专利名称：基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法
技术领域：
本发明属于无线网络通信技术领域，具体涉及一种基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法。
背景技术：
无线Mesh网络(WMN, Wireless Mesh Networks)是由Ad Hoc网络发展而来的相对静态的无线网络，是Internet的无线接入网络，也是一种高容量、高速率、低功耗、低成本的分布式网络。WMN具有自组织、自配置和自治愈的特点，能够自动地将各个节点组织起来建立一个Ad Hoc网络并维持网状网的连通性，具有有效的移动用户管理和跟踪机制。近几年来，无线网状网技术突飞猛进，并获得了众多成功的商业应用，成为了下一代无线网络的关键技术。WMN中主要存在两种网络实体移动客户端与几乎静止的接入点(路由器)。Mesh路由器与移动客户端之间形成无线回路，移动客户端通过Mesh路由器的路由选择和中继功能与网关节点形成无线链路，实现无线宽带接入。过去的十年，有线网络中的对等网络(又称为P2P技术)，打破原有的C/S模式，使得网络节点间可以直接进行数据通信而不需要通过中间的服务器，在众多领域得到了发展和应用，如普及计算、协同工作、信息检索、文件共享和发布、广域网数据存储、实时通信等，其中文件资源共享一直是网络技术发展的重要推动力，也是技术中最典型的应用。然而，最近几年P2P应用程序的发展远远超过了网络传输能力和网络协议的发展速度，造成网络的严重拥塞。P2P数据流占用了绝大多数网络带宽，严重影响到其它网络应用程序的性能。随着无线多跳网络技术作为无线通信领域中一种新兴网络结构逐渐得到发展，越来越多的P2P系统开始尝试部署于无线多跳网络(如无线传感网络，Ad Hoc网络等)之上。而无线网络所能提供的数据传输速率和稳定性又远远不及有线网络，这更加重了大规模P2P系统的部署难度。无线Mesh网络作为新的无线网络技术，由于其所具有的高速率、易组网、成本低、性能稳定等优势，引起人们的日益关注，成为了下一代无线网络的关键技术。在无线Mesh网络中部署P2P共享系统成为研究的热点之一。无线网络的发展和个人移动终端的日新月异，人们已经能够并且习惯通过无线网络随时随地获取信息，对于移动终端之间的资源共享和数据传送也有了越来越多的需求。无线P2P资源共享系统也应运而生，成为P2P计算研究领域中的重要课题。在无线多跳网络中，节点同样自行加入网络，不了解网络全局情况，只与相邻的邻居节点直接通信，与通信范围之外的节点通信需要中间节点的转发，节点的加入与退出为随机不可预测事件。可以看出来，从网络组成与节点关系上来说，无线多跳网络可以称为典型的无线P2P网络。无线多跳网络与P2P系统的共有特征使得在无线多跳网络中配置文件资源共享系统显得自然且具有吸引力，如移动无线用户之间共享交通与天气数据，分享音乐，视频文件等。目前，大多数文献把在移动Ad Hoc网络或者无线传感网络上进行P2P文件共享及数据分发等作为无线网络P2P问题来研究，距离较近的移动终端之间也组成自组织网络，在自组织网络上实现P2P覆盖(overlay)网，进行资源共享。但是无线Mesh网络中文件共享系统消息冗余，文件查找效率低下，P2P文件共享及数据分发速度缓慢，仍然阻碍了无线Mesh网络中P2P资源共享系统的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少无线Mesh网络中文件共享系统中P2P共享系统的消息冗余，同时提高文件查找效率的基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，其总体技术方案采用spiral ID分配规则依据空间填充曲线对节点进行分配ID，节点的地理位置已知，根据节点的地理位置建立spiral环形拓扑。空间填充曲线是一种降低空间维度的方法，其定义为在多维空间中，对网格内的节点进行一维排序，即多维空间一维编码法。犹如针线穿过网格内的所有节点，且每个节点恰仅经过一次，从而在点的坐标和点在曲线上的一维序列数之间形成一一映射。节点处在一个二维空间中，节点的ID分布于一维曲线上的点，节点ID分配规则相当于将二维空间映射到一维空间；节点按照ID的值升序排列组成一个覆盖层的环形拓扑，逆时针方向的第一个节点为前驱节点，顺时针方向的第一个节点为后继节点，顺时针方向到节点的距离至少半个环形拓扑的第一个节点为镜像节点。节点与其镜像节点、前驱节点，后继节点分布在环上，似乎将整个环分割成四个部分，节点接收到查找消息的节点，会在本节点，后继，镜像与前驱之间进行查找。具体方案包括以下步骤①、将P2P空间建模成一个带有坐标系统的几何空间，将参与Mesh网络中的每个路由器作为空间中的节点，得到点在几何空间中的节点坐标；同时几何空间被划分为N*N个大小一致的网格；②、根据Mesh网络中每个节点的坐标计算其所在的网格坐标；按照空间填充曲线spiral对网格进行一维排序,计算网格的spiral值；节点按照所在网格的spiral值计算节点的ID,根据节点ID升序排列建立环形拓扑；③、将顺时针方向到节点的距离至少半个环形拓扑的第一个节点作为Mesh网络中每个节点在环形拓扑上的镜像节点。节点以及该节点的前驱节点、后继节点、镜像节点分布在环形拓扑上，将环形拓扑划分为四个部分；④、将节点的前驱节点赋予查找能力，接收到任何用户查找消息的节点，在本节点、后继节点，镜像节点与前驱节点之间进行查找，将消息发送到所查找到的节点。基于spiral空间填充曲线的节点ID分配策略——spiral ID将位置知晓策略与基于无线广播特性的跨层策略相结合，以此来缓解覆盖网络与物理网拓扑不匹配问题，然后提出four-fold ring查找算法，设置镜像节点，将覆盖环进行四分化，按照文件关键字所在区域进行查找。仿真对位置知晓，跨层以及four-fold ring查找算法进行比较，实验结果证明sprialchord能有效的减少无线文件共享系统中的消息冗余，同时提高文件查找效率。本发明基于spiral曲线的ID分配策略——spiral ID，采用位置知晓策略，设定节点的地理位置已知，节点ID分配规则为物理位置临近的节点分配接近的ID，节点按照其ID升序组成环状覆盖网络，使得邻居节点在环中的位置临近，缓解物理网络与覆盖网络拓 扑不匹配的问题，减少网络的冗余消息对无线网络的影响；同时利用无线通信的一跳广播特性，采用MAC层与覆盖层的跨层策略，使得无线通信范围内的节点均能捕捉到物理邻居的查找请求，增加查找命中率。从位置知晓与跨层的功能来分析，位置知晓为解决拓扑不匹配问题，要求物理邻近节点具有接近的ID，而跨层策略为了提高查找效率，如果物理邻居节点与查找节点的ID相距甚远，那么查找消息除了到达其指针表中最接近目标的节点，还会到达在覆盖环上与之距离很远的节点，有可能更快速得到查找响应，因此跨层期望物理邻近节点具有差异较大的ID。跨层与位置知晓对于节点ID的需求彼此矛盾。spiral ID使得节点在覆盖环上的前驱节点与后继节点为其物理邻居节点，节点剩余的邻居节点分配与其相距甚远的ID，更有效的将位置知晓与跨层策略的相结合，增加跨层对查找效率的贡献，提高系统信息通信效率性能。 通过在相同的网络状态中，对本发明的算法特性进行估量，仿真试验证明，本发明具有消息流量少、查找平均响应时间少、平均资源查找成功率较现有方法高、在加入网络的时间上所耗少，提高了无线Mesh网络的P2P通信效率。
图I是本发明线Mesh网络P2P共享系统结构示意图；图2是本发明spiral 二维空间填充曲线示意图；图3是本发明环形拓扑上的镜像节点示意图；图4静态网络中本发明算法与现有技术中算法的消息流量对比曲线图；图5是静态网络中本发明算法与现有技术中算法的查询响应时间对比曲线图；图6是静态网络中本发明算法与现有技术中算法的查找成功率对比曲线图。图7是实施例2中空间中的节点呈现随机分布的示意图；图8是实施例2中空间中的节点的spiral ID根据坐标计算后呈升序排列在覆盖环上示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述无线Mesh网络P2P系统使用两层的网络结构，如图I所示,上层静止的无线Mesh路由器构成一个基于DHT的环形覆盖网拓扑，负责路由与资源查找。下层的移动客户端节点通过与通信区域内的路由器连接加入到系统，提供资源并发起查找。当移动客户端C通过路由器D加入到共享系统中，C将自己的本地资源A的关键字告知D，D将资源关键字进行哈希，得到文件ID，并发布到相应的路由器R负责。当移动客户端E需要查找资源A时，客户端向路由器F发送查询消息，F根据文件ID，按照相应的查找规则在环形覆盖网拓扑转发查询消息，直到R，由此获得查询响应，得到资源位置信息。在构建覆盖层拓扑时，参与环型拓扑的建立与维护的相关消息主要在节点的前驱节点与其后继节点之间转发，拓扑不匹配产生的消息冗余大部分产生于节点与其前驱和后继，因此节点最好与其前驱后继节点彼此互为物理邻居，且具有接近的ID，具有物理邻近同时覆盖环邻近的特点；而跨层策略主要为了增加查找提前命中的机率，利用无线通信的一跳广播特性。物理邻居节点捕捉到消息包，由物理层送到应用覆盖层，有可能对消息包进行响应，提高查找效率(更快得到响应)，因此如果物理邻居彼此ID差距较大，查找消息包会到达在覆盖环上距离很远的节点，跨层包捕捉对查找效率的提高更大。
位置知晓与跨层对于节点ID分配规则要求彼此相悖。要将位置知晓与跨层结合起来，充分发挥各自的作用，同时提高查找性能与系统的可扩展性，节点ID分配规则需要在两者之间达到较好的平衡。理想的节点ID分配规则需要满足以下两个条件1)在节点物理邻居中选择两个节点作为其覆盖环上前驱与后继节点，与其具有接近的ID。2)给节点的其他物理邻居分配与节点尽可能差距大的ID。spiral ID分配规则，同时满足以上两个要求，更有效的将位置知晓与跨层策略的相结合。spiral ID分配规则依据空间填充曲线对节点进行分配ID。设定节点的地理位置 已知，根据节点的地理位置建立环形拓扑。节点处在一个二维空间中(设定节点的水平一致)，节点的ID分布于一维曲线上的点，节点ID分配规则相当于将二维空间映射到一维空间。空间填充曲线是一种降低空间维度的方法，其定义为在多维空间中，对网格内的节点进行一维排序，即多维空间一维编码法。其特性犹如针线穿过网格内的所有节点，且每个节点恰仅经过一次，从而在点的坐标和点在曲线上的一维序列数之间形成一一映射。空间填充曲线依照路径走向的自我相似性(self-similarity)。空间填充曲线可以使得在空间上相邻的点在映射后的线性序列上也相邻，保持节点之间的邻近关系。将整个P2P空间建模成一个有着完整坐标系统的几何空间，将参与网络中的每个路由器看做空间中的点，得到点在几何空间中的定位，即节点坐标，由此反映出P2P的底层拓扑结构。基于空间聚类曲线的ID分配规则将二维空间转换成一维空间，按照节点在P2P空间中的位置，计算出节点的所在网格的排序值，再根据网格的排序值得到节点的ID，按照节点的ID进行环的构建。spiral ID的基本思想是使用spiral完成节点坐标到节点ID的映射。按照节点在P2P空间中的位置，计算出节点所在网格的spiral值，使物理距离相近的主机的网格spiral值也相邻。按照网格的spiral值的顺序来建立覆盖环。根据spiral值进行覆盖环的建立,能保证spiral值相邻的节点在覆盖环上的位置也相邻，节点物理邻居中的两个节点成为其覆盖环上前驱与后继节点。这种基于位置知晓策略的方法用能够反映节点物理位置信息的标识符，取代了原CHORD覆盖网络中的哈希主机的IP地址来取得无规则的主机序列。所以按照spiral ID建立的覆盖网络模型是充分按照底层的网络结构构建上层的逻辑环，能够使P2P网络中的拓扑结构相匹配。同时，由于spiral曲线的平均八邻距离和较大，使得节点与一部分的物理邻居之间ID差异较大，增加查找提前命中的机率，使得跨层包捕捉对查找效率的贡献更大。设定整个P2P空间是一个S*S平方米的正方形区域，使用常量Λ将整个空间分为若干个网格，即空间中一共有c*c个网格，也即是空间中最多主机的个数。C = S/Λ(I)节点的ID值用区间为
的小数表示，移动客户端的资源关键字同样被映射在同一区间，数据对象key被分配到环上顺时针方向紧随key的第一个节点且包括与key值相等，该节点就为key的直接负责节点。设定空间中节点的坐标为(X，y)，(X，y) e [O, S]2。由节点坐标得到其所在网格的坐标(X，Y)。左下角网格坐标为(0，0)，右上角网格坐标为(c-l，c-l)。
权利要求
1.一种基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，所述方法包括以下步骤 ①、将P2P空间建模成一个带有坐标系统的几何空间，将参与Mesh网络中的每个路由器作为空间中的节点，得到点在几何空间中的节点坐标。同时几何空间被划分为N*N个大小一致的网格； ②、根据Mesh网络中每个节点的坐标计算其所在的网格坐标；按照空间填充曲线spiral对网格进行一维排序,计算网格的spiral值；节点按照所在网格的spiral值计算节点的ID,根据节点ID升序排列建立环形拓扑； ③、将顺时针方向到节点的距离至少半个环形拓扑的第一个节点作为Mesh网络中每个节点在环形拓扑上的镜像节点，节点以及该节点的前驱节点、后继节点、镜像节点分布在环形拓扑上，将环形拓扑划分为四个部分； ④、将节点的前驱节点赋予查找能力，接收到任何用户查找消息的节点，在本节点、后继节点，镜像节点与前驱节点之间进行查找，将消息发送到所查找到的节点。
2.根据权利要求I所述的基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，其特征在于，计算节点ID的方法为 整个P2P空间是一个S*S平方米的正方形区域，使用常量A将整个空间分为C*C个网格 C = S/A(I) 节点的ID值用区间为[O，I]的小数表示，移动客户端的资源关键字同样被映射在同一区间，数据对象key被分配到环上顺时针方向紧随key的第一个节点且包括与key值相等，该节点就为key的直接负责节点， P2P空间节点的坐标为(x，y)，(x，y) G [O，S]2，由节点坐标得到其所在网格的坐标(X，Y)，左下角网格坐标为(0，0)，右上角网格坐标为(C-1，C_1)
3.根据权利要求I所述的基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，其特征在于，在步骤③中，节点周期性的发送固定镜像节点的消息，实时更新镜像节点信息。
4.根据权利要求I所述的基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，其特征在于，步骤④中的查找策略如下
全文摘要
本发明涉及一种基于spiral曲线的无线Mesh网络P2P资源共享方法，先将参与Mesh网络中的每个路由器作为空间中的节点，得到点在几何空间中的节点坐标；按照空间填充曲线spiral建立环形拓扑，对环形拓扑内的节点进行一维排序，根据节点所在网格的spiral值计算节点的ID；将节点以及该节点的前驱节点、后继节点、镜像节点分布在环形拓扑上，将节点的前驱节点赋予查找能力，接收到任何用户查找消息的节点，在本节点、后继节点，镜像节点与前驱节点之间进行查找，将消息发送到所查找到的节点。本发明提高了无线Mesh网络P2P共享系统的通信效率。
文档编号H04L29/08GK102624893SQ20121006047
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者卢开旺, 周慧, 张良俊, 杨杰 申请人:武汉理工大学