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基于网络坐标的覆盖网络路由机制研究

作　者: 马涛
导　师: 曾志民
学　校: 北京邮电大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 覆盖网络对等网络分布式哈希表网络坐标服务质量
分类号: TP393.02
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

覆盖网络是随着近年来对等网络的兴起而发展起来的技术。覆盖网络路由可以理解为通过覆盖网络技术提供的路由服务。覆盖网络路由相比于传统IP路由,通过在IP路径上构建逻辑路径,提供了一种灵活的面向业务的路由方式。覆盖网络路由的应用场景可以分为三类：第一类是面向节点的路由；第二类是面向内容的路由；第三类是面向语义的路由。针对三类应用场景,覆盖网络路由发挥着不同的作用。在第一类应用中,路由的对象是节点位置。当IP路由不能满足业务QoS需求时,覆盖网络路由能够建立绕行路径,取得比IP直达路径更优的效果；在第二类应用中,路由的对象是内容,覆盖网络将内容分散地存储在各个节点中,在需要查找某个特定内容时,覆盖网络路由能够可靠和高效地定位到内容所存储节点；在第三类应用中,路由的目标是内容中包含的抽象语义信息,覆盖网络路由能够从语义上理解用户的查询请求,判断内容之间的语义关系,根据语义规则搜索与用户请求相关的内容资源。在上述三类场景中,覆盖网络路由机制研究的共同目标是如何进一步提高覆盖网络路由的服务质量,主要体现为如何降低覆盖网络路径的逻辑跳数和物理时延。由于覆盖网络主要用于分布式网络和对等计算环境中,覆盖网络路由机制的开销和可扩展性也是设计路由机制的重要参考。为了实现上述研究目标,本论文分析了覆盖网络路由的应用场景,总结了提升覆盖网络路由服务质量的关键因素,对覆盖网络路由机制进行深入研究,主要的研究成果如下：第一：针对IP网络的“反三角”现象,定义量化模型,设计通过网络坐标发现反三角现象的方法。为了分析IP直达路径时延大于覆盖网络路径时延的现象,引入“反三角”模型,定义“中转效用度”量化了通过覆盖网络路径降低时延的效果,研究了反三角的分布特性。为了能够利用反三角降低时延需要在网络中发现反三角,通过理论和实验仿真分析网络坐标误差与反三角的关系,设计了利用网络坐标预测发现反三角现象的方法,为覆盖网络路由机制中利用“反三角”降低时延的相关方法奠定了基础。第二：在面向节点的路由服务场景中,为了利用反三角现象发现时延更短的绕行路径,提出了一种分布式查找选择应用层中转的TIVER算法。节点根据中转效用度搜索邻居节点建立反三角候选集,从中选择降低时延效果最好的应用层中转,建立相比IP直达路径时延更短的绕行路径,满足实时性业务需求。通过仿真比较验证了TIVER算法在时延降低效果、查找效率、测量开销方面的性能。第三：在面向内容的路由服务场景中,针对覆盖网络拓扑与物理网络拓扑不匹配的问题,提出了基于网络坐标的内容定位算法PT-CAN。为了感知物理网络的时延距离信息,将网络坐标与分布式哈希表的内容定位机制相结合,设计IP网络距离可感知的内容查询定位方法P-CAN.在此基础上,考虑到反三角降低时延的特性,引入利用网络坐标发现反三角的方法,提出了感知反三角特征和网络距离的内容定位算法PT-CAN,进一步降低内容查询定位的物理时延,通过理论分析和实验仿真验证了算法效果。第四：在面向语义的路由服务场景中,为了增强搜索功能和提高查询效率,提出了一种基于坐标空间的语义路由机制SOCS。引入语义建模的方法,在内容查询机制中增加了分析处理语义信息的能力,实现了语义搜索功能。根据查询请求的语义信息决定路由策略,在语义相似的节点间采用群内路由,在语义不相似的节点间采用群间路由,建立了混合式架构的语义路由机制,减少了搜索路径的跳数和时延,提高了查询效率。通过性能分析和仿真验证了SOCS语义路由的效果。另外,针对不同的语义表示模型,设计了基于球面坐标系的拓扑生成机制,扩大了SOCS的适用范围。论文最后对全文进行了总结,并对进一步的研究方向提出了一些想法和思路。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 覆盖网络路由概述  11-13
    1.1.1 覆盖网络路由的基本定义  11-12
    1.1.2 覆盖网络路由的应用场景  12-13
  1.2 选题背景和意义  13-15
  1.3 作者的研究工作  15
  1.4 论文的研究成果  15-17
  1.5 论文的组织结构  17-18
  参考文献  18-19
第二章研究背景综述  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 网络距离预测技术  19-22
    2.2.1 背景概述  19-20
    2.2.2 典型算法—Vivaldi  20-22
  2.3 覆盖网络路由机制  22-31
    2.3.1 面向节点的路由—应用层中转选择  22-25
    2.3.2 面向内容的路由—内容查询与定位  25-28
    2.3.3 面向语义的路由—语义路由  28-31
  参考文献  31-34
第三章基于网络坐标的应用层中转选择机制研究  34-58
  3.1 引言  34-35
  3.2 相关研究  35-36
  3.3 描述应用层中转的时延空间反三角模型分析  36-41
    3.3.1 反三角现象及其成因  37-38
    3.3.2 中转效用度  38-41
  3.4 基于网络坐标的中转效用度估计方法  41-45
    3.4.1 网络坐标与反三角  41-42
    3.4.2 基于预测比率的中转效用度估计方法  42-45
  3.5 分布式应用层中转选择算法TIVEP  45-55
    3.5.1 设计需求与原则  45-46
    3.5.2 中转候选集的建立  46-48
    3.5.3 从候选集中选择中转节点  48-50
    3.5.4 候选集选择节点的修正机制  50-51
    3.5.5 实验仿真  51-55
  3.6 本章小结  55-56
  参考文献  56-58
第四章基于网络坐标的内容定位机制研究  58-79
  4.1 引言  58-60
  4.2 相关研究  60-61
  4.3 感知网络距离的内容定位机制P-CAN  61-67
    4.3.1 分配区间  61-62
    4.3.2 路由表建立  62-63
    4.3.3 路由过程  63-64
    4.3.4 性能评价  64-67
  4.4 感知网络距离与反三角特征的内容定位机制PT-CAN  67-76
    4.4.1 基本原理  67-68
    4.4.2 反三角路由表的设计与建立  68-71
    4.4.3 基于DHT服务发现的路由表邻居发现机制  71-72
    4.4.4 路由过程  72-73
    4.4.5 性能评价  73-74
    4.4.6 实验仿真  74-76
  4.5 本章小结  76-77
  参考文献  77-79
第五章基于网络坐标的语义路由机制研究  79-102
  5.1 引言  79-80
  5.2 相关研究  80-83
  5.3 基于坐标空间的语义路由机制研究  83-94
    5.3.1 标识生成  83-84
    5.3.2 路由表设计与建立  84-85
    5.3.3 路由策略  85-89
    5.3.4 功能分析  89-90
    5.3.5 性能评价  90-91
    5.3.6 实验仿真  91-94
  5.4 基于球面坐标系的覆盖网络拓扑生成机制  94-99
    5.4.1 基本原理  95-97
    5.4.2 基于球面坐标系的CAN拓扑生成机制  97-99
  5.6 小结  99
  参考文献  99-102
第六章结束语  102-105
  6.1 论文工作总结  102-103
  6.2 进一步的研究工作  103-105
相关术语及缩略语  105-106
致谢  106-107
攻读学位期间发表或已录用的学术论文  107-108

基于网络坐标的覆盖网络路由机制研究

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