基于復雜網(wǎng)絡理論的對等計算系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著對等計算(Peer-to-Peer,P2P)技術(shù)的迅猛發(fā)展、需求與應用的不斷拓展、用戶數(shù)量的急劇增加以及交互方式的日益多樣化,P2P系統(tǒng)本身及其所處的網(wǎng)絡環(huán)境均呈現(xiàn)出爆炸式的復雜性增長(complexity explosion)趨勢.面對這種情形,當前用于構(gòu)造P2P系統(tǒng)的思想、方法和技術(shù)正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn),P2P系統(tǒng)中的安全問題也愈加突出,亟需從新的角度理解網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡的行為之間的關(guān)系,進而考慮改善網(wǎng)絡的行為,使之一方面能夠真實

2、反映和正確利用網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)特征,另一方面能夠更好地適應這種爆炸式的復雜性增長趨勢. 從本質(zhì)上看,具有上述高度動態(tài)性和復雜性的P2P系統(tǒng)是一個典型的復雜網(wǎng)絡,其網(wǎng)絡拓撲已被證實具有復雜網(wǎng)絡的諸多基本特征.然而,該研究領(lǐng)域當前普遍存在的問題是,在設計P2P算法和協(xié)議時,或者對網(wǎng)絡的拓撲特征知之甚少,或者即便了解這些拓撲特征,但是未能充分地揚其長、避其短,并合理地體現(xiàn)在算法和協(xié)議的實際操作中. 針對這一現(xiàn)狀,本文集中地從網(wǎng)絡拓撲

3、特征的角度,基于復雜網(wǎng)絡的相關(guān)理淪,對涉及P2P計算系統(tǒng)本質(zhì)問題的若干關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究,包括: ·如何準確刻畫和真實再現(xiàn)實際P2P網(wǎng)絡的主要拓撲特征? ·如何有效利用這些拓撲特征控制P2P網(wǎng)絡的行為、改善P2P網(wǎng)絡的性能? ·如何進一步有效利用這些拓撲特征對P2P網(wǎng)絡實施有針對性的安全保護? 本文的創(chuàng)新性研究成果主要有: 1.針對實際P2P網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的建模與重構(gòu)問題,提出了一種基于拓撲特征的

4、P2P網(wǎng)絡拓撲生成器:FitGnu. FitGnu通過以下幾項改進措施來構(gòu)造和生成拓撲:(1)顯式地保持節(jié)點連接度的冪律分布并支持冪指數(shù)的參數(shù)可控性；(2)引入競爭因素,采用基于廣義適應度的優(yōu)先連接；(3)利用地理鄰近信息構(gòu)造局域世界連接和全局世界連接；(4)支持網(wǎng)絡的增長(新節(jié)點加入/老節(jié)點消亡)和演化(拓撲特征指標的演變).理論分析與實證研究表明,相對于BA、MLw等拓撲生成器,由FitGuu生成的拓撲圖能夠更為準確和完整地

5、再現(xiàn)Gnutella類型P2P網(wǎng)絡的無標度、小世界、度-度關(guān)聯(lián)、聚類等高級拓撲特征,并具有更好的應用針對性和可操作性. 2.針對P2P網(wǎng)絡的行為控制與性能改善問題,提出了一種基于拓撲特征的可擴展P2P文件共享系統(tǒng):TOA. TOA分別從以下幾個方面對現(xiàn)有算法和協(xié)議實施改進:(1)針對資源放置問題,提出了一種動態(tài)拓撲適應與演化算法DYToPA,使得網(wǎng)絡拓撲能夠主動地適應網(wǎng)絡中資源的分布狀況和使用情況,并實現(xiàn)底層物理網(wǎng)絡拓撲

6、意識；(2)針對資源定位問題,提出了一種高效率的數(shù)據(jù)搜索算法SMARTSEARCH,使得搜索操作盡可能地僅在一小部分"正確"節(jié)點上進行；(3)針對負載均衡問題,提出了一種熱點資源復制策略HOTREPICATION,根據(jù)熱點資源的實際使用情況,自動執(zhí)行數(shù)據(jù)復制和載荷遷移；(4)針對資源獲取問題,提出了一種大尺寸文件下載策略BIGDOWNLOAD,實現(xiàn)基于軟狀態(tài)的主動接納控制和資源預留,以盡可能發(fā)揮P2P系統(tǒng)的最大潛能,并提供一定程度上的Q

7、oS保證.實驗結(jié)果表明,相對于BFS、RW、MRP等系統(tǒng),ToA<'3>在搜索效率、負載分布、對底層物理網(wǎng)絡的利用、以及拓撲演化質(zhì)量等性能測度上均取得了明顯的改善. 3.針對P2P網(wǎng)絡中蓄意攻擊行為的安全保護問題,提出了一種基于拓撲特征的分散式目標免疫策略:DeepCure；作為對.DeepCure的功能擴充和性能增強,還提出了一種基于本地hub的扼流機制:LHRT. DeepCure在免疫目標的定義、免疫目標選取范圍的

8、確定、免疫方法的設計等方面區(qū)別于現(xiàn)有的其它策略,使得其能夠僅利用本地知識和僅免疫少量關(guān)鍵節(jié)點,即可大幅度提高P2P網(wǎng)絡的抗蓄意攻擊能力.實驗結(jié)果表明,與K<,max>,SAL、Local三種免疫策略相比,DeepCure在免疫成本、免疫效率、可擴展性、魯棒性等多個測度上均獲得了明顯的性能增益.配合LHRT扼流機制,經(jīng)適當延遲的DeepCure免疫策略能夠有效應對網(wǎng)絡中瞬時間大規(guī)模爆發(fā)的病毒感染或惡意攻擊,并有助于實現(xiàn)"主動免疫"的網(wǎng)絡安