行動裝置移動位置及目前所在網路的連線情形,動態發出資源查詢訊息,查找新的網路資源。當網路傳輸量降低定時,增加查詢的次數,尋找新的網路資源。當網路傳輸量增加時,減少查詢的次數,避免過多查詢訊息增加網路負戴。圖二顯示了本系統動態資源尋找機制之效能比較圖。在圖二、本系統所提出之RDC、SDC動態資源尋找機制大幅減少資料查詢訊息量,優於傳統固定週期之訊息查詢機制,可減少無線網路頻寬訊息量,增加傳輸效能。

本研究提出了一個基於網路的前飾位址路由的網路感知同儕檔案共享叢集 ( Network-aware P2P file sharing clusters )架構,該架構除了可使無線行動通訊網路上的節點共享資源外,亦可與有線網路上其它網路應用程式結合,形成一完整的資源分享網路。提供使用者於行動中無間斷的存取能力,存取離使用者最近的網路資源,達到異質環境下的資源共享。可應用於無線行動網路上的對等共享資源應用,例如:於行動網路上共享多媒體檔案等。
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